Испытание и проверка силовых кабелей — Определение допустимой длительной токовой нагрузки на кабельную линию
Согласно ПУЭ для каждой кабельной линии при вводе ее в эксплуатацию устанавливаются допустимые длительные токовые нагрузки, определяемые по участку трассы с наихудшими тепловыми условиями, если длина участка составляет не менее 10 м. Это требование определяется тем, что недопустимая перегрузка кабельной линии может вызвать перегрев изоляции, ее преждевременное старение, а затем и повреждение в результате электрического пробоя.
Поэтому токовые нагрузки на кабельные линии устанавливаются такими, чтобы нагрев токопроводящих жил не превышал определенных значений и, следовательно, возможность перегрева изоляции была бы исключена.
Действующим ГОСТ установлены следующие допустимые температуры нагрева жил кабелей с изоляцией из пропитанной кабельной бумаги в свинцовой, алюминиевой или полихлорвиниловой оболочке в зависимости от их номинальных напряжений: до 3 ке + 80°С; до 6 кВ+65° С; до 20 и 35 /се+50° С.
При проверке на нагрев принимают получасовой максимум токовой нагрузки, который представляет собой наибольшую из средних получасовых токовых нагрузок данного элемента сети.
На время ликвидации аварийного режима для кабельных линий с бумажной пропитанной изоляцией напряжением до 10 кВ включительно допускается перегрузка на 30% на время максимума нагрузки продолжительностью не более 6 ч в сутки в течение 5 суток.
Эта перегрузка разрешается лишь в случае, если до этого максимальная нагрузка линии не превышала 80% длительно допустимого по нагреву тока.
Кабельные линии напряжением 20—35 кВ перегружать против номинальных значений не допускается.
Для маслонаполненных кабельных линий 110 кВ разрешается перегрузка с доведением температуры жил до 80° С.
Общая длительность перегрузок не должна превышать 100 ч в год.
Мощность Р, переходящая в тепло Q, которое выделяется в токопроводящих жилах 3-фазного тока, составляет:
где 1 — ток, а;
R — сопротивление жилы, Ом.
Из приведенной формулы следует, что с повышением токовой нагрузки кабеля поднимается температура токопроводящих жил. Однако с повышением температуры кабеля повышается разность температур между кабелем и средой, в которой он проложен. Чем выше эта разность, тем интенсивнее будет происходить отдача тепла в окружающую среду.
В какой-то момент разность этих температур достигнет такой величины, при которой все выделяемое тепло будет переходить в окружающую среду и температура токопроводящих жил больше повышаться ие будет.
Существует тепловой закон Ома, который выражается следующим равенством:
Разность температур жилы и среды Гщ— tср в нем соответствует разности потенциалов, количество тепла О — току, а тепловое сопротивление кабеля и окружающей среды S — сопротивлению электрического тока.
Общее тепловое сопротивление кабеля S складывается из сопротивлений тепловому потоку изоляции и защитных покровов кабеля S и внешней среды, окружающей кабель (земли, воздуха) 5ВП.
Чем меньше сопротивления оказывается тепловому потоку, тем интенсивнее будет происходить отдача тепла во внешнюю среду, тем ниже будет температура токопроводящей жилы и тем большую нагрузку можно допустить на кабель. Поэтому кабель, проложенный в проточной воде, находится в наиболее благоприятных в отношении теплового режима условиях работы. Вода обеспечивает наилучшие условия отвода тепла с поверхности кабеля во внешнюю среду, и сопротивление тепловому излучению в этом случае практически равно нулю.
Зная допустимые по ГОСТ температуры нагрева токопроводящих жил, можно определить величину допустимого на кабель тока:
откуда
где IДоп — допустимая по ГОСТ температура жилы кабеля, °С;
tср —температура среды, в которой кабель проложен, °С;
Л^ —число жил кабеля; 5Каб+5вп — общее сопротивление тепловому излучению, тепловых Ом.
Тепловое сопротивление принимается равным одному тепловому ому, если при прохождении в течение 1 сек через 1 см какого-либо вещества мощности теплового потока, равной 1 вт, между стенками, расположенного перпендикулярно потоку, получается падение температуры, равное 1°С.
Из вышеприведенного выражения следует, что допустимая на кабель нагрузка обратно пропорциональна т. е. тепловому сопротивлению кабеля и тепловому сопротивлению внешней среды (земли или воздуха).
Тепловое сопротивление кабеля не является величиной постоянной и возрастает в процессе эксплуатации кабеля в связи с высыханием изоляции и наружных покровов. Тепловое сопротивление земли зависит от состава грунта и его влажности. Опытные данные показывают, что для средних и больших сечений тепловое сопротивление изоляции и покровов кабеля составляет 30—35% общего теплового сопротивления кабеля и внешней среды. Теплоотдача в землю или в воздух является поэтому решающей при определении допустимой нагрузки на кабель.
