Научная статья на тему 'Получение зависимостей сопротивлений изоляции кабеля АВБбШв (4 × 70) от частоты питающего напряжения при схеме подключения «Фаза-оплетка» и «Фаза-фаза»'

Получение зависимостей сопротивлений изоляции кабеля АВБбШв (4 × 70) от частоты питающего напряжения при схеме подключения «Фаза-оплетка» и «Фаза-фаза» Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
477
50
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Алферов А. А., Засименко А. В., Алферова Т. В., Рудченко Ю. А.

Получены экспериментальные и расчетные характеристики, описывающие влияние повышенной частоты питающего напряжения на сопротивление изоляции кабеля АВБбШв (4 × 70). Проведен сравнительный анализ полученных результатов: зависимости емкостного сопротивления от частоты, полученные экспериментальным и расчетным путем, начиная с частоты 1 кГц, имеют минимальное отклонение друг от друга; активные сопротивления практически совпадают на частотах до 1 кГц, на более высоких частотах расхождение графиков происходит из-за увеличения потерь мощности через диэлектрик с повышением частоты. Зависимости сопротивлений изоляции от частоты при схеме подключения «фаза-оплетка» и «фаза-фаза» имеют одинаковую динамику и отличаются лишь численными значениями

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Алферов А. А., Засименко А. В., Алферова Т. В., Рудченко Ю. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Получение зависимостей сопротивлений изоляции кабеля АВБбШв (4 × 70) от частоты питающего напряжения при схеме подключения «Фаза-оплетка» и «Фаза-фаза»»

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.3.018.3

ПОЛУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЙ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЯ АВбБШв (4 х 70) ОТ ЧАСТОТЫ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ СХЕМЕ ПОДКЛЮЧЕНИЯ «ФАЗА-ОПЛЕТКА» И «ФАЗА-ФАЗА»

А. А. АЛФЕРОВ, А. В. ЗАСИМЕНКО, Т. В. АЛФЕРОВА, Ю. А. РУДЧЕНКО

Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого», Республика Беларусь

Введение

В последние годы в жилых и общественных зданиях возросло количество нелинейных потребителей (в частности, компьютеров, телевизоров, микроволновых печей, кондиционеров и др.), являющихся источниками высших гармоник, которые негативно влияют на оборудование электрической сети [1].

С внедрением программ по энергосбережению все активнее обычные лампы накаливания заменяются энергосберегающими светодиодными и индукционными; широко применяется частотно-регулируемый привод и вентильно-индукторные двигатели.

Совершенствование электроприемников направлено на повышение коэффициента полезного действия, оптимизацию режима работы и снижение энергопотребления. Большинство таких электроприемников потребляет ток несинусоидальной формы. Несмотря на относительно небольшую мощность каждого отдельного электроприемника, их массовое применение приводит к существенному искажению синусоидальности кривых напряжения и тока в электрических сетях напряжением 380 В.

Основным источником электромагнитных помех в сети, влияющим на кривую напряжения, являются электроприемники потребителей с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

По мнению некоторых специалистов [2], в случаях, когда мощность нелинейных потребителей не превышает 10-15 %, каких-либо особенностей в эксплуатации системы электроснабжения не возникает. При превышении указанного предела в распределительной сети следует ожидать ухудшения качества электроэнергии.

Высшие гармонические составляющие, присутствующие в кабельных линиях, питающих нелинейные нагрузки, в большинстве случаев приводят к аварийным последствиям: к дополнительному нагреву жил кабелей за счет поверхностного эффекта и эффекта близости; возможному перегреву и разрушению нулевых рабочих проводников кабельных линий вследствие их перегрузки токами гармоник, кратных трем; увеличению диэлектрических потерь; ускоренному старению изоляции проводов и кабелей [3].

Для анализа влияния нелинейной нагрузки на питающие их кабели необходимо знать, как зависит сопротивление изоляции кабеля от частоты напряжения, приложенного к кабелю. Целью данной работы является получение и анализ зависимостей сопротивлений изоляции кабеля АВБбШв (4 х 70) от частоты питающего напряжения для различных схем подключения.

Основная часть

Для получения экспериментальных данных была собрана испытательная установка, принципиальная схема которой (для опыта «фаза-оплетка (броня)» приведена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема испытательной установки

В ходе проведения эксперимента генератор выдавал напряжение заданной частоты, которое через усилитель мощности подавалось на изоляцию кабеля 0,4 кВ АВБбШв (4 х 70). Напряжение прикладывалось между одной из жил кабеля и оплеткой брони, выполненной из металлических лент.

В ходе эксперимента регистрировалось напряжение на изоляции кабеля и1 (между точками А и В), падение напряжения и2 на резисторе Яш = 100 Ом (между точками В и С), частота входного сигнала и угол сдвига между напряжениями и и и2. Данные снимались с осциллографа в виде временных диаграмм напряжений, далее оцифровывались и записывались в файл в виде мгновенных значений.

