Зависимость повреждаемости кабельных муфт среднего напряжения от температуры окружающей среды

Page 1

«КАБЕЛЬ-news», № 4, 2012, www.kabel-news.ru

Актуально

ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ÌÓÔÒÛ

нализ повреждений эпоксидных соедини-
тельных кабельных муфт, используемых
в кабельных сетях среднего напряжения
в Нидерландах, показал их взаимосвязь с

температурой окружающей среды. Такие явления
наблюдаются особенно в летний период. В частно-
сти, в июле и августе 2003 и 2006 годов наблюда-
лись высокие температуры воздуха, и количество
повреждений кабельных муфт значительно воз-
росло. Высокая температура воздуха оказывает
влияние на температуру грунта не только в течение
года, но и ежедневно. Было отмечено, что отказы
муфт следуют за повышением или падением сред-
ней температуры в различные дни месяца, причём
количество выходов из строя муфт растёт или па-
дает с некоторой задержкой во времени. Изменение
температуры слоя грунта вокруг кабельной муфты
вызывает повышение температуры в самой муфте,
приводя тем самым к повреждению муфты, которая
уже находится на грани выработки своего ресурса.
Наличие «горячей точки» в сочетании с повышени-
ем температуры грунта может привести к пробою
изоляции.

ВВЕДЕНИЕ

В 70-х годах прошлого столетия в кабельных ли-

ниях среднего напряжения в Нидерландах использо-
вались эпоксидные соединительные муфты. Пробои
их эпоксидной изоляции являются сегодня одной из
основных причин аварийных перерывов электро-
снабжения. Имеется база данных по отказам за по-
следние 5 лет с указанием даты повреждения. Эти

данные можно использовать для проведения стати-
стического анализа повреждений. Такой анализ по-
казывает, что муфты почти выработали свой ресурс
и представляют собой главную причину отказов, и
означает, что увеличение числа повреждений явно
зависит от продолжительности предшествующего
периода эксплуатации [1, 2]. Однако анализ также
показывает, что количество ожидаемых отказов от-
личается от их фактического числа. Это касается в
основном летнего периода времени. Таким образом,
напрашивается вопрос: не является ли повышенная
температура окружающей среды причиной возник-
новения повреждений?

Одним из важнейших факторов, оказывающих

влияние на температуру кабеля или муфты, являет-
ся величина тока, протекающего по кабелю. Чтобы
определить, вносит ли величина тока свой вклад в
возникновение повреждений, был проведён анализ,
не произошло ли когда-либо за несколько минут до
отказа муфты увеличения тока или перегрузки ка-
бельной линии. Исследования показали, что никаких
серьёзных изменений тока, которые можно было бы
связать с предстоящим отказом, не происходило.

Температура грунта вокруг муфты меняется в

течение года. Это влияет на распределение темпе-
ратуры в самой муфте, что может стать причиной
пробоя её изоляции. Даже на обычной глубине про-
кладки кабеля (0,5—1 м) температура в течение
года меняется. В данном докладе рассматривается
влияние температуры окружающей среды на тер-
мические свойства грунта в течение года, а также
эффект воздействия повышения температуры на

Зависимость
повреждаемости кабельных
муфт среднего напряжения
от температуры окружающей
среды

ДОКЛАД МЕЖДУНАРОДНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ

ПО РАСПРЕДЕЛЕНИЮ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ — СIRED

Роджер ЙОНГЕН, Эдвард ГУЛЬСКИ, Йоган СМИТ,

Делфтский технический университет, Нидерланды

Page 2

«КАБЕЛЬ-news», № 4, 2012, www.kabel-news.ru

Актуально

ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ÌÓÔÒÛ

кабели и муфты. Будет показана также взаимосвязь
температуры окружающей среды и количества по-
вреждений муфт с изоляцией из эпоксидной смолы.

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ

Распределение температуры в грунте зависит от

целого ряда параметров, которые включают тепло-
физические свойства грунта, характеризующиеся
тремя типичными параметрами [3].

Объёмная теплоёмкость (C, Дж/м

К)

— количе-

ство теплоты, которое нужно подвести к единице
объёма грунта, чтобы нагреть его на один градус.

