3. Выбор проводов и кабелей

Электрические сети должны удовлетворять многим технико-экономическим требованиям, из которых отметим основные: безопасность для жизни и здоровья людей, пожарная безопасность, надежность и бесперебойность электроснабжения, высокое качество электроэнергии (прежде всего отклонение напряжения в сети от номинального напряжения электроприемников должно быть в допустимых пределах), высокая экономичность (наименьшие капитальные и эксплуатационные расходы).

Выполнение этих и других требований обеспечивается правильным выбором оборудования, материалов, проводов и кабелей, высоким качеством строительной части и монтажа, выполнением всех правил технической эксплуатации. Рассмотрим вопросы выбора проводов и кабелей применительно к цеховым электросетям.

Выбор сечений проводов и кабелей по допустимому нагреву. В проводах и кабелях, нагруженных электрическим током, выделяется теплота, в связи с чем они нагреваются. Процессы нагревания и охлаждения проводов здесь не рассматриваются, так как в предыдущей главе уже рассмотрены аналогичные процессы применительно к электродвигателям. Напомним лишь о том, что установившаяся температура провода тем больше, чем больше потери энергии в нем и чем хуже условия теплоотдачи в окружающую среду.

Длительная надежная служба проводов и кабелей может быть гарантирована, если их температура не превышает допустимой величины, которая зависит от длительности действия тока, материалов токоведущих жил и электроизоляции.

Допустимой температуре соответствует допустимый ток I_дп. Значения допустимых токов для различных типов (марок) и поперечных сечений проводов и кабелей указаны в справочных таблицах. Они установлены с учетом условий прокладки, температуры окружающей среды (25 °С — воздуха и 15 °С — почвы).

Для того, чтобы выбрать сечение провода или кабеля по нагреву в длительном режиме, надо прежде всего найти расчетное значение тока в линии, принимая по графику нагрузки наибольшую из средних нагрузок длительностью 30 минут в течение смены (получасовой максимум).

Затем в таблице допустимых токов для заданных (выбранных) типа провода (кабеля) и условий прокладки надо найти значение допустимого тока, удовлетворяющего условию

I_дп ≥ I_р. (13.1)

Выбранной величине I_дп в таблице указано соответствующее сечение токопроводящей жилы провода или кабеля.

В данном случае сечение провода будет выбрано правильно, если значение допустимого тока равно значению расчетного тока I_р, а при отсутствии в таблице равной величины взята ближайшая большая.

В тех случаях, когда температура окружающей среды отличается от расчетной или надо проложить рядом несколько кабелей, условия охлаждения изменяются, поэтому допустимые токи для тех же поперечных сечений токоведущих жил уточняют с помощью поправочных коэффициентов k_п: I′_дп = k_п I_дп.

Однако на этом выбор сечения провода или кабеля не завершается, так как выбранное по длительно допустимому току оно может не удовлетворять требованиям экономичности в отношении потери напряжения в сети.

Выбор сечений проводов и кабелей с учетом защитных аппаратов. В электрических сетях напряжением до 1000 В для защиты электроприемников, а также питательных и распределительных линий от коротких замыканий и перегрузок применяют плавкие предохранители и автоматические выключатели.

Конструкции плавких предохранителей различны в зависимости от рабочего напряжения в сети, но все они имеют патрон, в котором крепится сменная плавкая вставка из легкоплавкого металла. Защитное действие заключается в том, что в случае превышения определенного значения тока плавкая вставка плавится (перегорает) и отключает электрическую цепь.

Для предохранителей указывают следующие технические данные: номинальное напряжение U_п.т, номинальный ток патрона I_п.т, номинальный ток плавкой вставки I_п.в .

Плавкая вставка предохранителя должна отвечать двум требованиям: не перегорать при длительном рабочем токе нагрузки I_р, [(формула (13.2)], не перегорать при пусковых (пиковых) токах [(формула (13.3)]

I_п.в ≥ I_р; (13.2)

I_п.в ≥ I_max / α (13.3)

Выбирая предохранитель, рабочий ток I_р одиночного электроприемника принимают равным его номинальному току I_р = I_ном, для группы электроприемников I_р = k_c I_у, где I_у — сумма номинальных токов установленных электроприемников, присоединяемых к данной линии; k_c — коэффициент спроса, учитывающий, что электроприемники могут работать не одновременно и с неполной нагрузкой.

При выборе плавкой вставки по пусковому условию определяют

I_max = I_п + I′_р. (13.4)

Применение выражений (13.3) и (13.4) чаше всего связано с пиковыми нагрузками при пуске электродвигателей. Поэтому I_п — это пусковой ток одного двигателя, наибольший в данной группе двигателей; I′_р — рабочий ток группы двигателей, за исключением двигателя с наибольшим пусковым током.

Коэффициент α принимают в зависимости от типа предохранителя и условий пуска (легкий, тяжелый пуск) от 1,6 до 3.

Автоматические выключатели (автоматы) используют для обычных включений и выключений электрических целей (если они редки), но главное их назначение для автоматического размыкания цепи при длительных перегрузках (действует тепловая защита), при коротких замыканиях и других пиковых перегрузках (действует электромагнитная максимальная защита); при понижении напряжения действует электромагнитная минимальная защита.

Выбор сечения проводника с учетом аппарата защиты (или проверку сечения, выбранного по нагреву) осуществляют по условию

I_дп > k_зI_н.з, (13.5)

где I_дп — допустимый ток для выбранного сечения провода; I_н.з — номинальный ток плавкой вставки или уставка автомата; k_з — кратность допустимого длительного тока по отношению к току защитного аппарата.

Сечение провода (кабеля) принимают наибольшее по условиям (13.1) и (13.5).

Защита в электрических сетях должна действовать избирательно (селективно), т. е. отключать только тот участок, в котором произошло короткое замыкание или который длительно перегружен.

Выбор сечений проводов по допустимой потере напряжения. Электроприемники работают нормально, если напряжение в электросети U_c равно их номинальному напряжению U_ном. Стандартами установлены допустимые отклонения напряжения.

Причины отклонения различны, но главная из них связана с потерей напряжения в проводах, которые имеют активное и индуктивное сопротивления.

Потеря напряжения ΔU — это алгебраическая разность между напряжением U₁ у источника питания и напряжением U₂ в месте подключения электроприемника. Ее выражают в вольтах или в процентах к номинальному напряжению:

ΔU = U₁ – U₂; (13.6)

ΔU % = 100 ΔU / U_ном. (13.7)

Исходя из допустимых отклонений напряжения, определены допустимые потери напряжения в электросетях (на участке от подстанции до электроприемника).

В силовых сетях напряжением до 1000 В допустимая потеря напряжения составляет 6–7 % от номинального, в осветительных сетях — 2–3 %.

В линии постояного тока длиной l потеря напряжения ΔU = IR = 2Il / (γS). Отсюда можно определить сечение провода линии, если задано допустимое значение потери напряжения: 2Il / (γ ΔU) или

S = , (13.8)

где Р — мощность нагрузки; γ — удельное сопротивление материала провода.

Эта формула пригодна также для однофазной линии переменного тока, если нагрузка выражена активной мощностью, а индуктивное сопротивление линии не учитывается.

Если нагрузка присоединена в нескольких точках линии на расстоянии от ее начала l₁; l₂; l₃ (рис. 13.11) и задана величинами мощности Р₁, Р₂, Р₃, то при одинаковом сечении проводов на всех участках линии из формулы (13.8) легко получить формулу

S = . (13.9)

Для трехфазной линии при тех же условиях

S = ; S = . (13.10)

Рис. 13.11