Кабельная линия от ДГУ до РУ: сечение и падение напряжения

В проекте резервного электроснабжения линия от генераторной установки до распределительного устройства выглядит второстепенной позицией: две строки в спецификации, марка и сечение. На действующем объекте она оказывается одной из немногих величин, которые после монтажа изменить нельзя без вскрытия трассы, и одновременно единственной, где сходятся три независимых расчёта - нагрев, потеря напряжения и стойкость при коротком замыкании.

Сложность добавляет источник. За кабелем со стороны генератора нет сети: у синхронного генератора другая величина тока короткого замыкания, другое поведение напряжения при набросе ступени нагрузки и свой режим нейтрали. Расчёт, выполненный по допущениям, привычным для линии от трансформаторной подстанции, на такой линии даёт сечение, которое проверку в режиме питания от ДГУ проходит не всегда. Ниже - порядок, по которому линия считается, и места, где длина трассы становится определяющей величиной.

На какой ток считается линия

Коротко: линия от генератора считается по номинальному току установки в заявленном режиме мощности, а не по текущему потреблению объекта, потому что и допустимая нагрузка кабеля, и уставки защиты привязаны к источнику.

Номинальный ток берётся из полной мощности установки, номинального напряжения и объявленного изготовителем коэффициента мощности. Величина зависит от того, в каком режиме мощности заявлена установка: резервный, основной и продолжительный режимы по классификации ISO 8528-1 дают разные значения длительно допустимой мощности одного и того же агрегата. Строка спецификации «мощность 200 кВА» без указания режима для расчёта линии непригодна; что именно проверяется в спецификации до подписания, разобрано в отдельном материале про спецификацию на ДГУ.

Второе обстоятельство касается срока жизни. Кабельная трасса остаётся на объекте дольше самой установки: агрегат меняется, трасса живёт до реконструкции здания. Замена ДГУ на более мощную при неизменной линии - обычный сценарий, и запас по сечению, заложенный на стадии проекта, обходится дешевле перекладки. Что при такой замене проверяется в первую очередь, описано в материале про замену ДГУ без остановки объекта.

Три условия, которым сечение обязано удовлетворить одновременно

Коротко: расчётное сечение определяется наибольшим из нескольких значений, полученных по независимым условиям, и на длинных трассах решающим оказывается условие по потере напряжения.

Условие	Где задано	Что определяет
Длительный допустимый ток по нагреву	ПУЭ, глава 1.3	Минимальное сечение по расчётному току с учётом способа прокладки
Потеря напряжения в линии	ГОСТ 32144-2013 - нормы для точки передачи; нормируемая величина потери в электроустановке здания - СП 256.1325800.2016	Сечение на протяжённых трассах
Термическая стойкость при коротком замыкании	ПУЭ, глава 1.4	Минимальное сечение по времени отключения и величине тока КЗ
Согласование с аппаратом защиты	ПУЭ, главы 3.1 и 1.3; ГОСТ Р 50571.4.43	Соответствие уставок защиты допустимому току кабеля
Минимальные сечения по механической прочности	ПУЭ, главы 2.1 и 2.3	Нижняя граница независимо от результатов расчёта

Порядок работы простой: каждое условие даёт своё сечение, в проект идёт большее. Внутри одного здания, где трасса коротка, определяющим обычно остаётся нагрев. Стоит установке отойти от вводного устройства на несколько десятков метров - вперёд выходит потеря напряжения, и разница между «по нагреву» и «по потере» доходит до двух-трёх ступеней сечения.

Отсюда практический вывод про изыскания: длину трассы нужно знать до того, как выбрано сечение и посчитана смета. В проекте ДГУ для пяти объектов банка в Свердловской области и Югре длина кабельных трасс и точка врезки определялись обследованием каждой площадки отдельно. Базовое решение для отделения переносилось между городами, геометрия площадок - нет; подробности в кейсе по проектированию ДГУ на Урале.

Почему потеря напряжения здесь считается иначе

Коротко: у генератора отсутствует сеть за спиной, поэтому падение напряжения на кабеле складывается с собственной просадкой генератора при набросе ступени нагрузки, и обе величины проверяются в одной точке.

