Особенности расчета цеховых электрических сетей

Основной задачей электрических расчетов является выбор сечений кабелей, проводов, шинопроводов и защитных аппаратов для всех уровней системы электроснабжения на напряжении до 1 кВ. Выбранные сечения должны обеспечивать допустимые отклонения напряжения на зажимах всех ЭП, нормируемые стандартом по качеству электроэнергии. Для каждого участка цеховой сети по рассчитанному получасовому максимуму нагрузки и значению максимального пускового или пикового тока выбирается сечение проводника, а также тип и значения уставок аппаратов защиты от ненормальных режимов в сети: длительных, не предусмотренных перегрузок сети и коротких замыканий.

Исходными данными для проведения расчетов являются схема цеховой электрической сети с расположением аппаратов защиты, U_н сети, расчетные получасовые максимумы нагрузки каждого участка сети P_max, пиковые (пусковые) токи на различных уровнях схемы, номинальные мощности ЭП.

Выбор сечения проводника связан с выбором аппаратов защиты, поэтому выбор сечения проводника цеховой сети и защитных аппаратов выполняется совместно.

Для сетей напряжением до 1 кВ определяющим в выборе сечения проводника являются не экономические, а технические требования и условия: нагрев проводников, их механическая прочность, потери напряжения, термическая устойчивость к токам КЗ.

Согласно рекомендаций ПУЭ расчету по экономической плотности тока не подлежат силовые сети до 1 кВ при числе часов использования максимума нагрузки (Т_м) менее 4000-5000 часов и все осветительные сети.

В связи с многообразием режимов работы ЭП (по Т_м), совместным питанием силовой и осветительной нагрузок в проектной практике при расчете цеховых сетей напряжением до 1 кВ любого назначения фактор экономической плотности тока, как правило, не учитывается [12]. Практически по экономической плотности тока рассчитываются лишь сети постоянного тока в электролизных установках, для которых Т_м ³8000 часов. Практика показала, что выбранные по экономической плотности тока сечения проводников в сетях напряжением до 1 кВ в 2-3 раза превышают расчетные сечения по техническим условиям.

Выбор сечений проводников по техническим условиям включает:

- выбор по условиям теплового нагрева;

- по их пропускной способности и условиям защиты;

- потерям напряжения;

- термической стойкости к токам КЗ;

- механической прочности.

На механическую прочность проверяются голые провода и принимаются сечения из условий механической прочности для алюминиевых проводов S ³ 35 мм² и стальных S ³ 25 мм².

4.2. Расчет электрической сети напряжением до 1 кВ
по условиям нагрева и защиты

Сечение проводника в основном зависит от величины расчетного тока (I_m), от того, требуется ли защищать сеть от перегрузки или нет, от температурных условий окружающей среды, характера помещения и типа изоляции проводника. Прежде необходимо выбрать марку проводника, определиться с условиями его прокладки и затем выполнять расчет.

Сечение проводников цеховой сети выбирается по расчетному току нагрузки таким образом, чтобы проводники при токах нагрузки, соответствующих работе в длительном режиме и условиям нормированной для них температуры среды, не перегревались бы сверх допустимых пределов.

Минимально допустимое сечение проводника - такое сечение, при котором проводник, имея начальную температуру, равную максимальной длительно допустимой Q_{дл доп}, нагревается током КЗ до предельно допустимой температуры по условиям термической стойкости.

За расчетный ток нагрузки принимается максимальная токовая нагрузка за получасовой интервал времени I_m, вычисленная по (2.18).

Выбор сечения проводников производится по таблицам ПУЭ «Длительно допустимые нагрузки», при этом должно быть выполнено условие, когда

I_m £ I_доп, (4.1)

где I_доп - длительно допустимый ток нагрузки на провода, кабели и шины для данного сечения по ПУЭ.

Значения I_доп для некоторых марок проводок и кабелей приведены в приложении (табл. П4.1) и в [10].

