Obliczanie przekroju kabla według mocy i prądu: jak poprawnie obliczyć okablowanie

Czy planujesz zrobić modernizacja sieci elektroenergetycznej czy dodatkowo przedłużyć linię energetyczną do kuchni, aby podłączyć nową kuchenkę elektryczną? Tutaj przyda się minimalna wiedza na temat przekroju przewodu i wpływu tego parametru na moc i prąd.

Zgadzam się, że nieprawidłowe obliczenie przekroju kabla prowadzi do przegrzania i zwarcia lub do nieuzasadnionych kosztów.

Bardzo ważne jest, aby obliczenia przeprowadzić już na etapie projektowania, ponieważ doszło do awarii ukryte okablowanie a późniejsza wymiana wiąże się ze znacznymi kosztami. Pomożemy Ci zrozumieć zawiłości obliczeń, aby uniknąć problemów w dalszej eksploatacji sieci elektrycznych.

Aby nie obciążać Państwa skomplikowanymi obliczeniami, wybraliśmy przejrzyste wzory i opcje obliczeń, przedstawiliśmy informacje w przystępnej formie i opatrzyliśmy wzory objaśnieniami. Do artykułu dodano także tematyczne zdjęcia i materiały wideo, które pozwalają w jasny sposób zrozumieć istotę rozważanego zagadnienia.

Obliczanie przekroju dla mocy odbiorczej

Głównym celem przewodników jest dostarczanie odbiorcom energii elektrycznej w wymaganej ilości. Ponieważ w normalnych warunkach pracy nadprzewodniki nie są dostępne, należy wziąć pod uwagę rezystancję materiału przewodnika.

Obliczanie wymaganej sekcji przewodniki i kable w zależności od całkowitej mocy odbiorców opiera się na wieloletnim doświadczeniu eksploatacyjnym.

Rozpocznijmy ogólny przebieg obliczeń od wykonania najpierw obliczeń przy użyciu wzoru:

P = (P1+P2+..PN)*K*J,

Gdzie:

• P – moc wszystkich odbiorców podłączonych do obliczonej gałęzi w watach.
• P1, P2, PN – moc odpowiednio pierwszego, drugiego, n-tego odbiornika w watach.

Po otrzymaniu wyniku na koniec obliczeń przy użyciu powyższego wzoru przyszedł czas na dane tabelaryczne.

Teraz musisz wybrać wymaganą sekcję zgodnie z tabelą 1.

Tabela 1. Przekrój przewodu należy zawsze dobierać do najbliższego większego boku (+)

Etap 1 – obliczenie mocy biernej i czynnej

Możliwości odbiorców są wskazane w dokumentach sprzętu. Zazwyczaj arkusze danych sprzętu wskazują moc czynną wraz z mocą bierną.

Urządzenia z aktywnym typem obciążenia przekształcają całą otrzymaną energię elektryczną, biorąc pod uwagę wydajność, na pracę użyteczną: mechaniczną, cieplną lub innego rodzaju.

Do urządzeń z aktywnymi obciążeniami zaliczają się żarówki, grzejniki i kuchenki elektryczne.

W przypadku takich urządzeń obliczenie mocy według prądu i napięcia ma postać:

P=U*I,

Gdzie:

• P – moc w W;
• U – napięcie w V;
• I – siła prądu w A.

Urządzenia z obciążeniem reaktywnym są w stanie akumulować energię pochodzącą ze źródła, a następnie ją oddawać. Wymiana ta następuje na skutek przemieszczenia sinusoidy prądu i sinusoidy napięcia.

Przy zerowym przesunięciu fazowym moc P=U*I ma zawsze wartość dodatnią. Urządzenia z aktywnym rodzajem obciążenia mają taki wykres faz prądu i napięcia (I, i - prąd, U, u - napięcie, π - pi równe 3,14)

Do urządzeń o mocy biernej zaliczają się silniki elektryczne, urządzenia elektroniczne wszelkich rozmiarów i zastosowań oraz transformatory.

W przypadku przesunięcia fazowego pomiędzy sinusoidą prądu a sinusoidą napięcia moc P=U*I może być ujemna (I, i - prąd, U, u - napięcie, π - pi równe 3,14). Urządzenie mocy biernej zwraca zmagazynowaną energię z powrotem do źródła

Sieci elektryczne są zbudowane w taki sposób, że mogą przesyłać energię elektryczną w jednym kierunku od źródła do obciążenia.

Dlatego energia zwracana przez odbiornik z obciążeniem biernym jest pasożytnicza i jest marnowana na ogrzewanie przewodów i innych elementów.

