ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В КАБЕЛЕ
В одножильном кабеле, имеющем металлическую оболочку или экран, а также в отдельных жилах трехжильного кабеля в индивидуальных металлических оболочках или экранах силовые линии электрического поля (Е) направлены от токопроводящей жилы к металлической оболочке. Вне такого кабеля электрическое поле равно нулю (рис. 2-8).
Напряженность электрического поля Е1 у токопроводящей жилы радиусом r будет наибольшей
а напряженность Е2 у металлической оболочки радиусом R будет наименьшей
Напряженность электрического поля в любой промежуточной точке
При постоянном наружном радиусе кабеля R и переменном радиусе токопроводящей жилы r значение максимальной напряженности изменяется по кривой, приведенной на рис. 2–9. Теоретически наивыгоднейшее использование изоляции (наименьшие габариты кабеля) получается при отношении
Среднее значение напряженности поля в изоляции кабеля
Коэффициент использования изоляции
При наивыгодном по величине электрической напряженности отношении
коэффициенте использования изоляции одножильного кабеля в металлической оболочке
В кабелях с многопроволочными токопроводящими жилами напряженность электрического поля за счет его неоднородностей будет больше примерно на 23%, чем для кабелей с гладкой поверхностью жил. Применение уплотненных жил или экрана из полупроводящих материалов, сглаживающих поверхность многопроволочной жилы, устраняет повышение напряженности электрического поля от многопроволочной жилы.
Максимальная напряженность электрического поля в многослойной изоляции кабеля с различной диэлектрической проницаемостью
а минимальная напряженность
Значения максимальных напряженностей во всех слоях изоляции обратно пропорциональны значениям их диэлектрических проницаемостей
Наилучшее использование изоляции будет в том случае, когда максимальная напряженность во всех слоях изоляции
Применением бумажных лент различной плотности и толщины снижают общую толщину изоляции кабеля. Наиболее плотные ленты располагают на токопроводящей жиле, а менее плотные — с постепенным удалением к наружным слоям изоляции. Зная диэлектрические проницаемости бумаги, определяют толщины изоляции кабеля по слоям:
На рис. 2–10 приведены кривые напряженности в одножильном кабеле с трехслойной изоляцией по сравнению с однослойной изоляцией. Максимальная напряженность при многослойной изоляции будет ниже максимальной напряженности при однослойной изоляции на 20—25%. Максимальную напряженность электрического поля в изоляции одножильных кабелей с вязкой пропиткой и кабелей в отдельных металлических оболочках поверх каждой жилы принимается не выше 5 кв/мм, кабелей с обедненной изоляцией — не выше 1,9 кв/мм, а кабелей масло – и газонаполненных под избыточным давлением — не выше 14 кв/мм.
При постоянном токе в кабеле без нагрузки электрическое поле аналогично полю при переменном токе. В кабеле под нагрузкой происходит нагревание токопроводящей жилы и выделившееся при этом тепло будет нагревать изоляцию. Слои изоляции имеют различную температуру, изменяющуюся по экспоненциальному закону, а следовательно, и различное удельное сопротивление: меньшее около токопроводящей жилы и большее — у оболочки. В результате этого напряженность в изоляции у токопроводящей жилы уменьшается, а у оболочки возрастает и при некоторой нагрузке напряженность в изоляции под оболочкой может быть больше, чем у жилы. Распределение напряженности в изоляции кабеля при постоянном токе обусловлено также распределением в изоляции объемных разрядов, образующихся в ней вследствие движения ионов под действием постоянного напряжения. Наибольшая плотность объемных зарядов находится у токопроводящей жилы и у оболочки кабеля. Приблизительно в середине изоляции плотность объемных зарядов равна нулю.
Распределение напряженности между слоями пропитанной бумаги и пропиточным составом при постоянном токе происходит не пропорционально емкостям, как это происходит при переменном токе, а пропорционально сопротивлениям. Поэтому при постоянном токе наиболее напряженной частью изоляции является пропитанная бумага, так как ее проводимость в несколько раз меньше, чем проводимость пропиточного состава. В результате такого распределения напряженности электрическая прочность изоляции при постоянном токе выше, чем при переменном токе.
Напряженность электрического поля в изоляции кабеля при постоянном токе
В двухжильном (симметричном) кабеле из-за наличия внешнего электромагнитного поля часть энергии рассеивается в виде потерь на тепло за счет вихревых токов в соседних цепях и окружающих кабель металлической оболочке и бронепокровах (рис. 2-11).
В трехжильном кабеле с поясной изоляцией в общей металлической оболочке электрическое поле нерадиально. Тангенциальная его составляющая действует вдоль слоев бумаги (рис. 2-12). Напряженность поля в любой точке изменяется со временем, а потенциал в каждой точке непрерывно изменяется от нуля до максимума.
Наибольшее значение Е получается по линии, соединяющей центры двух жил, напряжение между которыми равно линейному для первого момента времени φ = 0, и по линии, соединяющей центр кабеля с центром жилы, имеющей напряжение, равное фазовому Uф, для второго момента времени, характеризующегося углом φ = 30°. При трехфазном токе максимальная напряженность поля лежит между точками а и b (рис. 2-l3). Если значение 2Δ /d относительно мало, то пренебрегают влиянием третьей жилы и металлической оболочкой и вычисляют максимальную напряженность поля по линии, соединяющей центры жил при напряжении между ними Uл.Если 2Δ /d относительно велико, максимальная напряженность поля будет лежать по линии, соединяющей центр жилы с центром кабеля при напряжении на жиле Uф.
