Определение поперечного сечения кабелей и проводов по условию допустимого нагревания (допустимый длительный ток)
Протекающий электрический ток в проводнике непременно вызывает его нагрев. Одновременно с этим, происходит охлаждение проводников путем отдачи тепла в окружающую среду. С течением времени, температура проводников достигает определенного значения, которое в дальнейшем остается неизменным.
Максимальная допустимая температура для проводов и кабелей определяется условиями применяемых материалов для изоляции проводников и сечением токоведущих жил.
Величина длительного воздействия тока в проводниках, должна быть ограничена для того чтобы температура проводников не выходила за пределы установленных в правилах устройства электроустановок (ПУЭ. Глава 1.3). В противном случае, повышенная температура кабелей и проводов может вызвать быстрый износ изоляции проводников, что в свою очередь, приведет к аварийным ситуациям.
Пример №4.
Определить допустимую длительную токовую нагрузку для трехжильного кабеля с медными жилами с резиновой изоляцией поперечным сечением 2,5 мм2 при прокладке в земле и в воздухе.
По значению (Таблица 1.3.6. ПУЭ), находим для трехжильного кабеля указанного сечения и применяемых изоляционных материалов, допустимые нагрузки при прокладке в земле — 25 Ампер и в воздухе— 38 Ампер
Как мы видим, значение допустимой токовой нагрузки на один и тот же тип кабеля, меняется в зависимости от условий прокладки (условий охлаждения проводников: лучше всего охлаждение кабеля происходит при прокладке в земле, хуже — при прокладке в воздухе).
На данном этапе мы проверяли сечение кабеля выбранного нами (в примере № 3) по допустимой потере напряжения на соответствие условиям нагревания.
Так же, выбранное нами сечение, соответствует требованиям механической прочности (ПУЭ 3.4.4. ГОСТ Р 50571.5.52-2011).
Также необходимо помнить, что всегда требуется проверка надежности действия токовой защиты при коротком замыкании в удаленных точках сети, при выбранном сечении и длине проводников (будет рассмотрено в следующих публикациях).
Некоторые частные случаи упрощений
Если на чертеже разрезы, сечения, виды изображаются для закономерно изменяющихся поверхностей, их можно разрывать. Это выполняется определенным образом. Существует три варианта ограничения.
Первый тип предполагает использовать сплошную тонкую ломаную линию. Она может выходить за границу изображения на 2-4 мм. Также контур частей детали может соединять сплошная волнистая линия или штриховка.
Чтобы упростить чертеж, допускается выполнять пунктирной линией разрез между секущей плоскостью и наблюдателем. Также для улучшения понимания графики используются сложные срезы.
При изображении отверстий некоторых деталей (ступицы зубчатых колес, шпоночные пазы, шкивы) дается лишь их контур. Если в секущую плоскость не попало расположенное на круглом фланце углубление, его изображают в разрезе.
В случае наличия на детали орнамента, непрерывной сетки, допускается изобразить лишь ее небольшую часть или упростить элементы рисунка.
Такие методы позволяют достичь чистоты чертежа, облегчить его понимание. Ведь, применение инженерной графики для создания всевозможных объектов подразумевает использование единого символического языка. Его должен знать каждый специалист, чья работа связана с таким типом изображений. От этого зависит качество конечного результата.
Изучив виды сечений, можно понять основные принципы их выполнения и понимания. Применяя рекомендации стандартов, можно добиться хорошей чистоты чертежа. Это облегчает процесс его трактовки. Понимая разницу между видом, сечением и разрезом, зная их классификации и технологию правильного оформления чертежа, специалист может создать правильное изображение. Его легко поймет техник, выполняющий заготовку или готовое изделие, и сможет создать соответствующие всем требованиям узлы, детали. От этого процесса зависит качество всего производства.
Общая информация о кабеле и проводе
При работе с проводниками необходимо понимать их обозначение. Существуют провода и кабеля, которые отличаются друг от друга внутренним устройством и техническими характеристиками. Однако многие люди часто путают эти понятия.
