مقدمه و تشكر
هركاري كه با نام خدا آغاز نشود به نتيجه نمي رسد
سپاس بي حد خداوندي را كه بدون ياري او انجام هيچ كاري ممكن نيست، خداوندي كه خرد و قدرت انديشيدن را در وجود انسان نهاد تا در زندگي آنها را چراغ راه خود قرار دهد و در سايه آنها بتواند به مجهولات زندگي دست يابد و با سلام و صلوات بر خاتم پيامبران كه هم او اشرف مخلوقات و اسوه كامل بشريت در سير به سوي كمال و قرب الهي است و درود بي پايان بر خاندان پاك آن حضرت كه همان سفينه نجات بشريتند.

اكنون كه تحصيلات بنده در دوره كارشناسي رو به پايان است جا دارد از كليه افرادي كه در اين مدت ياري گر بنده بودند تشكر و قدردانــي نمايم ، بويژه از پدر و مادر عزيز خود و نيز از اساتيد گرامي خود مخصوصا” از استــاد گرامــي خود جنـاب آقـاي مهنـدس محمدرضا حسن زاده كه در انجام اين پروژه به بنده ياري رساندند كمال تشكر و قدرداني را مي نمايم .

آنچه در پيش رو داريد پروژه پاياني بنده درباره كابلها و عيب يابي كابلها مي باشد. در فصل اول اين پروژه درباره معيارهاي انتخاب كابل صحبت شده است ، در فصل دوم استاندارد كابلهاي فشار ضعيف توزيع و در فصل سوم استاندارد كابلهاي فشار متوسط توزيع آورده شده اند . در فصل چهارم درباره شرايط نصب كابل و كابل كشي و در نهايت در فصل پنجم درباره عيب يابي كابل مطالبي ارائه شده است .

و من الله التوفيق
مهدي مرداني
شهريور ۱۳۸۷

فصل اول
معيارهاي انتخاب كابل

مقدمه
در اين فصل به نكاتي در مورد انتخاب كابل پرداخته شده است و ضرايب و جـداول لازم جهت بدست آوردن مقدار جريان نامي كابل تحت شرايط مختلف آورده شده است.

براي بهره بـــرداري اقتصـادي از كــابلها ، انتخاب بهينه سطح مقطع از اهميت خاصي برخوردار است . در اين بخش عوامل موثر در انتخاب كابل مورد بررسي قرار مــي گيرند. لازم به ذكــر است كه بــراي انتخاب بهينه سطـح مقطع محاسبـــه تلفات و محاسبات اقتصادي نيــز لازم مي باشد كــه در اينجا به آن پرداخته نشده است.

۱-۱- معيارهاي انتخاب كابل
معيارهاي انتخاب كابل را مي توان بصورت زير تقسيم بندي نمود :
الف- ولتاژ نامي

ب- انتخاب سطح مقطع با توجه به ظرفيت جريان دهي كابل
ج- در نظر گرفتن افت ولتاژ مجاز
د- تحمل جريان اتصال كوتاه توسط كابل
۱-۲- ولتاژ نامي

ولتاژ نامي كابـل بايستــي متناسب با سيستمي كه كابل در آن مورد استفاده قرار مي گيرد باشد. با توجه به جلد اول و دوم استاندارد كابـلهاي مورد استفاده در شبكه توزيع اين ولتــاژ بايستي مطابق جدول زير باشد.
جدول(۱-۱ ) : ولتاژ نامي كابلهاي مورد استفاده در شبكه توزيع

U0 كيلو ولت (rms) 19 12 35/6 6/0
U كيلو ولت (rms) 33 20 11 1
Um كيلو ولت (rms) 36 24 12

۱-۳- ظرفيت جريان دهي كابلها
در اين قسمت عوامل موثــر بر جريان دهي كــابلها مورد بررسـي قرار گرفته و جداول مربوطه ارائه مي گردد.
تعيين حد مجاز جريان كابلها به تلفات ايجاد شده در كــابل و نحــوه انتقال گـرماي ايجاد شده به سطح كابل و محيط اطراف بستگي دارد. استاندارد IEC 287 با در نظــر گرفتـن تلفات ايجاد شده در كابل و مقاومت حرارتي لايه هاي مختلف كابل و زمين در شرايـط مشخـص ، حد مجاز جريان را بدست مي دهد. در اين قسمت فرض بر اين است كه مقدار جريان مجاز كابلها در شرايط مشخص توسط كارخانه سازنده مشخص گردد.
۱-۳-۱- عوامل موثر در ظرفيت نامي جريان كابل

