Национальный стандарт РФ ГОСТ Р МЭК 60949-2009 "Расчет термически допустимых токов короткого замыкания с учетом неадиабатического нагрева" (утв. приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 26 июня 2009 г. N 215-ст)

Calculation of thermally permissible short-circuit currents, taking into account non-adiabatic heating effects

Дата введения - 1 января 2010 г.

Введен впервые

Предисловие

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании", а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 "Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения"

Введение

Метод расчета номинальных характеристик любого токопроводящего элемента кабеля при коротком замыкании обычно основывается на предположении, что тепло сохраняется внутри токопроводящего элемента в течение времени короткого замыкания (т.е. имеет место адиабатический характер нагрева). Однако во время короткого замыкания происходит частичная передача тепла в соседние конструкционные материалы, и это следует учитывать. В настоящем стандарте приведен простой метод учета неадиабатического характера нагрева при расчете номинальных характеристик в условиях короткого замыкания, обеспечивающий получение одинаковых значений различными разработчиками. Существуют методы расчета с использованием компьютера, но они не намного точнее и слишком сложны для стандартизации.

В приведенных формулах содержатся величины, которые зависят от вида используемых в кабелях материалов. Значения величин указаны в таблицах 1 - 3. Эти значения являются стандартизованными (например, удельное электрическое сопротивление и коэффициенты теплового сопротивления) либо общеприняты в практике (например, удельная теплоемкость).

Для получения сопоставимых результатов расчетные характеристики при коротком замыкании должны быть определены посредством настоящего метода с использованием значений констант, указанных в настоящем стандарте. Однако могут быть использованы и другие значения констант, более приемлемые для некоторых материалов, в таких случаях в перечне характеристик кабеля изготовитель приводит соответствующие дополнительные номинальные характеристики при коротком замыкании со ссылкой на эти значения констант.

В настоящем стандарте приняты наиболее неблагоприятные условия короткого замыкания, поэтому определяемые номинальные характеристики являются предельными.

Метод расчета при неадиабатическом характере нагрева применим для любой длительности короткого замыкания. По сравнению с методом расчета при адиабатическом характере нагрева этот метод дает значительное увеличение допустимых токов короткого замыкания для экранов, оболочек и, в некоторых случаях, для жил сечением менее 10  (особенно при наличии проволочных экранов). Для наиболее широко применяемых жил силовых кабелей 5% - это минимальное увеличение допустимого тока короткого замыкания, которое может быть использовано на практике. При этом для соотношения длительности короткого замыкания и сечения жилы менее 0,1 увеличение тока незначительно, и может быть использован метод расчета при адиабатическом характере нагрева. Это характерно для большинства практических случаев.

Настоящий стандарт устанавливает следующую методику расчета:

a) вычисление адиабатического тока короткого замыкания;

b) вычисление поправочного коэффициента, учитывающего неадиабатический характер нагрева;

c) перемножение результатов вычислений по перечислениям а) и b) и получение допустимого тока короткого замыкания.

1 Обозначения

В настоящем стандарте применены следующие обозначения:

А, В - постоянные, основанные на тепловых характеристиках окружающих или соседних материалов, ; ;

, - постоянные, используемые в формуле неадиабатического метода расчета для жил и проволочных экранов, мм/м; ;

- диаметр воображаемого соосного цилиндра, вписанного по внутренней поверхности впадин гофрированной оболочки, мм;

- диаметр воображаемого соосного цилиндра, описанного по наружной поверхности выступов гофрированной оболочки, мм;

F - коэффициент учета неполного теплового контакта;

- допустимый ток короткого замыкания (среднеквадратичное значение), А;

- ток короткого замыкания, определенный на основе адиабатического нагрева (среднеквадратичное значение), А;

- известный максимальный ток короткого замыкания (среднеквадратичное значение), А;

К - постоянная, зависящая от материала токопроводящего элемента, ;

М - коэффициент теплового контакта, ;

S - площадь поперечного сечения токопроводящего элемента, ;

