Calculul secțiunii cablului după putere și curent: cum se calculează corect cablajul

Plănuiți să realizați modernizarea rețelei electrice sau să mai întindeți o linie de alimentare în bucătărie pentru conectarea unui nou cuptor electric? Aici vă vor fi de folos cunoștințe minime despre secțiunea conductorului și influența acestui parametru asupra puterii și intensității curentului.

Sunteți de acord că un calcul incorect al secțiunii cablului duce la supraîncălzire și scurtcircuit sau la cheltuieli nejustificate.

Este foarte important să efectuați calculele în faza de proiectare, deoarece defectarea instalației electrice ascunse și înlocuirea ulterioară implică costuri semnificative. Vă vom ajuta să înțelegeți subtilitățile efectuării calculelor pentru a evita problemele în exploatarea ulterioară a rețelelor electrice.

Pentru a nu vă încărca cu calcule complicate, am selectat formule și variante de calcul ușor de înțeles, am prezentat informațiile într-o formă accesibilă, însoțind formulele cu explicații. De asemenea, am adăugat în articol fotografii și materiale video tematice, care vă permit să înțelegeți vizual esența problemei abordate.

Calculul secțiunii în funcție de puterea consumatorilor

Scopul principal al conductoarelor este livrarea energiei electrice către consumatori în cantitatea necesară. Deoarece în condiții normale de exploatare supraconductoarele nu sunt disponibile, trebuie să se țină cont de rezistența materialului conductorului.

Calculul secțiunii necesare conductoarelor și cablurilor în funcție de puterea totală a consumatorilor se bazează pe o experiență îndelungată de exploatare.

Vom începe cursul general al calculelor prin a efectua mai întâi calculele folosind formula:

P = (P1+P2+..PN)*K*J,

Unde:

• P – puterea tuturor consumatorilor conectați la ramura calculată, în Wați.
• P1, P2, PN – puterea primului consumator, celui de-al doilea, respectiv al n-lea, în Wați.

După obținerea rezultatului la finalizarea calculelor conform formulei de mai sus, urmează consultarea datelor tabelare.

Acum urmează alegerea secțiunii necesare conform tabelului 1.

Tabelul 1. Secțiunea conductoarelor trebuie întotdeauna aleasă în sensul celei mai apropiate valori superioare (+)

Etapa #1 — calculul puterii reactive și active

Puterea consumatorilor este indicată în documentele echipamentului. De obicei, în fișele tehnice ale echipamentului este indicată puterea activă împreună cu puterea reactivă.

Dispozitivele cu sarcină activă transformă întreaga energie electrică obținută, ținând cont de randament, în lucru util: mecanic, termic sau în altă formă.

Dispozitivele cu sarcină activă includ becurile incandescente, încălzitoarele, plitele electrice.

Pentru astfel de dispozitive, calculul puterii în funcție de curent și tensiune are forma:

P = U * I,

Unde:

• P – puterea în W;
• U – tensiunea în V;
• I – intensitatea curentului în A.

Dispozitivele cu sarcină reactivă sunt capabile să acumuleze energia provenită de la sursă și apoi să o returneze. Acest schimb are loc datorită deplasării dintre sinusoidele intensității curentului și ale tensiunii.

La defazaj zero, puterea P=U*I are întotdeauna o valoare pozitivă. Un astfel de grafic al fazelor intensității curentului și tensiunii îl au dispozitivele cu sarcină activă (I, i – intensitatea curentului, U, u – tensiunea, π – numărul pi, egal cu 3,14).

Dispozitivele cu putere reactivă includ motoare electrice, aparate electronice de toate dimensiunile și scopurile, transformatoare.

Când există un defazaj între sinusoida intensității curentului și sinusoida tensiunii, puterea P=U*I poate fi negativă (I, i – intensitatea curentului, U, u – tensiunea, π – numărul pi, egal cu 3,14). Dispozitivul cu putere reactivă returnează energia acumulată înapoi sursei.

Rețelele electrice sunt construite astfel încât pot transmite energia electrică într-o singură direcție, de la sursă la sarcină.

Prin urmare, energia returnată de consumatorul cu sarcină reactivă este parazită și se consumă pentru încălzirea conductorilor și a altor componente.

Puterea reactivă depinde de unghiul de defazaj dintre sinusoidele tensiunii și curentului. Unghiul de defazaj se exprimă prin cosφ.