Moc bierna zależy od kąta fazowego pomiędzy sinusoidami napięcia i prądu. Kąt przesunięcia fazowego wyraża się poprzez cosφ.

Aby znaleźć moc całkowitą, skorzystaj ze wzoru:

P = Q / cosφ,

Gdzie Q – moc bierna w VAR.

Zazwyczaj karta katalogowa urządzenia wskazuje moc bierną i cosφ.

Przykład: paszport wiertarki udarowej wskazuje moc bierną 1200 VAr i cosφ = 0,7.Zatem całkowity pobór mocy będzie równy:

P = 1200/0,7 = 1714 W

Jeśli nie udało się znaleźć cosφ, dla zdecydowanej większości domowych urządzeń elektrycznych cosφ można przyjąć jako 0,7.

Etap 2 – poszukiwanie współczynników jednoczesności i marży

K – bezwymiarowy współczynnik jednoczesności, pokazuje, ilu odbiorców może być jednocześnie podłączonych do sieci. Rzadko zdarza się, aby wszystkie urządzenia pobierały prąd w tym samym czasie.

Jednoczesne działanie centrum telewizyjnego i muzycznego jest mało prawdopodobne. Z ustalonej praktyki K można przyjąć jako równe 0,8. Jeśli planujesz używać wszystkich odbiorców jednocześnie, K powinno być ustawione na 1.

J – bezwymiarowy współczynnik bezpieczeństwa. Charakteryzuje tworzenie rezerwy mocy dla przyszłych odbiorców.

Postęp nie stoi w miejscu, co roku powstają nowe, niesamowite i przydatne urządzenia elektryczne. Oczekuje się, że do 2050 r. zużycie energii elektrycznej wzrośnie o 84%. Zazwyczaj przyjmuje się, że J wynosi od 1,5 do 2,0.

Etap #3 – wykonanie obliczeń metodą geometryczną

We wszystkich obliczeniach elektrycznych brana jest pod uwagę powierzchnia przekroju przewodu - przekrój rdzenia. Mierzone w mm².

Często trzeba nauczyć się poprawnie liczyć średnica drutu przewody przewodzące.

W tym przypadku istnieje prosty wzór geometryczny dla monolitycznego drutu okrągłego:

S = π*R² = π*D²/4, lub odwrotnie

D = √(4*S / π)

Dla przewodów prostokątnych:

S = godz. * m,

Gdzie:

• S – powierzchnia rdzenia w mm²;
• R – promień rdzenia w mm;
• D – średnica rdzenia w mm;
• h, m – odpowiednio szerokość i wysokość w mm;
• π — pi równa się 3,14.

Jeśli kupisz linkę, w której jeden przewodnik składa się z wielu skręconych drutów o okrągłym przekroju, obliczenia przeprowadza się według wzoru:

S = N*D²/1,27,

Gdzie N – liczba drutów w rdzeniu.

Druty z żyłami skręconymi z kilku drutów mają na ogół lepszą przewodność niż druty monolityczne. Wynika to ze specyfiki przepływu prądu przez przewodnik o okrągłym przekroju.

Prąd elektryczny to ruch podobnych ładunków wzdłuż przewodnika. Podobnie jak ładunki odpychają się, więc gęstość rozkładu ładunku przesuwa się w kierunku powierzchni przewodnika.

Kolejną zaletą przewodów linkowych jest ich elastyczność i odporność mechaniczna. Druty monolityczne są tańsze i stosowane głównie do instalacji stacjonarnych.

Etap 4 – obliczenie przekroju mocy w praktyce

Zadanie: całkowita moc odbiorników w kuchni wynosi 5000 W (co oznacza, że ​​moc wszystkich odbiorników biernych została ponownie obliczona). Wszyscy odbiorcy są podłączeni do jednofazowej sieci 220 V i zasilani z jednej gałęzi.

Tabela 2. Jeśli w przyszłości planujesz podłączyć dodatkowych odbiorców, tabela pokazuje wymaganą moc typowych urządzeń gospodarstwa domowego (+)

Rozwiązanie:

Przyjmijmy współczynnik jednoczesności K równy 0,8. Kuchnia to miejsce ciągłych innowacji, nigdy nie wiadomo, współczynnik bezpieczeństwa J=2,0. Całkowita szacunkowa moc będzie wynosić:

P = 5000*0,8*2 = 8000 W = 8 kW

Korzystając z wartości obliczonej mocy, szukamy najbliższej wartości w tabeli 1.

Najbliższy odpowiedni przekrój rdzenia dla sieci jednofazowej to przewód miedziany o przekroju 4 mm². Podobny rozmiar drutu z aluminiowym rdzeniem o średnicy 6 mm².