В Правилах устройства электроустановок (изд. 1966 г., стр. 22—34) приведены допустимые токовые нагрузки в зависимости от типа изоляции (резиновая, пластмассовая, бумажная пропитанная), сечения, напряжения и условий прокладки, подсчитанные для предельно допустимых температур токопроводящих жил (см. стр. 80) и расчетных температур среды: +15° С — при прокладке кабеля в земле тта глубине 0,7—1 м; 25° С —для условий прокладки в воздухе, как то: в трубах, каналах, туннелях; +15° С — для прокладки в воде.
40. Определение допустимого тока проводников по нагреванию. Выбор проводов линий по условию нагревания
Все проводники линий электропередачи должны выбираться (или проверяться) по условию нагревания (т.к. для ВЛ и КЛ устанавливаются определенные длительно допустимые температуры ). При чрезмерном нагреве проводника и последующем охлаждении он может потерять свои механические свойства. В ВЛ при нагреве проводов происходит увеличение их длины в пролете => увеличивается стрела провеса=> уменьшение расстояния проводов до земли и инженерных сооружений.
На воздушных линиях всегда имеются вдоль длины соединения проводов, а также места присоединения проводов к концевым устройствам на подстанциях. Контактные соединения со временем окисляются, причем тем больше, чем выше их температура. Следствием этого является увеличение их сопротивлений с последующим их нагреванием, приводящим к разрушению. Для сталеалюминевых проводов может быть допущена температура 120°С. Однако с учетом возможного окисления контактов при выборе площади сечения проводников она принимается равной 70°С.
Длительно допустимый ток IДОП можно найти из уравнения теплового баланса провода в установившемся режиме:
где Rt — сопротивление провода при эксплуатационной температуре, Ом/м; Qp__
теплота, поглощенная проводом от действия солнечной радиации, Вт/м; ωк, ωл — коэффициенты теплоотдачи конвекцией и лучеиспусканием, Вт/(м°С); ТП — допустимая температура провода; ТВ — расчетная температура воздуха.
В кабельных линиях при протекании тока нагреваются жилы кабеля и соответственно, изоляция жил. Допустимую температуру устанавливают с учетом старения изоляции кабеля, которая в зависимости от типа кабеля, вида изоляции и номинального напряжения находится в пределах от 50 до 80°С.
Допустимые токи для стандартных марок проводов ВЛ и площадей сечений различных типов кабелей приводятся в справочнике при расчетной температуре окружающей среды, для проводников, прокладываемых в воздухе — 25°С, а в земле или в воде — 15°С. Если фактическая температура отличается от расчетной, то вводится поправочный коэффициент kt, а допустимый ток определяется по формуле
В условиях проектирования обычно принимают kt = 1.
Для кабельных линий применяют также поправочный коэффициент, учитывающий прокладку нескольких рядом расположенных кабелей, т. к. они оказывают тепловое влияние друг на друга.
На рис. 12.12 приведена зависимость длительно допустимого тока от площади сечения алюминиевых проводов воздушных линий, которая не является линейной. Это означает, что с увеличением площади сечения эффективность ее использования для пропускания тока снижается, что иллюстрирует зависимость плотности тока JДОП.
При выборе (проверке) проводников по условию нагревания следует принимать такую наименьшую площадь сечения, при которой наибольший рабочий ток IНБ не более допустимого
(12.61)
В качестве IНБ принимают наибольший средний получасовой ток суточного графика нагрузки.
Вместо допустимого тока иногда используют понятие допустимой мощности по условию нагревания
Допустимая плотность тока по условию нагревания всегда выше нормативной экономической плотности тока JДОП > JЭ. Поэтому в разомкнутых сетях площади сечения проводников, выбранные по нормативной экономической плотности тока, выше, чем выбранные по допустимому току. В таких случаях наибольший ток совпадает с расчетным IНБ. Следовательно, нет необходимости проверять площади сечения по нагреванию.
Если же площади сечения проводников выбраны по другим критериям, то в разомкнутых сетях их надо проверять дополнительно по IДОП.
