I. Наиболее часто задаваемый вопрос

При выборе и использовании кабеля постоянно задается один вопрос:

«Какой максимальный ток может выдержать этот кабель?»

Этот вопрос сам по себе некорректен.

Правильный вопрос:

«Как долго кабель может безопасно работать при заданном токе перегрузки?»

Кратковременная перегрузочная способность кабеля определяется как временем, так и током, а не только током. Обсуждать перегрузочную способность, игнорируя временной аспект, бессмысленно в инженерном деле.

II. Тепловой процесс кабелей при перегрузке

Кабели генерируют джоулево тепло при прохождении тока. Количество выделяемого тепла определяется по следующей формуле:

Q = I² × R × t
Где Q — выделяемое тепло, I — ток, R — сопротивление проводника, а t — время.

Ток влияет на выделяемое тепло квадратичным соотношением. Удвоение тока увеличивает количество выделяемого тепла в четыре раза.

Однако ключевой момент заключается в следующем: если время достаточно короткое, даже при большом токе общее выделяемое тепло может быть очень небольшим.

Кабель не является предохранителем. Предохранители рассчитаны на плавление в течение миллисекунд. Кабели представляют собой системы со значительной тепловой инерцией: как проводникам, так и изоляционным материалам требуется время для достижения опасных температур.

Кратковременный скачок сильного тока может вызвать повышение температуры всего на несколько градусов Цельсия. Однако длительные небольшие перегрузки могут привести к тепловому старению или даже тепловому разрушению изоляции.

III. Последовательность отказа: изоляция перед проводником

Распространенным заблуждением является то, что перегрузки кабеля «прожигают медные провода».

Это неверно.

В реальных сценариях перегрузки первым выходит из строя изоляционный слой, а не проводник.

Температура плавления медных проводников составляет около 1085°С. Длительно допустимая рабочая температура изоляции из сшитого полиэтилена составляет всего 90°С, а даже с учетом кратковременных перегрузок ее выдерживаемая температура не превышает 250°С. Допустимая долговременная рабочая температура изоляции из ПВХ составляет 70°С, а кратковременная температура выдерживания — около 160°С.

Сравнение этих цифр ясно показывает, что до того, как медный проводник достигнет точки плавления, изоляционный материал уже подвергся термическому размягчению, карбонизации или даже полной потере изоляционных свойств.

Как только изоляция выходит из строя, между проводниками происходит короткое замыкание, вызывающее электрическую дугу и локальные высокие температуры — только тогда медный проводник может расплавиться. Однако это вторичный отказ, а не прямое следствие перегрузки.

Поэтому обсуждение перегрузочной способности кабеля в технике по сути означает обсуждение: в течение какого периода времени нагрев проводника не приведет к превышению температуры изоляции ее кратковременного предела выдерживаемости?

IV. Кратковременная перегрузочная способностьКабели с изоляцией из сшитого полиэтилена

На основании МЭК 60364-5-54 и термодинамических расчетов в инженерной практике для медных жил с изоляцией из сшитого полиэтилена при исходной температуре 90°C (нормальное состояние при полной нагрузке) кратковременная перегрузочная способность составляет примерно следующее:

Когда кратность перегрузки составляет 150 %, кабель обычно выдерживает от нескольких минут до десятков минут. Этот временной диапазон в основном зависит от скорости накопления тепла в изоляционном материале.

При кратности перегрузки 200% кабель выдерживает от десятков секунд до нескольких минут. Ограничивающим фактором здесь является главным образом скорость повышения температуры на поверхности изоляции.

Когда кратность перегрузки составляет 300 %, кабель может выдерживать от нескольких секунд до более десяти секунд. В этот момент температура на границе раздела проводник-изоляция быстро возрастает, становясь основным ограничивающим фактором.

Когда перегрузка достигает 500% и выше, кабель может выдерживать ее только от 1 до 5 секунд. В таких условиях изоляционный материал быстро обугливается, практически не оставляя запаса прочности.

Следует отметить, что приведенные выше значения являются лишь инженерными оценками. Точные значения зависят от сечения кабеля, способа прокладки, начальной температуры и конкретного состава изоляционного материала. Чем ниже начальная температура, тем дольше время выдержки — холодный запуск намного безопаснее, чем горячий. Лучшее рассеивание тепла также увеличивает срок службы — воздушная прокладка превосходит установку в кабелепроводе.

V. Проверка перегрузки кабеля при прямом запуске двигателя

В качестве примера возьмем двигатель мощностью 132 кВт. Его номинальный ток составляет примерно 240 А (в системе 400 В). При прямом пуске пусковой ток примерно в 6 раз превышает номинальный ток, т. е. 1440 А. Начальная продолжительность обычно составляет 6 секунд.

Соответствующий кабель представляет собой медный кабель из сшитого полиэтилена сечением 95 мм². Номинальная допустимая нагрузка по току этого кабеля при температуре окружающей среды 40°C и условиях прокладки в кабелепроводе составляет примерно 300 А.

