Четыре очень важные меры предосторожности при прокладке кабелей и систем шинопроводов

Передача энергии по кабелям и шинам

Во-первых, чтобы внести ясность: существует множество проблем и мер предосторожности, о которых вам следует знать, когда мы говорим о транспортировке энергии. Кабели и системы шин являются наиболее распространенными и надежными способами сделать это, по крайней мере, до тех пор, пока не будет разработана беспроводная передача энергии 🙂 Однако необходимо решить множество потенциальных проблем. В этой статье рассматриваются четыре важных меры предосторожности, которые следует принять: параллельное группирование проводников, короткие замыкания, магнитные эффекты, рабочий ток и падение напряжения.

Если вы спросите нас, мы всегда будем предпочитать сборные системы шинопроводов кабелям, где это возможно, конечно. Для такого заявления не существует никаких правил, но если у вас есть выбор и есть финансовая поддержка – выбирайте сборные шины. Платите больше за надежную передачу энергии и меньшей головной боли.

Хорошо, давайте рассмотрим эти три важные меры предосторожности при прокладке кабелей и систем шинопроводов.

1. Группировка проводников параллельно

При превышении определенного тока (обычно нескольких сотен ампер) использование нескольких проводников параллельно позволяет ограничить их поперечное сечение и, таким образом, упростить их эксплуатацию. Этот прием, очень часто используемый для проводников между трансформатором и главным распределительным щитом низкого напряжения, применяется и для отходящих соединений большой мощности.

Однако рекомендуется использовать сборные системы сборных шин.

Расположение проводников треугольником (или трилистником) обеспечивает наилучший баланс, но обычно ограничивается двумя или даже тремя проводниками на фазу. При этом перекрытие слоев ограничивает охлаждение, и установка в связке предпочтительна.

Основные правила: Если несколько проводников расположены параллельно, их необходимо располагать в столько групп, сколько имеется параллельных проводников, при этом в каждой группе должно быть по одному проводнику от каждой фазы. сами группы проводников должны быть установлены близко друг к другу.

Это правило близости также применимо к одиночным проводникам (фазам, нейтрали и защитному проводу).

Трехфазное распределение через параллельные проводники должно соответствовать строгим правилам геометрической компоновки . Это также предполагает, что все проводники имеют один и тот же тип, одинаковое поперечное сечение и одинаковую длину, не имеют ответвлений на своем маршруте и не могут поставляться по отдельности.

В случае несоблюдения любого из этих условий общая защита пучка параллельных проводников одним устройством будет невозможна; в этом случае потребуется одно защитное устройство на каждый проводник. Рекомендуется максимально ограничить количество параллельных проводников.

Свыше четырех кабелей предпочтительнее использовать сборные шинные системы, обеспечивающие лучшее распределение токов.

Таблица 1– Параллельное расположение проводников и поправочный коэффициент согласно IEC 60364.

1.1 Теория правил

При переменном токе электрические проводники имеют полное сопротивление (выраженное в Омах), которое является сложной функцией трех факторов:

• Сопротивление R (также называемое омическим сопротивлением),
• Реактивное сопротивление Lω , обусловленное самоиндукцией проводника, и
• Емкость 1/cω (или емкостное реактивное сопротивление) возникает из-за сближения проводников, что создает конденсатор.

Считается, что за пределами 240 мм² вклад реактивного сопротивления lω становится доминирующим фактором в импедансе. Таким образом, проводник ведет себя как приемник, 

смещая ток и напряжение .

Иллюстрация напротив дана для фазового сдвига 45° (cosφ = 0,5). Сопротивление и реактивное сопротивление равны. Следует отметить, что для этих токов емкостной составляющей можно пренебречь .

Коэффициент самоиндукции или собственной индуктивности (L)

Он определяет электродвижущую силу «e» , циркулирующую в проводнике в зависимости от изменения магнитного потока (Φ), окружающего проводник. Индуктивность проводника зависит от магнитных характеристик материала, среды и его геометрии (длины, количества витков):

е = −L × dΦ/dt

Взаимная индуктивность

Для симметричного соединения коэффициент самоиндукции практически идентичен для каждого проводника, это:

L = (0,05 + 0,46 log d/r) в мГн/км.

где: d – среднее расстояние между осями проводников, а r – радиус жилы проводника.

При несимметричном расположении , поскольку расстояния разные, взаимные индуктивности между проводниками также будут разными. Отсюда следует, что распределение тока будет несимметричным.

Применение к параллельным проводникам

Равное распределение токов в нескольких одинаковых параллельно включенных проводниках однозначно связано с равенством импедансов в каждом из проводников. Поскольку с увеличением сечения пропорция индуктивности становится доминирующей, доминировать будет и геометрическое расположение проводников ( одинаковые расстояния для каждого из них ).

