Сооружение и эксплуатация кабельных линий - Допустимые токовые нагрузки на кабельные линии

Жилы кабельных линий не должны нагреваться выше установленных предельно допустимых значений температур при всех возможных в эксплуатации режимах. Если это требование не будет обеспечено, то изоляция кабеля от чрезмерного нагрева преждевременно износится, ее механические и электрические свойства ухудшатся, и кабель будет работать ненадежно. Поэтому чтобы обеспечить правильный температурный режим работы кабеля, необходимо для каждой находящейся в эксплуатации кабельной линии определить и установить допустимые токовые нагрузки как для нормального длительного режима, так и для аварийных режимов.
Определение допустимых токовых нагрузок для нормального длительного режима работы кабельной линии осуществляется по таблицам, приведенным в ПУЭ, составленным опытным путем в соответствии с допустимыми температурами жил по ГОСТ. Так как прокладка кабеля может осуществляться в различных охлаждающих средах (земля, воздух, вода), то соответственно этому определены и различные значения допустимых длительных токовых нагрузок.
Допустимые длительные токовые нагрузки на кабели, прокладываемые в земле, приведенные в табл. 10-2, 10-3, 10-13—10-16, приняты из расчета прокладки одного кабеля в траншее на глубине 0,7—1 м с удельным сопротивлением земли в 120 Ом-град/Вт (тепловых Ом-см) и при температуре земли + 15 °С.
Если грунт имеет худшую теплопроводность и грунт на глубине прокладки кабелей имеет температуру выше или ниже + 15 °С, то величины токовых нагрузок изменяются путем умножения на коэффициенты, приведенные в табл. 10-4.

Таблица 10-2
Допустимые длительные нагрузки на кабели с медными жилами, с бумажной, пропитанной маслоканифольной и нестекающей массами изоляцией, в свинцовой или алюминиевой оболочке, прокладываемые в земле

* Токовые нагрузки на одножильные кабели даны для работы при постоянном токе.

Таблица 10-3
Допустимые длительные нагрузки на кабели с алюминиевыми жилами, с бумажной, пропитанной маслоканифольной и нестекающей массами изоляцией, в свинцовой или алюминиевой оболочке, прокладываемые в земле

* Токовые нагрузки на одножильные кабели даны для работы при постоянном токе.
Таблица 10-4
Поправочные коэффициенты на температуру земли

Указанные коэффициенты при проектировании кабельных линий следует применять только в случаях, когда температура земли значительно отличается от + 15°С (районы Крайнего Севера, вечной мерзлоты, тропики и т.п.). При определении допустимых токовых нагрузок на кабельные линии в условиях эксплуатации эти коэффициенты целесообразно использовать для всех условий, так как в зависимости от сезона года пропускная способность кабельных линий может быть лучше использована без снижения срока жизни кабеля. В зимних условиях температура земли на глубине прокладки кабелей близка к О.°С и ниже, и в соответствии с этим допустимые длительные нагрузки на кабельные линии могут быть увеличены на 15—20%. 

Поправочные коэффициенты на число работающих кабелей, лежащих рядом в земле

Если в земле проложена не одна, а несколько кабельных линий в одной и той же трассе, то допустимые длительные нагрузки должны быть снижены путем умножения на коэффициенты, приведенные в табл. 10-5. Необходимость снижения нагрузки в этом случае объясняется тем, что соседние кабели, выделяя тепло, дополнительно нагревают рядом проложенные кабели.
При количестве рядом проложенных кабельных линий более шести поправочный коэффициент принимается такой же, как и для шести кабелей, так как дополнительный подогрев от этих кабелей ввиду дальности расстояния становится незначительным. Если рядом с работающими лежат резервные или слабо нагруженные кабельные линии, то они в расчет приниматься не должны, так как дополнительного подогрева не оказывают.
Для уяснения пользования таблицами рассмотрим следующий пример.
Требуется определить допустимую длительную нагрузку на зимний период с температурой почвы 0°С для кабельной линии 10 кВ, сечением 3X120 мм², выполненной кабелем АСБ, проложенным непосредственно в земле.
Изучив дополнительные чертежи трассы кабельной линии, определяем, что наихудшие условия охлаждения кабеля имеет участок линии длиной 50 м, где данная кабельная линия проходит в одной траншее рядом с другими тремя линиями, при расстоянии в свету между кабелями 100 мм. Одна из линий нагрузку ие несет, так как находится в резерве.
После того как все исходные данные уточнены, производим расчет допустимого длительного тока нагрузки для указанных выше условий по следующей формуле:

Допустимые длительные нагрузки на кабели с медными жилами, с бумажной, пропитанной маслоканифольной и нестекающей массами изоляцией, в свинцовой или алюминиевой оболочке, прокладываемые в воздухе

* Токовые нагрузки на одножильные кабели даны для работы при постоянном токе.

