ГОСТ Р МЭК 60287-1-1-2022 Кабели электрические. Расчет номинальной токовой нагрузки. Часть 1-1. Методы расчета номинальной токовой нагрузки (100 %-ный коэффициент нагрузки) и потерь. Общие положения

ГОСТ Р МЭК 60287-1-1-2022

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Кабели электрические

РАСЧЕТ НОМИНАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ НАГРУЗКИ

Часть 1-1

Методы расчета номинальной токовой нагрузки (100%-ный коэффициент нагрузки) и потерь. Общие положения

Electric cables. Calculation of the current rating. Part 1-1. Methods for calculating the rated current load (100% load factor) and losses. General

ОКС 29.060.20

Дата введения 2023-01-01

Предисловие

1 ПОДГОТОВЛЕН Открытым акционерным обществом "Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности" (ОАО "ВНИИКП") на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 046 "Кабельные изделия"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 26 мая 2022 г. N 399-ст

4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту МЭК 60287-1-1:2014* "Электрические кабели. Расчет номинальной токовой нагрузки. Часть 1-1. Уравнения для расчета номинальной токовой нагрузки (100%-ный коэффициент нагрузки) и расчет потерь. Общие положения" (IEC 60287-1-1:2014 "Electric cables - Calculation of the current rating - Part 1-1: Current rating equations (100% load factor) and calculation of losses - General", IDT).

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2012 (пункт 3.5).

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные и межгосударственные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

5 ВЗАМЕН ГОСТ Р МЭК 60287-1-1-2009

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.rst.gov.ru)

Введение

В настоящем стандарте приведены также формулы для расчета потерь.

Формулы в настоящем стандарте содержат величины, значения которых изменяются в зависимости от конструкции кабеля и применяемых материалов. Указанные в таблицах значения соответствуют значениям, установленным в международных стандартах (например, удельное электрическое сопротивление и температурные коэффициенты сопротивления) или общепринятым в практике (например, удельное тепловое сопротивление и диэлектрические постоянные материалов). В последнем случае некоторые из указанных значений не являются характеристикой качества новых кабелей, а относятся к кабелям после длительного периода эксплуатации. Для того, чтобы можно было получить однородные и сравнимые результаты, необходимо рассчитывать номинальные токовые нагрузки по указанным в настоящем стандарте значениям. Если точно известно, что конкретным материалам и конструкции более соответствуют другие значения, то допускается использовать эти значения при условии, что они, а также соответствующие номинальные токовые нагрузки, будут указаны.

Значения, относящиеся к условиям эксплуатации кабелей, могут значительно отличаться друг от друга в разных странах. Например, значения температуры окружающей среды и удельного теплового сопротивления почвы в разных странах определяют исходя из требований национальных нормативных документов. Поверхностные сравнения значений, используемых в разных странах, могут привести к ошибочным заключениям, если они не основаны на общем критерии: например, могут быть различными предполагаемые сроки службы кабелей, в некоторых странах конструкция кабеля основана на максимальных значениях удельного теплового сопротивления почвы, в то время как в других странах применяют средние значения. Следует учитывать, что удельное тепловое сопротивление почвы зависит от содержания влаги в почве и может значительно изменяться с течением времени в зависимости от типа почвы, топографических и метеорологических условий, а также нагрузки кабеля.

Выбор значений различных параметров кабеля следует осуществлять в соответствии с настоящим стандартом.

Значения показателей должны быть основаны на результатах соответствующих измерений. Как правило, эти результаты уже включены в национальные технические требования в качестве рекомендуемых значений, поэтому расчет может быть основан на значениях, используемых в данной стране; такие значения приведены в МЭК 60287-3-1.

Информация, необходимая для выбора соответствующего типа кабеля, приведена в МЭК 60287-3-1.

