Длительно-допустимые токовые нагрузки кабелей

Токи, протекающие по кабелю, нагревают проводник. Это не относится к полезному действию тока, как например, нагревание спирали лампочки или электрической плитки. Поэтому мы и не учитываем это действие, когда рассчитываем общую мощность потребления. Однако забывать о расходе энергии на нагревание проводов не следует, так как это может привести к печальным последствиям.

Величина тока, протекающего по проводам, зависит от мощности устройств-потребителей, так как мощность, выделяемая на самих проводах, пренебрежимо мала — в связи с малым удельным сопротивлением металлов, используемых для провода и в кабеле проводки. Ток течет только тогда, когда мы включаем в сеть приборы. При этом суммарный ток в каждый момент времени определяется только мощностью приборов (связанной с сопротивлением), потребляющих энергию в сети именно в этот момент времени. Но при расчете сети по току и мощности всегда необходимо брать только ситуации, когда одновременно включены все потребляющие устройства. Только такой подход дает возможность застраховаться от всех возможных перегрузок. Но и это еще не все. В момент включения многие устройства потребляют так называемый стартовый ток, который может быть процентов на 10–20 выше по потреблению от стационарной работы данного устройства. Это связано у некоторых устройств с трудностью запуска — разгона массивных роторов, создания рабочих перепадов давления и так далее. Поэтому при выполнении расчета требуется делать поправку еще и на это.

Допустимый длительный ток для кабелей 

Токонесущие провода под действием тока нагреваются всегда. Весь вопрос только в количестве выделяемой теплоты. С одной стороны, она зависит от протекающего тока, удельного сопротивления материала проводника, его сечения, с другой — от факторов отведения тепла в условиях прохождения проводов: от количества проводов и их близости, изоляции, которая препятствует теплоотводу, наличия коробов или каналов, в которые заправлен кабель, скрытности проводки. И вообще, от климатических факторов, действующих на кабель в местах прохождения проводов: вентиляции, открытого пространства и так далее.

Качество проводки и старение

В результате действия всех этих многочисленных факторов провод, систематически нагревающийся от проходящего по нему тока, с точки зрения безопасности может быть:

• Надежным носителем тока и напряжения. У такого провода срок будущей безаварийной работы можно считать неограниченным.
• Старым или стареющим носителем электроэнергии. Качество провода за время эксплуатации снизилось, ухудшилась изоляция, стыки и соединения проводов потеряли часть проводимости. Старение провода имеет склонность со временем накапливаться и способствовать увеличению скорости старения и возрастанию отрицательных факторов.
• Опасной проводкой электроэнергии. Режим работы таков, что аварии вероятны. Это выражается в увеличении нагрева проводов на обычном токе, неравномерности нагрева из-за ухудшения изоляции, окислении контактов, ухудшении равномерности сечения проводов из-за естественного для металлов окисления. Неравномерности тоже имеют свойство усиливать старение и локально ухудшать качество.

 Температура, таким образом, является очень важным показателем безопасности работы электрической проводки. Кроме того, температурный режим сам по себе способен ухудшать проводку, а в случаях превышения предельного порога приводить к авариям. В результате допустимые токовые нагрузки кабелей должны быть уменьшены.

Например, есть такое правило, что каждые 8° лишнего нагрева кабеля по току ускоряют процессы (и химические, и физические) в материале в два раза. Это отражается на характеристиках проводника (особенно алюминиевого) и ухудшает характеристики изолятора.

Изоляция и температура

Изоляция в результате нагрева сама может стать источником опасных и вредных факторов. Например, ПВХ при увеличении температуры ведет себя так:

• 80 °С — размягчение;
• 100 °С — выделение HCl (летучего вредного газа, хлористого водорода, который при растворении в воде становится соляной кислотой). С повышением температуры процесс усиливается. При 160 °С его уже выделится 50%, при 300 °С — 85%;
• 210 °С — плавление;
• 350 °С — начинается возгорание углеродной основы ПВХ.

Это касается твердого ПВХ, мягкий содержит много добавок-пластификаторов, которые улетучиваются и способны загореться уже при 200 °С.

Размягчение, тем более плавление, кроет в себе другую опасность — могут сблизиться несущие ток провода, что обычно приводит к КЗ и возгоранию.

