Выбор сечения кабеля и провода: по нагреву, по току, по потере напряжения

Выбор сечения кабеля и провода по нагреву

Выбор сечения из условий допустимого нагрева сводится к пользованию соответствующими таблицами длительно допустимых токовых нагрузок Iд при которых токопроводящи е жилы нагреваются до предельно допустимой температуры, установленной практикой так, чтобы предупредить преждевременный износ изоляции, гарантировать надежный контакт в местах соединения проводников и устранить различные аварийные ситуации, что наблюдается при Iд ≥ Ip, Ip — расчетный ток нагрузки.

Периодические нагрузки повторно-кратковременного режима при выборе сечения кабеля пересчитывают на приведенный длительный ток

где Iпв — ток повторно-кратковременного режима приемника с продолжительностью включения ПВ.

При выборе сечения проводов и кабелей следует иметь в виду, что при одинаковой температуре нагрева допустимая плотность тока токопроводящих жил большего сечения должна быть меньше, так как увеличение сечения их происходит в большей степени, чем растет охлаждающая поверхность ( смотрите рис. 1). По этой причине часто с целью экономии цветных металлов вместо одного кабеля большего сечения выбирают два или несколько кабелей меньшего сечения.

Рис 1. График зависимости допустимой плотности тока от сечения медных жил открыто проложенного трехжильного кабеля на напряжение 6 кВ с бумажной пропитанной изоляцией, нагретых током до температуры +65°С при температуре воздуха +25 «С.

При окончательном выборе селения проводов и кабелей из условия допустимого нагрева по соответствующим таблицам необходимо учитывать не только расчетный ток линии, но и способ прокладки ее, материал проводников и температуру окружающей среды.

Кабельные линии на напряжение выше 1000 В, выбранные по условиям допустимого нагрева длительным током, проверяют еще на нагрев токами короткого замыкания. В случае превышения температуры медных и алюминиевых жил кабелей с бумажной пропитанной изоляцией напряжением до 10 кВ свыше 200 °С, а кабелей на напряжения 35 — 220 кВ свыше 125 °С сечение их соответственно увеличивают.

Сечение жил проводов и кабелей сетей внутреннего электроснабжения напряжением до 1000 В согласуют с коммутационными возможностями аппаратов защиты линий — плавких предохранителей и автоматических выключателей — так, чтобы оправдывалось неравенство I д / I з з, где k з — кратность допустимого длительного тока проводника по отношению к номинальному току или току срабатывания аппарата защиты I з (из ПУЭ). Несоблюдение приведенного неравенства вынуждает выбранное сечение жил соответственно увеличить.

Выбор сечения кабелей и проводов по потере напряжения

Сечение кабелей и проводов, выбранное из условий нагрева и согласованное о коммутационными возможностями аппаратов защиты, нужно проверять на относительную линейную потерю напряжения .

где U — напряжение источника электрической энергии, Uном — напряжение в месте присоединения приемника.

Допустимое отклонение напряжения на зажимах двигателей от номинального не должно превышать ±5 %, а в отдельных случаях оно может достигать +10 %.

В осветительных сетях снижение напряжения у наиболее удаленных ламп внутреннего рабочего освещения и прожекторных установок наружного освещения не должно превышать 2,5 % номинального напряжения ламп, у ламп наружного и аварийного освещения — 5 %, а в сетях напряжением 12. 42 В — 10 %. Большее снижение напряжения приводит к существенному уменьшению освещенности рабочих мест, вызывает снижение производительности труда и может привести к условиям, при которых зажигание газоразрядных ламп не гарантировано. Наибольшее напряжение на лампах, как правило, не должно превышать 105 % его номинального значения.

Повышение напряжения сетей внутреннего электроснабжения выше предусмотренного нормами не допустимо, так как оно приводит к существенному увеличению расхода электрической энергии, сокращению срока службы силового и осветительного электрооборудования, а иногда к снижению качества выпускаемой продукции.

Рис. 2. Расчет потери напряжения в трехфазной трехпроходной линии при выборе сечения кабелей и проводов: а — с одной нагрузкой на конце линии, б — с несколькими рапределенными нагрузками.

Проверку сечения проводников трехфазной трехпроводной линии с одной нагрузкой в конце ее (рис. 2, а), характеризуемой расчетным током I p и коэффициентом мощности cos фи на относительную линейную потерю напряжения, выполняют так:

где Uном — номинальное линейное напряжение сети, В, Ro и Хо — соответственно активное и индуктивное сопротивление одного километра линии, выбираемое из справочных таблиц, Ом / км, P р — расчетная активная мощность нагрузки, кВт, L — длина линии, км.

