Когда начинающий проектировщик впервые открывает Правила устройства электроустановок, первое, что он ищет в разделе про кабели - таблицу допустимых длительных токов. Логика очевидна: ток нагрузки известен, нужно найти сечение, при котором кабель этот ток выдержит без перегрева. Нашёл - записал - готово. Именно так учат в большинстве вузов, и именно так работает большинство практикующих инженеров на протяжении всей карьеры.
Тепловой критерий: необходимый, но не достаточный
Критерий нагрева решает вполне конкретную задачу: не допустить, чтобы изоляция кабеля разрушилась от перегрева раньше расчётного срока службы. Это важно, это обязательно, это закон. Но этот критерий не имеет никакого отношения к тому, сколько денег заказчик заплатит за электроэнергию в ближайшие тридцать лет.
Дело в том, что любой проводник с ненулевым сопротивлением потребляет мощность просто от факта протекания через него тока. Эта мощность рассеивается в виде тепла - нагревает жилу, нагревает изоляцию, нагревает грунт вокруг трубы - и безвозвратно уходит.
Заказчик платит за неё в счёте за электроэнергию, хотя она не выполнила ни одного полезного действия: не привела ни один станок, не зажгла ни одну лампу, не нагрела ни одну печь. Это чистые технические потери, и они тем больше, чем тоньше жила кабеля.
Почему более толстый кабель экономит деньги
Сопротивление медной или алюминиевой жилы кабеля жёстко связано с её поперечным сечением: чем больше сечение - тем меньше сопротивление, тем меньше тепловые потери при том же токе. Разница между кабелем сечением 35 мм2 и кабелем сечением 95 мм2 с точки зрения теплового критерия может быть незначительной - оба проходят по нагреву. Но с точки зрения потерь электроэнергии за год эта разница может исчисляться сотнями тысяч рублей на одной линии.
Здесь и возникает принципиальный вопрос: насколько оправданы дополнительные затраты на более толстый кабель? Интуиция подсказывает, что где-то между «слишком тонким» и «бессмысленно толстым» должна существовать точка, в которой стоимость самого кабеля и стоимость потерь в нём вместе составляют минимум. Это и есть экономически оптимальное сечение - и именно для его нахождения советская инженерная школа ещё в середине прошлого века разработала метод, который по сей день закреплён в ПУЭ, но которым пользуются куда реже, чем следовало бы.
Что стоит за таблицей 1.3.36
В ПУЭ есть вторая таблица для выбора сечений - 1.3.36 - про которую в вузах рассказывают значительно меньше, чем про таблицы допустимых токов. В ней приведены значения так называемой экономической плотности тока: нормированной величины, которая позволяет немедленно получить оптимальное сечение, зная только ток нагрузки и режим работы линии. Никаких сложных итераций, никаких специальных программ - только одно деление и выбор ближайшего стандартного сечения из каталога.
Значения в этой таблице различаются в зависимости от материала жил и от того, сколько часов в году линия работает под максимальной нагрузкой. Именно второй параметр - число часов использования максимума - отражает, сколько энергии линия «перекачает» за год и, соответственно, насколько велик будет суммарный ущерб от завышенного сопротивления. Непрерывное производство, работающее в три смены, и цех, загруженный только днём в будние дни, получат разные оптимальные сечения при одинаковом расчётном токе - и это совершенно правильно.
Почему инженеры продолжают выбирать «по нагреву»
Причин несколько, и все они человеческие, а не технические. Тепловой критерий проще - одна таблица, одно число, готово. Экономический метод требует знания режима работы объекта, понимания смысла величины, на которую делишь, и - главное - готовности объяснить заказчику, почему кабель стоит дороже, хотя и «тот, что тоньше, тоже прошёл бы по нормам». Это требует уверенности и умения считать экономику.
Кроме того, существуют случаи, когда экономический критерий намеренно не применяется - для коротких ответвлений, для временных линий, для малонагруженных сетей. Граница применимости метода чётко прописана в ПУЭ, и знание этой границы - часть профессиональной грамотности.
О том, как именно работает метод экономической плотности тока, откуда взялись числа в таблице 1.3.36, когда нормативные значения уже не отражают реальной экономики и как выполнить индивидуальный расчёт оптимального сечения с учётом актуальных тарифов - подробно и с конкретными цифрами рассказывается в статье «Цена сечения: почему инженер, выбирающий кабель по нагреву, тратит деньги заказчика».
Повный Андрей Владимирович, преподаватель Филиала Белорусского государственного технологического университета «Гомельский государственный политехнический колледж», главный редактор сайта «Школа для электрика» — electricalschool.info