» »

Максимально допустимые токи для проводов и кабелей. Длительно допустимый ток. Указания по эксплуатации

От чего зависит длительно допустимый ток кабеля? Для ответа на этот вопрос нам придется рассмотреть переходные тепловые процессы, происходящие в условиях когда про проводнику течет электрический ток. Нагрев и охлаждение проводника, его температура, связь с сопротивлением и сечением, - все это станет предметом данной статьи.

Переходный процесс

Не только на стороне распределения, но и через трансформатор, дисбаланс напряжения также нарушает работу высоковольтной силовой системы. Практические недостатки, которые могут привести к дисбалансу. Трехфазное оборудование, такое как асинхронный двигатель с дисбалансом в его обмотках. Если реактивность трех фаз не одинакова, это приведет к переменному току, протекающему в три этапа и выдающему системный дисбаланс.

При непрерывной работе физическая среда двигателя вызывает ухудшение обмотки ротора и статора. Это ухудшение обычно различается в разных фазах, влияя на оба параметра - величину и фазовый ангел формы волны тока. Ток утечки из любой фазы через подшипники или корпус двигателя обеспечивает плавающее заземление в разы, вызывая колебания тока.

Для начала рассмотрим обычный цилиндрический проводник длиной L, диаметром d, площадью поперечного сечения F, сопротивлением R, объемом V, равным, очевидно, F*L, по которому течет ток I, удельная теплоемкость металла, из которого изготовлен проводник — C, масса проводника равна

где Ω — плотность металла проводника, S = пи*d*L - площадь боковой стенки, через которую происходит охлаждение, Тпр — текущая температура проводника, Т0 — температура окружающей среды, и, соответственно, T = Тпр — Т0 — изменение температуры. Ктп — коэффициент теплопередачи, численно характеризующий количество теплоты, передаваемое с единицы поверхности проводника за 1 секунду при разности температур в 1 градус.

Любая большая однофазная нагрузка или несколько небольших нагрузок, подключенных только к одной фазе, вызывают увеличение тока от той конкретной фазы, которая вызывает падение напряжения на линии. Переключение трехфазных тяжелых нагрузок приводит к скачкам тока и напряжения, которые вызывают дисбаланс в системе.

Неравные импедансы в системе передачи или распределения мощности вызывают дифференциацию тока в три фазы. Дисбаланс рассчитывается с точки зрения максимального отклонения тока в фазе от среднего значения трех фаз. Чтобы вычислить процентное отклонение.

На рисунке показаны графики изменения тока и температуры в проводнике с течением времени. С момента времени t1 до момента времени t3, по проводнику протекал ток I.

Здесь можно видеть, как после включения тока температура проводника постепенно повышается, и в момент времени t2 она перестает нарастать, стабилизируется. Но после отключения тока в момент времени t3, температура начинает постепенно спадать, и в момент времени t4 она снова становится равна исходному значению (T0).

Кроме того, дисбаланс можно также количественно оценить путем сравнения интенсивности токов отрицательной последовательности по сравнению с токами положительной последовательности. Допустимый предел в процентах от тока отрицательной последовательности фаз по току положительной последовательности составляет 3% в идеале, но приемлемо до 2%.

Несбалансированность снижает эффективность двигателя за счет дополнительного нагрева в двигателе. Тепловыделение также влияет на срок службы оборудования за счет увеличения рабочей температуры, которая разлагает смазку или масло в подшипнике и снижает скорость обмотки двигателя.

Так, можно записать для процесса нагрева проводника уравнение теплового баланса, дифференциальное уравнение, где будет отражено, что тепло, выделившееся на проводнике, частично поглощается самим проводником, а частично — отдается окружающей среде. Вот это уравнение:

В левой части уравнения (1) — количество теплоты, выделившееся в проводнике за время dt, прохождения по нему тока I.

