Cosa determina la corrente ammessa per cavi a lungo termine

Cosa determina la corrente ammissibile a lungo termine del cavo? Per rispondere a questa domanda, dovremo considerare i processi termici transitori che si verificano in condizioni in cui una corrente elettrica fluisce attraverso il conduttore. Riscaldare e raffreddare un conduttore, la sua temperatura, il collegamento con resistenza e sezione trasversale: tutto questo sarà l'oggetto di questo articolo.

Processo di transizione

Per cominciare, considera un conduttore cilindrico convenzionale di lunghezza L, diametro d, area della sezione trasversale F, resistenza R, volume V, ovviamente uguale a F * L, attraverso il quale scorre la corrente I, il calore specifico del metallo di cui è fatto il conduttore - C, la massa del conduttore è uguale a

m = V * Ω,

dove Ω è la densità del metallo del conduttore, S = pi * d * L è l'area della parete laterale attraverso la quale si verifica il raffreddamento, Tpr è la temperatura corrente del conduttore, T0 è la temperatura ambiente e, di conseguenza, T = Tpr - T0 è la variazione di temperatura. KTP è il coefficiente di trasferimento del calore, che caratterizza numericamente la quantità di calore trasferita da una superficie unitaria di un conduttore in 1 secondo a una differenza di temperatura di 1 grado.

La figura mostra i grafici della corrente e della temperatura nel conduttore nel tempo. Dal tempo t1 al tempo t3, la corrente I scorreva attraverso il conduttore.

Qui puoi vedere come, dopo aver acceso la corrente, la temperatura del conduttore aumenta gradualmente, e al momento in cui cessa di aumentare, si stabilizza. Ma dopo aver spento la corrente al tempo t3, la temperatura inizia a diminuire gradualmente e al tempo t4 diventa di nuovo uguale al valore iniziale (T0).

Quindi, è possibile annotare l'equazione del bilancio termico, un'equazione differenziale per il processo di riscaldamento del conduttore, dove si rifletterà che il calore rilasciato sul conduttore viene parzialmente assorbito dal conduttore stesso e in parte viene dato all'ambiente. Ecco l'equazione:

Sul lato sinistro dell'equazione (1) è la quantità di calore rilasciato nel conduttore durante il tempo dt, il passaggio della corrente I.

Il primo termine sul lato destro dell'equazione (2) è la quantità di calore assorbita dal materiale del conduttore, da cui la temperatura del conduttore è aumentata di dT gradi.

Il secondo termine nella parte destra dell'equazione (3) è la quantità di calore che è stata trasferita dal conduttore all'ambiente durante il tempo dt, ed è correlata alla superficie del conduttore S e alla differenza di temperatura T attraverso il coefficiente di conducibilità termica Ktp.

Innanzitutto, quando la corrente viene accesa, tutto il calore rilasciato nel conduttore viene utilizzato per riscaldare direttamente il conduttore, il che porta ad un aumento della sua temperatura, e ciò è dovuto alla capacità termica C del materiale del conduttore.

All'aumentare della temperatura, la differenza di temperatura T tra il conduttore stesso e l'ambiente aumenta di conseguenza e il calore generato in parte va già ad aumentare la temperatura ambiente.

Quando la temperatura del conduttore raggiunge un valore stabile stabile di Tust, in questo momento tutto il calore rilasciato dalla superficie del conduttore viene trasferito nell'ambiente, quindi la temperatura del conduttore non aumenta più.

La soluzione all'equazione del bilancio termico differenziale sarà:

In pratica, questo processo transitorio dura non più di tre costanti di tempo (3 * τ) e dopo questo tempo la temperatura raggiunge 0,95 * Tust. Quando il processo di transizione del riscaldamento si interrompe, l'equazione del bilancio termico viene semplificata e la temperatura in regime stazionario può essere facilmente espressa:

Corrente consentita

Ora possiamo arrivare a quale valore esatto la corrente sembra essere una corrente ammissibile a lungo termine per un conduttore o un cavo. Ovviamente, per ogni conduttore o cavo esiste una certa temperatura normale continua, secondo la sua documentazione.Questa è una tale temperatura alla quale un cavo o un filo può essere continuamente e per lungo tempo senza danni a se stesso e agli altri.