Проводом является проводник, имеющий в своей конструкции одну проволоку или группу проволок, сплетенных между собой, и тонкий общий изоляционный слой. Кабелем же называется жила или группа жил, имеющих как собственную изоляцию, так и общий изоляционный слой (оболочку).
Каждому из типов проводников будут соответствовать свои методы определения сечений, которые почти схожи.
Материалы проводников
Количество энергии, какую передает проводник, зависит от ряда факторов, главный из которых – это материал токопроводящих жил. Материалом жилок проводов и кабелей могут выступать следующие цветные металлы:
- Алюминий. Дешевые и легкие проводники, что является их преимуществом. Им присуще такие отрицательные качества, как низкая электропроводность, склонность к механическим повреждением, высокое переходное электросопротивление окисленных поверхностей;
- Медь. Наиболее популярные проводники, имеющие, по сравнению с другими вариантами, высокую стоимость. Однако им присуще малое электрическое и переходное на контактах сопротивление, достаточно высокая эластичность и прочность, легкость в спайке и сварке;
- Алюмомедь. Кабельные изделия с жилами из алюминия, которые покрыты медью. Им свойственна чуть меньшая электропроводность, чем у медных аналогов. Также им присуще легкость, среднее сопротивление при относительной дешевизне.
Различные вида кабелей по материалу изготовления жил
Важно! Некоторые способы определения сечения кабелей и проводов будут зависеть именно от материала их жильной составляющей, который напрямую влияет на пропускную мощность и силу тока (метод определения сечения жил по мощности и току)
Особенности электрических проводов
Наиболее широкое применение находят марки проводов ПУHП и ПУГHП, а также ВПП, ПHCB и PKГM, которые обладают следующими, очень важными для получения безопасного подключения основными техническими характеристиками:
- ПУНП — плоское проводное изделие установочного или так называемого монтажного типа, с однопроволочными жилами из меди в ПВХ-изоляции. Такая разновидность отличается количеством жил, а также номинальным напряжением в пределах 250 В с частотой 50 Гц и температурным эксплуатационным режимом от минус 15 °C до плюс 50 °C;
- ПУГНП — гибкая разновидность с многопроволочными жилами. Основные показатели, которые представлены номинальным уровнем напряжения, частотой и температурным эксплуатационным режимом, не отличаются от аналогичных данных ПУHП;
- AПB — алюминиевая одножильная разновидность, круглый провод, имеющий защитную ПВХ-изоляцию и однопроволочную или многопроволочную жилу. Отличием данного вида является устойчивость к повреждениям механического типа, вибрациям и химическим соединениям. Температурный эксплуатационный режим составляет от минус 50 °C до плюс 70 °C;
- ПBC — многожильная медная разновидность с ПBX-изоляцией, придающей проводу высокие показатели плотности и традиционную округлую форму. Термоустойчивая жила рассчитана для номинального уровня 380 В при частоте 50 Гц;
- PKГM — силовая монтажная разновидность, представленная одножильным медным проводом с кремнийорганической резиновой или стекловолоконной изоляцией, пропитанной термостойким составом. Температурный эксплуатационный режим составляет от минус 60 °C до плюс 180 °C;
- ПHCB — нагревательная одножильная разновидность в виде однопроволочного провода на основе оцинкованной или вороненой стали. Температурный эксплуатационный режим составляет от минус 50 °C до плюс 80 °C;
- ВПП — одножильная медная разновидность с многопроволочной жилой и изоляцией на основе ПBX или полиэтилена. Температурный эксплуатационный режим составляет от минус 40 °C до плюс 80 °C.
В условиях невысокой мощности применяется медный провод ШBBП с защитной внешней ПBX-изоляцией. Многопроволочного типа жила обладает прекрасными показателями гибкости, а само проводное изделие рассчитано максимум на 380 В, при частоте в пределах 50 Гц.
Проводные изделия самых распространенных типов реализуются в бухтах, и чаще всего имеют белое окрашивание изоляции.
