Расчет и выбор кабеля по экономической плотности

Цель работы: Научить производить выбор сечения проводов и кабелей по экономической плотности тока, проверку сечений по допустимой потере напряжения.

Краткие теоретические сведения

Проводом электрическим называется одна или более изолированных жил (проводников), заключенных в неметаллическую оболочку и предназначенных для передачи электроэнергии на расстояние. Провода подразделяются на неизолированные (для ВЛЭП), монтажные или установочные (для электропроводок в зданиях), обмоточные (для изготовления обмоток электрических машин и трансформаторов)

Кабелем электрическим называется одна или более изолированных жил (проводников), заключенных в металлическую или неметаллическую оболочку, поверх которой в зависимости от условий прокладки и эксплуатации может иметься броня и защитный покров.

Кабели подразделяются на силовые (для передачи и электроэнергии на расстояние), контрольные (для коммутации электрических приборов контроля и устройств управления, защиты и сигнализации).

Питающие сети – это электрические сети от источников питания (энергосистем и электростанций) до главных понизительных подстанций и основных подстанций заводов и объектов на напряжении U=6-10-35-110-220кВ.

Распределительные сети – это электрические сети от главной понизительной подстанции до распределительных пунктов напряжением U=6-10кВ, до цеховых трансформаторных подстанций, высоковольтных электродвигателей насосных станций.

Конструктивное выполнение электрических сетей

Для электрических сетей могут применяться:

- кабели - для радиальных схем электроснабжения заводов;

- неизолированные провода - питающих линий заводов и объектов с напряжением U=35кВ и выше.

Способы выполнения электрических сетей

- в траншеях в земле с покрытием кирпичом

применяются кабели напряжением U = 0,38-6-10кВ на территориях с нормальными средами, на территориях, где отсутствует возможность разлива веществ разрушающие оболочки кабелей и при малом количестве подземных коммуникаций;

- в туннелях и коллекторах с колодцами в земле

применяются кабели напряжением U = 0,38-6-10кВ при большом количестве подземных коммуникаций на территории городов и крупных предприятий;

- на эстакадах и галереях на высоте 2,5-7,5 метров

применяются кабели напряжением U = 6-10кВ на территориях, где существует возможность разлива веществ, которые разрушают оболочки кабелей (шинные, кабельные, химические заводы);

- железобетонные блоки с колодцами и асбестоцементные трубы

применяются кабели напряжением U = 0,38-6-10кВ на территориях, где кабельные линии пересекаются с автомобильными и железными дорогами, при входе кабельных линий в здание или сооружение, на территориях с грунтовыми водами и в агрессивных средах, а также при наличии в земле блуждающих токов, разрушающие броню кабелей;

- кабельные каналы

применяются для кабелей напряжением U = 0,38-6-10кВ в распределительных устройствах трансформаторных подстанций и в электромашинных помещениях цехов.

Для прокладки кабельных линий распределительных сетей заводов, объектов и предприятий напряжением U=0,4-6-10кВ рекомендуется применение кабелей с бронёй и защитным покровом (для защиты кабелей от механических повреждений при земляных работах и коррозии в агрессивной среде) при расстоянии между ними в свету не менее 100мм (ААБ3х50-6; АВВбШв3х50+1х25-1).

Для питающих силовых и осветительных сетей промышленных предприятий, а также для распределительных силовых сетей объектов, заводов, предприятий рекомендуется применение проводов и кабелей с алюминиевыми жилами (кроме электрических сетей, проложенных в помещениях с химически активными средами и взрывоопасных помещений).

Выбор сечения жил проводов и кабелей, питающих и распределительных высоковольтных электрических сетей заводов, предприятий и объектов рекомендуется производить по экономической плотности тока.

Экономическая плотность тока определяется на основании:

- стоимости строительной части линии,

- стоимости потерь электроэнергии в зависимости от исполнения линии электропередач,

- экономии цветных металлов,

- региона, в котором будут прокладываться линия электропередач и других факторов.

С увеличением сечения жил линии повышаются капитальные затраты на её строительство, а с уменьшением сечения жил линии увеличиваются потери электроэнергии и их стоимость. На основе анализа всех факторов, влияющих на величину экономического сечения, в ПУЭ определены экономические плотности тока в А/мм².

