СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЖГУТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ
METHOD OF OBTAINING CHARACTERISTICS OF ELECTRIC CABLES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области способов получения характеристик электрических систем для промышленного применения и, в частности, кабельных систем для передачи электрической энергии и, возможно, цифровой информации.
Целью получения характеристик является наилучшая адаптация конструкции или использования рассматриваемых систем.
Системы кабельной проводки, в которых применяется данное изобретение, включают в себя, в том числе, системы кабельной проводки для летательных аппаратов, например, системы кабельной проводки, которые передают как электрическую энергию, необходимую для питания бортовых электрических нагрузок, так и сигналы для связи с помощью сетей. Данное изобретение также применяется в кабельных системах, которые передают только энергию.
Интересующие кабели могут представлять собой кабели, изготовленные из меди или алюминия, которые могут быть экранированными или неэкранированными и которые соединяются друг с другом в жгуты, являющиеся однотипными или разнотипными, т.е., жгуты кабелей, которые являются одинаковыми, подобными или различными и которые проходят параллельно, объединенные друг с другом с помощью зажимных колец или хомутов, например, расположенных через каждые 5 сантиметров (см).
При проектировании и использовании кабельных жгутов необходимо обращать внимание на температурные напряжения, которым будут подвергаться кабели. В частности, распространенной практикой является установка верхнего теплового предела (мощности, выделяемой за счет эффекта Джоуля) для кабелей, чтобы ограничивать потери за счет эффекта Джоуля, а также установка верхнего температурного и/или теплового предела, чтобы операторы по ремонту и обслуживанию не подвергались риску получения ожогов при работе с кабелями, и чтобы кабели и их окружение не были повреждены.
С целью проектирования и использования таких жгутов для кабелей, которые передают электрическую энергию, необходимо также учитывать падение напряжения, которое допускается между нагрузкой и источником питания, в зависимости от типа сети электропитания, например, сети постоянного тока 28 Вольт (DC28) или сети переменного тока 115 Вольт или 230 Вольт (AC115 или AC230). Подача максимальной мощности в кабель и его электрическое сопротивление - факультативно после поправки на температуру - принимаются во внимание путем учета - при наличии поправки - вышеуказанной максимальной температуры, что является заниженным приближением, далеким от оптимального расчета. И наоборот, если поправка отсутствует, получаемые результаты также весьма далеки от реальности. Наконец, необходимо учитывать способность выдерживать механическое напряжение, чтобы избежать повреждения из-за вытягивания и частичного или полного обрыва, связанного с механическими усилиями, которые могут прикладываться к кабелю. Данный аспект проектирования обусловлен эмпирическими правилами, которые в настоящем документе не рассматриваются.
Целью настоящего изобретения является усовершенствование способа учета ограничений по нагреву и падений напряжения. Его целью является обеспечение усовершенствования в той области, в которой часто применяется аргументация, исходящая из того, что жгуты являются однотипными, без учета разнотипности имеющихся в них кабелей и, в частности, принимающая во внимание только один уровень электрической нагрузки кабелей без указания, поднимается ли у кабелей температура или нет, даже в том случае, когда кабель электропитания и кабель сетевой связи не нагреваются одинаковым образом. Указанный один уровень нагрузки выбирается в предположении одной конфигурации системы, например, летательного аппарата, как правило, в предположении, что все оборудование работает в одно и то же время, что давление находится на минимальном уровне и что температуры находятся на своих максимальных уровнях. Естественно, такие допущения являются чрезмерно заниженными, поскольку некоторые элементы оборудования, такие как приводы шасси, в любом полете действуют в течение лишь нескольких секунд. Кроме того, выполняемая таким образом обработка сводится к наложению ограничений, являющихся несогласующимися, поскольку, например, цепи основного и аварийного электропитания для заданного элемента оборудования никогда не запитываются одновременно, либо, например, максимальная температура никогда не достигается в то же время, что и минимальное давление.
На практике эти предшествующие способы основываются на весьма общих расчетных таблицах и предполагают расчет температуры каждого кабеля, а затем сравнение температур, рассчитанных таким образом, с максимальной допустимой температурой. Используются очень большие запасы прочности, поскольку расчеты выполняются для отдельных кабелей без учета структуры жгута, а также, поскольку используемые таблицы являются весьма заниженными ввиду их общего характера.
