IV. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ КАБЕЛЯ § 32. Краткая теория скрутки круглых жил
Механический расчет кабеля состоит в определении всех его геометрических размеров по заданным основным данным: сечению и числу жил, напряжению кабеля, или иначе, толщине изоляции, и марке кабеля. Для обычных стандартных кабелей основные элементы конструкции, как-то: число проволок, толщина изоляции и защитных оболочек, задаются на тех или иных основаниях соответствующим стандартом, для кабелей же на очень высокое напряжение толщина изоляции выбирается на основании опыта или рассчитывается. Поэтому механический расчет размеров кабеля сводится к определению этих размеров по заданным основным элементам конструкции. Для решения этой задачи необходимо иметь представление о теории скрутки как круглых, так и секторных жил.
Все типы скрутки круглых жил можно прежде всего разделить на два отдела: так называемую дикую или шнуровую или пучковую скрутку и на геометрически правильную скрутку. Первая состоит в том, что произвольное число круглых тонких проволок скручивается вместе в одну сторону и с одинаковым шагом в общий пучок. Эта скрутка не дает вполне геометрически правильной формы круга в сечении жилы; она применяется для скрутки преимущественно проводящих жил осветительных шнуров, микротелефонных шнуров, для вальцованных прямоугольных литц и т. п. Так как механически жила, скрученная дикой скруткой, непрочна, то для своего скрепления она требует или обмотки скрепляющим материалом или вальцовки. Благодаря неправильной форме сечения жилы такая скрутка совершенно не применяется в силовых кабелях за исключением разве только одного метода скрутки секторных кабелей, применяемого в Англии и требующего последующей вальцовки, которого мы рассматривать не будем.
Геометрически правильная скрутка в свою очередь разделяется на следующие виды скруток:
- на простую нормальную геометрически правильную скрутку;
- сложную нормальную геометрически правильную скрутку;
- ненормальную геометрически правильную скрутку;
- геометрически правильную скрутку в одну сторону.
В силовых кабелях почти исключительно применяется простая геометрически правильная скрутка. Сложная правильная скрутка применяется только для гибких проводов с резиновой изоляцией. Ненормальная правильная скрутка и скрутка в одну сторону применяются значительно реже в специальных случаях. Наиболее полное изложение теории кабельных скруток круглых жил дал С. Baur [9], изложение которого частично использовано в дальнейшем.
Геометрически правильную простую нормальную жилу можно скрутить только из вполне определенного числа проволок, имеющих один и тот же диаметр. Существуют следующие основные формы скрутки такой жилы:
- форма I с одной проволокой в центре, после которой следует п повивов проволок (фиг. 111);
2) форма II с двумя скрученными между собой проволоками в центре, после чего следует п повивов (фиг. 112);
Фиг. 112. Жила, скрученная но форме II.
Фиг. 113. Жила, скрученная по форме III.
Ф иг. 111. Жила, скрученная по форме I.
Фиг. 114. Жила, скрученная по форме IV. Фиг. 115. Жила, скрученная по форме V.
Фиг. 116. Схема повива правильно скрученной круглой жилы.
- форма III с тремя скрученными между собой проволоками в центре после чего следует п повивов (фиг. 113);
- форма IV с четырьмя скрученными между собой проволоками в центре, после чего следует п повивов (фиг. 114);
- форма В с пятью скрученными между собой проволоками в центре, после чего следует п повивов (фиг. 115).
Основным законом правильной геометрической скрутки является закон приращения в каждом повиве числа проволок на шесть против предыдущего повива, за исключением формы I для второго повива, где приращение равно
пяти, если считать центральную проволоку этой формы за первый повив. Для доказательства этого положения рассмотрим фиг. 116, изображающую повив проволок, лежащий на внутреннем сердечнике так, что весь повив получается вполне замкнутым.
Фиг. 119. Схема скрутки из пяти проволок
Все вышеприведенные характеристики отдельных форм скрутки удобно свести в табл. 18, которой можно пользоваться при практических вычислениях. Табл. 18 показывает, что наивысший коэффициент заполнения получается для скрутки по форме I, а это значит, что при скрутке по этой форме веса изолирующих и защитных материалов будут получаться наименьшими. Поэтому крутильные машины для скрутки круглых жил устраиваются обычно так, чтобы можно было прежде всего скручивать по форме I; хотя скрутка по остальным формам на этих машинах и вполне возможна, но при этом машина используется не полностью. Самой невыгодной формой скрутки является скрутка по форме II, поэтому в силовых кабелях она применяется только для скрутки двух изолированных жил двухжильных кабелей. В случае же многожильных кабелей она применяется в кабелях связи, телеграфных и телефонных, а также в случае необходимости при скрутке контрольных кабелей с резиновой или с пропитанной бумажной изоляцией. Следующая по неэкономичности форма III в силовых кабелях применяется только для скрутки трех жил трехжильного кабеля. В последнее время она введена для скрутки некоторых сечений голых воздушных проводов, где она имеет некоторое преимущество, так как увеличивает диаметр провода для высоковольтных линий, и кроме того, как показал опыт, эта скрутка улучшает поведение провода при вибрациях.
