Силовые кабели низкого напряжения: руководство по выбору, стандарты и данные о размерах

Силовые кабели низкого напряжения (LV) широко используются в коммерческих зданиях, промышленных предприятиях, распределительных сетях и инфраструктурных проектах. Правильный выбор кабеля имеет важное значение для электробезопасности, надежной работы и долговременной работы системы.

Правильно выбранный силовой кабель низкого напряжения должен удовлетворять трем фундаментальным инженерным критериям: допустимая нагрузка по постоянному току, ограничение падения напряжения и термостойкость при коротком замыкании.

Дополнительные соображения включают изоляционный материал, конструкцию проводника, условия установки, размер нейтрального проводника, защитное заземление и требования к окружающей среде.

В этом руководстве обобщены признанные во всем мире инженерные практики, основанные, главным образом, на МЭК 60228, МЭК 60502-1, МЭК 60364-5-52, МЭК 60364-5-54 и МЭК 60949, с дополнительными ссылками на БС 7671 и Национальные электротехнические нормы и правила (NEC), где это применимо.

1. Применимые стандарты и их сфера применения

Различные международные стандарты касаются различных аспектов проектирования, производства, выбора и установки кабелей низкого напряжения.

Для конкретного проекта должны быть четко определены применимые национальные электротехнические нормы и правила, стандарты на продукцию и технические спецификации проекта.

Текущие рейтинги и поправочные коэффициенты различных стандартов не следует объединять без проверки их основных допущений и применимости.

2. Критерии выбора кабеля

2.1 Непрерывная токовая нагрузка

Допустимая длительная токовая нагрузка, обычно называемая токовой нагрузкой, представляет собой максимальный ток, который кабель может непрерывно выдерживать при определенных условиях установки, не превышая допустимую температуру проводника.

Типичные номинальные значения продолжительной рабочей температуры для обычных систем изоляции включают:

Эти значения применимы к широко используемым изоляционным системам и должны быть проверены на соответствие применимому стандарту на продукцию и техническим данным производителя.

Изоляция из сшитого полиэтилена обычно допускает более высокую рабочую температуру проводника, чем обычная изоляция из ПВХ (70°С).

Однако результирующее увеличение допустимой нагрузки по току не является фиксированным процентом.

Фактическая пропускная способность зависит от нескольких факторов:

Температура окружающей среды

Более высокие температуры окружающего воздуха или почвы снижают способность кабеля рассеивать тепло.

Номинальный ток должен быть скорректирован в соответствии с фактической температурой установки.

Способ установки

Кабели, проложенные на открытом воздухе, в коробах, кабельных лотках, коробах или непосредственно под землей, подвергаются различным термическим условиям.

При определении допустимого номинального тока необходимо учитывать метод установки.

Группировка кабелей

Несколько кабелей, проложенных близко друг к другу, могут испытывать взаимный нагрев.

В соответствии с выбранным стандартом проектирования следует применять соответствующие поправочные коэффициенты группировки.

Термическое сопротивление почвы

При подземных установках термическое сопротивление грунта существенно влияет на рассеивание тепла.

Сухая почва, плохо уплотненная засыпка или высокое термическое сопротивление могут снизить допустимый номинальный ток.

Материал проводника

Медные и алюминиевые жилы имеют различное электрическое сопротивление и тепловые характеристики.

Выбранная площадь поперечного сечения проводника должна учитывать материал и применимый стандарт проводника.

Справочные методы и таблицы включают IEC 60364-5-52, BS 7671 Приложение 4 и применимые таблицы токовой нагрузки NEC.

Опубликованные текущие рейтинги действительны только при определенных исходных условиях. Если фактические условия установки отличаются, необходимо внести соответствующие поправки.

2.2 Падение напряжения

Падение напряжения происходит из-за электрического сопротивления и реактивного сопротивления жил кабеля.

Чрезмерное падение напряжения может снизить производительность оборудования, увеличить потери энергии и вызвать проблемы в работе.

Допустимое падение напряжения должно соответствовать действующим национальным электротехническим нормам и техническим условиям проекта.

