СИЛОВОЙ КАБЕЛЬ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ МОЩНОСТИ 750 МВА

СИЛОВОЙ КАБЕЛЬ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ МОЩНОСТИ 750 МВА - рассчёты
...

Содержание


Введение
1. Анализ существующих конструкций кабеля для данной области применения, их усовершенствование. Выбор конструкции кабеля
2. Расчет токопроводящей жилы кабеля
2.1 Обоснование выбора конструкции ТПЖ
2.2 Выбор материала ТПЖ, основные характеристики выбранного материала
2.3 Выбор номинального сечения и основных геометрических параметров ТПЖ
3. Выбор экрана ТПЖ
4. Расчет изоляции кабеля
4.1 Выбор типа изоляции с указанием основных свойств изоляционных материалов
4.2 Расчет толщины изоляции, проверка электрической прочности «слабых мест» в изоляции
4.3 Выводы по расчету изоляции.
5. Выбор экрана по изоляции и кабельной оболочки.
6. Заключение о конструктивных размерах кабеля.
7. Расчет электрических характеристик кабеля
7.1 Расчет сопротивления изоляции кабеля
7.2 Расчет рабочей емкости
7.3 Расчет сопротивления ТПЖ и медного экрана.
7. 4 Условия повышения электрической прочности изоляции.
8. Тепловой расчет кабеля
8.1. Источник тепла в кабеле
8.2. Тепловая схема замещения кабеля, расчет тепловых сопротивлений кабеля и среды, допустимых токов нагрузки и перегрузки
9. Основные причины и характер старения изоляции кабеля
10. Расчет массы материалов кабеля
Заключение
Список использованных источников

Введение


Кабель - одна или более изолированных жил заключенных, как правило, в металлическую или неметаллическую оболочку поверх которой в зависимости от условий прокладки и эксплуатации может иметься соответствующий защитный покров, в который может входить броня.
Кабельные изделия предназначены для передачи электрической энергии или информации на расстояние, т.е. для создания самых разнообразных электрических, электронных, радиотехнических и волоконоптических схем и цепей. Ни одно современное техническое устройство, работа которого связана с использованием электрических и электронных схем, не может работать без кабелей и проводов, которые образуют системы электроснабжения, информатики и управления работой этого устройства.
Большое разнообразие кабельных изделий определяется не только р азнообразием того, что передается по ним, но и тем, где они работают, а работают они в космосе, под землей, под водой, при очень высоких (до +200оС и выше) и очень низких температурах окружающей среды, в условиях глубокого вакуума и под давлением в десятки и сотни атмосфер, в различных агрессивных химических средах и при наличии проникающих излучений, а также при действии разнообразных растягивающих, сжимающих, раздавливающих, скручивающих, истирающих и вибрационных механических нагрузок. При этом энергия или информация должны передаваться адресату без заметных потерь и скольжений.
Кабельные сети 1-35 кВ находят применение при электроснабжении городов и крупных предприятий. Кабельные сети таких городов как Москва, Лондон и др., уже включают отрезки кабелей на напряжение 110-500 кВ длиной до нескольких километров, т.к. при увеличении передаваемой мощности кабельные линии высокого напряжения имеют существенные технико-экономические преимущества по сравнению с линиями 1-35 кВ.

