Нагрев кабелей при коротком замыкании (часть 1)
Правильно рассчитанная и надлежащим образом выполненная электрическая сеть не гарантируют исключение возможности возникновения аварийных ситуаций, приводящих к недопустимому перегреву электрических кабелей при возникновении короткого замыкания.
Например, подобная ситуация, как отмечалось в работе Сопротивление цепи фаза - ноль возникает при подключении нагрузки в розеточную сеть через удлинитель. Начиная с некоторой длины добавленного к групповой линии провода удлинителя сопротивление цепи фаза – ноль увеличивается до значения, при котором ток короткого замыкания будет меньше порога срабатывания электромагнитного расцепителя автоматического выключателя. Поэтому при проектировании электроустановок желательно учитывать возможность нештатных условий эксплуатации электропроводки.
В соответствии с ГОСТ Р МЭК 60724-2009 «Предельные температуры электрических кабелей на номинальное напряжение 1кВ в условиях короткого замыкания» температура жил кабеля (до 300 мм2 включительно) с изоляцией из ПВХ пластиката при коротком замыкании не должна превышать 160 градусов. Достижение этой температуры допускается при длительности короткого замыкания до 5 секунд. При такой продолжительности короткого замыкания изоляция кабеля не успевает нагреться до такой же температуры. При более длительных коротких замыканиях предельная температура нагрева жил должна быть уменьшена.
Рассмотрим возникновение подобной ситуации на примере использования автоматического выключателя группы «С». Время – токовая характеристика выключателя приведена на Рис. 1. В приведенных характеристиках выделены зона «a» - тепловой расцепитель и зона «b» - электромагнитный расцепитель. На графике показаны две кривые 1 и 2 зависимости времени срабатывания выключателя от тока, которые показывают пределы технологического разброса параметров выключателя при его изготовлении. Для автоматических выключателей группы «С» в пределах технологического разброса кратность тока срабатывания электромагнитного расцепителя к номинальному току срабатывания теплового расцепителя находится в пределах от 5 до 10. Нас интересует только кривая 2 для переменного тока (АС), показывающая максимальное время срабатывания выключателя.
Как видно из графика на Рис. 1, при незначительном уменьшении тока короткого замыкания ниже порога срабатывания электромагнитного расцепителя время срабатывания автоматического выключателя определяется тепловым расцепителем и достигает величины порядка 6 секунд.
Рис. 1 Время – токовая характеристика автоматов группы С.
Попробуем выяснить, что происходит с кабелями за промежуток времени, в течение которого сработает тепловой расцепитель. Для этого необходимо вычислить зависимости температуры жил кабелей от времени прохождения по ним токов, близких к порогу срабатывания электромагнитного расцепителя.
В Таблице 1 даны расчетные значения температур жил кабелей в зависимости от продолжительности короткого замыкания (при разных токах) для кабеля с медными жилами сечением 1,5 кв. мм. Кабель данного сечения повсеместно используется в осветительных групповых сетях жилых и общественных зданий.
Для вычисления температур жил кабелей использована методика расчета из ГОСТ Р МЭК 60949-2009 «Расчет термически допустимых токов короткого замыкания с учетом неадиабатического нагрева».
Температура жил кабеля определяется по формуле:
Θf = (Θi +β)∙exp(IAD2∙t/K2∙S2) – β (1)
где, Θf - конечная температура жил кабеля оС;
Θi– начальная температура жил кабеля оС;
β – величина, обратная температурному коэффициенту сопротивления при 0 °C, К, для меди β=234,5;
K – постоянная, зависящая от материала токопроводящего элемента, А · с1/2/мм2,для меди K=226;
t – длительность короткого замыкания, с;
S – площадь поперечного сечения токопроводящей жилы, мм2;
ISC - известный максимальный ток короткого замыкания (среднеквадратичное значение), А;
IAD=ISC/ε - ток короткого замыкания, определенный на основе адиабатического нагрева (среднеквадратичное значение), А;
ε – коэффициент, учитывающий отвод тепла в соседние элементы;
X, Y - постоянные, используемые в упрощенной формуле для жил и проволочных экранов, (мм2/с)1/2; мм2/с, для кабелей с медными жилами и изоляцией из ПВХ пластиката X=0,29 и Y=0,06;
Вычисления произведены для температуры кабеля до короткого замыкания 55 градусов. Такая температура соответствует рабочему току, проходящему по кабелю до возникновения короткого замыкания порядка 0,5 – 0,7 от предельно допустимого длительного тока при температуре окружающей среды 30 – 35 градусов. В зависимости от предполагаемых условий эксплуатации электроустановки температура жил кабелей до короткого замыкания при проектировании электрической сети может быть изменена.