Для неразветвленной магистральной трехфазной трехпроводной линии постоянного сечения, несущей распределенные вдоль нее нагрузки с расчетными токами I p 1 , I р 2 , . I р и соответствующими коэффициентами мощности cos фи1, cos фи2, . cos фи, удаленными от источника питания на расстояния L1, L2, . Ln (рис. 2, б), относительная линейная потеря напряжения до наиболее удаленного приемника:

где P р i активная мощность — расчетная i -й нагрузки, удаленной от источника питания на расстояние L.

Если расчетная относительная потеря напряжения d U получится выше допустимой нормами, приходится выбранное сечение увеличить с тем, чтобы обеспечить нормируемое значение этой величины.

При небольших сечениях проводов и кабелей индуктивным сопротивлением Хо можно пренебречь, что существенно упрощает соответствующие вычисления. в трехфазных трехпроводных распределительных сетях наружного освещения отличающихся значительной протяженностью, следует обращать внимание на правильное включение равноудаленных светильников, ибо в противном случае потери напряжения распределяются по фазам неравномерно и могут достигнуть нескольких десятков процентов по отношению к номинальному напряжению.

Выбор сечения кабеля по экономической плотности тока

Выбор сечения проводов и кабелей без учета экономических факторов может привести к значительным потерям электрической энергии в линиях и существенному возрастанию эксплуатационных расходов. По этой причине сечение проводников электрических сетей внутреннего электроснабжения значительной протяженности, а также сетей, работающих с большим числом часов использования максимума нагрузки — Tmax > 4000 ч — должно быть не менее отвечающего рекомендованной экономической плотности тока , устанавливающей оптимальное соотношение между капитальными затратами и эксплуатационными расходами, которое определяют так:

где I р — расчетный ток линии без учета повышения нагрузки при авариях и ремонтах, J э — экономическая плотность тока из расчета окупаемости капитальных затрат в течение 8 — 10 лет.

Расчетное экономическое сечение округляют до ближайшего стандартного и, если оно окажется свыше 150 мм2, одну кабельную линию заменяют двумя или несколькими кабелями с суммарным сечением, соответствующим экономическому. Применять кабели с малоизменяющейся нагрузкой сечением менее 50 мм 2 не рекомендуется.

Сечение кабелей и проводов напряжением до 1000 В при числе часов использования максимума нагрузки Tmax

В трехфазных четырехпроходных сетях сечение нейтрального провода не рассчитывают, а принимают не менее 50% от сечения, выбранного для главных проводов, а в сетях, питающих газоразрядные лампы, вызывающие появление высших гармоник тока, такое же, как и главных проводов.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Правильный выбор поперечного сечения проводника для подключения электрооборудования (с примерами)

Довольно часто перед электриками встаёт вопрос выбора сечения кабеля или провода для подключения какого либо электрооборудования или целого объекта. Как правило, человек находит в интернете таблицу «сечение провода – допустимый ток» и выбирает исходя из неё.

К чему может привести такой выбор провода:

1. В такого рода таблицах не учитывается длина кабеля, а точнее, его сопротивление, что может вызвать пониженное значение напряжения на конце линии, недостаточное для нормальной работы подключенного электрооборудования.
2. В случае с оборудованием со значительными значениями пускового тока (например, асинхронные электродвигатели), оборудование не сможет войти в свой рабочий режим, так же, будет оказано влияние на других потребителей подключенных от данной линии.
3. Экономическая необоснованность при выборе сечения проводника большего значения «с запасом».
4. Нарушение правил устройства электроустановок (ПУЭ) и Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭЭП).
5. Нет возможности проверить правильность составления таблицы.

Основные этапы при определении сечений проводников

При выборе сечения кабелей и проводов необходимо исходить из условий:

1. Определения расчётного тока (мощностей) для подключаемого электрооборудования.
2. Допустимой потери напряжения (падение напряжения на подключаемом электрооборудовании). На данном этапе рассчитывается поперечное сечение проводников исходя из токовой нагрузки и протяженности линии. Например, для электродвигателей в момент подачи напряжения, допускается такое падение напряжения, которое обеспечивает необходимый пусковой момент, также не должна нарушаться работа других потребителей электроэнергии. Это определено нормами качества электрической энергии ГОСТ 13109-97, ПУЭ, а также в технической документации на конкретный тип оборудования.
3. Нагревания проводников определённого типа (допустимому длительному току). Выбор сечений проводников по нагреву (Одноимённый параграф в ПУЭ). Величина тока в проводнике определённого сечения должна быть не больше определённого значения. Данный параметр зависит от выбранного типа изоляции кабеля и места его прокладки.
4. Механической прочности жил проводников для различных типов электроустановок.
   Устанавливается минимально допустимое сечение проводника даже в том случае, когда проводник проходит по всем остальным параметрам (определенно в правилах устройства электроустановок).
5. Определения сечения проводников по экономической плотности тока (Одноимённый параграф в ПУЭ). Экономически обоснованное сечение проводника. (На практике применяется в основном для расчёта крупных объектов)
6. Проверка надёжности действия токовой защиты при коротком замыкании для выбранного сечения и длины проводников (производится на этапе расчёта аппаратов защиты).

(Все ГОСТы, упомянутые в тексте на момент написания статьи 28.05.2018г – действующие)

Определение расчетных значений (мощностей) и токовых нагрузок электрооборудования

Задача расчёта мощностей нагрузок, не такая простая задача, как может показаться изначально. Например, определение мощности таких нагрузок как лампы накаливания, электроплиты не представляет каких либо затруднений, так как данный вид нагрузки потребляет определённую номинальную мощность, и данное значение может быть взято за расчетное.

Сложнее дело обстоит с электродвигателями, у которых значение потребляемой из сети мощности, напрямую зависит от механического момента вращения, соединенного с механизмом – металлообрабатывающий станок, вентилятор вентиляционной установки, циркуляционный насос и т. п.

Фактическая мощность, потребляемая в определённый момент времени электродвигателем, может значительно отличаться от указанной в паспортных данных номинальной мощности. Например, фактическая потребляемая мощность электродвигателя насоса может меняться в зависимости от: изменения состава перекачиваемой среды, давления в трубопроводе и т. п. Двигатель может оказаться как перегруженным, так и недогруженным.

Тем самым, расчёт мощности для определённой группы потребителей, ещё более усложняется.

Расчетную нагрузку для токоведущих жил необходимо принять наибольшую возможную нагрузку, как наиболее тяжелую для проводов и кабелей линии.

Под наибольшей нагрузкой следует понимать не кратковременный ее всплеск (скачок), а наибольшее усреднённое значение за получасовой период времени.

Расчетная нагрузка группы электрооборудования определяется по формуле:

Kс — коэффициент спроса для режима наибольшей нагрузки (мощности), учитывающий наибольшее возможное число подключенного электрооборудования группы. Для электродвигателей коэффициент спроса должен учитывать также значение параметра их загрузки;

Pу — номинальная электрическая мощность подключаемой группы электрооборудования, равная сумме всех номинальных мощностей подключаемого электрооборудования (кВт).

Значение расчетной мощности должно быть не менее номинальной потребляемой мощности, наибольшего из подключаемого электроприемника.

Коэффициент спроса для одного электроприемника (одиночная нагрузка), следует принимать равным единице.

Коэффициенты спроса для каждого типа электрооборудования свои, для их определения следует руководствоваться СП 31-110-2003.

Определение расчётного тока для трёхфазного электрооборудования 380 В

Для дальнейших расчётов сечения проводников по условию нагревания, а так же по условию допустимой потери напряжения, необходимо рассчитать величину расчетного тока линии. Для трехфазного электрооборудования величина расчетного тока (Ампер) определяется по формуле:

P — Расчетная мощность всего подключаемого электрооборудования, кВт;
Uн — номинальное напряжение питания, равное междуфазному значению (линейному) Вольт;
cos ф— коэффициент мощности одиночного электрооборудования или среднее значение всего подключаемого оборудования.

Определение расчётного тока для однофазного электрооборудования 220 В

Величина расчетного тока (Ампер) для однофазного электроприемника или для группы приемников, подключенных к одной фазе сети трехфазного тока, определяется по формуле:

Пример №1.

Необходимо определить расчётный ток для столярной мастерской, запитанной от четырехпроводной линии номинальным напряжением 380/220 В.
В мастерской планируется установить :

• 10 асинхронных электродвигателей, суммарной номинальной мощностью Py1=18 кВт.
• Освещение состоящие из ламп накаливания суммарной мощностью Py2=1,3 кВт.
• Шесть бытовых штепсельных розеток (для подключения различной оргтехники); Pу3= 0,06 кВт

Согласно СП 31-110-2003 коэффициент спроса (Kс) для металлообрабатывающих и деревообрабатывающих станков в мастерских, принимается при числе работающих электроприемников до 3 Kс = 0,5.

