Электрические провода, кабели и их выбор по допустимому нагреву

 

Провода и кабели, являясь элементами системы электроснабжения, связывают источники питания с электроприемниками (электродвигателями, осветительными и бытовыми приборами, электронагревательными установками и др.). Электроприемники включают в сеть через защитные аппараты (предохранители, автоматические выключатели, тепловые реле). Таким образом создается последовательная цепь: проводник, аппарат защиты, электроприемник. Если электрический ток, проходя по этой цепи, вызывает недопустимый нагрев проводника, то возможно авария. Поэтому проводники любого назначения должны удовлетворять требованиям в отношении предельно допустимого нагрева с учетом не только нормальных, но и послеаварийных режимов, а также режимов в период ремонта и возможных неравномерностей распределения токов между линиями, секциями шин и т.п. При проверке на нагрев принимается получасовой максимум тока, наибольший из средних получасовых токов данного элемента сети. Площадь сечения проводников, выбранную по допустимому току проверяют по времятоковой характеристике защитного аппарата. В свою очередь аппарат защиты должен соответствовать данному электроприемнику и проводу линии.

Если линии защищены плавкими предохранителями, то расчет начинают с выбора плавких вставок, учитывая следующие условия. В сетях где нет пусковых токов, номинальный ток плавкой вставки

 

 

где I _p – максимальный рабочий ток потребителя, А.

 

Если питание подают через предохранитель и нескольким потребителям, то

 

где К_о – коэффициент одновременности работы потребителей;

I_pi – рабочий ток i -го потребителя, А.

 

 

где Кз – коэффициент загрузки электроприемника, таблица 2.3. Для осветительных и электронагревательных установок К_з=1.

 

В сетях, где есть пусковые токи

 

где I_{наиб.пуск} – максимальный пусковой ток одного из электроприемников (потребителей), А;

α – коэффициент, учитывающий условия пуска (при легком пуске α =2,5, при тяжелом α =1,6-2,0).

 

Согласно РУМ-11, 1981г. коэффициент одновременности принять: К_о = 1; 0,9; 0,85; 0,825; 0,8; 0,79; 0,75 при одном, двух, трех, четырех, пяти, шести, и десяти слагаемых. Если слагаемые отличаются одно от другого более чем в четыре раза, их суммируем по формуле (3.3), пользуясь таблицей (3.2):

 

 

где Р_наиб – наибольшая из слагаемых нагрузок, кВт;

– добавка к наибольшей из слагаемых нагрузок, кВт; таблица (3.2)

 

При этом следует учесть, что

 

 

где – номинальное напряжение электросети, В;

– коэффициент мощности электроприемника (потребителя), табли- ца 2.1, 2.7.

 

Очевидно, что для данного потребителя (электродвигателя)

 

 

 

где I_пуск – пусковой ток электродвигателя, А.

К_i – кратность пускового тока электродвигателя

 

В общем случае, при смешанной нагрузке, учитывают зависимости (4.1) и (4.7) или (4.2) и (4.4), а плавкую вставку выбирают по большему значению тока I_НВ. см. таблицу 4.1

Выбранная плавкая вставка с номинальным током I_НВ1 должна работать селективно с последующей вставкой с номинальным током I_НВ2 расположенной по направлению к источнику питания, согласно шкалы селективности для смежных последовательно включенных однотипных предохранителей, см. таблицу 4.2.

Выбрав стандартные плавкие вставки, определяют площади сечения проводов или кабелей. На ответвлениях к электродвигателям с короткозамкнутым ротором в невзрывоопасных зонах допустимый ток проводника рассчитывают по условию

 

 

 

где – номинальный ток электродвигателя, А.

 

Во взрывоопасных помещениях по условию

 

 

На ответвлениях к электродвигателям с короткозамкнутым ротором и для кабелей, прокладываемых в земле, ток проводника проверяется так же по условию защиты от короткого замыкания

 

 

где – номинальный ток стандартной плавкой вставки, А; таблица 4.1

 

На ответвлениях к осветительным и электронагревательным установкам проводник выбирается по условию защиты от перегрузки

 

 

Во всех случаях выбранный проводник проверяется по условию длительного рабочего тока

 

По большему значению тока из условий (4.8) - (4.12) выбирается площадь сечения проводника, см. таблицу 4.4-4.6.

