3. Вибір перерізу кабельних ліній і проводів напругою до 1 кВ із пластмасовою ізоляцією

Цехові ЕПС промислових об’єктів напругою до 1 кВ є визначальними з погляду забезпечення відповідно до державних стандартів, нормативних документів і Правил улаштування електроустав (ПУЕ), показників надійності електропостачання, якості електроенергії, електроощадності й електромагнітної сумісності.

У відповідності з ПУЕ кабелі та проводи напругою до 1 кВ вибирають за такими умовами:

Uнк Uн; Iнд IpKпр ,

(5.49)

де U_нк, U_н – відповідно номінальні напруги кабелю та цехової ЕПС;

I_нд, I_р – відповідно тривалий припустимий та розрахунковий струми кабелю;

K_пр– коригувальний коефіцієнт, який ураховує умови прокладання.

Зазначимо, що коригувальний коефіцієнт вибирається для ділянки прокладання з найгіршими умовами охолодження (у повітрі). Згідно з ПУЕ довжина цієї ділянки повинна становити не менше 10 м.

У цехових ЕПС напругою до 1 кВ на відміну від мереж напругою більше 1 кВ застосовують тільки вбудовані в автоматичні вимикачі дуже неточні максимальні струмові захисти чи топкі запобіжники. Тому під час вибору кабелів до 1 кВ необхідно виконувати їхню перевірку на термічну стійкість. Перевірка кабелів на термічну стійкість полягає у визначені температури їхніх провідників наприкінці вимикання короткого замикання (КЗ). Гранично допустимі значення цієї температури залежать від властивостей ізоляції й наводяться в ПУЕ. Згідно з ПУЕ допустима температура жил не повинна перевищувати для кабелів і проводів із полівінілхлоридною ізоляцією 150 ЦЕЛ, для кабелів і проводів із поліетиленовою ізоляцією 120 ЦЕЛ і для негалогенніх вогнетривких кабелів – 250 ЦЕЛ.. Звідси випливає, що умовою вибору кабелю є:

,

(5.50)

де –температура поверхні провідника в момент вимикання струму КЗ, ЦЕЛ;

– допустима згідно з ПУЕ температура нагрівання поверхні провідника, ЦЕЛ.

Для визначення температури ізоляції кабелю необхідно визначити кількість теплоти, яка за час дії струму КЗ устигає передатись від жили кабелю до його ізоляції, оболонки та довкіллю. Такий розрахунок є складним, тому для його спрощення доцільно використати припущення адіабатичного теплового процесу. У цьому випадку остаточна температура ізоляції кабелю визначається таким чином:

,

(5.51)

де – початкова температура провідника, яка приймається рівною 65 ЦЕЛ;

– приріст температури провідників протягом існування КЗ, ЦЕЛ.

Приріст температури визначається за формулою:

,

(5.52)

де I_кз– дієве значення періодичної складової струму трифазного КЗ, А;

R_θ– резистанс провідника кабелю з температурою θ, Ом;

C_пт – питома теплоємність провідника,;

t_кз – тривалість дії струму КЗ, с;

G_п– маса провідника, кг.

Резистанс провідника кабелю для адіабатичного процесу визначається:

,

(5.53)

де R₂₀– резистанс провідника при температурі 20^оС, Ом;

K_θ – температурний коефіцієнт зміни резистансу.

У зв’язку з тим, що провідник кабелю нагрівається однаково по всій його довжині, отже, для спрощення розрахунків приймається довжина кабелю l =1м. Тоді

(5.54)

де , s – відповідно питомий резистанс, Ом*мм²/м (для алюмінію = 0,03126), для міді = 0,0185) і переріз провідника, мм².

З урахуванням (5.70) отримаємо

,

(5.55)

де С_пт – стала, яка залежить від питомої теплоємності та маси провідника довжиною 1 м і перерізом 1 мм²(для алюмінію С_пт = 0,01305, для мідіС_пт= 0,005057).

Під час розрахунку струмів КЗ у мережі до 1 кВ враховується збільшення резистансу провідників,зумовленого нагріваннямїх струмом КЗ. Тому значенняу формулі (5.52) має відповідати збільшеній температурі провідника.