عوامل مهم موثر در ظرفيت نامي جريان كابل را مي توان به گروههاي زير تقسيم نمود :
الف- دمـــــا : 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- طـرح كابل : علاوه بر دماي مجاز عايق كابل، نوع طراحي كابل و لايه هاي مختلف بكار رفتــه در آن ، در تعيين جريان مجاز كابل داراي اهميت مي باشنـد. اين لايه ها چگونگي انتقال حرارت از هادي به سطح بيروني كابل را مشخص مي كنند .
پ- شرايـط نصب : شرايط نصب از قبيل نصب در هوا، دفن شده در زمين، در مجرا، نوع خاك و ۰۰۰ از عوامل موثر بر جريان دهي كابلها مي باشند .
ت- اثـرات كــابلهاي مجـاور : در صورت همجواري كــابل با ساير كــابلها يا لوله ها بايستــي ضرايب مناسب براي كاهش جريان مجاز كابل را در نظر گرفت .

۱-۳-۲- دما
۱- دماي محيط : متوسط دماي محيط براي هر كشور و هر منطقه متفاوت مي باشد كه بــه شرايط آب و هوايي منطقه بستگي دارد . در استاندارد ۲۸۷ IEC دماي محيط اطراف كــابل بـــراي چندين كشور آمده است و براي سايـر كشورها با توجه به نوع منطقه اي كـه در آن قرار دارند دماي محيط و زميـن بطور تقــريبي مشخص شــده است .

حدود نامي جريان كابل بايستي براي بدترين شرايط در سرتاسر سال محاسبه شود .
۲- دماي كار كابل : حداكثر دماي كار هادي كــابل مطـابق استاندارد ۲۸۷ IEC براي كــابلهاي مختلف بايستي مطابق جدول زير باشد :
جدول(۱-۲) : حداكثر دماي كار هادي كابل
عايق حداكثر درجه حرارت هادي (c°)

PVC
PE
XLPE 70
70
90

۱-۳-۳- تاثير شرايط نصب بر حد نامي جريان كابل
الف- عمـق دفـن كــابـل : حداقل كردن آسيب وارده به كــابل علت تعيين كننده عمق دفن كـابل مي باشد كه هر چقدر ولتاژ كابل بيشتر باشد عمق دفن كابل بيشتر ميگردد.

با افزايش عمق، دمــا افزايش يافته و مقـــدار رطـوبت بيشتر مي گردد، در اين حالت با افزايش دما ظرفيت جريان دهي كابل كمتر شده ولــي با افزايش رطــوبت ، اين مقدار بيشتر مي گردد .

ب- مقاومت حرارتي مخصوص خاك : وجـود رطوبت اثــر تعيين كننــده اي در مقاومــت مخصوص
هر نوع خاك دارد، بــــراي هر منطقــه بايستي اين مقدار اندازه گيري شود، در صورتي كه اين مقدار
در دسترس نباشد از مقادير داده شده در استاندارد استفاده مي شود.

براي محاسبــه جريان مجاز كـابل، بايــد با توجه به نحوه نصب كابل (نصب در هوا، قرار گرفتن در زير زمين، قرار گرفتن در مجرا و ۰۰۰ ) بايد ضرايب مناسب را اعمال نمود .
۱-۴- افت ولتاژ
از عوامل مهـم تعيين سطح مقطع كــابل، مقدار افت ولتــاژ مجـاز آن مي باشد. اين مقدار بخصوص در كابلهاي فشار ضعيف و كــابلهاي فشار متوسط در شرايطــي كه طول كــابل خيلي طولاني باشد، عامل تعيين كننده مي باشد .

