شبیه سازی تنش های حرارتی و الکتریکی در کابل های فشار متوسط
کابل های ولتاژ متوسط زیرزمینی اغلب برای انتقال برق از یک سیستم انتقال و به خانه مصرف کنندگان استفاده می شود. در انگلستان، این کابل ها صدها آمپر را در ولتاژهای بین 11 تا 33 کیلو ولت حمل می کنند که یک ولتاژ معمولی کابل های انتقال برق در سراسر جهان است. تجزیه و تحلیل تنش هایی که این کابل ها در طول عمر خود در معرض آنها قرار می گیرند برای اطمینان از ایمنی مصرف کننده و بهره وری انرژی مهم است. محققان دانشگاه گلاسکو کالدونین در اسکاتلند از COMSOL Multiphysics برای ایجاد شبیهسازی استفاده کردند که خستگی ناشی از تنشهای حرارتی و الکتریکی در کابلهای فشار متوسط زیرزمینی را اندازهگیری میکرد.
شبیه سازی کابل فشار متوسط زیرزمینی
تعویض کابلهای فشار متوسط زیرزمینی میتواند هم زمانبر و هم پرهزینه باشد و به دلیل تعویض کابلها به اختلال در خدمات مشتریان نیاز دارد. به همین دلیل، بسیاری از کابلهای برق در بریتانیا 50 سال است که مورد استفاده قرار میگیرند و اکنون از عمر طراحی خود گذشته است. به منظور یافتن راهی مطمئن برای نظارت بر وضعیت آنها و اولویتبندی جایگزینی این کابلها، محققان دانشگاه کالدونین گلاسکو شبیهسازیهای یکپارچهای ایجاد کردند که خرابی کابلهای فشار متوسط زیرزمینی را به دلیل تنشهای الکتریکی و حرارتی در طول عمر کابل مدلسازی میکند. مقاله آنها، ” حالت های خرابی کابل های MV زیرزمینی: مدل سازی الکتریکی و حرارتی ” در کنفرانس COMSOL 2009 میلان ارائه شد.
این مقاله دو شبیهسازی مختلف را نشان میدهد که تنشهای روی کابل را در مقیاسهای زمانی مختلف نشان میدهد. اولین شبیهسازی پاسخهای حرارتی در کابل را در یک دوره هفت روزه با تغییرات روزانه تحلیل کرد. شبیهسازی دوم تنش میدان الکتریکی درون کابل را در یک چرخه AC اندازهگیری کرد، دورهای حدود 20 میلیثانیه. شبیهسازیها در یک کابل سه فازی با پوشش سرب عایقشده با کاغذ (PILC) انجام شد که در زیر نشان داده شده است.
هندسه کابل سه فاز عایق شده با سرب (PILC). عایق از زخم، نوار کاغذی آغشته به روغن ساخته شده است. تصویر ارائه شده توسط: پیتر والاس، محمد الشریف، دونالد ام هپبورن، و چنگکه ژو، دانشگاه کالدونین گلاسکو.
تنش حرارتی در کابل های فشار متوسط
مدل اول شامل یک نیم دایره به قطر 6 متر بود که توسط خاک و مواد پرکننده ترانشه احاطه شده بود و تنش حرارتی را در یک کابل PILC مدفون آزمایش کرد. رسانایی حرارتی در سیم پیچ 0.16 Wm -1 K -1 در نظر گرفته شد و هدایت حرارتی خاک و ماسه در 0.02 Wm -1 K -1 و 0.833 Wm -1 K -1 تنظیم شد.، به ترتیب. عوامل متعددی وجود دارد که محققان به عنوان مهم در تعیین رفتار حرارتی کابل اشاره کردند. اینها شامل ساخت کابل، نصب، خواص حرارتی در خاک، ampacity فرضی و دمای محیط موثر بر کابل است و هر یک از این اثرات در شبیه سازی در نظر گرفته شده است. ابتدا، سیستم کابل زمانی که در معرض بار ثابت 100 آمپر قرار گرفت، آنالیز شد و نتایج زیر به دست آمد:
پاسخ حرارتی کابل به بار 100 و دمای محیط 288 کلوین در حدود دو هفته. تصویر ارائه شده توسط: پیتر والاس، محمد الشریف، دونالد ام هپبورن، و چنگکه ژو، دانشگاه کالدونین گلاسکو.
در نمودار، منحنی بالا نشان دهنده دما در هسته هادی و منحنی پایین نشان دهنده دمای سطح غلاف کابل است. این دو منحنی گرم شدن تدریجی غلاف را در مقایسه با گرمایش سریع فضای داخلی کابل نشان می دهد. همانطور که نمودار نشان می دهد، سیستم حتی پس از دو هفته هنوز به تعادل نرسیده است، اگرچه یک اختلاف دمای ثابت 10 K ایجاد شده است.
