I. Μια πιο συχνή ερώτηση

Κατά την επιλογή και τη χρήση καλωδίων, μια ερώτηση τίθεται επανειλημμένα:

"Ποιο είναι το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να αντέξει αυτό το καλώδιο;"

Αυτή η ίδια η ερώτηση είναι λανθασμένη.

Η σωστή ερώτηση είναι:

"Υπό ένα δεδομένο ρεύμα υπερφόρτωσης, πόσο καιρό μπορεί να λειτουργήσει το καλώδιο με ασφάλεια;"

Η ικανότητα βραχυπρόθεσμης υπερφόρτωσης ενός καλωδίου καθορίζεται τόσο από το χρόνο όσο και από το ρεύμα, όχι μόνο από το ρεύμα. Η συζήτηση της ικανότητας υπερφόρτωσης ενώ αγνοείται η διάσταση του χρόνου δεν έχει νόημα στη μηχανική.

II. Η θερμική διαδικασία των καλωδίων υπό υπερφόρτωση

Τα καλώδια παράγουν θερμότητα Joule όταν μεταφέρουν ρεύμα. Η ποσότητα της παραγόμενης θερμότητας καθορίζεται από τον ακόλουθο τύπο:

Q = I² × R × t
Όπου Q είναι η θερμότητα που παράγεται, I είναι το ρεύμα, R είναι η αντίσταση του αγωγού και t είναι ο χρόνος.

Το ρεύμα επηρεάζει τη θερμότητα που παράγεται με τετράγωνη σχέση. Ο διπλασιασμός του ρεύματος τετραπλασιάζει τη θερμότητα που παράγεται.

Ωστόσο, το βασικό σημείο είναι: εάν ο χρόνος είναι αρκετά μικρός, ακόμη και με μεγάλο ρεύμα, η συνολική θερμότητα που παράγεται μπορεί να είναι πολύ μικρή.

Το καλώδιο δεν είναι ασφάλεια. Οι ασφάλειες είναι σχεδιασμένες να λιώνουν μέσα σε χιλιοστά του δευτερολέπτου. Τα καλώδια είναι συστήματα με σημαντική θερμική αδράνεια—τόσο οι αγωγοί όσο και τα μονωτικά υλικά απαιτούν χρόνο για να φτάσουν σε επικίνδυνες θερμοκρασίες.

Ένα βραχυπρόθεσμο κύμα υψηλού ρεύματος μπορεί να προκαλέσει αύξηση της θερμοκρασίας μόνο μερικών βαθμών Κελσίου. Ωστόσο, παρατεταμένες μικρές υπερφορτώσεις μπορεί να οδηγήσουν σε θερμική γήρανση ή ακόμα και θερμική διάσπαση της μόνωσης.

III. Ακολουθία αστοχιών: Μόνωση πριν από τον αγωγό

Μια κοινή παρανόηση είναι ότι η υπερφόρτωση των καλωδίων «θα καεί μέσα από τα χάλκινα σύρματα».

Αυτό είναι λάθος.

Σε πραγματικά σενάρια υπερφόρτωσης, το στρώμα μόνωσης αστοχεί πρώτα και όχι ο αγωγός.

Το σημείο τήξης των χάλκινων αγωγών είναι περίπου 1085°C. Η μακροχρόνια επιτρεπόμενη θερμοκρασία λειτουργίας της μόνωσης XLPE είναι μόνο 90°C και ακόμη και αν ληφθούν υπόψη βραχυπρόθεσμες υπερφορτώσεις, η θερμοκρασία αντοχής της δεν υπερβαίνει τους 250°C. Η μακροχρόνια επιτρεπόμενη θερμοκρασία λειτουργίας της μόνωσης PVC είναι 70°C και η θερμοκρασία βραχυπρόθεσμης αντοχής της είναι περίπου 160°C.

Η σύγκριση αυτών των σχημάτων δείχνει ξεκάθαρα ότι πριν ο αγωγός χαλκού φτάσει στο σημείο τήξης του, το μονωτικό υλικό έχει ήδη υποστεί θερμική αποσκλήρυνση, ενανθράκωση ή ακόμη και πλήρη απώλεια της απόδοσης της μόνωσης.

Μόλις αποτύχει η μόνωση, προκύπτει βραχυκύκλωμα μεταξύ των αγωγών, δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό τόξο και τοπικές υψηλές θερμοκρασίες—μόνο τότε μπορεί να λιώσει ο αγωγός χαλκού. Ωστόσο, αυτή είναι μια δευτερεύουσα αστοχία, όχι άμεση συνέπεια υπερφόρτωσης.

