Номограмма построена на основании уравнения (7.1), выражающего зависимость температуры жилы непосредственно после от температуры жилы до КЗ, режима КЗ, конструктивных и теплофизических параметров жилы:

где Он – температура жилы до КЗ, °С, вычисляется по формуле (7.3);

a – величина, обратная температурному коэффициенту электрического сопротивления при 0°С, равная 228 °С;

где b – постоянная, характеризующая теплофизические характеристики материала жилы, равная для алюминия 45,65 кА;

Втер – тепловой импульс от тока КЗ, кА2·с – формула (2.45);

s – сечение жилы, мм2.

На номограмме по горизонтальной оси отложены значения температуры жилы до (н), а по вертикальной – значения температуры после (?к) для значений коэффициента k, характеризующего связь между тепловым импульсом, сечением жилы и теплофизическими характеристиками материала жилы.

Значение начальной температуры жилы до определяется по формуле:
n


где 0 – фактическая температура окружающей среды во время КЗ, °С;

дд – значение расчетной длительной допустимой температуры жилы, °С, равная для кабелей с пропитанной бумажной изоляцией на 1 кВ – 80°С, 6 кВ – 65°С и 10 кВ – 60°С, для кабелей с пластмассовой изоля

цией – 70°С и для кабелей с изоляцией из вулканизированного полиэтилена – 90°С;

окр – значение расчетной температуры окружающей среды (воздуха) 25°С;

Iраб – значение тока перед (рабочий двигателя), А, определяется через номинальный электродвигателя Iдн и коэффициент загрузки кзгр по формуле:

где номинальный Iдн вычислен по формуле:

Iдоп – длительно допустимый кабеля с учетом поправки на число рядом проложенных кабелей и на температуру окружающей среды, А, определяется по формуле:

где длительно допустимые токи Iдд для кабелей различных сечений принимаются по табл.7.2, 7.3 .

Для кабелей, проложенных в воздухе внутри и вне зданий, при любом их числе к’ = 1. Значение к» можно определить по формуле:

где температуры дд, 0, окр имеют тот же смысл, что и в формуле вычисления начальной температуры нагрева жил кабеля (7.3).

В режиме АПВ и АВР значения начальной температуры принимаются равными значению температуры после первого воздействия тока КЗ.

Таблица 7.2. Значения длительно допустимых токов Iдд для трехжильных кабелей с медными и алюминиевыми жилами с бумажной пропитанной изоляцией, прокладываемых в воздухе

2. Нагрузки для трехжильных кабелей 1 кВ действительны и для четырехжильных кабелей с нулевой жилой меньшего сечения.

3.Нагрузки для четырехжильных кабелей с жилами равного сечения определяются умножением нагрузок для трехжильных кабелей на коэффициент 0,93.

Таблица 7.3. Значения длительно допустимых токов Iдд для кабелей на 1 кВ с резиновой и пластмассовой изоляцией, с медными и алюминиевыми жилами, прокладываемых в воздухе



Примечания: 1. Нагрузки для кабелей с алюминиевыми жилами указаны в знаменателе.

2. Нагрузки для определяются умножением нагрузок, приведенных в таблице, на коэффициент 0,95.

3. Нагрузки для определяются умножением нагрузок, приведенных в таблице, на коэффициент 1,16.

4. Нагрузки для четырехжильных кабелей с жилами равного сечения определяются умножением нагрузок для трехжильных кабелей на коэффициент 0,882.

Страница 1 из 8

Силовая кабельная линия - это линия для передачи электрической энергии, состоящая из одного или нескольких параллельных кабелей с соединительными. стопорными и концевыми муфтами (заделками) и крепежными деталями. В силовых кабельных линиях наиболее широко используются кабели с бумажной и пластмассовой изоляцией. Тип изоляции силовых кабелей и их конструкция влияют не только на технологию монтажа, но и на условия эксплуатации силовых кабельных линий. В особенности это касается кабелей с пластмассовой изоляцией. Так в результате изменяющихся при эксплуатации нагрузок и дополнительного нагрева, обусловленного перегрузками и токами короткого замыкания, в изоляции кабелей возникает давление от увеличивающегося при нагреве полиэтилена (поливинилхлорида), которое может растягивать экраны и оболочки кабелей, вызывая их остаточные деформацию. При последующем охлаждении вследствие усадки в изоляции образуются газовые или вакуумные включения, являющиеся очагами ионизации. В связи с этим будут изменяться ионизационные характеристики кабелей. Сравнительные данные по величине температурного коэффициента объемного расширения различных материалов, используемых в конструкциях силовых кабелей приведенные в таблице 1.

