Россия выстроит собственную навигационную систему 6 глава

Определение характеристик кабелей.

Судовые кабели рассчитаны на работу в интервале темпера­тур окружающей среды от -40 до + 45°С (при неподвижной про­кладке) и от -30 по +45°С (при работе с подвижными токопри­емниками), а также при влажности 100% и температуре 35°С. Кабели до­лжны обладать стойкостью к воздействию вибрационных и ударных нагрузок и не распространять горения (не более I мин).

Допустимый нагрев кабелей под воздействием токовой на­грузки и темпера­туре t^о окружающей среды определяется теплостойкостью применяемых электроизо­ляционных и шланговых материалов показан в табл. 7.1.

Таблица 7.1.

Температура, °С
Материал изоляции	резина	полиэтилен	Сшитый полиэтилен, кремнийорганическая резина
Оболочки	Резина, поливинилхлорид	Поливинилхлорид

Ресурс кабелей различных марок при эксплуатации в диа­па­зоне рабочих темпе­ратур колеблется от 50 по 100 тыс. ча­сов, срок службы составляет от 12 до 25 лет.

Прокладка кабелей допускается при температуре не ниже - 15°С. Изгиб кабелей при монтаже, а также в процессе его экс­плуатации в зависимости от особенностей конкретной конст­рук­ции допускается с радиусом не менее 5-10 наружных диамет­ров кабеля. При выборе типа кабелей и их сечения необходимо знать как электриче­ские, так и тепловые характеристики.

Кабели, применяемые на судах, как правило, рассчитаны на номиналь­ное напряжение 690В переменного и 1100В по­стоянного тока. Однако, в ряде случаев, (например, в системах электродвижения) могут использо­ваться и высоковольтные кабели на напряжение 3,3; 6,6 и 10 кВ. Силовые кабели рассчитаны на эксплуатацию при частоте пере­менного тока до 400 Гц, а частотный диапазон кабелей контроля и управле­ния может достигать 200 кГц. Элек­трическое сопротивление токопроводящей жилы кабеля постоянному току определяется:

где: = 0,01757 - удельное электрическое сопротивление для меди при t^о = +20°С; l– длина токопроводящей жилы, м; S – поперечное сечение жилы, мм².

При температуре нагрева токопроводящей жилы, отличной от t^о = +20°С, ее электрическое сопротивление постоянному току может быть опре­делено из равенства:

, Ом

где: - температурный коэффициент электрического сопро­тивления для меди = 0,004 на 1°С.

При переменном токе вследствие изменяющегося электромагнитного поля, сопротивле­ние токопроводящих жил кабеля увеличивается, что обусловлено поверхностным эффектом и эффектом близости.

 

 

Рис.7.2. Отношение активного сопротивления жил кабеля на различных частотах к сопротивлению постоянному току при различных сечениях

 

Изменение отношения ак­тивного сопро­тивления медных скрученных токопроводящих жил кабелей на пе­ре­менном токе к сопротивлению на постоянном токе, вследствие этого, в зависимо­сти от величины сече­ния показано на рис.7.2.

При частоте тока 50 Гц сопротивление токопроводящих жил кабеля возрастает, если сечение превышает 240 мм².

Индуктивность цепи характеризуется отношением потока к току, создающему этот поток. Индуктивность двухжильного ка­беля определяется на основании пара­метров, показанных на рис. 7.3.

 

Рис.7.3. Основные параметры, используемые при расчете кабеля

При этом для неэкранированного кабеля используется фор­мула:

а для экранированного - формула:

 

С возрастанием частоты передаваемого тока индуктивность увеличивается. Ин­дуктивность каждой жилы трехжильного кабеля или трёх одножильных кабелей, расположенные в вершинах равно­стороннего треугольника, определяется аналогичным образом.

В случае расположения трех одножильных кабелей в одной плоскости индуктивность среднего кабеля определяется по фор­муле для неэкранированного кабеля. В этом случае в качестве следует принимать расстояние между осями двух соседних кабе­лей. Индуктивность крайних кабелей определяется по формуле:

где r – радиус жилы, i_a., i_c- сила тока в крайних проводах А и С.