در مرحله بعد، محققان تغییر دما را هنگامی که سیستم در معرض تغییرات بار روزانه قرار می گرفت اندازه گیری کردند.
پاسخ حرارتی کابل به دمای روزانه و محیطی 288 کلوین طی یک هفته. تصویر ارائه شده توسط: پیتر والاس، محمد الشریف، دونالد ام هپبورن، و چنگکه ژو، دانشگاه کالدونین گلاسکو.
این شبیه سازی نتایجی را تولید کرد که با تحلیل بار ثابت مطابقت داشت. در پایان یک هفته، کابل به حداکثر دمای نهایی 326 کلوین رسیده بود و اختلاف دما بین کابل و محیط اطراف بسته به شرایط بار بین 2 تا 10 کلوین متغیر بود.
تنش الکتریکی در کابل ها
در شبیه سازی تنش الکتریکی، محققان گلاسکو به تخریب عایق الکتریکی بین هادی ها به عنوان یکی از دلایل اصلی خرابی کابل های ولتاژ متوسط زیرزمینی اشاره کردند. این تخریب اغلب به دلیل وقوع فعالیت تخلیه جزئی است که ناشی از میدان های الکتریکی است که در اطراف حباب ها یا نقص های درون کابل ایجاد می شود. این عیوب باعث ایجاد فضای خالی در کابل می شود که گذردهی الکتریکی کمتری نسبت به مواد عایق دارد و در نتیجه باعث تخلیه جزئی می شود که می تواند باعث تخریب بیشتر کابل شود. شکل زیر یک کابل بی عیب و نقص و بدون حفره را نشان می دهد.
توزیع میدان الکتریکی در یک کابل ایده آل و بی عیب، در نقطه ای از چرخه AC که پتانسیل هادی دست راست در بالاترین مقدار خود است نشان داده شده است. خط سیاه نشان دهنده محور افقی تقارن است. تصویر ارائه شده توسط: پیتر والاس، محمد الشریف، دونالد ام هپبورن، و چنگکه ژو، دانشگاه کالدونین گلاسکو.
به منظور آزمایش اینکه در هنگام تخلیه جزئی چه اتفاقی برای کابل میافتد، یک فضای خالی به قطر 0.5 میلیمتر به هادی سمت راست در تسمه عایق کابل وارد شد. فضای خالی در امتداد محور افقی تقارن در نقطه ای قرار گرفت که هادی واقع در x = 0.1 متر در حداکثر پتانسیل (منفی) خود قرار دارد. تغییر میدان الکتریکی ناشی از فضای خالی را می توان در نمودار زیر مشاهده کرد:
مولفه افقی میدان الکتریکی در امتداد محور افقی تقارن رسم شده است. تصویر ارائه شده توسط: پیتر والاس، محمد الشریف، دونالد ام هپبورن، و چنگکه ژو، دانشگاه کالدونین گلاسکو.
همانطور که از نمودار مشاهده می شود، میدان الکتریکی زمانی که خلأ رخ می دهد صفر است. افزایش شدید میدان الکتریکی در x = 0.003 متر اثر مستقیم وجود فضای خالی است.
اثرات تنش های حرارتی و الکتریکی در کابل های فشار متوسط
اولین شبیهسازی که تنش حرارتی را در کابل اندازهگیری کرد، پاسخ بلندمدت کابل به بار الکتریکی را نشان میدهد. مدل دوم نشان می دهد که چگونه نقص در کابل می تواند بر استرس الکتریکی روی کابل تأثیر بگذارد. این شبیهسازیها میتواند به محققان کمک کند تا تخریب ناشی از یک کابل ولتاژ متوسط را بهتر درک کنند و زمان نیاز به تعویض کابل را پیشبینی کنند. در آینده، محققان شبیهسازیهای خود را به گونهای گسترش میدهند که تنش مکانیکی ناشی از حرارت را شامل شود و سپس مدل داغ و تغییر شکل یافته را در شبیهسازیهای بعدی پیادهسازی خواهند کرد. این به آنها اجازه میدهد تا بینشی در مورد تخریب جزئی ناشی از تنشهای الکترواستاتیک در کابلهای قبلاً تحت تنش به دست آورند.
مقاله کامل را بخوانید
- لینک دانلود به صورت پارت های 1 گیگابایتی در فایل های ZIP ارائه شده است.
- در صورتی که به هر دلیل موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید به ما اطلاع دهید.
برای مشاهده لینک دانلود لطفا وارد حساب کاربری خود شوید!
وارد شویدپسورد فایل : پسورد ندارد گزارش خرابی لینک
دیدگاهتان را بنویسید