Таблица 1. Температурные коэффициенты объемного расширения материалов, применяемых в конструкции силовых кабелей

При этом следует отметить, что наибольшая величина температурного коэффициента объемного расширения имеет место при температурах 75-125°С. соответствующего нагреву изоляции при кратковременных перегрузках и токах короткого замыкания.

Бумажная пропитанная изоляция жил кабелей имеет высокие электрические характеристики. продолжительные срок службы и сравнительно высокую температуру нагрева. Кабели с бумажной изоляцией лучше сохраняют свои электрические характеристики в процессе эксплуатации при возникавших частых перегрузах и связанных с этим дополнительных нагревах.

Для обеспечения длительной и безаварийной работы кабельных линий необходимо, чтобы температура жил и изоляции кабеля в процессе эксплуатации не превышала допустимых пределов.

Длительно допустимая температура токопроводящих жил и допустимый их нагрев при токах короткого замыкания определяются материалом изоляции кабеля. Максимально допустимые температуры жил силовых кабелей для различного материала изоляции жил приведены в табл. 2.

Таблица 2. Максимально допустимые температуры жил силовых кабелей

Изоляция жил

Напряжение кабеля, кВ

Длительно допустимая температура жил кабеля, РС

Допустимый нагрев жил при токах короткого замыкания, °С

Бумажная пропитанная

Пластмассовая:

поливинилхлоридный

пластикат

полиэтилен

вулканизирующийся

полиэтилен

Резиновая

Резиновая повышенной теплостойкости

Примечание: Допустимый нагрев жил кабелей из поливинилхлоридного пластиката и полиэтилена в аварийном режиме должен быть не более 80°С, из вулканизирующегося полиэтилена – 130°С.

Продолжительность работы кабелей в аварийном режиме не должна превышать 8 ч в сутки и 1000 час. за срок службы. Кабельные линии напряжением 6-10 кВ, несущие нагрузки меньше номинальных, могут кратковременно перегружаться при условиях, приведенных в табл. 3.

Таблица 3. Допустимые перегрузки по отношению к номинальному току кабельных линий напряжением 6-10 кВ

Примечание: Для кабельных линий, находящихся в эксплуатации более 15 лет, перегрузки должны быть понижены на 10%. Перегрузка кабельных линий на напряжение 20 ÷35 кВ не допускается.

Любая силовая кабельная линия помимо своего основного элемента - кабеля, содержит соединительные и концевые муфты (заделки), которые оказывают значительное влияние на надежность всей кабельной линии.

В настоящее время при монтаже, как концевых муфт (заделок) так и соединительных муфт широкое применение находят термоусаживаемые изделия из радиационно-модифицированного полиэтилена. Радиационное облучение полиэтилена приводит к получению качественно нового электроизоляционного материала, обладающего уникальными комплексами свойств. Так, его нагревостойкость возрастает с 80 °С до 300°С при кратковременной работе и до 150 °С при длительной. Этот материал отличается высокими физико-механическими свойствами: термостабильностью, хладостойкостью, стойкостью к агрессивным химическим средам, растворителями, бензину, маслам. На ряду со значительной эластичностью он обладает высокими диэлектрическими свойствами, сохраняющимися при весьма низких температурах. Термоусаживаемые муфты и заделки монтируют как на кабелях с пластмассовой, так и кабелях с бумажной пропитанной изоляцией.

Проложенный кабель подвергается воздействию агрессивных компонентов среды, которые обычно являются разбавленными в той или иной степени химическими соединителями. Материалы, из которых изготовлены оболочка и броня кабелей, имеют разную коррозийную стойкость.

