Предельно допустимые температуры нагрева проводов и кабелей. Длительно допустимый ток кабеля: нагрузки, технология
Протекание электрического тока через проводник вызывает его нагревание. Количество тепла, выделяемое при протекании тока через проводник, будет пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени протекания:
Где: Q – количество выделяемой теплоты, Дж;
I – величина протекаемого тока, А;
R – сопротивление проводника, Ом;
t – время работы;
В процессе выделения тепла температура провода или кабеля начнет превышать температуру окружающей среды. Соответственно начнется процесс отдачи тепла проводом в окружающую среду. Этот процесс будет продолжатся до наступления теплового равновесия – когда количество отдаваемого кабелем тепла в окружающую среду станет равным количеству получаемого тепла от протекания электрического тока. При этом повышение температуры провода или кабеля происходить больше не будет.
Температуру, при которой наступает тепловое равновесие, называют установившейся или номинальной. На практике довольно часто используют понятие температуры перегрева, которая равна разности температур провода и окружающей среды:
Чрезмерно высокая температура проводов и кабелей приводит к преждевременному высыханию изоляции, а у проводников без изоляции к ускоренному окислению соединительных контактов и, как следствие, ухудшению проводимости. Кроме того, перегрев сверх допустимых величин может приводить к пожарам. Поэтому в ПУЭ устанавливаются следующие допустимые максимально длительно температуры проводов и кабелей:
Температура проводника достигнет своего установившегося значения не мгновенно, а по истечению какого-то промежутка времени после включения.
Закон изменения величины нагрева проводника можно выразить следующей формулой:
Где: τ уст – установившийся перегрев для определенной токовой нагрузки, 0 С;
t – время, сек;
е – основание натуральных логарифмов (е = 2,71);
Т – постоянная времени нагрева, то есть это время, за которое проводник смог бы достигнуть установившегося перегрева, если бы не было отвода тепла в окружающую среду;
Соответственно после отключения проводника от сети начинается процесс его охлаждения до температуры окружающей среды. Этот процесс можно описать уравнением:
Ниже приведены графики нагрева и охлаждения τ = f(t):
Величины постоянных времени нагрева напрямую зависят от рода проводки, материала проводника, его изоляции и сечения. Постоянные времени нагрева определяют экспериментальным путем.
Приведенные выше формулы позволяют установить, через какое время перегрев проводника достигнет заданного значения.
В случае когда имеет место переменная нагрузка можно воспользоваться одним из приемов и рассматривать процесс нагрева как сумму двух процессов – нагрева от τ = 0 до τ уст и охлаждения от τ 0 до τ = 0, то есть:
Эта формула применима при расчете проводов и кабелей с переменными нагрузками.
Кривые перегрева для такого случая показаны ниже:
Когда на кабельные линии подается напряжение, для них устанавливаются заданные нагрузки по току. Требование правил технической эксплуатации связано с нагревом изоляции при продолжительных нагрузках. Если длительно допустимый ток кабеля превышает предельное значение, произойдет его перегрев и разрушение изоляционного слоя с последующим повреждением. Поэтому нагрузки подбирают так, чтобы исключить опасность термического разрушения изолирующего слоя.
Причина нагрева кабеля
Количество выделяющегося при эксплуатации кабеля тепла находится по формуле:
Q = I 2 Rn Вт/см, где I - нагрузочный ток, А; n - количество жил; R - сопротивление, Ом.
Из приведенного выражения следует, чем выше потребляемый ток на электроустановке, к которой подведен кабель, тем больше последний разогревается. Причем мощность, выделяемая в жилах в виде тепла, находится в квадратичной зависимости от нагрузки.
Рассеивание тепла от работающего кабеля
Разогрев кабеля не будет постоянно расти в связи с тем, что тепло должно куда-то уходить. Причем его количество зависит от разности между температурой кабеля и окружающей среды. В конце концов наступит равновесие, и температура проводников станет постоянной.
Как рассчитать допустимую силу тока по температуре нагрева жил
Когда тепловыделение от нагрузки становится равным количеству рассеиваемого кабелем тепла, режим работы становится стабильным:
P = θ/∑S = (t ж - t ср)/(∑S), где θ - разница между температурой жилы и среды, 0 С; t ж - t ср - температурный перепад, 0 С; ∑S - термосопротивление кабеля.
Тепло будет уходить из кабеля тем больше, чем лучше проводимость среды. Длительно допустимый ток кабеля рассчитывается так: I доп = √((t доп - t ср)/(Rn∑S)), где t доп является допустимой температурой нагрева жил (зависит от типа кабеля).