В асинхронных двигателях, подключенных к несимметричному питанию, токи обратной последовательности протекают вместе с током положительной последовательности, что приводит к снижению процента производительного тока и плохой эффективности двигателя. Любой дисбаланс выше 3% препятствует эффективности двигателя.

Момент, создаваемый двигателем, колеблется. Эти внезапные изменения крутящего момента приводят к большей вибрации в коробке передач или подключенном к ней оборудовании. Вибрация и шум, вызванные повреждением оборудования, а также снижают эффективность оборудования.

Первое слагаемое в правой части уравнения (2) — количество теплоты, поглощенное материалом проводника, от которого температура проводника увеличилась на dT градусов.

Второе слагаемое правой части уравнения (3) — количество теплоты, которое было передано от проводника окружающей среде за время dt, и оно связано с площадью поверхности проводника S и с разницей температур Т через коэффициент теплопроводности Ктп.

Приводы с переменной частотой или скоростью, подключенные к несбалансированной системе, могут отключиться. Для распределительных кабелей коэффициент де-оценки представляет собой часть общего тока, дающего плодотворные результаты. Отрицательный ток последовательности фаз, возникающий из-за дисбаланса, может вызвать неисправности в двигателе, что приведет к отключению или постоянному повреждению электрооборудования.

Несбалансированность 1% приемлема, так как она не влияет на кабель. Но выше 1% он растет линейно, а при 4% девальвация составляет 20%. Это означает, что 20% тока, протекающего в кабеле, будет непродуктивным, и, следовательно, потери меди в кабеле увеличатся на 25% при дисбалансе 4%.

Сначала, при включении тока, все выделяющееся в проводнике тепло идет на нагрев непосредственно проводника, что и приводит к росту его температуры, и это связано с теплоемкостью С материала проводника.

С ростом температуры разность температур Т между самим проводником и окружающей средой соответственно увеличивается, и выделяющееся тепло частично идет уже и на повышение температуры окружающей среды.

Для двигателей дисбаланс в 5% приведет к снижению мощности на 25%. Это означает, что ток двигателя будет увеличиваться в соответствии с потребностями крутящего момента оборудования, что приведет к пропорциональным потерям меда в двигателе. Дисбаланс напряжения 3% увеличивает нагрев на 20% для асинхронного двигателя.

Эффекты на распределительный трансформатор

Трансформатор обеспечивает высокую реактивность к отрицательным токам последовательности фаз и, таким образом, снижает уровень дисбаланса на другой стороне системы. В идеале любой распределительный трансформатор обеспечивает максимальную производительность при 50% нагрузке, и каждая электрическая распределительная система предназначена для этого. Но в случае дисбаланса загрузка идет более чем на 50%, поскольку оборудование потребляет больше тока.

Когда температура проводника достигает установившегося стабильного значения Туст, в этот момент все выделяющееся с поверхности проводника тепло передается окружающей среде, поэтому температура проводника больше не растет.

Решением дифференциального уравнения теплового баланса будет:

Следующие данные представляют эффективность трансформатора при различных условиях нагрузки. Все однофазные нагрузки должны распределяться по трехфазной системе таким образом, чтобы они устанавливали равную нагрузку на три фазы. Замена аварийного оборудования, то есть несбалансированным трехфазным сопротивлением.

Уменьшение гармоник также уменьшает дисбаланс, который может быть сделан путем установки реактивных или активных фильтров. Эти фильтры уменьшают отрицательные токи последовательности фаз, впрыскивая компенсационную токовую волну. В случае, если возмущающие нагрузки не могут быть заменены или отремонтированы, соедините их со стороной с высоким напряжением, это уменьшит эффект в процентах и ​​даже контролируемом нарушении на стороне низкого напряжения.

