Длительно допустимая температура нагрева жил кабелей. Расчет температуры проводника при прохождении тока кз и проверка кабелей на невозгорание Допустимая температура проводов и кабелей

Страница 1 из 8

Силовая кабельная линия - это линия для передачи электрической энергии, состоящая из одного или нескольких параллельных кабелей с соединительными. стопорными и концевыми муфтами (заделками) и крепежными деталями. В силовых кабельных линиях наиболее широко используются кабели с бумажной и пластмассовой изоляцией. Тип изоляции силовых кабелей и их конструкция влияют не только на технологию монтажа, но и на условия эксплуатации силовых кабельных линий. В особенности это касается кабелей с пластмассовой изоляцией. Так в результате изменяющихся при эксплуатации нагрузок и дополнительного нагрева, обусловленного перегрузками и токами короткого замыкания, в изоляции кабелей возникает давление от увеличивающегося при нагреве полиэтилена (поливинилхлорида), которое может растягивать экраны и оболочки кабелей, вызывая их остаточные деформацию. При последующем охлаждении вследствие усадки в изоляции образуются газовые или вакуумные включения, являющиеся очагами ионизации. В связи с этим будут изменяться ионизационные характеристики кабелей. Сравнительные данные по величине температурного коэффициента объемного расширения различных материалов, используемых в конструкциях силовых кабелей приведенные в таблице 1.

Таблица 1. Температурные коэффициенты объемного расширения материалов, применяемых в конструкции силовых кабелей

При этом следует отметить, что наибольшая величина температурного коэффициента объемного расширения имеет место при температурах 75-125°С. соответствующего нагреву изоляции при кратковременных перегрузках и токах короткого замыкания.

Бумажная пропитанная изоляция жил кабелей имеет высокие электрические характеристики. продолжительные срок службы и сравнительно высокую температуру нагрева. Кабели с бумажной изоляцией лучше сохраняют свои электрические характеристики в процессе эксплуатации при возникавших частых перегрузах и связанных с этим дополнительных нагревах.

Для обеспечения длительной и безаварийной работы кабельных линий необходимо, чтобы температура жил и изоляции кабеля в процессе эксплуатации не превышала допустимых пределов.

Длительно допустимая температура токопроводящих жил и допустимый их нагрев при токах короткого замыкания определяются материалом изоляции кабеля. Максимально допустимые температуры жил силовых кабелей для различного материала изоляции жил приведены в табл. 2.

Таблица 2. Максимально допустимые температуры жил силовых кабелей

Изоляция жил	Напряжение кабеля, кВ	Длительно допустимая температура жил кабеля, РС	Допустимый нагрев жил при токах короткого замыкания, °С
Бумажная пропитанная
Пластмассовая:
поливинилхлоридный пластикат
полиэтилен
вулканизирующийся полиэтилен
Резиновая
Резиновая повышенной теплостойкости

Примечание: Допустимый нагрев жил кабелей из поливинилхлоридного пластиката и полиэтилена в аварийном режиме должен быть не более 80°С, из вулканизирующегося полиэтилена – 130°С.

Продолжительность работы кабелей в аварийном режиме не должна превышать 8 ч в сутки и 1000 час. за срок службы. Кабельные линии напряжением 6-10 кВ, несущие нагрузки меньше номинальных, могут кратковременно перегружаться при условиях, приведенных в табл. 3.

Таблица 3. Допустимые перегрузки по отношению к номинальному току кабельных линий напряжением 6-10 кВ

Примечание: Для кабельных линий, находящихся в эксплуатации более 15 лет, перегрузки должны быть понижены на 10%. Перегрузка кабельных линий на напряжение 20 ÷35 кВ не допускается.

Любая силовая кабельная линия помимо своего основного элемента - кабеля, содержит соединительные и концевые муфты (заделки), которые оказывают значительное влияние на надежность всей кабельной линии.

В настоящее время при монтаже, как концевых муфт (заделок) так и соединительных муфт широкое применение находят термоусаживаемые изделия из радиационно-модифицированного полиэтилена. Радиационное облучение полиэтилена приводит к получению качественно нового электроизоляционного материала, обладающего уникальными комплексами свойств. Так, его нагревостойкость возрастает с 80 °С до 300°С при кратковременной работе и до 150 °С при длительной. Этот материал отличается высокими физико-механическими свойствами: термостабильностью, хладостойкостью, стойкостью к агрессивным химическим средам, растворителями, бензину, маслам. На ряду со значительной эластичностью он обладает высокими диэлектрическими свойствами, сохраняющимися при весьма низких температурах. Термоусаживаемые муфты и заделки монтируют как на кабелях с пластмассовой, так и кабелях с бумажной пропитанной изоляцией.

Проложенный кабель подвергается воздействию агрессивных компонентов среды, которые обычно являются разбавленными в той или иной степени химическими соединителями. Материалы, из которых изготовлены оболочка и броня кабелей, имеют разную коррозийную стойкость.

Свинец устойчив в растворах, содержащих серную, сернистую, фосфорную, хромовую и фторно-водородную кислоты. В соляной кислоте свинец устойчив при ее концентрации до 10%.

Наличие хлористых и сульфатных солей в воде или почве вызывает резкое торможение коррозии свинца. поэтому свинец устойчив в солончаковых почвах морской воде.

Азотно-кислотные соли (нитраты) вызывают сильную коррозию свинца. Это весьма существенно, так как нитраты образуются в почве в процессе микробиологического распада и вносятся в нее в виде удобрений. Почвы по степени возрастания их агрессивности по отношению к свинцовым оболочкам можно распределить следующим образом:

а) солончаковые; б) известковые; в) песчаные; г) черноземные; д) глинистые; е) торфяные.

