I. คำถามที่ถูกถามบ่อยที่สุด

ในการเลือกและใช้งานสายเคเบิล มีคำถามหนึ่งที่ถูกถามซ้ำๆ:

"สายเคเบิลนี้สามารถทนกระแสสูงสุดได้เท่าไร"

คำถามนี้เองไม่ถูกต้อง

คำถามที่ถูกต้องคือ:

"ภายใต้กระแสไฟเกินที่กำหนด สายเคเบิลจะสามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยนานเท่าใด"

ความสามารถในการโอเวอร์โหลดระยะสั้นของสายเคเบิลถูกกำหนดโดยทั้งเวลาและกระแส ไม่ใช่โดยกระแสเพียงอย่างเดียว การพูดถึงความจุเกินพิกัดโดยไม่สนใจมิติเวลานั้นไม่มีความหมายในทางวิศวกรรม

ครั้งที่สอง กระบวนการระบายความร้อนของสายเคเบิลภายใต้การโอเวอร์โหลด

สายเคเบิลจะสร้างความร้อนแบบจูลเมื่อส่งกระแสไฟ ปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นถูกกำหนดโดยสูตรต่อไปนี้:

Q = I² × R × t
โดยที่ Q คือความร้อนที่เกิดขึ้น I คือกระแส R คือความต้านทานของตัวนำ และ t คือเวลา

กระแสไฟฟ้าส่งผลต่อความร้อนที่เกิดจากความสัมพันธ์แบบสี่เหลี่ยมจัตุรัส การเพิ่มกระแสไฟฟ้าเป็นสองเท่าจะทำให้เกิดความร้อนเพิ่มขึ้น

อย่างไรก็ตาม ประเด็นสำคัญคือ: หากเวลาสั้นเพียงพอ แม้จะมีกระแสไฟสูง ความร้อนทั้งหมดที่เกิดขึ้นอาจมีน้อยมาก

สายเคเบิลไม่ใช่ฟิวส์ ฟิวส์ได้รับการออกแบบให้ละลายภายในมิลลิวินาที สายเคเบิลเป็นระบบที่มีความเฉื่อยทางความร้อนอย่างมาก ทั้งตัวนำและวัสดุฉนวนต้องใช้เวลาในการเข้าถึงอุณหภูมิที่เป็นอันตราย

กระแสไฟกระชากสูงในระยะสั้นอาจทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นเพียงไม่กี่องศาเซลเซียสเท่านั้น อย่างไรก็ตาม การโอเวอร์โหลดเล็กน้อยเป็นเวลานานอาจนำไปสู่การเสื่อมสภาพจากความร้อนหรือแม้กระทั่งการสลายเนื่องจากความร้อนของฉนวน

III. ลำดับความล้มเหลว: ฉนวนก่อนตัวนำ

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยคือสายเคเบิลโอเวอร์โหลดจะ "ไหม้ผ่านสายทองแดง"

สิ่งนี้ไม่ถูกต้อง

ในสถานการณ์โอเวอร์โหลดจริง ชั้นฉนวนจะล้มเหลวก่อน ไม่ใช่ตัวนำ

จุดหลอมเหลวของตัวนำทองแดงอยู่ที่ประมาณ 1,085°C อุณหภูมิการทำงานที่อนุญาตในระยะยาวของฉนวน XLPE อยู่ที่เพียง 90°C และแม้จะพิจารณาถึงการรับน้ำหนักเกินในระยะสั้น อุณหภูมิทนก็ไม่เกิน 250°C อุณหภูมิการทำงานที่อนุญาตในระยะยาวของฉนวน PVC คือ 70°C และอุณหภูมิทนในระยะสั้นอยู่ที่ประมาณ 160°C

เมื่อเปรียบเทียบตัวเลขเหล่านี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าก่อนที่ตัวนำทองแดงจะถึงจุดหลอมเหลว วัสดุฉนวนได้ผ่านกระบวนการทำให้อ่อนตัวจากความร้อน คาร์บอไนเซชัน หรือแม้แต่การสูญเสียประสิทธิภาพของฉนวนโดยสิ้นเชิง

