Как рассчитать размер кабеля: пошаговое руководство для электротехнических проектов

Спросите любого опытного инженера-электрика, и вы услышите то же самое: калибровка кабеля — это не одна формула, а короткая цепочка проверок, и каждое звено в этой цепочке должно выдержать испытание временем. Установите правильный ток, но игнорируйте факторы снижения номинальных характеристик, и проводник станет нагреваться сильнее, чем когда-либо была рассчитана его изоляция. Установите правильную силу тока, но не обращайте внимания на падение напряжения, и двигатель на дальнем конце линии откажется запуститься. Пропустите проверку на короткое замыкание, и установка окажется на расстоянии одной неисправности от серьезного инцидента.

Приведенный ниже метод соответствует последовательности, которую используют наши инженеры при рассмотрении проекта: сначала расчетный ток, затем согласование с защитным устройством, затем допустимая нагрузка по току, затем падение напряжения, затем устойчивость к короткому замыканию. Выполните шаги по порядку, и правильное сечение выберется практически само.

Прежде чем начать: соберите исходные данные

Почти каждая задержка в определении размера кабеля связана с отсутствием входного сигнала. Соберите их, прежде чем открыть стол:

• Данные о нагрузке: мощность в кВт или кВА, коэффициент мощности, КПД, рабочий цикл и одновременность.
• Системные данные: номинальное напряжение, количество фаз, частота и тип источника питания: TN, TT или IT.
• Данные защиты: тип и номинал автоматического выключателя или предохранителя, а также его характеристики срабатывания.
• Способ установки: многожильный или одножильный, на лотке, в кабелепроводе, с прямым зажимом, на открытом воздухе или в земле.
• Окружающая среда: температура окружающего воздуха, температура почвы и термическое сопротивление, глубина захоронения и количество цепей, разделяющих маршрут.
• Данные о маршруте: длина в одном направлении в метрах плюс любые запланированные будущие расширения.
• Данные о неисправности: предполагаемый ток короткого замыкания в месте возникновения и необходимое время отключения.

Запишите значения. Таблицу размеров, в которой указаны входные данные, можно просмотреть за считанные минуты; тот, кто этого не делает, всегда будет подвергаться сомнению.

Шаг 1. Рассчитайте расчетный ток (Ib)

Расчетный ток — это ток, который будет проходить по кабелю при нормальной эксплуатации. Для трехфазной нагрузки:

Ib = P/(√3 × U × cos φ)

и для однофазной нагрузки:

Ib = P/(U × cos φ)

Быстрый пример: трехфазная нагрузка 90 кВт при питании 400 В при коэффициенте мощности 0,85 потребляет 90 000 / (1,732 × 400 × 0,85) = 153 А. Это единственное число задает основу для всего последующего, поскольку защитное устройство должно быть как минимум такого размера, а кабель должен быть как минимум такой же мощности.

Стоит запомнить два уточнения. Пусковой ток двигателя не меняет расчетный длительный ток, но влияет на выбор защиты и проверку падения напряжения. А в установках с высоким содержанием гармоник, таких как офисы, заполненные электронными нагрузками, или завод, полный приводов, нейтральный провод может иметь больший размер, чем фазный ток, а не меньший.

Шаг 2. Согласуйте кабель с защитным устройством

Кабель защищен только в том случае, если устройство перед ним отключается до повреждения изоляции. На практике это означает, что необходимо одновременно выполнить два условия:

Iб ≤ In ≤ Iz

где Iб — расчетный ток, In — номинал защитного устройства, Iz — скорректированная допустимая нагрузка кабеля по току. Второе условие, I2 ≤ 1,45 × Iz, подтверждает, что устройство действительно будет работать при обычном токе отключения без перегрева проводника.

Практический вывод прост. Если расчетный ток составляет 153 А, вы не выбираете автоматический выключатель на 200 А, а затем ищете кабель, достаточно большой, чтобы соответствовать ему; вы выбираете наименьший стандартный номинал выше нагрузки, который здесь составляет 160 А, и подбираете кабель в соответствии с этим значением.

Шаг 3. Найдите базовую допустимую нагрузку по току.

