Расчет эл нагрузок. Расчет электрических нагрузок квартир и коттеджей. Расчет токов короткого замыкания. Значение К м при К и
Для обеспечения безопасности при эксплуатации бытовых электроприборов необходимо верно вычислить сечение питающего кабеля и проводки. Поскольку ошибочно выбранное сечение жил кабеля способно привести к возгоранию проводки из-за короткого замыкания. Это грозит возникновением пожара в здании. Это также относится к выбору кабеля для подключения электрических двигателей .
Расчет тока
Величина тока рассчитывается по мощности и необходима на этапе проектирования (планирования) жилища – квартиры, дома.
- От значения этой величины зависит выбор питающего кабеля (провода) , по которому могут быть подключены приборы электропотребления к сети.
- Зная напряжение электрической сети и полную нагрузку электроприборов, можно по формуле вычислить силу тока, который потребуется пропускать по проводнику (проводу, кабелю). По его величине выбирают площадь сечения жил.
Если известны электропотребители в квартире или доме, необходимо выполнить несложные расчёты, чтобы правильно смонтировать схему электроснабжения .
Аналогичные расчёты выполняются для производственных целей: определения необходимой площади сечения жил кабеля при осуществлении подключения промышленного оборудования (различных промышленных электрических двигателей и механизмов).
Однофазная сеть напряжением 220 В
Сила тока I (в амперах, А) подсчитывается по формуле:
I = P / U ,
где P – электрическая полная нагрузка (обязательно указывается в техническом паспорте устройства), Вт (ватт);
U – напряжение электрической сети, В (вольт).
Ниже в таблице представлены величины нагрузки типичных бытовых электроприборов и потребляемый ими ток (для напряжения 220 В) .
Электроприбор | Потребляемая мощность, Вт | Сила тока, А |
Стиральная машина | 2000 – 2500 | 9,0 – 11,4 |
Джакузи | 2000 – 2500 | 9,0 – 11,4 |
Электроподогрев пола | 800 – 1400 | 3,6 – 6,4 |
Стационарная электрическая плита | 4500 – 8500 | 20,5 – 38,6 |
СВЧ печь | 900 – 1300 | 4,1 – 5,9 |
Посудомоечная машина | 2000 - 2500 | 9,0 – 11,4 |
Морозильники, холодильники | 140 - 300 | 0,6 – 1,4 |
Мясорубка с электроприводом | 1100 - 1200 | 5,0 - 5,5 |
Электрочайник | 1850 – 2000 | 8,4 – 9,0 |
Электрическая кофеварка | 6з0 - 1200 | 3,0 – 5,5 |
Соковыжималка | 240 - 360 | 1,1 – 1,6 |
Тостер | 640 - 1100 | 2,9 - 5,0 |
Миксер | 250 - 400 | 1,1 – 1,8 |
Фен | 400 - 1600 | 1,8 – 7,3 |
Утюг | 900 - 1700 | 4,1 – 7,7 |
Пылесос | 680 - 1400 | 3,1 – 6,4 |
Вентилятор | 250 - 400 | 1,0 – 1,8 |
Телевизор | 125 - 180 | 0,6 – 0,8 |
Радиоаппаратура | 70 - 100 | 0,3 – 0,5 |
Приборы освещения | 20 - 100 | 0,1 – 0,4 |
На рисунке представлена схема устройства электроснабжения квартиры при однофазном подключении к сети напряжением 220 В .
Как видно из рисунка, различные потребители электроэнергии подключены через соответствующие автоматы к электросчётчику и далее общему автомату, который должен быть рассчитан на нагрузку приборов, которыми будет оборудована квартира. Провод, который подводит питание также должен удовлетворять нагрузке энергопотребителей.
Ниже приводится таблица для скрытой проводки при однофазной схеме подключения квартиры для подбора провода при напряжении 220 В
Сечение жилы провода, мм 2 | Диаметр жилы проводника, мм | Медные жилы | Алюминиевые жилы | ||
Ток, А | Мощность, Вт | Ток, А | Мощность, кВт | ||
0,50 | 0,80 | 6 | 1300 | ||
0,75 | 0,98 | 10 | 2200 | ||
1,00 | 1,13 | 14 | 3100 | ||
1,50 | 1,38 | 15 | 3300 | 10 | 2200 |
2,00 | 1,60 | 19 | 4200 | 14 | 3100 |
2,50 | 1,78 | 21 | 4600 | 16 | 3500 |
4,00 | 2,26 | 27 | 5900 | 21 | 4600 |
6,00 | 2,76 | 34 | 7500 | 26 | 5700 |
10,00 | 3,57 | 50 | 11000 | 38 | 8400 |
16,00 | 4,51 | 80 | 17600 | 55 | 12100 |
25,00 | 5,64 | 100 | 22000 | 65 | 14300 |
Как видно из таблицы сечение жил зависит кроме нагрузки и от материала, из которого изготовлен провод.
Трёхфазная сеть напряжением 380 В
При трёхфазном электроснабжении сила тока I (в амперах, А) вычисляется по формуле:
I = P /1,73 U
,
где P -потребляемая мощность, Вт;
U - напряжение в сети, В,
так как напряжение при трёхфазной схеме электроснабжения 380 В, формула примет вид:
I = P /657, 4 .
В случае подведения к дому трёхфазного электроснабжения напряжением 380 В схема подключения будет выглядеть следующим образом.
Сечение жил в питающем кабеле при различной нагрузке при трёхфазной схеме напряжением 380 В для скрытой проводки представлена в таблице.
Сечение жилы провода, мм 2 | Диаметр жилы проводника, мм | Медные жилы | Алюминиевые жилы | ||
Ток, А | Мощность, Вт | Ток, А | Мощность, кВт | ||
0,50 | 0,80 | 6 | 2250 | ||
0,75 | 0,98 | 10 | 3800 | ||
1,00 | 1,13 | 14 | 5300 | ||
1,50 | 1,38 | 15 | 5700 | 10 | 3800 |
2,00 | 1,60 | 19 | 7200 | 14 | 5300 |
2,50 | 1,78 | 21 | 7900 | 16 | 6000 |
4,00 | 2,26 | 27 | 10000 | 21 | 7900 |
6,00 | 2,76 | 34 | 12000 | 26 | 9800 |
10,00 | 3,57 | 50 | 19000 | 38 | 14000 |
16,00 | 4,51 | 80 | 30000 | 55 | 20000 |
25,00 | 5,64 | 100 | 38000 | 65 | 24000 |
Для расчёта тока в цепях питания нагрузки, характеризующейся большой реактивной полной мощностью, что характерно применению электроснабжения в промышленности:
- электрические двигатели;
- дроссели приборов освещения;
- сварочные трансформаторы,;
- индукционные печи.
При расчётах необходимо учитывать это явление. В мощных приборах и оборудовании доля реактивной нагрузки выше и поэтому для таких приборов в расчетах коэффициент мощности принимают равным 0,8.
Перед строительством дома важно грамотно запроектировать его несущие конструкции. Расчет нагрузки на фундамент позволит обеспечить надежность опор под здание. Его проводят перед подбором фундамента после определения характеристик грунта.
Самый главный документ при определении веса конструкций дома — СП «Нагрузки и воздействия». Именно он регламентирует, какие нагрузки приходятся на фундамент и как их определить. По этому документу можно разделить нагрузки на следующие типы:
- постоянные;
- временные.
Временные в свою очередь делятся на длительные и кратковременные. К постоянным относят те, которые не исчезают при эксплуатации дома (вес стен, перегородок, перекрытий, кровли, фундамента). Временные длительные — это масса мебели и оборудования, кратковременные — снег и ветер.
Постоянные нагрузки
- размеры элементов дома;
- материал, из которого они изготовлены;
- коэффициенты надежности по нагрузке.
Тип конструкции | Масса |
Стены | |
Из керамического и силикатного полнотелого кирпича толщиной 380 мм (1,5 кирпича) | 684 кг/м 2 |
То же толщиной 510 мм (2 кирпича) | 918 кг/м 2 |
То же толщиной 640 мм (2,5 кирпича) | 1152 кг/м 2 |
То же толщиной 770 мм (3 кирпича) | 1386 кг/м 2 |
Из керамического пустотелого кирпича толщиной 380 мм | 532 кг/м 2 |
То же 510 мм | 714 кг/м 2 |
То же 640 мм | 896 кг/м 2 |
То же 770 мм | 1078 кг/м 2 |
Из силикатного пустотелого кирпича толщиной 380 мм | 608 кг/м 2 |
То же 510 мм | 816 кг/м 2 |
То же 640 мм | 1024 кг/м 2 |
То же 770 мм | 1232 кг/м 2 |
Из бруса (сосна) толщиной 200 мм | 104 кг/м 2 |
То же толщиной 300 мм | 156 кг/м 2 |
Каркасные с утеплением толщиной 150 мм | 50 кг/м 2 |
Перегородки и внутренние стены | |
Из керамического и силикатного кирпича (полнотелого) толщиной 120 мм | 216 кг/м 2 |
То же толщиной 250 мм | 450 кг/м 2 |
Из керамического кирпича пустотелого толщиной 120 мм (250 мм) | 168 (350) кг/м 2 |
Из силикатного кирпича пустотелого толщиной 120 мм (250 мм) | 192 (400) кг/м 2 |
Из гипсокартона 80 мм без утеплителя | 28 кг/м 2 |
Из гипсокартона 80 мм с утеплителем | 34 кг/м 2 |
Перекрытия | |
Железобетонные сплошные толщиной 220 мм с цементно-песчаной стяжкой 30 мм | 625 кг/м 2 |
Железобетонные из пустотных плит 220 мм со стяжкой 30 мм | 430 кг/м 2 |
Деревянное по балкам высотой 200 мм с условием укладки утеплителя плотностью не более 100 кг/м 3 (при меньших значениях обеспечивается запас по прочности, поскольку самостоятельные расчеты не имеют высокой точности) с укладкой в качестве напольного покрытия паркета, ламината, линолеума или ковролина | 160 кг/м 2 |
Кровля | |
С покрытием из керамической черепицы | 120 кг/м 2 |
Из битумной черепицы | 70 кг/м 2 |
Из металлической черепицы | 60 кг/м 2 |
- глубина промерзания почвы;
- уровень расположения грунтовых вод;
- наличие подвала.