Свинец устойчив в растворах, содержащих серную, сернистую, фосфорную, хромовую и фторно-водородную кислоты. В соляной кислоте свинец устойчив при ее концентрации до 10%.

Наличие хлористых и сульфатных солей в воде или почве вызывает резкое торможение коррозии свинца. поэтому свинец устойчив в солончаковых почвах морской воде.

Азотно-кислотные соли (нитраты) вызывают сильную коррозию свинца. Это весьма существенно, так как нитраты образуются в почве в процессе микробиологического распада и вносятся в нее в виде удобрений. Почвы по степени возрастания их агрессивности по отношению к свинцовым оболочкам можно распределить следующим образом:

а) солончаковые; б) известковые; в) песчаные; г) черноземные; д) глинистые; е) торфяные.

Углекислота и фенол значительно усиливает коррозию свинца. Свинец устойчив в щелочах.

Алюминий устойчив в органических кислотах и неустойчив в соляной, фосфорной, муравьиной кислотах. а также в щелочах. Сильно агрессивное действие на алюминий оказывают соли, при гидролизе которых образуются кислоты или щелочи. Из нейтральных солей (рН=7) наибольшей активностью обладают соли, содержащие хлор, так как образующиеся хлориды разрушают защитную пленку алюминия, поэтому наиболее агрессивными для алюминиевых оболочек являются солончаковые почвы. Морская во да, главным образом из-за наличия в ней ионов хлора, также является для алюминия сильно агрессивной средой. В растворах сульфатов, нитратов и хромов алюминий достаточно устойчив. Коррозия алюминия значительно усиливается при контакте с более электроположительным металлом, например свинцом, что, имеет место при установке соединительных муфт, если не принято специальных мер.

При монтаже свинцовой соединительной муфты на кабеле с алюминиевой оболочкой образуется контактная гальваническая пара свинец-алюминий, в которой алюминий является анодом, что может вызвать разрушение алюминиевой оболочки через несколько месяцев после монтажа муфты. При этом повреждение оболочки происходит на расстоянии 10-15 см от шейки муфты, т.е. на том месте, где с оболочки при монтаже снимаются защитные покровы. Для устранения вредного действия подобных гальванических пар муфту и оголенные участки алюминиевой оболочки покрывают кабельным составом марки МБ-70(60), разогретом до 130 °С, и сверху накладывают липкую поливинилхлоридную ленту в два слоя с 50%-ным перекрытием. Поверх липкой ленты накладывают слой просмоленной ленты с последующим покрытием ее битумным покровным лаком марки БТ-577.

Поливинилхлоридный пластикат негорюч, обладает высокой стойкостью против действия большинства кислот, щелочей и органических растворителей. Однако его разрушают концентрированные серная и азотная кислоты, ацетон и некоторые другие органические соединения. Под воздействием повышенной температуры и солнечной радиации поливинилхлоридный пластикат теряет свою пластичность и морозостойкость.

Полиэтилен обладает химической стойкостью к кислотам, щелочам, растворам солей и органическим растворителям. Однако полиэтилен под воздействием ультрафиолетовых лучей становится хрупким и теряет свою прочность.

Резина, применяемая для оболочек кабелей, хорошо противостоит действию масел, гидравлических и тормозных жидкостей, ультрафиолетовых лучей, а также микроорганизмов. Разрушающие действуют на резину растворы кислот и щелочей при повышенных температурах.

Броня, изготавливаемая из низко углеродной стали, обычно разрушается намного раньше, чем начинает коррозировать оболочка. Броня сильно коррозирует в кислотах и весьма устойчива в щелочах. Разрушающее действуют на нее сульфатвосстанавливаю щие бактерии, выделяющие сероводород и сульфиды.

Покровы из кабельной пряжи и битума практически не защищают оболочку от контакта с внешней средой и довольно быстро разрушаются в почвенных условиях.

Электрохимическая защита кабелей от коррозии осуществляется путем катодной поляризации их металлических оболочек, а в некоторых случаях и брони, т.е. накладыванием на последние отрицательного потенциала. В зависимости от способа электрической защиты катодная поляризация достигается присоединением к оболочкам кабелей катодной станции, дренажной и протекторной защиты. При выборе способа защиты учитывается основной фактор, вызывающий коррозию в данных конкретных условиях.

