Исследование свойств саморегулирующихся кабелей при низких температурах

Саморегулирующиеся нагревательные кабели находят все большее применение в промышленности при обогреве трубопроводов и резервуаров различного назначения, прежде всего при добыче нефти и газа, а также на нефтехимических предприятиях.

Саморегулирующиеся кабели (ленты) – весьма специфический вид кабельных изделий, имеют следующую типовую конструкцию: две параллельные токопроводящие жилы покрыты слоем полупроводящего, наполненного углеродом полимера (обычно называемого матрицей). Поверх матрицы накладываются слои электрической изоляции, экранирующая оплетка и оболочка. Саморегулирующиеся ленты имеют овальную форму (рис. 1).

Полупроводящую матрицу можно условно представить в виде очень большого числа сопротивлений, подключенных параллельно к токопроводящим жилам. При подаче напряжения на разомкнутые токопроводящие жилы в полупроводящей матрице возникает ток, вызывающий выделение тепла. За счет тепла материал матрицы расширяется, и контакты между отдельными частицами углерода нарушаются. Растет сопротивление матрицы, уменьшается ток. Через некоторое время (не более 5 минут) ток и температура стабилизируются. Сопротивление матрицы, приведенное к 1 м,обычно составляет несколько сот Ом, благодаря этому саморегулирующиеся нагревательные ленты обладают следующими уникальными свойствами:

Существенная зависимость мощности тепловыделения от температуры диктует определенные правила нормирования и измерения тепловой мощности саморегулирующихся лент [1;2]. Мощность саморегулирующейся ленты нормируется при следующих стандартных условиях – отрезок измеряемой ленты устанавливается на металлической трубе, диаметром не менее 50 мм, так, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт. По трубе прокачивается охлаждающая жидкость с температурой 10±0,5°С (в отдельных случаях измерения проводят при 5°С). Труба с лентой закрываются тепловой изоляцией толщиной не менее 20 мм. Вид стенда для определения мощностных характеристик саморегулирующихся кабелей показан на рис. 2.

Номинальная мощность саморегулирующихся лент, указанная в каталогах производителей – это мощность, измеренная в стандартных условиях. Для снятия зависимости мощности от температуры необходимо задавать и поддерживать соответствующую температуру трубы. Зависимость мощности от температуры снимается на подобной же установке не менее, чем при трех значениях температуры трубы. Кривые зависимости мощности конкретных марок саморегулирующихся кабелей от температуры, приводимые в каталогах фирм-поставщиков, показывают зависимости от температуры трубы, а не от температуры ленты.

На рис. 3 показаны определенные подобным образом зависимости мощности от температуры для кабелей марки ФСР2-СТ. При других условиях, например при плохом контакте с обогреваемым объектом, выделяемая саморегулирующимся кабелем мощность не будет соответствовать справочной кривой. Если саморегулирующуюся ленту, свободно подвесить в воздухе, то за счет ухудшения условий теплоотдачи измеренная мощность будет примерно на 30% меньше нормируемой.

В справочных материалах помимо номинальной мощности и зависимости мощности от температуры трубы приводятся значения удельного пускового тока в зависимости от температуры объекта, приведенные к 1 м. Это то значение тока, которое имеет место в момент включения питания. Пусковой ток в основном спадает в течение первой минуты, но полная стабилизация занимает примерно 5 минут (рис. 4). Максимальная величина пускового тока определяется длиной нагревательной ленты, температурой объекта и конструкцией конкретной ленты.

Преимущественная область применения саморегулирующихся кабелей – обогрев трубопроводов и резервуаров, эксплуатируемых при отрицательных температурах окружающего воздуха. Как правило, запуск систем выполняется, когда температура обогреваемого объекта и тепловой изоляции существенно ниже 0°С. Для целей проектирования и расчета характеристик системы обогрева в момент пуска и эксплуатации требуется знать свойства саморегулирующихся кабелей при низких температурах. Ниже представлены результаты исследований трех марок саморегулирующихся кабелей в диапазоне от +10 до – 40°С. Краткая характеристика исследованных кабелей приведена в табл. 1.

Кабели 23ФСЛе2-СТ преимущественно устанавливаются на трубах диаметром до 100 мм. 31ФСР2-СТ находит применение при обогреве более крупных труб. Указанные кабели устойчиво работают под напряжением при температуре трубы не более 65°С. В отключенном состоянии способны выдерживать до 85°С. Среднетемпературный кабель 55ФСС2-СФ имеет теплостойкую матрицу, а изоляция и оболочка выполнены из фторполимеров. Допустимые температуры указаны в таблице. Исследования зависимости характеристик от температуры были выполнены в климатической камере. При этом была обеспечена такая циркуляция воздуха в камере и остальные условия эксперимента, при которых значения мощности, измеренные в камере, были близки к результатам, полученным на стандартизованной установке. Измерения проводились при температурах: +10; +3; 0; -10; -20; -30; -40°С. Каждая марка кабеля была представлена 3 образцами. По достижении заданной температуры образец выдерживался в камере в течение 1 часа. Затем на образец подавалось номинальное напряжение. Фиксировался стартовый ток и его снижение по мере разогрева кабеля (рис. 4). Типовой вид таблицы измеренных значений показан ниже (табл. 2).