Затем навив из медных проволок диаметром 1,5 мм, поверх которых спирально наложена медная лента не менее 0,25 мм. Минимальная ширина ленты 8 мм. Далее накладывается оболочка толщиной 5 мм из полиэтилена.Кабель прокладывается в траншее со специальным засыпным грунтом с низким тепловым сопротивлением для лучшей теплоотдачи. У муфт кабель необходимо укладывать в виде «змейки» с запасом по длине 1-3% для компенсации температурных деформаций кабеля либо возможных смещений грунта. После прокладки кабеля производится монтаж соединительных и концевых муфт.2.Расчёт токопроводящей жилы2.1 Обоснование выбора конструкции ТПЖ кабеляВ зависимости от условий монтажа и эксплуатации силовых кабелей и проводов медные и алюминиевые жилы изготавливают различной гибкости. В связи с этим токопроводящие жилы могут быть однопроволочными (ограниченных сечений) или скрученными из нескольких проволок, а по форме сечения – круглыми, секторными и сегментными.Так как в задании не оговариваются условия монтажа и эксплуатации, считаем их нормальными и выбираем для стационарной прокладки токопроводящую жилу 1 класса гибкости. Форма сечения жилы – круглая. Это обеспечивает по сравнению с другими формами сечения более равномерное распределение напряженности электрического поля и относительную простоту в технологии изготовления.2.2 Выбор материала ТПЖ, основные характеристики материалаВ качестве материала ТПЖ используем электротехническую медь. Свойства меди приведены в таблицах 1- 3.Таблица 1 - Механические свойства меди при температуре 20°СПараметрыЛитаяММТМПредел прочности при растяжении σр, МПа180÷220200÷280250÷500Предел текучести σт, МПа-60÷70230÷380Относительное удлинение ∆ l ∕ l, %1818÷500,5÷5Модуль упругости Еу, ГПа- статический- динамический--11774122÷132112Предел прочности при сжатии σс, МПа1570--Осадка при сжатии, %65--Ударная вязкость Fу, кДж м-25301560-Предел прочности при срезе σср, МПа-190430Предел усталости при скруглении σск , МПа-2842Придел усталости при изгибе σуст, МПа--110Таблица 2- Электрические и физические свойства медиПараметрыЗначениеТемпература плавления, °С1083Плотность, г/ см38.89Удельное сопротивление ρ∙106, Ом м0.01724Удельная проводимость, МОм/ м58÷59.5Таблица 3 - Тепловые свойства медиПараметрыЗначениеУдельная теплопроводность при 20°С, Вт/м К385÷406Температурный коэффициент линейного расширения αl 106 (20-100°C), 1/К16.4Удельная теплоемкость при 20°С, Дж/кг К386Температура плавления, °С1083±0.1Температура литья, °С1150÷1200Объёмная усадка, %4.1Температура горячей обработки, °С900÷1050Температура рекристаллизации, °С200÷300Температура отжига, °С500÷700Удельная теплота плавления, МДж/ кг0.213Температура кипения, °С2300÷2590Удельная теплота испарения, МДж/кг5.4Скорость окисления на воздухе при 700 °С, кг/ м2 с10-6Токопроводящая жила будет скручиваться из круглой медной электротехнической проволоки марки ММ (ГОСТ 2112-71).Для изготовления проволоки применяется медная катанка по ГОСТ 13842-68. Поверхность проволоки должна быть гладкой и чистой. Допускаются незначительные поверхностные дефекты, обусловленные технологией производства, если при зачистке их проволока не выходит за пределы двойных допусков по диаметру при сохранении механических и электрических характеристик. Овальность сечения не должна выводить размеры проволоки за предельные отклонения по диаметру.2.3 Выбор номинального сечения и основных геометрических параметров ТПЖМощность 3-фазной сети переменного тока:Определяем фазный ток при заданных напряжении и мощности:Номинальное сечение жилы Sн рассчитываем исходя из экономической плотности тока Jэ:где Jэ – экономическая плотность тока (при продолжительности работы кабеля больше 5000 ч для пластмассовой изоляции равна 2,7 А/мм2).Принимаем большее значение по ГОСТ 22483-77 SН = 400 мм2.