Розв’язання задач створення системи оперативного контролю параметрів ізоляції кабеля

ВСТУП

Дана робота присвячена розв’язанню задач створення системи оперативного контролю параметрів ізоляції кабеля СБлШнгд 3х120-10 на базі діючого харківського заводу “Південкабель” [1]. Для цього необхідно проаналізувати технологічний процес ізолювання силових кабелів з паперовою імпрегнованою ізоляцією на напругу 10 кВ включно, його контроль за допомогою вимірювання електрофізичних характеристик ізоляції та дослідження зв’язку контрольних характеристик з конструктивними, електричними, тепловими та технологічними параметрами відповідних кабелів.

Забезпечення ефективності оперативного контролю якості масової продукції у процесі її виробництва є однією з актуальних проблем сучасної промисловості. Серія міжнародних стандартів із управління якістю ISO 9000 вимагає від виробників стандартизації послідовності дій, що забезпечують неперервне зростання якості продукції у замовника. Тому сьогодні методи контролю параметрів даної продукції мають бути об’єднані у єдину систему управління якістю і складати одне ціле з конструкцією, технологією виготовлення і вимогами замовників продукції.

Стала нормальною ситуація, за якої замовнику необхідні показники, що перевищують передбачені нормативною документацією, і виробник виконує такі вимоги без заперечень.

Особливо актуальною є задача створення такої сучасної системи управління якістю продукції для кабельної техніки, яка відзначається багатономенклатурністю і виготовленням продукції «за замовленням».

Труднощі створення такої системи контролю в кабельному виробництві пов’язані з наступним:

  • необхідність одночасного контролю значної кількості параметрів, що мають різну фізичну природу (наприклад, тангенс кута діелектричних втрат tg при заданій напрузі, приріст тангенса кута діелектричних втрат tg при заданому збільшенні напруги, електричний опір жили Rж, пробивна напруга Uпр, електричний опір ізоляції Rіз і т.ін.) та різні 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 кабельних виробів, для яких величина середньоквадратичного відхилення (основна характеристика розсіяння значень параметра в класичних статистичних методах) в принципі не може бути визначена, наприклад, час функціонування кабелю під дією відкритого полум’я і т.ін.

Для створення системи оперативного контролю параметрів ізоляції кабельних виробів для оброблення, порівняння, аналізу та визначення технологічних нормативів для параметрів ізоляції кабеля СБлШнгд 3х120-10 необхідно розв’язати такі задачі:

  • розглянути електрофізичні характеристики ізоляції силових кабелів з паперовою імпрегнованою ізоляцією на напругу 10 кВ;

  • проаналізувати зв’язок розглянутих електрофізичних характеристик ізоляції з конструктивними, електричними, тепловими та технологічними параметрами цих кабелів.

Серед багатьох існуючих систем класифікації кабельних виробів (за матеріалом ізоляції, за галуззю використання, за номінальною напругою і т.ін) найбільш важливою для кабельної техніки є класифікація за групами однорідної продукції. До кожної з 38 груп однорідної продукції входять кабельні вироби, споріднені за технологічними засадами їх виробництва. Саме технологічна спорідненість, а отже, - спорідненість методів технологічного контролю, є вирішальною для виробника в такому багатономенклатурному та гнучкому виробництві, яким є виробництво кабельних виробів.

Проаналізовані основні напрями досліджень в кабельній техніці і зазначено, що серед шести виділених основних напрямків досліджень п’ять пов’язані з вдосконаленням технологічних процесів та методів технологічного контролю.

1 КОНСТРУЦІЯ КАБЕЛЯ МАРКИ СБлШнгд 3120–10

1.1 Ескіз та специфікація

На рисунку 1.1 наведено ескіз кабеля марки СБлШнгд 3120–10:

Силовий кабель з мідними багатопроволочними секторними жилами, із паперовою імпрегнованною ізоляцією, у свинцевій оболонці, броньований та з зовнішнім покровом з матеріалу, 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 під броню; 7 –– стрічкова броня; 8 –– зовнішній захисний покрив;

9 –– міжфазні заповнення.