Dall'equazione di cui sopra diventa chiaro che un valore di corrente specifico è associato a tale temperatura. Questa corrente è chiamata corrente del cavo consentita. Questa è una tale corrente che, quando passa attraverso il conduttore per un lungo periodo (più di tre costanti di tempo), lo riscalda fino a una temperatura Tdd ammissibile, cioè normale.

Qui: Idd - corrente ammissibile a lungo termine del conduttore; TDD - temperatura del conduttore consentita.

Per risolvere problemi pratici, è più conveniente determinare la corrente ammissibile a lungo termine in base alle tabelle speciali del PUE.

Tipo di conduttore

Temperatura ammissibile

Temperatura ammissibile a breve termine

Conduttore nudo o bus

70^suC

Rame - 300^suC

Conduttore nudo o bus

70^suC

Alluminio - 200^suC

Cavo in carta isolante fino a 3 kV

80^suC

200^suC

Cavo in carta isolante fino a 6 kV

65^suC

200^suC

Cavo in carta isolante fino a 10 kV

60^suC

200^suC

Cavo in carta isolante fino a 35 kV

50^suC

125^suC

Cavo in gomma isolante fino a 1 kV

65^suC

150^suC

Cavo in PVC isolante fino a 1 kV

65^suC

150^suC

Cavo isolato XLPE fino a 1 kV

90^suC

250^suC

In caso di cortocircuito, una significativa corrente di cortocircuito scorre attraverso il conduttore, che può riscaldare significativamente il conduttore, superando la sua temperatura normale. Per questo motivo, i conduttori sono caratterizzati da una sezione minima basata sulla condizione di riscaldamento a breve termine del conduttore da una corrente di corto circuito:

Qui: Ik - corrente di corto circuito in ampere; tp è la durata della corrente di corto circuito ridotta in secondi; C è un coefficiente che dipende dal materiale e dalla costruzione del conduttore e dalla temperatura ammissibile a breve termine.

Connessione di sezione

Ora vediamo come la corrente ammissibile a lungo termine dipende dalla sezione trasversale del conduttore. Avendo espresso l'area della parete laterale attraverso il diametro del conduttore (la formula all'inizio dell'articolo), supponendo che la resistenza sia correlata all'area della sezione trasversale e alla resistenza specifica del materiale del conduttore, e sostituendo la formula ben nota con resistenza nella formula per Idd, data sopra, otteniamo una formula Idd corrente ammissibile a lungo termine :

È facile vedere che la relazione tra la corrente ammissibile a lungo termine del conduttore Idd e la sezione F non è direttamente proporzionale, qui l'area della sezione trasversale viene elevata alla potenza ¾, il che significa che la corrente consentita a lungo termine aumenta più lentamente della sezione trasversale del conduttore. Altre costanti, come resistività, coefficiente di trasferimento del calore, temperatura ammissibile, sono individuali per definizione per ciascun conduttore.

In effetti, la dipendenza non può essere diretta, poiché maggiore è la sezione trasversale del conduttore, peggiori sono le condizioni di raffreddamento degli strati interni del conduttore, maggiore è la temperatura accettabile con una densità di corrente inferiore.

