Последние достижения в кабельной технике

Электротехнический факультет

Специальность электроизоляционная, кабельная и конденсаторная техника

Кафедра конструирования и технологии электрической изоляции

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

На тему:

"Расчет конструкции силового кабеля на напряжение"

Введение

 

1. Обзор технической литературы

1.1 Последние достижения в кабельной технике

1.2 Обзор конструкций силовых кабелей

2. Обоснование выбора конструкции кабеля

3. Расчёт конструктивных элементов кабеля

3.1 Токопроводящая жила

3.2 Изоляция

3.3 Защитные покровы

4. Расчет электрических параметров кабеля

4.1 Сопротивление токопроводящей жилы постоянному и переменному току

4.2 Диэлектрические потери в изоляции, сопротивление изоляции, электрическая емкость кабеля, индуктивность жилы при замкнутых оболочках на землю

4.3 Потери полезной энергии в металлических оболочках кабеля

5. Тепловой расчёт кабеля

5.1 Расчёт тепловых сопротивлений конструктивных элементов и окружающей среды

5.2 Расчёт допустимого тока нагрузки, передаваемой мощности

5.3 Расчет распределения температуры в кабеле

5.4 Расчёт теплоёмкости конструктивных элементов. Расчёт постоянной времени нагрева. Кривые нагрева и охлаждения

5.5 Расчет зависимости температуры жилы от времени для тока нагрузки и тока перегрузки

5.6 Расчет зависимости тока перегрузки от времени перегрузки

5.7 Расчет зависимости тока короткого замыкания (с предшествующей и без предшествующей нагрузки) от времени срабатывания защиты

6. Расчет массы кабеля

7. Литература

Введение

 

Кабельные изделия предназначены для передачи электрической энергии или информации на расстояние, т.е. для создания самых разнообразных электрических, электронных, радиотехнических и волоконно-оптических схем и цепей. Ни одно современное техническое устройство, работа которого связана с использованием электрических и электронных схем, не может работать без кабелей и проводов, которые образуют системы электроснабжения, информатики и управления работой этого устройства [12].

Технический прогресс в различных отраслях народного хозяйства вызвал рост потребности в кабельной продукции и необходимость создания новых типов кабелей и проводов с более высокими характеристиками.

Современная кабельная техника характеризуется применением высоких напряжений и высоких частот, увеличением передаваемых мощностей, созданием кабелей и проводов для работы в условиях высоких и низких температур, высокой влажности окружающей среды, воздействия радиации и химически активных веществ, наличия вибрации и т.п. Повышенные требования к свойствам кабелей и проводов ограничивают возможность их удовлетворения с использованием существующих электроизоляционных материалов и вызывают необходимость создания новых, более совершенных материалов. Без применения специальных материалов невозможно создание новых типов кабелей и проводов для различных отраслей народного хозяйства. Вообще, потребность в изолированных кабелях и проводах возникла, как только появились генераторы электрической энергии, и стала необходимой передача ее на большие расстояния [15].

 

 

Обзор технической литературы

 

Последние достижения в кабельной технике

 

В настоящее время в отечественной практике электросетевого строительства всё большее применение находят кабели высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена. Однако уже неоднократно отмечалось, что неверно принятые проектные решения могут привести к сооружению кабельных линий с неоптимальными технико-экономическими показателями. Юрий Анатольевич Лавров считает, что обеспечить необходимую эксплуатационную надежность кабельных линий высокого напряжения можно только при комплексном рассмотрении всех факторов, влияющих на жизнь кабеля.

Применение в кабелях высокого напряжения (ВН) СПЭ-изоляции (ее также называют пластмассовой, соответственно кабели с такой изоляцией – КПИ) дает определенные преимущества по сравнению с маслонаполненными кабелями среднего и высокого давления. К основным преимуществам кабелей нового поколения следует прежде всего отнести более высокие значения пропускной способности, легкость монтажа, сниженные эксплуатационные затраты и отсутствие жидких компонентов. Однако относительно высокая стоимость КПИ ВН требует как на стадии выбора конструкции кабеля и проектирования кабельных линий (КЛ), так и на стадии их эксплуатации системного подхода, при котором необходимо по возможности учесть все факторы, влияющие на экономичность, эксплуатационную надежность, а в ряде случаев и экологичность КЛ.

Экономичность и эксплуатационная надежность

Основная задача проектировщика и эксплуатирующей организации заключается в нахождении золотой середины, когда спроектированная КЛ ВН будет иметь требуемую надежность эксплуатации, а также фактическую наработку не меньше регламентированного срока службы кабеля при минимальных стоимостных показателях КЛ, обусловленных себестоимостью и эксплуатационными издержками.

