Анализ влияния высших гармонических составляющих на безотказность электроизоляционных покрытий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ влияния высших гармонических составляющих на безотказность электроизоляционных покрытий

Довженко Сергей Викторович,

аспирант.

Липецкий государственный технический университет.

Электрохимический пробой изоляции происходит по причине протекания химических реакций в изоляционном слое, скорость которых увеличивается при подведении дополнительной тепловой энергии. Отказ, вызванный изменением ресурса изоляции, относят к постепенным. Существующие методики расчета не учитывают особенности геометрии проводников и изоляции, что приводит к значительным погрешностям при определении параметров безотказности.

В токоведущих элементах линий электропередачи из-за наличия активного сопротивления происходят потери энергии, которая рассеивается в виде тепла. Предлагается дополнительно учитывать увеличение сопротивление каждой фазы кабельной линии электропередачи с учетом скин-эффекта.

;(1)

;(2)

,(3)

где _se - толщина токопроводящего слоя, мм [6]; с - скорость света в вакууме, 310⁸, м/с; f - частота сети, Гц; r₀ - удельное сопротивление проводникового материала; ₀ = 8,8510^-12, Кл²/(Нм²); - номер гармоники; s - площадь поперечного сечения проводника; K - коэффициент увеличения сопротивления на -той гармонике.

С учетом (1)-(3) определяется значение тепловой мощности, выделяющейся в материале проводника и изоляционном материале соответственно

;(4)

,(5)

где R_пр - сопротивление проводникового материала, Ом; - тангенс угла диэлектрических потерь на частоте гармоники с номером ; С - электрическая емкость образца.

Для определения мощности тепловыделения в изоляционных материалах кабельной линии необходимо знать значения частичных емкостей (рис. 1). Учитывая, что силовой кабель является симметричной системой, численные значения определяются по выражению [7]

(6)

где С₁₀ - частичная емкость между фазным проводником и металлическим экраном; С₁₂ - частичная емкость между фазными проводниками; r₁ - радиус токопроводящей жилы; ₁ - толщина фазной изоляции; r₂ - радиус защитных покровов; а - расстояние между центрами окружностей и токопроводящей жилой.

электрохимический пробой изоляция энергия

Рис. 1. Поперечная схема замещения кабельной линии: а - напряжением выше 1 кВ; б - напряжением до 1 кВ. 1 - фаза кабеля; 2 - заземленная металлическая оболочка.

Выделяемая тепловая энергия может быть поглощена окружающим атмосферным воздухом и элементами конструкций. Существует три способа передачи тепловой энергии: излучение, конвекция, теплопроводность.

Для создания расчетной модели предлагается использовать программный комплекс ElCut 5.4. Процесс моделирования состоит из трех основных этапов: создание геометрической модели системы, определение путей передачи тепловой энергии, запись коэффициентов теплопередачи. Модель для трехжильного кабеля с поливинилхлоридной изоляцией представлена на рис. 2.

Для определения характеристик теплопередачи предполагается, что отдача тепловой энергии с поверхности фазным проводов происходит путем теплопроводности, а с поверхности внешней оболочки - всеми тремя возможными способами теплопередачи.

На основании изложенного выше, произведен расчет распределения температуры в изоляционной конструкции кабеля АВВГ 3х50, питающего группу частотных преобразователей. Величина тока, протекающего в нормальном режиме работы оборудования, по результатам измерений составляет 224, А.

Исходными данными являются радиусы фазных проводов, геометрические размеры изоляции, коэффициент теплопроводности материалов K_tep, Вт/(м К), удельная теплоемкость материалов, кДж/(кг К) [8].

Тепловая мощность источника энергии характеризуется объемной плотностью мощности тепловыделения. Ее значение определяется по следующим выражениям:

;(7)

,(8)

где q и q_ins - объемные плотности мощности тепловыделения в фазном проводе и изоляции; l - длина кабеля.

Подставляя в (7 и (8) установленные числовые значения, получим следующие результаты, которые сведены в табл. 1.

Таблица 1. Объемные плотности тепловыделения.

