Wpływ czynników zewnętrznych na obciążalność kabli

Transkrypt

1 Wpływ czynników zewnętrznych na obciążalność kabli Wybrane zaganienia Franciszek Spyra ZPBE Energopomiar Elektryka Gliwice Wstęp W artykule przestawiono wpływ czynników zewnętrznych na obciążalność kabli. Wykorzystano w nim problemy jakie wystąpiły po oaniu o eksploatacji w jenym z zakłaów przemysłowych linii kablowych o buowy których użyto kabli jenożyłowych o izolacji polwinitowej na napięcie znamionowe 3,6/6 kv. Buowa linii Kable ułożono w szczelnych korytkach kablowych wykonanych z ocynkowanej blachy stalowej, umieszczonych w przestrzeni otwartej, bez jakiejkolwiek osłony prze ziałaniem promieni słonecznych. W części linii kable ułożone były w kanale kablowym oraz bezpośrenio w ziemi. Na zejściach z konstrukcji wsporczej kable chronione były prze uszkozeniami mechanicznymi zamkniętą obuową z blachy stalowej, rurami z tworzywa sztucznego nałożonymi na pojeyncze kable oraz oatkowo na pewnym ocinku przepustami z tego samego tworzywa co rury ochronne. Na zakończeniach rury ochronne i przepusty uszczelnione były pianką. Na jenym z zejść kable i osłona z blachy były usytuowane w kierunku połuniowo-wschonim, i tak ułożone, że promienie słoneczne paały na nie po kątem prostym. Na rysunkach 1, 2 i 3 przestawiono sposób ułożenia kabli. Rys. 1 Ułożenie kabli w korytku Rys. 2 Zejście kabli z konstrukcji wsporczej 1/6

2 kabel Pierwsza osłona kabel Druga osłona Osłona z tworzywa sztucznego Osłona jako przepust Rys. 3 Wyjście kabli z przepustów W projekcie linii kablowej o określenia opuszczalnej obciążalności kabli przyjęto wartość prąu poaną la kabli ułożonych w powietrzu - wg [1]. Ze wzglęu na ułożenie rugiego toru linii w tym samym korytku przyjęto współczynnik korekcyjny 0,80, a la oszacowanej temperatury +40 o C współczynnik 0,81. Nie uwzglęniono faktu, że w warunkach letnich powierzchnia korytka nagrzeje się o temperatury wyższej o 40 C, a w miejscu zejścia kabli z konstrukcji wsporczej oprowazane ciepło musi pokonać oatkowo opór cieplny osłony, przepustu i kilku warstw powietrza. Dopuszczalne obciążenie kabla Obciążenie kabla uwarunkowane jest graniczną temperaturą żyły roboczej. Dla kabli o izolacji polwinitowej wynosi ona 70 C. Z zależności [2] poanej poniżej można wyliczyć wartość prąu ługotrwałego obciążenia kabla. I ( S2 + S3 + S4 + S5 + S6 + S7 ) WK S R( S + S + S + S + S + S + S ) t Wżp 7 W S7 = (1) gzie: I prą w żyle roboczej [A], t różnica temperatury mięzy żyłą roboczą a temperaturą ściany osłony metalowej, W żp - ciepło wyzielane w żyle powrotnej [W/m], 2/6