На практике сей переходный процесс длится не более трех постоянных времени (3*τ), и через это время температура достигает 0,95*Туст. Когда переходный процесс нагрева прекращается, уравнение теплового баланса упрощается, и установившуюся температуру можно легко выразить:


Двигатели с неуравновешенным фазовым сопротивлением должны быть заменены и повторно наматываться. Кроме того, такой подробный учет будет предоставлять данные, которые могут использоваться для идентификации других событий, которые происходят в повседневной работе объекта, что дает дополнительные преимущества установленного решения. Во-первых, показания трех фазных токов были взяты с частотой 15 минут в течение месяца. Затем нам нужно также удалить показания в нерабочее время, так как в такие моменты ток нагрузки будет довольно низким, и, следовательно, дисбаланс тока всего в 2-3 ампера может показаться очень высоким процентным дисбалансом.

Длительно допустимый ток

Теперь можно подойти к тому, какого именно значения ток представляется длительно допустимым током для проводника или кабеля. Очевидно, для каждого проводника или кабеля есть определенная нормальная длительная температура, согласно его документации. Это такая температура, при которой кабель или провод может без вреда для себя и для окружающих находиться непрерывно и долго.

Поскольку все показания, упомянутые нами, принимаются в течение 15 минут, мы получили процентные значения дисбаланса на весь месяц с частотой 15 минут. Затем эти непрерывные показания были построены. Дальнейший анализ проводился для получения консолидированных данных о том, что является максимальным дисбалансом, каков средний дисбаланс и какая фаза его вызывает. Следующие данные были составлены на основе результатов, полученных после анализа.

Рис. 3 - показывает сравнение между двумя клиентами. Определение: Текущий рейтинг кабеля определяется как максимальная пропускная способность силового кабеля в нормальных условиях эксплуатации. Текущий рейтинг силового кабеля определил верхний предел передачи мощности по кабелю. Это в основном зависит от температуры изоляции и электрического сопротивления проводника. Рейтинг кабеля относится к трем рубрикам.

Из приведенного выше уравнения становится ясно, что такой температуре ставится в соответствие конкретное значение тока. Этот ток и называется длительно допустимым током кабеля . Это такой ток, который при прохождении по проводнику в течение длительного времени (более трех постоянных времени) нагревает его до допустимой, то есть нормальной температуры Тдд.

Классификация номинального тока кабеля

Ниже приведены подробные сведения о различных типах номинального тока кабелей.

Нормальная или безопасная текущая несущая способность

Нормальная или безопасная пропускная способность тока зависит от некоторых факторов. Некоторым важным фактором являются: минимальная рабочая температура проводника, теплоотводящие свойства кабелей и состояние установки.

Для расчета токопроводящей способности кабеля тепловыми сопротивлениями оболочки и кабеля пренебрегают. Тепло, генерируемое в кабеле, связано с различными потерями, которые переносятся на воздух или землю через различные пути. Эти пути оказывают различное сопротивление потоку тепла.

Здесь: Iдд — длительно допустимый ток проводника; Тдд — допустимая температура проводника.

Для решения практических задач удобнее всего длительно допустимый ток определять по специальным таблицам из ПУЭ.

Вид проводника Длительно допустимая температура Кратковременно допустимая температура
Голый проводник или шина 70 о С Медь - 300 о С
Голый проводник или шина 70 о С Алюминий - 200 о С
Кабель в бумажной изоляции до 3 кВ 80 о С 200 о С
Кабель в бумажной изоляции до 6 кВ 65 о С 200 о С
Кабель в бумажной изоляции до 10 кВ 60 о С 200 о С
Кабель в бумажной изоляции до 35 кВ 50 о С 125 о С
Кабель в резиновой изоляции до 1 кВ 65 о С 150 о С
Кабель в ПВХ изоляции до 1 кВ 65 о С 150 о С
Кабель в изоляции из сшитого полиэтилена до 1 кВ 90 о С 250 о С

В случае короткого замыкания через проводник течет значительный ток короткого замыкания, который может существенно нагреть проводник, превысив его нормальную температуру. По этой причине для проводников характерно минимальное сечение исходя из условия кратковременного нагрева проводника током короткого замыкания:

В трехфазном кабеле все три проводника имеют одинаковую температуру. Получаемое тепло течет наружу через диэлектрик в трех параллельных дорожках от проводника к оболочкам. Наконец, он проходит в окружающий воздух или землю в зависимости от способа установки кабеля. Тепловое сопротивление металлической части, а именно экранов, оболочек и армирования, незначительно.