Pentru aflarea puterii aparente se aplică formula:

P = Q / cosφ,

Unde Q – puterea reactivă în VAR.

De obicei, în datele din fișa tehnică a dispozitivului sunt indicate puterea reactivă și cosφ.

Exemplu: în pașaportul pentru perforator este indicată puterea reactivă 1200 VAr și cosφ = 0,7. Prin urmare, puterea totală consumată va fi:

P = 1200/0,7 = 1714 W

Dacă nu s-a putut găsi cosφ, pentru marea majoritate a aparatelor electrice de uz casnic, cosφ poate fi considerat egal cu 0,7.

Etapa #2 — găsirea coeficienților de simultaneitate și de rezervă

K – coeficientul adimensional de simultaneitate, arată câți consumatori pot fi conectați simultan la rețea. Se întâmplă rar ca toate dispozitivele să consume energie electrică simultan.

Funcționarea simultană a televizorului și a centrului muzical este puțin probabilă. Din practica consacrată, K poate fi considerat egal cu 0,8. Dacă intenționați să utilizați toți consumatorii simultan, K trebuie considerat egal cu 1.

J – coeficientul adimensional de rezervă. Caracterizează crearea unei rezerve de putere pentru consumatorii viitori.

Progresul nu stă pe loc, în fiecare an se inventează tot mai multe aparate electrice uimitoare și utile. Se estimează că până în anul 2050, creșterea consumului de energie electrică va fi de 84%. De obicei, J se consideră a fi cuprins între 1,5 și 2,0.

Etapa #3 — efectuarea calculului prin metoda geometrică

În toate calculele electrotehnice se ia în considerare aria secțiunii transversale a conductorului – secțiunea miezului. Se măsoară în mm².

Adesea este necesar să știți cum să calculați corect secțiunea firului în funcție de diametru a sârmei conductorului.

În acest caz, există o formulă geometrică simplă pentru un fir monolitic cu secțiune circulară:

S = π*R² = π*D²/4, sau invers

D = √(4*S / π)

Pentru conductorii cu secțiune dreptunghiulară:

S = h * m,

Unde:

• S – aria miezului în mm²;
• R – raza miezului în mm;
• D – diametrul miezului în mm;
• h, m – lățimea și, respectiv, înălțimea în mm;
• π – numărul pi, egal cu 3,14.

Dacă achiziționați un fir cu mai multe fire, la care un conductor este format din mai multe sârme răsucite cu secțiune circulară, atunci calculul se efectuează după formula:

S = N*D²/1,27,

Unde N – numărul de sârme din miez.

Firele cu miezuri răsucite din mai multe sârme, în general, au o conductivitate mai bună decât cele monolitice. Acest lucru se datorează particularităților curgerii curentului printr-un conductor cu secțiune circulară.

Curentul electric reprezintă mișcarea sarcinilor de același semn printr-un conductor. Sarcinile de același semn se resping, prin urmare densitatea de distribuție a sarcinilor este deplasată spre suprafața conductorului.

Un alt avantaj al firelor cu mai multe fire este flexibilitatea și rezistența lor mecanică. Firele monolitice sunt mai ieftine și sunt utilizate în principal pentru instalații fixe.

Etapa #4 — calculăm secțiunea în funcție de putere în practică

Sarcină: puterea totală a consumatorilor din bucătărie este de 5000 W (se subînțelege că puterea tuturor consumatorilor reactivi a fost recalculată). Toți consumatorii se conectează la o rețea monofazată de 220 V și sunt alimentați de la o singură ramură.

Tabelul 2. Dacă intenționați să conectați consumatori suplimentari în viitor, în tabel sunt prezentate puterile necesare ale aparatelor electrocasnice comune (+)

Soluție:

Coeficientul de simultaneitate K îl vom considera egal cu 0,8. Bucătăria este un loc al inovațiilor constante, nu se știe niciodată, coeficientul de rezervă J=2,0. Puterea totală calculată va fi:

P = 5000*0,8*2 = 8000 W = 8 kW

Folosind valoarea puterii calculate, căutăm cea mai apropiată valoare în tabelul 1.

Cea mai apropiată valoare corespunzătoare a secțiunii conductorului pentru rețeaua monofazată este un conductor din cupru cu secțiunea de 4 mm². O dimensiune similară pentru un conductor din aluminiu este de 6 mm².

Pentru cablajul unifilar, diametrul minim va fi de 2,3 mm și, respectiv, 2,8 mm. În cazul utilizării variantei cu mai multe fire, secțiunile conductoarelor individuale se însumează.

