Влияние толщины изоляции защищенных проводов высоковольтных ЛЭП на их пропускную способность по току

Разработана методика определения оптимальной толщины полиэтиленовой сшитой и оксидной изоляции для обеспечения наименьшего теплового сопротивления теплопередаче защищенных и неизолированных проводов. Обоснована применимость разработанной методики для оптимизации толщины изоляции защищенных проводов...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2018
Hauptverfasser:	Беспрозванных, А.В., Золотарев, В.М., Антонец, Ю.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2018
Schriftenreihe:	Електротехніка і електромеханіка
Schlagworte:	Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/149335
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Влияние толщины изоляции защищенных проводов высоковольтных ЛЭП на их пропускную способность по току / А.В. Беспрозванных, В.М. Золотарев, Ю.А. Антонец // Електротехніка і електромеханіка. — 2018. — № 2. — С. 41-46. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-149335
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1493352025-02-09T14:45:23Z Влияние толщины изоляции защищенных проводов высоковольтных ЛЭП на их пропускную способность по току Effect of the thickness of insulation of protected wires of high-voltage overhead transmission lines to their current carrying capacity Беспрозванных, А.В. Золотарев, В.М. Антонец, Ю.А. Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка Разработана методика определения оптимальной толщины полиэтиленовой сшитой и оксидной изоляции для обеспечения наименьшего теплового сопротивления теплопередаче защищенных и неизолированных проводов. Обоснована применимость разработанной методики для оптимизации толщины изоляции защищенных проводов напряжением 20 кВ. Показана возможность повышения пропускной способности по току защищенных проводов на 20 % по сравнению с неизолированными проводами за счет оптимизации толщины их изоляции. Установлено, что внутренний перепад температуры в сшитой полиэтиленовой изоляции на порядок меньше в сравнении с оксидной изоляции при одинаковых значениях тангенса угла диэлектрических потерь. Розроблено методику визначення оптимальної товщини поліетиленової зшитою і оксидної ізоляції для забезпечення найменшого теплового опору теплопередачі захищених і неізольованих проводів. Обґрунтовано можливість застосування розробленої методики для оптимізації товщини ізоляції захищених проводів напругою 20 кВ. Показано можливість підвищення пропускної здатності за струмом на 20 % захищених проводів в порівнянні з неізольованими дротами за рахунок оптимізації товщини їх ізоляції. Встановлено, що внутрішній перепад температури в зшитій поліетиленовій ізоляції на порядок менше в порівнянні з оксидною ізоляції при однакових значеннях тангенса кута діелектричних втрат. Introduction. The main direction of technical policy in the design, construction and technical re-equipment of transmission lines is the modernization of electrical networks and increase their energy efficiency in order to increase the throughput and reliability. Problem. Existing calculation methods do not take into account the influence of insulation thickness on the long-term current load of the wires according to the values of the maximum permissible working temperature of the conductors. Purpose. The investigation of the influence of insulation thickness of the protected wires of high-voltage electric transmission lines on their current carrying capacity. Methodology. The long operating temperature of the wire when the rated load current flows is determined based on the heat balance equation. Results. A method has been developed for determining the optimum thickness of polyethylene cross linked and oxide insulation to provide the lowest thermal resistance to the heat transfer of protected wires, the use of which allows increasing the current carrying capacity by 20 % compared to bare wires. It is shown that the internal temperature drop in cross linked polyethylene insulation is an order of magnitude smaller in comparison with the oxide insulation at identical values of the dielectric loss tangent. Originality. The calculations take into account the presence on the surface of a non-insulated aluminum conductor of a natural dense film based on aluminum oxide, which protects it from further contact with air. The capacitance of a single phase conductor with insulation is determined on the basis of the calculation of the electric field in a piecewise homogeneous medium by the method of secondary sources. 2018 Article Влияние толщины изоляции защищенных проводов высоковольтных ЛЭП на их пропускную способность по току / А.В. Беспрозванных, В.М. Золотарев, Ю.А. Антонец // Електротехніка і електромеханіка. — 2018. — № 2. — С. 41-46. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 2074-272X DOI: 10.20998/2074-272X.2018.2.07 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/149335 621.319 ru Електротехніка і електромеханіка application/pdf Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка
spellingShingle	Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка Беспрозванных, А.В. Золотарев, В.М. Антонец, Ю.А. Влияние толщины изоляции защищенных проводов высоковольтных ЛЭП на их пропускную способность по току Електротехніка і електромеханіка
description	Разработана методика определения оптимальной толщины полиэтиленовой сшитой и оксидной изоляции для обеспечения наименьшего теплового сопротивления теплопередаче защищенных и неизолированных проводов. Обоснована применимость разработанной методики для оптимизации толщины изоляции защищенных проводов напряжением 20 кВ. Показана возможность повышения пропускной способности по току защищенных проводов на 20 % по сравнению с неизолированными проводами за счет оптимизации толщины их изоляции. Установлено, что внутренний перепад температуры в сшитой полиэтиленовой изоляции на порядок меньше в сравнении с оксидной изоляции при одинаковых значениях тангенса угла диэлектрических потерь.