В процессе эксплуатации изоляционная конструкция КПИ ВН подвергается воздействию теплового поля (в нормальном режиме и в режимах перегрузки), а также электрического поля промышленной частоты и высокочастотных перенапряжений. Уровень и форма последних зависят от схем применения КПИ, которые условно можно разделить на следующие группы:

· использование КПИ 110–220 кВ в качестве кабельной вставки между ВЛ и КРУЭ (ОРУ) с длиной КЛ от 0,5 до 3,0 км с последующим электроснабжением потребителей посредством РКС СН;

· применение КПИ 220–500 кВ длиной в единицы километров для глубокого ввода мощности в города-мегаполисы с последующим электроснабжением потребителей через РКС ВН и СН;

· применение КПИ 220–500 кВ длиной 1–2 км для вывода мощности на ГЭС со стороны нижнего бьефа на КРУЭ 220–500 кВ, расположенного на верхнем бьефе станции;

· при пересечении ВЛ 500 кВ коридора, в котором проходят несколько цепей ВЛ 110–220 кВ, вместо применения высоких переходных опор в месте пересечения используется кабельная вставка длиной 0,3 – 0,5 км;

· применение в городских РКС ВН кабельных линий 110–220 кВ длиной 5–15 км, осуществляющих связь между генерирующими источниками (ТЭС, ТЭЦ) и КРУЭ.

Грозоупорность

Технико-экономическая координация изоляции КПИ ВН, связанная с приведением изоляции к норме, должна осуществляться с учетом современных концепций оценки грозоупорности объектов электроэнергетики. В частности, для правильного выбора защитных характеристик ОПН необходимо принимать во внимание:

· расстояние от места грозового поражения ВЛ до кабельной вставки;

· схему применения КПИ;

· случайный характер ориентировки канала лидера разряда молнии в системе «грозотрос – провода ВЛ – земля»;

· реальную форму волны тока молнии;

· динамические свойства вольтамперной характеристики ОПН при воздействии крутых волн.

Следует отметить, что для повышения эксплуатационной надежности и срока службы КПИ ВН наряду с ограничением грозовых перенапряжений желательно уменьшить частость их воздействия и снизить крутизну импульсных волн напряжения. Для достижения этих целей на стадии проектирования могут быть предусмотрены по отдельности или в сочетании мероприятия (оптимальные для конкретного проекта):

· в зависимости от схемы применения установка ОПН по концам (или с одной стороны) кабельной вставки;

· применение на двухцепных ВЛ 110–220 кВ дифференциальной линейной изоляции;

на подходе к кабельной вставке:

· включение в рассечку провода ВЧ-заградителя (иногда с параллельным подключением ОПН);

· применение продольных защитных устройств с высокоомной оболочкой из ферромагнитного материала;

· выполнение на нескольких ближайших опорах сниженного сопротивления заземляющего устройства;

· замена провода типа АС на провод типа СА (провод повышенной механической устойчивости, который применяется для ВЛ в горных условиях, внутри провода алюминиевый сердечник, сверху – стальные проволоки);

· применение подвесных разрядников (ОПН).

Тепловой режим

Экономичность, эксплуатационная надежность и фактический срок службы КПИ ВН зависят в том числе и от теплового режима эксплуатации кабелей, который определяется способом прокладки кабелей, условиями теплоотвода, схемой заземления экранов, наличием или отсутствием транспозиции экранов, количеством рядом расположенных цепей, наличием внешних источников тепла и локальных специфических мест с худшими условиями теплоотвода и т.д. Из перечисленного перечня факторов остановимся на двух, которые в настоящее время не совсем отработаны в нормативном и методическом планах: выбор конструкции кабеля (по токовой нагрузке) и применение специальных схем соединения экранов. На первой стадии выбора конструкции кабеля (сечения токопроводящей жилы) расчет теплового режима эксплуатации КЛ по токовой нагрузке осуществляется приближенно, с использованием так называемых поправочных коэффициентов, учитывающих специфику грунта, прокладки и т.д. После выбора конструкции кабеля должен осуществляться уточненный расчет теплового режима КЛ на основе методики МЭК 60287 (при необходимости численных расчетов методом конечных элементов). Как правило, уточненный расчет теплового поля с учетом всех нюансов в качестве технической поддержки осуществляют сервисные технические службы предприятий-изготовителей кабелей либо квалифицированные специалисты. Однако на практике встречаются случаи, когда выбор конструкции кабеля и условий его прокладки ограничивается стадией инженерных прикидок, что не совсем правильно.

