Эксплуатация кабельных линий 1-35 кВ - Определение допустимой длительной токовой нагрузки на кабельную линию

Требованием Правил технической эксплуатации предусматривается, чтобы для каждой кабельной линии при вводе ее в эксплуатацию были установлены наибольшие допустимые токовые нагрузки. Это требование ПТЭ обусловлено тем, что длительная перегрузка кабельной линии может вызвать перегрев изоляции выше допустимого предела, ее преждевременное старение, а затем и повреждение в результате тепловой неустойчивости кабеля. Поэтому токовые нагрузки на кабельные линии устанавливаются такими, чтобы нагрев токопроводящих жил не превышал определенных значении, а следовательно возможность перегрева изоляции была бы исключена.
Действующими ГОСТ для кабелей с пропитанной бумажной изоляцией и с пластмассовой изоляцией установлены следующие максимально допустимые значения температур для токопроводящих жил:

В режиме короткого замыкания Правилами устройства электроустановок допускается кратковременное повышение температуры токопроводящих жил для кабелей с бумажной изоляцией напряжением до 10 кв  с медными и алюминиевыми жилами до 200° С, на напряжение 20—35 кВ — до 125° С, кабелей с поливинилхлоридной изоляцией до 150° С, а с полиэтиленовой — до 120° С. В процессе эксплуатации силового кабеля в нем выделяется значительное количество тепла. Источником его является тепло, выделяющееся в токопроводящих жилах при прохождении электрического тока нагрузки, а также для кабелей высокого напряжения и одножильных за счет потерь в изоляции, металлических оболочках и броне.
Мощность Р, переходящая в тепло Q, которое выделяется в токопроводящих жилах трехфазного кабеля, составляет:
где I — величина тока нагрузки кабеля, a; R — сопротивление жил, ом; п — количество жил (в данном случае 3).
Таким образом, нагрев кабеля пропорционален квадрату силы тока, протекающему по его токопроводящим жилам, и чем выше токовая нагрузка кабеля, тем выше поднимается температура токопроводящих жил.
Процесс повышения температуры жил и нагревания кабеля не будет беспредельным, так как сопровождается рассеиванием тепла в окружающее пространство. С повышением температуры кабеля одновременно повышается разность температур между кабелем и средой, где он проложен. Чем выше эта разность, тем интенсивнее будет происходить отдача тепла в окружающую среду. В какой-то момент разность температур достигнет такой величины, при которой все выделяемое тепло будет переходить в окружающую среду и температура токопроводящих жил больше повышаться не будет.

* Без учета температурного коэффициента удельного электрического сопротивления.
Такое состояние называется установившимся режимом работы кабельной линии. При этом
Приведенное выражение называется тепловым законом Ома, где разность температур жилы и среды (tm — *ср) в нем соответствуют разности потенциалов, величина s соответствует сопротивлению тепловому потоку или тепловому сопротивлению и тепловых омах по аналогии с сопротивлением R цепи электрического тока, a Q — величина теплового потока — величине электрического тока I.
Величина суммарного теплового сопротивления s кабеля и окружающей среды слагается из теплового сопротивления: изоляции кабеля — sb защитных покровов — s2, поверхности кабеля — ss, а также окружающей почвы —
В случае прокладки кабеля в блочной канализации величина суммарного теплового сопротивления должна учитывать дополнительно s5 — сопротивление массива блока и se — сопротивление от поверхности блока к почве.
Таким образом, величина суммарного теплового сопротивления кабеля определяется способом прокладки.
Так, при прокладке кабеля в земле (траншее)
S = S1 + s2 + s4.
при прокладке кабеля в воздухе S = S1 + s2 + s3.