Способ, который является более дорогостоящим с точки зрения расчета, известен как мультифизический способ, поскольку он предполагает имитацию, являющуюся полной - как электрически, так и термически. Это предполагает расчеты, включающие в себя время, с интегрированием для имитации переходных стадий с целью расчета температур каждого из кабелей в каждом ответвлении жгута, соответствующем соответствующим зонам летательного аппарата, и для расчета диаметров, которые должны иметь эти кабели. Достигаемая температура сравнивается с максимальной допустимой температурой.
Такой расчет позволяет уменьшить запас, используемый при определении размеров кабелей и жгутов, но он является громоздким и практически нецелесообразным для систем, предполагающих множество кабелей или электрических соединений, которые являются слишком сложными применительно к кабельной проводке в летательных аппаратах, поскольку это значит, что модель должна генерироваться заранее для каждой исследуемой системы, модель должна открываться каждый раз, когда выполняется моделирование, изменяются параметры, выполняется имитация, собираются результаты и модель закрывается, что является крайне ограничивающим.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА
C целью устранения указанного затруднения и принятия практических мер по решению вышеописанной сложной производственной проблемы предлагается способ получения характеристик жгута электрических кабелей, включающий в себя учет, по меньшей мере, для одной температуры поверхности кабелей, во-первых, по меньшей мере, одной суммы тепловых потоков, вычисляемых для каждого кабеля для теплового эффекта из-за электрического сопротивления каждого кабеля, пропускающего соответствующий электрический ток, и, во-вторых, теплового потока, вычисляемого для тепла, выделяемого жгутом в свое окружение, с целью определения размеров кабелей, совместимых с их использованием.
С помощью этих принципов и для снижения стоимости вычислений можно оптимизировать конструкцию или использование кабельных жгутов и, в частности, проектировать их при одновременном снижении их веса и при одновременном удовлетворении ограничений по условиям применения. Несмотря на то, что расчеты выполняются заниженными, чтобы гарантировать, что сохраняемое решение является надежным, они, тем не менее, являются более точными, чем расчеты, получаемые с помощью предшествующих решений.
Упомянутая сумма потоков и упомянутый поток могут, в частности, учитываться путем их расчета, в частности, путем расчета потока выделяемого тепла для заданной температуры поверхности кабелей, являющейся ограничением, которое должно быть удовлетворено, и путем сравнения численных значений, вычисленных таким образом. Упомянутая сумма входящих потоков и упомянутый выходящий поток могут также учитываться путем решения уравнения для получения температур поверхностей кабелей, которые в действительности достигаются при эксплуатации.
В некоторых реализациях упомянутая сумма потоков и упомянутый поток сравниваются при максимальной температуре поверхности кабелей для эксплуатации без ухудшения характеристик кабелей и при максимальной температуре поверхности кабелей для эксплуатации, которая гарантирует безопасность людей-операторов, работающих с кабелями.
Кроме того, упомянутая сумма потоков и упомянутый поток могут сравниваться при одновременном использовании токов, которые соответствуют максимальным теплотворным способностям при эксплуатации для ограничения потерь энергии в линии для каждого кабеля рекомендуемым уровнем. В качестве альтернативы сравнение может выполняться с помощью токов, которые соответствуют предполагаемому использованию кабелей.
В других реализациях упомянутая сумма потоков и упомянутые потоки сравниваются при различных температурах с целью определения фактически достигаемых температур.
Изобретение может также включать в себя оценку - по меньшей мере, для одного кабеля питания из жгута - падения напряжения, вычисляемого между двумя концами кабеля. В некоторых применениях изобретения предварительное проектирование кабельного жгута выполняется путем определения диаметров кабелей или путем рекомендации исключения из жгута одного или более из кабелей.
Можно также изменять конструкцию жгута с целью снижения веса жгута при одновременном согласовании с ограничением по рабочей температуре. В одной из реализаций сравниваются также выходящий тепловой поток и способность окружения, для которого проектируется жгут, к рассеиванию тепла. Это позволяет предупредить потенциальный риск перегрева окружения, который наносит повреждения окружению и, кроме того, негативно сказывается на температуре окружения, на которой основываются расчеты для определения размера жгута.