Примеры проведения расчетов
Существенную помощь в разборе принципов вычислений и последовательности действий при выполнении расчетов окажут конкретные примеры, с которыми стоит ознакомиться заинтересованным посетителям.
Расчет объема требуемого теплоносителя
Для загородного дома временного проживания нужно рассчитать объем закупаемого пропиленгликоля – теплоносителя не застывающего при температурах до -30°C. Система отопления состоит из печи с рубашкой на 60 литров, четырех алюминиевых батарей по 8 секций каждая и 90 метров трубы PN25 (20 x 3.4).
Трубы стандарта PN25 20 х 3.4 наиболее часто применяют для организации небольшого отопительного контура с последовательным подключением радиаторов. Ее внутренний диаметр равен 13.2 мм
Объем жидкости в трубе нужно посчитать в литрах. Для этого в качестве единицы измерения надо взять дециметр. Формулы перехода от стандартных величин длины следующие: 1 м = 10 дм и 1 мм = 0.01 дм.
Объем рубашки котла известен. V1 = 60 л.
В паспорте алюминиевого радиатора Elegance EL 500 указано, что объем одной секции равен 0.36 л. Тогда V2 = 4 * 8 * 0.36 = 11.5 л.
Вычислим суммарный объем труб. Их внутренний диаметр d = 20 – 2 * 3.4 = 13.2 мм = 0.132 дм. Длина l = 90 м = 900 дм. Следовательно:
V3 = π * l * d2 / 4 = 3.1415926 * 900 * 0.132 * 0.132 / 4 = 12.3 дм3 = 12.3 л.
Таким образом, теперь можно найти общий объем:
V = V1 + V2 + V3 = 60 + 11.5 + 12.3 = 83.8 л.
На промышленных и сельскохозяйственных объектах часто устанавливают самодельные радиаторы отопления, устроенные по типу регистров. Зная размеры труб, можно вычислить их объем
Расчет объема самодельного радиатора
Разберем, как рассчитать классический самодельный радиатор отопления из четырех горизонтальных труб длиной 2 м. Сначала необходимо найти площадь сечения. Измерить наружный диаметр можно с торца изделия.
Пусть он будет 114 мм. Используя таблицу стандартных параметров стальных труб, найдем толщину стенки, характерной для этого размера – 4.5 мм.
Вычислим внутренний диаметр:
d = 114 – 2 * 4.5 = 105 мм.
Определим площадь сечения:
S = π * d2 / 4 = 8659 мм2.
Суммарная длина всех фрагментов равна 8 м (8000 мм). Найдем объем:
V = l * S = 8000 * 8659 = 69272000 мм3.
Объем вертикальных соединительных трубок можно вычислить аналогичным образом. Но этой величиной можно и пренебречь, так как она будет составлять менее 0.1% от общего объема радиатора отопления.
Получившееся значение неинформативно, поэтому переведем его в литры. Так как 1 дм = 100 мм, то 1 дм3 = 100 * 100 * 100 = 1000000 = 106 мм3.
Поэтому V = 69272000 / 106 = 69.3 дм3 = 69.3 л.
Поэтому так как нужно будет посчитать объем труб в м3, то и все габариты перед подстановкой их в формулу надо будет сразу переводить в метры.
Чем измерять площадь
Для правильного измерения площади поперечного сечения важно сделать ровный перпендикулярный срез и измерить диаметр металла при помощи высокоточных приборов. В случае с многожильными проводами необходимо выполнить следующие шаги:
- Для точных расчетов нужна одиночная проволока. Из пучка проводов выделяют одну жилку и вычисляют площадь ее сечения.
- Пересчитывают количество жил в проводе.
- Перемножают площадь сечения жилки на их количество.
Полученный результат и будет искомой площадью многожильного проводника.
Многожильный провод
Дополнительная информация: Для вычисления площади сечения проводника необходимо, в первую очередь, измерить его диаметр, и сделать это лучше всего микрометром, штангенциркулем или, в крайнем случае, высокоточной инженерной линейкой. Так как микрометр – редкость в наборе инструментов электрика, то этот способ мы упустим и остановимся на штангенциркуле и линейке.
