I. یک سوال متداول

در انتخاب و استفاده از کابل، یک سوال بارها پرسیده می شود:

حداکثر جریانی که این کابل می تواند تحمل کند چقدر است؟

خود این سوال نادرست است.

سوال صحیح این است:

"در یک جریان اضافه بار معین، کابل چقدر می تواند ایمن کار کند؟"

ظرفیت اضافه بار کوتاه مدت یک کابل با زمان و جریان تعیین می شود، نه تنها با جریان. بحث در مورد ظرفیت اضافه بار در حالی که بعد زمان را نادیده می گیرد در مهندسی بی معنی است.

II. فرآیند حرارتی کابل ها تحت اضافه بار

کابل ها هنگام حمل جریان، گرمای ژول تولید می کنند. مقدار گرمای تولید شده با فرمول زیر تعیین می شود:

Q = I² × R × t
در جایی که Q گرمای تولید شده، I جریان، R مقاومت هادی و t زمان است.

جریان بر گرمای تولید شده با رابطه مربع تأثیر می گذارد. دو برابر شدن جریان، گرمای تولید شده را چهار برابر می کند.

با این حال، نکته کلیدی این است: اگر زمان به اندازه کافی کوتاه باشد، حتی با جریان زیاد، کل گرمای تولید شده ممکن است بسیار ناچیز باشد.

کابل فیوز نیست. فیوزها طوری طراحی شده اند که ظرف چند میلی ثانیه ذوب شوند. کابل ها سیستم هایی با اینرسی حرارتی قابل توجه هستند - هم هادی ها و هم مواد عایق برای رسیدن به دماهای خطرناک به زمان نیاز دارند.

یک موج جریان بالا کوتاه مدت ممکن است تنها باعث افزایش چند درجه سانتیگراد شود. با این حال، اضافه بارهای کوچک طولانی مدت می تواند منجر به پیری حرارتی یا حتی شکست حرارتی عایق شود.

III. توالی شکست: عایق قبل از هادی

یک تصور غلط رایج این است که بار اضافی کابل "از طریق سیم های مسی می سوزد".

این نادرست است.

در سناریوهای اضافه بار واقعی، ابتدا لایه عایق از کار می افتد، نه هادی.

نقطه ذوب هادی های مس تقریباً 1085 درجه سانتیگراد است. دمای کارکرد مجاز درازمدت عایق XLPE تنها 90 درجه سانتی گراد است و حتی با در نظر گرفتن اضافه بارهای کوتاه مدت، دمای تحمل آن از 250 درجه سانتی گراد بیشتر نمی شود. دمای کارکرد مجاز درازمدت عایق پی وی سی 70 درجه سانتی گراد و دمای مقاومت کوتاه مدت آن تقریباً 160 درجه سانتی گراد است.

مقایسه این ارقام به وضوح نشان می دهد که قبل از اینکه هادی مسی به نقطه ذوب خود برسد، مواد عایق قبلاً دچار نرم شدن حرارتی، کربنی شدن یا حتی از دست دادن کامل عملکرد عایق شده است.

هنگامی که عایق از کار می‌افتد، یک اتصال کوتاه بین رساناها ایجاد می‌شود که قوس الکتریکی و دمای بالای موضعی ایجاد می‌کند - تنها در این صورت ممکن است هادی مسی ذوب شود. با این حال، این یک شکست ثانویه است، نه پیامد مستقیم اضافه بار.

بنابراین، بحث ظرفیت اضافه بار کابل در مهندسی اساساً به این معنی است که: برای چه مدت زمانی، گرمایش هادی باعث نمی شود دمای عایق از حد تحمل کوتاه مدت خود فراتر رود؟

IV. ظرفیت اضافه بار کوتاه مدتکابل های عایق XLPE

بر اساس IEC 60364-5-54 و محاسبات دینامیکی حرارتی در عمل مهندسی، برای کابل‌های هادی مسی عایق‌شده XLPE، با فرض دمای اولیه 90 درجه سانتی‌گراد (حالت عادی بار کامل)، ظرفیت اضافه بار کوتاه مدت تقریباً به شرح زیر است:

هنگامی که مضاعف اضافه بار 150٪ باشد، کابل معمولاً می تواند چند دقیقه تا ده ها دقیقه را تحمل کند. این بازه زمانی عمدتاً به میزان انباشت گرما در ماده عایق بستگی دارد.

