В помощь начинающим

От чего зависит длительно допустимый ток кабеля

By Feb 2, 2023

Кабель сделан из проводника, который является неоднородным и в нем происходят процессы потерь тепла, которые являются зависимостью от материала, длины кабеля и силы тока. Напряжение на кабеле по правилам безопасности не должно превышать допустимого значения, что дает основу для вычисления допустимого тока.

Главная идея данной статьи – это связь между нагревом и охлаждением проводника, его температурой, сопротивлением и сечением. Проводники, подвергающиеся процессу нагрева и охлаждения, эффективно передают ток и определяют температуру при постоянном сопротивлении и сечении. Поэтому, проанализировав множество параметров, мы можем проанализировать, как изменение одного параметра влияет на другие.

Ток, допустимый для проводника при заданных условиях, вычисляется по формуле:

Переходный процесс

Для рассчета допустимого тока, протекающего через проводник длиной L, диаметром d, площадью поперечного сечения F, сопротивлением R, объемом V, равным F*L, необходимо предварительно вычислить плотность металла проводника Ω, массу m = V*Ω, площадь стенки S = пи*d*L и разницу между текущей температурой проводника Тпр и температурой окружающей среды Т0. Затем допустимый ток вычисляется по формуле:

КТП – это коэффициент теплопередачи, позволяющий оценить количество тепла, передаваемого с единицы поверхности проводника за 1 секунду при разности температур в 1 градус. Таким образом, КТП позволяет оценить способность конкретного проводника передавать тепло.

По графику становится очевидно, что ток в проводнике зависит от превышения температуры над температурой окружающей среды, а значит, температура влияет на силу тока.

На иллюстрации изображены графики изменения тока и температуры в проводнике во время процесса. Из графиков видно, что ток зависит от интенсивности температуры над окружающей средой, то есть температура существенно влияет на мощность тока.

С момента времени t1 до момента времени t3 по проводнику шел ток I.

Когда ток включается, можно наблюдать, как температура проводника плавно поднимается и по достижении момента времени t2 достигает плато и стабилизируется.

После отключения тока в момент времени t3, температура начинает медленно убывать и в момент времени t4 достигает исходного значения (T0).

При нагреве проводника можно воспользоваться уравнением теплового баланса, которое является дифференциальным уравнением. В нем будет отражено, что тепло выделенное на проводнике будет частично поглощаться им самим, а частично отдаваться окружающей среде.

В правой части уравнения (1) выражено количество теплоты, передаваемое от проводника в окружающую среду.

Рассмотрим уравнение (1):

В нем представлено количество теплоты, выделяемое проводником за один проход тока I за время dt, которое передается в окружающую среду.

Это выражается следующим образом:

Во втором слагаемом уравнения (2) указывается количество теплоты, выделенное проводником при понижении температуры на dT градусов. Оно имеет вид:

Электрикам известно, что первое слагаемое в правой части уравнения (2) – это количество теплоты, поглощенное материалом проводника, из-за чего его температура увеличилась на dT градусов. Это представлено следующим образом:

А во втором слагаемом уравнения (2) находится количество теплоты, выделенное проводником при понижении температуры на dT градусов. Оно задается следующим образом:

Второе слагаемое в уравнении (3) отражает количество теплоты, которое было передано от проводника к окружающей среде в течение времени dt. Это количество зависит от площади поверхности проводника S и разницы температур Т, а также от коэффициента теплопроводности Ктп.

При подключении тока, тепло, выделяющееся в проводнике, идет на нагрев его самого, что ведет к повышению его температуры из-за теплоемкости материала, из которого он сделан.

С увеличением температуры, разность температур Т между проводником и окружающей средой постепенно возрастает, в результате чего отделяется тепло, часть которого идет на повышение температуры окружающей среды.

Когда температура проводника достигает стабильного значения Туст, все тепло, выделяющееся с его поверхности, будет передаваться окружающей среде, из-за чего температура проводника не будет увеличиваться.

Вывод: решением дифференциального уравнения теплового баланса является функция, представленная на рисунке ниже:

Эта функция описывает зависимость температуры от времени в переходном процессе. Она указывает, что через 3*τ время температура достигает 0,95*Туст.

Ответом на дифференциальное уравнение теплового баланса становится функция, представленная на визуальном изображении ниже:

Она объясняет зависимость температуры от времени в процессе перехода. Таким образом, по истечении 3*τ времени температура достигнет 0,95*Туст.

