Корзина
388 отзывов
Электросчетчик LANDIS & GYR ZMG310CR4.041b.37суперцена!Купить со скидкой
Основные положения выбора сечений проводов и кабелей по условиям нагревания, по потере напряжения и по экономичной плотности тока
УкраинаХарьковская областьХарьковул. Мало-Панасовская, 261052
+38 050 788-38-86
+380
93
507-08-00
+380
98
507-08-00
+380
97
319-09-29
Электрооборудование от компании ЕлМісто (057) 780-69-10; (097) 319-09-29; (093) 811-53-94
Корзина
Наличие документов
Знак Наличие документов означает, что компания загрузила свидетельство о государственной регистрации для подтверждения своего юридического статуса компании или физического лица-предпринимателя.

Основные положения выбора сечений проводов и кабелей по условиям нагревания, по потере напряжения и по экономичной плотности тока

Основные положения выбора сечений проводов и кабелей по условиям нагревания, по потере напряжения и по экономичной плотности тока

В статье приведены указания и расчеты, необходимые для выбора сечений проводов и кабелей простейших сетей до 1 000 В. Пояснения методов расчета сопровождаются решениями числовых примеров.

Ввод линий электропередачи 35—110 кВ предусматривается для создания новых и развития отдельных узлов сети этого напряжения для повышения надежности питания электросетей 6—10 кВ главным образом в сельских районах.
При монтаже и эксплуатации электрических сетей до 1 000 В электромонтеру часто приходится самостоятельно выбирать сечения проводов и кабелей. Эта информация должна помочь правильно выбрать сечения проводов и кабелей силовых и осветительных сетей напряжением до 1 000 В. К ним относятся силовые и осветительные сети промышленных предприятий, наружные сети жилых поселков, колхозов и совхозов, внутренние электропроводки жилых домов и общественных зданий.
Для чего служит электрическая сеть? Электрическая сеть служит для передачи и распределения электрической энергии. В зависимости от назначения и конструктивного выполнения линии электрической сети имеют различные наименования.
Воздушной линией электрической сети называется устройство для передачи и распределения электрической энергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и прикрепленным посредством изоляторов и арматуры к специальным деревянным, железобетонным или металлическим опорам. Провода воздушной линии могут также прокладываться на кронштейнах мостов, путепроводов и других инженерных сооружений.
Кабельной линией называется линия, выполненная из одного или нескольких кабелей, проложенных в земляной траншее, в специальных сооружениях (блоках, шахтах и т. п.), на открытом воздухе по стенам или потолку зданий. Кабели могут прокладываться также в воде.
Электропроводкой называется силовая и осветительная распределительная сеть напряжением до 1 000 В, выполненная изолированными проводами или кабелями сечениями до 16 мм2, проложенными внутри зданий и сооружений или по наружным стенам, а также по территории дворов и приусадебных участков. По способу выполнения электропроводки могут быть открытыми, проложенными по поверхности стен, потолков, балок и т. п., или скрытыми, проложенными скрыто в конструктивных элементах зданий (стенках, потолках, перекрытиях).
В промышленных предприятиях получили широкое распространение токопроводы, представляющие собой устройство из шин, укрепленных на изолирующих опорах внутри коробов, галерей и туннелей. Применяется также прокладка шин токопроводов открыто на опорных конструкциях как внутри зданий, так и на открытом воздухе.
1. НОМИНАЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И CИCTЕMЫ ТОКА
Приемники электрической энергии выполняются для работы при определенном номинальном напряжении на зажимах, при котором обеспечивается их наилучшее использование.
Понятно, что распределительная электрическая сеть, к которой непосредственно присоединяются приемники, должна иметь напряжение, по возможности близкое к номинальному напряжению этих приемников. Поэтому номинальное напряжение присоединяемых к сети электроприемников должно быть равным номинальному напряжению сети.
По величине напряжения Правилами устройства электроустановок* электрические сети делятся на сети до 1 000 В и сети выше 1 000 В [Л. 1]. В настоящей брошюре рассматриваются исключительно сети с напряжением до I 000 В.
*В дальнейшем «Правила устройства электроустановок» сокращенно обозначаются ПУЭ

Отметим области применения наиболее распространенных систем тока номинальным напряжением до 1 000 В.
Четырехпроводные сети трехфазного переменного тока номинальным напряжением 380/220 В с глухим заземлением нейтрали. Линия такой сети выполняется четырьмя проводами, три из которых фазные (2 на рис. 1) и один нулевой (5 на рис. 1). Нулевой провод системы имеет глухое заземление 4.

Схема четырехпроводной сети трехфазного переменного тока

Рис. 1. Схема четырехпроводной сети трехфазного переменного тока номинальным напряжением 380/220 В.
I — понижающий трансформатор; 2 — фазные провода линии; 3 — нулевой провод: 4 — глухое заземление; 5 — трехфазный электродвигатель; 6 — присоединение нулевого провода к корпусу электродвигателя; 7 — лампы накаливания.
Напряжение между фазными проводами четырехпроводной линии равно 380  В, а между каждым фазным и нулевым проводами 220 В. Трехфазные электродвигатели 5 присоединяются к фазным проводам; лампы накаливания 7 и бытовые приборы — между фазным и нулевым проводами. Таким образом, к четырехпроводной сети одновременно могут быть присоединены трехфазные электроприемники на номинальное напряжение 380 В и однофазные на номинальное напряжение 220 В.
Благодаря глухому заземлению нейтрали системы при нормальной эксплуатации напряжение на нулевом проводе близко к нулю и напряжение фазных проводов по отношению к земле не превосходит 250 В.
Четырехпроводные сети с номинальным напряжением 380/220 В получили широкое распространение в городах, населенных пунктах и в сельском хозяйстве, а также в промышленности при питании силовой и осветительной нагрузки от общей сети.
Четырехпроводные сети трехфазного переменного тока номинальным напряжением 220/127 В с глухим заземлением нейтрали существуют в городах и на некоторых промышленных предприятиях. Новые сети на такое напряжение, как правило, не проектируются, за исключением реконструируемых предприятий с большим удельным весом сохраняемых установок напряжением 220/127 В, для которых применение сети на такое напряжение либо должно быть обосновано технико-экономическим сравнением с вариантом сети напряжением 380/220 В, либо определяется специальными правилами.
Трехпроводные сети трехфазного переменного тока номинальным напряжением 660 В рекомендуются к широкому применению в качестве силовых сетей в угольной, горнорудной, химической и нефтяной промышленности. Внедрение сетей на напряжение 660 В в настоящее время задерживается из-за отсутствия аппаратуры на такое напряжение.
В трехпроводных сетях трехфазного переменного тока нулевой провод отсутствует и однофазные приемники могут быть включены только на междуфазное напряжение.
Трехпроводные сети номинальным напряжением 500 В, имеющиеся на некоторых предприятиях, не получат дальнейшего распространения, так как номинальное напряжение 500 В ГОСТ 721—62 на номинальные напряжения не предусмотрено. Поэтому для силовых сетей промышленных предприятий в установках напряжением до 1 000 В выбор должен производиться между напряжениями 380 и 660 В.
Для однофазных сетей переменного тока наибольшее распространение имеют номинальные напряжения 36 и 12 В. По условиям техники безопасности напряжение 36 В применяется для сетей местного и ремонтного освещения в помещениях с повышенной опасностью; 12 В — в котельных и других особо опасных помещениях. Однофазные сети выполняются двухпроводными и получают питание от сети трехфазного тока через однофазные понизительные трансформаторы. Однофазные сети на указанные напряжения используются иногда для питания цепей автоматического управления и сигнализации.
Сети постоянного тока применяются для питания цепей управления блокировки и сигнализации электрифицированного транспорта, в электролизных установках и т. п. Рассмотрение таких сетей выходит за рамки данного документа.


2. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЕТЯМ
Электрические сети должны удовлетворять следующим основным требованиям.

А. Прежде всего должна быть обеспечена безопасность для жизни и здоровья людей и предотвращена возможность возникновения взрыва или пожара. Это условие удовлетворяется правильным выбором марки и способа прокладки проводов и кабелей в соответствии с характеристикой среды, в которой прокладывается сеть, и с учетом требований техники безопасности. Не меньшее значение имеют правильный выбор защиты проводников от перегрузки и короткого замыкания и расчет сечения проводников по условию их нагревания электрическим током.
Б. должна быть обеспечена необходимая надежность электропитания в зависимости от категории электроприемников. К первой категории относятся приемники, нарушение электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей или значительный; ущерб народному хозяйству. Ко второй категории относятся приемники, перерыв в электроснабжении которых связан с массовым недоотпуском продукции, простоем промышленного транспорта или нарушением нормальной деятельности значительного числа городских жителей. Все остальные приемники относятся к третьей категории.
Надежность электроснабжения зависит от наличия или отсутствия резерва, а также от вероятности повреждения линий электрической сети, трансформаторов и коммутационной аппаратуры. Одним из условий необходимой степени надежности является правильный выбор сечения провода по условию механической прочности. В зависимости от условий прокладки и марки провода установлены наименьшие допустимые по условию механической прочности сечения проводов и кабелей (табл. П-1).
В. Должно быть обеспечено хорошее качество напряжения. Качество напряжения определяется величиной отклонения фактического напряжения на зажимах электроприемника от номинального. Чем меньше это отклонение, тем выше качество напряжения. Допустимые отклонения напряжения на зажимах электроприемников установлены ГОСТ 13109—67 [JI. 2]. Качество напряжения следует считать хорошим, если отклонения напряжения на зажимах всех присоединенных к сети приемников не выходят за допустимые пределы. Чтобы обеспечить это условие, сечения проводов сети должны удовлетворять требованиям расчета по потере напряжения.
Г. Сечения проводов и кабелей линий электрической сети также должны удовлетворять условию экономичности. ПУЭ установлены величины экономических плотностей тока. Сечения проводов и кабелей должны выбираться с учетом этих величин.
Таким образом, сечения проводов и кабелей электрической сети должны выбираться по условиям: а) нагревания электрическим током (§ 4—6); б) механической прочности (табл П-1); в) потери напряжения (§ 7—10); г) экономической плотности тока (§ 11).
3. РАСЧЁТНАЯ СХЕМА СЕТИ
Для выбора сечений отдельных участков электрической сети но условиям нагревания и экономической плотности тока достаточно знать только токовые нагрузки этих участков сети. Расчет сети по потере напряжения может быть выполнен только в том случае, если известны не только нагрузки, но и длины всех участков сети.
В связи с этим, приступая к расчету сети, необходимо прежде всего составить ее расчетную схему, на которой должны быть указаны нагрузки и длины всех участков.
При расчетах трехфазных сетей нагрузки всех трех фазных проводов принимаются одинаковыми. В действительности это условие строго выполняется лишь для силовых сетей с трехфазными электродвигателями. Для сетей с однофазными электроприемниками, например для городских сетей с осветительными лампами и бытовыми приборами, всегда имеется некоторая неравномерность распределения нагрузки по фазам линии. При практических расчетах сетей с однофазными приемниками условно также принимают распределение нагрузок по фазам равномерным.
При условии равномерной нагрузки фаз линии в расчетной схеме нет необходимости указывать все провода сети, как это выполнено на рис. 1. Достаточно представить однолинейную схему с указанием всех присоединенных к сети нагрузок и длин всех участков сети. На схеме также должны быть указаны места установки плавких предохранителей или других защитных аппаратов.
При составлении расчетной схемы электропроводки внутри помещения следует пользоваться планами и разрезами здания, на которых должна быть нанесена электропроводка с указанием точек присоединения электроприемников. Расчетная схема наружной сети составляется по плану поселка или промышленного предприятия, на котором также должна быть нанесена сеть и указаны точки присоединения групп электроприемников (домов или отдельных зданий промышленного предприятия).
Длины всех участков сети измеряются по чертежу с учетом масштаба, в котором он вычерчен. При отсутствии чертежа длины всех участков сети должны быть измерены в натуре.
При составлении расчетной схемы сети соблюдение масштаба для участков сети не требуется. Следует лишь соблюдать правильную последовательность соединения отдельных участков сети между собой.
На рис. 2 представлен пример расчетной схемы линии наружной сети поселка. Длины участков сети на схеме указаны сверху и слева в метрах, снизу и справа нагрузки представлены стрелками, у которых указаны расчетные мощности в киловаттах. Линия АБВ называется магистралью, участки БД, BE и В Г — ответвлениями. Как видно из рис. 2, отдельные участки сети представлены без масштаба, что не мешает точности расчета, если длина участков указана правильно.