هنگامی که مضرب اضافه بار 200٪ باشد، کابل می تواند ده ها ثانیه تا چند دقیقه را تحمل کند. عامل محدود کننده در اینجا عمدتاً نرخ افزایش دما در سطح عایق است.

هنگامی که مضاعف اضافه بار 300٪ باشد، کابل می تواند چند ثانیه تا بیش از ده ثانیه را تحمل کند. در این مرحله، دما در رابط هادی-عایق به سرعت افزایش می یابد و به عامل محدود کننده اصلی تبدیل می شود.

هنگامی که اضافه بار به 500٪ یا بیشتر برسد، کابل فقط می تواند 1 تا 5 ثانیه آن را تحمل کند. در این شرایط، مواد عایق به سرعت کربن می‌شوند و تقریباً هیچ حاشیه ایمنی باقی نمی‌گذارند.

لازم به ذکر است که مقادیر فوق صرفاً برآوردهای مهندسی هستند. مقادیر دقیق به سطح مقطع کابل، روش تخمگذار، دمای اولیه و فرمول خاص ماده عایق بستگی دارد. هرچه دمای اولیه کمتر باشد، زمان تحمل طولانی‌تر است – شروع سرد بسیار ایمن‌تر از شروع گرم است. اتلاف گرما بهتر همچنین زمان مقاومت را افزایش می دهد - نصب با هوا نسبت به نصب کانال برتر است.

V. اضافه بار کابل را برای راه اندازی مستقیم موتور بررسی کنید

یک موتور 132 کیلووات را به عنوان مثال در نظر بگیرید. جریان نامی آن تقریباً 240 آمپر (در سیستم 400 ولت) است. در هنگام راه اندازی مستقیم، جریان شروع تقریباً 6 برابر جریان نامی است، یعنی 1440A. مدت زمان شروع معمولاً 6 ثانیه است.

کابل مطابق با کابل مسی XLPE 95 میلی متر مربع است. ظرفیت حمل جریان نامی این کابل در محیط 40 درجه سانتیگراد در شرایط نصب کانال تقریباً 300 آمپر است.

فرآیند تأیید به شرح زیر است:

ابتدا دمای اولیه را تعیین کنید. فرض کنید کابل برای مدتی تحت بار نامی با دمای اولیه تقریباً 90 درجه سانتیگراد کار کرده است.

سپس گرمای تولید شده در هنگام راه اندازی را محاسبه کنید. گرمای تولید شده برابر است با مجذور جریان ضرب در مقاومت ضربدر زمان، یعنی 1440 × R × 6.

این مقدار را با گرمای تولید شده در شرایط عملیاتی نامی مقایسه کنید. در شرایط نامی، با جریان 300 آمپر به مدت 1 ساعت (3600 ثانیه)، گرمای تولید شده 300 × R × 3600 است.

نتایج محاسبات واقعی نشان می‌دهد که گرمای تولید شده در طول یک فرآیند راه‌اندازی 6 ثانیه‌ای معادل تنها حدود 15 تا 20 ثانیه گرمای تولید شده در شرایط نامی است. این مربوط به افزایش دما در حدود 15 تا 20 درجه سانتیگراد است.

این افزایش دما بسیار کمتر از حد مقاومت کوتاه مدت عایق XLPE (تقریباً 250 درجه سانتیگراد) است. بنابراین، فرآیند راه اندازی باعث آسیب عایق نمی شود.

به همین دلیل است که در بسیاری از کاربردهای موتور راه‌اندازی مستقیم، مشخصات کابل به دلیل جریان راه‌اندازی نیازی به افزایش ندارد - به شرطی که زمان راه‌اندازی به اندازه کافی کوتاه باشد، معمولاً در عرض 5 تا 8 ثانیه.

VI. سه معیار قضاوت در عمل مهندسی

ابتدا بین اضافه بار حالت پایدار و اضافه بار گذرا تمایز قائل شوید.

اضافه بار حالت پایدار به وضعیتی اشاره دارد که در آن جریان از مقدار نامی تجاوز می کند و چند دقیقه یا بیشتر طول می کشد. خطر اصلی این نوع اضافه بار، پیری حرارتی عایق است که می تواند منجر به آسیب تجمعی طولانی مدت شود.

اضافه بار گذرا به وضعیتی اطلاق می شود که در آن جریان چندین برابر مقدار نامی است اما فقط چند ثانیه طول می کشد. این نوع اضافه بار معمولاً توسط کابل قابل تحمل است مگر اینکه بارها و بارها اتفاق بیفتد.

