 |
|
|
Архитектура Астрономия Аудит Биология Ботаника Бухгалтерский учёт Войное дело Генетика География Геология Дизайн Искусство История Кино Кулинария Культура Литература Математика Медицина Металлургия Мифология Музыка Психология Религия Спорт Строительство Техника Транспорт Туризм Усадьба Физика Фотография Химия Экология Электричество Электроника Энергетика |
Пример номенклатуры кабелей типа АСГСтр 1 из 2Следующая ⇒
Введение Базовый принцип передачи электроэнергии – передавать электроэнергию с помощью проводников, обладающих малым сопротивлением. Системы таких проводников называются линиями электропередач (ЛЭП). Ввиду ряда особенностей, ЛЭП нельзя рассматривать как обычные элементы электрической схемы. Они описываются с помощью телеграфных уравнений, коэффициенты которых называются погонными параметрами и зависят от конструкции конкретной ЛЭП. Наиболее простой конструкцией ЛЭП являются неизолированные провода, подвешенные над землей на опорных столбах. Такие линии называются «воздушными». Изоляцией в данном случае является воздух, и провода разнесены в пространстве на расстояния, существенно большие их поперечных размеров. Кроме ЛЭП, реализованных в виде проводов подвешенных над землей, ЛЭП прокладывают под землей или на дне моря. Это позволяет избавиться от вредного влияния воздушных ЛЭП (ведь те создают довольно сильное электромагнитное поле), а также от необходимости устанавливать опоры там, где это затруднительно (через водные участки, например) или будет препятствовать движению транспорта (например, в аэропорту). В этих случаях, проводники не разносят на значительное расстояние, а прокладывают довольно близко, разделяя их диэлектриком. Кроме того, при этом фазные провода часто экранируют (т.е. заключают в оболочку из металла, чтобы исключить взаимодействие с внешними объектами посредством электромагнитных полей) и создают дополнительную защиту от физических повреждений. Вычисление параметров линии в широком диапазоне частот представляет сложную электродинамическую задачу по двум причинам. Первая, это скин-эффект, который приводит к перераспределению тока по сечению проводников, к "вытеснению" тока к поверхности проводника с ростом частоты. Вторая причина заключается в нарушении осевой симметрии распределения тока и заряда в проводнике, за счет влияния одного провода на другой. Например, заряд на поверхности проводника будет неравномерно распределен по периметру. Чем меньше расстояние между проводами, тем сильнее будет выражен этот эффект. Строгий расчет провести достаточно сложно, аналитические результаты можно получить только для достаточно простых моделей длинных линий. Для более сложных конструкций (воздушные линии с учетов влияния земли, многожильные кабели) возможности теоретического расчета сильно ограничены и зачастую необходимы численные расчеты. Рассмотрим несколько примеров кабельных систем. Для низких значений напряжения кабели обычно не экранированы и изолированы поливинилхлоридом. Пример такого кабеля приведен на рис 1
Рис. 1 бронированный 1кВ кабель (1 – скрученная жила(многожильный кабель), 2 – изоляция, 3 – основание (подушка), 4 – броня из плоской стальной проволоки, 5 – спиральная стальная лента, 6 – пластиковая внешняя оболочка) При более высоких напряжениях распределительных сетей, кабели обычно экранируют нейтральными концентрическими проводниками, как на рисунке 2.
Рис. 2 – распределительный кабель от 12 до 35 кВ с концентрическими нейтральными проводниками (1 – скрученная жила, 2,4 – проводящие слои, 3 – пластиковая изоляция, 5 – проводящая лента, 6 – концентрические нейтральные проводники, 7 – спиральная медная лента, 10 – внутренняя изоляция, 11 – пластиковая внешняя изоляция) При напряжении, используемом для передачи электроэнергии на большие расстояния, в настоящее время широко используются два типа кабелей - кабель в кабель-канале и автономные кабели. В канальных кабелях, три изолированных промасленной бумагой кабеля затягиваются в стальную трубу при прокладке. Спиральные проволоки скольжения облегчают протяжку кабелей. После откачки, трубы наполняются маслом под высоким давлением в примерно 1.5 кПа. Трубообразные кабели используются для напряжений от 69 до 345 кВ, 550кВ-ные кабели разрабатываются.
Рис. 3 Трубообразный наполненный маслом кабель (с) John Wiley & Sons, Ltd
Типичный наполненный маслом автономный кабель – одножильный (приведён на рис 4). Подземные и подводные автономные кабели в сущности одинаковы. Но подземные не всегда бронируются.