Формы IV и В по экономичности занимают среднее место между формами I и III; механически же формы IV и В очень неустойчивы, поэтому они применяются только в тех случаях, когда это необходимо, и при условии дополнительных повивов проволокой или механическим скреплениям в силовых же кабелях за исключением скрутки четырех изолированных жил четырехжильного кабеля прибегать к этим формам нет никакой нужды. Формы I и III механически вполне устойчивы, если все проволоки жилы изготовлены из одного и того же металла.
Таблица 18
Основные конструктивные данные правильной скрутки
Неизбежные случаи применения этих форм скрутки встречаются часто при скрутке контрольных, телеграфных и телефонных кабелей,
На обычной крутильной машине можно скрутить не более 127 проволок, а на специальных машинах не более 169 проволок, причем последние машины очень громоздки, а главное непригодны для скрутки тонких проволок. В тех случаях, когда нужно скрутить кабель из большего числа тонких проволок, прибегают к сложной нормальной геометрически правильной скрутке, сущность которой состоит в том, что сначала заготовляют из тонких проволок заготовку (стренгу или прядку), скрученную обычно из семи или 19 проволок, а затем эти заготовки скручиваются в жилу по правилам простой правильной скрутки. Наружный диаметр такой жилы будет равен произведению коэффициентов скрутки жил и заготовок на диаметр отдельной проволоки; например, для жилы, составленной из 12 заготовок, каждая заготовка из семи проволок диаметром d, т. е. всего из 84 проволок, наружный диаметр скрученной жилы будет согласно табл. 18
Коэффициент заполнения q такой жилы будет равен произведению коэффициентов заполнения жилы и заготовки, т. е. для вышеуказанного примера согласно табл. 18 q = qm х q1 =0,69 - 0,78 = 0,528.
Заполнение сложной жилы получается очень плохим, поэтому к ней нужно прибегать только в исключительных случаях. В силовых кабелях к сложной жиле нет нужды прибегать, поэтому она в них не применяется.
В некоторых случаях кабель или жилу невозможно скрутить, пользуясь законами нормальной правильной скрутки, например, при скрутке сталь-алюминиевого голого провода, кабеля системы Lypro, контрольного кабеля с числом жил, не содержащимся в табл. 18, и т. п. В этих случаях можно пользоваться законами скрутки ненормальной круглой жилы.
Форме 1 с пропуском одной жилы согласно табл. 18 дает диаметр скрутки 5 d, а согласно табл. 19 — диаметр той же скрутки будет 5,7 d, причем потребуется еще искусственное увеличение изоляции у четырех жил, в то время как при скрутке по форме 1 достаточно проложить вместо одной жилы холостую прокладку из джута или бумажного корделя.
Фиг. 120. Круглая жила, скрученная в одну сторону из 19 проволок, конструкции завода "Москабель".
Фиг. 121. Круглая жила, скрученная в одну сторону из 37 проволок, конструкции завода "Москабель".
Таблица 19
Конструктивные данные ненормальной круглой жилы
Для всех вышерассмотренных систем скрутки, чтобы удержать правильную круговую форму сечения жил, скрутка соседних повивов делается в разные стороны. Такая скрутка кроме правильности формы служит также для того, чтобы уравновесить раскручивающие моменты, получающиеся вследствие упругости проволок. Последнее обстоятельство важно для голых воздушных проводов, изготовляемых из твердотянутого, следовательно, сильно пружинящего металла; для изолированных же изделий, изготовляемых из мягко отожженных проволок, оно не имеет существенного значения. Поэтому в целях увеличения коэффициента заполнения круглой жилы иногда применяется так называемая скрутка в одну сторону, позволяющая увеличить плотность скрутки за счет использования промежутков между проволоками. На фиг. 120 изображено сечение такой жилы, применявшееся заводом „Москабель" и составленное из 19 проволок трех разных диаметров, а именно из семи проволок диаметром d, из шести проволок диаметром l,ll и шести проволок диаметром d2 = 0,85 d.
Все проволоки скручивались в одну сторону, причем уменьшение диаметра скрутки такой жилы достигало 5,3%. На фиг. 121 представлена скрутка в одну сторону того же завода для 37 проволок, а именно:
Фиг. 122. Круглая жила, скрученная в одну сторону из 16 проволок, конструкции германского кабельного завода r'eltenu. Guilleauine.
