Jak obliczyć rozmiar kabla: przewodnik krok po kroku dla projektów elektrycznych

Zapytaj dowolnego doświadczonego inżyniera elektryka, a usłyszysz to samo: dobór kabla to nie jedna formuła, ale krótki łańcuch kontroli, a każde ogniwo w tym łańcuchu musi wytrzymać. Zapewnij odpowiedni prąd, ale zignoruj ​​czynniki obniżające parametry znamionowe, a przewodnik będzie nagrzewał się bardziej, niż kiedykolwiek zaprojektowano jego izolację. Ustaw odpowiednią amperaż, ale zignoruj ​​spadek napięcia, a silnik na drugim końcu linii nie chce się uruchomić. Pomiń kontrolę zwarcia, a instalacja będzie o jedną usterkę od poważnego zdarzenia.

Poniższa metoda jest zgodna z kolejnością stosowaną przez naszych inżynierów podczas przeglądu projektu: najpierw projektowany prąd, następnie koordynacja z urządzeniem zabezpieczającym, następnie obciążalność prądowa, następnie spadek napięcia, a następnie wytrzymałość na zwarcie. Wykonuj kroki w odpowiedniej kolejności, a właściwy przekrój prawie sam się wybierze.

Zanim zaczniesz: Zbierz dane wejściowe

Prawie każde opóźnienie w doborze rozmiaru kabla ma swoje źródło w brakującym wejściu. Zbierz je, zanim otworzysz stół:

• Dane obciążenia: moc w kW lub kVA, współczynnik mocy, wydajność, cykl pracy i jednoczesność.
• Dane systemu: napięcie znamionowe, liczba faz, częstotliwość oraz to, czy zasilanie jest typu TN, TT czy IT.
• Dane dotyczące ochrony: typ i moc wyłącznika lub bezpiecznika oraz jego charakterystyka wyzwalania.
• Metoda instalacji: wielożyłowa lub jednożyłowa, na tacy, w kanale kablowym, bezpośrednio przycięta, na wolnym powietrzu lub zakopana.
• Środowisko: temperatura powietrza otoczenia, temperatura gleby i opór cieplny, głębokość zakopania oraz liczba obwodów znajdujących się na trasie.
• Dane trasy: długość w jedną stronę w metrach plus wszelkie zaplanowane już przyszłe rozszerzenia.
• Dane o usterce: spodziewany prąd zwarciowy u źródła i wymagany czas odłączenia.

Zapisz wartości. Arkusz rozmiarów pokazujący wprowadzone dane można przejrzeć w ciągu kilku minut; ten, który tak nie jest, zawsze będzie kwestionowany.

Krok 1 — Oblicz prąd projektowy (Ib)

Prąd projektowy to prąd, który kabel będzie przewodzić podczas normalnej pracy. Dla obciążenia trójfazowego:

Ib = P / (√3 × U × cos φ)

oraz dla obciążenia jednofazowego:

Ib = P / (U × cos φ)

Szybka ilustracja: obciążenie trójfazowe o mocy 90 kW przy napięciu 400 V i współczynniku mocy 0,85 pobiera 90 000 / (1,732 × 400 × 0,85) = 153 A. Ta pojedyncza liczba wyznacza podstawę do wszystkiego, co nastąpi dalej, ponieważ urządzenie zabezpieczające musi być co najmniej tej wielkości, a kabel musi mieć co najmniej taką wydajność.

Warto pamiętać o dwóch udoskonaleniach. Prąd rozruchowy silnika nie zmienia ciągłego prądu projektowego, ale ma wpływ na wybór zabezpieczenia i kontrolę spadku napięcia. Natomiast w instalacjach o dużej zawartości harmonicznych, takich jak biura pełne odbiorników elektronicznych lub zakłady pełne napędów, może zaistnieć potrzeba doboru przewodu neutralnego na prąd większy niż prąd fazowy, a nie mniejszy.

Krok 2 – Skoordynuj kabel z urządzeniem ochronnym

Kabel jest chroniony tylko wtedy, gdy urządzenie znajdujące się przed nim odłączy się, zanim izolacja ulegnie uszkodzeniu. W praktyce oznacza to, że jednocześnie muszą być spełnione dwa warunki:

Ib ≤ In ≤ Iz

gdzie Ib to prąd obliczeniowy, In to znamionowa wartość znamionowa urządzenia zabezpieczającego, a Iz to skorygowana obciążalność prądowa kabla. Drugi warunek, I2 ≤ 1,45 × Iz, potwierdza, że ​​urządzenie będzie faktycznie działać przy swoim konwencjonalnym prądzie wyzwalającym bez przegrzania przewodnika.

Praktyczna konsekwencja jest prosta. Jeśli obliczony prąd wynosi 153 A, nie wybiera się wyłącznika 200 A i nie szuka się kabla wystarczająco dużego, aby do niego pasował; wybierasz najmniejszą standardową wartość znamionową powyżej obciążenia, która wynosi tutaj 160 A, i dopasowujesz kabel do tej wartości.