format	Article
author	Беспрозванных, А.В. Золотарев, В.М. Антонец, Ю.А.
author_facet	Беспрозванных, А.В. Золотарев, В.М. Антонец, Ю.А.
author_sort	Беспрозванных, А.В.
title	Влияние толщины изоляции защищенных проводов высоковольтных ЛЭП на их пропускную способность по току
title_short	Влияние толщины изоляции защищенных проводов высоковольтных ЛЭП на их пропускную способность по току
title_full	Влияние толщины изоляции защищенных проводов высоковольтных ЛЭП на их пропускную способность по току
title_fullStr	Влияние толщины изоляции защищенных проводов высоковольтных ЛЭП на их пропускную способность по току
title_full_unstemmed	Влияние толщины изоляции защищенных проводов высоковольтных ЛЭП на их пропускную способность по току
title_sort	влияние толщины изоляции защищенных проводов высоковольтных лэп на их пропускную способность по току
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2018
topic_facet	Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/149335
citation_txt	Влияние толщины изоляции защищенных проводов высоковольтных ЛЭП на их пропускную способность по току / А.В. Беспрозванных, В.М. Золотарев, Ю.А. Антонец // Електротехніка і електромеханіка. — 2018. — № 2. — С. 41-46. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT besprozvannyhav vliânietolŝinyizolâciizaŝiŝennyhprovodovvysokovolʹtnyhlépnaihpropusknuûsposobnostʹpotoku AT zolotarevvm vliânietolŝinyizolâciizaŝiŝennyhprovodovvysokovolʹtnyhlépnaihpropusknuûsposobnostʹpotoku AT antonecûa vliânietolŝinyizolâciizaŝiŝennyhprovodovvysokovolʹtnyhlépnaihpropusknuûsposobnostʹpotoku AT besprozvannyhav effectofthethicknessofinsulationofprotectedwiresofhighvoltageoverheadtransmissionlinestotheircurrentcarryingcapacity AT zolotarevvm effectofthethicknessofinsulationofprotectedwiresofhighvoltageoverheadtransmissionlinestotheircurrentcarryingcapacity AT antonecûa effectofthethicknessofinsulationofprotectedwiresofhighvoltageoverheadtransmissionlinestotheircurrentcarryingcapacity
first_indexed	2025-11-26T23:47:12Z
last_indexed	2025-11-26T23:47:12Z
_version_	1849898655322996736
fulltext	Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №2 41 © А.В. Беспрозванных, В.М. Золотарев, Ю.А. Антонец УДК 621.319 doi: 10.20998/2074-272X.2018.2.07 А.В. Беспрозванных, В.М. Золотарев, Ю.А. Антонец ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ ИЗОЛЯЦИИ ЗАЩИЩЕННЫХ ПРОВОДОВ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛЭП НА ИХ ПРОПУСКНУЮ СПОСОБНОСТЬ ПО ТОКУ Розроблено методику визначення оптимальної товщини поліетиленової зшитою і оксидної ізоляції для забезпечення найменшого теплового опору теплопередачі захищених і неізольованих проводів. Обґрунтовано можливість застосу- вання розробленої методики для оптимізації товщини ізоляції захищених проводів напругою 20 кВ. Показано можли- вість підвищення пропускної здатності за струмом на 20 % захищених проводів в порівнянні з неізольованими дрота- ми за рахунок оптимізації товщини їх ізоляції. Встановлено, що внутрішній перепад температури в зшитій поліети- леновій ізоляції на порядок менше в порівнянні з оксидною ізоляції при однакових значеннях тангенса кута діелектри- чних втрат. Бібл. 12, табл. 3, рис. 5. Ключові слова: неізольовані проводи, захищені проводи, зшита поліетиленова ізоляція, оксидна ізоляція, тепловий опір, оптимальна товщина ізоляції, тепловий баланс, ефективний коефіцієнт теплопередачі, пропускна здатність за струмом. Разработана методика определения оптимальной толщины полиэтиленовой сшитой и оксидной изоляции для обес- печения наименьшего теплового сопротивления теплопередаче защищенных и неизолированных проводов. Обоснована применимость разработанной методики для оптимизации толщины изоляции защищенных проводов напряжением 20 кВ. Показана возможность повышения пропускной способности по току защищенных проводов на 20 % по сравне- нию с неизолированными проводами за счет оптимизации толщины их изоляции. Установлено, что внутренний пе- репад температуры в сшитой полиэтиленовой изоляции на порядок меньше в сравнении с оксидной изоляции при одинаковых значениях тангенса угла диэлектрических потерь. Библ. 12, табл. 3, рис. 5. Ключевые слова: неизолированные провода, защищенные провода, сшитая полиэтиленовая изоляция, оксидная изо- ляция, тепловое сопротивление, оптимальная толщина изоляции, тепловой баланс, эффективный коэффициент