Условия теплоотдачи
Лучше всего теплоотдача происходит, когда кабель находится в воде. Если он проложен в грунте, отвод тепла зависит от состава последнего и содержания в нем влаги. В расчетах обычно принимают грунта r = 120 Ом∙град/Вт, что соответствует песчано-глинистой почве с влажностью 12-14 %. Для получения точных показаний важно знать состав почвы, поскольку сопротивление изменяется в широких пределах и находится по таблицам. Его можно уменьшить изменением состава засыпки траншеи с кабелем и путем тщательной трамбовки. Пористые песок и гравий имеют теплопроводность ниже, чем глины. Поэтому засыпку кабеля производят глиной или суглинком, не содержащими шлак, строительный мусор и камни.
Кабель, проведенный по воздуху, имеет плохую теплоотдачу. Еще хуже она становится при прокладке в кабель-каналах, где появляются дополнительные воздушные прослойки, взаимный подогрев рядом расположенных кабелей и сопротивление стенок. Для таких случаев выбирают нагрузки по току как можно меньше.
Для обеспечения благоприятных температурных условий работы кабельной линии следует найти допустимые нагрузки по току для двух режимов: аварийного и длительного. В характеристиках кабелей также приводится величина допустимой температуры при коротком замыкании, которая для бумажной изоляции составляет 200 0 С, а для ПВХ - 120 0 С.
Длительно допустимый ток кабеля находится в обратно пропорциональной зависимости от его температурного сопротивления и теплоемкости внешней среды.
Необходимо принимать во внимание, что с течением времени проводимость изоляции кабеля увеличивается по причине высыхания. Сопротивление грунта составляет 70 % от суммарной величины и является определяющей в расчетах суммарной нагрузки.
Таблицы для определения допустимого тока
Есл рассчитывать вручную, то довольно сложно определить длительно допустимый ток кабеля. ПУЭ содержат специальные таблицы, где приводятся его значения для разных условий эксплуатации. Ниже приведены расчетные данные предельно допускаемых нагрузок для разных сечений медного проводника при его температуре 90 0 С и окружающего воздуха 45 0 С.
С помощью кабелей, характеристики которых приведены в таблице, передают и распределяют электроэнергию в сетях постоянного и переменного напряжения и в стационарных установках. Они не выдерживают больших растягивающих усилий и прокладываются в грунте, на открытом воздухе, в кабель-каналах. Длительно допустимая температура жилы равна 70 0 С, а при - не более 160 0 С за 4 сек. В аварийном режиме допустимый нагрев жил не превышает 80 0 С.
Характеристики проводников варьируются в широких пределах, в зависимости от маркировки, количества жил и других параметров. Длительно допустимый ток кабеля ВВГ зависит от сечения, которое определяется количеством и типом жил. Например, максимальная площадь сечения составляет 240 мм 2 , а в пятижильном - 50 мм 2 .
Длительно допустимый ток также определяется сечением, которое будет несколько больше, чем у поскольку он выполнен из алюминия. Допустимая температура эксплуатации и аварийного режима работы у обоих типов одинакова.
Кабель АВБбШв имеет особенность - он может применяться во взрывоопасных и пожапроопасных помещениях за счет наличия двойной брони из стальной ленты. Он широко распространен в строительстве. Длительно допустимый ток кабеля АВБбШв, так же, как у предыдущих изделий, зависит от температуры, которая не должна превышать 75 0 С, что несколько выше. Он определяется по таблицам и зависит от сечения жил и способа прокладки.
Заключение
Чтобы проводники припостоянной нагрузке не перегревались, необходимо подобрать длительно допустимый ток кабеля по таблицам и рассчитать отвод тепла в окружающую среду. Неправильный выбор кабеля приведет к его перегреву и разрушению изолирующего слоя, что повлечет за собой преждевременный выход изделия из строя.