Рисунок 1.1 –– Ескіз кабеля марки СБлШнгд 3120–10

На рисунку 1.1 наведена конструкція кабеля марки СБлШнгд 3120–10 для прокладки:

  • у землі (траншеях), якщо на кабель не діють значні розтягуючи зусилля:

  • у землі (траншеях) з низькою і середньою корозійною активністю, з відсутністю блукаючих струмів.

Характеристики таких кабелів наведені у таблиці 1.1 [2].

Таблиця 1.1 – Характеристики кабелів з паперовою імпрегнованою ізоляцією на напругу 10 кВ

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 +35 оС, %

98

Монтаж при температурі, не менше, оС

0

Радіус згинання кабеля, не менше, зовнішніх діаметрів

15

Будівна довжина, м

250

Строк служби, років

30

Гарантійний строк експлуатації, років

4,5

1.2 Конструктивні розміри.

Таблиця 1.1 –– Конструктивні розміри в міліметрах кабеля марки

СБлШнгд 3120–10

D

Δ>ф>

>п>

>пе>

d1

Δ>об>

Δ>пб>

Δ>бр>

Δ>зп>

D>к>

29,36

2,75

1,25

0,12

35,85

1,61

1,9

1

2,4

49,71

D – діаметр кабеля; Δ>ф> - товщина фазної ізоляції; >п> – товщина поясної ізоляції; >пе> – товщина екрану; Δ>об - >товщина свинцевої оболонки; d1 - діаметр під оболонку;

Δ>пб> - подушки під броню дорівнює; Δ>бр> - сталева стрічкова броня; Δ>зп> - зовнішній захисний покров; D>к> - загальний діаметр кабеля.

За даними [2] зовнішній діаметр кабеля становить 52,33 мм. Розрахований діаметр дорівнює 49,71 мм, тобто задовольняє вимогам.

1.3 Матеріали для виготовлення елементів кабеля

1.3.1 Матеріал жили

Основними матеріалами для виготовлення струмопровідних жил є мідь та алюміній.

Мідь є найкращим матеріалом для струмопровідних жил силових кабелів. Вона має в звичайних умовах найменший питомий опір (якщо виключити з розгляду срібло), сполучення досить високої механічної міцності з пластичністю, порівняно високу корозійну стійкість. Для виготовлення струмопровідних жил використовують мідь марки не нижче М1 [3]. Деякі властивості м’якої міді наведені в таблиці 1.2. Мідь практично не окислюється при нормальній температурі. Незначна корозія спостерігається тільки 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

Основними факторами, що змінюють характеристики міді є:

– наявність домішок, які підвищують питомий опір, знижують пластичність та корозійну стійкість; особливо небажаними є домішки кисню, свинцю, сірки, вісмуту; всього домішок не повинно бути більше 0,1 %, а вміст кисню не повинен перевищувати 0,06 %.

– залишкові деформації, які збільшують питомий опір міді на величину 3-4 %, різко зменшують пластичність, але збільшують механічну міцність; відповідні властивості міді можуть бути відновленими шляхом відпалення (рекристалізації) при температурі вище 200 оС;

– нагрівання в вітрі при температурі до 200 оС приводить до поступового окислення з утворенням окисів міді, а при більших температурах до інтенсивного окислення міді.

1.3.2 Матеріал ізоляції

Основними є три вида ізоляції:

  1. паперова ізоляція, виготовлена обмоткою стрічками кабельного паперу з наступним сушінням та імпрегнуванням кабельним компаундом на основі мінерального масла;

  2. пластмасова ізоляція з поліетилену або полівінілхлоридного пластикату, накладена методом екструзії;

  3. гумова ізоляція, накладена методом гарячого пресування.

Найважливішою перевагою першої є її висока надійність в експлуатації.

Паперова ізоляція виготовляється обмоткою стрічками кабельного паперу з наступним сушінням та імпрегнуванням кабельним компаундом.

Паперова імпрегнована 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 мінерального масла (продукт переробки нафти), каніфолі та згущувачів.

В даному проекті кабель розрахован для прокладання з обмеженої різницею рівнів на трасі, тому обираємо компаунд МП–3. Рецептури кабельних компаундів наведені в таблиці 1.2.