Углекислота и фенол значительно усиливает коррозию свинца. Свинец устойчив в щелочах.

Алюминий устойчив в органических кислотах и неустойчив в соляной, фосфорной, муравьиной кислотах. а также в щелочах. Сильно агрессивное действие на алюминий оказывают соли, при гидролизе которых образуются кислоты или щелочи. Из нейтральных солей (рН=7) наибольшей активностью обладают соли, содержащие хлор, так как образующиеся хлориды разрушают защитную пленку алюминия, поэтому наиболее агрессивными для алюминиевых оболочек являются солончаковые почвы. Морская во да, главным образом из-за наличия в ней ионов хлора, также является для алюминия сильно агрессивной средой. В растворах сульфатов, нитратов и хромов алюминий достаточно устойчив. Коррозия алюминия значительно усиливается при контакте с более электроположительным металлом, например свинцом, что, имеет место при установке соединительных муфт, если не принято специальных мер.

При монтаже свинцовой соединительной муфты на кабеле с алюминиевой оболочкой образуется контактная гальваническая пара свинец-алюминий, в которой алюминий является анодом, что может вызвать разрушение алюминиевой оболочки через несколько месяцев после монтажа муфты. При этом повреждение оболочки происходит на расстоянии 10-15 см от шейки муфты, т.е. на том месте, где с оболочки при монтаже снимаются защитные покровы. Для устранения вредного действия подобных гальванических пар муфту и оголенные участки алюминиевой оболочки покрывают кабельным составом марки МБ-70(60), разогретом до 130 °С, и сверху накладывают липкую поливинилхлоридную ленту в два слоя с 50%-ным перекрытием. Поверх липкой ленты накладывают слой просмоленной ленты с последующим покрытием ее битумным покровным лаком марки БТ-577.

Поливинилхлоридный пластикат негорюч, обладает высокой стойкостью против действия большинства кислот, щелочей и органических растворителей. Однако его разрушают концентрированные серная и азотная кислоты, ацетон и некоторые другие органические соединения. Под воздействием повышенной температуры и солнечной радиации поливинилхлоридный пластикат теряет свою пластичность и морозостойкость.

Полиэтилен обладает химической стойкостью к кислотам, щелочам, растворам солей и органическим растворителям. Однако полиэтилен под воздействием ультрафиолетовых лучей становится хрупким и теряет свою прочность.

Резина, применяемая для оболочек кабелей, хорошо противостоит действию масел, гидравлических и тормозных жидкостей, ультрафиолетовых лучей, а также микроорганизмов. Разрушающие действуют на резину растворы кислот и щелочей при повышенных температурах.

Броня, изготавливаемая из низко углеродной стали, обычно разрушается намного раньше, чем начинает коррозировать оболочка. Броня сильно коррозирует в кислотах и весьма устойчива в щелочах. Разрушающее действуют на нее сульфатвосстанавливаю щие бактерии, выделяющие сероводород и сульфиды.

Покровы из кабельной пряжи и битума практически не защищают оболочку от контакта с внешней средой и довольно быстро разрушаются в почвенных условиях.

Электрохимическая защита кабелей от коррозии осуществляется путем катодной поляризации их металлических оболочек, а в некоторых случаях и брони, т.е. накладыванием на последние отрицательного потенциала. В зависимости от способа электрической защиты катодная поляризация достигается присоединением к оболочкам кабелей катодной станции, дренажной и протекторной защиты. При выборе способа защиты учитывается основной фактор, вызывающий коррозию в данных конкретных условиях.

Марка силового кабеля характеризует основные конструктивные элементы и область применения кабельной продукции.

Буквенные обозначения конструктивных элементов кабеля приведены в табл. 4.

Таблица 4. Буквенные обозначения конструктивных элементов кабеля

Конструктивный элемент кабеля	Материал	Буквенное обозначение
	Медь Алюминий	Нет буквы А
Изоляция жил		Нет буквы П В Р
Поясная изоляция	Бумажная Полиэтиленовая Поливинилхлоридная Резиновая	Нет буквы П В Р
Оболочка	Свинцовая Алюминиевая гладкая Алюминиевая гофрированная Поливинилхлоридная Полиэтиленовая негорючая резина	С А А г В П Н
	Бумага и битум Без подушки Полиэтиленовая (шланг) Поливинилхлоридная: один слой пластмассовой ленты типа ПХВ два слоя пластмассовой ленты типа ПХВ	Нет буквы б в
	Стальная лента Проволока плоского сечения Проволока круглого сечения
Наружный кабельный покров	Кабельная пряжа Без наружного кабельного покрова Стеклянная пряжа из штапелированного волокна (негорючий кабельный покров) Полиэтиленовый шланг Поливинилхлоридный шланг	Нет буквы,

Примечание: 1. Буквы в обозначении кабеля располагаются в соответствии с конструкцией кабеля, т.е. начиная от материала жилы и заканчивая наружным кабельным покровом.

2. Если в конце буквенной части марки кабеля стоит буква "П", написанная через черточку, то это означает, что кабель имеет по сечению плоскую форму, а не круглую.

3. Обозначение контрольного кабеля отличается от обозначения силового кабеля только тем, что после материала жилы кабеля ставится буква "К".

После букв стоят числа, указывающие число основных изолированных жил и их сечение (через знак умножения), а также номинальное напряжение (через тире). Число и сечение жил у кабелей с нулевой жилой или заземляющей жилой обозначается суммой чисел.

