ВСТУП
Данаробота присвячена розв’язанню задач створення системи оперативногоконтролю параметрів ізоляції кабеля СБлШнгд 3х120-10 на базі діючогохарківського заводу “Південкабель” [1]. Для цього необхідно проаналізуватитехнологічний процес ізолювання силових кабелів з паперовою імпрегнованоюізоляцією на напругу 10 кВ включно, його контроль за допомогою вимірюванняелектрофізичних характеристик ізоляції та дослідження зв’язку контрольниххарактеристик з конструктивними, електричними, тепловими та технологічнимипараметрами відповідних кабелів.
Забезпеченняефективності оперативного контролю якості масової продукції у процесі їївиробництва є однією з актуальних проблем сучасної промисловості. Серіяміжнародних стандартів із управління якістю ISO 9000вимагає відвиробників стандартизації послідовності дій, що забезпечують неперервнезростання якості продукції у замовника. Тому сьогодні методи контролюпараметрів даної продукції мають бути об’єднані у єдину систему управлінняякістю і складати одне ціле з конструкцією, технологією виготовлення і вимогамизамовників продукції.
Стала нормальноюситуація, за якої замовнику необхідні показники, що перевищують передбаченінормативною документацією, і виробник виконує такі вимоги без заперечень.
Особливоактуальною є задача створення такої сучасної системи управління якістюпродукції для кабельної техніки, яка відзначається багатономенклатурністю івиготовленням продукції «за замовленням».
Труднощістворення такої системи контролю в кабельному виробництві пов’язані з наступним:
- необхідність одночасного контролю значної кількості параметрів, щомають різну фізичну природу (наприклад, тангенс кута діелектричних втрат tgdпри заданійнапрузі, приріст тангенса кута діелектричних втрат Dtgd при заданому збільшеннінапруги, електричний опір жили Rж, пробивна напруга Uпр,електричний опір ізоляціїRіз і т.ін.) тарізні нормативні границі для їх величин (наприклад, не більше, не менше,середнє значення не менше, мінімальне значення не менше і т. ін.);
- очевидна взаємна залежність параметрів, що контролюються;
- технологічний дрейф величини параметра, що контролюється,викликаний, наприклад спрацюванням технологічного інструменту;
- наявність значної кількості важливих для замовника характеристик кабельнихвиробів, для яких величина середньоквадратичного відхилення (основнахарактеристика розсіяння значень параметра в класичних статистичних методах) впринципі не може бути визначена, наприклад, час функціонування кабелю під дієювідкритого полум’я і т.ін.
Для створення системи оперативного контролю параметрів ізоляції кабельнихвиробів для оброблення, порівняння, аналізу та визначення технологічнихнормативів для параметрів ізоляції кабеля СБлШнгд 3х120-10 необхідно розв’язатитакі задачі:
- розглянути електрофізичні характеристики ізоляції силових кабелівз паперовою імпрегнованою ізоляцією на напругу 10 кВ;
- проаналізувати зв’язок розглянутих електрофізичних характеристикізоляції з конструктивними, електричними, тепловими та технологічнимипараметрами цих кабелів.
Серед багатьохіснуючих систем класифікації кабельних виробів (за матеріалом ізоляції, загалуззю використання, за номінальною напругою і т.ін) найбільш важливою длякабельної техніки є класифікація за групами однорідної продукції. До кожної з38 груп однорідної продукції входять кабельні вироби, споріднені затехнологічними засадами їх виробництва. Саме технологічна спорідненість, аотже, — спорідненість методів технологічного контролю, є вирішальною длявиробника в такому багатономенклатурному та гнучкому виробництві, яким євиробництво кабельних виробів.
Проаналізованіосновні напрями досліджень в кабельній техніці і зазначено, що серед шестивиділених основних напрямків досліджень п’ять пов’язані з вдосконаленнямтехнологічних процесів та методів технологічного контролю.
1 КОНСТРУЦІЯКАБЕЛЯ МАРКИ СБлШнгд 3´120–10
1.1 Ескіз таспецифікація
На рисунку 1.1наведено ескіз кабеля марки СБлШнгд 3´120–10:
Силовий кабель змідними багатопроволочними секторними жилами, із паперовою імпрегнованноюізоляцією, у свинцевій оболонці, броньований та з зовнішнім покровом зматеріалу, що має низьке виділення диму та продуктів горіння.
/>
1 ––струмопровідна жила; 2 –– фазна ізоляція; 3 –– поясна ізоляція;
4 ––напівпровідний екран по ізоляції; 5 –– герметизуюча металева оболонка;
6 –– подушка підброню; 7 –– стрічкова броня; 8 –– зовнішній захисний покрив;
9 –– міжфазні заповнення.