теп- лопередачи, пропускная способность по току. Введение. Основным направлением технической политики при проектировании, строительстве и тех- ническом перевооружении линий электропередачи (ЛЭП) является модернизация электрических сетей и повышение их энергоэффективности с целью увели- чения пропускной способности и надежности, сниже- ния потерь на основе инновационного подхода к раз- витию и модернизации действующего электросетево- го комплекса [1]. Техническое переоснащение, рекон- струкция электрических сетей и их развитие должны осуществляться на отечественной нормативной базе с учетом рекомендаций Международной электротехни- ческой комиссии и региональных особенностей отно- сительно условий надежности и экологической безо- пасности с учетом реальной стоимости земель и мак- симального использования основных материалов и оборудования собственного производства. Одним из основных направлений работы в об- ласти построения высоковольтных ЛЭП с повышен- ной пропускной способностью по току является соз- дание новых типов проводов: высокотемпературных неизолированных на основе алюминиевых сплавов [2] и защищенных [3, 4]. Применение высокотемпе- ратурных проводов c повышенной пропускной спо- собностью по току в два раза при увеличении стои- мости, практически, на порядок, наиболее эффек- тивно для высоковольтных ЛЭП класса напряжения 110 кВ и выше [2]. В качестве прогрессивной альтернативы стан- дартным неизолированным алюминиевым проводам для высоковольтных ЛЭП класса напряжения 6-110 кВ можно рассматривать защищенные провода (ЗП). Конструкция защищенного провода представля- ет собой одножильный многопроволочный провод- ник, покрытый защитной оболочкой [3, 4]. Проводник изготавливается из алюминиевого сплава, защитный слой – из светостабилизированного сшитого полиэти- лена. Допустимая длительная рабочая температура сшитой полиэтиленовой изоляции соответствует 90 С [3, 4]. Рабочая температура неизолированных алюми- ниевых проводов не превышает 75 С [5]. Применение ЗП обеспечивает повышение пропу- скной способности по току высоковольтных линий электропередачи в сравнении с неизолированными алюминиевыми проводами [3, 5] (табл. 1). Таблица 1 Пропускная способность по току алюминиевых неизолиро- ванных и защищенных проводов на основе сшитой поли- этиленовой изоляции толщиной 2,3 мм высоковольтных ЛЭП напряжением 20 кВ (температура окружающего воздуха 25 С) Сечение жилы S, мм2 70 120 150 185 240 Длительный ток нагрузки неизолированного провода I, А 235 330 370 430 500 Длительный ток нагрузки ЗП I, A 310 430 485 560 600 Постановка проблемы. Длительный рабочий ток, протекающий по одножильному проводнику, определяется на основании теплового расчета [6] и зависит от: активного сопротивления жилы Rg, темпе- ратуры жилы Tg и окружающей среды Tc, тепловых сопротивлений изоляции Rts и окружающей среды (воздуха) Roc, мощности диэлектрических потерь в изоляции Pd = Uf 2Ctg [7]   )( octsg octsdcg RRR RRPTT I    , (1) где Uf – фазное напряжение,  – круговая частота, C – собственная емкость провода, tg – тангенс угла ди- электрических потерь изоляции. 42 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №2 Существующие методики расчета [4, 7] не учи- тывают влияние толщины изоляции на длительную токовую нагрузку проводов по значениям максималь- но допустимой рабочей температуры проводников (жил). Необходимость анализа влияния толщины сшитой полиэтиленовой изоляции на длительно до- пустимую рабочую температуру защищенных прово- дов является актуальной задачей, т.к. позволяет опти- мизировать размеры провода. Целью статьи является исследование влияния толщины изоляции защищенных проводов высоко- вольтных ЛЭП на их пропускную способность по току. Методика расчета теплового баланса. Дли- тельная рабочая температура провода при протекании номинального тока нагрузки определяется на основа- нии уравнения теплового баланса между выделяемой Pv и отдаваемой Potd мощностью [8] otdv PP  . (2) Мощность тепловыделения определяется тепло- вым сопротивлением изоляции Rts, температурой на- гретой жилы Tg и температурой поверхности провода Tp [8] ts pg v R TT P   . (3) Для провода, находящегося в воздухе, мощность отведенного тепла Potd зависит от теплового сопро- тивления окружающего воздуха Rос и температуры поверхности провода Tp и среды Tc [8] 0t cp otd R TT P   . (4) Тепловое сопротивление изоляции