2014-02-17
4418
Задачей расчета кабельной сети является выбор типа кабелей различных участков сети и определение площади сечения жил кабеля, которые, будучи достаточно экономичными, обеспечивали бы подвод к потребителям электроэнергии с напряжением, достаточным для их нормальной работы, не перегреваясь выше допустимой величины.
Расчет кабельной сети слагается из следующих этапов:
1) выбор типа кабелей;
2) определение расчетных нагрузок;
3) расчет площади сечения по экономическим факторам;
4) выбор площади сечения кабеля по нагреву;
5) выбор кабеля по механической прочности;
6) проверка кабельной сети по допустимой потере напряжения при нормальной работе электроприемников;
7) проверка кабельной сети по пусковому режиму и режиму опрокидывания наиболее мощного и удаленного электродвигателя;
8) проверка кабельной сети на колебания напряжения на зажимах двигателя;
9) проверка кабельной сети на токи короткого замыкания.
В подземных горных выработках должны применяться кабели с оболочками и защитными покровами, не распространяющими горение:
– для стационарной прокладки по капитальным выработкам с углом наклона свыше 450 − бронированные кабели с проволочной броней в свинцовой или поливинилхлоридной оболочке с резиновой поливинилхлоридной или бумажной обедненно пропитанной изоляцией;
– для прокладки в горизонтальных и наклонных (до 45°) выработках – бронированные кабели с ленточной броней и бумажной нормально пропитанной изоляцией (допускается присоединять стационарно установленные электродвигатели с пусковым аппаратом гибким кабелем, если вводные устройства этих двигателей рассчитаны для присоединения только гибкого кабеля);
– для присоединения передвижных участковых подстанций и распределительных пунктов участков – бронированные кабели на напряжение 6 кВ и 660 В повышенной гибкости и прочности ЭВТ (допускается для этих целей применять бронированные кабели других марок с проволочной или ленточной броней, присоединять распределительные пункты к передвижным подстанциям гибким кабелем; при этом для питания распределительных пунктов на напряжение 660 В, а также распределительных пунктов, расположенных в тупиковых выработках шахт, опасных по газу, независимо от напряжения должны применяться гибкие экранированные кабели);
– для питания передвижных горных машин и механизмов, укомплектованных электроприемниками на напряжение 380 или 660 В, – гибкие экранированные кабели (во всех шахтах, за исключением опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа, для электроустановок напряжением 380 В временно допускается применять гибкие неэкранированные кабели типа КРПСН);
– для стационарных осветительных сетей – бронированные кабели в свинцовой или поливинилхлоридной оболочке, а также гибкие кабели;
– для контрольных цепей и цепей управления при их стационарной прокладке бронированные кабели в свинцовой или полихлорвинилхлоридной оболочке, а также гибкие силовые кабели (для передвижных установок должны применяться только гибкие кабели);
– для линий общешахтной, диспетчерской и аварийной телефонной связи – только шахтные телефонные кабели с медными жилами и пластмассовой изоляцией; с пластмассовой негорючей или самозатухающей оболочкой и металлической броней (допускается в исключительных случаях применять телефонные кабели без металлической брони);
– для искробезопасных цепей сигнализации, телеконтроля и диспетчеризации – отдельные шахтные телефонные кабели и свободные жилы в кабельных линиях связи;
– для питания ручных электросверл участок линии от муфты до электросверла должен выполняться особо гибким экранированным кабелем типа ШРБЭ.
Для питания электроэнергией подъемных установок, компрессорных станций, вентиляторов кабель прокладывают в специальных канавах, трубах, по стенкам и потолкам внутри зданий, а вне зданий – в газовых трубах и земляных траншеях глубиной не менее 0,7 м.
Расчет кабельной сети производится по формулам:
– кабели, питающие одиночные электродвигатели, – номинальный ток принимается за расчетный и определяется по формуле
где Р н.эв − номинальная мощность электродвигателя, кВт; U н – номинальное напряжение сети, В; cos φ n − номинальный коэффициент мощности электродвигателя;
– кабели, питающие группу электродвигателей, которые работают одновременно, расчетный ток
где Σ Р н.эв − суммарная номинальная мощность двигателей, кВт; cos φср.взв − номинальный средневзвешенный коэффициент мощности двигателей;
– кабели, питающие группу электродвигателей, которые работают неодновременно:
где k c – коэффициент спроса.
Выбор площади сечения кабеля по нагреву сводится к определению площади сечения жил кабеля из таблиц длительно допускаемых нагрузок по расчетному току нагрузки.
Площадь сечения кабеля (мм2):
S эк = I p / i эк,
где i эк – предельная экономическая плотность тока.
Для каждого типа приемника электрической энергии существуют установленные на основании опыта эксплуатации механизмов площади сечения кабелей, которые обеспечивают достаточную механическую прочность.
Чрезмерные изменения напряжения на зажимах асинхронных электродвигателей могут привести к различным нежелательным последствиям: перегреву, опрокидыванию, остановке электродвигателя и пр.
