Изучение конструкций и технических характеристик силовых кабельных линий
методическая разработка на тему

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ

 «КРАСНОДАРСКИЙ МОНТАЖНЫЙ ТЕХНИКУМ»

(ГБПОУ КК «КМТ»)

МЕТОДИЧЕСКОЕ УКАЗАНИЕ

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №1

Изучение конструкций и  технических  характеристик  силовых

кабельных линий»

по специальности  270843 «Монтаж,  наладка  и  эксплуатация  электрооборудования  предприятий  и  гражданских  зданий»

КРАСНОДАР   2015

Методическое указание к лабораторной работе по специальности 270843 «Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования предприятий и гражданских зданий» для студентов ІV курса очной и заочной форм обучения Сост. Тиунов С.В. - Краснодар: КМТ, 2015г. – 15 стр.

Составитель: Тиунов С.В. – преподаватель спецдисциплин

Рецензент: заведующий монтажным отделением Мищенко Н.В.

Рекомендовано

Протокол №         от                    2015 г.

Председатель методической комиссии                                  В.В.Анисимов

Лабораторная работа №1

«Изучение конструкций и  технических  характеристик  силовых

кабельных линий»

        по специальности 270843 «Монтаж,  наладка  и  эксплуатация  электрооборудования  промышленных  и  гражданских  зданий»

        Время выполнения лабораторной работы: 4 часа.

Цель работы: Изучить конструкции силовых кабелей, их основные конструктивные элементы и функциональное назначение.

        Приборы и инструменты (информационные материалы): лабораторно-практический стенд, информационные материалы, плакаты, справочная литература.

        Порядок работы:

1. Изучить общие положения.

2. Изучить порядок выполнения работы.

3. Ответить на контрольные вопросы.

1. Общие положения

Кабели, предназначенные для передачи и распределения электрической энергии, называются силовыми.  Они состоят из следующих основных конструктивных элементов: токопроводящих жил, изоляции, оболочек и защитных покровов. Кроме основных элементов в конструкцию силовых кабелей могут входить экраны, нулевые жилы, жилы защитного заземления и заполнители. Токопроводящие жилы предназначены для прохождения электрического тока. Они бывают основными и нулевыми. Основные жилы предназначены для выполнения основной функции кабеля – передачи по ним электроэнергии. Нулевые жилы используются для протекания разности токов фаз при неравномерной их нагрузке. Присоединяются они к нейтрале источника тока. Жилы защитного заземления являются вспомогательными жилами кабеля и предназначены для соединения не находящихся под рабочим напряжением металлических частей электроустановок, к которым подключен кабель с контуром защитного заземления источника тока. Изготавливаются токопроводящие жилы из меди или алюминия. Сопротивление медной токопроводящей жилы, пересчитанное на 1 мм2номинального сечения 1 метр длины и приведенное к температуре 20 С должно быть не более

0,0178 Ом, алюминиевой жилы – не более 0,029 Ом. Токопроводящие жилы могут быть круглыми или фасонными (секторные, сегментные или другой формы). Применение секторных и сегментных жил вместо круглых приводит к уменьшению диаметра кабеля на 20-25% и соответственно к сокращению расхода материалов на изоляцию, оболочку и покровы.

Круглые и фасонные жилы изготавливаются однопроволочным проволочными. Сечения жил силовых кабелей показаны на рис.1.1.

Рис. 1.1 - Сечения токопроводящих жил кабелей

а — секторная однопроволочная жила; б — круглая многопроволочная неуплотненная жила; в — круглая многопроволочная уплотненная жила, г — сегментная многопроволочная уплотненная жила для двухжильных кабелей; д — секторная многопроволочная уплотненная жила для трехжильных кабелей; е — секторная многопроволочная уплотненная жила для четырехжильных кабелей; ж — секторная многопроволочная уплотненная нулевая жила для четырехжильных кабелей; з — многопроволочная жила сложной правильной концентрической скрутки из семи стренг.

Номинальные сечения основных, нулевых и жил защитного заземления приведены в табл.1.1. Приложения.  Изоляция служит для обеспечения необходимой электрической прочности токопроводящих жил кабеля по отношению друг к другу и к заземленной оболочке (земле). Изоляция расположенная непосредственно на токоведущей жиле называется изоляцией жилы. Изоляция    многожильного кабеля, наложенная поверх изолированных скрученных жил называется поясной изоляцией. В силовых кабелях используется бумажная пропитанная и пластмассовая изоляции. Бумажная пропитанная изоляция – это многослойная изоляция из лент кабельной бумаги, наложенная в виде обмотки на токоведущую жилу и пропитанная изоляционным составом. В кабелях на напряжения до 10 кВ применяется однослойная кабельная бумага марок К – 080, К – 120, К – 170 (толщина бумаги соответственно 0,08, 0,12, и 0,17мм). В зависимости от вязкости пропиточного состава кабели с бумажной изоляцией   изготавливаются с вязким, обедненным и нестекающим пропиточными составами. Для пропитки используется маслоканифольный составы марки МП-3 или МП-5 содержащие в разных пропорциях канифоль, полиэтиленовый воск и нефтяное масло. Пластмассовая изоляция в виде сплошного слоя   выполняется из поливинилхлорида, полиэтилена, этиленпропилена или сшитого полиэтилена. Основным требованием, которое предъявляется к изоляции силовых кабелей, является высокая электрическая прочность.  Увеличение электрической прочности изоляции, позволяет уменьшить её толщину, что соответственно улучшает отвод тепла от жилы, разрешает увеличивать рабочий ток, уменьшает расход материалов на изготовление кабеля, а также повышает его гибкость. При конструировании силовых кабелей используются специальные технические решения, которые позволяют регулировать электрическое поле, воздействующее на изоляцию, например, применение градированной изоляции, экранов и т.д. Как правило, электрическое поле в силовом кабеле неоднородно. Неоднородность поля характеризует отношение:

                                                             К н = Е макс /Еср,   (1.1)

где К н – коэффициент неоднородности; Емакс и Еср - соответственно максимальное и среднее значение напряженности электрического поля.

Различают слабо неоднородные (Кн< 3) и резко неоднородные (Кн> 3) электрические поля. Условием нормальной работы изоляции является соотношение

КнЕср<Едоп,             (1.2)

где Е доп– допустимая напряженность, при которой в изоляции отсутствуют разряды в процессе воздействия испытательного или рабочего напряжения Uвозд .

Для выполнения этого условия толщина изоляции   между жилами и между жилой и оболочкой должна быть вК н раз больше, чем в однородном поле

>(Uвозд / Е доп)К н   (1.3)

Напряженность электрического поля в изоляции одножильного экранированного кабеля на поверхности радиусом rхравна

(1.4)

где U – напряжение между жилой и металлической оболочкой, кВ;

r1  – радиус жилы или проводящего экрана поверх жилы, мм;

       R – радиус по изоляции, мм.

Напряженность электрического поля у токопроводящей жилы радиусом r 1  будет максимальной, а напряженность у металлической оболочки радиусом R  - минимальной.

Средняя напряженность электрического поля в изоляции составляет  

  (1.5)

Коэффициент использования изоляции определяется по формуле

(1.6)

Величину максимальной напряженности электрического поля у поверхности жилы в трёхжильном кабеле с круглыми жилами при равной толщине жильной и поясной изоляции определяют следующим образом

(1.7)

Экраны предназначены для выравнивания электрического потенциала вдоль изоляционной конструкции, а также для защиты внешних цепей от влияния электрических полей токов, протекающих по кабелю. В кабелях на напряжения 6-10 кВ с бумажной изоляцией экраны располагаются на поясной изоляции. В качестве экранов применяется электропроводящая кабельная бумага марок КПУ –80 и КПУ-120. В кабелях с пластмассовой изоляцией напряжением 6 кВ экраны накладываются на жилы и на поясную изоляцию. При этом материал экрана и изоляции должен быть одинаковым, чтобы в процессе эксплуатации между экраном и изоляцией не образовывалось пустот. Заполнители используются для устранения свободных промежутков между конструктивными элементами кабеля с целью герметизации, придания необходимой формы и механической устойчивости конструкции. В качестве заполнителей в кабелях с бумажной изоляцией применяются жгуты из сульфатной бумаги, пропитанной кабельной пряжи или штапелированной стеклопряжи. Для кабелей с пластмассовой изоляцией заполнение должно быть: при изоляции из полиэтилена, самозатухающего, вулканизирующего полиэтилена – из материала изоляции или из поливинилхлоридного пластиката; при изоляции из поливинилхлоридного пластиката – из поливинилхлоридного пластиката.  Кабели с пластмассовой изоляцией на напряжение 1 кВ допускается выполнять без заполнителей. Оболочки предназначены для предотвращения проникновения в изоляцию влаги, защиты её от воздействия света, различных химических веществ, а также предохранения от механических повреждений. В кабелях с бумажной изоляцией оболочки изготавливаются из свинца или алюминия. Свинцовые оболочки изготавливаются из свинца марок С-2 и С-3 с добавлением различных присадок, например, сурьмы. Алюминиевые оболочки изготавливаются прессованными из алюминия марки А или сварными из алюминия марки АД1.  

Пластмассовые - поливинилхлоридные и полиэтиленовые оболочки отличаются от изоляционного состава соответствующим подбором пластификаторов и стабилизаторов, которые обеспечивают повышенную стойкость против светового старения. Кроме того, эти оболочки более стойки к агрессивным средам по сравнению с алюминиевыми и свинцовыми. Защитные покровы предназначены для защиты оболочки кабеля от внешних воздействий. В зависимости от конструкции кабеля в защитные покровы входят подушка, бронепокров и наружный покров. Подушка – часть защитного покрова, наложенная на оболочку и предназначенная для предохранения оболочки от повреждения её лентами или проволокой брони. Бронепокров – часть защитного покрова, состоящая из металлических лент или проволок и используемая для защиты кабеля от внешних механических воздействий. Наружный покров – часть защитного покрова кабеля предназначенного для защиты брони от коррозии и выполненная из защитного шланга, выпрессованного из пластмассы или из волокнистых материалов, пропитанных специальным противогнилостным или негорючим составом. Различным конструктивным элементам силовых кабелей присвоены буквенные индексы, которые приведены в табл.1.2. Приложения.

