При нагрузке кабеля или провода электрическим током он нагревается, а так же в нём теряется мощность и напряжение. При выборе сечения кабеля (провода) проектант сталкивается с двумя противоположностями. С одной стороны желательно снизить массы, габариты и стоимость кабелей, а с другой – снизить температуру нагрева, потери мощности (энергии) и напряжения. Поэтому при выборе сечения приходиться принимать компромиссное решение, которое обеспечило бы большой срок службы кабелей и допустимые размеры, и массу, а также потери в сети.
При выборе кабелей следует учитывать допустимый ток (нагрев кабеля), жильность кабеля, режим работы потребителя (длительный, кратковременный или повторно-кратковременный), температуру окружающей среды, способ прокладки кабеля, место прокладки кабелей.
В настоящее время выбор марки и сечения кабелей производят по специальным таблицам, приведённых в правилах морского и речного регистров, (см. приложение 3, таблицы 1 и 2).
Сначала определяют марку кабеля (провода) в зависимости от места его прокладки и стоимости, а так же допустимого напряжения. Так, например, при прокладке в сырых неотапливаемых помещениях (МКО, палубы, бытовые помещения, грузовые трюма и т.п.) допускается электрические сети выполнять кабелем, а в сухих отапливаемых помещениях можно применять провода. В тех местах, где возможны лёгкие механические воздействия, на кабеле, должна быть плетёнка из стальных оцинкованных проволок (панцирь). Такой кабель в своей марке содержит букву «П». Например, подводы к двигателям и другому оборудованию, если она находится на высоте от настила (палубы) менее чем 750мм. Можно не применять панцирь, если кабель будет заключён в трубу, метало - или пластиковый рукав.
Кабель, проходящий по открытой палубе (надстройкам, мачтам и т.п.), а так же в радиорубке и ходовой рубке, должен иметь экран из луженых медных проволок (в марке кабеля будет буква «Э»). Кроме того, надо стараться применять кабели (провода) допускающие более высокую температуру нагрева и их оболочка должна быть стойкой к воздействию нефтяных масел и не распространять пламя (стойкость к возгоранию).
Часто на практике путают понятия многожильный кабель, и многопроволочный, отождествляя их. Многожильный кабель содержит в оболочке кабеля несколько изолированных токопроводящих жил, а каждая жила может выполнятся или из нескольких проволок, или состоять из одной проволоки (береговые кабели обычно делают с однопроволочной жилой). Затем по таблицам (см. приложение 3) в зависимости от величины тока, жильности кабеля, режима работы потребителя и с учетом прокладки выбирают сечение кабеля. При больших мощностях потребителя иногда вместо одного кабеля прокладывают два параллельно, или вместо одного трёхжильного – три одножильных. Для выбора сечения, как видно из предыдущего, нужно знать силу тока, которая определяется по следующим формулам:
а) для генераторов постоянного тока
б) для генератора трёхфазного переменного тока
где – номинальная мощность генератора, кВт
– номинальное напряжение генератора, В
– номинальный коэффициент мощности
в) для двигателя постоянного тока
г) для двигателя трёхфазного переменного тока
где – номинальная мощность двигателя, кВт
– номинальное напряжение двигателя, В
– номинальный коэффициент мощности
– номинальный к.п.д. двигателя
– коэффициент загрузки
Коэффициент загрузки в разных режимах электростанции (судна) может быть разным. Так, например, для рулевого привода при ходе по курсу (ходовой режим) может быть = (0,3…0,5), а на манёврах и в аварийном режиме его принимают
= (0,8…0,9), а иногда 1. Ток нужно определять для самого высокого
.
е) для освещения, нагревательных приборов и т.п. постоянного и однофазного переменного тока.
ж) для трехфазных статических приборов
где – номинальная мощность потребителя, кВт
– номинальное напряжение потребителя, В
Если потребитель обладает индуктивным сопротивлением (люминесцентные светильники, трансформаторы, дроссели и т.п.), то в знаменателе формулы должен быть cosφ потребителя.
з) для кабеля группового щита
где – ток отдельного i-го потребителя, А
– активный ток i-го потребителя, А
– реактивный ток i-го потребителя, А
– коэффициент одновременности работы потребителей
n – число потребителей
Если температура окружающей среды выше 40°С, то в величину расчётного тока вносят поправку в соответствии со следующей формулой:
где – табличный ток, А
– допустимая температура кабеля (кабели марок КНР, КНРЭ, КНРП, КНРТ и т.д. допускают температуру 65°С)
– температура окружающей среды, °С
40 – нормируемая температура окружающей среды, °С.
Выбранный кабель по допустимой нагрузке (плотности тока) проверяют на потерю напряжения.
Для сетей постоянного тока потеря напряжения определяется по следующим формулам:
где I – ток нагрузки, А
R – сопротивление одного провода, Ом
– номинальное напряжение сети, В
l – длина кабеля, м
S – сечение токопроводящей жилы, мм²
γ = 48 м/(Ом.мм²) – удельная проводимость медной жилы кабеля при температуре 65°С
Если допустимая температура кабеля выше 65°С, то удельную проводимость можно пересчитать пользуясь формулой:
где – удельная проводимость жилы при допустимой температуре кабеля, м/(Ом.мм²)
– удельная проводимость жилы при t = 65°С
α – температурный коэффициент сопротивления α = 0,004 – для меди.
Часто в расчётах вместо тока используют мощность в кВт, тогда формула будет выглядеть следующим образом:
Из этой формулы видно, что потери в сети обратно-пропорциональны квадрату напряжения при том же сечении токопроводящей жилы кабеля. Если питающая магистраль состоит из нескольких участков разного сечения, то потерю напряжения можно определить по формуле:
Если сечение магистрали одинаковое, что имеет место в сетях освещения, то формула может быть преобразована:
Для сетей переменного тока потерю напряжения определяют с учётом активного и реактивного (индуктивного) сопротивления кабеля, т.е.
Следует иметь в виду, что при частоте тока 50Гц реактивное сопротивление значительно меньше активного, поэтому в практических расчётах им часто пренебрегают, особенно при малых сечениях токопроводящей жилы кабеля, и потерю определяют по следующим выражениям:
Для определения в знаменателе
, а для
должна быть
.
После определения потерь необходимо сравнить их с допустимой по Правилам Российского Речного Регистра или Морского Регистра судоходства, которые составляют:
– для силовой сети – 7%
– для сети освещения и сигнализации напряжением выше 55В – 5%
– для сети освещения и сигнализации напряжением ниже 55В – 10%
– для генераторного фидера – 1%
– для силовых потребителей с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работы – 10%
– для радиоэлектронавигационных приборов и радиостанций – 5%