X, Y - постоянные, используемые в упрощенной формуле для жил и проволочных экранов, ; ;

d - средний диаметр по оболочке, экрану или броне, мм;

n - число лент или проволок;

t - длительность короткого замыкания, с;

w - ширина ленты, мм;

- величина, обратная температурному коэффициенту сопротивления при 0°С, К;

- толщина оболочки, экрана или брони, мм;

- коэффициент, учитывающий отвод тепла в соседние элементы;

- конечная температура, °С;

- начальная температура, °С;

- удельное тепловое сопротивление окружающих или соседних неметаллических материалов, ;

, - удельные тепловые сопротивления среды с каждой стороны оболочки, экрана или брони, ;

- удельное электрическое сопротивление токопроводящего элемента при 20°С, ;

- удельная объемная теплоемкость токопроводящего элемента при 20°С, ;

- удельная объемная теплоемкость окружающих или соседних неметаллических материалов, ;

- удельная объемная теплоемкость экрана, оболочки или брони, ;

, - удельные объемные теплоемкости среды с каждой стороны экрана, оболочки или брони, .

2 Допустимый ток короткого замыкания

Допустимый ток короткого замыкания определяют по формуле

,

(1)

где - допустимый ток короткого замыкания;

- ток короткого замыкания, определенный на основе адиабатического нагрева;

- коэффициент, учитывающий отвод тепла в соседние элементы (см. разделы 5 и 6). Для расчетов методом при адиабатическом характере нагрева = 1.

3 Расчет тока короткого замыкания при адиабатическом характере нагрева

Формула для адиабатического характера нагрева при любой начальной температуре имеет следующий общий вид:

,

(2)

где - ток короткого замыкания (среднеквадратичное значение), определенный на основе адиабатического нагрева, А;

t - длительность короткого замыкания, с;

К - постоянная, зависящая от материала токопроводящего элемента, , приведена в таблице 1 и вычисляется по формуле

;

(3)

S - площадь поперечного сечения токопроводящего элемента, , для жил, соответствующих МЭК 60228, используют номинальное сечение;

- конечная температура, °С;

- начальная температура, °С;

- величина, обратная температурному коэффициенту сопротивления токопроводящего элемента при 0°С, К, приведена в таблице 1;

;

- удельная объемная теплоемкость токопроводящего элемента при 20°С, , приведена в таблице 1;

- удельное электрическое сопротивление токопроводящего элемента при 20°С, , приведено в таблице 1.

Таблица 1

Материал	K(1),	(2), К	(3),	(2),
а) токопроводящей жилы:
- медь;	226	234,5
- алюминий	148	228,0
b) оболочки, экрана, брони:
- свинец или его сплав;	41	230,0
- сталь;	78	202,0
- бронза;	180	313,0
- алюминий	148	228,0
(1) Значения получены по формуле (3). (2) Значения по МЭК 60287-1-1. (3) Значения из журнала [1].

4 Расчет температуры при коротком замыкании

В некоторых случаях (например, для систем с нейтралью, заземленной через импеданс) известен максимальный ток короткого замыкания, и температуру жилы в конце короткого замыкания можно определить следующим образом:

,

(4)

,

(5)

где - известный максимальный ток короткого замыкания (среднеквадратичное значение).

Если кабель имеет несколько элементов, например экран, оболочку, броню, соединенных параллельно таким образом, что они распределяют между собой ток короткого замыкания, достаточно учесть, что отношение токов в любых двух элементах равно обратному отношению их сопротивлений. Предполагается, что каждый элемент будет иметь разную температуру. Поскольку материалы, прилегающие к каждому элементу, могут быть разными, максимально допустимые температуры каждого элемента могут отличаться. Исходную температуру для каждого элемента определяют по уравнениям по МЭК 60287-2-1.

