Как правильно рассчитать сечение проводов под нагрузку

Чтобы правильно рассчитать необходимое сечение проводов для той или иной полезной электрической нагрузки, для начала полезно разобраться – а зачем это нужно вообще делать?

Зачем нужен расчёт сечения проводов?

Начнём с того, что для начала определим наши требования к проводнику электрического тока.

  1. Нам нужно чтобы проводник доставил электрическую энергию к месту её использования с минимальными потерями. По аналогии, почтальон, который из сотни писем доставит только пятьдесят – плохой почтальон.
  2. Нам нужно, чтобы стоимость доставки электроэнергии была минимальна. По той же аналогии, хороший почтальон, который доставляет из сотни писем всю сотню, но при этом слишком дорого берёт за свои услуги, нам так же не подойдёт.

Какие же потери возникают при прохождении электрического тока по проводам?

Это, во-первых. потери на нагрев проводов, как известно, ток, при прохождении по некоторому участку электрической цепи, нагревает проводники. Причём количество выделяемой теплоты зависит от электрического сопротивления этого участка в прямо пропорциональной зависимости, а также от квадрата силы тока в цепи.

Во-вторых. на этом участке цепи наблюдается так называемое падение напряжения – уменьшение электрического потенциала от начала к концу цепи, то есть уменьшение потенциальной энергии – способности совершать работу. Это падение напряжения по закону Ома, прямо пропорционально сопротивлению и силе тока. (U = IR)

Как видим, все потери сводятся к электрическому сопротивлению, которое должно быть минимально. Если довести сопротивление участка цепи протеканию тока до нуля, то всякие потери исчезнут. Величину, обратно пропорциональную сопротивлению, в электротехнике принято называть проводимостью. Чем меньше сопротивление – тем выше проводимость. При сопротивлении равном нулю, проводимость становится сверхпроводимостью – стремится к бесконечности.

Если предположить, что такие проводники с нулевым сопротивлением существуют – то перед человечеством возникают поистине фантастические перспективы – можно, к примеру, создать кольцо из сверхпроводника, возбудить в этом кольце ток в миллионы ампер, который будет протекать без потерь и получить идеальный аккумулятор неограниченного количества энергии.


На самом деле – это не фантастика. Уже в начале ХХ века было открыто явление сверхпроводимости в некоторых материалах и их сплавах. Оказывается, что при температурах близких к абсолютному нулю (по шкале Кельвина ноль градусов – это минус 273 градуса по Цельсию) некоторые материалы становятся сверхпроводниками. В восьмидесятых годах прошлого века было открыто так называемое явление «высокотемпературной сверхпроводимости». Слово «высокотемпературной» означало, что сверхпроводимость возникала не при нуле Кельвина, а при температуре 77К, или минус 196 по Цельсию, что дало возможность для охлаждения проводников применять жидкий азот.

На сегодня рекорд высокотемпературной сверхпроводимости принадлежит керамическому соединению Hg—Ba—Ca—Cu—O(F), открытому в 2003 году критическая температура сверхпроводимости для которого равняется 166 К или минус 107С. Прогресс в поисках материалов для сверхпроводников продолжается, сегодня они уже применяются в физических экспериментах для получения сильных магнитных полей, в сверхмощных трансформаторах тока, а в Южной Корее собираются к 2015 году построить линию электропередач на сверхпроводниках длиной 3000 км. Кстати первая коммерческая линия электропередачи на сверхпроводниках с 2008 года действует на Лонг-Айленде в Нью-Йорке.

Но до применения сверхпроводников в быту пока ещё далеко. Только представьте себе охлаждающие до минус 107С градусов системы охлаждения проводов. Или тот факт, что при таких низких температурах проводники становятся хрупкие как стекло. Поэтому ограничим на этом наш экскурс в заманчивое явление сверхпроводимости.

Электрическое сопротивление материалов

Итак, мы выяснили, что для проводников тока в проводах нужно применять материалы с минимальным сопротивлением. Из всех существующих на сегодня материалов минимальным удельным электрическим сопротивлением обладает золото. На втором месте – медь. На третьем – серебро, и на четвёртом – алюминий. Исключая драгоценные металлы, получим наиболее подходящие медь и алюминий. Удельное сопротивление меди ниже, чем у алюминия, однако алюминий в разы легче меди, то есть его расход меньше и по стоимости он дешевле. Поэтому сегодня применяются и алюминиевые, и медные провода. Правда у алюминия больше химических и механических недостатков, он быстро окисляется (его труднее паять) и от нагрева становится хрупким и ломким. Вследствие этого правила устройства электроустановок (ПУЭ) предписывают внутри квартир и домов применять медные провода.