Методические указания по выполнению лабораторной работы

1. Выбор марки кабеля или провода и количества жил

Для электрических сетей выше 1000В (6,0;10,0кВ)

рекомендуется применять кабели с бумажной изоляцией, желательно в алюминиевых оболочках (ААБ, ААГ, АГ, АБ).

Для электропроводок осветительных сетей и питающих сетей жилых и общественных зданий

рекомендуется применять провода и кабели с одинаковыми фазными и нулевыми жилами. Провода 4АПВ 1х2,5 мм² (4 одножильных провода), АПВ 3х2,5мм² (один трехжильный провод), АВВГ 4х16 мм² (один четырёхжильный кабель)

Для силовых распределительных сетей напряжением до 1000В

рекомендуется применение изолированных проводов при небольших токах до 50А и кабелей при больших токах более 50А.

Для питающих линий ГПП напряжением U_ВН=35кВ и выше

рекомендуется применение воздушных линий электропередач с неизолированными сталеалюминевыми проводами марки АС.

Для трехфазных силовых электроустановок до 1000В

рекомендуется применение четырёхжильных кабелей с уменьшенным сечением нулевой жилы кабеля, которое должно быть не менее половины сечения фазной жилы (АВВБШв 3х95+1х50).

Таблица 1. Марки кабелей, рекомендуемых для прокладки в земле (траншеях)

¹ Применение кабелей в свинцовой оболочке должно быть в каждом конкретном случае технически обосновано в проектной документации.

² Кабели на номинальное напряжение до 1кВ включительно.

³ Подтверждается опытом эксплуатации.

⁴ Для прокладки на трассах без ограничения разности уровней.

Примечания.

1. Кабели с пластмассовой изоляцией в алюминиевой оболочке не следует применять:

- для прокладки на трассах с наличием блуждающих токов;

- в грунтах с высокой коррозийной активностью.

2. Кабели ААШв не следует применять:

- на трассах с числом поворотов более четырех под углом, превышающим 30 (или более двух поворотов в трубах);

- на прямолинейных участках, имеющих более четырех переходов в трубах длинной более 20м (или более двух переходов в трубах длиной 40м) и более четырех переходов через огнестойкие перегородки или аналогичные препятствия (например, стены зданий) из-за значительной жесткости кабеля и низкой механической прочности защитного шланга.

Таблица 2. Марки кабелей, рекомендуемых для прокладки в воздухе

¹ Применение кабелей в свинцовой оболочке должно быть в каждом конкретном случае технически обоснованно в проектной документации.

² Для одиночных кабельных линий, прокладываемых в помещениях.

³ Для групповых осветительных сетей во взрывоопасных зонах класса В-Iа.

⁴ Применяются при наличии химически активной среды.

⁵ Кабель марки АСБ2лШв может быть использован в исключительно редких случаях с особым обоснованием.

Примечания.

1. Кабели ААШв не следует применять:

- на трассах с числом поворотов более четырех под углом, превышающим 30 (или более двух поворотов в трубах);

- на прямолинейных участках, имеющих более четырех переходов в трубах длинной более 20м (или более двух переходов в трубах длиной 40м) и более четырех переходов через огнестойкие перегородки или аналогичные препятствия (например, стены зданий) из-за значительной жесткости кабеля и низкой механической прочности защитного шланга.

2. Кабели с бумажной пропитанной изоляцией в алюминиевой оболочке с однопроволочными алюминиевыми жилами сечением 3150–3240 мм² не рекомендуется прокладывать на участках трасс с числом поворотов на строительной длине кабеля более трех под углом 90 в кабельных сооружениях промышленных предприятий из-за усилий тяжения, превышающих нормируемые.

³ В четырехпроводных сетях применяют четырехжильные кабели. Прокладка нулевых жил отдельно от фазных не допускается.

⁴ В сетях трехфазной системы допускается применять одножильные кабели, если это приводит к значительной экономии меди или алюминия по сравнению с трехжильными или при невозможности применения кабеля необходимой строительной длины.

2. Выбор сечений жил кабелей и проводов для трансформаторных подстанций

2.1. Для выбора сечений жил проводов и кабелей для трансформаторов подстанции необходимо произвести выбор трансформаторов с учётом суточного графика нагрузок и определить продолжительность использования максимума нагрузок по фактическому графику нагрузок, час/ год.