Марка силового кабеля характеризует основные конструктивные элементы и область применения кабельной продукции.

Буквенные обозначения конструктивных элементов кабеля приведены в табл. 4.

Таблица 4. Буквенные обозначения конструктивных элементов кабеля

Конструктивный элемент кабеля

Материал

Буквенное обозначение

Медь Алюминий

Нет буквы А

Изоляция жил

Нет буквы П В Р

Поясная изоляция

Бумажная Полиэтиленовая Поливинилхлоридная Резиновая

Нет буквы П В Р

Оболочка

Свинцовая Алюминиевая гладкая Алюминиевая гофрированная Поливинилхлоридная Полиэтиленовая негорючая резина

С А А г
В П Н

Бумага и битум Без подушки Полиэтиленовая (шланг) Поливинилхлоридная: один слой пластмассовой ленты типа ПХВ два слоя пластмассовой ленты типа ПХВ

Нет буквы б в

Стальная лента Проволока плоского сечения Проволока круглого сечения

Наружный кабельный покров

Кабельная пряжа Без наружного кабельного покрова Стеклянная пряжа из штапелированного волокна (негорючий кабельный покров) Полиэтиленовый шланг Поливинилхлоридный шланг

Нет буквы,

Примечание: 1. Буквы в обозначении кабеля располагаются в соответствии с конструкцией кабеля, т.е. начиная от материала жилы и заканчивая наружным кабельным покровом.

2. Если в конце буквенной части марки кабеля стоит буква "П", написанная через черточку, то это означает, что кабель имеет по сечению плоскую форму, а не круглую.

3. Обозначение контрольного кабеля отличается от обозначения силового кабеля только тем, что после материала жилы кабеля ставится буква "К".

После букв стоят числа, указывающие число основных изолированных жил и их сечение (через знак умножения), а также номинальное напряжение (через тире). Число и сечение жил у кабелей с нулевой жилой или заземляющей жилой обозначается суммой чисел.

Наиболее широкое применение находят кабели следующих стандартных сечений жил: 1,2; 1,5; 2,0;2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 16; 25; 35; 50; 70; 95; 120; 150; 185; 240 мм.

Предельно допустимая температура нагрева кабеля имеет большое значение, так как от нее зависят нагрузочная способность, срок службы и надежность работы кабеля.

Каждый вид изоляции кабеля рассчитан на определенную длительно допустимую температуру, при которой старение изоляции проходит медленно. Превышение температуры нагрева кабеля выше допустимой ускоряет процесс старения изоляции и сокращает срок службы кабеля.

При нагревании кабеля наиболее быстрому старению подвергается бумажная изоляция, механическая прочность и эластичность которой при этом понижаются. Длительно допустимые температуры для силовых кабелей стационарной прокладки приведены в табл. 17.

Таблица 17.
Длительно допустимая температура нагрева жил кабелей

При включении кабеля под нагрузку вначале нагреваются его жилы, а затем изоляция и оболочка. Опытными измерениями установлено, что перепад температуры между жилой и оболочкой кабеля напряжением 6 кВ примерно 15 °С, а для кабелей 10 кВ - 20 °С. Поэтому в практических условиях обычно ограничиваются измерением температуры оболочки, учитывая, что температура жилы кабеля выше на 15-20 °С.

Температуру нагрева жил можно определить и расчетным путем по формуле

где t о6 - температура на оболочке кабеля, °С; I - длительная максимальная нагрузка кабеля, А; п - число жил кабеля; ρ - удельное сопротивление меди или алюминия при температуре, близкой к температуре жилы, Ом.мм 2 /м; S K - сумма тепловых сопротивлений изоляции и защитных покровов кабеля, Ом (определяется по справочнику); q - сечение жилы кабеля, мм 2 .

