انتخاب بهينه سطح مقطع كابل هاي فشار قوي

مقدمه

براي بهره برداري اقتصادي از كابل ها، انتخاب بهينه سطح مقطع از اهميت خاصي برخوردار است. در اين جزوه عوامل مؤثر در انتخاب كابل مورد بررسي قرار مي گيرند ، لازم به ذكر است كه براي انتخاب بهينه سطح مقطع محاسبه تلفات و محاسبه اقتصادي نيز لازم مي باشد كه در اين قسمت به آن پرداخته نشده است.

معيارهاي انتخاب كابل را مي توان به صورت زير تقسيم بندي نمود:

الف) ولتاژ نامي.

ب) انتخاب سطح مقطع با توجه به جريان دهي كابل.

پ) در نظر گرفتن افت ولتاژ مجاز.

ت) تحمل جريان اتصال كوتاه توسط كابل.

ولتاژ نامي

ولتاژ نامي كابل بايستي متناسب با سيستمي كه كابل در آن مورد استفاده قرار مي گيرد باشد. با توجه به جلد اول و دوم استاندارد كابل هاي مورد استفاده در شبكه توزيع اين ولتاژ بايستي مطابق جدول 2-1 مي باشد.

ظرفيت جريان دهي كابل ها

            در اين قسمت عوامل مؤثر بر جريان دهي كابل ها مورد بررسي قرار گرفته و جداول مربوطه ارائه مي گردد.

            مهم ترين مرجع به كار رفته در اين قسمت ، استاندارد IEC-287 تحت عنوان "محاسبه جريان نامي پيوسته كابل ها در ضريب بار 100 درصد" مي باشد كه در هر قسمت كه به اطلاعات كامل تري نياز بود ملاك استاندارد فوق مي باشد.

            تعيين حد مجاز جريان كابل ها به تلفات ايجاد شده در كابل و نحوه انتقال گرماي ايجاد شده به سطح كابل و محيط اطراف بستگي دارد. استاندارد IEC-287 با در نظر گرفتن تلفات ايجاد شده در كابل و مقاومت حرارتي لايه هاي مختلف كابل و زمين در شرايط مشخص ، حد مجاز جريان را به دست مي دهد در اين قسمت از جزوه فرض بر اين است كه مقدار جريان مجاز كابل ها در شرايط مشخص توسط كارخانه سازنده مشخص گردد. (اين حد مجاز بايستي در اسناد فني مناقصه آورده شود) ، در صورتي كه اطلاعات مربوطه در دسترس نباشد مي توان از جداول پيوست – الف و ب استفاده نمود.

عوامل مؤثر در ظرفيت نامي جريان كابل

عوامل مهم مؤثر در ظرفيت نامي جريان كابل را مي توان به گروه هاي زير تقسيم نمود:

الف) دما

دما از عوامل مهم تعيين ظرفيت نامي جريان كابل مي باشد كه شامل دماي محيط ، دماي محل نصب و نيز دماي مجاز براي عايق كابل و ساختار آن مي باشد.

ب) طرح كابل

علاوه بر دماي مجاز عايق كابل ، نوع طراحي كابل و لايه هاي مختلف به كار رفته در آن ، در تعيين جريان مجاز داراي اهميت مي باشند. اين لايه ها چگونگي انتقال حرارت از هادي به سطح بيروني كابل را مشخص مي كنند.

پ) شرايط نصب

شرايط نصب از قبيل نصب در هوا ، دفن شده در زمين ، در مجرا ، نوع خاك و ... از عوامل مؤثر بر جريان دهي كابل ها مي باشند.

ت) اثرات كابل هاي مجاور

در صورت همجواري كابل با ساير كابل ها يا لوله ها بايستي ضرايب مناسب براي كاهش جريان مجاز كابل در نظر گرفت.

الف) دما

1- دماي محيط

متوسط دماي محيط براي هر كشور و هر منطقه متفاوت مي باشد كه به شرايط آب و هوايي منطقه ، شرايط نصب كابل بستگي دارد. در استاندارد IEC-287 دماي محيط اطراف كابل براي چندين كشور آمده است ، در اسن استاندارد براي ساير كشورها به طور تقريبي اعداد جدول 3-1 پيشنهاد شده است.

جدول 3-1 دماي محيط و زمين بر حسب درجه سانتيگراد

مقادير جدول فوق تقريبي بوده و بايستي به هنگام استفاده از آن دقت كافي به عمل آورد. حدود نامي جريان كابل بايستي براي بن=دترين شرايط در سرتاسر سال محاسبه شود.