Процесс проверки выглядит следующим образом:

Сначала определите начальную температуру. Предположим, что кабель в течение некоторого времени работал при номинальной нагрузке с начальной температурой около 90°C.

Затем рассчитайте тепло, выделяющееся при запуске. Выделенное тепло равно квадрату тока, умноженному на сопротивление, умноженному на время, т. е. 1440² × R × 6.

Сравните это значение с теплом, выделяемым при номинальных условиях эксплуатации. В номинальных условиях при токе 300А в течение 1 часа (3600 секунд) выделяемое тепло составляет 300²×R×3600.

Фактические результаты расчетов показывают, что тепло, выделяемое во время 6-секундного процесса запуска, эквивалентно всего лишь примерно 15–20 секундам тепла, выделяемого при номинальных условиях. Это соответствует повышению температуры примерно на 15–20°C.

Такое повышение температуры значительно ниже предела кратковременной выдерживаемости изоляции из сшитого полиэтилена (около 250°C). Таким образом, процесс запуска не приведет к повреждению изоляции.

Вот почему во многих двигателях с прямым пуском нет необходимости увеличивать характеристики кабеля из-за пускового тока — при условии, что время запуска достаточно короткое, обычно в пределах 5–8 секунд.

VI. Три критерия суждения в инженерной практике

Во-первых, различайте установившуюся перегрузку и временную перегрузку.

Под установившейся перегрузкой понимается ситуация, когда ток превышает номинальное значение и длится несколько минут и более. Основным риском перегрузки этого типа является термическое старение изоляции, которое может привести к долгосрочному кумулятивному повреждению.

Переходная перегрузка относится к ситуации, когда ток в несколько раз превышает номинальное значение, но длится всего несколько секунд. Этот тип перегрузки обычно выдерживает кабель, если только он не повторяется повторно.

Во-вторых, используйте температуру изоляции в качестве критерия отказа.

Основанием для оценки того, перегружен ли кабель, является не «перегорела ли медь», а «превысила ли температура изоляции предел кратковременной выдерживаемости». Для изоляции из сшитого полиэтилена кратковременно выдерживаемая температура обычно принимается равной 250°C в зависимости от температуры проводника.

В-третьих, учитывайте накопительный эффект.

Если оборудование часто запускается и останавливается, например кран или поршневой компрессор, повышение температуры при каждом запуске будет накапливаться. В этом случае недостаточно смотреть только на повышение температуры при однократном запуске; Необходимо рассчитать совокупный эффект повышения температуры при термоциклировании.

VII. Рекомендации по выбору
Для оборудования с высоким пусковым током, такого как двигатели, трансформаторы и сварочные аппараты, существует четыре распространенных стратегии решения проблем.

Первый способ – увеличить характеристики кабеля. Этот метод подходит для сценариев с длительным временем запуска (более 10 секунд) или частыми запусками. Однако он дороже, особенно при прокладке на большие расстояния.

Второй способ – установка устройства плавного пуска. Этот метод подходит для сценариев со средним временем запуска (от 3 до 10 секунд) и там, где необходимо снижение скачков тока. Стоимость умеренная.

Третий способ – установка преобразователя частоты. Этот метод подходит для сценариев с очень частыми запусками или там, где требуется точный контроль скорости. Он предлагает наиболее полную функциональность, но также и самый дорогой.

Четвертый способ — оставить все как есть и использовать исходную спецификацию. Этот метод подходит для сценариев с очень коротким временем запуска (не более 5 секунд) и нечастыми запусками. Стоимость равна нулю, но это зависит от проверки безопасности.

Распространенной инженерной ошибкой является слепое увеличение спецификации кабеля, чтобы выдержать перегрузку при запуске. Часто это не оптимальное решение. Правильный подход – сначала рассчитать фактическое количество тепла, выделяемого во время запуска. Во многих случаях расчеты показывают, что существующего кабеля достаточно.

Если требуется проверка, следует подготовить следующие параметры: сечение кабеля, материал и тип изоляции; кривая пускового тока от времени, предоставленная производителем оборудования; способ укладки и начальная температура.

VIII. Ключевые выводы

Во-первых, кратковременная перегрузочная способность кабеля определяется как временем, так и током. На вопрос: «Какой ток он выдерживает?» бессмысленно; нужно также спросить: «Как долго это выдержит?».

Во-вторых, при перегрузке в первую очередь выходит из строя изоляция, а не проводник. Температурный предел изоляции намного ниже точки плавления меди.

В-третьих, кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена обычно выдерживают от десятков секунд до нескольких минут при 200% перегрузке, в зависимости от начальной температуры и условий рассеивания тепла.

В-четвертых, при кратковременных воздействиях от прямого пуска двигателя в большинстве случаев нет необходимости увеличивать спецификацию кабеля при условии, что время пуска не превышает 5-8 секунд и является нечастым.

В-пятых, инженерные решения должны основываться на расчетах, а не на интуиции. Слепое увеличение характеристик кабеля приводит к напрасным затратам, а пренебрежение проверкой может создать скрытые опасности.