Таблиця 1.2 – 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 ізолюванні багатожильних кабелів з паперовою ізоляцією на скручені разом ізольовані жили накладають поясну ізоляцію . Товщина поясної ізоляції для кабеля на напругу 10 кВ та перерізом жили 120 мм становить 1,25 мм [1]. Граничне відхилення товщини ізоляції не повинно перевищувати 0,24 мм.

Характеристики паперової імпрегнованої ізоляції залежать від наявності та природи сторонніх домішок: рештки включень газів та вологи або домішок в недостатньо очищених компонентах кабельного компаунду. Наприклад, електрична міцність такої ізоляції в залежності від чистоти мінерального масла, глибини сушіння та імпрегнування знаходиться в діапазоні 30-80 МВ/м. Тангенс кута діелектричних втрат, наприклад, знаходиться для кабелів на 10 кВ на рівні 0,008, а для маслонаповнених кабелів відповідно 0,002. Таким чином, властивості паперової ізоляції кабелів визначаються конструктивними та технологічними факторами.

1.3.3 Матеріал екранів

Для вирівнювання електричного поля в кабелях на напругу 10 кВ поверх жили та поверх ізоляції повинен бути накладений електропровідний екран з матеріалу, аналогічного матеріалові ізоляції, але з електропровідними властивостями. Якщо використати різні матеріали, в експлуатації станеться розшарування екрану та ізоляції через різницю в температурних коефіцієнтах розширення цих матеріалів.

В кабелях з паперовою ізоляцією екран виготовляють з електропровідного кабельного паперу, що містить ацетиленову сажу і має питомий електричний опір 1105––1107 Омм. Товщина електропровідного кабельного паперу 120 мкм, густина 850–– 1050 кг/м3. Стрічки його намотуються з позитивним перекриттям.

1.3.4 Матеріал оболонки

Для захисту ізоляції кабеля від дії світла, вологи, хімічно активних речовин, а також для запобігання її механічним пошкодженням, поверх скручених разом ізольованих жил багатожильних кабелів накладають оболонку.

Найкращими у відношенні герметичності матеріалами для оболонки є метали, у яких коефіцієнт дифузії дорівнює нулю.

Металеві оболонки виготовляють з свинцю або алюмінію. Кабелі з паперовою імпрегнованою ізоляцією виготовляють тільки з металевими оболонками. Поверх оболонки для її захисту від корозії та механічних ушкоджень накладають захисні покрови, що включають подушку під броню, броню, зовнішній захисний покров

Свинцеві оболонки виготовляють із свинцю марки С2 та С3 (загальна кількість домішок відповідно 0,05 та 0,1 %) або із свинцево-сурмянистих сплавів, що містять сурму (антимоній) в кількості до 0,8 %. Границя міцності свинцю при розтягуванні 18 МПа і відносне видовження 35 %. Свинець характеризується недостатньою вібростійкістю. Заради підвищення вібростійкості в свинець вводять сурму та інші присадки. Недоліком свинцю є його велика густина, що дорівнює 11,34 кг/м3 Оболонки із свинцю значно менше піддаються корозії, але при прокладанні в ґрунті вони теж потребують захисних покровів, оскільки руйнівно впливають на свинець азотна кислота, вапно, блукаючий струм. Свинцеві оболонки більш пластичні ніж алюмінієві, тому при статичному вигині в них відбувається релаксація механічної напруженості.

      1. Захисні покрови

Подушка під броню захищає оболонку кабеля від пошкодження її сталевими стрічками та від корозії. Вона складається з концентричних слоїв з попередньо імпрегнованої кабельної пряжі або з попередньо імпрегнованого кабельного паперу з покриттям бітумом або бітумною сумішшю по оболонці та поверх подушки.

Якщо за умови експлуатації на кабель можуть діяти механічні зусилля, то в захисних покровах передбачають сталеву броню. Для захисту кабеля від механічних пошкоджень при відсутності розтягуючи зусиль їх бронюють стрічками із сталі з низьким вмістом вуглецю трьох груп (ГОСТ 3559–75). Плоска броня повинна мати захисне цинкове покриття, якщо кабель поверх броні не має зовнішнього захисного покрову. Ширина сталевої стрічки вибирається в межах від 20 до 60 мм в залежності від діаметру кабеля.