Наиболее широкое применение находят кабели следующих стандартных сечений жил: 1,2; 1,5; 2,0;2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 16; 25; 35; 50; 70; 95; 120; 150; 185; 240 мм.

Требованием Правил технической эксплуатации предусматривается, чтобы для каждой кабельной линии при вводе ее в эксплуатацию были установлены наибольшие допустимые токовые нагрузки. Это требование ПТЭ обусловлено тем, что длительная перегрузка кабельной линии может вызвать перегрев изоляции выше допустимого предела, ее преждевременное старение, а затем и повреждение в результате тепловой неустойчивости кабеля.

Поэтому токовые нагрузки на кабельные линии устанавливаются такими, чтобы нагрев токопроводящих жил не превышал определенных значении, а следовательно возможность перегрева изоляции была бы исключена.

Действующими ГОСТ для кабелей с пропитанной бумажной изоляцией и с пластмассовой изоляцией установлены следующие максимально допустимые значения температур для токопроводящих жил:

В режиме короткого замыкания Правилами устройства электроустановок допускается кратковременное повышение температуры токопроводящих жил для кабелей с бумажной изоляцией напряжением до 10 кв с медными и алюминиевыми жилами до 200° С, на напряжение 20-35 кВ — до 125° С, кабелей с поливинилхлоридной изоляцией до 150° С, а с полиэтиленовой — до 120° С.

В процессе эксплуатации силового кабеля в нем выделяется значительное количество тепла. Источником его является тепло, выделяющееся в токопроводящих жилах при прохождении электрического тока нагрузки, а также для кабелей высокого напряжения и одножильных за счет потерь в изоляции, металлических оболочках и броне.
Мощность Р, переходящая в тепло Q, которое выделяется в токопроводящих жилах трехфазного кабеля, составляет:
где I — величина тока нагрузки кабеля, a; R — сопротивление жил, ом; п — количество жил (в данном случае 3).

Таким образом, нагрев кабеля пропорционален квадрату силы тока, протекающему по его токопроводящим жилам, и чем выше токовая нагрузка кабеля, тем выше поднимается температура токопроводящих жил.

Процесс повышения температуры жил и нагревания кабеля не будет беспредельным, так как сопровождается рассеиванием тепла в окружающее пространство. С повышением температуры кабеля одновременно повышается разность температур между кабелем и средой, где он проложен. Чем выше эта разность, тем интенсивнее будет происходить отдача тепла в окружающую среду. В какой-то момент разность температур достигнет такой величины, при которой все выделяемое тепло будет переходить в окружающую среду и температура токопроводящих жил больше повышаться не будет.

* Без учета температурного коэффициента удельного электрического сопротивления.
Такое состояние называется установившимся режимом работы кабельной линии. При этом
Приведенное выражение называется тепловым законом Ома , где разность температур жилы и среды (tm — *ср) в нем соответствуют разности потенциалов, величина s соответствует сопротивлению тепловому потоку или тепловому сопротивлению и тепловых омах по аналогии с сопротивлением R цепи электрического тока, a Q — величина теплового потока — величине электрического тока I.

Величина суммарного теплового сопротивления s кабеля и окружающей среды слагается из теплового сопротивления: изоляции кабеля — sb защитных покровов — s2, поверхности кабеля — ss, а также окружающей почвы.

В случае прокладки кабеля в блочной канализации величина суммарного теплового сопротивления должна учитывать дополнительно s5 — сопротивление массива блока и se — сопротивление от поверхности блока к почве.

Таким образом, величина суммарного теплового сопротивления кабеля определяется способом прокладки.

Так, при прокладке кабеля в земле (траншее)

S = S1 + s2 + s4.

при прокладке кабеля в воздухе S = S1 + s2 + s3.

Чем меньшее сопротивление 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. В наиболее благоприятных условиях в отношении теплового режима находится кабель, проложенный в проточной воде.

Вода обеспечивает наилучшие условия отвода тепла с поверхности кабеля, и благодаря наличию течения сопротивление тепловому излучению в этом случае практически равно нулю. Поэтому длительно допустимые нагрузки на кабель, проложенный в воде, являются наибольшими. При прокладке кабельной линии в земле — траншее большое влияние на величину теплового сопротивления имеет состав грунта, его способность удерживать влагу.

Песок, гравий, обладая высокой пористостью, имеют большее сопротивление, чем глинистые почвы. Наличие воздушных промежутков между кабелем и грунтом в траншее приводит к сильному возрастанию теплового сопротивления. Этим обстоятельством и вызвано требование ПУЭ об устройстве для кабелей, прокладываемых в земле, снизу подсыпки, а сверху засыпки мелкой землей, не содержащей камней, строительного мусора и шлака.

Качество грунта, его тщательное уплотнение в момент засыпки проложенного в траншее кабеля имеют решающее влияние на тепловой режим работы кабельной линии. Кабель, проложенный в воздухе, находится в менее благоприятных условиях в отношении нагрева, чем кабель, проложенный в земле. Это объясняется значительной величиной сопротивления тепловому излучению от поверхности кабеля в воздух. По этой причине и допустимые нагрузки на кабель, проложенный в воздухе, ниже аналогичного кабеля, проложенного в земле.

В особо неблагоприятных условиях в отношении нагрева находятся кабели, прокладываемые в блочной канализации. Последовательное включение ряда дополнительных тепловых сопротивлений, как воздуха в канале, стенок блока, взаимный подогрев кабелей, расположенных в несколько рядов, создают крайне тяжелый тепловой режим работы кабелей блока. Естественно, что этому способу прокладки соответствуют минимальные значения допустимых нагрузок по сравнению со всеми другими способами прокладки (в земле, в воздухе, в коллекторах и туннелях).

