Temperatura del cable bajo carga. Y vivían los cables de calefacción

Los alambres y cables, al ser conductores, son calentados por la corriente de carga. El valor de la temperatura de calentamiento permisible para conductores aislados está determinado por las características del aislamiento, para cables desnudos (desnudos), por la confiabilidad de las conexiones de contacto. Los valores de la temperatura de calentamiento permisible a largo plazo de los alambres y núcleos de cables a una temperatura ambiente de + 25ºС y una temperatura de la tierra o del agua de + 15ºС se indican en las reglas de instalación eléctrica (PUE).

La cantidad de corriente correspondiente a la temperatura admisible a largo plazo de un alambre o núcleo de cable determinado se denomina corriente de carga admisible a largo plazo ( Yo adicional). Los valores de corriente permisible a largo plazo para varias secciones de alambres y núcleos de cables, así como varias condiciones para su tendido, se encuentran en el PUE y en la literatura de referencia. Por lo tanto, la determinación de la sección transversal de los hilos y los núcleos de los cables mediante calentamiento se reduce a comparar la corriente de funcionamiento máxima de la línea con el valor tabular de la corriente de carga admisible a largo plazo:

según el cual la sección estándar correspondiente de alambres y núcleos de cable se selecciona de las tablas. Si la temperatura ambiente difiere de los valores tabulares, el valor de la corriente admisible a largo plazo se corrige multiplicando por el factor de corrección, cuyos valores se toman de acuerdo con el PUE y la literatura de referencia.

La sección de los hilos y de los núcleos de los cables seleccionados de acuerdo con la condición de calentamiento debe ser acorde con la protección, de modo que cuando por el conductor circule una corriente que lo caliente por encima de la temperatura admisible, el conductor se desconecte mediante un dispositivo de protección (fusible, disyuntor , etc).

El cálculo y la selección de secciones transversales de alambres y núcleos de cables se realizan en la siguiente secuencia:

1) se selecciona el tipo de dispositivo de protección: un fusible o un disyuntor;

2) si se selecciona un fusible, se determina la corriente nominal de su fusible, que debe cumplir dos condiciones:

donde está la corriente de carga máxima al arrancar un motor asíncrono de jaula de ardilla (su corriente de arranque);

Coeficiente que caracteriza las condiciones de funcionamiento del motor; para condiciones normales de funcionamiento = 2,5; para condiciones severas = 1.6 ... 2.0.

De acuerdo con el mayor valor calculado de la corriente nominal del cartucho fusible, se selecciona el valor estándar de la corriente nominal del cartucho fusible;

3) se determina la corriente de carga admisible a largo plazo, correspondiente a la corriente nominal seleccionada del fusible fusible:

Para cables con aislamiento de papel,

Para todos los demás cables y alambres;

estas relaciones se toman para el caso en que los cables de la red están protegidos contra sobrecargas. Según el PUE, tales redes incluyen redes de iluminación en edificios residenciales y públicos, locales comerciales y de servicios de empresas industriales, así como en áreas peligrosas de incendio y explosión; para los casos en los que es necesario proteger los cables solo de cortocircuitos, se selecciona la relación:

El valor calculado de la corriente de carga admisible a largo plazo obtenida se redondea al valor tabular más cercano de la corriente de carga admisible a largo plazo y la sección transversal estándar correspondiente de los hilos o núcleos de cable;

4) si se elige un interruptor automático como dispositivo de protección y protege los cables de la red contra sobrecargas, entonces todas las relaciones anteriores son válidas, en las que en lugar de la corriente nominal del cartucho fusible, la corriente nominal del disparador del interruptor automático debe ser indicado;

La temperatura de calentamiento máxima permitida del cable es de gran importancia, ya que de ella depende la capacidad de carga, la vida útil y la confiabilidad del cable.

Cada tipo de aislamiento de cable está diseñado para una determinada temperatura admisible a largo plazo, en la que el envejecimiento del aislamiento es lento. Superar la temperatura de calentamiento del cable por encima de lo permitido acelera el proceso de envejecimiento del aislamiento y reduce la vida útil del cable.

Cuando el cable se calienta, el aislamiento de papel sufre el envejecimiento más rápido, cuya resistencia mecánica y elasticidad disminuyen. Las temperaturas permisibles a largo plazo para los cables de alimentación de un tendido estacionario se dan en la Tabla. 17

Tabla 17
Temperatura de calentamiento admisible a largo plazo de los conductores de cable

Cuando el cable se enciende bajo carga, primero se calientan sus núcleos y luego el aislamiento y la cubierta. Las mediciones experimentales han establecido que la diferencia de temperatura entre el núcleo y la cubierta de un cable de 6 kV es de aproximadamente 15 ° C, y para cables de 10 kV - 20 ° C. Por tanto, en condiciones prácticas, suelen limitarse a medir la temperatura de la cubierta, dado que la temperatura del núcleo del cable es 15-20 °C superior.

La temperatura de calentamiento de los núcleos también se puede determinar mediante cálculo utilizando la fórmula

donde t о6 es la temperatura en la cubierta del cable, °С; I - carga máxima del cable a largo plazo, A; n es el número de núcleos de cable; ρ - resistencia específica del cobre o del aluminio a una temperatura cercana a la temperatura del núcleo, Ohm.mm 2 /m; S K: la suma de las resistencias térmicas del aislamiento y las cubiertas protectoras del cable, Ohm (determinado a partir del libro de referencia); q - sección transversal del núcleo del cable, mm 2.

El control sobre el calentamiento de los cables durante el funcionamiento se realiza midiendo la temperatura de la cubierta o armadura de plomo o aluminio en aquellos lugares de la ruta del cable donde, presumiblemente, la línea del cable puede sobrecalentarse frente a las temperaturas permitidas. Dichos lugares pueden ser juntas cerca de tuberías de calor, en un entorno con alta resistencia térmica (escoria, tuberías, etc.), donde se crean condiciones desfavorables para enfriar la línea de cable.

Se recomienda medir la temperatura en la superficie de los cables tendidos en el suelo con termopares. Para instalar termopares en la ruta del cable, se arranca un pozo de 900x900 mm con un rebaje de 150-200 mm en una de las paredes del pozo a lo largo del eje del cable. Después de quitar la cubierta exterior, limpiar la armadura de la corrosión, se crea un contacto confiable (con soldadura o lámina de bajo punto de fusión) con el cable del termopar.

Arroz. 113. Medición de temperatura en la superficie de un cable de trabajo:
1 - cable, 2 - edificio, 3 - blindajes de termopar, 4 - tubería de metal, 5 - tubería de calor

Los cables de medición se sacan a través de una tubería de gas y se conectan a cajas especiales, después de lo cual el pozo se cubre con tierra. El esquema de medición de temperatura en la superficie del cable se muestra en la fig. 113. La medición de la temperatura en la superficie de los cables controlados con la medición simultánea de las cargas actuales se lleva a cabo dentro de un día después de 2 a 3 horas para mejorar las condiciones de enfriamiento. En algunos casos, es recomendable sustituir el tramo de línea sobrecalentado por un cable de gran sección. La medición de la temperatura de los cables tendidos abiertamente en estructuras de cables se puede realizar con un termómetro de laboratorio convencional, fijándolo en las cubiertas de los cables. Es necesario monitorear cuidadosamente la temperatura ambiente y el funcionamiento de la ventilación en las estructuras de cables. La calefacción por cable se controla según sea necesario.

Al elegir un cable, se tienen en cuenta muchos parámetros diferentes, que van desde la sección transversal de los núcleos hasta el material de aislamiento. ¿Por qué es importante conocer detalles como el material del caparazón? Después de todo, su función principal es proteger contra descargas eléctricas. Si el aislamiento está a la altura de la tarea, entonces se debe prestar más atención a las características más importantes del cable. Desafortunadamente, muchos cometen este error, de hecho, la temperatura de calentamiento permisible del cable y el material de aislamiento están inusualmente relacionados. Cada tipo de funda protectora está diseñada para una temperatura determinada, si supera ciertos valores, entonces se acelera el proceso de envejecimiento del aislamiento. Esto afecta seriamente la vida útil del cable y, no pocas veces, del equipo conectado con él. La temperatura de calentamiento permitida del cable es el parámetro del que depende no solo la capacidad de carga del cable, sino también la confiabilidad de su funcionamiento. Temperatura de calentamiento admisible de un cable con diferentes tipos de aislamiento Todos los tipos de materiales utilizados como aislamiento para núcleos conductores tienen sus propias características físicas. Tienen diferente densidad, capacidad calorífica, conductividad térmica. Como resultado, esto afecta su capacidad para soportar el calor, por lo que el polietileno vulcanizado puede mantener sus características de desempeño hasta los 90 °C. Por otro lado, el aislamiento de caucho puede soportar una carga de temperatura significativamente más baja, solo 65ºС. La temperatura permitida para calentar un cable con PVC es de 70 grados y este es uno de los indicadores más óptimos. Uno de los indicadores más importantes es la temperatura de calentamiento permisible del cable c. Este tipo de cable es muy utilizado y está diseñado para trabajar con diferentes voltajes. Por eso debes tener cuidado en esta característica, cambia de la siguiente manera:

• para una tensión de 1-2 kV, la temperatura máxima permitida para cables con impregnación pobre y viscosa es de 80ºС;
• para una tensión de 6 kV, el aislamiento con impregnación viscosa resiste 65ºС, con impregnación empobrecida 75ºС;
• para un voltaje de 10 kV, la temperatura permitida es de 60ºС;
• para un voltaje de 20 kV, la temperatura permitida es de 55ºС;
• para un voltaje de 35 kV, la temperatura permitida es de 50ºС.

Todo esto requiere una mayor atención a la carga máxima a largo plazo del cable, las condiciones de funcionamiento. Otro de los materiales aislantes demandados hoy en día en la industria eléctrica es el polietileno reticulado. Tiene una estructura compleja que proporciona características de rendimiento únicas. La temperatura de calentamiento permisible del cable y del aislamiento XLPE es de 70ºС. Uno de los líderes en este parámetro es el caucho de silicona, que puede soportar 180ºС. ¿A qué puede conducir el sobrecalentamiento del cable? Si se supera la temperatura de calentamiento admisible del cable, las propiedades del aislamiento cambian drásticamente. Comienza a agrietarse, desmoronarse, lo que genera un riesgo de cortocircuito. La vida útil del cable con cada grado superado se reduce considerablemente. Esto requiere reparaciones más frecuentes, costos, por lo que es mejor usar inicialmente el cable que está diseñado para resolver ciertos problemas. Pero incluso esto no es suficiente, es necesario controlar regularmente la temperatura de la carcasa, especialmente en aquellos lugares donde se puede suponer un sobrecalentamiento. Estos pueden ser lugares cerca de tuberías de calor o crear condiciones desfavorables para el enfriamiento.

Para seleccionar un cable calefactor, debe comprender a qué características técnicas debe prestar atención, así como comprender cuáles son sus necesidades de calefacción. Este artículo discutirá las principales características de los cables calefactores para las necesidades de las tuberías de agua de calefacción.

Potencia del cable calefactor

La primera característica a la que debe prestar atención es la potencia del cable calefactor. Se mide en vatios por metro lineal y, según los modelos, puede ser de 5 a 150 W/m. Cuanto mayor sea la potencia, mayor será el consumo de electricidad y mayor será la producción de calor.

Para calentar el suministro de agua, se utilizan cables de baja potencia: de 5 a 25 W / m, dependiendo de cómo se instale el cable calefactor y por dónde pase el suministro de agua, puede concentrarse en la siguiente potencia:

• el suministro de agua se coloca en el suelo, el cable dentro de la tubería es suficiente 5 W / m
• el suministro de agua se coloca en el suelo, el cable está fuera de la tubería: potencia de 10 W / m
• el suministro de agua se coloca a través del aire - desde 20 W / m

La tubería y el cable calefactor en todos los casos deben estar aislados con una capa de aislamiento de al menos 3-5 mm.

En el caso de un cable calefactor resistivo, la potencia se mantiene constante en toda su longitud e independientemente de la temperatura de la tubería, pero el cable autorregulador reduce el consumo de energía y su temperatura si la tubería ya está calentada. Esto ahorra una cantidad importante de electricidad, y cuanto mayor sea la potencia de trabajo del cable autorregulador, mayor será el ahorro.

La dependencia de la potencia de calentamiento de la temperatura se muestra en el gráfico.

El gráfico muestra la potencia frente a la temperatura para cinco cables autorreguladores diferentes con diferentes valores nominales de potencia de 15 W/m a 45 W/m. La mayor eficiencia del uso de tales cables se obtiene cuando se usan en condiciones de un sistema de suministro de agua extendido, que funciona en condiciones de temperatura muy diferentes. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, mayor será el ahorro.

Sin embargo, al calentar una pequeña sección del suministro de agua, no se nota tanto. Si el agua proviene de un pozo, entonces su temperatura, independientemente de la época del año, oscila entre 2 y 6 grados, y la tarea del cable calefactor es simplemente evitar que se congele, es decir, mantenerlo a un nivel de unos +5 grados centígrados. Esto significa que el cable calefactor funcionará en el rango de temperatura de 0 a 5 grados, mientras que la diferencia de potencia es de solo unos pocos vatios (desde 2 W para un cable de baja potencia, hasta 5 W para un cable de 45 vatios) .

Temperatura del cable calefactor

La segunda característica importante es la temperatura de funcionamiento. Según este indicador, todos los cables calefactores se dividen en tres categorías:

1. Baja temperatura con temperatura de funcionamiento de hasta 65 grados.
2. Temperatura media - 120 grados
3. Alta temperatura - hasta 240 grados

Solo se utilizan cables de baja temperatura para calentar el suministro de agua, además, nunca funcionan a temperaturas cercanas a los 65 grados máximos.

Área de aplicación

Según el campo de aplicación, los cables se dividen en dos tipos:

1. Alimentos: solo se puede usar para la instalación dentro de una tubería al calentar un sistema de suministro de agua, que se usa para necesidades domésticas, suministrando agua potable.
2. Técnico: se usa para montar fuera de la tubería en cualquier caso, se puede montar dentro de la tubería solo cuando el agua no se usa para alimentos (por ejemplo, en sistemas de riego, lavado o calefacción).

Lea también:

• Los cables calefactores se utilizan para calentar cañerías, techos, cornisas y otros elementos donde no es deseable la congelación del agua en invierno. La opción más simple son los cables calefactores resistivos, son de un solo núcleo y de dos núcleos.
• Los cables calefactores autorreguladores se utilizan para calentar tuberías en lugares donde se colocan por encima del nivel de congelación del suelo, por ejemplo, en el punto donde la tubería ingresa a la casa. Un cable autorregulador tiene la capacidad de cambiar de forma independiente la intensidad del calentamiento en diferentes áreas según la necesidad: cuanto más baja es la temperatura del objeto calentado, más se calienta el cable.
• El cable calefactor autorregulable se puede instalar de diferentes formas: dentro de la tubería y afuera, colocado a lo largo de la tubería o en espiral.
• El termostato es un dispositivo de conmutación de circuitos eléctricos que se utiliza para encender y apagar dispositivos de calefacción como radiadores, cables de calefacción en un sistema de calefacción por suelo radiante o en sistemas antihielo. En principio, el esquema de conexión es el mismo para todos los termostatos.

Una red eléctrica correctamente calculada y correctamente ejecutada no garantiza la exclusión de la posibilidad de situaciones de emergencia que conduzcan a un sobrecalentamiento inaceptable de los circuitos eléctricos en caso de cortocircuito.

Por ejemplo, una situación similar, como se señala en el trabajo, ocurre cuando la carga se conecta a la red de salida a través de un cable de extensión. A partir de una cierta longitud del cable de extensión añadido a la línea de grupo, la resistencia del circuito de fase cero aumenta hasta un valor en el que la corriente de cortocircuito será inferior al umbral de funcionamiento del disparador electromagnético del interruptor automático. Por lo tanto, cuando se realizan instalaciones eléctricas, es conveniente tener en cuenta la posibilidad de condiciones anormales de funcionamiento del cableado eléctrico.

De acuerdo con las "Temperaturas límite de los cables eléctricos para una tensión nominal de 1 kV en condiciones de cortocircuito", la temperatura de los conductores de los cables (hasta 300 mm 2 inclusive) con aislamiento de PVC durante un cortocircuito no debe exceder los 160 grados. Se permite alcanzar esta temperatura con una duración de cortocircuito de hasta 5 segundos. Con tal duración de cortocircuito, el aislamiento del cable no tiene tiempo de calentarse a la misma temperatura. Para cortocircuitos más largos, se debe reducir la temperatura máxima de calentamiento de los núcleos.

Consideremos la ocurrencia de una situación similar usando el ejemplo del uso del interruptor automático del grupo "C". Tiempo: la característica de corriente del interruptor automático se muestra en la Fig. 1. En las características dadas, se distinguen la zona "a" - la liberación térmica y la zona "b" - la liberación electromagnética. El gráfico muestra dos curvas 1 y 2 del tiempo de operación del interruptor en función de la corriente, que muestran los límites de la dispersión tecnológica de los parámetros del interruptor durante su fabricación. Para interruptores automáticos del grupo "C" dentro del despliegue tecnológico, la relación de la corriente de operación del disparador electromagnético a la corriente nominal del disparador térmico está en el rango de 5 a 10. Solo nos interesa la curva 2 para corriente alterna (AC), mostrando el tiempo máximo de actuación del interruptor. Como puede verse en el gráfico de la Fig. 1, con una ligera disminución de la corriente de cortocircuito por debajo del umbral de funcionamiento del disparador electromagnético, el tiempo de funcionamiento del interruptor automático está determinado por el disparador térmico y alcanza un valor del orden 6 segundos.

Arroz. 1 Tiempo - característica actual de los autómatas del grupo C.

Intentemos averiguar qué sucede con los cables durante el período de tiempo durante el cual se dispara el disparador térmico. Para hacer esto, es necesario calcular la dependencia de la temperatura de los núcleos de los cables con el tiempo de paso a través de ellos de corrientes cercanas al umbral de operación de la liberación electromagnética.

La Tabla 1 proporciona los valores calculados de las temperaturas de los núcleos de los cables según la duración del cortocircuito (a diferentes corrientes) para un cable con núcleos de cobre con una sección transversal de 1,5 m2. milímetro El cable de esta sección es muy utilizado en la iluminación de edificios residenciales y públicos.

Para calcular las temperaturas de los núcleos de los cables, se utilizó el método de cálculo de "Cálculo de corrientes de cortocircuito térmicamente admisibles teniendo en cuenta el calentamiento no adiabático".

La temperatura de los núcleos de los cables está determinada por la fórmula:

Θ f = (Θ i +β)∙exp(I AD 2 ∙t/K 2 ∙S 2) - β (1)

donde, Θ f es la temperatura final de los núcleos de los cables en torno a C;

Θ i - temperatura inicial de los núcleos de los cables alrededor de C;

β es el recíproco del coeficiente de temperatura de resistencia a 0 °C, K, para el cobre β=234,5;

K es una constante en función del material del elemento conductor, A s 1/2 /mm 2, para cobre K=226;

t - duración del cortocircuito, s;

S - área de la sección transversal del núcleo conductor, mm 2;

I SC - corriente de cortocircuito máxima conocida (valor rms), A;

I AD =I SC /ε - corriente de cortocircuito, determinada sobre la base del calentamiento adiabático (valor eficaz), A;

ε - coeficiente que tiene en cuenta la eliminación de calor a los elementos vecinos;

X, Y: constantes utilizadas en la fórmula simplificada para núcleos y pantallas de alambre, (mm 2 / s) 1/2; mm 2 /s, para cables con conductores de cobre y aislamiento de PVC X=0,29 e Y=0,06;

Los cálculos se realizan para que la temperatura del cable antes del cortocircuito sea de 55 grados. Esta temperatura corresponde a la corriente de funcionamiento que pasa por el cable antes de que se produzca un cortocircuito del orden de 0,5 - 0,7 de la corriente máxima admisible a largo plazo a una temperatura ambiente de 30 - 35 grados. Dependiendo de las condiciones operativas esperadas de la instalación eléctrica, la temperatura de los núcleos de los cables antes de un cortocircuito se puede cambiar al diseñar la red eléctrica.

tabla 1

De la Tabla 1 se puede ver que la corriente máxima de cortocircuito (si el disparador electromagnético no actúa), que no provoca calentamiento de los conductores por encima de 160 grados en 6 segundos, es de aproximadamente 100 A. Es decir, un cable con una sección transversal de 1,5 mm 2 puede ser protegida por un interruptor automático del grupo "C" con una corriente nominal de no más de 10A.

En la fabricación de cables, a menudo se subestima la sección transversal de los núcleos. Subestimar la sección transversal en un 10% es una ocurrencia común. En los mercados no es difícil encontrar cables con una gran subestimación de la sección transversal.

La Tabla 2 proporciona los valores calculados de las temperaturas de los núcleos de los cables cuando la sección transversal se subestima en un 10%. Como se puede ver en la tabla, el disyuntor C10 no protege dicho cable con un 100 por ciento de confiabilidad.

Para las instalaciones más críticas, especialmente aquellas con estructuras edilicias de materiales combustibles, es recomendable elegir un disyuntor a la hora de diseñar una instalación eléctrica según la Tabla 3, en la que las secciones de los conductores se dan con un 20% de subestimación . La protección de dichos cables estará a cargo del interruptor automático C6 o B10, en el que la relación entre la corriente de funcionamiento del disparador electromagnético y la corriente nominal de funcionamiento del disparador térmico está en el rango de 3 a 5. Esto aumentará significativamente la fiabilidad del cableado eléctrico.

Tabla 2

Tabla 3