I. Najczęściej zadawane pytanie

Przy wyborze i użytkowaniu kabli zadaje się wielokrotnie pytanie:

"Jaki jest maksymalny prąd, jaki ten kabel może wytrzymać?"

To pytanie samo w sobie jest błędne.

Prawidłowe pytanie brzmi:

"Pod danym prądem przeciążenia, jak długo kabel może bezpiecznie działać?"

Krótkoterminowa zdolność przeciążenia kabla jest określona zarówno przez czas, jak i prąd, a nie tylko przez prąd.

II. Proces termiczny kabli pod obciążeniem

Kable wytwarzają ciepło Joule'owe podczas przenoszenia prądu.

Q = I2 × R × t
Gdzie Q jest wytwarzane ciepło, I jest prąd, R jest opór przewodnika, a t jest czas.

Prąd wpływa na ciepło generowane w stosunku kwadratowym.

Jednakże kluczowym punktem jest to, że jeśli czas jest wystarczająco krótki, nawet przy dużym prądzie, całkowite wytwarzane ciepło może być bardzo małe.

Kabel to nie bezpiecznik, bezpieczniki są zaprojektowane do stopienia się w ciągu milisekund.Kable to systemy o znaczącej bezwładności cieplnej. Zarówno przewodniki, jak i materiały izolacyjne wymagają czasu na osiągnięcie niebezpiecznych temperatur..

Krótkotrwałe napięcie wysokiego prądu może spowodować tylko wzrost temperatury o kilka stopni Celsjusza, jednak długotrwałe, niewielkie przeciążenia mogą prowadzić do starzenia się termicznego lub nawet rozpadu termicznego izolacji.

III. Sekwencja awarii: izolacja przed przewodnikiem

Powszechnym błędem jest przekonanie, że przeciążenie kabli "przepali miedziane druty".

To nieprawdziwe.

W rzeczywistych scenariuszach przeciążenia, warstwa izolacyjna ulega awarii najpierw, a nie przewodnik.

Punkt topnienia przewodników miedzianych wynosi około 1085°C. Długotrwała dopuszczalna temperatura pracy izolacji XLPE wynosi tylko 90°C, a nawet biorąc pod uwagę krótkotrwałe przeciążenia,o temperaturze wytrzymałości nieprzekraczającej 250°CDługoterminowa dopuszczalna temperatura pracy izolacji PVC wynosi 70°C, a jej krótkoterminowa temperatura odporności wynosi około 160°C.

Porównanie tych liczb pokazuje wyraźnie, że zanim przewodnik miedzi osiągnie swój punkt topnienia, materiał izolacyjny już przeszedł zmiękczenie termiczne, węglowotwórstwo,lub nawet całkowita utrata izolacji.

Po uszkodzeniu izolacji, między przewodnikami występuje zwarcie, generujące łuk elektryczny i lokalizowane wysokie temperatury.To jest wtórna porażka., nie jest bezpośrednim skutkiem przeciążenia.

Dlatego rozmowa o przeciążeniu kabli w inżynierii oznacza zasadniczo rozmowę: na jaki okres czasu,podgrzewanie przewodnika nie spowoduje, że temperatura izolacji przekroczy jej krótkoterminową granicę wytrzymałości?

IV. Pojemność przeciążenia krótkotrwałegoKable izolowane XLPE

Na podstawie normy IEC 60364-5-54 i obliczeń termodynamicznych w praktyce inżynieryjnej, dla izolowanych przewodników miedzianych XLPE,przy założeniu temperatury początkowej 90°C (normalny stan pełnego obciążenia), zdolność przeciążenia krótkotrwałego wynosi w przybliżeniu:

Gdy wielokrotność przeciążenia wynosi 150%, kabel może zazwyczaj wytrzymać od kilku minut do kilkudziesięciu minut.

Przy wielokrotnym przeciążeniu 200% kabel może wytrzymać od kilkudziesięciu sekund do kilku minut.

Gdy wielokrotność przeciążenia wynosi 300%, kabel może wytrzymać od kilku sekund do ponad dziesięciu sekund.staje się głównym czynnikiem ograniczającym.

W takich warunkach materiał izolacyjny szybko się węglowodzi i nie pozostawia prawie żadnego marginesu bezpieczeństwa.

Należy zauważyć, że powyższe wartości stanowią jedynie szacunki techniczne.oraz specyficzna formuła materiału izolacyjnegoIm niższa temperatura początkowa, tym dłuższy czas wytrzymania.Lepsze rozpraszanie ciepła również wydłuża czas wytrzymania ̇ instalacja powietrzna jest lepsza niż instalacja kanałowa.

V. Kontrola przeciążenia kabli w celu bezpośredniego uruchomienia silnika

Przykładowo silnik o mocy 132 kW, którego prąd nominalny wynosi około 240 A (w systemie 400 V).Czas rozpoczęcia trwa zazwyczaj 6 sekund.

Kabel pasujący to miedziany kabel XLPE o pojemności 95 mm2.

Proces weryfikacji następuje następująco:

Po pierwsze, należy ustalić temperaturę początkową, zakładając, że kabel działał pod napięciem znamionowym przez pewien czas, przy początkowej temperaturze około 90°C.

Następnie obliczyć ciepło wytworzone podczas uruchamiania. wytworzone ciepło jest równe kwadratowi prądu pomnożonego przez rezystancję pomnożoną przez czas, tj. 14402 × R × 6.

