Шта одређује дугорочно дозвољену струју кабла

Шта одређује дугорочно дозвољену струју кабла? Да бисмо одговорили на ово питање, мораћемо да размотримо пролазне топлотне процесе који се одвијају у условима када кроз проводник пролази електрична струја. Загревање и хлађење проводника, његова температура, веза са отпором и попречни пресек - све ће ово бити тема овог чланка.

Процес транзиције

За почетак, размотрите конвенционални цилиндрични проводник дужине Л, пречника д, подручја попречног пресека Ф, отпора Р, запремине В, очигледно једнаког Ф * Л, кроз који тече струја И, специфичне топлоте метала од кога је проводник направљен - Ц, масе проводника је једнако

м = В * Ω,

где је Ω густина метала проводника, С = пи * д * Л је површина бочне стијенке кроз коју долази до хлађења, Тпр је тренутна температура проводника, Т0 је температура околине и, сходно томе, Т = Тпр - Т0 је промена температуре. КТП је коефицијент преноса топлоте, који нумерички карактеризира количину топлоте која се преноси са јединице површине проводника у 1 секунди при температурној разлици од 1 степен.

На слици су приказани графикони струје и температуре у проводнику током времена. Од времена т1 до времена т3 струја коју сам текао кроз проводник.

Овде можете видети како се након укључивања струје температура проводника постепено повећава, а у тренутку т2 престаје да расте, стабилише. Али након искључивања струје у времену т3, температура почиње постепено да се смањује, а у времену т4 поново постаје једнака почетној вредности (Т0).

Дакле, могуће је написати једнаџбу топлотне равнотеже, диференцијалну једнаџбу процеса загријавања водича, при чему ће се рефлектирати да топлину која се ослобађа на водичу дјеломично апсорбира сам проводник, а дјеломично се даје околини. Ево једначине:

На левој страни једначине (1) је количина топлоте која се ослобађа у проводнику током времена дт, проласка струје И.

Први израз на десној страни једначине (2) је количина топлоте коју апсорбује материјал проводника, од које се температура проводника повећала за дТ степени.

Други израз у десној страни једначине (3) је количина топлоте која је током проводног времена дт пренесена из проводника у окружење и повезана је са површином проводника С и температурном разликом Т кроз коефицијент топлотне проводљивости Ктп.

Прво, када је укључена струја, сва топлота која се ослобађа у проводнику користи се за директно загревање проводника, што доводи до повећања његове температуре, а то је последица топлотног капацитета Ц материјала који води.

С повећањем температуре, температурна разлика Т између самог проводника и околине се повећава, а произведена топлота делимично већ иде на повећање температуре околине.

Када температура проводника достигне стално стабилну вредност Туста, у овом тренутку се сва топлота ослобођена површине проводника преноси у околину, тако да температура проводника више не расте.

Решење диференцијалне равнотеже топлотне равнотеже је:

У пракси, овај пролазни процес траје не више од три временске константе (3 * τ), а након тог времена температура достиже 0,95 * Туст. Када се прелазни процес грејања заустави, једнаџба топлотне равнотеже се поједностављује и температура устаљеног стања се лако може изразити:

Дозвољена струја

Сада можемо доћи до онога што тачно вредност струје делује као дугорочно дозвољена струја за проводник или кабл. Очигледно је да за сваки проводник или кабл постоји одређена нормална стална температура, према њеној документацији.Ово је таква температура на којој кабл или жица може бити континуирано и дуго времена без штете и себи и другима.

Из горње једнаџбе постаје јасно да је специфична вриједност струје повезана с таквом температуром. Ова струја се зове дозвољена струја кабла. То је таква струја, која током дужег проласка кроз проводник (више од три временске константе) загрева га на дозвољену, односно на нормалну температуру Тдд.

Овде: Идд - дугорочно дозвољена струја проводника; ТДД - дозвољена температура проводника.

Да би се решили практични проблеми, најприкладније је одредити дугорочну дозвољену струју према посебним табелама из ПУЕ.

