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

3-го курса группы ТЭП-31С

Исходные данные:

1.количество жил: 3+2 секторного сечения.

2.материал токоведущих жил: алюминий.

3.материал изоляции жилы: полиэтилен.

4.материал заполнения пространства между жилами: нити из резины

5.материал поясной изоляции (оболочки): из самозатухающего (неподдерживающего горения) и вулканизированного полиэтилена.

6.экран: нет

7.материал подушки: нет.

8.броня: стальные ленты.

9.наружный покров: шланг ПВХ.

10.расчетное напряжение:50кВ.

11.максимальная мощность, передаваемая по кабелю: 5 ГВт.

Содержание электрический кабель сопротивление токоведущий Введение

1. Расчет конструктивных элементов кабеля

1.1 Расчет площади сечения и формы токоведущей жилы

1.2 Расчет толщины изоляции. Расчет зависимости напряженности электрического поля в толще изоляционного слоя

1.3 Защитные покровы

2. Расчет электрических параметров кабеля

2.1 Расчет сопротивления токоведущей жилы постоянному и переменному току

2.2 Расчет диэлектрических потерь в изоляции, сопротивления изоляции, электрической емкости кабеля, индуктивности жилы при замкнутых оболочках на землю

3. Тепловой расчет кабеля

3.1 Расчет тепловых сопротивлений конструктивных элементов и окружающей среды

3.2 Расчет допустимого тока нагрузки и передаваемой по кабелю мощности

4. 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:

1. Токопроводящая жила,

2. Изоляция токопроводящей жилы,

3. Оболочка.

Кроме того, в конструкцию силового кабеля могут входить следующие элементы :

1. экран,

2. поясная изоляция,

3. подушки под броню,

4. броня,

5. заполнитель.

В качестве материала токопроводящих жил обычно используют алюминий или медь.

По типу изоляции силовой кабель разделяется на виды:

1. пропитанная бумажная изоляция,

2. полимерная изоляция,

3. 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:

1. 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:

1. расчет конструктивных элементов кабеля;

2. расчет электрических параметров кабеля;

3. тепловой расчет кабеля;

4. расчет массы кабеля.

1.Расчет конструктивных элементов кабеля

1.1 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;

U — напряжение — 50кВ.

I =20 кА;

Определяем переменный ток кабеля :

I= ;

I =11,56 кА;

Определяем площадь сечения жилы секторной формы по формуле:

S=

где: qAl — проводимость алюминия 8 А/мм2;

I-ток жилы 100 000А .

S==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; в — угол сектора, (при 5 секторах в==0,4)

Тогда:

R===63; с учетом коэффициента 1,02 получим:

R=64 см

1.2 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 53 000 В/мм. Напряжение линии 50 000 В. Для расчета толщины изоляции составим пропорцию:

53 000/1=50 000/х мм.

Принимаем толщину изоляции 15 мм.

1.3 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

3. При повышенной температуре ПВХ горит, но не поддерживает горения.

Согласно рекомендациям я принял толщину ПВХ изоляции равной 15 мм.

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 16 336–70. 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)

JI прлента, 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 0,3 мм, диаметром от 13до50мм- 0, 5 мм и диаметром выше 50мм — 0,8 мм. В зарубежной практике применяют также ленты толщиной 1,0 мм. 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

2.1 Расчет сопротивления токоведущей жилы постоянному и переменному току Находим сопротивление жилы :

Rж=(1+б где :

б — коэффициент повышения сопротивления в зависимости от температуры — 0,403 К-1;

с-сопротивление алюминия 0,027 мк0м*м ;

S-сечение жилы 500 мм²;

L-длинна жилы 1 м;

Тж-согласно рекомендациям принимаю 90 °C.

Rж=(90−20))=0,276 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, 1 мм.

Rп=Rж=0,276 Ом.

Сопротивление проводника переменному току будет больше.

2.2 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 е, е0 — величины проницаемости среды, е=2,3; е0=8,85−12 ф/м;

С===27,7

Определим электроёмкость:

ХС===5,7 Ом.

Определим емкостной ток утечки:

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 ;

D2-диаметр жилы 64 мм ;

D1 — диаметр брони 85 мм ;

м — 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:

Д Р= Д Ра+ Д Ре+ Д Рт;

где :

Д Раактивное сопротивление ;

Д Реемкостное сопротивление ;

Д Ртэнергия затрачиваемая на перемагничивание брони .

Д Ра =R==1104 Вт;

Д Ре= UI с=50 000=4350 Вт;

Д Рт===70 336 Вт;

ДРУ=1104+4350+70 336=75790=75,454 кВт;

Потери составят е=0,757%.

3. Тепловой расчет кабеля

3.1 Расчет тепловых сопротивлений токоведущей жилы постоянному и переменному току Тепло, выделяемое на проводнике, равно потерям ДРа= 1104 Вт. Это тепло необходимо рассеять в пространство. Максимальный тепловой поток определим по формуле:

W=

где температура жилы, согласно рекомендациям принимаем 90 °C;

— температура окружающей среды, принимаем 20 °C;

S-общее удельное сопротивление оболочек кабеля.

S=S1+S2+S3+S4+S5,

S1-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

S2-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 :

S2=0,352=0,007 См*м/Вт

S3 — броня из стальных лент, ее удельное тепловое сопротивление -0,123°Смм и в связи с тем, что толщина брони 2 мм то удельное тепловое сопротивление нужно умножить на толщину брони :

S3= 0,123 2= 0,246 См*м/Вт;

S4 — 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 Д Ра=1104 Вт; Условия рассеивания выполняются.

3.2 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;

с-проводимость алюминия — 8 А/мм

Imax==500; количество жил — 5, суммарный ток 20 кА.

Теплота, выделяемая в кабеле:

Д Рамакс=Rжп==1104;

В то время как W=1167; Определим максимальный ток по выполнению условия рассеивания:=1167/0,276=(20 566)2; Imax=20,56 кА;

Тогда максимальная передающая мощность составит:

Рмакс=50 000

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 ;

3. Мпэ-масса 1 метра поясной изоляции кабеля из самозатухающего и вулканизированного полиэтилена ;

4. Мс т-масса1метра брони кабеля из стальных лент ;

5. Мкп — масса 1 метра наружного покрова кабеля из ПВХ шланга .

Масса находиться произведением объема на плотность. Плотности веществ:

1. уАл=2698,9 кг/м3; уПВХ=1200 кг/м3;

2. уПЭ=960 кг/м3; уСт=7700 кг/м3;

М ж==1,3493 кг; - масса жилы;

МпВх=1200-)/4=0,295 кг — масса изоляции;

Мпэ=9603,14)/4=0,2445 кг — масса поясной изоляции;

Мс=3,14)/4=38,5 кг — масса стали;

Мкп=120 018,3 кг — масса наружного покрова кабеля из ПВХ шланга.

Таким образом, масса 1 метра кабеля составит:

М=1,349 366,195 кг.

1. Пешков И. Б. Кабели и провода. Издательство Энергоатомиздат, 2009 г .

2. Бачелис Д. С. Электрические кабели, провода и шнуры (справочник). Под общ.ред. Н. И. Белорусова. Изд.3-е, прераб.М., «Энергия», 1971 г.

3. Белорусов Н. И. Электрические кабели и провода (теоретические основы кабелей и проводов, их расчет и конструкции), М., «Энергия», 1971 г .