براي تعيين افت ولتاژ در كــابلها بايستي مقــدار مقاومـت و راكتــانس آنهــا در شرايط بهــره بــرداري مشخص شود و سپس با استفـاده از فرمولهاي زير ، مقـدار افت ولتاژ در كابل را بدست آورد .( لازم به ذكر است كــه مقدار مقاومت و راكتانس كابلها بايد توسط فروشنده ارائه شود ولي در صورتي كه اين مقادير در دسترس نباشند مي توان از جداول مربوطه اين مقادير را بدست آورد ).
براي محاسبات مربوط به جريان متناوب تكفاز :
افت ولتاژ :

درصد افت ولتاژ :

براي محاسبات مربوط به جريان متناوب سه فاز :
افت ولتاژ :

درصد افت ولتاژ :

۱-۵- 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 بطور ناگهاني براي چند سيكل افزايش يافته و سپس مقدار آن كم شده تا آنكه سيستم حفاظتي عمل نمايد . مدت زمان اتصال كوتاه معمولاً بين ۲/۰ تا ۳ ثانيه مي باشد . در زمان شروع اتصال كوتاه ممكن است كابل در بار كامل 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 ترمومكانيكي بوجود مي آورد كه متناسب با مربع جريان مي باشد .

نظر به اينكه زمان اتصال كوتاه خيلي كوتاه است ، كابل پس از آن به سرعت خنك مي شود و عايق بايستي تحمل دماهاي بالاتر از جريان دائمي ( ناشي از اتصال كوتاه ) را داشته باشد . جدول (۱-۳) مقادير دماي قابل تحمل اجزا مختلف كابلهاي توزيع را نشان مي دهد . مقادير مذكور مطابق با استاندارد IEC724 مي باشد .

جدول(۱-۳) : مقادير دماي قابل تحمل اجزا مختلف كابلهاي توزيع
در نبود پوششهاي مسلح كابل، غلاف كابل بعنوان عايق در نظر گرفته مي شود . مقادير بالا در مواردي كاربرد دارد كه قابليت تحمل عايق كمتر از اعداد فوق نباشد.

۱-۵-۱- مقادير جريان اتصال كوتاه بر اساس دما
معمولاً فرض بر آن است كه كل انرژي ورودي به كابل كه توسط هاديها جذب شده است به حرارت تبديل شود و شرايط موجود آدياباتيك باشد . بعلاوه مقدار گرماي جذب شده به مدت زمان اتصال كوتاه بستگي دارد كه حداكثر اين زمان ۵ ثانيه فرض مي شود .
با مساوي قرار دادن حرارت ورودي (I2RT) با حرارت جذب شده ( حاصلضرب جرم ، افزايش درجه و حرارت مخصوص) معادله اي بشرح زير بدست مي آيد.

I: جريان اتصال كوتاه (rms) بر حسب آمپر
T: مدت زمان اتصال كوتاه ( ثانيه)
K: مقدار ضريب ثابت براي مواد بكار رفته در هادي
S: سطح مقطع هادي (mm2)
θ۱ : دماي نهايي
۰θ : دماي اوليه
β : عكس ضريب حرارتي (α) هادي ( بر درجه سانتيگراد در صفر درجه)
ضرايب ثابت فوق براي فلزات مختلف در جدول شماره (۱-۴) آمده است كه در آن :

Qc: حرارت مخصوص حجمي هادي در دماي C O20
20ρ : هدايت فلز هادي در C O20
جدول(۱-۴) : ضرايب ثابت براي فلزات مختلف

۱-۶- كابل هاي توزيع قدرت
براي شرايط خاصي از افزايش دما مطابق جدول (۱-۳) مي توان فرمول داده شده را بطوريكه در جدول (۱-۵) آمده است بكار برد . در اين جدول بطوري كه در محاسبات اتصال كوتاه معمول است، ‌فرض مي شود وقتي كه اتصال كوتاه رخ مي دهد كابل در درجه حرارت حداكثر مجاز در حال بهره برداري
است .

يك راه ديگر براي نشان دادن اطلاعات موجود در آخرين ستون جدول (۱-۵) آن است كه آنها را بصورت گرافيكي نمايش داد. شكل هاي (۱-۱) و (۱-۲) براي كابل هايي با عايق PVC و شكل هاي (۱-۳) و (۱-۴) براي كابل هايي با عايق XPLE مي باشند.

