Отличие провода и кабеля, расчёт площади сечения проводника и выбор длительно допустимого тока кабеля

Довольно часто перед электриками встаёт вопрос выбора сечения кабеля или провода для подключения какого либо электрооборудования или целого объекта. Как правило, человек находит в интернете таблицу «сечение провода – допустимый ток» и выбирает исходя из неё.

К чему может привести такой выбор провода:

  1. В такого рода таблицах не учитывается длина кабеля, а точнее, его сопротивление, что может вызвать пониженное значение напряжения на конце линии, недостаточное для нормальной работы подключенного электрооборудования.
  2. В случае с оборудованием со значительными значениями пускового тока (например, асинхронные электродвигатели), оборудование не сможет войти в свой рабочий режим, так же, будет оказано влияние на других потребителей подключенных от данной линии.
  3. Экономическая необоснованность при выборе сечения проводника большего значения «с запасом».
  4. Нарушение правил устройства электроустановок (ПУЭ) и Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭЭП).
  5. Нет возможности проверить правильность составления таблицы.

Основные этапы при определении сечений проводников

(Скачать блок-схему)

При выборе сечения кабелей и проводов необходимо исходить из условий:

  1. Определения расчётного тока (мощностей) для подключаемого электрооборудования.
  2. Допустимой потери напряжения (падение напряжения на подключаемом электрооборудовании). На данном этапе рассчитывается поперечное сечение проводников исходя из токовой нагрузки и протяженности линии. Например, для электродвигателей в момент подачи напряжения, допускается такое падение напряжения, которое обеспечивает необходимый пусковой момент, также не должна нарушаться работа других потребителей электроэнергии. Это определено нормами качества электрической энергии ГОСТ 13109-97, ПУЭ, а также в технической документации на конкретный тип оборудования.
  3. Нагревания проводников определённого типа (допустимому длительному току). Выбор сечений проводников по нагреву (Одноимённый параграф в ПУЭ). Величина тока в проводнике определённого сечения должна быть не больше определённого значения. Данный параметр зависит от выбранного типа изоляции кабеля и места его прокладки.
  4. Механической прочности жил проводников для различных типов электроустановок.
    Устанавливается минимально допустимое сечение проводника даже в том случае, когда проводник проходит по всем остальным параметрам (определенно в правилах устройства электроустановок).
  5. Определения сечения проводников по экономической плотности тока (Одноимённый параграф в ПУЭ). Экономически обоснованное сечение проводника. (На практике применяется в основном для расчёта крупных объектов)
  6. Проверка надёжности действия токовой защиты при коротком замыкании для выбранного сечения и длины проводников (производится на этапе расчёта аппаратов защиты).

(Все ГОСТы, упомянутые в тексте на момент написания статьи 28.05.2018г – действующие)

Определение расчетных значений (мощностей) и токовых нагрузок электрооборудования

Задача расчёта мощностей нагрузок, не такая простая задача, как может показаться изначально. Например, определение мощности таких нагрузок как лампы накаливания, электроплиты не представляет каких либо затруднений, так как данный вид нагрузки потребляет определённую номинальную мощность, и данное значение может быть взято за расчетное.

Сложнее дело обстоит с электродвигателями, у которых значение потребляемой из сети мощности, напрямую зависит от механического момента вращения, соединенного с механизмом – металлообрабатывающий станок, вентилятор вентиляционной установки, циркуляционный насос и т. п.

Фактическая мощность, потребляемая в определённый момент времени электродвигателем, может значительно отличаться от указанной в паспортных данных номинальной мощности. Например, фактическая потребляемая мощность электродвигателя насоса может меняться в зависимости от: изменения состава перекачиваемой среды, давления в трубопроводе и т. п. Двигатель может оказаться как перегруженным, так и недогруженным.

Тем самым, расчёт мощности для определённой группы потребителей, ещё более усложняется.

Расчетную нагрузку для токоведущих жил необходимо принять наибольшую возможную нагрузку, как наиболее тяжелую для проводов и кабелей линии.