Зная допустимые по ГОСТ или ТУ температуры нагрева токопроводящих жил, можно определить величину допустимого на кабель тока:

откуда
где im = tmu — допустимая по ГОСТ температура нагрева токопроводящей жилы кабеля; IСр — температура среды, где кабель проложен; п — число жил кабеля; Es — суммарное значение последовательно включенных тепловых сопротивлений в тепловых омах*.

*Тепловым сопротивлением в один тепловой ом обладает тело размерами в 1 см\ которое при разности температур на противоположных поверхностях в 1° пропускает через себя тепловой поток мощностью 1 вт.

Таким образом, допустимая расчетная нагрузка на кабель обратно пропорциональна 2s, т. е. суммарному значению последовательно включенных тепловых сопротивлений самого кабеля и сопротивления внешней среды (земли или воздуха), где кабель проложен. Тепловое сопротивление кабеля не является величиной постоянной и возрастает в процессе его эксплуатации в связи с высыханием изоляции и наружных покровов. Тепловое сопротивление земли определяется, как нами было установлено выше, пористостью и способностью грунта удер живать влагу.

Опытные данные показывают, что для средних и больших сечений тепловое сопротивление самого кабеля составляет лишь 30-35% общего теплового сопротивления кабеля и среды прокладки. Теплоотдача в землю или в воздух, таким образом, является решающей при определении допустимой нагрузки на кабель.

Выполнение расчетов допустимых токов нагрузок в каждом отдельном случае и для большого числа кабельных линий, находящихся в эксплуатации, по изложенному выше способу сложно, требует больших затрат времени и труда. Поэтому расчетные значения длительно допустимых токов нагрузки для кабелей в зависимости от сечения, напряжения и условий прокладки установлены Правилами устройства электроустановок и приведены в табл. 1.

Из приведенных в табл. 1 значений легко вывести соотношение допустимых нагрузок для трехжильных кабелей с поясной изоляцией в зависимости от вида прокладки. В табл. 2 приводятся эти данные для средних и больших сечений кабеля, принимая за единицу прокладку в земле.

Как видно из приведенных данных, допустимая нагрузка на кабель, проложенный в воздухе, примерно на 25-30% ниже допустимой нагрузки на аналогичный
Таблица 1.

Допустимые длительные расчетные нагрузки для кабелей с медными (в числителе) и алюминиевыми (в знаменателе) жилами с нестекающей и маслоканифольной нормально пропитанной бумажной изоляцией в общей свинцовой или алюминиевой оболочке, а также с отдельно освинцованными (или отдельно опрессованными) алюминиевыми оболочками, в зависимости от условий прокладки.

Продолжение табл. I

Таблица 2

Соотношение допустимых нагрузок в зависимости от способа прокладки

Сечение токопроводящих жил, л4ле*	Для кабелей напряжением 3 кВ	Для кабелей напряжением 6 кВ	Для кабелей напряжением 10 кВ
в земле +15° С	в воздухе +25 С	в воде +15° С	в земле +15° С	в воздухе +25 С	в воде +15 С	в земле +15° С	в воздухе +25°С	в воде + 15° С
		0,66	1,30	I	0,70	1,28		0,70	1,2
		0,70	1,30		0,70	1,27		0,76	1,28
		0,73	1,30		0,73	1,26		0,77	1,27
		0,77	1,26		0,74	1,24		0,76	1,25

Кабель, проложенный в земле. Токовые нагрузки, приведенные в табл. 1 для кабелей, проложенных в земле, приняты из расчета прокладки одного кабеля в траншее на глубине 0,7-1 м при температуре земли +15° С и удельном сопротивлении грунта 120 ом. см тепловых.

Для кабелей, проложенных в воде, токовые нагрузки в таблице приняты из расчета температуры воды +15° С, а в случае прокладки в воздухе — при температуре воздуха, равной +25° С. В кабельных сооружениях и помещениях токовые нагрузки приняты для расстояний в свету между кабелями не менее 35 мм, а в каналах — не менее 50 мм при любом числе проложенных кабелей.

Однако на глубине 0,7-1 м такая температура в средней полосе России бывает лишь в июне, июле, августе и сентябре месяцах. В январе, феврале, марте температура почвы на этой глубине составляет величину порядка 0° С,
в апреле и ноябре 1-5° С, а в мае и октябре +10° С.

Поэтому при определении допустимых длительных нагрузок на кабели в условиях эксплуатации районов Крайнего Севера, вечной мерзлоты, тропиков и г. п., когда температура среды значительно отличается от установленных выше значений, применяются поправочные коэффициенты, приведенные в табл. 3 и 4.