Рис. 4 Одножильный автономный кабель. (C – многожильный основной проводник I – бумажная изоляция, S – металлический экран, B – основание (подстилка), A – броня, P – пластиковый кожух). Детали проводящих слоев опущены. Газоизолированные системы кабелей со сжатым элегазом (гексафторид серы, SF6)используются для создания компактных подстанций. Жилы в таких подстанциях состоят из трубообразных проводников в металлическом кожухе. Проводники удерживаются пластиковыми разделителями через определенные интервалы. Их используют для передачи на расстояния до 300 м. Аналогичные системы передачи электричества можно использовать для длинных линий, но элегазовые кабели пока экспериментальные. В них используется гофрированная оболочка.
Рис. 5 элегазовые кабели, слева – однофазный, справа – трехфазный Таким образом мы видим, что в случае кабельных ЛЭП многие используемые в теории воздушных ЛЭП приближения неверны, например утверждение о том, что расстояние между проводами существенно больше поперечного размера самих проводов. Кроме того, разнообразие типов и конструкций кабелей делает невозможным разработки единой теории. Разрабатывались теоретические методы для расчета отдельных случаев (например, концентрического). Но для большей части кабелей просто не существует универсального метода расчета погонных параметров Альтернативный подход для получения погонных параметров состоит в численном расчете. При этом можно отказаться от значительной части приближений, используемых при теоретическом расчете и легко переходить к любой конфигурации кабеля. К сожалению, численный расчет имеет свои приближения и погрешности. Постановка задачи Зависимость токов и напряжений в многопроводной линии от времени и расстояния описывается системой телеграфных уравнений.
Здесь L,R,C и G – матрицы, а U и I являются векторами, размерность которых равна числу проводников в линии Соответственно, линию можно полностью охарактеризовать четырьмя матрицами: L,R,C и G, где L – индуктивность, C – емкость, R - сопротивление проводов, G - проводимость среды (утечка). Они и являются погонными параметрами. В комплексном виде:
В этих уравнениях U и I являются векторами, размерность n которых равна числу «проводов» в линии, а матрицы Z и Y – матрицы импедансов и проводимостей размерностью n*n. Уравнения (1) в развернутом виде для линии, состоящей из трех фазных жил, экрана и земли, имеет вид:
Диагональные элементы матрицы Zi определяются преимущественно омическим сопротивлением проводников и собственной индуктивностью. Дополнительное влияние оказывает ток, созданный i-м проводником в остальных проводниках, и влияющий в свою очередь на i-й. Недиагональные элементы определяются преимущественно взаимоиндукцией пары проводников. Из такого представления видно, что для вычисления конкретных значений элементов матриц нужно решить следующие задачи.
В общем случае потенциалы проводников должны определяться относительно какой-то точки (теоретически – на бесконечности). Однако принято считать, что в каждой точке по x мы измеряем потенциалы относительно земли. Таким образом, потенциалы земли и их производные по x принято полагать равными нулю. При этом в приведенных выше формулах последняя строчка и последний столбец в Y вычеркиваются и остается матрица 4*4. Что касается учета равенства
то нужно определить Нужно отметить, что при таком подходе мы теряем возможность описывать ситуации, когда потенциал земли локально неоднороден, например, из-за шагового напряжения при близком ударе молнии. В воздушных сетях, где нет экранов и других проводов, кроме фазных, преобразование исходных уравнений исключением земли, собственно, и заканчивается. Если фазные провода состоят из нескольких линий каждая, то проводится приведение к одиночным фазным проводам с использованием условий, что потенциалы проводов, относящихся к одной фазе, одинаковы а токи в них равны. В кабельных сетях дело обстоит сложнее. Наличие экранов ставит перед выбором – либо исключать экраны так, как это делается для земли, считая, что потенциал экранов равен потенциалу земли, либо сохранять описание линии с числом проводов, большим числа фаз.