Таблица                                                                                                                                                                      10-7
Допустимые нагрузки на кабели с алюминиевыми жилами, с бумажной, пропитанной маслоканифольной и нестекающей массами изоляцией, в свинцовой или алюминиевой оболочке, прокладываемые в воздухе

* Токовые нагрузки на одножильные кабели даны для работы при постоянном токе.
Таблица 10-8
Допустимые длительные нагрузки на кабели с медными жилами, с бумажной пропитанной изоляцией, в свинцовой оболочке, небронированные, прокладываемые в воздухе

* Токовые нагрузки относятся к работе на переменном токе, при этом свинцовые оболочки соединены между собой и заземлены на обоих концах, три рядом лежащих кабеля, расстояние между кабелями в свету не более 125 мм и не менее 35 мм.
Таблица                   10-9
Допустимые длительные нагрузки на кабели с алюминиевыми жилами, с бумажной пропитанной изоляцией, в свинцовой оболочке, небронированные, прокладываемые в воздухе

* Токовые нагрузки относятся к работе на переменном токе, при этом свинцовые оболочки соединены между собой н заземлены на обоих концах, три рядом лежащих кабеля, расстояние между кабелями в свету не более 125 мм и не менее 35 мм.
Допустимые длительные токовые нагрузки на кабельные линии, прокладываемые в воздухе (вне и внутри зданий, в коллекторах, туннелях, шахтах, подвалах и других помещениях) при расстоянии между кабелями не менее 35 мм в свету, а также в каналах с расстоянием между кабелями не менее 50 мм в свету и при температуре воздуха +25 °С при любом числе проложенных кабелей определяются по табл. 10-6—10-9 и 10-13—10-16.
По этим же таблицам определяются допустимые длительные токовые нагрузки на одиночные кабели, прокладываемые в трубах в земле, так как в этом случае охлаждающей средой для кабелей, так же, как и для кабелей, проложенных в помещениях, является воздух. Материал, из которого сделаны трубы, при определении допустимых нагрузок по этим таблицам не учитывается, так как условия охлаждения кабеля зависят в основном не от материала трубы, а от слоя воздуха между кабелем и внутренними стенками трубы.
При температуре воздуха в помещениях, где проложены кабели, или при температуре грунта, где проложены трубы, отличной от +25 °С, при расчете допустимых длительных токовых нагрузок должны быть введены поправочные коэффициенты (см. табл. 10-10).

Поправочные коэффициенты на температуру воздуха

При прокладке нескольких кабелей в трубах в одной траншее с расстоянием в свету между трубами 100,200 и 300 мм допустимые длительные токовые нагрузки должны быть снижены путем введения снижающих коэффициентов по табл. 10-5. При этом, так же, как и при прокладке кабелей непосредственно в земле, не должны учитываться резервные трубы и резервные кабели.
Из приведенных таблиц видно, что допустимые длительные токовые нагрузки для кабелей, прокладываемых в помещениях, значительно меньше, чем для тех же кабелей, проложенных в земле, так как охлаждение кабелей при прокладке их в земле происходит лучше, интенсивнее, чем в воздухе. Так, например, для кабелей 10 кВ марки СБ с сечением 3X120 мм² допустимая длительная нагрузка по табл. 10-2 составляет 310 А, а для того же кабеля при прокладке в воздухе 240 А. 
Если даже выравнять температуру охлаждающей среды в том и другом случае и определить допустимую длительную нагрузку на указанный кабель при температуре грунта +25 °С, то в этом случае при прокладке в земле допустимая нагрузка будет составлять 293 А, а при прокладке в помещении 240 А, т. е. на 18% меньше.
При определении допустимых длительных токовых нагрузок для кабельных линий, проложенных вне помещений, рекомендуется принимать наибольшую среднюю месячную температуру для данного района, а для кабельных линий, проложенных внутри помещений — наибольшую среднюю суточную температуру помещения в месте прокладки кабеля.
Для уяснения пользования таблицами рассмотрим пример.
Требуется определить допустимую длительную нагрузку на кабельную линию напряжением 10 кВ, сечением 3X120 мм², выполненную кабелем марки АСБ, проложенным в туннеле. Наибольшая суточная температура туннеля + 15°С. В туннеле проложено 10 кабельных линий, и все они находятся под нагрузкой.
Расчет допустимой длительной нагрузки осуществляется по следующей формуле:

где Iтабл — допустимый длительный ток по табл. 10-7 для кабеля  

10 кВ марки АСБ сечением 3X120 мм²=185А; а — поправочный коэффициент па температуру воздуха в туннеле по табл. 10-10, равный 1,13.
Подставляя найденные значения в формулу, находим, что Iд л .доп = 185 • 1,13 = 211 А.
Допустимые длительные нагрузки на кабельные линии, прокладываемые в воде (по дну рек, каналов, озер и других водоемов), или углубленных в дно на глубину до 1 м, при температуре воды +115°С, определяются по табл. 10-11—10-14.
Таблица 10-11
Допустимые длительные нагрузки на кабели с медными жилами, с бумажной, пропитанной маслоканифольной и нестекающей массами изоляцией, в свинцовой оболочке, прокладываемые в воде

Таблица           10-12
Допустимые длительные нагрузки на кабели с алюминиевыми жилами, с бумажной, пропитанной маслоканифольной и нестекающей массами изоляцией, в свинцовой оболочке, прокладываемые в воде

Таблица 10-13
Допустимые длительные нагрузки на трехжильные кабели с отдельно освинцованными медными жилами, с обедненно- пропитанной изоляцией, прокладываемые в земле, воде и воздухе

Таблица 10-14
Допустимые длительные нагрузки на трехжильные кабели с отдельно освинцованными алюминиевыми жилами, с обедненно-пропитанной изоляцией, прокладываемые в земле, воде, воздухе

Как видно из приведенных таблиц, на кабели, проложенные в воде, допускаются значительно большие нагрузки, чем на кабели, проложенные в земле или воздухе. Так, если сравнить допустимые длительные нагрузки на кабель 10 кВ марки СБ и сечением жил 3X150 мм², проложенный в различных условиях, то по лучим следующее соотношение: при прокладке в земле Iдл= 355 А (100%), в воздухе Iдл=270 А (76%), в воде Iдл=450А(127%).
Допустимые длительные нагрузки на трехжильные кабели с отдельно освинцованными (или с отдельно опрессованными алюминием) жилами, прокладываемые в земле, воздухе и воде, приведены в табл. 10-13 и 10-14, в земле и воздухе — 10-15 и 10-16.
Таблица 10-15
Допустимые длительные нагрузки на трехжильные кабели с отдельно освинцованными (или с отдельно опрессованными алюминием) медными жилами, с бумажной пропитанной изоляцией, прокладываемые в земле и воздухе

Таблица 10-16
Допустимые длительные нагрузки на трехжильные кабели с отдельно освинцованными (или с отдельно опрессованными алюминием) алюминиевыми жилами, с бумажной пропитанной изоляцией, прокладываемые в земле и воздухе

Допустимые длительные токовые нагрузки на кабели, прокладываемые в блоках, определяются по эмпирической формуле
где I0 — ток допустимой нагрузки для трехжильного кабеля 10 кВ с медными и алюминиевыми жилами, определяемый по табл. 10-17; аI0 — коэффициент, выбираемый по табл. 10-18 в зависимости от сечения и расположения кабеля в блоке; b — коэффициент, выбираемый в зависимости от номинального напряжения кабеля:

с — коэффициент, выбираемый в зависимости от среднесуточной нагрузки всего блока:

Резервные кабели следует прокладывать в незанумерованных каналах блока, если они будут работать, когда рабочие кабели отключены.
Допустимые длительные токовые нагрузки на кабели, прокладываемые в двух параллельных блоках одинаковой конфигурации, должны уменьшаться путем умножения на коэффициенты в зависимости от расстояния между блоками:

Экономическая плотность тока.

При выборе сечения кабеля для питающих кабельных линий 6 и 10 кВ как при проектировании линии, так и в процессе эксплуатации необходимо осуществить проверку выбранного сечения или рассчитанного длительно допустимого тока по нагреву по экономической плотности тока.