Таблица 3

Поправочные коэффициенты на температуру земли

Нормальная температура жилы, С	Значения поправочных коэффициентов при фактической температуре земли и волы, °С
-5		+5	+10	+15	+20	+25	+30	+35	+40	+45
	1,14	1.10	1,08	1,04	1,0	0,96	0,92	,0,88	0,83	0,78	! 0,73
	1,18	1.14	1,10	1,05	1,0	0,95	0,89	0,84	0,77	0,71	| 0,63
	1,20	1,15	1,12	1,06	1,0	0.94	0,88	0,82	0,75	0,67	0,57
55 50	1,22	1,17	1,12	1,07	1.0	0.93	0,86	0,79	0,71	0,61	1 0,50
1,25	1,20	1,14	1,07	1,0	0,93	0,84,0,76	0,66	0,54	, 0,37

Таблица 4

Поправочные коэффициенты на температуру воздуха

Нормальная температура жилы,"С	Значения поправочных коэффициентов при фактической температуре среды, °С
-б	о	+S	+10	+15	+20	+25	+30	+35	+40	+45
	1,24	1,20	1.17	1.13	1,09	1,04	1.0	0,95	0,90	0,85	0,80
	1,32	1,27	1,22	1,17	1,12	1,06	1,0	0,94	0,87	0,79	0,71
	1,36	1,31	1,25	1,20	1,13	1,07	1,0	0,93	0,85	0,76	0,66
	1,41 1,48	1,35	1.29	1,23	1,15	1,08 1,09	1,0	0,91	0,82	0,71	0,58
	1,41	1,34	1,26	1,18	1,0	0,89	0,78	0,63	0,45

При определении допустимых нагрузок с учетом поправочных коэффициентов необходимо учитывать, что под температурой почвы следует понимать максимальную среднемесячную температуру почвы на уровне (отметках) прокладки в данном районе, а при прокладке в воздухе — наибольшую среднюю суточную температуру в месте прокладки.
При отсутствии этих данных расчетную температуру почвы принимают равной +15° С, а воздуха — соответственно +25° С.

Как указано выше, приведенные в таблицах расчетные токовые нагрузки предусматривают работу одиночного кабеля, проложенного в траншее. При прокладке нескольких кабелей в общей траншее допустимые токовые нагрузки, указанные в табл. 1, необходимо уменьшить из-за взаимного подогрева кабелей.

Поправочные коэффициенты на число работающих кабелей, приведенные в табл. 5, применяются при расчете допустимых длительных нагрузок в одинаковой мере как для кабелей, лежащих рядом в земле, так и проложенных в трубах, если в них отсутствует вентиляция, при этом резервные из числа работающих и рядом проложенных кабелей не учитываются.

Таблица 5

Поправочные коэффициенты на число работающих кабелей, лежащих рядом в земле в трубах и без труб

Пользуясь табл. 1 допустимых нагрузок, поправочными коэффициентами на температуру среды и на число работающих кабелей, лежащих рядом, произведем расчет допустимой длительной токовой нагрузки на кабельную линию марки ААБ сечением 3 X 185 мм 2 , напряжением 10 кВ, проложенной в земле и в пучке с тремя другими кабелями на период январь — февраль и март месяцы (температура почвы 0°С).

По табл. 1 находим, что допустимая нагрузка для такого кабеля с алюминиевыми жилами при прокладке в земле составляет 310 а.

Определяем значения поправочных коэффициентов:

а) К1 — на число работающих кабелей в траншее. Для четырех кабелей при расстоянии между ними в свету 100 мм по табл. 5 находим величину Кj = 0,8.

б) Кг — на фактическую температуру почвы в период январь — март, равной 0 С.
По табл. 3 находим IС2 равным 1,15.

Таким образом,

Допустимая длительная токовая нагрузка этой кабельной линии на период июль — август — сентябрь месяцы, когда температура почвы на глубине 0,7—1 м равна 15° С, составит:

Если этот же кабель марки ААБ сечением Зх 185 мм 2 , напряжением 10 кВ проложить в земле, в таком же пучке из 4 кабелей, но в трубах, то для этих условий прокладки допустимая нагрузка должна приниматься по табл. 1 как для кабеля, проложенного в воздухе, т. е. 235 а. Тогда для периода июль, август, сентябрь месяцы:


Для периода времени январь — февраль — март соответственно:
Расчеты подтверждают приведенные в табл. 2 большую зависимость допустимых нагрузок на кабели от условий прокладки и температуры среды, где кабель проложен. При смешанной прокладке кабелей допустимые длительные токовые нагрузки устанавливаются по участку трассы с наихудшими тепловыми условиями, если длина его составляет более 10 м.

В условиях городов и промышленных предприятий пересечение проездов, улиц и площадей с усовершенствованными покрытиями, с интенсивным движением транспорта должно выполняться в трубах или блоках. Ввиду этого допустимые нагрузки для большинства кабельных линий городских сетей и промышленных предприятий, проложенных в земле, устанавливаются как для кабелей, проложенных в воздухе.

Эти небольшие участки пересечения с наихудшими тепловыми условиями обычно имеют длину более 10 м и, таким образом, ограничивают пропускную способность всей линии.
Поэтому при определении нагрузок для таких кабельных линий допустимая нагрузка, принятая по нормам для кабелей, проложенных в воздухе, должна быть пересчитана со среднерасчетной температуры воздуха +25° С на среднерасчетную температуру грунта +15° С по формуле
где I„ — допустимая длительная токовая нагрузка, взятая по табл. 1 для воздуха: tm — допустимая температура нагрева жил кабеля по ГОСТ.

В табл. 6 приведены значения коэффициентов К3 для кабельных линий напряжением 3-35 кВ.

Таблица 6 Значения поправочных коэффициентов Кш

Пользуясь приведенными выше данными таблиц, произведем перерасчет длительно допустимой нагрузки для принятой нами ранее кабельной линии сечением 3 X 185 кВ-мм и напряжением 10 кВ, проложенной в земле с выполненными пересечениями в трубах, имеющих длину более 10 м, на период январь — февраль — март (t = 0° С):
Для периода июль — август — сентябрь (Iпочвы = .= 15° С)
Приведенные поправочные коэффициенты Кз в табл. 6 применяются для расчета нагрузок кабельных линий, проложенных в асбоцементных и других изолирующих
трубах. В случае же прокладки кабелей в металлических трубах нагрузки могут быть дополнительно увеличены для кабелей сечением до 70 мм 2 на 4-5%, а для кабелей 3 X 95 мм 2 и выше — на 7-8%.

