Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ФАКТОРОВ НА ПАРАМЕТРЫ МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ КАБЕЛЕЙ 110 КВ СРЕДНЕГО ДАВЛЕНИЯ РАЗНЫХ ТИПОРАЗМЕРОВ

Папанцева Е.И. 1 Габриелян Ш.Ж. 1
1 ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет»
Проведён анализ и сделана оценка влияния конструктивных факторов на параметры маслонаполненных кабелей 110 кВ среднего давления типов МСС и МСА. Для выявления степени этого влияния на парамет­ры кабеля были выполнены расчеты для кабеля сечением 270 мм2 без учета спиральности жилы, без градирования изоляции, без экранов, затем выполнялись расчёты с учетом этих факторов. В основу расчета были положены конструктивные данные кабелей и выбраны соответствующие вариации допускаемых значений диэлектрической проницаемости и активных потерь слоев изоляции, а также удельной проводимости полупроводящих экранов. Многовариантный расчет первичных и волновых параметров кабелей 110 кВ среднего давления разных типоразмеров имел своей целью не только получение расчетных значений, но и проведение анализа влияния различных конструктивных факторов на параметры кабеля. Результаты расчетов показали, что с увеличением сечения активное сопротивление и индуктивность кабелей уменьшаются, в то время как емкость, поперечная проводимость увеличиваются.
волновые параметры
маслонаполненные кабели
активное сопротивление кабеля
индуктивность кабеля
ёмкость кабеля
градированная изоляция
экраны на жиле и под оболочкой
спиральности жилы
1. Белоруссов Н.И., Саакян А.Е., Яковлева А.И. Электрические кабели, провода и шнуры. Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 536 с.
2. Габриелян Ш.Ж., Папанцева Е.И., Минаев И.Г. Расчёт первичных и волновых параметров высоковольтных кабелей с использованием программы CABEL // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сб. науч. тр. по материалам 74-й науч.-практ. конф. (г. Ставрополь, 19–23 апреля 2010 г.) / СтГАУ. – Ставрополь, 2010. – С. 37–41.
3. Папанцева Е.И., Габриелян Ш.Ж. Практическая реализация инженерной методики расчёта волновых параметров высоковольтных кабелей // Естественные и технические науки. – 2012. – № 6. – С. 527–529.
4. Папанцева Е.И. Упрощенный метод расчёта параметров высокочастотного тракта, образованного по однородной кабельной линии // Естественные и технические науки. – 2011. – № 1. – С. 173–176.
5. Папанцева Е.И. Передача информации по высоковольтным кабелям // Сельский механизатор. – 2011. – № 4. – С. 32–33.

Коэффициент распространения и волновое сопротивление являются основными характеристиками маслонаполненных кабелей 110 кВ среднего давления, они определяются через первичные параметры кабелей. Для более точного их определения необходимо в расчётах учитывать влияния различных конструктивных факторов. В статье рассматривается расчёт параметров маслонаполненных кабелей 110 кВ среднего давления типов МСС и МСА с сечением жил от 150 до 625 мм2.

Разработанные методы расчета волновых параметров высоковольтных кабелей с одно- и двухмодальным распространением волн высокой частоты и практическое применение методов расчетного определения волновых (вторичных) параметров Zb и d для трехжильных кабелей с поясной изоляцией 6 кВ типов СБ, АСБ, ААБ и АБ были рассмотрены в статье Папанцевой Е.И. и Габриелян Ш.Ж. [4].