Под наибольшей нагрузкой следует понимать не кратковременный ее всплеск (скачок), а наибольшее усреднённое значение за получасовой период времени.

Расчетная нагрузка группы электрооборудования определяется по формуле:

Kс — коэффициент спроса для режима наибольшей нагрузки (мощности), учитывающий наибольшее возможное число подключенного электрооборудования группы. Для электродвигателей коэффициент спроса должен учитывать также значение параметра их загрузки;

Pу — номинальная электрическая мощность подключаемой группы электрооборудования, равная сумме всех номинальных мощностей подключаемого электрооборудования (кВт).

Значение расчетной мощности должно быть не менее номинальной потребляемой мощности, наибольшего из подключаемого электроприемника.

Коэффициент спроса для одного электроприемника (одиночная нагрузка), следует принимать равным единице.

Коэффициенты спроса для каждого типа электрооборудования свои, для их определения следует руководствоваться СП 31-110-2003.

Определение расчётного тока для трёхфазного электрооборудования 380 В

Для дальнейших расчётов сечения проводников по условию нагревания, а так же по условию допустимой потери напряжения, необходимо рассчитать величину расчетного тока линии. Для трехфазного электрооборудования величина расчетного тока (Ампер) определяется по формуле:


P — Расчетная мощность всего подключаемого электрооборудования, кВт;
Uн — номинальное напряжение питания, равное междуфазному значению (линейному) Вольт;
cos ф— коэффициент мощности одиночного электрооборудования или среднее значение всего подключаемого оборудования.

Определение расчётного тока для однофазного электрооборудования 220 В

Величина расчетного тока (Ампер) для однофазного электроприемника или для группы приемников, подключенных к одной фазе сети трехфазного тока, определяется по формуле:


Пример №1.

Необходимо определить расчётный ток для столярной мастерской, запитанной от четырехпроводной линии номинальным напряжением 380/220 В.
В мастерской планируется установить :

  • 10 асинхронных электродвигателей, суммарной номинальной мощностью Py1=18 кВт.
  • Освещение состоящие из ламп накаливания суммарной мощностью Py2=1,3 кВт.
  • Шесть бытовых штепсельных розеток (для подключения различной оргтехники); Pу3= 0,06 кВт

Согласно СП 31-110-2003 коэффициент спроса (Kс) для металлообрабатывающих и деревообрабатывающих станков в мастерских, принимается при числе работающих электроприемников до 3 Kс = 0,5.

Коэффициент спроса для расчета групповой сети рабочего освещения, распределительных и групповых сетей эвакуационного и аварийного освещения зданий следует принимать Kс = 1

Установленная мощность штепсельной розетки, принимаем за 0,06 кВт коэффициент Kс = 1.

При смешанном подключении общего рабочего освещения и розеточной сети, расчетную нагрузку следует сложить.

Определяем расчётную нагрузку электродвигателей:


Освещения и розеток:


Определяем расчётную нагрузку розеток:


Суммарная расчётная нагрузка:


Расчетный ток определяем по формуле (2):


Определение поперечного сечения проводов или кабелей по условию допустимой потери напряжения

Выбор поперечного сечения проводников в кабельной сети должен производиться по допускаемой потере напряжения, которая устанавливается с таким расчетом, чтобы отклонения напряжения для всего присоединенного к этой сети электрооборудования не выходили за пределы допустимого.

Номинальные напряжения на выходе систем электроснабжения (по ГОСТу 21128-83):


Согласно ГОСТу 13109-97:

  • Нормально допустимое значение установившегося отклонения напряжения — ±5.
  • Предельно допустимое значение установившегося отклонения напряжения — ±10.

Активное и индуктивное сопротивление линии

Активное сопротивление линии (Ом/км) равно:

При расчете электросетей по потере напряжения активное сопротивление проводов всегда должно учитываться. Напротив, индуктивным сопротивлением линии в ряде случаев, можно пренебречь.

Значение индуктивного сопротивления проводников
Расчет сети по потере напряжения без учета индуктивного сопротивления проводов допустим в следующих случаях:

  • для сети постоянного тока;
  • переменного тока при cosφ = 1
  • для сетей, выполненных кабелями или изолированными проводами, проложенными в трубах на роликах или изоляторах, если их сечении не превосходят величин, указанных в таблице ниже.