Таблицы допустимой нагрузки по току, взятые из IEC 60364-5-52, BS 7671 или каталога производителя, построены на основе определенного набора условий: эталонная температура окружающей среды, установленный метод установки, определенное количество нагруженных проводников и одна цепь. Найдите строку, соответствующую вашему сечению, и столбец, соответствующий вашей установке.

Три варианта доминируют в результате. Материал проводника имеет значение, поскольку для того же тока алюминию требуется примерно в полтора раза большее поперечное сечение меди. Изоляция имеет значение, поскольку кабель из сшитого полиэтилена может работать с жилой при температуре 90 °C, а кабель из ПВХ — до 70 °C. И метод установки имеет огромное значение, поскольку кабель, закрепленный на открытом воздухе, отдает тепло гораздо легче, чем тот же кабель, протянутый в переполненный канал.

Именно здесь настоящий каталог становится действительно полезным, поскольку разница между типами изоляции не является ошибкой округления. Силовой кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 6/1 кВ пропускает заметно больший ток, чем эквивалент из ПВХ того же сечения из меди, просто потому, что его изоляция выдерживает более высокую температуру проводника.

Номинальное напряжение 0,6/1 кВ Силовой кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена Силовой кабель с номинальным напряжением 0,6/1 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена использует химические или физические методы для преобразования молекул полиэтилена из линейной структуры. Посмотреть продукт →

Шаг 4. Примените поправочные коэффициенты

Реальные установки никогда не соответствуют эталонным условиям таблицы, поэтому базовую мощность необходимо уменьшить. Факторы перемножаются:

Iz = It × Калифорния × Кг × Cs × компакт-диск

Если пониженная мощность оказывается ниже номинала защитного устройства, перейдите на одно сечение вверх и повторите расчет. Обычно кабель проходит проверку тока только после двух или трех попыток.

Шаг 5. Проверьте падение напряжения

Кабель, по которому течет ток, может быть слишком мал для данного маршрута. Падение напряжения увеличивается как с увеличением тока, так и с длиной, и именно проверка чаще всего требует увеличения сечения на длинных фидерах.

Падение напряжения = (мВ/А/м × Ib × L) / 1000

Для трехфазной цепи табличное значение мВ/А/м уже включает коэффициент √3. Типичные пределы составляют 3 % для цепей освещения и 5 % для силовых цепей, измеренные от начала установки до выводов нагрузки, при этом допуск распределяется между фидером и конечной цепью.

Возьмите медный проводник сечением 70 мм², пропускающий ток 160 А на протяжении 80 м. Его трехфазное падение составляет около 0,58 мВ/А/м, поэтому потери составляют 0,58 × 160 × 80/1000 = 7,4 В, или 1,9 % от 400 В, что находится в допустимых пределах. Если бы вместо этого длина маршрута составляла 300 м, тот же расчет дал бы напряжение 27,8 В и потребовал бы увеличения поперечного сечения.

Шаг 6. Проверка устойчивости к короткому замыканию

Во время неисправности по проводнику течет ток, во много раз превышающий номинальный, и он должен просуществовать достаточно долго, чтобы защита устранила повреждение. Адиабатическая проверка является стандартным подходом:

S ≥ (I × √t)/k

Здесь I — предполагаемый ток повреждения в амперах, t — время отключения в секундах, а k — константа, зависящая от материала проводника и его изоляции. Для медных проводников k обычно составляет 143 с изоляцией из сшитого полиэтилена и 115 с изоляцией из ПВХ, тогда как для алюминиевых проводников используются более низкие значения. Для устранения неисправности 20 кА за 0,2 с требуется 20 000 × 0,447/143 = 62,5 мм² меди, поэтому окончательный размер иногда решает проверка на короткое замыкание, а не проверка тока.

Защитный проводник заслуживает такого же внимания. Он должен выдерживать ту же энергию короткого замыкания и должен быть рассчитан таким образом, чтобы полное сопротивление контура замыкания на землю позволяло устройству сработать в течение разрешенного времени.

Рабочий пример

Объедините шесть ступеней для фидера двигателя мощностью 90 кВт в системе 400 В с коэффициентом мощности 0,85, проложенного на расстоянии 80 м на лотке при температуре воздуха 40 °C, рядом с которым находятся две другие нагруженные цепи.

