I. السؤال الأكثر شيوعًا

عند اختيار الكابل واستخدامه، يتم طرح سؤال واحد بشكل متكرر:

"ما هو أقصى تيار يمكن أن يتحمله هذا الكابل؟"

هذا السؤال في حد ذاته غير صحيح.

السؤال الصحيح هو:

"في ظل تيار الحمل الزائد، ما هي المدة التي يمكن أن يعمل فيها الكابل بأمان؟"

يتم تحديد سعة التحميل الزائد على المدى القصير للكابل من خلال الوقت والتيار، وليس من خلال التيار وحده. مناقشة السعة الزائدة مع تجاهل البعد الزمني لا معنى لها في الهندسة.

ثانيا. العملية الحرارية للكابلات تحت الحمل الزائد

تولد الكابلات حرارة جول عند حمل التيار. يتم تحديد كمية الحرارة المتولدة بالصيغة التالية:

س = أنا² × ص × ر
حيث Q هي الحرارة المتولدة، I هو التيار، R هي مقاومة الموصل، وt هو الوقت.

يؤثر التيار على الحرارة المتولدة بعلاقة مربعة. مضاعفة التيار يضاعف الحرارة المتولدة أربع مرات.

ومع ذلك، النقطة الأساسية هي: إذا كان الوقت قصيرًا بدرجة كافية، حتى مع وجود تيار كبير، فقد يكون إجمالي الحرارة المتولدة صغيرًا جدًا.

الكابل ليس فتيلاً. تم تصميم الصمامات لتذوب خلال ميلي ثانية. الكابلات عبارة عن أنظمة ذات قصور حراري كبير، حيث تتطلب كل من الموصلات والمواد العازلة وقتًا للوصول إلى درجات حرارة خطيرة.

قد يؤدي ارتفاع التيار العالي على المدى القصير إلى ارتفاع درجة الحرارة بضع درجات مئوية فقط. ومع ذلك، يمكن أن تؤدي الأحمال الزائدة الصغيرة لفترة طويلة إلى الشيخوخة الحرارية أو حتى الانهيار الحراري للعزل.

ثالثا. تسلسل الفشل: العزل قبل الموصل

من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن الأحمال الزائدة للكابلات سوف "تحترق عبر الأسلاك النحاسية".

هذا غير صحيح.

في سيناريوهات الحمل الزائد الفعلية، تفشل الطبقة العازلة أولاً، وليس الموصل.

تبلغ نقطة انصهار الموصلات النحاسية حوالي 1085 درجة مئوية. تبلغ درجة حرارة التشغيل المسموح بها على المدى الطويل لعزل XLPE 90 درجة مئوية فقط، وحتى مع الأخذ في الاعتبار الأحمال الزائدة قصيرة المدى، فإن درجة حرارة تحمله لا تتجاوز 250 درجة مئوية. درجة حرارة التشغيل المسموح بها على المدى الطويل لعزل PVC هي 70 درجة مئوية، ودرجة حرارة التحمل على المدى القصير حوالي 160 درجة مئوية.

توضح مقارنة هذه الأرقام بوضوح أنه قبل أن يصل الموصل النحاسي إلى نقطة الانصهار، تكون المادة العازلة قد خضعت بالفعل للتليين الحراري أو الكربنة أو حتى فقدان كامل لأداء العزل.

بمجرد فشل العزل، تحدث دائرة كهربائية قصيرة بين الموصلات، مما يولد قوسًا كهربائيًا ودرجات حرارة عالية موضعية - وعندها فقط قد يذوب الموصل النحاسي. ومع ذلك، يعد هذا فشلًا ثانويًا، وليس نتيجة مباشرة للحمل الزائد.

لذلك، فإن مناقشة سعة التحميل الزائد للكابل في الهندسة تعني في الأساس مناقشة: ما هي الفترة الزمنية التي لن يتسبب فيها تسخين الموصل في تجاوز درجة حرارة العزل حد التحمل القصير؟

رابعا. قدرة التحميل الزائد لفترة قصيرةالكابلات المعزولة بـ XLPE

استنادًا إلى IEC 60364-5-54 والحسابات الديناميكية الحرارية في الممارسة الهندسية، بالنسبة لكابلات الموصلات النحاسية المعزولة بـ XLPE، في ظل فرضية درجة حرارة أولية تبلغ 90 درجة مئوية (الحالة الطبيعية للحمل الكامل)، تكون سعة التحميل الزائد لفترة قصيرة تقريبًا كما يلي:

عندما يكون مضاعف التحميل الزائد 150%، يمكن للكابل عادةً أن يتحمل عدة دقائق إلى عشرات الدقائق. يعتمد هذا النطاق الزمني بشكل أساسي على معدل تراكم الحرارة في المادة العازلة.