Сокращения, принятые в таблице: Ткам – температура в камере; Кпт – коэффициент пускового тока, равный отношению пускового тока к установившемуся; Pl – линейная мощность кабеля при соответствующей температуре; Ткаб – температура оболочки кабеля; Ткаб-Ткам – разность температур поверхности кабеля и камеры.

На рис. 4 показаны графики снижения пускового тока кабеля 23ФСЛе2- СТ построенные по данным табл. 2. С понижением температуры растет как пусковой, так и установившийся ток. Наблюдается также незначительный рост коэффициента пускового тока. Одновременно растет разность температур поверхности кабеля и испытательной камеры.

На рисунках 5-7 приведены результаты измерения установившегося значения мощности исследованных кабелей в сравнении со справочными кривыми из каталога. У кабелей 23ФСЛе в низкотемпературной области обнаружена более крутая зависимость от температуры, чем это следует из справочных данных. У кабеля 31ФСР в низкотемпературной области зависимость от температуры практически совпадает с той, что следует из справочных данных. У испытанных образцов кабелей 55ФСС в низкотемпературной области выявлено довольно существенное отличие от справочных данных. Помимо установившихся значений мощности для всех 3 типов кабелей определены абсолютные значения и коэффициенты пусковых токов, знание которых поможет при проектировании систем обогрева, использующих саморегулирующиеся кабели. 

Средние значения пусковых и установившихся токов и значения Кпт приведены в табл. 3.

23ФСЛе -0,0094*Т(С)+0,4559
31ФСР -0,0162*Т(С)+0,8298
55ФСС -0,0080*Т(С)+0,8186

Полученные данные показывают, что при значительном росте абсолютного значения пусковых токов при низких температурах отношение их к установившемуся значению  (К _пт) при тех же условиях слабо зависит от температуры и, в основном, определяются конструкцией саморегулирующегося кабеля. Для обеспечения безаварийного пуска систем обогрева, построенных с использованием саморегулирующихся кабелей, рекомендуется применять автоматические выключатели типа С.

На рис. 9 приведена нагрузочная характеристика автоматов этого типа с указанием диапазона возможных превышений пусковых токов над установившимися. Наиболее вероятной будет средняя кривая. Но для дальнейшего рассмотрения мы ориентировались на минимальную кривую. Для того, чтобы определить насколько совпадают характеристики автоматов и саморегулирующихся кабелей были построены приведенные характеристики автоматов и кабелей. Принцип построения приведенной характеристики – максимальное значение тока автомата в момент включения принимается за единицу. Все остальные значения делятся на значение тока в момент пуска. Аналогично строим приведенную характеристику для саморегулирующегося кабеля.

На рис. 10 показан график, на котором совмещены приведенные характеристики автомата типа С и саморегулирующегося кабеля 31ФСР2-СТ. Такое совмещение предполагает, что пусковой ток в саморегулирующейся секции равен максимальному пусковому току автомата. График наглядно показывает, что за счет большей инерционности тепловых процессов выход на стационарный режим в саморегулирующихся кабелях отстает от возможностей автоматов. На этом же графике показана кривая, лежащая ниже пусковой характеристики автомата для более короткой секции, в которой пусковой ток составляет только 60% от максимального тока автомата. Данный график справедлив для конкретного кабеля при температуре +10°С. При более низких температурах пусковые токи растут (рис. 8) и допустимая длина нагревательной секции пропорционально должна быть уменьшена.

Аналогичные графики построены для кабелей 23ФСЛе2- СТ и 55ФСС2-СФ также для температуры +10°С (рис. 11 и 12). 

Коэффициент уменьшения длины секции для 23ФСЛе2-СТ равен 0,5, а для 55ФСС2-СФ всего 0,3. Определение допустимой длины нагревательной секции, подключаемой при температуре +10°С к автомату на номинальный ток 16 А, показано в табл. 4 на примере кабеля 31ФСР2-СТ (образец №3).

Как видно из таблицы, минимальная длина секции, равная 77 м, получена для момента 5 сек, что совпадает с графиком рис. 10. Длина 77 м составляет 61% от максимальной длины 125 м. Таким же образом определена допустимая длина секции для других кабелей. для 23ФСЛе2-СТ допустимая длина секции при +10°С равна 156 м, а для 55ФСС2-СФ равна 66м. Для определения допустимой длины секции при любой температуре, отличной от +10°С используем зависимости пусковых токов кабелей от температуры (табл. 3). Результаты расчетов при использовании автомата на 16 А сведены в табл. 5.

L(T) = L₁₀* l _П1 / I _ПT