В городских сетях с номинальным рабочим напряжением 6 кВ в ряде случаев прокладываются кабельные линии с конструктивным напряжением 10 кВ, учитывая перспективу перевода нагрузок этих линий с 6 на 10 кВ. Если установить нагрузку на такие кабельные линии по конструктивному напряжению кабелей (допустимая температура жил 60°С), то пропускная способность линии не будет полностью использована. Если же установить нагрузку на линии по рабочему напряжению (допустимая температура жил 65°С), то кабель будет перегружаться

Поэтому расчетная нагрузка таких линий может быть пересчитана по следующей формуле:

где IДоп — нагрузка кабеля (табл. 1), соответствующая конструктивному напряжению кабеля; tж — температура жилы, допускаемая для рабочего напряжения, под которым используется кабель; I — температура жилы, допускаемая для конструктивного напряжения кабеля; Iокр — температура окружающей кабель среды (грунта, воздуха).

Значения поправочных коэффициентов Ki для определения нагрузок кабелей, работающих не под номинальным (конструктивным) напряжением, для линий, проложенных в земле и в воздухе, приведены в табл. 7

Таблица 7

Поправочные коэффициенты Л*4

Пусть указанная выше кабельная линия сечением 3 X 185 мм 2 с номинальным напряжением 10 кВ, проложенная в земле, а при пересечении проездов в асбоцементных трубах длиной более 10 м используется на напряжение 6 кВ. Требуется определить допустимо длительную токовую нагрузку на эту линию.

Принимая исходную нагрузку для кабеля ААБ — 3 X 185-10 кВ (прокладка в воздухе) равной 235 а, получим:
Значение коэффициента Кл находим по табл. 7.

Для периода июль — август — сентябрь (Iпочвы = = 15° С)
Для периода январь — февраль — март (Iпочвы = = 0°С)
В особо тяжелом тепловом режиме работают кабели, проложенные в блочной канализации. Допустимые длительные токовые нагрузки на кабели для этого способа прокладки определяются месторасположением кабеля в блоке и конфигурацией самого блока по эмпирической формуле Iдоп = abclo, где I0 — ток, определяемый по рис. 3; а — коэффициент, выбираемый в зависимости от сечения и расположения кабеля в блоке по табл. 8; b — коэффициент, выбираемый в зависимости от номинального напряжения кабеля, по табл. 9; с — коэффициент, выбираемый в зависимости от среднесуточной нагрузки всего блока по табл. 10.

Ток I0, величина которого выбирается по рис. 3 в зависимости от конфигурации блока и по номеру занимаемого канала, установлен для трехжильного кабеля сечением 3 X 95 мм 2 с медными и алюминиевыми жилами, с бумажной изоляцией, на напряжение 10 кВ. Каналы, в которых прокладывается кабель, на рисунках блоков обозначены соответствующими цифрами. Каналы блоков, не имеющих номеров, предназначены для резервных кабелей. Включение их может быть произведено только при условии предварительного отключения рабочих кабелей.

Рис. 3. Допустимые токовые нагрузки для кабелей, проложенных в блоках.
Допустимые длительные токовые нагрузки на кабели, прокладываемые в двух параллельных блоках одинаковой конфигурации, должны уменьшаться путем умножения на коэффициенты, приведенные в табл. 11, а в случае прокладки кабеля другого сечения и напряжения (отличного от 3 X 95 мм 2 — 10 кВ) применяются коэффициенты, приведенные в табл. 8 и 9. Значения поправочных коэффициентов на нагрузку блока приведены в табл. 10.

Таблица 8

Поправочные коэффициенты а на сечение кабеля

Сечение, мм	Величина коэффициента при номере канала блока
	0,44	0,46	0,47	0,51
	0,54	0.57	0,57	0,60
	0,67	0,69	0,69	0,71
	0,81	0,84	0,84	0,85
	1,00	1,00	1,00	1,00
	1,14	1.13	1,13	1.2
	1,33	1,30	1,29	1,26
	1,50	1,46	1,45	1,38
	1,78	1,70	1,68	1,55

Таблица 9

Поправочные коэффициенты b на напряжение кабеля

Произведем расчет допустимой длительной токовой нагрузки на кабель марки АСГТ 3 X 185 мм, напряжением 6 кВ, проложенного в 4-м канале группы VI, рис. 3.
По рис. 3 находим значение Iо = 91 а (VI группа, 4-й канал).
По табл. 8 поправочных коэффициентов на сечение кабеля находим а = 1,38 (для сечения 185 мм из алюминиевых жил и 4-го номера канала).
По табл. 9 поправочный коэффициент на напряжение кабеля находим Ь = 1,05.

Таблица 10

Поправочные коэффициенты с на среднесуточную нагрузку блока, определяемые в зависимости от отношения среднесуточной передаваемой мощности к номинальной.

Таблица 11

Коэффициенты уменьшения допустимой токовой нагрузки на кабели, прокладываемые в параллельных блоках одинаковой конфигурации.

Принимая величину коэффициента с = 1 по табл. 10, т. е. получаем: Iдоп = 91 X 1,32 X 1,05 X
X 1 = 132 а.

