Расчет сечения кабеля по току и мощности

Электричество передаётся конечному потребителю от электростанции или генератора посредством проводников проводов и кабелей. Какая разница между проводниками этих видов?

Кабель – несколько проводов в защитной герметичной оболочке, изолированных друг от друга. Герметичная оболочка в свою очередь покрывается в несколько слоев защитным покровом, оберегающим оболочку от механических повреждений и коррозии.

Провод – изделие, состоящее из одной и более жил, изолированных друг от друга, или одной и более скрученных между собой проволок, покрытое дополнительно в зависимости от условий прокладки оболочкой из металла, проволоки или волокнистого материала.

А сколько средств нужно потратить на изготовление этих проводников? Прямо сказать, немало. Одно дело, когда покупатель электроприбора платит за 1–2 метра, входящего в комплект кабеля, а кто заплатит за сотни километров линий электропередач, если потребитель оплачивает только стоимость использованной электроэнергии?

Вопрос риторический. Следовательно, при электрификации того или иного объекта каждый подрядчик старается сэкономить на тоннах меди или алюминия, желательно, чтобы экономия не отразилась на качестве поставляемой электроэнергии. Оптимальный способ – провести правильный расчёт сечения кабеля по мощности, длине, силе тока и используемому металлу, меди или алюминия. Это позволит осуществить оптимальный выбор кабеля для прокладки к нужному объекту или в своей квартире.

Значение сечения для производителей и потребителей электроэнергии

Какие последствия неправильного выбора сечения? Сечение – площадь поперечного разреза провода. Проводники одинаковой толщины могут иметь разную площадь. Если провод круглый — диаметр жилы делится на 2, радиус поднимается до квадрата и умножается на 3,1415. при других формах жилы кабеля сечение рассчитываются как площадь той геометрической фигуры, поперечный разрез которой имеет жила проводника, входящего в состав кабеля. Измеряется в мм2.

Существует 3 вида подбора сечения кабеля – для прокладки ЛЭП; для производственных цехов тяжёлой промышленности, для бытовых нужд. Остальные виды, так или иначе, связаны с вышеперечисленными, например, при подборе сечения кабеля для электротранспорта, руководствуются тем же принципом, что и для прокладки воздушной линии (далее — ВЛ), в частности, ЛЭП.

Основной критерий, по которому нужно выбирать кабель, это максимальная нагрузка на кабель, при которой он не перегревается. Чем меньше сечение, тем больше сопротивление, соответственно, проводник нагревается, вследствие чего теряется мощность и нарушается целостность изоляции. Если площадь поперечного разреза проводника больше, то повышается безопасность и срок эксплуатации кабеля, но и цена соответственно тоже!

Если прокладывать ЛЭП и другие электрокоммуникации с большим запасом сечения, то такие линии влетят в копеечку электрификатору. Поэтому перед тем как выбрать кабель оптимального сечения, его значение подбирают с таблицы сечения. Но таблицы выбора для того, чтобы определиться какой кабель подойдёт под прокладку в том или ином случае, мало. Перед тем как рассчитать сечение кабеля необходимо учесть все нюансы при укладке для тех или иных потребностей.

Начнём с глобального, чтобы закончить тривиальным

При расчёте сечения учитываются 3 основных параметра – плотность или сила тока, длина кабеля, материал проводника. Мощность – результат умножения силы тока на напряжение, а сопротивление зависит от материала и длины проводника. В некоторых случаях рассчитывать сечение кабеля по мощности не целесообразно. Об этом речь пойдёт ниже.

Расчёт сечения кабеля по длине крайне важен при прокладке ЛЭП. Чем длиннее провод, тем больше его сопротивление, соответственно, на отдалённых участках таких магистралей сила тока падает. Возникает вопрос, как могут функционировать ЛЭП длиной в 50 км и более, если когда рассчитывают сечение кабеля по мощности в таблице, то потеря тока на 50 км может превысить 60%? Остаётся единственный выход – напряжение.

