某变电所大修,从变电所到低压配电室供电电缆为3根YJV-lkV,1×240mm2作相线,1×120mm2电缆作中性线。安装单位在从变电所低配室出电缆沟时,单根电缆穿钢管进行保护。钢管内径为Φ80mm,壁厚δ=5mm;钢管长L=2m,电缆运行电流为450A。
带电运行后,钢管发热严重,用手摸烫手。钢管内电缆受热源包围,若不把电缆抽出钢管,将会使电缆绝缘加速老化,危及电缆安全。
发热原因为单芯电缆通过的电流产生的磁通穿过钢管管壁,见图l。磁通Φ在钢管内产生铁磁损耗(包括涡流损耗与磁滞损耗)。主要是涡流损耗,约占总损耗的80%。由于磁通的集肤效应,涡流损耗主要集中在钢管表面。单位表面积上的涡流损耗Pw可从Pw=f(H)曲线查得。钢管表面温升的理论分析如下。
通过电流的导体周围既有电场也有磁场。磁场强度B(X,Y,Z)计算涉及三维空间,比较复杂,本文只应用公式,不作推导。在离导体轴心r远处(r
所以,H=I/(2πr)
式中:
H为磁场强度,A/cm;
I为导体通过的电流,A;
r为电缆轴心到钢管表面距离,cm。
所以,钢管表面处磁场强度H为:
H=I/(2πr)=450/(2π×8.5)
从载流导体在钢管中的磁通和涡流损耗曲线(Pw--f(H))中查出H=8.4A/cm时,Pw=0.05W/cm2。
因此,钢管中的铁磁损耗为P1:
P1=PwA/0.8=0.05A/0.8=0.625A
式中:
A为钢管的表面积。
A=CL=2πRL=2π×8.5×2×102=10676cm2
(式中R=r,L钢管长度2m)
所以。P1=0.0625×10676=667W
另外,当闭合磁路包围的载流导体较长,导体温度升高。导体的电阻率增大导体电阻的功率损耗PR
也不能忽略,其值为:PR=I2ρL/S
式中:
ρ为铜的电阻率:L为导体长度,L=2m;S为导体截面积,S=240mm2。
PR=4502×0.0172×2/240=29W
总损耗功率P为:P=Pl+PR=667+29=696W
这一损耗将使钢管与电缆铜芯的温度升高。其稳定温升值按牛顿定理进行近似计算。
钢管发热稳定温升为Δt:Δt=P/KA
式中:
K为散热系数,对暴露在空气中的钢铁表面,K取l0×10-4~14×10-4Wocm2/℃
K取平均数12×lO-4Wocm:
Δt:696/(12×10-4×10676)=54.3℃
当环境温度为30℃时,钢管表面温度达到54.3+30=84.3℃。电气设备施工安装规程明确规定:"同一交流回路的导线必须穿于同一钢管"。整改措施:把4根电缆抽出钢管,用封闭式电缆桥架保护出线电缆。