เมื่อฉนวนล้มเหลว จะเกิดการลัดวงจรระหว่างตัวนำ ทำให้เกิดส่วนโค้งไฟฟ้าและอุณหภูมิสูงเฉพาะจุด จากนั้นตัวนำทองแดงอาจละลายได้ อย่างไรก็ตาม นี่เป็นความล้มเหลวรอง ไม่ใช่ผลโดยตรงของการโอเวอร์โหลด

ดังนั้น การหารือถึงความสามารถในการรับน้ำหนักเกินของสายเคเบิลในทางวิศวกรรมหมายถึงการพูดคุยกัน: การให้ความร้อนของตัวนำจะไม่ทำให้อุณหภูมิของฉนวนเกินขีดจำกัดการทนต่อช่วงเวลาอันสั้นในช่วงเวลาใด

IV. ความจุเกินพิกัดระยะสั้นของสายเคเบิลหุ้มฉนวน XLPE

อิงตาม IEC 60364-5-54 และการคำนวณไดนามิกเชิงความร้อนในทางปฏิบัติทางวิศวกรรม สำหรับสายเคเบิลตัวนำทองแดงหุ้มฉนวน XLPE ภายใต้สมมติฐานของอุณหภูมิเริ่มต้นที่ 90°C (สถานะปกติของการโหลดเต็ม) ความสามารถในการโอเวอร์โหลดระยะสั้นจะมีค่าโดยประมาณดังนี้:

เมื่อโอเวอร์โหลดทวีคูณเป็น 150% โดยทั่วไปสายเคเบิลสามารถทนทานได้หลายนาทีถึงสิบนาที ช่วงเวลานี้ขึ้นอยู่กับอัตราการสะสมความร้อนในวัสดุฉนวนเป็นหลัก

เมื่อโอเวอร์โหลดทวีคูณเป็น 200% สายเคเบิลสามารถทนทานได้หลายสิบวินาทีถึงหลายนาที ปัจจัยจำกัดที่นี่คืออัตราการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิบนพื้นผิวฉนวนเป็นหลัก

เมื่อโอเวอร์โหลดทวีคูณเป็น 300% สายเคเบิลสามารถทนทานได้หลายวินาทีถึงมากกว่าสิบวินาที ณ จุดนี้ อุณหภูมิที่ส่วนต่อระหว่างตัวนำ-ฉนวนจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว กลายเป็นปัจจัยจำกัดหลัก

เมื่อโอเวอร์โหลดถึง 500% หรือสูงกว่า สายเคเบิลจะทนทานได้เพียง 1 ถึง 5 วินาทีเท่านั้น ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ วัสดุฉนวนจะเกิดคาร์บอนอย่างรวดเร็ว แทบไม่มีความปลอดภัยเลย

ควรสังเกตว่าค่าข้างต้นเป็นเพียงการประมาณการทางวิศวกรรมเท่านั้น ค่าที่แม่นยำขึ้นอยู่กับหน้าตัดของสายเคเบิล วิธีการวาง อุณหภูมิเริ่มต้น และสูตรเฉพาะของวัสดุฉนวน ยิ่งอุณหภูมิเริ่มต้นต่ำลง ระยะเวลาในการทนนานขึ้น การสตาร์ทขณะเครื่องเย็นจะปลอดภัยกว่าการสตาร์ทขณะร้อนมาก การกระจายความร้อนที่ดีขึ้นยังช่วยยืดระยะเวลาการทนทานด้วย การติดตั้งแบบวางอากาศจะดีกว่าการติดตั้งท่อร้อยสาย

V. การตรวจสอบโอเวอร์โหลดของสายเคเบิลสำหรับการสตาร์ทมอเตอร์โดยตรง

ยกตัวอย่างมอเตอร์ขนาด 132kW พิกัดกระแสไฟฟ้าอยู่ที่ประมาณ 240A (ในระบบ 400V) ในระหว่างการสตาร์ทโดยตรง กระแสสตาร์ทจะอยู่ที่ประมาณ 6 เท่าของกระแสพิกัด เช่น 1440A โดยทั่วไประยะเวลาเริ่มต้นคือ 6 วินาที

