На что влияет заниженное сечение жилы при работе кабеля? Нормы занижения сечения токопроводящей жилы?

Занижение сечения токопроводящих жил

Как отражается снижение площади поперечного сечения токопроводящих жил на сроке службы (формула для расчёта)?
Нормы занижения сечения кабелей и проводов

 
 
Содержание
(ссылки для быстрого перехода ниже в текст):

 

Введение

В погоне за низкой ценой заводы-изготовители кабельно-проводниковой продукции стран СНГ занижают площадь сечения токопроводящей жилы. Утверждение справедливо для украинского рынка – кабель с чётким сечением не найти.
 
Весомая составляющая себестоимости в кабелях – цена цветного металла (алюминия или меди), поэтому для снижения затрат на изготовление:
  • занижают сечение токопроводящей жилы;
  • изготавливают жилу не из чистой меди или алюминия, а из биметалла, вплоть до применения стали, покрытой тонким слоем меди для визуализации.
Поставляем кабели и провода из чистой электротехнической меди либо алюминия (марка М1 и АД0 соответственно), у которых нормировано электрическое сопротивление (значение прописано в сертификате соответствия).
 
Выхода три:
  • покупать качественные европейские аналоги (жила в точности соответствует номиналу, но цена выше);
  • учитывая заниженное сечение:
    • приобретать больший номинал жилы (нужны дополнительные деньги);
    • покупать заданный номинал из-за экономии средств.
Взаимодействие трёх факторов - Качество, Скорость и ЦенаПодробнее рассмотрим ситуацию, когда покупаете кабельные изделия с заниженным сечением заданного маркоразмера (последний экономный выход), при этом понимаете негативные стороны.
 
Слева изображение, которое наглядно показывает, что одновременно совместить получается только два фактора из трёх – «Быстро», «Дёшево» или «Качественно».
 
 

Выводы

Ввиду отличия восприятия информации в интернете (тексты просматривают, а не читают), выводы находятся перед описанием, а не после него – снижение площади сечения токопроводящей жилы до 15% относительно номинала, вызовет:
  • перегрев изоляции без пробоя;
  • что незначительно снизит общий срок службы изделия, ввиду ускоренного теплового старения изоляционного покрова во время избыточного нагрева (то есть ускоренное старение возникнет только при максимальной токовой нагрузке).
Факторы, нивелирующие ускоренное старение (снижающие температуру жилы):
  • периоды снижения потребляемой мощности не ведут к перегреву изоляции, так как действующий ток меньше наибольшего (например, в ночное время, во время работы не всех электроприборов);
  • зимние периоды, когда температура окружающей среды снижает температуру эксплуатации проводника.
 

От  чего зависит назначаемая токовая нагрузка?

Логическая цепочка, по которой задают номинальную силу тока для конкретного сечения

1. предельная долговременная температура нагрева изоляции, при которой электрическое сопротивление имеет допустимое значение;
2. допустимый нагрев токопроводящей жилы с учётом запаса;
3. долговременная токовая нагрузка.
 
Подробнее для понимания сказанного (цепочка в обратном порядке):
  • продолжительно протекающий ток, вызывает нагревание жилы;
  • прогретая жила передаёт тепловую энергию на изоляцию;
  • изоляция с увеличением температуры снижает своё электрическое сопротивление (при критическом значении происходит пробой);
  • допустимый нагрев изоляционного покрова отвечает диапазону +65⁰С ≤ t ≤ +75⁰С, при котором изоляция имеет достаточное электрическое сопротивление для исключения пробоя.
Отсюда, токовая нагрузка напрямую зависит от наибольшей температуры работы изоляции.
При снижении сечения, заданная токовая нагрузка приводит к дополнительному нагреву жилы и изоляции. Что в свою очередь снижает срок службы изоляционного покрова, так как материал меняет свою структуру и химический состав. Рассмотрим взаимосвязь срока службы от перегрева.
 

Зависимость срока службы от длительного перегрева изоляции

В первом приближении возьмём формулу из исследований учёных Монтзингера, Мозеса и Бусинга. Её также называют правилом 8 градусов.
Она определяет влияние повышенных температур на механические свойства изоляции электродвигателей. Измерялась прочность на разрыв и выдерживаемое число перегибов. При тепловом старении из состава изоляции улетучиваются пластификаторы, происходят химические реакции, вследствие чего снижаются механические и электрические характеристики. Потеря эластичности идёт одновременно со снижением диэлектрических свойств. Опыты показали, что при повышении температуры на 8⁰С относительно допустимой (условие для всего периода эксплуатации), прочность на разрыв снижалась в 2 раза. Однако следует иметь ввиду, что описанное превышение колеблется в пределах 8-12⁰С по другим рекомендациям.
Формула зависимости срока службы от перегрева изоляции в электродвигателях (правило 8 градусов)
Тсл1 – срок службы при повышенных температурах;
Тсл2 – срок службы при нормальной (допустимой) температуре;
t1 – значение повышенной температуры в градусах Цельсия;
t2 – значение нормальной температуры в градусах Цельсия;
△t – добавочная температура, при которой прочность на разрыв снижается в 2 раза (выбирается из условия 8⁰С ≤ △t ≤ 12⁰С).
 
