Aby zapewnić długą i niezawodną obsługę kabla, należy go odpowiednio dobrać i obliczyć. Elektrycy, instalując okablowanie, najczęściej wybierają przekrój przewodów, opierając się głównie na doświadczeniu. Czasami prowadzi to do błędów. Obliczenie przekroju kabla jest konieczne przede wszystkim ze względu na bezpieczeństwo elektryczne. Błędem będzie, jeśli średnica przewodu będzie mniejsza lub większa niż wymagana.
Sekcja kabla zbyt niska
Ten przypadek jest najbardziej niebezpieczny, ponieważ przewodniki przegrzewają się z powodu dużej gęstości prądu, podczas gdy izolacja topi się i następuje zwarcie. Może to również zniszczyć sprzęt elektryczny, spowodować pożar, a pracownicy mogą zostać pod napięciem. Jeśli zainstalujesz wyłącznik automatyczny dla kabla, będzie on działał zbyt często, co spowoduje pewien dyskomfort.
Przekrój kabla jest wyższy niż wymagany
Tutaj główny czynnik jest ekonomiczny. Im większy przekrój drutu, tym jest droższy. Jeśli wykonasz okablowanie całego mieszkania z dużą marżą, będzie to kosztować dużą kwotę. Czasami wskazane jest wykonanie głównego wejścia o większym przekroju, jeśli spodziewany jest dalszy wzrost obciążenia sieci domowej.
Jeżeli ustawisz odpowiedni wyłącznik automatyczny dla kabla, następujące linie zostaną przeciążone, gdy którakolwiek z nich nie uruchomi swojego wyłącznika automatycznego.
Jak obliczyć rozmiar kabla?
Przed instalacją zaleca się obliczenie przekroju kabla w zależności od obciążenia. Każdy przewodnik ma określoną moc, która nie powinna być mniejsza niż moc podłączonych urządzeń elektrycznych.
Obliczanie mocy
Najprostszym sposobem jest obliczenie całkowitego obciążenia przewodu wejściowego. Obliczenie przekroju kabla zgodnie z obciążeniem sprowadza się do określenia całkowitej mocy odbiorców. Każdy z nich ma swój własny nominał, wskazany na etui lub w paszporcie. Wtedy całkowita moc jest mnożona przez współczynnik 0,75. Wynika to z faktu, że nie wszystkie urządzenia mogą być włączone jednocześnie. W celu ostatecznego określenia wymaganego rozmiaru stosuje się tabelę obliczeniową przekroju kabla.
Obliczanie przekroju kabla według prądu
Bardziej dokładną metodą jest obliczanie bieżącego obciążenia. Przekrój kabla oblicza się, określając przepływający przez niego prąd. Dla sieci jednofazowej stosuje się wzór:
Icalc.=P/(Unom∙cosφ),
gdzie P - moc obciążenia, Unom. - napięcie sieciowe (220 V).
Jeśli całkowita moc aktywnych obciążeń w domu wynosi 10kW, to prąd znamionowy Icalc.=10000/220 ≈ 46 A. Po przeliczeniu przekroju przewodu na prąd, dokonywana jest poprawka na warunki ułożenia przewodu (wskazane w niektórych specjalnych tabelach), a także przeciążenie podczas włączania urządzeń elektrycznych w przybliżeniu powyżej 5 A. W rezultacie Icalc.=46 + 5=51 A.
Grubość rdzeni jest określona w podręczniku. Obliczenie przekroju kabla za pomocą tabel ułatwia znalezienie odpowiedniego rozmiaru dla prądu ciągłego. W przypadku kabla trzyżyłowego ułożonego w domu przez powietrze, należy wybrać wartość w kierunku większego standardowego odcinka. Jest to 10mm2. Poprawność samodzielnego obliczenia można sprawdzić za pomocą kalkulatora internetowego - obliczania przekroju kabla, który można znaleźć w niektórych zasobach.
Podgrzewanie kabla podczas przepływu prądu
Gdy obciążenie jest uruchomione, w kablu wytwarza się ciepło:
Q=I2Rn w/cm, gdzie I to prąd, R to opór elektryczny, n to liczba rdzeni.
Z wyrażenia wynika, że ilość uwolnionej mocy jest proporcjonalna do kwadratu prądu płynącego przez przewód.
Obliczanie dopuszczalnego prądu zgodnie z temperaturą nagrzewania przewodu
Kabel nie może się nagrzewać w nieskończoność, ponieważ ciepło jest rozpraszane do otoczenia. W końcu następuje równowaga i ustalana jest stała temperatura przewodników.
Dla stałego procesu stosunek jest prawdziwy:
P=∆t/∑S=(tw - tav)/(∑S),
gdzie ∆t=tw-tav - różnica między temperaturą medium a rdzeniem, ∑S - odporność na temperaturę.
Długoterminowy dopuszczalny prąd przepływający przez kabel jest określany na podstawie wyrażenia:
Iadd=√((tadd - tav)/(Rn S))),
gdzie tdodatkowe - dopuszczalna temperatura ogrzewania rdzenia (w zależności od typu kabla i metody instalacji). Zwykle jest to 70 stopni w trybie normalnym i 80 w trybie awaryjnym.
Warunki rozpraszania ciepła przy uruchomionym kablu
Kiedy kabel jest układany w otoczeniu, rozpraszanie ciepła zależy od jego składu i wilgotności. Obliczoną rezystywność gruntu przyjmuje się zwykle na 120 Ohm∙°C/W (glina z piaskiem o wilgotności 12-14%). Dla wyjaśnienia należy znać skład podłoża, po czym można znaleźć odporność materiału zgodnie z tabelami. Aby zwiększyć przewodność cieplną, wykop jest pokryty gliną. Niedozwolona jest obecność w nim gruzu budowlanego i kamieni.
Przenikanie ciepła z kabla przez powietrze jest bardzo niskie. Pogarsza się jeszcze bardziej podczas układania w kanale kablowym, gdzie pojawiają się dodatkowe warstwy powietrza. Tutaj należy zmniejszyć bieżące obciążenie w porównaniu do obliczonego. W charakterystyce technicznej kabli i przewodów podana jest dopuszczalna temperatura zwarcia, która dla izolacji PVC wynosi 120°C. Opór gruntu wynosi 70% całości i jest główną wartością w obliczeniach. Z biegiem czasu przewodność izolacji wzrasta w miarę jej wysychania. Należy to uwzględnić w obliczeniach.
Spadek napięcia na kablu
Z uwagi na fakt, że przewodniki mają oporność elektryczną, część napięcia jest zużywana na ich nagrzewanie, a do konsumenta dociera mniej niż na początku przewodu. W rezultacie potencjał jest tracony na długości przewodu z powodu strat ciepła.
Kabel musi być nie tylko dobrany zgodnie z przekrojem, aby zapewnić jego wydajność, ale także brać pod uwagę odległość, na jaką przesyłana jest energia. Wzrost obciążenia prowadzi do wzrostu prądu płynącego przez przewodnik. Jednocześnie wzrastają straty.
Reflektory są zasilane małym napięciem. Jeśli nieznacznie się zmniejszy, jest to natychmiast zauważalne. Jeśli dobierzesz niewłaściwe przewody, żarówki znajdujące się dalej od zasilacza będą przyćmione. W każdej kolejnej sekcji napięcie ulega znacznemu obniżeniu, co znajduje odzwierciedlenie w jasności oświetlenia. Dlatego konieczne jest obliczenie przekroju kabla na całej długości.
Najważniejszym odcinkiem kabla jest odbiornik znajdujący się najdalej od reszty. Straty są brane pod uwagę głównie dla tego obciążenia.
Na odcinku L przewodu spadek napięcia wyniesie:
∆U=(Pr + Qx)L/Un,
gdzie P i Q to moc czynna i bierna, r i x to aktywna i reaktancja sekcji L, a Un - napięcie znamionowe, przy którym normalnie pracuje obciążenie.
Dopuszczalna U od źródeł zasilania do głównych wejść nie przekracza ±5% w przypadku oświetlenia budynków mieszkalnych i obwodów zasilania. Od wejścia do obciążenia straty nie powinny przekraczać 4%. W przypadku długich linii należy wziąć pod uwagę reaktancję indukcyjną kabla, która zależy od odległości między sąsiednimi przewodami.
Sposoby łączenia konsumentów
Obciążenia można łączyć na różne sposoby. Najczęstsze są następujące sposoby:
- na końcu sieci;
- konsumenci są równomiernie rozmieszczeni wzdłuż linii;
- linia z równomiernie rozłożonymi obciążeniami jest podłączona do przedłużonej sekcji.
Przykład 1
Moc urządzenia wynosi 4 kW. Długość kabla wynosi 20 m, rezystywność ρ=0,0175 Ohm∙mm2.
Prąd jest określany z zależności: I=P/Unom=4∙1000/220=18,2 A.
Następnie pobierana jest tabela obliczeń przekroju kabla i wybierany jest odpowiedni rozmiar. W przypadku drutu miedzianego będzie to S=1,5 mm2.
Wzór obliczania przekroju kabla: S=2ρl/R. Dzięki niemu można określić rezystancję elektryczną kabla: R=2∙0,0175∙20/1, 5=0,46 Ohm.
Ze znanej wartości R możemy wyznaczyć ∆U=IR/U∙100%=18,2100∙0,46/220∙100=3,8%.
Wynik obliczeń nie przekracza 5%, co oznacza, że straty będą akceptowalne. W przypadku dużych strat konieczne byłoby zwiększenie przekroju żył kabla poprzez wybór sąsiedniego, większego rozmiaru z zakresu standardowego - 2,5 mm2.
Przykład 2
Trzy obwody oświetleniowe są połączone równolegle ze sobą na jednej fazie linii trójfazowej o zrównoważonym obciążeniu, składającej się z czterożyłowego kabla 70 mm2 50 m długi i niosący prąd 150 A. Dla każdegolinie oświetleniowe o długości 20 m przewodzą prąd o natężeniu 20 A.
Straty międzyfazowe pod rzeczywistym obciążeniem wynoszą: ∆Ufaza=150∙0,05∙0,55=4,1 V. Teraz musisz określić stratę między przewodem neutralnym i fazy, ponieważ oświetlenie jest podłączone do napięcia 220 V: ∆Ufn=4, 1/√3=2, 36 V.
W jednym podłączonym obwodzie oświetleniowym spadek napięcia będzie wynosił: ∆U=18∙20∙0, 02=7, 2 V. Całkowite straty są określane przez sumę Utotal=(2, 4+7, 2)/230∙100=4,2%. Obliczona wartość jest poniżej dopuszczalnej straty, która wynosi 6%.
Wniosek
Aby chronić przewody przed przegrzaniem podczas długotrwałego obciążenia, za pomocą tabel, przekrój poprzeczny kabla jest obliczany zgodnie z długotrwałym dopuszczalnym prądem. Ponadto konieczne jest prawidłowe obliczenie przewodów i kabli, aby straty napięcia w nich nie były większe niż normalne. Jednocześnie sumuje się nimi straty w obwodzie mocy.