W przypadku okablowania jednożyłowego minimalna średnica będzie wynosić odpowiednio 2,3 mm i 2,8 mm.W przypadku zastosowania opcji wielordzeniowej sumuje się przekrój poszczególnych żył.

Obliczanie aktualnego przekroju

Obliczenia wymaganego przekroju prądu i mocy kabli i przewodów dadzą dokładniejsze wyniki.Takie obliczenia pozwalają ocenić ogólny wpływ różnych czynników na przewody, w tym obciążenia termicznego, marki drutów, rodzaju ułożenia, warunków pracy itp.

Całe obliczenia przeprowadza się w następujących krokach:

• wybór mocy wszystkich odbiorców;
• obliczanie prądów przepływających przez przewodnik;
• dobór odpowiedniego przekroju za pomocą tabel.

W przypadku tej opcji obliczeń moc odbiorców pod względem prądu i napięcia jest brana pod uwagę bez uwzględnienia współczynników korygujących. Zostaną one uwzględnione przy sumowaniu aktualnej siły.

Etap 1 - obliczenie siły prądu za pomocą wzorów

Dla tych, którzy zapomnieli szkolny kurs fizyki, oferujemy podstawowe wzory w formie diagramu graficznego jako ściągawkę wizualną:

„Klasyczne koło” wyraźnie pokazuje związek wzorów i współzależność charakterystyk prądu elektrycznego (I - natężenie prądu, P - moc, U - napięcie, R - promień rdzenia)

Zapiszmy zależność prądu I od mocy P i napięcia sieciowego U:

Ja = P/U_l,

Gdzie:

• I — natężenie prądu wyrażone w amperach;
• P — moc w watach;
• U_l — napięcie sieciowe w woltach.

Napięcie sieciowe zasadniczo zależy od źródła zasilania, może być jedno- lub trójfazowe.

Zależność między napięciem liniowym i fazowym:

1. U_l = U*cosφ w przypadku napięcia jednofazowego.
2. U_l = U*√3*cosφ w przypadku napięcia trójfazowego.

W przypadku domowych odbiorców energii elektrycznej przyjmuje się cosφ=1, więc napięcie liniowe można przepisać:

1. U_l = 220 V dla napięcia jednofazowego.
2. U_l = 380 V dla napięcia trójfazowego.

Następnie podsumowujemy wszystkie pobierane prądy za pomocą wzoru:

I = (I1+I2+…IN)*K*J,

Gdzie:

• I – całkowity prąd w amperach;
• I1..IN – aktualne natężenie każdego odbiornika w amperach;
• K – współczynnik jednoczesności;
• J - współczynnik bezpieczeństwa.

Współczynniki K i J mają takie same wartości, jak te stosowane przy obliczaniu mocy całkowitej.

Może się zdarzyć, że w sieci trójfazowej prąd o nierównej sile przepływa przez różne przewody fazowe.

Dzieje się tak, gdy odbiorniki jednofazowe i trójfazowe są jednocześnie podłączone do kabla trójfazowego. Na przykład zasilana jest maszyna trójfazowa i oświetlenie jednofazowe.

Powstaje naturalne pytanie: jak w takich przypadkach oblicza się przekrój skrętki? Odpowiedź jest prosta – obliczeń dokonuje się w oparciu o najbardziej obciążony rdzeń.

Etap 2 – wybranie odpowiedniej sekcji za pomocą tabel

Zasady eksploatacji instalacji elektrycznych (PEU) zawierają szereg tabel umożliwiających dobór wymaganego przekroju żyły kabla.

Przewodność przewodnika zależy od temperatury. W przypadku przewodników metalowych rezystancja wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

Po przekroczeniu pewnego progu proces staje się samowystarczalny: im wyższy opór, tym wyższa temperatura, tym większy opór itp. dopóki przewód się nie przepali lub nie spowoduje zwarcia.

Kolejne dwie tabele (3 i 4) przedstawiają przekrój przewodów w zależności od prądów i sposobu montażu.

Tabela 3. Najpierw należy wybrać sposób ułożenia przewodów, od tego zależy skuteczność chłodzenia (+)

Kabel różni się od drutu tym, że wszystkie żyły kabla, wyposażone we własną izolację, są skręcone w wiązkę i zamknięte we wspólnej osłonie izolacyjnej. Więcej szczegółów na temat różnic i typów produktów kablowych znajduje się w tym artykule artykuł.

