Выбор и монтаж низковольтного оборудования - Тепловой расчет электрических сетей

Длительно допустимые токовые нагрузки на провода и кабели

Пожарная безопасность электрических сетей определяется рядом факторов: соответствием марки проводника и способа прокладки, характеру и свойствам окружающей среды, в том числе и ее пожаровзрывоопасности; соответствием
сечения проводников токовой нагрузке; выбором номинальных параметров аппаратов защиты от токов перегрузки и коротких замыканий; соблюдением требований монтажа, эксплуатации и т. д.
Протекание электрического тока по проводникам связано с выделением тепла. Повышением температуры проводников сверх установленной величины приводит к опасным перегревам их изоляции, возможности ее обугливания и даже пожарам, поэтому важным фактором обеспечения пожарной безопасности электрических сетей является допустимый по нормам уровень нагрева проводников.
Температура проводника, длительное время не находящегося под нагрузкой током, равна температуре окружающей среды. Если такой проводник нагрузить током неизменной величины I, то температура начнет увеличиваться и постепенно достигнет установившейся величины Ту. Величина этой установившейся температуры (Ту) зависит только от величины силы тока I.
Превышение температуры проводника (Ту) может быть определено выражением:

где Тун - допустимое превышение температуры, которая нормируется ПУЭ (п.п.
1.3.10; 1.3.12-1.3.16; 1.3.22; 1.4.16);
I - фактический ток в проводе, А.;

где Тжн - длительно допустимая температура жил проводников по ПУЭ, оС;
Тсрн - расчетная температура среды по ПУЭ, оС.
Нормирование предельно допустимых температур проводника теоретически позволяет вывести соотношения между током и температурой нагрева жил. По этом соотношениям определяют допустимый длительный ток для данного сечения проводника в зависимости от температуры окружающей среды и материала жилы.
В практических расчетах длительно допустимые токовые нагрузки на провода и кабели определяются по таблицам, которые приведены в ПУЭ гл. 1.3.

Тепловой расчет электрических сетей.

Для внутренних силовых осветительных сетей тепловой расчет является главным.
Цель расчета: выбрать сечение проводников по нагреву, а также защиту их от токов короткого замыкания и перегрузки.
Такие расчеты необходимы для предупреждения опасного перегрева проводников, т.е. для создания условий пожарной безопасности и обеспечения электроприемников электроэнергией надлежащего качества.
Нормативные требования к внутрицеховым сетям напряжением до 1кВ приведены в ПУЭ раздел 3.
Защита от токов КЗ подлежат все осветительные и силовые сети в любых помещениях (ПУЭ п.3.1.8).
Защита от токов перегрузки подлежат сети внутри помещений (ПУЭ п.3.1.10):

1. выполненные открыто проложенными проводниками с горючей наружной оболочкой или изоляцией;
2. осветительные сети в жилых и общественных зданиях, в торговых помещениях. Служебно-бытовых помещениях промышленных предприятий, включая сети для бытовых и переносных электроприемников (утюгов, чайников, плиток, комнатных холодильников, пылесосов, стиральных и швейных машин и т. п.), а также в пожароопасных зонах;
3. силовые сети на промышленных предприятиях, в жилых и общественных зданиях, торговых помещениях - только в случаях, когда по условиям технологического процесса или по режиму работы сети может возникать длительная перегрузка проводников;
4. сети всех видов во взрывоопасных зонах - согласно требованиям ПУЭ п.7.3.94.

Во всех остальных случаях сети защищаются лишь от токов КЗ.
При проектировании электрических сетей одновременно с выбором минимально допустимого сечения проводников выбирают номинальные параметры аппаратов защиты, так как эти выборы взаимосвязаны: результаты выбора АЗ могут вызвать необходимость корректировки сечения проводников.
Расчет рекомендуется проводить в следующей последовательности:

1. Определение класса зоны.
2. Определение вида защиты.
3. Расчет рабочих (номинальных) токов.
4. Выбор проводников и способа прокладки.
5. Выбор аппаратов защиты.
6. Проверка соответствия аппаратов защиты сечению жил проводников.