В трёхжильном кабеле в каждый момент времени сумма вели­чин тока во всех жилах равна нулю, и результирующий магнитный поток в окружа­ющем их пространстве (на некотором удалении от них) практически тоже равен нулю. Индуктивное сопротивление жилы кабеля рассчитывается по формуле:

Ёмкость одножильных экранированных жил, включая и радиочастотные, относительно экранной оболочки будет равна:

R - радиус кабеля; - диэлектрическая проницаемость мате­риала изоляции.

Ёмкость, одной жилы двухжильного кабеля в общей ме­таллической оболочке определяется по зависимости:

а емкость между жилами трехжильного кабеля - по формуле:

Под действием проходящего по кабелю электрического тока выделяется тепло­вая энергия. Основными источниками тепла в кабеле являются потери в токопрово­дящих жилах, а также в изо­ляции и металлических оболочках одножильных кабелей, исполь­зуемых в системах переменного тока.

Мощность тепловых потерь в токопроводящих жилах в расчёте на 1м длины ка­беля будет определяться выражением:

где: n -число токопроводящих жил кабеля; I -ток нагрузки, А; R -омическое (на постоянном токе) или активное (на пере­менном токе) электрическое сопротивление токопроводящей жилы.

Тепловые потери в изоляции рассчитываются по формуле:

где: - угловая частота; С- емкость кабеля ; U -фазное напряжение; -угол потерь.

Мощность электрических потерь в изоляции при достаточно высоких (десятки киловольт) напряжениях, а также при высоких частотах передаваемого тока становится соизмеримой с Рж. При рассмотрении тепловых режимов в низкочастотных судовых кабе­лях величина Р_из не учитывается.

Тепловые потери в металлических оболочках одножильных ка­белей, используе­мых для передачи электроэнергии переменного тока, обусловлены индуктированной ЭДС и появлением уравни­тельных токов. Эти потери зависят как от взаимного рас­положе­ния кабелей, так и от расстояния между ними. При пропускании тока проис­ходит нагрев кабеля и, следовательно, изменение его температуры Θ. Соответст­вующие зависи­мости приведены на рис.7.4.

 

Рис.7.4. Изменение температуры кабеля при нагревании во вре­мени

1 - начальное повышение температуры;

2 - перепад температуры между токопроводящей жилой и окружающей средой;

3 - теплоотдача в окружающую среду.

Установившийся тепловой режим θ=θmax наступает тогда, ко­гда количество те­пла, выявляемого в кабеле, будет равно коли­честву тепла, отводимого с его поверх­ности. Тепловые процессы в кабелях можно рассчитывать, пользуясь аналогией ме­жду элек­трическими и тепловыми полями.

Так для электрической цепи справедлива формула:

(закон Ома)

где: S- сечение кабеля; - его удельное сопротивление, r – электрическое сопротивление. Теп­ловое поле рассчитыва­ется по зависимости:

(тепловой закон Ома)

где: - удельное тепловое сопротивление; А - поперечное се­чение кабеля,

s – тепловое сопротивление.

За единицу теплового сопротивления принимается тепловой Ом, при котором ламинарный тепловой поток мощностью I Вт соз­даёт перепад температуры в направлении силовых линий равный 1°С.

Тепловой закон Ома распространяется и на отдельные уча­стки кабеля, через ко­торые проходит этот поток.

Тепловое сопротивление кабеля может быть выражено в виде суммы теплового сопротивления изоляции Sиз теплового сопро­тивления оболочки Sоб и теплового сопротивления поверхности S_п:

Sк = Sиз + Sоб + S_п

При определении тепловых сопротивлений кабелей различной конструкции ис­пользуется три основных метода:

- аналитический, который сводится к решению уравнений Ла­пласа на плоскости;

- графический, сущность которого заключается в построении картины теплового поля по общему методу построения потенци­альных полей и в вычислении тепловой проводимости кабеля как суммы проводимостей отдельных силовых трубок тепло­вого поля;

- изучение поля на моделях.

В соответствии с тепловым законом Ома в установившемся теп­ловом режиме нагрузки перепад температуры между токопрово­дящей жилой и окружающей средой определяется формулой:

где: , S – тепловое сопротивление.