Теперь перейдём к конкретике.
При температуре нагрева токопроводящей жилы t2 = +70⁰С:
  • срок службы промышленного кабеля ВВГ равен Тсл2 = 30 годам;
  • срок службы бытового провода ПВС равен Тсл2 = 10 годам.
△t = 8⁰С – наименьшее значение из предложенного выше диапазона.
 
Просчитаем для примера, учитывая условные значения температур (действующую температуру Тсл1 нужно измерять пирометром в конкретной ситуации):
Кабель ВВГ (указанная температура должна воздействовать на всём периоде работы):
  • при t1 = 77⁰С прослужит Тсл1 = 16.35 лет;
  • при t1 = 250⁰С (короткое замыкание) выдержит Тсл1 = 5.057∙10-6 лет ≈ 159 секунд.
Провод ПВС (указанная температура должна воздействовать на всём периоде работы):
  • при t1 = 77⁰С прослужит Тсл1 = 5.45 лет;
  • при t1 = 250⁰С (короткое замыкание) выдержит Тсл1 = 1.686∙10-6 лет ≈ 53 секунды.
Поэкспериментируйте самостоятельно в Excel формула =СТЕПЕНЬ(2;-х), где х – отрицательное число равное соотношению за двойкой из формулы.
 
О других преимуществах применения кабеля ВВГ в бытовой электропроводке вместо провода ПВС в отдельной статье.
 
 

Нормы занижения сечения кабелей и проводов

Качество кабельной жилы определяется исключительно её электрическим сопротивлением. В нормативных документах не указано, что площадь поперечного сечения, просчитанная из диаметра проволоки, должна соответствовать указанному номиналу.
Источники информации:
Торгующие организации выкладывают видеоролики, в которых измеряется площадь сечения токопроводящих жил, изготовленных разными производителями – это игра на публику и фактическое признание дилетантства.
Так как намеренно либо по-незнанию забывают определяющий параметр – электрическое сопротивление токопроводящей жилы. Не качественный металл (с содержанием примесей) или биметалл может иметь по геометрическим расчётам верное сечение, но будет иметь большее электрическое сопротивление.
 
Рассчитаем нормы занижения сечения популярных кабелей и проводов исходя:
  • из значения удельного электрического сопротивления меди и алюминия;
  • и из электрического сопротивления жилы R20, приведенного к 1 километру, изъятого из таблиц 1-6 нормативного документа ГОСТ 22483-77.
Удельное электрическое сопротивление меди ρ = 0,01724-0,01800 Ом·мм2/м и алюминия ρ = 0,0262-0,0295 Ом·мм2/м. Диапазон обусловлен химической чистотой металла, разными методами термической и механической обработки.
 
Формула расчёта площади поперечного сечения: S = ρ · 1000 / R20.
Где:
  • S – площадь сечения в мм2;
  • ρ – удельное электрическое сопротивление при температуре +20⁰С в Ом·мм2/м;
  • 1000 – перевод метров в километры;
  • R20 – электрическое сопротивление постоянному току приведенное к 1 км при температуре +20⁰С, измеряется в Ом/км.
 
Нормы занижения сечения кабеля ВВГ и КВВГ, а также их производных
Номинальное сечение R20 S при ρ = 0,01724 S при ρ = 0,01800 Максимальное занижение в %
1.0 18.1 0.952 0.994 4.75
1.5 12.1 1.425 1.488 5.01
2.5 7.41 2.327 2.429 6.94
4 4.61 3.740 3.905 6.51
6 3.08 5.597 5.844 6.71
10 1.83 9.421 9.836 5.79
16 1.15 14.991 15.652 6.30
25 0.727 23.714 24.759 5.14
35 0.524 32.901 34.351 6.00
50 0.387 44.548 46.512 10.90
70 0.268 64.328 67.164 8.10
95 0.193 89.326 93.264 5.97
120 0.153 112.680 117.647 6.10
150 0.124 139.032 145.161 7.31
185 0.0999 172.555 180.162 6.73
240 0.0754 228.647 238.727 4.73
 
Нормы занижения сечения кабелей АВВГ и АКВВГ и их производных
Номинальное сечение R20 S при ρ = 0,0262 S при ρ = 0,0295 Максимальное занижение в %
2.5 12.1 2.165 2.438 13.39
4 7.41 3.536 3.981 11.61
6 5.11 5.127 5.773 14.55
10 3.08 8.506 9.578 14.94
16 1.91 13.717 15.445 14.27
25 1.20 21.833 24.583 12.67
35 0.868 30.184 33.986 13.76
50 0.641 40.874 46.022 18.25
70 0.443 59.142 66.591 15.51
95 0.320 81.875 92.188 13.82
120 0.253 103.557 116.601 13.70
150 0.206 127.184 143.204 15.21
185 0.164 159.756 179.878 13.65
240 0.125 209.600 236.000 12.67
 
