При изменении тока нагрузки или условий охлаждения кабелятемпература его изменяется. Весь процесс нагревания происходит в тристадии. Первая стадия - переходный режим, при котором зависимостьтемпературы от времени выражается суммой экспоненциальных функций. Этотрежим длится, как правило, всего несколько десятков секунд. Втораястадия - регулярный режим, наступающий через несколько минут посленачала процесса. При нагреве или охлаждении кабеля экспоненты высшихпорядков становятся весьма малыми и уравнение нагрева выражаетсяпростой экспоненциальной функцией
где tуст - установившаяся температура, °С; τ - βремянагрева °С; Г - постоянная времени - время, необходимое для нагревакабеля до максимально допустимой температуры, соответствующейнормальному току нагрузки цри отсутствии отдачи тепла в окружающуюсреду.
Нагрев кабеля происходит тем медленнее, чем больше постояннаявремени Т, и наоборот. Постоянная времени для кабелей, прокладываемых ввоздухе,
а для кабелей, прокладываемых в земле,
где сж, сиз, сиз и спокр - удельные теплоемкости жилы, изоляции, оболочки и защитных покровов (табл. 4-1).
При одинаковой теплоотдаче с поверхности токопроводящей жилы нагревпроисходит тем медленнее, чем больше теплоемкость кабеля. Поэтомукабель, имеющий малую теплоемкость, нагревается быстрее, чем кабель,обладающий большой теплоемкостью, при одинаковых условиях теплоотдачи.
Третья стадия - стационарное состояние (установившийся режим)кабеля, при котором температура во всех точках его со временем неизменяется. Однако во время работы нагрузка может периодическиизменяться. Если генерируемое в кабеле тепло больше отводимого, токабель нагревается и его температура повышается. Если же потери вокружающую среду превышают выделение тепла, то кабель охлаждается и еготемпература понижается.
Изменение температуры кабеля, проложенного в земле, иногдапродолжается в течение нескольких недель после включения кабеля поднагрузку. Если продолжительность нагрева невелика, то можно применятьприближенные методы расчета, основанные на предположении, чтотемпература оболочки равна температуре грунта. Если это времядостаточно велико, то скорость нагревания кабеля определяется восновном тепловой инерцией грунта, а теплоемкость кабеля играетнесущественную роль. При прерывистой нагрузке, когда кабельподвергается охлаждению, максимальная температура нагрева достигаетсяпри более высокой нагрузке.
Повышение температуры выше допустимых значений ведет к химическомуразложению бумажной изоляции и резкому снижению ее механическойпрочности. Разложение непропитанной кабельной бумаги в воздухеначинается при температуре выше 130°С. Разложение пропиточногомасло-канифольного состава в воздухе начинается при температуре 175°С,а возгорание его паров происходит при температуре 325°С. При длительномнахождении кабеля при повышенной температуре изоляция кабеля становитсяхрупкой. На величину пробивного напряжения это увеличение хрупкости невлияет, но при перегибах или передвижении кабеля хрупкая изоляция легкоповреждается, в результате чего может произойти ее пробой.
Пластмассы и резина при повышении температуры выше рабочейразмягчаются, а при дальнейшем ее повышении плавятся. С увеличениемтемпературы диэлектрические потери в изоляции возрастают примерно поэкспоненциальной зависимости. Поэтому в кабелях на напряжение 110 кв ивыше диэлектрические потери не только ограничивают допустимый токнагрузки, но могут привести к тепловому пробою. Диаграмма тепловойнеустойчивости одножильного кабеля представлена на рис. 4-6. По осиабсцисс отложена температура оболочкой кабеля Тоб, а по осиординат - суммарные потери в жиле, изоляции, оболочке и броне, а такжепотери, отводимые от оболочки в окружающую среду р. Кривая на рис. 4-6соответствует зависимости суммарных потерь в кабеле от температуры.Точка а на кривой соответствует устойчивому тепловому режиму нагреванияоболочки до температуры Т1. При случайном увеличениитемпературы оболочки кабеля теплоотдача возрастает быстрее, чемпроисходит выделение тепла, и температура оболочки возвращается висходное состояние (Т). Ори случайном уменьшении температуры оболочкивыделение тепла возрастает сильнее теплоотдачи и температура оболочкипринимает исходное значение.
Точка б (нагревание оболочки до температуры Т2)соответствует неустойчивому тепловому режиму. Если прямая 2 касаетсякривой T, то точка в является точкой неустойчивого равновесия, и такоерасположение является критерием возможного перехода кабеля к тепловомупробою. Наступает это из-за увеличения внешнего теплового сопротивленияпо сравнению с расчетным до величины, соответствующей тепловому пробою(на рис. 4-6 увеличивается tgα), увеличения температуры окружающейсреды Го сравнительно с расчетной (прямая 2 смещается вправо) иувеличения тока нагрузки сравнительно с нормальным (кривая смещаетсявверх). Для построения Диаграммы тепловой неустойчивости кабелязадаются несколькими значениями температуры жилы при заданной нагрузкекабеля и, разделив изоляцию на п слоев, строят кривую тепловыделения вкабеле в зависимости от температуры оболочки.