Формулы расчёта сечения проводников при заданной величине потери напряжения

Трёхфазная линия переменного тока:

Двухпроводная линия переменного или постоянного тока:

Где γ — удельная проводимость материала проводов, м/(Ом×мм2);

Uн — номинальное напряжение сети, кВ (для трехфазной сети Uн — междуфазное напряжение);

∆Uдоп — допустимая потеря напряжения в линии, сечение которой определяется, %.

F — сечение проводников, мм2;

∑P∙L=P1∙L1+P2∙L2+…— сумма произведений нагрузок, протекающих по участкам линии, на длину этих участков; нагрузки должны выражаться в киловаттах, длины в метрах;

∑Iа∙L= Iа1 ∙L1+ Iа2 ∙L2+…— сумма произведений проходящих по участкам активных составляющих токов на длины участков;

Токи должны выражаться в амперах, длины — в метрах.

Активные составляющие тока (А) определяются умножением величин токов на величины коэффициентов мощности Iа = I∙ cos ɸ.

Пример расчёта минимального сечения по допустимой потере напряжения (без учета индуктивного сопротивления)

Важно! Необходимо помнить, что в данном расчёте мы находим значение минимального сечения, по допустимой потере напряжения на нагрузке, также в обязательном порядке необходимо проводить проверку по допустимому длительному току (нагревание кабеля).
Таблица в ПУЭ (глава 1.3)

Пример №2.

Определить необходимое сечение двухпроводной линии для прожекторов (на конце линии), с использованием ламп накаливания мощность по 900 Вт 3 штуки, общая длина линии 250 м, номинальное напряжение линии 220 В, допустимая потеря напряжения UДоп=5%, провода линии алюминиевые.

Определяем суммарную нагрузку:

Сумма произведений нагрузки на длину линии: ∑P∙L= 2,7 ∙ 250 = 675 кВт ∙ м.
Подставляем значения в формулу (7) и определяем сечения проводов линии:

Округляя до ближайшего (в большую сторону) стандартного сечения (выпускаемого промышленностью), выбираем сечение проводов линии.

Пример №3.

Определить сечение кабеля для подключения насоса (на конце линии), с использованием трёхфазного асинхронного двигателя механической мощностью на валу 5.5 кВт АИР100.

Помните ! Что на «шильдеке» двигателя указывается не электрическая мощность (потребляемая из сети) а механическая мощность на валу (ГОСТ Р 52776-2007).

cos ɸ = 0.89, КПД = 0.848, длина кабеля 130 м, номинальное напряжение линии 380 Вольт, допустимая потеря напряжения UДоп=5%, провода линии медные.


Таким образом, для дальнейших расчётов нам необходимо определить активную составляющую электрической мощности:

P2= 5.5/0.848 = 6.485 кВт.

Определяем расчётную нагрузку электродвигателя (коэффициент спроса для одиночной нагрузки Kс = 1):

Расчетный ток определяем по формуле (2):

Сумма произведений тока на длину линии: ∑I∙L= 11 ∙ 130 = 2019 A ∙ м.
Подставляем значения в формулу (6) и определяем сечения проводов линии:

Округляя до ближайшего (в большую сторону) стандартного сечения (выпускаемого промышленностью), определяем сечение проводов линии 2.5 мм2.

И еще иногда необходимо узнать точное значение потери напряжения в Вольтах, для этого служит формула:

Давайте подставим значения из примера №3:

И наоборот, если необходимо узнать процент отклонения (например при практических замерах):

Определение поперечного сечения кабелей и проводов по условию допустимого нагревания (допустимый длительный ток)

Протекающий электрический ток в проводнике непременно вызывает его нагрев. Одновременно с этим, происходит охлаждение проводников путем отдачи тепла в окружающую среду. С течением времени, температура проводников достигает определенного значения, которое в дальнейшем остается неизменным.

Максимальная допустимая температура для проводов и кабелей определяется условиями применяемых материалов для изоляции проводников и сечением токоведущих жил.