Tabela 4. Metoda otwarta jest wskazana dla wszystkich wartości przekrojów przewodów, jednak w praktyce przekroje poniżej 3 mm2 nie są układane otwarcie ze względu na wytrzymałość mechaniczną (+)

Podczas korzystania z tabel do dopuszczalnego prądu ciągłego stosuje się następujące współczynniki:

• 0,68 w przypadku 5-6 rdzeni;
• 0,63 przy 7-9 rdzeniach;
• 0,6 w przypadku 10-12 rdzeni.

Współczynniki redukcyjne stosowane są do wartości bieżących z kolumny „otwarta”.

Przewód neutralny i uziemiający nie są wliczane do liczby przewodów.

Zgodnie z normami PES doboru przekroju przewodu neutralnego zgodnie z dopuszczalnym prądem ciągłym dokonuje się jako co najmniej 50% przewodu fazowego.

Kolejne dwie tabele (5 i 6) pokazują zależność dopuszczalnego prądu długotrwałego przy układaniu go w ziemi.

Tabela 5. Zależności dopuszczalnego prądu długotrwałego dla kabli miedzianych ułożonych w powietrzu lub w ziemi

Obciążenie prądowe w przypadku układania otwartego i układania głęboko w ziemi jest różne. Są akceptowane jako równe, jeśli układanie w ziemi odbywa się za pomocą tac.

Tabela 6. Zależności dopuszczalnego prądu ciągłego dla kabli aluminiowych układanych w powietrzu lub w ziemi

W przypadku instalacji tymczasowych linii zasilających (przenoszących, jeśli do użytku prywatnego) obowiązuje poniższa tabela (7).

Tabela 7. Dopuszczalny prąd ciągły przy zastosowaniu przenośnych przewodów wężowych, przenośnych przewodów wężowych i szybowych, przewodów reflektorów, giętkich przewodów przenośnych. Stosowane są wyłącznie przewody miedziane

Układając kable w ziemi, oprócz właściwości odprowadzania ciepła, należy wziąć pod uwagę rezystywność, co odzwierciedla poniższa tabela (8):

Tabela 8. Współczynnik korekcyjny w zależności od rodzaju i rezystywności gruntu dla dopuszczalnego prądu długotrwałego przy obliczaniu przekroju kabla (+)

Obliczanie i dobór żył miedzianych do 6 mm² lub aluminium do 10 mm² odbywa się jak dla prądu stałego.

W przypadku dużych przekrojów istnieje możliwość zastosowania współczynnika redukcyjnego:

0,875 * √T_pv

Gdzie T_pv — stosunek czasu przełączania do czasu trwania cyklu.

Przyjmuje się, że czas włączenia nie przekracza 4 minut. W takim przypadku cykl nie powinien przekraczać 10 minut.

Wybierając kabel do dystrybucji energii elektrycznej w drewniany dom Szczególną uwagę zwraca się na jego odporność ogniową.

Etap #3 - obliczenie aktualnego przekroju przewodu na przykładzie

Zadanie: obliczyć wymaganą sekcję kabel miedziany do podłączenia:

• trójfazowa maszyna do obróbki drewna o mocy 4000 W;
• spawarka trójfazowa o mocy 6000 W;
• sprzęt AGD w domu o łącznej mocy 25 000 W;

Połączenie zostanie wykonane kablem pięciożyłowym (trzy żyły fazowe, jeden neutralny i jeden uziemiający), ułożonym w ziemi.

Izolacja wyrobów kablowych i drutowych jest obliczana dla określonego napięcia roboczego. Należy wziąć pod uwagę, że napięcie robocze jego produktu wskazane przez producenta musi być wyższe od napięcia sieciowego

Rozwiązanie.

Krok 1. Obliczamy napięcie liniowe połączenia trójfazowego:

U_l = 220 * √3 = 380 V

Krok 2. Urządzenia gospodarstwa domowego, obrabiarka i spawarka mają moc bierną, zatem moc maszyn i urządzeń będzie wynosić:

P_te = 25000 / 0,7 = 35700 W

P_obor = 10000 / 0,7 = 14300 W

Krok 3. Prąd wymagany do podłączenia urządzeń AGD:

I_te = 35700 / 220 = 162 A

Krok 4. Prąd wymagany do podłączenia sprzętu:

I_obor = 14300 / 380 = 38 A

Krok nr 5. Wymagany prąd do podłączenia urządzeń gospodarstwa domowego obliczany jest na podstawie jednej fazy. W zależności od problemu wyróżnia się trzy fazy. Dlatego prąd może być rozdzielony pomiędzy fazami. Dla uproszczenia zakładamy rozkład równomierny:

I_te = 162 / 3 = 54 A

Krok #6. Prąd na fazę:

I_F = 38 + 54 = 92 A

Krok #7. Sprzęt i sprzęt AGD nie będą działać jednocześnie, dodatkowo utworzymy rezerwę w wysokości 1,5. Po zastosowaniu współczynników korygujących:

I_F = 92 * 1,5 * 0,8 = 110 A

Krok nr 8. Chociaż kabel zawiera 5 żył, pod uwagę brane są tylko żyły trójfazowe. Zgodnie z tabelą 8 w kolumnie Kabel trójżyłowy w ziemi stwierdzamy, że prąd o natężeniu 115 A odpowiada przekrojowi żyły 16 mm².

