Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Кабели энергетического назначения и кабельная арматура. Основы теории, методы анализа, испытания. Конспект лекций
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО
Институт энергетики
Высшая школа высоковольтной энергетики
КАБЕЛИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО
НАЗНАЧЕНИЯ И КАБЕЛЬНАЯ
АРМАТУРА
ОСНОВЫ ТЕОРИИ,
МЕТОДЫ АНАЛИЗА, ИСПЫТАНИЯ
Конспект лекций
Санкт-Петербург
2023
УДК 621.315
ББК 31.232.3
К12
Р е ц е н з е н т ы:
Доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой теоретических
основ электротехники Санкт-Петербургского государственного
электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)
Е. Б. Соловьева
Доктор физико-математических наук, профессор Высшей школы
высоковольтной энергетики Санкт-Петербургского политехнического
университета Петра Великого Д. В. Кизеветтер
А в т о р ы:
Г. В. Грешняков, В. О. Белько, С. Д. Дубицкий,
Е. А. Чесноков, Е. А. Бодренков, А. А. Лебедева,
С. А. Важнов, Н. В. Коровкин, Т. Г. Миневич
Кабели энергетического назначения и кабельная арматура. Основы теории, ме-
тоды анализа, испытания : конспект лекций / Г. В. Грешняков [и др.] ; под ред.
Е.А. Бодренкова. – СПб. : ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2023. – 120 с.
Конспект лекций соответствует федеральному государственному образо-
вательному стандарту высшего образования.
Содержит описание электромагнитных процессов в элементах конструкции
кабельной линии и тепловых процессов в кабельной изоляции. Рассмотрены
конструкции кабельных муфт и современные технологии их производства.
Предназначен для студентов вузов, обучающихся по направлениям
подготовки бакалавриата 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»,
13.03.03 «Энергетическое машиностроение».
Табл. 9. Ил. 64. Библиогр.: 29 назв.
Печатается по решению
Совета по издательской деятельности Ученого совета
Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
© Бодренков Е. А., научное
редактирование, 2023
ISBN 978-5-7422-8366-9
doi:10.18720/SPBPU/2/id23-706
© Санкт-Петербургский политехнический
университет Петра Великого, 2023
Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation
PETER THE GREAT ST. PETERSBURG
POLYTECHNIC UNIVERSITY
Institute of Energy
Graduate School of High Voltage Engineering
ENERGY CABLES AND CABLE
FITTINGS
FUNDAMENTALS OF THEORY,
METHODS OF ANALYSIS, TESTING
Compendium of lectures
Saint Petersburg
2023
R e v i e w e r s:
Doctor of Engineering, associate professor, head of the Department of Theoretical
Fundamentals of Electrical Engineering at the Federal State Autonomous
Educational Institution of Higher Education “Saint Petersburg Electrotechnical
University “LETI”” E. B. Solovyeva
Doctor of Physics and Mathematics, professor at the Graduate School of High
Voltage Engineering of Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
D. V. Kizevetter
A u t h o r s:
G. V. Greshnyakov, V. O. Belko, S. D. Dubitskiy,
E. A. Chesnokov, E. A. Bodrenkov, A. A. Lebedeva,
S. A. Vazhnov, N. V. Korovkin, T. G. Minevich
Energy cables and cable ttings. Fundamentals of theory, methods of analysis, testing: compendium of lectures / G. V. Greshnyakov [et al.] ; under the editorship of
E.A.Bodrenkov. – St. Petersburg: POLYTECH-PRESS, 2023. – 120 p.
The compendium of lectures complies with the federal state educational standard of
higher education.
It contains the description of electromagnetic processes in the elements of electrical
line structure and thermal processes in cable insulation. The design of cable couplings
and modern technologies of their production are considered.
It is intended for students of higher educational institutions studying in Bachelor’s
degree programs 13.03.02 “Electrical Power Engineering”, 13.03.03 “Power Machine
Engineering”.
Tables: 9. Figures: 64. References: 29 titles.
Printed by decision
of the Council on Publishing Activities of the Academic Board
of Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University.