دماي كار كابل

حداكثر دماي كار كابل مطابق استاندارد IEC-287 براي كابل هاي مختلف بايستي مطابق جدول 3-2 باشد:

جدول 3-2 حداكثر دماي كار هادي براي كابل هاي مختلف

تأثير شرايط نصب بر حد نامي جريان كابل

عمق دفن كابل

            حداقل كردن آسيب وارده به كابل علت تعيين كننده عمق دفن كابل مي باشد كه هر چقدر ولتاژ كابل بيشتر باشد عمق دفن كابل بيشتر مي گردد. با افزايش يافته و مقدار رطوبت بيشتر مي گردد ، در اين حالت با افزايش دما ظرفيت جريان دهي كابل كمتر شده ولي با افزايش رطوبت اين مقدار بيشتر مي گردد.

مقاومت مخصوص حرارتي خاك

            وجود رطوبت اثر تعيين كننده اي در مقاومت مخصوص هر نوع خاك دارد ، براي هر منطقه اين مقدار بايستي اندازه گيري شود ، در صورتي ه اين عدد در دسترس نباشد طبق استاندارد IEC-287 مقادير زير پيشنهاد مي شود.

جدول 3-2 مقاومت مخصوص حرارتي خاك

            از كابل هاي توزيع عموماً به طور دائم در بار كامل استفاده نمي شود ، لذا مسئله خشك شدن خاك زياد مطرح نمي باشد ، در شرايطي كه بتوان خاك را مرطوب فرض كرد مقدار مقاومت حرارتي خاك را مي توان بين 0.8-1Km/W در نظر گرفت. در محل هايي كه خاك همواره كاملاً مرطوب نمي باشد اما نوع آن مخلوطي از خاك رس و خاك باغچه باشد مقدار 1.2Km/W رقم مناسبي مي باشد. در صورتي كه خاك از شن و ماسه تشكيل شده باشد ، بعد از خشك شدن مقداري هوا در فضاي خالي شن و ماسه به وجود مي آيد. اگر اين حالت در چند ماه از سال اتفاق بيفتد مقدار مقاومت حرارتي خاك را مي توان بين 2-3Km/W با توجه به توضيحات زير در نظر گرفت:

نوع الف: كابل هايي كه در طول سال بار ثابتي حمل مي كنند.

در حالي كه بار دائمي يا دوره اي باشد ، مقدار حداكثر مقاومت حرارتي خاك بايد در نظر گرفته شود ، اگرچه اين مقدار در بعضي از سال ها و براي مدت كوتاهي در تابستان يا پائيز به وجود آيد ، مقادير پيشنهادي عبارتند از :

تمام خاك ها به جز خاك هاي زير                1.5Km/W

خاك گچي با قطعات ريز گچ                                    1.2Km/W

خاك با تركيبي از گياهان پوسيده                  1.2Km/W

خاك سنگلاخي                                        1.5Km/W

شن كه آب آن كشيده شده باشد                       2.5Km/W

خاك عمل آورده شده                                             1.8Km/W

در صورتي كه خاك زير پوششي از لايه غير قابل نفوذ مانند آسفالت قرار گيرد. مقدار مقاومت حرارتي مربوط به رديف اول در تمام انواع خاك ها ممكن است به 1.2Km/W كاهش يابد.

نوع ب: كابل ها با بار متغير و حداكثر بار در تابستان

تمام خاك ها به جز خاك هاي زير                            1.2Km/W

خاك هاي سنگلاخي                                                          1.3Km/W

خاك شني كه آب آن كشيده شده باشد              2Km/W

خاك عمل آورده شده                                                         2.6Km/W

نوع پ: كابل ها با بار متغير و حداكثر بار در زمستان

تمام خاك ها به جز خاك هاي زير                            1Km/W

خاك رسي                                                                      0.9Km/W

خاك گچي با قطعات ريز گچي                                 1.2Km/W

خاك شني كه آب آن كشيده شده باشد              1.5Km/W

خاك عمل آورده شده                                                         1.2Km/W

وقتي خاك رسي زير پوشش غير قابل نفوذ قرار گيرد مقاومت حرارتي آن ممكن است تا 0.8Km/W كاهش يابد.

شرايط استاندارد و ضرايب نامي براي تصحيح مقدار نامي باردهي كامل

            مقادير جريان مشخص شده در جداول انتهاي اين قسمت بر اساس پارامترهاي مشخص شده زير مي باشد و در صورتي كه كابل در شرايط مشخص شده به كار رود بايد ضرايب تصحيح مناسب لحاظ شود.

كابل هاي نصب شده در هوا

            الف) دماي هواي محيط ◦25 سانتي گراد براي كابل هاي توزيع و در 30◦c براي كابل هاي داخل ساختمان در نظر گرفته مي شود.

