Расчёт допустимого тока по IEC 60287: почему токовая нагрузка кабеля определяется объектом, а не каталогом

Заказчики спрашивают: «Какой ток может пропускать этот кабель?» Честный ответ: зависит от того, где вы его проложите. Один и тот же кабель может пропускать очень разные токи — проложенный в сухом песке, затянутый в трубу, уложенный на открытом воздухе под солнцем или сгруппированный с другими линиями.

Международный метод ответа на этот вопрос — IEC 60287, Кабели электрические — Расчёт номинальной токовой нагрузки. В этой статье объясняется идея, лежащая в его основе, и, что важнее, какие исходные данные действительно меняют результат.

Идея в одном абзаце

Кабель нагревается, потому что ток протекает через сопротивление жилы, а также потому, что изоляция, экраны и броня имеют собственные потери. Это тепло должно отводиться через слои кабеля в окружающую среду. Допустимый ток — это длительный ток, при котором жила как раз достигает максимально допустимой температуры. IEC 60287 моделирует это как цепочку тепловых сопротивлений — изоляция, подушка, оболочка, а затем окружающая среда — подобно электрической цепи, в которой тепло играет роль тока, а температура — роль напряжения.

Идея 1: окружающая среда обычно важнее самого кабеля

Инженеры естественным образом сосредотачиваются на конструкции кабеля, но для кабелей в земле наибольшим отдельным тепловым сопротивлением часто является сам грунт. Факторы, которые сильнее всего влияют на допустимый ток, нередко находятся вне кабеля:

• Удельное тепловое сопротивление грунта. Влажная глина и сухой песок ведут себя совершенно по-разному. Грунт, высыхающий вокруг горячего кабеля, со временем может ухудшить ситуацию.
• Глубина прокладки и трубы. Трубы защищают кабель, но добавляют тепловое сопротивление за счёт воздушного зазора и стенки трубы.
• Соседние линии. Сгруппированные кабели нагревают друг друга; самый горячий кабель в группе определяет ограничение.
• Температура воздуха и грунта. Проект в Персидском заливе — это не проект в Скандинавии.
• Кабели на воздухе. Солнечное излучение, закрытые пространства и размещение на лотках или креплениях полностью меняют картину.

Практический вывод: допустимый ток достоверен ровно настолько, насколько достоверны данные об объекте, на которых он основан. Если в тендере не указаны условия прокладки, правильно — запросить их или чётко указать, на каких допущениях основано предложение.

Идея 2: схема заземления экранов может значить не меньше, чем сечение жилы

Для одножильных кабелей способ заземления металлических экранов оказывает большое влияние:

• Заземление с обоих концов просто, но допускает циркуляцию токов в экранах. На крупных жилах это может стоить значительной доли допустимого тока.
• Заземление с одного конца и транспозиция экранов в значительной степени устраняют эти токи ценой дополнительного оборудования, такого как ограничители напряжения на оболочке и коробки транспозиции.
• Расположение треугольником или в плоскости и расстояние между фазами также меняют потери в экранах.

Иногда самый дешёвый способ получить больше ампер — не более крупная жила, а другая схема заземления экранов; это стоит обсудить с заказчиком.

Идея 3: на высоком напряжении сама изоляция становится источником тепла

На низком напряжении потери в изоляции пренебрежимо малы. На высоком и сверхвысоком напряжении диэлектрические потери растут с напряжением и занимают реальную долю теплового бюджета, оставляя меньше для жилы. Это одна из причин, по которым конструкции ВН и СВН требуют тщательных полных расчётов, а не масштабированных эмпирических правил для НН.

Идея 4: крупные жилы менее эффективны, чем кажется

Переменный ток вытесняется к поверхности крупных жил (поверхностный эффект) и испытывает влияние соседних жил (эффект близости). Удвоение сечения жилы не удваивает допустимый ток. Для очень крупных жил ВН применяют сегментные конструкции, чтобы ограничить этот эффект, — см. IEC 60228 простыми словами, где эта история рассмотрена со стороны жилы.

Что не охватывает IEC 60287

IEC 60287 рассчитывает допустимый ток установившегося режима при постоянной полной нагрузке. Реальным сетям также нужны:

• допустимые токи циклического и аварийного режимов, регламентируемые IEC 60853, которые могут допускать более высокие токи для нагрузок, меняющихся в течение суток;
• стойкость к токам короткого замыкания жилы и металлического экрана, проверяемая отдельно;
• потеря напряжения, которая на длинных линиях НН может определять сечение жилы независимо от температуры.

Полная проверка обычно охватывает все эти аспекты. А поскольку IEC 60287 — это расчёт, эталоном для подтверждения конструкции остаются типовые испытания; расчёт служит инженерной основой для проектирования, выбора и подготовки предложений.

Почему каталожные значения создают проблемы

Каталожные значения допустимого тока предполагают стандартные базовые условия, которые редко совпадают с реальным проектом. Использованные в тендере напрямую, они ведут к одному из двух исходов:

• Завышение сечения — предложение технически безопасно, но проигрывает по цене конкуренту, который выполнил корректный расчёт.
• Занижение сечения — предложение выигрывает, а проблема проявляется позже: при собственной экспертизе проекта заказчика или в эксплуатации.

Расчёт допустимого тока для каждой конструкции в условиях конкретного заказчика устраняет оба риска.

Допустимые токи в CablePLM

В CablePLM допустимые токи по IEC 60287 рассчитываются для каждой конструкции с учётом вашего способа прокладки, грунта, глубины прокладки, температуры окружающей среды и схемы заземления экранов. Измените жилу или экран — и допустимый ток обновится вместе с конструкцией, спецификацией материалов и техническим паспортом. Стойкость к токам короткого замыкания также рассчитывается вместе с конструкцией, а дополнение Cable Selection & Optimization сравнивает альтернативы, чтобы найти самую дешёвую конструкцию, обеспечивающую требуемый ток.

Читайте далее: устройство силового кабеля слой за слоем и IEC 60502-2 для кабелей среднего напряжения.

Хотите увидеть расчёт допустимых токов для собственных проектов? Запишитесь на демонстрацию.