Контроль за нагревом кабелей в процессе эксплуатации осуществляется измерением температуры свинцовой или алюминиевой оболочки, или брони в тех местах кабельной трассы, где предположительно кабельная линия может иметь перегрев против допустимых температур. Такими местами могут быть прокладки вблизи теплопроводов, в среде с большим тепловым сопротивлением (шлак, трубы и т. п.), где создаются неблагоприятные условия для охлаждения кабельной линии.

Измерение температуры на поверхности кабелей, проложенных в земле, рекомендуется производить термопарами. Для установки термопар на трассе кабеля отрывают котлован размером 900х900 мм с углублением 150-200 мм в одной из стенок котлована по оси кабеля. После удаления наружного покрова, очистки брони от коррозии создают надежный контакт (легкоплавким припоем или фольгой) с проводом термопары.

Рис. 113. Измерение температуры на поверхности работающего кабеля:
1 - кабель, 2 - здание, 3 - щитки термопар, 4 - металлическая труба, 5 - теплопровод

Измерительные провода выводят через газовую трубу и подключают к специальным ящикам, после чего котлован засыпают землей. Схема измерения температуры на поверхности кабеля приведена на рис. 113. Измерение температуры на поверхности контролируемых кабелей с одновременным измерением токовых нагрузок производят в течение суток через 2-3 ч. Если в результате измерений окажется, что температура жилы кабеля на отдельных участках превышает допустимую, необходимо или снизить токовую нагрузку на кабель, или принять меры к улучшению условий его охлаждения. В некоторых случаях целесообразно заменить перегревающийся участок линии кабелем большого сечения. Измерение температуры кабелей, проложенных открыто в кабельных сооружениях, можно производить обычным лабораторным термометром, укрепляя его на оболочках кабеля. Необходимо вести тщательный контроль за температурой окружающего воздуха и работой вентиляции в кабельных сооружениях. Контроль за нагревом кабелей производят по мере необходимости.

Методика проверки кабеля на невозгорание заключается в расчете температуры жил кабеля в конце короткого замыкания и сравнении ее с допустимой.

1.Определяется начальная температура жил кабеля (до короткого замыкания).

За начальную температуру принимают максимально возможную температуру предшествующего режима

Т= Т 0 + (I 2 /I дд 2) * (Т доп -Т 0расч) ,

где Т 0 – фактическая температура окружающей среды во время короткого замыкания, 0 С (для Самарской области при прокладке в земле Θ 0 = 20 0 С, при прокладке в воздухе Θ 0 = 30 0 С;

Т Доп – расчетная длительно допустимая температура жилы, 0 С (для кабелей с пропитанной бумажной изоляцией на напряжение 1 кВ - 80 0 С, 6 кВ – 65 0 С, 10 кВ – 60 0 С; для кабелей с пластмассовой изоляцией - 70 0 С и для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена - 90 0 С);

Т 0расч – расчетная температура окружающей среды, 0 С (для земли - 15 0 С, для воздуха - 25 0 С).

2.Определяется значение коэффициента К

К =b *I КЗ 2 *t О /F 2 ,

гдеb – постоянная, м 4 /(кА 2 · с), для алюминиевых жил -45,65, для медных – 19,58;

I КЗ – максимальное установившееся значение тока трехфазного короткого замыкания на шинах источника питания с учетом подпитки от электродвигателей 6-10 кВ, кА.

t О – время протекания тока короткого замыкания, с.

t О =t МТЗ ВВ +t Р +t В +t А,

гдеt МТЗ ВВ – время действия МТЗ резервной защиты (на вводе на секцию в РП (ГПП), с. Для примера расчета равно 1,25 с. ;

t Р – время срабатывания электромеханических реле (0,1 с.) или микропроцес­сор­ных защит (0,05 с.);

t В – время отключения масляного (0,1 с.) или вакуумного (0,03 с.) выключа­теля;

t А – эквивалентная постоянная времени затухания апериодической составляю­щей тока короткого замыкания от удаленных источников, равная 0,1 с для сети 6-10 кВ.

3.Определяется температура жил в конце короткого замыкания

Т К =Т * е К + а (е К – 1),

где а – величина, обратная температурному коэффициенту электрического сопротивления при 0 0 С, равная 228 0 С.