Таблица 10-17
Заполнение блоков кабелями

Таблица 10-18
Поправочные коэффициенты а на сечение кабеля

Экономически целесообразное сечение определяется из соотношения

где I — расчетный ток линии, А; jэ — нормированное значение экономической плотности тока для заданных или фактических условиях работы линии.
Экономическая плотность тока для кабельных линий (табл. 10-19) определена ПУЭ для существующих конъюнктурных условий, исходя из стоимости линии с учетом концевых камер коммутации и стоимости потерь электроэнергии.
Таблица 10-19
Экономическая плотность тока кабелей

Годовое число использования максимума нагрузки для кабельных линий городских электросетей обычно определяется по формуле
о
с минимальной нагрузкой данной кабельной линии.
Расчетный ток должен соответствовать условиям нормальной работы, т. е. при его определении не следует учитывать увеличение тока при авариях или ремонтах в каких-либо элементах сети.
Правила предусматривают, что увеличение числа линий сверх необходимого по условиям надежности электроснабжения в целях удовлетворения экономической плотности тока должно производиться только на основе технико-экономического расчета. При этом во избежание увеличения числа линий допускается превышение, вплоть до двукратного значения, нормативных величин, указанных в табл. 10-19. При пользовании табл. 10-19 следует учитывать, что если максимум питающей линии имеет место в ночное время, то экономическая плотность тока должна быть увеличена на 40%.
При выборе сечения кабеля для питания ряда однотипных, взаимно резервирующих друг друга электроприемников общим числом п, из которых т одновременно находятся в работе, а остальные стоят в резерве, экономическая плотность тока увеличивается против норм,приведенных в табл. 10-19, в Кп раз, где Кп равно.
При определении допустимых длительных нагрузок расчетным путем необходимо учитывать, что результаты расчета могут быть правильными только при условии, если все исходные значения для расчета соответствуют действительности. В практических условиях эксплуатации кабельных линий это требование не всегда можно обеспечить. Например, допустимые длительные токовые нагрузки для кабеля при прокладке в земле, указанные в таблицах, определены для грунта с удельным сопротивлением 120 тепловых Ом-см. В действительности это сопротивление может иметь большую или меньшую величину, и в зависимости от этого могут значительно изменяться допустимые нагрузки. Указанные в таблицах поправочные коэффициенты на количество кабелей, проложенных в одной траншее, а также коэффициенты на температуру грунта в месте прокладки кабеля тоже определены для грунта с удельным сопротивлением 120 тепловых Ом-см; если же сопротивление будет иное, то и поправочные коэффициенты будут иметь другие значения. Поэтому целесообразно для правильного определения допустимых нагрузок не ограничиваться только расчетом, а определять их опытным путем.
Для проверки допустимых нагрузок опытным путем необходимо измерить температуры оболочек кабеля. Измерение температуры надо произвести на участке трассы линии, имеющей наихудшие условия охлаждения, по которому определилась нагрузка расчетным путем. Измерение температуры оболочек осуществляется, как указывалось в § 10-2.
По результатам измерения производится перерасчет допустимых нагрузок по формуле

где Iоп — нагрузка кабельной линии, измеренная при опыте, А; tдоп— допустимая температура жилы по ГОСТ; tокр— температура окружающей среды в месте прокладки кабеля (земля, воздух, вода), измеренная при опыте; tж— температура жилы кабеля, определенная опытом.
При этом необходимо иметь в виду, что за Iоп принимается получасовой максимум токовой нагрузки, который представляет собой максимальную из средних получасовых токовых нагрузок для данной кабельной линии. Например, согласно расчетам по таблицам для Кабельной линии 10 кВ 3X120 мм² (при температуре W°C) допустимая длительная нагрузка составила 205 А.
Согласно проведенному опыту установлено, что

Iоп=200 А; tокр=10 °С; tж=50°С . Подставляя полученные значения в формулу, получаем:

т. е. опытная проверка показывает, что для данной кабельной линии допустимый длительный ток может быть допущен на 10% выше, чем это установлено расчетным путем.
При повторно-кратковременном и тому подобных режимах работы электроприемников с общей продолжительностью циклов до 10 мин и продолжительностью рабочего периода не более 4 мин за расчетную токовую нагрузку для проверки сечения кабеля по нагреву следует принимать токовую нагрузку, приведенную к длительному режиму. При этом для кабелей с медными жилами сечением более 10 мм², а для алюминиевых жил более 16 мм² токовые нагрузки принимаются путем умножения на коэффициент где ПВ — выраженная в относительных величинах продолжительностью рабочего периода — продолжительность включения.
Для кратковременного режима работы с длительностью включения не более 4 мин и перерывами между включениями, достаточными для охлаждения проводников до температуры окружающей среды, наибольшие допустимые токовые нагрузки следует определять по нормам повторно-кратковременного режима, как указано выше.
При длительном включении более 4 мин, а также при перерывах недостаточной длительности между включениями наибольшие допустимые токовые нагрузки следует определять как для установок с длительным режимом работы.
Поэтому в условиях эксплуатации всегда целесообразно допустимые длительные токовые нагрузки определять опытным путем, что в некоторых случаях позволяет повысить допустимые длительные нагрузки, определенные расчетным путем, а в некоторых случаях снизить их.
Длительно допустимые нагрузки должны быть записаны в паспорта кабельных линий и при всех изменениях исходных условий корректироваться.

В процессе эксплуатации кабельных линий необходимо осуществлять контроль за их нагрузками. На кабельных линиях, отходящих от электростанций и подстанций, контроль за нагрузками осуществляется по стационарным измерительным приборам путем записи показаний приборов в ведомость в установленные сроки.
Для наглядности на стационарных щитовых амперметрах красной чертой отмечается предельно допустимый ток кабельной линии, что дает возможность обслуживающему персоналу немедленно принимать соответствующие меры при превышении этого значения. На подстанциях без постоянного дежурного персонала контроль за нагрузками осуществляется периодически путем измерения токов на кабельных линиях до 1000 В измерительными клещами и на линиях выше 1000 В по стационарным измерительным амперметрам. Эти измерения производятся одновременно с измерениями нагрузок на силовых трансформаторах, что позволяет путем перерасчета определить нагрузки на всех линиях выше 1000 В.
Опыт показывает, что нагрузки кабельных линий в городских электрических сетях должны измеряться не реже 2 раз в год. Первое измерение следует производить в декабре — январе, т. е. в период годового максимума нагрузок. Эти измерения служат основанием для составления плана работ по разгрузке узких мест и улучшению режима работы кабельных линий. Они дают возможность также определить потери электроэнергии в сети и другие технико-экономические показатели работы кабельных линий. Второе измерение нагрузок кабельных линий рекомендуется производить в летний минимум нагрузки — в мае.
Помимо указанных планируемых измерений нагрузок кабельных линий должны проводиться внеочередные измерения нагрузок во всех случаях, когда изменяется схема или присоединяются дополнительные электроприемники, в связи с чем меняется режим работы кабельных линий.
Результаты измерений нагрузок кабельных линий анализируются инженерно-техническим обслуживающим персоналом и служат основанием для проведения мероприятий, обеспечивающих экономическую и безаварийную работу кабельных линий.
Таблица 10-20
Допустимые перегрузки кабельных линий до 10 кВ на время ликвидации аварии

В процессе эксплуатации при переходе на ремонтный или аварийный режимы работы сети кабельные линии могут иметь нагрузки выше длительно допустимых значений. ПТЭ разрешают на время ликвидации аварий для кабельных линий до 10 кВ перегрузку в течение 5 суток в пределах, приведенных в табл. 10-20.
Указанные значения перегрузки по величине тока и по времени не вызывают перегрев токоведущих жил сверх значений, установленных ГОСТ, и, следовательно, не влияют на ускоренный износ кабеля.
Для кабельных линий, находящихся в эксплуатации более 15 лет и уже имеющих какой-либо естественный износ изоляции, рекомендуется допускаемые значения перегрузки снижать на 10%.
Перегружать кабельные линии 20—35 кВ, выполненные из кабеля с бумажной пропитанной маслоканифольной и нестекающей массами, не допускается по той причине, что электрическая прочность этих кабелей рассчитана только для режима работы при температуре жил, не превышающих значения 50 °С.

Таблица 10-21
Допустимые длительные нагрузки, аварийные перегрузки и основные режимные характеристики кабельных линий

В аварийном режиме необходимость и возможность перегрузки кабельных линий до 10 кВ на большие значения, чем указано выше, должна определяться диспетчером электростанции или электросети по конкретным условиям данной аварийной ситуации и с учетом категорийности электроприемников по условиям надежности и бесперебойности их электроснабжения. Для быстрой и правильной ориентации в аварийной ситуации на диспетчерских пунктах рекомендуется иметь режимные характеристики основных кабельных линий, согласно табл. 10-21.