Штангенциркуль
Штангенциркуль — высокоточный измерительный инструмент, при помощи которого можно определить линейные размеры любого предмета, диаметры круглых изделий, а также глубину сквозных и глухих отверстий и выемок. Такой инструмент должен быть у каждого домашнего мастера, стоит он не дорого и при правильном обращении может прослужить не одно десятилетие.
Штангенциркуль
Штангенциркули подразделяются на следующие виды:
- Нониусные — имеют классическую конструкцию и высокоточную измерительную шкалу, которая позволяет измерять предметы с точностью до 0.1 – 0.05 мм.
- Со стрелочным отображением результатов измерений — очень удобный для снятия точных показаний инструмент, но его главным недостатком является повышенная хрупкость.
- С электронной индикацией результатов — относительно новая разработка, предназначенная для получения максимальной точности и удобного снятия показаний измерений.
Вам это будет интересно Для чего нужно выравнивание потенциалов
Рассмотрим самый распространенный вид штангенциркуля — нониусный. Из таких инструментов наибольшее распространение получили два вида:
- ШЦ-I с точностью измерений 0,1 мм, такой инструмент есть практически у каждого слесаря.
- ШЦ-II с точностью измерений 0,05 мм, этот штангенциркуль предпочтительнее, так как в результате работы он выдаёт меньшую погрешность.
Для правильного измерения диаметра достаточно оголить сердечник кабеля путём снятия изоляция, после чего прижать раздвижные губки инструмента к его поверхности. Риска на подвижной части штангенциркуля совпадёт с показателем на шкале, который и будет являться диаметром.
Карандаш + линейка
Если под рукой нет точных измерительных инструментов, а определить диаметр провода необходимо в настоящий момент, можно воспользоваться старым проверенным способом. Картинка 5. Метод карандаша.
Для данного способа понадобятся круглый карандаш и линейка. Суть метода состоит в следующем алгоритме:
- Прежде всего необходимо отрезать кусок провода и очистить его от изоляции.
- Далее проволока из металлического сердечника плотно наматывается на карандаш, причём, минимальное количество витков должно быть не меньше 15. Здесь все зависит от толщины провода, и чем он тоньше, тем больше витков необходимо намотать.
- Проводятся вычисления по формуле, приведённой на картинке 6.
Формула расчета диаметра методом карандаша и линейки
Обратите внимание! Для получения точного результата следует наматывать провод на карандаш как можно плотнее. Для этого перед наматыванием его необходимо тщательно выровнять в местах перегибов и образования петель
Как определить сечение провода: 3 основных способа
Карандаш + линейка
Вариант №1: узнаем сечение провода при помощи штангенциркуля
Рисунок 1 — На проводе есть марка и сечение. Бывает, что кабель бракованный, то есть усеченный. Например, вам нужен ВВГ 3х2.5, но по факту 3х2.1, хотя на нем и указано 3х2.5
Для определения поперечного или треугольного сечения жилы провода и кабеля применяют штангенциркуль. Ниже — пример расчетов с использованием прибора.
Рисунок 2 — Для проверки понадобится диаметр жилы, которую нужно проверить
Для начала работы вспоминаем формулу определения площади круга:
где п=3,14; r — радиус окружности.
Мы будем использовать упрощенный вариант формулы, адаптированный под наш случай:
d – диаметр окружности (жилы).
Для наглядности разделим число п на 4. В результате получается формула:
Определяем диаметр провода: так мы узнаем площадь поперечного сечения. Для этого необходимо очистить жилу провода. Потом измерить ее диаметр при помощи штангенциркуля.
Рисунок 3 — Метод штангенциркуля является самым точным. Метод наматывания провода на трубку будет с большой погрешностью
Получилось 1,78 мм. Это число необходимо поставить в выражение. В итоге:
Округлим до сотых и получим значение сечения провода 2,79 мм2.
