Температура кабеля под нагрузкой. И жил кабелей по нагреву

Провода и кабели, являясь проводниками, нагреваются током нагрузки. Величина допустимой температуры нагрева для изолированных проводников определяется характеристиками изоляции, для неизолированных (голых) проводов – надежностью контактных соединений. Значения длительно допустимой температуры нагрева проводов и жил кабелей при температуре окружающего воздуха + 25ºС и температуре земли или воды + 15ºС указываются в правилах устройства электроустановок (ПУЭ).

Величина тока, соответствующая длительно допустимой температуре данного провода или жилы кабеля, называется длительно допустимым током нагрузки (I доп ). Значения длительно допустимого тока для различных сечений проводов и жил кабелей, а также различных условий их прокладки, приводятся в ПУЭ и справочной литературе. Таким образом, определение сечения проводов и жил кабелей по нагреву сводится к сравнению максимального рабочего тока линии с табличным значением длительно допустимого тока нагрузки:

по которому из таблиц выбирается соответствующее стандартное сечение проводов и жил кабелей. Если температура окружающей среды отличается от табличных значений, то величина длительно допустимого тока корректируется умножением на поправочный коэффициент, значения которого принимаются по ПУЭ и справочной литературе.

Выбранное по условию нагрева сечение проводов и жил кабелей должно быть согласовано с защитой, с тем чтобы при протекании по проводнику тока, нагревающего его выше допустимой температуры, проводник был отключен защитным аппаратом (плавким предохранителем, автоматическим выключателем и т.п.).

Расчет и выбор сечений проводов и жил кабелей выполняется в следующей последовательности:

1)выбирается тип защитного аппарата – плавкий предохранитель или автоматический выключатель;

2)если выбран плавкий предохранитель, то определяется номинальный ток его плавкой вставки, который должен удовлетворять двум условиям:

где - максимальный ток нагрузки при пуске асинхронного короткозамкнутого электродвигателя (его пусковой ток);

Коэффициент, характеризующий условия работы двигателя; для нормальных условий работы = 2,5; для тяжелых условий = 1,6…2,0.

По большему расчетному значению номинального тока плавкой вставки выбирается стандартное значение номинального тока плавкой вставки предохранителя;

3)определяется длительно допустимый ток нагрузки, соответствующий выбранному номинальному току плавкой вставки предохранителя:

Для кабелей с бумажной изоляцией,

Для всех остальных кабелей и проводов;

указанные соотношения принимаются для случая, когда провода сети защищаются от перегрузок. По ПУЭ к таким сетям относятся осветительные сети в жилых и общественных зданиях, торговых и служебно-бытовых помещениях промышленных предприятий, а также в пожаро- и взрывоопасных зонах; для случаев, при которых необходимо защищать провода только от коротких замыканий, выбирается соотношение:

Полученное расчетное значение длительно допустимого тока нагрузки округляется в большую сторону до ближайшего табличного значения длительно допустимого тока нагрузки и соответствующего ему стандартного сечения проводов или жил кабеля;

4)если в качестве защитного аппарата выбран автоматический выключатель и он защищает провода сети от перегрузок, то справедливы все указанные выше соотношения, в которых вместо номинального тока плавкой вставки предохранителя надо указать номинальный ток расцепителя автоматического выключателя;

Предельно допустимая температура нагрева кабеля имеет большое значение, так как от нее зависят нагрузочная способность, срок службы и надежность работы кабеля.

Каждый вид изоляции кабеля рассчитан на определенную длительно допустимую температуру, при которой старение изоляции проходит медленно. Превышение температуры нагрева кабеля выше допустимой ускоряет процесс старения изоляции и сокращает срок службы кабеля.

При нагревании кабеля наиболее быстрому старению подвергается бумажная изоляция, механическая прочность и эластичность которой при этом понижаются. Длительно допустимые температуры для силовых кабелей стационарной прокладки приведены в табл. 17.

