Современные автоматические выключатели оснащены электромагнитным расцепителем, срабатывание которого не зависит от времени, т.е. время действия защиты равно практически постоянной величине и не уменьшается с увеличением тока КЗ. Возникают опасения, что температура проводников при этом может выходить далеко за допустимые пределы. Рассмотрим такие случаи с учетом реальных значений токов КЗ и характеристик аппаратов защиты.
Вы читаете статью Филимона Н. - автора и активного комментатора канала СамЭлектрик.ру. Первая часть статьи здесь.
Значения кратностей токов КЗ в сетях до 1 кВ в большинстве случаев лежат в пределах 50. Время отключения при срабатывании автоматических выключателей не превышает 0,04-0,01 с.
Таблица 1 содержит расчёты для кабелей с медными жилами в изоляции ПВХ. Для расчёта использовалось наибольшее время срабатывания защиты при возникновении тока короткого замыкания в соответствии с требованиями п. 1.7.79 ПУЭ - 0,4 секунды.
В таблице 1 приведены сечения трехжильных кабелей и их длительно допустимые токи при прокладке по воздуху ( Iдоп) в соответствии с таблицей 19 ГОСТ 31996-2012. Для защиты кабелей применены автоматические выключатели (для сечений до 25 мм2, как правило, применяются модульные автоматические выключатели). Номинальные токи автоматических выключателей (Iу ) выбраны ближайшими и наибольшими к длительно допустимому току кабелей.
Для этих условий, которые по выполнению защиты очень близки к реальным, сделан расчет температуры жилы в конце КЗ. Расчет выполнялся по формулам (13) - (17). Граница зоны (значения температуры больше 150 С), в которой при адиабатическом процессе нагрева температура жил выходит за допустимые пределы, показана в таблице красным цветом и ломаной линией.
Предельные время-токовые характеристики проводников при адиабатическом процессе нагрева
Выведем из формулы (17, см. первую часть статьи) для медных проводников зависимость времени отключения от кратности тока КЗ, при которой температура проводника в конце КЗ будет равна максимальному допустимому значению, которое не будет превышать его. Такую зависимость можно назвать предельной время-токовой характеристикой проводника.
В случаях, когда характеристика аппарата защиты согласована с предельной время-токовой характеристикой проводника, проводник надёжно защищён от недопустимого перегрева. Согласование характеристик проводника и аппарата защиты означает, что аппарат защиты обеспечивает наименьшее время отключения при тех же значениях тока КЗ, т.е. характеристика аппарата защиты должна совпадать с предельной время-токовой характеристикой проводника.
Согласно ПУЭ температура проводников с поливинилхлоридной изоляцией не должна превышать при КЗ 150°С. Таким образом, в формуле (17) конечная температура жилы должна быть равна 150°С. Ток уставки защиты (номинальный ток автоматического выключателя) примем равным длительно допустимому току проводника. Тогда из формулы (17) следует:
Результаты расчетов по формуле (18) для кабелей с медными жилами при их нагрузке перед КЗ длительно допустимым током (θ_нач= 65 С) приводятся в Таблице 2. Величина длительного допустимого тока проводников принята по данным Таблицы 19 ГОСТ 31996-2012.
Сравнивать время-токовые характеристики аппаратов защиты с данными таблицы 2 можно только тогда, когда ток уставки защиты равен длительно допустимому току проводника. В этом случае одинаковым кратностям соответствуют одинаковые значения тока КЗ уставки защиты.
В большинстве случаев уставки аппаратов защиты превышают длительно допустимые токи проводников. Следовательно, нужно привести кратности ТКЗ к одному и тому же значению тока. Например, в таблице 1 для кабелей сечением 6 мм кратности 10 соответствует ток, равный I_доп K = 46 x 10 = 460 А. Ток уставки аппарата защиты равен 40 А.
Току короткого замыкания 460 А на время-токовой характеристике аппарата защиты соответствует кратность 460/40 = 11,5. Таким образом, в данном случае нужно сравнивать время отключения по таблице 2 для кратности 10 с временем отключения по характеристике аппарата защиты для кратности 11,5.
Надо, однако, иметь в виду, что время-токовые характеристики кабелей в таблице 2 справедливы для адиабатического процесса нагрева и позволяют при сравнении их с характеристиками аппаратов защиты выявить зоны гарантированной защиты проводников. В действительности же, в зоне малых кратностей при относительно большом времени отключения процесс нагрева уже трудно считать адиабатическим, и реальное допустимое время отключения окажется больше указанного в таблице 2.
