Зависимость повреждаемости кабельных муфт среднего напряжения от температуры окружающей среды

Page 1
background image

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

51

Актуально

ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ÌÓÔÒÛ

А

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
background image

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

52

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

3

К)

 — количе-

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

Коэффициент теплопроводности (k, Дж/(м

2

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

h

 — 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

h

=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

 = A

z

sin[

(z)]

 (1),

где

 T(z,t)

 — температура на глубине 

z

 в функции 

времени 

t; T

a

 — средняя температура поверхности; 

A

z

 — амплитуда колебания температуры на глубине 

z;

 

 — радиальная частота; 

(z)

 — время задерж-

ки (начальная фаза) в функции 

z

. В этом уравнении 

можно учесть влияние толщины слоя:

            T(z,t) = T

a

 = A

[sin(

– z/d)]e

-(z/d)

  

(2),

где 

A

0

 — 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 

(A

0

)

. Глубину затухания можно выразить через 

Д

h

 и 

:

                   d = (2k/C

)

1/2

 = (2D

h

/

)

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

Т

емперат

ура по

чвы, 

о

С

0

50

100

150

200

250

300

350

z = 5 cм

z = 50 cм

z = 100 cм

30

25

20

15

10

5

0

-5


Page 3
background image

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

53

Актуально

ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ÌÓÔÒÛ

  T(z,t) = T

a,y

 

+

 A

[sin(

y

y

 – z/d

y

)]e

z/d

y

 +

  + 

A

[sin(

d

d

 – z /d

d

)]e

z/d

d

                  (4),

где 

и 

d

 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]

Т

о

лщина слоя по

чвы, м

Т

о

лщина слоя по

чвы, м

16

18

18

20

20

22

22

24

24

26

28

30

32

Т(

о

С)

Т(

о

С)

Перед рассветом

Полдень

Прогрев

Остывание

Остывание

Конец дня

Поздний вечер

Остывание

Остывание

Остывание

Прогрев

Прогрев

Прогрев

Прогрев

Прогрев

Прогрев

Наибольшие 

изменения

Наибольшие 

изменения

Наибольшие 

изменения

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

18

20

22

24

26

Т(

о

С)

Т(

о

С)

20

22

24

26

28


Page 4
background image

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

54

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.

Т

емперат

ура, 

о

С

К

о

личес

тво повреж

дений

Месяц

25

20

15

10

5

0

75

60

55

50

15

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11

12

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

Т

емперат

ура, 

о

С

К

о

личес

тво повреж

дений

Месяц

25

20

15

10

5

0

125

100

75

50

25

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11

12

Средняя темп.

Количество отказов

Рис. 5. Ежедневная температура с конца июня до 

начала августа 2006 года

Средняя температ

ура, 

о

С

К

о

личес

тво повреж

дений

Дата

Июнь

Июль

Август

30

25

20

15

10

5

0

18

15

12

9

6

3

0

1

23 26

29

2

4

8

11 14 17 20 23 26 29

5

7

Среднедневная температура

Количество отказов


Page 5
background image

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

55

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

К

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

К

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


Читать онлайн

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

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»