Επομένως, η συζήτηση της ικανότητας υπερφόρτωσης καλωδίου στη μηχανική ουσιαστικά σημαίνει συζήτηση: για ποια χρονική περίοδο, η θέρμανση του αγωγού δεν θα προκαλέσει τη θερμοκρασία μόνωσης να υπερβεί το όριο βραχείας αντοχής της;

IV. Χωρητικότητα βραχυχρόνιας υπερφόρτωσης τουΚαλώδια με μόνωση XLPE

Με βάση το IEC 60364-5-54 και τους θερμοδυναμικούς υπολογισμούς στη μηχανική πρακτική, για καλώδια χάλκινων αγωγών με μόνωση XLPE, υπό την προϋπόθεση αρχικής θερμοκρασίας 90°C (κανονική κατάσταση πλήρους φορτίου), η ικανότητα υπερφόρτωσης βραχυχρόνιου χρόνου είναι περίπου ως εξής:

Όταν το πολλαπλάσιο υπερφόρτωσης είναι 150%, το καλώδιο μπορεί συνήθως να αντέξει αρκετά λεπτά έως δεκάδες λεπτά. Αυτό το χρονικό εύρος εξαρτάται κυρίως από τον ρυθμό συσσώρευσης θερμότητας στο μονωτικό υλικό.

Όταν το πολλαπλάσιο υπερφόρτωσης είναι 200%, το καλώδιο μπορεί να αντέξει από δεκάδες δευτερόλεπτα έως αρκετά λεπτά. Ο περιοριστικός παράγοντας εδώ είναι κυρίως ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας στην επιφάνεια μόνωσης.

Όταν το πολλαπλάσιο υπερφόρτωσης είναι 300%, το καλώδιο μπορεί να αντέξει αρκετά δευτερόλεπτα έως περισσότερα από δέκα δευτερόλεπτα. Σε αυτό το σημείο, η θερμοκρασία στη διεπαφή αγωγού-μόνωσης αυξάνεται γρήγορα, καθιστώντας τον κύριο περιοριστικό παράγοντα.

Όταν η υπερφόρτωση φτάσει το 500% ή υψηλότερο, το καλώδιο μπορεί να το αντέξει μόνο για 1 έως 5 δευτερόλεπτα. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, το μονωτικό υλικό θα ενανθρακωθεί γρήγορα, χωρίς να αφήνει σχεδόν κανένα περιθώριο ασφαλείας.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι παραπάνω τιμές είναι μόνο εκτιμήσεις μηχανικής. Οι ακριβείς τιμές εξαρτώνται από τη διατομή του καλωδίου, τη μέθοδο τοποθέτησης, την αρχική θερμοκρασία και τη συγκεκριμένη σύνθεση του μονωτικού υλικού. Όσο χαμηλότερη είναι η αρχική θερμοκρασία, τόσο μεγαλύτερος είναι ο χρόνος αντοχής—οι κρύες εκκινήσεις είναι πολύ πιο ασφαλείς από τις θερμές εκκινήσεις. Η καλύτερη απαγωγή θερμότητας επεκτείνει επίσης το χρόνο αντοχής—η εγκατάσταση με αέρα υπερέχει από την εγκατάσταση αγωγών.

V. Έλεγχος υπερφόρτωσης καλωδίου για άμεση εκκίνηση του κινητήρα

Λαμβάνοντας ως παράδειγμα έναν κινητήρα 132 kW. Το ονομαστικό ρεύμα του είναι περίπου 240A (σε σύστημα 400V). Κατά την άμεση εκκίνηση, το ρεύμα εκκίνησης είναι περίπου 6 φορές το ονομαστικό ρεύμα, δηλαδή 1440A. Η διάρκεια εκκίνησης είναι συνήθως 6 δευτερόλεπτα.

Το αντίστοιχο καλώδιο είναι καλώδιο χαλκού XLPE 95 mm². Η ονομαστική ικανότητα μεταφοράς ρεύματος αυτού του καλωδίου σε περιβάλλον 40°C υπό συνθήκες εγκατάστασης αγωγού είναι περίπου 300A.

Η διαδικασία επαλήθευσης έχει ως εξής:

Αρχικά, καθορίστε την αρχική θερμοκρασία. Ας υποθέσουμε ότι το καλώδιο λειτουργεί υπό ονομαστικό φορτίο για κάποιο χρονικό διάστημα, με αρχική θερμοκρασία περίπου 90°C.

