книги из ГПНТБ / Дмитревский, В. С. Высоковольтные гибкие кабели

С.ДМИТРЕВСКИЙ, Д.Д. РУМЯНЦЕВ

ЫСОКОВОЛЫНЫЕ НЕКИЕ КАБЕЛИ

I

3?

I

В. С. ДМИТРЕВСКИЙ, Д. Д. РУМЯНЦЕВ

В Ы С О К О В О Л Ь Т Н Ы Е Г И Б К И Е К А Б Е Л И

«Э Н Е Р Г И Я»

М О СКВА 1974

ЭКЗЕМПЛЯР

н'ТА .Л ЬН О ГО ЗА Д А

Щ -/3395

7/67S

Дмитревский В. С. н Румянцев Д д.

Д 53 Высоковольтные гибкие кабели. М., «Энергия», 1974.

176 с. с ил.

В книге рассматриваются вопросы расчета, изготовления и экс­ плуатации высоковольтных кабелей, предназначенных для питания передвижных механизмов. Описываются конструкции кабелей и мате­ риалы, применяемые для их изготовления. Приведены основы расчета изоляции кабелей, дано уравнение надежности электрической изоля­ ции и показано’, как учитываются эксплуатационные нагрузки. Рас­ сматриваются вопросы испытания кабелей. Дана классификация и при­ ведены методы испытаний. Описаны способы ремонта кабелей.

Книга предназначена для инженерно-технических работников, за­

© Издательство «Энергия», 1974 г.

П Р Е Д И С Л О В И Е

Высоковольтными гибкими кабелями принято называть кабели напряжением выше 1000 в, предназначенные для питания подвижных потребителей энергии большой мощности. Основное применение высоковольтные гиб­ кие кабели нашли в горной промышленности. Развитие горной промышленности, рост мощности горнодобываю­ щих машин предъявляют все более серьезные требова­ ния к кабельным конструкциям.

Настоящая книга является обобщением работ, про­ веденных в последнее время по разработке методов рас­ чета и испытания высоковольтных гибких кабелей, тех­ нологии их изготовления и путей повышения эксплуа­ тационной надежности. В книге рассмотрены условия работы гибких кабелей, современные кабельные конст­ рукции и материалы, применяемые для их изготовления. Впервые освещен вопрос о надежности изоляции высо­ ковольтных гибких кабелей и изложена методика ее рас­ чета. Дается описание технологических процессов изго­ товления кабелей. Рассмотрены вопросы испытания и

Дмитревским.

Авторы надеются, что настоящая книга будет полез­ на как работникам научно-исследовательских институ­ тов и кабельных заводов, занятых разработкой и изго­ товлением высоковольтных гибких кабелей, так и инже­ нерам, эксплуатирующим эти кабели.

Авторы заранее благодарны за все замечания и предложения, которые будут высказаны по данной кни­ ге, и просят направлять их по адресу: 113114, Москва, Шлюзовая набережная, 10, издательство «Энергия».

Авторы

Г Л А В А П Е Р В А Я

УСЛОВИЯ РАБОТЫ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ГИБКИХ

КАБЕЛЕЙ

1-1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ

Высоковольтный гибкий кабель, как правило, приме­ няется для передачи электроэнергии к горнодобываю­ щим машинам и агрегатам: экскаваторам, драгам, уста­ новкам гидромеханизации и т. п. Это обусловливает не­ которые особенности его эксплуатационных электриче­ ских нагрузок. Кабельная линия подвергается частым отключениям и включениям. Так, по данным ВостНИИ среднее число отключений кабельных линий, питающих экскаваторы, достигает 1 200 в год.

На изоляцию кабеля в эксплуатации действуют ра­ бочее напряжение, коммутационные и атмосферные пе­ ренапряжения. Рабочее напряжение действует на изо­ ляцию постоянно в течение всего срока эксплуатации кабельной линии. Колебания рабочего напряжения в се­ ти невелики и редко превышают 10% от номинального значения. Учитывая небольшие отклонения рабочего на­ пряжения от номинального значения, его величину мож­ но принять постоянной.

Коммутационные перенапряжения возникают в си­ стеме при отключениях и включениях, коротких замы­ каниях и других изменениях режима работы. Амплиту­ да коммутационных перенапряжений оценивается крат­ ностью перенапряжений:

ствующее напряжение сети.

Кратность коммутационных перенапряжений являет­ ся случайной величиной, которую с некоторым прибли-

4

Жением можно описать нормальным законом распреде­ ления [Л. 1]:

( 1-2)

где U* — математическое ожидание кратности амплитуд перенапряжений; а* — среднеквадратичное отклонение.

Нижний и верхний пределы функции (1-2) ограни­ чены. Нижний предел ограничен кратностью перенапря­ жений, равной единице, так как амплитуда пере­ напряжений не может быть ниже фазного значения. Максимальное значение амплитуды перенапряжений ограничивается разрядниками, установленными на ли­ нии. Максимальная кратность амплитуд перенапряже­ ний составляет 7,5 [Л. 2]. Математическое ожидание кратностей амплитуд перенапряжений составляет в экс­ каваторных сетях 4—4,5 [Л. 3]. Пользуясь приведенны­ ми данными и предполагая, что кратность перенапряжениз изменяется в пределах 17* ±Зет*, можно приближен­ но оценить (7* и а*. Действительно,

(1-3)

откуда получим 17* = 4,25 и сг*= 1,08.

Коммутационные перенапряжения имеют вид высо­ кочастотной затухающей волны. Частота высокочастот­ ных колебаний зависит от характеристик сети и нахо­ дится в пределах 1—20 кгц.