1.3.6 Зовнішні покрови

Зовнішня оболонка кабелю марки СБлШнгд 3120–10 виготовляється з матеріалу Лоусгран ППО 30-32, що має низький показник виділення диму та продуктів горіння, низький ступінь таксичності. Основні показники цього матеріалу наведені у таблиці 1.3.

Таблиця 1.3 – Фізико-механічні та електричні показники матеріалу

Лоусгран ППО 30-32

Назва 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 намагаються витратити якомога менше матеріалів і, водночас, зберегти відповідність характеристик кабеля вимогам нормативної документації. Це досягається шляхом різних вдосконалень технології виробництва кабеля а також за рахунок збільшення коефіцієнту 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%. Для суттєвого підвищення коефіцієнта використання ізоляції кабеля застосовують ідею її градуювання. У вітчизняній практиці кабелі з імпрегнованою бумажною ізоляцією градують у два шари, тому що діапазон густини бумаги знаходиться у межах 1200 –– 850 кг/м3 , а допуск на густину бумаги становить 50 кг/м3 . При цьому діелектрична проникність бумаги з найбільшою густиною становить 4,3 , а з найменшою 3,5.

3 ТЕХНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАБЕЛЯ МАРКИ

СБлШнгд 3120–10

3.1 Електричний опір жили

Електричний опір жили постійному струмові R>=> та лінійна залежність опору від температури Θ з урахуванням скручування [6]:

, (3.1)

, (3.2)

де  – питомий електричний опір металу жили при 20 С, для

міді цей показник дорівнює Омм;

F – площа поперечного перерізу жили;

l – середня укрутка.

Електричний опір жили постійному струмові при 70 °С дорівнює:

Ом/м

Електричний опір жили постійному струмові при 20 °С дорівнює:

Ом/м

Електричний опір жили змінному струмові R>~> перевищує R>=>, оскільки явище скін-ефекту викликає перерозподіл щільності струму по перерізові провідника, збільшуючи її біля поверхні провідника (поверхневий ефект) та в області, що наближена до провідника із протилежно напрямленим струмом (ефект близькості):

R>~> = R>=>(1+у>п>+у>б>), (3.5)

де у>п>, у>б> –– величини, які враховують поверхневий ефект та ефект близькості відповідно.

Електричний опір жили змінному струмові R>~ >при 70 °С дорівнює:

R>~> = 0,174٠10-3 · (1 + 0,005 + 0,065) = 0,185 · 10-3 Ом/м

А електричний опір 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

Індуктивність жили трьохфазного кабеля з урахуванням скін-ефекту:

, (3.10)

де а, r –– відповідно відстань між центрами жил та радіус еквівалентної круглої жили;

Q(x) –– функція для врахування впливу скін-ефекту на електричні параметри кабеля, яка дорівнює 0,997.

Гн/м

3.3 Робоча ємність

Робоча ємність трьохфазного кабеля може бути орієнтовно знайдена, як ємність фази трьохфазної лінії з урахуванням землі при довільному розташуванні проводів.

Робоча ємність фази трьохфазної лінії визначається за формулою:

, (3.12)

де S, D –– середньо геометричні значення відстаней від центру проводу до заземленої поверхні та до дзеркального зображення сусіднього проводу.

Робоча ємність становить:

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 конструкції кабеля деякими з них можна знехтувати. Наприклад, втрати в металевій оболонці, яка охоплює всі три фази (кабель трьохфазного струму), знаходяться в дуже слабкому електромагнітному полі, тому що сума струмів в трьохфазній системі в будь-який момент дорівнює нулю. Діелектричні втрати за традиційних кабельних ізоляційних матеріалів міжнародні стандарти рекомендують враховувати тільки від 110 кВ.