Коэффициент теплопроводности (k, Дж/(м

сК/м)

— количество теплоты, передаваемой через едини-
цу площади поверхности теплопроводящего тела за
единицу времени при градиенте температуры, рав-
ном одному градусу на метр.

Коэффициент температуропроводности или ко-

эффициент диффузии (рассеяния) Д

— равен тому

повышению температуры, которое произойдёт в
единице объёма вещества за единицу времени при
тепловом потоке, равном коэффициенту теплопро-
водности. Коэффициент температуропроводности
можно охарактеризовать как параметр, зависящий
от коэффициента теплопроводности и объёмной те-
плоёмкости (Д

=k/C).

Теплофизические свойства во многом зависят

от типа и состава грунта. Например, наличие влаги,
воздуха и органических веществ оказывает боль-
шое влияние на его теплофизические свойства.
Ввиду постоянного изменения концентрации влаги
и воздуха в почве теплопроводность также являет-
ся переменной величиной, зависящей от времени.
Поэтому значение коэффициента теплопроводности
изменяется в зависимости от глубины и во времени.
Содержание влаги и распределение тепла — взаи-
мозависимые процессы. Они взаимодействуют меж-
ду собой и оказывают друг на друга взаимное
влияние. Такая взаимозависимость может при-
вести к перемещению как влаги, так и тепла в
почве, что вызывает изменение её теплофизи-
ческих свойств.

Источник тепла, например, находящийся

в эксплуатации кабель вследствие движения
влаги из мест с более высокой температурой
к местам с более низкой может оказать влия-
ние на параметры почвы. Следовательно, рас-
пространение тепла (местное) в почве изменя-
ется и может привести к изменению градиента
влажности. Таким образом, эти процессы взаи-
мовлияющие и взаимосвязанные.

ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО

РЕЖИМА ПОЧВЫ

Кроме теплофизических свойств почвы,

величиной, зависимой от местных метеоро-

логических условий, является её температура. Это
означает, что суточные и сезонные перепады тем-
пературы оказывают сильное влияние на состояние
почвы. Погодные явления, например дождь, поверх-
ность почвы (лес, дорожное покрытие) и человече-
ский фактор также влияют на температурный режим
почвы. Всё это необходимо учитывать при комплекс-
ном математическом моделировании.

Изменение температурного режима почвы моде-

лируется. Годовые, а также суточные колебания тем-
пературы можно описать синусоидальной функцией
времени и глубины [3, 4]:

T(z,t) = T

= A

sin[





(z)]

(1),

где

T(z,t)

— температура на глубине

в функции

времени

t; T

— средняя температура поверхности;

— амплитуда колебания температуры на глубине



— радиальная частота;



(z)

— время задерж-

ки (начальная фаза) в функции

. В этом уравнении

можно учесть влияние толщины слоя:

T(z,t) = T

= A

[sin(



– z/d)]e

-(z/d)

(2),

где

— амплитуда колебания на поверхности.

Постоянная

— глубина затухания температур-

ных колебаний в почве. На этой глубине амплитуда
температуры уменьшается в е=2,718 раза по отно-
шению к амплитуде температуры на поверхности по-
чвы

)

. Глубину затухания можно выразить через



d = (2k/C



)

1/2

= (2D



)

1/2

(3).

Как можно видеть, глубина затухания температу-

ры обратно пропорциональна корню квадратному из
частоты. Это означает, что глубина затухания годо-
вых колебаний в 19 раз больше суточных.

В уравнение (2) можно включить влияние годо-

вых и суточных колебаний температуры. Также мож-
но ввести значение начальной фазы



, которая за-

даёт произвольную нулевую точку шкалы времени.
При этом формула (2) принимает вид:

Рис. 1. Изменение температуры почвы на разной

глубине в течение года при среднесуточных

температурах окружающей среды

Число суток

емперат

ура по

чвы,

100

150

200

250

300

350

z = 5 cм

z = 50 cм

z = 100 cм

-5

Page 3

«КАБЕЛЬ-news», № 4, 2012, www.kabel-news.ru

Актуально

ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ÌÓÔÒÛ

T(z,t) = T

a,y

[sin(





– z/d

)]e

z/d

[sin(





– z /d

)]e

z/d

(4),

где

в нижних индексах соответствуют годо-

вым и суточным колебаниям.