جدول(۱-۵) : افزايش درجه حرارت و جريان اتصال كوتاه براي هاديهاي مختلف

شكل(۱-۱): اتصال كوتاه مجاز براي كابلهايي با عايق PVC و هاديهاي مسي
دماي نهايي كابل براي هادي هاي تا سطح مقطع mm2 300 برابر ۱۶۰ درجه سانتيگراد و براي هاديهاي با
سطح مقطع بيشتر c° ۱۴۰ است.

شكل(۱-۲): اتصال كوتاه مجاز براي كابلهايي با عايق PVC و هاديهاي آلومينيومي

شكل(۱-۳): اتصال كوتاه مجاز براي كابلهايي با عايق XLPE و هاديهاي مسي

شكل (۱-۴): اتصال كوتاه مجاز براي كابلهايي با عايق XLPE و هاديهاي آلومينيومي

۱-۷- جريان هاي اتصال كوتاه غير متقارن
در مورد جريانهاي اتصال كوتاه غير متقارن مثلاً جريان هاي اتصال زمين ، عوامل ديگري نيز مي بايستي در نظر گرفته شوند زيرا كه در اين حالت جريان اتصال كوتاه مي تواند در پوششهاي فلزي و يا زره جريان يابد . بطور كلي براي هادي با اندازه كوچك افزايش دما عامل تعيين مي باشد، ‌وليكن در هاديهاي با اندازه بزرگتر بطوريكه در جدول (۱-۳) نشان داده شده است با در نظر گرفتن پوششهاي سربي و يا زره حد مجاز كمتر مي شود .

دماي پوشش زره را مي توان با لايه PVC پوشانيده شده بر روي آن كنترل نمود . حداكثر جريانهاي اتصال كوتاه غير متقارن براي كابلهاي توزيع قدرت كه رايج مي باشند در جدول (۱-۶) تا (۱-۹) آورده شده اند و اين مقادير براي كابلهاي چند مفتولي مي باشند . مقادير داده شده با در نظر گرفتن مدت اتصال كوتاه يك ثانيه مي باشد . براي مدت زمانهاي غير از يك ثانيه اين ارقام بر ريشه دوم زمان داده شده تقسيم مي شوند .

جدول (۱-۶) حداكثر جريان اتصال كوتاه نامتقارن مجاز به زمين ( كابلهاي زره دار سيمي با عايق PVC و هادي آلومينيومي مفتولي ) و ولتاژ KV1/6/0 و مدت زمان خطا برابر يك ثانيه را نشان ميدهد.

 

جدول(۱-۶): حداكثر جريان اتصال كوتاه نامتقارن مجاز به زمين (كابلهاي زره دار سيمي با عايق PVC
و هادي آلومينيومي مفتولي) و ولتاژkv1/ 6/0 و مدت زمان خطا برابر يك ثانيه

جدول (۱-۷): حداكثر جريان اتصال كوتاه نامتقارن مجاز به زمين ( كابلهاي زره دار سيمي با عايق PVC
و هادي مسي ) براي يك ثانيه در سطح ولتاژ KV1/6/0

 

جدول (۱-۸): حداكثر جريان اتصال كوتاه نامتقارن مجاز به زمين ( كابلهاي زره داري سيمي با عايق XPLE
و هادي آلومينيوم مفتولي ) براي سطح ولتاژ KV 1/6/0 براي يك ثانيه

جدول (۱-۹): حداكثر جريان اتصال كوتاه نامتقارن مجاز به زمين ( كابلهاي زره دار سيمي با عايق XPLE و
هادي مسي ) براي سطح ولتاژ KV 1/6/0 براي يك ثانيه

۱-۸- نيروهاي الكترومغناطيسي و پاره شدن كابل
جريانهاي اتصال كوتاه در كابلهاي چند رشته اي نيروهاي الكترومغناطيسي بوجود مي آورند كه رشته هاي كابل را از يكديگر جدا نموده و چنانچه اين رشته ها بطور محكم با هم بسته نشده باشند ،‌كابل تمايل به از هم گسيختگي خواهد داشت . اين اثر در كابلهاي با عايق كاغذي كه فاقد پوشش مسلح مي باشند از اهميت خاصي برخوردار است زيرا ممكن است عايق در اين شرايط آسيب ببيند.
مسلح نمودن كابلها باعث جلوگيري از آسيب ناشي از اين نيروها مي شود.