Основними втратами є джоулеві втрати у жилах:

, (3.19)

де I –– допустимий струм, який дорівнює 297,4 А (формула 4.12.1);

R>ж> –– 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

4.1 У стаціонарному режимі

Рисунок 4.1 –– Схема моделі теплового потоку у кабелі СБ 3120–10: Θ>ж>, Θ>об>, Θ>пов>, Θ>ос> – відповідно температури ізотерм жили, оболонки, поверхні кабеля, оточуючого середовища

Рисунок 4.2 –– Схема заміщення теплових опорів і потоків тепла: Θ>ж>, Θ>об>, Θ>ос> – відповідно температури жили, оболонки, оточуючого середовища; P>ж>, P>об >– потужність теплового потоку жили та оболонки кабеля; S>із>, S>зп>, S>ос >– теплові опори відповідно ізоляції, захисних покровів та оточуючого середовища;


Для запису рівняння теплового балансу кабеля СБлШнгд 3120–10 скористаємося схемою заміщення, зображеною на рисунку 4.2:

, (4.1)

де Θ>ж>, Θ>ос> – відповідно температури жили та оточуючого середовища;

S>зп>, S>ос >, S>із>– теплові опори відповідно захисних покровів, оточуючого середовища і ізоляції.

R>ж> = 93,06 · 10-6 – опір жили при температурі Θ>ж >, Ом/м.

Тоді допустимий струм навантаження:

, (4.2)

Тепловий опір ізоляції розраховуємо за формулою:

, (4.3)

де S>із>>min> –– мінімальний тепловий опір ізоляції;

S>із>>max> –– максимальний тепловий опір ізоляції,

, (4.4)

де σ>із>=7 – питомий тепловий опір ізоляції, ;

d>ж >=27,61 – діаметр жили, мм;

d>із >– діаметр по ізоляції, мм:

(4.5)

де Δ>пе>=0,12 – товщина екрану, мм;

Δ>ф>> >= 2,75 – товщина фазної ізоляції, мм;

Δ>п> = 1,25 – товщина поясної ізоляції, мм;

Тепловий опір ізоляції дорівнює:

d>із> = 27,61+ 2 · 2,75 + 2 · 1,25 + 2 · 0,12 = 35,85 мм

S>із>>max>> >розраховують за формулою:

, (4.6)

де R –– радіус жили, який дорівнює 13,805 мм

Тому тепловий опір ізоляції дорівнює:

Тепловий опір оточуючого середовища за умови прокладання кабеля в ґрунті розраховуємо за формулою:

, (4.7)

де σ>ос>=1,2 – питомий тепловий опір оточуючого середовища, ;

L =800 – глибина прокладання кабеля у ґрунті, мм;

D =49,71– діаметр готового кабеля, мм.

Тепловий опір оточуючого середовища дорівнює:

Тепловий опір захисних покровів визначають за формулою:

, (4.8)

де σ>зп> – питомий тепловий опір захисних покривів, який дорівнює 3 ;

Δ>з>> >– товщина захисних покривів, яка складається з товщини подушки під броню Δ>пб> = 1,9 мм, товщини броні Δ>б> = 1 мм та товщини зовнішнього захисного покрова Δ>зп> = 2,4 мм;

r>об>> >–радіус по оболонці, який дорівнює

r>об> = R + Δ>ф> + Δ>п> + Δ>е >+ Δ>об> (4.9)

r>об >= 13,805 + 2,75 + 1,25 + 0,12 + 1,61 = 19,535 мм

Тому тепловий опір захисних покровів дорівнює:

Тоді допустимий струм навантаження дорівнює:

А (4.10)

За даними [2] допустимий струм не повинен перевищувати 460 А. Розрахований струм задовольняє такій потребі.

Температуру поверхні кабеля розраховують за формулою:

(4.11)

°С

Досить висока температура поверхні кабеля свідчить про те, що в режимі роботи, близького до номінального навколишній грунт поступово підсихатиме. За цим зростатиме його тепловий опір, що може призвести до перегрівання ізоляції.