Пример номенклатуры кабелей типа АСГ АСГ относится к группе в которую входят кабели с алюминиевыми или медными токопроводящими жилами с бумажной изоляцией, пропитанной вязким или нестекающим составом, в алюминиевой или свинцовой оболочке, с защитными покровами или без них, предназначенные для передачи и распределения электроэнергии в стационарных установках в электрических сетях на напряжение до 10 кВ переменного тока частотой 50 Гц или в электрических сетях постоянного тока при температуре окружающей среды от -50 до +50 °С. Кабели должны соответствовать требованиям ГОСТ 18410-73. В наименовании кабеля указывается его тип как показано в таблице 1 и номинальное напряжение в киловольтах. Для кабелей с однопроволочными жилами в обозначении марки кабеля после цифр, указывающих сечение жилы, добавляют в скобках буквы "ож". Токопроводящие жилы одножильных кабелей всех сечений и многожильных кабелей сечением до 16 мм2, а также многожильных кабелей с токопроводящими жилами всех сечений, имеющих отдельные оболочки, должны быть круглой формы. Вышеуказанный стандарт предъявляет следующие требования к жилам и внутренней изоляции кабелей: Токопроводящие жилы кабелей с поясной изоляцией сечением 25 мм2 и более должны быть секторной или сегментной формы. Допускается изготовление кабелей с жилами сечением до 50 мм2 круглой формы. Многопроволочные секторные и сегментные жилы кабелей должны быть уплотнены в процессе изготовления. Радиус закругления однопроволочных секторных жил должен быть не менее 0,5 мм. Бумажная изоляция кабелей должна быть пропитана вязким или нестекающим изоляционным пропиточным составом. В пропитанной бумажной изоляции ленты не должны иметь складок, разрывов. Изоляционный пропиточный нестекающий состав не должен вытекать при длительно допустимой температуре нагрева жил кабеля. В бумажной изоляции кабелей на напряжение 6 кВ и более не допускается совпадение более трех лент, расположенных одна над другой, и двух лент, непосредственно прилегающих к жиле или экрану, наложенному на жилу. Совпадение продольных складок или порезов на длине более 50 мм в двух лентах, расположенных одна над другой, считается за одно совпадение. Изолированные жилы многожильных кабелей должны быть скручены с заполнением промежутков между жилами жгутами из бумаги. Изолированные секторные жилы многожильных кабелей на напряжение 1 кВ могут быть скручены без заполнения.
Таблица 1. Кабели силовые с пропитанной бумажной изоляцией на низкое напряжение
Число жил в кабелях, диапазон номинальных сечений жил и номинальные напряжения указаны в таблице. 2.
Таблица 2. Число и сечение жил в кабелях. Рассмотрим конструкцию кабеля АСГ-10 более подробно. Поперечное сечение представлено на рис. 1.
Рис. 6 схема поперечного сечения кабеля АСГ-10
На данном рисунке:
Для расчётов необходимо построить модель геометрически как можно более точно соответствующую реальности. Для этого недостаточно только схематического изображения, необходимы так же и размеры всех элементов. Недостающую информацию (для кабелей Российского производства) можно получить из отраслевого стандарта (ОСТ) института кабельной промышленности (ВНИИКП). В таблице 2 для каждого номинального напряжения приведены геометрические характеристики соответствующего кабеля.
Таблица 3. Геометрические размеры кабелей АСГ10.
Как видно из таблицы, геометрические размеры при увеличении поперечного сечения жил изменяются не пропорционально. Для примера на рис. 7 представлены геометрии кабелей с номинальным сечением жил 25 мм2 и 240 мм2 соответственно.
Рис. 7 Геометрия кабелей, с номинальным сечением жил 25 мм2 и 240 мм2 соответственно. Кроме геометрических размером, для расчёта необходимы свойства материалов, из которых кабель изготовлен. В данном контексте отдельного упоминания заслуживает внутренняя изоляция, находящаяся между жилами кабеля. Как было показано на схеме и в таблице 1, внутренняя изоляция представляет из себя бумагу, пропитанную вязким составом. В данной модели кабеля бумага для изоляции пропитывается вязким изоляционным составом на основе кабельного масла (пропитывается в процессе изготовления кабеля, т.е. уже на жиле). Диэлектрическая проницаемость пропитанной бумаги eб определяется по следующему выражению:
где: eк - диэлектрическая проницаемость клетчатки, eк = (5-7) e0; eж - диэлектрическая проницаемость пропитывающей жидкости, для кабельного масла eж = 2,2 e0 ; a=1 - gб/ gк - относительный объем пор бумаги, а = 0,2-0,3 ; gб , gк- соответственно плотность бумаги и клетчатки. Для указанных максимальных значений а и eк диэлектрическая проницаемость бумаги, пропитанной кабельным маслом в соответствии с вышеприведённой формулой составляет 4,87 e0 . Остальные параметры, необходимые для расчётов можно взять из справочной литературы. Удельное сопротивление:
Диэлектрическая проницаемость:
Поиск по сайту: |
=0,
из этого равенства и подставить в остальные строчки первого уравнения. Тем самым мы и первое уравнение сведем к размерности 4*4.
