Jak vybrat správný průřez vodiče? / Habr

Nevím jak vy, ale já mám jeden problém: pokaždé, když dojde na nákup drátů/kabelů pro více či méně vážnou zátěž, vytřeští se mi oči a začnu si horečně vzpomínat, jaký konkrétní kabel potřebuji pro svou zátěž a jak má být vybráno?

V určitém okamžiku mě to unavilo a rozhodl jsem se podívat na problém, jehož výsledky jsou uvedeny níže a možná vám budou užitečné.

Malý spoiler od autora: co bude následovat, budou některé výsledky mého výzkumu na toto téma. Úsudky v níže uvedeném textu mohou být na některých místech správné, jinde chybné a jinde nedostatečně podrobné. V každém případě doufám, že to bude zajímavé!

▍ Úvodní část

Nejprve si ujasněme základní pojmy, aby to pro nás bylo dále jednodušší. Pro dodávku elektřiny spotřebitelům se používají následující prvky infrastruktury:

• nadzemní vedení — speciální systém pro přenos elektrického proudu na dráty umístěné ve vzduchu a namontované na speciálních nosných konstrukcích ve formě železobetonových nebo dřevěných sloupů;
• kabelové vedení – elektrické vedení, které je uloženo ve speciálně vybavených konstrukcích (kanály, šachty) jednoduše vzduchem a je umístěno na stěnách nebo stropech budov. Kromě toho lze šňůry pokládat ve vodním prostředí;
• elektrické vedení — napájecí rozvodná síť s napětím do 1000 V (dále o takových sítích budeme hovořit), která je provedena ve formě izolovaných vodičů nebo kabelů o průřezu do 16, které lze také pokládat uvnitř i vně budov .

Na rozvodnou elektroinstalaci se připojují přijímače elektrické energie, které musí mít jmenovité napětí rovné jmenovitému napětí napájecí sítě.

Napájecí sítě mohou být provedeny ve čtyřvodičovém provedení, se jmenovitým napětím 380/220 V, kde je nulový vodič uzemněn. Síť tohoto typu se skládá ze čtyř vodičů, z nichž tři jsou fázové a jeden je nulový, který je pevně uzemněn (díky tomuto uzemnění je napětí na neutrálním vodiči blízké nule):

V tomto případě je napětí mezi fázovými vedeními 380 V a mezi libovolnými fázovými a nulovými vodiči – 220 V.

K fázovým svorkám jsou tedy připojeny třífázové spotřebiče (například třífázové elektromotory) a mezi fázový a nulový vodič jsou připojeny jednofázové spotřebiče (například žárovky, jakékoli domácí spotřebiče).

Ukazuje se, že do stejné sítě lze současně připojit jak třífázové, tak i jednofázové spotřebiče.

Stručně řečeno, proč vůbec potřebujete vytvořit třífázovou síť: umožňuje získat stabilní točivé magnetické pole v třífázových elektromotorech, navíc taková síť umožňuje získat dvě napětí bez použití převodu transformátory (380/220), což je výhodné pro různé spotřebitele.

Prvním tvůrcem třífázové sítě byl ruský vědec Michail Osipovič Dolivo-Dobrovolskij. Byl to on, kdo přišel s nápadem umístit vinutí generátoru pod úhlem 120 °, což dalo výstupu tři fáze. Kromě toho vyvinul také asynchronní motor s rotorem nakrátko, jehož konstrukce zůstala bez výraznějších změn dodnes nezměněna.

Obecně je rozdíl mezi třífázovými a jednofázovými elektromotory v tom, že:

• jednofázové mají jednodušší konstrukci, větší spolehlivost (u třífázových nevzniká takový problém jako ztráta fáze, což vyžaduje vybudování určitých systémů řízení motoru; zatímco u jednofázových, pokud dojde k přerušení fáze, motor prostě přestane fungovat);
• jednofázové vyžadují vysoké startovací proudy;
• jednofázové mají nižší účiník, což znamená nižší účinnost.

▍ Výpočet úseku sítě

Při výběru charakteristik napájecích vodičů a kabelů se musíte nejprve řídit následujícími úvahami:

• tepelná odolnost;
• mechanická síla;
• ztráta napětí v této části sítě;
• ekonomická proudová hustota.

Při výběru úseků konkrétních úseků sítě na základě úvah o odolnosti proti ohřevu a ekonomické proudové hustotě stačí znát pouze proudové zatížení těchto úseků, přičemž výpočty z hlediska napěťových ztrát lze provést, pokud, kromě toho jsou také známy délky těchto úseků.

