Сразу оговорка: речь ведется о проводнике, т.к. он входит в изделия, типа, кабель, шнур, провод. Не совсем корректно вести речь о кабеле. Там, где нужно сделать акцент, я это сделаю.
Аж целые 4 части посвятил подбору сечения кабеля СамЭлектрик.ру, когда нужно было задать всего-то несколько вопросов самому себе и на них ответить. Вот эти вопросы:
- Напряжение сети?
- Род тока переменный или постоянный?
- Что за нагрузка (характер)?
- Длина линии?
- Самый важный вопрос: что защищает автоматический выключатель (автомат) нагрузку или проводник?
Теперь по порядку.
- Напряжение сети? Нужно знать на какое напряжение рассчитана нагрузка. На данный момент нас не интересует напряжение выше 1000 В.
- Род тока постоянный или переменный? С постоянным током в расчетах более менее понятно, с переменным несколько сложнее. Отсюда вопрос под номером 3.
- Что за нагрузка (характер)? Активная нагрузка или реактивная. К активным нагрузкам относятся освещение с лампами накаливания, ТЭН и пр., где электроэнергия используется на чистый нагрев. К реактивным все то, где есть катушки индуктивности (электродвигатели, трансформаторы и т.д.). Конденсаторы здесь не в счет, но и для них, если потребуется, найду сил написать пару строк.
- Длина линии? Все зависит от напряжения сети, в основном, т.е. чем ниже напряжение, тем потребность в учете потерь в линии возрастает.
- И наконец самый важный вопрос: что защищает автомат нагрузку или проводник? Не отрываясь от поставленной задачи подбора проводника мой ответ однозначный: автомат защищает нагрузку! И свое убеждение я легко обосную ниже.
Итак, у нас есть нагрузка, которая работает на переменном токе делаем расчет тока нагрузки. Как видите, всегда начинаем делать расчет тока нагрузки. Этим мы заведомо закладываем условие, что защищаем нагрузку, о проводнике чуть дальше. Обратимся к п. 433.2 из ГОСТ Р 50571.5.52-2011, но сразу приведем к удобному прочтению, убрав некоторые шероховатости.
Подбор автоматического выключателя должен отвечать условию:
Iн < Iа (А) [1],
где Iн – расчетный ток нагрузки, Ia – номинальный ток автомата.
А подбор проводника должен отвечать условию:
Iа ≤ Iтр ≤ Iк (А) [2],
где Iтр = 1,45 × Ia [3] – ток теплового расцепителя автомата, Iк – допустимый длительный ток проводника из ПУЭ, главы 1.3, можно по ГОСТ Р 50571.5.52-2011. Оба документа действующие, значит можно использовать любой. Поверьте, расхождений мало, в ГОСТ Р 50571.5.52-2011 несколько шире подбор, но в рамках данной статьи достаточно ПУЭ, главы 1.3.
Автомат подбирается по условию [1], т.е. его номинальное значение не должно быть ниже расчетного, но номинальный ток автомата всегда немного выше расчетного, поэтому для условия [2] нужно принимать во внимание Iа. Практически в каждом автомате имеется тепловой расцепитель, ток которого больше номинального в 1,45 раз, т.е. Iтр заведомо будет больше Ia. Но тут есть одно "НО", некоторые автоматы не имеют теплового расцепителя, не обращаем внимание. Допустимый длительный ток проводника (Iк) уже больше или равен току теплового расцепителя. И что защищает автомат? Однозначно нагрузку. Если Iк больше Ia, а Ia больше Iн, значит в случае с проблемами с нагрузкой, автомат отключит ее (нагрузку), а проводник даже не среагирует на проблемы. Проводник, находящийся в середине цепи между нагрузкой и автоматом будет всегда больше по току и тока нагрузки, и номинального тока автомата.
Да, тут могут появиться такие, кто сошлется п. 12.6 из СП 256.1325800.2016, который гласит: "Сечение проводов и кабелей выбираются, исходя из расчетного тока нагрузки в нормальном и послеаварийном режимах, в зависимости от способа прокладки по ГОСТ Р 50571.5.52-2011 и проверяются по потере напряжения. Сечения питающих проводников определяют по суммарному току всех присоединенных аппаратов с учетом коэффициентов одновременности". Иными словами, кабель подбирается согласно расчету тока нагрузки, соответственно, автомат – по кабелю. Данная фраза противоречит ГОСТ Р 50571.5.52-2011. Нужно руководствоваться ГОСТ, т.к. СП (свод правил) – это выдержки из определенной НТД и, как правило, опираются на ГОСТ, а не наоборот. В СП 256.1325800.2016 в главе 2 "Нормативные ссылки" дана ссылка на ГОСТ Р 50571.5.52-2011. СП свежее? Правильно, сначала вышел ГОСТ, основываясь на нём, вышли СП.