Rts, тепловое сопротивление окружающего воздуха Rос и общее тепловое сопротивление Rt определяются как [8] ,ln 2 1 21 2        d d Rts  tsef t S R  1 0  , 0ttst RRR  , (5) где λ – теплопроводность изоляции; d1, d2 = d1 + 2ins, Sts = d2lpr – диаметр жилы, диаметр изолированного провода, толщина изоляции и поверхность охлажде- ния провода длиной lpr соответственно; ef = c + rad – эффективный коэффициент теплоотдачи в окру- жающую среду за счет конвекции αc и излучения αrad [8, 9]. Оптимальная толщина изоляции для обеспе- чения минимального сопротивления теплопереда- че. При расчетах учитывается наличие на поверхно- сти неизолированного алюминиевого проводника ес- тественной плотной пленки на основе оксида алюми- ния, предохраняющей его от дальнейшего контакта с воздухом. Толщина пленки составляет единицы – сотни нм в зависимости от срока эксплуатации и ус- ловий окружающей среды [9]. На рис. 1 приведены зависимости теплового со- противления изоляции Rts (кривая 1), теплоотдачи в окружающую среду Rос (кривая 2) и общего теплового сопротивления Rt (кривая 3) в зависимости от отно- шения диаметра изолированного провода d2 к диамет- ру алюминиевой жилы d1: Kkp = d2/d1. Для ЗП с увели- чением толщины сшитой полиэтиленовой изоляции ins при неизменном диаметре жилы d1 тепловое со- противление изоляции Rts возрастает (рис. 1,а, кривая 1 для λ = 0,25 Вт/м·К), а тепловое сопротивление Rос окружающего воздуха – уменьшается (рис. 1,а: кривая 2 для ef =17 Вт/м2·К). Общее тепловое сопротивление Rt (кривая 3) имеет минимальное значение при пере- сечении кривых Rts и Rос, соответствующее критиче- скому (оптимальному) значению Kkp. При К > Kkp теп- ловое сопротивление теплопередаче возрастает, при К < Kkp – снижается. Критические значения Kkp равны 1,5 (рис. 1,а) и 70 (рис. 1,б) для защищенного провода из сшитой светостабилизированной полиэтиленовой изоляции и провода с оксидной изоляцией соответст- венно. 10 0 10 1 10 0 K=d2/d1 Rt, Wt/K 2 1 3 K kp S=120 mm2  = 0,25 Wt/m K а 10 0 10 1 10 2 10 310 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 K=d2/d1 Rt, Wt/K 1 2 3 = 37 Wt/mK  K kp S=120 mm2 б Рис. 1. К определению оптимальной толщины изоляции защищенного провода и провода с оксидной диэлектриче- ской пленкой при сечении жилы 120 мм2 Толщина изоляции провода, соответствующая минимальному тепловому сопротивлению теплопере- даче, является оптимальной. Для защищенного про- вода и провода с оксидной изоляцией оптимальная толщина изоляции равна optins = 3,2 мм и 434 мм соответственно. Критические значения Kkp для ЗП при соответст- вующих сечениях жилы равны: Kkp =1,9 (70 мм2), Kkp =1,5 (120 мм2), Kkp =1,5 (150 мм2), Kkp =1,4 (185 мм2), Kkp =1,2 (240 мм2). Влияние толщины изоляции на тепловую ус- тойчивость защищенных проводов. На основании представленной методики выполнен тепловой расчет для длительно допустимой токовой нагрузки (см. табл. 1) защищенного и неизолированного проводов высоковольтной ЛЭП напряжением 20 кВ (табл. 2). На данном этапе расчета не учитывается мощность диэлектрических потерь Pd в изоляции. Эффективный ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №2 43 коэффициент теплоотдачи (рис. 2) определен с ис- пользованием критериального уравнения естествен- ной конвекции и уравнения Стефана-Больцмана [8, 9]. Таблица 2 Влияние толщины изоляции на тепловую устойчивость ЗП высоковольтных ЛЭП напряжением 20 кВ Сечение алюминиевой жилы S, мм2 70 120 150 185 240 Длительная токовая нагрузка I, A 310 430 485 560 600 1. Температура окружающего воздуха 25 С 1.1. ЗП из сшитой светостабилизированной полиэтиленовой изоляции Температура алюминиевой жилы Tg, С: в числителе – для оптимальной толщины изоляции, в знаменателе – на 33 % меньше оптимальной 81/85 80/84 80/82 80/81 75/77 Температура поверхности провода Tp, С: в числителе – для оптимальной толщины изоляции, в знаменателе – на 33 % меньше оптимальной 75/80 75/80 75/77 75/77 75/76 1.2. Неизолированный алюминиевый провод Температура жилы Tg, С: в числителе – для неизоли- рованного, в знаменателе – с оксидной пленкой толщиной 100 нм 105/105 95/95 92/92 90/90 82/82 2. Температура окружающего воздуха 30 С 2.1. ЗП из сшитой светостабилизированной полиэтиле- новой изоляции Температура алюминиевой жилы Tg оС: в числителе – для оптимальной толщины изоляции, в знаменателе – на 33% меньше оптимальной 85/90 85/85 85/85 