Рисунок 1.1 ––Ескіз кабеля марки СБлШнгд 3´120–10
На рисунку 1.1наведена конструкція кабеля марки СБлШнгд 3´120–10 для прокладки:
ü у землі(траншеях), якщо на кабель не діють значні розтягуючи зусилля:
ü у землі(траншеях) з низькою і середньою корозійною активністю, з відсутністю блукаючихструмів.
Характеристикитаких кабелів наведені у таблиці 1.1 [2].
Таблиця1.1 – Характеристики кабелів з паперовою імпрегнованою ізоляцією на напругу 10кВ Номінальна напруга частоти 50 Гц, кВ 20,0 35,0 Номінальна постійна напруга, кВ 50,0 87,5 Напруга випробування частоти 50 Гц, кВ 50,0 88,0 Електричний опір ізоляції, не менше, МОм/км 200
Максимальна робоча температура жили, оС 70
Максимальна робоча температура жили при перевантаженні, оС 70
Максимальна температура короткого замикання, оС 130
Температура оточуючого середовища, оС -50/+50
Вологість повітря при +35оС, % 98
Монтаж при температурі, не менше, оС Радіус згинання кабеля, не менше, зовнішніх діаметрів 15 Будівна довжина, м 250 Строк служби, років 30 Гарантійний строк експлуатації, років 4,5
1.2Конструктивні розміри.Таблиця 1.1 –– Конструктивні розміри в міліметрах кабеля марки
СБлШнгд 3´120–10
D
Δф
Dп
Dпе
d1
Δоб
Δпб
Δбр
Δзп
Dк 29,36 2,75 1,25 0,12 35,85 1,61 1,9 1 2,4 49,71
D– діаметр кабеля; Δф — товщина фазної ізоляції; Dп – товщина поясної ізоляції; Dпе – товщина екрану; Δоб — товщина свинцевої оболонки;d1 — діаметр під оболонку;
Δпб — подушки під броню дорівнює; Δбр — сталева стрічкова броня; Δзп — зовнішній захисний покров;Dк — загальний діаметр кабеля.
За даними [2] зовнішній діаметр кабеля становить52,33 мм. Розрахований діаметр дорівнює 49,71 мм, тобто задовольняє вимогам.
1.3 Матеріалидля виготовлення елементів кабеля
1.3.1 Матеріалжили
Основними матеріалами для виготовлення струмопровіднихжил є мідь та алюміній.
Мідь є найкращимматеріалом для струмопровідних жил силових кабелів. Вона має в звичайних умовахнайменший питомий опір (якщо виключити з розгляду срібло), сполучення доситьвисокої механічної міцності з пластичністю, порівняно високу корозійнустійкість. Для виготовлення струмопровідних жил використовують мідь марки ненижче М1 [3]. Деякі властивості м’якої міді наведені в таблиці 1.2.Мідь практично не окислюється при нормальній температурі. Незначна корозія спостерігаєтьсятільки у солоній воді.
Таблиця 1.2 –Деякі характеристики відпаленої стандартної міді при 20 оС
Питомий опір ·10-6, Ом·м 0,01724
Температурний коефіцієнт питомого опору, оС-1 0,0043
Питома теплопровідність, /> 394,3
Питома теплоємність, /> 385,5
Температура відпалення, оС 500 – 700 Руйнівна напруга при розтягуванні, МПа 239 Відносне видовження, % 47,2
Основнимифакторами, що змінюють характеристики міді є:
– наявністьдомішок, які підвищують питомий опір, знижують пластичність та корозійнустійкість; особливо небажаними є домішки кисню, свинцю, сірки, вісмуту; всьогодомішок не повинно бути більше 0,1 %, а вміст кисню не повинен перевищувати0,06 %.
– залишковідеформації, які збільшують питомий опір міді на величину 3-4 %, різко зменшуютьпластичність, але збільшують механічну міцність; відповідні властивості мідіможуть бути відновленими шляхом відпалення (рекристалізації) при температурівище 200оС;
– нагрівання ввітрі при температурі до 200оС приводить до поступового окислення зутворенням окисів міді, а при більших температурах до інтенсивного окисленняміді.
1.3.2 Матеріалізоляції
Основними є тривида ізоляції:
1) папероваізоляція, виготовлена обмоткою стрічками кабельного паперу з наступним сушіннямта імпрегнуванням кабельним компаундом на основі мінерального масла;
2) пластмасоваізоляція з поліетилену або полівінілхлоридного пластикату, накладена методомекструзії;
3) гумоваізоляція, накладена методом гарячого пресування.
Найважливішоюперевагою першої є її висока надійність в експлуатації.
Паперова ізоляціявиготовляється обмоткою стрічками кабельного паперу з наступним сушінням таімпрегнуванням кабельним компаундом.
Папероваімпрегнована ізоляція складається з одношарового целюлозного кабельного паперу,імпрегнованого масляноканіфольним компаундом. Папір марок К і КМП товщиною 80,120, 140 мкм імпрегнують кабельним компаундом, що складається з мінеральногомасла (продукт переробки нафти), каніфолі та згущувачів.