Электродвигатели горных машин конструируются таким образом, что работают без значительного изменения своих параметров при напряжениях, отличающихся от номинального напряжения не более чем на 5–7%.
Суммарная потеря напряжения в сети до зажимов любого электродвигателя равна
ΣΔ U = Δ U тр+Δ U бк+Δ U гк ,
где Δ U тр, Δ U бк, Δ U гк − потери напряжения соответственно в трансформаторе, бронированном и гибком кабелях, В.
Необходимо, чтобы ΣΔ U ≤ Δ U доп.
Потери напряжения Δ U (%) в трансформаторе рассчитываются по формуле
Δ U тp = B (U acosφ2+ U psinφ2),
где В – коэффициент загрузки трансформатора, представляющий собой отношение фактической (расчетной) нагрузки трансформатора к его номинальной (паспортной) мощности S тp.расч/ S ном; U a= (P кз/ S тр)·100 – относительная величина активной составляющей напряжения короткого замыкания трансформатора, %;
− относительная величина реактивной составляющей напряжения короткого замыкания, %; Р к.з – потери короткого замыкания трансформатора (нормируются ГОСТом, приводятся в каталогах по трансформаторам); U к.з − напряжение короткого замыкания; Sтр − номинальная мощность трансформатора, кВт.
Далее максимальную площадь сечения кабеля, выбранную по одному из указанных выше факторов, проверяют на допустимость потери напряжения:
Δ U k =
I p k ρ L cosφ/ S,
где I р – рабочий ток электродвигателя, A; k = 1,1÷1,2 – коэффициент, учитывающий относительную величину индуктивного сопротивления кабеля; ρ – удельное сопротивление жилы кабеля, Ом·м/мм2; L – длина кабеля, м; S – площадь сечения жилы кабеля, мм2.
Зная допустимое значение потери напряжения, можно определить площадь сечения кабеля (мм2), например фидерного:
S ф.к = (Р р L ф. к·k· l03)/(50 Δ U доп. ф.к · U н),
где Р р – мощность, передаваемая по кабелю, кВт; L ф.к – длина кабеля, м; Δ U доп.ф.к − допустимая потеря напряжения в фидерном кабеле:
где P н − номинальная мощность двигателя, питаемого от гибкого кабеля, кВт; L г.к., S г.к − соответственно длина и площадь сечения гибкого кабеля, м и мм2; U н– номинальное напряжение, В.
Выраженная через силу тока площадь сечения кабеля равна
При питании асинхронных двигателей, мощность которых соизмерима с мощностью трансформатора, площади сечений кабелей должны быть проверены на условия пуска наиболее мощного и удаленного двигателя, так как толчок пускового тока в зависимости от конструкции двигателя может колебаться от пяти- до семикратной величины по сравнению с номинальным током. Поэтому потери напряжения в сети могут достигать такой величины, что пусковой момент асинхронного двигателя, пропорциональный квадрату напряжения, может оказаться недостаточным для преодоления пусковых сопротивлений на его валу и резкое падение напряжения будет влиять на работу магнитных пускателей других приемников тока, питающихся от данного трансформатора.
Для обеспечения нормальной работы остальных двигателей при пуске наиболее мощного двигателя необходимо выполнить условие
δ U 2эв.н − т м ≥ 1,1 ·k з ,
где δ U 2эв.н − напряжение на зажимах работающего электродвигателя в долях от номинального момента во время пуска наиболее мощного электродвигателя, В; m м − кратность максимального (опрокидывающего) момента электродвигателя (по каталогу); 1,1 – коэффициент запаса; k з − коэффициент загрузки электродвигателя, т.е. отношение действительной мощности (или момента) рабочей машины к номинальной мощности (или моменту) электродвигателя.
В применяемых шахтных магнитных пускателях втягивающие катушки контакторов обеспечивают надежное включение при напряжении не ниже 85% от номинального и удержание во включенном положении не ниже 60% номинального.
В трехфазной шахтной сети возможны два вида коротких замыканий: двухфазное и трехфазное. Необходимо, чтобы наименьший двухфазный ток короткого замыкания I (2) был не менее чем в 1,5 раза более тока уставки I уст и в 4–7 раз больше тока плавкой вставки.
Следовательно, при выборе фидерного автомата необходимо, чтобы
≥ 1,5· I уст.
Двухфазный ток короткого замыкания рассчитывают при следующих условиях:
– точка короткого замыкания расположена в наиболее удаленном месте от пускателя или фидерного автомата;
– считается, что в момент короткого замыкания напряжение в сети меньше на 5% номинального значения и составляет 0,95Uм;
– кабельная сеть нагрета до 65°С;
– считается, что сеть питается от системы бесконечно большой мощности и напряжение на ее зажимах не меняется в момент короткого замыкания.
Двухфазный ток короткого замыкания определяется по выражению
где U н – номинальное линейное напряжение сети, В; Z – полное сопротивление сети до точки короткого замыкания, Ом; R рез и х рез − результирующие активные и индуктивные сопротивления сети.