Т_м = tˊ_м* 365

где:

Т_м – продолжительность использования максимума нагрузки, определяется из исходных данных или из фактического графика нагрузок определённого, при выборе мощности трансформатора, час/ год, tˊ_м – число часов в фактическом суточном графике нагрузки- нагрузка превышает среднюю, час;

365 – число дней в стандартном году, дни.

2.2. Определяется экономическая плотность тока J_эк (А/ мм²) в зависимости от Т_м и типа токоведущих частей по таблице.

Таблица 3. Экономическая плотность тока

Экономическая плотность тока J_эк регламентирована на основе технико-экономических расчетов с учетом стоимости потерь электроэнергии, капитальных вложений в строительную часть линий, экономии цветных металлов.

- для трансформаторов цеховых подстанций с напряжением U_вн =6-10кВ выбирать кабели с алюминиевыми жилами и с бумажной изоляцией;

- для ГПП с напряжением U_вн = 35кВ и выше неизолированные провода для ВЛЭП.

2.3. Определяется максимальный ток, протекающий по питающей линии с учетом максимальной перегрузки трансформаторов

I_м = (1,4*S_{ном. ТР}) /(√3*U_ном )

где:

1,4 – максимально допустимая перегрузка силового трансформатора в послеаварийном режиме;

S_{ном. тр} – номинальная мощность силового трансформатора, кВА;

U_ном - номинальное напряжение силового трансформатора с той стороны для которого выбирается кабель, провод или вводная шина.

2.4. Определяется сечение жилы кабеля для КЛЭП или провода для ВЛЭП

F_эк = I_м /J_эк

Принимается ближайшее стандартное сечение кабеля или провода в мм².

Примечание:

по экономической плотности тока не выбираются:

- сечения жил проводов и кабелей напряжением до 1000В при Т_м нагрузки до 4000час;

- осветительные сети зданий и сооружений до 1000В;

- сборные шины распределительных устройств и подстанций.

Таблица

1. Проверка сечения жил кабелей и проводов

по допустимой потере напряжения

По потере напряжения проверяются все кабели и провода силовых и осветительных сетей напряжением до 1000В и высоковольтные кабельные и воздушные линии электропередач.

3.1 Окончательно потерю напряжения на рассматриваемом участке можно определить в зависимости от типа линии и нагрузки протекающей по данной линии.

Для двухпроводной линии однофазного переменного тока

ΔU% = 200*I*l*(r_o*cosφ + x_o *sinφ)/ U_{ном сети}

Для трёхфазной линии переменного тока

ΔU% = √3*100*I*l*(r_o*cosφ + x_o *sinφ)/ U_{ном сети}

где:

ΔU% - потеря напряжения в %;

I – ток, протекающий по рассматриваемой линии, А;

l – длина, рассматриваемой линии, км или м;

r_o, x_o – удельные активные и индуктивные сопротивления рассматриваемой линии, определяемые в зависимости от предварительно выбранного сечения жилы провода и кабеля по справочной литературе, Ом/ км или мОм/ м;

cosφ, sinφ – параметры, характеризующие нагрузку, протекающую по рассматриваемой линии, определяются из таблицы расчета электрических нагрузок;

U_{ном сети} – номинальное напряжение электрической сети, В;

Таблица

Если определяется потеря напряжения на нескольких участках, то необходимо потери напряжения этих участков сложить и сумму потерь сравнить с допустимой потерей напряжения, которая должна быть не более ΔU%=8%.

Если же потери напряжения превышают величину ΔU%= 8%, то необходимо увеличить сечение жилы кабеля или провода на участке имеющем наибольшую потерю напряжения.

Если же предварительно принято несколько параллельно работающих кабелей для прохождения большого тока, то необходимо при определении потерь напряжения удельные активные и индуктивные сопротивления разделить на количество параллельно работающих кабелей.

Справочные данные

Таблица 4. Длительно допустимый ток для неизолированных проводов

Длительно допустимые токовые нагрузки на силовые кабели с бумажной изоляцией в алюминиевой или свинцовой оболочке приняты исходя из допустимой температуры нагрева жил кабелей при номинальном напряжении до 3кВ не более 80 С, на напряжение 6кВ не более 65 С и на напряжение 10кВ не более 60 С.

Допустимые токовые нагрузки приведены в таблицах. Они приняты из расчета прокладки одного кабеля в траншее на глубине 0,7 –1,0 м при температуре земли 15С и удельном тепловом сопротивлении земли 120 Ом*град/Вт, в воздухе – внутри и снаружи зданий при любом числе проложенных кабелей и температуре 25 С.