Тепло генерируется из-за потери в сердечнике. Таким образом, максимальный номинальный ток определяется. Верхний номинальный рейтинг зависит от тепловых условий кабеля. Производителями являются значения максимальных номинальных токов постоянного тока. Оценка действительна для указанных условий установки.

Здесь: Iк — ток короткого замыкания в амперах; tп — приведенное время действия тока короткого замыкания в секундах; С — коэффициент, который зависит от материала и конструкции проводника, и от кратковременно допустимой температуры.


В условиях короткого замыкания ток, протекающий через кабели, во много раз превышает полное значение тока. Тепло, производимое в проводнике, пропорционально квадрату тока. Длительность короткого замыкания очень мала. Повышение температуры в условиях короткого замыкания превышает максимально допустимую температуру для непрерывной оценки.

Короткое замыкание кабеля зависит от максимального тока, достигаемого кабелем в условиях короткого замыкания. Короткое течение измеряется по формуле. Почему кабель не может быть нагружен тем же токовым током при использовании при различных температурах окружающей среды?

Связь с сечением

Теперь посмотрим, как зависит длительно допустимый ток от сечения проводника. Выразив площадь боковой стенки через диаметр проводника (формулы в начале статьи), приняв, что сопротивление связано с площадью сечения и удельным сопротивлением материала проводника, и подставив всем известную формулу для сопротивления в формулу для Iдд, приводимую выше, получим для длительно допустимого тока Iдд формулу:

Текущая передача повышает температуру кабелей и проводов на основе текущего тока или выбранного сечения проводника. Если температура окружающей среды также должна значительно увеличиться, максимальная допустимая температура проводника кабеля будет значительно превышена. Это может привести к повреждению основного изоляционного материала, оболочки кабеля и даже медного проводника или вызвать преждевременный отказ этих компонентов. В зависимости от применимых стандартов различным сечениям медного проводника назначаются максимальные номинальные токи.

Легко видеть, что связь длительно допустимого тока проводника Iдд с сечением F отнюдь не прямо пропорциональная, здесь площадь сечения возведена в степень ¾, а это значит, что длительно допустимый ток возрастает медленнее, чем сечение проводника. Остальные константы, такие как удельное сопротивление, коэффициент теплопередачи, допустимая температура — для каждого проводника индивидуальны по определению.

Основной изоляционный материал практически не играет никакой роли. Важно то, как устанавливается кабель и является ли он одним сердечником или многожильным кабелем. Применяемый коэффициент уменьшения определяется исходя из преобладающей температуры окружающей среды и максимально допустимой температуры проводника кабеля. Любительское объяснение, которое регулярно слышится: Чем дольше кабель, тем меньше электричества приходит в конце. В некоторых случаях уже недостаточно работать с подключенными устройствами.

Конечно, есть что-то истинное, но это утверждение не помогает. Подключенные устройства обычно работают надежно, даже если безопасность больше не гарантируется. Это основной критерий: в случае неисправности, например короткого замыкания, защитные устройства должны функционировать надежно. Однако они делают это только тогда, когда электрическое сопротивление - измеренное от нагрузки до защитного устройства - перемещается в определенных пределах.

На самом деле, так и есть, зависимость не может быть прямой, ведь чем сечение проводника оказывается больше, тем более ухудшаются условия охлаждения внутренних слоев проводника, потому и допустимая температура достигается при меньшей плотности тока.