Например, в проектах на основе NEC обычно используются рекомендации по проектированию в размере 3% для ответвленных цепей и 5% для комбинированной фидерной и ответвленной цепей.

Эти значения не следует рассматривать как универсальные требования МЭК.

Трехфазная система переменного тока

Для сбалансированной трехфазной цепи приблизительное падение напряжения можно рассчитать как:

ΔU = √3 × I × L × (R × cosφ X × грехφ) / 1000

Однофазная система переменного тока

Для обычной двухпроводной однофазной цепи с сопоставимыми отходящими и обратными проводниками:

ΔU = 2 × I × L × (R × cosφ X × sinφ) / 1000

Где:

Деление на 1000 преобразует длину кабеля из метров в километры.

Процентное падение напряжения рассчитывается как:

Падение напряжения (%) = ΔU / Un × 100

Где Un — применимое номинальное напряжение системы.

Для трехфазных систем обычно используется линейное напряжение. Для однофазных систем используется соответствующее напряжение питания.

Эти уравнения обеспечивают приблизительные расчеты для обычных цепей постоянного тока переменного тока. Более детальный анализ может потребоваться для сложных установок, несбалансированных нагрузок или систем со значительными гармоническими искажениями.

Падение напряжения можно уменьшить за счет:

• Увеличение площади поперечного сечения проводника.
• Уменьшение длины кабеля там, где это возможно.
• Выбор материала проводника с меньшим сопротивлением.
• Улучшение коэффициента мощности нагрузки, где это необходимо.
• Оптимизация схемы распределения электроэнергии.

2.3 Термическая стойкость при коротком замыкании

Силовые кабели должны выдерживать термическое воздействие короткого замыкания до тех пор, пока защитное устройство не отключит неисправность.

Кабель может иметь достаточную постоянную токовую нагрузку, но недостаточную тепловую устойчивость при коротком замыкании.

Для применимых кратковременных повреждений в адиабатических условиях минимальную площадь поперечного сечения проводника можно оценить с помощью:

S = I × √t/k

Где:

Применимое значение k зависит от материала проводника, системы изоляции, начальной температуры проводника и допустимой конечной температуры короткого замыкания.

Ниже показаны иллюстративные значения для комбинаций общего проводника и изоляции.

Эти значения являются иллюстративными и применимы только при указанных предположениях о начальной и конечной температуре проводника.

Применимое значение k должно быть проверено на соответствие соответствующему стандарту и фактической конструкции кабеля.

Для более продолжительных повреждений или условий, когда теплопередача во время повреждения значительна, допущения адиабатического уравнения могут оказаться недостаточными.

В стандарте IEC 60949 представлены методы оценки термически допустимых токов короткого замыкания, включая неадиабатические эффекты.

Важные инженерные соображения

Термическая стойкость при коротком замыкании является отдельным критерием проектирования от постоянной токовой нагрузки.

Однако расчет зависит от предполагаемой начальной температуры проводника, на которую может влиять нормальная рабочая нагрузка кабеля.

Окончательно выбранный размер проводника должен одновременно удовлетворять требованиям по постоянной токовой нагрузке, падению напряжения и термостойкости при коротком замыкании.

3. Выбор изоляционного материала

Изоляционный материал влияет на рабочую температуру кабеля, электрические характеристики, устойчивость к окружающей среде и пригодность установки.

Обычные изоляционные материалы, используемые в силовых кабелях низкого напряжения, включают ПВХ, сшитый полиэтилен и этиленпропиленовый каучук.

Указанные температуры являются типичными значениями для обычных систем изоляции и должны быть проверены на соответствие применимому стандарту на продукцию и данным производителя.

ПВХ изоляция

Изоляция из ПВХ широко используется в электроустановках низкого напряжения.

Он обеспечивает практичную электрическую изоляцию и механические свойства для многих традиционных применений.

Его пригодность зависит от рабочей температуры, условий установки и применимых требований пожарной безопасности.

Изоляция из сшитого полиэтилена

Сшитый полиэтилен (XLPE) обеспечивает хорошую электроизоляцию и тепловые характеристики.