عندما يصل مضاعف التحميل الزائد إلى 200%، يمكن للكابل أن يتحمل عشرات الثواني إلى عدة دقائق. العامل المحدد هنا هو معدل ارتفاع درجة الحرارة على سطح العزل.

عندما يصل مضاعف التحميل الزائد إلى 300%، يمكن للكابل أن يتحمل عدة ثوانٍ إلى أكثر من عشر ثوانٍ. عند هذه النقطة، ترتفع درجة الحرارة عند السطح البيني بين الموصل والعزل بسرعة، لتصبح العامل المحدد الأساسي.

عندما يصل الحمل الزائد إلى 500% أو أعلى، يمكن للكابل أن يتحمله لمدة تتراوح من 1 إلى 5 ثوانٍ فقط. في ظل هذه الظروف، سوف تتفحم المادة العازلة بسرعة، دون ترك أي هامش أمان تقريبًا.

وتجدر الإشارة إلى أن القيم المذكورة أعلاه هي مجرد تقديرات هندسية. تعتمد القيم الدقيقة على المقطع العرضي للكابل وطريقة التمديد ودرجة الحرارة الأولية والتركيبة المحددة للمادة العازلة. كلما انخفضت درجة الحرارة الأولية، زاد وقت الصمود، فالبدايات الباردة أكثر أمانًا من البدايات الساخنة. كما يعمل تبديد الحرارة الأفضل على إطالة فترة الصمود، حيث إن التركيب الهوائي أفضل من تركيب القناة.

V. فحص التحميل الزائد للكابل لبدء المحرك المباشر

أخذ محرك 132 كيلو واط كمثال. يبلغ تيارها المقدر حوالي 240 أمبير (في نظام 400 فولت). أثناء بدء التشغيل المباشر، يكون تيار البدء حوالي 6 أضعاف التيار المقنن، أي 1440 أمبير. مدة البداية عادة 6 ثواني.

الكابل المطابق هو كابل نحاسي XLPE مقاس 95 مم². تبلغ القدرة الاستيعابية الحالية المقدرة لهذا الكابل في بيئة 40 درجة مئوية تحت ظروف تركيب القناة حوالي 300 أمبير.

عملية التحقق هي كما يلي:

أولا، تحديد درجة الحرارة الأولية. افترض أن الكابل يعمل تحت الحمل المقدر لبعض الوقت، مع درجة حرارة أولية تبلغ حوالي 90 درجة مئوية.

ثم احسب الحرارة المتولدة أثناء بدء التشغيل. والحرارة المتولدة تساوي مربع التيار مضروبا في المقاومة مضروبة في الزمن، أي 1440² × R × 6.

قارن هذه القيمة بالحرارة المتولدة في ظل ظروف التشغيل المقدرة. في ظل الظروف المقدرة، مع تيار 300 أمبير لمدة ساعة واحدة (3600 ثانية)، تكون الحرارة المتولدة 300² × R × 3600.

تظهر نتائج الحساب الفعلي أن الحرارة المتولدة أثناء عملية بدء التشغيل لمدة 6 ثوانٍ تعادل حوالي 15 إلى 20 ثانية فقط من الحرارة المتولدة في ظل الظروف المقدرة. وهذا يتوافق مع ارتفاع درجة الحرارة بحوالي 15 إلى 20 درجة مئوية.

يعد ارتفاع درجة الحرارة هذا أقل بكثير من الحد الأقصى لدرجة حرارة التحمل لعزل XLPE (حوالي 250 درجة مئوية). ولذلك، فإن عملية بدء التشغيل لن تتسبب في تلف العزل.

ولهذا السبب، في العديد من تطبيقات محركات التشغيل المباشر، لا يلزم زيادة مواصفات الكابل بسبب تيار البدء - بشرط أن يكون وقت بدء التشغيل قصيرًا بدرجة كافية، عادةً خلال 5 إلى 8 ثوانٍ.

سادسا. ثلاثة معايير للحكم في الممارسة الهندسية

أولاً، يجب التمييز بين التحميل الزائد في الحالة المستقرة والحمل الزائد العابر.

يشير الحمل الزائد في الحالة المستقرة إلى الحالة التي يتجاوز فيها التيار القيمة المقدرة ويستمر لعدة دقائق أو أكثر. الخطر الرئيسي لهذا النوع من الحمل الزائد هو الشيخوخة الحرارية للعزل، والتي يمكن أن تؤدي إلى أضرار تراكمية طويلة المدى.

يشير الحمل الزائد العابر إلى الحالة التي يكون فيها التيار أعلى بعدة مرات من القيمة المقدرة ولكنه يستمر لبضع ثوانٍ فقط. يمكن عادة أن يتحمل الكابل هذا النوع من التحميل الزائد ما لم يحدث بشكل متكرر.