При выборе кабеля учитывается масса самых разных параметров, начиная от сечения жил и заканчивая материалом изоляции. Почему важно знать такие подробности, как материал оболочки? Ведь его основная функция - защищать от поражения электрическим током. Если изоляция справляется с этой задачей, то нужно больше внимания уделить более важным характеристикам кабеля. К сожалению, подобную ошибку делают многие, на самом деле допустимая температура нагрева кабеля и материал изоляции необыкновенно связаны между собой. Каждый тип защитной оболочки рассчитан на определенную температуру, если она превышает определенные значения, то ускоряется процесс старения изоляции. Это серьезным образом влияет на срок эксплуатации кабеля, а не редко и подключенного с его помощью оборудования. Допустимая температура нагрева кабеля это тот параметр, от которого зависит не только нагрузочная способность кабеля, но и надежность его работы. Допустимая температура нагрева кабеля с изоляцией разного типаВсе виды материалов, используемых в качестве изоляции токопроводящих жил, имеют свои физические характеристики. Они обладают разной плотностью, теплоемкостью, теплопроводностью. В итоге это влияет на их способность выдерживать нагрев, так вулканизирующий полиэтилен может сохранять свои эксплуатационные характеристики вплоть до 90ºС. С другой стороны резиновая изоляция способна выдержать существенно меньшую температурную нагрузку - всего 65ºС. Допустимая температура нагрева кабеля с ПВХ - 70 градусов и это один из наиболее оптимальных показателей. Одним из наиболее важных показателей является допустимая температура нагрева кабеля с . Этот вид кабеля используется чрезвычайно широко и предназначен для работы с разным напряжением. Именно поэтому следует внимательно относиться в данной характеристике, она меняется следующим образом:
- для напряжения 1-2 кВ максимально допустимая температура для кабелей с обедненной и вязкой пропиткой составляет 80ºС;
- для напряжения 6 кВ изоляция с вязкой пропиткой выдерживает 65ºС, с обедненной пропиткой 75ºС;
- для напряжения 10 кВ допустимая температура 60ºС;
- для напряжения 20 кВ допустимая температура 55ºС;
- для напряжения 35 кВ допустимая температура 50ºС.
Все это требует повышенного внимания к длительной максимальной нагрузке кабеля, условиям эксплуатации. Еще одним из востребованных сегодня в электротехнической промышленности материала для изоляции является сшитый полиэтилен. Он имеет сложную структуру, обеспечивающую уникальные эксплуатационные характеристики. Допустимая температура нагрева кабеля и изоляцией из сшитого полиэтилена составляет 70ºС. Одним из лидеров по данному параметру является силиконовая резина, способная выдерживать 180ºС. К чему может привести перегрев кабеляПревышение допустимой температуры нагрева кабеля приводит к тому, что свойства изоляции кардинально меняются. Она начинает покрываться трещинами, осыпаться, в результате возникает риск короткого замыкания. Срок службы кабеля с каждым превышенным градусом серьезно сокращается. Это требует более частого ремонта, затрат, поэтому лучше изначально использовать тот кабель, который предназначен для решения определенных задач. Но и этого не достаточно, необходимо регулярно контролировать температуру оболочки, особенно в тех места, где можно предположить наличие перегрева. Это могут быть места рядом с теплопроводами или создаются неблагоприятные условия для охлаждения.
Методика проверки кабеля на невозгорание заключается в расчете температуры жил кабеля в конце короткого замыкания и сравнении ее с допустимой.
1.Определяется начальная температура жил кабеля (до короткого замыкания).
За начальную температуру принимают максимально возможную температуру предшествующего режима
Т= Т 0 + (I 2 /I дд 2) * (Т доп -Т 0расч) ,
где Т 0 – фактическая температура окружающей среды во время короткого замыкания, 0 С (для Самарской области при прокладке в земле Θ 0 = 20 0 С, при прокладке в воздухе Θ 0 = 30 0 С;
Т Доп – расчетная длительно допустимая температура жилы, 0 С (для кабелей с пропитанной бумажной изоляцией на напряжение 1 кВ - 80 0 С, 6 кВ – 65 0 С, 10 кВ – 60 0 С; для кабелей с пластмассовой изоляцией - 70 0 С и для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена - 90 0 С);
Т 0расч – расчетная температура окружающей среды, 0 С (для земли - 15 0 С, для воздуха - 25 0 С).
2.Определяется значение коэффициента К
К =b *I КЗ 2 *t О /F 2 ,
гдеb – постоянная, м 4 /(кА 2 · с), для алюминиевых жил -45,65, для медных – 19,58;
I КЗ – максимальное установившееся значение тока трехфазного короткого замыкания на шинах источника питания с учетом подпитки от электродвигателей 6-10 кВ, кА.
t О – время протекания тока короткого замыкания, с.
t О =t МТЗ ВВ +t Р +t В +t А,
гдеt МТЗ ВВ – время действия МТЗ резервной защиты (на вводе на секцию в РП (ГПП), с. Для примера расчета равно 1,25 с. ;
t Р – время срабатывания электромеханических реле (0,1 с.) или микропроцессорных защит (0,05 с.);
t В – время отключения масляного (0,1 с.) или вакуумного (0,03 с.) выключателя;
t А – эквивалентная постоянная времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания от удаленных источников, равная 0,1 с для сети 6-10 кВ.
3.Определяется температура жил в конце короткого замыкания
Т К =Т * е К + а (е К – 1),
где а – величина, обратная температурному коэффициенту электрического сопротивления при 0 0 С, равная 228 0 С.