Как известно, электрон, потоком которых и является электрический ток, имеет 2 природы: корпускулярную – двигается как материальное тело с заданной скоростью; волновую – передвигается в пространстве как электромагнитная волна со скоростью около 300000 км/с. То есть, если увеличить напряжение и уменьшить силу тока, то жилы с малым сечением можно прокладывать на любую длину! Казалось бы, что может быть проще. При помощи повышающего трансформатора поднять напряжение до 10 МВ., тогда при силе тока в 10 А можно обеспечить электричеством более 20000 потребителей!

Но на практике все обстоит иначе. Чтобы поднять напряжение до умопомрачительных величин нужно изолировать жилу абсолютным диэлектриком, который не пропускал  электромагнитные колебания, а такими материалами современная наука, увы, не располагает. На практике ЛЭП даже с напряжением в 10 кВ представляют нешуточную опасность для окружающих. Мало того что наводящееся напряжение скапливается на близнаходящихся металлических предметах, да ещё и электромагнитные волны создают помехи в радиусе десятков километров. Так что приходится делать выбор сечения кабеля по току и по длине проводников.

Важно! Чтобы проверить безопасность кабеля при данном сечении, кабель должен выдержывать нагрузку, выше номанальной на 10–15%, 30 минут. При передаче электричества, напряжение неизменно, а сила тока и длина жилы разные. Поэтому при прокладке ЛЭП проводится расчёт сечения кабеля по мощности и длине. А правильность выбора испытывается посредством токовых нагрузок кабелей.

Борцы за экологию, считающие, что воздушные линии электропередач должны отойти в прошлое, скорее всего не дождутся их повсеместного демонтажа. Причина кроется всё в том же сечении. Открытые коммуникации меньше греются, ведь атмосфера – природное охлаждение, да и ремонтировать ВЛ намного проще, чем подземные кабельные линии.

Материал проводника

Что предпочесть – алюминий или медь? По техническим характеристикам медь предпочтительнее, да и сечение медного кабеля при передаче одинаковой мощности меньше, но медь дороже, следовательно, ЛЭП с алюминиевыми проводами экономичнее.

Оборудование в тяжёлой промышленности потребляет большую силу тока, например, электросварочный аппарат, может потреблять ток в 200 и более А. Чтобы обеспечить бесперебойную работу данного оборудования на производственные предприятия прокладывают силовые кабели. Сечение силового кабеля может достигать 120 мм2 и более. Чтобы увеличить пропускную способность кабеля, часто используют многожильные изделия. Такое решение обосновывается таким явлением как скин-эффект – распределением тока в поверхностном слое проводника.

Целесообразно ли подбирать сечение кабеля по диаметру? Диаметр кабеля имеет неодинаковое сечение. Производитель проводниковой продукции указывает площадь поперечного разреза и номинальную нагрузку в амперах.

А теперь к мощности

Вот решили вы немного прибарахлиться и купить несколько мощных электроприборов. У вас в квартире, как говорится, старая проводка. Нужно решать какой кабель и на какую розетку прокладывать. Естественно, о выборе материала речь не идёт, это медь. Рекомендации ПУЭ (Правила Устройства Электроустановок), долгий срок службы и безопасность — основные преимущества меди. По каким показателям рассчитывать сечение для квартиры?

Поскольку длина особого значения не имеет, остаётся мощность и сила тока. Мощность, самый простой вариант расчёта. Открываем таблицу или онлайн калькулятор. Находим или вводим предполагаемое значение суммарной мощности электроприборов, которые будут работать одновременно, находим или рассчитываем сечение исходя из материала проводника. У нас медь. Казалось бы, на этом всё. Осталось вызвать специалистов и заказать или приобрести кабель нужной поперечной площади.

Вот и всё установлено. Осталось только запустить, к примеру, колодезный насос или токарный бытовой станок. И вдруг что-то начинает вонять! Ах да, это изоляция плавится! Дело в том, что в момент пуска электродвигателя, пусковая мощность в 5-7 раза превышает номинальную мощность. Так, что рассчитывать сечение по мощности целесообразно, только если не планируется использовать электродвигатель, номинальной мощностью более 3,5 кВт. Иначе сечение нужно подбирать по силе тока в момент запуска мощного агрегата. Этот параметр указан в руководстве к прибору.

Никогда не нарушайте золотое правило! Лучше выбрать сечение, большее чем нужно, чтобы остался запас для непредвиденных высоких нагрузок, способных повредить изоляцию кабеля.