Для обеспечения безаварийной и длительной работы кабельных линий необходимо следить за тем, чтобы температура жил и других элементов кабеля в процессе эксплуатации не превышала допустимых пределов. В противном случае изоляция кабеля в местах перегрева может высохнуть или даже обуглиться, потеряет свои изоляционные и механические свойства, что в конечном результате приведет к пробою кабеля в этом месте.
Чрезмерный перегрев кабеля недопустим также потому, что при нагреве происходит увеличение объема пропиточного состава изоляции, в результате чего внутри кабеля возрастает давление, которое передается на свинцовую оболочку. Свинцовая оболочка от этого давления деформируется, размер ее по диаметру увеличивается, и так как этот процесс является необратимым, то в дальнейшем при остывании кабеля под свинцовой оболочкой образуются пустоты, которые ослабляют электрическую прочность изоляции. Поэтому действующим ГОСТ 340-59 на силовые кабели с бумажной пропитанной изоляцией, выпускаемые отечественной промышленностью, установлены для токоведущих жил кабелей в зависимости от их напряжения следующие допустимые длительные плюсовые (+) температуры: для кабелей до 3 кВ — 80 °С, 6 кВ — 65 °С, 10 кВ — 60 °С, 20 и 35 кВ — 50 °С.
Длительно допустимая температура токоведущих жил кабелей до 3 кВ с пластмассовой изоляцией не должна превышать +70 °С; кабелей специальных конструкций— предусмотренных техническими условиями на их изготовление.
Разные допустимые температуры жил для кабелей с вязкой пропиткой различных напряжений объясняются тем, что к надежности работы изоляции кабелей большего напряжения предъявляются более высокие требования, и поэтому температура допускается меньшая. Помимо этого, износ изоляции кабелей, ее старение и срок жизни определяются воздействиями электрического и теплового полей, возрастающими с повышением номинальных напряжений кабелей.
Кабель в процессе эксплуатации может нагреваться не только от тока нормальной нагрузки, но и от тока короткого замыкания (к. з.) при повреждении какого- либо элемента сети. В некоторых случаях эти токи достигают очень большого значения, что при неправильном выборе кабеля может привести к порче его на всей длине линии.
Выбор кабеля по сечению, которое обеспечивало бы его термическую устойчивость при токах к. з., производится при проектировании кабельной линии, при этом максимально допустимое превышение температуры нагрева жил при к. з. должно быть не более +200 °С для кабелей до 10 кВ с бумажной пропитанной изоляцией с медными и алюминиевыми жилами и не более + 125°С для тех же кабелей, но на напряжения 20— 220 кВ.
При этом согласно ПУЭ принято, что до момента к. з. температура жил не превышает допустимую температуру по нагреву в длительном режиме.
В процессе эксплуатации расчетные условия, принятые при проектировании, могут меняться, поэтому необходимо при изменении параметров схемы сети производить контрольные проверки на соответствие кабелей токам к. з.
Контроль за температурами нагрева токоведущих жил в процессе эксплуатации кабельных линий осуществлять очень сложно, так как жилы для измерения практически недоступны. Поэтому контроль за нагревом кабелей в процессе их эксплуатации ведется измерением температуры нагрева свинцовой или алюминиевой оболочки или брони кабеля.
Естественно, что измеренная температура на металлической оболочке или броне кабеля будет меньше, чем температура жилы, на величину перепада температуры в изоляции кабеля. Поэтому, чтобы определить действительную температуру на жиле по результатам измерения температуры оболочки, следует произвести пересчет по следующей формуле
где t-об — температура на свинцовой оболочке или бро не кабеля, °С; I-оп — длительная максимальная нагрузка кабеля, А; п — число жил кабеля; р — удельное сопротивление меди или алюминия при температуре, близкой к температуре жилы, Ом-мм2/м; SK— сумма тепловых сопротивлений изоляции и защитных покровов кабеля, Ом*; q — сечение жилы кабеля, мм2.
Тепловые сопротивления бумажной изоляции и защитных покровов для разных кабелей значительно меняются в зависимости от их срока жизни, высыхания и т. д. Средние тепловые сопротивления для кабелей, находящихся в эксплуатации, приведены в табл. 10-1.
* Тепловое сопротивление принимается равным одному тепловому ому, если при прохождении в течение 1 с через 1 см3 какого-либо вещества мощности теплового потока 1 Вт между стенками кубика, расположенными перпендикулярно потоку, получается падение температуры 1 °С.
Таблица 10-1
Тепловые сопротивления для кабелей, находящихся в эксплуатации
Зная все исходные величины, можно определить температуру жилы кабеля:
Как показывает данный расчет, разность в температуре между жилой и оболочкой кабеля 10 кВ составляет 16 °C.
Опытные измерения подтверждают, что перепад температуры между жилой и свинцовой оболочкой кабелей 10 кВ составляет 20 °C. Поэтому в практических условиях обычно ограничиваются измерением температуры свинцовой оболочки, учитывая, что температура жилы кабеля будет выше на 15—20 °C, и дополнительных перерасчетов не делается.