Данные, полученные после обработки, показаны на рис. 2.

0 1 2 3

0 50 1.173-105 3.875 131.134

1 50 1.173-105 3.42 106.822

2 51.939 1.18-105 4.275 123.681

3 56.98 1.194-105 4.542 127.519

4 59.944 1.201105 4.972 129.064

5 62.937 1.207 105 4.647 125.161

6 67.024 1.215-105 4.358 124.33

7 70.028 1.22105 4.865 120.955

8 72.944 1.223-105 4.814 118.726

9 77.073 1.228 105 4,63 119,778

10 79.972 1.23Г105 4.627 119,756

И 33.001 1.234-105 5.049 117.141

12 37.015 1.239-105 4,732 116,689

13 90 1.24-105 5.554 113.06

14 92.975 1.243-105 5.112 125,708

15 97.087 1.244-105 5.894 ...

Рис. 2. Данные, полученные после обработки: 0 столбец - частота напряжения £ Гц; 1 столбец - напряжение и1, мВ; 2 столбец - напряжение и2, мВ; 3 столбец - угол ф между напряжениями и1 и и2

Из-за особенностей схемы установки (напряжения U1 и U2 направлены встречно), чтобы получить угол сдвига между напряжением, приложенным к изоляции кабеля, и током утечки через изоляцию от измеренного угла, необходимо отнять 180°.

На рис. 3 приведена зависимость входного напряжения (ЦД падения напряжения на резисторе (и2) и угла сдвига фаз между напряжениями (ф) от частоты (/).

£

Гц

Рис. 3. Зависимость входного напряжения (и1), падения напряжения на резисторе (и2) и угла сдвига фаз между напряжениями (ф) от частоты (/)

По данным, приведенным на рис. 2, определяется изменение сопротивления изоляции кабеля от частоты питающего напряжения (рис. 4):

у и1

¿{г -—--модуль полного сопротивления изоляции;

и 2 100

У — 1 в1 (ф180) - полное сопротивление изоляции в комплексной экспоненци-

и 2 100

альной форме;

т^ — Яе(У) - активное сопротивление изоляции;

х^ — 1ш(У) - емкостное сопротивление изоляции.

100 1)1 10 1*10

Гц

Рис. 4. Зависимости сопротивлений изоляции от частоты питающего напряжения

Из анализа рис. 4 следует, что с повышением частоты сопротивление изоляции уменьшается: так, на частоте 100 Гц активное сопротивление изоляции составляет 92 МОм, а на частоте 470 Гц - 13,2 МОм.

Известно [4], что емкость изоляции зависит от частоты приложенного напряжения. При увеличении частоты емкость уменьшается. Эта зависимость является следствием процессов медленной поляризации, в результате которых происходит накоп-

ление зарядов в диэлектрике, что приводит к увеличению его емкости. При переменном напряжении процесс накопления зарядов ограничен длительностью одного полупериода. Чем выше частота, тем в меньшей степени успевают развиваться процессы поляризации и тем меньшей будет емкость.

Частичную емкость кабеля определяем по выражению (1), не учитывающему изменение частоты:

С = (1)

ln Rd-rd

где s - относительная диэлектрическая проницаемость изоляции, принимается const

Кл 2

(для ПВХ принимаем 4,5); s0 - диэлектрическая постоянная s0 = 8,85 -10 12 --;

Н - м

l - длина кабельной линии в км, 0,0015 км; Rd - внешний диаметр изоляции; rd - внутренний диаметр изоляции.

Чтобы связать данную формулу с частотой, емкость С заменим выражением (2):

С = —, (2)

шхс

где ш = 2%f - угловая частота.

Выражая хс из формулы (2) и подставив его в формулу (1), получим выражение (3) для расчета емкостного сопротивления изоляции:

Rd

ln-

4% ss 0lf

r

X = 2 d. . . (3)

R

Для кабеля АВБбШв (4 х 70) отношение ln —- равно 0,00125.

rd

Сравнительная характеристика емкостного сопротивления изоляции (расчетного -по выражению (3) и экспериментального) приведена на рис. 5.

Рис. 5. Сравнение расчетного хс и экспериментального х^ емкостного сопротивления изоляции

Из анализа рис. 5 следует, что емкостное сопротивление, полученное в ходе проведения эксперимента и рассчитанное по формуле (3), начиная с частоты 1 кГц, имеют минимальное отклонение друг от друга.

Следует отметить, что величина емкостного сопротивления изоляции, определенная экспериментальным путем, получается более точной, так как она учитывает изменение относительной диэлектрической проницаемости изоляции в в диапазоне частот до 1 кГц, что не учитывается расчетной зависимостью.

