Расчет и конструирование силового кабеля с заданными параметрами
Курсовой
проект
По
дисциплине: Конструирование кабельных изделий
Тема:
Расчет и конструирование силового кабеля с заданными параметрами
Учащему(ей)ся Шур Владислав Александрович
-го курса группы ТЭП-31С
Исходные данные:
.количество жил: 3+2 секторного сечения.
.материал токоведущих жил: алюминий.
.материал изоляции жилы: полиэтилен.
.материал заполнения пространства между жилами:
нити из резины
.материал поясной изоляции (оболочки): из
самозатухающего (неподдерживающего горения) и вулканизированного полиэтилена.
.экран: нет
.материал подушки: нет.
.броня: стальные ленты.
.наружный покров: шланг ПВХ.
.расчетное напряжение:50кВ.
.максимальная мощность, передаваемая по кабелю:
5 ГВт.
Содержание
электрический
кабель сопротивление токоведущий
Введение
. Расчет конструктивных элементов
кабеля
.1 Расчет площади сечения и формы
токоведущей жилы
.2 Расчет толщины изоляции. Расчет
зависимости напряженности электрического поля в толще изоляционного слоя
.3 Защитные покровы
. Расчет электрических параметров
кабеля
.1 Расчет сопротивления токоведущей
жилы постоянному и переменному току
.2 Расчет диэлектрических потерь в
изоляции, сопротивления изоляции, электрической емкости кабеля, индуктивности
жилы при замкнутых оболочках на землю
. Тепловой расчет кабеля
.1 Расчет тепловых сопротивлений
конструктивных элементов и окружающей среды
.2 Расчет допустимого тока нагрузки
и передаваемой по кабелю
мощности
. Расчет массы кабеля
Заключение
Введение
Силовой кабель - кабель для передачи
электроэнергии. В практическом смысле подразумевается кабель для передачи
трехфазного тока от ГРЩ промышленных предприятий, коммунальных и прочих
объектов к потребителям электроэнергии.
Используется для стационарной прокладки, так же
используется для подключения подвижных установок (агрегатов, оборудования). В
зависимости от области и рода применения, может состоять из различных
конструктивных элементов.
Современные силовые кабели, в зависимости от
условий использования, имеют широкое разнообразие типов, размеров и используемых
материалов.
Каждый силовой кабель состоит из трех
обязательных элементов:
. Токопроводящая жила,
2. Изоляция токопроводящей жилы,
. Оболочка.
Кроме того, в конструкцию силового кабеля могут
входить следующие элементы :
. экран,
2. поясная изоляция,
. подушки под броню,
. броня,
. заполнитель.
В качестве материала токопроводящих жил обычно
используют алюминий или медь.
По типу изоляции силовой кабель разделяется на
виды:
. пропитанная бумажная изоляция,
2. полимерная изоляция,
. сшитый полиэтилен.
Силовой кабель с пропитанной бумажной изоляцией
применяется в электрических сетях с напряжением от 1 до 750 кВ и частотой 50
Гц.
Самый современный на данный момент это кабель с
изоляцией из сшитого полиэтилена. Данный кабель применяется как при низком, так
и при высоком напряжении, он выдерживает высокую температуру и обладает высокой
прочностью. Даже при перегрузке сети силовой кабель с изоляцией из сшитого
полиэтилена помогает избежать возникновения короткого замыкания .Такой кабель
значительно легче по сравнению с другими кабелями, что делает работу с ним
удобной и быстрой. Температура длительно допустимая для нагрева жил
составляет+90°С. Максимально допустимая температура при котором замыкании
составляет от +250°С. Срок службы кабелянеменее30лет. Кабели силовые с
изоляцией из пропитанной бумаги с медными и алюминиевыми жилами предназначены
дл я передачи и распространения электрической энергии при номинальном
напряжении до35кВ включительно. Такие кабели применяют дл я фиксированного
монтажа и зависят от разности уровня трассы . Для того, чтобы защитить
гигроскопичную бумажную изоляцию в конструкции кабеля предусмотрена свинцовая
или алюминиевая оболочка. Кабели с алюминиевыми оболочками нельзя применять в
условиях воздействия на них агрессивных сред (пары щелочи, концентрированные
щелочные растворы). В таких условиях необходимо применять кабели в свинцовых
оболочках. Цель курсового проекта: получить навыки расчета и конструирование
силового кабеля. Рассматриваться будет кабель на 50 кВ напряжения, передаваемая
мощность 1 ГВт, материал токопроводящих жил - алюминий, секторного сечения (5
секторов). Токопроводящие жилы силового кабеля изготовлены из алюминия.