Активное сопротивление трансформатора
r тр = Р к/3 I 2н ,
где Р к – нагрузочные потери (приводятся в каталожных данных трансформаторов); I н – номинальный ток вторичной обмотки трансформатора, А.
Индуктивное сопротивление обмотки трансформатора
х тр = 10· U к.з 
/ S тр,
где U к.з− напряжение короткого замыкания трансформатора, равное 5,5% номинального напряжения для всех рудничных трансформаторов с масляным заполнением, а для сухих трансформаторов в передвижных подстанциях приведены в каталогах; U н – номинальное напряжение вторичной обмотки трансформатора, кВт; S тр – номинальная мощность трансформатора, кВт.
Активное сопротивление кабеля равно
r к = ρ(L / S),
где ρ = 0,02 Ом·м/мм2 – удельное сопротивление меди; L – длина кабеля, м; S − площадь сечения жилы кабеля, мм2.
Индуктивное сопротивление кабелей можно принимать с достаточной для практики точностью равным 0,07 Ом/км.
Независимо от выбора уставок защиты аппарат согласно Правилам безопасности должен быть проверен на номинальное напряжение, номинальный ток, отключающую способность при трехфазовом коротком замыкании. Отключающая способность аппарата должна быть в 1,2 раза больше максимального тока трехфазного короткого замыкания на его зажимах, т.е.
I ап.отк ≥ 1,2 
.
Для фидерного автомата, установленного близко к питающему трансформатору:
= (I н.тр / U к) ·100,
где I н.тр − номинальный ток трансформатора, A; U к – напряжение короткого замыкания трансформатора (берется из каталогов), %.
В других случаях 
можно принимать из соотношения
=0,85 I (3)к.з.
Выбор уставок тока максимальной защиты производят исходя из максимальной величины тока, протекающего через защитный аппарат при пуске наиболее мощного из защищаемых двигателей, и минимальной величины тока короткого замыкания в защищаемом кабеле.
Для защиты магистрального кабеля
I у ≥ I пн + Σ I раб.н ,
где I у – уставка тока срабатывания реле, А; I пн − номинальный пусковой ток наиболее мощного электродвигателя (из каталога), А; Σ I раб.н – сумма номинальных рабочих токов всех остальных приемников, питающихся через данный аппарат, А.
Если пусковой ток двигателя выше 600 А, то Правилами безопасности допускается выбирать уставки исходя из фактического значения пускового тока. Если отсутствуют данные о пусковых токах для шахтных машин с асинхронным двигателем, то I пн = 6· I н, а для двигателей с фазным ротором I пн = 1,5 I н.
При проверке на двухфазное короткое замыкание (
/ I у) ≥ 1,5, где 1,5 − коэффициент чувствительности.
При расчете токов двухфазного короткого замыкания в шахтных кабельных сетях сопротивление контактов и электрической дуги принимают равным нулю, а активное и индуктивное сопротивления кабелей площадью сечения основных жил 50 мм2 принимают соответственно равными r = 423 м·Ом/км, х = 75 м · Ом/км. В случае если окажется недостаточным, увеличение двухфазного тока короткого замыкания можно осуществлять путем увеличения площади сечения кабеля, уменьшения длины кабеля, увеличения мощности питающего трансформатора, применения трансформаторов с более низким напряжением короткого замыкания.
В действующих Правилах безопасности рекомендуется в сетях напряжением до 380 и 660 В, где требуется плавкая вставка на номинальный ток 160 А и выше, а также в сетях 127 В независимо от требуемой величины тока плавкой вставки, как правило, осуществлять защиту от токов короткого замыкания максимальным реле.
Выбор номинального тока плавкой вставки производят при защите магистрали – по номинальному пусковому току наиболее мощного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, деленному на (1,6÷2,5), плюс сумма номинальных токов всех остальных приемников, питающихся от магистрали, т.е.
I пл.вст ≥ [ I пн/ (1,6 ÷ 2,5)]+Σ I рн,
для большинства участковых электродвигателей I пл.встможно принимать равным 2,5.
При защите ответвлений
I пл.вст≥ I пл/ (1,6 ÷ 2,5).
В осветительной сети
I пл.вст≥ I р.н.
Ток вставки плавкого предохранителя в нормальных условиях выбирается из условия
I пл.вст≥ I р.н /2,5.
Для защиты короткозамкнутых двигателей, работающих в режимах тяжелых пусков (разгон дольше 10 с):
I пл.вст≥ I пн / (1,6÷2).
Если пусковой ток неизвестен, то
I пл.вст≥(2,5÷3,5 I н.дв).
После этого производят проверку соответствия плавкой вставки минимально возможному току короткого замыкания и площади сечения защищаемого кабеля I пл.вст≤ I кз/ η,
где η – поправочный коэффициент (табл. 101).
Таблица 101
| Напряжение сети, В | Номинальный ток плавкой вставки, А | η |
| 380 и 660 | 20, 25, 35, 60, 80, 100 | |
| 6,4 | ||
| 6−60 |