Calculul secțiunii în funcție de curent

Calculele secțiunii necesare în funcție de curent și putere a cablurilor și firelor vor oferi rezultate mai precise. Astfel de calcule permit evaluarea influenței generale a diverșilor factori asupra conductoarelor, printre care sarcina termică, marca firelor, tipul de pozare, condițiile de exploatare etc.

Întregul calcul se desfășoară în următoarele etape:

• selectarea puterii tuturor consumatorilor;
• calculul curenților care trec prin conductor;
• selectarea secțiunii transversale corespunzătoare conform tabelelor.

Pentru această variantă de calcul, puterea consumatorilor în funcție de curent și tensiune se ia fără a lua în considerare coeficienții de corecție. Aceștia vor fi luați în considerare la sumarea intensității curentului.

Etapa #1 — calculul intensității curentului după formule

Celor care au uitat cursul de fizică din școală, le oferim formulele de bază sub formă de schemă grafică, ca o fișă de referință vizuală:

«Roata clasică» demonstrează vizual interconexiunea formulelor și interdependența caracteristicilor curentului electric (I — intensitatea curentului, P — puterea, U — tensiunea, R — raza conductorului)

Să scriem dependența intensității curentului I de puterea P și tensiunea de linie U:

I = P/U_L,

Unde:

• I — intensitatea curentului, se măsoară în amperi;
• P — puterea în wați;
• U_L — tensiunea de linie în volți.

Tensiunea de linie, în general, depinde de sursa de alimentare, putând fi monofazată sau trifazată.

Interdependența dintre tensiunea de linie și tensiunea de fază:

1. U_L = U*cosφ în cazul tensiunii monofazate.
2. U_L = U*√3*cosφ în cazul tensiunii trifazate.

Pentru consumatorii electrici casnici se consideră cosφ=1, deci tensiunea de linie poate fi rescrisă:

1. U_L = 220 V pentru tensiunea monofazată.
2. U_L = 380 V pentru tensiunea trifazată.

Apoi însumăm toți curenții consumați după formula:

I = (I1+I2+…IN)*K*J,

Unde:

• I – intensitatea totală a curentului în amperi;
• I1..IN – intensitatea curentului fiecărui consumator în amperi;
• K – coeficientul de simultaneitate;
• J – coeficientul de rezervă.

Coeficienții K și J au aceleași valori care au fost aplicate la calculul puterii totale.

Poate exista cazul când într-o rețea trifazată prin diferiți conductori de fază circulă un curent de intensitate inegală.

Acest lucru se întâmplă atunci când la cablul trifazat sunt conectați simultan consumatori monofazați și trifazați. De exemplu, un utilaj trifazat și iluminatul monofazat sunt alimentate.

Apare o întrebare firească: cum se calculează secțiunea unui conductor cu mai multe fire în astfel de cazuri? Răspunsul este simplu — calculele se efectuează după conductorul cel mai încărcat.

Etapa #2 — alegerea secțiunii potrivite conform tabelelor

În Regulile de exploatare a instalațiilor electrice (PUE) sunt prezentate o serie de tabele pentru alegerea secțiunii necesare a conductorului cablului.

Conductivitatea conductorului depinde de temperatură. Pentru conductorii metalici, odată cu creșterea temperaturii, crește rezistența.

La depășirea unui anumit prag, procesul devine auto-susținut: cu cât rezistența este mai mare, cu atât temperatura este mai mare, cu atât rezistența este mai mare, etc., până când conductorul se arde sau provoacă un scurtcircuit.

Următoarele două tabele (3 și 4) arată secțiunea conductorilor în funcție de curenți și de modul de așezare.

Tabelul 3. În primul rând, trebuie să alegeți metoda de așezare a cablurilor, de aceasta depinde cât de eficient are loc răcirea (+)

Cablu se deosebește de fir prin faptul că la cablu toate conductoarele, prevăzute cu izolație proprie, sunt răsucite într-un mănunchi și închise într-o înveliș izolator comun. Mai multe detalii despre diferențe și tipuri de produse de cablu sunt scrise în acest articol.

Tabelul 4. Metoda deschisă este indicată pentru toate valorile secțiunii conductoarelor, însă în practică secțiunile sub 3 mm² nu se așează deschis din motive de rezistență mecanică (+)

La utilizarea tabelelor, la curentul admisibil de lungă durată se aplică coeficienți:

• 0,68 dacă sunt 5-6 conductoare;
• 0,63 dacă sunt 7-9 conductoare;
• 0,6 dacă sunt 10-12 conductoare.