Генераторная установка отвечает на скачкообразное увеличение нагрузки провалом напряжения и частоты с последующим восстановлением. Глубина провала и время восстановления заданы классом исполнения установки: стандарт ISO 8528-5 на генераторные установки переменного тока с приводом от поршневых двигателей внутреннего сгорания вводит классы G1-G4, различающиеся допустимыми переходными отклонениями. Класс объявляет изготовитель, и он входит в исходные данные проекта наравне с мощностью.

Дальше эти два эффекта складываются. Напряжение на зажимах приёмника в момент наброса равно напряжению генератора в провале минус падение на линии при токе этого же наброса, заметно превышающем номинальный. Чувствительны к такому режиму три группы устройств: катушки контакторов с порогом удержания, входные цепи ИБП с окном допуска по напряжению, приводы с защитой по минимальному напряжению. Ситуация, когда ИБП после запуска генератора продолжает разряжать батарею, чаще всего разбирается именно так - через сложение просадки источника и падения на линии.

Пусковые токи, из-за которых наброс получается тяжёлым, считаются на стадии подбора мощности; порядок расчёта описан в материале про расчёт мощности ДГУ под фактическую нагрузку. Ступенчатый приём нагрузки, заложенный в алгоритм автоматики, снижает глубину провала и тем самым смягчает требование к сечению линии - это один из немногих случаев, когда решение по автоматике напрямую экономит медь.

Что меняет способ прокладки

Коротко: табличное значение длительно допустимого тока относится к эталонным условиям прокладки, и поправочные коэффициенты по температуре среды, числу совместно проложенных кабелей и характеристикам грунта меняют его в широких пределах.

Способ прокладки	Что проверяется в расчёте
В траншее в земле	Удельное тепловое сопротивление грунта, глубина заложения, число кабелей в траншее и расстояние между ними, расчётная температура грунта
В лотке или коробе внутри здания	Число кабелей в пучке, температура воздуха в помещении, взаимный подогрев соседними линиями
В трубе или футляре под проездом	Отсутствие вентиляции на участке, его длина, отдельный поправочный коэффициент
По наружной стене или эстакаде	Диапазон наружных температур, солнечный нагрев, стойкость оболочки к ультрафиолету, механическая защита
Через противопожарные преграды	Исполнение кабельной проходки и требование к сохранению предела огнестойкости преграды

Отдельная тема - расхождение между проектной и фактической длиной. Реальная трасса длиннее прямой на плане: обходы существующих коммуникаций, вертикальные подъёмы к вводному устройству, запас на разделку. Взятая по прямой проектная длина съедает запас по потере напряжения ещё до монтажа; ограничения, которые действующее здание накладывает на трассу, разобраны в материале про монтаж ДГУ на действующем объекте.

Короткое замыкание от генератора

Коротко: ток короткого замыкания от генераторной установки ограничен системой возбуждения и по величине несопоставим с током КЗ от трансформаторной подстанции, поэтому защита проверяется в двух режимах питания по отдельности.

При питании от сети ток КЗ определяется мощностью питающего трансформатора и сопротивлением сети. При питании от ДГУ его величину задают реактивности генератора и способность возбуждения поддерживать ток в течение заданного времени. Кратность тока и допустимая длительность объявляются изготовителем установки в технической документации - в расчёт они берутся оттуда, потому что типовые значения между моделями различаются.

Из меньшего тока КЗ вытекают три следствия, каждое из которых влияет на сечение или на уставки.

Чувствительность защиты. Уставки, выбранные по режиму питания от сети, при питании от генератора могут не обеспечить отключения - особенно на протяжённой линии, где к сопротивлению генератора добавляется сопротивление кабеля. Проверяется расчётом однофазного КЗ в конце защищаемого участка в режиме работы от ДГУ.
Время отключения. Термическая стойкость кабеля оценивается по интегралу Джоуля: чем меньше ток, тем дольше срабатывает защита и тем большее сечение требуется, чтобы выдержать этот интервал. На линии от генератора сечение по условию термической стойкости иногда получается больше, чем по нагреву.
Селективность. При малых токах КЗ характеристики вышестоящего и нижестоящего аппаратов сближаются, и селективность, подтверждённая для сетевого режима, в генераторном может нарушиться. Проверка выполняется отдельной картой селективности для режима питания от ДГУ; смежные ошибки в схеме ввода резерва собраны в материале про типовые ошибки проекта АВР.

Нейтраль: сечение нулевого проводника и режим заземления

Коротко: при нелинейной нагрузке ток в нулевом рабочем проводнике не уменьшается вместе с симметрией фаз, и на объекте с ИБП это определяет сечение нейтрали.

Гармоники, кратные трём, в трёхфазной системе не компенсируются в нейтрали, а суммируются. Источники на банковском объекте или в машинном зале очевидны: входные выпрямители ИБП, серверная и сетевая нагрузка, светодиодное освещение. ГОСТ Р 50571.5.52 «Электроустановки низковольтные. Часть 5-52. Выбор и монтаж электрооборудования. Электропроводки» требует определять сечение нулевого рабочего проводника по расчётному току нейтрали, когда содержание таких гармоник значительно. Практический результат - линия, у которой сечение N равно фазному, а иногда рассчитывается отдельно.

Второй вопрос - режим нейтрали при переходе на генератор. Принятая на объекте система заземления по ПУЭ, глава 1.7, определяет, переключается ли нулевой рабочий проводник в устройстве ввода резерва и сколько полюсов должно быть у аппарата. Нейтраль генератора заземляется в соответствии с этой системой, и характерная ошибка - оставить неотключаемую нейтраль при заземлении нейтрали генератора на месте установки. Появляется вторая точка заземления, часть тока нулевой последовательности уходит по сторонним проводящим частям, и поведение защитных устройств перестаёт соответствовать расчёту. Как эта цепочка собирается целиком, показано в материале про топологию СБГЭ отделения банка.

Марка кабеля: исполнение под условия трассы

Коротко: исполнение выбирается по тому, где проходит трасса и какие системы питает линия, а требования к пожарной безопасности кабельных изделий заданы отдельным стандартом.

ГОСТ 31565-2012 «Кабельные изделия. Требования пожарной безопасности» задаёт область применения кабелей по индексам исполнения - по нераспространению горения, дымовыделению и коррозионной активности продуктов горения.
Федеральный закон № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» устанавливает требования к кабельным линиям систем противопожарной защиты, включая сохранение работоспособности в условиях пожара; действующую редакцию нужно проверять перед выпуском проекта.
ПУЭ, глава 2.3, определяет требования к кабельным линиям, включая условия применения бронированных исполнений при прокладке в земле и защиту от механических повреждений.
Наружный участок трассы проверяется по диапазону температур, ультрафиолетовой стойкости оболочки и по нагрузкам в местах перехода от площадки к зданию.

Замена марки на стадии закупки «на аналогичную» - место, где исполнение теряется чаще всего: сечение сохраняется, индекс пожарной безопасности меняется, несоответствие всплывает при приёмке исполнительной документации.

Что заложить в ТЗ

Коротко: задание описывает исходные данные и перечень обязательных проверок, чтобы предложения разных проектировщиков считались по одинаковым правилам.

Режим мощности установки по ISO 8528-1 и класс исполнения по переходным отклонениям напряжения и частоты по ISO 8528-5 - как исходные данные для расчёта.
Требование обмерить фактическую длину трассы на площадке с указанием способа прокладки по участкам, а не принимать её по плану.
Расчёт потери напряжения в режимах длительной работы и наброса наибольшей ступени нагрузки с указанием точки, для которой выполнена проверка.
Токи короткого замыкания, посчитанные в двух режимах питания - от сети и от генераторной установки, - с проверкой чувствительности защиты в конце линии.
Проверка сечения по термической стойкости с учётом фактического времени отключения в генераторном режиме.
Карта селективности для режима питания от ДГУ отдельно от сетевой.
Обоснование сечения нулевого рабочего проводника с учётом гармоник, кратных трём, при наличии ИБП и другой нелинейной нагрузки.
Число полюсов аппарата ввода резерва и решение по нейтрали, согласованные с принятой системой заземления по ПУЭ, глава 1.7.
Марка и исполнение кабеля с индексом по ГОСТ 31565-2012 и запрет на замену исполнения при закупке без согласования с проектировщиком.
Поправочные коэффициенты, принятые в расчёте допустимого тока, - в явном виде, с указанием исходных условий прокладки.

Сформулировать эти пункты до объявления закупки помогает услуга Помощь с ТЗ: без требования обмерить трассу и посчитать КЗ в генераторном режиме участники закладывают разные сечения, и предложения перестают сравниваться между собой.

Частые вопросы

Можно ли выбрать сечение по току нагрузки объекта, а не по току генератора? Нет. Кабель работает под током, который в него отдаёт источник при любом режиме, включая перегрузку и КЗ, и защищается аппаратом, настроенным на параметры источника. Расчёт по фактическому потреблению даёт сечение, не согласованное с уставками.

Насколько длинной должна быть трасса, чтобы решала потеря напряжения? Универсального порога нет: результат зависит от тока, сечения, коэффициента мощности и допустимой величины потери, принятой для конкретной электроустановки. Практическое правило - считать потерю всегда, а не только при заведомо длинной трассе; расчёт занимает минуты, перекладка занимает недели.

Что делать, если сечение по потере напряжения выходит неразумно большим? Сначала пересмотреть трассу: сокращение длины дешевле увеличения сечения. Дальше - перенести точку врезки ближе к установке либо разнести нагрузку по двум линиям. Кабель, который перестал укладываться в радиус изгиба на существующих поворотах, обычно указывает на ошибку в выборе места размещения.

Нужно ли считать КЗ отдельно для режима работы от ДГУ, если сеть заведомо мощнее? Да, и именно потому, что сеть мощнее. Опасен противоположный случай: уставки, подобранные по большому току от сети, при малом токе от генератора не обеспечивают ни быстрого отключения, ни селективности.

Обязательно ли увеличивать сечение нейтрали, если на объекте есть ИБП? Обязательна проверка расчётом по ГОСТ Р 50571.5.52. Результат зависит от доли нелинейной нагрузки и от типа входного выпрямителя: современные ИБП с корректором коэффициента мощности дают меньшее содержание гармоник, чем старые схемы. Без расчёта решение принимать не на чем.

Кто отвечает за фактическую длину трассы, если она выросла при монтаже? Ответственность разделяется договором. Практика такая: проектировщик отвечает за расчёт по обмеренной длине, подрядчик - за уведомление об отклонении фактической трассы от проектной до укладки. Пункт про обязательное согласование изменения трассы с пересчётом потери напряжения снимает спор до его возникновения.

Источники

ПУЭ, глава 1.3 «Выбор проводников по нагреву, экономической плотности тока и по условиям короны» - длительно допустимые токи и поправочные коэффициенты.
Глава 1.4 ПУЭ «Выбор электрических аппаратов и проводников по условиям короткого замыкания» - проверка термической стойкости.
Системы заземления и требования к нейтрали источника - глава 1.7 ПУЭ «Заземление и защитные меры электробезопасности».
Условия прокладки и требования к исполнению кабеля - глава 2.3 ПУЭ «Кабельные линии напряжением до 220 кВ».
ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» - допустимые отклонения напряжения.
СП 256.1325800.2016 «Электроустановки жилых и общественных зданий. Правила проектирования и монтажа» - нормируемая величина потери напряжения в электроустановке здания; действующая редакция проверяется перед выпуском проекта.
ГОСТ Р 50571.5.52 «Электроустановки низковольтные. Часть 5-52. Выбор и монтаж электрооборудования. Электропроводки» - выбор сечения нулевого рабочего проводника при гармониках, кратных трём.
ГОСТ 31565-2012 «Кабельные изделия. Требования пожарной безопасности» - индексы исполнения и область применения.
Федеральный закон № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» - требования к кабельным линиям систем противопожарной защиты.
ISO 8528-1 и ISO 8528-5 - режимы мощности генераторных установок и классы исполнения по переходным отклонениям напряжения и частоты.
Проектирование ДГУ для пяти объектов крупного банка на Урале - длина кабельных трасс и точка врезки как предмет инженерных изысканий по каждой площадке.
Резервное электроснабжение четырёх отделений банка в Башкортостане - монтаж силовых линий от установки до вводных устройств действующих отделений.
Проектирование ДГУ - состав проектных работ и инженерных изысканий.

Линия от генератора до распределительного устройства принадлежит к тому классу решений, которые считаются один раз и живут до реконструкции здания. Обмеренная длина, расчёт потери напряжения при набросе и проверка защиты в генераторном режиме закрывают вопрос на стадии проекта; попытка компенсировать пропуск после монтажа упирается в готовую трассу с уложенным кабелем. Запросить КП - расчёт силовой части и проект ДГУ с инженерными изысканиями на площадке; Помощь с ТЗ - формулировка требований к расчётам до объявления закупки.

Кабельная линия от ДГУ до РУ: сечение, падение напряжения, длина трассы