Στη συνέχεια, υπολογίστε τη θερμότητα που παράγεται κατά την εκκίνηση. Η θερμότητα που παράγεται ισούται με το τετράγωνο του ρεύματος πολλαπλασιαζόμενο με την αντίσταση πολλαπλασιαζόμενη επί το χρόνο, δηλαδή 1440² × R × 6.

Συγκρίνετε αυτήν την τιμή με τη θερμότητα που παράγεται υπό ονομαστικές συνθήκες λειτουργίας. Υπό ονομαστικές συνθήκες, με ρεύμα 300A για 1 ώρα (3600 δευτερόλεπτα), η παραγόμενη θερμότητα είναι 300² × R × 3600.

Τα πραγματικά αποτελέσματα υπολογισμού δείχνουν ότι η θερμότητα που παράγεται κατά τη διάρκεια μιας διαδικασίας εκκίνησης 6 δευτερολέπτων ισοδυναμεί μόνο με περίπου 15 έως 20 δευτερόλεπτα θερμότητας που παράγεται υπό ονομαστικές συνθήκες. Αυτό αντιστοιχεί σε αύξηση της θερμοκρασίας περίπου 15 έως 20°C.

Αυτή η αύξηση θερμοκρασίας είναι πολύ κάτω από το όριο θερμοκρασίας βραχείας αντοχής της μόνωσης XLPE (περίπου 250°C). Επομένως, η διαδικασία εκκίνησης δεν θα προκαλέσει ζημιά στη μόνωση.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο σε πολλές εφαρμογές κινητήρων άμεσης εκκίνησης, η προδιαγραφή του καλωδίου δεν χρειάζεται να αυξηθεί λόγω του ρεύματος εκκίνησης — υπό την προϋπόθεση ότι ο χρόνος εκκίνησης είναι αρκετά μικρός, συνήθως μέσα σε 5 έως 8 δευτερόλεπτα.

VI. Τρία Κριτήρια Κρίσης στην Μηχανική Πρακτική

Πρώτον, διακρίνετε μεταξύ υπερφόρτωσης σταθερής κατάστασης και παροδικής υπερφόρτωσης.

Η υπερφόρτωση σταθερής κατάστασης αναφέρεται σε μια κατάσταση όπου το ρεύμα υπερβαίνει την ονομαστική τιμή και διαρκεί για αρκετά λεπτά ή περισσότερο. Ο κύριος κίνδυνος αυτού του τύπου υπερφόρτωσης είναι η θερμική γήρανση της μόνωσης, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε μακροπρόθεσμη σωρευτική βλάβη.

Μια παροδική υπερφόρτωση αναφέρεται σε μια κατάσταση όπου το ρεύμα είναι πολλές φορές η ονομαστική τιμή αλλά διαρκεί μόνο για λίγα δευτερόλεπτα. Αυτός ο τύπος υπερφόρτωσης μπορεί συνήθως να αντέξει το καλώδιο εκτός και αν συμβαίνει επανειλημμένα.

Δεύτερον, χρησιμοποιήστε τη θερμοκρασία μόνωσης ως κριτήριο αστοχίας.

Η βάση για να κρίνουμε εάν ένα καλώδιο είναι υπερφορτωμένο δεν είναι «αν έχει καεί ο χαλκός», αλλά «αν η θερμοκρασία μόνωσης υπερβαίνει το όριο βραχείας αντοχής». Για μόνωση XLPE, η θερμοκρασία βραχείας αντοχής λαμβάνεται συνήθως ως 250°C, με βάση τη θερμοκρασία του αγωγού.

Τρίτον, εξετάστε το σωρευτικό αποτέλεσμα.

Εάν ο εξοπλισμός εκκινείται και σταματά συχνά, όπως γερανός ή παλινδρομικός συμπιεστής, η αύξηση της θερμοκρασίας από κάθε εκκίνηση θα συσσωρεύεται. Σε αυτήν την περίπτωση, δεν αρκεί να κοιτάξουμε μόνο την άνοδο της θερμοκρασίας μιας και μόνο εκκίνησης. πρέπει να υπολογιστεί η σωρευτική επίδραση της αύξησης της θερμοκρασίας υπό θερμικό κύκλο.

VII. Συστάσεις επιλογής
Για εξοπλισμό με υψηλό ρεύμα εκκίνησης, όπως κινητήρες, μετασχηματιστές και μηχανές συγκόλλησης, υπάρχουν τέσσερις κοινές στρατηγικές αντιμετώπισης.

