Вибір перетину дроту в залежності від навантаження

1. Навіщо потрібен розрахунок перерізу проводів?
2. Які ж втрати виникають при проходженні електричного струму по проводах?
3. Електричний опір матеріалів
4. Як практично вибрати потрібну перетин проводів
5. Розрахунок перетину дроту
6. Чи не плутаємо перетин дроту і його діаметр

Щоб правильно розрахувати необхідну перетин проводів для тієї чи іншої корисної електричного навантаження, для початку корисно розібратися - а навіщо це потрібно взагалі робити?

Навіщо потрібен розрахунок перерізу проводів?

Почнемо з того, що для початку визначимо наші вимоги до провідника електричного струму.

1. Нам потрібно щоб провідник доставив електричну енергію до місця її використання з мінімальними втратами. За аналогією, листоноша, який з сотні листів доставить тільки п'ятдесят - поганий листоноша.
2. Нам потрібно, щоб вартість доставки електроенергії була мінімальна. З тієї ж аналогії, хороший листоноша, який доставляє з сотні листів всю сотню, але при цьому занадто дорого бере за свої послуги, нам так само не підійде.

Які ж втрати виникають при проходженні електричного струму по проводах?

Це, по-перше, втрати на нагрів проводів, як відомо, струм, при проходженні по деякому ділянці електричного кола, нагріває провідники. Причому кількість виділеної теплоти залежить від електричного опору цієї ділянки в прямо пропорційній залежності, а також від квадрата сили струму в ланцюзі.

По-друге, на цій ділянці ланцюга спостерігається так зване падіння напруги - зменшення електричного потенціалу від початку до кінця ланцюга, тобто зменшення потенційної енергії - здатності здійснювати роботу. Це падіння напруги за законом Ома, прямо пропорційно опору і силі струму. (U = IR)

Як бачимо, всі втрати зводяться до електричного опору, яке повинно бути мінімально. Якщо довести опір ділянки кола протіканню струму до нуля, то всякі втрати зникнуть. Величину, назад пропорційну опору, в електротехніці прийнято називати провідністю. Чим менше опір - тим вище провідність. При опорі рівному нулю, провідність стає надпровідність - прагне до нескінченності.

Якщо припустити, що такі провідники з нульовим опором існують - то перед людством виникають воістину фантастичні перспективи - можна, наприклад, створити кільце з надпровідника, порушити в цьому кільці струм в мільйони ампер, який буде протікати без втрат і отримати ідеальний акумулятор необмеженої кількості енергії .

Насправді - це не фантастика. Вже на початку ХХ століття було відкрито явище надпровідності в деяких матеріалах і їх сплавах. Виявляється, що при температурах близьких до абсолютного нуля (за шкалою Кельвіна нуль градусів - це мінус 273 градуси за Цельсієм) деякі матеріали стають сверхпроводниками. У вісімдесятих роках минулого століття було відкрито так зване явище «високотемпературної надпровідності». Слово «високотемпературної» означало, що надпровідність виникала при нулі Кельвіна, а при температурі 77К, або мінус 196 за Цельсієм, що дало можливість для охолодження провідників застосовувати рідкий азот.

На сьогодні рекорд високотемпературної надпровідності належить керамічному з'єднанню Hg-Ba-Ca-Cu-O (F), відкритого в 2003 році критична температура надпровідності для якого дорівнює 166 К або мінус 107с. Прогрес в пошуках матеріалів для надпровідників триває, сьогодні вони вже застосовуються в фізичних експериментах для отримання сильних магнітних полів, в надпотужних трансформаторів струму, а в Південній Кореї збираються до 2015 року побудувати лінію електропередач на надпровідниках довжиною 3000 км. До речі перша комерційна лінія електропередачі на надпровідниках з 2008 року діє на Лонг-Айленді в Нью-Йорку.

Але до застосування надпровідників в побуті поки ще далеко. Тільки уявіть собі охолоджуючі до мінус 107с градусів системи охолодження проводів. Або той факт, що при таких низьких температурах провідники стають крихкі як скло. Тому обмежимо на цьому наш екскурс в привабливу явище надпровідності.

Електричний опір матеріалів

Отже, ми з'ясували, що для провідників струму в проводах потрібно застосовувати матеріали з мінімальним опором. З усіх існуючих на сьогодні матеріалів мінімальним питомим електричним опором володіє золото. На другому місці - мідь. На третьому - срібло, і на четвертому - алюміній. Виключаючи дорогоцінні метали, отримаємо найбільш підходящі мідь і алюміній. Питомий опір міді нижче, ніж у алюмінію, проте алюміній в рази легше міді, тобто його витрата менше і за вартістю він дешевше. Тому сьогодні застосовуються і алюмінієві, і мідні дроти. Правда у алюмінію більше хімічних і механічних недоліків, він швидко окислюється (його важче паяти) і від нагрівання стає крихким і ламким. Внаслідок цього правила улаштування електроустановок (ПУЕ) наказують всередині квартир і будинків застосовувати мідні дроти.

Але чи тільки від матеріалу провідника залежить його електричний опір? Ні, його опір залежить не тільки від матеріалу, але і від розмірів поперечного перерізу, чим товще провідник - тим його опір менше. За аналогією, чим більше канал для води - тим більше води в одиницю часу через нього проходить.

Взагалі-то, строго кажучи, струм в перерізі провідника розподіляється нерівномірно. Внаслідок того, що однойменні електричні заряди відштовхуються, електричний струм по провіднику круглого перетину тече в основному по краях перетину, там і буде максимальна щільність струму. Внаслідок цього багатожильний кабель здатний пропускати з допустимим нагріванням більший струм, ніж одножильний того ж перетину. Це теж потрібно враховувати. До того ж багатожильний кабель еластичний (допускає перегини при експлуатації), а моножільних - більш жорсткий і крихкий, він застосовується для стаціонарної проводки, як більш дешевий.

Здавалося б, ось і вирішення питання - взяти товстіший провід і таким методом зменшити втрати. Але тут вступає в силу друга наша вимога до проводів, щоб їх установка була економічно виправдана вартістю. Кольорові метали нині дорогі і їх надмірне застосування - дороге «задоволення».

Саме тому і потрібно розрахунок перерізу проводів для будь-якої електропроводки, починаючи від лінії електропередач, і закінчуючи вибором подовжувача для електроапаратури. Потрібно знайти оптимальний варіант з безпеки і за вартістю. Варто зауважити, що нагрів проводів понад норми, крім втрат, може викликати і такі явища, як оплавлення ізоляції, підгоряння контактів, що в підсумку неминуче призведе до ураження електричним струмом або пожежі.

Як практично вибрати потрібну перетин проводів

Розрахунок цей проводиться за двома параметрами:

• по допустимому нагріву проводів;
• по допустимому падінню напруги на ділянці кола.

Для визначення падіння напруги на ділянці кола необхідно знати довжину цієї ділянки в метрах. Тобто мати точний план лінії електропередачі в масштабі. Потім, зрозумівши передбачувану навантаження на цю ділянку лінії електропередачі в Вт (ВАТ) або кВт (кіловатах), визначити передбачуваний струм, який буде протікати по ділянці, розділивши навантаження в Вт (1кВт = 1000Вт) на напругу мережі (127,220 або 380 вольт), результат ділення і буде означати передбачуваний струм в А (амперах).

Зауважимо, що при розрахунку навантаження необхідно підсумувати потужності всіх споживачів електроенергії (освітлювальні прилади, нагрівачі, електродвигуни, електронну апаратуру, пральні машини, холодильники і т.д.). Потім суму потужностей споживачів помножити на якийсь коефіцієнт, що враховує можливість одночасного включення споживачів. Іншими словами, якщо всі споживачі не можуть бути включені одночасно - то це потрібно врахувати.

І друге, електродвигуни споживають струм в залежності від навантаження. Як правило, їх реальні струми менше зазначених в паспорті номінальних. Це точно так само як витрата палива автомобілями, на сотню кілометрів він буде різним при їзді по місту, взимку в пробках або влітку по автомагістралі.

За правильним розрахунком навантаження існують методики, які можна знайти в Інтернеті.

Визначивши навантаження і передбачуваний струм, знаючи допустиме значення падіння напруги, можна по закону Ома визначити необхідний опір ділянки кола - розділивши допускається падіння напруги в вольтах на ток в амперах. Отримаємо, що допускається опір ділянки кола в Омасі. Далі, знаючи довжину ділянки в метрах, ми можемо визначити необхідну питомий опір проводів, розділивши знайдене загальний опір в Омах на долину ділянки в метрах. Знаючи питомий опір Ом / м, за таблицями підбираємо необхідний перетин проводів, з огляду на обраний матеріал, для міді буде одне перетин, для алюмінію - інше.

Ми зупинилися коротко на даному розрахунку тому, що в звичайній побутовій практиці для неспеціалістів, а звичайних людей цей розрахунок, як правило, не потрібен. Тому що нам доводиться підбирати дроти до внутрішньої проведенні будинку або квартири, а при невеликих відстанях падіння напруги на проводах буде настільки малим, що його можна не учітивать.Поетому зупинимося на приблизних розрахунку перетину, який доводиться робити в побутовій практиці - розрахунку по допустимому нагріву проводів . Для початку визначимо навантаження на даний провід.

Для цього точно так же визначаємо, що у нас буде підключено з споживачів, причому підсумовуємо потужності тільки тих споживачів, які можуть бути підключені одночасно! З усіх варіантів підключення вибираємо варіант з максимальною потужністю. Наприклад, ми отримали сумарну максимальну потужність одночасно включених споживачів - 1100 ват (1,1 кВт). Розділивши потужність в ватах на напругу в вольтах (1100/220 = 5 А) отримаємо струм в 5 ампер.

Далі більшість статей на цю тему пропонує звернутися до таблиць, з яких по току можна вибрати необхідний перетин дроти. (Така таблиця є в ПУЕ). І це правильно. Але в житті часто під рукою немає ні таблиць, ні інтернету, а визначити перетин потрібно. Тому, не повторюючи інші статті і не приводячи таблиці, ми запропонуємо інший спосіб визначення перетину, приблизний.

До речі точно за таблицями і формулами визначати перетин немає необхідності, оскільки дроти випускаються з певним рядом перетинів і нам все одно потрібно буде прийняти найближче більше значення. У практиці прикидочного розрахунку виявляється досить в більшості випадків, адже ми ж не будемо займатися проектування ЛЕП з мільйонної вартістю, де кожен зайвий грам на метр дроту дасть величезні витрати на всій довжині.

Розрахунок перетину дроту

Для прикидки досить запам'ятати одну цифру для міді - 7 ампер / кв.мм перетину. Це допустима щільність струму. Знаючи цю цифру, легко визначити в нашому прикладі потрібне перетин мідних проводів: 5 (А) / 7 (А / кв.мм) отримаємо необхідну перетин трохи більше 0.7 кв.мм. Приймемо з невеликим запасом цифру 0.7 кв.мм (або 0.8) і відправимося в магазин купувати кабель для проводки. До речі в маркуванні проводів вказується перетин і максимальний струм для даного виду проводу або кабелю, потрібно звіритися і маркуванням.

Потрібно так само запам'ятати, що для алюмінію в порівнянні з міддю допустимий струм на кв.мм перетину в 2,5 рази менше, тобто замість 3 для міді потрібно брати приблизно 7 (А / кв.мм) для алюмінію. (Округлення робимо для легкого запам'ятовування і розрахунків «в умі»).

Чи не плутаємо перетин дроту і його діаметр

На закінчення звернемо вашу увагу на часту помилку, яку здійснюють не дуже досвідчені «електрики», а саме: - плутають діаметр з січнем. І замість дроти з перетином 8 кв.мм набувають пруток міді діаметром 8 мм, перетин якого за відомою зі школи формулою дорівнює:
S = (π / 4) х D² або S = D² / 1.27 = 8² / 1.27 = 50 кв.мм.
Якщо потрібно розрахувати перетин багатожильного кабелю, використовуємо формулу:
S = N * (D² / 1.27), де N - кількість проводів.

Таблиця переведення діаметр - перетин для проводів діаметром від 0,02 до 1,6 мм СКАЧАТИ .