Расчет сети электроосвещения

10. Расчет сети электроосвещения

Расчет сечения жил и выбор проводов и кабелей

Расчет электрической сети освещения заключается в определении сечения проводов и кабелей на всех участках групповой и питающей сети. Рассчитанное и выбранное сечение жил проводов и кабелей должно удовлетворять условиям механической прочности, нагревания, потерь напряжения, соответствию току выбранного аппарата защиты, условиям окружающей среды.

Действующие в настоящее время нормативные документы, разработанные на основе международного стандарта МЭК 364 «Электрические установки зданий», содержат ряд обязательных требований к выбору сечений нулевых рабочих (N), совмещенных нулевых рабочих и защитных (РЕN) и защитных (РЕ) проводников. Правильный выбор этих проводников обеспечивает электрическую и пожарную безопасность электроустановок.

Для однофазных, а также трехфазных сетей при питании по ним однофазных нагрузок сечение нулевого рабочего N – проводника во всех случаях должно быть равно сечению фазных проводников, если те имеют сечение до 16 мм² по меди или 25 мм² по алюминию. При больших сечениях фазных проводников он может иметь сечение, составляющее не менее 50 % сечения фазных проводников.

Для однофазных линий групповой сети (сети до светильников, штепсельных розеток и других стационарных однофазных электроприемников) не допускается объединение N и РЕ – проводников с целью образования PEN-проводника. Такие линии всегда необходимо выполнять трехпроводными: фазным проводником L, нулевым рабочим N, и защитным РЕ. Кроме того, в однофазных линиях групповой сети не допускается:

объединять как нулевые рабочие проводники N, так и защитные РЕ различных групповых линий;

подключать нулевой рабочий проводник N и защитный РЕ на щитках под общий контактный зажим (на таких щитках должны быть выполнены отдельные шинки: N – изолированная и РЕ – неизолированная).

Сечение защитного РЕ – проводника должно равняться:

Рекомендуемые материалы

– сечению фазных проводников при сечении их до 16 мм²;

– 16 мм² при сечении фазных проводников от 16 до 35 мм²;

– не менее 50% сечения фазных проводников при больших сечениях проводников. Сечение нулевых защитных проводников, не входящих в состав кабеля, должны быть не менее 2,5 мм² – при наличии механической защиты и 4 мм² – при ее отсутствии.

Выбор сечений проводов по механической прочности

По механической прочности расчет проводов и кабелей внутренних электрических сетей не производится.  В практике проектирования электрических сетей соблюдают установленные стандартом [4] минимальные сечения жил проводов по механической прочности. Наименьшие сечения проводов по механической прочности для медных жил не менее 1,5 мм², а для алюминиевых жил не менее 2,5 мм².  

Выбор сечений проводов по нагреву

Электрический ток нагрузки, протекая по проводнику, нагревает его. Нормами приведенными в [1] установлены наибольшие допустимые температуры нагрева жил проводов и кабелей. Исходя, из этого определены длительно допустимые токовые нагрузки для проводов и кабелей в зависимости от материала их изоляции, оболочки и условий прокладки.

Сечения проводов и кабелей выбираются по условиям нагрева длительным расчетным током в нормальном режиме и проверяют по потере напряжения, соответствию току выбранного аппарата защиты, условиям окружающей среды.

Сечение жил проводов и кабелей для сети освещения можно определить по табл. 1.3 [1] в зависимости от расчетного длительного значения токовой нагрузки при нормальных условиях прокладки по условию

                   ,                                              (10.1)

где   – допустимый ток на стандартное сечение провода, а (длительно допустимые токовые нагрузки на провода и кабели;

 – расчетное значение длительного тока нагрузки, А;

 – поправочный коэффициент на условия прокладки определяется по табл. 10.1 (при нормальных условиях прокладки )

Таблица 10.1

Поправочные коэффициенты на токовые нагрузки проводников в зависимости от температуры окружающей среды

Для выбора сечений проводов и кабелей по допустимому нагреву необходимо определить расчетные токовые нагрузки линий в амперах.

Расчетные максимальные токовые нагрузки определяют по формулам:

для однофазной сети

;                                             (10.2)

для трехфазной (четырехпроводной) сети

;                                   (10.3)

для двухфазной сети с нулем, при равномерной загрузке фаз

.                                        (10.4)

Коэффициент мощности (cos j) следует принимать:

1,0 – для ламп накаливания;

0,85 – для одноламповых светильников с люминесцентными лампами низкого давления;

0,92 – для много ламповых светильников с люминесцентными лампами низкого давления;

0,5 – для светильников с разрядными лампами высокого давления (ДРЛ, ДРИ);

0,85 – для светильников с разрядными лампами высокого давления, имеющими ПРА с конденсатором.

ПРИМЕР 1

Рассчитать сечение жил и выбрать провода для прокладки групповой сети электроосвещения производственного участка с нормальными условиями окружающей среды. Электрическая сеть однофазная трехпроводная напряжением 220 В. Провода прокладываются открыто. Групповая линия состоит из ламп накаливания мощностью  Вт. Коэффициент спроса освещения .

РЕШЕНИЕ:

Определим расчетную мощность

;

.

Определим расчетный ток

.

По механической порочности определено минимальное сечение жил проводов и составляет 2,5 мм².

Из табл. 1.3.5 [1] выбираем провод с алюминиевыми жилами сечением 2,5 мм² имеющего длительно допустимый ток 20 А и подставим в условие 10.1.

.

Выбранное сечение удовлетворяет условию, следовательно, выбираем провод с алюминиевыми жилами марки АППВ 3х2,5 мм².

Расчет сети по потере напряжения

Нормально допустимые значения установившегося отклонения напряжения  на выводах приемников электрической энергии должно быть равно  от номинального напряжения  электрической сети.

Располагаемая (допустимая) потеря напряжения  в осветительной сети, т.е. потеря напряжения в линии от источника питания (шин 0,4 кВ КТП) до последней лампы в ряду, подсчитывается по формуле

,                                 (10.5)

где   105 – напряжение холостого хода на вторичной стороне трансформатора, %;

U_min – наименьшее напряжение, допускаемое на зажимах источника света, % (принимается равным 95 %);

 – потери напряжения в силовом трансформаторе, приведенные к вторичному номинальному напряжению и зависящие от мощности трансформатора, его загрузки b и коэффициента мощности нагрузки, %.

Потери напряжения в трансформаторе можно определить по табл. 10.2, или по выражению

,                       (10.6)

где    b – коэффициент загрузки трансформатора;

 – активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания трансформатора, которые определяются следующими выражениями:

;                                   (10.7)

,                                       (10.8)

где     – потери короткого замыкания, кВт;

 – номинальная мощность трансформатора, кВ×А;

 – напряжение короткого замыкания, %.

Значения  и  можно определить по табл. 10.2, а более точные значения приводятся в каталогах на трансформаторы.

Таблица 10.2

Потери  напряжения в трансформаторах

*  Для определения   его значение, найденное по таблице, следует умножить на фактическое значение коэффициента загрузки b.

Таблица 10.3

Значения  и

Потери напряжения при заданном значении сечения проводов можно определить по выражению

.                                         (10.9)

И, наоборот, при заданном значении потери напряжения можно определить сечение провода

,                                         (10.10)

где    М – момент нагрузки, кВт×м;

С – коэффициент, зависящий от материала провода и напряжения сети (определяется по табл. 10.4).

Таблица 10.4

Значение коэффициента С

Метод определения момента нагрузки  выбирается в зависимости от конфигурации сети освещения:

в простом случае (рис. 10.1) момент определяется как произведение мощности ламп на длину участка сети

Рис. 10.1. Определение момента в простом случае

;                                     (10.11)

в проектной практике осветительная сеть имеет более сложную конфигурацию (рис. 10.2), тогда момент нагрузки можно определить по выражению

              (10.12)

для сети с равномерно распределенной нагрузкой момент нагрузки определяется, как произведение мощности ламп на половину длины групповой линии.

Рис. 10.2. Определение момента сети сложной конфигурации

Рис. 10.3. Определение момента для сети с равномерно
распределенной нагрузкой

,                              (10.13)

где L – длина участка сети от группового щитка до первого светильника в ряду, м.

Для сети более сложной конфигурации, когда участки сети имеют разное количество фазных проводов, определяется приведенный момент по выражению

,                               (10.14)

где   – сумма моментов данного и всех последующих по направлению тока участков с тем же числом проводов в линии, что и на данном участке;

 – сумма моментов питаемых через данный участок линии с иным числом проводов, чем на данном участке;

a – коэффициент приведения моментов (определяется по табл. 10.5)

Таблица 10.5

Значение коэффициентов приведения моментов

Расчет сети на наименьший расход проводникового материала ведется по формуле

,                               (10.15)

где  – расчетные потери напряжения, %, допустимые от начала данного участка до конца сети.

По формуле 10.9 последовательно определяются сечения на всех участках сети освещения, начиная от участка ближайшего к источнику питания и округляются до ближайшего большего значения  стандартного ряда. По выбранному сечению данного участка определяются потери напряжения в нем. Последующие участки сети рассчитываются по разности между расчетной потерей напряжения и потерями до начала каждого участка.

ПРИМЕР 2

Определить момент нагрузки для групповой сети электроосвещения (рис. 10.4) и выбрать сечение проводов, при условии, что допустимая потеря напряжения () для группового щитка ЩО равна 2,5 %.

Рис. 10.4. Рисунок к задаче 2

РЕШЕНИЕ:  Определим момент нагрузки по формуле 10.12.

Определим сечение провода по формуле 10.10.

.

Ближайшее большее стандартное сечение провода 2,5 мм², следовательно для подключения ряда светильников удовлетворяет четырехжильный кабель сечением .

ПРИМЕР 3

Определить сечение жил кабелей  на участках от КТП до МЩ1 и от МЩ1 до ЩО1 (рис. 10.5). Мощность трансформатора КТП 250 кВ×А, коэффициент загрузки 0,8.

Рис. 10.4. Рисунок к задаче 3

РЕШЕНИЕ:

Определим потери напряжения в трансформаторе по табл. 5.1 .

Располагаемую допустимую потерю напряжения определим по формуле 5.7

.

Определим момент нагрузки  и :

;

.

Приведенный момент

Определить сечение жил кабеля на участке :

.

Принимаем сечение кабеля от трансформатора КТП до МЩ сечением .

Фактическая потеря напряжения на участке  составит

.

Располагаемые потери напряжения для последующего участка сети от МЩ1 до ЩО1 составят

.

Для определения сечения жил кабеля на втором участке  определим приведенный момент :

;

.

Выбираем кабель сечением :

.

Располагаемая потеря напряжения для групповой сети составляет

.

Защита сети освещения и выбор аппаратов защиты

Осветительные сети должны иметь защиту от токов короткого замыкания (КЗ), а в некоторых случаях также от перегрузки [1].

Защите от перегрузки подлежат сети: внутри помещений, проложенных открыто незащищенными изолированными проводниками и с горючей оболочкой; внутри помещений, проложенных защищенными проводниками в трубах, в несгораемых строительных конструкциях и т. п.; осветительные в жилых, общественных и торговых помещениях, служебно-бытовых помещениях промышленных предприятий, включая сети для бытовых и переносных электроприемников, а также в пожароопасных производственных помещениях; всех видов во взрывоопасных наружных установках независимо от условий технологического процесса или режима работы сети.

Все остальные сети не требуют защиты от перегрузки и защищаются только от токов короткого замыкания.

Аппараты, установленные для защиты от коротких замыканий и перегрузки, должны быть выбраны так, чтобы номинальный ток каждого из них  был не менее расчетного тока , рассматриваемого участка сети:

,                                             (10.16)

где  – расчетный ток рассматриваемого участка сети, А.

Осуществляется защита осветительных сетей аппаратами защиты – плавкими предохранителями или автоматическими выключателями, которые отключают защищаемую электрическую сеть при ненормальных режимах.

Для защиты осветительных сетей промышленных, общественных, жилых этажных зданий  наибольшее распространение получили однополюсные и трехполюсные автоматические выключатели с рацепителями, имеющих обратно зависимую от тока характеристику, у которых с возрастанием тока время отключения уменьшается.

Автоматические выключатели, имеющие только электромагнитный расцепитель мгновенного действия (отсечку), во внутренних сетях общественных и жилых зданий применять, как правило, не следует.

Аппараты защиты, защищающие электрическую сеть от токов КЗ должны обеспечивать отключение аварийного участка с наименьшим временем с соблюдением требований селективности. Для обеспечения селективности защит участков электрической сети номинальные токи аппаратов защиты (ток плавких вставок предохранителей или токи уставок автоматических выключателей) каждого последующего по направлению к источнику питания следует принимать выше не менее чем на две ступени, чем предыдущего, если это не приводит к завышению проводов. Разница не менее чем на одну ступень обязательна при всех случаях.

Номинальные токи уставок автоматических выключателей и плавких вставок предохранителей следует выбирать по возможности наименьшими по расчетным токам защищаемых участков сети, при этом должно соблюдаться соотношение между наибольшими допустимыми токами проводов  и номинальными токами аппаратов защиты  табл. 10.6.

,                                        (10.17)

где    – кратность защиты (кратность длительно допустимого тока для проводов или кабелей по отношению к току срабатывания защитного аппарата, определяется по табл. 10.6);

, если линия защищается предохранителями;

, если линия защищается автоматическим выключателем.

Таблица 10.6

Соотношение меду длительно допустимыми токами проводов  и номинальными токами
аппаратов защиты  и значение кратности защиты

Устанавливаются аппараты защиты плавкие предохранители и автоматические выключатели в металлических щитках, которые следует устанавливать: в местах присоединения сети к источнику питания (распределительные щиты КТП, вводно-распределительные устройства, распределительные пункты, магистральные шинопроводы); на вводах в здания; в начале каждой групповой линии; в местах уменьшения сечения проводов по направлению к электроприемникам; со стороны высшего напряжения понижающих трансформаторов; со стороны низшего напряжения понижающих трансформаторов.

Аппараты защиты должны устанавливаться в цепи следующих проводов: при защите сетей предохранителями они должны устанавливаться во всех нормально незаземленных полюсах или фазах (установка предохранителей в нулевом рабочем проводе запрещена); при защите сетей с глухозаземленной нейтралью автоматическими выключателями их расцепители должны устанавливаться во всех нормально незаземленных проводах; в однофазных двухпроводных линиях во взрывоопасных зонах класса В-1 расцепители автоматических выключателей должны устанавливаться в цепи фазного и нулевого рабочего проводов, при этом для одновременного отключения фазного и нулевого проводов должны применяться двухполюсные автоматические выключатели,

Номинальный ток аппаратов защиты (расцепители автоматических выключателей и плавкие вставки предохранителей) для групповых линий внутреннего освещения должен быть не более 25 А, а групповые линии, питающие разрядные лампы мощностью 125 Вт и более, лампы накаливания на напряжение до 42 В любой мощности и лампы накаливания напряжение выше 42 В мощностью 500 Вт и более могут защищаться аппаратами защиты на ток до 63 А.

ПРИМЕР 4

Для примера 1 выбранное сечение провода марки АППВ , имеющего ток длительно допустимый 20 А проверить по току срабатывания защитного аппарата.

РЕШЕНИЕ:

По техническим данным на аппараты защиты выбираем автоматический выключатель серии ВА с номинальным током расцепителя 16 А. Так как участок сети не требуется защищать от перегрузки и провод проложен в нормальных условиях, то кратность защиты  и поправочный коэффициент , тогда подставив значения длительно допустимого тока провода и номинальный ток расцепителя автоматического выключателя в условие 10.17 получим

.

Условие соблюдается, следовательно, выбираем однополюсный автоматический выключатель серии ВА51-29  63/16 А.

После выполнения светотехнической и электрической частей расчета электрического освещения составляется сводная таблица по представленной форме.

Таблица 10.7

Форма сводной ведомости

        

В таблице указывается: номер и тип осветительного щитка; тип и номинальные токи расцепителей вводного и групповых автоматических выключателей; номер группы; нагрузка групповой линии; марка и сечение проводов, кабелей; способ прокладки; момент нагрузки; потеря напряжения в линии; распределение групповых линий по фазам трехфазной сети