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, продолжительный 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

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 фтороводородную 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:

• солончаковые;
• известковые;
• песчаные;
• черноземные;
• глинистые;
• 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 сульфатвосстанавливающие 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

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.

Нормы приемо-сдаточных испытаний силовых кабельных линий

Объем приемо-сдаточных испытаний.

В соответствии с требованиями ПУЭ объем приемо-сдаточных испытаний силовых кабельных линий включает следующие работы.

1. Проверка целостности и фазировки жил кабеля.
2. Измерение сопротивления изоляции.
3. Испытание повышенным напряжением выпрямленного тока.
4. Испытание повышенным напряжением промышленной частоты.
5. Определение активного сопротивления жил.
6. Определение электрической рабочей емкости жил.
7. Измерение распределения тока по одножильным кабелям.
8. Проверка защиты от блуждающих токов.
9. Испытание на наличие нерастворенного воздуха (пропиточное испытание).
10. Испытание подпитывающих агрегатов и автоматического подогрева концевых муфт.
11. Контроль состояния антикоррозийного покрытия.
12. Проверка характеристик масла.
13. Измерение сопротивления заземления.

Силовые кабельные линии напряжением до 1 кВ испытываются по пп.1, 2, 7, 13.

Силовые кабельные линии напряжением выше 1 кВ и до 35 кВ - по п.п.1-3, 6, 7, 11, 13, а напряжением 110 кВ и выше - в полном объеме, предусмотренным настоящей инструкцией.

2. Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с конструкциями силовых кабелей выпускаемых различными заводами – изготовителями.

2. На лабораторно-практических стендах изучить основные конструктивные элементы силовых кабелей.  

3. Изучить буквенные индексы, которые присваиваются различным конструктивным элементам силовых кабелей.

4.  Сделать эскизы поперечных сечений силовых кабелей с различными формами токопроводящих жил.

5.  Составить таблицу основных технических характеристик выбранных марок кабелей.

6. Провести расчёт максимальной и средней напряжённостей электрического поля минимум для двух различных сечений токопроводящей жилы одной выбранной марки кабеля.  

7. Постройте график зависимости максимальной напряженности от толщины изоляции для выбранной марки кабеля.

3. Контрольные вопросы

1. Перечислите основные конструктивные элементы силовых кабелей и укажите их основные функции.

2. Объясните, в чём заключается принципиальное отличие силовых кабелей от электрических шнуров и контрольно-измерительных кабелей.

3. Опишите конструкции токопроводящих жил силовых кабелей.

4. Перечислите ряд номинальных сечений токопроводящих жил силовых кабелей.

5. Укажите отличия между нулевыми, токопроводящими и жилами защитного заземления.

6. Объясните, какие функции выполняет оболочка в силовых кабелях, и из каких материалов она изготавливается.

7. Перечислите основные виды изоляции, которые используются в силовых кабелях.

8. Опишите, как выполняется градированная изоляция.

9. Укажите, какие функции выполняет поясная изоляция и где она размещается в силовом кабеле.

10. Объясните назначение экранов в силовых кабелях и перечислите материалы, из которых они изготавливаются.

11. Перечислите способы, с помощью которых осуществляется регулирование электрического поля в силовых кабелях.

12. Укажите, с какой целью в силовых кабелях применяются уплотнённые жилы.

13. Объясните, как определить коэффициент использования изоляции.

14. Перечислите материалы, из которых изготавливают изоляцию силовых кабелей.

15. Перечислите буквенные индексы, которые используются для обозначения изоляции в марках силовых кабелей.

16. Перечислите буквенные индексы, которые используются для обозначения оболочки в марках силовых кабелей.

17. Перечислите буквенные индексы, которые используются для обозначения брони в марках силовых кабелей.

18. Перечислите буквенные индексы, которые используются для обозначения наружного покрова в марках силовых кабелей.

19. Приведите формулу, с помощью которой определяется максимальное значение напряженности электрического поля в трёхжильном кабеле.

20. Приведите формулу, с помощью которой определяется напряженность электрического поля в изоляции одножильного кабеля.

Используемая литература:

1. Авторы: Н. И. Белоруссов, А. Е. Саакян, А. И. Яковлева. Электрические кабели, провода и шнуры: Справочник, 2014 год.

2. В.И. Бутырский «Наладка электрооборудования»: Учебное пособие средних специальных учебных заведений/ В.И.Бутырский-Волгоград: Издательский Дом «Ин-Фолио» 2010 год-368с.

3. Новодворец Л. А., Испытание и проверка силовых кабелей. Москва, «Энергия», 2013год.

4. Правила устройства электроустановок, издательство «Омега-Л», 2012 год.