دوم، از دمای عایق به عنوان معیار شکست استفاده کنید.

مبنای قضاوت در مورد بارگذاری بیش از حد کابل، «اینکه مس سوخته است» نیست، بلکه «آیا دمای عایق بیشتر از حد تحمل کوتاه مدت است یا خیر». برای عایق XLPE، دمای مقاومت کوتاه مدت معمولاً 250 درجه سانتیگراد بر اساس دمای رسانا در نظر گرفته می شود.

سوم، اثر تجمعی را در نظر بگیرید.

اگر تجهیزات به طور مکرر راه اندازی و متوقف شوند، مانند جرثقیل یا کمپرسور رفت و برگشتی، افزایش دما از هر شروع جمع می شود. در این مورد، تنها نگاه کردن به افزایش دما در یک شروع کافی نیست. اثر افزایش دما تجمعی تحت چرخه حرارتی باید محاسبه شود.

VII. توصیه های انتخاب
برای تجهیزات با جریان راه اندازی بالا، مانند موتورها، ترانسفورماتورها و ماشین های جوشکاری، چهار راهبرد متداول مقابله ای وجود دارد.

روش اول افزایش مشخصات کابل است. این روش برای سناریوهایی با زمان شروع طولانی (بیش از 10 ثانیه) یا شروع مکرر مناسب است. با این حال، به خصوص برای تخمگذار در مسافت های طولانی گران تر است.

روش دوم نصب سافت استارتر است. این روش برای سناریوهایی با زمان راه اندازی متوسط ​​(3 تا 10 ثانیه) و در مواردی که نیاز به کاهش ولتاژ جریان است، مناسب است. هزینه متوسط ​​است.

روش سوم نصب مبدل فرکانس است. این روش برای سناریوهایی با استارت های بسیار مکرر یا در مواردی که کنترل دقیق سرعت مورد نیاز است مناسب است. این جامع ترین عملکرد را ارائه می دهد اما گران ترین نیز است.

روش چهارم این است که آن را به حال خود رها کنید و از مشخصات اصلی استفاده کنید. این روش برای سناریوهایی با زمان راه اندازی بسیار کوتاه (حداکثر 5 ثانیه) و شروع های نادر مناسب است. هزینه صفر است، اما این مشروط به تأیید ایمنی است.

یک اشتباه مهندسی رایج افزایش کورکورانه مشخصات کابل برای کنترل اضافه بار راه اندازی است. این اغلب راه حل بهینه نیست. روش صحیح این است که ابتدا گرمای واقعی تولید شده در هنگام راه اندازی را محاسبه کنید. در بسیاری از موارد، محاسبات نشان می دهد که کابل موجود کافی است.

در صورت نیاز به تأیید، پارامترهای زیر باید آماده شوند: سطح مقطع کابل، مواد و نوع عایق. منحنی زمان شروع راه اندازی ارائه شده توسط سازنده تجهیزات؛ و روش تخمگذار و دمای اولیه.

هشتم. نتیجه گیری های کلیدی

اول، ظرفیت اضافه بار کوتاه مدت یک کابل با زمان و جریان تعیین می شود. پرسیدن "چقدر جریان می تواند تحمل کند؟" بی معنی است؛ همچنین باید پرسید "تا کی می تواند تحمل کند؟".

ثانیاً، تحت بار اضافی، ابتدا عایق خراب می شود، نه هادی. حد دمای عایق بسیار کمتر از نقطه ذوب مس است.

سوم، کابل‌های عایق‌شده XLPE، بسته به دمای اولیه و شرایط اتلاف گرما، معمولاً می‌توانند ده‌ها ثانیه تا چند دقیقه را تحت 200 درصد اضافه بار تحمل کنند.

چهارم، برای ضربه‌های کوتاه‌مدت از راه‌اندازی مستقیم موتور، در اغلب موارد، نیازی به افزایش مشخصات کابل نیست، مشروط بر اینکه زمان راه‌اندازی از 5 تا 8 ثانیه بیشتر نباشد و به ندرت باشد.

پنجم، تصمیمات مهندسی باید بر اساس محاسبات باشد نه شهود. افزایش کورکورانه مشخصات کابل باعث هدر رفتن هزینه ها می شود، در حالی که غفلت از تأیید ممکن است خطرات پنهانی ایجاد کند.