Тут могут меня пнуть, мол, Минэнерго открестилось от своих правил (ПУЭ), добавив строчку, что данные правила можно использовать добровольно. Добавлю к слову "добровольно" их не менее любимое "принудительно". Минэнрего очень большая организация, которая вправе выпускать свою нормативно-техническую документацию (НТД). В части электрооборудования с ним даже не менее мощные РЖД не желают связываться, ибо так или иначе энергетика принадлежит Минэнерго, поэтому при проектировании, если проектировщик указал ПУЭ, ошибки не будет. И вообще, Минэнерго любит свое детище, и в случае грандиозного шухера этими правилами отхлещет по мордасам от всей души. Да, устарели правила, жаль, что не хотят обновлять... Но когда появится такое, что ПУЭ не действует, тогда можно немного согреться, запалив ими небольшой костер. Я хотел бы увидеть обновленные ПУЭ, но не такие кастрированные, как ПТЭЭП.
Что-то я отвлекся. Давайте посмотрим на примерах.
Для всех вариантов есть асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (ЭД), номинальной мощностью Pн=22 кВт, коэффициент мощности cosφ=0,85, коэффициент полезного действия КПД=0,84. Напряжение трехфазной сети U=400 В. Условие: подобрать аппарат защиты (автомат), подобрать алюминиевый четырехжильный кабель в ПВХ-изоляции, небронированный, проложенный открыто, для линии 600 м, потери в линии не более 5 %.
Рассчитаем ток трехфазной нагрузки:
Iн = Pн / (U * cosφ * КПД * √(3)), А [4]
√3 ≈ 1,73
Iн = 22 / (0,4 * 0,85 * 0,84 * 1,73) = 44,53 А
Ток однофазной нагрузки:
Iн = Pн / (U * cosφ * КПД), А
Необходимо на этом этапе учесть тепловой коэффициент Kт. Это показатель или учет того, где и как будет установлен наш автомат. Если автомат будет установлен в коробке или вообще открыто один, тогда Kт = 1, а если в группе (два и более, открыто или в щите) - тогда Kт = 0,85. Пусть наш автомат будет установлен в группе, т.е. Kт = 0,85, т.е. тепловой ток:
Iт = Iн / Kт, А [5]
Iт = 44,53 / 0,85 = 52,39 А
По условию [1] подбираем автомат, точнее номинальный ток автоматического выключателя. Смотрим какой ближайший, это Ia = 63 А.
Теперь на этом этапе подбираем сечение проводника, в нашем случае необходимо подобрать кабель (условие выше). А что, такие показатели как пусковой ток и прочие параметры учитывать не будем? Не будем! Остальные параметры, пусковой ток и пр., необходимы для подбора время-токовой характеристики (ВТХ) электромагнитного расцепителя автомата. На подбор сечения проводника (в нашем случае кабеля) никак не влияют. Здесь влияет ток теплового расцепителя автомата, т.к. этот расцепитель медленный и влияет на работу кабеля.
По формуле [3] считаем ток теплового расцепителя автомата:
Iтр = 1,45 * 63 = 91,35 А
По условию [2] и по таблице 1.3.7 ПУЭ выбираем ток для трехжильного кабеля, проложенного в воздухе, 110 А и сечение 50 мм². Ниже смотрим сноску, что у нас-то четырехжильный кабель, значит 110 * 0,92 = 90,2 А, а это уже сечение жилы 35 мм².
Вот таким нехитрым способом я обосновал, что автомат защищает нагрузку, в нашем примере это ЭД 22 кВт, а кабель (проводник) подобран по автоматическому выключателю. Но я еще не закончил, необходимо рассчитать потери.
Потери в линии трехфазной сети:
ΔU = L * (P * r + Q * x) / (U * n), В [6]
Потери в линии однофазной сети:
ΔU = 2 * L * (P * r + Q * x) / (U * n), В
Потери в линии для сети постоянного тока:
ΔU = 2 * L * P * r / (U * n), В
где L - длина линии в, км; r - удельное активное сопротивление, Ом/км; x - удельное реактивное сопротивление, Ом/км; P - активная мощность ЭД, кВт; Q - реактивная мощность ЭД, квар; U - напряжение сети, кВ; n - количество параллельных цепей в линии, в нашем случае n = 1. В таблице по этой ссылке я собрал удельные сопротивления при температуре окружающей среды +35 °С для сечений медных и алюминиевых проводников и выложил, можете пользоваться.
Для расчета необходимо знать реактивную мощность. Для этого рассчитаем активную мощность [7], полную мощность [8] и выделим из нее реактивную [9].