Величина длительного воздействия тока в проводниках, должна быть ограничена для того чтобы температура проводников не выходила за пределы установленных в правилах устройства электроустановок (ПУЭ. Глава 1.3). В противном случае, повышенная температура кабелей и проводов может вызвать быстрый износ изоляции проводников, что в свою очередь, приведет к аварийным ситуациям.

Пример №4.

Определить допустимую длительную токовую нагрузку для трехжильного кабеля с медными жилами с резиновой изоляцией поперечным сечением 2,5 мм2 при прокладке в земле и в воздухе.

По значению (Таблица 1.3.6. ПУЭ), находим для трехжильного кабеля указанного сечения и применяемых изоляционных материалов, допустимые нагрузки при прокладке в земле — 25 Ампер и в воздухе— 38 Ампер

Как мы видим, значение допустимой токовой нагрузки на один и тот же тип кабеля, меняется в зависимости от условий прокладки (условий охлаждения проводников: лучше всего охлаждение кабеля происходит при прокладке в земле, хуже — при прокладке в воздухе).

На данном этапе мы проверяли сечение кабеля выбранного нами (в примере № 3) по допустимой потере напряжения на соответствие условиям нагревания.

Так же, выбранное нами сечение, соответствует требованиям механической прочности (ПУЭ 3.4.4. ГОСТ Р 50571.5.52-2011).

Также необходимо помнить, что всегда требуется проверка надежности действия токовой защиты при коротком замыкании в удаленных точках сети, при выбранном сечении и длине проводников (будет рассмотрено в следующих публикациях).

Заключение

В данном материале были описаны основные виды расчетов применяемых при выборе поперечных сечений проводников для кабелей и проводов по условию воздействия длительных токов (нагревания), по допустимой потере напряжения. Что является основными критериями в практических расчётах для большинства случаев.

Сечение проводов и кабелей для любого участка сети должно удовлетворять всем этим требованиям. Но во многих случаях решающее значение при выборе сечения имеет одно из упомянутых условий.

Так же хотелось отметить, что для некоторых условий (как правило, для крупных объектов), также необходимо учитывать следующие параметры:

  • Поправку на температуру окружающей среды.
  • Поправка на число кабелей, проложенных совместно.
  • Поправку на повторно-кратковременный и кратковременный режим работы.
  • Выбор сечения проводников по экономической плотности тока.

Как правило, сечение проводников в кабельной линии большой протяженностью и воздушные линии электропередач различного назначения, в первую очередь производится расчёт по допустимому падению напряжения. Расчет, но условиям воздействия длительного тока (нагревания) имеет в данном случае поверочный характер, так как поперечные сечения проводов, выбранные по допустимой потере напряжения, удовлетворяют условиям нагревания.

В связи с этим, поперечные сечения кабелей и изолированных проводов силовых сетей промышленных объектов с большой плотностью нагрузки при относительно малой протяженностью линий, определяется, прежде всего, по условиям нагревания (допустимым значением тока для определённого типа проводника). Сечения же протяженных и слабонагруженных линий, определяются допустимым значением потери напряжения и условием механической прочности. В данном случае расчёт допустимой потери напряжения носит поверочный характер.

При ремонте и проектировании электрооборудования появляется необходимость правильно выбирать провода. Можно воспользоваться специальным калькулятором или справочником. Но для этого необходимо знать параметры нагрузки и особенности прокладки кабеля.

Для чего нужен расчет сечения кабеля

К электрическим сетям предъявляются следующие требования:

  • безопасность;
  • надежность;
  • экономичность.

Если выбранная площадь поперечного сечения провода окажется маленькой, то токовые нагрузки на кабели и провода будут большими, что приведет к перегреву. В результате может возникнуть аварийная ситуация, которая нанесет вред всему электрооборудованию и станет опасной для жизни и здоровья людей.

Если же монтировать провода с большой площадью поперечного сечения, то безопасное применение обеспечено. Но с финансовой точки зрения будет перерасход средств. Правильный выбор сечения провода – это залог длительной безопасной эксплуатации и рационального использования финансовых средств.

