Диссертация (1144049), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Максимальная индукция внешнего поля на заданной высотенад поверхностью земли зависит в первую очередь от максимального тока линии,глубины ее заложения, во вторую очередь от способа взаимного расположенияфазных кабелей, и в третью очередь от конструкции кабеля.В качестве исследуемого объекта выберем трехфазную подземнуюкабельную линию, набранную из трех однофазных кабелей с изоляцией из сшитогополиэтилена. Рассмотрим два часто используемых варианта расположенияотдельных кабелей в линии: в одной плоскости, с дистанцией между кабелями всвету равной диаметру кабеля, и расположение треугольником встык.Параметры модельной трехфазной линииКласс напряжения Uлин110 кВНоминальный фазный ток Iф1375 АГлубина расположения линии1мПараметры кабеляСечение медной жилы1400 мм2Сечение экрана из медных проволок и ленты 210 мм2Толщина изоляции из СПЭ10 ммТолщина брони из алюминиевой ленты3.3 ммТолщина внешней полиэтиленовой оболочки 3.8 ммРешив задачу расчета магнитного поля переменного тока при частоте 50 Гцнаходим распределение магнитной индукции на высоте 1.5 м:93Рис.
2.13 Магнитное поле кабельной линии на высоте 1.5 м при разных способах укладкиИз графика видно, что уровень магнитного поля одноцепной кабельнойлинии при укладке фаз в одной плоскости оказывается примерно в три раза выше,чем при укладке треугольником, но и при этом он остается ниже нормативногозначения 20 мкТл по гигиеническим требованиям [94] для населенной местности.Ситуация меняется, если кабельная линия состоит из двух цепей. Пусть, всоответствие с ПУЭ, расстояние между соседними цепями в свету составляет500 мм.
Тогда, внешнее магнитное поле будет сильно зависеть от взаимногорасположения фаз обеих линий. Наилучший результат по уровню внешнегомагнитного поля по-прежнему наблюдается при укладке треугольником. Однако, стемпературной точки зрения плоскостная укладка фаз предпочтительнее.При плоскостной укладке максимальный уровень внешнего поля получаетсяпри одинаковой фазировке обеих линий, а минимальный – при порядке следованияфаз BAC-CAB, в полном соответствии с данными статьи [101].94Рис. 2.14 Профиль амплитуды магнитного поля на высоте 1.5 м двухцепной кабельной линиипри укладке треугольником и при плоскостной укладке в зависимости от порядка следованияфазОдним из способов снижения внешнего магнитного поля кабельной линииявляется уменьшение расстояния между фазными кабелями.
При этом, сближениефаз приводит к росту температуру кабелей, или, при выбранной максимальнойтемпературе к снижению пропускной способности линии. Ниже на рисункепоказаны профили амплитуды магнитного поля двухцепной линии на высоте 1.5 мнад землей в зависимости от междуфазного расстоянии. Расстояние междукрайними кабелями соседних цепей во всех случаях сохранялось равным 500 мм.Выбрана оптимальная с точки зрения внешнего поля фазировка B-A-C – C-A-B.Выполненная серия расчетов показывает, что для данной кабельной линиипри постепенном увеличении междуфазного расстояния уровень амплитудымагнитного поля над землей начинает превосходить допустимую в населенномпункте величину 20 мкТл начиная расстояния равного диаметру кабеля (d = Dкаб).При часто используемых межфазных расстояниях d = 3·Dкаб. превышение уровня95внешнего магнитного поля становится двукратным, что определенно требуетпринятия мер по экранированию.Рис.
2.15 Профиль амплитуды индукции магнитного поля двухцепной кабельной линии навысоте 1.5 м над поверхностью земли при разных расстояниях между фазными кабелями.Вслед за электромагнитным расчетом выполнялся анализ температурногополя в кабелях и окружающем пространстве. Температуры жил при симметричнойноминальной токовой нагрузке приведены на рис 2.16.