Таблица 5. Токовая нагрузка на силовые кабели с бумажной пропитанной изоляцией в свинцовой или алюминиевой оболочке, прокладываемые в земле

Таблица 6. Токовая нагрузка на силовые кабели с бумажной пропитанной изоляцией в свинцовой или алюминиевой оболочке, прокладываемые в воздухе

Таблица 7. Токовая нагрузка на одножильные силовые кабели с бумажной пропитанной изоляцией в свинцовой оболочке, небронированные, прокладываемые в воздухе

Примечание.

В числителе указаны токи для кабелей, расположенных в одной плоскости с расстоянием в свету 35-125 мм, в знаменателе – для кабелей, расположенных вплотную треугольником.

Таблица 8. Токовая нагрузка на трехжильные силовые кабели с обеднено-пропитанной изоляцией, в общей свинцовой оболочке, на напряжение 6кВ, прокладываемые в земле и воздухе

При иных условиях прокладки следует вводить поправочный коэффициент для указанных в таблицах 5-8 допустимых токов нагрузки, пользуясь таблицей 9.

Таблица 9. Поправочные коэффициенты на допустимые длительные токи для кабелей, проложенных в земле, в зависимости от удельного сопротивления земли

Допустимые токовые нагрузки на одиночные силовые кабели, прокладываемые в трубах в земле без искусственной вентиляции, следует выбирать как для тех же кабелей, прокладываемых в воздухе, а при смешанном характере прокладки – как для участка с наихудшими тепловыми условиями, если длина кабеля больше 10м.

В таких случаях рекомендуется применять вставки отрезков кабеля большего сечения.

При прокладке нескольких кабелей в земле (в том числе и при прокладке в трубах) длительно допустимые нагрузки необходимо уменьшать, применяя коэффициенты, приведенные в таблице 9, без учета резервных кабелей. Прокладка нескольких кабелей в земле при расстоянии между ними менее 100 мм не рекомендуется.

Таблица 10. Поправочные коэффициенты на количество работающих кабелей, лежащих рядом в земле (в трубах или без труб)

При эксплуатации систем электроснабжения для кабелей напряжением до 10кВ может допускаться кратковременная перегрузка. Существует два вида допустимых перегрузок: перегрузка за счет недогрузки кабельной линии в нормальном режиме и перегрузка на время ликвидации повреждений. Допустимая перегрузка кабельных линий зависит от значения и длительности максимума нагрузки линии в нормальном режиме и от способа прокладки кабелей. Для кабелей напряжением до 10кВ с бумажной пропитанной изоляцией допустимая перегрузка приведена в таблице 11.

Таблица 11. Допустимая перегрузка КЛ напряжением до 10кВ с бумажной пропитанной изоляцией

При определении длительных токов для кабелей, проводов и шин, проложенных в среде, температура которой отличается от приведенной, применяют поправочные коэффициенты, указанные в таблице 12.

Таблица 12. Поправочные коэффициенты на допустимые токовые нагрузки для кабелей, неизолированных и изолированных проводов и шин в зависимости от температуры земли и воздуха

Контрольные вопросы

1. Что называется нормальными условиями прокладки кабелей?

2. В чём отличие провода от кабеля?

3. Каким образом определяется коэффициент, учитывающий фактическую температуру окружающей среды?

4. Каким образом определяется коэффициент, учитывающий количество рядом лежащих кабелей?

5. Почему коэффициент, учитывающий количество рядом лежащих кабелей очень важен только для кабелей со стальной бронёй?

6. Что называется экономической плотностью тока, от каких параметров она зависит?

7. Какие токоведущие части рекомендуется выбирать по экономической плотности тока?

8. Что произойдёт если ток уставки срабатывания защитного аппарата, будет больше длительно допустимого тока кабеля при фактических условиях прокладки?

9. Какие допустимые отклонения напряжения допускаются для различных типов электроприёмников и чем они обусловлены?

10. Почему для электрических сетей напряжением до 1000В допускается потеря напряжения не более 5%, а для высоковольтных электрических сетей потеря напряжения 6-8%?

11. Почему допускается потеря напряжения не более 3% от трансформаторной подстанции до вводно-распределительного устройства потребителя электроэнергии?