پایان نامه کابل ها و عیب یابی کابل ها

             پایان نامه کارشناسی

                                 گرایش : قدرت

                      فصل اول

       معیارهای انتخاب کابل

مقدمه

در این فصل به نکاتی در مورد انتخاب کابل پرداخته شده است و ضرایب و جداول لازم جهت بدست آوردن مقدار جریان نامی کابل تحت شرایط مختلف آورده شده است.

 برای بهره برداری اقتصادی از کابلها ، انتخاب بهینه سطح مقطع از اهمیت خاصی برخوردار است . در این بخش عوامل موثر در انتخاب کابل مورد بررسی قرار می گیرند. لازم به ذکر است که برای انتخاب بهینه سطح مقطع محاسبه تلفات و محاسبات اقتصادی نیز لازم می باشد که در اینجا به آن پرداخته نشده است.

1-1-  معیارهای انتخاب کابل

معیارهای انتخاب کابل را می توان بصورت زیر تقسیم بندی نمود :

الف- ولتاژ نامی

ب- انتخاب سطح مقطع با توجه به ظرفیت جریان دهی کابل

ج- در نظر گرفتن افت ولتاژ مجاز

د- تحمل جریان اتصال کوتاه توسط کابل

1-2- ولتاژ نامی

ولتاژ نامی کابل بایستی متناسب با سیستمی که کابل در آن مورد استفاده قرار می گیرد باشد. با توجه به جلد اول و دوم استاندارد کابلهای مورد استفاده در شبکه توزیع این ولتاژ بایستی مطابق جدول زیر باشد.           

1-3-  ظرفیت جریان دهی کابلها

در این قسمت عوامل موثر بر جریان دهی کابلها مورد بررسی قرار گرفته و جداول مربوطه ارائه می گردد.

تعیین حد مجاز جریان کابل ها به تلفات ایجاد شده در کابل و نحوه انتقال گرمای ایجاد شده به سطح کابل و محیط اطراف بستگی دارد. استاندارد IEC 287 با در نظر گرفتن تلفات ایجاد شده در کابل و مقاومت حرارتی لایه های مختلف کابل و زمین در شرایط مشخص ، حد مجاز جریان را بدست می دهد. در این قسمت فرض بر این است که مقدار جریان مجاز کابلها در شرایط مشخص توسط کارخانه سازنده مشخص گردد.

1-3-1- عوامل موثر در ظرفیت نامی جریان کابل

عوامل مهم موثر در ظرفیت نامی جریان کابل را می توان به گروههای زیر تقسیم نمود :

الف- دما : دما از عوامل مهم تعیین ظرفیت نامی جریان کابل می باشد که شامل دمای محیط، دمای محل نصب و نیز دمای مجاز برای عایق کابل و ساختار آن می باشد .

ب- طرح کابل : علاوه بر دمای مجاز عایق کابل، نوع طراحی کابل و لایه های مختلف بکار رفته در آن ، در تعیین جریان مجاز کابل دارای اهمیت می باشند. این لایه ها چگونگی انتقال حرارت از هادی به سطح بیرونی کابل را مشخص می کنند .

پ- شرایط نصب : شرایط نصب از قبیل نصب در هوا، دفن شده در زمین، در مجرا، نوع خاک و 000 از عوامل موثر بر جریان دهی کابلها می باشند .

ت- اثرات کابلهای مجاور : در صورت همجواری کابل با سایر کابلها یا لوله ها بایستی ضرایب مناسب برای کاهش جریان مجاز کابل را در نظر گرفت .

1-3-2- دما

دمای محیط : متوسط دمای محیط برای هر کشور و هر منطقه متفاوت می باشد که به شرایط آب و هوایی منطقه بستگی دارد . در استاندارد 287 IEC  دمای محیط اطراف کابل برای چندین کشور آمده است و برای سایر کشورها با توجه به نوع منطقه ای که در آن قرار دارند دمای محیط و زمین بطور تقریبی مشخص شده است .