Расчетная схема участка наружной сети 380/220 В жилого поселка

Рис. 2. Расчетная схема участка наружной сети 380/220 В жилого поселка.
Определение расчетных нагрузок (мощностей) является значительно более сложной задачей. Осветительная лампа, нагревательный прибор или телевизор при номинальном напряжении на зажимах потребляет определенную номинальную мощность, которая может быть принята за расчетную мощность этого приемника.
Сложнее обстоит дело с электродвигателем, для которого потребляемая из сети мощность зависит от момента вращения связанного с двигателем механизма — станка, вентилятора, транспортера и т. п. На табличке, прикрепленной к корпусу двигателя, указывается его номинальная мощность. Фактическая мощность, потребляемая двигателем из сети, отличается от номинальной. Например, нагрузка двигателя токарного станка будет меняться в зависимости от размера обрабатываемой детали, толщины снимаемой стружки и т. и. Двигатель выбирается по наиболее тяжелым условиям работы станка, в связи с чем при других режимах работы двигатель будет недогружен. Таким образом, расчетная мощность двигателя, как правило, меньше его номинальной мощности.
Определение расчетной мощности для группы электроприемников еще более усложняется, так как в этом случае приходится учитывать возможное число включенных приемников. Представим себе, что нужно определить расчетную нагрузку для линии, питающей мастерскую, в которой установлено 30 электродвигателей. Из них только некоторые будут работать непрерывно (например, двигатели, соединенные с вентиляторами). Двигатели станков работают с перерывами на время установки новой детали для обработки. Часть двигателей может работать с неполной нагрузкой или вхолостую и т. д. При этом нагрузка линии, питающей мастерскую, не будет оставаться постоянной. Понятно, что за расчетную нагрузку линии следует принять наибольшую возможную нагрузку, как наиболее тяжелую для проводников линии. Под наибольшей нагрузкой понимается не кратковременный ее толчок, а наибольшее среднее значение за получасовой период времени.
Расчетная нагрузка (кВт) группы электроприемников может быть определена по формуле


где Кс— коэффициент спроса для режима наибольшей нагрузки, учитывающий наибольшее возможное число включенных приемников группы. Для двигателей коэффициент спроса должен учитывать также величину их загрузки; Ру—установленная мощность труппы приемников, равная сумме их номинальных мощностей, кВт.

При выборе сечения проводников по условию нагревания или по экономической плотности тока необходимо определить величину расчетного тока линии.
Для трехфазного электроприемника величина расчетного тока (А) определяется по формуле:

 (2)

где Р — расчетная мощность приемника, кВт; UB — номинальное напряжение на зажимах приемника, равное междуфазному (линейному) напряжению сети, к которой он присоединяется, В; cos ф — коэффициент мощности приемника.
 
Формулой  можно также пользоваться для определения расчетного тока группы трехфазных или однофазных приемников при условии, что однофазные приемники присоединены поровну ко всем трем фазам линии.


Величина расчетного тока (А) для однофазного приемника или для группы приемников, присоединенных к одной фазе сети трехфазного тока, определяется по формуле:
(3)
где UH.ф — номинальное напряжение приемников, равное фазному напряжению сети, к которой они присоединяются, В.
Величина расчетного тока для группы приемников, присоединенных к линии однофазного тока, определяется также по формуле (3).
Для ламп накаливания и нагревательных приборов коэффициент мощности cosф=l. В этом случае формулы (2) и (3) для определения расчетного тока соответственно упрощаются.
Вернемся к расчетной схеме наружной сети жилого поселка, представленной на рис. 2. На этой  схеме расчетные нагрузки присоединенных к линии домов указаны в киловаттах у концов соответствующих стрелок. Для выбора сечения проводов линии необходимо знать нагрузку всех участков. Эта нагрузка определяется на основании первого закона Кирхгофа, по которому для любой точки сети сумма преходящих токов должна быть равна сумме выходящих токов. Этот закон справедлив также для нагрузок, выраженных в киловаттах.
Найдем распределение нагрузок по участкам линии. В конце линии на участке длиной 80 м, примыкающем к точке Г, нагрузка 9 кВт равна расчетной нагрузке присоединенного к линии в точке Г дома. На участке ответвления длиной 40 м, примыкающем к точке В, нагрузка равна сумме нагрузок домов, присоединенных на участке ВГ ответвления. 94 6=15 кВт. На участке магистрали длиной 50 м, примыкающем к точке В, нагрузка составляет 15 1-4+5=24 кВт
Подобным же образом определяются нагрузки всех остальных участков линии. Для того чтобы не снабжать все указанные на схеме числа обозначениями соответствующих единиц (м, кВт), длины и нагрузки на схеме должны быть расположены в определенном порядке. На расчетной схеме рис. 2 длины участков линии указаны сверху и слева, нагрузки этих же участков — снизу и справа.