Se si utilizzano conduttori di sezione trasversale più grande per evitare il surriscaldamento, ciò comporterà un consumo eccessivo di materiale. È molto più redditizio usare diversi conduttori di piccola sezione disposti in parallelo, cioè utilizzare conduttori o cavi multipolari. E la relazione tra la corrente ammissibile a lungo termine e l'area della sezione trasversale nel suo complesso risulta così:

F

1

2

4

iodd

1

1,68

2,83

Corrente e temperatura

Per calcolare la temperatura del conduttore a una corrente nota e date le condizioni esterne, considerare lo stato stazionario quando la temperatura del conduttore raggiunge Tust e non cresce più. Dati iniziali - corrente I, coefficiente di scambio termico Ktp, resistenza R, area della parete laterale S, temperatura ambiente T0:

Un calcolo simile per la corrente continua:

Qui, T0 viene preso come temperatura ambiente calcolata, ad esempio + 15 ° C per la posa sott'acqua e nel terreno, o + 25 ° C per la posa all'aria aperta. I risultati di tali calcoli sono riportati in tabelle di correnti continuee per l'aria prendono una temperatura di + 25 ° C, perché questa è la temperatura media del mese più caldo.

Dividendo la prima equazione per la seconda ed esprimendo la temperatura del conduttore, possiamo ottenere una formula per trovare la temperatura del conduttore a una corrente diversa da quella consentita a lungo termine e ad una data temperatura ambiente, se la corrente ammissibile a lungo termine e la temperatura ammissibile a lungo termine sono note e non è necessario ricorrere all'uso di altri costanti:

Da questa formula si può vedere che l'aumento di temperatura è proporzionale al quadrato della corrente e se la corrente aumenta di 2 volte, allora l'aumento di temperatura aumenterà di 4 volte.

Se le condizioni esterne differiscono dal design

A seconda delle condizioni esterne effettive, che possono differire da quelle calcolate in base al modo di posa, ad esempio diversi conduttori paralleli in parallelo (cavo) o che si trovano nel terreno a una temperatura diversa, è necessaria una regolazione della corrente massima consentita.

Quindi, viene introdotto il fattore di correzione Kt, per il quale la corrente ammissibile a lungo termine viene moltiplicata in condizioni note (tabulari). Se la temperatura esterna è inferiore a quella calcolata, il coefficiente è maggiore di uno; se è superiore a quella calcolata, quindi, Kt è inferiore a uno.

Quando si posizionano più conduttori paralleli molto vicini tra loro, si surriscaldano a vicenda, ma solo se l'ambiente circostante è fermo. Le condizioni reali spesso portano al fatto che l'ambiente è mobile (aria, acqua) e la convezione porta al raffreddamento dei conduttori.

Se il mezzo è quasi fermo, ad esempio, quando si posa in un tubo sotterraneo o in un condotto, il riscaldamento reciproco provocherà una diminuzione della corrente ammissibile a lungo termine e qui è necessario immettere nuovamente il fattore di correzione Kn, che è riportato nella documentazione per cavi e fili.

Comments

[#1]

In generale, ogni fornitore che si rispetti di fili o cavi fornisce oggi delle tabelle di accompagnamento, dove per un determinato filo in varie condizioni è possibile trovare facilmente una corrente ammissibile a lungo termine e non confondersi. Il produttore stesso esegue tutti i calcoli e i calcoli necessari e il consumatore può scegliere dalla tabella solo un cavo o un filo di sezione adeguata e la modifica richiesta.

[#2 Anatoly]