Исследования по коммутационным перенапряжениям в электрических машинах, выполненные в Томском по­ литехническом институте, показали, что с увеличением амплитуды длина волны уменьшается. К сожалению, в кабельных системах таких исследований не проводи­ лось. Однако можно ожидать, что корреляционная связь, установленная для электрических машин, будет справедлива и для кабельных сетей.

Увеличение скорости затухания с повышением ампли­ туды перенапряжений обусловлено нелинейными харак­ теристиками изоляции. Известно, что с повышением на­ пряжения уменьшается сопротивление изоляции, появ­ ляются утечки тока за счет поверхностных и коронных разрядов. Это способствует быстрому затуханию боль-

5

Ltiiix амплитуд коммутационных перенапряжений. Одна­ ко колебания длины волны коммутационных перенапря­

появление на них атмосферных перенапряжений. Длина волны атмосферных перенапряжений обычно находится

впределах 20—100 мксек. Время действия одного атмо­ сферного перенапряжения в 30—100 раз меньше вре­ мени действия коммутационных перенапряжений. Амплитуда атмосферных перенапряжений, попадающих

вкабельную сеть, ограничена разрядниками до вели­ чин, близких к коммутационным перенапряжениям.

Учитывая небольшую протяженность воздушных сетей горнодобывающих районов, а следовательно, н малую вероятность появления па них атмосферных перенапря­ жений, можно с некоторым приближением пренебречь действием последних.

1-2. М ЕХА Н И ЧЕСК И Е НАГРУЗКИ

Механические напряжения в отдельных элементах кабе­ ля возникают от протекающих по жилам кабеля токов (электродинамические напряжения), при прокладке ка­ беля, в результате ударов по кабелю инструментом, кусками горных пород п наезда транспорта. Для рас­ чета кабеля необходимо дать оценку отдельных видов механических напряжений, возникающих в его элемен­ тах при эксплуатации.

Величина электродинамической силы, действующей на единицу длины токопроводящей жилы, н/м [Л. 4]:

в кабеле; Іт — амплитудное значение тока в токопрово­ дящих жилах; со — круговая частота переменного тока; t — время.

Формула (1-4) справедлива при условии, что по ка­ белю протекает трехфазный ток. Так как токи в разных фазах кабеля в любой момент времени направлены в противоположном направлении, то токопроводящие жилы притягиваются. Таким образом, электродинамиче­ ские силы вызывают напряжения сжатия в изоляции и

6

во внутреннем сердечнике кабеля. Величина электроди­ намических сил при номинальных токах ничтожно мала. Приближенная оценка показывает, что даже при трех­ фазном коротком замыкании сила, действующая на жи­ лы кабеля КШВГ, может достигать 2 250 н/м, что не вызывает каких-либо повреждений элементов кабеля. Это позволяет пренебречь действием электродинамиче­ ских нагрузок.

Рис. 1-1. Прокладка кабельной линии на козлах.

При прокладке кабель подвергается деформациям изгиба и изгиба с кручением. Величина механического напряжения, возникающего при деформации в отдель­ ных элементах кабеля,

бель, проложенный на козлах и по земле, имеет прямые и изогнутые участки. При продвижении экскаватора ка­ бель испытывает деформации изгиба и кручения. Как показывают наблюдения, в процессе эксплуатации ка-' б?ль перекладывается от 4 до 30 раз в смену. Таким

7

образом, в эксплуатации кабель подвергается цикличе­ ским знакопеременным нагрузкам. Хотя величины ме­ ханических напряжений невелики, ио они могут приво­ дить к смещению отдельных элементов кабеля, образо­ ванию «барашков» и петель в токопроводящей жиле и их разрушению. Циклические деформации элементов кабеля вызывают ускоренное их повреждение.

Рис. 1-2. Раскладка кабеля у экскаватора петлями.

Подтаскивание кабеля за экскаватором часто осу­ ществляется с помощью петли (рис. 1-3). Сила, которая действует на кабель, при этом достигает 3 000 н. Одно­ временно с растягивающими усилиями в кабеле, как указывалось выше, имеются деформации изгиба и кру­ чения. При сложной циклической деформации могут разрушаться элементы кабеля: металлический экран, токопроводящие жилы, шланг и изоляция.

Технология добычи угля и руды связана с постоян­ ным движением грузового транспорта к экскаватору, с обрушением горных пород. При открытой прокладке кабеля велика вероятность его повреждения ударами горных пород, транспортом.

Как показали исследования [Л. 5], надежную защиту кабеля от ударов можно осуществить только с помощью стальной брони. Однако кабели со стальной броней об­ ладают недостаточной гибкостью. Поэтому кабель при эксплуатации необходимо защищать от действия удар­ ных нагрузок и наезда транспорта. С этой целью могут

8

рекомендоваться следующие способы: і) прокладка ка­ бельной линии на козлах при сматывании избытка ка­ беля на барабан; 2) защита кабеля, проложенного по земле, с помощью щитов в местах проезда транспорта.

Применение указанных способов значительно умень­ шит воздействие ударных нагрузок на кабель. Таким образом, основными механическими воздействиями на

Рис. 1-3. Петля из токопроводящей жилы для под­ тягивания кабеля за экскаватором.

гибкий кабель следует считать циклические деформации. Другие виды нагрузок возникают при нарушении нор­ мальных условий прокладки кабеля.

1-3. ТЕПЛОВЫЕ УСЛ О ВИ Я РАБОТЫ КАБЕЛЯ

Температура наиболее существенно влияет на работо­ способность кабельной изоляции и шланговой оболочки; работоспособность же токопроводящих жил в данном случае практически не зависит от температуры. Поэто­ му наиболее важно значение температуры изоляции и шланговой оболочки.

где Гц — температура изоляции; Т0— температура окру­ жающей среды; АТ — перепад температур между токо­ проводящей жилой и окружающей средой.

9