85/87 77/79 Температура поверхности провода Tp, С: в числителе – для оптимальной толщины изоляции, в знаменателе – на 33 % меньше оптимальной 80/85 80/85 80/82 80/82 76/78 2.2. Неизолированный алюминиевый провод Температура жилы Tg, С: в числителе – для неизоли- рованного, в знаменателе – с оксидной изоляцией тол- щиной 100 нм 120/120 105/105 95/95 95/95 87/87 На рис. 2 представлены результаты расчета эф- фективного коэффициента теплоотдачи (рис. 2,а) и теплового сопротивления окружающей среды (рис. 2,б) защищенного и неизолированного провода с разными сечениями алюминиевой жилы. Увеличение поверх- ности охлаждения защищенного провода в сравнении с неизолированным проводом при одинаковых сече- ниях жилы приводит к уменьшению эффективного коэффициента теплоотдачи и теплового сопротивле- ния (рис. 2,а,б): кривые 1 и 1’ – для защищенного провода с сечением жилы 120 мм2 и 150 мм2, 2 и 2’ – для неизолированного провода сечением 120 мм2 и 150 мм2 соответственно. Результаты теплового расчета показывают, что защищенные провода, толщина изоляции которых на 33 % меньше оптимальной, обеспечивают пропуск- ную способность по току при повышенной темпера- туре окружающего воздуха 30 С: температура жилы не превышает допустимую рабочую температуру сшитой полиэтиленовой изоляции (см. табл. 2, кри- вая 4 рис. 3,а). 20 40 60 80 100 120 8 10 12 14 16 18 20 Tp, oC  ef Wt/(m2K) 1 2 2' 1' 1' а 20 40 60 80 100 120 1 1.5 2 2.5 Tp,oC Rt,Wt/K 11' 2'2 б Рис. 2. Влияние поверхности охлаждения провода на темпе- ратурные зависимости эффективного коэффициента тепло- отдачи (а) и теплового сопротивления окружающей среды (воздуха) (б) 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 0 50 100 150 Tg, oC P, Wt/m I=430 A S=120 mm2 Pv Potd 2 3 4 5 1 а 20 40 60 80 100 120 10 -1 10 0 10 1 10 2 Tp, oC Pv Potd 1 2 3Pv S=120 mm2 P, Wt/m б Рис. 3. Тепловой баланс в защищенном (а) и неизолиро- ванном (б) проводе 44 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №2 Уменьшение толщины сшитой полиэтиленовой изоляции позволяет уменьшить массо-габаритные размеры защищенного провода. На рис. 3,а кривая 1 соответствует выделяемой мощности, кривые 2, 3, 4 и 5 – отдаваемой: кривые 2 и 4 соответствуют оптимальной толщине изоляции, кривые 3, 5 – на 33 % меньше оптимальной при тем- пературе окружающего воздуха 25 С (кривые 2, 3) и 30 С (кривые 4, 5). Температура жилы Tg неизолированных прово- дов превышает допустимую рабочую температуру на 30 С – 45 С (для провода сечением 70 мм2) и 7 С – 12 С (для провода сечением 240 мм2) (см. табл. 2 и рис. 3,б). Наличие на поверхности голого провода оксид- ной пленки толщиной 100 нм не влияет на условие теплового баланса: температура на поверхности про- вода остается постоянной. Требование к ограничению рабочей температуры неизолированных проводов обусловлено процессом возможного отжига холоднотянутых алюминиевых проволок, увеличением пластического удлинения и, как следствие, стрелы провисания. При токе нагрузки 430 А кривые отдаваемой Potd (кривая 2) и выделяе- мой Pv (кривая 1) мощности пересекаются в точке, соответствующей температуре 105 С (рис. 3,б). Уменьшение тока нагрузки до 330 А, т.е. на 20 %, приводит к пересечению Pv (кривая 3) и Potd (кривая 2) в точке, соответствующей рабочей температуре 75 °C (рис. 3,б). Влияние диэлектрических потерь в изоляции на пропускную способность по току защищенного провода. Внутренний перепад температуры в изоля- ции (см. (1)) Tins = Pd(Rts + Roc) определяется мощно- стью диэлектрических потерь Pd = Uf 2Ctg, которая зависит от электрофизических характеристик изоля- ции: тангенса угла диэлектрических потерь изоляции и относительной диэлектрической проницаемости, определяющей емкость провода. Емкость одиночного фазного провода с изоляцией определяется на основе расчета электрического поля в кусочно-однородной среде методом вторичных источников [11], который сводится к решению системы линейных алгебраиче- ских уравнений (СЛАУ). Первые Ne строк СЛАУ вы- текают из интегрального уравнения Фредгольма пер- вого рода для потенциалов на поверхности токопро- водящей жилы (электрода). Следующие Nd строк – из интегрального уравнения Фредгольма второго рода для скачков нормальной составляющей напряженно- сти поля Еn, претерпевающих излом на границах раз- дела диэлектрических сред с относительными диэлек- трическими проницаемостями 1 и 2 для