Розрахунок допустимого струму за IEC 60287: чому струмове навантаження кабелю залежить від об’єкта, а не від каталогу

Замовники запитують: «Який струм може пропускати цей кабель?» Чесна відповідь: залежить від того, де ви його прокладете. Той самий кабель може пропускати дуже різні струми — прокладений у сухому піску, затягнутий у трубу, покладений на відкритому повітрі під сонцем або згрупований з іншими лініями.

Міжнародний метод відповіді на це питання — IEC 60287, Кабелі електричні — Розрахунок номінального струму. У цій статті пояснено ідею, що лежить в його основі, і, що важливіше, які вихідні дані справді змінюють результат.

Ідея в одному абзаці

Кабель нагрівається, тому що струм протікає через опір жили, а також тому, що ізоляція, екрани та броня мають власні втрати. Це тепло має відводитися через шари кабелю в навколишнє середовище. Допустимий струм — це тривалий струм, за якого жила саме досягає максимально допустимої температури. IEC 60287 моделює це як ланцюг теплових опорів — ізоляція, подушка, оболонка, а потім навколишнє середовище — подібно до електричного кола, в якому тепло відіграє роль струму, а температура — роль напруги.

Ідея 1: середовище зазвичай важить більше, ніж сам кабель

Інженери природно зосереджуються на конструкції кабелю, але для кабелів у землі найбільшим окремим тепловим опором часто є сам ґрунт. Чинники, які найбільше впливають на допустимий струм, часто перебувають поза кабелем:

• Питомий тепловий опір ґрунту. Волога глина та сухий пісок поводяться зовсім по-різному. Ґрунт, що висихає навколо гарячого кабелю, з часом може погіршити ситуацію.
• Глибина прокладання і труби. Труби захищають кабель, але додають тепловий опір через повітряний проміжок і стінку труби.
• Сусідні лінії. Згруповані кабелі нагрівають один одного; найгарячіший кабель у групі визначає обмеження.
• Температура повітря і ґрунту. Проєкт у Перській затоці — це не проєкт у Скандинавії.
• Кабелі в повітрі. Сонячне випромінювання, закриті простори та розміщення на лотках чи кріпленнях повністю змінюють картину.

Практичний висновок: допустимий струм настільки достовірний, наскільки достовірні дані про об’єкт, на яких він ґрунтується. Якщо в тендері не вказано умов прокладання, правильно — запитати або чітко зазначити, на яких припущеннях базується пропозиція.

Ідея 2: схема заземлення екранів може важити стільки ж, скільки переріз жили

Для одножильних кабелів спосіб заземлення металевих екранів має великий вплив:

• Заземлення з обох кінців просте, але дає змогу циркулювати струмам в екранах. На великих жилах це може коштувати значної частки допустимого струму.
• Заземлення з одного кінця та транспозиція екранів значною мірою усувають ці струми ціною додаткового обладнання, як-от обмежувачів напруги на оболонці та коробок транспозиції.
• Розташування трикутником або в площині та відстань між фазами також змінюють втрати в екранах.

Іноді найдешевший спосіб отримати більше амперів — не більша жила, а інша схема заземлення екранів; про це варто поговорити із замовником.

Ідея 3: на високій напрузі сама ізоляція стає джерелом тепла

На низькій напрузі втрати в ізоляції незначні. На високій і надвисокій напрузі діелектричні втрати зростають із напругою і займають реальну частку теплового бюджету, залишаючи менше для жили. Це одна з причин, чому конструкції ВН і НВН потребують ретельних повних розрахунків, а не масштабованих емпіричних правил для НН.

Ідея 4: великі жили менш ефективні, ніж здається

Змінний струм витісняється до поверхні великих жил (поверхневий ефект) і зазнає впливу сусідніх жил (ефект близькості). Подвоєння перерізу жили не подвоює допустимого струму. Для дуже великих жил ВН використовують сегментні конструкції, щоб обмежити цей ефект, — див. IEC 60228 простими словами, де розглянуто цю історію з боку жили.

Чого не охоплює IEC 60287

IEC 60287 розраховує допустимий струм усталеного режиму за постійного повного навантаження. Реальним мережам також потрібні:

• допустимі струми циклічного та аварійного режимів, що регламентуються IEC 60853 і можуть дозволяти вищі струми для навантажень, які змінюються протягом доби;
• стійкість до струмів короткого замикання жили та металевого екрана, яку перевіряють окремо;
• втрата напруги, яка на довгих лініях НН може визначати переріз жили незалежно від температури.

Повна перевірка зазвичай охоплює всі ці аспекти. А оскільки IEC 60287 — це розрахунок, типові випробування залишаються еталоном для підтвердження конструкції; розрахунок є інженерною основою для проєктування, вибору та підготовки пропозицій.

Чому каталожні значення створюють проблеми

Каталожні значення допустимого струму передбачають стандартні базові умови, які рідко збігаються з реальним проєктом. Використані в тендері напряму, вони ведуть до одного з двох результатів:

• Завищення перерізу — пропозиція технічно безпечна, але програє за ціною конкурентові, який виконав коректний розрахунок.
• Заниження перерізу — пропозиція перемагає, а проблема виявляється пізніше: під час власної експертизи проєкту замовника або в експлуатації.

Розрахунок допустимого струму для кожної конструкції, в умовах конкретного замовника, усуває обидва ризики.

Допустимі струми в CablePLM

У CablePLM допустимі струми за IEC 60287 розраховуються для кожної конструкції з урахуванням вашого способу прокладання, ґрунту, глибини прокладання, температури навколишнього середовища та схеми заземлення екранів. Змініть жилу чи екран — і допустимий струм оновиться разом із конструкцією, специфікацією матеріалів і технічним паспортом. Стійкість до струмів короткого замикання також розраховується разом із конструкцією, а додаток Cable Selection & Optimization порівнює альтернативи, щоб знайти найдешевшу конструкцію, яка забезпечує потрібний струм.

Читайте далі: будова силового кабелю шар за шаром та IEC 60502-2 для кабелів середньої напруги.

Хочете побачити розрахунок допустимих струмів для власних проєктів? Замовте демонстрацію.