Для принятого сечения SН = 400 мм2 количество проволок Zпр = 37 и для первой формы скрутки количество повивов n = 4.Сечение уплотнённой жилы:где η=0,84 – коэффициент заполнения.Диаметр уплотнённой жилы:Диаметр проволоки:где λ=1,04 – коэффициент вытяжки проволоки при уплотнении.Диаметры по повивам для первой формы скрутки:n1234Dn, мм3,96811,90417,8427,776В результате расчета токопроводящей жилы были определены её геометрические размеры, форма скрутки, а также материал, из которого она будет изготавливаться.3. Выбор экрана ТПЖВ силовых кабелях экраны используются для выравнивания напряженности электрического поля. Они позволяют лучше шунтировать поры и другие дефекты у поверхности жил.Экран из электропроводящего сшитого полиэтилена, накладываемый на токопроводящую жилу, сглаживает неровности на ее поверхности, способствуя образованию радиального электрического поля в толщине изоляции. Толщина экрана лежит в пределах 1,15 – 1,25 мм. Выбираем значение величины экрана по жиле ∆э = 1,25 мм. Поверх экрана по жиле накладывается эмиссионный слой толщиной 0,45 мм, он позволяет снизить напряжённость электрического поля на поверхности электропроводящего экрана по жиле. Применяя эмиссионный слой можно уменьшить толщину изоляции, за счёт выравнивания электрического поля.4. Расчет изоляции кабеля4.1 Выбор типа изоляции с указанием основных свойств изоляционных материалов.В качестве материала изоляции кабеля выбираем сшитый полиэтилен.Применение пластмассовой изоляции упрощает технологию изготовления силовых кабелей и даёт возможность сэкономить значительное количество металлов (свинец, алюминий), т. к. обычно эти кабели изготавливаются без металлических оболочек.Таблица 4 - Свойства сшитого полиэтиленаПараметрЗначениеУдельное объемное электрическое сопротивление при 20 °С, Ом м1014Влагопоглощение за 30 суток, %0,020Плотность при 20 С, кг/м3930Температура хрупкости, °С не выше-140tg δ при 20 °С и 50 Гц0,0008Епр при 20 С и 50 Гц, МВ/м40Расчёт толщины изоляции и электрической прочности «слабых мест» в изоляцииЭлектрический расчет кабелей со сплошной полиэтиленовой изоляцией проводят исходя из допустимой средней напряженности в изоляции кабеля. Поскольку в процессе эксплуатации кабели подвергаются воздействию, как напряжения промышленной частоты, так и импульсным воздействиям, то расчет толщины изоляции проводится для обоих видов воздействия, а затем принимается наибольшее из полученных значений толщин.Для нахождения значений необходимых для расчета величин (рисунок 2) и , (рисунок 3) нужно построить графики зависимости этих величин от номинального напряжения, используя данные таблицы 4.6 из [1].Uном66154275500Uиспимп35075010501494Eрасчпер20253035Eрасчимп50506075010020030040050050010001500Uисп,импUномкВкВРисунок 2 - Зависимость испытательного импульсного напряжения Uиспимп от номинального от Uном05010015020025030035040045050001020304050607080EрасчперiEрасчимпiUномкВ/ммкВРисунок 3 - Зависимость расчётной напряжённости при воздействии переменного напряжения Ерасчпер и при воздействии импульсного напряжения Ерасчимп от номинального напряжения UномИз графиков находим для Uном = 500 кВ:При воздействии импульсного напряжения в качестве расчетного значения нужно принять значение испытательного импульсного напряжения, умноженное на коэффициент запаса:При выборе толщины изоляции по напряжению промышленной частоты:Принимаем значение толщины изоляции На жиле расположен экран, толщина которого ∆э = 1,25 мм.Определим радиус жилы с экраном:Радиус по эмиссионному слою:Радиус по изоляции:Радиус изоляции с экраном:Рассчитаем Еmax на жиле в момент включения кабеля под напряжение:Изменяя радиус от значения rжэ до Rиз строим график распределения напряженности по толщине изоляции:Рисунок 4 - Распределение напряженности по толщине изоляцииПроверим электрическую прочность «слабых мест» в изоляцииВ кабелях с пластмассовой изоляцией могут образовываться воздушные включения различных форм и размеров. Минимальное значение электрической прочности изоляции определяется электрической прочностью слабых мест, к которым относятся воздушные (газовые). Электрическая прочность включений связана с их геометрическими размерами и внутренним давлением.