выполнения условия: 1E1n = 2E2n. Форма записи объединенной СЛАУ имеет вид [12] UA  , (6) где  – матрица-столбец неизвестных расчетных плотностей вторичных зарядов, Кл/м2; U – матрица- столбец, первые Ne членов которой отражают задан- ные потенциалы узлов, лежащих на электроде, а ос- тальные – равны нулю (потенциалы узлов, лежащих на границе раздела диэлектрических сред); A – квад- ратная матрица коэффициентов. Общее число узлов (число неизвестных плотно- сти заряда) равно: N = Ne + Nd. Решая СЛАУ (6) чис- ленным методом, определяется расчетная плотность (в вакууме) вторичных зарядов. Напряженность поля для поверхности электрода определяется расчетной плотностью зарядов 0 iiE  и для границ раздела диэлектрических сред ) 1 1( 2 0    i iE , где  – пара- метр, связанный с диэлектрической проницаемостью смежных сред:  = (2 – 1)/(2 + 1) [12]. Истинная плотность ′ зарядов на поверхности жилы, которая изолирована диэлектриком с относительной диэлек- трической проницаемостью 2, больше в 2 раз [12]. Искомая емкость определяется как отношение истин- ного заряда к заданному фазному напряжению. Про- вода находятся в воздухе с диэлектрической прони- цаемостью 1 = 1. На рис. 4 показаны развертки напряженности электрического поля в зависимости от длины обра- зующей SDL (SDL соответствует сокращению «sum of DL» – сумма множества участков малой длины) для ЗП и неизолированного провода напряжением 20 кВ с сечением жилы 120 мм2. Кривая 1 – оптимальная тол- щина изоляции (3,2 мм) и кривая 2 – на 33 % меньше оптимальной (2,3 мм) для защищенного провода из сшитой полиэтиленовой изоляции: (относительная диэлектрическая проницаемость ε2 = 2,3). Кривая 3 – для провода с оксидной изоляцией толщиной 100 нм (относительная диэлектрическая проницаемость ε2 = 9: для сплошной оксидной пленки, получаемой, например, методом высоковольтного оксидирования, значение относительной диэлектрической проницае- мости равно   -на частоте 50 Гц) Участок I – распределение напряженности по поверхности жи- лы, участок II – по поверхности изоляции. Относи- тельная диэлектрическая проницаемость в значи- тельной степени влияет на распределение напряжен- ности электрического поля (сравни кривые 1, 2 и 3, рис. 4): напряженность электрического поля на по- верхности провода с оксидной пленкой на 30 % больше в сравнении с ЗП с изоляцией на основе сшитого полиэтилена. 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4x 10 5 SDL, m E, V/m 1 2 3 I II S=120 mm2 3 2 1 Ul=20 kV Рис. 4. Влияние относительной диэлектрической проницае- мости и толщины изоляции на распределение напряженно- сти электрического поля по поверхности провода ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №2 45 В табл. 3 приведены результаты расчета собст- венной емкости проводов для разных сечений и тол- щины изоляции. Таблица 3 Влияние толщины изоляции на собственную емкость проводов высоковольтных ЛЭП напряжением 20 кВ Сечение алюминиевой жилы S, мм2 70 120 150 185 240 1. Емкость защищенного провода С, пФ/м оптимальная толщина изоляции 11,1 11,5 11,7 11,9 12,1 толщина изоляции на 33 % меньше оптимальной 10,9 11,4 11,5 11,7 12,0 2. Емкость провода С, пФ/м толщина оксидной изоляции 100 нм 10,5 11,0 11,3 11,5 11,8 Результаты расчетов показывают (рис. 5), что расположенные треугольником на расстоянии 50 см друг от друга соседние фазные защищенные провода приводят к уменьшению собственной емкости прово- дов: на 18 % – для провода в вершине треугольника (С1 = 9,7 пФ/м); на 8 % – для двух других (С2 = = 10,6 пФ/м и С3 = 10,6 пФ/м). 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8x 10 5 1 E, V/m SDL, m 2 S=120 mm2 Ul=20 kV h=0,5 m  Рис. 5. Влияние рядом расположенных защищенных прово- дов на распределение напряженности электрического поля по поверхностям жил (кривая 1) и сшитой полиэтиленовой изоляции (кривая 2) Мощность диэлектрических потерь в изоляции из сшитого полиэтилена составляет 0,5·10–3 Вт/м, 0,005 Вт/м для значений tg = 0,1 % и 1 % соответст- венно. Тепловое сопротивление провода равно 1 м·°C/Вт при температуре жилы 90 °C и окружающе- го воздуха 30 °C (см. рис. 2,б). Внутренний перепад температуры в изоляции Tins = Pd(Rts + Roc) (см. фор- мулу (1)) составляет 0,12 % и 1,2 % для соответст- вующих значений tg в сравнении с общим перепадом температуры между жилой и окружающим воздухом T = Tg – Tc. Для провода с оксидной изоляцией Tins =10 % (tg =1 %), что обуславливает уменьшение допустимой токовой нагрузки в неизолированном проводе. Выводы. 