3 W k strumień ciepła pochozący o pozostałych wóch żył [W/m], W strumień ciepła pochozący z rugiego toru linii [W/m], R opór omowy 1 m żyły roboczej kabla [Ω/m], S 1 opór cieplny izolacji [K.m/W], S 2 opór cieplny powłoki kabla [K.m /W], S 3 opór cieplny warstwy powietrza mięzy powłoką kabla a rurą osłonową kabla [K.m/W] S 4 opór cieplny rury osłonowej kabla [K.m /W], S 5 opór cieplny powietrza mięzy rurą osłonową kabla a rurą przepustu [K.m/W], S 6 opór cieplny rury przepustu [K.m/W], S 7 opór cieplny mięzy rurą przepustu a osłoną metalową kabli [K.m/W]. We wzorze nie poano oporu cieplnego powietrza na zewnątrz osłony metalowej ze wzglęu na jego w tym przypaku minimalny wpływ na obciążalność kabla. Z przekształcenia wzoru (1) otrzymuje się zależność temperatury żyły roboczej o obciążenia i temperatury otoczenia: t = I 2 R(S 1 +S 2 +S 3 +S 4 +S 5 +S 6 +S 7 ) + W żp (S 2 +S 3 +S 4 +S 5 +S 6 +S 7 ) + W k S 7 + W S 7 (2) Oznaczając straty w żyle roboczej jako W r W r =I 2 R (3) oraz t = t żyły - t zew (4) Otrzymany: t żyły = W r (S 1 +S 2 +S 3 +S 4 +S 5 +S 6 +S 7 ) + W żp (S 2 +S 3 +S 4 +S 5 +S 6 ) + W k S 7 + W S 7 + t zew (5) Straty w żyle roboczej wylicza się z zależności: W r 2 = I R [W/m] (6) gzie: I prą żyły roboczej [A], R opór żyły roboczej ługości 1 m w temperaturze pracy [Ω/m] Straty w żyle powrotnej wylicza się z zależności: W żp = I 2 R [W/m] (7) żp żp gzie: I żp prą płynący w żyle powrotnej [A], R żp opór żyły powrotnej na ługości 1 m w temperaturze pracy [Ω/m]. Na rys. 4 przestawiono schematycznie przepływ strumienia ciepła o żyły roboczej o otoczenia [3]. 3/6

4 Temperatura żyły Straty w żyle roboczej S 1 Opór cieplny izolacji Straty w żyle powrotnej S 2 Opór cieplny powłoki kabla S 3 Opór cieplny powietrza S 4 Opór cieplny rury osłonowej kabla t S 5 Opór cieplny powietrza S 6 Opór cieplny rury przepustu kabla Straty o pozostałych wóch żył Straty o rugiego toru linii S 7 Opór cieplny powietrza Temperatura osłony metalowej Rys. 4 Przepływ ciepła mięzy żyłą roboczą a otoczeniem Z poanej zależności (2) wynika warunek oprowazenie ciepła z żyły roboczej kabla. Temperatura żyły roboczej musi być wyższa o temperatury osłony metalowej powiększona o spaki temperatury na poszczególnych elementach izolacyjnych. Wartość oporu cieplnego poszczególnych elementów kabla i osłon można wyliczyć z niżej poanej zależności : a S = ln (8) b gzie: S opór cieplny [K.m/W], - oporność cieplna właściwa [K.m/W], a śrenica zewnętrzna anego elementu, b śrenica wewnętrzna. 4/6

5 Całkowity opór cieplny kabla i jego elementów osłonowych wynosi: gzie: S = 1 ln + ln + ln + ln + ln + ln + ' oporność cieplna właściwa [K.m/W], 1 polwinitu izolacyjnego, 2 polwinitu oponowego, 3 powietrza, 4 tworzywa osłony (np. polietylenu, polwinit), 5 tworzywa przepustu, 1 śrenica żyły roboczej kabla, 2 śrenica na izolacji kabla, 2 śrenica na żyle powrotnej kabla, 3 śrenica zewnętrzna kabla, 4 śrenica wewnętrzna osłony kabla, 5 śrenica zewnętrzna osłony kabla, 6 śrenica wewnętrzna przepustu, 7 śrenica zewnętrzna przepustu, S 7 opór cieplny powietrza mięzy przepustem a osłoną metalową. Sposób jego wyliczenia można znaleźć w [3]. W tablicy 1 poano oporność cieplną właściwą la niektórych materiałów izolacyjnych i osłonowych. Tabela 1 Materiał Oporność cieplna właściwa K.m/W Polwinit 6,0 Polietylen 3,5 Guma 5,0 Izolacja z papieru nasyconego 6,0 Beton 1,0 Kamionka 1,2 S 7 (9) Analiza przestawionych materiałów W rozważanej linii kablowej (przypaek zaczerpnięty z praktyki zawoowej) popełniono wa zasanicze błęy: a) umieszczenie kabli w zamkniętych hermetycznie korytkach, poawanych pełnemu nasłonecznieniu, b) usytuowanie zejść kabli z konstrukcji wsporczych o strony połuniowo-wchoniej i w oatku po takim kątem, że promienie słoneczne paają prostopale na górną powierzchnię osłony metalowej. Doatkowo w miejscu tym na pewnym ocinku na poszczególne kable nałożono osłony w postaci rur z tworzywa sztucznego i umieszczono w przepustach. Głównie w tym miejscu koncentrowały się uszkozenia kabli. Umieszczenie kabli w hermetycznie zamkniętych, nie perforowanych korytkach, spowoowało, że kable pracowały w warunkach w których oawanie ciepła obywało się głównie przez promieniowanie, gyż barzo uża oporność cieplna powietrza utruniała 5/6