У случају кратког споја, кроз проводник тече значајна струја кратког споја, која може значајно загрејати проводник, прелазећи његову нормалну температуру. Из тог разлога, проводнике карактерише минимални пресек заснован на стању краткотрајног загревања проводника струјом кратког споја:

Овде: Ик - струја кратког споја у амперима; тп је скраћено трајање струје кратког споја у секунди; Ц је коефицијент који зависи од материјала и конструкције проводника и од краткорочно дозвољене температуре.

Одељак Спајање

Сада да видимо како дугорочна дозвољена струја зависи од пресека проводника. Изражавајући површину бочног зида кроз пречник проводника (формула на почетку чланка), претпостављајући да је отпор повезан са површином попречног пресека и специфичним отпором материјала проводника, и замењујући добро познату формулу отпора у формулу за Идд, дато горе, добијамо дугорочно дозвољену формулу Идд струје. :

Лако је видјети да веза између дуготрајно дозвољене струје водича Идд и попречног пресјека Ф није директно пропорционална, овдје се површина попречног пресјека подиже на снагу ¾, што значи да се дугорочно дозвољена струја повећава спорије од пресјека водича. Остале константе, као што су отпорност, коефицијент преноса топлоте, дозвољена температура, су по дефиницији појединачне за сваки проводник.

У ствари, зависност не може бити директна, јер што је већи пресек проводника, лошији су услови хлађења унутрашњих слојева проводника, прихватљивија је температура при нижој густини струје.

Ако користите проводнике већег пресека да бисте избегли прегревање, то ће довести до превелике потрошње материјала. Много је исплативије користити неколико проводника малог пресека постављених паралелно, односно користити вишеједрне проводнике или каблове. А однос између дуготрајне дозвољене струје и подручја попречног пресека у целини испада овако:

Струја и температура

Да бисте израчунали температуру проводника са познатом струјом и одређеним спољним условима, узмите у обзир стабилно стање када температура проводника достигне Туст и више се не повећава. Почетни подаци - струја И, коефицијент преноса топлоте Ктп, отпор Р, површина бочне стијенке С, температура околине Т0:

Сличан израчун за непрекидну струју:

Овде се Т0 узима као израчуната температура околине, на пример + 15 ° Ц за полагање под водом и у земљи, или + 25 ° Ц за полагање на отвореном. Резултати таквих израчунавања су дати у табеле непрекидних струја, а за ваздух узимају температуру од + 25 ° Ц, јер је то просечна температура најтоплијег месеца.

Дељење прве једнаџбе на другу и изражавање температуре проводника, можемо добити формулу за проналажење температуре проводника на струји која није дуготрајно дозвољена и на датој температури околине, ако су познати дуготрајна дозвољена струја и дугорочна дозвољена температура, а не морате прибегавати коришћењу других константе:

Из ове формуле се види да је пораст температуре пропорционалан квадратури струје, а ако се струја повећа за 2 пута, тада ће се пораст температуре повећати за 4 пута.

Ако се спољни услови разликују од дизајна

У зависности од стварних спољних услова, који се могу разликовати од израчунатих, овисно о начину полагања, на пример, неколико проводника (каблова) који се налазе паралелно или се полажу у земљу на различитој температури, захтева се подешавање највеће дозвољене струје.

Затим се уводи корекциони фактор Кт којим се под познатим (табеларним) условима множи дугорочна дозвољена струја. Ако је спољна температура нижа од израчунате, коефицијент је већи од један, а ако је већи од израчунатог, тада је, Кт, мањи од један.

Када положе неколико паралелних проводника врло близу један другом, додатно ће се грејати, али само ако околно окружење мирује. Стварни услови често доводе до тога да је околина покретна (ваздух, вода), а конвекција доводи до хлађења проводника.

Ако је медијум готово непомичан, на примјер, код полагања у цијев под земљом или у каналу, тада ће међусобно загријавање узроковати смањење дугорочне дозвољене струје, а овдје морате поново унијети корекцијски фактор Кн, који је дат у документацији за каблове и жице.