Величину напряженности электрического поля в секторных кабелях вычисляют по формулам для одножильного кабеля, в которых вместо радиуса r принимают половину диаметра кабеля по скрутке секторных жил (Dск/2), а вместо R — радиус по поясной изоляции Dп/2):
Наиболее напряженная область изоляции находится в пространстве между жилами за счет тангенциальной составляющей напряженности электрического поля, которая может достигать 0,6—0,8 средней величины напряженности в радиальном направлении. Напряженность поля у поверхности секторной жилы трехжильного кабеля неодинакова и имеет максимум на боковых закруглениях при напряжении между жилами Uл. Для момента времени, когда напряжение на одной жиле равно
Uф, а на двух других — Uф/2, максимальная напряженность будет на внутреннем ребре жилы кабеля. Максимальная напряженность поля у внутреннего ребра секторной жилы
где r2 — радиус закругления внутреннего ребра сектора, мм. Напряженность поля между секторными жилами
— эквивалентный радиус уплотненной жилы; q — коэффициент заполнения жилы.
После несложной процедуры регистрации Вы сможете пользоваться всеми сервисами и создать свой веб-сайт.
Источник
Электрическое поле в одножильном кабеле с круглой жилой и однородной изоляцией
В одножильном кабеле или отдельных жилах трехжильного кабеля в металлической оболочке (экране), находящейся под напряжением U, силовые линии электрического поля направлены от токопроводящей жилы к металлической оболочке. Напряженность электрического поля E1 у токопроводящей жилы радиусом r будет наибольшей:
а напряженность электрического поля Е 2 у металлической оболочки радиусом R будет наименьшей:
Напряженность электрического поля в любой промежуточной точке r х будет иметь значение
Радиус кабеля поверх изоляции при заданном рабочем напряжении U, максимальной напряженности Е мако и радиусе токопроводящей жилы r
По таблице логарифмов находят значение R/r, равное b; тогда
и толщина изоляции кабеля
При постоянном наружном радиусе кабеля по изоляции R и переменном радиусе токопроводящей жилы r значение максимальной напряженности изменяется по кривой, приведенной на рис. 1-8. Теоретически Наивыгоднейшее использование изоляции (наименьшие габариты кабеля) получаются при отношении r/R ≈ 0,37, или R/r = е ≈ 2,72.
Среднее значение напряженности поля в изоляции кабеля
Коэффициент использования изоляции
При R/r = e коэффициент использования изоляции одножильного кабеля в металлической оболочке
Минимальный объем изолирующего материала в кабеле при допустимом значении напряженности поля Е (при рабочем напряжении и постоянном радиусе токопроводящей жилы r)
Наивыгоднейшее отношение радиусов кабеля по минимуму объема изоляции R/r = 2,22. При этом коэффициент использования изоляции η = 0,65.
В кабелях с многопроволочными жилами напряженность электрического поля из-за его повышенной неоднородности больше, чем в кабелях с гладкой поверхностью жил. Напряженность поля у поверхности токопроводящей жилы с учетом местного повышения напряженности поля в зависимости от числа проволок во внешнем повиве n (формула Дейча)
где 
Ниже приведены значения λ и λ/n для разных чисел проволок в верхнем повиве токопроводящей жилы п.
Увеличение напряженности из-за многопроволочности жилы можно определить по формуле
Для круглых жил с числом проволок наружного повива не менее 12 расчет напряженности может быть произведен по приближенной формуле
Увеличение напряженности на поверхности круглой неуплотненной жилы вследствие ее многопроволочности может достигать 25-30%. Уплотнение жилы или применение экрана, сглаживающего поверхность многопроволочной жилы, устраняет указанное повышение напряженности электрического поля.
В случае применения слоистой изоляции с различной диэлектрической проницаемостью напряженность электрического поля перераспределяется обратно пропорционально величине диэлектрической проницаемости. На токопроводящую. жилу накладывают изоляцию с наибольшим ε; последующие слои выполняют изоляцией с меньшими значениями ε. Такую изоляцию называют градированной.
Максимальная напряженность электрического поля в многослойной изоляции кабеля с различной диэлектрической проницаемостью;
а минимальная напряженность
Произведения максимальных напряженностей во всех слоях изоляции на их диэлектрические проницаемости и соответствующие радиусы равны:
Зная диэлектрические проницаемости изоляционных материалов, определяют толщины изоляции кабеля по слоям:
На рис. 1-9 приведены кривые напряженности в одножильном кабеле с трехслойной и однослойной изоляцией. Максимальная напряженность при многослойной изоляции ниже максимальной напряженности при однослойной изоляции на 20-25%. Максимальная напряженность электричкою поля в изоляции односильных кабелей с вязкой пропиткой кабелей и с отдельными металлическими оболочками поверх каждой жилы принимается не выше 5 кв/мм; кабелей с обеднённой пропитанной изоляцией — не выше 1,9 кв/мм; маслонаполненных кабелей 15 кв/мм; газонаполненных кабелей 11,0 кв/мм. В большинстве случаев толщину изоляции кабеля определяют по максимально допустимой рабочей напряженности E макс . При этом соотношение радиусов может быть определено по формуле
В случае градированной изоляции кабелей наибольший эффект достигается при большой величине отношения радиусов R/r.
Источник