Осуществляется расчет сечения кабеля по мощности и току. Рассмотрим на примерах. Чтобы определить, какое сечение провода нужно для 5 кВт, потребуется использовать таблицы ПУЭ ( “Правила устройства электроустановок“). Данный справочник является регламентирующим документом. В нем указывается, что выбор сечения кабеля производится по 4 критериям:

  1. Напряжение питания (однофазное или трехфазное).
  2. Материал проводника.
  3. Ток нагрузки, измеряемый в амперах (А), или мощность – в киловаттах (кВт).
  4. Месторасположение кабеля.

В ПУЭ нет значения 5 кВт, поэтому придется выбрать следующую большую величину – 5,5 кВт. Для монтажа в квартире сегодня необходимо использовать провод из меди. В большинстве случаев установка происходит по воздуху, поэтому из справочных таблиц подойдет сечение 2,5 мм². При этом наибольшей допустимой токовой нагрузкой будет 25 А.

В вышеуказанном справочнике регламентируется ещё и ток, на который рассчитан вводный автомат (ВА). Согласно “Правилам устройства электроустановок“, при нагрузке 5,5 кВт ток ВА должен равняться 25 А. В документе указано, что номинальный ток провода, который подходит к дому или квартире, должен быть на порядок больше, чем у ВА. В данном случае после 25 А находится 35 А. Последнюю величину и необходимо брать за расчетную. Току 35 А соответствуют сечение 4 мм² и мощность 7,7 кВт. Итак, выбор сечения медного провода по мощности завершен: 4 мм².

Чтобы узнать, какое сечение провода нужно для 10 кВт, опять воспользуемся справочником. Если рассматривать случай для открытой проводки, то надо определиться с материалом кабеля и с питающим напряжением.

Например, для алюминиевого провода и напряжения 220 В ближайшая большая мощность будет 13 кВт, соответствующее сечение – 10 мм²; для 380 В мощность составит 12 кВт, а сечение – 4 мм².

Выбираем по мощности

Перед выбором сечения кабеля по мощности надо рассчитать ее суммарное значение, составить перечень электроприборов, находящихся на территории, к которой прокладывают кабель. На каждом из устройств должна быть указана мощность, возле нее будут написаны соответствующие единицы измерения: Вт или кВт (1 кВт = 2019 Вт). Затем потребуется сложить мощности всего оборудования и получится суммарная.

Если же выбирается кабель для подключения одного прибора, то достаточно информации только о его энергопотреблении. Можно подобрать сечения провода по мощности в таблицах ПУЭ.

Таблица 1. Подбор сечения провода по мощности для кабеля с медными жилами

Таблица 2. Подбор сечения провода по мощности для кабеля с алюминиевыми жилами

Кроме того, надо знать напряжение сети: трехфазной соответствует 380 В, а однофазной – 220 В.

В ПУЭ дана информация и для алюминиевых, и для медных проводов. У обоих есть свои преимущества и недостатки. Достоинства медных проводов:

  • высокая прочность;
  • упругость;
  • стойкость к окислению;
  • электропроводность больше, чем у алюминия.

Недостаток медных проводников – высокая стоимость. В советских домах использовалась при постройке алюминиевая электропроводка. Поэтому если происходит частичная замена, то целесообразно поставить алюминиевые провода. Исключение составляют только те случаи, когда вместо всей старой проводки (до распределительного щита) устанавливается новая. Тогда есть смысл применять медь. Недопустимо, чтобы медь с алюминием контактировали напрямую, т. к. это приводит к окислению. Поэтому для их соединения используют третий металл.

Можно самостоятельно произвести расчет сечения провода по мощности для трехфазной цепи. Для этого надо воспользоваться формулой: I=P/(U*1.73), где P – мощность, Вт; U – напряжение, В; I – ток, А. Затем из справочной таблицы выбирается сечение кабеля в зависимости от рассчитанного тока. Если же там не будет необходимого значение, тогда выбирается ближайшее, которое превышает расчетное.

