Analysis of the insulated self-supporting conductor obstacle
- Authors: Bubenchikov A.A.1, Bubenchikova T.V.1
-
Affiliations:
- Omsk State Technical University
- Issue: No 4 (2023)
- Pages: 153-160
- Section: POWER INDUSTRY
- Published: 01.12.2023
- URL: https://vestnikugrasu.org/byusu/article/view/635215
- DOI: https://doi.org/10.18822/byusu202304153-160
- ID: 635215
Cite item
Full Text
Abstract
Subject of research: In this paper, the analysis of the heterogeneity of current-conducting wires is carried out.
Purpose of research: consideration of the need to take into account the design of a self-supporting insulated wire, namely the method of setting current-conducting cores in the form of a single core or a family of wires.
Methods and objects of research: simulation of thermal processes occurring in a self-supporting insulated wire in the form of a single core and a wire family is carried out with the help of the software package ELCUT. When set in the form of a wire family, the modes of asymmetric load of the wire are also considered.
Main results of research: analysis of cross-section temperature distribution, insulation and consideration of the heating of the outer wires showed that the influence of the adjacent phases is negligible. It is found that taking into account the real constructive state of the conductor has little influence on the temperature distribution along the cross section of the wire at a frequency of 50 Hz.
Keywords
Full Text
Введение
Современная электроэнергетика растёт огромными темпами. Происходит постоянный рост электропотребления. При значительном росте электропотребления необходимо учитывать и увеличивающиеся потери. Для более точного определения потерь требуется учитывать температуру проводников и различные климатические факторы, в том числе и при процедуре расчёта установившихся режимов [1–5]. Температура проводника зависит от величины протекающего тока; температуры окружающей среды; силы и угла атаки ветра; интенсивности солнечного излучения, влажности и т. д.
В настоящее время повсеместное распространение получают самонесущие изолированные провода, которые состоят из токоведущих жил и нулевой жилы, покрытых изоляцией из сшитого полиэтилена. Расчет потерь в таких проводах осложняется тепловыми процессами в изоляции и теплообменом между фазами. В работах [6, 7] были рассмотрены метод расчета потерь и процесс задания провода, в котором токоведущая жила задавалась как цельный однородный проводник. Представляет интерес влияние геометрии токоведущей и нулевой жилы на процессы тепловыделения и потери в проводе.
Для учета влияния геометрии были созданы модели токоведущей и нулевой жилы в соответствии с ГОСТ [8], где они представлены в виде семейства проволок различного диаметра и количества (рисунок 1).
Рисунок 1 – Исполнение токоведущей жилы в соответствии с ГОСТ
Результаты и обсуждение
Для моделирования процесса теплообмена между окружающей средой и проводником был выбран провод СИП 2 3х120-1х95. Каждая токоведущая жила провода состоит из 19 (d=3 мм), а нулевая жила из 7 (d=4,5 мм) проволок. Токоведущие и нулевая жилы покрыты изоляцией. При моделировании СИП в программе ELCUT [9] были введены следующие допущения:
- Воздушное пространство вокруг проводов не задавалось. Наличие ветра учитывалось коэффициентами теплоотдачи конвекцией.
- Угол соприкосновения проволок составляет 43°, что наиболее точно соответствует реальной геометрии провода.
- Угол соприкосновения фазных проводов составляет 9° [10].
- Скорость ветра 1 м/с.
- Атмосферное давление 101 кПа.
- Коэффициент, характеризующий угол атаки ветра – 0,5.
- Коэффициент черноты поверхности провода – 0,8.
Для моделирования тепловых процессов были определены следующие параметры (таблица 1).