Η πρώτη μέθοδος είναι να αυξήσετε τις προδιαγραφές του καλωδίου. Αυτή η μέθοδος είναι κατάλληλη για σενάρια με μεγάλους χρόνους εκκίνησης (πάνω από 10 δευτερόλεπτα) ή συχνές εκκινήσεις. Ωστόσο, είναι πιο ακριβό, ειδικά για τοποθέτηση σε μεγάλες αποστάσεις.

Η δεύτερη μέθοδος είναι η εγκατάσταση ενός μαλακού εκκινητή. Αυτή η μέθοδος είναι κατάλληλη για σενάρια με μεσαίους χρόνους εκκίνησης (3 έως 10 δευτερόλεπτα) και όπου απαιτείται μείωση της τάσης ρεύματος. Το κόστος είναι μέτριο.

Η τρίτη μέθοδος είναι η εγκατάσταση ενός μετατροπέα συχνότητας. Αυτή η μέθοδος είναι κατάλληλη για σενάρια με πολύ συχνές εκκινήσεις ή όπου απαιτείται ακριβής έλεγχος ταχύτητας. Προσφέρει την πιο ολοκληρωμένη λειτουργικότητα αλλά είναι και το πιο ακριβό.

Η τέταρτη μέθοδος είναι να το αφήσετε ως έχει και να χρησιμοποιήσετε την αρχική προδιαγραφή. Αυτή η μέθοδος είναι κατάλληλη για σενάρια με πολύ σύντομους χρόνους εκκίνησης (όχι περισσότερο από 5 δευτερόλεπτα) και σπάνιες εκκινήσεις. Το κόστος είναι μηδενικό, αλλά αυτό εξαρτάται από την επαλήθευση της ασφάλειας.

Ένα συνηθισμένο μηχανικό λάθος είναι η τυφλή αύξηση των προδιαγραφών του καλωδίου για τη διαχείριση της υπερφόρτωσης εκκίνησης. Αυτή συχνά δεν είναι η βέλτιστη λύση. Η σωστή προσέγγιση είναι να υπολογίσετε πρώτα την πραγματική θερμότητα που παράγεται κατά την εκκίνηση. Σε πολλές περιπτώσεις, οι υπολογισμοί δείχνουν ότι το υπάρχον καλώδιο είναι αρκετό.

Εάν απαιτείται επαλήθευση, πρέπει να προετοιμαστούν οι ακόλουθες παράμετροι: διατομή καλωδίου, υλικό και τύπος μόνωσης. την καμπύλη τρέχοντος χρόνου εκκίνησης που παρέχεται από τον κατασκευαστή του εξοπλισμού· και η μέθοδος τοποθέτησης και η αρχική θερμοκρασία.

VIII. Βασικά συμπεράσματα

Πρώτον, η βραχυπρόθεσμη ικανότητα υπερφόρτωσης ενός καλωδίου καθορίζεται τόσο από το χρόνο όσο και από το ρεύμα. Ρωτώντας "Πόσο ρεύμα μπορεί να αντέξει;" δεν έχει νόημα. πρέπει επίσης να ρωτήσει κανείς «Πόσο αντέχει;».

Δεύτερον, υπό υπερφόρτωση, η μόνωση αποτυγχάνει πρώτα, όχι ο αγωγός. Το όριο θερμοκρασίας της μόνωσης είναι πολύ κάτω από το σημείο τήξης του χαλκού.

Τρίτον, τα καλώδια με μόνωση XLPE μπορούν συνήθως να αντέξουν σε δεκάδες δευτερόλεπτα έως αρκετά λεπτά υπό υπερφόρτωση 200%, ανάλογα με την αρχική θερμοκρασία και τις συνθήκες απαγωγής θερμότητας.

Τέταρτον, για βραχυπρόθεσμες κρούσεις από την άμεση εκκίνηση του κινητήρα, στις περισσότερες περιπτώσεις, δεν είναι απαραίτητο να αυξηθεί η προδιαγραφή του καλωδίου, με την προϋπόθεση ότι ο χρόνος εκκίνησης δεν υπερβαίνει τα 5 έως 8 δευτερόλεπτα και είναι σπάνιος.

Πέμπτον, οι αποφάσεις μηχανικής πρέπει να βασίζονται σε υπολογισμούς και όχι σε διαίσθηση. Η τυφλή αύξηση των προδιαγραφών των καλωδίων σπαταλά το κόστος, ενώ η παραμέληση της επαλήθευσης μπορεί να δημιουργήσει κρυφούς κινδύνους.