ВЫБОР СЕЧЕНИЙ ПРОВОДОВ И КАБЕЛЕЙ ПО УСЛОВИЮ НАГРЕВАНИЯ
Л. ДОПУСТИМЫЕ ТОКОВЫЕ НАГРУЗКИ НА ПРОВОДА, КАБЕЛИ И ШИНЫ

Электрический ток, протекающий по проводникам линий электрической сети, нагревает токоведущие жилы. Одновременно происходит охлаждение проводников путем отвода тепла в окружающую среду. Через некоторое время, если величина протекающего в проводниках тока не меняется, температура проводника достигает некоторого предельного значения, которое в дальнейшем остается неизменным.
Наибольшая допустимая температура для проводов и кабелей определяется условиями безопасности, надежности и экономичности.
Излишне высокая температура изолированного провода или кабеля служит причиной быстрого износа изоляции и сокращения срока службы проводки.
Особенно опасным является перегревание изоляции проводников в пожароопасных и взрывоопасных помещениях, где воспламенение изоляции может вызвать пожар или взрыв
Таким образом, величина токовой нагрузки на проводник заданного сечения должна быть ограничена, с тем чтобы наибольшая температура проводника не превышала определенного предела. ПУЭ устанавливают следующие наибольшие допустимые температуры при нагревании длительной токовой нагрузкой: голые провода и шины 70°С, провода и кабели с резиновой или пластмассовой изоляцией 65°С, кабели с бумажной изоляцией на напряжение до 3 000 Б 80 °С.
Допустимые токовые нагрузки зависят от сечений проводника, его конструктивного выполнения и условий охлаждения.
Б табл. П-2—П-4 приведены допустимые токовые нагрузки для изолированных проводов, кабелей с бумажной изоляцией и голых проводов. Эти таблицы составлены для проводников с алюминиевыми жилами, имеющими в настоящее время наибольшее распространение. Таблицы допустимых токовых нагрузок для проводов и кабелей других марок читатель может найти в справочниках или ПУЭ. [Л. 1, 5].
Допустимые нагрузки в указанных таблицах приведены для нормальных условий прокладки. Нормальными условиями при прокладке проводов и кабелей в воздухе считается температура воздуха +25 С, причем расстояние в свету между соседними кабелями при прокладке их внутри и вне зданий и в туннелях должно быть не менее 35 мм и при прокладке в каналах не менее 50 мм. Число прокладываемых кабелей не ограничивается. Нормальной температурой при прокладке кабелей в земле или в воде считается 15 °С. Допустимые нагрузки для кабелей, проложенных в земле, приведены при условии прокладки в траншее одного кабеля.
Пример 2. Определить допустимую нагрузку для трехжильного кабеля с алюминиевыми жилами с бумажной изоляцией сечением 95 мм2 при прокладке в земле, в воде и в воздухе.
Решение. По табл. П-3 находим для трехжильного кабеля указанного сечения допустимые нагрузки при прокладке в земле — 260. в воде — 340 и в воздухе ― 90 А Допустимая нагрузка на один и тот же кабель меняется в зависимости от условий охлаждения: лучше всего кабель охлаждается при прокладке в воде, хуже — при прокладке в земле, а еще хуже — при прокладке в воздухе
Если условия прокладки проводов и кабелей отличаются от нормальных, величина допустимой нагрузки /д (А) на провод или кабель определяется с учетом поправочного коэффициента
(4)
где I д н —табличное значение допустимой нагрузки при нормальных условиях. А; Кп — поправочный коэффициент, учитывающий изменение условий охлаждения проводника.
Поправка на температуру окружающей среды. Если фактическая температура окружающей среды отличается от нормальной, вводится поправочный коэффициент Kni, величина которого определяется по табл. П-5 в зависимости от допустимой максимальной температуры проводника и фактической температуры среды.
Поправка на число кабелей, проложенных в одной траншее. При прокладке в общей траншее более одного кабеля вводится поправочный коэффициент Km, определяемый по табл. П-6.
Ненагруженные резервные кабели при этом не должны учитываться.
Поправка на повторно-кратковременный и кратковременный режим работы.

Допустимые нагрузки в табл П 2, П-3 и П 4 определены при условии длительного прохождения тока по проводникам. Однако электродвигатели многих станков работают в повторно-кратко временном режиме. Двигатель работает при обработке детали, затем на время установки для обработки новой детали он останавливается. Таким образом, время работы двигателя чередуется со временем отключения. Понятно, что проводники линии, питающей двигатель с таким режимом работы, находятся в лучших условиях охлаждения по сравнению с проводниками такой же линии, несущей нагрузку без перерывов. Проводники линии с повторно-кратковременным режимом работы допускают увеличение нагрузки, учитываемое поправочным коэффициентом Клз, который определяется по формуле:
(5)
где ПВ— относительная продолжительность рабочего периода, равная отношению времени включения линии к общей длительности времени включения и отключения,
(6)
где tp — длительность рабочего периода; tn — общая длительность цикла.
Необходимо отметить, что коэффициент, учитывающий увеличение допустимой нагрузки на проводник, может быть применен лишь при следующих условиях:
а)       продолжительность рабочего периода цикла повторно-кратковременного режима работы не превышает 4 мин, а продолжительность отключения — не менее 6 мин;
б)      сечение медных проводников не ниже 10 мм2 и сечение алюминиевых проводников не ниже 16 мм2.
Если условия работы проводки требуют введения нескольких поправок, то общий поправочный коэффициент определяется перемножением отдельных коэффициентов.
При эксплуатации электрической сети в отдельных ее участках бывают нарушения нормального режима работы и в проводниках могут возникнуть токи, превышающие расчетные. Возможно, например, увеличение тока линии в связи с перегрузкой двигателя. Увеличение тока при перегрузке, как правило, бывает небольшим, в пределах не выше нескольких десятков процентов номинальной нагрузки. Другой вид нарушения нормальной работы сети — короткое замыкание — связан в большинстве случаев с резким увеличением тока до нескольких десятков и даже сотен тысяч ампер.
Короткое замыкание может вызвать пожар из-за воспламенения покровов провода. Еще более опасные последствия может повлечь за собой короткое замыкание во взрывоопасном помещении, где приходится считаться с возможностью взрыва.
Несравненно менее опасна для проводников перегрузка. Кратковременная перегрузка проводников не представляет для них и для окружающей среды непосредственной опасности. Однако длительные перегрузки ведут к износу изоляции и снижению ее изоляционных свойств.
Защита сети от коротких замыканий является обязательной во всех случаях, и время ее действия должно быть минимальным для уменьшения теплового действия токов короткого замыкания.
Перегрузка является менее опасной, и в ряде случаев допускается отказ от применения защиты проводов и кабелей от перегрузки.
Защита проводов и кабелей электрических сетей напряжением до 1 000 В осуществляется плавкими предохранителями. автоматическими выключателями с тепловыми и электромагнитными расцепителя ми и магнитными пускателями или контактерами с тепловыми реле.
Наиболее простым и дешевым защитным аппаратом является плавкий предохранитель. Его защитным элементом является плавкая вставка, включаемая последовательно в цепь тока. При увеличении тока линии выше определенной величины температура плавкой вставки повышается и происходит ее расплавление, цепь тока разрывается, предохраняя провод линии от недопустимого перегрева.
Выбор предохранителей. Плавкая вставка предохранителя выбирается по номинальному току. Шкалы номинальных токов плавких вставок наиболее употребительных предохранителей типов ПР-2 и ПН-2 приведены в табл. П-7.
При выборе плавких предохранителей следует обеспечить выполнение двух условий.
Первое условие — номинальный ток плавкой вставки (А) должен быть не меньше длительного расчетного тока линии
(7)
где /дл — длительный расчетный ток линии, А
Второе условие связано с необходимостью предотвратить перегорание плавкой вставки от кратковременных толчков тока, вызванных пуском двигателей с коротко- замкнутым ротором, так как при пуске двигателя с короткозамкнутым ротором возникает пусковой ток, превышающий номинальный ток двигателя в 4—7 раз.
Величина пускового тока двигателя (А) определяется по формуле:
(8)
где /н.дв — номинальный ток двигателя, A; Ki— кратность пускового тока, показывающая, во сколько раз пусковой ток двигателя больше номинального. Величины /н.дп и Ki определяются по каталогам или справочникам [Л. 6].
Чтобы плавкая вставка не расплавилась от пускового тока при пуске двигателя, должно выполняться одно из следующих условий.
При защите ответвления к одиночному двигателю с нечастыми пусками при длительности пускового периода не более 2—2,5 с (двигатели металлообрабатывающих станков, вентиляторов, насосов и т. п.)
(9)
При защите ответвления к одиночному двигателю с частыми пусками (двигатели кранов) или с большой длительностью пускового периода (двигатели центрифуг, дробилок, нагруженных транспортеров и т. п.)
(10)
При защите магистрали, питающей силовую или смешанную нагрузку,
(И)
В последних трех формулах /п — пусковой ток двигателя, А; /„р — максимальный кратковременный ток линии (А), равный
(12)
где /п — пусковой ток двигателя, при пуске которого кратковременный ток линии достигает наибольшей величины, А; /дЛ — длительный расчетный ток линии до момента пуска двигателя, определяемый без учета рабочего тока пускаемого двигателя, А.
* Величина знаменателя в формуле (10) принимается в зависимости от условий пуска двигателя: чем тяжелее пуск, тем меньше принимается знаменатель.
При выборе плавкой вставки ее номинальный ток должен удовлетворять соотношению (7) и одному из трех соотношений: (9), (10) или (11) в зависимости от условий пуска двигателя и от назначения линии (ответвление к двигателю или магистраль).