حدود نامی جریان کابل بایستی برای بدترین شرایط در سرتاسر سال محاسبه شود .

2-   دمای کار کابل : حداکثر دمای کار هادی کابل مطابق استاندارد 287 IEC  برای کابلهای مختلف بایستی مطابق جدول زیر باشد :

-3-3- تاثیر شرایط نصب بر حد نامی جریان کابل

الف- عمق دفن کابل : حداقل کردن آسیب وارده به کابل علت تعیین کننده عمق دفن کابل می باشد که هر چقدر ولتاژ کابل بیشتر باشد عمق دفن کابل بیشتر میگردد.

با افزایش عمق، دما افزایش یافته و مقدار رطوبت بیشتر می گردد، در این حالت با افزایش دما ظرفیت جریان دهی کابل کمتر شده ولی با افزایش رطوبت ، این مقدار بیشتر می گردد .

ب- مقاومت حرارتی مخصوص خاک : وجود رطوبت اثر تعیین کننده ای در مقاومت مخصوص

 هر نوع خاک دارد، برای هر منطقه بایستی این مقدار اندازه گیری شود، در صورتی که این مقدار

 در دسترس نباشد از مقادیر داده شده در استاندارد استفاده می شود.

برای محاسبه جریان مجاز کابل، باید با توجه به نحوه نصب کابل (نصب در هوا، قرار گرفتن در زیر زمین، قرار گرفتن در مجرا و 000 ) باید ضرایب مناسب را اعمال نمود .

1-4- افت ولتاژ

از عوامل مهم تعیین سطح مقطع کابل، مقدار افت ولتاژ مجاز آن می باشد. این مقدار بخصوص در کابلهای فشار ضعیف و کابلهای فشار متوسط در شرایطی که طول کابل خیلی طولانی باشد، عامل تعیین کننده می باشد .

برای تعیین افت ولتاژ در کابلها بایستی مقدار مقاومت و راکتانس آنها در شرایط بهره برداری مشخص شود و سپس با استفاده از فرمولهای زیر ، مقدار افت ولتاژ در کابل را بدست آورد .( لازم به ذکر است که مقدار مقاومت و راکتانس کابلها باید توسط فروشنده ارائه شود ولی در صورتی که این مقادیر در دسترس نباشند می توان از جداول مربوطه این مقادیر را بدست آورد ).

1-5-  تحمل جریان اتصال کوتاه توسط کابل

در انتخاب نوع کابل ، تحمل جریان اتصال کوتاه یکی از عوامل تعیین کننده می باشد . در زمان بروز اتصال کوتاه جریان بطور ناگهانی برای چند سیکل افزایش یافته و سپس مقدار آن کم شده تا آنکه سیستم حفاظتی عمل نماید . مدت زمان اتصال کوتاه معمولاً بین 2/0 تا 3 ثانیه می باشد . در زمان شروع اتصال کوتاه ممکن است کابل در بار کامل باشد و افزایش دمای ناشی از اتصال کوتاه عامل مهمی در انتخاب سطح مقطع نامی خواهد بود . جریان اتصال کوتاه گاهی تا بیست برابر جریان دائمی رسیده و این جریان نیروی الکترومغناطیسی و ترمومکانیکی بوجود می آورد که متناسب با مربع جریان می باشد .

نظر به اینکه زمان اتصال کوتاه خیلی کوتاه است ، کابل پس از آن به سرعت خنک می شود و عایق بایستی تحمل دماهای بالاتر از جریان دائمی ( ناشی از اتصال کوتاه ) را داشته باشد . جدول (1-3) مقادیر دمای قابل تحمل اجزا مختلف کابلهای توزیع را نشان می دهد . مقادیر مذکور مطابق با استاندارد IEC724 می باشد .