Как рассчитать по току

Величина тока, проходящего через проводник, зависит от длины, ширины, удельного сопротивления последнего и от температуры. При нагревании электрический ток уменьшается. Справочная информация указывается для комнатной температуры (18°С). Для выбора сечения кабеля по току используют таблицы ПУЭ.

Таблица 3. Электрический ток для медных проводов и шнуров с резиновой и ПВХ-изоляцией

Для расчета алюминиевых проводов применяют таблицу.

Таблица 4. Электрический ток для алюминиевых проводов и шнуров с резиновой и ПВХ-изоляцией

Кроме электрического тока, понадобится выбрать материал проводника и напряжение.

Для примерного расчета сечения кабеля по току его надо разделить на 10. Если в таблице не будет полученного сечения, тогда необходимо взять ближайшую большую величину. Это правило подходит только для тех случаев, когда максимально допустимый ток для медных проводов не превышает 40 А. Для диапазона от 40 до 80 А ток надо делить на 8. Если устанавливают алюминиевые кабели, то надо делить на 6. Это объясняется тем, что для обеспечения одинаковых нагрузок толщина алюминиевого проводника больше, чем медного.

Расчет сечения кабеля по мощности и длине

Длина кабеля влияет на потерю напряжения. Таким образом, на конце проводника напряжение может уменьшится и оказаться недостаточным для работы электроприбора. Для бытовых электросетей этими потерями можно пренебречь. Достаточно будет взять кабель на 10-15 см длиннее. Этот запас израсходуется на коммутацию и подключение. Если концы провода подсоединяются к щитку, то запасная длина должна быть еще больше, т. к. будут подключаться защитные автоматы.

При укладке кабеля на большие расстояния приходиться учитывать падение напряжения. Каждый проводник характеризуется электрическим сопротивлением. На данный параметр влияют:

  1. Длина провода, единица измерения – м. При её увеличении растут потери.
  2. Площадь поперечного сечения, измеряется в мм². При её увеличении падение напряжения уменьшается.
  3. Удельное сопротивление материала (справочное значение). Показывает сопротивление провода, размеры которого 1 квадратный миллиметр на 1 метр.

Падение напряжения численно равняется произведению сопротивления и тока. Допустимо, чтобы указанная величина не превышала 5%. В противном случае надо брать кабель большего сечения. Алгоритм расчета сечения провода по максимальной мощности и длине:

  1. В зависимости от мощности P, напряжения U и коэффициента cosф находим ток по формуле: I=P/(U*cosф). Для электросетей, которые используются в быту, cosф = 1. В промышленности cosф рассчитывают как отношение активной мощности к полной. Последняя состоит из активной и реактивной мощностей.
  2. С помощью таблиц ПУЭ определяют сечение провода по току.
  3. Рассчитываем сопротивление проводника по формуле: Rо=ρ*l/S, где ρ – удельное сопротивление материала, l – длина проводника, S – площадь поперечного сечения. Необходимо учесть ток факт, что ток идет по кабелю не только в одну сторону, но и обратно. Поэтому общее сопротивление: R = Rо*2.
  4. Находим падение напряжения из соотношения: ΔU=I*R.
  5. Определяем падение напряжения в процентах: ΔU/U. Если полученное значение превышает 5%, тогда выбираем из справочника ближайшее большее поперечное сечение проводника.

Открытая и закрытая прокладка проводов

В зависимости от размещения проводка делится на 2 вида:

  • закрытая;
  • открытая.

Сегодня в квартирах монтируют скрытую проводку. В стенах и потолках создаются специальные углубления, предназначенные для размещения кабеля. После установки проводников углубления штукатурят. В качестве проводов используют медные. Заранее всё планируется, т. к. со временем для наращивания электропроводки или замены элементов придется демонтировать отделку. Для скрытой отделки чаще используют провода и кабели, у которых плоская форма.

При открытой прокладке провода устанавливают вдоль поверхности помещения. Преимущества отдают гибким проводникам, у которых круглая форма. Их легко установить в кабель-каналы и пропустить сквозь гофру. Когда рассчитывают нагрузку на кабель, то учитывают способ укладки проводки.