Алюминий обладает следующими свойствами: удельное электрическое сопротивление
0,0283 мкОм-м; алюминий менее приблизительно в 3,5раза легче меди, стоимость
алюминия значительно ниже.
К недостаткам алюминия можно отнести:
. Низкая механическая прочность;
2. На воздухе активно окисляется и
покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением.
Применение секторных жил вместо круглых
позволяет уменьшить диаметр кабеля на 20-25%, соответственно сократить расход
материала на изоляцию, оболочку и покровы.
Задачи, решаемые в курсовом проекте:
. расчет конструктивных элементов кабеля;
2. расчет электрических параметров кабеля;
. тепловой расчет кабеля;
. расчет массы кабеля.
1.Расчет конструктивных элементов кабеля
.1 Расчет площади сечения и формы токоведущей
жилы
Согласно задания принимаем алюминиевую жилу
секторного сечения .
Определяем постоянный ток кабеля :
I=
где :
Р-максимальная мощность передаваемая
по кабелю - 1ГВт;- напряжение - 50кВ. =20 кА;
I= ; =11,56 кА;
Определяем площадь сечения жилы
секторной формы по формуле:
=
где : qAl -
проводимость алюминия 8 А/мм2;ток жилы 100000А .==500 мм2 ;
Согласно нормам по сечениям жил
принимаем номинальное сечение жилы равной 750 мм2
Вычисляем радиус сектора жилы :
Площадь сектора определяется так:
Где диаметр круга; β - угол
сектора, ( при 5 секторах β==0,4)
Тогда:
R===63; с учетом коэффициента 1,02
получим:
R=64 см
.2 Расчет толщины изоляции. Расчет
зависимости напряженности электрического поля в толще изоляционного слоя
Изоляция силового кабеля выполнена
из ПВХ пластиката. ПВХ пластикат - смеси поливинилхлорида, которые обеспечивают
длительное сохранение физических свойств изолятора: высокого удельного
сопротивления, гибкость при низких температурах и нагревастойкость. Однако, под
воздействием температуры, солнечной радиации ПВХ пластикат за счет улетучивания
пластификатора стареют, происходит снижение их пластичности и морозостойкости.
Кабели на напряжение 1кВ работают с
изолированной или резонансной заземленной нейтралью, поэтому при однофазном
коротком замыкании на землю напряжении неподверженных фазах возрастает до
линейного.
Следовательно, расчет изоляции
необходимо вести на линейное напряжение U0=UA.
Удельное сопротивление ПВХ изоляции
53000 В/мм. Напряжение линии 50000 В. Для расчета толщины изоляции составим
пропорцию:
/1=50000/х мм.
Принимаем толщину изоляции 15 мм.
.3 Защитные покровы
а) ПВХ изоляция .
Поливинилхлорид (ПВХ) представляет
собой твердый при oбычной температуре термопластичный
полимер аморфной,т.е. бесформенной структуры, в котором его свойства (механические
,электрически е и др. ) в естественных условиях одинаковы по всем направлениям.
Электроизоляционные свойства ПВХ сравнительно невысоки (26...2 8МВ/м). Однако
вследствие ряда положительных характеристик (устойчивость к действию кислот,
щелочей и растворов солей ) ПВХ нашел широкое применение как изолятор, в
частности ,при изоляции электропроводов и кабелей .
Длительная рабочая температура ПВХ
составляет 80...90°С. Выше140°С ПВХ начинает разлагаться с выделением
хлористого водорода. При этом физико-механические свойства ПВХ ухудшаются :
1. Снижаются объемное электрическое
сопротивление и механическая прочность (уменьшается величина относительного
удлинения при разрыве, возрастает хрупкость) .
2. Выделяющийся хлористый водород ядовитое
соединение, химически активное, вызывает коррозию металлов
. При повышенной температуре ПВХ горит,
но не поддерживает горения.
Согласно рекомендациям я принял толщину ПВХ
изоляции равной 15мм.
б) материал поясной изоляции - самозатухающий и
вулканизированный полиэтилен.
Изоляция жил обеспечивает электрическую
прочность жил по отношению друг к другу и по отношению к земле. Изолируют
каждую жилу по отдельности - это изоляция жилы. Также может быть наложена
поясная изоляция поверх изолированных жил многожильного кабеля. Изоляция из
бумаги пропитывается пропиточными составами с определенной степенью вязкости.
От конкретной пропитки зависят условия прокладки и предельно допустимые
напряжения. Резиновую изоляцию выполняют либо из сплошного слоя резины, либо из
резиновых лент, впоследствии вулканизированных.