Фиг. 123. Скрутка двух повивов круглой жилы в одну сторону с целью увеличения наружного диаметра жилы, конструкция германского завода AEG.
- проволок диаметром d, шесть проволок диаметром d1 = 1,2 d и шесть проволок диаметром d2 = 0,775 d. На фиг. 122 приведена подобная же конструкция для скрутки в одну сторону германского завода Felten u. Guilleaume. Здесь имеется две проволоки диаметром d, десять проволок диаметром d,=0,69 d, четыре проволоки диаметром d2 = 0,62 d.
На фиг. 123 изображен пример скрутки в одну сторону, служившей для целей увеличения диаметра жилы, чтобы снизить максимальный градиент напряжения.
Фиг. 124. Развертка на одни шаг скрутки жилы.
Здесь проволоки а и b скручены в одну сторону, а проволоки с — в другую сторону. Диаметр жилы значительно увеличивается за счет уменьшения коэффициента заполнения этой жилы. Подобная конструкция была применена фирмой AEG для 30-кВ кабеля станции им. Клингенберга в Берлине.
До сих пор мы вели рассмотрение при предположении, что все проволоки в жиле лежат параллельно ее оси, не учитывая, что они скручены вокруг оси по винтовой линии. В результате же скрутки сечения проволоки, если жилу рассечь перпендикулярно ее оси, будут эллипсами, а длина отдельных проволок будет больше, чем длина оси жилы. Увеличение этой длины называется укруткой, обычно укрутка выражается в процентах от длины оси жилы. Величину этой укрутки легко вычислить из следующих соображений. Пусть на фиг. 124 отрезок АС представляет развернутую длину окружности, описанную из центра скрутки по центрам проволок н-го повива, АВ — длину проволок L; AD — длину шага скрутки L. Длина шага скрутки L выражается обычно через диаметр скрутки О, а именно
(254)
Здесь т носит в производственной практике название шага скрутки, а в наших ОСТ на голые воздушные провода — "характеристики шага". Из фиг. 124 легко можно вычислить L' через т, а именно
(255)
В табл. 20 приведены значения а, вычисленные для разных шагов скрутки т.
Таблица 20
Зависимость укрутки а от шага скрутки т
Шаг скрутки влияет как на механические, так и на электрические свойства жилы. Чем меньше шаг скрутки, тем лучше механические свойства жилы (однако до известных пределов), тем больше ее омическое сопротивление и тем больше ее вес. Улучшение механических свойств заключается в увеличении гибкости жилы, кроме того, она становится более устойчивой при изгибах. Увеличение веса жилы в процентах соответствует увеличению в процентах укрутки, что же касается до увеличения омического сопротивления, то оно в новых медных жилах, скрученных из неизолированных проволок, увеличивается несколько меньше, чем укрутка, благодаря контактам между проволоками, но с течением времени по мере окисления поверхности проволоки омическое сопротивление растет до предела, даваемого укруткой. Поэтому некоторые нормы, как, например, английские и американские, по которым омическое сопротивление определяется на отдельных проволоках жилы, а не на целой жиле, требуют учета увеличения омического сопротивления в соответствии с полной укруткой. Учет сопротивления путем измерения омического сопротивления целой жилы не вполне удобен для целого ряда случаев, особенно при больших сечениях, когда сопротивление контакта измерительных проводов не дает возможности точно измерить сопротивление жилы.
Для упрощения практики в Германии и у нас под шагом скрутки т понимается не отношение длины шага скрутки к диаметру окружности, описанной из центра скрутки по центрам проволок внешнего повива, а отношение длины шага скрутки к диаметру окружности, описанной вокруг всей жилы. Такое определение очень удобно для практических целей, а вносимая им небольшая ошибка не имеет особого значения для практики. Нужно, однако, иметь в виду, что благодаря различию в определении шага скрутки нельзя прямо сравнивать эти величины, даваемые, например, в английских нормах, с величинами, даваемыми в немецких нормах, так как, несмотря на то, что в английских нормах величины шагов скрутки больше, чем в немецких, в действительности скрутка в обоих случаях почти одинакова.
В практике приняты почти повсеместно следующие значения для шагов скрутки, причем величина т здесь всюду взята согласно нашему и германскому определениям этой величины:
- Голые воздушные провода в наружных повивах т— 11 до 14 во внутренних м = 18 , 20
- Жилы силовых кабелей с пропитанной бумажной изоляцией 18 до 22
- для проводов с резиновой изоляцией т = 14 , 18