Но только ли от материала проводника зависит его электрическое сопротивление? Нет, его сопротивление зависит не только от материала, но и от размеров поперечного сечения, чем толще проводник – тем его сопротивление меньше. По аналогии, чем больше канал для воды – тем больше воды в единицу времени через него проходит.

Вообще-то, строго говоря, ток в сечении проводника распределяется неравномерно. Вследствие того, что одноимённые электрические заряды отталкиваются, электрический ток по проводнику круглого сечения течёт в основном по краям сечения, там и будет максимальная плотность тока. Вследствие этого многожильный кабель способен пропускать с допустимым нагревом больший ток, чем одножильный того же сечения. Это тоже нужно учитывать. К тому же многожильный кабель эластичен (допускает перегибы при эксплуатации), а моножильный – более жёсткий и ломкий, он применяется для стационарной проводки, как более дешёвый.

Казалось бы, вот и решение вопроса – взять потолще провод и таким методом уменьшить потери. Но тут вступает в силу второе наше требование к проводам, чтобы их установка была экономически оправдана стоимостью. Цветные металлы нынче дорогие и их избыточное применение – дорогое «удовольствие».

Именно поэтому и требуется расчёт сечения проводов для любой электропроводки, начиная от линии электропередач, и кончая выбором удлинителя для электроаппаратуры. Нужно найти оптимальный вариант по безопасности и по стоимости. Стоит заметить, что нагрев проводов свыше нормы, кроме потерь, может вызывать и такие явления, как оплавление изоляции, подгорание контактов, что в итоге неизбежно приведёт к короткому замыканию или пожару.

Как практически выбрать нужное сечение проводов

Расчёт этот производится по двум параметрам:

  • по допустимому нагреву проводов;
  • по допустимому падению напряжения на участке цепи.

Для определения падения напряжения на участке цепи необходимо знать длину этого участка в метрах. То есть иметь точный план линии электропередачи в масштабе. Затем, вычислив предполагаемую нагрузку на данный участок линии электропередачи в Вт (ваттах) или кВт (киловаттах), определить предполагаемый ток, который будет протекать по участку, разделив нагрузку в Вт (1кВт=1000Вт) на напряжение сети (127,220 или 380 вольт), результат деления и будет означать предполагаемый ток в А (амперах).

Заметим, что при расчёте нагрузки необходимо суммировать мощности всех потребителей электроэнергии (осветительные приборы, нагреватели, электродвигатели, электронную аппаратуру, стиральные машины, холодильники и т.д.). Затем сумму мощностей потребителей умножить на некий коэффициент, учитывающий возможность одновременного включения потребителей. Другими словами, если все потребители не могут быть включены одновременно – то это нужно учесть.

И второе, электродвигатели потребляют ток в зависимости от нагрузки. Как правило, их реальные токи меньше указанных в паспорте номинальных. Это точно так же как расход топлива автомобилями, на сотню километров он будет разным при езде по городу, зимой в пробках или летом по автомагистрали.

По правильному расчёту нагрузки существуют методики, которые можно найти в Интернете.

Определив нагрузку и предполагаемый ток, зная допустимое значение падения напряжения, можно по закону Ома определить требуемое сопротивление участка цепи – разделив допускаемое падение напряжения в вольтах на ток в амперах. Получим допускаемое сопротивление участка цепи в омах. Далее, зная длину участка в метрах, мы можем определить требуемое удельное сопротивление проводов, разделив найденное общее сопротивление в Омах на долину участка в метрах. Зная удельное сопротивление Ом/м, по таблицам подбираем необходимое сечение проводов, учитывая выбранный материал, для меди будет одно сечение, для алюминия – другое.

Мы остановились вкратце на данном расчёте потому, что в обычной бытовой практике для неспециалистов, а обычных людей этот расчёт, как правило, не нужен. Потому что нам приходится подбирать провода к внутренней проводке дома или квартиры, а при небольших расстояниях падение напряжения на проводах будет столь малым, что его можно не учитывать.Поэтому остановимся на прикидочном расчёте сечения, который приходится делать в бытовой практике – расчёте по допустимому нагреву проводов. Для начала определим нагрузку на данный провод.

Для этого точно так же определяем, что у нас будет подключено из потребителей, причём суммируем мощности только тех потребителей, которые могут быть подключены одновременно! Из всех вариантов подключения выбираем вариант с максимальной мощностью. Например, мы получили суммарную максимальную мощность одновременно включённых потребителей – 11 000 ватт (1,1 кВт). Разделив мощность в ваттах на напряжение в вольтах (11 000/220=50 А) получим ток в 50 ампер.

Далее большинство статей на эту тему предлагает обратиться к таблицам, из которых по току можно выбрать необходимое сечение провода. (Такая таблица есть в ПУЭ). И это правильно. Но в жизни часто под рукой нет ни таблиц, ни интернета, а определить сечение нужно. Поэтому, не повторяя другие статьи и не приводя таблицы, мы предложим другой способ определения сечения, прикидочный.

Кстати точно по таблицам и формулам определять сечение нет необходимости, поскольку провода выпускаются с определённым рядом сечений и нам всё равно нужно будет принять ближайшее большее значение. В практике прикидочного расчёта оказывается достаточно в большинстве случаев, ведь мы же не будем заниматься проектирование ЛЭП с миллионной стоимостью, где каждый лишний грамм на метре провода даст огромные расходы на всей длине.

Расчет сечения провода

Для прикидки достаточно запомнить одну цифру для меди – 7 ампер/кв.мм сечения. Это допустимая плотность тока. Зная эту цифру, легко определить в нашем примере потребное сечение медных проводов: 50(А)/7 (А/кв.мм) получим требуемое сечение чуть больше 7 кв.мм. Примем с небольшим запасом цифру 7,5 кв.мм (или 8) и отправимся в магазин покупать кабель для проводки. Кстати в маркировке проводов указывается сечение и максимальный ток для данного вида провода или кабеля, нужно свериться и маркировкой.

Нужно так же запомнить, что для алюминия по сравнению с медью допустимый ток на кв.мм сечения в 2,5 раза меньше, то есть вместо 7 для меди нужно брать примерно 3 (А/кв.мм) для алюминия. (Округления делаем для лёгкого запоминания и расчётов «в уме»).

Не путаем сечение провода и его диаметр

В заключение обратим ваше внимание на частую ошибку, которую совершают не очень опытные «электрики», а именно: – путают диаметр с сечением. И вместо провода с сечением 8 кв.мм приобретают пруток меди диаметром 8 мм, сечение которого по известной из школы формуле равняется:

S = (?/4) х D? или S = D?/1.27 = 8?/1.27 = 50 кв.мм.

Если нужно рассчитать сечение многожильного кабеля, используем формулу:

S = N *(D?/1.27). где N – количество проводов.

Cтатьи из категории: Электротехника

Последствия поражения человека электрическим током могут быть разной тяжести и зависят от многих факторов. Сила тока, напряжение сети, конкретный путь прохождения электрического тока по телу пострадавшего, качество и количество одежды, […]

Генераторы переменного тока являются основными источниками переменного напряжения, используемого в промышленности и в аграрном секторе. Гидрогенераторы ГЭС и турбогенераторы ТЭЦ, выходящие на разветвленную сеть станций и систем линий ЛЭП, имеют […]

Электродвигателем называется устройство, преобразующее электрическую энергию, получаемую из сети распределения, в механическую энергию вращения. Любой электродвигатель состоит из корпуса, защищающего устройство от пыли и влаги, неподвижной части (статора), жёстко скреплённой […]

Электроизоляционными принято называть материалы, которые обладают свойством электрически изолировать друг от друга токоведущие части, находящиеся под напряжением из-за наличия между ними определённой разности потенциалов. Такие материалы (называемые диэлектриками) отличаются высоким […]

Согласно требованиям ПУЭ (Правилам Устройства Электроустановок) для обеспечения надёжной защиты промышленных и бытовых электрических сетей от перенапряжений и короткого замыкания в них должны устанавливаться специальные приборы – так называемые выключатели […]

Разрядниками принято называть специальные электротехнические приборы, служащие для ограничения перенапряжений, нередко возникающих при эксплуатации действующих электрических сетей. Отметим, что первоначально ими назывались механические изделия, представляющие собой два электрода с искровым […]

Как известно, электромагнитный пускатель представляет собой электрический коммутационный прибор, который используется для запуска, защиты и остановки электродвигателей, работающих по асинхронной схеме. Главным рабочим элементом любого пускателя является электромагнитный контактор для […]

Изоляционные свойства отдельных составляющих действующего электрооборудования (к числу которых можно отнести обмотки электродвигателей, кабельные оболочки и т.п.) являются, как известно, важнейшим показателем их работоспособности.

По материалам сайта: http://proelectrika.com