Вариант №2: определяем сечение провода при помощи карандаша и линейки
Не у всех дома найдется специальное оборудование. Да и покупать его для разового использования глупо. Рассказываем, как определить сечение без профессиональных приборов.
Берем провод и зачищаем его по длине. Достаточно 30-50 см. После наматываем провод на ручку или карандаш. Наматывать нужно плотно друг к другу. Потом считаем число получившихся витков, измеряем длину. Допустим, получилось 19 витков с общей длиной 32 мм.
Чтобы узнать диаметр, нужно длину разделить на количество витков. В нашем случае 32:19=1,684. По принципу, приведенному в первом варианте, подставляем диаметр в формулу. У нас получилось 2,23 мм в квадратах.
Насколько этот метод точный? Величина погрешности будет зависеть от количества витков: чем их больше, тем меньше погрешность.
Вариант №3: определяем сечение провода при помощи таблицы
Можно использовать и таблицы соответствия ПУЭ. Они упрощают работу, так как в них указаны длительные допустимые токи для медного и алюминиевого проводов. При этом учитываются разновидности изоляции и оболочки.
Ниже представлена таблица в упрощенном варианте для наиболее комфортного использования. С ее помощью можно определить сечение трехжильных, четырехжильных, а также пятижильных проводов в условиях однофазной и трехфазной нагрузок (220 В/380 В). Для этого достаточно знать ток нагрузки и ее мощности.
В воздухе (лотки, короба, пустоты, каналы)
| Ток, А | 220 В | 380 В |
|---|---|---|
| 19 | 4,1 | 12,5 |
| 25 | 5,5 | 16,4 |
| 35 | 7,7 | 23 |
| 42 | 9,2 | 27,6 |
| 55 | 12,1 | 36,2 |
| 75 | 16,5 | 49,3 |
| 95 | 20,9 | 62,5 |
| 120 | 26,4 | 78,9 |
| 145 | 31,9 | 95,4 |
| 180 | 39,6 | 118,4 |
| 220 | 48,4 | 144,8 |
| 260 | 57,2 | 171,1 |
| 305 | 67,1 | 200,7 |
| 350 | 77 | 230,3 |
| Ток, А | 220 В | 380 В |
|---|---|---|
| — | — | — |
| 19 | 4,1 | 12,5 |
| 27 | 5,9 | 17,7 |
| 32 | 7 | 21 |
| 42 | 9,2 | 27,6 |
| 60 | 13,2 | 39,5 |
| 75 | 16,5 | 49,3 |
| 90 | 19,8 | 59,2 |
| 110 | 24,2 | 72,4 |
| 140 | 30,8 | 92,1 |
| 170 | 37,4 | 111,9 |
| 200 | 44 | 131,6 |
| 235 | 51,7 | 154,6 |
| 270 | 59,4 | 177,7 |
В земле
| Ток, А | 220 В | 380 В |
|---|---|---|
| 27 | 5,9 | 17,7 |
| 38 | 8,3 | 25 |
| 49 | 10,7 | 32,5 |
| 60 | 13,2 | 39,5 |
| 90 | 19,8 | 59,2 |
| 115 | 25,3 | 75,7 |
| 150 | 33 | 98,7 |
| 180 | 39,6 | 118,5 |
| 225 | 49,5 | 148 |
| 275 | 60,5 | 181 |
| 330 | 72,6 | 217,2 |
| 385 | 84,7 | 253,4 |
| 435 | 95,7 | 286,3 |
| 500 | 110 | 329 |
| Ток, А | 220 В |
|---|---|
|
— |
— |
|
29 |
6,3 |
|
38 |
8,4 |
|
46 |
10,1 |
|
70 |
15,4 |
|
90 |
19,8 |
|
115 |
25,3 |
|
140 |
30,8 |
|
175 |
38,5 |
|
210 |
46,2 |
|
255 |
56,1 |
|
295 |
65 |
|
335 |
73,7 |
|
385 |
84,7 |
Временное сопротивление разрыву и относительное удлинение при растяжении
При выборе проводов, помимо сечения, материала проводов, изоляции необходимо учитывать их механическую прочность. Особенно это касается проводов воздушных линий электропередач. Провода испытывают растяжение. Под действием силы, приложенной к материалу, последний удлиняется. Если обозначить первоначальную длину l1, а конечную длину l2, то разность l1 – l2 = Δl будет абсолютным удлинением.
