Проверка сечения кабеля на термическую стойкость и невозгорание

Принято считать, то для кабелей напряжением до 1 кВ проверку по термической стойкости кабеля и проверку кабеля на невозгорание выполнять не нужно (т.к. данное требование отсутствует в ПУЭ). Однако, не всё так просто и есть нюансы. В статье рассмотрим нормативные требования по этому вопросу, а также выполним расчёт и проверку сечения кабеля.

Нормативные требования

Существует четыре основных документа, регламентирующих выбора и проверку кабелей по нагреву при коротком замыкании.

Требования Правила устройства электроустановок (ПУЭ)

Начнём с Правил устройства электроустановок (ПУЭ). В ПУЭ требования изложены в главе 1.4 «Выбор электрических аппаратов и проводников по условиям короткого замыкания».

В электроустановках до 1 кВ проверку для кабелей в соответствии с п.1.4.2 ПУЭ выполнять не требуется:

Правила устройства электроустановок (ПЭУ), п.1.4.2

В п.1.4.16 ПЭУ приводятся предельные допустимые температуры нагрева проводников при коротком замыкании:

Правила устройства электроустановок (ПЭУ), п.1.4.16

А п.1.4.17 ПУЭ определяет, каким образом следует проводить данную проверку:

• одиночных кабелей одной строительной длины, исходя из КЗ в начале кабеля;
• одиночных кабелей со ступенчатыми сечениями по длине, исходя из КЗ в начале каждого участка нового сечения;
• пучка из двух и более параллельно включенных кабелей, исходя из КЗ непосредственно за пучком (по сквозному току КЗ).

Правила устройства электроустановок (ПЭУ), п.1.4.17

На этом обычно многие рассмотрение данного вопроса для кабелей напряжением до 1 кВ заканчивают (считая, что проверку выполнять не нужно), что неверно.

Требования Циркуляра №Ц-02-98 (Э)

В 1998 году РАО «ЕЭС России» выпустило циркуляр №Ц-02-98 (Э) «О проверке кабелей на невозгорание при воздействии тока короткого замыкания». Причиной публикации данного документа послужили пожары в кабельных хозяйствах электростанций. После анализа ситуации и ряда испытаний был выпущен данный документ, положениями которого предлагалось дополнить требования главы 1.4 ПУЭ с целью «повышения надежности работы электроустановок и предотвращения пожаров в кабельных сооружениях энергетических объектов».

Далее следуют рекомендации о методике и способах проверки кабелей по условиям невозгорания и приводятся значения расчетных температур нагрева токопроводящих жил кабелей при проверке на невозгорание и при определении пригодности к дальнейшей эксплуатации.

Требования циркуляра №Ц-02-98 (Э)

При этом поясняется, что:

• при температурах нагрева токопроводящих жил кабелей, не превышающих значений, указанных в гр. 3 таблицы, кабели пригодны к дальнейшей эксплуатации;
• при температурах нагрева токопроводящих жил в интервалах значений, указанных в гр. 3 и 4 таблицы, допускается эксплуатация кабелей в течение 1 года. Такие кабельные линии перед включением в работу должны быть дополнительно осмотрены, в доступных местах отремонтированы (при необходимости) и испытаны выпрямленным напряжением 4·U_ном в течение 5 мин;
• при температурах нагрева токопроводящих жил кабелей, превышающих значения, указанных в гр. 4 таблицы, кабели считаются к дальнейшей эксплуатации непригодными и должны быть заменены.

Логично было бы оставить данный циркуляр только для тех, кто проектирует энергетические объекты, но есть ещё один нормативный документ.

Требования ГОСТ 31996-2012

Начнём с терминов и определений, которые устанавливает ГОСТ 31996-2012 «Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение 0,66; 1 и 3 кВ»:

Далее, в п.10.7 ГОСТ 31996-2012 указано, что «допустимые температуры нагрева токопроводящих жил кабелей при эксплуатации не должны превышать указанных в таблице 18, если другие значения не указаны в технических условиях на кабели конкретных марок»:

ГОСТ 31996-2012, п.10.7

Требования ГОСТ Р 50571.4.43-2012

ГОСТ Р 50571.4.43-2012 (МЭК 60364-4-43-2008) «Электроустановки низковольтные. Требования по обеспечению безопасности. Защита от сверхтока» также предъявляет в п.434.5.2 требования к обеспечению допустимой температуры изоляции проводников при выборе защиты кабелей при коротком замыкании: «Для кабелей и изолированных проводников время отключения полного тока короткого замыкания в любой точке цепи не должно превышать время, в течении которого достигается допустимая температура изоляции проводников».