Допустимое снижение площади сечения кабеля КГ, проводов РПШ и ПВС, шнура ШВВП
Номинальное сечение R20 S при ρ = 0,01724 S при ρ = 0,01800 Максимальное занижение в %
0.50 39.0 0.442 0.462 11.59
0.75 26.0 0.663 0.692 11.59
1.0 19.5 0.884 0.923 11.59
1.5 13.3 1.296 1.353 13.58
2.5 7.98 2.160 2.256 13.58
4 4.95 3.483 3.636 12.93
6 3.30 5.224 5.455 12.93
10 1.91 9.026 9.424 9.74
16 1.21 14.248 14.876 10.95
25 0.780 22.103 23.077 11.59
35 0.554 31.119 32.491 11.09
50 0.386 44.663 46.632 10.67
70 0.272 63.382 66.176 9.45
95 0.206 83.689 87.379 11.91
120 0.161 107.081 111.801 10.77
150 0.129 133.643 139.535 10.90
185 0.106 162.642 169.811 12.09
240 0.0801 215.231 224.719 10.32
 
 

Материалы изоляции и их электрические сопротивление

В промышленных и бытовых проводниках применяется поливинилхлоридный пластикат, полиэтилен и резина. Полный перечень применяемых материалов представлен в статье по конструкции.
 
Поливинилхлоридная изоляция (ПВХ пластикат) и полиэтилен применяются в кабелях ВВГ, АВВГ, ПВС, ШВВП, КВВГ и других
Температура и состояние изоляции:
  • при температуре -15⁰С допускается прокладка изделия без предварительного нагрева (пластикат теряет свою эластичность и может растрескаться);
  • при температуре +20⁰С электрическое сопротивление в диапазоне от 7 до 12 МОм∙км; нормальное состояние;
  • при температуре +70⁰С (допустимая температура нагрева токопроводящей жилы) электрическое сопротивление снижается до 0.005 МОм∙км; изоляция работоспособна;
  • при температуре +80⁰С изоляция устойчива к деформациям (не теряет исходной формы), данная температура вызывается токами перегрузки и может воздействовать в течение 8 часов в сутки и не долее 1000 часов за весь период работы изделия (из состава изоляции при тепловом старении улетучиваются пластификаторы, что приводит к снижению электрических свойств);
  • температура +160⁰С может вызываться коротким замыканием (кратковременный нагрев до 4 секунды); изоляция не растрескивается при часовой выдержки в печи с температурой +150⁰С;
  • температура +350⁰С вызывает порчу изоляции, однако покров не воспламеняется.
Источники информации:
  • стандарт ГОСТ 16442-80 таблицы 8 и 9 на странице 7, пункты 2.6.4 и 2.6.5 на странице 9, таблицы 21 и 22 на странице 16;
  • стандарт ГОСТ 53769-2010 таблица 18 на странице 24;
  • стандарт ГОСТ 7399-97 таблица 2 на странице 3 (последний столбец).
 
Резиновая изоляция применяется в кабелях КГ, РПШ, ППСРВМ
Температура и состояние изоляционного покрова:
  • при температуре -15⁰С допускается прокладка изделия без предварительного нагрева (при сильном морозе резина теряет эластичность и трескается);
  • при температуре +20⁰С электрическое сопротивление не менее 50 МОм∙км, нормальное состояние;
  • температура +75⁰С является допустимой для токопроводящей жилы кабелей подвижного присоединения и +70⁰С для кабелей стационарной прокладки, информация по значению электрического сопротивления отсутствует;
  • температура +200⁰С максимально допустимая при коротком замыкании, которое должно длиться не более 4 секунд.
Источники информации:
  • каталог на кабели марки КГ;
  • стандарт ГОСТ 433-73 на странице 11 пункт 2.5.2а и на странице 20 пункт 5а.6.
 

Термины

Номинальная сила тока или токовая нагрузка – сила тока в амперах, которую долговременно проводит токопроводящая жила.
Электрическое сопротивление токопроводящей жилы – вызывает потери, связанные с транспортировкой электрического тока на расстояния, для общепромышленных кабелей и проводов определяется стандартом ГОСТ 22483-77 (приводится к 1 километру жилы, задаётся при температуре +20⁰С для постоянного тока, по ссылке имеются формулы для пересчёта при любой другой температуре), измеряется в Ом/км.
Электрическое сопротивление изоляции – способность изоляционного покрова противостоять протеканию электрического тока, измеряется в Ом∙км.
Маркоразмер – конкретное изделие из перечня кабельно-проводниковой продукции, определяемое маркой, а также числом и сечением токопроводящих жил (размером). Например, ВВГ 3х2.5 – кабель включает три жилы с площадью сечения 2.5 квадратных миллиметра.
 

Post scriptum

При желании высылайте комментарии на электронную почту smax1@i.ua (удалите цифру «1») – разместим без изменений на данной странице.