Esatto! Ma non solo quando si posiziona il cavo a terra, ma anche quando lo si posa direttamente nei cancelli sotto l'intonaco, le condizioni per la posa del cavo possono differire da quelle calcolate (purtroppo, nei documenti normativi e tecnici, incluso il PUE, questo problema non viene prestato la dovuta attenzione), quindi gli errori durante la posa del cavo. Ad esempio, secondo il PUE, la corrente nominale del cavo durante la posa nel tubo e la corrugazione del PVC è essenzialmente un tubo flessibile in PVC, la corrente nominale del cavo, con un fattore di riempimento della corrugazione con un cavo di 0,3 - 0,5, è di 21 ampere, e nella sabbia - intonaco di cemento - 20 ampere Se si utilizza GOST RM EK 60287 - 2 - 1 - 2009, quindi, sapendo che la resistenza termica dell'intonaco di cemento sabbia, in media, è 1 (m * gradi Celsius / Watt) e la resistenza termica del polmone di calcestruzzo aerato è pari a 10 (m * gradi Celsius / Watt), troviamo che la corrente nominale della corrente del cavo nel calcestruzzo aerato è 20 * 20/10 = 40, estraiamo la radice quadrata e otteniamo circa 7,1 ampere, la pratica operativa ha dimostrato che in condizioni di posa reali, quando un lato è coperto di gesso, la corrente nominale del cavo è di circa 10 ampere, due volte e meno che nell'intonaco di sabbia e cemento. Lo stesso vale per altri materiali da costruzione. Se il cavo si estende su una sezione estesa di calcestruzzo aerato, gesso, ecc., secondo il PUE, la corrente nominale del cavo deve essere selezionata in base alle peggiori condizioni per la posa o la corrente a 10 ampere e un interruttore automatico cayuel da 6 ampere. MA, se posi il cavo e anche il filo, in modo che la guaina non gli impedisca un migliore raffreddamento, la corrente nominale del cavo è di 21 ampere, poiché l'ambiente della sua posa non è cambiato.E la pratica operativa conferma che è così, quindi lo scopo più importante di una corrugazione è preservare la corrente nominale del cavo indipendentemente dalle condizioni della sua posa, cioè indipendentemente dalla resistenza termica dei materiali su cui è posato il cavo. La corrugazione è appositamente progettata per soddisfare questo requisito preservando la corrente nominale del cavo, l'energia termica rilasciata dal cavo viene assorbita dall'aria nella corrugazione e dal materiale stesso della corrugazione per convezione e radiazione termica e il trasferimento di calore non svolge un ruolo significativo il ruolo del raffreddamento del cavo, a causa della grandissima resistenza termica dell'aria e della corrugazione stessa, ovviamente, quando si posano su materiali con bassa resistenza termica, la temperatura della corrugazione diminuisce ed è in grado di assorbire più energia termica, ma questa riduzione non è significativa. Anche quando si posiziona il cavo nella corrugazione nel calcestruzzo aerato , la resistenza termica del calcestruzzo cellulare non è superiore al 18-20% della resistenza termica dell'aria nella corrugazione. Cioè, anche con una resistenza infinitamente grande dell'ambiente esterno di posa della corrugazione, il cavo alla corrente nominale non viene riscaldato La temperatura sarà superiore alla temperatura ammissibile e, in un ambiente con bassa resistenza termica, il cavo avrà una temperatura durante la posa nel corrugamento anche inferiore al massimo consentito. La corrugazione è stata creata al posto dei tubi in acciaio, quando vari materiali con diversa resistenza termica lungo i percorsi di posa dei cavi hanno iniziato ad essere utilizzati nella costruzione .

[#3 Nicholas]

Qualsiasi corrente a flusso continuo in condizioni esterne costanti corrisponde a una temperatura dello stato stazionario ben definita del conduttore. L'entità della corrente di lunga durata alla quale la temperatura diventa la massima consentita per una data marca di filo o cavo è chiamata carico di corrente a lungo termine.

L'entità della corrente ammissibile a lungo termine dipende dal materiale e dalla sezione trasversale del conduttore, dalla temperatura ambiente, dal materiale isolante e dal metodo di posa. Anche la modalità di funzionamento di fili e cavi è importante. Nel funzionamento intermittente, è possibile aumentare il carico di corrente consentito. Per determinare il valore della corrente ammissibile a lungo termine, è importante conoscere la massima temperatura ambiente positiva, poiché a basse temperature alla stessa corrente sono previste condizioni di lavoro più favorevoli per fili e cavi.

[#4 alex]

Non è chiaro - come per un filo con una sezione quadrata di 2 mm, la corrente è solo 1,68 A ???

25A puoi leggere, non capisco niente ...