Черкасов В.Н., Костарев Н.П. Пожарная безопасность электроустановок: Учебник

Подождите немного. Документ загружается.

142

нагрузке.

Для длительного режима работы, при котором допускаемый нагрев

проводников обычно невелик, можно без заметной погрешности считать,

что сопротивление проводника и коэффициент теплопроводности – вели-

чины постоянные. Но при увеличении температуры проводника увеличи-

вается и его сопротивление. Следовательно, увеличивается и количество

выделяющегося в нем тепла, хотя ток остается неизменным. Однако при

повышении

температуры проводника увеличивается перепад между тем-

пературой проводника и температурой среды, а это улучшает способ-

ность поверхности проводника рассеивать тепло (повышает коэффициент

теплопроводности). В итоге увеличение количества выделяющегося тепла

в определенной мере компенсируется увеличением теплоотдачи. При

этих условиях установившееся превышение температуры проводника за-

висит только от тока и может быть

определено выражением

= t

у.н

(I/I

доп

)

, (4.5)

где t

у.н

– допустимое превышение температуры, принятое по нормам

ПУЭ для расчета длительно допустимого тока I

доп

, °С; I – фактический

ток, А.

Допустимое превышение температуры, принятое в ПУЭ при вы-

числении I

доп

, определяется по формуле

у.н

= t

ж.н

– t

ср.н

, (4.6)

где t

ж.н

– длительно допустимая температура жил проводников по нор-

мам, °С; t

ср.н

– расчетная температура среды по нормам, °С.

Чтобы обеспечить нормальный режим работы провода или кабеля,

соединительных контактов и изоляции, а также пожарную безопасность,

нагрев проводников ни при каких условиях не следует допускать выше

температур, указанных в табл. 4.1. Нагрев проводников должен соответ-

ствовать данным табл. 4.1, даже и в том случае, когда расчетом

установ-

лено, что относительное старение изоляции за весь рассматриваемый пе-

риод не выходит за пределы допустимого (не превышает единицы). При

больших температурах могут быстро ухудшаться контакты, что обуслов-

ливает значительные переходные сопротивления и недопустимо большие

местные нагревы. Все это приводит к резкому снижению механической

прочности проводников, их устойчивости к КЗ,

порче изоляции и ее вос-

пламенению.

Таблица 4.1

143

Вид и материал

проводника

Длительно до-

пустимая темпе-

ратура жил по

нормам t

ж.н

, °С

Кратковременно

допустимая темпе-

ратура жил при пе-

регрузках t

, °С

Максимально допустимое превы-

шение температуры жил по нор-

мам при токе КЗ t

у.н

, °С

300

200

С медными

жилами

С алюминие-

выми жилами

Шины и голые

провода:

медные

алюминиевые

Кабели с бумаж-

ной пропитанной

изоляцией при

напряжении:

до 3 кВ

до 6 кВ

до 10 кВ

Кабели и провода

с резиновой и по-

ливинилхлорид-

ной изоляцией

125

100

110

200

150

200

150

Таблица 4.2

Место прокладки проводника

Температура среды по ПУЭ,°С

Открытая и защищенная прокладка проводов, ка-

белей и шин в воздухе (внутри помещений)

Один кабель с бумажной изоляцией при прокладке

непосредственно в земле с удельным сопротивле-

нием 120 Ом⋅см (тепловых)

То же, в земле (в трубах)

Кабели с бумажной изоляцией независимо от их

числа при прокладке непосредственно в воде

Расчетные температуры среды t

ср.н

, принятые в ПУЭ для определения

длительно допустимых токов в проводниках в различных условиях их про-

кладки, приведены в табл. 4.2. Пользуясь табл. 4.2 и установившимся пре-

вышением температуры проводника t

, подсчитанным по формуле (4.5) для

нагрузки, отличной от длительно допустимой по нормам, можно опреде-

лить фактическую температуру нагрева проводника

= t

+ t

ср.н

. (4.7)

Расчеты по формулам (4.5) и (4.7) действительны для проводников с

иной изоляцией и для иных температур среды, например для стран с тро-

пическим климатом.

4.2. ДОПУСТИМАЯ НАГРУЗКА НА ПРОВОДНИКИ ПО НАГРЕВУ

144

Допустимая нагрузка на голые проводники. Нормирование пре-

дельно допустимых температур проводников (см. табл. 4.1) теоретически

позволяет вывести соотношение между током и температурой нагрева жил.