Результаты выбора плавких вставок предохранителя в примере 5 показывают, что предохранители не защищают двигатель с короткозамкнутым ротором от перегрузки. Действительно, номинальный ток двигателя 135 А, а номинальный ток плавких предохранителей 400 А. Если проводники питающей двигатель линии выбраны по номинальному току двигателя, как это обычно и делается, то они также не будут защищены от перегрузки. Таким образом, плавкий предохранитель в рассматриваемом случае защищает двигатель и проводники только от нагревания токами коротких замыканий.
Защита от перегрузки.
При необходимости иметь защиту от перегрузки применяют автоматические выключатели с тепловыми расцепителями или магнитные пускатели с тепловыми реле. Тепловые элементы расцепителя или реле нагреваются медленно и действуют только при длительном протекании тока. Пусковой ток двигателя не успевает нагреть эти элементы до температуры, при которой происходит действие тепловой защиты.
Отсюда следует, что тепловые расцепители автоматического выключателя и нагревательные элементы тепловых реле, установленных в магнитных пускателях, следует выбирать только по длительному расчетному току (А) линии
(13)
Тепловая защита, являясь хорошей защитой от перегрузки, плохо защищает от коротких замыканий. Дело в том, что тепловые расцепители и нагревательные элементы тепловых реле действуют медленно и провода линии или проводники обмоток двигателя при протекании через них тока короткого замыкания могут быть повреждены прежде, чем сработает тепловая защита.
В связи с этим тепловая защита должна дополняться защитой от короткого замыкания. Последняя может быть выполнена в виде плавких предохранителей. В случае применения автоматического выключателя (автомата) с тепловыми расцепителями для защиты от перегрузки целесообразно для защиты от коротких замыканий применять электромагнитные расцепители. Такие автоматические выключатели с комбинированными расцепителями, содержащие тепловые и электромагнитные расцепители, получили широкое распространение. Они одновременно осуществляют защиту как от перегрузки, так и от короткого замыкания.
Номинальный ток (А) электромагнитного и комбинированного расцепителей автоматического выключателя выбирается по длительному расчетному току линии
(14)
Кроме того, указанные расцепители должны быть проверены по наибольшей величине кратковременного то-
ка линии при пуске двигателей. Понятно, что при пуске двигателей автоматический выключатель не должен отключаться. Это будет обеспечено, если ток срабатывания (А) (или ток трогания) расцепителя удовлетворяет условию
(15)
где /кр — наибольший кратковременный ток линии. А; 1,25 — коэффициент запаса, учитывающий разброс характеристик расцепителей автомата.
Необходимо отметить, что в зависимости от конструктивного выполнения некоторые расцепители допускают регулировку величины тока срабатывания; для других исполнений величина тока срабатывания не регулируется.