По соображениям безопасности верхней границей температуры проводов, по которым проходит электрический ток, установили 65 °С. Это при окружающей температуре воздуха 25 °С, земли — 15 °С.

Задача выдержать такую норму нагрева состоит в том, чтобы для всего разнообразия условий подобрать сечения для проводов из разных материалов, применяемых в электротехнике, достаточные для безопасного, то есть без накопления тепла, прохождения тока.

Обязательным условием является то, что имеется в виду допустимый длительный ток для кабелей, а не кратковременные перегрузки.

От внезапных перегрузок по току провода и кабели должны защищать автоматы на щите питания.

Причем их номиналы подбираются так, чтобы они были выше токов, возникающих при кратковременных, но допустимых перегрузках, но ниже опасных для сети перенапряжений.

Структура проводки потребляющей сети

Потребляющая сеть состоит из нескольких групп потребителей. В каждой из них свой характер нагрузок и режим токов, следовательно, и проводка должна соответствовать правилам безопасности. Самое главное правило: должна быть обеспечена высокая нагружаемость там, где нагружено. То есть вводные провода, несущие всю тяжесть потребления в сети, должны быть самыми большими по сечению, поскольку через них идет расход энергии на всю мощность нагрузок в рассматриваемой сети.

Пример. Расчет сечения кабеля для квартирной потребляющей сети

В таблице приведены приборы потребления

Ток шины из формулы суммарной мощности

при K_И , коэффициенте использования, равном 75% и cos j = 1,

получается в диапазоне  I = 41–81 А. Для проводки, учитывающей любые возможные варианты мощностей подключаемых электроприборов, следует брать верхнее значение и запас на будущее порядка 10–20%. Поэтому принимаем максимальный ток, равный 100 А.

Возможно, такая нагрузка ляжет на шины домовой сети тяжким бременем, и электроснабженческая организация не разрешит иметь столько потребителей сразу, однако выбор проводов не должен зависеть от таких «политических» вопросов. Тем более что проводка в старых домах уже демонстрирует недальновидность прежних ограничений.

Сечение шин, подведенных к квартирам, надо принимать как данность. Если мы делаем разводку в квартире сами, то делим ее на несколько подсетей по группам по току потребляющих устройств. От шин щитка питания каждая подсеть будет запитана отдельно. И выполнять ее нужно с расчетом на максимальное потребление именно в этой подсети.

ПУЭ — правила устройства электроустановок

Для регламентации безопасности, касающейся всего, что связано с электроэнергией, существует система правил, которые начали разрабатываться с самого начала использования электроэнергии (1899 год, Первый всероссийский электротехнический съезд) и приводиться в систему, близкую к современной, сразу после Великой Отечественной войны в 1946–1949 годах. И существуют и продолжают разрабатываться и сейчас — в России, Белоруссии и на Украине.

Электробезопасность — это очень серьезно, несмотря на расхождения во взглядах где-то еще. У нас, например, предусматриваются и штрафы за несоблюдение правил устройства электроустановок для граждан, должностных лиц и предпринимателей и для юридических лиц.

То, что касается безопасности электропроводки, собрано в 1 разделе в 3 главе.

В таблицах отображен допустимый длительный ток для кабелей для множества вариантов проводов, металлов (разное удельное сопротивление), изоляции, характера (одножильный – многожильный), сечения провода, а также способов прокладки кабеля.

Полный текст 3 главы из 1 раздела 7-го издания ПУЭ имеется в следующем файле. Допустимый длительный ток для кабелей в них представлен в таблицах 3.1.7.4 – 3.1.7.11.

Для нашего примера построим таблицу, разбив всех потребителей на группы, в каждой группе посчитаем суммарную мощность, ток и найдем по ПУЭ соответствующее ему сечение кабеля для меди и алюминия.

В нашем случае выделим подсети и просчитаем для каждой из них суммарную мощность и максимальный ток. Из ПУЭ сделаем выбор сечения провода для медных проводов и алюминия:

Получилось, для осветительной сети подходит сечение провода 1 мм² меди или 2 мм²  алюминия.

Для розеточной сети с невысоким потреблением (жилые помещения), соответственно,
1,5 и 2,5 мм².

Две розеточные подсети со значительным уровнем потребления — в кухне и ванной — дали 4 и 5–6 мм².

Отдельные потребители могут быть запитаны и отдельной проводкой с индивидуальным расчетом тока и сечения.