Таблица 1
Параметры материалов провода СИП-2 3×120 1×95
Наименование | Материал исполнения | Коэффициент теплопроводности, Вт/(м °С) |
Токопроводящая жила | алюминий | 244 |
Несущий провод | сплав алюминиевый | 143 |
Изоляция | светостабилизированный сшитый полиэтилен | 0,38 |
Воздух | - | 0,0253 |
На первом этапе были рассмотрены токоведущая и нулевая жилы без учета взаимного влияния. Параметры заданного режима представлены в таблице 2. На основе метода конечных элементов в программном комплексе ELCUT были получены следующие картины распределения температуры и градиент температуры провода (рисунки 1 и 2).
Объемные плотности тепловыделения для токоведущей жил и нулевого провода определялись по формуле (1). Расчет проводился без учета зависимости электрического сопротивления от температуры.
, (1)
где – ток, протекающий по проводнику;
– сопротивление проводника при температуре 20°C;
– площадь поперечного сечения токоведущей жилы или нулевого провода.
Конвективный теплообмен может быть двух видов – естественный и искусственный (вынужденный). Коэффициент конвективного теплообмена на границе воздушного пространства и изоляции провода рассчитывается по формуле (2)
(2)
где – коэффициент, учитывающий угол атаки ветра
– атмосферное давление;
– абсолютная температура окружающей среды;
– внешний диаметр провода.
Первый расчет произведем для случая вынужденной конвекции. Для фазного провода при скорости ветра 1 м/с:
Вт/К·м2
Для фазного нулевого провода при скорости ветра 1 м/с:
Вт/К·м2
Таблица 2
Параметры фазного проводника
Ток, А | Объемная плотность тепловыделения, Вт/м3·104 | Количество проволок, шт |
300 | 34,389 | 19 |
Результаты моделирования фазного проводника приведены на рисунках 2 и 3.
Рисунок 2 – Распределение температуры по сечению провода
Рисунок 3 – Градиент температуры по сечению провода
Аналогичные операции были проведены и с нулевым проводом при следующих параметрах (таблица 3).
Таблица 3
Параметры нулевого провода
Ток, А | Объемная плотность тепловыделения, Вт/м3·104 | Количество проволок, шт |
300 | 34,389 | 7 |
Результаты моделирования нулевого провода приведены на рисунках 4 и 5.
Рисунок 4 – Распределение температуры по сечению нулевой жилы
Рисунок 5 – Градиент температуры по сечению нулевой жилы
Распределение температуры по сечению провода и градиент температуры в проводе совпадает с аналитическими расчетами, произведёнными в работе [6]. Откуда можно сделать вывод, что при расчете температуры провода жилы можно считать цельнометаллическими и не учитывать число проволок.
На втором этапе важно было определить влияние токоведущих жил друг на друга и на распределение температуры по проволокам жил провода. Для этого была выбрана четырехпроводная система СИП-2 3×120 1×95 и определены картины распределения температуры и градиента. Неравномерность нагрузки задавалась следующими параметрами (таблица 4).
Таблица 4
Параметры несимметричного режима
Ток в жилах, А | |||
Фаза A | Фаза B | Фаза C | нулевой провод |
100 | 200 | 400 | 300 |
Объемная плотность тепловыделения фаз определялась по формуле (1). Результаты расчета представлены в (таблица 5).
Таблица 5
Объемные плотности тепловыделения
Объемная плотность тепловыделения, Вт/м3·104 | |||
Фаза A | Фаза B | Фаза C | нулевой провод |
2,1083 | 8,4333 | 33,733 | 34,389 |
Результаты расчета конвекции для фазного и нулевого провода сведены в таблице 6.
Таблица 6
Коэффициент теплоотдачи конвекцией αk, Вт/К· м2
| αk, Вт/К· м2 |
Токоведущие жилы | 19,088 |
Нулевой провод | 19,791 |
В результате моделирования была получена картина поля. Для анализа взаимного влияния температурных полей при заданной нагрузке были выбраны плоскости А-О, В-О и С-О (рисунок 6).