Величина воздушных включений, вызванных различными причинами, в пластмассовой изоляции может достигать 40 мкм. Напряженность внутри включения определяется следующим образом: образом:где εв, εg – диэлектрическая проницаемость диэлектрика и воздуха;rв – расстояние до воздушного включения.Рисунок 5 – Графики изменения напряженности в воздушной поре от толщины поры и от расстояния до нееВсе точки на графиках находящиеся ниже кривой Ев удовлетворяют условию электрической прочности.5. Выбор экрана по изоляции и кабельной оболочкиНазначение экрана по изоляции - создание равномерного радиального поля в изоляции кабеля. На изоляции расположен экран из двух элементов:1) экран из электропроводящего сшитого полиэтилена толщиной ∆э.из=1,25 мм;2) навив из медных проволок номинальным диаметром 1,5 мм, поверх которых спирально наложена медная лента не менее 0,25 мм. Минимальная ширина ленты 8 ммОболочка выполнена из полиэтилена толщиной 5 мм.Назначение экрана по изоляции - создание равномерного радиального поля в изоляции кабеля. 6. Заключение о конструктивных размерах кабеляВ результате расчета конструктивных размеров кабеля были установлены следующие геометрические значения:Номинальное сечение жилы SН = 400 мм2.Диаметр жилы dж = QUOTE мм.Толщина ПЭ экрана по жиле и изоляции ∆э = 1,25 мм.Диаметр жилы экранированной dж,э = 27,12 мм.Толщина эмиссионного слоя: ∆эс = 0,45 мм.Толщина изоляции ∆из = 40 мм. Диаметр по изоляции dиз = 108,02 мм.Диаметр изоляции экранированной dиз,э. = 110,52 мм.Толщина водонабухающей ленты ∆вл.= 0,25 мм.Толщина навива из медных проволок ∆гэ = 1,5 мм.Толщина медного экрана по изоляции ∆э.= 0,25 мм.Диаметр по медному экрану изоляции dмэ. = 115,52 мм.Толщина оболочки кабеля ∆ОБ.= 5 мм.Диаметр кабеля dк. = 125,52 мм.Рисунок 3. Конструкция кабеля:1 - многопроволочная медная жила; 2- экран по жиле из ПЭ; 3- ПЭ изоляция;4- экран по изоляции из ПЭ; 5 – водонабухающая лента; 6 - медный проволочный экран; 7 – разделительный слой лавсан; 8 – оболочка из ПЭ.7. Расчет электрических характеристик кабеляЭлектрическими характеристиками силовых кабелей являются:а) сопротивление токопроводящей жилы (ТПЖ);б) сопротивление изоляции;в) емкость изоляции.Расчет характеристик заключается в определении сопротивления жилы, изоляции и емкости кабеля в рабочем диапазоне температур с учетом влияния электромагнитного поля.7.2 Расчет сопротивления изоляции кабеляСопротивление изоляции является важной характеристикой, оно связано с удельным объемным сопротивлением материала, геометрическими размерами (аксиальными и радиальными), так же зависит от однородности изоляции по свойствам, стабильности радиальной толщины изоляции и стабильности технологических процессов.Сопротивление изоляции для одножильного кабеля переменного тока при комнатной температуре можно найти по формуле:где ρV=1014 Ом∙м – удельное объемное сопротивление материала изоляции;rиз = 54,01 мм – радиус по изоляции;rжэ = 13,56 мм – радиус экранированной жилы.Сопротивление изоляции для одножильного кабеля переменного тока при рабочей температуре можно найти по формуле:где ρv 20 – удельное электрическое сопротивление изоляции, Омм;tp – рабочая температура кабеля, 0С;αиз – температурный коэффициент изоляции, 1/0C.Расчет рабочей емкостиЭлектрическая емкость изоляции является также важной характеристикой изоляции. Зависит от геометрических размеров кабеля, количества и формы токопроводящих жил. Величина рабочей емкости связана с однородностью изоляции, стабильностью ее радиальных размеров по периметру и длине, а в период эксплуатации – от интенсивности процессов старения. Для большого ряда кабелей емкость является стабильностью технологических процессов.