Krok nr 9. Zgodnie z tabelą 8 stosujemy współczynnik korygujący w zależności od charakterystyki gruntu. Dla normalnego typu ziemi współczynnik wynosi 1.

Krok #10. Opcjonalnie oblicz średnicę rdzenia:

D = √(4*16 / 3,14) = 4,5 mm

Gdyby obliczenia zostały wykonane wyłącznie na podstawie mocy, bez uwzględnienia specyfiki układania kabla, wówczas przekrój rdzenia wyniósłby 25 mm². Obliczanie natężenia prądu jest bardziej skomplikowane, ale czasami pozwala zaoszczędzić znaczne pieniądze, szczególnie w przypadku wielożyłowych kabli zasilających.

Możesz przeczytać więcej na temat zależności pomiędzy wartościami napięcia i prądu Tutaj.

Obliczanie spadku napięcia

Każdy przewodnik, z wyjątkiem nadprzewodników, ma opór. Dlatego jeśli kabel lub drut jest wystarczająco długi, następuje spadek napięcia.

Normy PES wymagają, aby przekrój rdzenia kabla był taki, aby spadek napięcia nie przekraczał 5%.

Tabela 9. Rezystywność zwykłych przewodników metalowych (+)

Dotyczy to przede wszystkim kabli niskiego napięcia o małych przekrojach.

Obliczenie spadku napięcia wygląda następująco:

R = 2*(ρ * L) / S,

U_Podkładka = ja * R,

U_% = (U_Podkładka / ty_lin) * 100,

Gdzie:

• 2 – współczynnik ze względu na fakt, że prąd koniecznie przepływa przez dwa przewody;
• R – rezystancja przewodu, Ohm;
• ρ — rezystywność przewodnika, Ohm*mm²/M;
• S – przekrój przewodu, mm²;
• U_Podkładka – spadek napięcia, V;
• U_% - spadek napięcia względem U_lin,%.

Korzystając ze wzorów, możesz samodzielnie wykonać niezbędne obliczenia.

Przykład obliczeń nośnych

Zadanie: obliczyć spadek napięcia dla drutu miedzianego o przekroju jednej żyły 1,5 mm². Drut potrzebny jest do podłączenia jednofazowej spawarki elektrycznej o łącznej mocy 7 kW. Długość przewodu 20 m.

Chcąc podłączyć domową spawarkę do gałęzi sieci elektrycznej, należy wziąć pod uwagę sito prądowe, dla którego przeznaczony jest zastosowany kabel. Możliwe jest, że łączna moc urządzeń wykonawczych będzie większa. Najlepszą opcją jest podłączenie odbiorców do odrębnych oddziałów

Rozwiązanie:

Krok 1. Obliczamy rezystancję drutu miedzianego, korzystając z Tabeli 9:

R = 2*(0,0175 * 20) / 1,5 = 0,47 oma

Krok 2. Prąd płynący przez przewodnik:

Ja = 7000 / 220 = 31,8 A

Krok 3. Spadek napięcia na przewodzie:

U_Podkładka = 31,8 * 0,47 = 14,95 V

Krok 4. Obliczamy procent spadku napięcia:

U_% = (14,95 / 220) * 100 = 6,8%

Wniosek: do podłączenia spawarki wymagany jest przewód o dużym przekroju.

Wnioski i przydatne wideo na ten temat

Obliczanie przekroju przewodu za pomocą wzorów:

Zalecenia specjalistów dotyczące doboru wyrobów kablowych i przewodowych:

Powyższe obliczenia obowiązują dla przewodów miedzianych i aluminiowych do zastosowań przemysłowych. W przypadku innych typów przewodów całkowity transfer ciepła jest wstępnie obliczany.

Na podstawie tych danych obliczany jest maksymalny prąd, jaki może przepłynąć przez przewodnik nie powodując nadmiernego nagrzewania.

Jeśli masz pytania dotyczące sposobu obliczania przekroju kabla lub chciałbyś podzielić się swoimi osobistymi doświadczeniami, zostaw komentarz pod tym artykułem.Sekcja recenzji znajduje się poniżej.