Трехфазная планировка

В кабеле или пучке трехфазных проводников (с нейтралью или без нее) векторная сумма токов равна нулю, а результирующая магнитная индукция, создаваемая проводниками, остается очень низкой, если они сгруппированы вместе и расположены в правильном порядке. Если это не так, коэффициент самоиндукции проводников будет изменен за счет взаимодействия создаваемого магнитного поля.

Тогда собственная и взаимная индуктивности, а также распределение токов будут разбалансированы.

2. Меры предосторожности при коротких замыканиях

Существует два разрушительных воздействия, которые могут повлиять на проводники в случае короткого замыкания:

1. Термическое напряжение , защита от которого обычно обеспечивается ограничивающей мощностью защитных устройств (предохранителей, автоматических выключателей)
2. Электродинамические напряжения , силы которых между проводниками могут иметь разрушительные последствия.

2.1 Проводники в кабельном лотке

При возникновении короткого замыкания между двумя активными проводниками (наиболее вероятное) проводники, по которым действует интенсивный ток короткого замыкания, будут отталкиваться с силой, пропорциональной квадрату интенсивности. Если они плохо закреплены, они начнут хлестать и могут вырваться из своих креплений и коснуться другого проводника или земли, что приведет к новому короткому замыканию с очень разрушительным дуговым эффектом.

Многожильные кабели спроектированы так, чтобы выдерживать нагрузки, которые могут оказывать эти проводники.

Использование одножильных кабелей требует особых мер предосторожности.

Указания, приведенные ниже, призванные привлечь внимание к важности надежного крепления проводников, сами по себе не могут гарантировать устойчивость к условиям короткого замыкания. Для этого потребуется тестовое моделирование.

Таблица 1 – Меры предосторожности при подключении для предполагаемых значений короткого замыкания.

2.2 Сборный шинопровод

Даже если существует мало ограничений в использовании сборного шинопровода, все равно важно убедиться, что его характеристики устойчивости к короткому замыканию действительно согласованы с входными защитными устройствами .

Шинопровод должен выдерживать термическую нагрузку, связанную с коротким замыканием, в течение всего времени повреждения, т.е. в течение всего времени, необходимого для срабатывания защитного устройства ( автоматического выключателя ). Аналогично, электродинамические силы, допускаемые шинопроводом, должны быть совместимы с пиковым током, ограничиваемым защитой на входе.

Предполагаемое пиковое значение ( Ipk ) можно определить путем считывания предельных кривых устройств или, при отсутствии данных, путем применения коэффициента асимметрии n (см. Таблицу 2 ниже) к эффективному значению тока короткого замыкания ( Isc ).

Таблица 2 – Действующие значения короткого замыкания и применяемого коэффициента асимметрии

Как и в случае с коробом, состоящим из проводников и кабелей, расчеты предполагаемого тока короткого замыкания и определение защитных устройств должны быть выполнены до начала любой установки.

3. Меры предосторожности в отношении магнитных эффектов

Прохождение больших токов через проводники вызывает магнитные эффекты в соседних металлических массах, что может привести к недопустимому нагреву материалов.

Поэтому необходимо соблюдать некоторые меры предосторожности при подключении.

1. Чтобы уменьшить создаваемую индукцию, необходимо расположить проводники так, чтобы поле было как можно слабее. Насколько это возможно, проводники следует располагать трилистником, чтобы уменьшить наведенные поля (см. схему группировки проводников выше).
2. Для предотвращения значительного нагрева участков кабельного лотка целесообразно удалить детали, образующие петли вокруг проводника.
3. Разрыв магнитной петли путем удаления секций также возможен. Во всех случаях проверяйте, остается ли механическая прочность приемлемой.
4. Обрезка проволочного кабельного лотка для предотвращения воздействия магнитных полей, которые могут вызвать нагрев.

3.1 Магнитные петли

Чтобы свести к минимуму индукцию, создаваемую в магнитных петлях, все же рекомендуется, чтобы все жилы цепи (фазы и нейтраль) располагались в одних и тех же металлических (стальных) отсеках.

Поскольку векторная сумма токов равна нулю, то и одно из созданных полей тоже.

Циркуляция тока I в проводнике создает пропорциональное поле H , действие которого заключается в создании индукции B в окружающей среде. Значение B зависит от величины поля (следовательно, от тока), а также от магнитных характеристик среды или материала. Это магнитная проницаемость µ , выраженная в генри на метр (Гн/м).Чем больше увеличивается проницаемость материала, тем больше концентрируются силовые линии и тем выше индукция. 

Выше определенного значения происходит насыщение и нагрев.

Черные материалы (сталь), будучи магнитными по своей природе, особенно склонны проводить поля, но также и становятся насыщенными, если эти поля слишком велики.

4. Рабочий ток и падение напряжения.

4.1 Сборный шинопровод

Для расчета фактического тока, который позволит выбрать шинопровод, необходимо знать определенное количество данных:

• Тип питания: 3-фазное или однофазное,
• Конфигурация подачи в магистраль: с одного конца, с обоих концов, с середины и т.д.
• Номинальное напряжение питания,
• Количество, мощность и cos φ нагрузок, которые должны питаться по шинопроводу,
• Коэффициент одновременности нагрузки,
• Коэффициент использования нагрузки,
• Предполагаемый ток короткого замыкания в точке питания,
• Температура окружающей среды и
• Расположение прутков в коробе (на ребро, ровно, вертикально).