6 oawanie ciepła przez przewozenie. Ze wzglęu na nie użą wysokość korytka, oawanie ciepła przez konwekcję było małe. Również i w tym miejscu koncentrowały się uszkozenia kabli, z czego co najmniej jeno wystąpiło w zaporze ogniowej w korytku (rys.5). Rys.5. Miejsce uszkozenia kabla w zaporze ogniowej Kable oano o eksploatacji jesienią. Pierwsze uszkozenia wystąpiły w miesiącach letnich następnego roku. W następnych miesiącach jesiennych i zimowych kable pracowały bezawaryjnie. W kolejnym roku, w miesiącach silnego nasłonecznienia, awarie ponownie się nasiliły. Zaskoczeniem la służb eksploatacji był fakt, że pomimo barzo małego obciążenia temperatura żył kabli mogła przekroczyć opuszczalną temperaturę pracy ługotrwałej, tj. 70 C. Jak już poprzenio wykazano (5) oprowazenie ciepła z żyły kabla może nastąpić, gy jej temperatura powiększona o spaki temperatury na elementach izolacyjnych i osłonowych bęzie wyższa o temperatury ostatniego elementu osłonowego. W tym przypaku bęzie to temperatura zewnętrznej osłony metalowej. W kontrolnych pomiarach stwierzono, że temperatura ta przekroczyła 60 C. Prawopoobnie nie była to temperatura najwyższa jaka na tej osłonie wystąpiła. Doając o niej spaki temperatury na poszczególnych elementach osłonowych i izolacyjnych uzyskamy, że temperatura żyły, a tym samym izolacji, przekroczyła temperaturę opuszczalną. Posumowanie Projektując buowę linii kablowej, a w szczególności ułożenie kabli, należy przy oborze ich obciążenia prąowego brać po uwagę rzeczywiste warunki pracy kabli, tj. warunki oprowazenie ciepła powstałego w wyniku strat, temperaturę otoczenia, przewietrzanie otoczenia kabla, oziaływanie promieni słonecznych, sposób ułożenia w ziemi piasek, betonit, przykrycie folią, - rezystywność gruntu. Nie należy bezkrytycznie pochozić o współczynników reukcyjnych poawanych w tabelach różnych opracowań. Wskazanym jest korzystać z informacji zawartych w normach [4] i [5]. Literatura [1] PBUE rozział Warunki techniczne oboru przewoów i kabli o obciążeń prąem elektrycznym. [2] Ryszar Włoarski, Jerzy Bucholc, Linie kablowe barzo wysokich napięć. Projektowanie i buowa. [3] L. Reinhol, R. Stubbe. Kabel un Leitungen für Starkstrom. [4] IEC Electric cables Calculation of the current rating. [5] PN-IEC Instalacje elektryczne w obiektach buowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Obciążalność ługotrwała przewoów. 6/6