Розрахунок резистансу провідника для цієї температури здійснюється за допомогою його температурного коефіцієнта K_t. У зв’язку з тим що температура провідника збільшується за лінійним законом (адіабатичний процес) за її розрахункове значення приймається середня температура протягом дії струму КЗ:

,

(5.56)

де _с – середнє значення температури провідника під часКЗ;

– температура провідника на початку КЗ.

З урахуванням (5.56) отримуємо

(5.57)

де – стала, що залежить від фізичних властивостей матеріалу провідника.

Після деяких спрощень формула (5.57) набере вигляду:

(5.58)

де , – деякі сталі (для алюмінію= 0,912;= 0,0022; для міді= 0,918,=0,00205).

Значення струму КЗ виразимо через його кратність до уставки захисту:

(5.59)

де К_і – кратність струму короткого замикання до уставки захисту;

I_у – уставка апарату захисту.

Після підставлення (5.58) і (5.59) у вираз (5.55) на підставі (5.51) отримаємо остаточну формулу для визначення температури ізоляції кабелю:

(5.60)

де К_п –коефіцієнт початкових умов, який визначається за формулою:

,

(5.61)

де a, b–сталі (для алюмінію: a=0,012,b=0,29*10^–4; для мідіa=0,004643,b= 0,1034*10^–4).

Кількість теплоти, що виділяється в провіднику залежить від тривалості спрацювання захисту. Тому розрахунок збільшення температури провідників під час КЗ необхідно виконувати для всіх видів апаратів захисту. Це зумовлено суттєвою відмінністю часострумових характеристик автоматичних повітряних вимикачів і топких запобіжників. У тих випадках, коли часострумові характеристики у документації задані двома граничними кривими, під час розрахунків доцільно використовувати середнє арифметичне значення тривалості спрацювання захисту.

На підставі формули (5.60) можна розрахувати граничну часострумову характеристику провідника. Для цього струм уставки захистуІ_услід прийняти рівним тривалому допустимому струмовіI_д, а кінцеву температуру провідника його допустимій температурі. У результаті отримаємо:

,

(5.62)

де t_сз– гранично допустима тривалість спрацювання захисту.

Зазначимо, що гранична часострумова характеристика, розрахована на підставі (5.62), справедлива лише для адіабатичного процесу нагрівання. Вона дозволяє шляхом порівняння з часострумовими характеристиками апаратів захисту визначити зону гарантованого захисту кабелів. Це зумовлено тим, що для малих кратностей струмів КЗ для відносного тривалого часу спрацювання захисту процес нагрівання не є адіабатичним, і тому фактичний допустимий час спрацювання захисту буде більший, ніж розрахований за формулою (5.62).

Під час проектування важливою задачею є визначення найменшого перерізу провідника за умовою його термічної стійкості. З формул (5.59) і (5.60) випливає

.

(5.63)

Вибраний переріз необхідно перевірити за умовою забезпечення на затискачах електроприймачів нормованих значень відхилення напруги, а саме: для електродвигунів ідля освітлювальних приладів. Виходячи з таких умов, найбільша допустима довжина кабелю (проводу ) l_maxскладатиме, м:

,

(5.64)

де – максимально допустима втрата напруги в лінії, в.о. (= 0,1 для електродвигунів і= 0,075 за наявності освітлювальних приладів);

U_н – номінальна напруга мережі, В;

І_р – розрахунковий струм навантаження, А;

R_o, X_o– відповідно довжинний резистивний та індуктивний опір кабелю, мОм/м;

– коефіцієнт потужності розрахункового електричного навантаження.

Вибраний кабель необхідно перевірити за умовами пуску електродвигунів. Для успішного легкого пуску необхідне виконання умови . Така умова виконується якщо. Для успішного важкого пуску необхідне виконання умови. Така умова виконується якщо. У наведених вище виразах:– відповідно пусковий струм і найменший струм трифазного короткого замикання в місці встановлення електродвигуна.