Номера

2017

2016

2015

2014

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2007

2006

О журнале

Сотрудничество

Рекламодателю

Подписка

Главная / №2 (20) Март-Апрель 2008 / Тема номера

Расчет эксплуатационных характеристик силовых кабелей

Электрический кабель содержит следующие элементы (рис. 1): токопроводящую жилу, изоляцию, электрический экран, защитный покров. Электрическое поле в кабеле, как правило, находится между жилой и экраном. Функцию экрана может выполнять герметичная металлическая оболочка, обмотка металлической лентой, обмотка или оплетка проволоками и т. д. Высоковольтный кабель обязательно имеет экран. Кабель защищен от воздействия окружающей среды защитным покровом, поэтому он может быть проложен под землей, под водой и на открытом воздухе. Это является отличительным признаком кабеля от провода.

Провод содержит: токопроводящую жилу, изоляцию и легкий защитный покров. Электрическое поле в проводе, как правило, выходит за пределы геометрических размеров провода. Исключением являются экранированные провода. Провод слабо защищен от воздействия окружающей среды, поэтому применяется в аппаратуре, закрытых помещениях и т. д.

Ток нагрузки одножильного силового кабеля вычисляется по формуле:

где Tж — температура жилы; T0 — температура окружающей среды; Σs — сумма тепловых сопротивлений элементов конструкции кабеля и окружающей среды.

Формула значительно усложняется, когда необходимо учесть: диэлектрические потери в изоляции, потери в экранах (проводящих оболочках), поверхностный эффект и эффект близости в токопроводящих жилах. Кроме того, кабели имеют различные защитные покровы, теплофизические характеристики которых существенно отличаются, например удельное тепловое сопротивление полиэтилена составляет 3,5°С·м/Вт, в то время как поливинилхлоридного пластиката — 5,0.

Удельное тепловое сопротивление грунта обычно принимается при расчетах равным 1,2°С·м/Вт, а температура 15°С с тем, чтобы можно было сравнить токовые нагрузки различных кабелей. Однако в реальных условиях эти величины отличаются от расчетных в зависимости от того, какой грунт: песок или глина, влажный он или сухой.

При прокладке на воздухе токовые нагрузки зависят от расположения кабелей (рис. 2) и степени черноты поверхности, так как мощность теплового потока от Солнца составляет 1 кВт/м2.

При прокладке кабеля в канале возможны варианты: в металлическом кабелепроводе, в желобе из волокнистого материала на воздухе, в желобе из волокнистого материала в бетоне, в асбестоцементной трубе на воздухе, в асбестоцементой трубе в бетоне и в керамической трубе.

В справочниках приводятся усредненные токовые нагрузки, которые могут отличаться от нагрузок, рассчитанных с учетом перечисленных выше условий, на 15-20%.

На рис. 3 представлен пример программы расчета токовых нагрузок по методике, рекомендуемой МЭК (Международной электротехнической комиссией). Программа предназначена для кабелей с пропитанной бумажной изоляцией на напряжения 1-10 кВ (ААШв и др.), 20-35 кВ (АОСБ и др.), с поливинилхлоридной изоляцией на 0,66-6 кВ (АВВГ и др.), с полиэтиленовой изоляцией на 1 кВ (АПвБбШв и др.), и 6-35 кВ (АПвВ и др.), а также проводов СИП. Результатами расчета по этой программе являются: электрическое сопротивление токопроводящей жилы постоянному и переменному току, поверхностный эффект и эффект близости, диэлектрические потери в изоляции, потери в экранах для одножильных кабелей, тепловые сопротивления изоляции, защитных покровов и окружающей среды, ток нагрузки, ток короткого замыкания, индуктивность токопроводящей жилы и электрическая емкость кабеля.

Расчет производится для различных условий прокладки кабеля: в земле, на воздухе и в канале. Можно изменять температуру окружающей среды, максимально допустимую температуру токопроводящей жилы, удельное тепловое сопротивление грунта, тепловое излучение Солнца, скорость ветра, размеры канала и т. д.

Особую сложность представляют расчеты температурных полей нагревательных кабелей, расположенных в нефтяных скважинах. На рис. 4 и 5 дан сравнительный анализ двух вариантов рассчитанных в пакете прикладных программ ANSYS.

На рис. 4 и 5 видно, что при мощности 100 Вт/м температура нефти в насосно-компрессорной трубе (НКТ) составит 47°С, в то время как при нагреве геофизическим кабелем, расположенным в НКТ, — 43°С при мощности 24 Вт/м. Следовательно, нагрев кабелем, расположенным внутри НКТ требует в 4 раза меньшей мощности, чем нагрев кабелем, расположенным снаружи НКТ.

Л. А. КОВРИГИН, д.т.н., профессор кафедры конструирования и технологии электрической изоляции Пермского государственного технического университета.

Д. П. ГИБЕРТ, аспирант кафедры конструирования и технологии электрической изоляции.