Кабельные линии вследствие высокой теплоемкости изоляции достигнут своей максимально допустимой температуры нагрева лишь спустя значительное время после включения нагрузки. Если кабельная линия имеет прерывистую нагрузку и подвергается охлаждению, то максимальная температура нагрева может быть достигнута при более высокой нагрузке.

Поэтому ПТЭ допускают кратковременную перегрузку кабельных линий 6-10 кВ, предварительная нагрузка которых меньше номинальной. На время ликвидации аварий для кабельных линий до 10 кВ включительно допускается перегрузка в течение 5 суток. Пределы допустимых перегрузок для нормального и аварийного режима работы сети в зависимости от вида прокладки приведены в табл. 12.

Перегрузка кабельных линий напряжением 20-35 кВ не допускается. Для кабельных линий до 10 кВ, находящихся в эксплуатации более 15 лет, значения допустимых перегрузок, указанных в табл. 12, необходимо понизить на 10%.
Допустимые перегрузки в нормальном и аварийном режимах

Коэффициент предварительной нагрузки	Вид прокладки	Б нормальном режиме	В аварийном режиме
допустимый перегрев по отношению к номинальному в Т! « -	допустимый перегрев го отношению к номинальному при длительности максимума, ч
1.5	2.0	3,0		з
0,6	в земле	1,35	1,30	1.15	1.50	1,35	1.25
	в воздухе	1.25	1,15	1,10	1,35	1,25	1,25
0,8	в земле	1,20	1,15	1,10	1,35	1,25	1,20
	в воздухе	1,15	1,10	1,05	1,30	1,25	1,25
	в трубах
	(в земле)	1,10	1,05	1,00	1,20	1,15	1,10

Допустимые длительные токовые нагрузки на кабельные линии по нагреву проверяются на экономическую плотность тока, указанную в табл. 13, по формуле q = I:j, где I — расчетный ток, о; j — экономическая плотность тока для данных условий работы; q — экономически целесообразное сечение, мм 2 .

Таблица 13 Экономическая плотность тока

Если нагрузка кабеля, установленная по экономической плотности тока, превышает допустимую по нагреву, нагрузка на кабельную линию должна быть установлена по допустимому нагреву.

Провода и кабели, являясь проводниками, нагреваются током нагрузки. Величина допустимой температуры нагрева для изолированных проводников определяется характеристиками изоляции, для неизолированных (голых) проводов – надежностью контактных соединений. Значения длительно допустимой температуры нагрева проводов и жил кабелей при температуре окружающего воздуха + 25ºС и температуре земли или воды + 15ºС указываются в правилах устройства электроустановок (ПУЭ).

Величина тока, соответствующая длительно допустимой температуре данного провода или жилы кабеля, называется длительно допустимым током нагрузки (I доп ). Значения длительно допустимого тока для различных сечений проводов и жил кабелей, а также различных условий их прокладки, приводятся в ПУЭ и справочной литературе. Таким образом, определение сечения проводов и жил кабелей по нагреву сводится к сравнению максимального рабочего тока линии с табличным значением длительно допустимого тока нагрузки:

по которому из таблиц выбирается соответствующее стандартное сечение проводов и жил кабелей. Если температура окружающей среды отличается от табличных значений, то величина длительно допустимого тока корректируется умножением на поправочный коэффициент, значения которого принимаются по ПУЭ и справочной литературе.

Выбранное по условию нагрева сечение проводов и жил кабелей должно быть согласовано с защитой, с тем чтобы при протекании по проводнику тока, нагревающего его выше допустимой температуры, проводник был отключен защитным аппаратом (плавким предохранителем, автоматическим выключателем и т.п.).

Расчет и выбор сечений проводов и жил кабелей выполняется в следующей последовательности:

1)выбирается тип защитного аппарата – плавкий предохранитель или автоматический выключатель;

2)если выбран плавкий предохранитель, то определяется номинальный ток его плавкой вставки, который должен удовлетворять двум условиям:

где - максимальный ток нагрузки при пуске асинхронного короткозамкнутого электродвигателя (его пусковой ток);

Коэффициент, характеризующий условия работы двигателя; для нормальных условий работы = 2,5; для тяжелых условий = 1,6…2,0.

По большему расчетному значению номинального тока плавкой вставки выбирается стандартное значение номинального тока плавкой вставки предохранителя;

3)определяется длительно допустимый ток нагрузки, соответствующий выбранному номинальному току плавкой вставки предохранителя:

Для кабелей с бумажной изоляцией,

Для всех остальных кабелей и проводов;

указанные соотношения принимаются для случая, когда провода сети защищаются от перегрузок. По ПУЭ к таким сетям относятся осветительные сети в жилых и общественных зданиях, торговых и служебно-бытовых помещениях промышленных предприятий, а также в пожаро- и взрывоопасных зонах; для случаев, при которых необходимо защищать провода только от коротких замыканий, выбирается соотношение:

Полученное расчетное значение длительно допустимого тока нагрузки округляется в большую сторону до ближайшего табличного значения длительно допустимого тока нагрузки и соответствующего ему стандартного сечения проводов или жил кабеля;

4)если в качестве защитного аппарата выбран автоматический выключатель и он защищает провода сети от перегрузок, то справедливы все указанные выше соотношения, в которых вместо номинального тока плавкой вставки предохранителя надо указать номинальный ток расцепителя автоматического выключателя;

Протекание электрического тока через проводник вызывает его нагревание. Количество тепла, выделяемое при протекании тока через проводник, будет пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени протекания:

Где: Q – количество выделяемой теплоты, Дж;

I – величина протекаемого тока, А;

R – сопротивление проводника, Ом;

t – время работы;

В процессе выделения тепла температура провода или кабеля начнет превышать температуру окружающей среды. Соответственно начнется процесс отдачи тепла проводом в окружающую среду. Этот процесс будет продолжатся до наступления теплового равновесия – когда количество отдаваемого кабелем тепла в окружающую среду станет равным количеству получаемого тепла от протекания электрического тока. При этом повышение температуры провода или кабеля происходить больше не будет.