На графике хорошо заметнатенденция роста температуры жил при сближении фаз. Представляет интересвыяснение причин этого явления. Как известно, при заданной токовой нагрузке иконструкции кабельной линии температура определяется двумя факторами:дополнительными потерями от эффекта близости и добавочным тепловымвлиянием кабелей друг на друга.96Рис.
2.16 Температуры токопроводящих жил в зависимости от междуфазного расстояния приноминальной токовой нагрузкеРассмотрим зависимость добавочных потерь от междуфазного расстояния.Добавочные потери из-за вихревых токов удобно оценивать коэффициентомувеличения потерь на переменном токе:k AC =PACPDC ,(2.17)где PAC – потери на переменном токе, вычисленные в ходе конечноэлементного моделирования электромагнитного поля, PDC – потери на постоянномтоке, вычисляемые какPDC = L2 IфS,(2.18)где ρ – удельная электропроводность, L – длина участка линии, S – сечениетокопроводящей жилы, Iф – действующее значение фазного тока.97Зависимость коэффициента увеличения потерь от междуфазного расстоянияпоказано на рис. 3.17, отдельно для жил и односторонне заземленных экранов:Рис.
2.17а добавочные потери в жилахРис. 2.17б добавочные потери в экранахСопоставляя графики на рис. 3.17 можно сделать вывод о том, что при маломмеждуфазном расстоянии до 2-х диаметров кабеля (в свету) снижениютемпературы способствуют оба эффекта – уменьшение потерь на переменномтоке, особенно в экранах, и снижение теплового влияния кабелей друг на друга.При большем междуфазном расстоянии изменение коэффициента добавочныхпотерь мало заметно, и определяющий вклад в температурный режим линиивносит взаимный подогрев кабелей. Этот вывод действителен только дляодноцепной кабельной линии или двух (нескольких) линий, расположенных водной плоскости. При расположении нескольких линии слоями, например, вкабельном блоке, степень увеличения потерь из-за электромагнитноговзаимодействия кабелей будет существенно выше.Таким образом, очевидно, что в мощных подземных кабельных линиях счислом цепей большим одной, возможны ситуации, когда чисто геометрическимиспособами (изменение расстояния между фазами и порядка следования фаз)невозможно снизить внешнее магнитное поле до уровня, удовлетворяющего98гигиеническим нормативам.
Тогда возникает необходимость использованиямагнитного экранирования.2.2.4 Методы экранирования подземных кабельных линийСпособы экранирования подземных КЛ и их сравнительная эффективностьподробно изучены в ряде работ. Фундаментальный обзор методов управленияконфигурацией магнитного поля подземных КЛ, известных в конце 1990-х годов,приводится в серии статей [101], [102] и пр., которые свою очередь обобщаютофициальные отчеты EPRI (Electric Power Research Institute, Palo Alto, California)1990-1993 гг.
Выделены следующие факторы, влияющие на МП кабельной линииэлектропередачи: режим КЛ (уровень токовой нагрузки тока, степень асимметриифазных токов), конструкция кабелей, способ заземления, взаимное положениефазных кабелей, особенно при многофидерной прокладке, и наличие внешнихэкранирующих элементов – экранов, заземлителей и др. Отмечено, что некоторыеприемы уменьшения внешнего МП приводят к снижению пропускной способностиКЛ по току.
Изучено влияние толщины и расположения экранирующих пластин изразных материалов на величину коэффициента экранирования S F=B/B0, где В и B0– это амплитуда магнитного поля при наличии экрана и без него соответственно.Основные подходы к экранированию включают экранирование источникаполя и экранирование защищаемого объекта. Каждый из этих типов может бытьреализован в виде магнитного элемента (шунта), изменяющего конфигурациюмагнитного поля вследствие низкого магнитного сопротивления, либо в видехорошо электро-проводящего элемента, в котором индуцируются вихревые токи,создающее противоположно направленное поле (пассивное экранирование), либоорганизацией проводников с током встречного направления, специальноподобранным по величине (активное экранирование).Обзорисравнениеспособовуменьшениямагнитногополяприпроектировании двухцепной кабельной линии 138 кВ дан в подробной статье [103],где анализируется влияние схемы расположения отдельных фаз на внешнее99магнитное поле, азатем, длявыбранногооптимальногорасположениярассматривается эффективность различных видов магнитных экранов.