Электрическая емкость изоляции для одножильного кабеля с однородной изоляцией:ε = 2,5 – диэлектрическая проницаемость ПЭ.7.3 Расчет сопротивления ТПЖ и медного экранаСопротивление жилы переменному току определяется с учетом поверхностного эффекта и эффекта близости при максимальной допустимой температуре:Сопротивление постоянному току:Средний коэффициент укрутки проволок в жилу определяется по формуле:где m = 20 – кратность скрутки.Коэффициент, учитывающий поверхностный эффект определяется по формуле:bп = 1 – коэффициент, учитывающий форму жилы.Коэффициент, учитывающий эффект близости при прокладке трёх одножильных кабелей треугольником определяется по формуле:где а = dк – расстояние между центрами кабелей. QUOTE bб = 0.8 – коэффициент, учитывающий форму жилы при расчёте эффекта близости.Тогда Rt будет равно:Расчет сопротивления медного экрана: QUOTE Коэффициент потерь в экране: где взаимное индуктивное влияние:7.4 Условия повышения электрической прочности изоляцииВ настоящее время установлено, что электрическая прочность полиэтилена, являющегося основным изоляционным материалом для силовых кабелей, в условиях воздействия электрического поля определяется прежде всего наличием неоднородностей в изоляции, возникающих как в процессе производства кабелей, так и свойственных самому изоляционному материалу в исходном состоянии. Если в полимерной изоляции кабеля существуют неоднородности, то в процессе эксплуатации в этой изоляции начинают развиваться проводящие каналы, известные под названием дендритов (древовидных образований) или триингов.Исследования изоляции кабеля в процессе эксплуатации позволили выявить два типа триингов: триинги чисто электрического происхождения и так называемые водные триинги (в основном электрохимического происхождения).Триинги электрического происхождения возникают и развиваются только при воздействии переменного тока, а также импульсного при очень высоких напряжениях. Они образуются в местах концентрации напряженности электрического поля, значение которой не приводит к немедленному пробою, но достаточно высоко для ионизации газового включения. При низких напряженностях электрического поля электрические триинги образуются только после очень длительной эксплуатации. При развитии триингов электрического происхождения заметно возрастает уровень частичных разрядов в изоляции кабеля. Поэтому если в изоляции кабелей отсутствуют полости определенного размера, электрические триинги развиваются достаточно медленно и могут не оказывать влияния на работоспособность кабелей. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что электрическая прочность кабеля при переменном напряжении зависит от распределения полостей в изоляции, в том числе и малых по размеру, в которых частичные разряды не возникают даже при рабочих напряжениях.Образование в изоляции водных триингов связано с проникновением в изоляцию кабеля влаги. Наличие влаги в изоляции приводит к конденсации её в местах неоднородностей, образованию и росту водных триингов с последующим ухудшением электрических характеристик изоляции, в частности снижению электрической прочности, что может привести к пробою кабеля. Влага проникает в изоляцию как в результате процесса диффузии через пластмассовую оболочку, так и через дефекты в оболочке и изоляции под действием электрического поля.Существует также точка зрения, что область изоляции с триингом подвергается со временем более быстрому окислению, быстрее стареет и в результате наступает пробой изоляции. Необходимость свести к минимуму или подавить процесс триингообразования учитывается при конструировании кабелей с полимерной изоляцией и разработке технологии их изготовления.