Для кабелей типа МСС и МСА 110 кВ характерна конструкция отдельно изолированной полой жилы, заполненной маловязким маслом под давлением. У рассматриваемых кабелей жилы выполнены из двух концентрических витых слоев медной, отожженой, луженой проволоки фасонного сечения. Например, кабель 110 кВ с сечением жилы 270 мм2 имеет внутренний слой двухслойной медной жилы, состоящей из проволок Z-образного сечения, наружный слой – из проволок сегментного сечения. Во внутреннем слое жилы 12 проволок с шагом повива 256 мм в левом направлении; в верхнем слое жила имеет 15 проволок с шагом повива 256 мм в правом направлении. Изоляция градирована, двухслойная. Внутренний слой выполнен из бумаги КВУ-080 с e = 4,0–4,3, внешний ‒ из бумаги КВ-120 с e = 3,5–3,7. На поверхности жилы и оболочки экраны из полупроводящей бумаги КП-080 и КП-120. Толщина экрана на жиле составляет 0,36 мм, на изоляции – 0,35 мм. Оболочка выполнена из медистого свинца с содержанием меди 0,05–0,08 %, толщина оболочки – 3,2 мм [1].

Волновые параметры – коэффициент распространения g и волновое сопротивление Zb ‒ получены ранее [3] через первичные параметры и из решения телеграфных уравнений в виде:

Eqn31.wmf

Eqn32.wmf

Активное сопротивление кабеля R должно включать в себя сопротивление жилы (Rj1 + RZ1) и оболочки (Rj2 + RZ2), полученные с учетом коэффициентов экранирования металлических экранов (если таковые имеются):

Eqn33.wmf

где активное сопротивление жилы определяется с учетом спиральности ее намотки:

Eqn34.wmf

и активное сопротивление оболочки определяется также с учетом спиральности намотки жилы:

Eqn35.wmf

Полная индуктивность кабеля L определяется через внешнюю индуктивность от поперечного и продольного магнитных потоков и внутренние индуктивности жилы и оболочки, полученные с учетом коэффициентов экранирования металлических экранов (если таковые имеются):

Eqn36.wmf

где внешняя индуктивность кабеля от циркулярного магнитного потока:

Eqn37.wmf

внешняя индуктивность кабеля от продольного магнитного потока:

Eqn38.wmf

внутренняя индуктивность жилы:

Eqn39.wmf

внутренняя индуктивность оболочки:

Eqn40.wmf

Коэффициенты экранирования металлических экранов KR1,2 и KL1,2 были определены в [5], глубина проникновения поля в жилу (индекс 1), оболочку (индекс 2) и в металлические экраны (индекс Э1 – на жиле, Э2 – под оболочкой) вычисляются:

Eqn41.wmf

Емкость кабеля С должна определяться с учетом градирования изоляции и коэффициентов экранирования (КС) полупроводящих экранов:

Eqn42.wmf

где эквивалентная диэлектрическая проницаемость градированной изоляции:

Eqn43.wmf

Активная поперечная проводимость кабеля Gu с учетом градирования и с учетом коэффициента экранирования полупроводящих экранов KG:

G = GuKG,

где Eqn44.wmf

а тангенс угла диэлектрических потерь в изоляции должен быть вычислен в соответствии с выражением

Eqn45.wmf

Для расчета первичных и волновых параметров кабелей с одномодальным процессом распространения волн высокой частоты была разработана c участием авторов универсальная программа [2], позволяющая получать результаты с учетом (или без) различных конструктивных особенностей (спиральность жилы, градирование изоляции, металлические и полупроводящие экраны на жиле и под оболочкой).

Многовариантный расчет первичных и волновых параметров кабелей 110 кВ среднего давления разных типоразмеров имел своей целью не только получение расчетных значений, но и проведение анализа влияния различных конструктивных факторов на параметры кабеля. Поэтому в основу расчета были положены конструктивные данные кабелей и выбраны соответствующие вариации допускаемых значений диэлектрической проницаемости (e) и активных потерь слоев изоляции (tgd), а также удельной проводимости полупроводящих экранов (sЭ). Для сравнения степени влияния конструктивных факторов (многопроволочная витая жила, градированная изоляция, экраны на жиле и под оболочкой) на параметры кабеля были выполнены расчеты для кабеля сечением 270 мм2 без учета спиральности жилы, без градирования изоляции, без экранов. Далее получены были результаты с учетом отдельных факторов. При расчете были приняты следующие величины:

  • удельная проводимость медной жилы sМ = 5,7×107 См/м;
  • удельная проводимость свинцовой оболочки sсв = 0,452×107 См/м;
  • относительная диэлектрическая проницаемость первого слоя изоляции e1 = 4,1;
  • относительная диэлектрическая проницаемость второго слоя изоляции e2 = 3,7;
  • диэлектрическая проницаемость полупроводящего экрана eЭ = 4;
  • тангенс угла диэлектрических потерь в изоляции первого и второго слоя tgd1 = tgd2 = 0,025;
  • удельная проводимость полупроводящего экрана sЭ = 5×10–5 См/м;
  • шаг повива жилы h = 256 мм.

В таблице приведены результаты расчета параметров кабеля МССК 110 кВ с сечением жилы 270 мм2 в диапазоне частот 50–500 кГц.

Параметры кабеля МССК 110 кВ среднего давления (SН = 270 мм2)

f, кГц

R, Ом/км

С, мкФ/км

G, мСм/км

L, мГн/км

Z0, Ом

a0, дБ/км

b0, рад/км

Без учета спиральности жилы, градирования изоляции, без экранов

50

0,93

0,344

2,70

0,136

19,86

0,45

2,15

100

1,32

 

5,40

0,135

19,80

0,78

4,28

150

1,62

 

8,11

0,135

19,77

1,09

6,41

250

2,09

 

13,51

0,134

19,74

1,69

10,67

300

2,29

 

16,22

0,134

19,73

1,98

12,80

350

2,47

 

18,92

0,134

19,72

2,27

14,93

400

2,64

 

21,62

0,134

19,72

2,55

17,06

450

2,80

 

24,32

0,134

19,71

2,83

19,18

500

2,95

 

27,03

0,134

19,71

3,11

21,31

С учетом спиральности жилы, градирования изоляции, с полупроводящим экраном на жиле и под оболочкой

50

2,36

0,338

4,01

0,142

20,53

0,87

2,18

100

3,34

0,336

9,69

0,140

20,43

1,60

4,31

150

4,08

0,333

15,71

0,139

30,44

2,31

6,41

200

4,72

0,331

21,28

0,139

20,46

2,95

8,51

250

5,27

0,329

26,17

0,138

20,49

3,52

10,59

300

5,78

0,328

30,44

0,138

20,51

4,02

12,67

350

6,24

0,327

34,24

0,138

20,53

4,48

14,75

400

6,67

0,326

37,69

0,138

20,54

4,89

16,82

450

7,07

0,325

40,89

0,137

20,55

5,27

18,90

500

7,46

0,325

43,90

0,137

20,56

5,60

20,97

Сравнение полученных величин показывает, что при учете спиральности жилы активное сопротивление кабеля увеличивается в 2,5 раза, индуктивность увеличивается незначительно на 2–4 % за счет увеличения внутренней индуктивности жилы; несколько увеличивается волновое сопротивление (~ на 1,5 %). Наблюдается заметное увеличение затухания (рис. 1): в большей степени на низких частотах (50 кГц – на 40 %) и в меньшей степени ‒ на высоких (500 кГц – на 25 %). Градирование изоляции, как и следовало ожидать, изменяет емкость кабеля и активную поперечную проводимость. Они уменьшаются примерно на 7 %. Волновое сопротивление вследствие этого увеличивается примерно на 3,5 % (50 кГц) – 3 % (500 кГц). Настолько же уменьшается коэффициент затухания и фазовый коэффициент. Сильное влияние на параметры кабеля оказывают полупроводящие экраны. Поперечная проводимость увеличивается в 2,4 раза при 50 кГц и в 1,8 раз при 500 кГц. Коэффициент затухания увеличивается в рассматриваемом диапазоне частот на 16–40 %.