Пластмассовая изоляция изготавливается из
поливинилхлоридного пластиката - из самозатухающего и вулканизированного
полиэтилена. Применяется композиция полиэтилена, выпускаемая по ГОСТ 16336-70.
Композиция самозатухающего и вулканизированного полиэтилена выпускается со
стабилизаторами и другими добавками.
Согласно рекомендациям я принял толщину
самозатухающего и вулканизированного полиэтилена равной 5 мм .
в) броня кабеля из стальных лент.
Для защиты кабелей от механических повреждений
при отсутствии растягивающих усилий их бронируют лентами из низкоуглеродистой
стал и (ГОСТ3559-63). Ленты стальные для бронирования кабелей применяют трех
групп :
А пл-лента оцинкованная (А - лента ,
предназначенная для плоской брони )пр -лента , предназначенная для профильной
брони);
Б-лента без антикоррозионного покрытия
(снабжается только тонким слоем антикоррозионной смазки);
В-лента битуминизированная (покрытая сплошным
слоем битума) .
Кабели диаметром до13мм, прокладываемые в земле
и воздухе, бронируют двумя стальными лентами толщиной 0,3мм, диаметром от
13до50мм- 0, 5 мм и диаметром выше 50мм - 0,8мм. В зарубежной практике
применяют также ленты толщиной 1,0мм. В зависимости от диаметра кабеля
применяют лент ы шириной от 20 до 60 мм. Ленты А пл, Б и В должны иметь предел
прочности не менее 280 н/мм2 и относительное удлинение не мене е20% ,а ленты А
пр-от 200 до 400 н/мм2 и удлинение не менее 30% .
Стальная лента без защитных покровов не
устойчива против действия агрессивных сред и разрушается менее чем за 2 года.
Даже броня кабелей, проложенных в помещении, из-за колебаний температуры и
влажности подвергается коррозии и теряет свои механические свойства .
Согласно рекомендации определим толщину 5 мм.
2. Расчет электрических параметров кабеля
.1 Расчет сопротивления токоведущей жилы
постоянному и переменному току
Находим сопротивление жилы :
Rж=(1+α
где :
α - коэффициент повышения
сопротивления в зависимости от температуры - 0,00403 К-1;
ρ-сопротивление алюминия 0,027
мк0м*м ;сечение жилы 500 мм2;длинна жилы 1м;
Тж-согласно рекомендациям принимаю
90°С.
Rж=(90-20))=0,00000276 Ом.
Это сопротивление проводника
постоянному току. Переменному току сопротивление рассчитаем по формуле:
Rп= Rж;
Где:
Уп - коэффициент поверхностного
эффекта, определяется по формуле:
Уп=; где Х: Х=0,0082; С учетом этого произведем расчет :
Х=0,0082; Уп==0,23;
Уб - коэффициент близости, 1мм.
Rп=Rж=0,00000276 Ом.
Сопротивление проводника переменному
току будет больше.
.2 Расчет диэлектрических потерь в
изоляции, сопротивлении изоляции, электрической емкости кабеля, индуктивности
жилы при замкнутых оболочках на землю
Сопротивление изоляции есть
отношение напряжения к току утечки, вычисляется по формуле:
Rиз=
Где - толщина изоляции, 15 мм; - длина жилы, 1 м;
Rпвх -
сопротивление изоляции из ПВХ, равное 1012 Ом. С учетом этого:
Rиз===1,5 Ом.
Ток утечки составит:
I===3,3 A=3,3 мкА;
Проводник имеет собственную емкость,
вследствие чего при прохождении переменного тока будет проходить емкостной ток
- ток «зарядки» и «разрядки» электроемкости проводника. Этот ток будет зависеть
от емкостного сопротивления проводника, которую рассчитаем по формуле:
С=
Где ε,ε0 - величины
проницаемости среды, ε=2,3; ε0=8,85-12 ф/м;
С===27,7
Определим электроёмкость:
ХС===5,7 Ом.
I===8,7A=87 мА.
Индуктивность жилы определим по
формуле:
L=;
r - радиус
жилы 14,4 мм ;
а - толщина покровов до брони 48,8
мм ;-диаметр жилы 64 мм ;- диаметр брони 85мм ;
μ - магнитная проницаемость
34,34Гн/м .
L==(0,2(ln(48,8/14,4)+34,34ln(85/64))+0.05)/1000=0,56
мГн.