ثانيا، استخدام درجة حرارة العزل كمعيار الفشل.

إن أساس الحكم على ما إذا كان الكابل محملاً بشكل زائد ليس "ما إذا كان النحاس قد احترق"، ولكن "ما إذا كانت درجة حرارة العزل تتجاوز حد التحمل لفترة قصيرة". بالنسبة لعزل XLPE، عادة ما يتم أخذ درجة حرارة التحمل لفترة قصيرة على أنها 250 درجة مئوية، بناءً على درجة حرارة الموصل.

ثالثا، النظر في التأثير التراكمي.

إذا تم تشغيل المعدات وإيقافها بشكل متكرر، مثل الرافعة أو الضاغط الترددي، فسوف يتراكم ارتفاع درجة الحرارة من كل بداية. في هذه الحالة، لا يكفي أن ننظر فقط إلى ارتفاع درجة الحرارة لبداية واحدة؛ يجب حساب تأثير ارتفاع درجة الحرارة التراكمي في ظل التدوير الحراري.

سابعا. توصيات الاختيار
بالنسبة للمعدات ذات تيار البدء العالي، مثل المحركات والمحولات وآلات اللحام، هناك أربع استراتيجيات تكيف شائعة.

الطريقة الأولى هي زيادة مواصفات الكابل. هذه الطريقة مناسبة للسيناريوهات ذات أوقات بدء التشغيل الطويلة (أكثر من 10 ثوانٍ) أو عمليات التشغيل المتكررة. ومع ذلك، فهو أكثر تكلفة، خاصة بالنسبة للتركيب لمسافات طويلة.

الطريقة الثانية هي تثبيت بداية ناعمة. تعتبر هذه الطريقة مناسبة للسيناريوهات ذات أوقات بدء التشغيل المتوسطة (من 3 إلى 10 ثوانٍ) والتي يلزم فيها تقليل التدفق الحالي. التكلفة معتدلة.

الطريقة الثالثة هي تركيب محول التردد. هذه الطريقة مناسبة للسيناريوهات ذات عمليات التشغيل المتكررة جدًا أو التي تتطلب التحكم الدقيق في السرعة. إنه يوفر الوظائف الأكثر شمولاً ولكنه أيضًا الأغلى.

الطريقة الرابعة هي تركها كما هي واستخدام المواصفات الأصلية. هذه الطريقة مناسبة للسيناريوهات ذات أوقات بدء التشغيل القصيرة جدًا (لا تزيد عن 5 ثوانٍ) وعمليات التشغيل غير المتكررة. التكلفة صفر، ولكن هذا يتوقف على التحقق من السلامة.

من الأخطاء الهندسية الشائعة زيادة مواصفات الكابل بشكل أعمى للتعامل مع التحميل الزائد عند بدء التشغيل. وهذا ليس هو الحل الأمثل في كثير من الأحيان. النهج الصحيح هو أولاً حساب الحرارة الفعلية المتولدة أثناء بدء التشغيل. في كثير من الحالات، تظهر الحسابات أن الكابل الموجود كافٍ.

إذا كان التحقق مطلوبًا، فيجب إعداد المعلمات التالية: المقطع العرضي للكابل، والمواد، ونوع العزل؛ منحنى الوقت الحالي لبدء التشغيل الذي توفره الشركة المصنعة للمعدات؛ وطريقة التمديد ودرجة الحرارة الأولية.

ثامنا. الاستنتاجات الرئيسية

أولاً، يتم تحديد سعة التحميل الزائد على المدى القصير للكابل من خلال الوقت والتيار. السؤال "ما مقدار التيار الذي يمكن أن يتحمله؟" لا معنى له. يجب على المرء أيضًا أن يسأل "إلى متى يمكن أن يتحمل؟".

ثانيًا، تحت الحمل الزائد، يفشل العزل أولاً، وليس الموصل. حد درجة حرارة العزل أقل بكثير من نقطة انصهار النحاس.

ثالثًا، يمكن للكابلات المعزولة بـ XLPE أن تتحمل عادةً عشرات الثواني إلى عدة دقائق تحت الحمل الزائد بنسبة 200%، اعتمادًا على درجة الحرارة الأولية وظروف تبديد الحرارة.

رابعا، بالنسبة للتأثيرات قصيرة المدى الناتجة عن التشغيل المباشر للمحرك، في معظم الحالات، ليس من الضروري زيادة مواصفات الكابل، بشرط ألا يتجاوز وقت البدء 5 إلى 8 ثواني ويكون نادرا.

خامساً، يجب أن تكون القرارات الهندسية مبنية على الحسابات، وليس على الحدس. إن زيادة مواصفات الكابلات بشكل أعمى يؤدي إلى إهدار التكاليف، بينما قد يؤدي إهمال التحقق إلى خلق مخاطر خفية.