Суточные изменения, обусловленные толщиной

слоя, накладываются на годовые колебания темпе-
ратуры на этой же глубине. На рис. 1 показаны го-
довые графики изменения температуры почвы для
глубин 5, 50 и 100 см. Для построения этих графиков
приняты средние термические параметры из лите-
ратуры [5].

Используя при моделировании показатели тем-

пературы воздуха, можно недооценить значение
температуры почвы. Точно так же при увеличении
глубины в модели уменьшается влияние суточных
колебаний температуры. Этот эффект можно на-
блюдать при сравнении фактической (измеренной)
температуры почвы в течение года с расчётными
значениями [6].

В зависимости от сезона распределение темпера-

туры на разной глубине в течение года может менять-
ся. Это обстоятельство характеризуют графики на
рис. 1, где в качестве примера показано изменение
температуры, начиная с зимнего периода времени.

Суточные изменения температуры имеют более

динамичный характер, в особенности на небольшой
глубине. Пример суточных колебаний температуры
на различной глубине в летний период времени пред-
ставлен на рис. 2, заимствованном из литературы [3].

Анализируя графики рис. 2, можно заметить, что

температура почвы на небольших глубинах практи-
чески точно совпадает с температурой окружающей
среды (воздуха), в то время как на более значитель-
ной глубине происходит отставание в повышении и
понижении температуры почвы по сравнению с на-
ружной температурой.

ТЕМПЕРАТУРА КАБЕЛЯ И ТЕПЛОВОЙ ПОТОК

Теплофизические свойства почвы вокруг кабеля

оказывают большое влияние на температурный ре-
жим самого кабеля и должны учитываться при рас-
чёте его нагрузочной способности [7]. Почва вносит
свой вклад в тепловой поток, проходящий между
кабелем и внешней средой. Термическое сопротив-
ление (величина обратная теплопроводности) почвы
оказывает большое влияние на тепловое состояние
кабеля. Оно может меняться в зависимости от глу-
бины прокладки кабеля, наличия параллельно про-
ложенных кабелей и типа самой почвы [8]. Удельное
сопротивление почвы зависит от следующих факто-
ров [9]:
• наличия в грунте воздуха, обладающего высоким

удельным тепловым сопротивлением. Для умень-
шения термического сопротивления почва вокруг
кабелей должна быть хорошо уплотнена;

• замены воздуха водой, что приводит к снижению

теплового сопротивления, но все же вода не об-
ладает достаточной теплопроводностью;

• наличия в почве органических веществ, которые

обладают высоким удельным тепловым сопро-
тивлением, даже если имеют повышенную влаж-
ность;

• засыпаемых в траншеи грунтов, причём наимень-

шее сопротивление имеет кварцевый песок.
Из вышесказанного становится ясно, что терми-

ческие характеристики почвы могут значительно из-
меняться по всей протяжённости трассы кабеля. Как
упоминалось ранее, огромное значение при опре-
делении термических характеристик почвы играет
влага. При высоком содержании влаги удельное
термическое сопротивление достаточно стабильно и
незначительно меняется в зависимости от её содер-
жания. Однако при достижении некоторого критиче-
ского значения (нижнего предела) содержания влаги
термическое сопротивление резко возрастает. По-
чва вокруг кабеля осушается, и его нагрев происхо-

Рис. 2. Изменение температуры почвы на различной

глубине в разное время суток в летний период

времени [3]

лщина слоя по

чвы, м

лщина слоя по

чвы, м

Т(

С)

Т(

С)

Перед рассветом

Полдень

Прогрев

Остывание

Конец дня

Поздний вечер

Остывание

Прогрев

Наибольшие

изменения

Наибольшие

изменения

Наибольшие

изменения

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Т(

С)

Т(

С)

Page 4

«КАБЕЛЬ-news», № 4, 2012, www.kabel-news.ru

Актуально

ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ÌÓÔÒÛ

дит при меньшем объёме влаги, что приводит к до-
полнительному нагреву кабеля. В конечном
итоге это может закончиться неуправляемым
нагревом и термической нестабильностью
кабеля. Можно сказать, что чем больше глу-
бина прокладки кабеля, тем лучше для него
будут температурные условия среды.