Для повышения пропускной способности КПИ ВН применяют специальные схемы заземления и соединения экранов, которые позволяют убрать дополнительный источник тепла в изоляционной кабельной конструкции за счет устранения протекания продольных токов по экранам кабеля. К реализации этой идеи необходимо подходить осторожно, с позиции разумной достаточности, поскольку целесообразность выбора схемы заземления экранов по концам КЛ, одностороннего заземления (многоразрывного одностороннего заземления) или транспозиции экранов зависит от многих взаимосвязанных факторов: передаваемой мощности, сечения токопроводящей жилы, способа прокладки, условий теплоотвода, наличия принудительной вентиляции, длины КЛ и других.

На практике также встречались случаи, когда на относительно коротких участках КЛ (длиной до 1,5–2 км) и при относительно небольшой передаваемой мощности проектировалась не просто схема одностороннего заземления экрана (что требовало минимальных финансовых вложений), а выбиралась схема транспозиции экранов. Помимо увеличенных стоимостных показателей КЛ, дополнительно появлялась проблема защиты оболочек в местах их специального соединения от импульсных воздействий. Поэтому выбор той или иной схемы соединения экранов должен производиться совместно с тепловым расчетом КЛ на основе технико-экономического обоснования, поскольку может оказаться экономически выгоднее несколько увеличить сечение токопроводящей жилы (или перейти с алюминиевой на медную) по сравнению со случаем применения транспозиции экранов, где необходимо предусматривать по трассе КЛ обслуживаемые колодцы для узлов транспозиции, разделительные (транспозиционные) муфты, защитные аппараты для оболочек и т.д. Наряду с вышеотмеченными моментами на надежность эксплуатации и срок службы КПИ ВН также влияют условия их эксплуатации: например, фактические (которые могут не соответствовать проектным) условия теплового воздействия на КЛ в нормальном режиме и режимах перегрузки, а также периодичность, форма и уровни напряжений при профилактических испытаниях.

Необходимость мониторинга для получения фактических тепловых условий эксплуатации КЛ (позволяющих прогнозировать их остаточный ресурс и при необходимости оперативно изменять токовую нагрузку) необходимо применять современные системы мониторинга в режиме реального времени на основе оптоэлектронных устройств, оптоволокна (распределенного температурного датчика, встроенного непосредственно в силовой кабель либо прикрепленного к кабелю снаружи) и удобных (наглядных) для диспетчера сервисных программ. При этом результаты постоянного контроля температурной кривой на поверхности кабеля вдоль трассы КЛ должны записываться в электронную базу данных с момента ввода КЛ в работу и до конца ее эксплуатации. К основным задачам непрерывного мониторинга следует отнести:

· определение и фиксацию случаев превышения номинальной рабочей (а также максимальной допустимой) температуры кабеля по времени и месту вдоль трассы КЛ;

· своевременное (превентивное) предотвращение токовых перегрузок КЛ;

· прогнозирование допустимой нагрузки при достижении кабелем максимальной расчетной температуры;

· на основе превентивных мер создание оптимальных токовых нагрузок КЛ, обеспечивающих непрерывность электроснабжения потребителей и снижение вероятности возникновения аварийных событий;

· прогнозирование остаточного ресурса кабеля на основе комплексной диагностики технического состояния КЛ.

Если в результате измерений и проверок окажется, что фактическая температура жил кабелей выше допустимого значения или обнаружатся участки с неудовлетворительными условиями охлаждения, то необходимо выполнить следующие мероприятия: улучшить вентиляцию в туннелях и каналах; засыпать траншеи грунтом с более высокой теплопроводностью; уменьшить токовую нагрузку на кабель до необходимой величины. К сожалению, существующие зарубежные системы мониторинга в настоящее время довольно дороги и не каждое предприятие может себе позволить их установить. Вместе с тем определение локальных перегревов и превышения допустимой температуры кабеля (с возможностью передачи информации в наглядном виде на диспетчерский пульт) может быть осуществлено, например, при использовании отечественной системы мониторинга типа ПТС‑1000 (фирмы «Седатэк»), которая стоит дешевле, но по техническим характеристикам не уступает зарубежным аналогам.