Если линии защищаются автоматическими выключателями, то расчет начинают с выбора теплового расцепителя

 

 

где К_н – коэффициент надежности, учитывающий разброс токовых характеристик теплового расцепителя. К_н =1,1 – 1,3.

 

Ток срабатывания электромагнитного расцепителя выключателя

 

 

где К_зап – коэффициент запаса, К_зап = 1,25;

I_макс – максимальный ток с учетом пуска электродвигателей, А.

 

Максимальный ток одного электродвигателя – это его пусковой ток, а группы двигателей с другими электроприемниками

 

 

где – сумма рабочих токов электроприемников без одного, с наибольшим пусковым током, А.

 

Далее следует выбрать уставку электромагнитного расцепителя выключателя из каталога, проверив ее на ложность срабатывания при пуске электродвигателя, по условию

 

 

где – ток уставки электромагнитного расцепителя выключателя, А.

 

Токи уставок теплового и электромагнитного расцепителя, марки выключателей (см. таблицу 4.3).

При выборе площадей сечения проводов и кабелей, защищенных выключателями, необходимо соблюдать следующие условия. Допустимый ток для проводников на ответвлениях к электродвигателям с короткозамкнутым ротором в невзрывоопасньгх зонах

 

а во взрывоопасных

 

Для всех проводников, ведущих к электроприемникам, необходимо также соблюдать условия для выключателей, имеющих только отсечку

 

 

для выключателей с нерегулируемой, обратно зависящей от тока характеристикой, с отсечкой или без нее

 

для выключателей с регулируемой, обратно зависящей от тока характеристикой, с отсечкой

 

Проверив на длительный рабочий ток по условию (4.12), по ближайшему большему значению тока из таблицы 4.4-4.6 выбирается стандартное сечение проводника.

Примечание: если температура окружающей среды отличается от t = 25⁰C. то при выборе сечения проводника следует учитывать поправочный температурный коэффициент k_t, см. таблицу 4.7. при прокладке кабеля под землей также следует учитывать влажность грунта (k₁) и количество проложенных кабелей в одной траншее (k₂). Тогда

 

Если полученное значение допустимого тока ниже рассчитанного, согласно условиям (4.11), (4.12). (4.19). (4.20), (4.21),(4.22), то следует увеличить сечение проводника и вновь проверить по этим же условиям, если больше то следует или уменьшить, или оставить то же сечение, опять же при соблюдении условий (4.11), (4.12), (4.19). (4.20), (4.21), (4.22). Коэффициенты k₁ и k₂ следует взять из таблиц 4.8 и 4.9.

 

Таблица 4.1 – Технические данные низковольтных предохранителей

Тип предохранителя	Номинальный ток патрона, А	Номинальный ток плавкой вставки, , А
ПН2-100		30, 40, 50, 60, 80, 100
ПН2-250		100, 120, 150, 200, 225, 250
ПН2-400		200, 250, 300, 350, 400
ПН2-600		300, 400, 500, 600
ПР2-15		6, 10, 15
ПР2-60		15, 20, 25, 35, 45,60
ПР2-100		60, 80, 100
ПР2-200		100, 125,160, 200
ПР2-350		200, 225, 300, 350
ПР2-600		350, 430, 500, 600
ПР2-1000		600, 700, 850, 1000
НПН2-15		6, 10, 15
НПН2-60		15, 20, 25, 35, 45, 60
ПРС-6		2, 4, 6
ПРС-20		10, 16,20
ПРС-63		25, 40, 63

 

Таблица 4.2 – Шкала селективности, для смежных однотипных предохранителей

Iнв1, А

Iнв2, А

Таблица 4.3 – Технические данные автоматических выключателей серии ВА и АЕ 2000

 

Тип	Номинальный ток, А	Номинальный ток теплового распределителя Iнт, А	Кратность Iэр/ 1нт
BA51-25		6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25	7; 10
ВА51Г-25		0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,15; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25

Продолжение таблицы 4.3

 

BA51-29		6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100	7; 10
BA51-31		16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100	3; 7; 10
ВА51Г-31		16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100
ВА52Г-31		16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100
BA51-33		80; 100; 125; 160
ВА51Г-33		80; 100; 125; 160
ВА52Г-33		80; 100; 125; 160
BA51-35		160; 200; 250
BA51-35		160; 200; 250
AE2010		0,32; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,25; 1,6; 2,0; 2.5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0	3; 12
AE 2030		0,6; 0,8; 1,0; 1,25; 1,6; 2,0; 2.5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0; 12,5; 16; 20; 25	3; 12
AE 2040		10; 12,5; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63	3; 12
AE 2050		16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100	3; 12

 

Таблица 4.4 – Допустимый длительный ток, А, для проводов с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с алюминиевыми жилами

 

Сечение жилы, мм	Способ прокладки и количество
открыто	в одной трубе
2-х одно-жильных	3-х одно-жильных	4-х одно-жильных	1-го двух-жильного	1-го трех-жильного
2,5
				-	-	-
		-	-	-	-	-
		-	-	-	-	-
		-	-	-	-
		-	-	-	-	-

 

 

Таблица 4.5 – Допустимый длительный ток, А, для кабелей с алюминиевыми жилами с резиновой и пластмассовой изоляцией в свинцовой, поливинилхлоридной и резиновой оболочках, бронированных и небронированных

 

Сечение силы, мм2	При прокладке
в воздухе одножильных	в воздухе	в земле	в воздухе	в земле
двухжильных	трехжильных
2,5
		-	-	-	-

 

Таблица 4.6 – Допустимый длительный ток, А, для кабелей с алюминиевыми жилами и бумажной изоляций при прокладке в земле

 

Площадь сечения жилы, мм2	Четырехжильные при напряжении до 1000 В	Трехжильные при напряжении, кВ

 

Таблица 4.7 – Поправочные коэффициенты на токи для кабелей, неизоли-рованных и изолированных проводов и шин в зависимости от температуры земли и воздуха

 

Расчетная температура среды t 0С	Нормируемая температура жилы t 0С	-5 и ни-же		+5	+10	+15	+20	+25	+30	+35	+40	+45	+50
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
		1,14	1,11	1,08	1,04	1,00	0,96	0,92	0,88	0,83	0,78	0,73	0,68
		1,24	1,20	1,17	1,13	1,09	1,04	1,00	0,95	0,90	0,85	0,80	0,74
		1,29	1,24	1,20	1,15	1,11	1,05	1,00	0,94	0,88	0,81	0,74	0,67
		1,18	1,14	1,10	1,05	1,00	0,95	0,89	0,84	0,77	0,71	0,63	0,55
		1,32	1,27	1,22	1,17	1,12	1,06	1,00	0,94	0,87	0,79	0,71	0,61

Продолжение таблицы 4.7

 

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
		1,20	1,15	1,12	1,06	1,00	0,94	0,88	0,82	0,75	0,67	0,75	0,47
		1,36	1,31	1,25	1,20	1,13	1,07	1,00	0,93	0,85	0,76	0,66	0,54
		1,22	1,17	1,12	1,07	1,00	0,93	0,86	0,79	0,71	0,61	0,50	0,36
		1,41	1,35	1,29	1,23	1,15	1,08	1,00	0,91	0,82	0,71	0,58	0,41

 

Таблица 4.8 – Поправочный коэффициент на допустимый длительный ток для кабелей, проложенных в земле, в зависимости от удельного сопротивления земли

 

