Тема: 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

Расчет площади сечения и формы токоведущей жилы

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

Защитные покровы

. Расчет электрических параметров кабеля

Расчет сопротивления токоведущей жилы постоянному и переменному току

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

. Тепловой расчет кабеля

Расчет тепловых сопротивлений конструктивных элементов и окружающей среды

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

Расчет площади сечения и формы токоведущей жилы

Согласно задания принимаем алюминиевую жилу секторного сечения.

Определяем постоянный ток кабеля:

где:

Р-максимальная мощность передаваемая по кабелю - 1ГВт;- напряжение - 50кВ. =20 кА;

Определяем переменный ток кабеля:

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

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.

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

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.

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.

Определим емкостной ток утечки:

I= = =8,7 A=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= U I 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

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:

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:=0,0035 2=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