Сучасні міжнародні стандарти [1] рекомендують враховувати підсихання грунту при визначенні гранично допустимого струму:

,

де ν –– відношення теплових опорів сухої та вологої зон грунту (ν = σ>с>/σ>ω>);

R>ж> –– опір жили змінному струмові при максимальній робочій температурі (Ом/м);

Θ>x> –– гранична температура грунту та температура границі між сухою та вологою зонами (°С);

ΔΘ>x> –– гранична різниця температур землі. Це різниця температур границі між вологою та сухою зонами і вказаною температурою оточуючого грунту, (К);

Розрахунки за наведеним співвідношенням можуть бути виконані, якщо є відомості про σ>с> та σ>ω> і про ширину d>z> cухої зони довкола кабеля, причому, по-перше, σ>с>, σ>ω>, d>z>, І, Θ>x>, є взаємопов’язанами величинами, по-друге доступними є лише відомості про σ>с> та σ>ω>, а значить в задачі про розрахунок допустимого струму в умовах висихання грунту при невідомих, для визначення яких можна скласти лише два рівняння, –– на основі вищевказаного співвідношення та для різниці температур між сухою зоною та оточуючим середовищем за загальною формулою для теплового опору грунту.

, (4.12)

, (4.13)

де

Θ>1>, Θ>2>, Θ>х> –– температури жили, грунту, умовної ізотерми між сухою та вологою зонами;

L, r>k>, d>z> –– глибина прокладання, радіус кабеля, ширина cухої зони довкола кабеля;

ν –– відношення теплових опорів сухої та вологої зон грунту (ν = σ>с>/σ>ω>), обране незалежною змінною;

Θ>х>, І –– змінні, що визначаються рішенням системи.

Розрахунки за (4.13)-(4.15) свiдчать, що при пiдсиханнi грунту i вiдповiдному збiльшеннi питомого теплового опору з 0,8ºС٠м/Вт до 3,2 ºС٠м/Вт гранично допустимий струм зменшуеться на 3-4%, тобто становить не менше 300А.

4.2 У нестаціонарному режимі

Модель нагрівання кабеля базується на рівнянні теплового балансу, згідно з яким тепло, що виділяється в жилі кабеля йде на нагрівання самого кабеля та відводиться в навколишнє середовище:

, (4.14)

де P – потужність тепловиділення в кабелі;

С – теплоємність кабеля;

τ – поточний перегрів кабеля відносно температури оточуючого середовища;

S – тепловий опір оточуючого середовища.

Рішення диференційного рівняння теплового балансу відносно поточного перегріву кабеля, що має температуру довкілля таке:

При t = 0, τ = 0:

, (4.15)

де τ>max> = Θ>ж> – Θ>ос> – максимальний перегрів кабеля;

де Θ>ж>, Θ>ос> – відповідно температури жили та оточуючого середовища;

β – стала нагріву кабеля.

Cтала нагріву кабеля розраховується за формулою:

β = С>еф>·S>із> , (4.16)

де S>із> –– тепловий опір ізоляції, який дорівнює 0,285 ;

С>еф> –– ефективна теплоємність кабеля, яка розраховується за формулою:

, (4.17)

де С>ж>, С>із>, С>> –– відповідно теплоємності жили, ізоляції без межижильних проміжків та ізоляції з межижильними проміжками відповідно;

k –– коефіцієнт, пов’язаний з тим, що температура захисних покривів приблизно вдвічі менша за температуру жили, тому k дорівнює 0,5.

Теплоємність жили:

С>ж> = С>m> · 3·F , (4.18)

де С>m> –– питома теплоємність міді, яка дорівнює 3,344 ;

F –– площа перерізу матеріалу, яка дорівнює 120 мм2.

С>ж> = 3,344 · 120·3 = 1,203 · 103

Теплоємність ізоляції з межижильними проміжками:

, (4.19)

де С>m> –– питома теплоємність паперової імпрегнованої ізоляції, яка дорівнює 1715 ;

d>k> –– зовнішній діаметр кабеля, який дорівнює 49,71 мм.

,

Теплоємність ізоляції без межижильних проміжків:

, (4.20)

де

>ф>, >п>, >об> –– товщини фазної, поясної ізоляції та оболонки відповідно.