Если вместо подставить значение для дан­ного класса используемых в кабеле изоляционных материа­лов, то можно определить номиналь­ный ток кабеля:

отсюда

С целью снижения габаритов кабельных трасс на судах в ос­новном применяется групповая прокладка кабелей (рядами, пуч­ками). При этом имеет место взаимное те­пловое влияние кабелей и уменьшается поверхность теплоотдачи в окружающую среду. Для того чтобы избежать перегрева кабелей, токовые нагрузки в них должны быть существенно ниже, чем при одиночной про­кладке. Нагрузки устанавливают исходя из условий:

Таким образом, номинальный ток кабеля при одиночной и груп­повой прокладках определяется главным образом допустимой тем­пера­турой нагрева его изоляционных материалов и величиной теп­ло­вого сопротивления. Следует иметь в виду, что изоляцион­ные и шланговые материалы кабеля при нагреве также снижают свои физико-механические характеристики. Процесс разрушения (теплового старения) развивается постепенно по мере проник­новения кислорода вглубь слоя изоляции, он сопровождается по­явлением трещин и увеличением хрупкости материа­лов. Исследованиями установлено, что увеличение температуры на­грева на 10-15°С снижает его ресурс приблизи­тельно в 2 раза.

Установившаяся температура нагрева кабеля (или группы ка­белей) рассчитыва­ется по формуле:

,

если к началу кратковременного режима температура, ка­беля (или группы) была равна температуре окружающей среды, и по формуле:

,

если кабель (или группа кабелей) к началу режима имел пре­вышение температуры над окружающей средой равное . В этих вы­ражениях Т - постоянная времени нагрева кабеля (или группы кабелей). К концу режима работы под нагрузкой нагрев кабелей должен достигнуть температуры, предельно допустимой для изоля­ции данного типа, в связи с чем ток нагрузки I_к мо­жет достигнуть значения, определяемого выражением:

 

где: Iн - номинальный ток нагрузки.

При повторно-кратковременной нагрузке периоды работы чере­дуются с кратко­временными паузами. Однако к концу периода ра­боты температура нагрева кабеля не успевает постигнуть уста­новив­шегося значения, а к концу паузы не успевает охла­диться по температуры окружающей среды. В этом режиме нагрузки пре­дельно допустимый ток определяется из зависимости:

 

 

где: t1 – длительность периода нагрева; t2 - длитель­ность периода охлаждения.

 

7.1.1. Характеристика кабелей и кабельных сетей

Падение напряжения определяют как произведение тока, про­текаю­щего по кабелю, на электрическое сопротивление его токо­прово­дящих жил. Потерей напряжения называется арифметическая раз­ность значений напряжение в начале и в конце кабеля (соот­ветственно у источника и потребителя). Схема замещения и векторная диаграмма представлены на рис.7.5.

При постоянном токе падение напряжения и потеря напряжения равны между собой. При переменном токе падение напряжения равно геометрической разно­сти векторов напряжения в начале и в конце отрезка кабеля и не равно потере напряжения.

Потеря напряжения выражается отрезком ad, представляю­щими арифметическую разность векторов V1 и V2, а падение на­пряжения – отрезком aе, являю­щимся их геометрической разно­стью. Из векторной диаграммы следует:

 

где: l – длина кабеля; R – электрическое сопротивление токопроводящих жил на единицу длины.

Для трехфазной сети получаем равенство:

где: - индуктивное сопротивление кабеля на единицу длины.

 

 

Рис.7.5. Схема замещения и векторная диаграмма

а) схема замещения кабеля, включенного на зажимы однофазного источника и потребителя; б) векторная диаграмма напряжений на от­дельных участ­ках схемы.

При определении потерь напряжения в судовых кабельных сетях с f =50 Гц реактивным сопротивлением кабелей можно пре­небречь, так как оно значительно меньше активного. С ростом частоты увеличивается как активное, так и индуктивное сопро­тивления токопроводящих жил.

Так при f=400 Гц активное сопротивление кабеля 3х70мм² по сравнению c f=50Гц возрастает на 13%, а XL- в 8 раз. При этом Xl и R в большинстве случаев становится соизмеримыми. При f =400Гц для кабеля 3х70мм², cos = 0,7, реактивная составляю­щая потери напряжения может постигать 67% полного значения, а для кабелей 3х240 мм² – 75%. С изменением сечения от 0,75 мм² до 400мм² R уменьшается в 575 раз, тогда как XL -в 1,6 раза.