В этом случае рассмотрим конкретные пределы для допустимого значения тока. Длительно допустимый ток равен максимальной постоянной силе тока, которую проводник или кабель могут выдержать без повреждения своей изоляции.

Когда переходный процесс нагрева прекращается, уравнение теплового баланса становится чаще всего простым и установившуюся температуру можно легко выразить:

Длительно допустимый ток

Теперь мы можем определить допустимое значение тока, которое может пройти через проводник или кабель. Для этого рассмотрим ограничения для длительно допустимого потока тока. Длительно допустимый ток равен максимальному постоянному току, который может протекать через проводник или кабель, не приводя к повреждению изоляции.

Однако при перегрузке проводника, температура может увеличиваться значительно.

Для проводников и кабелей есть определенные нормативные длительные температуры. Однако, при перегрузке электрических проводников и кабелей, температура может значительно возрасти. Необходимо проверять и контролировать температуру при установке и в процессе эксплуатации, чтобы избежать повреждения на продолжительный срок.

Работа каждого электрика начинается с определения температурного режима для кабеля или провода. Это параметр, который говорит о том, насколько высокие температуры можно допустить без вреда для провода и окружающих. В целях безопасности необходимо провести расчеты, чтобы убедиться, что температурный режим поддерживается для длительной эксплуатации. Эту закономерность используют электрики при подключении приборов и проводке проводов. Например, чтобы правильно подключить электрооборудование и предотвратить перегрузку и перегрев, мы должны понимать, как меняется сопротивление при различных температурах.

Работая с электричеством, электрики используют закономерность, выраженную в приведенном выше уравнении. Это позволяет нам определить необходимое значение тока при определенной температуре. Таким образом, мы можем правильно подключить электрооборудование и защитить его от перегрузки и перегрева, понимая, как меняется сопротивление в зависимости от температуры.

Этот ток, который называется длительно допустимым током кабеля, предназначен для длительного и безопасного использования.

Это называется постоянным током. Он протекает по проводнику в течение длительного времени (более трех постоянных времени), при этом нагревая его до допустимой температуры, что может быть определено как нормальное значение Тдд.

При проектировании электрической схемы важно учитывать Iдд и Тдд проводника. Iдд – это максимально допустимый ток проводника, а Тдд – максимально допустимая температура проводника.

Чтобы предотвратить перегрев или перегрузку электрических систем, необходимо обеспечить правильное выбора исходных данных для проектирования.

Для решения практических задач самым простым способом определить допустимый длительный ток является использование специальных таблиц из ПУЭ. Длительно допустимая температура проводника или шины может быть разной в зависимости от материала, из которого он изготовлен. Ниже приведена таблица с параметрами длительно допустимой и кратковременно допустимой температуры для различных проводников:

Благодаря этой формуле мы можем рассчитать минимальное сечение проводника, которое будет обеспечивать безопасность при кратковременном нагревании током короткого замыкания. Главным параметром для такого расчета является ток короткого замыкания, а также приведенное время действия этого тока и коэффициент, зависящий от материала и конструкции проводника. Имея все эти данные, мы можем получить минимальное сечение проводника, обеспечивающее безопасность при кратковременной нагрузке током короткого замыкания:

Для проводников характерно минимальное сечение, определяемое по формуле, учитывающей ток короткого замыкания, приведенное время действи В качестве примера рассмотрим электрический кабель, представленный на фотографии. Чем больше сечение проводника, тем больше ток, который может протекать по нему. Поэтому при выборе электрического кабеля для прокладки электрической сети важно учитывать длительно допустимый ток, который будет протекать по кабелю, и выбрать кабель с необходимым сечением.

Зависимость от сечения

Для того, чтобы понять, как зависит длительно допустимый ток от сечения проводника, давайте рассмотрим электрический кабель на рисунке. Чем больше сечение проводника, тем больше ток, который может протекать по нему. Поэтому при выборе электрического кабеля для прокладки электрической сети очень важно учитывать максимальный ток, который будет протекать по кабелю, и выбрать электрический кабель соответствующего сечения.

Это закономерность можно использовать для правильного подбора проводника для прокладки электрических линий.

При вычислении длительно допустимого тока проводника I_dd, выражаемого через площадь боковой стенки S и удельное сопротивление материала проводника R, используется формула:

I_dd = S^3/4/R.