Определить активное сопротивление расчетным способом в зависимости от частоты можно, выразив его из выражения (4) для определения потерь активной мощности в изоляции:

р = и 2ша§5,

(4)

где и - напряжение, приложенное к изоляции; - тангенс угла диэлектрических потерь в изоляции.

Я

Заменив в выражении (4) = —, после преобразования получим:

Р

Я =

2к/С и22п/С'

(5)

Построим по выражению (5) расчетную зависимость активного сопротивления изоляции кабеля от частоты. При этом величина С берется в виде зависимости, полученной экспериментальным путем, чтобы учесть процессы медленной поляризации в диэлектрике при низкой частоте. Потеря мощности для кабельной линии длиной 1,5 м принимается постоянной и равной 0,003 Вт; напряжение принимается постоянным и равным 125 В (среднее экспериментальное значение, выдаваемое установкой). Расчетная и экспериментальная зависимости активного сопротивления от частоты приведены на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость активного сопротивления от частоты

1

Из анализа рис. 6 следует, что активные сопротивления, полученные экспериментальным и расчетным путем, практически совпадают на частотах до 1 кГц, на более высоких частотах расхождение графиков происходит из-за увеличения потерь мощности и токов утечки через диэлектрик с повышением частоты.

Аналогичным образом были получены экспериментальные данные для схемы подключения «фаза-фаза». Полученные результаты, совмещенные со схемой опыта «фаза-оплетка», приведены на рис. 7 и 8.

1.5х106 1.2х106 Ом 9.00 СИ:-: 105 б.ОООбхЮ5

Ом

з.ооовхю5

100

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

100 480 860 1.24Х 10"' 1,62х 10"' 2x10?

а Л

Га'Гц

Рис. 7. Зависимость активного сопротивления от частоты: г^ - при схеме подключения «фаза-оплетка»; г2,г - при схеме «фаза-фаза»

1.5л 10®

1.2* 106

0к, 9.0004л 1!Г 5

Л, б.оообхш Ом

3.0008* Ю5

100'-1-1-

100 450 860 1.24х103 1.62*103 2* 103

а I Гц ' Гц

Рис. 8. Зависимость реактивного сопротивления от частоты: х¡г - при схеме подключения «фаза-оплетка»; х2,2 - при схеме «фаза-фаза»

Из анализа рис. 7 и 8 следует, что зависимости сопротивлений при схеме подключения «фаза-оплетка» и «фаза-фаза» имеют одинаковую форму и отличаются лишь численными значениями. Слой изоляции в опыте «фаза-фаза» (добавляется сопротивление изоляции 2-й жилы) получается толще, чем в случае опыта «фаза-оплетка», поэтому величина сопротивления изоляции в данном случае больше.

Заключение

Проанализировав полученные результаты, можно сделать следующие выводы:

- с повышением частоты питающего напряжения происходит снижение сопротивления изоляции кабеля АВБбШв (4 х 70): на частоте 100 Гц активное сопротивление изоляции составляет 92 МОм, а на частоте 470 Гц - 13,2 МОм;

- зависимости емкостного сопротивления от частоты питающего напряжения, полученные экспериментальным и расчетным путем, начиная с частоты 1 кГц, имеют минимальное отклонение друг от друга;

- практически совпадают на частотах до 1 кГц активные сопротивления, полученные экспериментальным и расчетным путем; из-за увеличения потерь мощности через диэлектрик с повышением частоты на более высоких частотах происходит расхождение графиков;

- при схеме подключения «фаза-оплетка» и «фаза-фаза» зависимости сопротивлений изоляции от частоты имеют одинаковую форму, отличаясь лишь численными значениями. В опыте «фаза-фаза» (добавляется сопротивление изоляции 2-й жилы) слой изоляции получается толще, чем в опыте «фаза-оплетка», по этой причине величина сопротивления изоляции в данном случае больше.

Литература

1. Влияние высших гармоник тока на режимы работы кабелей распределительной сети 380 В / В. Н. Тульский [и др.] // Промышл. энергетика. - 2013. - № 5. -С. 42-47.

2. Влияние электронного оборудования на условия работы систем электроснабжения зданий / О. А. Григорьев [и др.] // Технологии электромагнит. совместимости. -2003. - № 1 (4). - С. 53-57.

3. Избранные вопросы несинусоидальных режимов в электрических сетях предприятий / И. В. Жежеленко [и др.]. - М. : Энергоатомиздат, 2007. - 296 с.

4. Балашов, А. И. Кабели и провода. Основы кабельной техники / А. И. Балашов, М. А. Боев, А. С. Воронцов ; под ред. И. Б. Пешкова. - М. : Энергоатомиздат, 2009. - 470 с.

Получено 11.11.2014 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.