По этому соотношению можно определить допустимый длительный ток

для данного сечения проводника в зависимости от температуры окружаю-

щей среды (см. табл.4.2) и материала жилы. Часть электрической энергии,

передаваемой

по проводникам, переходит в тепловую. Эта часть равна Q =

. Тепловая энергия расходуется вначале на постепенное увеличение

превышения температуры проводника, затем на поддержание установив-

шегося превышения температуры t

во время работы, т.е. на компенсацию

потерь тепла в окружающую среду. Количество тепла, отдаваемого про-

водником в окружающую среду, равно

F(t

−t

ср.н

)τ, (4.8)

где

– коэффициент теплоотдачи при конвективном и лучистом теплооб-

мене, Вт/(м

⋅ °С); F – поверхность проводника, м

; t

– температура про-

водника, °С; t

ср.н

– расчетная температура окружающей среды, °С; −τ еди-

ница времени.

При установившемся режиме количество тепла, выделяемого в провод-

нике в единицу времени, должно быть равно количеству отданного тепла:

F(t

−t

ср.н

)

откуда

= [

F(t

−t

ср.н

)]/r. (4.9)

С другой стороны,

F =

l; r = l

/γ

S = 4l

/γπ

где

– удельная проводимость материала проводника, м/(Ом⋅мм

);

– диаметр проводника, м; l – длина проводника, м; S – площадь попе-

речного сечения проводника, мм

Подставляя значения F и r в формулу (4.9), получаем

I = (

/2)

.)(γα

ср.нж

ttd −

(4.10)

Формула (4.10) позволяет определить ток по заданному перепаду тем-

пературы (t

−t

ср.н

). По этой же формуле можно определить допустимый

длительный ток I

доп

для голого проводника, исходя из заданной по нормам

предельной температуры проводника t

ж.н

и расчетной температуры среды

ср.н

доп

= (

/2)

.)(γα

ср.нж.н

ttd −

(4.11)

Пользуясь полученными соотношениями, можно по известным допус-

145

тимым значениям I

доп

и t

ж.н

определить значение I для любых других усло-

вий. Например, значение нового допустимого тока для новых допустимых

условий нагрева проводника t

получим путем деления выражений (см.

формулы (4.10) и (4.11)):

I = I

доп

.)/()(

ср.нж.нср.нж

tttt −−

(4.12)

Аналогичные пересчеты можно сделать в случае изменения темпера-

туры окружающей среды t

ср

по сравнению с расчетной t

ср.н

I = I

доп

)/()(

ср.нж.нсрж.н

tttt −−

= I

доп

, (4.13)

где К

= (t

ж.н

-t

ср

)/(t

ж.н

–t

ср.н

) – поправочный коэффициент на измененную

температуру окружающей среды по сравнению с расчетной [1].

Зная допустимый ток для проводника из данного материала (напри-

мер, меди), можно определить допустимый ток для проводника из друго-

го материала (например, алюминия). Для этого величину допустимого

тока на алюминиевом проводнике I

а.доп

, вычисленную по формуле (4.11),

следует разделить на величину I

м.доп

при всех прочих равных условиях,

т.е.

а.доп

м.доп

ма

γ/γ

где

= 31 м/(Ом⋅мм

);

= 53 м/(Ом⋅мм

). Тогда

а.доп

= 0,77 I

м.доп

. (4.14)

Несмотря на то что допустимые токи для голых проводников, исходя

из t

ж.н

, t

ср.н

и материала жил, можно определить по формулам (4.11) - (4.14),

в практических расчетах обычно пользуются готовыми таблицами допус-

тимых длительных токов.

Допустимая нагрузка на изолированные проводники. Тепловые

процессы в изолированных проводниках (провода и кабели) протекают так

же, как и в голых проводниках. Однако электрическая изоляция и защит-

ные оболочки несколько меняют условия охлаждения.

При некоторых до-

пущениях можно вывести зависимости для изолированных проводов и ка-

белей, аналогичные формулам (4.10) - (4.14). В практических же расчетах

пользуются готовыми таблицами допустимых длительных токов (см.

табл.1.3.4 – 1.3.28 [1]).