Предпочтительно при расчете потоков учитываются материал и электрическая нагрузка, характерные для каждого кабеля жгута.
Кроме того, предпочтительно кабели, составляющие электрическое соединение, создаваемое посредством множества кабельных жгутов, могут иметь сечение, которое изменяется по их длине.
При конкретном промышленном применении жгут представляет собой жгут для летательного аппарата.
При таких обстоятельствах предлагается при расчете роста температуры жгутов на каждой стадии полета учитывать циклы электрической нагрузки оборудования, изменения температуры и давления в зонах летательного аппарата и характеристики зон летательного аппарата.
Предлагается также жгут кабелей, изготавливаемый с помощью способа изготовления, включающего в себя получение характеристик в соответствии с вышеуказанными принципами.
Данное изобретение описывается ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.
СПИСОК ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 изображен жгут кабелей.
Фиг. 2 иллюстрирует принципы изобретения.
На фиг. 3 изображена реализация изобретения.
ПОДРОБНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 представляет собой разрез, на котором изображен пример жгута 1 кабелей, в котором применяется данное изобретение. Он состоит из кабелей 2, 3, 4, ... различных диаметров, которые связаны с помощью зажимных колец, например, расположенных по одному через каждые 5 см (не показаны). Кабели, которые, как правило, имеют круглое сечение, прижаты друг к другу. Некоторые из них изготовлены из алюминия, а другие изготовлены из меди, либо из иных материалов. Некоторые из них являются кабелями электропитания, например, кабелями для питания шасси или стоек с электронной аппаратурой в летательном аппарате, а другие являются кабелями передачи данных для передачи данных из одного узла сети связи в другой узел сети, например, сети на борту летательного аппарата.
Фиг. 2 иллюстрирует принципы изобретения. В соответствии с изобретением, обеспечивается как расчет полного выходящего потока Φs тепловой энергии для температуры Tповерхности поверхности кабеля, которая предполагается постоянной, т.е., в установившихся условиях и для токов i1, i2, ..., in, протекающих в кабелях, которые соответствуют предполагаемому использованию кабелей, причем поток рассчитывается для жгута в целом с учетом условий эксплуатации (температуры и давления), в которых находится упомянутый жгут, а также расчет входящих потоков Φ1, Φ2, ..., Φn энергии для различных кабелей. Сумма входящих потоков Φ1, Φ2, ..., Φn после этого сравнивается с выходящим потоком Φs.
В данном расчете переходные стадии во внимание не принимаются. Однако данное решение обеспечивает все функции, предоставляемые с помощью мультифизической имитации при одновременной минимизации расчета.
Вместо сравнения достигаемой температуры с допустимой максимальной температурой, как это осуществлялось в прошлом, сравниваются входящие и выходящие потоки, имитируемые при заданной температуре поверхности. При этом проверяется, превышен ли допустимый максимальный уровень нагрева. Это нагрев на оболочке жгута или на оболочке кабелей, чтобы выполнить расчет, являющийся заниженным. Так, при использовании кабельной проводки, размер которой определен с помощью данного способа, реальная температура, достигаемая для токов i1, i2, ..., in, протекающих в кабелях, безусловно, меньше, чем допустимая максимальная температура.
Данный способ подробнее показан на фиг. 3. Принята во внимание конфигурация жгута 10, включая, в частности, но не обязательно исключительно диаметры кабелей и форм-факторы кабелей и жгута. Приняты также во внимание условия эксплуатации кабелей 20, включая, в частности, но не обязательно исключительно электрические нагрузки, прикладываемые к каждому из кабелей, а также внешнюю температуру и давление.
Данный способ позволяет получать результаты, которые показывают, соответствует ли исследуемый жгут в предполагаемых условиях ограничению по тепловым потокам 30 и ограничению по падению 40 напряжения, наблюдаемому в моделируемом сегменте жгута.
Сумма входящих потоков энергии вычисляется на основе следующей формулы:
φвходящий=
Σкабелей (линейное сопротивление*длина сегмента*ток2)
Выходящий поток энергии вычисляется с помощью максимальной допустимой температуры поверхности, упоминаемой выше, и с учетом характеристик окружения. Данный поток состоит из радиационного потока и конвективного потока и основан на следующих формулах:
φвыходящий=φрадиационный+φконвективный
φрадиационный = излучательная способность*форм-фактор*σ*площадь*
φконвективный=hконвективный*площадь*(Tповерхности-Tокружающая)
h
где σ  представляет собой постоянную Стефана-Больцмана, а константа  задается как функция давления и температуры, а также, в частности, высоты, а для последующего упрощения - от стадии полета. Нелишне напомнить, что излучательная способность относится к излучающему материалу, в данном случае к кабелям или, возможно, к защите, применяемой в кабелях (к оболочке, обеспечивающей защиту от пожара, электромагнитных помех, механических воздействий, ...).
Входящий и выходящий потоки сравниваются с целью определения того, удовлетворяется ли ограничение 30 по тепловому потоку, причем данное ограничение не удовлетворяется, если входящий поток больше выходящего потока.
Вычисляются также ожидаемые падения напряжения для каждого из кабелей с использованием вышеуказанных температур и токов. Падение напряжения вычисляется с помощью закона Ома U=RI, где R предпочтительно корректируется с использованием максимальной допустимой температуры или температуры, определяемой для жгута, при этом данный расчет автоматизируется. Факультативно вычисляется сумма отдельных падений напряжений, вычисляемых для каждого сегмента жгута. Вычисленное таким образом падение напряжения сравнивается с максимальным падением, допустимым в данном применении, например, в зависимости от спецификаций, излагаемых в спецификациях, и с одновременным учетом условий эксплуатации жгута. Именно так проверяется ограничение 40 по падению напряжения.
Если ограничения 30 и 40 удовлетворяются, то можно повторить данный процесс со жгутами меньших размеров, чтобы уменьшить общий вес кабельной проводки, причем это продолжается до тех пор, пока ограничения не будут удовлетворены. В конечном итоге размер кабельной проводки выбирается в зависимости от этих результатов.
Вышеописанный математический метод может применяться на этапе предварительного проектирования, тем самым позволяя получать первую оценку для сечений, используемых для каждого жгута, даже если система все еще является неполной. Это может оказаться целесообразным, в частности, для оценки диаметра жгута и, возможно, для отказа от некоторых жгутов на этапе проектирования, если расчетный диаметр жгута превышает максимальный допустимый диаметр.
Данный способ определения размеров может также применяться при проверке существующей конфигурации, тем самым позволяя быстро определять, удовлетворяются ли аппаратурой электротермические ограничения. Если нет, все указанные ограничения, которые не удовлетворяются, выявляются и задаются с целью изменения жгутов.
Данный способ определения размеров может также применяться для коррекции конфигурации, которая не удовлетворяет одному или более из ограничений. Таким образом, с помощью автоматизации можно изменять сечения жгутов с целью коррекции ограничений, которые не удовлетворяются системой.
Наконец, данный способ может использоваться для оптимизации конфигурации. Автоматизация позволяет изменять сечения жгутов с целью их оптимизации по критерию веса системы с одновременным соответствием всем требованиям по тепловым режимам и электропитанию.
Данное решение улучшает определение размеров жгутов, поскольку оно обеспечивает значительную экономию веса, получаемую в кабельной проводке летательного аппарата, оно предоставляет больше информации о тепловых потоках в различных зонах летательного аппарата, больше информации о тепловых потерях из-за кабельной проводки, и оно позволяет быстро устанавливать удовлетворенные ограничения, в том числе, для крупногабаритной системы, поскольку расчеты могут быть автоматизированы, и ввиду автоматической оптимизации определения размеров кабельной проводки летательного аппарата в целом.
В конкретной реализации после расчета выходящего теплового потока внимание уделяется тому, согласуется ли он с условиями эксплуатации, в которых должен устанавливаться жгут, например, на маршруте под полом пассажирского летательного аппарата и потолком отсека, либо даже на маршруте между отделкой пассажирского салона и обшивкой летательного аппарата, причем оба они представляют собой замкнутые пространства с относительно небольшой вентиляцией. Проверяется, остается ли температура поверхности жгута такой же, как и ранее определенная температура, и/или совместимой с техническими условиями обеспечения безопасности и эксплуатации.
Данное изобретение не ограничивается описанными реализациями, а распространяется на любой вариант, находящийся в пределах объема формулы изобретения.