Рисунок 6 – Картина поля и плоскости распределения температуры
Рисунок 7 – Распределение температуры по сечению А-0
Рисунок 8 – Распределение температуры по сечению В-0
Рисунок 9 – Распределение температуры по сечению С-0
Заключение и выводы
Анализ распределения температуры по сечению, изоляции и учет нагрева крайних проволок показали, что влияние соседних фаз проявляется в незначительной мере. Нагрев токоведущей жилы и градиент температуры в сечении провода отличается от расчета [6] всего на 7 %, и не вносит в расчеты температуры значительной погрешности.
About the authors
Anton A. Bubenchikov
Omsk State Technical University
Author for correspondence.
Email: privetomsk@mail.ru
Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor
Russian Federation, OmskTatyana V. Bubenchikova
Omsk State Technical University
Email: privetomsk@mail.ru
Аssistant
Russian Federation, OmskReferences
- Васьковская, А. В. Определение максимально допустимого перетока активной мощно-сти в сечении с учетом тепловых режимов линий электропередачи / А. В. Васьковская, А. О. Шепелев, Е. Ю. Шепелева. –Текст : непосредственный // Вестник Югорского госу-дарственного университета. – 2023. – № 1(68). – С. 131–138. – doi: 10.18822/byusu202301131-138
- Петрова, Е. В. Оценка влияния солнечной радиации на нагрузочные потери активной мощности в высокотемпературных и самонесущих изолированных проводах линий электропередачи / Е. В. Петрова. – Текст : непосредственный // Известия Транссиба. – 2019. – № 3(39). – С. 134–145.
- Воротницкий, В.Э. Оценка погрешностей расчета потерь электроэнергии анализ неучё-та метеоусловий / В.Э. Воротницкий, О.В. Туркина // Электрические станции. – 2008. – № 210. – С. 42–49.
- Герасименко, А. А. Комплексный учет режимно-атмосферных факторов в расчете ак-тивного сопротивления и потерь электроэнергии в ЛЭП / А. А. Герасименко, Г. С. Ти-мофеев, И. В. Шульгин. – Текст : непосредственный // Оптимизация режимов работы электрических систем. – Красноярск, 2008. – С. 232–245.
- Левченко, И. И. Нагрузочная способность и мониторинг воздушных линий электропе-редачи в экстремальных погодных условиях / И. И. Левченко, Е. И. Сацук. – Текст : непосредственный // Электричество. – Москва, 2008. – С. 2–8.
- Гиршин, С. С. Анализ распределения температуры по сечению самонесущих изолиро-ванных проводов / С. С. Гиршин, А. А. Бубенчиков, В. Н. Горюнов, А. А. Левченко, Е. В. Петрова. – Текст : непосредственный // Омский научный вестник. – Омск, 2009. – № 3 (83). – С. 171–175.
- Бубенчиков, А. А. Исследование потерь электрической энергии в четырехпроводной системе самонесущих изолированных проводов на основе расчета тепловых полей ме-тодом конечных элементов // А. А. Бубенчиков, С. С. Гиршин, А. Г. Янишевская, В. Т. Черемисин. – Текст : непосредственный / Омский научный вестник. – 2012. – № 1 (107). – С. 189–191.
- Национальный стандарт Российской Федерации: ГОСТ Р 52373-2005. Провода самоне-сущие изолированные и защищенные для воздушных линий электропередачи [Текст]: нормативно-технический материал. – Москва: [б.и.], 2005. – 23 с.
- ELCUT Новый подход к моделированию полей. – URL: http://elcut.ru (дата обращения 22.03.2016). – Текст : электронный.
- Бубенчиков, А. А. Расчет температуры и потерь электрической энергии в самонесущих изолированных проводах воздушных линий электропередачи электроэнергетических систем: автореф. … дис. канд. техн. наук: 05.14.02 / А. А. Бубенчиков. – Текст : непо-средственный // ОмГТУ. – М., 2012. – 20 с.
Supplementary files
![](/img/style/loading.gif)