Силовые кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена обычно используются на промышленных объектах, в распределительных системах, инфраструктурных проектах и ​​установках возобновляемых источников энергии.

Более высокая допустимая температура непрерывного проводника из сшитого полиэтилена может обеспечить более высокие номинальные токи при сопоставимых условиях установки.

Однако фактическая разница токов должна определяться с использованием соответствующего метода расчета, а не универсального процента.

ЭПР-изоляция

Этилен-пропиленовый каучук (EPR) используется в различных промышленных и специализированных кабелях.

В зависимости от состава и конструкции кабеля изоляция из этиленпропиленового каучука может обеспечить полезную гибкость и устойчивость к определенным условиям окружающей среды.

При окончательном выборе изоляции следует учитывать электрические требования, рабочую температуру, условия установки, механические характеристики и применимые стандарты.

4. Нейтральные и защитные проводники.

4.1 Нейтральные проводники

Размер нейтрального проводника зависит от системы распределения электроэнергии, баланса нагрузки и гармонических характеристик.

В обычных трехфазных трехпроводных системах нейтральный проводник обычно отсутствует.

В трехфазных четырехпроводных системах номинал нейтрального проводника должен выбираться в соответствии с ожидаемым нейтральным током и применимыми требованиями к установке.

Важные соображения включают в себя:

Несбалансированные нагрузки

Неравномерная фазовая нагрузка может привести к возникновению тока в нейтральном проводнике.

Нейтраль должна быть способна выдерживать ожидаемый несбалансированный ток.

Гармонические токи

Однофазные нелинейные нагрузки, такие как блоки питания компьютеров, электронное освещение и определенное электронное оборудование, могут генерировать тройные гармоники.

Тройные гармоники включают 3-ю, 9-ю, 15-ю и более высокие кратные третьей гармонике.

В трехфазных четырехпроводных системах эти гармонические токи могут накапливаться в нейтральном проводнике, а не гаситься.

В результате ток нейтрали может превысить уровень, ожидаемый только из-за дисбаланса нагрузки на основной частоте.

В зависимости от фактического спектра гармоник и применимого стандарта может потребоваться полноразмерный или увеличенный нейтральный проводник.

Выбор размера нейтрального проводника должен основываться на ожидаемых условиях эксплуатации, а не на универсальном правиле превышения размера.

4.2 Проводники защитного заземления

Проводники защитного заземления (PE) обеспечивают путь тока повреждения и поддерживают автоматическое отключение питания при определенных условиях неисправности.

МЭК 60364-5-54 содержит требования к размерам защитного проводника.

Требуемая площадь поперечного сечения зависит от таких факторов, как:

• Площадь поперечного сечения фазного провода.
• Материал проводника.
• Предполагаемый ток замыкания на землю.
• Время работы защитного устройства.
• Механическая защита и условия установки.

В некоторых установках защитный провод может иметь ту же площадь поперечного сечения, что и фазный провод.

Для фазовых проводов большего размера может быть разрешен уменьшенный размер защитного проводника, если удовлетворяются требования применимого стандарта.

Комбинированные провода защитного заземления и нейтрали (PEN) разрешены только в определенных условиях системы и установки.

Их не следует считать приемлемыми для каждой схемы распределения электроэнергии.

5. Учет гармонической нагрузки

Гармонические токи могут увеличивать потери в проводниках и влиять на размер кабеля.

Эффект зависит от спектра гармоник, конструкции кабеля, расположения проводников и системы распределения электроэнергии.

Нагрев фазового проводника

Частотно-регулируемые приводы, выпрямители и другое нелинейное оборудование могут генерировать гармонические токи в фазных проводах.

Эти токи могут увеличить нагрев проводника и повлиять на требуемую площадь поперечного сечения кабеля.

Нагрев нейтрального проводника

В трехфазных четырехпроводных системах, питающих значительные однофазные нелинейные нагрузки, в нейтральном проводнике могут накапливаться токи тройной гармоники.

Этот эффект следует учитывать при выборе размера нейтрального проводника.