P = Pн / КПД, кВт [7]
P = 22 / 0,84 = 26,19 кВт
S = P / cosφ, кВА [8]
S = 26,19 / (0,85) = 30,81 кВА
Q = √(S² - P²), квар [9]
Q = √(30,81² - 26,19²) = 16,23 квар
Считаем потери в линии трехфазной сети для четырехжильного алюминиевого кабеля 35 мм² по формуле [6]:
ΔU = 0,6 * (26,19 * 0,823 + 16,23 * 0,1231)/0,4 = 35,33 В
Но по условию нам необходимо знать, какие потери напряжения в процентном соотношении:
ΔU% = ΔU * 100 / U [10]
ΔU = 35,33 * 100 / 400 = 8,83 %
По условию нам необходимо добиться потерь не более 5 %, поэтому увеличиваем сечение до 70 мм² и пересчитываем по формулам [6] и [10]:
ΔU = 0,6 * (26,19 * 0,412 + 16,23 * 0,1184)/0,4 = 19,07 В
ΔU = 19,07 * 100 / 400 = 4,77 %
Вот теперь полный порядок. Автомат имеет номинальный ток 63 А, подобран кабель с алюминиевыми жилами сечением 70 мм².
Разберем реальный пример. Наш ЭД крутит какой-то очень важный насос, в пусковой аппаратуре у него нет теплового реле и другой защиты, потому что в случае аварии этот насос должен отработать до конца и выполнить свой долг, умерев на боевом посту. Из всей защиты - автомат. Ящик с автоматом, пускателем и выключателем управления находится при входе в тоннель, сам насос где-то в тоннеле, длина кабельной линии до двигателя насоса 600 м, алюминиевый кабель проложен открыто.
Вариант 1: автомат подобран по нагрузке, кабель подобран по автомату, сделана компенсация потерь в линии повышением сечения жил кабеля. Вот, никакой аварийной обстановки не наблюдается, все спокойно, но механизм насоса начал хандрить, что дает дополнительную нагрузку на наш ЭД. Начинает повышаться тепловой ток, который доходит до предельного значения тока на тепловом расцепителе или Iтр = 1,45 * 63 = 91,35 А. Ток 91,35 А для кабеля 70 мм² никакой совсем, но автоматический выключатель отреагирует на проблему с ЭД, а кабель ничего не почувствует. Автомат точно сработает, ведь мы компенсировали потери в линии. Достаточно устранить проблему с насосом и запустить агрегат. ЭД при этом не пострадает, т.к. в нем закладывается определенная надежность по температуре, что тепловой расцепитель автомата при таком подборе срабатывает быстрее, чем нагреваются обмотки ЭД.
Что будет, если воспользоваться тем, что указывает п. 12.6 из СП 256.1325800.2016?
Придется пересчитать всё, хотя ток нагрузки Iн = 44,53 А, активная P = 26,19 кВт и реактивная Q = 16,23 квар мощности нам уже известны. Подберем из ПУЭ по таблице 1.3.7 кабель, сечение которого составит 16 мм². Номинальный ток автомата будет такой же Iн = 63 А, который уже на 3 А больше допустимого длительного тока кабеля. Рассчитаем потери, ведь этого требуют СП, но сразу рассчитаем потери для того кабеля, на котором они, потери, будут минимальные, т.е. для сечения кабеля 70 мм²:
ΔU = 0,6 * (26,19 * 0,412 + 16,23 * 0,1184)/0,4 = 19,07 В
ΔU = 19,07 * 100 / 400 = 4,77 %
И подберем автомат по току кабеля сечением 70 мм². Допустимый длительный ток для алюминиевого четырехжильного кабеля, проложенного в воздухе, составляет 140 А, значит номинальный ток автоматического выключателя должен быть 160 А, что на 20 А больше допустимого длительного тока кабеля. У такого автомата ток теплового расцепителя (расчетный) 1,45 * 160= 232 А. Вот интересно, когда автомат поймет, что нагрузке плохо? Когда она, нагрузка, будет полыхать синим пламенем? И кабель тоже пострадает, т.к. 232 А куда больше 140 А.
Вариант 2: кабель подобран по нагрузке, сделана компенсация потерь в линии повышением сечения жил кабеля, автомат подобран по кабелю. Вот, никакой аварийной обстановки не наблюдается, все спокойно, но механизм насоса начал хандрить, что дает дополнительную нагрузку на наш ЭД. Начинает повышаться тепловой ток, который доходит до предельного тока на тепловом расцепителе или Iтр = 1,45 * 160 = 232 А... А дойдет ли ток до 232 А на ЭД? Не думаю. Пяти или даже шестикратную надежность никто в ЭД закладывать не будет. При таком подборе сгорит ЭД, сгорит кабель, а автомат отработает тогда, когда уже будет реальное короткое замыкание. А может и до КЗ не дойдет, и автомат не отключит линию. В результате и насос крякнул совсем, и двигатель сгорел, и кабель годится на металлолом - три в одном.
Поэтому рассчитывается ток нагрузки, подбирается номинальный ток автоматического выключателя с учетом теплового тока для группы автоматических выключателей, рассчитывается ток теплового расцепителя, по току теплового расцепителя подбирается сечение проводника хоть по ПУЭ, хоть по ГОСТ.
Сделать хотел короткую статью, не получилось, пришлось лишней воды подлить. Если интересно, подписывайтесь на мой канал, будет еще интересней.
За всё, что вы увидели здесь автор ответственности не несет.