Выражая площадь боковой стенки через диаметр проводника (формулы в начале статьи), принимая во внимание связь сопротивления с площадью сечения и удельным сопротивлением материала проводника, и подставляя всем известную формулу для сопротивления в формулу для I_dd, предоставленную выше, можно получить следующую формулу для длительно допустимого тока:

I_dd = F^3/4/R.

Из этой формулы очевидно, что связь длительно допустимого тока проводника I_dd с площадью сечения F не прямо пропорциональна – площадь сечения в

Для любого электрика важны определенные константы, такие как удельное сопротивление, коэффициент теплопередачи и допустимая температура, которые могут отличаться для каждого проводника.

Тем не менее, напряжение на проводнике по-прежнему зависит от плотности тока, и чем больше плотность тока, тем больше напряжение. Однако, поскольку проводник становится более нагруженным, допустимая максимальная температура снижается.

Прямая зависимость между плотностью тока и напряжением на проводнике невозможна из-за увеличения температуры внутренних слоев при больших значениях плотности тока. Поэтому допустимая максимальная температура при повышении плотности тока снижается.

Использование проводников с большим сечением приведет к перегреву цепи и непропорциональному расходу материала.

Они лучше передают ток, имеют меньшую потерю мощности, а также достаточно просто уложить их в коробку.
Использование нескольких проводников малого сечения позволяет получить более высокую эффективность при передаче тока. Это гораздо выгоднее, чем использовать один большой проводник. При этом они также легче уложить в коробку. Кроме того, многожильные проводники или кабели имеют меньшую потерю мощности. Тогда ток является функцией площади сечения проводника и длительно допустимого тока имеет вид:

F =I дд²,

Iдд – ток, при котором проводник достигает допустимой температуры Туст.

Существует взаимосвязь между длительно допустимым током и площадью сечения в целом. Она может быть представлена в таблице ниже:

Ток и температура

При заданных внешних условиях и известном токе, температура проводника достигает своего максимума после того, как установится режим, когда она не меняется. Тогда ток будет напрямую зависеть от площади сечения проводника и длительно допустимого тока и иметь вид:

F =I дд²

Где F – длительно допустимый ток;
I дд – ток, при котором проводник достигает допустимой температ

Для определения максимально допустимого тока провода необходимо произвести расчет, исходя из тока I, коэффициента теплопередачи Ктп, сопротивления R, площади боковой стенки S и температуры окружающей среды Т0:

На основании этих данных возможно произвести расчет для длительно допустимого тока:

Здесь температура окружающей среды Т0 может зависеть от того, где прокладывается провод, например для прокладки под водой и в земле эта температура составит +15°C, а для прокладки на открытом воздухе будет равняться +25°C.

Электрики используют таблицы с длительно допустимыми токами, которые отражают результаты расчетов. Данные в таблицах предполагают температуру воздуха +25°C, так как это средняя значение для жарчего месяца.

Поэтому важно постоянно отслеживать максимально допустимый ток для соответствующего проводника.

Для определения температуры проводника, при токе, отличном от длительно допустимого, и при заданной температуре окружающей среды, если длительно допустимый ток и длительно допустимая температура известны, и нет необходимости использовать другие константы, достаточно делить первое уравнение на второе и выражать температуру проводника. Показатель превышения температуры пропорционален квадрату тока. Так, при удвоении тока температура проводника будет превышать допустимое значение в четыре раза. Важно, чтобы электрики постоянно отслеживали максимально допустимый ток для соответствующего проводника:

В этом случае электрик должен применить дополнительную проверку для определения правильной номинальной проводимости проводника, произвести пересчет силы тока и принять правильное решение по подключению кабеля.

Когда оценивают допустимый ток для определенных условий, электрики вводят поправочный коэффициент Кт, который умножают на длительно допустимую норму при известных значениях (взятых из таблицы).

Если температура внешнего воздуха ниже нормативной, то коэффициент теплопроводности будет больше единицы, в противном случае, если температура выше расчетной, то Кт будет меньше единицы.

Когда несколько проводников прокладываются близко друг к другу, то они, при неизменной внешней среде, будут дополнительно нагреваться.

Электрикам часто приходится сталкиваться с условиями, при которых среда постоянно изменяется (воздух и вода). Это может приводить к охлаждению проводников из-за конвекции.

Если окружающая среда почти неизменна, например, при прокладке в трубе под землей или в коробке, то взаимный подогрев вызовет снижение длительно допустимого тока. В таких случаях требуется применить поправочный коэффициент К_n, который приведен в документации к кабелям и проводам.