Требования п.434.5.2 ГОСТ Р 50571.4.43-2012

При этом:

• условие термической стойкости кабеля будет выполнено, если расчётная температура нагрева токопроводящих жил кабеля после короткого замыкания будет меньше предельной температуры нагрева токопроводящей жил;
• условие проверки по невозгоранию кабеля будет выполнено, если расчётная температура нагрева токопроводящих жил кабеля после короткого замыкания будет меньше допустимой температуры нагрева токопроводящей жилы по условию невозгорания кабеля.

Пример расчета и проверки кабеля на термическую стойкость и невозгорание

Выполним расчет и проверку кабеля на термическую стойкость и невозгорание по методике циркуляра №Ц-02-98 (Э).

Исходные данные:

• Кабель АПвБбШв 4×185
• Способ прокладки — в земле
• Расчетный ток нагрузки 280А
• Расчетный ток короткого замыкания 15,28кА
• Время срабатывания защиты 1,5с

Определяем значение температуры жилы до короткого замыкания по выражению (3) №Ц-02-98 (Э).

где:

• Q_Н — температура токопроводящих жил кабеля до начала короткого замыкания;
• Q_О — фактическая температура окружающей среды;
• Q_ДД — длительно допустимая температура нагрева жил кабеля (определяется по таблице 18 ГОСТ 31996-2012): 70ºC для кабелей с ПВХ-оболочкой, 90ºC для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена;
• Q_окр — температура окружающей среды: 15ºC при прокладки кабелей в земле, 25ºC при прокладки кабелей в воздухе;
• I_раб — рабочий ток кабеля (расчетный ток нагрузки);
• I_ДД — длительно допустимый ток кабеля по ГОСТ 31996-2012.

Определяем значение коэффициента K по выражению (2) №Ц-02-98 (Э).

где:

• b — постоянная, характеризующая теплофизические характеристики материала жилы, равная для алюминия 45,65 мм⁴/(кА²·с) и для меди 19,58 мм⁴/(кА²·с);
• I²·t — суммарный тепловой импульс (интеграл Джоуля) от тока короткого замыкания, кА²·с;
• S — сечение жилы кабеля, мм².

Полученное значение округляем до K=0,5.

Далее по номограмме определяем значение температуры жил кабеля после короткого замыкания:

1. На горизонтальной оси находим значение температуры жил кабеля до короткого замыкания Q_Н=73,47°C и из этой точки проводим перпендикуляр до пересечения с кривой K=0,5;
2. От точки пересечения проводим перпендикуляр к вертикальной оси и определяем значение температуры жил кабеля после короткого замыкания Q_К≈270°C

Определение температуры жилы кабеля после КЗ по №Ц-02-98 (Э)

Полученное значение Q_К сравниваем со значениями из таблицы 18 ГОСТ 31996-2012:

• Температура жил кабеля после короткого замыкания Q_К≈270°C больше предельной температуры жил кабеля при коротком замыкании равной 250°C для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена. Условие термической стойкости кабеля не выполнено.
• Температура жил кабеля после короткого замыкания Q_К≈270°C меньше допустимой температуры жил кабеля по условию невозгорания. Условие невозгорания кабелей выполнено.

Пример проверки кабеля на термическую стойкость и невозгорание в программе DDECAD

Для проверки кабеля на термическую стойкость и невозгорание в программе DDECAD, нажимаем кнопку «Расчет ТСК» на вкладке «DDECAD» в Excel.

В появившемся окне вводим исходные данные из примера выше:

Проверка термической стойкости кабеля и проверка кабеля на невозгорание в программе DDECAD. Ввод исходных данных

После ввода исходных данных нажимаем кнопку «Расчет». Программа рассчитает температуры токопроводящих жил кабеля до и после короткого замыкания, отобразит построения на номограмме, а также сделает выводы о выполнении условий термической стойкости и невозгорании кабеля.

Проверка термической стойкости кабеля и проверка кабеля на невозгорание в программе DDECAD. Результаты расчетов

Выводы

1. Проверять кабель напряжением до 1 кВ по термической стойкости и условию невозгорания нужно, т.к. есть нормативные требования на этот счёт не только для энергетических объектов;
2. При проектировании особое внимание следует уделять высоконагруженным кабельным линиям, прокладываемым в условиях высоких температур — для них температура жил кабеля до КЗ может оказаться выше длительно допустимой температура нагрева жил;
3. При высоких токах короткого замыкания и выдержках времени срабатывания защиты велика вероятность, что проверка по термической стойкости и условию невозгорания не будет пройдена.
4. При расчетах следует руководствоваться требованиями п.1.4.17 ПУЭ и п.1.1 циркуляра №Ц-02-98 (Э) в части выбора точек короткого замыкания для определения расчетного тока КЗ.
5. Расчеты гораздо проще, удобнее и быстрее выполнять в специализированном программном обеспечении, а не вручную.