1 Общие положения

1.1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на кабели на переменное напряжение и постоянное напряжение до 5 кВ, проложенные непосредственно в земле, каналах, лотках или стальных трубах, с частичным осушением почвы или без, а также проложенные на воздухе, и устанавливает методы расчета номинальной токовой нагрузки и потерь при установившемся режиме работы. Установившийся режим работы - непрерывный режим работы (100%-ный коэффициент нагрузки) кабеля при токе постоянного значения, достаточном для того, чтобы асимптотически создать максимальную температуру жилы при постоянных условиях окружающей среды.

Настоящий стандарт содержит формулы для расчета номинальных токовых нагрузок и потерь.

С применением данных формул можно получить точные результаты, при этом в них допускается варьировать некоторыми важными параметрами. Эти параметры можно разделить на три группы:

- параметры, относящиеся к конструкции кабеля (например, удельное тепловое сопротивление изоляционного материала), для которых были выбраны характерные значения, основанные на опубликованных работах;

- параметры, относящиеся к условиям окружающей среды, которые могут быть разнообразными; выбор этих параметров зависит от страны, в которой применяют или будут применять кабели;

- параметры, которые принимают по соглашению между изготовителем и потребителем и которые включают в себя допустимые пределы надежности работы кабеля (например, максимальная температура жилы).

1.2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты [для датированных ссылок применяют только указанное издание ссылочного стандарта, для недатированных - последнее издание (включая все изменения к нему)]:

IEC 60027-3, Letter symbols to be used in electrical technology - Part 3: Logarithmic and related quantities, and their units (Буквенные обозначения, применяемые в электротехнике. Часть 3. Логарифмические величины и их единицы)

IEC 60028:1925, International standard of resistance for copper (Международные нормы на электрическое сопротивление меди)

IEC 60141 (all parts), Tests on oil-filled and gas-pressure cables and treir accessories [(все части) Испытания маслонаполненных кабелей и кабелей с газом под давлением и арматуры к ним]

IEC 60228, Conductors of insulated cables (Токопроводящие жилы изолированных кабелей)

IEC 60889, Hard-drawn aluminium wire for overhead line conductors (Твердотянутая алюминиевая проволока для проводов воздушных линий электропередачи)

1.3 Обозначения

В настоящем стандарте применены следующие обозначения:

1.4 Расчет номинальной токовой нагрузки кабелей

При расчете номинальной токовой нагрузки в условиях частичного высыхания почвы следует рассчитать токовую нагрузку для условий, в которых не происходит высыхания почвы. Применяют меньшую из двух полученных нагрузок.

1.4.1 Кабели, проложенные в почве, высыхание которой не происходит, или кабели, проложенные на воздухе

1.4.1.1 Кабели на переменное напряжение

Номинальную токовую нагрузку (предельно допустимое значение тока, проходящего по одной жиле) кабелей на переменное напряжение получают из формулы, по которой вычисляют допустимое значение превышения температуры жилы над температурой окружающей среды

где I - ток, проходящий по одной жиле кабеля (номинальная токовая нагрузка кабеля), А;

Примечание - В данной формуле под средней температурой окружающей среды подразумевают температуру окружающей среды при нормальных условиях эксплуатации и в случае прокладки кабеля с учетом влияния любого местного источника тепла, но без учета повышения температуры от кабелей, расположенных в непосредственной близости, вследствие выделяющегося из них тепла.

R - сопротивление жилы кабеля переменному току на единицу длины при максимальной рабочей температуре, Ом/м;

n - число жил в кабеле, несущих нагрузку (жилы одинакового размера и несущие одну и ту же нагрузку);

Значение номинальной токовой нагрузки вычисляют по формуле

Если кабель подвергается воздействию прямых солнечных лучей, то следует применять формулу по МЭК 60287-2-1:1994 (пункт 2.2.1.2).

Номинальную токовую нагрузку четырехжильного кабеля на низкое напряжение допускается принимать равной номинальной токовой нагрузке трехжильного кабеля на то же напряжение, с теми же размерами жил и аналогичной конструкции, при условии, что кабель будут применять в трехфазной системе, в которой четвертая жила является нейтральным или защитным проводником. В случае нейтрального проводника номинальная токовая нагрузка относится к симметричной нагрузке.