Выбор сечения экранов

Вопрос термической устойчивости экранов остро стоял для КПИ первого поколения, в конструкции которых экраны представляли собой медную ленту толщиной 0,15–0,25 мм. В электрических сетях номинальным напряжением 110 кВ и выше (с эффективно заземленной нейтралью) при электрическом пробое КПИ в зависимости от мощности подстанции по экрану кабеля протекали токи КЗ в десятки кА, которые приводили к повреждению (выгоранию) экрана на значительной длине. Для локализации места повреждения экрана предлагалось использовать дополнительный проводник, который располагался в непосредственной близости от трех фаз КЛ (например, в центре фаз, расположенных треугольником вплотную), а необходимое сечение проводника определялось мощностью подстанции и временем отключения короткого замыкания в конкретной сети. Очевидно, что эксплуатация КПИ с дополнительным проводником была связана с определенными трудностями. В конструкциях КПИ второго поколения наряду с совершенствованием в технологии изготовления изоляционной системы было увеличено сечение экрана, который выполнялся уже из определенного количества медных проволок, поверх которых навивалась медная лента.

В настоящее время номенклатурный ряд сечений жил КПИ, выпускаемых отечественными предприятиями-производителями, находится в интервале 50–800 мм² с соответствующим интервалом сечений экранов 16–50 мм². По специальному заказу производители могут изготовить КПИ с увеличенным до 70–95 мм² сечением экрана.

На практике имеют место случаи, когда выбирают необоснованно высокие значения сечений экранов, что может привести к необоснованному удорожанию строительства КЛ. По состоянию на 01.01.2007 г., средняя цена 1 км фазы КПИ с сечением токопроводящей жилы 500 мм² и сечением экрана 50 мм² составляет 650 тыс. руб. Этот же кабель, но с увеличенным до 70 мм² сечением экрана стоит 730 тыс. руб./км. Таким образом, уже на стадии проектирования себестоимость строительства КЛ для заказчика может увеличиться. Эти цифры свидетельствуют о необходимости тщательного определения расчетным путем для конкретной проектируемой схемы величин токов КЗ, протекающих по экранам кабелей, и далее по номограммам, приведенным в каталогах предприятий-изготовителей КПИ, следует определить требуемое сечение экрана.

Диагностика изоляции

Для получения полной картины о фактической наработке кабеля необходимо проводить комплексную диагностику технического состояния изоляционной системы КПИ, когда наряду с информацией о тепловом режиме эксплуатации КЛ проводится анализ основных количественных характеристик диагностируемых параметров (напряжение зажигания частичных разрядов (ЧР), выделяемая ЧР энергия, tg , С, Rиз). В идеале эксплуатационный персонал интересует:

· максимально достоверный прогноз остаточного ресурса кабеля;

· рекомендации по дальнейшим условиям эксплуатации КЛ;

· сроки проведения следующего диагностического обследования;

· периодичность профилактических испытаний и их параметры (уровень, частота и длительность приложенного напряжения).

К сожалению, эти рекомендации пока невозможно корректно разработать, поскольку в настоящее время нет достаточно полной ясности в выявлении признаков дефектов СПЭ-изоляции, их пороговых (количественных) значений, а также алгоритмов по оценке динамики деградации изоляционной системы. Вместе с тем научный прогресс в области микро- и макроисследований по выявлению основных факторов, снижающих электрическую прочность СПЭ-изоляции, позволяет надеяться, что в ближайшем будущем будут разработаны формализованные критерии оценки фактического состояния изоляционной системы кабеля, представляющие собой физико-математические модели исправного (работоспособного без ограничений), дефектного (работоспособного с ограничениями) и аварийного (требующего плановой замены) кабеля.

Экологические аспекты проектирования

Вопросы электромагнитной совместимости КЛ ВН с биосферой возникают, когда прокладываются кабели по дну водоема и в кабельных сооружениях.

В первом случае с помощью рационального выбора конструкции кабеля, способов прокладки отдельных фаз КЛ и режимов ее эксплуатации можно снизить до допустимой величины для ихтиофауны интенсивность электромагнитного поля вдоль подводной трассы КЛ. Во втором случае, когда прокладываются в кабельных тоннелях многоцепные КЛ 110-220-500 кВ с большими токовыми нагрузками в 1,5-2,5 кА, необходимо обеспечить нормируемый предельно допустимый уровень по напряженности магнитного поля для эксплуатационного и ремонтного персонала. Это достигается за счет рационального сближения отдельных фаз КЛ (с учетом теплового режима ее эксплуатации) и оптимальной взаимной «фазировки» кабелей многоцепных КЛ. В рассматриваемом случае итеративно проводится численный расчет теплового и магнитного полей и при необходимости выдвигаются требования к ограничению по времени пребывания персонала вблизи трассы многоцепных КЛ.

Обеспечение необходимой эксплуатационной надежности и высоких технико-экономических показателей КЛ ВН может быть достигнуто только при комплексном рассмотрении всех факторов, влияющих на состояние кабеля от его выбора (выбора конструкции и принятия рациональных решений на стадии проектирования) до окончания срока его службы (определяемого фактической наработкой на стадии эксплуатации) [1].