(не знаю, нужен ли этот абзац)
В случаях замкнутой сети или состоящей из нескольких параллельных линий наибольшие токи возникают чаще всего в послеаварийных и ремонтных режимах. Так, при двух параллельных линиях (рис.12.13, а) наибольший ток одной из линий будет иметь место при отключении другой линии. В замкнутой сети (рис. 12.13, б) следует рассматривать послеаварийные режимы, приведенные на рис. 12.13, в, г. д, для случаев поочередного отключения одной из линий. При этом очевидно, что наибольший ток в линии 12 будет при отключении линии 13 (I2НБ+ I3НБ)> а в линии 13 при отключении линии 12 (также I2НБ+ I3НБ). Что касается линии 23, то наибольший ток будет при отключении линии 12, если I2НБ > I3НБ, и при отключении линии 13, если I3НБ > I2НБ. В нормальном режиме, когда ни одна из линий не отключена, ток в линии 23 будет меньше, чем в наихудшем режиме из двух предыдущих. Что касается режима по рис.12.13. д, то он в данном случае является избыточным, т. к. токи в нем по линиям 12 и 13 будут меньшими, чем соответственно в режимах по 12.13, г и 12.13, в Таким образом, применительно к каждой конкретной схеме сети следует на основе анализа предварительно наметить послеаварийные режимы, в которых могут возникать наибольшие токи той или иной линии.
Рис. 12.12. Зависимость допустимого тока IДОП и допустимой плотности тока JДОП от площади сечения провода воздушной линии
Рис.12.13. Схема сети: а — из двух параллельных линий;
б — замкнутой сети в нормальном режиме; в, г, д — замкнутой сети в послеаварийных режимах
41. Выбор выключателей на подстанциях.
Аппараты должны удовлетворять условиям длительной номинальной работы, режиму перегрузки (форсированный режим) и режиму возможных коротких замыканий. Аппараты должны также соответствовать условиям окружающей среды (виду установки – открытая или закрытая, температуре, запыленности, влажности и другим показателям). Как правило, все элементы системы электроснабжения выбирают по номинальным параметрам и перенапряжениям.
Номинальное напряжение аппарата соответствует классу его изоляции. Всегда имеется определенный запас электрической прочности, оговариваемый техническими условиями на изготовление и позволяющий аппарату работать длительное время при напряжении на 10-15% выше номинального (максимальное рабочее напряжение аппарата). Отклонение напряжения на практике обычно не превышает указанных величин. Поэтому при выборе аппарата достаточно соблюсти условие
где Uном. а – номинальное напряжение аппарата; Uном. эл – номинальное напряжение электроустановки, в которой используется аппарат.
Повышению высоты установки аппарата над уровнем моря соответствует снижение применяемого напряжения. При высоте установки аппарата до 1000 м допускается максимальные рабочие напряжения. При больших высотах над уровнем моря напряжение на аппарате не должно превышать номинального значения.
При протекании номинального тока при номинальной температуре окружающей среды аппарат может работать неопределенно долго без недопустимого перегрева. Поэтому аппарат надлежит выбирать так, чтобы максимальный рабочий ток цепи не превышал номинального тока, указанного в паспорте аппарата. Так как расчетная температура окружающей среды принята +35 о C, то при другой физической температуре окружающей среды tо.ср следует вычислять длительно допустимый ток аппарата
где tдоп – температура наименьшая из допустимых для отдельных частей аппарата
Аппараты, выбранные по номинальному напряжению и номинальному току, подлежат проверке на термическую и динамическую стойкость при токах короткого замыкания, на отключающую способность. Измерительные трансформаторы, кроме того, проверяют на соответствие их работы требуемому классу точности.
Индуктивное сопротивление токоограничивающих реакторов в зависимости от их назначения выбирают по требуемому снижению тока короткого замыкания за реактором (для снижения необходимой отключающей способности выключателей или для использования кабелей меньшего сечения), по минимальному допустимому напряжению на шинах (для обеспечения самозапуска асинхронных двигателей).
Выбор высоковольтных выключателей
Все высоковольтные потребители подстанций, питающиеся от 5УР и 4УР (цеховые трансформаторы, высоковольтные двигатели, батареи конденсаторов), подсоединяют посредством высоковольтных выключателей (ячеек). Выбор высоковольтных выключателей производят по:
- Напряжению электроустановки
Uном. а>Uном. эл где Uном. а – номинальное напряжение аппарата; Uном. эл – номинальное напряжение электроустановки, в которой используется аппарат.
- Длительному току
Iраб(max)Iном где Iраб(max) – наибольший ток утяжеленного режима; Iном – номинальный ток выключателя;
- Электродинамической стойкости при токах короткого замыкания
Iп0Iдин; iуImдин где Iп0 – действующее значение периодической составляющей начального тока короткого замыкания; iу – ударный ток короткого замыкания; Iдин – действующее значение периодической составляющей тока электродинамической стойкости выключателя; Imдин – амплитудное значение полного тока электродинамической стойкости выключателя;
- Отключающей способности на возможность отключения симметричного тока
IпτIоткл.ном где Iпτ – периодическая составляющая тока короткого замыкания в момент расхождения контактов выключателя; Iоткл.ном – номинальный ток отключения выключателя;
- Отключающей способности полного тока короткого замыкания (с учётом апериодической составляющей)
где iаτ – апериодическая составляющая тока в момент расхождения контактов выключателя; βн – нормированное процентное содержание апериодической составляющей тока короткого замыкания (определяется по критической кривой в зависимости от τ);
- Термической стойкости. Проверка осуществляется по расчетному импульсу квадратичного тока короткого замыкания
где Bк – расчётный импульс квадратичного тока короткого замыкания (кА*с 2 ); Iт – ток термической стойкости выключателя; tт – длительность протекания тока термической стойкости; Приближенно значение теплового импульса тока короткого замыканияBк можно определять по формуле 
Что такое предельно допустимый, номинальный ток провода и допустимая мощность рассеивания
При прохождении по проводу электрического тока происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Скорость процесса преобразования электрической энергии в тепловую характеризуется мощностью P=UI.