Porównaj tę wartość z ciepłem wytwarzanym w znamionowych warunkach pracy. W warunkach znamionowych przy prądzie 300A przez 1 godzinę (3600 sekund) wytwarzane ciepło wynosi 3002 × R × 3600.

W rzeczywistości wyniki obliczeń pokazują, że ciepło wytworzone podczas 6-sekundowego procesu uruchamiania odpowiada tylko około 15-20 sekundom ciepła wytworzonego w warunkach znamionowych.Odpowiada to wzrostowi temperatury o około 15 do 20°C..

Wzrost ten temperatury jest znacznie niższy niż krótkoterminowy limit temperatury odporności izolacji XLPE (około 250°C).

Dlatego w wielu zastosowaniach silników z bezpośrednim uruchamianiem specyfikacja kabla nie musi być zwiększana ze względu na prąd uruchamiania, pod warunkiem że czas uruchamiania jest wystarczająco krótki,zazwyczaj w ciągu 5 do 8 sekund.

VI. Trzy kryteria oceny w praktyce inżynieryjnej

Po pierwsze, rozróżnij przeciążenie w stanie stacjonarnym od przeciążenia przejściowego.

Przeciążenie w stanie stacjonarnym oznacza sytuację, w której prąd przekracza wartość znamionową i trwa kilka minut lub dłużej.które mogą prowadzić do długoterminowych, kumulacyjnych szkód.

Przejściowe przeciążenie odnosi się do sytuacji, w której prąd jest kilka razy większy niż wartość znamionowa, ale trwa tylko kilka sekund.Ten rodzaj przeciążenia zwykle może być wytrzymany przez kabel, chyba że występuje wielokrotnie.

Po drugie, użyj temperatury izolacyjnej jako kryterium awarii.

Podstawą oceny nadmiernego obciążenia kabla nie jest "czy miedź się wypaliła", ale "czy temperatura izolacji przekracza ograniczenie odporności krótkotrwałej".temperaturę krótkotrwałego wytrzymania zwykle przyjmuje się jako 250°C, na podstawie temperatury przewodnika.

Po trzecie, rozważ efekt kumulacyjny.

Jeśli urządzenie jest często uruchamiane i wyłączane, takie jak żuraw lub sprężarka ruchowa, wzrost temperatury z każdego uruchomienia będzie się gromadzić.Nie wystarczy spojrzeć tylko na wzrost temperatury jednego początkuNależy obliczyć łączny efekt wzrostu temperatury w cyklu termicznym.

VII. Zalecenia dotyczące wyboru
W przypadku urządzeń o wysokim prędkości wyjściowej, takich jak silniki, transformatory i maszyny spawalnicze, istnieją cztery wspólne strategie radzenia sobie.

Pierwszą metodą jest zwiększenie specyfikacji kabla. Metoda ta jest odpowiednia dla scenariuszy z długimi czasami uruchamiania (ponad 10 sekund) lub częstymi uruchamianiami.szczególnie do układania na duże odległości.

Druga metoda to zainstalowanie miękkiego startera. Metoda ta jest odpowiednia dla scenariuszy o średnim czasie uruchomienia (3 do 10 sekund) i gdzie potrzebna jest redukcja napięcia prądu. Koszt jest umiarkowany.

Trzecią metodą jest zainstalowanie przekształcacza częstotliwości, który jest odpowiedni do scenariuszy o bardzo częstym uruchamianiu lub wymagających precyzyjnej regulacji prędkości.Oferuje najbardziej kompleksową funkcjonalność, ale jest również najdroższy.

Czwarta metoda to pozostawienie go w stanie, w którym jest, i wykorzystanie oryginalnej specyfikacji.Koszty są zerowe., ale jest to uzależnione od weryfikacji bezpieczeństwa.

Częstym błędem inżynieryjnym jest ślepo zwiększanie specyfikacji kabla w celu radzenia sobie z przeciążeniem uruchamiania.Poprawnym podejściem jest najpierw obliczenie rzeczywistego ciepła wytwarzanego podczas uruchamianiaW wielu przypadkach obliczenia pokazują, że istniejący kabel jest wystarczający.

Jeżeli wymagana jest weryfikacja, należy przygotować następujące parametry: przekrój kablowy, materiał i rodzaj izolacji; krzywą prądu i czasu uruchomienia dostarczoną przez producenta urządzenia;oraz sposób składania i temperatura początkowa.

VIII. Kluczowe wnioski

Po pierwsze, zdolność przeciążenia krótkoterminowego kabla jest określona zarówno przez czas, jak i prąd.

Po drugie, w przypadku przeciążenia pierwsze uszkodzenie dotyczy izolacji, a nie przewodnika.

Po trzecie, izolowane kable XLPE mogą zazwyczaj wytrzymać od kilkudziesięciu sekund do kilku minut w przypadku przeciążenia o 200%, w zależności od początkowej temperatury i warunków rozpraszania ciepła.

Po czwarte, w przypadku krótkoterminowych skutków bezpośredniego uruchamiania silnika w większości przypadków nie jest konieczne zwiększenie specyfikacji kabla,pod warunkiem że czas uruchomienia nie przekracza 5 do 8 sekund i jest rzadki.

Po piąte, decyzje techniczne powinny opierać się na obliczeniach, a nie na intuicji.