Коэффициент спроса для расчета групповой сети рабочего освещения, распределительных и групповых сетей эвакуационного и аварийного освещения зданий следует принимать Kс = 1

Установленная мощность штепсельной розетки, принимаем за 0,06 кВт коэффициент Kс = 1.

При смешанном подключении общего рабочего освещения и розеточной сети, расчетную нагрузку следует сложить.

Определяем расчётную нагрузку электродвигателей:

Освещения и розеток:

Определяем расчётную нагрузку розеток:

Суммарная расчётная нагрузка:

Расчетный ток определяем по формуле (2):

Определение поперечного сечения проводов или кабелей по условию допустимой потери напряжения

Выбор поперечного сечения проводников в кабельной сети должен производиться по допускаемой потере напряжения, которая устанавливается с таким расчетом, чтобы отклонения напряжения для всего присоединенного к этой сети электрооборудования не выходили за пределы допустимого.

Номинальные напряжения на выходе систем электроснабжения (по ГОСТу 21128-83):

Согласно ГОСТу 13109-97:

• Нормально допустимое значение установившегося отклонения напряжения — ±5.
• Предельно допустимое значение установившегося отклонения напряжения — ±10.

Активное и индуктивное сопротивление линии

Активное сопротивление линии (Ом/км) равно:

При расчете электросетей по потере напряжения активное сопротивление проводов всегда должно учитываться. Напротив, индуктивным сопротивлением линии в ряде случаев, можно пренебречь.

Значение индуктивного сопротивления проводников
Расчет сети по потере напряжения без учета индуктивного сопротивления проводов допустим в следующих случаях:

• для сети постоянного тока;
• переменного тока при cosφ = 1
• для сетей, выполненных кабелями или изолированными проводами, проложенными в трубах на роликах или изоляторах, если их сечении не превосходят величин, указанных в таблице ниже.

Формулы расчёта сечения проводников при заданной величине потери напряжения

Трёхфазная линия переменного тока:

Двухпроводная линия переменного или постоянного тока:

Где γ — удельная проводимость материала проводов, м/(Ом×мм2);

Uн — номинальное напряжение сети, кВ (для трехфазной сети Uн — междуфазное напряжение);

∆Uдоп — допустимая потеря напряжения в линии, сечение которой определяется, %.

F — сечение проводников, мм2;

∑P∙L=P1∙L1+P2∙L2+…— сумма произведений нагрузок, протекающих по участкам линии, на длину этих участков; нагрузки должны выражаться в киловаттах, длины в метрах;

∑Iа∙L= Iа1 ∙L1+ Iа2 ∙L2+…— сумма произведений проходящих по участкам активных составляющих токов на длины участков;

Токи должны выражаться в амперах, длины — в метрах.

Активные составляющие тока (А) определяются умножением величин токов на величины коэффициентов мощности Iа = I∙ cos ɸ.

Пример расчёта минимального сечения по допустимой потере напряжения (без учета индуктивного сопротивления)

Важно! Необходимо помнить, что в данном расчёте мы находим значение минимального сечения, по допустимой потере напряжения на нагрузке, также в обязательном порядке необходимо проводить проверку по допустимому длительному току (нагревание кабеля).
Таблица в ПУЭ (глава 1.3)

Пример №2.

Определить необходимое сечение двухпроводной линии для прожекторов (на конце линии), с использованием ламп накаливания мощность по 900 Вт 3 штуки, общая длина линии 250 м, номинальное напряжение линии 220 В, допустимая потеря напряжения UДоп=5%, провода линии алюминиевые.

Определяем суммарную нагрузку:

Сумма произведений нагрузки на длину линии: ∑P∙L= 2,7 ∙ 250 = 675 кВт ∙ м.
Подставляем значения в формулу (7) и определяем сечения проводов линии:

Округляя до ближайшего (в большую сторону) стандартного сечения (выпускаемого промышленностью), выбираем сечение проводов линии.

Пример №3.

Определить сечение кабеля для подключения насоса (на конце линии), с использованием трёхфазного асинхронного двигателя механической мощностью на валу 5.5 кВт АИР100.

Помните ! Что на «шильдеке» двигателя указывается не электрическая мощность (потребляемая из сети) а механическая мощность на валу (ГОСТ Р 52776-2007).

cos ɸ = 0.89, КПД = 0.848, длина кабеля 130 м, номинальное напряжение линии 380 Вольт, допустимая потеря напряжения UДоп=5%, провода линии медные.