При прокладке нескольких кабелей и более четырех проводов в одной трубе, траншее, лотке, коробе и т.п. в расчетную формулу (4.1) вводится коэффициент К_прокл , поправочный коэффициент на условия прокладки проводов и кабелей

(4.2)

При нормальных условиях (на открытом воздухе, один кабель)

К_прокл = 1,0; в остальных случаях его значение определяется по табл. 1.3.3 ПУЭ. Например, К_прокл = 0,68 - для 5-6 проводов в одной трубе, К_прокл = 0,63 - для 7-9 проводов.

Выбранное сечение проводника по условиям нагрева длительным током проверяется по нагреву током послеаварийного режима I_m.ав (в условиях двухтрансформаторных цеховых ТП и нескольких кабелей одной линии):

(4.3)

где К_пер - коэффициент допустимой кратковременной перегрузки кабелей и проводов.

Выбранное сечение проводника по условиям нагрева должно быть согласовано с аппаратом защиты этого проводника по условию:

(4.4)

где К_з - коэффициент защиты или кратность защиты, т.е. отношение длительно допустимого тока для провода или кабеля к номинальному току или току уставки срабатывания защитного аппарата при перегрузке или КЗ. К_з определяется по табл. 4.1, составленной на основе §§ 3.1.9-3.1.12 ПУЭ; I_з - номинальный ток или ток уставки срабатывания защитного аппарата. Что конкретно принимается за I_з , указано в первом столбце табл. 4.1.

Таблица 4.1

Тип защитного аппарата и значения принимаемого тока защиты Iз	Коэффициент защиты Кз или кратность длительно допустимого тока для сетей
При обязательной защите от перегрузки
Провода с резиновой изоляцией или аналогичные по тепловым характеристикам изоляции	Кабели с бумажной изоляцией	Не требующие защиты от перегрузок
Взрыво- и пожароопасные помещения	Не взрыво- и не пожароопасные помещения
Номинальный ток плавкой вставки предохранителей Iз = Iнвст	1,25	1,0	1,0	0,33
Ток уставки срабатывания автоматического выключателя, имеющего только максимальный мгновенно действующий расцепитель Iз = Iуст при кз	1,25	1,0	1,0	0,22
Номинальный ток расцепителя выключателя с нерегулируемой обратнозависимой от тока характеристикой (независимо от наличия или отсутствия отсечки) Iз = Iнрасц	1,0	1,0	1,0	1,0
Ток трогания расцепителя автоматического выключателя с регулируемой обратнозависимой от тока характеристикой (при наличии отсечки) Iз = Iуст при перегрузке	1,0	1,0	0,8	0,66

Из двух условий - 4.2, 4.4 - выбирается сечение проводника, удовлетворяющее обоим условиям. Но в тех случаях, когда по (4.4) не совпадает с данными таблиц допустимых токов, допускается применение проводника ближайшего меньшего сечения, но не менее, чем это требуется по условию 4.2.

4.3. Расчет электрической сети напряжением до 1 кВ по условиям термической стойкости к токам
короткого замыкания

Этим расчетом производится проверка выбранного проводника на его термическую стойкость (устойчивость) к токам КЗ.

Для этого расчета необходимо знать:

- действительное время протекания тока КЗ, равное t = t_защ + t_выкл, где t_защ - время действия защиты и выключающего аппарата, t_выкл;

- установившееся значение тока КЗ, I_¥;

- сверхпереходное значение тока КЗ, I”;

- приведенное время t_пр, в течение которого I_¥ выделяет то же количество тепла, что и изменяющийся во времени ток КЗ за действительное время t.

Приведенное время t_пр определяется составляющими времени периодической t_прп и апериодической t_пра составляющих тока КЗ:

t_пр = t_прп + t_пра .

Значение t_прп при действительном времени t < 5 с находится по кривым зависимости t_{прп =} f(b”) (рис. 4.1), где b” = I”/ I_¥ .

Приведенное время апериодической составляющей тока КЗ

t_пра = 0,005× b”².

При действительном времени t < 1 с величину t_пра не учитывают.

Сечение кабеля на термическую стойкость по трехфазному КЗ проверяется по формуле

(4.5)

где C - коэффициент, соответствующий разности выделенной теплоты в проводнике после и до КЗ. Для кабелей с медными жилами C = 141, с алюминиевыми – C = 85.