Jak určit přípustný proud kabelu?

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“.

kde I nd je přípustné dlouhodobé proudové zatížení vodiče, kabelu nebo sběrnice za normálních instalačních podmínek (viz tabulka);
Kp je korekční faktor, který zohledňuje změny v podmínkách uložení vodičů a kabelů a rovná se součinu jednotlivých korekčních faktorů:

Korekční faktory berou v úvahu:
K 1 – skutečná okolní teplota;
K 2 – počet pracovních kabelů položených ve výkopu;
K 3 – podmínky pro krátkodobý nebo přerušovaný provoz elektrických přijímačů;
K 4 – průřez kabelu a jeho umístění při uložení do bloku;
K 5 – napětí kabelu při položení v bloku;
K 6 – celkové průměrné denní zatížení kabelů při uložení v bloku;
K 7 – pokládání kabelů ve dvou paralelních blocích stejné konfigurace;
K 8 – pokládání drátů v krabicích a podnosech;
K 9 – zvýšení přípustného zatížení kabelů na 10 kV v nouzovém režimu;
K 10 – uspořádání přípojnic na izolantech.
Přípustná dlouhodobá proudová zatížení vodičů a kabelů jsou uvedena v tabulkách pro topné podmínky při půlhodinovém maximálním proudovém zatížení, které je největší z průměrných půlhodinových proudových zatížení daného síťového prvku.

Korekce na okolní teplotu.
Normální okolní teplota při pokládání vodičů a kabelů ve vzduchu je +25°C a při pokládání kabelů do země nebo vody +15°C Pokud se skutečná teplota vzduchu nebo země liší od výše uvedených hodnot, je zaveden korekční faktor K 1, určeno z tabulky 4-32 v závislosti na normalizované teplotě vodičů, přípojnic nebo žil kabelů uvedených v tabulce. 4-33. Tento koeficient se doporučuje používat pouze v případech výrazné teplotní odchylky od normálu (oblasti Dálného severu, permafrost, tropy atd.).
Pro holé vodiče nadzemního elektrického vedení s napětím nad 1000 V se korekční faktor pro teplotu vzduchu neuplatňuje.

Úprava pro počet kabelů uložených ve společném výkopu.
Při pokládce více kabelů do společného výkopu se zavádí korekční faktor K2 stanovený podle tabulky. 4-21. Nezatížené záložní kabely se neberou v úvahu.
Pokud je část kabelů uložených ve společném výkopu plně zatížena a druhá část je zatížena pouze z 50 %, pak se při stanovení povoleného zatížení pro plně zatížené kabely berou koeficienty podle tabulky. 4-35.
Korekce pro přerušované a krátkodobé provozní režimy.
Pro opakovaný krátkodobý nebo krátkodobý provoz elektrických přijímačů se zavádí korekční faktor rovný:

kde PV je relativní doba trvání pracovní periody rovna poměru doby tр, kdy je elektrický přijímač zapnutý, k celkové době trvání cyklu přerušovaného režimu tc:

Zkratový činitel, který zohledňuje přerušovaný a krátkodobý provoz elektrických přijímačů, se zavádí pro měděné vodiče o průřezu nejméně 10 mm2 a hliníkové s průřezem nejméně 16 mm2 za předpokladu, že že doba provozu nepřesáhne 4 minuty a trvání následné pauzy není kratší než 6 minut.

Oprava pro kabely uložené v blocích.
Přípustná dlouhodobá proudová zatížení pro měděné třížilové kabely o průřezu 95 mm2 uložené v blocích pro napětí 10 kV v závislosti na konfiguraci bloku a umístění kabelu v bloku. Pro další podmínky uložení měděných kabelů v bloku jsou zavedeny korekční faktory: pro průřez kabelu – K 4, pro napětí – K 5 dle tabulky. 4-24, pro průměrné denní zatížení kabelů uložených v bloku – K 6 dle tabulky. 4-25 a za podmínky pokládky ve dvou blocích stejné konfigurace – K 7 dle tabulky. 4-26.

Korekce uložení vodičů do krabic a podnosů.
Při pokládce vodičů do krabic a žlabů ve svazcích se pro počet vodičů do 4 dle tabulky akceptují přípustná dlouhodobá proudová zatížení jako u vodičů uložených v potrubí.
Je-li počet současně zatížených vodičů větší než 4, uložených v trubkách, krabicích a žlabech ve svazcích, musí být zatížení vodičů uvažováno pro otevřenou instalaci (ve vzduchu) se zavedením korekčního faktoru K 8 rovného 0,68 pro pět až šest vodičů, pro sedm – devět vodičů 0,63 a pro 10-12 vodičů 0,6.
Proudové zatížení vodičů uložených v žlabech s jednořadou instalací (nikoli ve svazcích) je třeba brát jako u vodičů uložených ve vzduchu.

Dodatek pro kabely s papírovou izolací pracující v nouzových podmínkách.
Pro kabely s impregnovanou papírovou izolací s napětím do 10 kV včetně, pracující v běžném dlouhodobém režimu se zatížením nepřesahujícím 80 % dovoleného dlouhodobého topného proudu, po dobu odstranění havárie (nejdéle 5 dnů) je povoleno ve špičce (trvání ne více než 130 hodin) ) přetížení do 9 %, což je zohledněno zavedením koeficientu K 1,3 = XNUMX.

Oprava pneumatik, když jsou namontovány naplocho na izolátory.
Přípustná proudová zatížení pro pravoúhlé přípojnice s vertikálním uspořádáním na izolátorech jsou uvedeny v tabulce. 4-30. Když jsou přípojnice umístěny naplocho na izolátory, zavede se do dovoleného zatížení korekční faktor K 10, který se rovná 60 pro pneumatiky s šířkou pásu do 0,95 mm a 60 pro pneumatiky s šířkou pruhu větší než 0,92 mm.
U kabelů položených ve vzduchu jsou akceptována přípustná dlouhodobá proudová zatížení pro jasné vzdálenosti mezi kabely při jejich pokládání uvnitř a vně budov a v tunelech minimálně 35 mm a při pokládání v kanálech minimálně 50 mm pro libovolný počet položených kabelů . Dovolená dlouhodobá proudová zatížení jednotlivých kabelů uložených v zemi v potrubí bez umělé ventilace musí být akceptována jako u stejných kabelů uložených ve vzduchu.
Při pokládce smíšených kabelů jsou akceptována přípustná dlouhodobá proudová zatížení pro úsek trasy s nejhoršími tepelnými podmínkami, pokud je délka tohoto úseku větší než 10 m, v tomto případě s velkou celkovou délkou kabelové trasy , doporučuje se použít kabelovou vložku s větším průřezem, aby se nezvětšoval průřez kabelu po celé jeho délce.