При расчете необходимо учитывать, что проводники с изоляцией,
распространяющей горение (полиэтиленовой), запрещается применять в пожароопасных зонах согласно п.п.7.4.36.
Проводники с алюминиевыми жилами запрещается применять во взрывоопасных зонах В-I и В4а, а с незащищенные провода с алюминиевыми жилами в пожароопасных зонах следует прокладывать только в металлических трубах (п.п. 7.4.39 и 7.3.94 ПУЭ).
Кабели, прокладываемые во взрывоопасных зонах любого класса, открыто не должны иметь наружных покровов и покрытий из горючих материалов (джут, битум, ХБ оклейка и т.п.) п. 7.3.109 ПУЭ.
Способ прокладки выбирается в основном согласно таблиц 2.1.2; 2.1.3; 7.3.14; 7.4.39. Особенности прокладки проводов в той или иной зоне описаны в соответствующих разделах ПУЭ «Электропроводки».
Расчет рабочих токов нагрузки (Ic, А)
Для одиночных электродвигателей за рабочей ток следует принимать их номинальный ток (Iн, А), т.е. Iр = Iн.
Вид расчетной формулы зависит от рода тока (постоянный или переменны), системы питания (однофазная, двухфазная трехпроводная, трехфазная и т.д.), вида электроприемника.
В частности, если электрическая рабочая активная мощность нагрузки равна Рр, кВт, то для сетей переменного тока

1. двухпроводных:

1. двухфазных трехпроводных с равномерной нагрузкой;

1. трехфазных с симметричной нагрузкой

где Цф, Цл - соответственно номинальные значения фазного и линейного напряжения, В; cosф - коэффициент мощности нагрузки.
При расчете рабочего тока для магистральных и групповых сетей, нагруженных несколькими электроприемниками, необходимо учитывать, во- первых, что не все электроприемники могут работать одновременно, во-вторых, электроприемники могут быть не полностью загруженными (т.е. потреблять электрическую мощность меньше номинальной). В общем случае рабочий ток рассчитывается по рабочей (фактически потребляемой) мощности.

где Кс - коэффициент спроса, учитывающий одновременность включения потребителей в сеть.

Руст - установленная активная мощность нагрузки (потребляемая мощность при номинальном режиме всех электроприемников), кВт
При близких и достаточно высоких значениях cosФ электроприемников (что, как правило, выполняется) можно непосредственно вычислять рабочий ток
магистрали по рабочим токам электроприемников, например, для магистрали, питающей n электродвигателей.

где Ко - коэффициент одновременности работы двигателей, учитывающий присоединенную мощность фактически работающих электродвигателей;
Ipj, Inj - соответственно рабочий и номинальный токи j-го электродвигателя;
Кз - коэффициент загрузки j-го электродвигателя, т.е. отношение действительной загрузки электродвигателя к номинальной (при отсутствии сведений о загрузке электродвигателя и для ответвлений к одному электродвигателю Кз принимается равным 1).

1. Выбор по таблице 1.3.4-1.3.28 ПУЭ по возможности минимальное сечение проводников, для которого удовлетворяется условие:

где Iдоп - допустимый длительный ток провода или кабеля, А.
* Для групповой сети, питающей одиночный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором во взрывоопасных зонах классов В-I, В4а, В-II, В- Iа сечение выбирается по условию:

где Iн - номинальный ток двигателя.
Если же сеть выполнена кабелем ВБВ или АВБВ, то коэффициент 1,25 не учитывается в любом случае.

1. По рабочему току нагрузки выбираем АЗ с возможно меньшими значениями номинальных параметров, удовлетворяющих условиям:
2. при защите предохранителями

1. при защите автоматами

1. при защите одиночного двигателя нерегулируемыми тепловыми реле магнитного пускателя

1. при защите одиночного двигателя регулируемыми тепловыми реле магнитного пускателя

где Iн.пр; Iн.вст; Iн.а; красц кр; кнагр- соответственно номинальные токи предохранителя, плавкой вставки, автомата, расцепителя автомата, теплового реле, нагревательного элемента, А;
Iо - ток нулевой установки регулируемого реле (поводок регулятора установлен на 0), А.
* 1. Приближенное равенство 11 означает, что выбирается нагревательный элемент с током нулевой установки (Iо), с ближайшим большим или меньшим значением по отношение к току Iн, после чего реле необходимо отрегулировать так, чтобы выполнялось равенство Iуст = Iн, где Iуст - ток уставки отрегулированного реле. Методика расчета деления шкалы, на которое необходимо установить поводок регулятора, изложена в приложении 1 учебника ППЭ В. Н.Черкасова, Ф.И. Шароварова. - М.87.
2. Номинальные параметры некоторых аппаратов защиты приведены в приложении 1 учебника ППЭ. - М.87 и приложениях 3-8 ПТЭ Черкасов В.Н.- М.87.
4. Если в сетях, защищаемых предохранителями или автоматами, имеющими электромагнитные расцепители, возможны кратковременные перегрузки (п. 3.1.4 ПУЭ), то необходимо проверить правильность выбора номинальных параметров АЗ на устойчивость их работы в соответствии с условиями:

1. для предохранителей
2. для автоматов с электромагнитным или комбинированным расцепителем:

где Iмакс - наибольшая величина кратковременного тока, протекающего через предохранитель (зависит от вида защищаемой сети), А; a - коэффициент, зависящий от быстродействия предохранителя и характера перегрузки (рекомендуемые значения a приведены в таблице 4.3 стр.113 учебника ППЭ. При
отсутствии данных, позволяющих воспользоваться таблицей для электродвигателей с короткозамкнутым ротором, a принимается равным 2,5; для электродвигателей ответственных механизмов (с целью особо надежной отстройки предохранителей от пусковых токов) допускается принимать a равным 1,6 (независимо от условий пуска электродвигателя); К - коэффициент запаса (для большинства автоматов К = 1,25; для автоматов АЗ110 К = 1,5).
Если условие 12 или 13 не выполняется, то следует выбрать плавкую вставку или автомат с большими, чем выбранные по п.3, значениями Iн.вст; Iн.расц.
для одиночного двигателя

где I^, Кп - соответственно пусковой ток и коэффициент пуска двигателя (для электродвигателя с короткозамкнутым ротором Кп = 5-6; с фазным ротором Кп = 1,5-2,5).
При защите одним АЗ нескольких двигателей величина Iмакс рассчитывается в зависимости от условий пуска (одновременный, поочередный пуск и т. д.).

1. при поочередном пуске

1. при одновременном пуске

где SIp<ii-1) - сумма рабочих токов всех электродвигателей без одного, имеющего наибольший пусковой ток; Ко - коэффициент одновременности, учитывающий присоединенную мощность фактически работающих электродвигателей; Iпуск - пусковой ток электродвигателя, имеющего наибольшую его величину.
Для осветительных сетей с лампами накаливания пусковые токи не учитываются и проверка правильности выбора АЗ по п.4 не проводится.
5. При необходимости защиты сети от перегрузки (п.п. 3.1.10; 3.1.11 ПУЭ) проводить проверку выполнения условий защиты:
при защите предохранителем либо автоматом только с электромагнитным расцепителем для проводников с поливинилхлоридной или резиновой изоляцией во взрывоопасных зонах:

при защите предохранителями или автоматами только с электромагнитным расцепителем для проводников с поливинилхлоридной или резиновой изоляцией в невзрывоопасных зонах, а также для кабелей с бумажной изоляцией

при защите автоматом, имеющим нерегулируемый тепловой расцепитель

Другие варианты проверки и соответствующие требования указаны в п.3.1.11 ПУЭ.
Если соответствующее условие 16-18 не удовлетворяется, то необходимо выбрать проводник с большим сечением, выбранный по условию 6-7. Следует также учесть, что допускается применение проводников с ближайшим меньшим сечением, чем требуется по условиям 16-18, но не меньшим, чем по условию 6-7 (п.3.1.13 ПУЭ).
* Для сетей, защищаемых только от токов КЗ (п.3.11.10) вместо условий 16-18 проверку проводят по двум условиям (см.формулы 4.32-4.335 стр.116 учебника ППЭ, а также п.3.1.9 ПУЭ).
Также кроме изложенных проверок по пп 1-5 необходимо проверить правильность выбора сечений проводников по условиям допустимой потери напряжения и по надежности отключения токов КЗ в конце защищаемого участка, а также правильность выбора АЗ по предельной отключающей способности. Результаты этих проверок могут внести дополнительные коррективы в выбор сечений проводников и АЗ.

Литература

1. Черкасов В.Н., Шаровар Ф.И. Пожарная профилактика электроустановок. - М.: Союзучетиздат, 1987.
2. Мыльников М.Т. Общая электротехника и пожарная профилактика в электроустановках. - М.: Стройиздат, 1985.
3. Правила устройства электроустановок. - М.: Энергоатомиздат, 1986.
4. СНиП 3.05.06-85. Электротехнические устройства.
5. ВСН 59-88. Электрооборудование теплых и общественных зданий.