Математическая модель установившегося теплового режима изолированного провода воздушной линии
С.С. Гиршин,
Е.А. Кузнецов,
А.Я. Бигун,
Е.В. Петрова,
Г.С. Смородин
Аннотация
Основная доля потерь энергии в электрических сетях приходится на нагрузочные потери в проводах линий электропередачи. Повышение актуальности задач анализа и снижения потерь энергии предъявляет повышенные требования к точности соответствующих расчетов. Один из способов уточнения состоит в учете температуры провода. В статье построена математическая модель установившегося теплового режима для расчета температуры проводов с помощью решения уравнения теплопроводности и на основе уравнения теплового баланса. Приведен расчет коэффициента теплоотдачи естественной конвекции.
Ключевые слова: математическая модель, воздушные линии электропередачи, температура провода, уравнение теплового баланса, температурная зависимость, потери электроэнергии.
Общие положения
Температурный коэффициент активного сопротивления алюминиевых проводов составляет примерно 0,004 °C-1. В воздушных линиях с защищенными проводами в настоящее время используется только изоляция из сшитого полиэтилена, которая в нормальном режиме допускает нагрев до +90 °C. Минимально допустимая температура составляет -50 °C. Тогда в рабочем диапазоне температур (140 °C) активное сопротивление будет изменяться на 0,004·140·100% = 56%. Это значение представляет собой диапазон неопределенности потерь активной мощности, рассчитываемых без учета температуры. Его величина показывает, что температура является одним из главных факторов, определяющих нагрузочные потери активной мощности в линиях электропередачи. Таким образом, для наиболее точного расчета потерь мощности в электрических сетях необходимо знать температуру проводов [1-4] и проводить анализ качества электрической энергии [5] математический модель тепловой
Температурный градиент в проводе
Рассмотрим цилиндрический провод бесконечной длины радиусом r1. Пусть поверхность провода является изотермической, а тепловыделение во всем его объеме одинаково. Тогда температура провода И является функцией только одной координаты - расстояния от центра провода r. При этих условиях уравнение теплопроводности в стационарном режиме имеет вид
, (1)
где qv - объемная плотность тепловыделения; л - коэффициент теплопроводности.
Это уравнение при qv = const и температуре в центре провода Ицентр имеет решение
. (2)
Тогда перепад температуры от центра к поверхности провода и средний градиент температуры соответственно равны
, (3)
. (4)
3. Перепад температуры в изоляции
Пусть тот же провод имеет изоляцию с внешним радиусом r2. Предположим, что диэлектрические потери (тепловыделение) в изоляции отсутствует. Тогда уравнение теплопроводности для изоляции примет вид
. (5)
В результате интегрирования получаем общее решение этого уравнения [6]:
, (6)
где C1, C2 - постоянные интегрирования.
Постоянные интегрирования C1, C2 можно определить с помощью граничных условий по закону Фурье [6], через общее тепловыделение в проводе, а также задав температуру на внешней поверхности изоляции .
С учетом этого окончательное решение примет вид
. (7)
Перепад температуры в изоляции
. (8)
4. Учет температурной зависимости тепловыделения
Обозначим температуру в проводе Ипр ? Ицентр и перейдем от объемной плотности тепловыделения к тепловыделению (потерям активной мощности) на единицу длины:
. (9)
Тогда выражение (8) можно записать в виде
. (10)
Поскольку активное сопротивление провода имеет температурную зависимость, то тепловыделение также будет зависеть от температуры:
, (11)
где б - температурный коэффициент сопротивления; Дp0 - тепловыделение (потери активной мощности), рассчитанное по сопротивлению, приведенному к температуре 0 °C.
Подставим (11) в (10), перенеся величину Ипр в правую часть и изменив знаки:
, (12)
где
- тепловое сопротивление изоляции.
Из (12) получаем следующее выражение для температуры провода:
. (13)
5. Уравнение теплового баланса и расчет коэффициента теплоотдачи
Тепловой баланс провода в установившемся режиме можно записать следующим образом:
, (14)
где Дp - тепловыделение (потери активной мощности) в проводе; Qконв - тепловой поток от поверхности провода в окружающую среду, обусловленный конвекцией; Qрад - величина радиационного баланса, которая считается положительной, если излучение преобладает над поглощением.
Рассмотрим тепловой поток в окружающую среду, обусловленный конвекцией
. (15)
Коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции представляет собой постоянную для данного провода и данных условий охлаждения величину бк = бвын. При естественной конвекции он зависит от температуры внешней поверхности провода.