1.4.1.2 Кабели на постоянное напряжение до 5 кВ

Значение номинальной токовой нагрузки кабелей на постоянное напряжение до 5 кВ вычисляют по формуле

Если кабель подвергается воздействию прямых солнечных лучей, то следует применять формулу по МЭК 60287-2-1:1994 (пункт 2.2.1.2).

1.4.2 Кабели, проложенные в условиях частичного высыхания почвы

1.4.2.1 Кабели на переменное напряжение

________________

Примечание - Требования к прокладке более одной цепи, а также необходимое расстояние между цепями находятся в стадии рассмотрения.

Номинальную токовую нагрузку с учетом изменения внешнего теплового сопротивления вследствие образования сухой зоны вокруг одиночного изолированного кабеля или цепи вычисляют по формуле (см. также формулу по 1.4.1.1)

Примечания

2 Значения соответствующих параметров почвы находятся в стадии рассмотрения. Эти значения допускается согласовывать между изготовителем и заказчиком (потребителем).

1.4.2.2 Кабели на постоянное напряжение до 5 кВ

Номинальную токовую нагрузку кабелей на постоянное напряжение вычисляют по формуле

1.4.3 Кабели, проложенные в условиях, в которых высыхания грунта не происходит

1.4.3.1 Кабели на переменное напряжение

Значение R вычисляют для соответствующей температуры жилы, которая должна быть менее максимально допустимого значения. Проводят оценку рабочей температуры и при необходимости ее корректируют.

Примечание - Для определения номинальной токовой нагрузки четырехжильных низковольтных кабелей применяют последний абзац 1.4.1.1.

1.4.3.2 Кабели на постоянное напряжение до 5 кВ

Номинальную токовую нагрузку кабелей на постоянное напряжение вычисляют по формуле

1.4.4 Кабели, подверженные прямому солнечному излучению

Номинальные токовые нагрузки

Номинальную токовую нагрузку кабелей с учетом воздействия солнечного излучения вычисляют по следующим формулам.

1.4.4.1 Для кабелей на переменное напряжение

1.4.4.2 Для кабелей на постоянное напряжение до 5 кВ

2 Расчет потерь

2.1 Сопротивление жилы кабеля переменному току

Сопротивление жилы кабеля переменному току на единицу длины R, Ом/м, при максимальной рабочей температуре во всех случаях, за исключением кабелей, проложенных в трубопроводах (см. 2.1.5), вычисляют по формуле

2.1.1 Сопротивление жилы кабеля постоянному току

Таблица 1 - Значения удельного электрического сопротивления и температурного коэффициента материалов, применяемых для изготовления кабелей

f - частота сети, Гц.

При отсутствии соответствующей формулы для кабелей с жилами секторного и овального сечения рекомендуется использовать вышеприведенную формулу.

Коэффициент эффекта близости вычисляют по формуле

s - расстояние между осями жил кабеля, мм.

2.1.4.1 Кабели с круглыми жилами

Коэффициент эффекта близости вычисляют по формуле

2.1.4.2 Кабели с фасонными жилами

При этом:

где t - толщина изоляции между жилами кабеля, мм.

2.1.5 Коэффициенты поверхностного эффекта и эффекта близости для кабелей, проложенных в трубопроводах

Для кабелей, проложенных в трубопроводах, коэффициенты поверхностного эффекта и эффекта близости, определенные в соответствии с 2.1.2, 2.1.3 и 2.1.4, следует увеличить на коэффициент 1,5. Значение R, Ом/м, вычисляют по формуле

2.2 Диэлектрические потери для кабелей на переменное напряжение

С - емкость изолированной жилы кабеля на единицу длины, Ф/м;

Для кабелей с круглыми жилами значение С, Ф/м, вычисляют по формуле

2.3 Коэффициент потерь в оболочке и экране для кабелей на переменное напряжение промышленной частоты

По формулам, приведенным в данном пункте, вычисляют потери в оболочке кабеля через общие потери в жиле (жилах) с указанием в каждом отдельном случае конкретного вида потерь. Формулы для одножильных кабелей применимы только к однофазным цепям, при этом влияние токов утечки на землю не учитывают. Методы расчета применимы для кабелей как с гладкими, так и гофрированными оболочками.

Для одножильных кабелей с оболочками, соединенными с обоих концов электрической секции, следует учитывать только потери вследствие продольных токов в оболочках (см. 2.3.1, 2.3.2 и 2.3.3). Электрической секцией считают часть трассы между точками, в которых соединены оболочки или экраны всех кабелей.

Как правило, принимают в расчет увеличение расстояния между кабелями в определенных точках трассы (см. 2.3.4).

Для кабелей с токопроводящими жилами типа Милликен коэффициент потерь следует увеличить, чтобы учесть потери, вызываемые вихревыми токами в оболочках (см. 2.3.5).

Для систем кабелей с перекрестным соединением оболочек не следует полагать, что малые секции электрически идентичны и потери вследствие циркуляции токов в оболочках незначительны. В 2.3.6 даны рекомендации по расчету увеличения потерь в оболочках с учетом данного электрического дисбаланса.

Температура оболочки или экрана является функцией тока I, поэтому при расчете применяют итеративный метод.

2.3.1 Два одножильных кабеля и три одножильных кабеля (расположенные треугольником), оболочки которых соединены на обоих концах каждой электрической секции

где Х - реактивное сопротивление оболочки или экрана на единицу длины кабеля, Ом/м, вычисляемое по формуле

s - расстояние между осями жил в данной электрической секции, мм;

2.3.2 Три одножильных кабеля, расположенные в одной плоскости, с регулярной транспозицией (оболочки соединены на обоих концах каждой электрической секции)

2.3.3 Три одножильных кабеля, расположенные в одной плоскости, без транспозиции, с оболочками, соединенными на обоих концах каждой электрической секции

где Х - реактивное сопротивление оболочки или экрана на единицу длины кабеля для двух соседних одножильных кабелей, Ом/м, вычисляемое по формуле

Расчеты номинальных токовых нагрузок кабелей, проложенных на воздухе, должны быть основаны на первой формуле настоящего пункта, т.е. на результатах вычисления потерь в наружном кабеле, несущем отстающую фазу.

2.3.4 Влияние изменения расстояния между одножильными кабелями на участке между точками соединения оболочек

В цепях одножильных кабелей с оболочками, соединенными на обоих концах и возможно в промежуточных точках циркулирующие токи и обусловленные ими потери возрастают по мере увеличения расстояния между кабелями, поэтому рекомендуется использовать как можно меньшее расстояние между кабелями. Оптимальное расстояние можно получить путем расчета как потерь, так и взаимного нагрева кабелей.

Не всегда возможно проложить кабели, соблюдая оптимальное расстояние между ними на протяжении всей трассы. Ниже приведены рекомендации по расчету потерь в оболочке кабеля вследствие циркулирующих токов, когда невозможно проложить кабели с постоянным расстоянием между ними на протяжении длины одной электрической секции. Секцией считают часть трассы между точками соединения оболочек всех кабелей. Если применять приведенные рекомендации, то можно получить значения коэффициентов потерь, которые относятся ко всей секции, при этом следует учитывать, что соответствующие значения сопротивления жилы и внешнего теплового сопротивления должны быть рассчитаны на основании наименьшего расстояния между кабелями в любом месте секции.

а) Если расстояние между кабелями в секции не постоянное, но известны различные его значения, то значение Х в 2.3.1, 2.3.2 и 2.3.3 вычисляют по формуле

b) Если в какой-либо секции расстояние между кабелями и его отклонения вдоль трассы не известны и не могут быть вычислены, то потери в этой секции, определенные на основании расчетного расстояния между кабелями, следует увеличить на 25% - это значение соответствует кабелям высокого напряжения со свинцовой оболочкой. По соглашению между изготовителем и потребителем допускается применять другое увеличение, если 25% не соответствует условиям частного случая прокладки.

c) Если секция включает расширяющийся конец, то увеличения по перечислению b) недостаточно, и рекомендуется провести оценку расстояния и рассчитать потери по указанной в перечислении а) методике.

Примечание - Такое увеличение не допускается для линий кабелей с соединением оболочек в одной точке или перекрестным соединением (см. 2.3.6).

2.3.5 Коэффициент потерь в кабелях с токопроводящими жилами типа Милликен

или

Если расстояние между кабелями в секции не постоянное, то значение Х следует вычислять по 2.3.4, перечисление а).

2.3.6 Одножильные кабели с соединением оболочек в одной точке или перекрестным соединением

2.3.6.1 Потери, обусловленные вихревыми токами

Примечания

3 Для кабелей с проволочным экраном и выравнивающей лентой или с фольгированным экраном поверх проволок допускается не учитывать коэффициент потерь, обусловленных вихревыми токами.

а) для центрального кабеля:

b) для наружного кабеля, ведущей фазы:

с) для наружного кабеля, отстающей фазы:

2.3.6.2 Потери, обусловленные циркулирующими токами

Потери, обусловленные циркулирующими токами, равны нулю для линий с соединением оболочек кабелей в одной точке и при перекрестном соединении оболочек и разделении каждой основной секции на три электрически идентичные малые секции.

Если линия кабелей с перекрестным соединением оболочек содержит секции со значительным дисбалансом, то возникает остаточное напряжение, вызывающее потери вследствие циркулирующих токов в этой секции, которое следует учитывать.

В любой большой секции кабелей имеются две более длинные малые секции, которые в p и q раз больше длины самой короткой малой секции (т.е. длины малых секций равны а, ра и qа, где а - длина самой короткой малой секции).

Данное выражение показывает только разницу между длинами малых секций.

Необходимо также учитывать любые отклонения в расстоянии между кабелями.

Если длины малых секций не известны, то p следует принять за единицу, а q - 1,2, в результате будет получено значение 0,004.

2.3.7 Двухжильные небронированные кабели в общей оболочке

- для кабелей с жилами круглого или овального сечения

- для кабелей с секторными жилами

где с - расстояние между осью одной жилы и осью кабеля;

2.3.8 Трехжильные небронированные кабели в общей оболочке

2.3.9 Двухжильные и трехжильные кабели со стальной ленточной броней

Данную поправку применяют только к кабелям с ленточной броней толщиной от 0,3 до 1,0 мм.

2.3.10 Бронированные кабели с отдельно освинцованными жилами (типа SL)

2.3.11 Потери в экранах и оболочках кабелей, проложенных в трубопроводах

Примечание - См. также 2.4.2.

2.4 Коэффициент потерь для брони, защитного усиливающего покрытия и стальных труб для кабелей на переменное напряжение промышленной частоты

Соответствующие значения удельного электрического сопротивления и температурных коэффициентов материалов, используемых для брони и защитного усиливающего покрытия, приведены в таблице 1.

Поскольку температура брони является функцией тока /, то при расчете применяют метод последовательных приближений (итеративный метод).

Если применяют параллельно эквивалентное сопротивление оболочки и брони, то можно допустить, что оба элемента имеют рабочую температуру брони, чтобы использовать усредненное значение температурного коэффициента этих материалов.

2.4.1 Кабели с немагнитной броней или защитным усиливающим покрытием

Значение сопротивления защитного усиливающего покрытия зависит от шага наложения лент следующим образом:

a) если ленты наложены с большим шагом (продольное наложение лент), то в расчет принимают сопротивление цилиндра, имеющего ту же массу материала на единицу длины кабеля и тот же внутренний диаметр, что и наложенные ленты;

b) если ленты наложены приблизительно под углом 54° к оси кабеля, то сопротивление в два раза выше значения, определенного в соответствии с перечислением а);

c) если ленты наложены с малым шагом (поперечно наложенные ленты), то сопротивление можно считать бесконечным, т.е. потери допускается не учитывать;

d) если ленты наложены в два или более слоев с малым шагом и ленты примыкают друг к другу, то сопротивление в два раза больше значения, определенного в соответствии с перечислением а).

Данные требования также применяют к кабелям с изолированными жилами, проложенным в трубопроводах, по 2.3.11.

2.4.2 Кабели со стальной броней или усиливающим покрытием

2.4.2.1 Одножильные кабели со свинцовой оболочкой и стальной проволочной броней, соединенной с оболочкой на обоих концах

Приведенный метод не учитывает возможное влияние окружающей среды, которое может быть достаточно существенным, в частности для кабелей, проложенных под водой. Данный метод следует применять для линии с большим расстоянием между кабелями (т.е. 10 м или более). Методом определяют значения общих потерь в оболочке и броне, которые, как правило, больше фактических для того, чтобы номинальные токовые нагрузки были рассчитаны с запасом. Следует учитывать, что наиболее нагретый отрезок кабельной трассы может находиться на берегу, где как потери, так и взаимный нагрев могут быть большими.

Если влиянием окружающей среды можно пренебречь, например при прокладке кабелей на воздухе, то данный метод можно применять для линий с любым расстоянием между кабелями.

Расчет потерь мощности в свинцовой оболочке и стальной проволочной броне одножильных кабелей при соединении оболочки и брони на обоих концах выполняют следующим образом:

Сопротивление проволочной брони переменному току изменяется приблизительно от увеличенного в 1,2 раза сопротивления постоянному току для проволок диаметром 2 мм до увеличенного в 1,4 раза сопротивления постоянному току для проволок диаметром 5 мм. Сопротивление не оказывает определяющего влияния на конечный результат.

р - длина шага наложения стальной проволоки вдоль кабеля, мм;

Если требуется более точный расчет и известны характеристики проволоки, то вначале необходимо определить точное значение намагничивающей силы Н, ампер-витки/м, для того, чтобы рассчитать соответствующие магнитные характеристики. Значение Н, ампер-витки/м, вычисляют по формуле

2.4.2.2 Двухжильные кабели со стальной проволочной броней

2.4.2.3 Трехжильные кабели со стальной проволочной броней

2.4.2.3.1 Кабель с жилами круглого сечения

2.4.2.3.2 Кабели с секторными жилами

2.4.2.4 Трехжильные кабели со стальной ленточной броней или усиливающим покрытием

Приведенную ниже формулу применяют для кабелей с лентами толщиной 0,3-1,0 мм.

Коэффициент k вычисляют по формуле

Примечание - Следует учитывать, что стальная магнитная броня или защитное усиливающее покрытие, при наличии, увеличивают потери в оболочках, обусловленные вихревыми токами (см. 2.3.9).

2.4.2.5 Кабели типа SL с отдельно освинцованными жилами

2.4.3 Кабели, проложенные в стальных трубах

Потери для кабелей, проложенных в стальных трубах, определяют по двум эмпирическим формулам, по одной из которых вычисляют потери для кабелей, у которых жилы расположены треугольником вплотную друг к другу, а по другой - для кабелей, у которых жилы расположены в виде открытой конфигурации (в лотках) на дне трубы. На практике для кабелей с изолированными жилами применяют конфигурацию, представляющую собой нечто среднее между этими двумя способами расположения. Следует вычислить потери для кабелей каждой конфигурации расположения жил и определить среднее значение.

Примечание - Приведенные ниже формулы получены эмпирическим путем в США, и их применяют только для кабелей, проложенных в трубах размерами и из типа стали, используемых в этой стране.

Приведенные формулы справедливы при частоте 60 Гц. Для частоты 50 Гц полученные значения следует умножить на 0,76.

Таблица 4 - Коэффициент поглощения солнечного излучения поверхностью кабеля

Приложение ДА

(справочное)

Сведения о соответствии ссылочных международных стандартов национальным и межгосударственным стандартам

Таблица ДА.1