Пояснения к рекомендуемым методам учета неадиабатического нагрева при расчете допустимых токов короткого замыкания

Допущение о тепловых потерях в изоляции может быть выражено в виде коэффициента, изменяющего либо затраты энергии при коротком замыкании, либо максимальную допустимую температуру. Выбран первый вариант, т.к. он позволяет сохранять постоянный предел температуры для материала и не изменять его в зависимости от тепловых потерь в изоляции. Коэффициент определяется соотношением затрат энергии в адиабатическом и неадиабатическом режимах и, таким образом, непосредственно влияет на значение тока в проводнике, поскольку длительность в обоих случаях одинакова.

В некоторых конкретных случаях (например система с заземленной нейтралью) максимальный ток короткого замыкания известен, и рекомендуемый метод может быть преобразован для определения максимальной температуры при коротком замыкании.

А) Токопроводящие жилы

Проведено значительное количество теоретических и экспериментальных исследований в области кабелей с медными токопроводящими жилами и поливинилхлоридной (ПВХ) изоляцией, в то время как по кабелям с медными токопроводящими жилами и бумажной изоляцией имеется небольшое количество данных. Рекомендуемый в настоящем стандарте метод был основан на данных по кабелям с медными токопроводящими жилами и ПВХ изоляцией и затем экстраполирован на кабели другого типа. Такая экстраполяция была подтверждена имеющимися результатами нескольких испытаний кабелей с бумажной изоляцией.

Получено достаточное соответствие между результатами вычислений при помощи четырех независимых теоретических методов, метода расчета переходных характеристик при помощи ЭВМ (этот метод принят CIGRE для расчета номинальных характеристик в переходном режиме*) и данными экспериментальных исследований.

* Electra, № 87, март 1983, стр. 41.

Формула имеет следующий вид:

.

Полученная эмпирическим путем формула этого вида соответствовала рассчитанной при помощи ЭВМ кривой для ПВХ. Эмпирические постоянные А и В включали удельные теплоемкости жилы и изоляции, а также удельное термическое сопротивление изоляции.

Путем модификации этих постоянных (используя значения, опубликованные в Electra, № 24, стр. 90, 91) были получены кривые для других комбинаций материалов жилы и изоляции.

На практике имеет место большой разброс результатов экспериментальных исследований, который объясняется тепловым контактом между жилой и изоляцией. В формулу был введен коэффициент F, в соответствии с теоретическими исследованиями. Значение F = 0,7 соответствовало всем имеющимся экспериментальным данным для ПВХ, и затем использовалось для всех комбинаций материалов жилы и изоляции (за исключением маслонаполненных кабелей, для которых вследствие хорошего теплового контакта можно использовать коэффициент l,0). Возможные погрешности расчета, таким образом, учитываются в сторону повышения надежности кабелей.

Коэффициент e в некоторой степени зависит от температуры, но в диапазоне температур, которые обычно имеют место на практике, эту зависимость можно не учитывать (она учтена в коэффициенте 0,7).

Рабочая группа полагала, что 5 % - минимальное увеличение допустимого тока короткого замыкания, которое может быть реализовано на практике. При t / S < 0,1 с/мм² увеличение тока в жиле незначительное и неадиабатический метод не рекомендуется применять при таком соотношении, которое наиболее часто встречается при эксплуатации.

В) Экраны и оболочки

Экраны и оболочки являются элементами конструкции кабелей, в наибольшей степени определяющими значения допустимого тока короткого замыкания в условиях неадиабатического нагрева.

Рабочая группа располагала несколькими методами расчета: аналитическими и с использованием ЭВМ. Был выбран метод с введением упрощений теоретически наиболее точного метода*, который непосредственно учитывает изменение потерь в зависимости от температуры.

*Mildner; R. С., AIEE Trans. Том 87, стр. 749 - 758, март 1968.

Основной проблемой было недостаточное количество результатов экспериментальных исследований, необходимых для сравнения с данными расчета при помощи теоретического метода. Получено определенное соответствие с несколькими имеющимися результатами испытаний, особенно при введении коэффициента, учитывающего тепловой контакт (так же, как для жилы). Кроме того, результаты испытаний, полученные методом с использованием ЭВМ (см. п. А), также соответствовали теоретическим данным.

Коэффициент e и в этом случае в некоторой степени зависит от температуры, но в уравнении представлен наиболее неблагоприятный случай, и на практике эту зависимость можно не учитывать.

Коэффициент теплового контакта выбран для различных конструкций оболочки и экрана с учетом степени теплового контакта. Например, кабели с бумажной изоляцией, свинцовой оболочкой и битумным слоем под наружной оболочкой имеют весьма хороший контакт, а гофрированные алюминиевые оболочки кабелей с бумаго-массной изоляцией имеют плохой контакт с изоляцией.

Все допущения делались в сторону увеличения надежности кабелей. Наиболее сложно определить сопротивление и площадь поперечного сечения ленточных экранов, наложенных с перекрытием, и многослойных ленточных экранов. Сопротивление значительно зависит от степени контакта между витками ленты, который может случайным образом изменяться в течение короткого замыкания. Поэтому принято допущение, обеспечивающее определенный запас, а именно: ток течет вдоль ленты по спирали вокруг кабеля, а между витками нет проводимости. При этом используется площадь поперечного сечения ленты (или лент).

В этом случае получают заниженные номинальные значения для условий короткого замыкания, но они все же выше тех, которые определены на основе адиабатического режима при том же допущении отсутствия контакта между витками.

Аналогично допускается, что экраны в виде оплетки из проволок имеют трубчатую форму и не имеют контакта между проволоками. Площадь поперечного сечения в этом случае определяют как площадь поперечного сечения одной проволоки, умноженную на общее число проволок в оплетке, а за толщину принимают удвоенный диаметр одной проволоки.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ

ПОДГОТОВЛЕН И ВНЕСЕН Министерством электротехнической промышленности и приборостроения СССР