Особыйинтерес этому исследованию придает его практическая направленность, посколькузадача уменьшения магнитного поля решалась с большим вниманием кпрактической возможности и стоимости реализации предлагаемых схем.Серия работ испанских авторов [104], [105] рассматривает сравнительнуюэффективность экранирования кабельной линии экраном в форме плоского листа,выполненногоизхорошопроводящегонемагнитногоматериалаиизмагнитомягкого материала. В первой из статей рассматривается экранированиеотдельной трехфазной линии, а во второй – экранирование кабельного блока,содержащего три трехфазные линии, расположенные параллельно на близкомрасстоянии друг от друга.
Авторы подробно изучают численным моделированиемвлияние геометрических параметров плоского и П-образного экранов из алюминияи низко-углеродистой стали на степень ослабления магнитного поля, включаяанализ дополнительных потерь в экранах.Украинские авторы в серии статей [106], [107] изучают экранирующиесвойства проводящих немагнитных пластин, оптимизируя взаимное расположениеслоев многослойных экранов. Отмечая вычислительную сложность задачи, котораяобусловлена разницей характерных линейных размеров на 2-3 порядка, ониотказываются от метода конечных элементов и используют специальнуючисленную технику конечного интегрирования, основанную на методе конечныхразностей. Авторы не исследуют потери в экранах и их влияние на нагрузочнуюспособность линии.Одно из важных достижений последних лет – появление и распространениетонких лент из магнитомягкого аморфного материала, которые пригодны дляэкранирования кабельных линий [108]-[113].
Главное преимущество аморфныхмагнитомягких сплавов по сравнению с кристаллическими сплавами с аналогичноймагнитной проницаемостью на основе никеля (пермаллой, супермаллой) –нечувствительность магнитных свойств к механическим деформациям состоит в100том, что они не теряют магнитных свойств при механических деформациях в ходемонтажа КЛ. Ленты производятся толщиной 15-30 мкм шириной до 50 мм [109].Коэффициент магнитного поля экранирования в идеальных лабораторныхусловиях может достигать значений от 10 до 200 [108] на частоте 10 кГц.
Вреальных конструкциях кабельных линий, с учетом всех конструктивныхфакторов, такой высокий коэффициент экранирования недостижим, и каждыйпроект должен рассматриваться отдельно.Одна из конструкций магнитного экранирования подземных кабельныхлиний, разработанная ООО «Техносервис», Москва, использует пластмассовыеблоки в форме параллелепипеда, на одну или две грани которого наклеен экран измагнитной пленки, в один или несколько слоев [114]. При использованиимногослойных экранов, отдельные слои дистанцируются полимерной клейкойлентой, толщина которой также влияет на степень экранирования и являетсяпредметом выбора.
Пластиковые блоки с наклеенным экраном закапываются надкабельными линиями на расчетной глубине. Между блоками неизбежнымонтажные промежутки, влияние которых на эффективность экранирования такженуждается в оценке.Эффективность экранирования магнитомягких экранирующих пленок можетбыть оценена на этапе проектирования кабельных линий и сооружений путемчисленного расчета магнитного поля. Целью расчета является оптимизацияконструкции экрана (число слоев магнитной пленки и их конфигурация) приусловии достижения уровня индукции магнитного поля не более 20 мкТл примаксимальном токе линии на высоте 0.5, 1.5 и 1.8 м. над землей.Свычислительнойточкизрения,сложностьзадачиобусловленагеометрической разномасштабностью: характерные геометрические размерыварьируют от 15 мкм (толщина пленки) до нескольких метров (ширина кабельногокоридора), т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