Пример расчета
Кабель с алюминиевыми жилами 3х150 и бумажной пропитанной изоляцией напряжением 10 кВ проложен частично в земле, частично на воздухе.
I = 195 A, Iдд земл = 275 А, Iдд возд = 210 А, Iкз = 8,64 кА,
t МТЗ ВВ = 1,25 с,t Р = 0,05с, t В = 0,03 с, t А = 0,1 с.
1. Начальная температура
Т З = 20 + (60 – 15) · (195/275) 2 = 42,6 0 С – в земле,Т В = 30 + (60 – 25) · (195/210) 2 = 60,2 0 С – в воздухе.
2. t О = 1,25 + 0,05 + 0,03 + 0,1 = 1,43 с.
К = 45,65 · 8,64 2 · 1,43 / 150 2 = 0,22.
3. При прокладке кабеля в земле
Т КЗ = 42,6 · е 0,22 + 228 (е 0,22 – 1) = 108 0 С,
При прокладке в воздухе
Θ К В = 60,2 · е 0,22 + 228 (е 0,22 – 1) = 131 0 С.
Предельно допустимые температуры нагрева проводников, при которых кабели пригодны к дальнейшей эксплуатации после отключения короткого замыкания, приведены в табл.8.1 . В частности, для кабелей 6-10 кВ с бумажной пропитанной изоляцией она составляет 200 0 С.
Отсюда следует вывод о невозгораемости кабеля при коротком замыкании и о возможности его нормальной дальнейшей эксплуатации после отключения короткого замыкания.
Провода и кабели, являясь проводниками, нагреваются током нагрузки. Величина допустимой температуры нагрева для изолированных проводников определяется характеристиками изоляции, для неизолированных (голых) проводов – надежностью контактных соединений. Значения длительно допустимой температуры нагрева проводов и жил кабелей при температуре окружающего воздуха + 25ºС и температуре земли или воды + 15ºС указываются в правилах устройства электроустановок (ПУЭ).
Величина тока, соответствующая длительно допустимой температуре данного провода или жилы кабеля, называется длительно допустимым током нагрузки (I доп ). Значения длительно допустимого тока для различных сечений проводов и жил кабелей, а также различных условий их прокладки, приводятся в ПУЭ и справочной литературе. Таким образом, определение сечения проводов и жил кабелей по нагреву сводится к сравнению максимального рабочего тока линии с табличным значением длительно допустимого тока нагрузки:
по которому из таблиц выбирается соответствующее стандартное сечение проводов и жил кабелей. Если температура окружающей среды отличается от табличных значений, то величина длительно допустимого тока корректируется умножением на поправочный коэффициент, значения которого принимаются по ПУЭ и справочной литературе.
Выбранное по условию нагрева сечение проводов и жил кабелей должно быть согласовано с защитой, с тем чтобы при протекании по проводнику тока, нагревающего его выше допустимой температуры, проводник был отключен защитным аппаратом (плавким предохранителем, автоматическим выключателем и т.п.).
Расчет и выбор сечений проводов и жил кабелей выполняется в следующей последовательности:
1)выбирается тип защитного аппарата – плавкий предохранитель или автоматический выключатель;
2)если выбран плавкий предохранитель, то определяется номинальный ток его плавкой вставки, который должен удовлетворять двум условиям:
где - максимальный ток нагрузки при пуске асинхронного короткозамкнутого электродвигателя (его пусковой ток);
Коэффициент, характеризующий условия работы двигателя; для нормальных условий работы = 2,5; для тяжелых условий = 1,6…2,0.
По большему расчетному значению номинального тока плавкой вставки выбирается стандартное значение номинального тока плавкой вставки предохранителя;
3)определяется длительно допустимый ток нагрузки, соответствующий выбранному номинальному току плавкой вставки предохранителя:
Для кабелей с бумажной изоляцией,
Для всех остальных кабелей и проводов;
указанные соотношения принимаются для случая, когда провода сети защищаются от перегрузок. По ПУЭ к таким сетям относятся осветительные сети в жилых и общественных зданиях, торговых и служебно-бытовых помещениях промышленных предприятий, а также в пожаро- и взрывоопасных зонах; для случаев, при которых необходимо защищать провода только от коротких замыканий, выбирается соотношение:
Полученное расчетное значение длительно допустимого тока нагрузки округляется в большую сторону до ближайшего табличного значения длительно допустимого тока нагрузки и соответствующего ему стандартного сечения проводов или жил кабеля;
4)если в качестве защитного аппарата выбран автоматический выключатель и он защищает провода сети от перегрузок, то справедливы все указанные выше соотношения, в которых вместо номинального тока плавкой вставки предохранителя надо указать номинальный ток расцепителя автоматического выключателя;