1. Впервые разработана методика определения оп- тимальной толщины полиэтиленовой сшитой и ок- сидной изоляции для обеспечения наименьшего теп- лового сопротивления теплопередаче защищенных проводов, применение которой позволяет повысить пропускную способность по току проводов на 20 % по сравнению с неизолированными проводами. 2. Обоснована применимость разработанной мето- дики для оптимизации толщины изоляции, как от- дельных защищенных проводов различных типов, так и для высоковольтных ЛЭП на их основе, при усло- вии ограничения минимального расстояния между фазными проводами ЛЭП на уровне 0,5 м. 3. Результаты выполненных исследований, при ус- ловии их соответствующего экспериментального обоснования, могут стать научной основой для созда- ния нового класса компактных высоковольтных ЛЭП с повышенной пропускной способностью по току. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Стандарт підприємства. Технічна політика ДП «НЕК «УКРЕНЕРГО» у сфері розвитку та експлуатації магістра- льних та міждержавних електричних мереж / СОУ НЕК. – 20.261. – Київ, 2017. – 84 с. 2. Энергоэффективные провода нового поколения для ЛЭП / Каталог ООО «Сим-Росс-Ламифил». – 2014. – 26 с. 3. ДСТУ 4743:2007. Проводи самоутримні ізольовані та захищені для повітряних ліній електропередавання. Загальні технічні умови. – 2007. – 26 с. 4. Щерба А.А., Перетятко Ю.В., Золотарев В.В. Самоне- сущие изолированные и высоковольтные защищенные про- вода. – Институт электродинамики НАН Украины, Нацио- нальный технический университет Украины «КПИ», ЗАО «Завод «Южкабель», 2008. – 271 с. 5. Guide for qualifying high temperature conductors for use on overhead transmission lines / CIGRÉ TB 426. – 2010. – 44 p. 6. IEC 60287-1-1:2006 Electric cables – Calculation of the current rating – Part 1-1: Current rating equations (100 % load factor) and calculation of losses – General specifications. 7. Беспрозванных А.В., Набока Б.Г., Москвитин Е.С. Обоснование электрофизических характеристик полупрово- дящих экранов силовых кабелей высокого напряжения со сшитой изоляцией // Електротехніка і електромеханіка. – 2010. – №3. – С. 44-47. doi: 10.20998/2074-272X.2010.3.10. 8. Беспрозванных А.В., Набока Б.Г. Математические моде- ли и методы расчета электроизоляционных конструкций. – Харків: НТУ «ХПІ». – 2012. – 108 с. 9. Carslaw H.S., Jaeger J.C. Conduction of heat in solids. – Second Ed. Clarendon Press, London. – 2003. – 510 p. 10. Hunter M., Fowle P. Natural and thermally formed oxide films on aluminium // Journal of the Electrochemical Society. – 1956. – vol.103. – no.9. – pp. 482-485. doi: 10.1149/1.2430389. 11. Набока Б.Г. Расчеты электростатических полей в электро- изоляционной технике: учебное пособие для студентов элек- троэнергетических специальностей. – К: ИСДО, 1995. – 120 с. 12. Беспрозванных А.В. Сильное электрическое поле и час- тичные разряды в многожильных кабелях // Технічна елект- родинаміка. – 2010. – №1. – C. 23-29. REFERENCES 1. Enterprise standard. Technical policy of SE «NEK» UKRENERGO» in the field of development and operation of in trunk and interstate electric networks. SOU NEC 20.261. Kyiv, 2017. 84 p. (Ukr). 2. Catalog of LLC «Sim-Ross-Lamifil». Energy-efficient wires of a new generation for power lines. 2014. 26 p. (Rus). 3. DSTU 4743: 2007. Provody samoutrymni izolovani ta zakhyshcheni dlia povitrianykh linii elektroperedavannia. Zahalni tekhnichni umovy [State Standard of Ukraine DSTU 4743: 2007. Wires self-supporting insulated and protected for overhead transmission lines. General specifications]. Kyiv, 2007. 26 p. (Ukr). 46 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №2 4. Shcherba A.A., Peretyatko Yu.V., Zolotaryov V.V. Samone- sushchie izolirovannye i vysokovol'tnye zashchishchennye pro- voda [Self-supporting insulated and high-voltage protected wires]. Institute of Electrodynamics of the NAS of Ukraine, National Technical University of Ukraine «KPI», Private Joint- stock company Yuzhcable works Publ., 2008. 271 p. (Rus). 5. Guide for qualifying high temperature conductors for use on overhead transmission lines. CIGRÉ TB 426. 2010. 44 p. 6. IEC 60287-1-1:2006 Electric cables – Calculation of the current rating – Part 1-1: Current rating equations (100 % load factor) and calculation of losses. General specifications. 