Чем меньшее сопротивление оказывается тепловому потоку, тем интенсивнее будет происходить отдача тепла во внешнюю среду, тем ниже будет температура токопроводящей жилы и тем большую нагрузку можно допустить на кабель. В наиболее благоприятных условиях в отношении теплового режима находится кабель, проложенный в проточной воде. Вода обеспечивает наилучшие условия отвода тепла с поверхности кабеля, и благодаря наличию течения сопротивление тепловому излучению в этом случае практически равно нулю. Поэтому длительно допустимые нагрузки на кабель, проложенный в воде, являются наибольшими. При прокладке кабельной линии в земле — траншее большое влияние на величину теплового сопротивления имеет состав грунта, его способность удерживать влагу.
Песок, гравий, обладая высокой пористостью, имеют большее сопротивление, чем глинистые почвы. Наличие воздушных промежутков между кабелем и грунтом в траншее приводит к сильному возрастанию теплового сопротивления. Этим обстоятельством и вызвано требование ПУЭ об устройстве для кабелей, прокладываемых в земле, снизу подсыпки, а сверху засыпки мелкой землей, не содержащей камней, строительного мусора и шлака.
Качество грунта, его тщательное уплотнение в момент засыпки проложенного в траншее кабеля имеют решающее влияние на тепловой режим работы кабельной линии. Кабель, проложенный в воздухе, находится в менее благоприятных условиях в отношении нагрева, чем кабель, проложенный в земле. Это объясняется значительной величиной сопротивления тепловому излучению от поверхности кабеля в воздух. По этой причине и допустимые нагрузки на кабель, проложенный в воздухе, ниже аналогичного кабеля, проложенного в земле.
В особо неблагоприятных условиях в отношении нагрева находятся кабели, прокладываемые в блочной канализации. Последовательное включение ряда дополнительных тепловых сопротивлений, как воздуха в канале, стенок блока, взаимный подогрев кабелей, расположенных в несколько рядов, создают крайне тяжелый тепловой режим работы кабелей блока. Естественно, что этому способу прокладки соответствуют минимальные значения допустимых нагрузок по сравнению со всеми другими способами прокладки (в земле, в воздухе, в коллекторах и туннелях).
Зная допустимые по ГОСТ или ТУ температуры нагрева токопроводящих жил, можно определить величину допустимого на кабель тока:

откуда
где im = tmu — допустимая по ГОСТ температура нагрева токопроводящей жилы кабеля; IСр — температура среды, где кабель проложен; п — число жил кабеля; Es — суммарное значение последовательно включенных тепловых сопротивлений в тепловых омах*.

*Тепловым сопротивлением в один тепловой ом обладает тело размерами в 1 см\ которое при разности температур на противоположных поверхностях в 1° пропускает через себя тепловой поток мощностью 1 вт.

Таким образом, допустимая расчетная нагрузка на кабель обратно пропорциональна 2s, т. е. суммарному значению последовательно включенных тепловых сопротивлений самого кабеля и сопротивления внешней среды (земли или воздуха), где кабель проложен. Тепловое сопротивление кабеля не является величиной постоянной и возрастает в процессе его эксплуатации в связи с высыханием изоляции и наружных покровов. Тепловое сопротивление земли определяется, как нами было установлено выше, пористостью и способностью грунта удер живать влагу.
Опытные данные показывают, что для средних и больших сечений тепловое сопротивление самого кабеля составляет лишь 30—35% общего теплового сопротивления кабеля и среды прокладки. Теплоотдача в землю или в воздух, таким образом, является решающей при определении допустимой нагрузки на кабель.
Выполнение расчетов допустимых токов нагрузок в каждом отдельном случае и для большого числа кабельных линий, находящихся в эксплуатации, по изложенному выше способу сложно, требует больших затрат времени и труда. Поэтому расчетные значения длительно допустимых токов нагрузки для кабелей в зависимости от сечения, напряжения и условий прокладки установлены Правилами устройства электроустановок и приведены в табл. 1. Из приведенных в табл. 1 значений легко вывести соотношение допустимых нагрузок для трехжильных кабелей с поясной изоляцией в зависимости от вида прокладки. В табл. 2 приводятся эти данные для средних и больших сечений кабеля, принимая за единицу прокладку в земле.
Как видно из приведенных данных, допустимая нагрузка на кабель, проложенный в воздухе, примерно на 25—30% ниже допустимой нагрузки на аналогичный
Таблица 1
Допустимые длительные расчетные нагрузки для кабелей с медными (в числителе) и алюминиевыми (в знаменателе)
жилами с нестекающей и маслоканифольной нормально пропитанной бумажной изоляцией в общей свинцовой или алюминиевой оболочке, а также с отдельно освинцованными (или отдельно опрессованными) алюминиевыми оболочками, в зависимости от условий прокладки