Krok 3 - Znajdź bazową obciążalność prądową

Tabele obciążalności prądowej, niezależnie od tego, czy pochodzą z norm IEC 60364-5-52, BS 7671, czy z katalogu producenta, są zbudowane wokół określonego zestawu warunków: referencyjnej temperatury otoczenia, określonej metody instalacji, określonej liczby obciążonych przewodów i pojedynczego obwodu. Znajdź wiersz pasujący do Twojego przekroju i kolumnę pasującą do Twojej instalacji.

W rezultacie dominują trzy wybory. Materiał przewodnika ma znaczenie, ponieważ aluminium potrzebuje mniej więcej półtora raza większego przekroju poprzecznego miedzi dla tego samego prądu. Izolacja ma znaczenie, ponieważ kabel XLPE może pracować z przewodnikiem o temperaturze 90°C, podczas gdy kabel PVC może pracować w temperaturze ograniczonej do 70°C. Metoda instalacji ma ogromne znaczenie, ponieważ kabel przypięty w wolnym powietrzu odprowadza ciepło znacznie łatwiej niż ten sam kabel wciągnięty w zatłoczoną rurę osłonową.

W tym miejscu prawdziwy katalog staje się naprawdę przydatny, ponieważ różnica między rodzajami izolacji nie jest błędem zaokrąglenia. Kabel zasilający w izolacji XLPE 6/1 kV przewodzi zauważalnie więcej prądu niż odpowiednik PVC o tym samym przekroju miedzianym, po prostu dlatego, że jego izolacja toleruje wyższą temperaturę przewodu.

Izolowany kabel zasilający XLPE o napięciu znamionowym 0,6/1 kV Kabel zasilający z izolacją polietylenową o napięciu znamionowym 0,6/1 kV wykorzystuje chemiczne lub fizyczne metody przekształcania cząsteczek polietylenu ze struktury liniowej. Zobacz produkt →

Krok 4 – Zastosuj współczynniki korekcyjne

Rzeczywiste instalacje nigdy nie odpowiadają warunkom referencyjnym podanym w tabeli, dlatego podstawową wydajność należy zmniejszyć. Czynniki mnożą się razem:

Iz = It × Ok × Cg × Cs × CD

Jeżeli obniżona wydajność jest niższa od wartości znamionowej urządzenia zabezpieczającego, należy przesunąć się o jeden przekrój w górę i powtórzyć obliczenia. Często zdarza się, że kabel przechodzi kontrolę prądu dopiero po dwóch lub trzech próbach.

Krok 5 – Sprawdź spadek napięcia

Kabel przewodzący prąd może być nadal za mały dla tej trasy. Spadek napięcia rośnie zarówno wraz z prądem, jak i długością, i to właśnie sprawdzenie najczęściej wymusza większy przekrój na długich liniach zasilających.

Spadek napięcia = (mV/A/m × Ib × L) / 1000

W przypadku obwodu trójfazowego tabelaryczna wartość mV/A/m uwzględnia już współczynnik √3. Typowe wartości graniczne wynoszą 3% dla obwodów oświetleniowych i 5% dla obwodów mocy, mierzone od początku instalacji do zacisków obciążenia, z uwzględnieniem podziału pomiędzy zasilacz i obwód końcowy.

Weź miedziany przewodnik o przekroju 70 mm² przewodzący 160 A na długości 80 m. Jego spadek trójfazowy wynosi około 0,58 mV/A/m, więc strata wynosi 0,58 × 160 × 80 / 1000 = 7,4 V, czyli 1,9% z 400 V, co mieści się w granicach dopuszczalnej. Gdyby zamiast tego trasa wynosiła 300 m, te same obliczenia dałyby napięcie 27,8 V i wymusiłyby zwiększenie przekroju.

Krok 6 – Sprawdź wytrzymałość na zwarcie

Podczas zwarcia w przewodniku płynie prąd wielokrotnie przekraczający normalną wartość znamionową i musi on przetrwać wystarczająco długo, aby zabezpieczenie usunęło zwarcie. Sprawdzenie adiabatyczne jest podejściem standardowym:

S ≥ (I × √t) / k

Tutaj I to spodziewany prąd zwarciowy w amperach, t to czas odłączenia w sekundach, a k to stała zależna od materiału przewodnika i jego izolacji. W przypadku przewodów miedzianych k wynosi zwykle 143 w przypadku izolacji XLPE i 115 w przypadku przewodów PVC, podczas gdy w przypadku przewodów aluminiowych stosowane są niższe wartości. Usterka 20 kA usunięta w 0,2 s wymaga 20 000 × 0,447 / 143 = 62,5 mm² miedzi, dlatego o ostatecznym rozmiarze czasami decyduje kontrola zwarcia, a nie kontrola prądu.

Na taką samą uwagę zasługuje przewód ochronny. Musi wytrzymać tę samą energię zwarcia i musi być tak dobrany, aby impedancja pętli zwarcia doziemnego umożliwiała wyłączenie urządzenia w dozwolonym czasie.

