Искусственное охлаждение маслонаполненных кабелей с центральным маслопроводящим каналом

Для преодоления жестких ограничений по токовой нагрузочной способности кабелей, проложенных в земле, может применяться искусственное охлаждение кабелей. Возможны следующие варианты искусственного охлаждения:

внешнее охлаждение с помощью труб. При этом обеспечивается протекание воды по пластмассовым трубам, проложенным вблизи от кабеля (рис. 1.5). Общее термическое сопротивление кабеля в схеме замещения шунтируется термическим сопротивлением между кабелем и охлаждающей водой. Температура воды увеличивается при движении по трубам, и, таким образом, имеется ограничение по длине кабеля, который может быть охлажден таким способом. Эффективное термическое  coпpотивление содержит составляющие: сопротивление грунта между кабелем и трубами, сопротивление стенки трубы, термическое сопротивление между кабелем и охлаждающей водой и термическое сопротивление самого кабеля. Такая система искусственного охлаждения относительно проста и имеет ряд преимуществ по механическим характеристикам для кабелей, проложенных непосредственно в земле. Охлаждение длинных КЛ производится путем применения труб охлаждения большого диаметра, например диаметром 150 мм. Такие трубы должны быть гибкими и должны иметь армированные стенки с тем, чтобы выдерживать давление почвы в том случае, когда они не заполнены водой под давлением;

 

 

Рисунок 1.5 Внешнее охлаждение кабелей с помощью труб

с водой (обозначены прямой и обратный потоки воды):

Т - трубы с водой; К - кабель; 1 - обратный трубопровод;

2 - прямой трубопровод

 

поверхностное охлаждение. (Система более интенсивного водяного охлаждения, чем при использовании труб внешнего охлаждения, выполнена следующим образом. Кабель размещается в жесткой пластмассовой трубе диаметром около 250 мм, применяется принудительная циркуляция воды через трубу. Такой способ искусственного охлаждения дороже, чем предыдущий, но при этом для кабеля с жилой 2000 мм2 можно достичь токовой нагрузки свыше 3200 А.

Способ поверхностного искусственного охлаждения (рис. 1.6) также известен как способ непосредственного охлаждения оболочки (в отличие от внешнего охлаждения с помощью труб). При непосредственном охлаждении кабелей возникают проблемы, связанные с возможным перемещением кабелей в трубопроводе из-за электромеханических усилий. Из-за значительной стоимости схем поверхностного охлаждения схема внешнего охлаждения является более предпочтительной, и установки поверхностного непосредственного охлаждения пpименяются лишь в тех случаях, когда требуемая нагрузочная способность кабелей не может быть достигнута другим способом. Дополнительные проблемы в схемах поверхностного искусственного охлаждения связаны с высокой температурой в среднем сечении соединительных муфт, которые имеют повышенные термические сопротивления изоляции. Для схем естественного охлаждения кабелей обычно такой проблемы не возникает, так как имеется возможность увеличить расстояние между опорами муфт. При температуре жилы кабеля 85° С, несмотря на принятые меры, температура в соединительных муфтах может быть значительно выше;

 

 

Рисунок 1.6 Поверхностное или непосредственное искусственное охлаждение кабелей, проложенных в трубах

 

внутреннее охлаждение. При этом циркуляция охлаждающей жидкости обеспечивается в каждой жиле кабеля. Охлаждающей жидкостью может быть: изоляционное масло, которое является частью масла в бумажно-масляной изоляции кабеля, вода, которая имеет большую способность поглощать теплоту, чем масло. Однако вода должна быть включена в водонепроницаемые трубки внутри канала в жиле кабеля, как показано на.

 

Рисунок 1.7 Поперечное сечение кабеля на напряжение 110 кВ с внутренним водяным охлаждением:

1 - канал для воды диаметром d;

2 - водонепроницаемая трубка;

3 - токопроводящая жила диаметром dж, скрученная из отдельных проволок;

4 - полупроводящая бумага;

5 - изоляция;

6 - экранирующие ленты;

7 - гофрированная алюминиевая оболочка;

8 - антикоррозийная защита;

9 - оболочка из поливинилхлорида

 

Такую схему можно применить для кабелей со сплошной экструдированной изоляцией, которые применяются для соединения генераторов при относительно низком напряжении. Напряжение на охлаждающей жидкости должно снижаться до потенциала земли прежде, чем она попадет в перекачивающий насос. В схемах с водяным охлаждением применяют специальные концевые устройства для кабелей, внутри которых охлаждающая жидкость протекает через спиральный канал, обеспечивающий необходимую электрическую изоляцию при рабочем напряжении КЛ. Электрическое сопротивление воды снижается в процессе эксплуатации; опыт показывает, что удельное электрическое сопротивление rв = 200 кОм см является приемлемым. Поэтому для кабелей с внутренним искусственным охлаждением требуется применение регенерирующих установок,  которые  повышают  rв до 200 кОм см  при уменьшении сопротивления до 20 кОм см. Высокое значение rв является существенным для сохранения активных потерь в столбе воды на требуемом уровне. Основное преимущество системы внутреннего искусственного охлаждения заключается в том, что она позволяет удалять теплоту непосредственно от главного источника - жилы кабеля. С другой стороны, возможный объемный расход охлаждающей жидкости ограничивается размером канала в жиле кабеля, а повышение  температуры жидкости на определенной длине кабеля будет значительным.

Можно использовать фторорганические жидкости для охлаждения по каналу жилы кабеля, например фреон - 12. Жидкий хладагент абсорбирует теплоту, испаряется и поступает в теплообменник. Этот способ находится еще в стадии разработки, и необходимость в таких схемах для кабелей пока еще определяется. Преимуществом такого испарительного охлаждения является установление естественного конвективного потока жидкости; при этом не требуются насосы.

Потребность в искусственном охлаждении для передачи значительной мощности по кабелям при высоком напряжении иллюстрируется рис. 1.8.

Рисунок 1.8 Кабели при высокой напряженности

 

Связь между передаваемой мощностью P, МВА, и максимальной рабочей напряженностью в изоляции (маслонаполненный кабель с жилой сечением 1935 мм2, проложен в земле):

а - естественное охлаждение;

б - прокладка с использованием искусственных грунтов;

в - искусственное охлаждение;

1 - достигнутый в настоящее время предел

 

Можно видеть, что каждому способу искусственного охлаждения соответствует максимальная мощность при определенной напряженности электрического поля в изоляции, при увеличении которой возрастание диэлектрических потерь снижает мощность передачи. Для проложенных непосредственно в земле с gг = 1,20° С м/Вт кабелей в настоящее время достигнут предел по напряженности электрического поля в изоляции 15 кВ/мм. Очевидно, что увеличение напряжения без применения интенсивного искусственного охлаждения немного дает для повышения мощности передачи по кабелям с высокой нагрузочной способностью.