В даному проекті кабельрозрахован для прокладання з обмеженої різницею рівнів на трасі, тому обираємокомпаунд МП–3. Рецептури кабельних компаундів наведені в таблиці 1.2.Таблиця1.2 – Рецептури кабельних компаундів Назва
згущувача Вміст згущувача в компаунді, % за масою
(решта мінеральне масло) МП–2 МП–3 МП–3с МП–4 МП–5
Для прокладання на трасах з обмеженням
різниці рівнів Для прокладання без обмежень
Каніфоль
Поліетиленовий
віск
Композиція на основі поліізобутилену
Севілен
25,0 ± 3,0
––
––
––
7,5 ± 2,5
3,0 ± 2,0
––
––
2,5 ± 0,1
––
––
2,25± 0,25
5,0 ± 0,25
––
20,0 ± 1,0
––
5,0 ± 3,0
24,0 ± 6,0
––
––
При ізолюваннібагатожильних кабелів з паперовою ізоляцією на скручені разом ізольовані жилинакладають поясну ізоляцію. Товщина поясної ізоляції для кабеля на напругу 10кВ та перерізом жили 120 мм становить 1,25 мм [1]. Граничне відхилення товщини ізоляції не повинно перевищувати />0,24 мм.
Характеристикипаперової імпрегнованої ізоляції залежать від наявності та природи сторонніхдомішок: рештки включень газів та вологи або домішок в недостатньо очищенихкомпонентах кабельного компаунду. Наприклад, електрична міцність такої ізоляціїв залежності від чистоти мінерального масла, глибини сушіння та імпрегнуваннязнаходиться в діапазоні 30-80 МВ/м. Тангенс кута діелектричних втрат,наприклад, знаходиться для кабелів на 10 кВ на рівні 0,008, а длямаслонаповнених кабелів відповідно 0,002. Таким чином, властивості паперовоїізоляції кабелів визначаються конструктивними та технологічними факторами.
1.3.3 Матеріалекранів
Для вирівнюванняелектричного поля в кабелях на напругу 10 кВ поверх жили та поверх ізоляціїповинен бути накладений електропровідний екран з матеріалу, аналогічногоматеріалові ізоляції, але з електропровідними властивостями. Якщо використатирізні матеріали, в експлуатації станеться розшарування екрану та ізоляції черезрізницю в температурних коефіцієнтах розширення цих матеріалів.
В кабелях зпаперовою ізоляцією екран виготовляють з електропровідного кабельного паперу,що містить ацетиленову сажу і має питомий електричний опір 1×105––1×107 Ом×м. Товщина електропровідногокабельного паперу 120 мкм, густина 850–– 1050 кг/м3. Стрічки йогонамотуються з позитивним перекриттям.
1.3.4 Матеріалоболонки
Для захистуізоляції кабеля від дії світла, вологи, хімічно активних речовин, а також длязапобігання її механічним пошкодженням, поверх скручених разом ізольованих жилбагатожильних кабелів накладають оболонку.
Найкращими увідношенні герметичності матеріалами для оболонки є метали, у яких коефіцієнтдифузії дорівнює нулю.
Металеві оболонки виготовляють з свинцю або алюмінію.Кабелі з паперовою імпрегнованою ізоляцією виготовляють тільки з металевимиоболонками. Поверх оболонки для її захисту від корозії та механічних ушкодженьнакладають захисні покрови, що включають подушку під броню, броню, зовнішнійзахисний покров
Свинцеві оболонкивиготовляють із свинцю марки С2 та С3 (загальна кількість домішок відповідно0,05 та 0,1 %) або із свинцево-сурмянистих сплавів, що містять сурму(антимоній) в кількості до 0,8 %. Границя міцності свинцю при розтягуванні 18МПа і відносне видовження 35 %. Свинець характеризується недостатньоювібростійкістю. Заради підвищення вібростійкості в свинець вводять сурму таінші присадки. Недоліком свинцю є його велика густина, що дорівнює 11,34 кг/м3Оболонки із свинцю значно менше піддаються корозії, але при прокладанні вґрунті вони теж потребують захисних покровів, оскільки руйнівно впливають насвинець азотна кислота, вапно, блукаючий струм. Свинцеві оболонки більшпластичні ніж алюмінієві, тому при статичному вигині в них відбуваєтьсярелаксація механічної напруженості.
1.3.5 Захисні покрови
Подушка під бронюзахищає оболонку кабеля від пошкодження її сталевими стрічками та від корозії.Вона складається з концентричних слоїв з попередньо імпрегнованої кабельноїпряжі або з попередньо імпрегнованого кабельного паперу з покриттям бітумом абобітумною сумішшю по оболонці та поверх подушки.