Измерение температуры оболочек кабелей рекомендуется производить в местах, где кабель более всего нагревается. Такими местами могут быть пересечения кабельной линии с теплопроводом, если при прокладке кабеля или теплопровода не выполнены мероприятия по наложению на теплопровод достаточной теплоизоляции или не соблюдены требуемые ПУЭ расстояния между кабелем и теплопроводом.
Очень часто при прокладке непосредственно в земле наибольший нагрев кабеля наблюдается в местах, где кабель лежит с другими действующими кабелями в одном пучке. В этом случае повышение температуры происходит от дополнительного подогрева почвы и самого кабеля теплом, выделяемым соседними кабелями. Особенно неблагоприятные условия для охлаждения кабеля тех участков трассы, где грунт сухой или имеет большое тепловое сопротивление. Если кабельная линия на отдельных участках трассы проложена в трубах, то вне зависимости от того, из какого материала они сделаны, кабель будет иметь наибольший нагрев в середине трубы по ее длине.
Поэтому для измерения температуры нагрева оболочек кабеля необходимо предварительно изучить состояние трассы данной кабельной линии, определить расчетом место по трассе с наихудшими условиями охлаждения кабеля и только после этого приступить к измерению его нагрева. Измерение температуры следует производить в период, когда кабельная линия имеет максимальную нагрузку. Если нагрузка кабельной линии в течение суток равномерна, то температуру на оболочке кабеля достаточно измерить дважды с интервалом через 1—2 ч. В противном случае температуру необходимо измерять в течение суток через каждые 1—2 ч и одновременно измерять величину нагрузки.
По полученным данным строятся суточные графики изменения температуры оболочки кабеля и его нагрузки. При подсчете температуры жилы кабеля по указанной выше формуле за tоб следует принимать максимальное значение температуры оболочки по графику, а за /оп — получасовой максимум токовой нагрузки, который представляет собой максимальную из средних получасовых токовых нагрузок, хотя эти максимальные значения температуры и нагрузки не будут совпадать по времени.
Измерения температур металлических оболочек кабелей, проложенных открыто в распределительных устройствах электростанций и подстанций, туннелях, коллекторах, каналах, подвалах, рекомендуется производить обычным лабораторным термометром, при этом резервуар с ртутью термометра должен быть' хорошо укреплен на броне или свинцовой оболочке кабеля с помощью станиоля или аналогичного материала с хорошей теплопроводностью.
В случаях, когда металлические оболочки кабелей недоступны (прокладка в земле и т. п.), измерения рекомендуется производить при помощи термопар, изготовляемых для этой цели обычно из медной и константановой проволок. На каждом кабеле в измеряемом месте следует установить не менее двух термопар, что обеспечивает резерв в случае порчи одной из них и повышает точность измерения.
Если кабель, на котором предполагается измерить температуру оболочки, проложен непосредственно в земле, то должна быть соблюдена следующая технологическая последовательность в выполнении отдельных элементов работы. На трассе кабельной линии в месте измерения отрывается шурф или котлован в зависимости от местных условий. С кабеля снимается верхний слой джута, или джут разводится в стороны для высвобождения брони. В месте установки термопары накладывается фольга и производится крепление термопары к кабелю намоткой пяти—шести слоев изоляционной ленты. Провода термопары прокладываются в газовой трубе и выводятся в удобное и безопасное от механических повреждений место. Если в одном месте устанавливается несколько термопар, то на их концах прикрепляются маркировочные бирки. После этого шурф или котлован засыпается и утрамбовывается, при этом необходимо следить, чтобы не повредились заложенные термопары. Измерения температуры оболочек кабеля следует производить не ранее двух-трех дней после засыпки котлована, т. е. после того, как установится постоянная температура грунта.
При измерении концы холодного спая термопар рекомендуется помещать в сосуд с тающим льдом или снегом. Если это невозможно, то обычным термометром определяют температуру воздуха в месте нахождения концов холодного спая. В этом случае к полученному отсчету температуры по шкале прибора необходимо прибавить температуру окружающего воздуха, если она положительна, и отнять, если она отрицательна.
В качестве измерительного прибора для медно-константановых термопар применяются магнитоэлектрические гальванометры, шкала которых градуируется непосредственно в градусах Цельсия. Если в результате измерений окажется, что температура жилы кабеля на отдельных участках линии выше допустимой величины, то следует снизить нагрузку на кабельную линию или выполнить мероприятия по улучшению охлаждения кабельных линий на участках, где он перегревается. К таким мероприятиям относятся сооружение туннелей или каналов, улучшение вентиляции в существующих туннелях, применение дополнительной теплоизоляции тепло- и паропроводов в местах пересечения или сближения их с кабелями и пр. В некоторых случаях на перегреваемых участках линии целесообразно заменить кабель на кабель большего сечения.
Контроль за температурой оболочек и жил кабелей в условиях эксплуатации следует осуществлять также в случаях, когда возникает необходимость уточнить возможность повышения допустимых длительных нагрузок по сравнению с расчетными.