Продолжение табл. I

Таблица 2

Соотношение допустимых нагрузок в зависимости от способа прокладки

кабель, проложенный в земле. Токовые нагрузки, приведенные в табл. 1 для кабелей, проложенных в земле, приняты из расчета прокладки одного кабеля в траншее на глубине 0,7—1 м при температуре земли +15° С и удельном сопротивлении грунта 120 ом • см тепловых.
Для кабелей, проложенных в воде, токовые нагрузки в таблице приняты из расчета температуры воды +15° С, а в случае прокладки в воздухе — при температуре воздуха, равной +25° С. В кабельных сооружениях и помещениях токовые нагрузки приняты для расстояний в свету между кабелями не менее 35 мм, а в каналах — не менее 50 мм при любом числе проложенных кабелей. Однако на глубине 0,7—1 м такая температура в средней полосе России бывает лишь в июне, июле, августе и сентябре месяцах. В январе, феврале, марте температура почвы на этой глубине составляет величину порядка 0° С,
в апреле и ноябре 1-5° С, а в мае и октябре +10° С.
Поэтому при определении допустимых длительных нагрузок на кабели в условиях эксплуатации районов Крайнего Севера, вечной мерзлоты, тропиков и г. п., когда температура среды значительно отличается от установленных выше значений, применяются поправочные коэффициенты, приведенные в табл. 3 и 4.
Таблица 3
Поправочные коэффициенты на температуру земли

Таблица 4
Поправочные коэффициенты на температуру воздуха

При определении допустимых нагрузок с учетом поправочных коэффициентов необходимо учитывать, что под температурой почвы следует понимать максимальную среднемесячную температуру почвы на уровне (отметках) прокладки в данном районе, а при прокладке в воздухе — наибольшую среднюю суточную температуру в месте прокладки.
При отсутствии этих данных расчетную температуру почвы принимают равной +15° С, а воздуха — соответственно +25° С. Как указано выше, приведенные в таблицах расчетные токовые нагрузки предусматривают работу одиночного кабеля, проложенного в траншее. При прокладке нескольких кабелей в общей траншее допустимые токовые нагрузки, указанные в табл. 1, необходимо уменьшить из-за взаимного подогрева кабелей.
Поправочные коэффициенты на число работающих кабелей, приведенные в табл. 5, применяются при расчете допустимых длительных нагрузок в одинаковой мере как для кабелей, лежащих рядом в земле, так и проложенных в трубах, если в них отсутствует вентиляция, при этом резервные из числа работающих и рядом проложенных кабелей не учитываются.
Таблица 5
Поправочные коэффициенты на число работающих кабелей, лежащих рядом в земле в трубах и без труб

Пользуясь табл. 1 допустимых нагрузок, поправочными коэффициентами на температуру среды и на число работающих кабелей, лежащих рядом, произведем расчет допустимой длительной токовой нагрузки на кабельную линию марки ААБ сечением 3 X 185 мм², напряжением 10 кВ, проложенной в земле и в пучке с тремя другими кабелями на период январь — февраль и март месяцы (температура почвы 0°С).
По табл. 1 находим, что допустимая нагрузка для такого кабеля с алюминиевыми жилами при прокладке в земле составляет 310 а.
Определяем значения поправочных коэффициентов:
а)        К1 — на число работающих кабелей в траншее. Для четырех кабелей при расстоянии между ними в свету 100 мм по табл. 5 находим величину Кj = 0,8.
б)        Кг — на фактическую температуру почвы в период январь — март, равной 0 С.
По табл. 3 находим IС2 равным 1,15.
Таким образом,

Допустимая длительная токовая нагрузка этой кабельной линии на период июль — август — сентябрь месяцы, когда температура почвы на глубине 0,7—1 м равна 15° С, составит:

Если этот же кабель марки ААБ сечением Зх 185 мм², напряжением 10 кВ проложить в земле, в таком же пучке из 4 кабелей, но в трубах, то для этих условий прокладки допустимая нагрузка должна приниматься по табл. 1 как для кабеля, проложенного в воздухе, т. е. 235 а. Тогда для периода июль, август, сентябрь месяцы:


Для периода времени январь — февраль — март соответственно:
Расчеты подтверждают приведенные в табл. 2 большую зависимость допустимых нагрузок на кабели от условий прокладки и температуры среды, где кабель проложен. При смешанной прокладке кабелей допустимые длительные токовые нагрузки устанавливаются по участку трассы с наихудшими тепловыми условиями, если длина его составляет более 10 м.
В условиях городов и промышленных предприятий пересечение проездов, улиц и площадей с усовершенствованными покрытиями, с интенсивным движением транспорта должно выполняться в трубах или блоках. Ввиду этого допустимые нагрузки для большинства кабельных
линий городских сетей и промышленных предприятий, проложенных в земле, устанавливаются как для кабелей, проложенных в воздухе. Эти небольшие участки пересечения с наихудшими тепловыми условиями обычно имеют длину более 10 м и, таким образом, ограничивают пропускную способность всей линии.
Поэтому при определении нагрузок для таких кабельных линий допустимая нагрузка, принятая по нормам для кабелей, проложенных в воздухе, должна быть пересчитана со среднерасчетной температуры воздуха +25° С на среднерасчетную температуру грунта +15° С по формуле
где I„ — допустимая длительная токовая нагрузка, взятая по табл. 1 для воздуха: tm — допустимая температура нагрева жил кабеля по ГОСТ.
В табл. 6 приведены значения коэффициентов К3 для кабельных линий напряжением 3—35 кВ.
Таблица 6 Значения поправочных коэффициентов Кш

Пользуясь приведенными выше данными таблиц, произведем перерасчет длительно допустимой нагрузки для принятой нами ранее кабельной линии сечением 3 X 185 кВ-мм и напряжением 10 кВ, проложенной в земле с выполненными пересечениями в трубах, имеющих длину более 10 м, на период январь — февраль — март (t = 0° С):
Для периода июль — август — сентябрь (Iпочвы = .= 15° С)
Приведенные поправочные коэффициенты Кз в табл. 6 применяются для расчета нагрузок кабельных линий, проложенных в асбоцементных и других изолирующих
трубах. В случае же прокладки кабелей в металлических трубах нагрузки могут быть дополнительно увеличены для кабелей сечением до 70 мм² на 4—5%, а для кабелей 3 X 95 мм² и выше — на 7—8%.
В городских сетях с номинальным рабочим напряжением 6 кВ в ряде случаев прокладываются кабельные линии с конструктивным напряжением 10 кВ, учитывая перспективу перевода нагрузок этих линий с 6 на 10 кВ. Если установить нагрузку на такие кабельные линии по конструктивному напряжению кабелей (допустимая температура жил 60°С), то пропускная способность линии не будет полностью использована. Если же установить нагрузку на линии по рабочему напряжению (допустимая температура жил 65°С), то кабель будет перегружаться.
Поэтому расчетная нагрузка таких линий может быть пересчитана по следующей формуле:

где IДоп — нагрузка кабеля (табл. 1), соответствующая конструктивному напряжению кабеля; tж — температура жилы, допускаемая для рабочего напряжения, под которым используется кабель; I—температура жилы, допускаемая для конструктивного напряжения кабеля; Iокр — температура окружающей кабель среды (грунта, воздуха).
Значения поправочных коэффициентов Ki для определения нагрузок кабелей, работающих не под номинальным (конструктивным) напряжением, для линий, проложенных в земле и в воздухе, приведены в табл. 7.
Таблица 7
Поправочные коэффициенты Л*4