По этой причине существенно снизить потери напряжения в трассе путем применения кабелей большего сечения не уда­ётся. Эффективным методом снижения потерь является дробление сече­ния. Действительно, если заменить один кабель 3х70мм² двумя 3х35мм², то сопротивление трассы практические не изменится, а реактивное уменьшится почти в 2 раза. Соответственно умень­шится и реактивная составляющая потери напряжения.

 

7.1.2. Монтаж кабелей

Под монтажом кабелей понимают такие технологические про­цессы, как прокладка, разводка, разделка и ввод кабеля в электрооборудование.

Прокладка кабеля включает затяжку магистрального и мест­ного кабеля, а также укладку и крепление их по трассам от од­ного прибора до другого. При этом магист­ральными принято на­зывать кабели, проходящие через одну или более водогазоне­про­ни­цаемых переборок или палуб. Местными называются кабели, не выходящие за пределы по­мещений, ограниченных водогазонепроницаемыми переборками.

Разводка, кабеля включает укладку и крепление его непо­средственно у электро­обо­рудования. Прокладке кабеля предшест­вует определение его длины, которое вы­полня­ется в основном на головном и уточняется, как правило, на первых серийных зака­зах.

Способы разводки кабелей и условия их примене­ния показаны в табл.7.2.

Таблица.7.2. Способы разводки кабелей и условия их примене­ния.

Способ разводки	Условия применения
Открытым веером	Отверстия для ввода кабелей должны быть расположены с одной стороны корпуса и именно с той стороны, с которой подходят кабели
Скрытым веером	Отверстия для ввода кабелей должны быть, расположены с одной стороны корпуса, кабели должны проходить под электрооборудованием
Открытая по периметру	Для одиночно установленного электрооборудования, в корпусе которого отверстия для ввода кабелей расположены с двух или четырёх сторон
Скрытая по периметру на индивидуальных конструкциях	Для разводки небольших пучков кабелей при тесном расположении электрооборудования и отсутствии свободного места для открытой разводки.
Скрытая по периметру на монтажной решетке	Для разводки больших пучков кабелей при тесном расположении электрооборудования и при невозможности подвести кабели к сальникам без образования большого числа перекрещивания.
Комбинированная	Для разводки нескольким пучков кабелей, подходящих с разных сторон: для одной части кабелей используется разводка открытым веером, а для другой открытая разводка по периметру на монтажной решётке или любой другой удобный способ.
Групповой	Для разводки кабелей около группы установленных в непосредственной близости друг от друга приборов (способ применяется главным образом для кабелей, идущих к приборам проводной связи, установленным на общей конструкции)
Разводка внешнего запаса длины кабеля	Для разводки около осветительной арматуры, где необходимо оставлять внешний запас для обеспечения двух - трёх перезарядок (запас кабелей может крепиться к держателю арматуры скобами)

Заготовительная длина кабеля определяется как суммарная длина трассы, по кото­рой проходит кабель, с учетом изгибов у переборок, палуб и оборудования, в кото­рое он заводится, а также длины, необходимой для ввода кабеля в электрооборудова­ние, которая определяется расстоянием от места ввода до наиболее удалённого кон­такта. Результирующие значения длин кабе­лей заносятся в соответствующие техно­логи­ческие документы. При проектировании трасс прокладки кабелей следует иметь в виду, что они должны быть в основном прямолинейными и по воз­можности не проходить через бимсы (поперечная балка между шпангоутами), шпангоуты и про­чие элементы набора корпуса судна. Прокладка и крепле­ние кабелей осуществляется одним из следующих способов: в кабельных подвесках, на скоб - мостах, панелях, бонах, в желобах и трубах. Допустимое расстояние ме­жду ка­бель­ными подвесками лежит в пределах от 250 до 400 мм. Оно зависит от типоразмера под­вески, а также от изоляции кабеля. Устройства крепления на поворотах должны быть установлены таким образом, чтобы выдерживался допустимый радиус изгиба кабеля наибольшего диаметра и обеспе­чивался прямолинейный участок трассы от точки крепления до начала пово­рота не ме­нее 50 мм. Для обеспечения качественного уплотнения кабельных трасс на расстоянии 200-400мм от них, у приборных сальников прямолинейный участок должен быть не менее 1,5 высоты гайки сальника.