Характеристика земли	Удельное сопротивление земли, См · К/Вт	Поправочный коэффициент
Песок влажностью более 9 %, песчано-глинистая почва влажностью более 1 %		1,05
Нормальная почва и песок влажностью 7 - 9 %, песчано- глинистая почва влажностью 12 - 14 %		1,0
Песок влажностью более 4 и менее 7 %, песчано-глинистая почва влажностью 8 - 12 %		0,87
Песок влажностью до 4 %, каменистая почва		0,75

 

Таблица 4.9 – Поправочный коэффициент на количество работающих кабелей, лежащих рядом в земле (в трубах или без труб)

 

Расстояние между кабелями в свету, мм2
	1,00	0,90	0,85	0,80	0,78	0,75
	1,00	0,92	0,87	0,84	0,82	0,81
	1,00	0,93	0,90	0,87	0,86	0,85

 

Пример 4.1.

От трансформаторной подстанции ТП до распределительного устройства РУ напряжением 0,38 кВ, укомплектованного предохранителями, проложен кабель с бумажной изоляцией и алюминиевыми жилами в земле с влажностью 7 – 9 %, где температура равна 15 ⁰С. В помещении с температурой 20 ⁰С от щита РУ к электродвигателю М проложен кабель с алюминиевыми жилами и пластмассовой изоляцией с поливинилхлоридной оболочкой в трубе, а к линии освещения Л - провода, с алюминиевыми жилами и поливинилхлоридной изоляцией - открыто. Защита отходящей от ТП кабельной линии осуществляется автоматическим выключателем.

Выбрать аппараты защиты, марки сечения проводов и кабелей по условию допустимого нагрева. Данные об электроприемниках взять из таблицы:

 

Наименование электроприемника	Номинальная мощность Рн кВт	Коэффициент мощности cos ф	к.п.д. η	Кратность пускового тогка, Ki	Коэффициент загрузки, Кз,
1. Электродвигатель М		0,9	0,9		0,95
2.Линия освещения Л		-	-	-

 

Решение

1. Номинальный ток электродвигателя

 

 

 

2. Рабочий ток электродвигателя

 

 

3. Пусковой ток электродвигателя

 

 

4. Ток плавкой вставки предохранителя FU1 по условиям (4.1) и (4.7)

 

Таблица 4.1.

 

5. Площадь поперечного сечения проводника выбирается по условиям (4.8), (4.10), (4.12)

 

По ближайшему большему значению из таблицы 4.5 выбирается проводник сечением 10 мм² с Марка кабеля – АВВГ- 5 х 10.

Проверяем кабель по условию (4.22)

Условие соблюдается, кабель выбран верно.

 

6. Номинальный ток для линии освещения

 

 

7. Рабочий ток линии освещения

 

 

8. Ток плавкой вставки, с учетом того, что в линии освещения нет пусковых токов

 

Из таблицы 4.1 следует выбрать предохранитель FU2 типа ПН2-100 с

 

9. Расчетное значение допустимого тока по условиям (4.11), (4.12)

 

По таблице 4.4, при условии открытой прокладки проводов, току 39 А соответсвует площадь сечения 6 мм². Марка провода АПВ-6.

 

10. Номинальный ток на участке ТП-РУ

 

 

11. Рабочий ток на участке ТП-РУ по условию (4.2)

 

12. Максимальный ток на участке ТП-РУ по формуле (4.15)

 

 

13. Номинальный ток теплового расцепителя автоматического выключателя QF

 

По таблице 4.3 следует выбрать выключатель ВА51-31 с .

 

14. Ток срабатывания электромагнитного расцепителя выключателя QF

 

.

 

15. Уставка электромагнитного расцепителя автоматического выключателя ВА51-31 с проверкой на ложность срабатывания

 

,

.

Условие (4.16) выполнено, значит автоматический выключатель выбран верно.

 

16. Расчетное значение допустимо тока на участке ТП-РУ по условиям (4.17), (4.20), (4.12):

 

По таблице 4.6, при условии прокладки кабеля с бумажной изоляцией под землей, следует выбрать кабель с сечением жилы 10 мм², Марка кабеля: ААШвУ-4х10.