6. ВЫБОР СЕЧЕНИЙ ПРОВОДОВ И КАБЕЛЕЙ ПО УСЛОВИЮ НАГРЕВАНИЯ
В зависимости от степени опасности возникновения пожара или взрыва, а также с учетом требований техники безопасности по предотвращению возможности поражения током человека электрические сети разделяются на две группы
Сети, которые должны быть защищены от перегрузок и от токов короткого замыкания.
Сети, которые должны быть защищены только от токов короткого замыкания. Защита от перегрузок для таких сетей не предусматривается.
К первой группе, для которой обязательна защита от перегрузки, относятся:
а)       сети всех видов во взрывоопасных помещениях и взрывоопасных наружных установках независимо от условий технологического процесса или режима работы сети;
б)      сети внутри помещений, выполненные открыто проложенными незащищенными изолированными проводниками с горючей оболочкой;
в)       осветительные сети в жилых и общественных зданиях, в торговых помещениях, служебно-бытовых помещениях промышленных предприятий, включая сети для бытовых и переносных электроприемников, а также в пожароопасных производственных помещениях;
г)       силовые сети в промышленных предприятиях, в жилых и общественных зданиях, в торговых помещениях *— в случаях, когда по условиям технологического процесса или режиму работы сети может возникать длительная перегрузка проводов и кабелей.
Все остальные сети относятся ко второй группе, не требуют защиты от перегрузки и защищаются только от коротких замыканий.
Сечение проводов и кабелей по условию нагревания определяется по таблицам допустимых токовых длительных нагрузок, приведенных в ПУЭ [Л.1] (см. табл. П-2 — П-4). При этом расчетное значение допустимой нагрузки на провод или кабель при нормальных условиях прокладки выбирается как большая величина из соотношений:
по условию нагревания длительным расчетным топом линии
(16)
и по условию соответствия выбранному аппарату максимальной токовой защиты
(17)
где /дЛ — длительный расчетный ток линии, А; Ка— поправочный коэффициент на условия прокладки проводов и кабелей; /8— номинальный ток или ток срабатывания защитного аппарата, А (см. табл. П-8); Кв — кратность допустимого длительного тока для провода или кабеля по отношению к номинальному току или току срабатывания (току трогания) защитного аппарата.
Значения коэффициента Кв в зависимости от условий прокладки и типа защитного аппарата приведены в табл. П-8,
Если проводка выполнена при нормальных условиях, значение поправочного коэффициента /(п=1 и формулы (1б > и (17) упрощаются:
(19)
Выбранные защитные аппараты и сечения проводов и кабелей во всех случаях должны удовлетворять еще одному условию, а именно защитные аппараты должны надежно отключать короткое замыкание, происшедшее в наиболее удаленных точках сети. Для выполнения это-
го условия величина тока короткого замыкания должна в установленное число раз превосходить номинальный ток или ток срабатывания защитного аппарата. Для сети, проложенной в невзрывоопасных помещениях, минимальный ток короткого замыкания должен превосходить номинальный ток плавкой вставки предохранителя или номинальный ток теплового или комбинированного расцепителя автоматического выключателя не менее чем в 3 раза.
Выполнение этого требования для четырехпроводной сети трехфазного переменного тока в невзрывоопасном помещении проверяется по соотношению
(20)
где ин_ф — номинальное фазное напряжение сети, В; Z — полное сопротивление петли фазного и нулевого проводов от вторичных зажимов понижающего трансформатора до наиболее удаленной точки сети, Ом; /н.а— номинальный ток защитного элемента (плавкой вставки или расцепителя), А.
Значения сопротивления петли «фаза — нуль» для воздушных линий и кабелей с алюминиевыми жилами приведены в табл. П-9. Более подробные сведения по данному вопросу читатель может получить из |Л. 5].
Общий порядок выбора сечений проводов и кабелей по условиям нагревания. Укажем в заключение общий порядок выбора сечений проводов и кабелей по условиям нагревания.
1. Определяются расчетные токи линии — длительные и кратковременные (при пуске двигателей).
По величине расчетных токов линии производится выбор токовой максимальной защиты.
Производится выбор сечений проводников по величине расчетных токов линии.
Проверяется надежность действия защитных аппаратов при к. з. в наиболее удаленной точке сети.
Пример 8. На рис. 3 представлена схема участка силовой сети промышленного предприятия напряжением 380/220 В. От шин распределительного щита / по трехжильному кабелю с бумажной изоляцией и алюминиевыми жилами марки ААБГ получает питание силовой распределительный пункт 4 серии ПР-9000 с автоматическими выключателями 5 типа А3124. К силовому пункту присоединены три асинхронных двигателя с короткозамкнутым ротором, технические данные которых приведены в табл. 1 Проводка к двигателям выполнена алюминиевыми трехжильными проводами марки АПРГО, проложенными в трубах. Линию, питающую силовую сборку, защищают предохранители типа П11-2, двигатели защищаются автоматическими выключателями с комбинированными расцепителями, технические данные которых также указаны в табл. 1.
Помещение цеха промышленного предприятия невзрыво- и непожароопасно, температура воздуха в помещении 25 "С. Режим работы двигателей исключает возможность длительных перегрузок, условия их пуска нетяжелые, возможность одновременно го запуска более одного двигателя исключается. Двигатели могут работать одновременно с полной нагрузкой.
Требуется выбрать плавкие вставки предохранителей 3 и определить сечения проводов и кабеля из условия нагревания.
Решение. Так как температура воздуха в помещении 23 сС, то величина поправочного коэффициента Л» — 1 и при выборе сечений проводников следует руководствоваться формулами (Lti) и (19).
Линия к электродвигателю I. Проверяем правильность выбора комбинированных расцепителей. По условию примера двигатель полностью загружен, следовательно, расчетный ток питающей двигатель линии равен номинальному току двигателя: /дл = /в.Пв = 73,1 А. Номинальный ток комбинированного расцепителя равен /я.в=100 А. Таким образом, условие (14) для выбора номинального тока расцепителя выполняется 100 А > 73,1 А.

Рис. 3. Схема сети к примеру 8.
/ — шины 380 В распределительного щита; 2— рубильник;
— предохранители типа ПН-2;
— шины распределительного силового пункта серии ПР-а000; 1 — Автоматический выключатель типа A3I24; б контакты магнитных пускателей; 7— контакты кнопочного пускателя типа ПНВ-34 8 — электродвигатели с короткозамкнутым ротором
Провернем невозможность ложного срабатывания расцепители при пуске двигателя. Пусковой ток двигателя /п=432 А, ток срабатывания электромагнитного расцепителя /С1кв=800 А. Следовательно, условие (15) выполняется (800 > 1,25 ― 432=540 А) и отсутствует опасность ложного срабатывания автоматического выключателя при пуске двигателя.
Сечение проводов для линии, питающей двигатель, должно определяться по двум условиям: по длительному току линии — по формуле (18)
и по соответствию сечения номинальному току расцепителей автоматического выключателя — по формуле (19). Так как автоматические выключатели серии A3100 не имеют регулирования тока срабатывания расцепителя, значение коэффициента Кя, определяемое по табл. П-8, следует примять Кз=1- Ток защитного аппарата в данном случае равен номинальному току комбинированного расцепителя: /я=/ни=100 А. Подставляя числовые значения величин в формулу (19), получаем:
При выборе сечения провода, очевидно, следует руководствоваться условием, полученным по формуле (19) Поэтому по табл. П-2 выбираем сечение проложенного в трубе трехжильного провода, равное 50 мм1, для которого допустимая нагрузка равна 105 А.
Линия к электродвигателю 2. Условия прокладки, способ защиты и режим работы по условиям примера одинаковы для всех трех двигателей. Поэтому все сказанное выше для двигателя / остается справедливым также для двигателей 2 и 3
Сечение проводов выбирается по двум условиям: по формуле (18) /„ „ > 41,8 А и по формуле (19) /в.в > 1 -50=50 А. Принимается большая величина 50 А.
По табл. П 8 выбираем сечение 16 мм2, для которого допустимая нагрузка составляет 55 А
Технические данные двигателей и разделителей автоматических выключателей примера 8
Технические данные двигателей и разделителей автоматических выключателей
Линия к двигателю 3. Легко проверить, что в данном случае достаточно принять провод сечением 2,5 мм1
По табл. П-3 определяем сечение трехжильного кабеля при прокладке в воздухе 70 мм2, для которого допустимая нагрузка равна 155 А > 122,6 А.
В заключение настоящего раздела приводим сводную табл. 2 принятых условных обозначений токов, входящих в расчетные формулы.
Таблица 2