Таблица 1
№ |
Тнач, град |
Сеч. жил, мм.кв |
Ток к.з., A |
Температура медных жил кабеля с изоляцией из ПВХ пластиката град., при коротком замыкании длительностью, сек: |
||||||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
6 |
8 |
12 |
20 |
40 |
60 |
120 |
240 |
|||||
1 |
55 |
1,5 |
30 |
57 |
58 |
59 |
61 |
63 |
64 |
67 |
71 |
78 |
82 |
89 |
96 |
|
2 |
55 |
1,5 |
50 |
60 |
64 |
68 |
71 |
77 |
81 |
90 |
103 |
123 |
137 |
161 |
183 |
|
3 |
55 |
1,5 |
70 |
65 |
73 |
80 |
87 |
99 |
109 |
127 |
156 |
204 |
237 |
298 |
359 |
|
4 |
55 |
1,5 |
80 |
68 |
79 |
88 |
97 |
113 |
128 |
153 |
193 |
264 |
314 |
407 |
504 |
|
5 |
55 |
1,5 |
90 |
71 |
85 |
98 |
110 |
131 |
150 |
184 |
240 |
342 |
415 |
558 |
713 |
|
6 |
55 |
1,5 |
100 |
75 |
93 |
109 |
124 |
151 |
176 |
221 |
298 |
442 |
550 |
770 |
- |
|
7 |
55 |
1,5 |
110 |
80 |
101 |
121 |
140 |
175 |
208 |
267 |
370 |
575 |
733 |
- |
- |
|
8 |
55 |
1,5 |
120 |
85 |
111 |
136 |
159 |
203 |
245 |
322 |
461 |
749 |
983 |
- |
- |
|
9 |
55 |
1,5 |
130 |
90 |
122 |
152 |
180 |
236 |
288 |
389 |
575 |
982 |
- |
- |
- |
|
10 |
55 |
1,5 |
140 |
96 |
134 |
170 |
205 |
273 |
340 |
470 |
720 |
- |
- |
- |
- |
|
11 |
55 |
1,5 |
150 |
103 |
147 |
190 |
233 |
318 |
402 |
569 |
904 |
- |
- |
- |
- |
|
12 |
55 |
1,5 |
160 |
110 |
162 |
214 |
265 |
369 |
474 |
691 |
- |
- |
- |
- |
- |
Из Таблицы 1 видно, что максимальный ток короткого замыкания (при несрабатывании электромагнитного расцепителя), который не вызывает нагрев жил выше 160 градусов за время 6 секунд равен примерно 100 А. То есть кабель с сечением 1,5 мм2 можно защищать автоматическим выключателем группы «С» с номинальным током не более 10А.
При изготовлении кабелей сечение жил часто занижают. Занижение сечения на 10% обычное явление. На рынках не сложно найти кабели и с большим занижением сечения.
В Таблице 2 даны расчетные значения температур жил кабелей при занижении сечения на 10%. Как видно из таблицы, такой кабель автоматический выключатель С10 защищает не со 100 процентной надежностью.
Для наиболее ответственных объектов, в особенности имеющих строительные конструкции из сгораемых материалов, целесообразно выбор автоматического выключателя при проектировании электроустановки осуществлять по Таблице 3, в которой сечения жил даны с 20% занижением. Защиту таких кабелей обеспечит автоматический выключатель С6, либо В10, у которого кратность тока срабатывания электромагнитного расцепителя к номинальному току срабатывания теплового расцепителя находится в пределах от 3 до 5. Это позволит существенно увеличить надежность электропроводки.