ПОВРЕЖДЕНИЯ МУФТ И

ТЕМПЕРАТУРА ОКРУЖАЮЩЕГО

ВОЗДУХА

В предыдущих разделах были рассмотре-

ны теплофизические свойства почвы и их
влияние на характеристики кабеля и муфты.
В качестве примера для стандартной эпок-
сидной муфты 10 кВ, применявшейся в 70-х
годах прошлого века, выявлен типичный гра-
фик изменения количества отказов на про-
тяжении года. Удивление вызывает тот факт,
что наибольшее количество отказов проис-
ходит в летние месяцы. На рис. 3 показано

среднемесячное количество повреждений при сред-
немесячной наружной температуре за последние
5 лет. На диаграмме можно увидеть, что количество
отказов возрастает с июня по август, особенно в
июле. В эти месяцы обычно держится самая высо-
кая температура.

Для более полной наглядности на рис. 4 показаны

среднемесячное количество отказов и среднемесяч-
ная температура за 2006 год. Для этого года харак-
терно повышение общего количества отказов после
их снижения в предыдущие годы. В июле наблюда-
лось повышение температуры воздуха выше нормы.
В этом месяце, как видно из диаграммы на рис. 4,
было отмечено и экстремально высокое количество
отказов.

Когда температура окружающего воздуха и ко-

личество отказов коррелируются, что наблюдается
в июле и августе в течение последних 5 лет, то мож-
но увидеть, что коэффициент корреляции для обоих
месяцев приблизительно равен 0,88. Это говорит о
том, что между температурой и количеством отказов
существует взаимосвязь. Если вывести коэффици-
ент корреляции между общим количеством отказов
и температурой воздуха в течение года, то для 2006
года, как следует из рис. 3, он будет равен 0,64.

Для большей наглядности влияния температуры

на рис. 5 показана ежедневная температура с конца
июня до начала августа 2006 г. вместе с ежеднев-
ным количеством отказов.

Из этого рисунка видно, что большинство еже-

дневных повреждений приходится на периоды с по-
вышенной температурой воздуха.

Существует некоторая задержка момента возник-

новения неисправности кабеля по отношению к мо-
менту повышения температуры. Как видно из рис. 6,
эта задержка составляет от 1 до 3 дней. Что касает-

Рис. 3. Среднемесячная температура и среднеме-

сячное количество отказов в период 2002—2006 гг.

емперат

ура,

личес

тво повреж

дений

Месяц

10 11

Средняя температура за 2002–2006 гг.
Среднее количество отказов в 2002–2006 гг.

Рис. 4. Среднемесячное количество отказов и

среднемесячная наружная температура в 2006 году

емперат

ура,

личес

тво повреж

дений

Месяц

125

100

10 11

Средняя темп.

Количество отказов

Рис. 5. Ежедневная температура с конца июня до

начала августа 2006 года

Средняя температ

ура,

личес

тво повреж

дений

Дата

Июнь

Июль

Август

23 26

11 14 17 20 23 26 29

Среднедневная температура

Количество отказов

Page 5

«КАБЕЛЬ-news», № 4, 2012, www.kabel-news.ru

Актуально

ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ÌÓÔÒÛ

результаты позволяют сделать следующие
выводы.

1. Температура почвы зависит от многих

факторов, таких, как содержание влаги, тип
самой почвы и наружная температура. На-
грузка кабеля также влияет на термические
свойства грунта, что, в свою очередь, при-
водит к местным изменениям температуры
почвы.

2. Было отмечено явное увеличение ко-

личества отказов в летние месяцы, особен-
но в июле-августе.