Диаграмма распределения температур в поперечном сечении кабельной линии представлена на рис. 2

Расчет проводился для контура А-В (рис.2) при температуре окружающей среды 298, К. Максимальная разность температур во внутреннем слое изоляции в случае наличия в сети высших гармоник тока и напряжения достигает 11,4, К. Максимальная величина дополнительного нагрева кабеля составляет 2,7, К. На основании предложенной методики рассчитаны численные значения приращения температуры внутренней изоляции кабелей различного сечения при наличии в сети высших гармоник. Результаты расчетов сведены в табл. 2

Рис. 2. Геометрическая модель кабеля АВВГ и диаграмма распределения температур: 1 - фрагмент модели; 2 - фазный провод; 3 - внутренняя изоляция; 4 - оболочка; 5 - окружающие кабель объекты; 6 - атмосферный воздух.

Таблица 2. Значения приращения температуры кабелей.

Срок службы определяется уравнением Аррениуса [10].

;(9)

,(10)

где V_cr - скорость протекания химических реакций в диэлектрике; _сл - срок службы изоляции; К - поправочный коэффициент, зависящий от типа материала диэлектрика; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура изоляции.

Отношение сроков службы изоляции при различных температурах равно7

,(11)

где Т - величина приращения температуры, вызывающей сокращение срока службы изоляции в 2 раза.

Значение этого коэффициента можно приближенно определить по таблице 3 в зависимости от класса изоляции [11]

Таблица 3. Значение коэффициента Т.

Для сохранения срока службы при наличии высших гармоник в сети необходимо снижение тока в проводнике. Если предположить, что с уменьшением тока частотный спектр остается неизменным, то с учетом (6) получим следующее соотношение токов:

.(12)

Если пренебречь поверхностным эффектом, то (16) примет вид

.(13)

Предложенная методика позволяет определить уровень безотказности электрооборудования в зависимости от характеристик спектра высших гармоник в системе электроснабжения и учитывать изменение ресурса при проектировании электрических сетей. Возможно проведение оценки ресурса не только кабельных линий электропередачи, но и любого силового электрооборудования, имеющего электроизоляционные элементы. Приведенная модель в значительной степени повышает точность определения надежности изоляционных конструкций.

Литература

1. Баскин, Э.М. Оценка остаточного ресурса полиэтиленовых (XLPL) изолирующих кабелей, находящихся в эксплуатации/ Э.М. Баскин// Электротехника. - 2004. - №2. - С.33-35.

2. Гиберт, Д. П. Надежность электрической изоляции/ Д. П. Гиберт - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2006. - 61 с.

3. Киреева, Э.А. Справочник электрика/ Э.А. Киреева, Л.В. Гусев, А.Г. Харитон. - М.: Колос, 2008. - 464 с. Кузнецов, Н.Л. Надежность электрических машин/ Н.Л. Кузнецов. - М: Изд-во МЭИ, 2006. - 432 с.

4. Пашков, В.Н. Обеспечение эффективности функционирования систем электроснабжения листопрокатных производств с негативными возмущающими факторами: Дисс. канд. техн. наук, специальность 05.09.03 - Липецк: ЛГТУ, 2004.

5. Середкин, О.А. Обеспечение эффективности функционирования электрических систем листопрокатного производства: Дисс. канд. техн. наук, специальность 05.09.03 - Липецк: ЛГТУ, 1999.

6. Яворский, Б.М. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов / Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. - М.: Наука, 1974. - 944 с.

7. Шпиганович, А.Н. Внутризаводское электроснабжение и режимы / А.Н. Шпиганович, К.Д. Захаров. - Липецк: ЛГТУ, 2007. - 742 с.

8. Штиллер, В. Уравнение Аррениуса и неравновесная кинетика/ В. Штиллер. - М.: Мир, 2000. - 176 с.

9. Электротехнический справочник: Том 1/ под ред. П.Г. Грудинского, М.Г. Чиликина. - М.: Энергия, 1971. - 880 с.

10. ГОСТ 10518-88. Системы электрической изоляции. Общие требования к методам ускоренных испытаний на нагревостойкость.

Размещено на Allbest.ru