Расчетные допустимые длительные токи кабелей приняты для про-

кладки в траншее на глубине 0,7 – 1 м (не более одного кабеля) при темпе-

ратуре земли +15

°С. При иных температурах и числе кабелей вводятся по-

правочные коэффициенты (см. табл. 1.3.3 и 1.3.26 [1]). Допустимые токи

одиночных кабелей, прокладываемых в трубах в земле без искусственной

146

вентиляции, должны приниматься такими же, как и для кабелей, прокла-

дываемых в воздухе. Сечения кабелей на трассах с разными условиями ох-

лаждения должны быть выбраны по участку трассы с худшими условиями

охлаждения, если длина такого участка превышает 10 м. При большой

протяженности кабельной трассы рекомендуется применять для участков с

худшими условиями охлаждения

кабельную вставку большего сечения,

чтобы не увеличивать сечение всего кабеля.

При определении допустимых длительных токов для изолированных и

неизолированных проводов и шин, проложенных в среде, температура ко-

торой существенно отличается от приведенной в табл. 4.2, вводятся попра-

вочные коэффициенты (табл. 1.3.3 [1]).

4.3. ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Короткие замыкания в принципе возможны во всех электроустанов-

ках, в цепях или узлах которых протекает электрических ток. В параграфе

1.3 приведены причины, приводящие к коротким замыканиям в различных

электроустановках.

В подавляющем большинстве случаев в результате коротких замыка-

ний возникают токи, во много раз превышающие номинальные значения.

Несмотря на кратковременность режимов коротких

замыканий (секунды

или доли секунды), а следовательно, и кратковременность протекания то-

ков короткого замыкания, они во многих случаях способны вызвать как

пожар электроустановки, так и пожар на объекте за счет обильного выде-

ления тепла раскаленными проводниками или раскаленными частицами

металла расплавленных проводников.

В проводнике при протекании по нему постоянного электрического

тока

теряется мощность

P = I

R, (4.15)

где I – действующий ток; R – сопротивление проводника.

При постоянном токе R =

(l/S), где

– удельное сопротивление про-

водника, l, S – соответственно длина и поперечное сечение проводника.

При переменном токе потери возрастают за счет поверхностного эф-

фекта и эффекта близости. Они учитываются коэффициентом дополни-

тельных потерь К

P = I

RК

. (4.16)

Протекание тока в течение времени

τ приведет к выделению энергии

= I

RК

. (4.17)

147

Часть этой энергии расходуется на нагревание проводника, часть бу-

дет отведена в окружающее пространство (SK

tdt).

Для любого момента времени будет справедливо следующее уравне-

ние теплового баланса:

= Mcdt + SK

tdt, (4.18)

где М – масса проводника, кг; с – удельная теплоемкость, Дж/(кг

⋅К);

S – поверхность теплоотдачи проводника, м

, t – превышение температуры

проводника по отношению к окружающей среде, К; K

– коэффициент те-

плоотдачи, Вт (м

⋅ К).

Превышение температуры проводника изменяется во времени по за-

кону показательной функции (экспоненты). При коротком замыкании по-

тери в проводнике возрастают в сотни раз.

Уравнение теплового баланса для случая короткого замыкания будет

иметь вид

= Mcdt, (4.19)

откуда

dt = (P/Mc)d

= (ρК

/γc)(i/S)

dτ, (4.20)

где i – мгновенный ток;

– удельное сопротивление; γ – плотность мате-

риала проводника; S – сечение проводника; К

– коэффициент дополни-

тельных потерь.

Для упрощения расчета будем считать величины

ρ,

с и i постоянными

во времени. Тогда нарастание температуры при коротком замыкании со-

ставит:

КЗ

= (

/γc

t+t

, (4.21)

где I

– плотность тока; t

– допустимое превышение температуры над тем-

пературой окружающей среды в момент короткого замыкания (в начале);

– значения для температуры нагретого проводника.

Нагрев проводника при коротком замыкании происходит практически

по закону, показанному прямой на рис. 4.2. Охлаждение проводника после

отключения короткого замыкания происходит по тем же законам, что и

при нормальных режимах.

Следует отметить, что расчет токов короткого замыкания в сетях на-

пряжением до 1000 В отличается от расчета

короткого замыкания в сетях

напряжением выше 1000 В тем, что в сетях напряжением выше 1000 В

обычно учитывают только индуктивное сопротивление отдельных элемен-

тов цепи (генераторов, трансформаторов, линий, реакторов и т.д.), а их ак-

тивное сопротивление учитывают лишь в отдельных случаях. В сетях на-

148

пряжением до 1000 В учитывается активное сопротивление даже весьма

небольших участков питающих присоединений и шин. Учитывается ак-

тивное сопротивление также таких элементов, как первичные обмотки

многовитковых трансформаторов тока, силовых трансформаторов, токо-

вых катушек, контактов автоматов, рубильников и т.д. Учитывается также

и индуктивное сопротивление этих элементов.

Рис. 4.2. Нагревание однородного проводника при коротком

замыкании:

ОВ – нагревание при номинальном токе; ВС – то же при коротком замыкании; СД - охлаждение

Для потребителей напряжением до 1000 В мощность понижающих

трансформаторов обычно невелика и редко превосходит 750–1000 кВА.

Так как мощность питающих источников чаще всего S

сист

≥ 50 S

тр

, это по-

зволяет считать периодическую составляющую тока (и напряжение на вы-

водах понижающего трансформатора) величиной, неизменной в течение

всего процесса короткого замыкания: I

КЗ

≈ I

уст

Для практических целей оценка величин токов короткого замыкания в

сетях напряжением до 1000 В может производиться по методике, изложен-

ной в параграфе 3.4.

4.4. ПРОТИВОПОЖАРНАЯ ЗАЩИТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

Внутрицеховые сети напряжением до 1000 В рассчитывают главным

образом на допустимый ток по условиям нагревания проводников и на до-

пустимую потерю напряжения. Такие расчеты необходимы для предупре-

ждения опасного перегрева проводников, т.е. для создания условий пожар-

ной безопасности и обеспечения электроприемников электроэнергией над-

лежащего качества. По экономической плотности тока проводники таких

0 τ, с

Начало КЗ КЗ Конец КЗ

t, °C

КЗ

уст

149

сетей не проверяются.

Из двух сечений, определенных указанными расчетами, принимается

большее. Принятое сечение должно быть не меньше сечения, регламенти-

рованного условиями механической прочности для данных условий про-

кладки. Без этого не может быть гарантирована не только пожарная безо-

пасность, но и электробезопасность электрических сетей, осветительной

или силовой установки в целом.

При

проектировании электрических сетей одновременно с выбором

минимально допустимого сечения проводников выбирают номинальные

параметры аппаратов защиты.

Расчет сетей по условиям нагрева. Выбор аппаратов защиты

Защита электрических сетей плавкими предохранителями. При

выборе сечения проводников сетей и номинальных токов плавких вставок

предохранителей необходимо соблюдение следующих правил.

Правило 1. Для осветительных сетей номинальный ток плавкой

вставки предохранителя во всех случаях должен быть больше или равен

рабочему току, т.е.

н.вст

≥ I

. (4.22)

Правило 2. Для осветительных сетей, не подлежащих обязательной

защите от токов перегрузки, номинальный ток плавкой вставки предохра-

нителя должен быть меньше или равен длительно допустимому току для

выбираемого сечения, т.е.

н.вст

≤ I

доп

. (4.23)

Для силовых сетей характерны электроприемники со значительными

пусковыми токами, превышающими их номинальные токи в 4-8 раз (на-

пример, у асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором).

Пусковой ток электродвигателя при разгоне ротора падает в течение 10 с

до рабочего тока при легком пусковом режиме (электродвигатели металло-

обрабатывающих станков, вентиляторов, насосов и т.п.) и

в течение 40 с –

при тяжелом пусковом режиме (электродвигатели центрифуг, дробилок,

транспортерных устройств, кранов и т.п.). В то же время (см. параграф 3.1)

плавкий элемент вставки должен, не расплавляясь, выдерживать ток, рав-

ный (1,3—1,6)I

н.вст

в течение 1 ч.

Таким образом, в силовых сетях выбор I

н.вст

следует производить по

правилу 3.

Правило 3. В силовых или смешанных сетях номинальный ток

плавкой вставки должен быть больше или равен максимальному кратко-

временному току, протекающему через предохранитель, деленному на ко-

150

эффициент

, т.е.

н.вст

≥ I

макс

/α, (4.24)

где I

н.вст

– расчетная величина номинального тока плавкой вставки, А; α –

коэффициент, зависящий от режима перегрузки предохранителя, его типа

и условий пуска электродвигателей. Значения

α приведены в табл. 4.3;

макс

– наибольшая величина кратковременного тока, протекающего через

предохранитель (зависит от вида защищаемой сети), А.