7. Bezprozvannych G.V., Naboka B.G., Moskvitin E.S. Sub- stantiation of electrophysical characteristics of high-voltage power cable semiconducting screens with stitched insulation. Electrical engineering & electromechanics, 2010, no.3, pp. 44- 47. (Rus). doi: 10.20998/2074-272X.2010.3.10. 8. Bezprozvannych G.V., Naboka B.G. Matematicheskie mod- eli i metody rascheta elektroizoliatsionnykh konstruktsii [Mathematical models and methods of calculation of electrical designs]. Kharkiv, NTU «KhPI» Publ., 2012. 108 p. (Rus). 9. Carslaw H.S., Jaeger J.C. Conduction of heat in solids. Sec- ond Ed. Clarendon Press, London, 2003. 510 p. 10. Hunter M., Fowle P. Natural and thermally formed oxide films on aluminium. Journal of the Electrochemical Society, 1956, vol.103, no.9, pp. 482-485. doi: 10.1149/1.2430389. 11. Naboka B.G. Raschety elektrostaticheskikh polei v elektro- izoliatsionnoi tekhnike: uchebnoe posobie dlia studentov elektro- energeticheskikh spetsial'nostei [Settlements electrostatic fields in the insulating technique: a textbook for students of electric power specialties]. Kiev, IEDL Publ., 1995. 120 p. (Rus). 12. Bezprozvannych A.V. High electric field and partial dis- charges in bundled cables. Technical electrodynamics, 2010, no.1, pp. 23-29. (Rus). Поступила (received) 25.01.2018 Беспрозванных Анна Викторовна1, д.т.н., проф., Золотарев Владимир Михайлович2, д.т.н., проф., Антонец Юрий Афанасьевич2, к.т.н., 1 Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», 61002, Харьков, ул. Кирпичева, 2, тел/phone +380 57 7076010, e-mail: bezprozvannych@kpi.kharkov.ua 2 ПАО «ЗАВОД ЮЖКАБЕЛЬ», 61099, Харьков, ул. Автогенная, 7, тел/phone +380 57 7545312, e-mail: zavod@yuzhcable.com.ua, antonets@yuzhcable.com.ua G.V. Bezprozvannych1, V.M. Zolotaryov2, Y.A. Antonets2 1 National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 2, Kyrpychova Str., Kharkiv, 61002, Ukraine. 2 Private Joint-stock company Yuzhcable works, 7, Avtogennaya Str., Kharkiv, 61099, Ukraine. Effect of the thickness of insulation of protected wires of high-voltage overhead transmission lines to their current carrying capacity. Introduction. The main direction of technical policy in the design, construction and technical re-equipment of transmis- sion lines is the modernization of electrical networks and increase their energy efficiency in order to increase the throughput and reliability. Problem. Existing calculation methods do not take into account the influence of insulation thickness on the long-term current load of the wires accord- ing to the values of the maximum permissible working tem- perature of the conductors. Purpose. The investigation of the influence of insulation thickness of the protected wires of high-voltage electric transmission lines on their current car- rying capacity. Methodology. The long operating tempera- ture of the wire when the rated load current flows is deter- mined based on the heat balance equation. Results. A method has been developed for determining the optimum thickness of polyethylene cross linked and oxide insulation to provide the lowest thermal resistance to the heat transfer of protected wires, the use of which allows increasing the cur- rent carrying capacity by 20 % compared to bare wires. It is shown that the internal temperature drop in cross linked polyethylene insulation is an order of magnitude smaller in comparison with the oxide insulation at identical values of the dielectric loss tangent. Originality. The calculations take into account the presence on the surface of a non-insulated aluminum conductor of a natural dense film based on alumi- num oxide, which protects it from further contact with air. The capacitance of a single phase conductor with insulation is determined on the basis of the calculation of the electric field in a piecewise homogeneous medium by the method of secondary sources. References 12, tables 3, figures 5. Key words: bare conductor, protected wire, cross-linked po- lyethylene insulation, oxide insulation, thermal resistance, optimal insulation thickness, heat balance, effective heat transfer coefficient, current carrying capacity.

Влияние толщины изоляции защищенных проводов высоковольтных ЛЭП на их пропускную способность по току

Institution

Ähnliche Einträge