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
.1 Расчет площади сечения и формы токоведущей жилы
.2 Расчет толщины изоляции. Расчет зависимости напряженности электрического поля в толще изоляционного слоя
.3 Защитные покровы
. Расчет электрических параметров кабеля
.1 Расчет сопротивления токоведущей жилы постоянному и переменному току
.2 Расчет диэлектрических потерь в изоляции, сопротивления изоляции, электрической емкости кабеля, индуктивности жилы при замкнутых оболочках на землю
. Тепловой расчет кабеля
.1 Расчет тепловых сопротивлений конструктивных элементов и окружающей среды
.2 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
.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;- 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; ? - угол сектора, ( при 5 секторах ?==0,4)
Тогда:
R===63; с учетом коэффициента 1,02 получим:
R=64 см
.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 53000 В/мм. Напряжение линии 50000 В. Для расчета толщины изоляции составим пропорцию:
/1=50000/х мм.
Принимаем толщину изоляции 15 мм.
.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
.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
.1 Расчет сопротивления токоведущей жилы постоянному и переменному току
Находим сопротивление жилы :
Rж=(1+?
где :
? - коэффициент повышения сопротивления в зависимости от температуры - 0,00403 К-1;
?-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.
.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 ?,?0 - величины проницаемости среды, ?=2,3; ?0=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 ;-диаметр жилы 64 мм ;- диаметр брони 85мм ;
? - 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:
? Р= ? Ра+ ? Ре+ ? Рт;
где :
? Ра -активное сопротивление ;
? Ре -емкостное сопротивление ;
? Рт -энергия затрачиваемая на перемагничивание брони .
? Ра =R==1104 Вт;
? Ре= UI с=50000=4350 Вт;
? Рт===70336 Вт;
?Р?=1104+4350+70336=75790=75,454 кВт;
Потери составят ?=0,000757%.
3. Тепловой расчет кабеля
.1 Расчет тепловых сопротивлений токоведущей жилы постоянному и переменному току
Тепло, выделяемое на проводнике, равно потерям ?Ра= 1104 Вт. Это тепло необходимо рассеять в пространство. Максимальный тепловой поток определим по формуле:
W=
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 :=0,00352=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
на толщину наружного покрова :
S4=0,005 См*м/Вт.
W===1167 ?
Ра=1104 Вт; Условия рассеивания выполняются.
.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;
?-проводимость алюминия - 8 А/мм
Imax==500; количество жил - 5, суммарный ток 20 кА.
Теплота, выделяемая в кабеле:
? Рамакс=Rжп==1104;
В то время как W=1167; Определим максимальный ток по выполнению условия рассеивания:=1167/0,00000276=(20566)2; Imax=20,56 кА;
Тогда максимальная передающая мощность составит:
Рмакс=50000
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 ;
.Мпэ-масса 1 метра поясной изоляции кабеля из самозатухающего и вулканизированного полиэтилена ;
.Мс т-масса1метра брони кабеля из стальных лент ;
.Мкп - масса 1 метра наружного покрова кабеля из ПВХ шланга .
Масса находиться произведением объема на плотность. Плотности веществ:
1.?Ал=2698,9 кг/м3; ?ПВХ=1200 кг/м3;
2.?ПЭ=960 кг/м3; ?Ст=7700 кг/м3;
М ж==1,3493 кг; - масса жилы;
МпВх=1200-)/4=0,295кг - масса изоляции;
Мпэ=9603,14)/4=0,2445 кг - масса поясной изоляции;
Мс=3,14)/4=38,5 кг - масса стали;
Мкп=120018,3 кг - масса наружного покрова кабеля из ПВХ шланга.
Таким образом, масса 1 метра кабеля составит:
М=1,349366,195 кг.
Список литературы
1.Пешков И.Б. Кабели и провода. Издательство Энергоатомиздат , 2009г .
2.Бачелис Д.С. Электрические кабели, провода и шнуры (справочник). Под общ.ред. Н.И. Белорусова. Изд.3-е, прераб.М., «Энер -гия» ,1971г.
.Белорусов Н.И. Электрические кабели и провода (теоретические основы кабелей и проводов, их расчет и конструкции) ,М., «Энергия» ,1971г .