Ответ — четырехжильный медный кабель из сшитого полиэтилена сечением 70 мм². Обратите внимание, какой шаг задает размер: 70 мм² требовалось для пропускания тока 160 А после снижения номинальных характеристик, а также с небольшим запасом удовлетворяло адиабатической проверке. Уменьшите группировку или температуру окружающей среды, и этот запас исчезнет.

Где размер кабеля обычно бывает неправильным

• Выбор номинальной нагрузки без учета разнообразия, резервной мощности или будущего расширения.
• Использование таблицы основано на температуре 30 °C, когда в машинном помещении температура 45 °C.
• Игнорирование группировки, даже несмотря на то, что три цепи на одном лотке снижают мощность кабеля гораздо больше, чем ожидает большинство людей.
• Чтение столбца ПВХ для кабеля из сшитого полиэтилена или наоборот.
• Проверка падения напряжения при первой нагрузке в цепи вместо последней.
• Забывая, что нейтраль может проводить гармонические токи в трехфазных четырехпроводных цепях.
• Считайте проверку короткого замыкания необязательной на коротких отрезках времени, где она часто является решающим фактором.

Два случая, требующие особого внимания

Фидеры среднего напряжения

От 3,6/6 кВ до 26/35 кВ логика остается той же, но в расчет включаются толщина изоляции, конструкция экрана и заземление металлической оболочки. Металлический экран должен выполнять свою собственную задачу по короткому замыканию, а устройство заземления влияет как на уровень повреждения, так и на тепловые характеристики кабеля. Определение размера Силовой кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 26/35 кВ следовательно, означает проверку тех же пределов с дополнительным набором условий экрана и заземления.

Номинальное напряжение 3,6/6–26/35 кВ Силовой кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена Силовой кабель с номинальным напряжением 3,6/6–26/35 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена использует усовершенствованный процесс сшивания. С помощью химических или физических методов полиэ... Посмотреть продукт →

Схемы частотно-регулируемого привода

Приводы пропускают через кабель гармонические токи и быстрые импульсы напряжения, поэтому ток, который вы рассчитываете по паспортной табличке двигателя, не является током, который фактически воспринимает кабель. Специальный приводной кабель с симметричной трехжильной конструкцией и правильно закрепленным экраном позволяет контролировать токи и снижает электромагнитные помехи в соседних цепях. Если используются длинные провода двигателя, ограничения на длину кабеля, установленные производителем привода, следует рассматривать как часть определения размеров.

Кабель преобразователя частоты (номинальное напряжение до 6 кВ) Обзор продукта Кабели преобразователя частоты (широко известные как кабели VFD) представляют собой линии электропередачи, специально разработанные для промышленных преобразователей частоты. Посмотреть продукт →

От расчета к кабелю, которому можно доверять

Арифметика не сложная. Трудность заключается в числах, которые вы вводите в него, что означает температуру окружающей среды, группировку, уровень неисправности и длину маршрута, а также в знании того, какой стандарт регулирует проект.

Wuxi Guanghuan Cable Co., Ltd. производит кабели в Гуаньлине, Исин, ​​с 1998 года, выпуская более 100 разновидностей продукции и примерно 30 000 спецификаций, от проводки на напряжение 450/750 В до силовых кабелей из сшитого полиэтилена на 26/35 кВ, с системой управления качеством, сертифицированной по стандарту ISO 9001, и продукцией, одобренной TUV Rheinland. Каждый заказ начинается с обсуждения размеров, потому что самый экономичный кабель — тот, который подойдет с первого раза. Отправьте нам информацию о нагрузке, маршруте и окружающей среде, и наши инженеры предоставят рекомендации по размерам с полным указанием коэффициентов снижения мощности. Быстрый взгляд на наша фабрика показывает, как эти кабели производятся, тестируются и готовятся к поставке.

Если вы хотите углубиться в изучение того, как производительность продукта влияет на его размер, наша статья о ключевых факторах, которые следует учитывать при выборе силовых кабелей является полезным дополнением к этому руководству.