Количество тепла, выделяемого током в проводнике, пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока: Q = I 2 rt (Закон Джоуля-Ленца).
Преобразование электрической энергии в тепловую имеет большое практическое значение для создания ламп накаливания, нагревательных приборов и электрических печей. Однако выделение тепла в проводах и обмотках электрических, машин, трансформаторов, измерительных и других приборов не только бесполезная трата электрической энергии, но и процесс, который может принести к недопустимо высокому повышению температуры и к порче изоляции проводов и даже самих устройств.
Количество тепла, выделяющегося в проводе, пропорционально объему провода и приращению температуры, а скорость отдачи тепла в окружающее пространство пропорциональна разности температур провода и окружающей среды.
В первое время после включения цепи разность температур провода и окружающей среды мала. Только небольшая часть тепла, выделяемого током, рассеивается и окружающую среду, а большая часть тепла остается в проводе и идет на его нагревание. Этим объясняется быстрый рост температуры провода в начальной стадии нагрева.
По мере увеличения температуры провода растет разность температур провода и окружающей среду к увеличивается количество тепла, отдаваемое проводом. В связи с этим рост температуры провода все более замедляется. Наконец, при некоторой температуре устанавливается тепловоз равновесие: за одинаковое время количество выделяющегося в. проводе тепла становится равным рассеивающемуся во внешнюю среду.
При дальнейшем прохождении неизменяющегося тока температура провода не изменяется и называется установившейся температурой .
Время нагревания до установившейся температуры неодинаково для различных проводников: нить лампы накаливания нагревается за доли секунды, электрическая машина — за несколько часов (как показывает анализ, теоретически время нагревания бесконечно велико, мы под временем нагревания будем понимать время, в течение которого провод нагревается до температуры, обличающемся от установившейся не более чем на 1%).
Нагрев изолированных проводов нельзя допустить выше определенного предела, так как изоляция при сильном перегреве может обуглиться или даже загореться, перегрев голых проводов ведет к изменению механических свойств (натяжения провода).
Для изолированных проводов нормами установлена предельная температура нагрева 55 — 100° С в зависимости от свойств изоляции и условий монтажа. Ток, при котором установившаяся температура соответствует нормам, называется предельно допустимым или номинальным током провода. Значение номинальных токов для различных сечений проводов приводится в специальных таблицах в ПУЭ и электротехнических справочниках.
Мощность, развиваемая током в проводе, при которой наступает тепловое равновесие к устанавливается допустимая температура, называется допустимой мощностью рассеивания .
Если по проводу проходит ток больше номинального, то провод оказывается «перегруженным». Однако, поскольку установившаяся температура достигается не сразу, кратковременно можно допустить в цепи ток больше номинального (до момента, пока температура провода не достигнет предельного значения). Слишком большая температура провода, как правило, получается при коротком замыкании.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Расчет допустимого тока в никелевом и медном проводе
Для использования калькулятора нужно выбрать подходящее сечение провода и температуру работы и нажать кнопку «Рассчитать«.
Выберите сечение провода, мм2 Выберите температуру эксплуатации, ⁰C
Максимальный допустимый ток —
Расчет минимального сечения для никелевого провода
Для использования калькулятора нужно указать мощность, напряжение и температуру работы и нажать кнопку «Рассчитать«.
Мощность не введена Выберите напряжение, В Выберите температуру эксплуатации, ⁰C
Миниимальное сечение —
- Значения, указанные в таблицах и диаграммах, кривые, полученные расчетным путем, являются ориентировочными и теоретическими.
- Их следует использовать только как ориентировочное значение или как отправную точку для более полного исследования.
- Компания Термоэлемент не может нести ответственность ни в каком случае за возможные инциденты, особенно в случае кабельной разводки, без соблюдения правил и действующих стандартов.
- Для оптимального использования термостойких проводов, которые можно приобрести на нашем сайте, мы настоятельно рекомендуем протестировать их в реальных условиях.
Наши технические специалисты всегда в вашем распоряжении для дальнейшего анализа.
Таблица 1 — Никелевый провод
Номинальное сечение, мм2
Максимально допустимый ток при 20°C, А