Пусть указанная выше кабельная линия сечением 3 X 185 мм² с номинальным напряжением 10 кВ, проложенная в земле, а при пересечении проездов в асбоцементных трубах длиной более 10 м используется на напряжение 6 кВ. Требуется определить допустимо длительную токовую нагрузку на эту линию.
Принимая исходную нагрузку для кабеля ААБ — 3 X 185—10 кВ (прокладка в воздухе) равной 235 а, получим:
Значение коэффициента Кл находим по табл. 7.
Для периода июль — август — сентябрь (Iпочвы = = 15° С)
Для периода январь — февраль — март (Iпочвы = = 0°С)
В особо тяжелом тепловом режиме работают кабели, проложенные в блочной канализации. Допустимые длительные токовые нагрузки на кабели для этого способа прокладки определяются месторасположением кабеля в блоке и конфигурацией самого блока по эмпирической формуле
Iдоп = abclo,
где I0 — ток, определяемый по рис. 3; а — коэффициент, выбираемый в зависимости от сечения и расположения кабеля в блоке по табл. 8; b — коэффициент, выбираемый в зависимости от номинального напряжения кабеля, по табл. 9; с — коэффициент, выбираемый в зависимости от среднесуточной нагрузки всего блока по табл. 10.
Ток I0, величина которого выбирается по рис. 3 в зависимости от конфигурации блока и по номеру занимаемого канала, установлен для трехжильного кабеля сечением 3 X 95 мм² с медными и алюминиевыми жилами, с бумажной изоляцией, на напряжение 10 кВ. Каналы, в которых прокладывается кабель, на рисунках блоков обозначены соответствующими цифрами. Каналы блоков, не имеющих номеров, предназначены для резервных кабелей. Включение их может быть произведено только при условии предварительного отключения рабочих кабелей.

Рис. 3. Допустимые токовые нагрузки для кабелей, проложенных в блоках.
Допустимые длительные токовые нагрузки на кабели, прокладываемые в двух параллельных блоках одинаковой конфигурации, должны уменьшаться путем умножения на коэффициенты, приведенные в табл. 11, а в случае прокладки кабеля другого сечения и напряжения (отличного от 3 X 95 мм²— 10 кВ) применяются коэффициенты, приведенные в табл. 8 и 9. Значения поправочных коэффициентов на нагрузку блока приведены в табл. 10.
Таблица 8
Поправочные коэффициенты а на сечение кабеля

Таблица 9
Поправочные коэффициенты b на напряжение кабеля

Произведем расчет допустимой длительной токовой нагрузки на кабель марки АСГТ 3 X 185 мм, напряжением 6 кВ, проложенного в 4-м канале группы VI, рис. 3.
По рис. 3 находим значение Iо = 91 а (VI группа, 4-й канал).
По табл. 8 поправочных коэффициентов на сечение кабеля находим а = 1,38 (для сечения 185 мм из алюминиевых жил и 4-го номера канала).
По табл. 9 поправочный коэффициент на напряжение кабеля находим Ь = 1,05.
Таблица 10
Поправочные коэффициенты с на среднесуточную нагрузку блока, определяемые в зависимости от отношения среднесуточной передаваемой мощности к номинальной

Таблица 11
Коэффициенты уменьшения допустимой токовой нагрузки на кабели, прокладываемые в параллельных блоках одинаковой конфигурации

Принимая величину коэффициента с = 1 по табл. 10, т. е.получаем: Iдоп = 91 X 1,32 X 1,05 X
X 1 = 132 а.
Кабельные линии вследствие высокой теплоемкости изоляции достигнут своей максимально допустимой температуры нагрева лишь спустя значительное время после включения нагрузки. Если кабельная линия имеет прерывистую нагрузку и подвергается охлаждению, то максимальная температура нагрева может быть достигнута при более высокой нагрузке. Поэтому ПТЭ допускают кратковременную перегрузку кабельных линий 6—10 кВ, предварительная нагрузка которых меньше номинальной. На время ликвидации аварий для кабельных линий до 10 кВ включительно допускается перегрузка в течение 5 суток. Пределы допустимых перегрузок для нормального и аварийного режима работы сети в зависимости от вида прокладки приведены в табл. 12.
Перегрузка кабельных линий напряжением 20—35 кВ не допускается. Для кабельных линий до 10 кВ, находящихся в эксплуатации более 15 лет, значения допустимых перегрузок, указанных в табл. 12, необходимо понизить на 10%.
Допустимые перегрузки в нормальном и аварийном режимах

Допустимые длительные токовые нагрузки на кабельные линии по нагреву проверяются на экономическую плотность тока, указанную в табл. 13, по формуле q = I:j, где I—расчетный ток, о; j — экономическая плотность тока для данных условий работы; q — экономически целесообразное сечение, мм².
Таблица 13 Экономическая плотность тока

Если нагрузка кабеля, установленная по экономической плотности тока, превышает допустимую по нагреву, нагрузка на кабельную линию должна быть установлена по допустимому нагреву.