Затяжка, кабелей является одним из самых ответственных и трудоемких процессов электромонтажных работ, которому пред­шествует комплекс подготовительных операций, основными из которых являются:

- демонтаж оборудования и систем, мешающих прокладке и креплению кабелей, который должен выполняться в соответствии со специальной ведомостью, входящей в состав технологической документации;

- подготовка групповых сальников и кабельных коробок к затяжке с разме­ще­нием около них чертежей расположения кабелей;

- установка технологической оснастки для затяжки кабелей.

Кроме того, необходимо убедится в отсутствии в отверстиях для прохода кабеля через наборы корпуса судна заусениц и острых кромок.

Основные требования, которые следует соблюдать при выполнении затяжки кабелей, заключаются в следующем:

- температура окружающей среды при выполнении работ с кабелями должна быть не ниже - 15°С;

- каждый кабель затягивается по трассе до места назначения в соответст­вии с принятой технологией ЭМР, после затяжки сразу же окончательно уклады­вается и маркируется штатными бирками;

- размотку кабельного барабана следует производить вра­щением его щеки;

- при укладке кабель следует увязывать на поворотах и, где это необхо­димо, на прямолинейных участках;

- при бухтовке концов кабелей бухту следует подвешивать на специальных подвесках.

Магистральные кабели могут затягиваться в основном двумя способами:

- односторонним - применяется при длине концов кабе­лей до 50 м, затяжка выполняется в одном направлении;

- двусторонним - применяется, как правило, при длине концов кабелей более 50м.

Контрольной переборкой называют первую переборку, через которую проходят кабели в направлении затягивания. Стоп - маркой называется, кольце­вая марка из изоляционной ленты, которая накладывается на кабель на заранее рассчитанном расстоянии от его концов.

Подход стоп - марки к контрольной переборке свидетельствует об окончании затяжки кабеля в одном направлении.

 

7.1.3. Оптические кабели

Процесс цивилизации связан с быстрым возрастанием потоков информации, опере­жающим развитие производительных сил обще­ства. Наилучшим носителем инфор­мации на значитель­ные рас­стояния, вплоть до космических, признаны электромаг­нитные волны.

Оптические кабели содержат группу световодов - оптических диэлектрические вол­ново­дов. В отличие от волноводов с метал­лическими границами, дисперсия сигнала в свето­водах мала, а коэффициент затухания не зависит от попереч­ных размеров све­товодов. Эти особенности световодов и свойства материалов в оптическом диапа­зоне определили уникальные качества светово­дов, у которых сочетаются малые по­перечные размеры, по­рядка 0,1-1 мм, малый коэффициент затухания порядка 1-5 дБ/км, вы­сокая скорость пе­редачи информации, до I-100 Гбит/с и высо­кая степень экранировки и защиты от внешних электромагнитные воздействий. Благодаря этому плотность инфор­мации, отнесён­ная к поперечному сечению кабеля, весьма велика и на несколько порядков превосходит наивысшие возможности всех других из­вестных линий связи.

Впервые диэлектрические волноводы теоретически исследо­ваны Хондросом и Де­баем в I910 г., а экспериментально - Ца­ном в 1914г. В дальнейшем, наряду с разви­тием теории, на­ча­лось их практическое использование в технике передающих линий от метрового до мил­лиметрового диапазонов, для построе­ния диэлектрических стержневых антенн.

Примерно с 1960г. начались теоретические и эксперимен­тальные исследова­ния све­тово­дов - диэлектрических волноводов оптического диапазона. Возникновение тео­рии и тех­ники опти­ческих кабелей можно отнести к 1970г., когда были получены световоды с ко­эффициентом затухания менее 100 дБ/км и отпали все сомнения в их практической пригод­ности. 1980г. является началом широкого внедрения оптиче­ские кабелей во все системы передачи и обработки информации.