Отношение
называется относительным удлинением.
Сила, производящая разрыв материала, называется разрушающей нагрузкой, а отношение этой нагрузки к площади поперечного сечения материала в момент разрушения называется временным сопротивлением на разрыв и обозначается
Данные временных сопротивлений на разрыв для различных материалов приведены ниже.
Значение предела прочности на разрыв для различных металлов
| Наименование металла | Предел прочности на разрыв, кг/мм² |
| Алюминий Альдрей Бронза Вольфрам Золото Латунь Медь Молибден Никель Олово Платина Ртуть Сталь Серебро Свинец Цинк Чугун |
8 – 25 30 – 38 31 – 135 100 – 300 – 30 – 70 27 – 44,9 80 – 250 40 – 70 2 – 5 15 – 35 – 70 – 75 15 – 30 0,95 – 2,0 14 – 29 12 – 32 |
Упрощения
Изображения (виды, разрезы, сечения) для их легкости понимания могут упрощаться. Стандарты и нормы регламентируют этот процесс.
Для симметричных фигур допускается вычерчивать лишь одну половину среза или большую ее часть с нанесением линии обрыва. Когда объект имеет несколько одинаковых элементов, прорисовывают только один из них. Остальные идентичные части рисуются схематически.
Проекции линий пересечения допускается изображать упрощенно. Но только если не требуется их подробное изображение.
Выполняя чертеж простых фигур, например, если нужно рассмотреть виды сечений конуса, используют определенный подход к графике. Это упрощает понимание чертежей. Когда одна поверхность изменяется с конкретной закономерностью, ее можно прерывать.
Если одна поверхность плавно переходит в другую, их граница не указывается или обозначается условно.
Непустотелые симметричные детали и изделия на чертеже показываются нерассеченными при продольном срезе. А если размер части изделия на чертеже составляет менее 2 мм, его изображают с отступлением от основного масштаба.
Для обозначения плоских поверхностей могут проводить диагонали сплошными линиями.
Также следует учитывать, что неразъемные соединения электрических или радиоустройств упрощаются соответствующими типу изделия стандартами. Это основные упрощения, которые регламентирует Единая система конструкторской документации. Их чаще всего применяют для построения чертежей на крупных производствах, где требуется изобразить сложные детали, узлы или механизмы.
Зависимость сопротивления проводника от частоты тока
При воздействии электрического тока индукция магнитного поля происходит внутри прямолинейного проводника и в окружающем его пространстве. Магнитные линии образуют концентрические окружности.
Распределение переменного тока по сечению
Если проводник с током условно разбить на несколько параллельных друг другу нитей тока, то можно установить, что, чем ближе токовая нить находится к оси проводника, тем больший замыкающийся внутри магнитный поток её охватывает. Индуктивность нити и индуктивное сопротивление находятся в пропорциональной зависимости от магнитного потока, с нею связанного.
В связи с этим в нитях с переменным током, находящихся внутри проводящего вещества, возникает большее индуктивное сопротивление, чем в нитях, находящихся снаружи. Образуется неравномерность тока по сечению, возрастающая от оси к поверхности проводника, чем и объясняется увеличение сопротивления проводников переменному току. Это явление называется поверхностным эффектом.
Из-за неравномерного распределения плотности тока происходит увеличение сопротивления проводника. При небольшой частоте в 50 Гц и малом сечении медного провода явление поверхностного эффекта почти незаметно. При значительном увеличении частоты и сечения проводника из железа это явление будет более активным.
Обратите внимание! Чем выше частота тока в цепи, тем ближе к поверхности проводника находятся электрические заряды, и тем больше возрастает его сопротивление