Pokud se výpočet provádí pro třífázové sítě, předpokládá se, že zatížení úseku každé z fází je navzájem stejné (ale ve skutečnosti je tato podmínka splněna pouze v případě, že síť slouží k napájení třífázových sítí). fázové elektromotory).

Pokud jde o napájení jednofázových spotřebičů, ve skutečnosti je na každé fázi sítě konstantní nerovnoměrné zatížení, i když v praktických výpočtech je rozložení zátěže mezi fázemi stále považováno za rovnoměrné.

Pokud považujeme zatížení každé fáze za rovnoměrné, pak pro výpočty není nutné ukazovat absolutně všechny vodiče, stačí nakreslit obecný diagram sítě s uvedením připojených spotřebičů a délky každé části sítě .

Pokud existuje výkres, podle kterého má být síť položena, pak můžete změřit všechny délky jejích úseků přímo z výkresu s přihlédnutím k jeho měřítku (tzn. změříme podle výkresu a ten pak měříme na skutečné rozměry ). Pokud takový výkres neexistuje, musí být každý úsek změřen ve skutečnosti.

Určení zatížení částí sítě je poměrně obtížný úkol, protože jednotlivé přijímače energie spotřebovávají stejný výkon (například žárovka), zatímco elektromotor zatěžuje síť různě v závislosti na režimu a okamžiku provozu: zda se spustí v daném čase kroutící moment nebo již pracuje stabilně, je v klidovém režimu, nebo je k němu připojen nějaký mechanismus, který zpomaluje rotaci elektromotoru a tuto zátěž musí překonat. Engine tedy může v některých svých režimech slabě zatěžovat síť a být podtížen, na rozdíl od toho v jiných může síť zatěžovat více.

Kromě toho může být úkol ještě složitější, pokud existuje více než jeden takový spotřebitel.

Abychom pochopili, jakou zátěž takový spotřebitel vloží do části sítě, je nutné určit maximální možné průměrné zatížení za půlhodinovou dobu provozu.

Chcete-li určit odhadované zatížení sítě, můžete použít následující vzorec:

• — koeficient poptávky;
• — jmenovitý výkon skupiny elektrických přijímačů.

Pro studium úseku sítě podle topné nebo ekonomické proudové hustoty je nutné určit aktuální velikost každého spotřebitele (dále ve vzorcích se používá vypočtený výkon spotřebitele, jehož vzorec pro výpočet je uveden výše).

U třífázového spotřebiče se to děje podle následujícího vzorce:

• — vypočítaný výkon spotřebiče;
• — jmenovité napětí na konektoru spotřebitele;
• — účiník spotřebitele.

• — jmenovité napětí přijímače (přijímačů) rovné fázovému napětí propojovací sítě.

Podle prvního Kirchhoffova zákona se v kterémkoli bodě sítě musí součet příchozích proudů rovnat součtu odchozích proudů. Když jsou tedy známé proudy každého spotřebiče, je nutné je jednoduše sečíst (pro hlavní vedení), abychom pochopili, jaký proud poteče hlavním vedením a jaké proudy potečou ke konkrétnímu spotřebiči.

Například v bytě jsou 3 spotřebitelé: 30A, 15A, 5A. Každému konkrétnímu spotřebiteli tedy poteče stanovený jmenovitý proud, přičemž příkon do bytu musí vydržet (minimálně, ale ještě je potřeba rezerva): 30 + 15 + 5 = 50A.

Nyní, když víme, jaké proudy budou spotřebitelé vyžadovat, můžeme zjistit požadované průřezy vodičů, které budou vyžadovány pro napájení těchto spotřebitelů, s ohledem na řadu podmínek popsaných níže.

▍ Výběr na základě tepelné odolnosti

Proudění elektrického proudu vodiči je doprovázeno řadou jevů, jedním z nich je zahřívání vodiče současně s jeho ochlazováním v důsledku vyzařování tohoto tepla do okolí. Po nějaké době se zahřívání a ochlazování vodiče vyrovná a teplota se ustálí na určité hodnotě.

Maximální přípustná hodnota teploty pro vodič je různá pro různé typy vodičů a je stanovena na základě úvah o bezpečnosti jeho provozu, protože dlouhodobé zahřívání může vést jak ke zničení izolace, tak k možným požárům a výbuchům v okolí.

Existují referenční tabulky, které regulují maximální proudové zatížení pro různé vodiče. Níže je uveden příklad takových tabulek (mohou být trochu staré, takže možná budete chtít hledat něco novějšího). Výše uvedené tabulky předpokládají (přípustné proudové zatížení je zvoleno tímto způsobem), že holé vodiče by se neměly zahřát na více než 70°, zatímco vodiče v plastové izolaci by se neměly zahřívat na více než 65°:

Obrázek: F. F. Karpov – „Jak zvolit průřez vodičů a kabelů“

Informace v těchto tabulkách jsou uvedeny s přihlédnutím k tomu, že provoz probíhá za normálních podmínek, kterými jsou teplota vzduchu 25° se vzdáleností mezi sousedními kabely minimálně 35 mm (při volném uložení) a 50 mm (při uložení v kanálech). .

Pokud nejsou provozní podmínky typické, vypočítá se přípustné zatížení (Id) takto:

• – hodnota dovoleného zatížení za normálních podmínek (převzato z výše uvedených tabulek);
• – korekční faktor, jehož hodnotu lze převzít z níže uvedených tabulek v závislosti na tom, zda je kabel položen ve vzduchu nebo ve výkopu.

Obrázek: F. F. Karpov – „Jak zvolit průřez vodičů a kabelů“

Výše uvedené tabulky ukazovaly maximální proudové zatížení za normálních podmínek, ale musíte pochopit, že takové zatížení je tam uvedeno pro dlouhodobý provozní režim, zatímco mnoho zařízení pracuje v krátkodobém periodickém režimu, podle toho části sítě. jejich napájení vydrží vysoké proudy (krátkodobě), než je uvedeno v tabulkách. Pro tento případ existuje opravný faktor, který lze použít ve výše uvedeném vzorci:

• – relativní délka pracovní doby, která se vypočítá podle níže uvedeného vzorce.

• — trvání pracovní doby (tj. jak dlouho byl spotřebitel krátce zapnut);
• — celkové trvání cyklu (jak dlouho bude spotřebitel pracovat).

▍ Výběr na základě ekonomické hustoty proudu

V předchozích fázích jsme tedy zjišťovali, jaký proud spotřebuje naše zátěž a jak vybrat vodiče podle maximálního povoleného zatížení.

A stále zůstává otázka – je skutečně nutné takové vodiče vybírat? Nebo možná ne takhle, ale některé jiné?

A právě na tyto otázky nám tato sekce umožní odpovědět. Faktem je, že i relativně stabilně pracující spotřebitelé stále pracují s proměnlivou zátěží, například stejné pouliční osvětlení neustále funguje v noci a večer a nepracuje ráno a ve dne. Nebo si vezměte napájecí vedení trolejbusů/tramvajů – ty zažijí nápory spotřeby brzy ráno a večer, když lidé jedou do/z práce, přičemž v intervalech budou vodiči napájející tyto spotřebiče podvytíženi. Má pro ně smysl provozovat vedení „maximálního výkonu“? Nebo se dá někde ušetřit?

K tomu můžete použít následující vzorec, který vám umožní určit průřez vodiče s přihlédnutím k ekonomické hustotě proudu:

• — vypočítaný proud vedení;
• – ekonomická proudová hustota, jejíž hodnoty lze převzít z níže uvedené tabulky pro vodiče, sběrnice a kabely.

Obrázek: F. F. Karpov – „Jak zvolit průřez vodičů a kabelů“

Závěrem lze říci, že složité výpočty jsou poměrně složité a je také možné provádět výpočty na základě ztrát napětí na vedení (pokud známe délku vedení nebo ji dokážeme změřit), protože poskytuje spotřebitelům stabilní výkon dodávka je důležitou otázkou a její odchylky od požadovaných hodnot na ně mohou mít negativní dopad. V rámci tohoto článku se mi však zdá, že představení takové techniky je poněkud nadbytečné, protože málokdo z těch, kdo tento článek čtou, se bude věnovat natahování čar dlouhých stovky metrů :) Typickými domácími úkoly bude výběr malých kousků kabelů pro napájení 3D tiskárny, CNC stroje, osvětlení v altánku a podobně.

Proto se domnívám, že v rámci těchto úkolů lze velikost ztrát ve vedení bezpečně ignorovat. Samozřejmě, pokud používáte speciální elektrické měděné/hliníkové dráty a nesnažíte se sami vyrábět a používat ocelové/litinové atd. dráty Nicméně ti, kteří si to přejí, se mohou blíže seznámit s různými technikami v níže uvedené literatuře.

▍ Použité zdroje

1. F. F. Karpov – “Jak zvolit průřez vodičů a kabelů.”
2. N. A. Melnikov – „Elektrické systémy“.

Proč stále správně určit průřez kabelu? Co se stane, když nainstalujete špatný kabel? Předpokládejme, že spočítáte, že jmenovité zatížení tohoto vedení je 25 A, což znamená, že k instalaci elektrického vedení potřebujete kabel o průměru 2,5 mm. sq Máte kabel bez označení (značky by mohly být vymazány nebo rozmazané), který vypadá jako čtverec 2,5 mm, ale ve skutečnosti je menší – 1,5 mm. sq Kabel o průřezu 1,5 mm takové zatížení nevydrží, protože je určen pro vedení se zatížením 10-12 A. V důsledku toho se izolace zahřeje a roztaví, což hrozí zkratem a v důsledku toho požár. Stává se, že zakoupený kabel má ve skutečnosti menší průřez, než udává výrobce. Řekněme, že jste zakoupili drát o průřezu 4 mm, ačkoli ve skutečnosti je průřez 3,5 mm. V důsledku toho se také snižuje nosnost, což s sebou nese negativní důsledky. Proč může být průřez kabelu menší, než je uvedeno? Některé společnosti tedy chtějí ušetřit spoustu peněz, a proto snižují průřez vodiče. Znalost skutečného průřezu vodiče je proto nezbytná pro bezpečný a dlouhodobý provoz.

Výpočet průřezu kabelu pomocí improvizovaných prostředků

Chcete-li vypočítat plochu průřezu jádra, musíte nejprve znát jeho průměr. K tomu pomůže mikrometr – speciální přístroj, který s vysokou přesností změří průměr drátěného jádra. Pro stejný úkol je vhodné posuvné měřítko. Profesionální elektrikář musí kvůli specifické povaze práce zakoupit mikrometr. Pro běžného člověka, který potřebuje jednou provést měření, nemá smysl kupovat mikrometr. Co ale dělat, když doma nemáte ani třmen? Existuje zcela důstojná alternativní metoda. Budete potřebovat pravítko, tužku nebo pero. Jen se nepokoušejte měřit průměr pravítkem! Tato metoda způsobí velkou chybu. Pravítko budete potřebovat o něco později. Vezměte kus drátu, předem zbavený asi 1 cm izolace, a omotejte ho kolem tužky. Je důležité zabalit co nejtěsněji! Pokud jsou mezi závity mezery, měření budou nesprávná. Spočítá se, kolik je závitů, a jejich délka se měří pravítkem. Například tužka má 40 závitů, délka závitů je 21 mm. Délka závitů se vydělí jejich počtem a získá se průměr jádra (37/37 = 21).

Trochu geometrie

Dále si musíte zapamatovat kurz školní geometrie a použít vzorec pro výpočet plochy kruhu: (S=PI*D2/4) , abyste si usnadnili výpočty, můžete vzorec transformovat (S=0,785*D2) Kde D – průměr a 0,785 – Číslo PI děleno 4. Dosadíme naše hodnoty, zaokrouhlíme výsledek na setiny: (1,762*1,762)*0,785=2,44 mm. Přesnost získaných údajů závisí na hustotě vinutí a počtu závitů – čím více jich bude, tím přesnější bude výsledek. Pomocí této jednoduché metody můžete vypočítat průřez jednožilového kabelu.

Určení průřezu lanka

Ale co když je kabel vícežilový? Bude vyžadována hodnota průřezu jednoho z jader a vypočítá se pomocí výše uvedeného vzorce. Dále se plocha jednoho jádra vynásobí jejich počtem. No, například: plocha jádra je 0,2 mm, celkem je 15 jader Vynásobíme: 15 * 0,2 = 3 mm. Stává se však, že dráty v kabelu těsně nezapadají a mezi nimi se vytvoří mezera, kterou je třeba vzít v úvahu. Pokud taková mezera existuje, výsledek se vynásobí 0,9. Vezměme naše hodnoty: 3*0,9=2,7.

Je pravda, že tato metoda určení má své nevýhody – s její pomocí můžete zjistit pouze úseky malých velikostí. Opravdu by šlo omotat kolem tužky drátek o průřezu 6mm? náměstí Zde se samozřejmě neobejdete bez speciálního zařízení. Existují speciální tabulky se jmenovitým průřezem kabelů, jednožilových i vícežilových, a odpovídajícími hodnotami průměrů. Ale pro instalaci elektroinstalace ve vašem bytě bude zcela dostačující metoda tužky. Maloobchodní řetězec “Planet Electric” má velký sortiment kabelových a drátěných výrobků, které naleznete v našem katalogu.