Ефективна теплоємність кабеля дорівнює:

Стала нагрівання кабелю дорівнює:

хв

Рішення диференційного рівняння теплового балансу відносно поточного перегріву при включенні попередньо нагрітого кабеля таке:

при t = 0, τ = τ>1>:

(4.21)

За умови, що якщо поточний перегрів не перевищує максимально допустимий можливе перевантаження кабеля. Величина допустимого перевантаження залежить від часу протікання струму перевантаження.

Таблиця 4.1 – Допустимі аварійні перевантаження кабельних ліній на напругу до 10 кВ

Коефіцієнт 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 до номінального від часу протікання струму наведена на рисунку 4.4

I/I>Н>

t, хв

Рисунок 4.4 –– Залежність відношення допустимого струму до номінального від часу протікання струму, значення характерних точок: I>1>/I>н> = 0,25; I>2>/I>н> = 0,75; I>3>/I>н> = 1,2; I>4>/I>н> = 0,6; I>5>/I>н> = 1,1; I>6>/I>н> = 1,45; I>7>/I>н> = 0,6; I>8>/I>н> = 0,2; t>1> = 10 хв; t>2> = 20 хв; t>3> = 25 хв; t>4> = 31 хв; t>5> = 35 хв; t>6> = 42 хв; t>7> = 53 хв; t>8> = 59 хв

  1. Перегрів в кінці першого участку:

, (4.22)

де >max>>1> = (I>1>/I>н>)2 >max>>н>, (4.23)

>max>>н> залежить від матеріалу ізоляції, тобто від граничної температури для даного виду ізоляції;

>max>>н> = >доп >- >ос>, (4.24)

де >доп> –– максимально допустима температура ізоляції, яка для паперової імпрегнованої ізоляції на напругу 10 кВ дорівнює 70С;

>ос> –– характерна температура навколишнього середовища, в даному разі для грунту дорівнює 15С.

>max>>н> = 70 – 15 = 55С

Тоді

, (4.25)

С

Температура кабеля в кінці першого участку: 1,06 + 15 =16,06С.

  1. Перегрів в кінці другого участку:

, (4.26)

С

Температура кабеля в кінці другого участку: 10,3 + 16,06 = 26,37.

  1. Перегрів в кінці третього участку:

, (4.27)

С

Температура кабеля в кінці третього участку: 26,37 + 17,12 = 43,49С.

  1. Перегрів в кінці четвертого участку:

, (4.28)

С

Температура кабеля в кінці четвертого участку: 43,49 + 27,42 = 70,91С.

  1. Перегрів в кінці п’ятого участку:

, (4.29)

С

Температура кабеля в кінці п’ятого участку: 70,91 + 32,81 = 103,72С.

В заданому нестаціонарному режимі навантаження кабеля температура поверхні кабеля вже в кінці п’ятого участку становить 103,72С і має тенденцію до збільшення. Таку температуру ізоляція не витримає. Тому треба зменшити кратність допустимого струму до номінального.

5 ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ПРОЦЕС ВИГОТОВЛЕННЯ КАБЕЛЯ

СБлШнгд 3120–10

5.1 Виготовлення струмопровідних жил

Загальна схема виготовлення струмопровідних жил наведена на рисунку 5.1.

Рисунок 5.1 – Схема технологічного процесу виготовлення струмопровідних жил

5.2 Ізолювання струмопровідних жил

Використовують два основних способи ізолювання: обмотка стрічками та пресування. Перший спосіб досить трудомісткий і зумовлює необхідність сушіння та імпрегнування ізоляції, але він забезпечує шарувату структуру ізоляції.

Загальна схема ізолювання наведена на рисунку 5.2.


на сушіння та імпрегнування

Загальна схема сушіння та імпрегнування ізоляції представлена на рисунку 5.4.


на накладання оболонки

Рисунок 5.4 – Схема технологічного процесу сушіння та імпрегнування ізоляції

5.3 Накладання захисних покривів

Схема технологічного процесу накладання оболонки та захисних покровів наведена на рисунку 5.6.