Coeficienții de reducere se aplică valorilor curenților din coloana «deschis».

Conductorul neutru și conductorul de împământare nu sunt incluse în numărul de conductoare.

Conform normelor PUE, alegerea secțiunii conductorului neutru după curentul admisibil de lungă durată se face ca nu mai puțin de 50% din conductorul de fază.

Următoarele două tabele (5 și 6) arată dependența curentului admisibil de lungă durată la așezarea acestuia în pământ.

Tabelul 5. Dependențe ale curentului admisibil de lungă durată pentru cabluri de cupru la așezarea în aer sau în pământ

Sarcina de curent la așezarea deschisă și la îngroparea în pământ diferă. Ele se consideră egale dacă așezarea în pământ se realizează cu utilizarea de jgheaburi.

Tabelul 6. Dependențe ale curentului admisibil de lungă durată pentru cabluri de aluminiu la așezarea în aer sau în pământ

Pentru amenajarea liniilor temporare de alimentare cu energie electrică (prelungitoare, dacă pentru uz privat) se aplică următorul tabel (7).

Tabelul 7. Curent admisibil de lungă durată la utilizarea cablurilor flexibile portabile, a cablurilor portabile cu furtun și de mină, a cablurilor de proiectoare, a firelor flexibile portabile. Se aplică numai conductoarelor de cupru.

Atunci când așezarea cablurilor se face în sol, pe lângă proprietățile de disipare a căldurii, trebuie să se țină cont de rezistivitatea specifică, ceea ce este reflectat în următorul tabel (8):

Tabelul 8. Coeficient de corecție în funcție de tipul și rezistivitatea solului asupra curentului admisibil de lungă durată, la calculul secțiunii cablurilor (+)

Calculul și alegerea conductoarelor de cupru până la 6 mm² sau de aluminiu până la 10 mm² se efectuează ca pentru curent de lungă durată.

În cazul secțiunilor mari, se poate aplica un coeficient de reducere:

0,875 * √T_pv

unde T_pv — raportul dintre durata de conectare și durata ciclului.

Durata de conectare se ia în calcul de cel mult 4 minute. Ciclul nu trebuie să depășească 10 minute.

La alegerea cablului pentru distribuirea electricității într-o casă din lemn, se acordă o atenție deosebită rezistenței sale la foc.

Etapa #3 — calculul secțiunii conductorului în funcție de curent pe un exemplu

Sarcina: a calcula secțiunea necesară a cablului de cupru pentru conectarea:

• a unui strung trifazat de prelucrare a lemnului cu o putere de 4000 W;
• a unui aparat de sudură trifazat cu o putere de 6000 W;
• a electrocasnicelor din casă cu o putere totală de 25000 W;

Conectarea se va realiza printr-un cablu cu cinci conductoare (trei conductoare de fază, unul neutru și unul de împământare), amplasat în pământ.

Izolația produselor de cabluri și conductoare se calculează pentru o anumită valoare a tensiunii de funcționare. Trebuie să țineți cont de faptul că tensiunea de funcționare indicată de producător pentru produsul său trebuie să fie mai mare decât tensiunea din rețea.

Soluția.

Pasul #1. Calculăm tensiunea de linie a conexiunii trifazate:

U_l = 220 * √3 = 380 V

Pasul #2. Electrocasnicele, mașina și aparatul de sudură au putere reactivă, deci puterea tehnicii și a echipamentului va fi:

P_teh = 25000 / 0,7 = 35700 W

P_obor = 10000 / 0,7 = 14300 W

Pasul #3. Curentul necesar pentru conectarea electrocasnicelor:

I_teh = 35700 / 220 = 162 A

Pasul #4. Curentul necesar pentru conectarea echipamentului:

I_obor = 14300 / 380 = 38 A

Pasul #5. Curentul necesar pentru conectarea electrocasnicelor a fost calculat pe baza unei faze. Conform condițiilor problemei, există trei faze. Prin urmare, curentul poate fi distribuit pe faze. Pentru simplitate, să presupunem o distribuție uniformă:

I_teh = 162 / 3 = 54 A

Pasul #6. Curentul care revine fiecărei faze:

I_f = 38 + 54 = 92 A

Pasul #7. Echipamentul și electrocasnicele nu vor funcționa simultan, în plus, vom include o rezervă de 1,5. După aplicarea coeficienților de corecție:

I_f = 92 * 1,5 * 0,8 = 110 A

Pasul #8. Deși cablul conține 5 conductoare, în calcul se iau în considerare doar cele trei conductoare de fază. Conform tabelului 8, în coloana cablu trifazat în pământ, găsim că un curent de 115 A corespunde unei secțiuni a conductorului de 16 mm².