Таблица 4.3

Рекомендуемые значения

Типы и марки предохранителей

Материал

вставки

для легких условий

пуска электродвига-

теля и самозапуска

его при холостом

ходе аппарата

для тяжелых усло-

вий пуска элек-

тродвигателя и

самозапуска его

при нагруженном

аппарате

Инерци-

онные

Ц-27, Ц-33 при

н.вст

≤ 35 А, СПО и ПТ

Свинец

Медь

Выбирают толь-

ко по правилу 1

н.вст

≥ I

3,75

Мало-

инерци-

онные

ПР-2, П при I

н.вст

≥ 35 А

Цинк

Медь

3 2

Безынер-

ционные

Ц-33 при I

н.вст

= 60 А;

КП, НПН, НПР, П

при I

н.вст

< 35 А

Серебро

Медь

2,5 1,6

Быстро-

дейст-

вующие

ПНБ-2

По номинальному току

электроприемника

При отсутствии данных, позволяющих воспользоваться табл. 4.3 для

электродвигателей с короткозамкнутым ротором,

α принимается равным

2,5; для электродвигателей ответственных механизмов (с целью особо на-

дежной отстройки предохранителей от пусковых токов) допускается при-

нимать

α равным 1,6 (независимо от условий пуска электродвигателя). Для

ответвлений к одиночным асинхронным электродвигателям

макс

= I

пуск

= I

, (4.25)

где I

пуск

– пусковой ток электродвигателя; I

= P

⋅

cos

– номи-

нальный ток электродвигателя; К

– кратность пускового тока (для элек-

тродвигателей с короткозамкнутым ротором К

= 4-8; с фазным ротором К

= 1,5-2,5).

Для сетей, питающих n электродвигателей,

151

макс

р(п-1)

+ I

пуск

, (4.26)

где –

р(n-1)

– сумма рабочих токов всех электродвигателей без одного,

имеющего наибольший пусковой ток; К

– коэффициент одновременности,

учитывающий присоединенную мощность фактически работающих элек-

тродвигателей; I

пуск

– пусковой ток электродвигателя, имеющего наиболь-

шую его величину.

Рабочий ток электродвигателей определяется по формуле

= I

, (4.27)

где К

– коэффициент загрузки электродвигателей, т.е. отношение действи-

тельной загрузки электродвигателя к номинальной (при отсутствии сведе-

ний о загрузке электродвигателя и для ответвлений к одному электродви-

гателю К

принимается равным 1).

При расчете ответвлений с короткозамкнутым электродвигателем во

взрывоопасных зонах (за исключением В-16 и В-Iг) рабочий ток электро-

двигателя определяется по формуле

= 1,25I

. (4.28)

После определений I

н.вст

по формулам (4.23), (4.24) и соответствую-

щему каталогу или табл.1 прил.1 выбирают I

н.вст

равным или ближайшим

большим для данного типа предохранителя. Необходимое сечение провода

или кабеля сети определяют по таблицам допустимых длительных токов

нагрузок [1] с учетом правила 4.

Правило 4. Допустимый длительный ток провода или кабеля дол-

жен быть равен рабочему току электроприемников или большем его, т.е.

доп

≥ I

. (4.29)

Рабочий ток нагрузки в осветительных и силовых сетях определяется

расчетом. Выбранный предохранитель в зависимости от вида защищаемой

сети должен удовлетворять формулам (3.8), (4.22), (4.23), (4.24), а по усло-

вию надежности отключения токов КЗ, отключающей способности и селек-

тивности действия – формулам (3.12), (3.13), (3.19), (3.22), (3.23) и (3.24).

Защита электрических сетей автоматическими выключателями

или тепловыми реле. Выбор номинальных токов тепловых расцепителей

н.тепл

или нагревательного элемента теплового реле магнитного пускателя

н.нагр

, а также номинальных токов электромагнитных расцепителей I

н.эл.м

следует производить по формуле (3.9). Чтобы избежать ложного отключе-

ния сети, правильность выбора указанных параметров необходимо прове-

рить по формулам (3.10) и (3.11). Выбор сечений проводов и кабелей при

защите сетей автоматами производится так же, как и в случае защиты сетей

предохранителями, т.е. по правилу 4.

Выбранный автомат в необходимых случаях должен быть

проверен на