При залегании на участке крупнообломочных и песчаных грунтов (средний, крупный) можно не углублять подошву дома на величину промерзания. Для глин, суглинков, супесей и других неустойчивых оснований, необходима закладка на глубину промерзания грунта в зимний период. Определить ее можно по формуле в СП «Основания и фундаменты» или по картам в СНиП «Строительная климатология» (этот документ сейчас отменен, но в частном строительстве может быть использован в ознакомительных целях).
При определении залегания подошвы фундамента дома важно контролировать, чтобы она располагалась на расстоянии не менее 50 см от уровня грунтовых вод. Если в здании предусмотрен подвал, то отметка основания принимается на 30-50 см ниже отметки пола помещения.
Определившись с глубиной промерзания, потребуется подобрать ширину фундамента. Для ленточного и столбчатого ее принимают в зависимости от толщины стены здания и нагрузки. Для плитного назначают так, чтобы опорная часть выходила за пределы наружных стен на 10 см. Для свай сечение назначается расчетом, а ростверк подбирается в зависимости от нагрузки и толщины стен. Можно воспользоваться рекомендациями по определению из таблицы ниже.
Тип фундамента | Способ определения массы |
Ленточный железобетонный | Умножают ширину ленты на ее высоту и протяженность. Полученный объем нужно перемножить на плотность железобетона — 2500 кг/м 3 . Рекомендуем: . |
Плитный железобетонный | Умножают ширину и длину здания (к каждому размеру прибавляют по 20 см на выступы на границы наружных стен), далее выполняют умножение на толщину и плотность железобетона. Рекомендуем: . |
Столбчатый железобетонный | Площадь сечения умножают на высоту и плотность железобетона. Полученное значение нужно помножить на количество опор. При этом вычисляют массу ростверка. Если у элементов фундамента имеется уширение, его также необходимо учесть в расчетах объема. Рекомендуем: . |
Свайный буронабивной | То же, что и в предыдущем пункте, но нужно учесть массу ростверка. Если ростверк изготавливается из железобетона, то его объем перемножают на 2500 кг/м 3 , если из древесины (сосны), то на 520 кг/м 3 . При изготовлении ростверка из металлопроката потребуется ознакомиться с сортаментом или паспортом на изделия, в которых указывается масса одного погонного метра. Рекомендуем: . |
Свайный винтовой | Для каждой сваи изготовитель указывает массу. Нужно умножить на количество элементов и прибавить массу ростверка (см. предыдущий пункт). Рекомендуем: . |
На этом расчет нагрузки на фундамент не заканчивается. Для каждой конструкции в массе нужно учесть коэффициент надежности по нагрузке. Его значение для различных материалов приведено в СП «Нагрузки и воздействия». Для металла он будет равен 1,05, для дерева — 1,1, для железобетона и армокаменных конструкций заводского производства — 1,2, для железобетона, который изготавливается непосредственно на стройплощадке — 1,3.
Временные нагрузки
Проще всего здесь разобраться с полезной. Для жилых зданий она равняется 150 кг/м2 (определяется исходя из площади перекрытия). Коэффициент надежности в этом случае будет равен 1,2.
Снеговая зависит от района строительства. Чтобы определить снеговой район потребуется СП «Строительная климатология». Далее по номеру района находят величину нагрузки в СП «Нагрузки и воздействия». Коэффициент надежности равен 1,4. Если уклон кровли более 60 градусов, то снеговую нагрузку не учитывают.
Определение значения для расчета
При расчете фундамента дома потребуется не общая его масса, а та нагрузка, которая приходится на определенный участок. Действия здесь зависят от типа опорной конструкции здания.
Тип фундамента | Действия при расчете |
Ленточный | Для расчета ленточного фундамента по несущей способности нужна нагрузка на погонный метр, исходя из нее рассчитывается площадь подошвы для нормальной передачи массы дома на основание, исходя из несущей способности грунта (точное значение несущей способности грунта можно узнать только с помощью геологических изысканий). Полученную в сборе нагрузок массу нужно разделить на длину ленты. При этом учитываются и фундаменты под внутренние несущие стены. Это самый простой способ. Для более подробного вычисления потребуется воспользоваться методом грузовых площадей. Для этого определяют площадь, с которой передается нагрузка на определенный участок. Это трудоемкий вариант, поэтому при строительстве частного дома можно воспользоваться первым, более простым, способом. |
Плитный | Потребуется найти массу, приходящуюся на каждый квадратный метр плиты. Найденную нагрузку делят на площадь фундамента. |
Столбчатый и свайный | Обычно в частном домостроении заранее задают сечение свай и потом подбирают их количество. Чтобы рассчитать расстояние между опорами с учетом выбранного сечения и несущей способности грунта, нужно найти нагрузку, как в случае с ленточным фундаментом. Делят массу дома на длину несущих стен, под которые будут установлены сваи. Если шаг фундаментов получится слишком большим или маленьким, то сечение опор меняют и выполняют расчет заново. |
Пример выполнения вычислений
Удобнее всего сбор нагрузок на фундамент дома делать в табличной форме. Пример рассмотрен для следующих исходных данных:
- дом двухэтажный, высота этажа 3 м с размерами в плане 6 на 6 метров;
- фундамент ленточный железобетонный монолитный шириной 600 мм и высотой 2000 мм;
- стены из кирпича полнотелого толщиной 510 мм;
- перекрытия монолитные железобетонные толщиной 220 мм с цементно-песчаной стяжкой толщиной 30 мм;
- кровля вальмовая (4 ската, значит, наружные стены по всем сторонам дома будут одинаковой высоты) с покрытием из металлической черепицы с уклоном 45 градусов;
- одна внутренняя стена посередине дома из кирпича толщиной 250 мм;
- общая длина гипсокартонных перегородок без утепления толщиной 80 мм 10 метров.
- снеговой район строительства ll, нагрузка 120 кг/м2 кровли.
Определение нагрузки | Коэффициент надежности | Расчетное значение, тонн |
Фундамент
0,6 м * 2 м * (6 м * 4 + 6 м) = 36 м 3 — объем фундамента 36 м 3 *2500 кг/м 3 = 90000 кг = 90 тонн |
1,3 | 117 |
Наружные стены
6 м * 4 шт = 24 м — протяженность стен 24 м * 3 м = 72 м 2 -площадь в пределах одного этажа (72 м 2 * 2) *918 кг/м 2 — 132192 кг = 133 тонны — масса стен двух этажей |
1,2 | 159,6 |
Внутренние стены
6 м * 2 шт * 3 м = 36 м 2 площадь стен на протяжении двух этажей 36 м 2 * 450 кг/м 2 = 16200 кг = 16,2 тонн — масса |
1,2 | 19,4 |
Перекрытия
6 м * 6 м = 36 м 2 — площадь перекрытий 36 м 2 *625 кг/м 2 = 22500 кг = 22, 5 тонн — масса одного перекрытия 22,5 т * 3 = 67,5 тонн — масса подвального, междуэтажного и чердачного перекрытий |
1,2 | 81 |
Перегородки
10 м * 2,7 м (здесь берется не высота этажа, а высота помещения) = 27 м 2 — площадь 27 м 2 * 28 кг/м 2 = 756 кг = 0,76 т |
1,2 | 0,9 |
Кровля
(6 м * 6 м)/cos 45ᵒ (угла наклона кровли) = (6 * 6)/0,7 = 51,5 м 2 — площадь кровли 51,5 м 2 * 60 кг/м 2 = 3090 кг — 3,1 тонн — масса |
1,2 | 3,7 |
Полезная нагрузка
36м 2 * 150 кг/м 2 * 3 = 16200 кг = 16,2 тонн (площадь перекрытий и их количество взяты из предыдущих расчетов) |
1,2 | 19,4 |
Снеговая
51,5 м 2 * 120 кг/м 2 = 6180 кг = 6,18 тонн (площадь кровля взята из предыдущих расчетов) |
1,4 | 8,7 |
Чтобы понять пример, эту таблицу нужно смотреть совместно с той, в которой приведены массы конструкций.
Далее необходимо сложить все полученные значения. Итого нагрузка для данного примера на фундамент с учетом собственного веса составляет 409,7 тонн. Чтобы найти нагрузку на один погонный метр ленты, необходимо разделить полученное значение на протяженность фундамента (посчитано в первой строке таблицы в скобках): 409,7 тонн /30 м = 13,66 т/м.п. Это значение берут для расчета.
При нахождении массы дома важно выполнять действия внимательно. Лучше всего уделить этому этапу проектирования достаточное количество времени. Если совершить ошибку в этой части расчетов, потом возможно придется переделывать весь расчет по несущей способности, а это дополнительные затраты времени и сил. По завершении сбора нагрузок рекомендуется перепроверить его, для исключения опечаток и неточностей.
Расчет нагрузки на фундамент необходим для правильного выбора его геометрических размеров и площади подошвы фундамента. В конечном итоге, от правильного расчета фундамента зависит прочность и долговечность всего здания. Расчет сводится к определению нагрузки на квадратный метр грунта и сравнению его с допустимыми значениями.
Для расчета необходимо знать:
- Регион, в котором строится здание;
- Тип почвы и глубину залегания грунтовых вод;
- Материал, из которого будут выполнены конструктивные элементы здания;
- Планировку здания, этажность, тип кровли.
Исходя из требуемых данных, расчет фундамента или его окончательная проверка производится после проектирования строения.
Попробуем рассчитать нагрузку на фундамент для одноэтажного дома, выполненного из полнотелого кирпича сплошной кладки, с толщиной стен 40 см. Габариты дома – 10х8 метров. Перекрытие подвального помещения – железобетонные плиты, перекрытие 1 этажа – деревянное по стальным балкам. Крыша двускатная, покрытая металлочерепицей, с уклоном 25 градусов. Регион – Подмосковье, тип грунта – влажные суглинки с коэффициентом пористости 0,5. Фундамент выполняется из мелкозернистого бетона, толщина стенки фундамента для расчета равна толщине стены.
Определение глубины заложения фундамента
Глубина заложения зависит от глубины промерзания и типа грунта. В таблице приведены справочные величины глубины промерзания грунта в различных регионах.
Таблица 1 – Справочные данные о глубине промерзания грунта
Справочная таблица для определения глубины заложения фундамента по регионам
Глубина заложения фундамента в общем случае должна быть больше глубины промерзания, но есть исключения, обусловленные типом грунта, они указаны в таблице 2.
Таблица 2 – Зависимость глубины заложения фундамента от типа грунта
Глубина заложения фундамента необходима для последующего расчета нагрузки на почву и определения его размеров.
Определяем глубину промерзания грунта по таблице 1. Для Москвы она составляет 140 см. По таблице 2 находим тип почвы – суглинки. Глубина заложения должна быть не менее расчетной глубины промерзания. Исходя из этого глубина заложения фундамента для дома выбирается 1,4 метра.
Расчет нагрузки кровли
Нагрузка кровли распределяется между теми сторонами фундамента, на которые через стены опирается стропильная система. Для обычной двускатной крыши это обычно две противоположные стороны фундамента, для четырехскатной – все четыре стороны. Распределенная нагрузка кровли определяется по площади проекции крыши, отнесенной к площади нагруженных сторон фундамента, и умноженной на удельный вес материала.
Таблица 3 – Удельный вес разных видов кровли
Справочная таблица — Удельный вес разных видов кровли
- Определяем площадь проекции кровли. Габариты дома – 10х8 метров, площадь проекции двускатной крыши равна площади дома: 10·8=80 м 2 .
- Длина фундамента равна сумме двух длинных его сторон, так как двускатная крыша опирается на две длинные противоположные стороны. Поэтому длину нагруженного фундамента определяем как 10·2=20 м.
- Площадь нагруженного кровлей фундамента толщиной 0,4 м: 20·0,4=8 м 2 .
- Тип покрытия – металлочерепица, угол уклона – 25 градусов, значит расчетная нагрузка по таблице 3 равна 30 кг/м 2 .
- Нагрузка кровли на фундамент равна 80/8·30 = 300 кг/м 2 .
Расчет снеговой нагрузки
Снеговая нагрузка передается на фундамент через кровлю и стены, поэтому нагружены оказываются те же стороны фундамента, что и при расчете крыши. Вычисляется площадь снежного покрова, равная площади крыши. Полученное значение делят на площадь нагруженных сторон фундамента и умножают на удельную снеговую нагрузку, определенную по карте.
Таблица — расчет снеговой нагрузки на фундамент
- Длина ската для крыши с уклоном в 25 градусов равна (8/2)/cos25° = 4,4 м.
- Площадь крыши равна длине конька умноженной на длину ската (4,4·10)·2=88 м 2 .
- Снеговая нагрузка для Подмосковья по карте равна 126 кг/м 2 . Умножаем ее на площадь крыши и делим на площадь нагруженной части фундамента 88·126/8=1386 кг/м 2 .
Расчет нагрузки перекрытий
Перекрытия, как и крыша, опираются обычно на две противоположные стороны фундамента, поэтому расчет ведется с учетом площади этих сторон. Площадь перекрытий равна площади здания. Для расчета нагрузки перекрытий нужно учитывать количество этажей и перекрытие подвала, то есть пол первого этажа.
Площадь каждого перекрытия умножают на удельный вес материала из таблицы 4 и делят на площадь нагруженной части фундамента.
Таблица 4 – Удельный вес перекрытий
- Площадь перекрытий равна площади дома – 80 м 2 . В доме два перекрытия: одно из железобетона и одно – деревянное по стальным балкам.
- Умножаем площадь железобетонного перекрытия на удельный вес из таблицы 4: 80·500=40000 кг.
- Умножаем площадь деревянного перекрытия на удельный вес из таблицы 4: 80·200=16000 кг.
- Суммируем их и находим нагрузку на 1 м 2 нагружаемой части фундамента: (40000+16000)/8=7000 кг/м 2 .
Расчет нагрузки стен
Нагрузка стен определяется как объем стен, умноженный на удельный вес из таблицы 5, полученный результат делят на длину всех сторон фундамента, умноженную на его толщину.
Таблица 5 – Удельный вес материалов стен
Таблица — Удельный вес стен
- Площадь стен равна высоте здания, умноженной на периметр дома: 3·(10·2+8·2)=108 м 2 .
- Объем стен – это площадь, умноженная на толщину, он равен 108·0,4=43,2 м 3 .
- Находим вес стен, умножив объем на удельный вес материала из таблицы 5: 43,2·1800=77760 кг.
- Площадь всех сторон фундамента равна периметру, умноженному на толщину: (10·2+8·2)·0,4=14,4 м 2 .
- Удельная нагрузка стен на фундамент равна 77760/14,4=5400 кг.
Предварительный расчет нагрузки фундамента на грунт
Нагрузку фундамента на грунт расчитывают как произведение объема фундамента на удельную плотность материала, из которого он выполнен, разделенное на 1 м 2 площади его основания. Объем можно найти как произведение глубины заложения на толщину фундамента. Толщину фундамента принимают при предварительном расчете равной толщине стен.
Таблица 6 – Удельная плотность материалов фундамента
Таблица — удельная плотность материало для грунта
- Площадь фундамента – 14,4 м 2 , глубина заложения – 1,4 м. Объем фундамента равен 14,4·1,4=20,2 м 3 .
- Масса фундамента из мелкозернистого бетона равна: 20,2·1800=36360 кг.
- Нагрузка на грунт: 36360/14,4=2525 кг/м 2 .
Расчет общей нагрузки на 1 м 2 грунта
Результаты предыдущих расчетов суммируются, при этом вычисляется максимальная нагрузка на фундамент, которая будет больше для тех его сторон, на которые опирается крыша.
Условное расчетное сопротивление грунта R 0 определяют по таблицам СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений».
- Суммируем вес крыши, снеговую нагрузку, вес перекрытий и стен, а также фундамента на грунт: 300+1386+7000+5400+2525=16 611 кг/м 2 =17 т/м 2 .
- Определяем условное расчетное сопротивление грунта по таблицам СНиП 2.02.01-83. Для влажных суглинков с коэффициентом пористости 0,5 R 0 составляет 2,5 кг/см 2 , или 25 т/м 2 .
Из расчета видно, что нагрузка на грунт находится в пределах допустимой.
Проектирование электроустановок квартир и коттеджей (Schneider Electric)
2.1. Расчет электрических нагрузок
На начальной стадии проектирования, когда практически неизвестны точные данные электроприемников, но необходимо получить технические условия на присоединение электрической мощности, возникает вопрос, как рассчитать величину установленной мощности потребителей и на этой основе определить расчетную нагрузку на вводе в квартиру или коттедж. При этом, под понятием расчетная электрическая нагрузка Рр потребителя или элемента сети подразумевается мощность, равная ожидаемой максимальной нагрузке за 30 мин.
В Нормативах по определению расчетных электрических нагрузок зданий (квартир), коттеджей, микрорайонов (кварталов) застройки и элементов городской распределительной сети (изменения и дополнения к Инструкции по проектированию городских электрических сетей - РД 34.20.185-94) приведены удельные расчетные нагрузки.
Указанные Нормативы составлены на основании анализа режимов электропотребления перспективного набора электробытовых приборов и машин в квартире (коттедже). Учитывались данные по установленной мощности приборов и машин, определялся суточный расход электроэнергии, возможное время работы каждого прибора и машины.
В удельных расчетных нагрузках за основу принято, что расчетная нагрузка отдельной квартиры (коттеджа) или небольшого числа квартир (коттеджей) определяется приборами эпизодического пользования, но значительной установленной мощности. К таким приборами относятся, например, стиральные машины с подогревом воды, джакузи, посудомоечные машины с подогревом воды, электрические чайники, электрические сауны и др. Для этих приборов определялись коэффициенты спроса с последующим суммированием их расчетных нагрузок с нагрузками всех прочих приборов малой мощности, которые определялись с использованием усредненного значения коэффициента спроса.
Разработчиками Нормативов в качестве базовых исходных данных принято:
1. Средняя площадь квартиры (общая), м2:
в типовых зданий массовой застройки 70
в зданиях с квартирами повышенной комфортности
(элитные) по индивидуальным проектам 150
2. Площадь (общая) коттеджа, м2 50 - 600
3. Средняя семья, чел 3,1
4. Установленная мощность, кВт:
квартир с газовыми плитами 21,4
квартир с электрическими плитами в типовых зданиях 32,6
квартир с электрическими плитами в элитных зданиях 39,6
коттеджей с газовыми плитами 35,7
коттеджей с газовыми плитами и электрическими саунами 48,7
коттеджей с электрическими плитами 47,9
коттеджей с электрическими плитами и электрическими саунами 59,9
В табл. 2.1 приведена удельная расчетная нагрузка электроприемников квартир жилых зданий, а в табл. 2.2 - коттеджей.
Во «Временной инструкции по расчету электрических нагрузок жилых зданий» РМ2696-01 расчетную нагрузку на вводе в квартиру для домов I категории рекомендуется определять по формуле:
где Рз - заявленная мощность электроприемников, определяемая суммированием номинальных мощностей электробытовых и осветительных приборов, а также розеточной сети;
Таблица 2.1 Удельная расчетная электрическая нагрузка электроприемников квартир жилых зданий
Потребители электроэнергии | Удельная расчетная электрическая нагрузка, кВт/квартира, при числе квартир |
|||||||||||||
Квартиры с плитами: | ||||||||||||||
На природном газе: | ||||||||||||||
На сжиженном газе (в том числе при групповых установках) и на твердом топливе: | ||||||||||||||
Электрическими мощностью до 8,5 кВт | ||||||||||||||
Квартиры повышенной комфортности с электрическими плитами мощностью до 10,5 кВт |
Таблица 2.2 Удельная расчетная электрическая нагрузка электроприемников коттеджей
Потребители электроэнергии | Удельная расчетная электрическая нагрузка, кВт/коттедж, при числе коттеджей |
|||||||||
Коттедж с плитами на природном газе | ||||||||||
Коттеджи с плитами на природном газе и электрической сауной мощностью до 12 кВт | ||||||||||
Коттеджи с электрическими плитами мощностью до 10,5 кВт | ||||||||||
Коттеджи с электрическими плитами мощностью до 10,5 кВт и электрической сауной мощностью до 12 кВт |
Кс - коэффициент спроса, зависящий от величины заявленной мощности в квартире.
В соответствии с "Временной инструкцией...” на предпроектных стадиях рекомендуется определять расчетные нагрузки по ориентировочным удельным нагрузкам в соответствии с табл. 2.3 в зависимости от различных уровней электрификации быта, а на стадии рабочего проектирования нагрузки уточняются по приведенной выше формуле.
В табл. 2.3 при определении удельных нагрузок приняты следующие мощности электроприемников, кВт: освещение 2,8, розеточная сеть 2,8, электроплиты 9-10,5, стиральная машина 2,2, посудомоечная машина 2,2, джакузи с подогревом 2,5, душевая кабина с подогревом 3, водонагреватель аккумуляционный 2, водонагреватель проточный 8-18, кондиционеры 3, бытовые электроприборы 4, теплые полы 1.
Таблица 2.3 Ориентировочные удельные нагрузки для домов I категории
Характеристика квартир | Удельная нагрузка, кВт/квартира при числе квартир |
|||||||||||||
1 Дома с электроплитами до 9 кВт без саун, проточных водонагревателей и кондиционеров | 600 и более |
|||||||||||||
2 Дома с электроплитами до 10,5 кВт: | ||||||||||||||
2.1 Без саун и проточных водонагревателей | ||||||||||||||
водонагревателями мощностью до 12 кВт | ||||||||||||||
2.2 Без саун, но с проточными | ||||||||||||||
2.3 Без саун, но с проточными водонагревателями мощностью до 18 кВт | ||||||||||||||
2.4 С саунами мощностью до 12 кВт, без проточных водонагревателей | ||||||||||||||
2.5 С саунами мощностью до 6 кВт и проточными водонагревателями мощностью до 8 кВт | ||||||||||||||
2.6 С саунами мощностью до 12 кВт и проточными водонагревателями мощностью до 12 кВт |
Необходимо пояснить, что главной целью разработчиков указанных Нормативов и Инструкции было определение усредненных расчетных нагрузок, приведенных к вводу в жилые здания или коттеджные поселки исходя из принятых за базу исходных данных.
В СП31-110-2003 расчетную нагрузку для квартир с повышенной комфортностью рекомендуется определять в соответствии с заданием на проектирование или в соответствии с заявленной мощностью и коэффициентами спроса и одновременности.
Коэффициенты спроса для квартиры повышенной комфортности:
Заявленная мощность, кВт До 14 20 30 40 50 60 70 и более
Коэффициент спроса 0,8 0,65 0,6 0,55 0,5 0,48 0,45
Коэффициенты одновременности Ко для квартиры повышенной комфортно сти:
Число квартир 1-5 6 9 12 15 18
Коэффициент одновременности. . . 1 0,51 0,38 0,32 0,29 0,26
Число квартир 24 40 60 100 200 400 600 и более
Коэффициент одновременности. . . . 0,24 0,2 0,18 0,16 0,14 0,13 0,11
Расчетная нагрузка питающих линий, вводов и на шинах РУ-0,4 кВ ТП от электроприемников квартир повышенной комфортности Рр.кв кВт определяется по формуле:
где Ркв - нагрузка электроприемников квартир повышенной комфортности; n - число квартир; Ко - коэффициент одновременности для квартир повышенной комфортности.
В СП31-106-2002 для одноквартирных жилых домов расчетную нагрузку в случаях, если нет ограничений, также рекомендуется определять по заданию заказчика. Однако при ограничении возможностей энергоснабжения расчетную нагрузку электроприемников следует принимать не менее:
5,5 кВт - для домов без электрических плит;
8,8 кВт - для домов с электрическими плитами.
Если же общая площадь дома превышает 60 м2, расчетная нагрузка должна быть увеличена на 1% на каждый дополнительный 1 м2.
В реальных случаях площади квартир повышенной комфортности и коттеджей существенно отличаются от базовых и не имеют верхнего ограничения уровня электрификации быта.
Каждая отдельно взятая квартира или коттедж с приусадебными постройками представляет собой свой микромир, заполняемый не усредненными, а фактическими потребителями электроэнергии, номинальная мощность которых может существенно отличаться от принятых в нормативных материалах.
В удельных расчетных нагрузках принципиально не могло учитываться использование заказчиком различных, все более совершенных потребителей с длительным режимом работы (более 30 мин), постоянно появляющихся на рынке комфортности жилья и быта людей.
В табл. 2.4, составленной по данным нормативных документов, результатам анализа большого количества проектов, паспортным данным бытовых электроприборов, приведены рекомендуемые величины мощностей отдельных электроприемников и расчетные коэффициенты.
Определение расчетной величины Рр.р нагрузки групповых и питающих линий от электроприемников, подключаемых к розеткам, предполагается выполнять по рекомендации, приведенной в СП31-110-2003 для общежитий, по формуле:
где Руд - удельная мощность на одну розетку, при числе розеток до 100 принимаемая 0,1, свыше 100 - 0,06 кВт;
nр - число розеток;
Ко.р - коэффициент одновременности для сети розеток, определяемый в зависимости от числа
До 10 розеток. . . .1,0
Свыше 10 до 20 розеток. . . .0,9
Свыше 20 до 50 розеток. . . .0,8
Свыше 50 до 100 розеток. . . .0,7
Свыше 100 до 200 розеток. . .0,6
Свыше 200 до 400 розеток. . .0,5
Свыше 400 до 600 розеток. . .0,4
Свыше 650 розеток. . . .0,35
Основными расчетными коэффициентами являются: коэффициент спроса Кс, коэффициент использования Ки и коэффициент мощности cosф.
Под коэффициентом спроса по нагрузке понимается отношение расчетной электрической нагрузки к номинальной (установленной) мощности электроприемников:
где Рр - расчетная электрическая нагрузка, кВт (30-мин максимум); Ру - установленная мощность электроприемников, кВт.
Наименование электроприемников | Номинальная или установленная активная мощность | Расчетные коэффициенты | Примечание |
||
Спроса Кс | использования Ки |
||||
Электрическое освещение гостиных | Светильники с лампами накаливания |
||||
Электрическое освещение жилых комнат (спален) | |||||
Электрическое освещение кабинетов, библиотек, игровых и т.п. | |||||
Электрическое освещение кухонь | |||||
Электрическое освещение холлов, коридоров и т.п. | |||||
Бытовая розеточная сеть (телерадиоаппаратура, холодильники, пылесосы, утюги, торшеры, бра, настольные лампы и пр.) | 100 Вт/розетка | 1 розетка на 6 м2 общей площади Ки=0,7 - при числе розеток более 50; Ки=0,8 - при числе розеток от 20 до 50; Ки=0,9 - при числе розеток от 10 до 20; Ки=1 - при числе розеток до 10 |
|||
Электроплита | 10,5 кВт/ппита | ||||
Стиральная машина | |||||
Посудомоечная машина | |||||
Джакузи с подогревом | |||||
Душевая кабина с подогревом | |||||
Водонагреватели аккумуляционные | |||||
Водонагреватели проточные | |||||
Кондиционеры | |||||
Электрокамины | |||||
Кухонные комбайны, кофеварки, электрочайники и т.п. (суммарно) | 4-5 кВт/квартира | ||||
Теплый пол в жилой комнате, кухне, прихожей | |||||
Теплый пол в ванной, сауне, детской | |||||
Электрические отопительные котлы | |||||
Приборы электроотопления | |||||
Т епловентиляторы | |||||
Электрокалориферы | |||||
Газонокосилки | |||||
Погружные насосы | |||||
Персональные компьютеры |
Под коэффициентом использования активной мощности одного или группы электроприемников понимается отношение фактически потребляемой мощности Р к номинальной мощности Рн:
Таблица 2.5 Исходные данные к примеру
Помещения | Площадь, м2 | Устанавливаемые электробытовые приборы | Номинальная (установленная) мощность, кВт | Примечание |
Электрическая плита | Табл. 2.4 п. 7 |
|||
Посудомоечная машина | Табл. 2.4 п. 9 |
|||
Холодильник | По паспортным данным |
|||
Кухонный комбайн | Табл. 2.4 п. 17 |
|||
Электрическое освещение | Табл. 2.4 п. 4 |
|||
1 розетка на ток 16 А, 4 розетки на ток 6 А | Табл. 2.4 п. 6 |
|||
Холл и коридоры | Электрическое освещение | Табл. 2.4 п. 5 |
||
6 розеток на ток 6 А | Табл. 2.4 п. 6 |
|||
Табл. 2.4 п. 11 |
||||
Душ с электроподогревом | Табл. 2.4 п. 12 |
|||
Теплый пол (4 м2) | Табл. 2.4 п. 19 |
|||
Вентилятор | По паспортным данным |
|||
Электрическое освещение | Табл. 2.4 п. 5 |
|||
4 розетки на ток 6 А | Табл. 2.4 п. 6 |
|||
Душ с электроподогревом | Табл. 2.4 п. 12 |
|||
Теплый пол (4 м2) | Табл. 2.4 п. 19 |
|||
Вентилятор | По паспортным данным |
|||
Стиральная машина | Табл. 2.4 п. 8 |
|||
Электрическое освещение | Табл. 2.4 п. 5 |
|||
2 розетки на ток 6 А | Табл. 2.4 п. 6 |
|||
Гостиная | Электрокамин | Табл. 2.4 п. 16 |
||
Кондиционер | Табл. 2.4 п. 15 |
|||
Домашний кинотеатр | По паспортным данным |
|||
Электрическое освещение | Табл. 2.4 п. 1 |
|||
10 розеток на ток 6 А | Табл. 2.4 п. 6 |
|||
Спальня 1 | Теплый пол (12 м2) | Табл. 2.4 п. 18 |
||
Кондиционер | Табл. 2.4 п. 15 |
|||
Электрическое освещение | Табл. 2.4 п. 2 |
|||
4 розетки на ток 6 А | Табл. 2.4 п. 6 |
|||
Спальня 2 | Теплый пол (10 м2) | Табл. 2.4 п. 18 |
||
Кондиционер | Табл. 2.4 п. 15 |
|||
Электрическое освещение | Табл. 2.4 п. 2 |
|||
4 розетки на ток 6 А | Табл. 2.4 п. 6 |
|||
Детская комната | Теплый пол (20 м2) | Табл. 2.4 п. 18 |
||
Кондиционер | Табл. 2.4 п. 15 |
|||
Персональный компьютер | Табл. 2.4 п. 26 |
|||
Электрическое освещение | Табл. 2.4 п. 3 |
|||
4 розетки на ток 6 А | Табл. 2.4 п. 6 |
|||
Кондиционер | Табл. 2.4 п. 15 |
|||
Персональный компьютер | Табл. 2.4 п. 26 |
|||
Электрическое освещение | Табл. 2.4 п. 3 |
|||
4 розетки на ток 6 А | Табл. 2.4 п. 6 |
|||
В практических случаях, для ряда потребителей, таких как электроприемники розеточной сети и электрическое освещение коэффициент использования совпадает с коэффициентом одновременности Ко для этой группы потребителей.
Исходные данные:
Квартира общей площадью 200 м2 в многоквартирном доме. В квартире 5 комнат, кухня,
2 ванные комнаты, холл и коридоры. В табл. 2.5 приведены исходные данные по установленному бытовому электрооборудованию. Все потребители, за исключением электроплиты - однофазные.
Расчет нагрузок.
На основании данных табл. 2.5 составляем расчетную таблицу табл. 2.6, в которую включены расчетные коэффициенты спроса и использования, принятые по табл. 2.4.
Коэффициенты мощности приняты по данным, приведенным в §1.3.
В табл. 2.6 установленные мощности однотипных электроприемников (например, электрическое освещение, бытовая розеточная сеть, вентиляторы, теплые полы) просуммированы..
Таблица 2.6 Расчетная таблица к примеру №1
Наименование групп электропотребителей или отдельных электроприемников | Установленная (номинальная) мощность, кВт | Расчетные коэффициенты | Расчетная мощность | Примечание |
|||
спросаКс | использования Ки | мощности cosф/tgф | активная | полная |
|||
Электрическое освещение | Приняты везде лампы накаливания |
||||||
Бытовая розеточная сеть | |||||||
Электрическая плита | |||||||
Посудомоечная машина | |||||||
Холодильник | |||||||
Кухонный комбайн | |||||||
Кондиционеры | |||||||
Стиральная машина | |||||||
Теплые полы | |||||||
Душ с электроподогревом | |||||||
Вентиляторы | |||||||
Электрокамин | |||||||
Домашний кинотеатр | |||||||
Персональные компьютеры | |||||||
Расчетную активную мощность (кВт) каждой группы электроприемников определяют по формуле
Полная мощность каждой группы электроприемников, кВ*А:
Учитывая, что все нагрузки, кроме электроплиты, однофазные, а питающая сеть трехфазная, пренебрегая неравномерностью загрузки фаз, на вводе в квартиру получим расчетный ток:
Выбираем для установки на вводе в квартиру автоматический выключатель трехфазный, четырехполюсный на номинальный ток 63 А.
В табл. 2.7 и 2.8 приведены рекомендуемые величины мощностей электропотребителей элитных квартир, коттеджей и отдельных построек на приусадебных участках. Рекомендуемые величины определены на основании анализа большого количества проектов, выполненных за последние годы.
В табл. 2.7 и 2.8 под установленной мощностью подразумевается суммарная мощность потребителей, длительность включения которых обычно превышает 1 час. Потребители эпизодического пользования учтены в суммарной мощности розеточной сети. В расчетной мощности учтены снижающие коэффициенты для отдельных потребителей и общий коэффициент 0,8, учитывающий одновременную работу всех потребителей.
Общая площадь элитной квартиры, м2 | Плита | Примечание |
||
установленная | расчетная |
|||
Кухня, гостиная, спальня, детская, санузел, холл |
||||
Электрическая | ||||
Кухня, гостиная, 2 спальни, детская, 2 санузла, холл |
||||
Электрическая | ||||
Кухня, гостиная, 2 спальни, 2 санузла, джакузи, детская, библиотека, холл |
||||
Электрическая | ||||
Кухня, гостиная, 2 спальни, 2 санузла, джакузи, детская, библиотека, зимний сад, холл |
||||
Электрическая |
Общая площадь коттеджа или отдельных построек на участке, м2 | Плита, обогрев | Примечание |
||
Установленная | Расчетная |
|||
Коттедж 150 | Электроотопление, водонагреватели, погружной насос, теплые полы |
|||
Электрическая | ||||
Коттедж 250 | Электрокотел, водонагреватели, погружной насос, теплые полы |
|||
Электрическая | ||||
Коттедж 300 | ||||
Электрическая | ||||
Коттедж 400 | ||||
Электрическая | ||||
Коттедж 500 | ||||
Электрическая | ||||
Коттедж 600 | ||||
Электрическая | ||||
Гостевой дом 100 | ||||
Электрическая | ||||
Дровяная | Электроотопление, водонагреватели, теплые полы |
|||
Электрическая | ||||
Гараж на два автомобиля 40 | ||||
Теплица с электроподогревом | ||||
Электрическое освещение территории и художественная подсветка | Площадь участка 0,2 га |
2.2. Расчет токов короткого замыкания
Расчеты токов короткого замыкания (КЗ) выполняются для:
Выбора и проверки электрооборудования по электродинамической и термической стойкости;
Определения уставок и обеспечения селективности срабатывания защиты на вводах в квартиру или коттедж.
Это в первую очередь относится к выбору автоматических выключателей.
Основными документами, регламентирующими порядок расчета токов короткого замыкания, являются:
ГОСТ 28249-93 "Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ;
Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования - РД 153-34.0-20.527-98 РАО ЕЭС России, (2002 г.).
Различные методики расчетов токов КЗ достаточно подробно отражены в технической литературе. В настоящей работе, на основании опубликованных материалов, приведены только те данные, которые необходимы для расчетов токов КЗ при выполнении проектов электроснабжения элитного жилища, и, в первую очередь, для электроснабжения усадьб и коттеджей.
При расчетах токов КЗ в электроустановках до 1 кВ необходимо учитывать активные и индуктивные сопротивления всех элементов короткозамкнутого контура, включая силовые трансформаторы, трансформаторы тока, реакторы, токовые катушки автоматических выключателей и проводники. Необходимо также учитывать:
Изменение активного сопротивления проводников в короткозамкнутой цепи вследствие их нагрева при коротком замыкании;
Сопротивление электрической дуги в месте короткого замыкания.
При составлении эквивалентных схем замещения параметры элементов исходной расчетной схемы следует приводить к ступени напряжения сети, на которой находится точка КЗ.
При расчетах токов КЗ допускается:
Максимально упрощать всю внешнюю сеть по отношению к месту КЗ, представив ее системой бесконечной мощности с нулевым сопротивлением;
Принимать коэффициенты трансформации трансформаторов равными отношению средних номинальных напряжений тех ступеней напряжения, которые связывают трансформаторы. Значения средних номинальных напряжений: 10,5; 6,3; 0,4; 0,23 кВ.
В электроустановках, получающих питание непосредственно от сети энергосистемы, принято считать, что понижающие трансформаторы подключены к источнику неизменного по амплитуде напряжения через эквивалентное индуктивное сопротивление системы. Значение этого сопротивления (хс), приведенное к ступени низшего напряжения сети, рассчитываются по формуле (мОм)
где Uср.н.н - среднее номинальное напряжение сети, подключенной к обмотке низшего напряжения трансформатора, В;
Uсрв.н - среднее номинальное напряжение сети, к которой подключена обмотка высшего напряжения трансформатора, В;
Iкв.н = In0.в.н - действующее значение периодической составляющей тока при трехфазном КЗ у выводов обмотки высшего напряжения трансформатора, кА;
Sк - условная мощность короткого замыкания у выводов обмотки высшего напряжения трансформатора, МВ^А.
При отсутствии указанных данных эквивалентное индуктивное сопротивление системы допускается рассчитывать по формуле (мОм):
где Iот.ном - номинальный ток отключения выключателя, установленного на стороне высшего напряжения понижающего трансформатора, кА.
В случаях, когда понижающий трансформатор подключен к сети энергосистемы через реактор, воздушную или кабельную линию (длиной более 1 км), необходимо учитывать не только индуктивные, но и активные сопротивления этих элементов.
Расчеты токов КЗ в электроустановках напряжением до 1 кВ рекомендуется производить в именованных единицах.
Активное и индуктивное сопротивления понижающего трансформатора (RT, XT) приведенное к ступени низшего напряжения сети, рассчитывается по формулам, мОм:
где Sт.ном - номинальная мощность трансформатора, кВ*А; Рк.з - потери короткого замыкания в трансформаторе, кВт; Uн.н.ном - номинальное напряжение обмотки низшего напряжения трансформатора, кВ; Uк - напряжение короткого замыкания трансформатора, %.
В табл. 2.9 приведены активные и индуктивные сопротивления трансформаторов, приведенные к напряжению 0,4 кВ.
Таблица 2.9 Сопротивление понижающих трансформаторов с вторичным напряжением 0,4 кВ
Номинальная мощность, | соединения | Напряжение короткого замыкания | Сопротивления, мОм |
||||||||
прямой последовательности | нулевой последовательности | току однофазного КЗ |
|||||||||
активное | индуктивное | активное | индуктивное | активное | индуктивное | ||||||
где R0ш и Х0ш - удельное активное и реактивное сопротивление шинопровода, Ом/м;
lш - длина шинопровода, м.
Сопротивления комплектных шинопроводов заводского изготовления типов ШРА и ШМА приведены в табл.2.10.
Таблица 2.10 Значения сопротивлений комплектных шинопроводов
шинопровода | Номинальный ток, А | Сопротивление фазы, мОм/м | Сопротивление нулевого проводника, мОм/м |
||
активное | индуктивное | активное | индуктивное |
||
При отсутствии данных сопротивление шинопровода от трансформатора к автоматическому выключателю можно принять ориентировочно: Rш = 0,5 мОм, Хш = 0,25 мОм.
Активное и индуктивное сопротивления воздушных линий (ВЛ):
Активное сопротивление (Ом)
где р - удельное сопротивление материала провода, для меди р = 0,0178 Ом*мм2/м, для алюминия р = 0,0294.
l - длина линии, м;
S - сечение провода, мм2.
Индуктивное сопротивление на фазу (мОм/м) определяется по формуле:
где а - расстояние между проводниками, мм;
dпp - диаметр проводника, мм.
Активное и индуктивное сопротивления кабелей с алюминиевыми и медными жилами приведены в табл. 2.11-2.14, воздушных линий - в табл. 2.15.
Индуктивное сопротивление петли фаза-нуль (мОм/м) при фазном и нулевом проводниках выполненных из круглых проводов одинакового сечения и проложенных параллельно, определяется по формуле:
Сопротивления петли фаза-нуль без учета заземляющих устройств приведены в табл. 2.16, полные сопротивления петли фаза-нуль воздушных линий и кабелей приведены в табл. 2.17.
Активные и индуктивные сопротивления аппаратов, устанавливаемых в сетях напряжением до 1 кВ приведены в табл. 2.18 и 2.19. Приведенные значения сопротивлений автоматических выключателей включают в себя сопротивления токовых катушек расцепителей и переходные сопротивления подвижных контактов.
Таблица 2.11 Активные и индуктивные сопротивления кабеля с алюминиевыми жилами в непроводящей оболочке
Сечение кабеля, | Сопротивление трех и четырехжильного кабеля в непроводящей оболочке, мОм/м |
|||
Прямая последовательность | Нулевая последовательность |
|||
Следует учитывать, что каждый автомат включается в цепь последовательно через два разъемных контакта. Для приближенного учета переходного сопротивления электрических контактов принимают: Rк = 0,1 мОм - для контактных соединений кабелей; Rк = 0,01 мОм - для шинопроводов; Rк - 1,0 мОм - для коммутационных аппаратов.
Ниже приведены переходные активные сопротивления неподвижных контактных соединений, мОм:
Таблица 2.12 Активные и индуктивные сопротивления кабеля с алюминиевыми жилами в алюминиевой оболочке
Сечение кабеля, | Сопротивление трех и четырехжильного кабеля в алюминиевой оболочке, мОм/м |
|||
Прямая последовательность | Нулевая последовательность |
|||
Таблица 2.13 Активные и индуктивные сопротивления кабеля с алюминиевыми жилами в свинцовой оболочке
Сечение кабеля, | Сопротивление трех и четырехжильного кабеля в свинцовой оболочке, мОм/м |
|||
Прямая последовательность | Нулевая последовательность |
|||
Таблица 2.14 Активные и индуктивные сопротивления кабеля с медными жилами в стальной оболочке
Сечение кабеля, | Прямая последовательность | Нулевая последовательность |
||
При расчетах токов КЗ учитываются активное и индуктивное сопротивления первичных обмоток всех многовитковых измерительных трансформаторов тока (Кт.а, Хта), которые имеются в цепи КЗ. Параметры некоторых многовитковых трансформаторов тока приведены в табл. 2.19. Активным и индуктивным сопротивлением одновитковых трансформаторов (на токи более 500 А) при расчетах токов КЗ можно пренебречь.
Активное сопротивление дуги приведено в табл. 2.20.
Рассмотрим принципы расчета токов трехфазного и однофазного короткого замыкания. Под трехфазным КЗ подразумевается короткое замыкание между тремя фазами в электрической системе. Под однофазным КЗ подразумевается короткое замыкание на землю силовых элементов в трехфазной электрической системе с глухозаземленной нейтралью, при котором с землей соединяется только одна фаза.
Расчет токов трехфазного КЗ заключается в определении:
Начального действующего значения периодической составляющей тока КЗ;
Апериодической составляющей тока КЗ в начальный и произвольный момент времени;
Ударного тока КЗ.
При питании потребителя от энергосистемы через понижающий трансформатор начальное действующее значение периодической составляющей тока КЗ (7к0) без учета подпитки от электродвигателей рассчитывается по формуле (кА)
где Uср.н.н - среднее номинальное напряжение сети, в которой произошло КЗ, В;
- полное сопротивление цепи КЗ, мОм;
х1кз - суммарное активное и индуктивное сопротивления прямой последовательности цепи КЗ, равные соответственно
где хc - эквивалентное индуктивное сопротивление системы до понижающего трансформатора, приведенное к ступени низшего напряжения, мОм;
гт и хт - активное и индуктивное сопротивления прямой последовательности понижающего трансформатора, мОм;
rр и хр - активное и индуктивное сопротивления реакторов, мОм (по данным завода изготовителя);
rтт и хтт - активное и индуктивное сопротивления первичных обмоток трансформатора тока, Ом; гАВ и хАВ - активное и индуктивное сопротивления автоматических выключателей, мОм, ключая сопротивления токовых катушек расцепителей и переходные сопротивления подвижных контактов;
гш и хш - активное и индуктивное сопротивления шинопроводов, мОм;
rк - суммарное активное сопротивление различных контактов, мОм;
гкб,гвл, и хкб, хвл - активные и индуктивные сопротивления кабельных и воздушных линий, мОм; rД - активное сопротивление дуги в месте КЗ, мОм.
Таблица 2.15 Активное и индуктивное сопротивление проводов воздушных линий и кабелей (на напряжение до 500 В)
Сопротивление, мОм/м |
|||||
активное | индуктивное |
||||
алюминий | провода, открыто проложенные | с поясной бумажной изоляцией | провода в трубах, кабели с резиновой и ПВХ изоляцией |
||
Таблица 2.16 Значения сопротивления петли фаза-нуль без учета заземляющих устройств
Сечение фазного провода, мм2 | Активное (числитель) и индуктивное (знаменатель) сопротивление петли, мОм, при сечении нулевого провода, мм2 |
||||
Таблица 2.17 Полные сопротивления петли фаза-нуль воздушных линий и кабелей, мОм/м
Сечение провода, мм2 | Кабель или провод | Провода на роликах и изоляторах | Провода воздушных линий |
||||
обратного | алюминиевый | алюминиевые | алюминиевые |
||||
Таблица 2.18 Сопротивления включения токовых катушек ресцепителей и переходные сопротивления подвижных контактов автоматических выключателей и разъемных контактов рубильников
Номинальный ток, А | Сопротивления автоматических выключателей при 65 С, мОм | Сопротивление разъемных контактов рубильников, мОм |
|
активное | индуктивное |
||
Таблица 2.19 Сопротивление первичных обмоток многовитковых трансформаторов тока
Коэффициент трансформации трансформатора тока | Сопротивление, мОм, первичных обмоток многовитковых трансформаторов тока класса точности |
|||
Таблица 2.20 Значении активного сопротивления дуги
Апериодическая составляющая тока КЗ равна амплитуде периодической составляющей тока в начальный момент КЗ, т.е.:
Апериодическая составляющая тока КЗ в произвольный момент времени определяется по формуле:
где t - время, с;
Та - постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ, с, равная
где ХЕ и RE - результирующие индуктивное и активное сопротивления цепи КЗ, мОм; юс - синхронная угловая частота напряжение сети, рад/с.
Ударный ток трехфазного КЗ в электроустановках с одним источником энергии (энергосистема или автономный источник) рассчитываются по формуле:
где - ударный коэффициент, определяемый по кривым, приведенным на
Рис. 2.1
Та - постоянная времени затухания
апериодической составляющей тока КЗ;
Пример расчета трехфазного КЗ
Определить ток КЗ на вводе в дом (коттедж).
Поселок питается от распределительного пункта (РП) энергосистемы по ВЛ-10 кВ через трансформатор 10/0,4 кВ, мощностью 400 кВ*А.
Электроснабжение коттеджа осуществляется кабельной линией 0,4 кВ длиной 300 м.
Кабель с медными жилами сечением 4х50 мм2 (рис. 2.2).
Мощность КЗ на шинах РП-10 Sк.з=200 МВ*А.
Расчетная схема и схема замещения представлены на рис. 2.3.
Учитывая, что длина линии 10 кВ от РП 10 кВ системы до трансформаторной подстанции менее 1 км, то в соответствии с ГОСТ 28249-93 в расчетах токов КЗ линия может не учитывается.
Рис. 2.2
Рис. 2.3
Определение сопротивлений схемы замещения
Сопротивление системы:
Сопротивление трансформатора 400 кВА (табл. 2.9):
Переходное сопротивление электрических контактов (см. ГОСТ 28249-93 п.2.5), Rк = 0,1 мОм;
Сопротивление автоматических выключателей (табл. 2.18)
Сопротивление трансформатора тока 300/5А 1 (см. табл. 2.19)
Сопротивление КЛ-0,4 кВ, сечением 4x50, длиной 300 м (табл. 2.14)
Сопротивление контура КЗ:
активное:
реактивное:
Полное сопротивление цепи КЗ:
Начальное значение периодической составляющей тока трехфазного КЗ:
Апериодическая составляющая тока КЗ в начальный момент КЗ:
где Iа0 - наибольшее начальное значение апериодической составляющей тока КЗ.
Апериодическая составляющая в произвольный момент времени t рассчитывается по формуле:
где t - время, с
Та- постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ;
в нашем случае
апериодическая составляющая затухает примерно через 0,002 с и ее можно не учитывать.
Ударный ток КЗ:
где куд. = 1 - по кривой на рис. 2.1 из соотношения
Расчет токов однофазных коротких замыканий в сетях до 1 кВ выполняется для обеспечения надежной работы защиты при минимальных значениях тока КЗ в конце защищаемой линии.
Расчетная точка однофазного КЗ - электрически наиболее удаленная точка участка сети, защищаемая выключателем.
В соответствии с требованиями "Правил устройства электроустановок” (ПУЭ) для надежного отключения поврежденного участка сети наименьший расчетный ток короткого замыкания должен превышать номинальный ток плавкой вставки или номинальный ток расцепителя автоматического выключателя, защищающего этот участок сети, с обратнозависимой от тока характеристикой не менее чем в 3 раза.
Если автоматический выключатель имеет только мгновенно действующий расцепитель (отсечку), то наименьший расчетный ток короткого замыкания должен превышать уставку отсечки не менее чем в 1,4 раза.
По сравнению с расчетом токов трехфазных КЗ, расчет токов однофазных КЗ является более сложным, т.к. в этом случае помимо учета сопротивления в прямой цепи короткого замыкания (в фазе) необходим учет сопротивления и в цепи зануления (в обратной цепи). Когда для зануления используются стальные трубы, обрамления кабельных каналов и другие строительные конструкции, в решении вопроса о сопротивлении цепи короткого замыкания появляется много неопределенностей.
Кроме того, однофазные короткие замыкания относятся к несимметричным, что вносит в расчет дополнительные сложности.
Расчет токов однофазных КЗ можно выполнять методом симметричных составляющих или по сопротивлению петли фаза-нуль.
Метод симметричных составляющих предложен для упрощения расчетов несимметричных КЗ. Сущность этого метода состоит в замене несимметричной системы токов трехфазной сети при однофазном коротком замыкании тремя симметричными системами: прямой, обратной и нулевой последовательности. Симметричные системы являются достаточно простыми для теоретического расчета. При практическом использовании этого метода часто возникают затруднения из-за отсутствия справочных материалов по сопротивлениям нулевой последовательности для принятого варианта выполнения цепи зануления.
При расчете токов однофазного КЗ по сопротивлению петли фаза-нуль используется закон Ома, но встречаются те же затруднения с исходными данными.
Оба метода должны давать один и тот же результат и теоретически могут быть выведены один из другого. Точность расчета определяется только точность исходных данных.
В ГОСТ 28249-93 в основу расчета токов однофазных КЗ положен метод симметричных составляющих, который более подробно рассматривается ниже.
Расчет однофазного КЗ методом симметричных составляющих производят по формуле:
где I1 - действующее значение периодической составляющей тока однофазного КЗ, кА;
Uл - среднее номинальное (линейное) напряжение сети, В;
R1E - суммарное активное сопротивление фазной цепи короткого замыкания (сопротивление прямой последовательности), мОм;
R0E - суммарное активное сопротивление цепи КЗ для тока нулевой последовательности (сопротивление нулевой последовательности), мОм;
Х1E - суммарное индуктивное сопротивление фазной цепи короткого замыкания (сопротивление прямой последовательности), мОм;
Х0E - суммарное индуктивное сопротивление цепи КЗ для тока нулевой последовательности (сопротивление нулевой последовательности), мОм.
Сопротивления обратной последовательности равны сопротивлениям прямой последовательности и в приведенной формуле учитываются коэффициентом 2 перед R1E и Х1Е.
Суммарное активное и суммарное индуктивное сопротивления фазной цепи короткого замыкания определяются по формулам:
где r1Т и Х1Т - сопротивления прямой последовательности понижающего трансформатора, мОм;
r1Л и Х1Л - сопротивления прямой последовательности линии (фазного проводника), мОм;
rТТ и ХТТ - сопротивления первичных обмоток трансформаторов тока, мОм;
rА и ХА - сопротивления автоматических выключателей, мОм;
rК - суммарное активное сопротивление различных контактов в фазной цепи КЗ, мОм;
rД - активное сопротивление электрической дуги в месте КЗ, мОм.
Суммарное активное и суммарное индуктивное сопротивления цепи КЗ для тока нулевой последовательности определяются по формулам:
где r0Т и Х0Т - сопротивления нулевой последовательности понижающего трансформатора, мОм; r0Л и Х0Л - сопротивление нулевой последовательности линии (сопротивления шинопроводов, проводов, кабелей с учетом цепи зануления), мОм;
rТТ, ХТТ, rА, ХА, rК и rД - сопротивления фазной цепи КЗ, мОм.
Сопротивление нулевой последовательности линии равно сопротивлению фазного проводника плюс утроенное сопротивление цепи зануления:
где rН и ХН - эквивалентные сопротивления цепи зануления (нуля) от точки КЗ до трансформатора с учетом всех зануляющих элементов (нулевого провода, оболочки кабеля, стальных труб и т.д.), мОм.
Увеличение в 3 раза сопротивления цепи зануления для тока нулевой последовательности поврежденной фазы вызвано тем, что в соответствии с методом симметричных составляющих через цепь зануления замыкаются равные по значению токи нулевой последовательности всех трех фаз. Таким образом:
При определении минимальных значений токов однофазных КЗ для проверки чувствительности защиты рекомендуется учитывать увеличение активного сопротивления проводников в результате нагревания их током короткого замыкания. Для этого сопротивления проводников сечением до 16 мм2 (включительно) рекомендуется приводить к температуре 1200С, сопротивления проводников сечением 25-95 мм2 - к температуре 1450С, сопротивления проводников сечением 120-140 мм2 - к температуре 950С. Такие (ориентировочные) значения температуры проводников в конце КЗ получены в результате расчетов с учетом реальных время-токовых характеристик аппаратов защиты и при условии адиабатического процесса нагрева жил проводников. Государственным стандартом ГОСТ 2824+-89 допускается принимать для всех сечений значение температурного коэффициента электрического сопротивления равным 1,5, что соответствует температуре 1450С. Но проводники крупных сечений до такой температуры за время КЗ практически не нагреваются.
Температурный коэффициент для приведения сопротивления проводника при 200С к сопротивлению при конечной температуре вычисляется по формуле:
где Oкон. - температура жилы проводника в конце КЗ, 0С.
Сопротивление проводника при конечной температуре
где r20 - сопротивление проводника при температуре 20 0С.
Пример расчета тока однофазного КЗ.
Для схемы по рис. 2.2 определить ток однофазного КЗ на вводе в коттедж.
Расчет проводим методом симметричных составляющих.
При питании электроустановки от системы через понижающий трансформатор начальное значение периодической составляющей тока однофазного КЗ рассчитывается по формуле (кА):
где r1E , х1E - активное и индуктивное суммарные сопротивления прямой последовательности относительно точки КЗ. В нашем случае (см. расчет трехфазного КЗ) - r1E =137,5 мОм, X1Е =45,4 мОм;
r0E , XOE. - активное и индуктивное суммарные сопротивления нулевой последовательности относительно точки КЗ.
Эти сопротивления равны:
где r0Т, X0Т - активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательности понижающего трансформатора;
rТТ, XТТ - активное и индуктивное сопротивления трансформатора тока;
rкв, ХКВ - активное и индуктивное сопротивления автоматических выключателей;
гК - сопротивление контактов.
Для рассматриваемого примера:
По табл. 2.9 сопротивления нулевой последовательности трансформатора 400 кВА составляют: Х0Т = 149 мОм, r0Т = 55,6 мОм.
где r’0 и x’0 - активное и индуктивное сопротивления 1 м медного кабеля сечением 4x50 мм2 (табл. 2.14);
Таким образом:
Проектируя электропроводку в помещении, начинать надо с расчета силы тока в цепях. Ошибка в этом расчете может потом дорого обойтись. Электрическая розетка может расплавиться под действием слишком сильного для нее тока. Если ток в кабеле больше расчетного для данного материала и сечения жилы, проводка будет перегреваться, что может привести к расплавлению провода, обрыва или короткого замыкания в сети с неприятными последствиями, среди которых необходимость полной замены электропроводки – еще не самое плохое.
Знать силу тока в цепи надо и для подбора автоматических выключателей, которые должны обеспечивать адекватную защиту от перегрузки сети. Если автомат стоит с большим запасом по номиналу, к моменту его срабатывания оборудование может уже выйти из строя. Но если номинальный ток автоматического выключателя меньше тока, возникающего в сети при пиковых нагрузках, автомат будет доводить до бешенства, постоянно обесточивая помещение при включении утюга или чайника.
Формула расчета мощности электрического тока
Согласно закону Ома, сила тока(I) пропорциональна напряжению(U) и обратно пропорциональна сопротивлению(R), а мощность(P) рассчитывается как произведение напряжения и силы тока. Исходя из этого, ток в участке сети рассчитывается: I = P/U.
В реальных условиях в формулу добавляется еще одна составляющая и формула для однофазной сети приобретает вид:
а для трехфазной сети: I = P/(1,73*U*cos φ),
где U для трехфазной сети принимается 380 В, cos φ – это коэффициент мощности, отражающий соотношение активной и реактивной составляющих сопротивления нагрузки.
Для современных блоков питания реактивная компонента незначительна, величину cos φ можно принимать равной 0,95. Исключение составляют мощные трансформаторы (например, сварочные аппараты) и электродвигатели, они имеют большое индуктивное сопротивление. В сетях, где планируется подключение подобных устройств, максимальную силу тока следует рассчитывать с использованием коэффициента cos φ, равного 0,8 или рассчитать силу тока по стандартной методике, а потом применить повышающий коэффициент 0,95/0,8 = 1,19.
Подставив действующие значения напряжения 220 В/380 В и коэффициента мощности 0,95, получаем I = P/209 для однофазной сети и I = P/624 для трехфазной сети, то есть в трехфазной сети при одинаковой нагрузке ток втрое меньше. Никакого парадокса тут нет, так как трехфазная проводка предусматривает три фазных провода, и при равномерной нагрузке на каждую из фаз она делится натрое. Поскольку напряжение между каждым фазным и рабочим нулевым проводами равно 220 В, можно и формулу переписать в другом виде, так она нагляднее: I = P/(3*220*cos φ).
Подбираем номинал автоматического выключателя
Применив формулу I = P/209, получим, что при нагрузке с мощностью 1 кВт ток в однофазной сети будет 4,78 А. Напряжение в наших сетях не всегда равно в точности 220 В, поэтому не будет большой ошибкой силу тока считать с небольшим запасом как 5 А на каждый киловатт нагрузки. Сразу же видно, что в удлинитель, промаркированный «5 А», утюг мощностью 1,5 кВт включать не рекомендуется, так как ток будет в полтора раза превышать паспортную величину. А еще сразу можно «проградуировать» стандартные номиналы автоматов и определить, на какую нагрузку они рассчитаны:
- 6 А – 1,2 кВт;
- 8 А – 1,6 кВт;
- 10 А – 2 кВт;
- 16 А – 3,2 кВт;
- 20 А – 4 кВт;
- 25 А – 5 кВт;
- 32 А – 6,4 кВт;
- 40 А – 8 кВт;
- 50 А – 10 кВт;
- 63 А – 12,6 кВт;
- 80 А – 16 кВт;
- 100 А – 20 кВт.
С помощью методики «5 ампер на киловатт» можно оценить силу тока, возникающую в сети при подключении бытовых устройств. Интересуют пиковые нагрузки на сеть, поэтому для расчета следует использовать максимальную потребляемую мощность, а не среднюю. Эта информация содержится в документации на изделия. Вряд ли стоит самому рассчитывать этот показатель, суммируя паспортные мощности компрессоров, электродвигателей и нагревательных элементов, входящих в устройство, так как есть еще такой показатель, как коэффициент полезного действия, который придется оценивать умозрительно с риском сильно ошибиться.
При проектировании электропроводки в квартире или загородном доме не всегда доподлинно известны состав и паспортные данные электрооборудования, которое будет подключаться, но можно воспользоваться ориентировочными данными обычных для нашего быта электроприборов:
- электросауна (12 кВт) - 60 А;
- электроплита (10 кВт) - 50 А;
- варочная панель (8 кВт) - 40 А;
- электроводонагреватель проточный (6 кВт) - 30 А;
- посудомоечная машина (2,5 кВт) - 12,5 А;
- стиральная машина (2,5 кВт) - 12,5 А;
- джакузи (2,5 кВт) - 12,5 А;
- кондиционер (2,4 кВт) - 12 А;
- СВЧ-печь (2,2 кВт) - 11 А;
- электроводонагреватель накопительный (2 кВт) - 10 А;
- электрочайник (1,8 кВт) - 9 А;
- утюг (1,6 кВт) - 8 А;
- солярий (1,5 кВт) - 7,5 А;
- пылесос (1,4 кВт) - 7 А;
- мясорубка (1,1 кВт) - 5,5 А;
- тостер (1 кВт) - 5 А;
- кофеварка (1 кВт) - 5 А;
- фен (1 кВт) - 5 А;
- настольный компьютер (0,5 кВт) - 2,5 А;
- холодильник (0,4 кВт) - 2 А.
Потребляемая мощность осветительных приборов и бытовой электроники невелика, в целом суммарную мощность осветительных приборов можно оценить в 1,5 кВт и автомата на 10 А на группу освещения достаточно. Бытовая электроника подключается к тем же розеткам, что и утюги, дополнительные мощности резервировать для нее нецелесообразно.
Если просуммировать все эти токи, цифра получается внушительная. На практике, возможности подключения нагрузки ограничивает величина выделенной электрической мощности, для квартир с электрической плитой в современных домах она составляет 10 -12 кВт и на квартирном вводе стоит автомат номиналом 50 А. И эти 12 кВт надо распределить, учитывая то, что самые мощные потребители сосредоточены на кухне и в ванной комнате. Проводка будет доставлять меньше поводов для беспокойства, если разбить ее на достаточное количество групп, каждая со своим автоматом. Для электроплиты (варочной панели) делается отдельный ввод с автоматом на 40 А и устанавливается силовая розетка с номинальным током 40 А, ничего больше туда подключать не надо. Для стиральной машины и другого оборудования ванной комнаты делается отдельная группа, с автоматом соответствующего номинала. Эту группу обычно защищают УЗО с номинальным током на 15% большим, чем номинал автоматического выключателя. Отдельные группы выделяют для освещения и для настенных розеток в каждой комнате.
На расчет мощностей и токов придется потратить некоторое время, но можно быть уверенным, что труды не пропадут даром. Грамотно спроектированная и качественно смонтированная электропроводка – залог комфорта и безопасности вашего жилища.