            ب) جريان هوا به طور ملاحظه اي محدود نشده و براي كابل هاي نصب شده روي ديوار بايستي حداقل 2 سانتي متر فضاي خالي تا ديوار وجود داشته باشد.

            پ) مدارهاي مجاور هم حداقل 15 سانتي متر از هم فاصله داشته به طوري كه بر يكديگر اثر حرارتي نداشته باشند.

            ت) كابل ها در مقابل اشعه آفتاب محافظت شوند.

ضرايب تصحيح دماي محيط براي كابل در هوا

جدول 3-4  ضرايب تصحيح درجه حرارت هاي مختلف

* براي ولتاژهاي بالاي 1.9/3.3KV

** براي ولتاژ زير 1.9/3.3KV

             هنگامي كه گروهي از كابل هاي قدرت چند رشته اي در هوا نصب مي شوند بايد فضاي كافي براي انتقال دما موجود باشد ، براي اينكه در شرايط نصب در هوا مقدار جريان كاهش نيابد بايستي تمهيدات زير در نظر گرفته شود.

الف) فاصله افقي بين مدارها نبايد از دو برابر قطر خارجي كابل ها كمتر باشد.

ب) فاصله عمودي بين مدارها نبايد از چهار برابر قطر خارجي كابل ها كمتر باشد.

پ) در صورتي كه تعداد مدارها از 3 بيشتر شود بايد تمامي آن ها به صورت افقي نصب گردند.

كابل هاي كشيده شده به طور مستقيم در زمين

الف) دماي زمين 15 درجه سانتيگراد

ب) مقاومت مخصوص حرارتي خاك 1.2Km/W

پ) حد فاصله مدارهاي مجاور 1.8m

ت) حداقل عمق گودال براي كابل تا ولتاژ يك كيلو ولت برابر 50 سانتيمتر و براي كابل هاي بيش از يك كيلو ولت تا 33 كيلو ولت برابر 8/0 متر در نظر گرفته شده است.

ضرايب تصحيح

            ضرايب تصحيح براي دماي زمين ، مقاومت مخصوص حرارتي خاك ، كابل هاي نصب شده به صورت گروهي ، عمق كابل گذاري در جداول 3-5 تا 3-9 آمده است.

جدول 3-5 ضريب تصحيح براي دماهاي مختلف زمين

جدول 3-6 ضريب تصحيح براي مقاومت حرارتي خاك (مقدار متوسط)

جدول ضريب تصحيح براي مدارهايي با سه كابل تك رشت به صورت افقي يا مثلثي گروهي

جدول 3-8 ضريب تصحيح براي گروه كابل هاي چند رشته اي به صورت افقي

جدول 3-9 ضريب تصحيح براي عمق دفن كابل (تا مركز كابل يا مركز گروه مثلثي كابل)

كابل هاي نصب شده در مجرا

الف) دماي زمين 15 درجه سانتيگراد

ب) مقاومت مخصوص حرارتي زمين 1.2km/W

پ) حداقل فاصله مدارهاي مجاور از يكديگر 1.8m

ت) حداقل عمق كابل گذاري براي كابل هاي با ولتاژ زير يك كيلو ولت برابر 50 سانتيمتر و براي كابل هاي از يك تا 33 كيلو ولت 8/0 متر است.

            ضريب تصحيح براي تغييرات دماي زمين مطابق جدول 3-5 مي باشد و ضرايب براي مقاومت حرارتي خاك و گروه كابل ها و عمق قرار گرفتن كابل ها در جدول 3-10 تا 3-13 آمده است.

جدول 3-10 ضريب تصحيح براي مقاومت مخصوص حرارتي خاك

جدول(3-11) ضريب تصحيح براي گروه كابل هاي تك رشته به صورت مثلثي و يا افقي در مجرا

جدول (3-12) ضريب تصحيح براي كابل هاي چند رشته در مجرا به صورت افقي

جدول (3-13) ضريب تصحيح براي عمق كابل (مراكز مجراها يا گروه مجراي مثلثي)

افت ولتاژ

            از عوامل مهم تعيين سطح مقطع كابل ، مقدار افت ولتاژ مجاز آن مي باشد ، اين مقدار بخصوص در كابل هاي فشار ضعيف و كابل هاي فشار ضعيف و كابل هاي فشار متوسط در شرايطي كه طول كابل خيلي طولاني باشد ، عامل تعيين كننده مي باشد.