Характеристики в таблице 2 относятся к крайнему случаю, когда перед коротким замыканием проводник был нагружен длительно допустимым током. Значит, его температура равнялась 65 С. Однако не следует упускать из вида, что в значительном количестве случаев проводник нагружен менее, чем на 100%. Например, если проводник загружен на 70%, то температура его жил равна 450С. Результаты расчета для этих условий даны в таблице 3.
В основу всех расчетов положен адиабатический процесс нагрева проводников, который заведомо дает самые неблагоприятные (предельные) результаты.
Сравнение способов расчёта и некоторые выводы
Метод 1.
Для удобства сравнения выведем формулу наименьшего допустимого по условиям термической стойкости сечения жилы для медных проводников.
Выведем формулу наименьшего допустимого по условиям термической стойкости сечения жилы для алюминиевых проводников. Из формулы (12) следует:
Окончательно получим
По формуле (19) можно определить наименьшее допустимое сечение проводника с медной жилой, если подставить в нее допустимое значение ∆θ, которое определяется как разность допустимой температуры проводника в конце КЗ (θ_кон) и его начальной температуры (θ_нач). То есть, при определении наименьшего допустимого сечения проводника формула (20) принимает вид:
С учетом этих преобразований формулу (19) для определения наименьшего допустимого по условиям термической стойкости сечения медных проводников можно представить в виде:
Метод 2.
ВНИИ кабельной промышленности предложило рассчитывать наименьшее допустимое по термической стойкости сечения медных проводников по формуле:
K_2 - коэффициент, значения которого для различных начальных условий в указанном выше решении заданы. Допустимая температура жил в конце КЗ принята 150 С - для поливинилхлорида.
Значения коэффициента K_2 для медной жилы в изоляции из поливинилхлорида приведены в Таблице 4.
Результаты сравнения приводятся в таблице 5.
АНАЛИЗ, ВЫВОДЫ
1. Рассмотрение процесса нагрева проводника как адиабатического позволяет вывести формулы, которые дают предельные значения конечной температуры жилы кабеля. Температура жилы в реальных условиях не может превышать значений, полученных расчетом для адиабатического процесса.
2. Из таблиц видно, что проводники мелких сечений при КЗ перегреваются значительно сильнее, чем проводники крупных сечений. Объясняется это тем, что плотность длительно допустимого тока для мелких сечений в несколько раз превышает плотность длительно допустимого тока для крупных сечений. За счет большей относительной поверхности охлаждения у тонкого проводника его температура в стационарном режиме даже при большой плотности тока не превышает длительно допустимого значения, одинакового для всех сечений (65°С). Но при адиабатическом процессе, когда теплоотдача из рассмотрения исключается , температура проводников мелких сечений при одинаковой кратности ТКЗ растет значительно быстрее, чем у проводников крупных сечений. Из табл. 3 - 6 видно также, что по мере увеличения
Из таблиц видно, что по мере увеличения сечения кабелей температура их жил в конце КЗ уменьшается и, начиная с некоторого сечения, уже не выходит за допустимые пределы. Так как все расчеты сделаны для адиабатического процесса нагрева, термическая стойкость таких кабелей может быть гарантирована.
3. Для однозначного решения вопросов, связанных с термической стойкостью, необходимы предельные время-токовые характеристики проводников, снятые экспериментально. Особенно это касается зон с небольшими (до шести) кратностями тока КЗ. С такими характеристиками можно было бы сравнивать характеристики аппаратов защиты. Для приблизительной оценки необходимого быстродействия защиты можно использовать результаты расчетов. Сравнение принятого метода расчета термической стойкости проводников (по адиабатическому процессу) со вторым методом из документов нормативного характера показало, что результаты расчетов по двум методам практически совпадают. Это позволяет сделать вывод, что в основе всех рассмотренных здесь методов лежит адиабатический процесс нагрева проводников.
4. Обобщая результаты расчетов, следует сказать, что кабели с пластмассовой изоляцией на напряжение до 1 кВ при заданных в настоящее время предельных значениях температуры (150°С - для поливинилхлорида) можно не проверять на термическую стойкость при КЗ, если медные жилы имеют сечение 16 мм2 и более.
Автор - Филимон Н.
Первая часть статьи:
Статья Андрей Паршина, на которую отвечает Филимон Н.
См. также другие статьи в тему
-----------------------------------
Благодарю за внимание!
Подписывайтесь на Дзен СамЭлектрик.ру и делитесь опытом в комментариях!
Заходите в гости в ВК и ТГ. Там тоже интересно)
Внимание! Автор делится своим мнением и не гарантирует, что всё написанное на этой странице - истина. За ваши действия и за вашу безопасность ответственны только вы!