Таблица 17.
Длительно допустимая температура нагрева жил кабелей

При включении кабеля под нагрузку вначале нагреваются его жилы, а затем изоляция и оболочка. Опытными измерениями установлено, что перепад температуры между жилой и оболочкой кабеля напряжением 6 кВ примерно 15 °С, а для кабелей 10 кВ - 20 °С. Поэтому в практических условиях обычно ограничиваются измерением температуры оболочки, учитывая, что температура жилы кабеля выше на 15-20 °С.

Температуру нагрева жил можно определить и расчетным путем по формуле

где t о6 - температура на оболочке кабеля, °С; I - длительная максимальная нагрузка кабеля, А; п - число жил кабеля; ρ - удельное сопротивление меди или алюминия при температуре, близкой к температуре жилы, Ом.мм 2 /м; S K - сумма тепловых сопротивлений изоляции и защитных покровов кабеля, Ом (определяется по справочнику); q - сечение жилы кабеля, мм 2 .

Контроль за нагревом кабелей в процессе эксплуатации осуществляется измерением температуры свинцовой или алюминиевой оболочки, или брони в тех местах кабельной трассы, где предположительно кабельная линия может иметь перегрев против допустимых температур. Такими местами могут быть прокладки вблизи теплопроводов, в среде с большим тепловым сопротивлением (шлак, трубы и т. п.), где создаются неблагоприятные условия для охлаждения кабельной линии.

Измерение температуры на поверхности кабелей, проложенных в земле, рекомендуется производить термопарами. Для установки термопар на трассе кабеля отрывают котлован размером 900х900 мм с углублением 150-200 мм в одной из стенок котлована по оси кабеля. После удаления наружного покрова, очистки брони от коррозии создают надежный контакт (легкоплавким припоем или фольгой) с проводом термопары.

Рис. 113. Измерение температуры на поверхности работающего кабеля:
1 - кабель, 2 - здание, 3 - щитки термопар, 4 - металлическая труба, 5 - теплопровод

Измерительные провода выводят через газовую трубу и подключают к специальным ящикам, после чего котлован засыпают землей. Схема измерения температуры на поверхности кабеля приведена на рис. 113. Измерение температуры на поверхности контролируемых кабелей с одновременным измерением токовых нагрузок производят в течение суток через 2-3 ч. Если в результате измерений окажется, что температура жилы кабеля на отдельных участках превышает допустимую, необходимо или снизить токовую нагрузку на кабель, или принять меры к улучшению условий его охлаждения. В некоторых случаях целесообразно заменить перегревающийся участок линии кабелем большого сечения. Измерение температуры кабелей, проложенных открыто в кабельных сооружениях, можно производить обычным лабораторным термометром, укрепляя его на оболочках кабеля. Необходимо вести тщательный контроль за температурой окружающего воздуха и работой вентиляции в кабельных сооружениях. Контроль за нагревом кабелей производят по мере необходимости.

При выборе кабеля учитывается масса самых разных параметров, начиная от сечения жил и заканчивая материалом изоляции. Почему важно знать такие подробности, как материал оболочки? Ведь его основная функция - защищать от поражения электрическим током. Если изоляция справляется с этой задачей, то нужно больше внимания уделить более важным характеристикам кабеля. К сожалению, подобную ошибку делают многие, на самом деле допустимая температура нагрева кабеля и материал изоляции необыкновенно связаны между собой. Каждый тип защитной оболочки рассчитан на определенную температуру, если она превышает определенные значения, то ускоряется процесс старения изоляции. Это серьезным образом влияет на срок эксплуатации кабеля, а не редко и подключенного с его помощью оборудования. Допустимая температура нагрева кабеля это тот параметр, от которого зависит не только нагрузочная способность кабеля, но и надежность его работы. Допустимая температура нагрева кабеля с изоляцией разного типаВсе виды материалов, используемых в качестве изоляции токопроводящих жил, имеют свои физические характеристики. Они обладают разной плотностью, теплоемкостью, теплопроводностью. В итоге это влияет на их способность выдерживать нагрев, так вулканизирующий полиэтилен может сохранять свои эксплуатационные характеристики вплоть до 90ºС. С другой стороны резиновая изоляция способна выдержать существенно меньшую температурную нагрузку - всего 65ºС. Допустимая температура нагрева кабеля с ПВХ - 70 градусов и это один из наиболее оптимальных показателей. Одним из наиболее важных показателей является допустимая температура нагрева кабеля с . Этот вид кабеля используется чрезвычайно широко и предназначен для работы с разным напряжением. Именно поэтому следует внимательно относиться в данной характеристике, она меняется следующим образом:

• для напряжения 1-2 кВ максимально допустимая температура для кабелей с обедненной и вязкой пропиткой составляет 80ºС;
• для напряжения 6 кВ изоляция с вязкой пропиткой выдерживает 65ºС, с обедненной пропиткой 75ºС;
• для напряжения 10 кВ допустимая температура 60ºС;
• для напряжения 20 кВ допустимая температура 55ºС;
• для напряжения 35 кВ допустимая температура 50ºС.

Все это требует повышенного внимания к длительной максимальной нагрузке кабеля, условиям эксплуатации. Еще одним из востребованных сегодня в электротехнической промышленности материала для изоляции является сшитый полиэтилен. Он имеет сложную структуру, обеспечивающую уникальные эксплуатационные характеристики. Допустимая температура нагрева кабеля и изоляцией из сшитого полиэтилена составляет 70ºС. Одним из лидеров по данному параметру является силиконовая резина, способная выдерживать 180ºС. К чему может привести перегрев кабеляПревышение допустимой температуры нагрева кабеля приводит к тому, что свойства изоляции кардинально меняются. Она начинает покрываться трещинами, осыпаться, в результате возникает риск короткого замыкания. Срок службы кабеля с каждым превышенным градусом серьезно сокращается. Это требует более частого ремонта, затрат, поэтому лучше изначально использовать тот кабель, который предназначен для решения определенных задач. Но и этого не достаточно, необходимо регулярно контролировать температуру оболочки, особенно в тех места, где можно предположить наличие перегрева. Это могут быть места рядом с теплопроводами или создаются неблагоприятные условия для охлаждения.

Для выбора греющего кабеля нужно понимать, на какие технические характеристики нужно обращать внимание, а так же понимать, какие есть потребности по обогреву. В этой статье будут рассмотрены основные характеристики греющих кабелей для нужд обогрева водопровода.

Мощность греющего кабеля

Первая характеристика, на которую надо обратить внимание, - это мощность греющего кабеля. Она измеряется в ваттах на погонный метр и в зависимости от моделей может быть от 5 до 150 Вт/м. Чем больше мощность, тем больше потребление электричества и больше отдача тепла.

Для обогрева водопровода применяются кабели небольшой мощности - от 5 до 25 Вт/м, в зависимости от того, как смонтирован греющий кабель и где проходит водопровод, можно ориентироваться на такие мощности:

• водопровод проложен в земле, кабель внутри трубы - достаточно 5 Вт/м
• водопровод проложен в земле, кабель снаружи трубы - мощность от 10 Вт/м
• водопровод проложен по воздуху - от 20 Вт/м

Труба и греющий кабель во всех случаях должны быть утеплены слоем утеплителя не менее 3-5 мм.

В случае с резистивный греющим кабелем мощность остается постоянной на всем его протяжении и вне зависимости от температуры трубы, а вот саморегулирующийся кабель уменьшает потребляемую мощность и свою температуру, если труба уже прогрета. За счет этого экономится значительная часть электроэнергии, и чем больше рабочая мощность саморегулирующегося кабеля, тем больше ощущается экономия.

Зависимость мощности обогрева от температуры показана на графике.

На графике приведены зависимости мощностей от температуры для пяти различных саморегулирующихся кабелей с разной номинальной мощностью от 15 Вт/м до 45 Вт/м. Наибольшая эффективность от применения таких кабелей получается при использовании в условиях протяженного водопровода, который проходит в очень разных температурных условиях. Чем больше перепад температур, тем больше экономия.

Однако при обогреве небольшого участка водопровода, это не так ощутимо. Если вода подаётся из скважины, то её температура вне зависимости от времени года колеблется от 2 до 6 градусов, а задача греющего кабеля в том, чтобы просто не допустить её замерзания, то есть поддерживать на уровне около +5 градусов Цельсия. Это значит, что греющий кабель будет работать в диапазоне температур от 0 до 5 градусов, разница в мощности при этом составляет всего несколько Ватт (от 2 Вт для маломощного кабеля, до 5 Вт для 45-ваттного кабеля).

Температура греющего кабеля

Вторая важная характеристика - это рабочая температура. По этому показателю все греющие кабели делятся на три категории:

1. Низкотемпературные с рабочей температурой до 65 градусов
2. Среднетемпературные - 120 градусов
3. Высокотемпературные - до 240 градусов

Для обогрева водопровода используются только низкотемпературные кабели, более того они никогда не работают при температурах даже близко подходящих к их максимальным 65 градусам.

Область применения

По области применения кабели делятся на два типа:

1. Пищевой - только его можно применять для монтажа внутри трубы при обогреве водопровода, который используется для бытовых нужд, подачи питьевой воды.
2. Технический - применяется для монтажа снаружи трубы в любых случаях, может монтироваться внутри трубы только тогда, когда вода не употребляется в пищу (например, в системах полива, мойки или отопления).

Читайте так же:

• Греющие кабели используются для подогрева водопровода, кровли, карнизов и других элементов, где нежелательно замерзание воды зимой. Самым простым вариантом являются резистивные греющие кабели, они бывают одножильные и двухжильные.
• Саморегулирующиеся греющие кабели используются для обогрева водопровода в тех местах, где он прокладывается выше уровня промерзания грунта - например в местах ввода трубопровода в дом. Саморегулирующийся кабель обладает способностью самостоятельно изменять интенсивность подогрева на разных участках в зависимости от потребности: чем ниже температура обогреваемого объекта, тем сильнее разогревается кабель.
• Монтаж саморегулирующегося греющего кабеля можно выполнять разными способами: внутри трубы и снаружи, располагать его вдоль трубы или по спирали.
• Терморегулятор - это устройство коммутации электрической цепи, которое используется для включения и выключения нагревательных приборов, таких как радиаторы отопления, греющие кабели в системе тёплого пола или в антиобледенительных системах. Принципиально схема подключения одинакова для всех терморегуляторов.

Правильно рассчитанная и надлежащим образом выполненная электрическая сеть не гарантируют исключение возможности возникновения аварийных ситуаций, приводящих к недопустимому перегреву электрических при возникновении короткого замыкания.

Например, подобная ситуация, как отмечалось в работе возникает при подключении нагрузки в розеточную сеть через удлинитель. Начиная с некоторой длины добавленного к групповой линии провода удлинителя сопротивление цепи фаза - ноль увеличивается до значения, при котором ток короткого замыкания будет меньше порога срабатывания электромагнитного расцепителя автоматического выключателя. Поэтому при электроустановок желательно учитывать возможность нештатных условий эксплуатации электропроводки.

В соответствии с «Предельные температуры электрических кабелей на номинальное напряжение 1кВ в условиях короткого замыкания» температура жил кабеля (до 300 мм 2 включительно) с изоляцией из ПВХ пластиката при коротком замыкании не должна превышать 160 градусов. Достижение этой температуры допускается при длительности короткого замыкания до 5 секунд. При такой продолжительности короткого замыкания изоляция кабеля не успевает нагреться до такой же температуры. При более длительных коротких замыканиях предельная температура нагрева жил должна быть уменьшена.

Рассмотрим возникновение подобной ситуации на примере использования автоматического выключателя группы «С». Время - токовая характеристика выключателя приведена на Рис. 1. В приведенных характеристиках выделены зона «a» - тепловой расцепитель и зона «b» - электромагнитный расцепитель. На графике показаны две кривые 1 и 2 зависимости времени срабатывания выключателя от тока, которые показывают пределы технологического разброса параметров выключателя при его изготовлении. Для автоматических выключателей группы «С» в пределах технологического разброса кратность тока срабатывания электромагнитного расцепителя к номинальному току срабатывания теплового расцепителя находится в пределах от 5 до 10. Нас интересует только кривая 2 для переменного тока (АС), показывающая максимальное время срабатывания выключателя. Как видно из графика на Рис. 1, при незначительном уменьшении тока короткого замыкания ниже порога срабатывания электромагнитного расцепителя время срабатывания автоматического выключателя определяется тепловым расцепителем и достигает величины порядка 6 секунд .

Рис. 1 Время - токовая характеристика автоматов группы С.

Попробуем выяснить, что происходит с кабелями за промежуток времени, в течение которого сработает тепловой расцепитель. Для этого необходимо вычислить зависимости температуры жил кабелей от времени прохождения по ним токов, близких к порогу срабатывания электромагнитного расцепителя.

В Таблице 1 даны расчетные значения температур жил кабелей в зависимости от продолжительности короткого замыкания (при разных токах) для кабеля с медными жилами сечением 1,5 кв. мм. Кабель данного сечения повсеместно используется в осветительных жилых и общественных зданий.

Для вычисления температур жил кабелей использована методика расчета из «Расчет термически допустимых токов короткого замыкания с учетом неадиабатического нагрева».

Температура жил кабеля определяется по формуле:

Θ f = (Θ i +β)∙exp(I AD 2 ∙t/K 2 ∙S 2) - β (1)

где, Θ f - конечная температура жил кабеля о С;

Θ i - начальная температура жил кабеля о С;

β - величина, обратная температурному коэффициенту сопротивления при 0 °C, К, для меди β=234,5;

K - постоянная, зависящая от материала токопроводящего элемента, А · с 1/2 /мм 2 ,для меди K=226;

t - длительность короткого замыкания, с;

S - площадь поперечного сечения токопроводящей жилы, мм 2 ;

I SC - известный максимальный ток короткого замыкания (среднеквадратичное значение), А;

I AD =I SC /ε - ток короткого замыкания, определенный на основе адиабатического нагрева (среднеквадратичное значение), А;

ε - коэффициент, учитывающий отвод тепла в соседние элементы;

X, Y - постоянные, используемые в упрощенной формуле для жил и проволочных экранов, (мм 2 /с) 1/2 ; мм 2 /с, для кабелей с медными жилами и изоляцией из ПВХ пластиката X=0,29 и Y=0,06;

Вычисления произведены для температуры кабеля до короткого замыкания 55 градусов. Такая температура соответствует рабочему току, проходящему по кабелю до возникновения короткого замыкания порядка 0,5 - 0,7 от предельно допустимого длительного тока при температуре окружающей среды 30 - 35 градусов. В зависимости от предполагаемых условий эксплуатации электроустановки температура жил кабелей до короткого замыкания при проектировании электрической сети может быть изменена.

Таблица 1

Из Таблицы 1 видно, что максимальный ток короткого замыкания (при несрабатывании электромагнитного расцепителя), который не вызывает нагрев жил выше 160 градусов за время 6 секунд равен примерно 100 А. То есть кабель с сечением 1,5 мм 2 можно защищать автоматическим выключателем группы «С» с номинальным током не более 10А.

При изготовлении кабелей сечение жил часто занижают. Занижение сечения на 10% обычное явление. На рынках не сложно найти кабели и с большим занижением сечения.

В Таблице 2 даны расчетные значения температур жил кабелей при занижении сечения на 10%. Как видно из таблицы, такой кабель автоматический выключатель С10 защищает не со 100 процентной надежностью.

Для наиболее ответственных объектов, в особенности имеющих строительные конструкции из сгораемых материалов, целесообразно выбор автоматического выключателя при проектировании электроустановки осуществлять по Таблице 3, в которой сечения жил даны с 20% занижением. Защиту таких кабелей обеспечит автоматический выключатель С6, либо В10, у которого кратность тока срабатывания электромагнитного расцепителя к номинальному току срабатывания теплового расцепителя находится в пределах от 3 до 5. Это позволит существенно увеличить надежность электропроводки.

Таблица 2

Таблица 3