Якщо за умови експлуатації на кабель можуть діятимеханічні зусилля, то в захисних покровах передбачають сталеву броню. Длязахисту кабеля від механічних пошкоджень при відсутності розтягуючи зусиль їхбронюють стрічками із сталі з низьким вмістом вуглецю трьох груп (ГОСТ3559–75). Плоска броня повинна мати захисне цинкове покриття, якщо кабельповерх броні не має зовнішнього захисного покрову. Ширина сталевої стрічкивибирається в межах від 20 до 60 мм в залежності від діаметру кабеля.
1.3.6 Зовнішні покрови
Зовнішня оболонкакабелю марки СБлШнгд 3´120–10 виготовляється зматеріалу Лоусгран ППО 30-32, що має низький показник виділення диму тапродуктів горіння, низький ступінь таксичності. Основні показники цьогоматеріалу наведені у таблиці 1.3.
Таблиця 1.3 – Фізико-механічні та електричні показники матеріалуЛоусгран ППО 30-32Назва показника Лоусгран ППО 30-32 Горючість методом кисневого індексу, %, не менше 32 Визначення кількості галогенводородних кислот, мг/г, не більше 100 Температура хрупкості, ºС, не вище -30 Питомий об’ємний електричний опір при 20ºС, Ом·см, не менше
5·1011 Відносне видовження при розриві, %, не менше 250 Максимальне зусилля при розтягуванні, Мпа, не менше 12 Втрати у масі при температурі 160ºС протягом 6 годин, %, не більше 2,0 Світлостійкість при 70°С, годин, не менше 2000
Густина, г/см3, не більше 1,62 Водопоглинання, %, не більше 0,4 Твердість за Шором „А”, ум. од. 82-85
Старіння при 100°С протягом 7 діб
Збереження відносного видовження при розриву, %, не менше
Збереження міцності підчас розриву, %, не менше
80
80
2 ЕЛЕКТРИЧНИЙ РОЗРАХУНОК КАБЕЛЯ СБлШнгд 3´120–10
При виготовленні будь-якого кабеля намагаютьсявитратити якомога менше матеріалів і, водночас, зберегти відповідністьхарактеристик кабеля вимогам нормативної документації. Це досягається шляхомрізних вдосконалень технології виробництва кабеля а також за рахунок збільшеннякоефіцієнту використання ізоляції.
Коефіцієнт використання ізоляції розраховують за формулою [3]:
/>, (2.9)
де Еср –– середня напруженість електричного поля.
/>
На практиці коефіцієнт використання ізоляції не перевищує 63% –– 64%. Длясуттєвого підвищення коефіцієнта використання ізоляції кабеля застосовують ідеюїї градуювання. У вітчизняній практиці кабелі з імпрегнованою бумажноюізоляцією градують у два шари, тому що діапазон густини бумаги знаходиться умежах 1200 –– 850 кг/м3, а допуск на густину бумаги становить 50кг/м3. При цьому діелектрична проникність бумаги з найбільшоюгустиною становить 4,3, а з найменшою 3,5.
3 ТЕХНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАБЕЛЯ МАРКИ
СБлШнгд 3´120–10
3.1Електричний опір жили
Електричний опіржили постійному струмові R=та лінійна залежність опору відтемператури Θ з урахуванням скручування [6]:
/>, (3.1)
/>, (3.2)
де r – питомий електричний опірметалу жили при 20 °С, для
міді цей показникдорівнює />Ом×м;
F – площапоперечного перерізу жили;
l– середня укрутка.
Електричний опіржили постійному струмові при 70 °С дорівнює:
/> Ом/м
Електричний опіржили постійному струмові при 20 °С дорівнює:
/> Ом/м
Електричний опіржили змінному струмові R~ перевищує R=, оскільки явище скін-ефекту викликає перерозподіл щільностіструму по перерізові провідника, збільшуючи її біля поверхні провідника(поверхневий ефект) та в області, що наближена до провідника із протилежнонапрямленим струмом (ефект близькості):
R~ = R=(1+уп+уб),(3.5)
де уп,уб –– величини, які враховують поверхневий ефект та ефектблизькості відповідно.
Електричний опіржили змінному струмові R~ при 70 °С дорівнює:
R~ = 0,174٠10-3 · (1 + 0,005 + 0,065) = 0,185 · 10-3 Ом/м
А електричнийопір жили змінному струмові R~ при 20 °С дорівнює:
R~ = 0,145 · 10-3 ·(1 + 0,005 + 0,06) = 0,154 · 10-3 Ом/м 3.2 Індуктивність жили
Індуктивністьжили трьохфазного кабеля з урахуванням скін-ефекту:
/>, (3.10)
де а,r –– відповідно відстань між центрами жил та радіус еквівалентноїкруглої жили;
Q(x) –– функція для врахуваннявпливу скін-ефекту на електричні параметри кабеля, яка дорівнює 0,997.