Температуру, при которой наступает тепловое равновесие, называют установившейся или номинальной. На практике довольно часто используют понятие температуры перегрева, которая равна разности температур провода и окружающей среды:

Чрезмерно высокая температура проводов и кабелей приводит к преждевременному высыханию изоляции, а у проводников без изоляции к ускоренному окислению соединительных контактов и, как следствие, ухудшению проводимости. Кроме того, перегрев сверх допустимых величин может приводить к пожарам. Поэтому в ПУЭ устанавливаются следующие допустимые максимально длительно температуры проводов и кабелей:

Температура проводника достигнет своего установившегося значения не мгновенно, а по истечению какого-то промежутка времени после включения.

Закон изменения величины нагрева проводника можно выразить следующей формулой:

Где: τ уст – установившийся перегрев для определенной токовой нагрузки, 0 С;

t – время, сек;

е – основание натуральных логарифмов (е = 2,71);

Т – постоянная времени нагрева, то есть это время, за которое проводник смог бы достигнуть установившегося перегрева, если бы не было отвода тепла в окружающую среду;

Соответственно после отключения проводника от сети начинается процесс его охлаждения до температуры окружающей среды. Этот процесс можно описать уравнением:

Ниже приведены графики нагрева и охлаждения τ = f(t):

Величины постоянных времени нагрева напрямую зависят от рода проводки, материала проводника, его изоляции и сечения. Постоянные времени нагрева определяют экспериментальным путем.

Приведенные выше формулы позволяют установить, через какое время перегрев проводника достигнет заданного значения.

В случае когда имеет место переменная нагрузка можно воспользоваться одним из приемов и рассматривать процесс нагрева как сумму двух процессов – нагрева от τ = 0 до τ уст и охлаждения от τ 0 до τ = 0, то есть:

Эта формула применима при расчете проводов и кабелей с переменными нагрузками.

Кривые перегрева для такого случая показаны ниже:

Температура нагрева жил кабеля, на котором монтируется заделка типа КВВ, при длительной нагрузке не должна превышать 65 С. Заделки этого типа обладают высокой химической стойкостью, за исключением концентрированной соляной кислоты, хлороуглево-дородов и других материалов, разрушающе действующих на поли-винилхлорид.
Температура нагрева жил кабеля, а следовательно, и ток ограничиваются допустимой температурой для изоляции кабеля и зависят от материала изоляции хшл кабеля. Сечение кабеля выбирается по таблицам ПУЭ, которые учитывают температуру жилы кабеля.
Температуру нагрева жил кабеля контролируют термометром (термопарой), установленным на оболочке кабеля.
Тепловой перепад Д для кабелей 16 - 240 мм2 в зависимости от тока нагрузки. Проверка температуры нагрева жил кабелей производится измерением температур их металлических оболочек.
Тепловой перепад Д (для кабелей 16 - 240 мм2 в зависимости от тока нагрузки. Проверка температуры нагрева жил кабелей производится измерением температур их металлических оболочек. Для измерений рекомендуется применять терморезисторы или термопары и лишь в крайнем случае термометры.
Условные обозначения подземных сооружений. Непосредственно измерить температуру нагрева жил кабеля весьма сложно, поэтому контроль за нагревом кабелей в процессе их эксплуатации ведут измерением температуры нагрева оболочки кабеля.
В табл. 1 - 65 приведены допустимые превышения температуры нагрева жил кабелей при коротком замыкании. При этом принято, что до момента короткого замыкания температура жил кабеля не превышала допустимой температуры по нагреву в длительном режиме.
Для повышения долговечности кабелей данного типа необходимо установить температуру нагрева жил кабелей не более 90 С.
Такие кабели после воздействия тока короткого замыкания должны быть осмотрены, концевые заделки при необходимости отремонтированы, а также должны быть проведены испытания повышенным напряжением. При температуре нагрева жил кабелей выше указанных значений, кабели считаются непригодными к дальнейшей эксплуатации и подлежат немедленной замене.
Допустимые длительные токовые нагрузки на кабели напряжением до 35 ко включительно с изоляцией из пропитанной кабельной бумаги в свинцовой, алюминиевой или слоистой полихлорвя-ниловой оболочке приняты в соответствии с допустимы-мя температурами нагрева жил кабелей по ГОСТ.
Прокладка кабелей внутри коробов должна осуществляться в соответствии с требованиями ПУЭ, предъявляемыми к прокладке кабелей в кабельных каналах. При этом расстояние от конструкций до передней стенки короба не нормируется. Температура нагрева жил кабелей должна быть не более указанной в § 1 - 3 - 9 ПУЭ.
Потери в кабеле складываются из потерь в жилах, изоляции и в оболочке. Потери в изоляции и оболочке могут быть ничтожно малыми или значительными. Поток тепла, вызванный потерями во всех элементах кабеля, идет в радиальном направлении от центра кабеля наружу через тепловое сопротивление различных элементов и вызывает общий перегрев кабеля. Этот перегрев с учетом основной температуры почвы и обусловливает температуру на жиле кабеля. Температура нагрева жилы кабеля не должна превышать предела, установленного для данной изоляции.