3. Максимальные суточные температу-

ры часто приводят к увеличению числа по-
вреждений. Это может быть вызвано высо-
ким термическим напряжением в кабельных
муфтах в результате повышения температу-
ры почвы в сочетании со старением изоля-
ции муфты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Р.А. Йонген, П.Х.Ф. Моршуйс, Й.Й. Смит,
А.Л.Й. Янссен, Э. Гульски. Статистический
анализ выхода из строя эксплуатируемых
эпоксидных кабельных муфт. Материалы
Международной конференции по пробле-
мам мониторинга и диагностики, Корея,
2006.
2. Д. Хиллел. Физика почв. Академик Пресс,
Сан-Диего, США, 1998.
3. Р.Э. Уайт. Принципы и практика почвове-
дения: почва как природное богатство. Чет-
вертое издание. Изд-во Блэкуэлла, Малден,
США, 2006.
4. Д.А. Де Врие. Теплофизические свойства
почвы в физике окружающей среды. Под

ред. У.Р. ван Вийк. Изд-во «Норт Холланд», Ам-
стердам, 1963.

5. Дж. Ву, Д.Л. Нофцигер. Влияние температуры на

ухудшение свойств пестицидов в модели управ-
ления. Journal of Environmental Quality, том 28,
стр. 92—100, 1999.

6. МЭК 287-2-1, Электрические кабели. Расчёт на-

грузочной способности, 1994.

7. К.Л. Купер, М.Л. Даер, Г.Г. Каради. Исследование

влияния сезонных изменений теплопроводности
почвы на нагрузочную способность высоковольт-
ных кабелей. Конференция по исследованию
крупных инженерных систем в электроэнергети-
ке, июль 2004, стр.108—112.

8. Дж. Кэмпбелл, К. Бристоу. Удельное термическое

сопротивление почвы. Система передачи и рас-
пределения электроэнергии Австралии, Чапел
Хилл, Оулд, материалы СПР: с. 46—48, 2002.

9. Королевский метеорологический институт Ни-

дерландов (KNMI), http://www.knmi.nl.

ся июля 2006 г., то коэффициент корреляции между
температурой окружающей среды и количеством
отказов составил 0,49. Если учитывать задержку
только в 1 день, то можно выявить, что коэффици-
ент корреляции увеличивается до 0,57. Анализ для
остальных годов рассматриваемого периода пока-
зывает, что задержка в 2—3 дня приводит к более
высокому коэффициенту корреляции.

ВЫВОДЫ

Статистический анализ срока службы множе-

ства эпоксидных кабельных муфт показал, что эти
муфты находятся в стадии почти полного износа.
Старение изоляции считается главной причиной их
выхода из строя. В прошлом году зарегистрирова-
но увеличение числа их повреждений, которое ока-
залось выше ожидаемого. По этой причине было
проведено исследование, направленное на опреде-
ление зависимости между появлением неисправ-
ностей и температурой окружающей среды. Его

Рис. 6. Корреляция между возникновением повреждения и темпе-

ратурой с временной задержкой 0—6 дней. Горизонтальная линия

показывает критическое значение коэффициента корреляции

оэффициент к

орреляции

0,75

0,65

0,55

0,45

0,35

0,25

0,15

0,05

-0,05

-0,15

-0,25

2002

2003

Год

2004

2005

2006

нет задерж.

задерж. 1 день

задерж. 2 дня

задерж. 3 дня

задерж. 4 дня

задерж. 5 дней

оэффициент к

орреляции

0,75

0,65

0,55

0,45

0,35

0,25

0,15

0,05

-0,05

-0,15

-0,25

2002

2003

Год

2004

2005

2006

нет задерж.

задерж. 1 день

задерж. 2 дня

задерж. 3 дня

задерж. 4 дня

задерж. 5 дней

Оригинал статьи: Зависимость повреждаемости кабельных муфт среднего напряжения от температуры окружающей среды

Читать онлайн

Анализ повреждений эпоксидных соединительных кабельных муфт, используемых в кабельных сетях среднего напряжения в Нидерландах, показал их взаимосвязь с температурой окружающей среды.