Sprawdzony przykład

Połącz sześć stopni w celu uzyskania zasilacza silnikowego o mocy 90 kW w systemie 400 V przy współczynniku mocy 0,85, poprowadzonego na długości 80 m na tacy w powietrzu o temperaturze 40°C z dwoma innymi obciążonymi obwodami obok niego.

Odpowiedzią jest czterożyłowy kabel miedziany XLPE o przekroju 70 mm². Zwróć uwagę, w którym kroku ustalono rozmiar: potrzebne było 70 mm², aby przenieść 160 A po obniżeniu wartości znamionowych, a zdarza się, że kontrola adiabatyczna została spełniona tylko z niewielkim marginesem. Zmniejsz grupowanie lub temperaturę otoczenia, a margines zniknie.

Gdzie rozmiar kabla zwykle jest nieprawidłowy

• Dobieranie rozmiaru na podstawie obciążenia nominalnego, ignorując różnorodność, wolne moce produkcyjne lub przyszłą rozbudowę.
• Korzystanie z tabeli opartej na temperaturze 30°C, gdy w pomieszczeniu technicznym panuje temperatura 45°C.
• Ignorowanie grupowania, mimo że trzy obwody na jednej tacy obniżają wartość kabla znacznie bardziej, niż większość ludzi się spodziewa.
• Odczyt kolumny PVC dla kabla XLPE lub odwrotnie.
• Sprawdzanie spadku napięcia na pierwszym obciążeniu w obwodzie zamiast na ostatnim.
• Zapominając, że przewód neutralny może przenosić prądy harmoniczne w trójfazowych obwodach czteroprzewodowych.
• Traktowanie kontroli zwarcia jako opcjonalnej w przypadku krótkich serii, gdzie często jest to czynnik decydujący.

Dwa przypadki wymagające dodatkowej opieki

Podajniki średniego napięcia

Od 3,6/6 kV do 26/35 kV logika pozostaje taka sama, ale do obliczeń dołączana jest grubość izolacji, konstrukcja ekranu i uziemienie metalowej osłony. Metalowy ekran ma swoje własne wymagania zwarciowe, a układ uziemienia wpływa zarówno na poziom zwarcia, jak i na zachowanie termiczne kabla. Rozmiar A Kabel elektroenergetyczny w izolacji XLPE 26/35 kV oznacza zatem sprawdzenie tych samych wartości granicznych z dołączonym dodatkowym zestawem warunków ekranu i uziemienia.

Izolowany kabel zasilający XLPE o napięciu znamionowym 3,6/6 kV–26/35 kV Kabel zasilający w izolacji polietylenowej usieciowany o napięciu znamionowym 3,6/6 kV–26/35 kV wykorzystuje zaawansowany proces sieciowania. Metodami chemicznymi lub fizycznymi poli... Zobacz produkt →

Obwody napędu o zmiennej częstotliwości

Przemienniki przepuszczają przez kabel prądy harmoniczne i szybkie impulsy napięcia, więc prąd obliczony na podstawie tabliczki znamionowej silnika nie jest prądem faktycznie widzianym przez kabel. Dedykowany kabel napędowy o symetrycznej, trójżyłowej konstrukcji i odpowiednio klejonym ekranie utrzymuje te prądy pod kontrolą i redukuje zakłócenia elektromagnetyczne w sąsiednich obwodach. W przypadku długich przewodów silnika, podczas doboru rozmiaru należy uwzględnić ograniczenia długości kabli producenta napędu.

Kabel napędu o zmiennej częstotliwości (napięcie znamionowe do 6 kV) Przegląd produktów Kable transformatorowe częstotliwości (powszechnie znane jako kable VFD) to linie przesyłowe mocy zaprojektowane specjalnie do przemysłowych zastosowań o zmiennej częstotliwości... Zobacz produkt →

Od obliczeń do kabla, któremu możesz zaufać

Arytmetyka nie jest trudna. Trudność polega na tym, jakie liczby zostaną do niego wprowadzone, czyli temperatura otoczenia, grupowanie, poziom uskoków i długość trasy, a także wiedza, jaki standard obowiązuje w projekcie.

Wuxi Guanghuan Cable Co., Ltd. produkuje kable w Guanlin w Yixing od 1998 roku, oferując ponad 100 odmian produktów i około 30 000 specyfikacji, od okablowania 450/750 V po kable zasilające XLPE 26/35 kV, z certyfikatem zarządzania jakością zgodnym z ISO 9001 i produktami zatwierdzonymi przez TUV Rheinland. Każde zamówienie rozpoczyna się od rozmowy na temat rozmiaru, ponieważ najbardziej ekonomiczny kabel to ten, który sprawdza się za pierwszym razem. Wyślij nam ładunek, trasę i środowisko, a nasi inżynierowie prześlą zalecenia dotyczące rozmiaru z pełnymi współczynnikami obniżenia wartości znamionowych. Szybkie spojrzenie nasza fabryka pokazuje, jak te kable są produkowane, testowane i przygotowywane do dostawy.

Jeśli chcesz zejść o jeden poziom głębiej w interakcję wydajności produktu z rozmiarem, nasz artykuł na temat kluczowych czynników, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze kabli zasilających jest użytecznym uzupełnieniem tego przewodnika.