Pasul #9. Conform tabelului 8, aplicăm coeficientul de corecție în funcție de caracteristica solului. Pentru un tip normal de sol, coeficientul este 1.

Pasul #10. Opțional, calculăm diametrul conductorului:

D = √(4*16 / 3,14) = 4,5 mm

Dacă calculul s-ar face doar în funcție de putere, fără a ține cont de particularitățile de amplasare a cablului, atunci secțiunea conductorului ar fi de 25 mm². Calculul în funcție de intensitatea curentului este mai complex, dar uneori permite economisirea unor sume semnificative de bani, mai ales când este vorba de cabluri de putere cu mai multe conductoare.

Despre relațiile dintre valorile tensiunii și ale intensității curentului puteți citi mai detaliat aici.

Calculul căderii de tensiune

Orice conductor, cu excepția supraconductorilor, are rezistență. De aceea, la o lungime suficientă a cablului sau a firului, are loc o cădere de tensiune.

Normele PUE cer ca secțiunea conductorului cablului să fie astfel încât căderea de tensiune să nu depășească 5%.

Tabelul 9. Rezistivitatea conductorilor metalici obișnuiți (+)

În primul rând, aceasta se referă la cablurile de joasă tensiune cu secțiune mică.

Calculul căderii de tensiune se efectuează astfel:

R = 2*(ρ * L) / S,

U_căd = I * R,

U_% = (U_căd / U_lin) * 100,

Unde:

• 2 – coeficient datorită faptului că curentul circulă obligatoriu prin două conductoare;
• R – rezistența conductorului, Ohm;
• ρ – rezistivitatea conductorului, Ohm*mm²/m;
• S – secțiunea conductorului, mm²;
• U_căd – tensiunea de cădere, V;
• U_% – căderea de tensiune în raport cu U_lin, %.

Folosind formulele, puteți efectua singuri toate calculele necesare.

Exemplu de calcul al prelungitorului

Problemă: calculați căderea de tensiune pentru un fir de cupru cu secțiunea transversală a unui conductor de 1,5 mm². Firul este necesar pentru conectarea unui aparat de sudură electric monofazat cu o putere totală de 7 kW. Lungimea firului este de 20 m.

Cei care doresc să conecteze un aparat de sudură casnic la o ramură a rețelei electrice trebuie să țină cont de intensitatea curentului pentru care este proiectat cablul utilizat. Este foarte posibil ca puterea totală a aparatelor în funcțiune să fie mai mare. Varianta optimă este conectarea consumatorilor la ramuri separate.

Soluție:

Pasul # 1. Calculăm rezistența firului de cupru, folosind tabelul 9:

R = 2*(0,0175 * 20) / 1,5 = 0,47 Ohm

Pasul # 2. Intensitatea curentului care circulă prin conductor:

I = 7000 / 220 = 31.8 A

Pasul # 3. Căderea de tensiune pe fir:

U_căd = 31,8 * 0,47 = 14,95 V

Pasul # 4. Calculăm procentul căderii de tensiune:

U_% = (14,95 / 220) * 100 = 6,8%

Concluzie: pentru conectarea aparatului de sudură este necesar un conductor cu o secțiune mai mare.

Concluzii și material video util pe această temă

Calculul secțiunii conductorului după formule:

Recomandări ale specialiștilor pentru alegerea produselor de cabluri și conductoare:

Calculele prezentate sunt valabile pentru conductorii din cupru și aluminiu de uz industrial. Pentru alte tipuri de conductori, se calculează în prealabil disiparea totală a căldurii.

Pe baza acestor date, se efectuează calculul curentului maxim care poate circula prin conductor, fără a provoca o încălzire excesivă.

Dacă ați rămas cu întrebări despre metoda de calcul a secțiunii cablului sau doriți să împărtășiți experiența personală, vă rugăm să lăsați comentarii la acest articol. Secțiunea pentru recenzii se află mai jos.