Назначение и состав оптических кабелей

Оптический кабель (ОК) предназначен для передачи информа­ции содержащейся в модулиро­ванных электромагнитных колеба­ниях оптического диапазона. В настоя­щее время исполь­зуется диапазон λ=0,8-1,6 мкм, соответствующий ближним инфра­красным волнам. В экс­периментальных установках часто работают с излучением ге­лий-неонового лазера (λ=0,63 мкм). Прогнозируется расширение рабочего диапазона в область более дальних инфра­красных волн λ=5-10 мкм. Оптический кабель содер­жит от од­ного до сотен свето­водов.

Световод (СВ) - направляющая система для электромагнитных волн оптического диапа­зона. Практическое значение имеют только волоконные СВ, изготовленные из высокопро­зрачного стекла или полимера. Для концентрации поля волны вблизи оси СВ использу­ется явление преломления и полного отражения в волокне с показателем преломления n, уменьшающемся от оси к периферии плавно либо скачками.

Световод состоит из оптического волокна и покрытия.

Оптическое волокно (ОВ) из стекла изготавливается обычно с внешним диаметром 100-150 мкм, а полимерные - диаметром 300-1000 мкм.

Физические свойства ОВ. Спецификой ОВ является их высо­кая чувствительность к внешним механическим воздействиям. Кварцевые 0В имеет малый температурный коэффициент расшире­ния - α_т=0,5 ^. 10^-6к^-1, высокий модуль упругости Еов=60-80ГПа и низкий предел упругого растяжения, при относитель­ном удлине­нии ε = 0,5-1,5% оно ломается. Поверхностные слои обладают большой прочностью, поэтому средний модуль Юнга уве­личива­ется при утончении ОВ.

Конструкция световода. Покрытие СВ должны защищать 0В от атмосферных воз­действий и деформаций, вызванных внешними си­лами. СВ образуется из ОВ нанесе­нием нескольких защитных по­крытий, первичное покрытие -тонкая (5-10мкм) ла­ковая плёнка (Л) из ацетата целлюлозы, эпоксидной смолы, геликона, уретана или других аналогичных материалов, она защищает от контакта с атмосферой, препятствует образованию микротрещин на поверхности, сохраняя его механическую прочность.

 

Рис.7.6. Конструкция световода

Эта плёнка наносится сразу после вытяжки на ещё горячее волокно напылением либо протягиванием 0В через сосуд с соответствую­щим раствором.

Назначение следующих слоёв - устранение воздействий на 0В поперечных сил и увеличения прочности СВ на разрыв. В про­стейшем случае (Рис. 7.6.а) это однослойное полимерное покрытие П, например полиэтилен, нейлон с внешним диаметром 0,5-1мм.

Гораздо лучше эти функции выполняет двухслойное покрытие (Рис.7.6.б): внутренний мяг­кий слой М, например, из силиконовой резины с модулем Юнга Е =1-2 МПа, толщи­ной 500-100мкм защищает 0В как от поперечных, так и от продольных на­пряжений, наружный жёсткий слой Ж с внешним диаметром 0,5-1мм воспринимает все внеш­ние усилия. Подходящим материалом для внешнего слоя является нейлон. Альтернативой служит трубчатая конструкция покрытия (рис.7.6 в). Трубки Т должны иметь гладкие стенки, малую усадку при старении при высоком модуле уп­ругости. Этими свой­ствами обладает, например, трубки из пропилена. Пространство ме­жду Т и 0В, покрытым Л, может быть заполнено воздухом. Однако лучшие резуль­таты даёт заполнение гелием (Г). Такая конструк­ция более виброустойчива.

Конструкция ОК. Кабель объединяет группу световодов в одно конструктивное це­лое и обеспечивает их защиту от всевоз­можных внешних воздействий. Как правило, в состав ОК кроме СВ входит силовые армирующие элементы, демпфирующие слои и на­ружное покры­тие.

Силовые элементы (СЭ) изготавливаются из материалов с вы­соким модулем Юнга. Их основное назначение-восприятие продоль­ных нагрузок при растяжении и изгибе с тем, чтобы рас­тяжение СВ нe превосходило допустимых значений. Силовое эле­менты могут размещаться в центре ОК, образовывать концентри­чес­кие слои, либо армировать полимерное покрытие. В качестве СЭ могут быть использованы высокомодульные волокна или сталь­ную проволоку.