/> Гн/м
3.3 Робочаємність
Робоча ємністьтрьохфазного кабеля може бути орієнтовно знайдена, як ємність фази трьохфазноїлінії з урахуванням землі при довільному розташуванні проводів.
Робоча ємністьфази трьохфазної лінії визначається за формулою:
/>, (3.12)
де S, D–– середньо геометричні значення відстаней від центру проводу дозаземленої поверхні та до дзеркального зображення сусіднього проводу.
Робоча ємністьстановить:
/> Ф/м
3.4 Втрати енергії в кабелі
В процесі експлуатації тепло виділяється практично в усіх елементах кабелю:в жилі, в екранах, в оболонках (індукційні втрати) та інші. Залежно від конструкціїкабеля деякими з них можна знехтувати. Наприклад, втрати в металевій оболонці,яка охоплює всі три фази (кабель трьохфазного струму), знаходяться в дужеслабкому електромагнітному полі, тому що сума струмів в трьохфазній системі вбудь-який момент дорівнює нулю. Діелектричні втрати за традиційних кабельнихізоляційних матеріалів міжнародні стандарти рекомендують враховувати тільки від110 кВ.
Основними втратами є джоулеві втрати у жилах:
/>, (3.19)
де I ––допустимий струм, який дорівнює 297,4 А (формула 4.12.1);
Rж –– електричний опір жили змінному струмові при 70 °С, який дорівнює 0,185 · 10-3 Ом/м
/> Вт/м
4 ТЕПЛОВИЙ РОЗРАХУНОК КАБЕЛЯ МАРКИ СБлШнгд 3´120–10
4.1У стаціонарному режимі
Рисунок 4.1 ––Схема моделі теплового потоку у кабелі СБ 3´120–10: Θж, Θоб,Θпов, Θос – відповідно температури ізотермжили, оболонки, поверхні кабеля, оточуючого середовища
/>
Рисунок 4.2 ––Схема заміщення теплових опорів і потоків тепла: Θж, Θоб,Θос – відповідно температури жили, оболонки, оточуючогосередовища; Pж,Pоб – потужність теплового потокужили та оболонки кабеля; Sіз,Sзп,Sос – теплові опори відповідно ізоляції, захисних покровів та оточуючогосередовища;
/>
Для записурівняння теплового балансу кабеля СБлШнгд 3´120–10 скористаємося схемою заміщення,зображеною на рисунку 4.2:
/>, (4.1)
де Θж,Θос – відповідно температури жили та оточуючого середовища;
Sзп,Sос, Sіз– теплові опори відповідно захиснихпокровів, оточуючого середовища і ізоляції.
Rж = 93,06 · 10-6 – опіржили при температурі Θж, Ом/м.
Тоді допустимий струм навантаження:
/>, (4.2)
Тепловий опірізоляції розраховуємо за формулою:
/>, (4.3)
де Sізmin –– мінімальний тепловий опірізоляції;
Sізmax –– максимальний тепловийопір ізоляції,
/>, (4.4)
де σіз=7– питомий тепловий опір ізоляції, />;
dж =27,61 – діаметр жили, мм;
dіз – діаметр по ізоляції, мм:
/> (4.5)
де Δпе=0,12– товщина екрану, мм;
Δф= 2,75 – товщина фазної ізоляції, мм;
Δп= 1,25 – товщина поясної ізоляції, мм;
Тепловий опірізоляції дорівнює:
dіз = 27,61+ 2 ·2,75 + 2 · 1,25+ 2 · 0,12 = 35,85 мм
/>/>
Sізmaxрозраховують за формулою:
/> , (4.6)
де R –– радіус жили, який дорівнює 13,805 мм
/>/>
Тому тепловийопір ізоляції дорівнює:
/> />
Тепловий опіроточуючого середовища за умови прокладання кабеля в ґрунті розраховуємо заформулою:
/>, (4.7)
де σос=1,2– питомий тепловий опір оточуючого середовища, />;
L=800 – глибина прокладання кабеля уґрунті, мм;
D=49,71– діаметр готового кабеля,мм.
Тепловий опір оточуючого середовищадорівнює:
/>
Тепловий опірзахисних покровів визначають за формулою:
/>, (4.8)
де σзп– питомий тепловий опір захисних покривів, який дорівнює 3 />;
Δз– товщина захисних покривів, яка складається з товщини подушки під броню Δпб= 1,9 мм,товщини броні Δб = 1 мм та товщини зовнішньогозахисного покрова Δзп = 2,4 мм;
rоб–радіус по оболонці, який дорівнює
rоб = R+ Δф + Δп+ Δе + Δоб (4.9)
rоб = 13,805 + 2,75 + 1,25 + 0,12 + 1,61 =19,535 мм
Тому тепловий опір захисних покровів дорівнює:
/> />
Тоді допустимийструм навантаження дорівнює:
/> А (4.10)
За даними [2] допустимий струм не повинен перевищувати460 А. Розрахований струм задовольняє такій потребі.