ISBN 978-5-7422-8366-9
doi:10.18720/SPBPU/2/id23-706
© Bodrenkov E. A., scientic editing,
2023
© Peter the Great St. Petersburg
Polytechnic University, 2023
ОГЛАВЛЕНИЕ
Л е к ц и я 1. Основные уравнения, описывающие электромагнитные
процессы в элементах конструкции кабелей. Электрические параметры
кабельной изоляции ................................................................................... 7
1.1. Базовые уравнения ............................................................................. 7
1.2. Физические процессы в кабельной изоляции и ее основные
электрические параметры ........................................................................ 8
1.3. Влияние конфигурации электрического поля
на свойства изоляции .............................................................................. 11
Л е к ц и я 2. Радиальное тепловое поле в кабельной изоляции ............... 21
2.1. Источники тепла в кабеле ................................................................ 21
2.2. Виды теплопередачи и тепловые сопротивления элементов
конструкции кабеля ................................................................................ 24
2.3. Тепловые схемы замещения и тепловые потоки ............................. 26
2.4. Определение допустимых токовых нагрузок .................................. 29
Л е к ц и я 3. Магнитное поле в кабеле ................................................... 31
3.1. Потери полезной мощности в металлических оболочках
небронированных кабелей ..................................................................... 31
3.2. Потери полезной мощности в металлических оболочках
бронированных кабелей ......................................................................... 37
Л е к ц и я 4. Проблема индуктированных токов .................................... 39
4.1. Конструкция однофазного кабеля ................................................... 39
4.2. Трехфазные группы однофазных кабелей ....................................... 40
4.3. Механизм появления токов и напряжений в экранах .................... 42
4.3.1. Первое объяснение индуктивного механизма ....................... 43
4.3.2. Второе объяснение индуктивного механизма ....................... 46
Л е к ц и я 5. Основные способы борьбы с индуктированными токами .... 52
5.1. Снижение сечения экранов и расстояния между однофазными
кабелями .................................................................................................. 52
5.2. Применение трехфазных кабелей вместо однофазных .................. 53
5.3. Разрыв экранных контуров однофазных кабелей .......................... 56
5.4. Транспозиция экранов однофазных кабелей ................................. 61
5.5. Борьба с токами и допустимое напряжение на экране
относительно земли ................................................................................ 65
Л е к ц и я 6. Численные методы оценки пропускной способности
s
кабельных линий ...................................................................................... 69
6.1. Решение уравнений электромагнитного поля для определения
джоулевых потерь в экране, броне и других металлических
элементах конструкции кабеля .............................................................. 69
6.2. Учет схемы соединения и заземления экранов .............................. 71
6.3. Решение уравнения теплопроводности .......................................... 73
6.4. Примеры расчета пропускной способности трехфазных
кабельных линий .................................................................................... 74
Л е к ц и я 7. Назначение и типы кабельных муфт. Кабельная разделка.
Электрическое поле в кабельной разделке ............................................... 81
Л е к ц и я 8. Кабельные муфты. Основные принципы
функционирования ................................................................................... 88
Л е к ц и я 9. Электрическое поле в кабельной разделке ......................... 95
9.1. Дифференциальные уравнения распределения
электрического поля в концевой кабельной разделке ........................... 95
9.2. Регулирование электрического поля продольной
γ
проводимостью
.................................................................................. 97
9.3. Регулирование электрического поля продольной емкостью ......... 97
9.4. Регулирование электрического поля омической составляющей
поверхностной проводимости σ
...........................................................100
s
Л е к ц и я 10. Современные технологии производства кабельных
муфт ....................................................................................................105
10.1. Отличие и сходство технологии холодной усадки
и термоусадки ........................................................................................106
10.2. О выборе способа выравнивания электрического поля
в муфтах холодной усадки .....................................................................108
10.3. Требования к материалам ............................................................. 112
Библиографический список ................................................................. 118
Л е к ц и я 1
=+++ =
t
jj j
t
,
;
0;
t
1
;
ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ, ОПИСЫВАЮЩИЕ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕМЕНТАХ
КОНСТРУКЦИИ КАБЕЛЕЙ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ПАРАМЕТРЫ КАБЕЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
1.1. Базовые уравнения
Поскольку мы имеем дело с процессами передачи электрической энергии, следует записать уравнения из системы Максвелла
в дифференциальной и интегральной формах (1.1)–(1.9):
D
∂
rot J
;
H
пр абс ион
∂
∂
B
= −∂;
rotE
(1.2)
(1.1)
Σ
divE
H dl j ds
∫
r
div D
divB
=
=
∫
= ρ
εε
=
S
( )
= −
Edl ds
∫
r
Eds dV
∫
S
∫
S
( )
= ρ
Dds dV
S
∫∫
V
= ρ
εε
0
r
Bds
=
∫
S
(1.3)
ρ
0
r
(1.4)
;
(1.5)
Σ
∂
B
;
(1.6)
∂
;
(1.7)
∫
0.
(1.8)
V
(1.9)
7
(1.5) – циркуляция вектора
H
E
B
D
,, .DBE H
00
;;
rr
D EB H
по произвольному замкнутому
контуру Г равна полному току, проходящему через произвольную
поверхность S, ограниченную контуром Г.
(1.6) – циркуляция вектора напряженности электрического поля
по произвольному замкнутому контуру Г равна скорости изме-
нения потока вектора магнитной индукции
через произвольную
поверхность S, ограниченную контуром Г.
(1.7) – поток вектора электрической индукции
через произ-
вольную поверхность S равен электрическому заряду, находящемуся в объеме V, ограниченном поверхностью S.
