9. Электротехнические расчеты проводок и кабельных линий

Электропроводка должна удовлетворять следующим основным требованиям: 1) быть безопасной в обслуживании, не создавать угрозы возникновения пожара или взрыва; 2) обладать достаточной надежностью; 3) передавать электроэнергию преобразователю с наименьшим отклонением напряжения от номинального значения; 4) обеспечивать наименьшие затраты на монтаж и эксплуатацию. Выполнение перечисленных требований электропроводки возможно при правильном расчете и выборе проводов по условию нагревания током с допустимой потерей напряжения, а также при соблюдении правил прокладки проводов с учетом свойств окружающей среды. Провода должны обладать достаточной механической прочностью на разрыв и изгиб, что важно для электропроводок с переносными преобразователями электроэнергии. По аналогии с классификацией электросетей преобразователи электроэнергии разделяются на силовые (электродвигатели) и осветительные (электросветильники). Перечисленные преобразователи наиболее эффективно работают с номинальным напряжением. При пониженном напряжении, например, снижается световой поток ламп и ухудшается работа электродвигателей. Одной из причин отклонения напряжения от номинального является потеря напряжения в электропроводках, которая происходит потому, что провода обладают сопротивлением, на котором согласно закону Ома ток создает потерю напряжения. Согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ) напряжение на клеммах электродвигателя не должно отличаться от номинального более чем на ±5%, что при напряжении 380 в составляет ±19 в. Снижение напряжения у наиболее удаленного от подстанции электросветильника не должно превышать 1,5% от номинального, что при напряжении 220 в составляет 3,3 в. Кроме того, ток в проводе выделяет тепло, нагревающее электропроводку. Нагрев изолированного провода нельзя допускать выше определенного предела, так как изоляционный материал провода при перегреве ухудшает изоляционные свойства, в результате чего может наступить короткое замыкание. Предельно допустимой температурой нагрева изолированных проводов является 330-350° К. Ток, при котором провод нагревается до предельно допустимой температуры, называется предельно допустимым током для данного провода. Значение тока для расчета провода электроснабжения индивидуального преобразователя принимают из паспорта преобразователя или определяют из условия его мощности. Расчет провода трехфазного преобразователя, создающего равномерную нагрузку фаз (электродвигатель), производят по линейному току. Значение тока для расчета провода магистральной электропроводки определяют из условия расчетной полной мощности преобразователей электроэнергии магистральной электропроводки. 

Выбор мощности, тока и сечения проводов и кабелей

Выбор сечения кабелей и проводов является обязательным и очень важным пунктом при монтаже и проектировании схемы любой электрической установки. Для правильного выбора сечения силового провода необходимо учитывать величину максимально потребляемого нагрузкой тока. Значения токов легко определить, зная паспортную мощность потребителей по формуле: I = Р/220. Зная суммарный ток всех потребителей и учитывая соотношения допустимой для провода токовой нагрузки (открытой проводки) на сечение провода:

- для медного провода 10 ампер на миллиметр квадратный,

- для алюминиевого 8 ампер на миллиметр квадратный, можно определить, подойдет ли имеющийся у вас провод или же необходимо использовать другой.

При выполнении скрытой силовой проводки (в трубке или же в стене) приведенные значения уменьшаются умножением на поправочный коэффициент 0,8. Следует отметить, что открытая силовая проводка обычно выполняется проводом с сечением не менее 4 кв. мм из расчета достаточной механической прочности. Приведенные выше соотношения легко запоминаются и обеспечивают достаточную точность для использования проводов. Если требуется с большей точностью знать длительно допустимую токовую нагрузку для медных проводов и кабелей, то можно воспользоваться нижеприведенными таблицами.

В следующей таблице сведены данные мощности, тока и сечения кабельно-проводниковых материалов, для расчетов и выбора защитных средств, кабельно-проводниковых материалов и электрооборудования.

Сопротивление провода (в омах) вычисляется по формуле:

где R - удельное сопротивление (по таблице); I - длина провода, м; S - площадь поперечного сечения провода, мм2; d - диаметр провода, мм.

Длина провода из этих выражений определяется по формулам:

Провода, применяемые при монтаже, классифицируются диаметром или площадью поперечного сечения, проще — сечением. Диаметр провода выражается всегда в миллиметрах, а сечение — в квадратных миллиметрах.

В монтажной практике применяются преимущественно круглые провода. Для таких проводов существует следующая формула расчёта сечения проводов по его диаметру:

S = πd2 / 4 = 0, 785 d2

где S — сечение провода, мм2 ; π — отношение длины окружности к диаметру, принятое равным 3, 14; d — диаметр провода, мм.