            براي تعيين افت ولتاژ در كابل ها بايستي مقدار مقاومت و رأكتانس آن ها در شرايط بهره برداري مشخص شود و سپس با استفاده از فرمول هاي 4-1 تا 4-4 افت ولتاژ در كابل را بدست آورد. لازم به ذكر است كه مشخص كردن مقدار مقاومت و رأكتانس كابل ها ، از جمله مشخصات فني مي باشد كه بايستي در جدول شماره 2 ، مربوط به مشخصات فني اسناد مناقصه توسط فروشنده ارائه شده باشد ، در صورتي كه اطلاعات در دسترس نباشد مي توان از جداول 4-1 تا 4-5 براي تعيين مقدار مقاومت و رأكتانس استفاده نمود ، مقدار رذكتانس كابل تابع پارامترهاي زيادي مي باشد كه در جداول 4-1 تا 4-5 براي شرايط بخصوص مقادير آن آمده است.

جدول (4-5) مشخصات الكتريكي كابل هاي XLPE و ولتاژ 19/33KV

* فاصله بين مراكز كابل برابر دو برابر قطر كابل

** كابل بدون زره و با پوشش الكترواستاتيكي از سيم هاي مسي

تحمل جريان اتصال كوتاه توسط كابل

در انتخاب نوع كابل ، تحمل جريان اتصال كوتاه يكي از عوامل تعيين كننده مي باشد. در زمان بروز اتصال كوتاه جريان به طور ناگهاني براي چند سيكل افزايش يافته و سپس مقدار آن كم شده تا آن كه سيستم حفاظتي عمل نمايد. مدت زمان اتصال كوتاه معمولاً بين 2/0 تا 3 دقيقه مي باشد. در زمان شروع اتصال كوتاه ممكن است كابل در بار كامل (حداكثر دما) باشد و افزايش دماي ناشي از اتصال كوتاه عامل مهمي در انتخاب سطح مقطع نامي خواهد بود. جريان اتصال كوتاه گاهي تا بيست برابر جريان دائمي رسيده و اين جريان نيروي الكترومغناطيسي و ترموديناميكي به وجود مي آورد كه متناسب با مربع جريان مي باشد.

نظر به اينكه زمان اتصال كوتاه خيلي كم است ، كابل پس از آن به سرعت خنك مي شود و عايق كابل بايستي تحمل دماهاي بالاتر از جريان دائمي (ناشي از اتصال كوتاه) را داشته باشد. جدول (5-1) مقادير دماي قابل تحمل اجزاء مختلف كابل هاي توزيع را نشان مي دهد. مقادير مذكور مطابق با استاندارد IEC-724 مي باشد.

مقادير داده شده در جدول (5-1) براي ساير اجزاء كابل غير از عايق آن مي باشد.

در نبودن پوشش مسلح كابل ، غلاف كابل به عنوان عايق در نظر گرفته مي شود. مقادير بالا در مواردي كاربرد دارد كه قابليت تحمل عايقي كمتر از اعداد فوق نباشد.

جدول (5-1) حد دماي اتصال كوتاه

مقادير جريان اتصال كوتاه بر اساس دما

            معمولاً فرض بر آن است كه كل انرژي ورودي به كابل كه توسط هادي ها جذب شده است به حرارت تبديل شود و شرايط موجود آدياباتيك باشد. به علاوه مقدار گرماي جذب شده به مدت زمان اتصال كوتاه بستگي دارد كه حداكثر اين زمان 5 ثانيه فرض    مي شود.

با مساوي قرار دادن حرارت ورودي (I2RT) با حرارت جذب شده (حاصل ضرب جرم ، افزايش درجه و حرارت مخصوص) معادله اي به شرح زير به دست مي آيد:

رابطه (5-1)            

I : جريان اتصال كوتاه (rms) بر حسب آمپر

T : مدت زمان اتصال كوتاه (ثانيه)

K : مقدار ضريب ثابت براي مواد به كار رفته در هادي

S : سطح مقطع هادي (mm2)

θ1 : دماي نهايي بر حسب درجه سانتيگراد

θ2 : دماي اوليه بر حسب درجه سانتيگراد

β : عكس ضريب حرارتي مقاومت (α) هادي (بر حسب درجه سانتيگراد در صفر درجه)

ضرايب ثابت فوق براي فلزات مختلف در جدول شماره (5-2) آمده است كه در آن:

رابطه (5-2)          

QC : حرارت مخصوص حجمي هادي در دماي 20 درجه سانتي گراد (JρCmm)

ρ20 : هدايت فلز هادي در 20 درجه سانتي گراد

جدول (5-2) ثابت هاي محاسبات اتصال كوتاه

كابل هاي توزيع قدرت

            براي شرايط خاصي از افزايش دما مطابق جدول (5-1) مي توان فرمول داده شده را به طوري كه در جدول (5-3) آمده است به كار برد. در اين جدول به طوري كه در محاسبات اتصال معمول است ، فرض مي شود وقتي كه اتصال كوتاه رخ مي دهد كابل در درجه حرارت حداكثر مجاز در حال بهره برداري است.

         &n