В [6] приводится следующая формула радиационного баланса тела, освещенного солнцем:
, (16)
где Tокр - абсолютная температура окружающего пространства; Fs - площадь облученной солнцем поверхности тела; As - поглощательная способность поверхности для солнечного излучения; qs - плотность потока солнечного излучения, Вт/м 2.
Коэффициент теплоотдачи можно определить двумя способами:
1) по данным допустимого теплового режима (режима, соответствующего протеканию допустимого тока при нормированных условиях охлаждения);
2) непосредственно по числовым критериям теории подобия для конвективного теплообмена.
Рассмотрим второй способ - вычисление коэффициента теплоотдачи по числовым критериям подобия. В этом случае общая расчетная формула имеет вид [7]
, (17)
где локр - коэффициент теплопроводности окружающей среды (воздуха); d - определяющий размер тела, в данном случае внешний диаметр изоляции провода; Nu - критерий Нуссельта.
В случае естественной конвекции в поле силы тяжести критерий Нуссельта рассчитывается по выражению [6]
, (18)
где Gr - критерий Грасгофа; Pr - критерий Прандтля; c, n - коэффициенты, зависящие от произведения Gr·Pr.
Согласно [6], при Gr·Pr = 5·102 ч 2·107 значения коэффициентов в формуле (18) c = 0,54, n = 0,25. Видно, что если превышение температуры поверхности провода над температурой окружающей среды существенно, то произведение Gr·Pr для проводов в реальных ситуациях всегда попадет в этот диапазон. Легко показать [6 - 9], что формула (18) запишется в виде
, (19)
где локр - коэффициент теплопроводности окружающей среды (воздуха); P - атмосферное давление, Па.
Подставив (19) в (17), получим следующую формулу для расчета коэффициента теплоотдачи:
. (20)
При использовании этой формулы необходимо учитывать, что теплопроводность воздуха зависит от температуры. Теплопроводность газа, как и динамическая вязкость, пропорциональна средней скорости движения молекул [6]. Поэтому коэффициент теплопроводности также можно приблизительно считать пропорциональным корню из абсолютной температуры:
, (21)
где локр,0 = 0,0244 Вт/(м·K) - коэффициент теплопроводности воздуха при 0 °C [6].
С учетом этого окончательная формула для коэффициента теплоотдачи примет вид
. (22)
В случае вынужденной конвекции коэффициент теплоотдачи представляет собой постоянную величину. Выражение для коэффициента теплоотдачи вынужденной конвекцией приведено в [10].
Библиографический список
1. Математическая модель расчета потерь мощности в изолированных проводах с учетом температуры / С.С. Гиршин [и др.] // Омский научный вестник. - 2009. - № 3(83). - С. 176-179.
2. Учет температуры проводов повышенной пропускной способности при выборе мероприятий по снижению потерь энергии на примере компенсации реактивной мощности [Электронный ресурс] / А.Я. Бигун [и др.] // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 1. - Режим доступа: http://www.science-education.ru/121-18497
3. Расчет погрешностей определения потерь электрической энергии в проводах повышенной пропускной способности из-за неучета атмосферных и режимных факторов / Е.В. Петрова [и др.] // Омский научный вестник. - 2013. - № 2(120). - C. 191-197.
4. Анализ погрешностей расчета температуры и потерь мощности по базовому и приближенному уравнениям теплового баланса воздушных линий электропередач [Электронный ресурс] / В.Н. Горюнов [и др.] // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - Режим доступа: http://www.science-education.ru/121-18494
5. Схематические решения активной фильтрации кривой тока в четырехпроводной трехфазной сети для обеспечения качества электрической энергии / С.Ю. Долингер, В.Н. Горюнов, А.А. Планков, О.А. Сидоров // Омский научный вестник. - 2011. - № 3. - C. 214-217.
6. Термодинамика и теплопередача / Болгарский, А.В. [и др.]. - М. : Высш. школа, 1975. - 495 с.
7. Основы кабельной техники / под ред. И.Б. Пешкова. - М. : Издательский центр "Академия", 2006. - 432 с.
8. Хромов, С.П. Метеорология и климатология / С.П. Хромов. - М. : Изд-во Моск. ун-та: Наука, 2006. - 582 с.
9. Яворский, Б.М. Справочник по физике / Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. - М. : Наука, 1977. - 944 с.
10. Вывод уравнения для коэффициента теплоотдачи вынужденной конвекцией в самонесущих изолированных проводах / В.Н. Горюнов, С.С. Гиршин, А.А. Бубенчиков, Е.В. Петрова // Энергоэффективность: материалы Междунар. науч.-практ. конф. / ОмГТУ. - Омск, 2010. - С. 20-24.