Диаметр проволоки (без изоляции) измеряют микрометром или штангенциркулем. Для многопроволочного проводника сечение равно сечению одной проволоки, умноженному на их число:

S = 0, 785 d2 n

где n — число проволок, а остальные обозначения те же, что и в предыдущей формуле.

Сопротивление R2 при температуре t2 может быть определено по формуле:

R2 = R1[1+а*(t2 - t1)],

где а — температурный коэффициент электросопротивления (из таблицы); R1 - сопротивление при некоторой начальной температуре t1.

Обычно за t1 принимают 18°С, и во всех приведенных таблицах указана величина R1 для t1 = 18°С.

Допустимая сила тока при заданной норме плотности тока А/мм2 находится из формулы:

I = 0,785*d2

Необходимый диаметр провода по заданной силе тока определяют по формуле:

Если норма нагрузки D = 2а/мм2, то формула принимает вид:

Условие замены медного провода алюминиевым:

S(ал) ≈ 1,65*S(м)

S(ал), S(м) - сечение алюминиевых и медных проводов, мм2

Ток плавления для тонких проволочек с диаметром до 0,2 мм подсчитывается по формуле

где d - диаметр провода, мм; k - постоянный коэффициент, равный для меди 0,034, для никелина 0,07, для железа 0,127.

Диаметр провода отсюда будет:

d = k * Iпл + 0,005

Материал	Удельное сопротивление, Ом x мм2	Удельный вес, г/см3	Температурный коэффициент электросопротивления	Температура плавления, °С	Максимальная рабочая температура; °С
	м (р)
Медь	0,0175	8,9	+0,004	1085	–
Алюминий	0,0281	2,7	+0,004	658	–
Железо	0,135	7,8	+0,005	1530	–
Сталь	0,176	7,95	+0,0052	–	–
Никелин	0,4	8,8	+0,00022	1100	200
Константан	0,49	8,9	—0,000005	1200	200
Манганин	0,43	8,4	+0,00002	910	110
Нихром	1,1	8,2	+0,00017	1550	1000

Чем провода отличаются от кабелей

Провод — это одна неизолированная, одна или более изолированных жил, поверх которых, в зависимости от условий прокладки и эксплуатации, может иметься неметаллическая оболочка, обмотка или оплетка волокнистыми материалами или проволокой. Провода могут быть голыми и изолированными.

Голые провода

Голыми называют провода, токопроводящие жилы которых не имеют никаких защитных или изолирующих покрытий. Голые провода (ПСО, ПС, А, АС и т. д.) в основном применяют для воздушных линий электропередач. Изолированными являются провода, токопроводящие жилы которых покрыты изоляцией из резины или пластмассы. Эти провода имеют поверх изоляции оплетку из хлопчатобумажной пряжи или оболочку из резины, пластмассы или металлической ленты. Изолированные провода подразделяют на защищенные и незащищенные.

Защищенные провода

Защищенными называют изолированные провода, имеющие поверх электрической изоляции оболочку, предназначенную для герметизации и защиты от внешних воздействий. К ним относятся провода АПРН, ПРВД, АПРФ и др. Незащищенным изолированным проводом называется провод, не имеющий поверх электрической изоляции оболочки. Это провода АПРТО, ПРД, АППР, АППВ, ППВ и др.

Электрические шнуры

Шнуром называется провод, состоящий из двух и более изолированных гибких или особо гибких жил сечением до 1,5 мм2, скрученных или уложенных параллель но, покрытых в зависимости от условий эксплуатации неметаллической оболочкой или другими защитными покровами.

Кабели

Кабелем называется одна или несколько скрученных вместе изолированных жил, заключенных, как правило, в общую резиновую, пластмассовую, металлическую оболочку (НРГ, КГ, АВВГ н др.). Оболочка служит для защиты изоляции жил от воздействия света, влаги, различных химических веществ, а также для предохранения ее от механических повреждении.

Установочные провода

Установочные провода предназначены для монтажа силовых и осветительных сетей при неподвижной прокладке на открытом воздухе и внутри помещений. Изготавливают их с медными и алюминиевыми токоведущими жилами, одно- и многожильными, с резиновой и пластмассовой изоляцией, незащищенными и защищенными от легких механических повреждений. Токопроводящие жилы проводов имеют стандартные сечения, мм: 0,35; 0,5; 0,75; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0; 16,0 и т. д.