Рисунок 5.6 – Схема технологічного процесу накладання оболонки та захисних покровів

6 ОБЛАСТІ ЗАСТОСУВАННЯ КАБЕЛЯ

Силовий кабель СБлШнгд 3×120-10 призначений для прокладання у каналах, тунелях, шахтах, приміщеннях та пожаронебезпечних зонах, за умов прокладання, що передбачають незначні механічні зусилля та не передбачають розтягуючих.

Матеріал зовньошного покрову Лоусгран ППО 30-32 забезпечує даній конструкції у випадку пожежі можливість не поширювати горіння, а також низьке виділення диму та продуктів горіння, малий ступінь таксичності надають змогу прокладання даного кабеля у місцях з масовим перебуванням людей: атомні електростанції, тепло- та гідроелектростанції, метрополітени, висотні будівлі, промислові споруди, складські приміщення.

7 ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНИЙ РОЗРАХУНОК

Таблиця 5.1 - Калькуляція собівартості

Статті 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 є розрахункове значення строку окупаємості, що становить 5 років. Одержане значення менше за номінальне Т>окн> = 6,7 років. Тому розробка проекту є ефективною.

ВИСНОВОК

Кабель марки СБлШнгд 3×120 – 10 призначений для прокладання у каналах, тунелях, шахтах, приміщеннях, в пожаронебезпечних зонах, в умовах прокладання, що передбачають незначні механічні навантаження (розтяжні зусилля у процесі експлуатації) і захищений сталевою бронею. Даний кабель, що випускає завод «ПІВДЕНКАБЕЛЬ», використовують для передачі й розподілу електричної енергії змінного струму частотою 50 Гц у мережах з будь-яким режимом роботи нейтралі при стаціонарній прокладці. Він може бути використаний у мережах постійної напруги. Кабель виготовляють із мідними багатопроволочними жилами перетином 120 мм2 кожна. У даному кабелі жили ізольовані паперовою ізоляцією, скручені в сердечник, поверх якого накладена поясна ізоляція з матеріалу, аналогічного ізоляції жил. У кабелю СБлШнгд 3×120-10 поверх поясної ізоляції є электропровідний екран. Паперова ізоляція імпрегнована кабельним компаундом. У даному кабелі з паперовою ізоляцією є герметизуюча оболонка зі свинцю. Матеріал зовнішнього покрову Лоусгран ППО 30-32 забезпечує даній конструкції у випадку пожежі можливість не поширювати горіння, а також низьке виділення диму та продуктів горіння, крім того малий ступінь таксичності надає змогу прокладання даного кабеля у місцях з масовим перебуванням людей.

Питоме число відмов кабелів з паперовою імпрегнованою ізоляцією є стабільним: параметр потоку відмов становить у середньому 1.1 – 1.2 рік-1 на 100 км кабелю протягом близько 20 років. Відповідно середній наробіток на відмову для ліній довжиною 5 - 10 км, прокладених кабелями з паперовою імпрегнованою ізоляцією, становить 20 - 10 років.

Таким чином, кабелі на напругу 10 кв із паперовою імпрегнованою ізоляцією продовжують залишатися надійною та найбільш поширеною конструкцією серед силових кабелів низької та середньої напруги. Не менш важливою є також економічна складова застосування цих кабелів, тому що вони мають нижчу собівартість, ніж кабелі з ізоляцією із зшитого 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. Электрические кабели провода и шнуры: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1988. – 536 с.

3. Привезенцев В.А., Гроднев И.И., Холодный С.Д., Рязанов И.Б. Основы кабельной техники: Учеб. пособие для вузов. М.: «Энергия»,1975. – 472 с.

4. Пешков И.Б., Каменский М.К. Огнестойкие и нераспространяющие 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. Современное состояние и основные тенденции развития силовых кабелей. Кабельная техника, 1997, №12, 13. С. 25-28.

6. Лизунов Л.И., Соколова Р.С. Конструирование и расчет силовых кабелей. Учебное пособие Харьковского политехнического института. Харьков, 1973.–122 с.

7. А.С.Брискер, А.Д. Руга, Д.Л. Шарле Городские телефонные кабели: Справочник, 3-е изд., перераб. и доп. М.:Радио и связь, 1991. -208с.