Длительно-допустимый ток кабеля

Длительно-допустимый ток кабеля обозначает параметры токов, при которых наблюдается пиковый подъем температуры до своего максимума. На изменении данной характеристики больше всего влияет эксплуатационный режим, сечение токопроводника и наружные условия в плане влажности и температуры. Эти колебания происходят под воздействием данных факторов.
Содержание:

Причины нагрева кабеля

Для любой сети, проектируемой для бытового использования или на крупном промышленном объекте, обязательно потребуется грамотно рассчитать сечение кабельно-проводниковых элементов. Корректно выполнить данную работу поможет знание причин изменения температуры в проводниках.

Физическая природа такого явления, как электрический ток, заключается в четко направленном перемещении заряженных частиц, происходящем под влиянием электрополя. В рабочем процессе электроны вынуждены преодолевать существующие в кристаллической решетке внутренние связи на молекулярном уровне. Из-за этого наблюдается образование значительного количества тепловой энергии.

Как и у любого другого явления, есть как негативные, так и положительные аспекты подобного свойства. В различных устройствах, к примеру, утюгах, чайниках, печах, такой эффект положен в основу конструкции. А вот минусом становится угроза разрушения изоляции, что грозит поломкой и даже воспламенением техники. Каждая такая ситуация – это превышение установленного лимита длительной токовой нагрузкой.

К чрезмерному перегреву приводит:

Получить корректные данные требуемого сечения можно делением суммы номинальных мощностей потребителей энергии на показатель напряжения. После этого не составит труда определиться с сечением, используя таблицы.

Расчет длительно допустимого тока кабеля

Избежать слишком большого повышения температуры можно только при грамотном выборе кабеля. Нужный рабочий режим обеспечивает оптимальное сечение проводника.

Для выполнения данного условия особую важность имеют два критерия – потеря в пределах нормы напряжения и допускаемая величина нагревания. Первый параметр сказывается на состоянии воздушных коммуникаций, а второй – на магистралях под землей.

Важно учитывать, сила тока Ip была сопоставима с аналогичной величиной по нагреву Iд. Таким образом обеспечивается соответствие конкретного показателя температуры проводника, протекающему в нем определенное время, любому току. Последний параметр представляет собой рассматриваемую нами величину.

В ходе расчета длительно допустимого тока кабеля принимается во внимание наибольшая положительная температура наружной среды. Базовое значение характеристики последнего значения в таблицах ПУЭ для установок в помещениях и на улице берется в пределах 250°С, и для подземной прокладки не менее 70-80 см – 150 градусов.

Важный нюанс – намного быстрее и проще воспользоваться таблицами допустимых значений, чем формулами. Подобный метод будет оптимальным при потребности уточнить приспособленность кабеля к воздействию на участке цепи номинальной нагрузки.

Условия теплоотдачи

Данный процесс протекает с максимальной эффективностью при находящемся во влажной среде кабеле. На параметры большое влияние имеют структура почвы и содержание в ней влаги.

Наиболее корректные результаты получаются при точном определении состава грунта с уточнением его показателей сопротивления при помощи специальных таблиц. При необходимости уменьшить теплоотдачу делается изменение структуры засыпки и ее трамбовка. К примеру, глина обладает большей теплопроводностью, чем гравий и песок. Из этого следует, что вместо камней и шлака гораздо целесообразнее воспользоваться суглинком и похожим материалами.

Минимальные значение токовых нагрузок применяются в ситуациях с расположением проводников в кабель-каналах и других вариантах воздушных линий. Оптимальным методом для нормальной эксплуатации будет расчет для работы и обычном длительном режиме, и в аварийном. Кабеля ПВХ могут выдержать короткое замыкание с допустимой температурой в 1200°С, а с бумажным слоем изоляции – до 2000 градусов.

Существует обратная пропорциональная зависимость между температурным сопротивлением проводника и показателями теплоемкости наружной среды. При этом есть разница в условиях охлаждения изолированных и не имеющих оболочки проводов.

Во время расчета важно предусмотреть снижение длительности токовой нагрузки в каждой линии при нахождении в общей траншее сразу нескольких кабелей.

Длительно допустимый ток по ПУЭ

Особая система правил разработана для обеспечения безопасности в ходе всех мероприятий, касающихся электроэнергии. Последнее 7-е издание ПУЭ предусматривает регламент всех рабочих процессов, условия монтажа, профилактического обслуживания, ремонта и обеспечения безопасности персонала. Подробно описаны требования по допустимому длительному току для множества вариантов с разным сечением, используемым металлом, видом кабеля, способом укладки.

Все документы по безопасности находятся в 3-ей главе в разделе№1. Здесь рассмотрены все значения допустимого тока в таблицах 3. 1. 7. 4 – 3. 1. 7. 11.

Более наглядно можно понять все нюансы нормативов ПУЭ при построении стандартной таблицы с выполнением выделения подсетей и вычислением для них по отдельности наибольшего значения тока и мощности.

Таблица длительно допустимых токов для кабелей

Всегда следует помнить о порядке значимости определенных критериев при определении параметров сечения. Обычно следует определяться в такой последовательности:

Есть таблица, где указаны длительно допустимые токи для медных кабелей в изделиях с изоляционным слоем ПВХ, а также с другими видами покрытия.

На практике нередко отдается предпочтение алюминию, как более дешевому варианту монтажа. Для подобных случаев производится свой расчет, который определяет допустимый длительный ток для алюминиевого кабеля с необходимым уровнем параметров точности.

Вся изложенная в ПУЭ информация стала основой для составления таблиц для с множеством различных вариантов подбора нужных токопроводников, используемых для видео- и звуковых устройств, образцов с повышенной устойчивостью к возгораниям, кабелей речевого оповещения, стационарных линий на бытовых и промышленных объектах.

Источник

От чего зависит длительно допустимый ток кабеля

Переходный процесс

Для начала рассмотрим обычный цилиндрический проводник длиной L, диаметром d, площадью поперечного сечения F, сопротивлением R, объемом V, равным, очевидно, F*L, по которому течет ток I, удельная теплоемкость металла, из которого изготовлен проводник — C, масса проводника равна

где Ω — плотность металла проводника, S = пи*d*L – площадь боковой стенки, через которую происходит охлаждение, Тпр — текущая температура проводника, Т0 — температура окружающей среды, и, соответственно, T = Тпр — Т0 — изменение температуры. Ктп — коэффициент теплопередачи, численно характеризующий количество теплоты, передаваемое с единицы поверхности проводника за 1 секунду при разности температур в 1 градус.

На рисунке показаны графики изменения тока и температуры в проводнике с течением времени. С момента времени t1 до момента времени t3, по проводнику протекал ток I.

Здесь можно видеть, как после включения тока температура проводника постепенно повышается, и в момент времени t2 она перестает нарастать, стабилизируется. Но после отключения тока в момент времени t3, температура начинает постепенно спадать, и в момент времени t4 она снова становится равна исходному значению (T0).

Так, можно записать для процесса нагрева проводника уравнение теплового баланса, дифференциальное уравнение, где будет отражено, что тепло, выделившееся на проводнике, частично поглощается самим проводником, а частично — отдается окружающей среде. Вот это уравнение:

В левой части уравнения (1) — количество теплоты, выделившееся в проводнике за время dt, прохождения по нему тока I.

Первое слагаемое в правой части уравнения (2) — количество теплоты, поглощенное материалом проводника, от которого температура проводника увеличилась на dT градусов.

Второе слагаемое правой части уравнения (3) — количество теплоты, которое было передано от проводника окружающей среде за время dt, и оно связано с площадью поверхности проводника S и с разницей температур Т через коэффициент теплопроводности Ктп.

Сначала, при включении тока, все выделяющееся в проводнике тепло идет на нагрев непосредственно проводника, что и приводит к росту его температуры, и это связано с теплоемкостью С материала проводника.

С ростом температуры разность температур Т между самим проводником и окружающей средой соответственно увеличивается, и выделяющееся тепло частично идет уже и на повышение температуры окружающей среды.

Когда температура проводника достигает установившегося стабильного значения Туст, в этот момент все выделяющееся с поверхности проводника тепло передается окружающей среде, поэтому температура проводника больше не растет.

Решением дифференциального уравнения теплового баланса будет:

На практике сей переходный процесс длится не более трех постоянных времени (3*τ), и через это время температура достигает 0,95*Туст. Когда переходный процесс нагрева прекращается, уравнение теплового баланса упрощается, и установившуюся температуру можно легко выразить:

Длительно допустимый ток

Теперь можно подойти к тому, какого именно значения ток представляется длительно допустимым током для проводника или кабеля. Очевидно, для каждого проводника или кабеля есть определенная нормальная длительная температура, согласно его документации. Это такая температура, при которой кабель или провод может без вреда для себя и для окружающих находиться непрерывно и долго.

Из приведенного выше уравнения становится ясно, что такой температуре ставится в соответствие конкретное значение тока. Этот ток и называется длительно допустимым током кабеля. Это такой ток, который при прохождении по проводнику в течение длительного времени (более трех постоянных времени) нагревает его до допустимой, то есть нормальной температуры Тдд.

Здесь: Iдд — длительно допустимый ток проводника; Тдд — допустимая температура проводника.

Для решения практических задач удобнее всего длительно допустимый ток определять по специальным таблицам из ПУЭ.

В случае короткого замыкания через проводник течет значительный ток короткого замыкания, который может существенно нагреть проводник, превысив его нормальную температуру. По этой причине для проводников характерно минимальное сечение исходя из условия кратковременного нагрева проводника током короткого замыкания:

Здесь: Iк — ток короткого замыкания в амперах; tп — приведенное время действия тока короткого замыкания в секундах; С — коэффициент, который зависит от материала и конструкции проводника, и от кратковременно допустимой температуры.

Связь с сечением

Теперь посмотрим, как зависит длительно допустимый ток от сечения проводника. Выразив площадь боковой стенки через диаметр проводника (формулы в начале статьи), приняв, что сопротивление связано с площадью сечения и удельным сопротивлением материала проводника, и подставив всем известную формулу для сопротивления в формулу для Iдд, приводимую выше, получим для длительно допустимого тока Iдд формулу:

Легко видеть, что связь длительно допустимого тока проводника Iдд с сечением F отнюдь не прямо пропорциональная, здесь площадь сечения возведена в степень ¾, а это значит, что длительно допустимый ток возрастает медленнее, чем сечение проводника. Остальные константы, такие как удельное сопротивление, коэффициент теплопередачи, допустимая температура — для каждого проводника индивидуальны по определению.

На самом деле, так и есть, зависимость не может быть прямой, ведь чем сечение проводника оказывается больше, тем более ухудшаются условия охлаждения внутренних слоев проводника, потому и допустимая температура достигается при меньшей плотности тока.

Если во избежание перегрева использовать проводники увеличенного сечения, это приведет к перерасходу материала. Гораздо выгоднее применять несколько проводников небольшого сечения, уложенных параллельно, то есть использовать многожильные проводники или кабели. А связь длительно допустимого тока и площади сечения в целом получается вот такой:

Ток и температура

Для расчета температуры проводника при известном токе и заданных внешних условиях, рассматривают установившийся режим, когда температура проводника достигла значения Туст, и больше не растет. Исходные данные — ток I, коэффициент теплопередачи Ктп, сопротивление R, площадь боковой стенки S, температура окружающей среды Т0:

Аналогичный расчет для длительно допустимого тока:

Здесь за Т0 принимают расчетную температуру окружающей среды, например +15°C для прокладки под водой и в земле, или +25°C для прокладки на открытом воздухе. Результаты таких расчетов приводятся в таблицах длительно допустимых токов, и для воздуха принимают температуру в +25°C, поскольку это средняя температура наиболее жаркого месяца.

Разделив первое уравнение на второе, и выразив температуру проводника, можно получить формулу для нахождения температуры проводника при токе, отличном от длительно допустимого, и при заданной температуре окружающей среды, если длительно допустимый ток и длительно допустимая температура известны, и не нужно прибегать к использованию других констант:

Из данной формулы видно, что превышение температуры оказывается пропорционально квадрату тока, и если ток возрастет в 2 раза, то превышение температуры возрастет в 4 раза.

Если внешние условия отличаются от расчетных

В зависимости от реальных внешних условий, которые могут отличаться от расчетных в зависимости от способа прокладки, например несколько параллельно расположенных проводников (кабель) или прокладка в земле при другой температуре, требуется корректировка предельно допустимого тока.

Тогда вводят поправочный коэффициент Кт, на который домножают длительно допустимый ток при известных (табличных) условиях. Если внешняя температура ниже расчетной, то коэффициент больше единицы, если выше расчетной, то, соответственно, и Кт меньше единицы.

При прокладке нескольких параллельных проводников очень близко друг к другу, они станут друг друга дополнительно подогревать, но только при условии неподвижной внешней среды вокруг. Реальные условия зачастую располагают к тому, что окружающая среда подвижна (воздух, вода), и конвекция приводит к охлаждению проводников.

Если же среда почти неподвижна, например при прокладке в трубе под землей или в коробе, то взаимный подогрев вызовет снижение длительно допустимого тока, и тут нужно снова ввести поправочный коэффициент Кn, который приводится в документации к кабелям и проводам.

Источник

Допустимый ток кабеля

Чтобы правильно провести проектирование электрической проводки, изучается длительно-допустимый ток кабеля. От правильности сделанных расчетов зависит уровень безопасности жилища. Чтобы разобраться в вопросе, стоит определиться с терминологией, проанализировать факты нагрева и свериться с таблицей расчета показателя отдельно для алюминиевых и медных проводов.

Что такое длительно-допустимый ток кабеля

Если взять стандартный кабель с хорошей проводимостью и подключить его в сеть, он не проведет высокий ток, поскольку есть связь с характеристиками. Так к большим агрегатам подключаются толстые провода, а для игрушечного моторчика хватит тоненькой жилы. Электроустановка может быть запитана при учете следующих параметров:

Проводник во время эксплуатации сталкивается с одной проблемой — это нагрев. Допустимый ток — это величина, при которой кабель способен выдерживать нагрузку длительное время. Когда правило не соблюдается, следуют последствия:

Важно! Также не стоит забывать про вероятность короткого замыкания.

Факторы нагрева

По ПУЭ длительно-допустимые токовые нагрузки кабелей не приводят к повышению температур. К основным причинам нагрева проводников относят следующее:

Также стоит учитывать природу электрического тока. Когда оборудование подключится к сети, по нему быстро двигаются электроны. Вокруг образуется электрическое поле, поэтому процесс является контролируемым. В то же время на пути электронов стоит небольшая преграда — кристаллическая решетка металлов. Даже начинающие электрики догадаются, что она отличается высокой прочностью.

К сведению! Если посмотреть в микроскоп, молекулы расположены близко друг к другу. Когда частицы проходят соединения, наблюдается выделение тепла.

Какой максимальный и минимальный длительно-допустимый ток

Прежде чем устанавливать оборудование дома либо на работе, стоит узнать максимально-допустимый ток для медных проводов. Рассматривая варианты с резиновой изоляцией, показатель максимума доходит до 830 А. В случае использования медных жил показатель сокращается до 645 А. У некоторой продукции применяется металлическая защитная оболочка. По данной категории показатель равен 605 А.

Допустимая длительная токовая нагрузка вводного провода со свинцовой изоляцией 465 А. Когда электрик берет медный провод с оболочкой из полиэтилена, параметр увеличивается и равняемся 704 А.

Как правильно рассчитать

Допустимая нагрузка на кабель рассчитывается после определения сопротивления по формуле: R = Рот * L / S.

Если детально рассматривать каждый показатель, то сопротивление можно высчитать, если взять удельное сопротивление, умножить его на длину провода и разделить на сеченые. Общее сопротивление, естественно, измеряется в Омах. Удельное сопротивление вносится в формулу: Ом * мм ^ 2 / м. Длина проводников должна быть в метрах, а сечение в квадратных метрах.

Чтобы разобраться, лучше перейти к практике. Допустим, к компрессору надо подключить провод, на столе имеется только алюминиевая заготовка. Параметры:

Для расчета сопротивления 0,028 умножают на 100 и делят на 10, выходит 0,18 Ом. Далее остается узнать коэффициент потери напряжения. Для этого применяется формула: Duo = I * R.

Обратите внимание! Потерю напряжения получится найти, если перемножить ток на сопротивление.

Таблицы допустимых токов

Таблица токовых нагрузок для разных типов кабелей отображена ниже. В первую очередь стоит взглянуть на распространённые варианты с медными жилами, которые используются с резиновой изоляцией.

Верхний предел жил из меди

В случае с алюминиевыми жилами данные несколько ниже, хотя используется все та же резиновая изоляция.

Показатели жил из алюминия

В строительной сфере активно применяются гибкие кабели с резиновой изоляцией. Данные о длительном допустимом токе отображены в таблице.

Верхний предел у гибких проводов

Если рассматривается электрифицированный транспорт, применяются только провода с медными жилами. Показатель тока зависит от сечения.

Номинальные показатели по электрифицированному транспорту

В земле принято прокладывать кабеля с бумажной изоляцией. У них очень высокий показатель допустимого тока, данные видны ниже.

Допустимая нагрузка при бумажной изоляции

Бумажная изоляция также встречается у проводов, которые прокладываются в воздухе. Показатель предельного тока несколько ниже. Подобранные данные занесены в таблицу.

Показатели проводов в бумажной изоляции

В земляных траншеях алюминиевый кабель готов к серьёзным нагрузкам. Параметр допустимого тока отображен в таблице.

Расчеты перегрузки для алюминиевого кабеля

Таблица перегрузки алюминиевого провода в воздухе

Пластмассовая изоляция делает продукцию доступной, но не стоит надеяться на большие параметры сопротивления.

Если в пластиковую изоляцию поместить алюминиевые жилы, то предельный ток максимум составит 515 А.

Параметры нагрузки с пластиковой изоляцией

При напряжении 6 кВ вышеуказанный алюминиевый провод не готов к большим нагрузкам.

Перегрузки при напряжении 6 кВ

Выше рассмотрены таблицы предельно допустимых токов по нагреву кабеля и формулы расчета. Приведены варианты с разными жилами и изоляцией. По этим данным легко вычислить искомое, чтобы не допустить КЗ.