Для трехфазного питания фактический рабочий ток определяется по формуле:

где:

• I _B = рабочий ток (в А)
• P _TOT = общая установленная активная мощность (в Вт)
• Kc = коэффициент одновременности
• Ku = коэффициент использования
• d = коэффициент предложения, определяемый следующим образом:
  • 1 , когда кабель-канал подается с одного конца;
  • 0,5 , если подается с середины или с обоих концов
• Ue = рабочее напряжение (в В)
• cos φ  = средний коэффициент мощности.

Транк выбирается с использованием номинального тока, непосредственно превышающего расчетный ток. Номинальный ток применим к определенной ориентации короба. Однако влияние ориентации можно игнорировать для коротких вертикальных участков горизонтального короба (например, длиной менее 3 м).

4.1.1 Потери из-за эффекта Джоуля

Потери из-за эффекта Джоуля в основном обусловлены электрическим сопротивлением стержней. потерянная энергия преобразуется в тепло и способствует нагреву короба.

• Для трехфазного: P = 3 × R _t × I _B ² × 10 ⁻³
• Для однофазного: P = 2 × R _t × I _B ² × 10 ⁻³

где:

• P = рассеиваемая мощность на единицу длины (Вт/м)
• R _t = линейное сопротивление фазных стержней, измеренное при тепловом равновесии (мОм/м).
• I _B = рабочий ток (в А)

Для точного расчета потери за счет эффекта Джоуля необходимо рассчитать 

для каждого участка между отводами с учетом фактического тока, циркулирующего в нем.

4.1.2 Падение напряжения

Если короб очень длинный (≥ 100 м), необходимо проверить падение напряжения. Согласно стандарту IEC 61439-6 падение напряжения в трехфазной шинопроводной сети можно рассчитать по следующей формуле:

u = k × √3 × (R × cosφ + X × sinφ) × I _B × L

где:

• u = полное падение напряжения в системе (в В)
• R и X = средние значения сопротивления и реактивного сопротивления (в Ом/м).
• I _B = ток рассматриваемой цепи (в а)
• L = длина рассматриваемой цепи (в м)
• cos φ = коэффициент мощности рассматриваемой цепи
• k = коэффициент распределения нагрузки, рассчитываемый следующим образом:
  • Чтобы рассчитать падение напряжения в конце шинопровода:
    • k = 1 , если нагрузка сосредоточена в конце
    • k = (n + 1)/2n , если нагрузка равномерно распределена между n отводами.
  • Для расчета падения напряжения на отводе, расположенном на расстоянии d от исходной точки короба:
    k = (2n + 1 − n×d/L)/2n , если нагрузка равномерно распределена между n отводами.

Для упрощения расчетов каждый производитель указывает в таблицах характеристики и падение напряжения К в соответствии со значениями cos φ. Падение напряжения в конце шинопровода можно рассчитать по следующей формуле:

u = b × K × L × I_B × 10⁻⁶

где:

• u = падение напряжения (в В)
• b = коэффициент распределения тока в зависимости от способа питания цепи и распределения электрических нагрузок по шинопроводу (см. таблицу ниже)
• K = единичное падение напряжения (в мкВ/м/год) для данного cosφ.
• I _B = рабочий ток в шинопроводе (в А)
• L = длина короба (в м)

Таблица 3 – Коэффициент распределения тока «b»

4.2 Кабели, проложенные в кабельных лотках или коробах

Использование систем кабельных лотков для распределения электроэнергии требует детальных знаний характеристик электроустановок. Для установок с длительными пробегами особенно важно проверять падение напряжения .

Если падение напряжения превышает допустимый предел, необходимо будет увеличивать сечение жил до тех пор, пока падение напряжения не станет меньше установленного значения.При длине основных кабелей установки более 

100 м допустимые предельные значения могут быть увеличены на 

0,005 % на каждый метр свыше 100 м , при этом сама эта прибавка не превысит 

0,5 % . Значение единичного падения напряжения v (в вольтах на ампер на расстоянии 100 м) можно прочитать непосредственно в таблицах производителя.

4.3 Питание двигателей

Если установка питает двигатели, желательно проверить падение напряжения в условиях пуска. Для этого просто замените ток I _B в формуле, противоположной пусковому току двигателя, и используйте коэффициент мощности при пуске. при отсутствии более точных данных пусковой ток можно принять равным 6×In .

Падение напряжения с учетом всех двигателей, которые могут запуститься одновременно, не должно превышать 15% . Помимо того, что слишком большое падение напряжения может помешать другим пользователям установки, оно также может помешать запуску двигателя.

Дальнейшие расчеты в виде таблицы MS Excel: