Temperatura kabla pod obciążeniem. I żyły przewody grzejne

Przewody i kable, będące przewodnikami, są nagrzewane przez prąd obciążenia. Wartość dopuszczalnej temperatury nagrzewania przewodów izolowanych jest określona przez charakterystykę izolacji, dla przewodów gołych (gołych) - przez niezawodność połączeń stykowych. Wartości długookresowej dopuszczalnej temperatury nagrzewania przewodów i rdzeni kabli przy temperaturze otoczenia + 25ºС i temperaturze ziemi lub wody + 15ºС są wskazane w przepisach dotyczących instalacji elektrycznych (PUE).

Ilość prądu odpowiadająca długoterminowej dopuszczalnej temperaturze danego drutu lub rdzenia kabla nazywana jest długoterminowym dopuszczalnym prądem obciążenia ( ja dodatkowo). Wartości długookresowego dopuszczalnego prądu dla różnych przekrojów przewodów i rdzeni kablowych, a także różne warunki ich układania podano w PUE i literaturze referencyjnej. Zatem określenie przekroju przewodów i rdzeni kabli przez nagrzewanie sprowadza się do porównania maksymalnego prądu roboczego linii z tabelaryczną wartością długookresowego dopuszczalnego prądu obciążenia:

zgodnie z którym z tabel wybiera się odpowiedni standardowy przekrój przewodów i rdzeni kablowych. Jeżeli temperatura otoczenia różni się od wartości tabelarycznych, to wartość długoterminowego dopuszczalnego prądu jest korygowana przez pomnożenie przez współczynnik korekcji, którego wartości są przyjmowane zgodnie z PUE i literaturą referencyjną.

Przekrój przewodów i żył kabli dobrany do stanu nagrzewania musi być zgodny z zabezpieczeniem, aby przy przepływie prądu przez przewodnik nagrzewający go powyżej dopuszczalnej temperatury, przewód został odłączony przez urządzenie zabezpieczające (bezpiecznik, wyłącznik itp.).

Obliczenia i dobór przekrojów przewodów i żył kabli wykonuje się w następującej kolejności:

1) wybrano rodzaj urządzenia ochronnego - bezpiecznik lub wyłącznik;

2) w przypadku doboru bezpiecznika określa się prąd znamionowy jego bezpiecznika, który musi spełniać dwa warunki:

gdzie jest maksymalny prąd obciążenia podczas uruchamiania asynchronicznego silnika klatkowego (jego prąd rozruchowy);

Współczynnik charakteryzujący warunki pracy silnika; dla normalnych warunków pracy = 2,5; dla trudnych warunków = 1,6 ... 2,0.

W zależności od większej obliczonej wartości prądu znamionowego wkładki bezpiecznikowej dobierana jest wartość standardowa prądu znamionowego wkładki;

3) określa się długookresowy dopuszczalny prąd obciążenia, odpowiadający wybranemu prądowi znamionowemu bezpiecznika:

Do kabli w izolacji papierowej,

Do wszystkich innych kabli i przewodów;

te współczynniki są brane pod uwagę w przypadku, gdy przewody sieciowe są chronione przed przeciążeniami. Według UEP takie sieci obejmują sieci oświetleniowe w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej, lokalach handlowych i usługowych przedsiębiorstw przemysłowych, a także w obszarach zagrożonych pożarem i wybuchem; w przypadkach, w których konieczne jest zabezpieczenie przewodów tylko przed zwarciami, wybiera się stosunek:

Obliczona wartość długookresowego dopuszczalnego prądu obciążenia jest zaokrąglana w górę do najbliższej tabelarycznej wartości długookresowego dopuszczalnego prądu obciążenia i odpowiadającego mu standardowego przekroju przewodów lub żył kabli;

4) jeżeli jako zabezpieczenie wybrano wyłącznik, który chroni przewody sieciowe przed przeciążeniami, to obowiązują wszystkie powyższe przełożenia, w których zamiast prądu znamionowego wkładki bezpiecznikowej musi być prąd znamionowy wyzwalacza wyłącznika być wskazane;

Maksymalna dopuszczalna temperatura nagrzewania kabla ma ogromne znaczenie, ponieważ od tego zależy nośność, żywotność i niezawodność kabla.

Każdy rodzaj izolacji kabla jest zaprojektowany na określoną długotrwałą dopuszczalną temperaturę, w której starzenie się izolacji przebiega powoli. Przekroczenie temperatury nagrzewania kabla powyżej dopuszczalnej przyspiesza proces starzenia izolacji i skraca żywotność kabla.

Kiedy kabel jest nagrzewany, izolacja papierowa ulega najszybszemu starzeniu, której wytrzymałość mechaniczna i elastyczność maleją. Długotrwałe dopuszczalne temperatury dla kabli zasilających w układzie stacjonarnym podano w tabeli. 17.

Tabela 17
Długotrwała dopuszczalna temperatura grzania rdzeni kabli

Kiedy kabel jest włączany pod obciążeniem, najpierw podgrzewane są jego rdzenie, a następnie izolacja i powłoka. Pomiary eksperymentalne wykazały, że różnica temperatur między rdzeniem a powłoką kabla 6 kV wynosi około 15°C, a dla kabli 10 kV - 20°C. Dlatego w praktycznych warunkach ograniczają się one zwykle do pomiaru temperatury osłony, biorąc pod uwagę, że temperatura żyły kabla jest wyższa o 15-20 °C.

Temperaturę nagrzewania rdzeni można również określić za pomocą obliczeń ze wzoru

gdzie t о6 to temperatura na powłoce kabla, °С; I - długotrwałe maksymalne obciążenie kabla, A; n to liczba żył kabla; ρ - rezystancja właściwa miedzi lub aluminium w temperaturze zbliżonej do temperatury rdzenia, Ohm.mm 2 /m; S K - suma rezystancji termicznych izolacji i osłon ochronnych kabla, Ohm (określona z książki referencyjnej); q - przekrój żyły kabla, mm 2.

Kontrolę nagrzewania się kabli podczas eksploatacji przeprowadza się poprzez pomiar temperatury osłony ołowianej lub aluminiowej lub pancerza w tych miejscach trasy kablowej, gdzie przypuszczalnie linia kablowa może ulec przegrzaniu w stosunku do dopuszczalnych temperatur. Takimi miejscami mogą być uszczelki w pobliżu rurociągów ciepłowniczych, w środowisku o dużej odporności termicznej (żużel, rury itp.), gdzie powstają niekorzystne warunki do chłodzenia linii kablowej.

Zaleca się pomiar temperatury na powierzchni kabli ułożonych w ziemi za pomocą termopar. Aby zainstalować termopary na trasie kablowej, odrywa się studzienkę o wymiarach 900x900 mm z wgłębieniem 150-200 mm w jednej ze ścian studzienki wzdłuż osi kabla. Po zdjęciu osłony zewnętrznej, oczyszczeniu pancerza z korozji powstaje niezawodny kontakt (z lutem niskotopliwym lub folią) z przewodem termopary.

Ryż. 113. Pomiar temperatury na powierzchni działającego kabla:
1 - kabel, 2 - budynek, 3 - osłony termopar, 4 - rura metalowa, 5 - rurka cieplna

Przewody pomiarowe wyprowadzane są rurą gazową i podłączane do specjalnych skrzynek, po czym dół jest zasypywany ziemią. Schemat pomiaru temperatury na powierzchni kabla przedstawiono na ryc. 113. Pomiar temperatury na powierzchni kontrolowanych kabli z jednoczesnym pomiarem obciążeń prądowych wykonywany jest w ciągu doby po 2-3 godzinach w celu poprawy warunków chłodzenia. W niektórych przypadkach wskazane jest zastąpienie przegrzanego odcinka linii kablem o dużym przekroju. Pomiar temperatury kabli ułożonych jawnie w konstrukcjach kablowych można przeprowadzić za pomocą konwencjonalnego termometru laboratoryjnego, mocując go na osłonach kabli. Konieczne jest uważne monitorowanie temperatury otoczenia i działania wentylacji w konstrukcjach kablowych. Ogrzewanie kablowe jest monitorowane w razie potrzeby.

Przy wyborze kabla bierze się pod uwagę wiele różnych parametrów, począwszy od przekroju żył, a skończywszy na materiale izolacyjnym. Dlaczego ważne jest, aby znać szczegóły, takie jak materiał powłoki? W końcu jego główną funkcją jest ochrona przed porażeniem elektrycznym. Jeśli izolacja spełnia swoje zadanie, należy zwrócić większą uwagę na ważniejsze cechy kabla. Niestety wielu popełnia ten błąd, w rzeczywistości dopuszczalna temperatura nagrzewania kabla i materiał izolacyjny są niezwykle powiązane. Każdy rodzaj osłony ochronnej jest zaprojektowany na określoną temperaturę, jeśli przekroczy określone wartości, to proces starzenia izolacji ulega przyspieszeniu. Ma to poważny wpływ na żywotność kabla, a nierzadko również podłączonego do niego sprzętu. Dopuszczalna temperatura nagrzewania kabla jest parametrem, od którego zależy nie tylko nośność kabla, ale także niezawodność jego działania. Dopuszczalna temperatura nagrzewania kabla z różnymi rodzajami izolacji Wszystkie rodzaje materiałów stosowanych jako izolacja przewodów przewodzących mają swoje właściwości fizyczne. Mają różną gęstość, pojemność cieplną, przewodność cieplną. W rezultacie wpływa to na ich odporność na ciepło, dzięki czemu wulkanizujący polietylen może zachować swoje właściwości użytkowe do 90 ° C. Z drugiej strony gumowa izolacja jest w stanie wytrzymać znacznie niższe obciążenie temperaturowe - tylko 65ºС. Dopuszczalna temperatura ogrzewania kabla PVC wynosi 70 stopni i jest to jeden z najbardziej optymalnych wskaźników. Jednym z najważniejszych wskaźników jest dopuszczalna temperatura grzania kabla c. Ten typ kabla jest bardzo szeroko stosowany i jest przeznaczony do pracy z różnymi napięciami. Dlatego należy uważać na tę cechę, zmienia się ona w następujący sposób:

• dla napięcia 1-2 kV maksymalna dopuszczalna temperatura dla kabli o ubogiej i lepkiej impregnacji wynosi 80ºС;
• dla napięcia 6 kV izolacja z lepką impregnacją wytrzymuje 65ºС, przy zubożonej impregnacji 75ºС;
• dla napięcia 10 kV dopuszczalna temperatura wynosi 60ºС;
• dla napięcia 20 kV dopuszczalna temperatura wynosi 55ºС;
• dla napięcia 35 kV dopuszczalna temperatura wynosi 50ºС.

Wszystko to wymaga zwiększonej uwagi na długoterminowe maksymalne obciążenie kabla, warunki pracy. Innym z poszukiwanych obecnie materiałów izolacyjnych w przemyśle elektrycznym jest usieciowany polietylen. Ma złożoną strukturę, która zapewnia wyjątkowe właściwości użytkowe. Dopuszczalna temperatura grzania kabla i izolacji XLPE wynosi 70ºС. Jednym z liderów tego parametru jest guma silikonowa, która wytrzymuje 180ºС. Do czego może prowadzić przegrzanie kabla Przekroczenie dopuszczalnej temperatury nagrzewania kabla prowadzi do tego, że właściwości izolacji ulegają drastycznej zmianie. Zaczyna pękać, kruszyć się, powodując ryzyko zwarcia. Żywotność kabla z każdym przekroczonym stopniem ulega znacznemu skróceniu. Wymaga to częstszych napraw, kosztów, dlatego lepiej jest początkowo użyć kabla, który ma na celu rozwiązanie pewnych problemów. Ale nawet to nie wystarczy, konieczne jest regularne monitorowanie temperatury powłoki, szczególnie w miejscach, w których można założyć przegrzanie. Mogą to być miejsca w pobliżu rur cieplnych lub stwarzać niekorzystne warunki do chłodzenia.

Aby wybrać kabel grzejny, musisz zrozumieć, na jakie parametry techniczne musisz zwrócić uwagę, a także zrozumieć, jakie są Twoje potrzeby grzewcze. W tym artykule omówione zostaną główne cechy przewodów grzejnych na potrzeby rur grzewczych.

Moc przewodu grzejnego

Pierwszą cechą, na którą trzeba zwrócić uwagę, jest moc przewodu grzejnego. Jest mierzony w watach na metr bieżący i w zależności od modelu może wynosić od 5 do 150 W/m. Im większa moc, tym większe zużycie energii elektrycznej i większa moc cieplna.

Do ogrzewania dopływu wody stosuje się kable małej mocy - od 5 do 25 W/m, w zależności od tego, w jaki sposób jest zainstalowany kabel grzejny i gdzie przechodzi dopływ wody, można skupić się na następującej mocy:

• dopływ wody jest ułożony w ziemi, kabel wewnątrz rury wystarcza 5 W / m
• doprowadzenie wody jest ułożone w ziemi, kabel znajduje się na zewnątrz rury - moc od 10 W / m
• dopływ wody układany jest przez powietrze - od 20 W / m

Rura i kabel grzejny we wszystkich przypadkach muszą być zaizolowane warstwą izolacji o grubości co najmniej 3-5 mm.

W przypadku oporowego przewodu grzejnego moc pozostaje stała na całej długości i niezależnie od temperatury rury, natomiast przewód samoregulujący zmniejsza pobór prądu i jego temperaturę, jeśli rura jest już nagrzana. Oszczędza to znaczną ilość energii elektrycznej, a im większa moc robocza kabla samoregulującego, tym większe oszczędności.

Na wykresie przedstawiono zależność mocy grzewczej od temperatury.

Wykres przedstawia moc w funkcji temperatury dla pięciu różnych kabli samoregulujących o różnych mocach znamionowych od 15 W/m do 45 W/m. Największą wydajność z zastosowania takich kabli uzyskuje się w warunkach rozbudowanego systemu wodociągowego, który pracuje w bardzo różnych warunkach temperaturowych. Im większa różnica temperatur, tym większe oszczędności.

Jednak podczas podgrzewania niewielkiej części wodociągu nie jest to tak zauważalne. Jeżeli woda jest dostarczana ze studni, to jej temperatura, niezależnie od pory roku, waha się od 2 do 6 stopni, a zadaniem przewodu grzejnego jest po prostu zapobieganie jej zamarzaniu, czyli utrzymywanie na poziomie około +5 stopni Celsjusza. Oznacza to, że przewód grzejny będzie pracował w zakresie temperatur od 0 do 5 stopni, natomiast różnica mocy to zaledwie kilka watów (od 2 W dla kabla małej mocy, aż do 5 W dla kabla 45 wat) .

Temperatura przewodu grzejnego

Drugą ważną cechą jest temperatura pracy. Według tego wskaźnika wszystkie przewody grzejne dzielą się na trzy kategorie:

1. Niska temperatura z temperaturą pracy do 65 stopni
2. Średnia temperatura - 120 stopni
3. Wysoka temperatura - do 240 stopni

Do podgrzewania wody wykorzystywane są wyłącznie kable niskotemperaturowe, co więcej, nigdy nie pracują w temperaturach nawet zbliżonych do maksymalnych 65 stopni.

Obszar zastosowań

W zależności od dziedziny zastosowania kable dzielą się na dwa typy:

1. Żywność - tylko może być używana do montażu wewnątrz rury podczas podgrzewania sieci wodociągowej, która jest używana na potrzeby domowe, dostarczając wodę pitną.
2. Techniczny - służy do montażu na zewnątrz rury w każdym przypadku, może być montowany wewnątrz rury tylko wtedy, gdy woda nie jest używana do żywności (na przykład w systemach nawadniających, myjących lub grzewczych).

Przeczytaj także:

• Kable grzejne służą do ogrzewania instalacji wodno-kanalizacyjnych, dachowych, gzymsów i innych elementów, w których zamarzanie wody zimą jest niepożądane. Najprostszą opcją są oporowe przewody grzejne, są jedno- i dwużyłowe.
• Samoregulujące przewody grzejne służą do ogrzewania kanalizacji w miejscach, w których układa się je powyżej poziomu zamarzania gruntu - na przykład w miejscu wejścia rurociągu do domu. Kabel samoregulujący ma możliwość samodzielnej zmiany intensywności nagrzewania w różnych obszarach w zależności od potrzeb: im niższa temperatura nagrzewanego obiektu, tym bardziej kabel się nagrzewa.
• Samoregulujący przewód grzejny można układać na różne sposoby: wewnątrz rury i na zewnątrz, układany wzdłuż rury lub w spiralę.
• Termostat to urządzenie przełączające obwód elektryczny, które służy do włączania i wyłączania urządzeń grzewczych, takich jak grzejniki, przewody grzejne w systemie ogrzewania podłogowego lub w systemach przeciwoblodzeniowych. W zasadzie schemat połączeń jest taki sam dla wszystkich termostatów.

Prawidłowo obliczona i prawidłowo wykonana sieć elektryczna nie gwarantuje wykluczenia możliwości wystąpienia sytuacji awaryjnych prowadzących do niedopuszczalnego przegrzania obwodów elektrycznych w przypadku zwarcia.

Na przykład podobna sytuacja, jak zauważono w pracy, ma miejsce, gdy obciążenie jest podłączone do sieci wyjściowej za pomocą przedłużacza. Począwszy od określonej długości przedłużacza dodanego do linii grupowej, rezystancja obwodu zerowego fazy wzrasta do wartości, przy której prąd zwarciowy będzie mniejszy niż próg zadziałania wyzwalacza elektromagnetycznego wyłącznika. Dlatego przy instalacjach elektrycznych pożądane jest uwzględnienie możliwości wystąpienia nienormalnych warunków pracy instalacji elektrycznej.

Zgodnie z „Temperatury graniczne kabli elektrycznych o napięciu znamionowym 1 kV w warunkach zwarcia” temperatura żył kabla (do 300 mm 2 włącznie) z izolacją PVC podczas zwarcia nie powinna przekraczać 160 stopni. Osiągnięcie tej temperatury jest dozwolone przy czasie trwania zwarcia do 5 sekund. Przy takim czasie trwania zwarcia izolacja kabla nie ma czasu na nagrzanie się do tej samej temperatury. W przypadku dłuższych zwarć należy obniżyć maksymalną temperaturę nagrzewania rdzeni.

Rozważmy wystąpienie podobnej sytuacji na przykładzie użycia automatycznego przełącznika grupy „C”. Czas - charakterystykę prądową wyłącznika przedstawiono na rys. 1. W podanych charakterystykach rozróżnia się strefę „a” - wyzwalacz termiczny i strefę „b” - wyzwalacz elektromagnetyczny. Wykres przedstawia dwie krzywe 1 i 2 czasu pracy wyłącznika w funkcji prądu, które pokazują granice technologicznego rozrzutu parametrów wyłącznika podczas jego wytwarzania. Dla wyłączników grupy „C” w zakresie technologicznym stosunek prądu roboczego wyzwalacza elektromagnetycznego do prądu znamionowego wyzwalacza termicznego zawiera się w zakresie od 5 do 10. Interesuje nas tylko krzywa 2 dla prądu przemiennego (AC), pokazując maksymalny czas działania przełącznika. Jak widać z wykresu na ryc. 1, przy niewielkim spadku prądu zwarciowego poniżej progu zadziałania wyzwalacza elektromagnetycznego, czas zadziałania wyłącznika jest określony przez wyzwalacz termiczny i osiąga wartość rzędu 6 sekund.

Ryż. 1 Czas - aktualna charakterystyka automatów grupy C.

Spróbujmy dowiedzieć się, co dzieje się z kablami w czasie, w którym wyzwalacz termiczny zadziała. W tym celu należy obliczyć zależność temperatury rdzeni kabla od czasu przejścia przez nie prądów bliskich progowi działania wyzwalacza elektromagnetycznego.

Tabela 1 podaje obliczone wartości temperatur rdzeni kabla w zależności od czasu trwania zwarcia (przy różnych prądach) dla kabla z rdzeniami miedzianymi o przekroju 1,5 m2. mm. Kabel tego odcinka znajduje szerokie zastosowanie w oświetleniu budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej.

Do obliczenia temperatur żył kabli wykorzystano metodę obliczeniową z „Obliczania termicznie dopuszczalnych prądów zwarciowych z uwzględnieniem nagrzewania nieadiabatycznego”.

Temperaturę żył kabla określa wzór:

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

gdzie, Θ f jest końcową temperaturą rdzeni kabla około C;

Θ i - początkowa temperatura żył kabla około C;

β jest odwrotnością współczynnika temperaturowego rezystancji przy 0 °C, K, dla miedzi β=234,5;

K jest stałą zależną od materiału elementu przewodzącego, A s 1/2 /mm2, dla miedzi K=226;

t - czas trwania zwarcia, s;

S - powierzchnia przekroju przewodzącego rdzenia, mm 2;

I SC - znany maksymalny prąd zwarciowy (wartość skuteczna), A;

I AD =I SC /ε - prąd zwarciowy wyznaczany na podstawie nagrzewania adiabatycznego (wartość skuteczna), A;

ε - współczynnik uwzględniający odprowadzanie ciepła do sąsiednich elementów;

X, Y - stałe stosowane w uproszczonym wzorze na rdzenie i sita druciane, (mm 2 / s) 1/2; mm 2 /s, dla kabli o żyłach miedzianych i izolacji polwinitowej X=0,29 i Y=0,06;

Obliczenia wykonano dla temperatury kabla przed zwarciem wynoszącej 55 stopni. Temperatura ta odpowiada prądowi roboczemu przepływającemu przez kabel przed wystąpieniem zwarcia rzędu 0,5 - 0,7 maksymalnego dopuszczalnego prądu długotrwałego w temperaturze otoczenia 30 - 35 stopni. W zależności od przewidywanych warunków pracy instalacji elektrycznej temperaturę żył kabla przed zwarciem można zmienić podczas projektowania sieci elektrycznej.

Tabela 1

Z tabeli 1 wynika, że ​​maksymalny prąd zwarciowy (jeśli nie zadziała wyzwalacz elektromagnetyczny), który nie powoduje nagrzewania się przewodów powyżej 160 stopni w ciągu 6 sekund, wynosi około 100 A. Czyli kabel z przekrój 1,5 mm2 może być chroniony przez automatyczny przełącznik grupy „ C” o prądzie znamionowym nie większym niż 10A.

W produkcji kabli przekrój żył jest często niedoceniany. Powszechnym zjawiskiem jest zaniżanie przekroju o 10%. Na rynkach nietrudno znaleźć kable o dużym niedoszacowaniu przekroju.

Tabela 2 podaje obliczone wartości temperatur rdzeni kabla, gdy przekrój jest zaniżony o 10%. Jak widać z tabeli, wyłącznik C10 nie zabezpiecza takiego kabla ze stuprocentową niezawodnością.

W przypadku najbardziej krytycznych obiektów, zwłaszcza tych o konstrukcji budowlanej wykonanej z materiałów palnych, zaleca się dobór wyłącznika przy projektowaniu instalacji elektrycznej zgodnie z Tabelą 3, w której przekroje przewodów podano z 20% niedoszacowaniem . Ochronę takich kabli zapewni wyłącznik automatyczny C6 lub B10, w którym stosunek prądu zadziałania wyzwalacza elektromagnetycznego do znamionowego prądu zadziałania wyzwalacza termicznego zawiera się w przedziale od 3 do 5. To znacznie wzrośnie niezawodność okablowania elektrycznego.

Tabela 2

Tabela 3