۱-۹- اثرات ترمومكانيكي
افزايش گرماي زياد در نتيجه جريان اتصال كوتاه باعث ايجاد انبساط در هادي هاي كابل شده و انبساط بوجود آمده باعث بروز مشكلاتي از قبيل پيشروي طولي در كابل چند رشته اي و يا جابجايي كابل در صورتي كه بطور مناسب نصب نشده باشد ،‌خواهد شد .
پيشروي هادي در هاديهاي تك مفتولي از اهميت بيشتري برخوردار است .

 

۱-۱۰- طراحي مفصلها و سركابلها
اثرات ناشي از جريان اتصال كوتاه در مفصل هاي كابلهاي دفن شده در زمين مهم مي باشد زيرا كه به علت فشار وارده از زمين بر روي سطح كابل، هاديهاي كابل ممكن است در داخل كابل بطور طولي افزايش يافته و داخل مفصل يا سركابل شوند، ‌مقدار اين نيروي پيش رونده خيلي زياد بوده، ‌مثلاً (N/mm2 50)و براي كابلهاي با اندازه بزرگتر اهميت آن بيشتر مي باشد . اگر مواد پر كننده مفصلها و ترمينالها ( سركابلها) به اندازه كافي نرم باشد كه اجازه پيشروي هاديها را بدهد نيروي ذكر شده باعث ايجاد نقص در داخل سر كابل يا مفصل مي شود و پس از خنك شدن هاديها تنش بوجود آمده در آنها باعث ايجاد مشكلات ديگري خواهد شد و بعنوان مثال تنش بوجود آمده بر روي رينگهاي نگهدارنده هاديها باعث بيرون آمدن هاديها خواهد شد و به همين دليل حد نهايي دما براي اتصالات لحيم شده هاديها C O160 در نظر گرفته شده است . از عوامل ديگري كه بايد در نظر گرفته شوند آن است كه نگهدارنده ها و چفت و بستها بايستي مناسب انتخاب شده تا در دماي بوجود آمده در آنها باعث ايجاد اشكال در مفصل نشود .

۱-۱۱- اختلاف بين هاديهاي مسي و آلومينيومي
اگر چه ضريب انبساط آلومينيوم از مس بيشتر است و ليكن تنش بوجود آمده در آن به علت اينكه ضريب مدولاسيون الاستيك آن كمتر است همانند مس خواهد بود . بنابراين نيروهاي در هم شكننده براي هر دو فلز تقريباً مشابه يكديگر مي باشند .

وقتي كه محدوديتها توسط غلافهاي سربي و يا نيروهاي الكترومغناطيسي تحت تاثير قرار مي گيرند نوع فلز هادي از لحاظ تئوري هيچ فرقي ندارد و ليكن در رابطه با نيروهاي ضربه اي آلومينيوم از ضريب كمتري نسبت به مس برخوردار است زيرا كه براي يك مقدار مشخصي از جريان ، اندازه سطح مقطع هادي آلومينيوم از مس بزرگتر مي باشد .

۱-۱۲- شرايط نصب و كابل كشي
بطوريكه قبلاً ذكر شده است اثرات نيروي پيشروي طولي در كابلهايي كه در زمين كشيده شده اند از مهمترين پارامترها مي باشند .
در كابلهايي كه داراي عايق ترموپلاستيك و غلاف خارجي مي باشند بايستي از افزايش زياد محلي ( موضعي ) جلوگيري نمود زيرا كه باعث تغيير شكل دادن عايق و غلاف مي شود . اين مورد ممكن است به علت رعايت نكردن شعاع انحنا در موقع كابل كشي و يا مناسب نبستن وسايل نگهدارنده در كابلها پيش آيد.
موارد نامبرده بالا در مورد كابلهاي با عايق ترموست كه سطح مقطع آنها بزرگتر است نيز صادق مي باشد .