Ваш браузер устарел. Рекомендуем обновить его до последней версии.

 

                     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.

              Ко второй части статьи   

              К ОГЛАВЛЕНИЮ