Пример расчета

Кабель с алюминиевыми жилами 3х150 и бумажной пропитанной изоляцией напряжением 10 кВ проложен частично в земле, частично на воздухе.

I = 195 A, Iдд земл = 275 А, Iдд возд = 210 А, Iкз = 8,64 кА,

t МТЗ ВВ = 1,25 с,t Р = 0,05с, t В = 0,03 с, t А = 0,1 с.

1. Начальная температура

Т З = 20 + (60 – 15) · (195/275) 2 = 42,6 0 С – в земле,

Т В = 30 + (60 – 25) · (195/210) 2 = 60,2 0 С – в воздухе.

2. t О = 1,25 + 0,05 + 0,03 + 0,1 = 1,43 с.

К = 45,65 · 8,64 2 · 1,43 / 150 2 = 0,22.

3. При прокладке кабеля в земле

Т КЗ = 42,6 · е 0,22 + 228 (е 0,22 – 1) = 108 0 С,

При прокладке в воздухе

Θ К В = 60,2 · е 0,22 + 228 (е 0,22 – 1) = 131 0 С.

Предельно допустимые температуры нагрева проводников, при которых кабели пригодны к дальнейшей эксплуатации после отключения короткого замыкания, приведены в табл.8.1 . В частности, для кабелей 6-10 кВ с бумажной пропитанной изоляцией она составляет 200 0 С.

Отсюда следует вывод о невозгораемости кабеля при коротком замыкании и о возможности его нормальной дальнейшей эксплуатации после отключения короткого замыкания.

Протекание электрического тока через проводник вызывает его нагревание. Количество тепла, выделяемое при протекании тока через проводник, будет пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени протекания:

Где: Q – количество выделяемой теплоты, Дж;

I – величина протекаемого тока, А;

R – сопротивление проводника, Ом;

t – время работы;

В процессе выделения тепла температура провода или кабеля начнет превышать температуру окружающей среды. Соответственно начнется процесс отдачи тепла проводом в окружающую среду. Этот процесс будет продолжатся до наступления теплового равновесия – когда количество отдаваемого кабелем тепла в окружающую среду станет равным количеству получаемого тепла от протекания электрического тока. При этом повышение температуры провода или кабеля происходить больше не будет.

Температуру, при которой наступает тепловое равновесие, называют установившейся или номинальной. На практике довольно часто используют понятие температуры перегрева, которая равна разности температур провода и окружающей среды:

Чрезмерно высокая температура проводов и кабелей приводит к преждевременному высыханию изоляции, а у проводников без изоляции к ускоренному окислению соединительных контактов и, как следствие, ухудшению проводимости. Кроме того, перегрев сверх допустимых величин может приводить к пожарам. Поэтому в ПУЭ устанавливаются следующие допустимые максимально длительно температуры проводов и кабелей:

Температура проводника достигнет своего установившегося значения не мгновенно, а по истечению какого-то промежутка времени после включения.

Закон изменения величины нагрева проводника можно выразить следующей формулой:

Где: τ уст – установившийся перегрев для определенной токовой нагрузки, 0 С;

t – время, сек;

е – основание натуральных логарифмов (е = 2,71);

Т – постоянная времени нагрева, то есть это время, за которое проводник смог бы достигнуть установившегося перегрева, если бы не было отвода тепла в окружающую среду;

Соответственно после отключения проводника от сети начинается процесс его охлаждения до температуры окружающей среды. Этот процесс можно описать уравнением:

Ниже приведены графики нагрева и охлаждения τ = f(t):

Величины постоянных времени нагрева напрямую зависят от рода проводки, материала проводника, его изоляции и сечения. Постоянные времени нагрева определяют экспериментальным путем.

Приведенные выше формулы позволяют установить, через какое время перегрев проводника достигнет заданного значения.

В случае когда имеет место переменная нагрузка можно воспользоваться одним из приемов и рассматривать процесс нагрева как сумму двух процессов – нагрева от τ = 0 до τ уст и охлаждения от τ 0 до τ = 0, то есть:

Эта формула применима при расчете проводов и кабелей с переменными нагрузками.

Кривые перегрева для такого случая показаны ниже: