Расчёт площади сечения и длительно допустимого тока кабеля

6

Сечения проводов и жил кабелей выбирают
в зависимости от ряда технических и
экономических факторов. Технические
факторы, влияющие на выбор сечений,
следующие:

  1. Нагрев
    от длительного выделения тепла рабочим
    (расчётным) током ():

а) Для кабельных линий (КЛ) сечение
выбирают по таблицам ПУЭ, которые
учитывают температуру жилы кабеля
нагревающей изоляцию проводников.

б) Для воздушных линий (ВЛ) сечение
выбирают по таблицам ПУЭ, которые
учитывают допустимую температуру
нагрева проводов, т.к. от неё зависит
механическая прочность проводников.

Выбираемое
сечение обычно должно быть больше
расчётного. По таблицам берут сечение,
допускающее ближайший больший или
одинаковый ток по сравнению с расчётным.

  1. Нагрев
    от кратковременного выделения тепла
    током короткого замыкания:

а) КЛ. Выбор осуществляют по количеству
тепла, выделяемого за определённое
время и вызывающего нагрев жилы кабеля.

б) ВЛ. При прохождении тока КЗ выделяется
большое количество теплоты, которое
снижает механическую прочность проводов.

Сечение выбирают ближайшее меньшее по
сравнению с расчётным значением.

  1. Потери
    (падение) напряжения в линиях от
    проходящего по ним тока в нормальном
    и аварийном режимах имеют одинаковое
    значение, как для кабельных, так и для
    воздушных линий и различаются только
    разными значениями их индуктивного и
    ёмкостного сопротивлений.

  2. Механическая
    прочность — устойчивость к механической
    нагрузке (собственная масса, гололед,
    ветер):

а) КЛ. Механическая прочность жил кабеля
определяется механической нагрузкой
на жилы и оболочку кабеля от полной
собственной массы кабеля при его
прокладке, протяжке и подвеске
. Нагрузку
учитывают при проектировании прокладки
кабеля; она определяет минимально
допустимое сечение жил кабеля и типа
его исполнения (приводится в справочной
литературе).

б) ВЛ. Сечение проводов воздушных линий
по механической прочности выбирают в
зависимости от собственной массы, а
также от силы ветра и массы гололеда,
возможных в данном географическом
районе.

  1. Коронирование
    — фактор, зависящий от применяемого
    напряжения, сечения провода и окружающей
    среды. Коронный разряд происходит в
    резко неоднородном поле и начинается
    у электрода с малым радиусом кривизны
    (жилы кабеля или провода) при напряженности
    поля, равной критической
    . Увеличение
    радиуса кривизны приводит к снижению
    напряженности поля и предотвращению
    коронирования.

а) КЛ. Коронный разряд в изоляции кабелей
приводит к разложению изоляции и в
дальнейшем к пробою её. Поэтому сечение
жил кабеля выбирают для случая полного
отсутствия коронирования.

б) ВЛ. Коронный разряд приводит к
увеличению потерь электроэнергии на
коронирование. Поэтому выбор сечения
проводов ВЛ производят по условию
отсутствия коронирования при хорошей
погоде.

  1. Экономическая
    целесообразность. Сечение должно
    выбираться по годовым затратам в
    соответствии с расчётом
    . При выборе
    сечения принимают ближайшее меньшее
    стандартное по отношению к расчётному
    (нестандартному) сечению.

Выбор стандартного сечения проводника

При выборе стандартного сечения исходят
из следующего:

1)При выборе сечения по
термической стойкости
выбирают ближайшее меньшее сечение,
т.к. метод расчёта содержит повышенный
процент ошибки, в сторону превышения
сечений.

2)Выбор сечения по
механической прочностидля КЛ производят без расчётов, т.к.
самое малое (начальное в таблице) сечение
является механически стойким. Для ВЛ
выбирают ближайшее большее стандартное
сечение.

3)Выбор сечения по условиям
короныпроизводят без расчётов, для проводов
ВЛ выбирают ближайшее большее сечение,
для КЛ кабели выпускаются на каждое
стандартное напряжение.

4)По потерям напряжениявыбирают ближайшее большее сечение. В
некоторых случаях, когда расчётное
сечение близко к стандартному, можно
принять и меньшее (например, полученное
расчётное сечение равно
36,5 мм2; можно принять сечение35 мм2, на основании
конкретных данных о достоверности
электрических нагрузок, положенных в
основу расчёта).

5)При выборе сечения по
нагревувыбирают ближайшее большее сечение.
Однако не следует стремиться повышать
сечение без достаточных на то оснований.

6)После того как определено
минимально допустимое сечение провода
по техническим условиям
,его сравнивают с экономически
целесообразным сечением.

По
правилам устройства электроустановок
(ПУЭ) выбор сечения проводника производят
по экономической плотности тока:

(4.1)

где
— экономически целесообразное сечение
проводника;— расчётный ток;— экономическая плотность тока.

В данной
методике не учитывается экономическая
оценка эффективности (см. рис. 1),
определяемая выражением:

(4.2)

где
— годовые затраты, тыс. руб.;— годовые эксплуатационные расходы,
тыс. руб.: суммарная стоимость потерь
электроэнергии, амортизационных
отчислений, стоимости ремонта и
эксплуатации;— годовые капитальные затраты с учётом
нормативного коэффициента.

Рис. 1.
Функциональная зависимость годовых
затрат от сечения проводников.

При ремонте и проектировании электрооборудования появляется необходимость правильно выбирать провода. Можно воспользоваться специальным калькулятором или справочником. Но для этого необходимо знать параметры нагрузки и особенности прокладки кабеля.

Для чего нужен расчет сечения кабеля

К электрическим сетям предъявляются следующие требования:

  • безопасность;
  • надежность;
  • экономичность.

Если выбранная площадь поперечного сечения провода окажется маленькой, то токовые нагрузки на кабели и провода будут большими, что приведет к перегреву. В результате может возникнуть аварийная ситуация, которая нанесет вред всему электрооборудованию и станет опасной для жизни и здоровья людей.

Если же монтировать провода с большой площадью поперечного сечения, то безопасное применение обеспечено. Но с финансовой точки зрения будет перерасход средств. Правильный выбор сечения провода – это залог длительной безопасной эксплуатации и рационального использования финансовых средств.

Осуществляется расчет сечения кабеля по мощности и току. Рассмотрим на примерах. Чтобы определить, какое сечение провода нужно для 5 кВт, потребуется использовать таблицы ПУЭ ( “Правила устройства электроустановок”). Данный справочник является регламентирующим документом. В нем указывается, что выбор сечения кабеля производится по 4 критериям:

  1. Напряжение питания (однофазное или трехфазное).
  2. Материал проводника.
  3. Ток нагрузки, измеряемый в амперах (А), или мощность – в киловаттах (кВт).
  4. Месторасположение кабеля.

В ПУЭ нет значения 5 кВт, поэтому придется выбрать следующую большую величину – 5,5 кВт. Для монтажа в квартире сегодня необходимо использовать провод из меди. В большинстве случаев установка происходит по воздуху, поэтому из справочных таблиц подойдет сечение 2,5 мм². При этом наибольшей допустимой токовой нагрузкой будет 25 А.

В вышеуказанном справочнике регламентируется ещё и ток, на который рассчитан вводный автомат (ВА). Согласно “Правилам устройства электроустановок”, при нагрузке 5,5 кВт ток ВА должен равняться 25 А. В документе указано, что номинальный ток провода, который подходит к дому или квартире, должен быть на порядок больше, чем у ВА. В данном случае после 25 А находится 35 А. Последнюю величину и необходимо брать за расчетную. Току 35 А соответствуют сечение 4 мм² и мощность 7,7 кВт. Итак, выбор сечения медного провода по мощности завершен: 4 мм².

Чтобы узнать, какое сечение провода нужно для 10 кВт, опять воспользуемся справочником. Если рассматривать случай для открытой проводки, то надо определиться с материалом кабеля и с питающим напряжением. Например, для алюминиевого провода и напряжения 220 В ближайшая большая мощность будет 13 кВт, соответствующее сечение – 10 мм²; для 380 В мощность составит 12 кВт, а сечение – 4 мм².

Выбираем по мощности

Перед выбором сечения кабеля по мощности надо рассчитать ее суммарное значение, составить перечень электроприборов, находящихся на территории, к которой прокладывают кабель. На каждом из устройств должна быть указана мощность, возле нее будут написаны соответствующие единицы измерения: Вт или кВт (1 кВт = 2019 Вт). Затем потребуется сложить мощности всего оборудования и получится суммарная.

Если же выбирается кабель для подключения одного прибора, то достаточно информации только о его энергопотреблении. Можно подобрать сечения провода по мощности в таблицах ПУЭ.

Таблица1. Подбор сечения провода по мощности для кабеля с медными жилами

Таблица2. Подбор сечения провода по мощности для кабеля с алюминиевыми жилами

Кроме того, надо знать напряжение сети: трехфазной соответствует 380 В, а однофазной – 220 В.

В ПУЭ дана информация и для алюминиевых, и для медных проводов. У обоих есть свои преимущества и недостатки. Достоинства медных проводов:

  • высокая прочность;
  • упругость;
  • стойкость к окислению;
  • электропроводность больше, чем у алюминия.

Недостаток медных проводников – высокая стоимость. В советских домах использовалась при постройке алюминиевая электропроводка. Поэтому если происходит частичная замена, то целесообразно поставить алюминиевые провода. Исключение составляют только те случаи, когда вместо всей старой проводки (до распределительного щита) устанавливается новая. Тогда есть смысл применять медь. Недопустимо, чтобы медь с алюминием контактировали напрямую, т. к. это приводит к окислению. Поэтому для их соединения используют третий металл.

Можно самостоятельно произвести расчет сечения провода по мощности для трехфазной цепи. Для этого надо воспользоваться формулой: I=P/(U*1.73), где P – мощность, Вт; U – напряжение, В; I – ток, А. Затем из справочной таблицы выбирается сечение кабеля в зависимости от рассчитанного тока. Если же там не будет необходимого значение, тогда выбирается ближайшее, которое превышает расчетное.

Как рассчитать по току

Величина тока, проходящего через проводник, зависит от длины, ширины, удельного сопротивления последнего и от температуры. При нагревании электрический ток уменьшается. Справочная информация указывается для комнатной температуры (18°С). Для выбора сечения кабеля по току используют таблицы ПУЭ.

Таблица3. Электрический ток для медных проводов и шнуров с резиновой и ПВХ-изоляцией

Для расчета алюминиевых проводов применяют таблицу.

Таблица4. Электрический ток для алюминиевых проводов и шнуров с резиновой и ПВХ-изоляцией

Кроме электрического тока, понадобится выбрать материал проводника и напряжение.

Для примерного расчета сечения кабеля по току его надо разделить на 10. Если в таблице не будет полученного сечения, тогда необходимо взять ближайшую большую величину. Это правило подходит только для тех случаев, когда максимально допустимый ток для медных проводов не превышает 40 А. Для диапазона от 40 до 80 А ток надо делить на 8. Если устанавливают алюминиевые кабели, то надо делить на 6. Это объясняется тем, что для обеспечения одинаковых нагрузок толщина алюминиевого проводника больше, чем медного.

Расчет сечения кабеля по мощности и длине

Длина кабеля влияет на потерю напряжения. Таким образом, на конце проводника напряжение может уменьшится и оказаться недостаточным для работы электроприбора. Для бытовых электросетей этими потерями можно пренебречь. Достаточно будет взять кабель на 10-15 см длиннее. Этот запас израсходуется на коммутацию и подключение. Если концы провода подсоединяются к щитку, то запасная длина должна быть еще больше, т. к. будут подключаться защитные автоматы.

При укладке кабеля на большие расстояния приходиться учитывать падение напряжения. Каждый проводник характеризуется электрическим сопротивлением. На данный параметр влияют:

  1. Длина провода, единица измерения – м. При её увеличении растут потери.
  2. Площадь поперечного сечения, измеряется в мм². При ее увеличении падение напряжения уменьшается.
  3. Удельное сопротивление материала (справочное значение). Показывает сопротивление провода, размеры которого 1 квадратный миллиметр на 1 метр.

Падение напряжения численно равняется произведению сопротивления и тока. Допустимо, чтобы указанная величина не превышала 5%. В противном случае надо брать кабель большего сечения. Алгоритм расчета сечения провода по максимальной мощности и длине:

  1. В зависимости от мощности P, напряжения U и коэффициента cosф находим ток по формуле: I=P/(U*cosф). Для электросетей, которые используются в быту, cosф = 1. В промышленности cosф рассчитывают как отношение активной мощности к полной. Последняя состоит из активной и реактивной мощностей.
  2. С помощью таблиц ПУЭ определяют сечение провода по току.
  3. Рассчитываем сопротивление проводника по формуле: Rо=ρ*l/S, где ρ – удельное сопротивление материала, l – длина проводника, S – площадь поперечного сечения. Необходимо учесть ток факт, что ток идет по кабелю не только в одну сторону, но и обратно. Поэтому общее сопротивление: R = Rо*2.
  4. Находим падение напряжения из соотношения: ΔU=I*R.
  5. Определяем падение напряжения в процентах: ΔU/U. Если полученное значение превышает 5%, тогда выбираем из справочника ближайшее большее поперечное сечение проводника.

Открытая и закрытая прокладка проводов

В зависимости от размещения проводка делится на 2 вида:

  • закрытая;
  • открытая.

Сегодня в квартирах монтируют скрытую проводку. В стенах и потолках создаются специальные углубления, предназначенные для размещения кабеля. После установки проводников углубления штукатурят. В качестве проводов используют медные. Заранее всё планируется, т. к. со временем для наращивания электропроводки или замены элементов придется демонтировать отделку. Для скрытой отделки чаще используют провода и кабели, у которых плоская форма.

При открытой прокладке провода устанавливают вдоль поверхности помещения. Преимущества отдают гибким проводникам, у которых круглая форма. Их легко установить в кабель-каналы и пропустить сквозь гофру. Когда рассчитывают нагрузку на кабель, то учитывают способ укладки проводки.