5 Расчет коэффициента для токопроводящих жил и экранов из проволок, расположенных с зазором, при неадиабатическом характере нагрева

5.1 Общие положения

Общий вид эмпирического уравнения для коэффициента следующий

,

(6)

где F - коэффициент учета неполного теплового контакта между жилой или проволоками и окружающими или соседними неметаллическими материалами, рекомендуемое значение - 0,7(1,0 - для маслонаполненных кабелей);

А, В - эмпирические постоянные, основанные на тепловых характеристиках окружающих или соседних неметаллических материалов, вычисляются по формулам:

, ,

(7)

, ,

(8)

где  мм/м;

;

- удельная объемная теплоемкость токопроводящего элемента при 20°С, ; - удельная объемная теплоемкость окружающих или соседних неметаллических материалов, ;

- удельное тепловое сопротивление окружающих или соседних неметаллических материалов, .

Примечание - Значения постоянных для этих материалов приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Тепловые постоянные материалов

		Материал	Удельное тепловое сопротивление (1),	Удельная объемная теплоемкость (2),
		Изоляционные материалы:
		- пропитанная бумага в кабелях с однопроволочными жилами с бумажной пропитанной изоляцией;	6,0
		- пропитанная бумага в маслонаполненных кабелях;	5,0
		- бумажная изоляция в кабелях с газом под давлением:
		а) предварительно пропитанная;	6,5
		b) пропитанная нестекающим составом;	6,0
		- масло;	7,0
		- полиэтилен;	3,5
		- сшитый полиэтилен;	3,5
		- поливинилхлоридный пластикат:
		в кабелях на напряжение до 3 кВ включ.;	5,0
		в кабелях на напряжение св. 3 кВ;	6,0
		- этиленпропиленовая резина:
		в кабелях на напряжение до 3 кВ включ.;	3,5
		в кабелях на напряжение св. 3 кВ;	5,0
		- бутилкаучук;	5,0
		- каучук (натуральный)	5,0
		Защитные покрытия:
		- пропитанные джутовые и волокнистые материалы;	6,0
		- резиновое слоистое покрытие;	6,0
		- полихлоропрен;	5,5
		- поливинилхлоридный пластикат:
		в кабелях на напряжение до 35 кВ включ;	5,0
		в кабелях на напряжение св. 35 кВ;	6,0
		- поливинилхлоридный пластикат/битум на гофрированных алюминиевых оболочках;	6,0
		- полиэтилен	3,5
		Другие элементы кабеля:
		- электропроводящий сшитый полиэтилен и полиэтилен(3)	2,5
		- электропроводящая этиленпропиленовая резина	3,5
		(1) Значения по МЭК 60287-2-1. (2) Значения из журнала [1]. (3) Значения из отчета [2].

5.2 Токопроводящие жилы однопроволочные или многопроволочные

Для обычных комбинаций материалов общая формула может быть упрощена следующим образом:

,

(9)

где Х и Y, включающие коэффициенты учета неполного теплового контакта, равные 0,7 (1,0 для маслонаполненных кабелей), приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Постоянные, используемые в упрощенных формулах расчета для жил и экранов из проволок, расположенных с зазором

Материал изоляции	Для меди		Для алюминия
	X,	Y,	X,	Y,
Поливинилхлоридный пластикат: 3 кВ > 3 кВ; сшитый полиэтилен; этиленпропиленовая резина: 3 кВ > 3 кВ; бумага: - маслонаполненные кабели; - другие	0,29 0,27 0,41 0,38 0,32 0,45 0,29	0,06 0,05 0,12 0,10 0,07 0,14 0,06	0,40 0,37 0,57 0,52 0,44 0,62 0,40	0,08 0,07 0,16 0,14 0,10 0,20 0,08
Примечание - Коэффициент учета неполного теплового контакта - 0,7, для маслонаполненных кабелей - 1,0.

5.3 Изолированные друг от друга проволоки экрана

5.3.1 Полностью утопленные проволоки экрана

Формула применима к проволокам экрана, расположенным на расстоянии не менее одного диаметра проволоки друг от друга и полностью окруженным неметаллическими материалами. Влияние тонких спирально наложенных выравнивающих лент не учитывают. Для обычных сочетаний материалов можно использовать упрощенную формулу, приведенную в 5.2; в иных случаях следует применять общую формулу, приведенную в 5.1, при F = 0,7. Ток рассчитывают для одной проволоки и затем умножают на число проволок n, в результате чего получают значение полного тока короткого замыкания. Таким образом, во всех формулах используется сечение одной проволоки.

5.3.2 Не полностью утопленные проволоки экрана

Рассматриваемый метод можно применить к проволокам экрана, расположенным под экструдированной трубкой, при этом между проволоками имеется воздушный зазор. Влияние тонких спирально наложенных выравнивающих лент не учитывают. Используют общую формулу, приведенную в 5.1, при F=0,5. Если проволоки расположены между двумя различными материалами, следует использовать среднеарифметическое значение удельных тепловых сопротивлений и удельных объемных теплоемкостей двух материалов. Ток определяют для одной проволоки и затем умножают на число проволок, в результате чего получают значение полного тока короткого замыкания. Таким образом, во всех формулах используется сечение одной проволоки.

6 Расчет коэффициента для оболочек, экранов и брони при неадиабатическом характере нагрева

Примечание - Важно правильно определить значение площади поперечного сечения оболочки или экрана, используемое в формуле расчета для адиабатического характера нагрева [см. формулу (2)]. Этот вопрос рассмотрен в 6.2 - 6.5.

6.1 Общие положения

Коэффициент для оболочек, экранов и брони определяют по формуле

.

(10)

Коэффициент M, , определяют по формуле

,

(11)

где , - удельные объемные теплоемкости среды с каждой стороны экрана, оболочки или брони, ;

, - удельные тепловые сопротивления среды с каждой стороны экрана, оболочки или брони, ;

- удельная объемная теплоемкость экрана, оболочки или брони, ;

- толщина экрана, оболочки или брони, мм.

Значения тепловых постоянных для различных материалов приведены в таблице 2.

Рекомендуется использовать значение F = 0,7 за исключением случаев, когда металлический элемент полностью контактирует одной стороной с соседней средой, в этом случае можно использовать значение F = 0,9.

Значение можно также определить по рисунку 1 после того, как получено значение .

6.2 Трубчатые оболочки

Сечение, используемое в формуле расчета для адиабатического характера нагрева, определяют следующим образом:

,

(12)

где d - средний диаметр оболочки, мм.

Примечание - Для гофрированных оболочек ;

- толщина оболочки, мм.

Там, где предполагается полный тепловой контакт, коэффициент учета неполного теплового контакта F можно принять за единицу.

6.3 Ленты

6.3.1 Ленты, наложенные продольно

Площадь, используемая в формуле расчета для адиабатического характера нагрева, является площадью поперечного сечения ленты при условии, что перекрытие кромок составляет не более 10% ее ширины:

,

(13)

где w - ширина ленты, мм;

- толщина ленты, мм.

"Рисунок 1 - Коэффициент для оболочек, экранов и брони при неадиабатическом характере нагрева"

6.3.2 Ленты, наложенные спирально

Трудно определить степень контакта между витками одной ленты и между лентами, особенно после определенного периода эксплуатации, поэтому рекомендуется считать, что ток протекает по спирали и, таким образом, должна использоваться общая площадь поперечного сечения лент:

,

(14)

где n - число лент;

w - ширина ленты, мм;

- толщина ленты, мм.

6.4 Контактирующие друг с другом проволоки

В формуле расчета для адиабатического характера нагрева используют общую площадь поперечного сечения проволок. За принимают диаметр отдельной проволоки.

6.5 Проволочная оплетка

Считают, что проволочная оплетка имеет площадь поперечного сечения, равную числу проволок в оплетке, умноженному на площадь поперечного сечения отдельной проволоки. За принимают удвоенный диаметр одной проволоки.

____________

* Electra, N 87, март 1983, стр. 41 [3].

Библиография

[1] Журнал Electra N 24, октябрь 1972

[2] Отчет EPRI N EL-3014

[3] Журнал Electra N 87, март 1983