در نبود پوششهای مسلح کابل، غلاف کابل بعنوان عایق در نظر گرفته می شود . مقادیر بالا در مواردی کاربرد دارد که قابلیت تحمل عایق کمتر از اعداد فوق نباشد.

1-5-1- مقادیر جریان اتصال کوتاه بر اساس دما

معمولاً فرض بر آن است که کل انرژی ورودی به کابل که توسط هادیها جذب شده است به حرارت تبدیل شود و شرایط موجود آدیاباتیک باشد . بعلاوه مقدار گرمای جذب شده به مدت زمان اتصال کوتاه بستگی دارد که حداکثر این زمان 5 ثانیه فرض می شود .

با مساوی قرار دادن حرارت ورودی (I2RT) با حرارت جذب شده ( حاصلضرب جرم ، افزایش درجه و حرارت مخصوص) معادله ای بشرح زیر بدست می آید.

1-6- کابل های توزیع قدرت

برای شرایط خاصی از افزایش دما مطابق جدول (1-3) می توان فرمول داده شده را بطوریکه در جدول (1-5) آمده است بکار برد . در این جدول بطوری که در محاسبات اتصال کوتاه معمول است، ‌فرض می شود وقتی که اتصال کوتاه رخ می دهد کابل در درجه حرارت حداکثر مجاز در حال بهره برداری

 است .

یک راه دیگر برای نشان دادن اطلاعات موجود در آخرین ستون جدول (1-5) آن است که آنها را بصورت گرافیکی نمایش داد. شکل های (1-1) و (1-2) برای کابل هایی با عایق PVC و شکل های (1-3) و (1-4) برای کابل هایی با عایق XPLE می باشند.

1-7- جریان های اتصال کوتاه غیر متقارن

در مورد جریانهای اتصال کوتاه غیر متقارن مثلاً جریان های اتصال زمین ، عوامل دیگری نیز می بایستی در نظر گرفته شوند زیرا که در این حالت جریان اتصال کوتاه می تواند در پوششهای فلزی و یا زره جریان یابد . بطور کلی برای هادی  با اندازه کوچک افزایش دما عامل تعیین می باشد، ‌ولیکن در هادیهای با اندازه بزرگتر بطوریکه در جدول (1-3) نشان داده شده است با در نظر گرفتن پوششهای سربی و یا زره حد مجاز کمتر می شود .

دمای پوشش زره را می توان با لایه PVC پوشانیده شده بر روی آن کنترل نمود . حداکثر جریانهای اتصال کوتاه غیر متقارن برای کابلهای توزیع قدرت که رایج می باشند در جدول (1-6) تا (1-9) آورده شده اند  و این مقادیر برای کابلهای چند مفتولی می باشند . مقادیر داده شده با در نظر گرفتن مدت اتصال کوتاه یک ثانیه می باشد . برای مدت زمانهای غیر از یک ثانیه این ارقام بر ریشه دوم زمان داده شده تقسیم می شوند .

جدول (1-6) حداکثر جریان اتصال کوتاه نامتقارن مجاز به زمین ( کابلهای زره دار سیمی با عایق PVC و هادی آلومینیومی مفتولی ) و ولتاژ KV1/6/0 و مدت زمان خطا برابر یک ثانیه را نشان میدهد.

1-8- نیروهای الکترومغناطیسی و پاره شدن کابل

جریانهای اتصال کوتاه در کابلهای چند رشته ای نیروهای الکترومغناطیسی بوجود می آورند که رشته های کابل را از یکدیگر جدا نموده و چنانچه این رشته ها بطور محکم با هم بسته نشده باشند ،‌کابل تمایل به از هم گسیختگی خواهد داشت . این اثر در کابلهای با عایق کاغذی که فاقد پوشش مسلح می باشند از اهمیت خاصی برخوردار است زیرا ممکن است عایق در این شرایط آسیب ببیند.

