2. Электрический расчет изоляции

Расчет геометрических размеров кабеля производится таким образом, чтобы напряженность электрического поля в изоляции не превышала определенного значения. Это значение зависит от вида материала изоляции и типа кабеля.

Класс напряжения – это номинальное линейное напряжение на приемнике электроэнергии (U_н). Кабель рассчитывается на наибольшее рабочее напряжение (U_{раб max}), так как на генераторе напряжение выше:

U_{раб max}=к U_н (2.1)

Кроме того, учитывается режима работы нейтрали (табл.3), который зависит от класса напряжения.

Таблица 3

Величины расчетных напряжений

№ п/п	Uн, кВ	к	U0, кВ	Нейтраль
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.	0,220 0,380 0,660 1 3 6 10 20 35 110 220 330 500 750	1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,1 1,05 1,05	0,220·1,15/√3 0,380·1,15/√3 0,660·1,15/√3 1·1,15/√3 3·1,15 6·1,15 10·1,15 20·1,15 35·1,15 110·1,15/√3 220·1,15/√3 330·1,1/√3 500·1,05/√3 750·1,05/√3	Заземлена Заземлена Заземлена Заземлена Не заземлена Не заземлена Не заземлена Не заземлена Не заземлена Заземлена Заземлена Заземлена Заземлена Заземлена

Кабели на напряжения от 1 до 35 кВ работают с изолированной или резонансно заземленной нейтралью, поэтому при однофазном коротком замыкании на землю напряжение на неповрежденных фазах возрастает до линейного. Следовательно, расчет изоляции необходимо вести на линейное напряжение U₀= U_л. Кабели на напряжения от 110 кВ и более работают с заземленной нейтралью, поэтому при однофазном коротком замыкании на землю происходит отключение и напряжение на фазах не может быть больше фазного – U₀= U_ф.

Напряженность электрического поля на токопроводящей жиле имеет равнозначные названия: 1) E_max – максимальная, E_раб – рабочая, E_доп – допустимая, их значения берутся из литературы.

0. Расчет толщины изоляции кабеля переменного тока

В кабеле переменного тока с круглыми жилами напряженность электрического поля изменяется по гиперболическому закону (рис. 2.1 и формула (2.1)). Это обусловлено тем, что изоляция однородна.

Рис. 2.1. Распределение напряженности электрического поля в кабеле переменного тока

Порядок расчета

1. Дано:

• класс напряжения – U_н, кВ,

• сечение токопроводящей жилы S, мм².

2. Находим в литературных источниках:

• допустимую напряженность электрического поля E_доп[2, 4, 5].

3. Определяем напряжение, которое фактически воздействует на изоляцию, по формуле (2.1) и табл. 3.

4. Рассчитываем токопроводящую жилу в соответствии с разделом 1.2.

5. Определяем радиус по изоляции:

(2.2)

6. Вычисляем толщину изоляции:

_из = r₂–r₁ (2.3)

0. Кабель с градированной изоляцией

Двухслойное градирование

В том случае, если изоляция неоднородна, например, имеются два слоя с диэлектрическими проницаемостями ₁ и ₂ (рис. 2.1), на границе раздела слоев возникает заряд. Это приводит к скачку напряженности электрического поля (рис.2.3). Напряженность изменяется по радиусу:

1) в первом слое ; 2) во втором слое _,(2.4)

где .

Рис. 2.2. Кабель с изоляцией Рис. 2.3. Скачек напряженности

из двух слоев электрического поля

Существуют два способа градирования. В первом способе уменьшается напряженность электрического поля на жиле r₀ (рис. 2.4); во втором способе сохраняется прежняя напряженность электрического поля на жиле, в результате чего уменьшается радиус кабеля от r₂ до r₃ (рис. 2.5).

Рис. 2.4. Первый способ градирования

До градирования (рис. 2.2) напряженность электрического поля изменялась по кривой 1 – 7 . После градирования напряженность на жиле (т. 1) уменьшилась (т. 2). Напряжение в первом слое уменьшилось на величину пропорциональную площади S₁, во втором слое напряжение возросло на S₂, причем S₁= S₂, так как суммарное напряжение осталось U₀. После градирования напряженность изменяется по кривой 2 – 5 –3 – 6 .

Рис. 2.5. Второй способ градирования

До градирования по второму способу (рис. 2.5) напряженность распределялась по кривой 1 – 6. После градирования напряженность на жиле (т. 1) осталась без изменений, однако радиус кабеля уменьшился от r₂ до r₃. После градирования напряженность распределялась по кривой 1 – 3 – 2 – 4. Напряжение на кабеле осталось прежним U₀, поэтому S₁= S₂.

Порядок расчета

1. Дано:

• класс напряжения – U_л, кВ,

• сечение токопроводящей жилы S, мм².

2. Находим в литературных источниках:

- допустимую напряженность электрического поля в первом E₁и второмE₂ слоях ([2], стр. 88), например,E₁=9,2 кВ/мм, E₂=8,6 кВ/мм ;

- диэлектрическую проницаемость первого ε₁и второго ε₂слоев ([2], стр. 88), например, ε₁=4,3 ε₂=3,5.

3. Определяется напряжение, которое фактически воздействует на изоляцию, по формуле (2.1) и табл. 3.

4. Рассчитываем токопроводящую жилу в соответствии с разделом 1.2.

5. Вычисляются коэффициенты kиf:

, (2.6)

6. Вычисляется радиус первого слоя:

. (2.7)

7. Вычисляется радиус второго слоя:

(2.8)

8. Строим кривую распределения напряженности электрического поля до градирования по формуле:

. (2.9)

8. Строим кривую распределения напряженности электрического поля в первом слое после градирования по формуле:

(2.10)

8. Строим кривую распределения напряженности электрического поля после градирования во втором слое по формуле:

(2.11)