РАСЧЕТ СЕТИ ПО ПОТЕРЕ НАПРЯЖЕНИЯ
7. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Приемники электрической энергии выполняются для работы при определенном номинальном напряжении. Наилучшие технико-экономические показатели обеспечиваются при работе электроприемников с номинальным напряжением на зажимах.
Повышение или снижение напряжения на зажимах электроприемника по сравнению с номинальным приводит к ухудшению его работы. Например, для лампы накаливания повышение напряжения на ее зажимах на 10% приводит к сокращению срока ее службы в 4 раза.

Снижение напряжения неблагоприятно сказывается на величине светового потока лампы. При снижении напряжения на зажимах лампы на 10% световой поток лампы уменьшается до 67% светового потока при номинальном напряжении. Для промышленного предприятия значительное повышение напряжения в осветительной сети связано с экономическим ущербом из-за необходимости частой смены перегоревших ламп. Пониженное по сравнению с номинальным напряжение в осветительной сети промышленного предприятия может послужить
причиной снижения производительности труда из-за недостаточной освещенности рабочих поверхностей.
Значительное отклонение напряжения или, как говорят, «плохое качество напряжения» в силовой сети промышленного предприятия может повести к значительному браку и повышенному износу двигателей.
Наилучшие условия эксплуатации электроприемников были бы при номинальном напряжении на их зажимах, но на практике это невыполнимо, так как провода и кабели обладают некоторым сопротивлением и при протекании по ним электрического тока происходит потеря напряжения, поэтому напряжение в конце линии будет ниже, чем в начале.
На рис. 4 представлена схема линии наружного освещения с лампами одинаковой мощности, присоединяемыми к линии через одинаковые расстояния. Такая нагрузка носит название равномерно распределенной.
Равномерно распределенная нагрузка и график распределения напряжения вдоль линии наружного освещения
Рис. 4. Равномерно распределенная нагрузка и график распределения напряжения вдоль линии наружного освещения
На том же рисунке представлен график распределения напряжения вдоль линии. Из этого графика видно, что наиболее низкое напряжение будет на зажимах лампы, присоединенной в конце линии в точке В, а наиболее высокое — на лампе, присоединенной к точке А в самом начале линии Только одна лампа, присоединенная в точке Б линии, будет иметь напряжение на зажимах,
равное номинальному. Напряжение на зажимах всех ламп, присоединенных к линии левее точки Б, будет выше номинального, а напряжение на зажимах всех ламп, присоединенных правее той же точки, — ниже номинального.
Отклонения напряжения. Разность напряжений на зажимах приемника и номинального называется отклонением напряжения. Таким образом, для ламп, присоединенных к линии на участке АВ, будет положительное отклонение напряжения; для ламп, присоединенных на участке БВ, отклонение напряжения отрицательное. Только на зажимах лампы, присоединенной к линии в точке Б. отклонение напряжения равно нулю.
Очевидно, чем меньше отклонение напряжения на зажимах электроприемников, тем выше качество напряжения. ГОСТ 13109—R7 устанавливает следующие наибольшие допустимые отклонения напряжения на зажимах электроприемников:
электродвигатели: 10 и —:5%".
лампы рабочего освещения промышленных предприятий и общественных зданий, лампы прожекторных установок наружного освещения: 5 и —2,5%;
остальные электроприемники, присоединяемые к промышленным и городским сетям: 5 и —5%;
электроприемники, присоединяемые к сельским сетям: 7,5 и —7,5%.
В послеаварийных режимах допускается дополнительное понижение напряжения на 5%.
Качество напряжения следует считать удовлетворительным, если отклонение напряжения на всех присоединенных к сети приемниках не выходит за указанные выше пределы. Следовательно, при проектировании и расчетах сетей сечения проводников должны быть выбраны таким образом, чтобы отклонения напряжения на зажимах всех присоединенных к сети приемников не превышали установленные допустимые пределы. Например, сечение проводов линии наружного освещения, схема которой представлена на рис. 4. должно быть выбрано с таким расчетом, чтобы отклонение напряжения на зажимах лампы, присоединенной в точке А в начале линии, не превосходило 5%, и отклонение напряжения на зажимах лампы, присоединенной в точке В в конце линии, не выходило бы за пределы — 5%. При выполнении этого условия разность между напряжением в на
чале линии и напряжением в ее конце не должна быть больше 1С5—95-1)%.
Потеря напряжения. Разность напряжений в начале и конце какого-либо участка сети называется потерей напряжения на этом участке. Следовательно, наибольшая допустимая потеря напряжения для линии наружного освещения составляет 10%.
На самом деле, приняв величину потери напряжения равной 10%, практически нельзя обеспечить для всех присоединенных к сети приемников отклонение напряжения на зажимах в допустимых пределах. Это объясняется тем, что напряжение в сети не остается с течением времени постоянным. Например, в начале линий наружного освещения напряжение не всегда будет поддерживаться на уровне 105%, как это указано на рис. 4. Действительно, предположим, что эта линия присоединена к распределительной сети города. Вечером такая сеть имеет максимум нагрузки и потери напряжения во всех ее элементах будут также наибольшими. Днем или поздней ночью нагрузка сети будет достигать минимума и потери напряжения в ней уменьшатся. Предположим, что ночью в точке, к которой присоединяется наша линия, напряжение равно 105%, как это указано на рис.4. Тогда в максимум нагрузки, вечером, оно может быть ниже, например 02%. Тогда, если сечение линии было выбрано по потере напряжения, равной 10%, напряжение на зажимах лампы, присоединенной в конце линии, окажется равным 102—10=92%- Отклонение напряжения для этой лампы будет больше допустимого: 92—100=—8 %.
Линия с нагрузкой
Рис. Б. Линия с нагрузкой, сосредоточенной на конце.
Исходя из этих соображений, при расчете сетей до 1 000 В по потере напряжения величину допустимой потери напряжения принимают в пределах -±—6,5% для промышленных и городских сетей и 7—9% для сельских сетей.