Ток и температура

Для расчета температуры проводника при известном токе и заданных внешних условиях, рассматривают установившийся режим, когда температура проводника достигла значения Туст, и больше не растет. Исходные данные — ток I, коэффициент теплопередачи Ктп, сопротивление R, площадь боковой стенки S, температура окружающей среды Т0:

Аналогичный расчет для длительно допустимого тока:

Здесь за Т0 принимают расчетную температуру окружающей среды, например +15°C для прокладки под водой и в земле, или +25°C для прокладки на открытом воздухе. Результаты таких расчетов приводятся в , и для воздуха принимают температуру в +25°C, поскольку это средняя температура наиболее жаркого месяца.

Разделив первое уравнение на второе, и выразив температуру проводника, можно получить формулу для нахождения температуры проводника при токе, отличном от длительно допустимого, и при заданной температуре окружающей среды, если длительно допустимый ток и длительно допустимая температура известны, и не нужно прибегать к использованию других констант:

Из данной формулы видно, что превышение температуры оказывается пропорционально квадрату тока, и если ток возрастет в 2 раза, то превышение температуры возрастет в 4 раза.


Если внешние условия отличаются от расчетных

В зависимости от реальных внешних условий, которые могут отличаться от расчетных в зависимости от способа прокладки, например несколько параллельно расположенных проводников (кабель) или прокладка в земле при другой температуре, требуется корректировка предельно допустимого тока.

Тогда вводят поправочный коэффициент Кт, на который домножают длительно допустимый ток при известных (табличных) условиях. Если внешняя температура ниже расчетной, то коэффициент больше единицы, если выше расчетной, то, соответственно, и Кт меньше единицы.

При прокладке нескольких параллельных проводников очень близко друг к другу, они станут друг друга дополнительно подогревать, но только при условии неподвижной внешней среды вокруг. Реальные условия зачастую располагают к тому, что окружающая среда подвижна (воздух, вода), и конвекция приводит к охлаждению проводников.

Если же среда почти неподвижна, например при прокладке в трубе под землей или в коробе, то взаимный подогрев вызовет снижение длительно допустимого тока, и тут нужно снова ввести поправочный коэффициент Кn, который приводится в документации к кабелям и проводам.

Когда на кабельные линии подается напряжение, для них устанавливаются заданные нагрузки по току. Требование правил технической эксплуатации связано с нагревом изоляции при продолжительных нагрузках. Если длительно допустимый ток кабеля превышает предельное значение, произойдет его перегрев и разрушение изоляционного слоя с последующим повреждением. Поэтому нагрузки подбирают так, чтобы исключить опасность термического разрушения изолирующего слоя.

Причина нагрева кабеля

Количество выделяющегося при эксплуатации кабеля тепла находится по формуле:

Q = I 2 Rn Вт/см, где I - нагрузочный ток, А; n - количество жил; R - сопротивление, Ом.

Из приведенного выражения следует, чем выше потребляемый ток на электроустановке, к которой подведен кабель, тем больше последний разогревается. Причем мощность, выделяемая в жилах в виде тепла, находится в квадратичной зависимости от нагрузки.

Рассеивание тепла от работающего кабеля

Разогрев кабеля не будет постоянно расти в связи с тем, что тепло должно куда-то уходить. Причем его количество зависит от разности между температурой кабеля и окружающей среды. В конце концов наступит равновесие, и температура проводников станет постоянной.

Как рассчитать допустимую силу тока по температуре нагрева жил

Когда тепловыделение от нагрузки становится равным количеству рассеиваемого кабелем тепла, режим работы становится стабильным:

P = θ/∑S = (t ж - t ср)/(∑S), где θ - разница между температурой жилы и среды, 0 С; t ж - t ср - температурный перепад, 0 С; ∑S - термосопротивление кабеля.

Тепло будет уходить из кабеля тем больше, чем лучше проводимость среды. Длительно допустимый ток кабеля рассчитывается так: I доп = √((t доп - t ср)/(Rn∑S)), где t доп является допустимой температурой нагрева жил (зависит от типа кабеля).

Условия теплоотдачи

Лучше всего теплоотдача происходит, когда кабель находится в воде. Если он проложен в грунте, отвод тепла зависит от состава последнего и содержания в нем влаги. В расчетах обычно принимают грунта r = 120 Ом∙град/Вт, что соответствует песчано-глинистой почве с влажностью 12-14 %. Для получения точных показаний важно знать состав почвы, поскольку сопротивление изменяется в широких пределах и находится по таблицам. Его можно уменьшить изменением состава засыпки траншеи с кабелем и путем тщательной трамбовки. Пористые песок и гравий имеют теплопроводность ниже, чем глины. Поэтому засыпку кабеля производят глиной или суглинком, не содержащими шлак, строительный мусор и камни.

Кабель, проведенный по воздуху, имеет плохую теплоотдачу. Еще хуже она становится при прокладке в кабель-каналах, где появляются дополнительные воздушные прослойки, взаимный подогрев рядом расположенных кабелей и сопротивление стенок. Для таких случаев выбирают нагрузки по току как можно меньше.

Для обеспечения благоприятных температурных условий работы кабельной линии следует найти допустимые нагрузки по току для двух режимов: аварийного и длительного. В характеристиках кабелей также приводится величина допустимой температуры при коротком замыкании, которая для бумажной изоляции составляет 200 0 С, а для ПВХ - 120 0 С.

Длительно допустимый ток кабеля находится в обратно пропорциональной зависимости от его температурного сопротивления и теплоемкости внешней среды.

Необходимо принимать во внимание, что с течением времени проводимость изоляции кабеля увеличивается по причине высыхания. Сопротивление грунта составляет 70 % от суммарной величины и является определяющей в расчетах суммарной нагрузки.

Таблицы для определения допустимого тока

Есл рассчитывать вручную, то довольно сложно определить длительно допустимый ток кабеля. ПУЭ содержат специальные таблицы, где приводятся его значения для разных условий эксплуатации. Ниже приведены расчетные данные предельно допускаемых нагрузок для разных сечений медного проводника при его температуре 90 0 С и окружающего воздуха 45 0 С.

С помощью кабелей, характеристики которых приведены в таблице, передают и распределяют электроэнергию в сетях постоянного и переменного напряжения и в стационарных установках. Они не выдерживают больших растягивающих усилий и прокладываются в грунте, на открытом воздухе, в кабель-каналах. Длительно допустимая температура жилы равна 70 0 С, а при - не более 160 0 С за 4 сек. В аварийном режиме допустимый нагрев жил не превышает 80 0 С.

Характеристики проводников варьируются в широких пределах, в зависимости от маркировки, количества жил и других параметров. Длительно допустимый ток кабеля ВВГ зависит от сечения, которое определяется количеством и типом жил. Например, максимальная площадь сечения одножильного кабеля составляет 240 мм 2 , а в пятижильном - 50 мм 2 .

Длительно допустимый ток также определяется сечением, которое будет несколько больше, чем у поскольку он выполнен из алюминия. Допустимая температура эксплуатации и аварийного режима работы у обоих типов одинакова.

Кабель АВБбШв имеет особенность - он может применяться во взрывоопасных и пожапроопасных помещениях за счет наличия двойной брони из стальной ленты. Он широко распространен в строительстве. Длительно допустимый ток кабеля АВБбШв, так же, как у предыдущих изделий, зависит от температуры, которая не должна превышать 75 0 С, что несколько выше. Он определяется по таблицам и зависит от сечения жил и способа прокладки.

Заключение

Чтобы проводники припостоянной нагрузке не перегревались, необходимо подобрать длительно допустимый ток кабеля по таблицам и рассчитать отвод тепла в окружающую среду. Неправильный выбор кабеля приведет к его перегреву и разрушению изолирующего слоя, что повлечет за собой преждевременный выход изделия из строя.