Тепловое сопротивление среды, окружающей кабель

С точки зрения нагревания жил при нагрузке в наилучших условиях по сравнению с другими видами прокладки находится подводный кабель, так как вода, омывающая кабель, обеспечивает хороший отвод тепла с наружной поверхности кабеля и тепловое сопротивление среды можно считать практически равным нулю.

Однако прокладка в воде в большинстве случаев сводится к прокладке кабеля во влажной почве, так как большинство подводных кабелей при прокладке углубляются в дно реки, а если они прокладываются без углубления, то через некоторое время заносятся грунтом.

Кабель, проложенный в воздухе, охлаждается путем переноса тепла от наружной поверхности к окружающему воздуху путем конвекции. Наряду с этим некоторое значение имеет и передача тепла посредством теплового излучения.

Охлаждение кабеля может быть различным в зависимости от скорости и направления перемещения воздуха (обдувания). На практике для расчетов обычно принимают среднее значение коэффициента теплопередачи для свободной конвекции.

При прокладке в туннелях и каналах следует учитывать общий нагрев воздуха в туннеле, наличие горячих восходящих потоков воздуха от расположенных ниже кабелей и нагретых труб.

Рис. 7.3 – Схема прокладки кабелей в земле. 1— песчаная подушка; 2— кабели; 3 — кирпичи.

Как правило, воздушное охлаждение менее эффективно, чем охлаждение при прокладке в земле, за исключением некоторых случаев, когда прокладка ка белей производится на большой глубине. На кабели напряжением до 10 кВнагрузка в воздухе обычно снижается по сравнению с нагрузкой в земле примерно на 20—30%.

Схематическое изображение прокладки кабеля в земле дано на рис. 5.16. Кабель укладывается на дно траншеи на подушку из мягкой земли и засыпается мягкой землей с последующей тщательной утрамбовкой ее. Слой земли, непосредственно примыкающий к кабелю, должен плотно прилегать к его поверхности. Лучше всего это достигается при использовании подсыпки из мягкой земли или песка.

В одной траншее может быть уложено несколько кабелей, с тем, однако, чтобы расстояние между соседними кабелями не было меньше диаметра самого кабеля.

Наименее благоприятны условия охлаждения при прокладке кабеля в бетонных блоках, находящихся в земле. В этом случае кабель без брони в одной свинцовой оболочке протягивается в отверстие блока и тепловой поток, выходящий из кабеля, преодолевает сначала сопротивление прослойки воздуха, а затем проходит через стенки блока в окружающую почву.

При прокладке в воздухе превышение температуры поверхности кабеля над температурой окружающего воздуха может быть вычислено по формуле

(7.63)

где ∑р — сумма всех потерь в кабеле;

S_B — сопротивление теплопередачи к воздуху.

Сопротивление теплопередачи от поверхности кабеля в воздух зависит от диаметра кабеля, состояния его поверхности, разности температур между кабелем и воздухом и средней температуры воздуха. Расчет конвективной теплопередачи может быть произведен по критериальным уравнениям теории теплопередачи.

На практике пользуются обычно упрощенными формулами. Простейшая эмпирическая формула для расчета сопротивления теплоперехода в воздух имеет вид:

(7.64)

где A – удельное сопротивление теплопереходу от поверхности кабеля в воздух, град∙см²/втвыбирается по табл. 5.12; D_H — наружный диаметр кабеля, см.

Таблица 7.6 – Зависимость удельного сопротивления теплоперехода воздух-кабель.

При прокладке кабеля в земле поверхности грунта и кабеля можно приближенно принять за изотермические.Тогда, пользуясь методом зеркальных отображений для однородного грунта, по аналогии с электрическим полем можно получить формулу для теплового сопротивления земли (рис. 7.3):

(5.66)

где σ_З — удельное тепловое сопротивление земли, окружающей кабель, град∙см²/вт

D_H — наружный диаметр кабеля, см.

При постоянной температуре поверхности грунта в установившемся режиме тепло будет отводиться только к поверхности грунта.

Удельное тепловое сопротивление грунта сильно зависит от структуры почвы и содержания в ней влаги, как это видно из табл. 7.5. Правильный выбор величины σ_З позволяет существенно снизить стоимость кабельной линии, поэтому лучше всего производить измерения σ_З по всей трассе прокладки кабеля.

Удельное тепловое сопротивление σ_З =90 град∙см/втможет быть принято для песчаных, меловых и содержащих гравий грунтов.

Рис. 7.4 – К расчету теплового сопротивления грунта.

Величина σ_З =150 град∙см/втможет быть принята при сильной загрузке кабелей в сухое время года для дренированных песчаных и меловых почв, а также для скалистых грунтов. Для всех остальных условий σ_З может быть принято равным 120 град∙см/вт.

Нагревание наружной поверхности ряда параллельно проложенных кабелей определяется суммированием тепловых полей в грунте от всех кабелей. Превышение температуры поверхности n-го кабеля над температурой поверхности грунта может быть выражено суммой превышения температур за счет всех m кабелей:

(7.66)

где Р_п — потери в рассматриваемом кабеле;

S_З — тепловое сопротивление единичного кабеля;

— перегрев земли на оси рассматриваемого n-го кабеля под действием потерь в k-м кабеле.

Величина может быть вычислена методом зеркальных отображений (рис. 5.17) по формуле, аналогичной (7.65):

(7.67)

где р_k — потери в k-м кабеле, а обозначения и взяты из рис. 5.17 в предположении, что центр кабеля п расположен в точке 0_n а центр кабеля k — в точке O_k. Уравнение (5.68) позволяет вычислять превышение температуры поверхности кабеля над средней годовой температурой поверхности грунта в данной местности. Суточные колебания температуры грунта на глубине прокладки кабелей практически отсутствуют, однако сезонные колебания могут быть значительными и подлежат учету.

Рис. 7.5 – Распределение температуры для кабеля в блоке.

При расчете температуры оболочки кабеля, проложенного в канале блока (рис. 5.18), необходимо учитывать тепловое сопротивление воздуха между оболочкой кабеля и стенкой канала блока.

Превышение температуры оболочки над температурой поверхности грунта определяется уравнением

(7.68)

где Р – потери в кабеле;

– превышение температуры стенки канала блока над температурой поверхности грунта; τ_в — разность температур оболочки и стенки канала

блока;

S_В — тепловое сопротивление воздуха в канале блока. Величина S_B вычисляется по формуле

(7.69)

где D_H выражено в сантиметрах.

Теплофизические свойства бетона блока и земли довольно близки (см. табл. 7.5), поэтому для определения в некоторых случаях могут быть использованы уравнения (7.66) и (7.67) с учетом всех кабелей, проложенных в блоке, и их зеркальных отображений, как будто кабели проложены просто в грунте.

В случае, если удельные тепловые сопротивления материала блока и земли сильно различаются, необходимо использовать метод моделирования или эмпирическую формулу, полученную на основе экспериментальных данных для блоков определенной формы:

(7.70)

где Р_п – потери в рассматриваемой жиле п;

S_nбл – эффективное тепловое сопротивление п-гоканала блока, вычисляемое по эмпирическим формулам для конкретных канала и формы блока