مسلح نمودن کابلها باعث جلوگیری از آسیب ناشی از این نیروها می شود.

1-9- اثرات ترمومکانیکی

افزایش گرمای زیاد در نتیجه جریان اتصال کوتاه باعث ایجاد انبساط در هادی های کابل شده و انبساط بوجود آمده باعث بروز مشکلاتی از قبیل پیشروی طولی در کابل چند رشته ای و یا جابجایی کابل در صورتی که بطور مناسب نصب نشده باشد ،‌خواهد شد .

پیشروی هادی در هادیهای تک مفتولی از اهمیت بیشتری برخوردار است .

1-10- طراحی مفصلها و سرکابلها

اثرات ناشی از جریان اتصال کوتاه در مفصل های کابلهای دفن شده در زمین مهم می باشد زیرا که به علت فشار وارده از زمین بر روی سطح کابل، هادیهای کابل ممکن است در داخل کابل بطور طولی افزایش یافته و داخل مفصل یا سرکابل شوند، ‌مقدار این نیروی پیش رونده خیلی زیاد بوده، ‌مثلاً (N/mm2 50)و برای کابلهای با اندازه بزرگتر اهمیت آن بیشتر می باشد . اگر مواد پر کننده مفصلها و ترمینالها ( سرکابلها) به اندازه کافی نرم باشد که اجازه پیشروی هادیها را بدهد نیروی ذکر شده باعث ایجاد نقص در داخل سر کابل یا مفصل می شود و پس از خنک شدن هادیها تنش بوجود آمده در آنها باعث ایجاد مشکلات دیگری خواهد شد و بعنوان مثال تنش بوجود آمده بر روی رینگهای نگهدارنده هادیها باعث بیرون آمدن هادیها خواهد شد و به همین دلیل حد نهایی دما برای اتصالات لحیم شده هادیها C O160 در نظر گرفته شده است . از عوامل دیگری که باید در نظر گرفته شوند آن است که نگهدارنده ها و چفت و بستها بایستی مناسب انتخاب شده تا در دمای بوجود آمده در آنها باعث ایجاد اشکال در مفصل نشود .

1-11- اختلاف بین هادیهای مسی و آلومینیومی

اگر چه ضریب انبساط آلومینیوم از مس بیشتر است و لیکن تنش بوجود آمده در آن به علت اینکه ضریب مدولاسیون الاستیک آن کمتر است همانند مس خواهد بود . بنابراین نیروهای در هم شکننده برای هر دو فلز تقریباً مشابه یکدیگر می باشند .

وقتی که محدودیتها توسط غلافهای سربی و یا نیروهای الکترومغناطیسی تحت تاثیر قرار می گیرند نوع فلز هادی از لحاظ تئوری هیچ فرقی ندارد و لیکن در رابطه با نیروهای ضربه ای آلومینیوم از ضریب کمتری نسبت به مس برخوردار است زیرا که برای یک مقدار مشخصی از جریان ، اندازه سطح مقطع هادی آلومینیوم از مس بزرگتر می باشد .

1-12- شرایط نصب و کابل کشی

بطوریکه قبلاً ذکر شده است اثرات نیروی پیشروی طولی در کابلهایی که در زمین کشیده شده اند از مهمترین پارامترها می باشند .

در کابلهایی که دارای عایق ترموپلاستیک و غلاف خارجی می باشند بایستی از افزایش زیاد محلی ( موضعی ) جلوگیری نمود زیرا که باعث تغییر شکل دادن عایق و غلاف می شود . این مورد ممکن است به علت رعایت نکردن شعاع انحنا در موقع کابل کشی و یا مناسب نبستن وسایل نگهدارنده در کابلها پیش آید.

موارد نامبرده بالا در مورد کابلهای با عایق ترموست که سطح مقطع آنها بزرگتر است نیز صادق می باشد .

  (معادلات و جداول در فایل اصلی قابل مشاهده است.)