Силовые кабели выбирают по расчетному току, номинальному напряжению, способу прокладки, условиям окружающей среды и проверяют на термическую устойчивость при коротком замыкании путем расчета минимальной площади сечения токоведущей жилы по формуле:
где — ?т.у – минимальная площадь сечения токоведущей жилы кабеля; ?∞– установившейся ток короткого замыкания; ?пр – приведенное время короткого замыкания, сек, в течение которого установившейся ток ?∞ выделяет такое же количество теплоты, что и изменяющийся ток короткого замыкания за действительное время; С – термический коэффициент, соответствующий разности значений теплоты, выделенной в проводнике после и до короткого замыкания, значения которого принимаются для кабелей с медными жилами С = 141, с алюминиевыми С = 85.
После расчета минимальной площади сечения токоведущей жилы по термической устойчивости уточняют сечение токоведущих жилы силовых кабелей с учетом установленной мощности электроприемников и проверяют его по допустимым потерям напряжения, термической стойкости к воздействию токов КЗ и на невозгорание при протекании токов КЗ.
Проверка силовых кабелей на невозгорание при протекании тока КЗ осуществляется из предположения, что максимальный ток, протекающий в кабеле, равен действующему значению тока короткого замыкания в начале линии.
Проверка силовых кабелей на нагрев при протекании тока КЗ производится в соответствии с циркуляром Ц02-98 (Э) «О проверке кабелей на невозгорание при протекании тока короткого замыкания». Проверка производится для каждого выбранного сечения кабелей, при этом для проверки выбирается кабельная линия с наиболее «тяжелыми» условиями, т.е. с максимальным значением тока КЗ в начале линии.
Температура жилы силового кабеля при протекании тока КЗ определятся по формуле:
где ϑн – максимальная температура жилы до КЗ; ? = 228 ℃ − величина, обратная температурному коэффициенту электрического сопротивления при 0 ℃;
где ϑн– фактическая температура окружающей среды, ℃ ; ϑдд– длительно допустимая температура токопроводящих жил кабеля, ℃ ; ϑокр – температура окружающей среды:
- для кабелей в земле 15 ℃ ;
- для кабелей на воздухе 25 ℃ ;
?раб – рабочий ток, А; ?дд – длительно допустимый ток нагрузки кабеля, А;
где b – постоянная, характеризующая теплофизические характеристики материала токопроводящей жилы:
(?к) ∙ ? – суммарный тепловой импульс;
?к –действующее значение тока КЗ, кА;
t – длительность тока КЗ (время срабатывания резервной защиты вышестоящего АВ), с;
S – сечение токоведущей жилы кабеля, мм2.
Термическая стойкость проводника обеспечивается, если площадь сечения S, мм2, удовлетворяет неравенству: ? ≥ ?тер ???, где ? ≥ ?тер ??? — минимальное сечение проводника по условию термической стойкости, мм2, которое следует определять по формуле:
?откл – время срабатывания защиты, зависящее от уровня напряжения (регламентированное время отключения тока КЗ), для сетей 220 кВ обычно принимается равным 0,1 с;
– параметр, принимаемый по таблице 8 стандарта ГОСТ Р 52736-2007 «Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчёта электродинамического и термического действия токов короткого замыкания» и значения которого равны:
- для кабеля 220 кВ – 90;
- для кабеля 10 кВ – 65.
Отметим, что температура жилы силового кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена не должна превышать 350 градусов Цельсия.
Термическая стойкость электропроводящего экрана силового кабеля обеспечивается, если обеспечивается следующее условие:
где – ?д.э – допустимый ток медного экрана, кА, значения которого:
- для кабеля 220 кВ (сечение экрана 120 мм2) – 24,36 кА;
- для кабеля 10 кВ (сечение экрана 25 мм2) – 19,2 кА.
– ток двухфазного короткого замыкания, кА.
Основным назначением экрана является обеспечение равномерности электрического поля, воздействующего на главную изоляцию кабеля (изоляцию «жила-экран»), что достигается только в случае заземления экрана. Поэтому электропроводящая оболочка кабеля (экран), как правило, заземлена на его концах и в ряде промежуточных точек (муфтах или транспозиционных узлах). При этом для токов нагрузки образуется путь в земле, параллельный проводнику. В этом отношении металлическая оболочка кабеля аналогична заземленным тросам у воздушной линии. На распределение тока между оболочкой и землей существенное влияние оказывает не только собственное сопротивление оболочки (экрана), но и сопротивление ее заземлений, значения которых зависят от характера прокладки кабеля (траншея, блоки, туннель, эстакада и т.д.) и ряда других факторов.
В однофазном режиме ток нагрузки протекает по экрану и земляному каналу, обладающего сопротивлением ?з (рис. 1).
Активное сопротивление линии «экран – земля» складывается из активного сопротивления экрана ?э и дополнительного сопротивления ?з, учитывающего потери активной мощности в земле от протекающего в ней тока:
На частоте ? = 50 Гц удельное сопротивление земли ?з = 0,05 Ом⁄км, что свидетельствует о практическом постоянстве потерь активной мощности в земле при заданной частоте.
а) б)
Рис. 1. Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена: а) в однофазном включении; б) схема замещения
Сопротивление, обусловленное взаимоиндукцией между двумя параллельными линиями «провод-земля» с расстоянием ? ≪ ?з между осями их проводов:
где 
, м, – эквивалентная глубина возврата тока через землю.
На промышленной частоте 50 Гц и среднем значении удельной проводимости земли ? = 10−4 (Ом ∙ см)−1, получим ?з = 935 м.
Рис. 2. Заземление экранов с двух сторон трех однофазных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена
При отсутствии данных о проводимости земли обычно принимают
?з = 1000 м.
Отметим, что взаимоиндукция с другими фазами уменьшает сопротивление фазы для токов прямой (обратной) последовательности и увеличивает его для токов нулевой.
При расчете режима экранов однофазных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена в трехфазном включении необходимо учитывать взаимоиндукцию с другими фазами (рис. 2) с учетом расстояния между центрами кабелей при выбранном способе прокладки.