11. ВЫБОР СЕЧЕНИЙ ПРОВОДНИКОВ ПО ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ ТОКА
Правилами устройств электроустановок установлены экономические плотности тока, по которым должны выбираться сечения проводов и кабелей.
Сечение проводника по условию экономической плотности тока определяется по формуле:
(33)
где /—расчетный ток линии, А; /э — экономическая плотность тока, А/мм2.
Экономическая плотность тока для проводов, шин и, кабелей приведена в табл. П-15.  
Экономическая плотность тока зависит от значении продолжительности использования максимума нагрузки.
Продолжительность использования максимума нагрузки. С течением времени нагрузка сети не остается постоянной. Например, осветительная нагрузка достигает максимальной величины вечером, ночью она уменьшается, утром в зимний день вновь увеличивается (утренний максимум обычно ниже вечернего), днем нагрузка снова уменьшается. Суточный график нагрузки меняется по сезонам года. Продолжительностью использования максимума нагрузки данного участка сети называется такое число часов, в течение которого при неизменной нагрузке, равной максимальной для этого участка, потребление электрической энергии в нем было бы равно действительному годовому потреблению. Чем равномерней график нагрузки, тем выше продолжительность использования максимума нагрузки. Если бы нагрузка сохранялась неизменной, продолжительность использования максимума равнялась бы 8 760 ч в году. Чем больше продолжительность использования максимума, тем меньше экономическая плотность тока (см. табл. П-15).
Средние значения числа часов использования максимальной нагрузки приведены в табл. П-16.
При определении сечения по экономической плотности расчетный ток линии должен приниматься из условий нормальной работы линии, увеличение нагрузки линии при аварийных режимах не должно учитываться.
Следует иметь в виду, что при определении экономического сечения по формуле (33) сечение округляется до ближайшего сечения как в сторону увеличения, так и з сторону уменьшения.
1\ указанной в табл. П-15 величине экономической плотности тока вносится поправка в следующих случаях:

 

Рис. 10. Схема линии с одинаковым сечением проводов и различными нагрузками участков.
А. При максимуме нагрузки в ночное время экономическая плотность тока должна повышаться на 40% (поправочный коэффициент /Су=1,4).
Б. Для изолированных проводов сечением (6 мм2 и
менее экономическая плотность тока также увеличивается на 40% (Лу=1,4).

В. Для линий с одинаковым сечением проводов по всей длине, но с различными нагрузками на отдельных участках (рис. 10) экономическая плотность тока для начального участка увеличивается по сравнению с величинами, указанными в табл. П 15, и поправочный коэффициент определяется по формуле
(34)
где 7ij U, ..., /„ — токовые нагрузки отдельных участков линии, А (рис. 1С); li, k, ..., 1п — длины тех же участков линии, км, L — полная длина линии, км, п — число участков линии
Если коэффициент мощности для всех участков линии одинаков, то в формулу (34) для определения поправочного коэффициента можно подставлять вместо токов значения активных нагрузок Pi, Рг, ..., Рп.
Проверке по экономической плотности тока не подлежат:
Сети промышленных предприятий и сооружений напряжением до 1 000 В при использовании максимума нагрузки предприятия до В 01)0—5 000 ч.
Б. Все ответвления к отдельным электроприемникам напряжением до 1 000 В.
Осветительные сети на промышленных предприятиях, в жилых и общественных зданиях, проверенные по потере напряжения.
Сети временных сооружений, а также устройств с малым сроком службы (3—5 лет)
Д. Сборные шины.


Подведем итоги. В настоящей статье были изложены основные положения выбора сечений проводов и кабелей по условиям нагревания, по потере напряжения и по экономичной плотности тока. Кроме того, при выборе сечения провода учитывались условия механической прочности и требования надежного действия аппаратов максимальной токовой защиты при коротком замыкании.
Сечение проводов и кабелей для любого участка сети должно удовлетворять всем этим требованиям. Но во многих случаях решающее значение при выборе сечения имеет одно из упомянутых условий.
Так, например, воздушные сети поселков и колхозов, как правило, рассчитываются по потере напряжения. Расчет по условиям нагревания имеет в данном случае поверочный характер, так как сечения проводов, выбранные по потере напряжения, удовлетворяют условиям нагревания. Напротив, всегда требуется проверка надежности действия токовой защиты при коротком замыкании в удаленных точках сети.
Выбор сечений кабелей пли изолированных проводов силовых сетей промышленных предприятий часто определяется исключительно условиями нагревания. Для таких сетей расчет по потере напряжения и определение надежности действия защиты носят поверочный характер.
Сказанное станет понятым, если учесть, что выбор сечения проводника по условиям нагревания зависит только от нагрузки линии и не зависит от ее длины. При выборе же сечения проводника по потере напряжения играет роль не только нагрузка линии, но также и ее длина. Величина тока короткого замыкания, по которой проверяется надежность действия токовой защиты линии, определяется напряжением сети и сопротивлением линии. Сопротивление линии при прочих одинаковых условиях пропорционально длине линии.
Поэтому сечения проводников силовых сетей промышленных предприятий с большой плотностью нагрузки при малой длине линий выбираются по условиям нагревания, сечения же протяженных и слабонагруженных линий воздушных сетей жилых поселков, колхозов и совхозов определяются величиной потери напряжения и условием механической прочности. В табл. П-17 и П-18 приведены марки установочных проводов и шнуров и указания по выбору способа проводки в осветительных сетях в зависимости от условий среды.

Источник: Карпов Ф. Ф., Как выбрать сечение проводов и кабелей. Москва, 1973.

Предыдущие статьи