Температуруповерхні кабеля розраховують за формулою:
/> (4.11)
/> °С
Досить висока температура поверхні кабеля свідчить проте, що в режимі роботи, близького до номінального навколишній грунт поступовопідсихатиме. За цим зростатиме його тепловий опір, що може призвести до перегріванняізоляції.
Сучасні міжнародні стандарти [1] рекомендуютьвраховувати підсихання грунту при визначенні гранично допустимого струму:
/>,
де ν –– відношення теплових опорівсухої та вологої зон грунту (ν = σс/σω);
Rж –– опір жилизмінному струмові при максимальній робочій температурі (Ом/м);
Θx –– гранична температура грунту та температураграниці між сухою та вологою зонами (°С);
ΔΘx–– граничнарізниця температур землі. Це різниця температур границі між вологою та сухою зонами і вказаною температурою оточуючого грунту, (К);
Розрахункиза наведеним співвідношенням можуть бути виконані, якщо є відомості про σстаσω і про ширину dz cухої зони довкола кабеля, причому, по-перше, σс,σω, dz, І, Θx, євзаємопов’язанами величинами,по-друге доступними є лише відомості про σстаσω,а значить в задачі про розрахунок допустимого струму в умовах висихання грунтупри невідомих, для визначення яких можна скласти лише два рівняння, –– наоснові вищевказаного співвідношення та для різниці температур між сухою зоноюта оточуючим середовищем за загальною формулою для теплового опору грунту.
/>/>, (4.12)
/>, (4.13)
де
Θ1, Θ2,Θх –– температури жили, грунту, умовної ізотерми міжсухою та вологою зонами;
L, rk, dz –– глибинапрокладання, радіус кабеля, ширина cухої зони довкола кабеля;
ν –– відношення теплових опорів сухої та вологої зон грунту (ν =σс/σω), обране незалежноюзмінною;
Θх, І –– змінні, що визначаються рішенням системи.
Розрахункиза (4.13)-(4.15) свiдчать, що при пiдсиханнiгрунту i вiдповiдному збiльшеннi питомоготеплового опору з 0,8ºС٠м/Вт до 3,2 ºС٠м/Вт гранично допустимийструм зменшуеться на 3-4%, тобто становить не менше 300А.
4.2У нестаціонарному режимі
Модель нагріваннякабеля базується на рівнянні теплового балансу, згідно з яким тепло, щовиділяється в жилі кабеля йде на нагрівання самого кабеля та відводиться внавколишнє середовище:
/>, (4.14)
де P – потужність тепловиділення вкабелі;
С – теплоємність кабеля;
τ – поточний перегрів кабелявідносно температури оточуючого середовища;
S – тепловий опір оточуючогосередовища.
Рішення диференційногорівняння теплового балансу відносно поточного перегріву кабеля, що маєтемпературу довкілля таке:
При t= 0, τ = 0:
/>, (4.15)
де τmax = Θж – Θос –максимальний перегрів кабеля;
де Θж,Θос – відповідно температури жили та оточуючогосередовища;
β – стала нагріву кабеля.
Cтала нагрівукабеля розраховується за формулою:
β = Сеф·Sіз, (4.16)
де Sіз –– тепловий опір ізоляції,який дорівнює 0,285 />;
Сеф–– ефективнатеплоємність кабеля, яка розраховується за формулою:
/>, (4.17)
де Сж,Сіз, СS –– відповідно теплоємності жили,ізоляції без межижильних проміжків та ізоляції з межижильними проміжкамивідповідно;
k–– коефіцієнт, пов’язаний з тим, що температура захиснихпокривів приблизно вдвічі менша за температуру жили, тому k дорівнює 0,5.
Теплоємністьжили:
Сж= Сm· 3·F, (4.18)
де Сm –– питома теплоємність міді,яка дорівнює 3,344 /> ;F –– площа перерізу матеріалу, яка дорівнює 120 мм2.
Сж = 3,344 · 120·3 = 1,203 · 103/>
Теплоємність ізоляціїз межижильними проміжками:
/>, (4.19)
де Сm –– питома теплоємністьпаперової імпрегнованої ізоляції, яка дорівнює 1715 /> ;
dk –– зовнішній діаметр кабеля,який дорівнює 49,71 мм.
/>/>,
Теплоємністьізоляції без межижильних проміжків:
/>, (4.20)
де
Dф, Dп, Dоб –– товщини фазної, поясноїізоляції та оболонки відповідно.