Таблица 2
№ |
Тнач, град |
Сеч. жил, мм.кв |
Ток к.з., A |
Температура медных жил кабеля с изоляцией из ПВХ пластиката град., при коротком замыкании длительностью, сек: |
||||||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
6 |
8 |
12 |
20 |
40 |
60 |
120 |
240 |
|||||
1 |
55 |
1,35 |
30 |
57 |
59 |
60 |
62 |
64 |
66 |
69 |
74 |
82 |
87 |
95 |
102 |
|
2 |
55 |
1,35 |
50 |
61 |
66 |
70 |
74 |
81 |
87 |
97 |
112 |
136 |
152 |
179 |
204 |
|
3 |
55 |
1,35 |
70 |
67 |
77 |
86 |
94 |
108 |
121 |
142 |
176 |
235 |
274 |
347 |
418 |
|
4 |
55 |
1,35 |
80 |
71 |
84 |
96 |
107 |
126 |
144 |
174 |
223 |
310 |
370 |
485 |
603 |
|
5 |
55 |
1,35 |
90 |
75 |
92 |
108 |
122 |
148 |
171 |
213 |
282 |
409 |
501 |
681 |
876 |
|
6 |
55 |
1,35 |
100 |
80 |
102 |
121 |
140 |
174 |
205 |
261 |
357 |
542 |
681 |
965 |
- |
|
7 |
55 |
1,35 |
110 |
86 |
112 |
137 |
160 |
204 |
245 |
320 |
453 |
720 |
931 |
- |
- |
|
8 |
55 |
1,35 |
120 |
92 |
124 |
155 |
184 |
240 |
293 |
393 |
576 |
964 |
- |
- |
- |
|
9 |
55 |
1,35 |
130 |
99 |
138 |
175 |
212 |
283 |
351 |
484 |
735 |
- |
- |
- |
- |
|
10 |
55 |
1,35 |
140 |
106 |
153 |
199 |
244 |
333 |
421 |
596 |
941 |
- |
- |
- |
- |
|
11 |
55 |
1,35 |
150 |
114 |
170 |
226 |
281 |
392 |
505 |
736 |
- |
- |
- |
- |
- |
|
12 |
55 |
1,35 |
160 |
124 |
189 |
256 |
323 |
462 |
607 |
912 |
- |
- |
- |
- |
- |
Таблица 3
№ |
Тнач, град |
Сеч. жил, мм.кв |
Ток к.з., A |
Температура медных жил кабеля с изоляцией из ПВХ пластиката град., при коротком замыкании длительностью, сек: |
||||||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
6 |
8 |
12 |
20 |
40 |
60 |
120 |
240 |
|||||
1 |
55 |
1,2 |
30 |
58 |
60 |
62 |
63 |
66 |
68 |
72 |
78 |
87 |
92 |
101 |
109 |
|
2 |
55 |
1,2 |
50 |
63 |
69 |
74 |
79 |
87 |
94 |
106 |
124 |
153 |
171 |
203 |
232 |
|
3 |
55 |
1,2 |
70 |
70 |
82 |
93 |
103 |
121 |
136 |
163 |
205 |
277 |
326 |
415 |
503 |
|
4 |
55 |
1,2 |
80 |
75 |
91 |
106 |
120 |
144 |
166 |
204 |
266 |
375 |
452 |
597 |
747 |
|
5 |
55 |
1,2 |
90 |
80 |
102 |
121 |
139 |
172 |
202 |
255 |
344 |
508 |
628 |
865 |
- |
|
6 |
55 |
1,2 |
100 |
87 |
114 |
139 |
162 |
206 |
246 |
319 |
446 |
692 |
880 |
- |
- |
|
7 |
55 |
1,2 |
110 |
94 |
127 |
159 |
189 |
246 |
300 |
400 |
579 |
949 |
- |
- |
- |
|
8 |
55 |
1,2 |
120 |
101 |
143 |
183 |
221 |
295 |
366 |
502 |
756 |
- |
- |
- |
- |
|
9 |
55 |
1,2 |
130 |
110 |
161 |
210 |
258 |
353 |
447 |
631 |
992 |
- |
- |
- |
- |
|
10 |
55 |
1,2 |
140 |
120 |
181 |
241 |
302 |
423 |
546 |
797 |
- |
- |
- |
- |
- |
|
11 |
55 |
1,2 |
150 |
131 |
204 |
278 |
353 |
508 |
670 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
12 |
55 |
1,2 |
160 |
143 |
230 |
320 |
413 |
611 |
823 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
Виктор Чернов
17 марта 2013 г.