Произведем расчет потерь в кабеле:
Δ Р= Δ Ра+ Δ Ре+ Δ Рт;
где :
Δ Ра -активное сопротивление ;
Δ Ре -емкостное сопротивление
;
Δ Рт -энергия затрачиваемая на
перемагничивание брони .
Δ Ра =R==1104 Вт;
Δ Ре= UI с=50000=4350 Вт;
Δ Рт===70336 Вт;
ΔРΣ=1104+4350+70336=75790=75,454 кВт;
Потери составят ε=0,000757%.
3. Тепловой расчет кабеля
.1 Расчет тепловых сопротивлений
токоведущей жилы постоянному и переменному току
Тепло, выделяемое на проводнике,
равно потерям ΔРа= 1104 Вт.
Это тепло необходимо рассеять в пространство. Максимальный тепловой поток
определим по формуле:
W=
где
температура жилы ,согласно
рекомендациям принимаем 90°С;
-температура окружающей среды,
принимаем 20°С;общее удельное сопротивление оболочек
кабеля.=S1+S2+S3+S4+S5,-изоляция жилы из ПВХ, ее удельное тепловое
сопротивление 0,005 См*м/Вт и в связи с тем ,что толщина изоляции жилы 5 мм,
то:
S1=0,005 См*м/Вт-поясная изоляция из
самозатухающего и вулканизированного полиэтилена, ее удельное тепловое
сопротивление 0,0035 См*м/Вт; в с вязи с тем, что толщина поясной изоляции 2 мм
то удельное тепловое сопротивление нужно умножить на толщину поясной изоляции
:=0,00352=0,007 См*м/Вт- броня из стальных
лент, ее удельное тепловое сопротивление -0,00123°Смм и в связи с тем ,что
толщина брони 2 мм то удельное тепловое сопротивление нужно умножить на толщину
брони := 0,00123 2= 0,00246 См*м/Вт;- наружный
покров шланг ПВХ, удельное тепловое сопротивление 0,005 См*м/Вт; и в связи с
тем ,что толщина наружного покрова 15 мм то удельное тепловое сопротивление
нужно умножить
на толщину наружного покрова :
S4=0,005 См*м/Вт.
W===1167 Δ
Ра=1104 Вт; Условия рассеивания
выполняются.
.2 Расчет допустимого тока нагрузки
и передаваемой по кабелю мощности
Расчет производим по максимальному
току из условий рассеивания тепла и проводимости :
Imax= А
где: Sж-сечение
жил кабеля 500 мм2;
ρ-проводимость алюминия - 8
А/мм
Imax==500; количество жил - 5, суммарный ток
20 кА.
Теплота, выделяемая в кабеле:
Δ Рамакс=Rжп==1104;
В то время как W=1167;
Определим максимальный ток по выполнению условия рассеивания:=1167/0,00000276=(20566)2; Imax=20,56 кА;
Тогда максимальная передающая
мощность составит:
Рмакс=50000
4. Расчет массы кабеля
Рассчитываем массу 1 метра кабеля :
Мкаб=М ж+Мпвх+Мпэ+ Мст+Мкп
где :
1. Мж - масса 1 метра алюминиевой жилы кабеля ;
2. МпВх-масса 1 метра изоляции кабеля из
ПВХ ;
. Мпэ-масса 1 метра поясной изоляции
кабеля из самозатухающего и вулканизированного полиэтилена ;
. Мс т-масса1метра брони кабеля из
стальных лент ;
. Мкп - масса 1 метра наружного покрова
кабеля из ПВХ шланга .
Масса находиться произведением объема на
плотность. Плотности веществ:
1. σАл=2698,9 кг/м3; σПВХ=1200
кг/м3;
2. σПЭ=960 кг/м3; σСт=7700
кг/м3;
М ж==1,3493 кг; - масса жилы;
МпВх=1200-)/4=0,295кг - масса изоляции;
Мпэ=9603,14)/4=0,2445 кг - масса поясной
изоляции;
Мс=3,14)/4=38,5 кг - масса стали;
Мкп=120018,3 кг - масса наружного покрова
кабеля из ПВХ шланга.
Таким образом, масса 1 метра кабеля
составит:
М=1,349366,195 кг.
Список литературы
1. Пешков
И.Б. Кабели и провода. Издательство Энергоатомиздат , 2009г .
2. Бачелис
Д.С. Электрические кабели, провода и шнуры (справочник). Под общ.ред. Н.И.
Белорусова. Изд.3-е, прераб.М., «Энер -гия» ,1971г.
. Белорусов
Н.И. Электрические кабели и провода (теоретические основы кабелей и проводов,
их расчет и конструкции) ,М., «Энергия» ,1971г .