/>/>
Ефективна теплоємність кабеля дорівнює:
/>/>
Стала нагрівання кабелю дорівнює:
/>хв
Рішеннядиференційного рівняння теплового балансу відносно поточного перегріву привключенні попередньо нагрітого кабеля таке:
при t= 0, τ = τ1:
/> (4.21)
За умови, що якщо поточний перегрів не перевищує максимально допустимийможливе перевантаження кабеля. Величина допустимого перевантаження залежить відчасу протікання струму перевантаження.
Таблиця 4.1 – Допустимі аварійні перевантаження кабельних ліній на напругу до 10 кВКоефіцієнт завантаження в нормальному режимі
Вид
прокладання Коефіцієнт допустимого перевантаження при тривалості максимуму, годин 1 2 3 0,6 В повітрі 1,35 1,25 1,25 В трубах (землі) 1,30 1,20 1,15 0,8 В повітрі 1,30 1,25 1,25 В трубах (землі) 1,20 1,15 1,10
/>Залежність відношення допустимого струму дономінального від часу протікання струму наведена на рисунку 4.4
t, хв
I/IН />
Рисунок 4.4 –– Залежністьвідношення допустимого струму до номінального від часу протікання струму,значення характерних точок: I1/Iн= 0,25; I2/Iн = 0,75; I3/Iн= 1,2; I4/Iн= 0,6; I5/Iн= 1,1; I6/Iн= 1,45; I7/Iн= 0,6; I8/Iн= 0,2; t1 = 10 хв; t2 = 20 хв;t3 = 25 хв; t4 = 31 хв;t5 = 35 хв; t6 = 42 хв;t7 = 53 хв; t8 = 59 хв
1) Перегрів в кінці першогоучастку:
/>, (4.22)
де tmax1 = (I1/Iн)2 × tmaxн, (4.23)
tmaxн залежить від матеріалу ізоляції, тобто від граничної температури для даноговиду ізоляції;
tmaxн= Qдоп — Qос, (4.24)
де Qдоп –– максимально допустима температура ізоляції, якадля паперової імпрегнованої ізоляції на напругу 10 кВ дорівнює 70°С;
Qос–– характернатемпература навколишнього середовища, в даному разі для грунту дорівнює 15°С.
tmaxн = 70 – 15 = 55°С
Тоді
/>, (4.25)
/>°С
Температура кабеля в кінці першого участку: 1,06 + 15=16,06°С.
2) Перегрів в кінці другогоучастку:
/>, (4.26)
/>°С
Температура кабеля в кінці другого участку: 10,3 +16,06 = 26,37.
3) Перегрів в кінці третьогоучастку:
/>, (4.27)
/>°С
Температура кабеля в кінці третього участку: 26,37 +17,12 = 43,49°С.
4) Перегрів в кінцічетвертого участку:
/>, (4.28)
/>°С
Температура кабеля в кінці четвертого участку: 43,49 +27,42 = 70,91°С.
5) Перегрів в кінці п’ятогоучастку:
/>, (4.29)
/>°С
Температура кабеля в кінці п’ятогоучастку: 70,91 + 32,81 = 103,72°С.
В заданомунестаціонарному режимі навантаження кабеля температура поверхні кабеля вже вкінці п’ятого участку становить 103,72°С імає тенденцію до збільшення. Таку температуру ізоляція не витримає. Тому требазменшити кратність допустимого струму до номінального.
5 ТЕХНОЛОГІЧНИЙПРОЦЕС ВИГОТОВЛЕННЯ КАБЕЛЯСБлШнгд 3´120–10
5.1Виготовлення струмопровідних жил
Загальна схемавиготовлення струмопровідних жил наведена на рисунку 5.1.
/>/>Рисунок 5.1 –Схема технологічного процесу виготовлення струмопровідних жил
5.2 Ізолюванняструмопровідних жил
Використовують два основних способи ізолювання:обмотка стрічками та пресування. Перший спосіб досить трудомісткий і зумовлюєнеобхідність сушіння та імпрегнування ізоляції, але він забезпечує шаруватуструктуру ізоляції.
Загальна схемаізолювання наведена на рисунку 5.2.
/>
на сушіння таімпрегнування
Загальна схема сушіння та імпрегнування ізоляціїпредставлена на рисунку 5.4.
/>
на накладанняоболонкиРисунок5.4 – Схема технологічного процесу сушіння та імпрегнування ізоляції
5.3 Накладаннязахисних покривів
Схема технологічного процесу накладання оболонки тазахисних покровів наведена на рисунку 5.6.
/>
Рисунок 5.6 – Схема технологічного процесунакладання оболонки та захисних покровів
6 ОБЛАСТІЗАСТОСУВАННЯ КАБЕЛЯ
Силовий кабель СБлШнгд 3×120-10 призначений дляпрокладання у каналах, тунелях, шахтах, приміщеннях та пожаронебезпечних зонах,за умов прокладання, що передбачають незначні механічні зусилля та непередбачають розтягуючих.
