Теоретические основы электрических кабелей

4-5. Расчет кабеля на допустимые токи нагрузки

Предельно допустимые токовые нагрузки на кабель зависят от допустимой температуры нагрева кабеля или провода в процессе эксплуатации, при которой изоляция не подвергается быстрому старению и не снижаются ее механическая прочность и эластичность. За допустимую температуру принимают температуру токопроводящей жилы, не превышающую допустимой температуры нагрева изоляции (табл. 4-2). Поэтому тепловой расчет кабелей сводится к определению температуры токопроводящей жилы с учетом потерь в жилах, изоляции, оболочках и броне. При этом учитывают тепловые сопротивления кабеля и окружающей среды, а также колебания температуры окружающей среды за счет сезонных изменений температуры и посторонних источников тепла.

Таблица 4-2.

Для наглядности расчета допустимых нагрузок прибегают к построению схемы замещения тепловых сопротивлений и потоков для конкретных конструкций кабеля и условий прокладки. На рис. 4-7 приведены схемы замещения одножильного кабеля в воздухе, трехжильного кабеля в стальной трубе с маслом под давлением для прокладки в земле и трехжильного кабеля с поясной изоляцией в канале блока. Потери в токопроводящей жиле на единицу длины кабеля при постоянном токе

и при переменном токе

где R_ж - активное сопротивление жилы (переменному току) с учетом поверхностного эффекта и эффекта близости.

Диэлектрические потери в изоляции кабеля

Превышение температуры токопроводящей жилы над температурой окружающей среды в одножильном кабеле, проложенном в воздухе,

Допустимый ток нагрузки одножильного кабеля

где Т_доп - максимально допустимая температура жилы (табл. 4-2); k_р - отношение потерь в оболочке к потерям в жиле.

Превышение температуры жилы трехжильного кабеля низкого напряжения над температурой поверхности блока Т_бл, проложенного в земле:

Допустимый ток нагрузки этого кабеля

Превышение температуры жил маслонаполненного кабеля высокого давления в трубопроводе над температурой земли, окружающей трубопровод,

Допустимый ток нагрузки

где k_ак - отношение потерь в экране к потерям в жиле; k_т - отношение потерь в трубопроводе к потерям в трех жилах кабеля. Отношение допустимого тока нагрузки на кабель, проложенный в воздухе, к току нагрузки кабеля, проложенного в земле,

откуда допустимый ток нагрузки кабеля при прокладке в воздухе

Разновидностью подземной прокладки является размещение кабелей в бетонных блоках или асбошиферных трубах, находящихся в земле. При определении допустимого тока нагрузки в этом случае учитывают нагрев кабеля относительно воздуха в блоке и нагрев самого блока относительно окружающего его слоя грунта. Вследствие эксцентричного положения кабеля в канале блока температуры наружной поверхности оболочки кабеля в верхней и нижней частях различны, но разница редко превосходит 1°С

Ток нагрузки кабеля в блоке зависит от формы блока, числа каналов в нем и взаимного расположения каналов с размещенными в них кабелями. При расположении кабелей в два ряда все кабели в блоке охлаждаются одинаково хорошо, а при расположении их в виде квадрата хорошо охлаждаются только кабели, лежащие на периферии. Кроме того, внутренние кабели подогревают наружные, уменьшая их допустимую нагрузку. Бетонный блок с кабелями имеет большую постоянную времени нагрева, поэтому он нагревается длительное время. При уменьшении нагрузки температура кабеля не будет изменяться (понижаться) пропорционально квадрату тока в жилах, так как нагретый блок будет подогревать кабель. Отношение разности температур внутренней стенки канала и окружающего блок грунта к среднесуточным тепловым потерям во всех кабелях блока называют тепловой постоянной канала блока:

Тепловую постоянную при коэффициенте нагрузки 50% можно вычислить по формуле

где N - число каналов или труб по высоте блока; М - число наружных каналов блока.

В большинстве случае значение Н для блоков разной формы находится в пределах 20-40 град o см/вт; обычно его принимают равным 30 градoсм/вт. При вычислении среднесуточных потерь значение тока нагрузки принимают равным среднеквадратичному значению суточной нагрузки. Температура блока

При определении пиковой нагрузки кабеля тепловую постоянную умножают на отношение средних суточных потерь к максимальным потерям, обычно равное для линейных кабелей 0,5-0,65, а для генераторных кабелей 0,8-0,9. Ток перегрузки вычисляют по приближенной формуле

где m=I/I_доп; I - ток в кабеле, а; I_доп - длительно допустимый ток в кабеле, а.

Установившаяся температура от тока перегрузки I_пер

Установившаяся температура от тока нагрузки

Допустимый ток перегрузки для заданного времени

Зарядный ток трехжильных кабелей с поясной изоляцией

где и_л - номинальное линейное напряжение, в.

Увеличений пропускной способности кабелей на напряжение 220 кв и выше путем увеличения сечения токопроводящих жил возможно только до определенного предела, а далее - при применении искусственного охлаждения. Объясняется это тем, что с увеличением сечения жил увеличиваются объем изоляции и соответственно диэлектрические потери в них. Охлаждение кабеля можно осуществлять маслом или водой. При охлаждении маслом используется канал в жиле кабеля или промежутки между жилами в трубопроводе; обратный поток масла пропускается по дополнительной линии, проходящей через теплообменник для охлаждения. При охлаждении водой в непосредственной близости к кабелям прокладываются трубы, по которым циркулирует вода; при этом происходит уменьшение величины эффективного теплового сопротивления среды, окружающей кабель, и появляется возможность увеличения его нагрузки.