Гармоническое смягчение

В зависимости от применения подходящие меры могут включать:

• Увеличение площади поперечного сечения проводника.
• Выбор нейтрального проводника подходящего сечения.
• Установка фильтров гармоник.
• Использование подходящих конфигураций преобразователя или привода.
• Оценка фактического спектра гармонических токов при выборе кабеля.

Некоторые стандарты, включая BS 7671, предусматривают специальные поправочные коэффициенты для определенных гармонических условий.

Эти факторы не следует применять универсально ко всем кабельным установкам низкого напряжения.

Необходимо учитывать применимый стандарт, расположение кабелей и фактические характеристики нагрузки.

6. Установка и факторы окружающей среды

Правильный выбор кабеля должен учитывать условия, в которых он будет прокладываться и эксплуатироваться.

Температура окружающей среды

Допустимый номинальный ток должен быть скорректирован в соответствии с фактической температурой окружающего воздуха или почвы.

Более высокие температуры обычно снижают способность кабеля рассеивать тепло.

Группировка кабелей

Несколько кабелей, проложенных в непосредственной близости, могут испытывать взаимный нагрев.

В соответствии с выбранным стандартом установки следует применять соответствующие поправочные коэффициенты группировки.

Подземная установка

Для подземных кабелей важными факторами являются:

• Термическое сопротивление почвы.
• Глубина захоронения.
• Расстояние между кабелями.
• Засыпной материал.
• Условия влажности почвы.
• Близкие источники тепла.

Эти условия следует учитывать при определении номинального тока кабеля.

Минимальный радиус изгиба

Минимальный радиус изгиба зависит от конструкции кабеля, типа проводника, системы изоляции, конструкции брони и условий монтажа.

Применимое значение должно быть подтверждено из паспорта продукта производителя и инструкций по установке.

Кабели не должны подвергаться изгибающим нагрузкам, выходящим за пределы установленных механических пределов.

Механическая защита

Бронированные силовые кабели могут быть выбраны там, где требуется дополнительная механическая защита.

Обычные конструкции брони включают броню из стальной проволоки (SWA), броню из стальной ленты (STA) и броню из алюминиевой проволоки (AWA).

Подходящий тип брони зависит от конструкции кабеля, условий монтажа и требований проекта.

Для одножильных кабелей переменного тока особого внимания требуют материал брони и связанные с ним магнитные потери.

7. Заключение

Правильный выбор силового кабеля низкого напряжения требует скоординированной оценки электрических, тепловых, механических и экологических требований.

Подходящий кабель должен одновременно удовлетворять:

1. Непрерывная токовая нагрузка в реальных условиях установки, включая применимые поправки на температуру и группировку.

2. Требования к падению напряжения согласно действующим электротехническим нормам и спецификациям проекта.

3. Термическая стойкость при коротком замыкании на основе предполагаемого тока повреждения, времени работы защитного устройства и допустимых пределов температуры проводника.

4. Определение размеров нейтрального и защитного проводника соответствующие системе распределения электроэнергии и ожидаемым характеристикам нагрузки.

5. Требования к установке и окружающей среде , включая механическую защиту, радиус изгиба и температурные условия.

Инженерные решения должны ссылаться на применимые редакции IEC 60228, IEC 60502-1, IEC 60364-5-52, IEC 60364-5-54, IEC 60949 и соответствующие региональные электротехнические нормы и правила.

Окончательный выбор кабеля всегда следует сверять с опубликованными техническими данными производителя и утвержденной технической спецификацией проекта.

О кабеле Синьюй

Xinyu Cable производит силовые кабели низкого и среднего напряжения для распределительных сетей, промышленных объектов, инфраструктуры и возобновляемых источников энергии.

В нашу линейку силовых кабелей низкого напряжения входят кабели с изоляцией из ПВХ и сшитого полиэтилена с медными или алюминиевыми жилами, доступные в одножильных и многожильных конструкциях, в бронированных и небронированных вариантах.

Продукты могут быть изготовлены в соответствии с применимыми стандартами IEC и техническими требованиями заказчика.

Ищете производителя силового кабеля низкого напряжения?

Отправьте нам спецификацию кабеля, техническое описание или объем работ (BOQ) для технического анализа и предложения.