Математическое моделирование тепловых и электромагнитных процессов при определении допустимых токовых нагрузок кабельных линий

Abstract

Обеспечение работоспособности и повышение надежности работы высоковольтных кабельных линий, проложенных в кабельных каналах под землей, при их проектировании и эксплуатации в условиях ограниченного теплообмена с окружающей средой невозможно без глубокого понимания процессов тепломассопереноса в кабельном канале с учетом реализующегося в кабельных линиях переменного электромагнитного поля и индуцированных токов в металлических экранах. Данное исследование посвящено решению совместной задачи процессов тепломассобмена и электромагнитодинамики, возникающих в кабельных линиях, проложенных в подземном кабельном канале, в условиях естественной конвекции с учетом энергии излучения и индуцированных электромагнитных полей. Цель исследования: разработка двумерных стационарных математических моделей процессов тепломассобмена в условиях естественной конвекции с учетом процессов электро- и магнитодинамики, протекающих в кабельных каналах, для определения рациональной величины токовой нагрузки и обеспечения безопасной эксплуатации силовых кабелей. Методы исследования: Для решения совместной задачи использовалась теория тепломассопереноса и электромагнитодинамики, методы математического моделирования. Численное моделирование проводилось с помощью метода конечных элементов в современных инженерных пакетах. Результаты: Решена совместная задача тепломассобмена и электродинамики. Определены поля температур с учетом дополнительных тепловыделений в металлических экранах силовых кабелей, возникающих за счет индуцированных токов. Оцененвклад тепловых потерь за счет индуцированных токов в экранах кабелях в общий тепловой баланс нагруженных кабельных линий. Приведены рекомендации по величине пропускной способности кабельных линий в зависимости от температуры окружающей среды.

Ensuring performance and reliability of high-voltage cable lines laid in underground conduits, when designing and operating in limited heat exchange with the environment, it is impossible without a thorough understanding of heat and mass transfer in a duct considering alternating electromagnetic field and induced currents in metal screens realized in cable lines. The study focuses on solution of a collaborative problem of heat and mass transfer and electric and magneto dynamics arising in cable lines laid in underground cable channel under natural convection considering radiation energy and induced electromagnetic fields. The main aim of the study is to develop two-dimensional steady-state mathematical models of heat and mass transfer in natural convection considering electro- and magneto dynamics occurring in cable ducts to determine the rational value ??of current load and to ensure safe operation of the power cables. The methods used in the study: In order to solve the collaborative problem the authors used the theory of heat and mass transfer and electric and magneto dynamics, methods of mathematical modeling. Numerical simulation was carried out using the finite element method in modern engineering packages. The results: The authors solved the joint task of heat and mass transfer and electrodynamics and determined the temperature fields considering the additional heat generation in metal screens of power cables, arising due to the induced currents. The contribution of heat loss due to the induced currents in the cable shield into the overall heat balance of loaded cables was estimated. The paper introduces the recommendations for the largest bandwidth of cable lines depending on the ambient temperature.