(1.9) – поток вектора магнитной индукции через произвольную замкнутую поверхность S равен нулю, т. е. свободные заряды
отсутствуют.
Данные уравнения стоит дополнить соотношениями, связыва-
и
ющими векторы
Данные связи называют уравнени-
ями состояния (материальными уравнениями). Для большинства
изотропных сред, вплоть до сильных полей, уравнения состояния
имеют линейную форму.
=εε =µµ
ницаемости; ε
, µr – относительные проницаемости; ε0, µ0 – ди-
r
ε и µ – диэлектрическая и магнитная про-
электрическая и магнитные постоянные (диэлектрические и магнитные проницаемости вакуума).
1.2. Физические процессы в кабельной изоляции и ее основные
Существуют понятия идеальной и реальной изоляции. Изоляцию кабеля считают идеальной, если диэлектрик является
однородным, с нулевой электрической проводимостью σ = 0,
с относительной диэлектрической проницаемостью ε
этом диэлектрические потери отсутствуют. Реальная изоляция
(в отличие от идеальной) обладает неоднородной структурой (слоистость, воздушные включения, прочие инородные включения
8
электрические параметры
= 1, при
r
и т. п.) и отличной от нуля электропроводностью. При приложении
ε =εε0,
ar
напряжения к реальной изоляции через нее начинает протекать
ток, имеющий различные составляющие (токи проводимости,
смещения, абсорбции и т. п.).
Токи проводимости (утечки) связаны с движением свободных
заряженных частиц: в диэлектрике это чаще всего ионы, которые
присутствуют из-за наличия примесей, загрязнений, влаги т. д.
Повышенная температура, воздействие электрического поля и
прочие внешние факторы способствуют увеличению количества
свободных зарядов в диэлектрике, что ведет к увеличению электропроводности, следовательно, к снижению качества изоляции.
Кроме свободных зарядов в электрическом поле диэлектрика
существуют или могут возникать связанные заряды, как правило,
электрические диполи. В некоторых диэлектриках они существуют постоянно, что связано с химическим строением молекулы
вещества, в других – появляются в результате разделения зарядов
под воздействием внешнего электрического поля. Первые называются полярными диэлектриками, вторые – неполярными. Показателем полярности является относительная диэлектрическая
проницаемость ε
. Абсолютная диэлектрическая проницаемость
r
изоляции (1.10):
где ε
= 8,85 · 10
0
–12
– электрическая постоянная, Ф/м.
Показатель полярности ε
демонстрирует, во сколько раз абсо-
r
(1.10)
лютная диэлектрическая проницаемость данного вещества превышает величину электрической постоянной или во сколько раз
электрическая емкость конденсатора с данным диэлектриком больше емкости воздушного конденсатора той же конструкции. Для
неполярных диэлектриков ε
= 1… 3, у полярных – εr > 3.
r
Под действием электрического поля происходят смещение связанных зарядов и смена их ориентации во внешнем поле. Такой
процесс называется поляризацией диэлектрика, а процесс перемещения связанных зарядов – током поляризации. В ряде случаев
наличие таких токов не связано с поглощением энергии внешнего
9
электрического поля, т.е. диэлектрическими потерями. Токи,
сопровождающие «быстрые» виды поляризации (электронную,
ионную), называют токами смещения. В других случаях, когда
поляризация идет медленно (дипольная, ионно-релаксационная и
др.), происходит поглощение энергии внешнего поля и ее рассеивание в виде тепла в толще диэлектрика. Такие токи поляризации
называют токами абсорбции. Наличие неоднородностей (полостей)
в диэлектрике приводит к возникновению воздушных включений.
Под действием электрического поля происходит ионизация таких
включений, при этом нейтральные молекулы газа распадаются
под воздействием ускоренных полем электронов и ионов с образованием новых заряженных частиц. Все это происходит за счет
затрат энергии внешнего электрического поля, т.е. имеют место
диэлектрические потери. Таким образом, токи проводимости, абсорбции и ионизации газовых включений ведут к потерям энергии
приложенного к диэлектрику электрического поля, т.е. к диэлектрическим потерям.
Известно, что при переменном напряжении ток смещения I
см
через конденсатор с идеальным диэлектриком по фазе опережает
напряжение U на угол π/2, т.е. является чисто реактивным (емкостным) током и не связан с потерями (рис. 1.1, б). В реальном
диэлектрике появляется активная составляющая тока I
, поэтому
пр
угол φ между напряжением и общим током будет меньше π/2 на
некоторый угол δ. Тангенс этого угла tgδ называется тангенсом
а) б)
I
см
I
абс
I
пр
Рис. 1.1. Схема замещения конденсатора с идеальным
диэлектриком (а) и векторная диаграмма токов (б)
С
R
U
10
I
I
см
δ
φ
абс
I
пр
U
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]