Таким образом, для дальнейших расчётов нам необходимо определить активную составляющую электрической мощности:

P2= 5.5/0.848 = 6.485 кВт.

Определяем расчётную нагрузку электродвигателя (коэффициент спроса для одиночной нагрузки Kс = 1):

Расчетный ток определяем по формуле (2):

Сумма произведений тока на длину линии: ∑I∙L= 11 ∙ 130 = 1430 A ∙ м.
Подставляем значения в формулу (6) и определяем сечения проводов линии:

Округляя до ближайшего (в большую сторону) стандартного сечения (выпускаемого промышленностью), определяем сечение проводов линии 2.5 мм2.

И еще иногда необходимо узнать точное значение потери напряжения в Вольтах, для этого служит формула:

Давайте подставим значения из примера №3:

И наоборот, если необходимо узнать процент отклонения (например при практических замерах):

Определение поперечного сечения кабелей и проводов по условию допустимого нагревания (допустимый длительный ток)

Протекающий электрический ток в проводнике непременно вызывает его нагрев. Одновременно с этим, происходит охлаждение проводников путем отдачи тепла в окружающую среду. С течением времени, температура проводников достигает определенного значения, которое в дальнейшем остается неизменным.

Максимальная допустимая температура для проводов и кабелей определяется условиями применяемых материалов для изоляции проводников и сечением токоведущих жил.

Величина длительного воздействия тока в проводниках, должна быть ограничена для того чтобы температура проводников не выходила за пределы установленных в правилах устройства электроустановок (ПУЭ. Глава 1.3). В противном случае, повышенная температура кабелей и проводов может вызвать быстрый износ изоляции проводников, что в свою очередь, приведет к аварийным ситуациям.

Пример №4.

Определить допустимую длительную токовую нагрузку для трехжильного кабеля с медными жилами с резиновой изоляцией поперечным сечением 2,5 мм2 при прокладке в земле и в воздухе.

По значению (Таблица 1.3.6. ПУЭ), находим для трехжильного кабеля указанного сечения и применяемых изоляционных материалов, допустимые нагрузки при прокладке в земле — 25 Ампер и в воздухе— 38 Ампер

Как мы видим, значение допустимой токовой нагрузки на один и тот же тип кабеля, меняется в зависимости от условий прокладки (условий охлаждения проводников: лучше всего охлаждение кабеля происходит при прокладке в земле, хуже — при прокладке в воздухе).

На данном этапе мы проверяли сечение кабеля выбранного нами (в примере № 3) по допустимой потере напряжения на соответствие условиям нагревания.

Так же, выбранное нами сечение, соответствует требованиям механической прочности (ПУЭ 3.4.4. ГОСТ Р 50571.5.52-2011).

Также необходимо помнить, что всегда требуется проверка надежности действия токовой защиты при коротком замыкании в удаленных точках сети, при выбранном сечении и длине проводников (будет рассмотрено в следующих публикациях).

Заключение

В данном материале были описаны основные виды расчетов применяемых при выборе поперечных сечений проводников для кабелей и проводов по условию воздействия длительных токов (нагревания), по допустимой потере напряжения. Что является основными критериями в практических расчётах для большинства случаев.

Сечение проводов и кабелей для любого участка сети должно удовлетворять всем этим требованиям. Но во многих случаях решающее значение при выборе сечения имеет одно из упомянутых условий.

Так же хотелось отметить, что для некоторых условий (как правило, для крупных объектов), также необходимо учитывать следующие параметры:

• Поправку на температуру окружающей среды.
• Поправка на число кабелей, проложенных совместно.
• Поправку на повторно-кратковременный и кратковременный режим работы.
• Выбор сечения проводников по экономической плотности тока.

Как правило, сечение проводников в кабельной линии большой протяженностью и воздушные линии электропередач различного назначения, в первую очередь производится расчёт по допустимому падению напряжения. Расчет, но условиям воздействия длительного тока (нагревания) имеет в данном случае поверочный характер, так как поперечные сечения проводов, выбранные по допустимой потере напряжения, удовлетворяют условиям нагревания.

В связи с этим, поперечные сечения кабелей и изолированных проводов силовых сетей промышленных объектов с большой плотностью нагрузки при относительно малой протяженностью линий, определяется, прежде всего, по условиям нагревания (допустимым значением тока для определённого типа проводника). Сечения же протяженных и слабонагруженных линий, определяются допустимым значением потери напряжения и условием механической прочности. В данном случае расчёт допустимой потери напряжения носит поверочный характер.

Источник