Матеріалзовньошного покрову Лоусгран ППО 30-32 забезпечує даній конструкції у випадкупожежі можливість не поширювати горіння, а також низьке виділення диму тапродуктів горіння, малий ступінь таксичності надають змогу прокладання даногокабеля у місцях з масовим перебуванням людей: атомні електростанції, тепло- тагідроелектростанції, метрополітени, висотні будівлі, промислові споруди,складські приміщення.
7 ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНИЙ РОЗРАХУНОК
Таблиця 5.1 — КалькуляціясобівартостіСтатті витрат Витрати, грн. 1. Сировина та матеріали 178000 2. Основна заробітна плата 8900 3. Додаткова заробітна плата 890 4.Відрахування на соціальне страхування 3887 5. Витрати на утримання та експлуатацію обладнання 26700 6. Загальновиробничі витрати 13350 7. Інші витрати 890 8. Виробнича собівартість 232617 9. Адміністративні витрати 8900 10. Витрати на реалізацію 6979 11. Прибуток 372744 12. Ціна виробництва 605361 13. ПДВ 121072 14. Ціна продажу 726433
Одним з основних результатів техніко-економічного розрахунку єрозрахункове значення строку окупаємості, що становить 5 років. Одержанезначення менше за номінальне Токн = 6,7 років. Тому розробка проектує ефективною.
ВИСНОВОК
Кабель марки СБлШнгд 3×120 – 10 призначений для прокладання у каналах, тунелях, шахтах,приміщеннях, в пожаронебезпечних зонах, в умовахпрокладання, що передбачають незначні механічні навантаження (розтяжні зусилляу процесі експлуатації) і захищений сталевоюбронею. Даний кабель, що випускає завод «ПІВДЕНКАБЕЛЬ», використовують дляпередачі й розподілу електричної енергії змінного струму частотою 50 Гц у мережах з будь-яким режимомроботи нейтралі при стаціонарній прокладці. Він може бути використаний у мережах постійної напруги. Кабель виготовляють із мідними багатопроволочними жилами перетином 120 мм2кожна. У даному кабелі жили ізольовані паперовою ізоляцією, скручені всердечник, поверх якого накладена поясна ізоляція з матеріалу, аналогічного ізоляції жил. У кабелю СБлШнгд 3×120-10поверх поясної ізоляції є электропровіднийекран. Паперова ізоляція імпрегнована кабельним компаундом. У даному кабелі з паперовою ізоляцією є герметизуюча оболонка зі свинцю. Матеріал зовнішнього покрову ЛоусгранППО 30-32 забезпечує даній конструкції у випадку пожежі можливість непоширювати горіння, а також низьке виділення диму та продуктів горіння, крімтого малий ступінь таксичності надає змогу прокладання даного кабеля у місцях змасовим перебуванням людей.
Питоме числовідмов кабелів з паперовою імпрегнованою ізоляцією є стабільним: параметрпотоку відмов становить у середньому 1.1 – 1.2 рік-1 на 100 кмкабелю протягом близько 20 років. Відповідно середній наробіток на відмову дляліній довжиною 5 — 10 км, прокладених кабелями з паперовою імпрегнованоюізоляцією, становить 20 — 10 років.
Таким чином, кабеліна напругу 10 кв із паперовою імпрегнованою ізоляцією продовжують залишатисянадійною та найбільш поширеною конструкцією серед силових кабелів низької тасередньої напруги. Не менш важливою є також економічна складова застосуванняцих кабелів, тому що вони мають нижчу собівартість, ніж кабелі з ізоляцією іззшитого поліетилену.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Карпушенко В.П., Щебенюк Л.А., Антонець Ю.А.,Науменко О.А. Силовi кабелi низькоi та середньоi напруги. Конструювання, технеологiя, якiсть: Пiдручник.Х.: Регiон-iнформ, 2000.-376с.
2. Белорусов Н.И., Саакян А.Е., Яковлева А.И. Электрическиекабели провода и шнуры: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1988. – 536 с.
3. Привезенцев В.А., Гроднев И.И., Холодный С.Д., РязановИ.Б. Основы кабельной техники: Учеб. пособие для вузов. М.: «Энергия»,1975. –472 с.
4. Пешков И.Б., Каменский М.К. Огнестойкие инераспространяющие горения кабели и провода. Электрические материалы,электрические конденсаторы, провода и кабели. М.:1987. №13. – с.1-96.
5. Пешков И.Б., Мещанов Г.И., Каменский М.К. Современноесостояние и основные тенденции развития силовых кабелей. Кабельная техника,1997, №12, 13. С. 25-28.
6. Лизунов Л.И., Соколова Р.С. Конструирование и расчетсиловых кабелей. Учебное пособие Харьковского политехнического института.Харьков, 1973.–122 с.
7. А.С.Брискер, А.Д. Руга, Д.Л. Шарле Городские телефонныекабели: Справочник, 3-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1991. -208с.