pic_21.tif

Рис. 1. Расчетные значения коэффициента затухания для кабеля МССК 110 кВ: s1 = 5,7⋅107 См/м; s2 = 0,452⋅107 См/м; e1 = 4,1; e2 = 3,7; tgd1 = tgd2 = 0,025; h = 0,256 м; SН = 270 мм2; 1 – без спиральности жилы и градирования изоляции, без экрана; 2 – без учета градирования изоляции; 3 – с учетом спиральности жилы и градирования изоляции; 4 – с полупроводящим экраном

Максимальное значение коэффициента KG для кабеля МСС наблюдается при sЭ = 5⋅10–5 См/м и 10⋅10–5 См/м (рис. 2). Наибольшее влияние полупроводящие экраны оказывают на параметры кабелей типа МСА (Камкабель). Коэффициент KG на отдельных частотах достигает величины 3,5. У кабелей типа МСС и МСА металлические экраны накладываются на изоляцию под оболочку и имеют толщину 0,014 мм у МСС и 0,08 мм у МСА.

pic_22.tif

Рис. 2. Частотная зависимость коэффициента экранирования для кабеля МССК при различной проводимости экрана: SН = 270 мм2; 1 – sЭ = 1⋅10–3 См/м; 2 – sЭ = 1⋅10–4 См/м; 3 – sЭ = 5⋅10–5 См/м; 4 – sЭ = 1⋅10–5 См/ м

Анализ показал, что металлические экраны оказывают слабое влияние на параметры кабеля, заметно изменяя лишь его внутреннюю индуктивность. Но величина внутренней индуктивности составляет ~5 % от величины внешней индуктивности, поэтому влиянием металлических экранов в кабелях 110 кВ в конечном счете можно пренебречь. Удельная проводимость металлического экрана в расчетах принималась равной удельной проводимости алюминия 3,5⋅107 См/м.

Величина диэлектрической проницаемости изоляции сказывается на величинах емкости, поперечной проводимости, коэффициента затухания, волнового сопротивления и коэффициента фазы. Но влияние e незначительное (в пределах 3–4 % в рассматриваемом диапазоне частот).

Величина tgd изоляции сказывается лишь на поперечной проводимости кабеля и величине коэффициента затухания, который может изменяться в зависимости от tgd слоев изоляции в пределах 15–25 %, причем на более высоких частотах влияние усиливается.

Результаты расчетов показали, что с увеличением сечения активное сопротивление и индуктивность кабелей уменьшаются, в то время как емкость, поперечная проводимость увеличиваются. Благодаря этому волновое сопротивление у кабелей с большим сечением (625 мм2) значительно меньше (~ на 50 %), чем у кабелей с меньшим сечением жилы (150 мм2). При этом фазовые коэффициенты для всех сечений примерно одинаковые. На коэффициент затухания в большей степени влияет материал оболочки. Так, для кабелей с алюминиевой оболочкой (МСА) затухание на частоте 50 кГц имеет величину 0,74 дБ/км, а для кабелей со свинцовой оболочкой ‒ 0,86–0,99 дБ/км.

Рецензенты:

Никитенко Г.В., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой применения электрической энергии в сельском хозяйстве Ставропольского государственного аграрного университета, г. Ставрополь;

Хорольский В.Я., д.т.н., профессор кафедры электроснабжения и эксплуатации электрооборудования Ставропольского государственного аграрного университета, г. Ставрополь.

Работа поступила в редакцию 22.11.2013.


Библиографическая ссылка

Папанцева Е.И., Габриелян Ш.Ж. ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ФАКТОРОВ НА ПАРАМЕТРЫ МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ КАБЕЛЕЙ 110 КВ СРЕДНЕГО ДАВЛЕНИЯ РАЗНЫХ ТИПОРАЗМЕРОВ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-12. – С. 2620-2624;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32840 (дата обращения: 12.04.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074