166. Термодинамические процессы, происходящие в проводах и кабелях электрических сетей при протекании по ним тока: нагревание и охлаждение проводов.

Нагревание и охлаждение кабеля

При изменении тока нагрузки или условий охлаждения кабеля температура его изменяется. Весь процесс нагревания происходит в три стадии. Первая стадия - переходный режим, при котором зависимость температуры от времени выражается суммой экспоненциальных функций. Этот режим длится, как правило, всего несколько десятков секунд. Вторая стадия - регулярный режим, наступающий через несколько минут после начала процесса. При нагреве или охлаждении кабеля экспоненты высших порядков становятся весьма малыми и уравнение нагрева выражается простой экспоненциальной функцией

где t_уст - установившаяся температура, °С; τ - βремя нагрева °С; Г - постоянная времени - время, необходимое для нагрева кабеля до максимально допустимой температуры, соответствующей нормальному току нагрузки цри отсутствии отдачи тепла в окружающую среду.

Нагрев кабеля происходит тем медленнее, чем больше постоянная времени Т, и наоборот. Постоянная времени для кабелей, прокладываемых в воздухе, а для кабелей, прокладываемых в земле, где с_ж, с_из, с_из и с_покр - удельные теплоемкости жилы, изоляции, оболочки и защитных покровов (табл. 4-1).

При одинаковой теплоотдаче с поверхности токопроводящей жилы нагрев происходит тем медленнее, чем больше теплоемкость кабеля. Поэтому кабель, имеющий малую теплоемкость, нагревается быстрее, чем кабель, обладающий большой теплоемкостью, при одинаковых условиях теплоотдачи.

Третья стадия - стационарное состояние (установившийся режим) кабеля, при котором температура во всех точках его со временем не изменяется. Однако во время работы нагрузка может периодически изменяться. Если генерируемое в кабеле тепло больше отводимого, то кабель нагревается и его температура повышается. Если же потери в окружающую среду превышают выделение тепла, то кабель охлаждается и его температура понижается.

Изменение температуры кабеля, проложенного в земле, иногда продолжается в течение нескольких недель после включения кабеля под нагрузку. Если продолжительность нагрева невелика, то можно применять приближенные методы расчета, основанные на предположении, что температура оболочки равна температуре грунта. Если это время достаточно велико, то скорость нагревания кабеля определяется в основном тепловой инерцией грунта, а теплоемкость кабеля играет несущественную роль. При прерывистой нагрузке, когда кабель подвергается охлаждению, максимальная температура нагрева достигается при более высокой нагрузке.

Повышение температуры выше допустимых значений ведет к химическому разложению бумажной изоляции и резкому снижению ее механической прочности. Разложение непропитанной кабельной бумаги в воздухе начинается при температуре выше 130°С. Разложение пропиточного масло-канифольного состава в воздухе начинается при температуре 175°С, а возгорание его паров происходит при температуре 325°С. При длительном нахождении кабеля при повышенной температуре изоляция кабеля становится хрупкой. На величину пробивного напряжения это увеличение хрупкости не влияет, но при перегибах или передвижении кабеля хрупкая изоляция легко повреждается, в результате чего может произойти ее пробой.

П ластмассы и резина при повышении температуры выше рабочей размягчаются, а при дальнейшем ее повышении плавятся. С увеличением температуры диэлектрические потери в изоляции возрастают примерно по экспоненциальной зависимости. Поэтому в кабелях на напряжение 110 кв и выше диэлектрические потери не только ограничивают допустимый ток нагрузки, но могут привести к тепловому пробою. Диаграмма тепловой неустойчивости одножильного кабеля представлена на рис. 4-6. По оси абсцисс отложена температура оболочкой кабеля Т_об, а по оси ординат - суммарные потери в жиле, изоляции, оболочке и броне, а также потери, отводимые от оболочки в окружающую среду р. Кривая на рис. 4-6 соответствует зависимости суммарных потерь в кабеле от температуры. Точка а на кривой соответствует устойчивому тепловому режиму нагревания оболочки до температуры Т₁. При случайном увеличении температуры оболочки кабеля теплоотдача возрастает быстрее, чем происходит выделение тепла, и температура оболочки возвращается в исходное состояние (Т). Ори случайном уменьшении температуры оболочки выделение тепла возрастает сильнее теплоотдачи и температура оболочки принимает исходное значение.

Точка б (нагревание оболочки до температуры Т₂) соответствует неустойчивому тепловому режиму. Если прямая 2 касается кривой T, то точка в является точкой неустойчивого равновесия, и такое расположение является критерием возможного перехода кабеля к тепловому пробою. Наступает это из-за увеличения внешнего теплового сопротивления по сравнению с расчетным до величины, соответствующей тепловому пробою (на рис. 4-6 увеличивается tgα), увеличения температуры окружающей среды Го сравнительно с расчетной (прямая 2 смещается вправо) и увеличения тока нагрузки сравнительно с нормальным (кривая смещается вверх). Для построения Диаграммы тепловой неустойчивости кабеля задаются несколькими значениями температуры жилы при заданной нагрузке кабеля и, разделив изоляцию на п слоев, строят кривую тепловыделения в кабеле в зависимости от температуры оболочки.