สายเคเบิลที่ตรงกันคือสายทองแดง XLPE ขนาด 95 มม.² ความสามารถในการรองรับกระแสไฟที่กำหนดของสายเคเบิลนี้ในสภาพแวดล้อม 40°C ภายใต้สภาวะการติดตั้งท่อคือประมาณ 300A

กระบวนการตรวจสอบมีดังนี้:

ขั้นแรก ให้กำหนดอุณหภูมิเริ่มต้น สมมติว่าสายเคเบิลทำงานภายใต้โหลดที่กำหนดมาระยะหนึ่งแล้ว โดยมีอุณหภูมิเริ่มต้นประมาณ 90°C

จากนั้นคำนวณความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างการเริ่มต้น ความร้อนที่เกิดขึ้นจะเท่ากับกำลังสองของกระแสไฟฟ้าคูณด้วยความต้านทานคูณด้วยเวลา เช่น 1440² × R × 6

เปรียบเทียบค่านี้กับความร้อนที่เกิดขึ้นภายใต้สภาวะการทำงานที่กำหนด ภายใต้สภาวะที่กำหนด โดยมีกระแสไฟ 300A เป็นเวลา 1 ชั่วโมง (3600 วินาที) ความร้อนที่เกิดขึ้นจะอยู่ที่ 300² × R × 3600

ผลการคำนวณจริงแสดงให้เห็นว่าความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการเริ่มต้น 6 วินาทีเทียบเท่ากับความร้อนเพียงประมาณ 15 ถึง 20 วินาทีที่เกิดขึ้นภายใต้สภาวะที่กำหนด ซึ่งสอดคล้องกับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นประมาณ 15 ถึง 20°C

อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นนี้ต่ำกว่าขีดจำกัดอุณหภูมิทนในระยะเวลาอันสั้นของฉนวน XLPE (ประมาณ 250°C) มาก ดังนั้นกระบวนการสตาร์ทเครื่องจะไม่ทำให้ฉนวนเสียหาย

นี่คือเหตุผลว่าทำไมในการใช้งานมอเตอร์แบบสตาร์ทโดยตรงจำนวนมาก ข้อมูลจำเพาะของสายเคเบิลจึงไม่จำเป็นต้องเพิ่มเนื่องจากกระแสสตาร์ท โดยมีเงื่อนไขว่าเวลาในการสตาร์ทสั้นเพียงพอ โดยทั่วไปคือภายใน 5 ถึง 8 วินาที

วี. เกณฑ์การตัดสินสามประการในการปฏิบัติงานด้านวิศวกรรม

ขั้นแรก แยกความแตกต่างระหว่างโอเวอร์โหลดในสภาวะคงตัวและโอเวอร์โหลดชั่วคราว

ภาวะโอเวอร์โหลดในสภาวะคงตัวหมายถึงสถานการณ์ที่กระแสไฟฟ้าเกินค่าที่กำหนดและคงอยู่เป็นเวลาหลายนาทีหรือมากกว่านั้น ความเสี่ยงหลักของการโอเวอร์โหลดประเภทนี้คือการเสื่อมสภาพจากความร้อนของฉนวนซึ่งอาจนำไปสู่ความเสียหายสะสมในระยะยาว

โอเวอร์โหลดชั่วคราวหมายถึงสถานการณ์ที่กระแสไฟฟ้ามีค่ามากกว่าค่าพิกัดหลายเท่า แต่คงอยู่เพียงไม่กี่วินาทีเท่านั้น โดยทั่วไปแล้วการโอเวอร์โหลดประเภทนี้สามารถทนได้ด้วยสายเคเบิล เว้นแต่ว่าจะเกิดขึ้นซ้ำๆ

ประการที่สอง ใช้อุณหภูมิฉนวนเป็นเกณฑ์ความล้มเหลว

พื้นฐานในการตัดสินว่าสายเคเบิลมีการโอเวอร์โหลดหรือไม่นั้นไม่ใช่ "ว่าทองแดงจะไหม้หรือไม่" แต่ "อุณหภูมิของฉนวนจะเกินขีดจำกัดความทนทานในระยะเวลาอันสั้นหรือไม่" สำหรับฉนวน XLPE อุณหภูมิทนระยะสั้นมักจะอยู่ที่ 250°C ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของตัวนำ

ประการที่สาม พิจารณาผลสะสม

หากอุปกรณ์สตาร์ทและหยุดบ่อยครั้ง เช่น เครนหรือคอมเพรสเซอร์แบบลูกสูบ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจากการสตาร์ทแต่ละครั้งจะสะสม ในกรณีนี้ การดูเฉพาะอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของการสตาร์ทเพียงครั้งเดียวนั้นไม่เพียงพอ จำเป็นต้องคำนวณผลกระทบที่เพิ่มขึ้นของอุณหภูมิสะสมภายใต้การหมุนเวียนด้วยความร้อน

ปกเกล้าเจ้าอยู่หัว คำแนะนำในการคัดเลือก
สำหรับอุปกรณ์ที่มีกระแสสตาร์ทสูง เช่น มอเตอร์ หม้อแปลง และเครื่องเชื่อม มีกลยุทธ์การรับมือทั่วไปสี่ประการ

วิธีแรกคือการเพิ่มข้อกำหนดสายเคเบิล วิธีนี้เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่มีเวลาสตาร์ทเครื่องนาน (มากกว่า 10 วินาที) หรือสตาร์ทบ่อย อย่างไรก็ตามจะมีราคาแพงกว่าโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการวางทางไกล

วิธีที่สองคือการติดตั้งซอฟต์สตาร์ทเตอร์ วิธีนี้เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่มีเวลาเริ่มต้นปานกลาง (3 ถึง 10 วินาที) และเมื่อจำเป็นต้องลดกระแสไฟกระชาก ค่าใช้จ่ายอยู่ในระดับปานกลาง

วิธีที่สามคือการติดตั้งตัวแปลงความถี่ วิธีการนี้เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่มีการสตาร์ทบ่อยมากหรือเมื่อจำเป็นต้องควบคุมความเร็วอย่างแม่นยำ มีฟังก์ชันการทำงานที่ครอบคลุมที่สุดแต่ก็มีราคาแพงที่สุดเช่นกัน

วิธีที่สี่คือปล่อยทิ้งไว้ตามเดิมแล้วใช้ข้อกำหนดเดิม วิธีนี้เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่มีเวลาเริ่มต้นสั้นมาก (ไม่เกิน 5 วินาที) และสตาร์ทไม่บ่อยนัก ค่าใช้จ่ายเป็นศูนย์ แต่ขึ้นอยู่กับความปลอดภัยที่ได้รับการตรวจสอบ

ข้อผิดพลาดทางวิศวกรรมทั่วไปคือการเพิ่มข้อมูลจำเพาะของสายเคเบิลอย่างสุ่มสี่สุ่มห้าเพื่อรองรับการโอเวอร์โหลดในการสตาร์ทเครื่อง นี่มักจะไม่ใช่วิธีแก้ปัญหาที่ดีที่สุด วิธีที่ถูกต้องคือการคำนวณความร้อนจริงที่เกิดขึ้นระหว่างการสตาร์ทเครื่องก่อน ในหลายกรณี การคำนวณแสดงว่าสายเคเบิลที่มีอยู่เพียงพอแล้ว

หากจำเป็นต้องมีการตรวจสอบ ควรเตรียมพารามิเตอร์ต่อไปนี้: หน้าตัดของสายเคเบิล วัสดุ และประเภทของฉนวน เส้นโค้งเวลาปัจจุบันเริ่มต้นที่จัดทำโดยผู้ผลิตอุปกรณ์ และวิธีการปูและอุณหภูมิเริ่มต้น

8. ข้อสรุปที่สำคัญ

ขั้นแรก ความสามารถในการโอเวอร์โหลดในระยะสั้นของสายเคเบิลจะถูกกำหนดโดยทั้งเวลาและกระแส ถามว่า “ทนกระแสได้เท่าไหร่?” ไม่มีความหมาย ต้องถามอีกว่า "จะทนได้นานแค่ไหน"

ประการที่สอง ภายใต้การโอเวอร์โหลด ฉนวนจะล้มเหลวก่อน ไม่ใช่ตัวนำ ขีดจำกัดอุณหภูมิของฉนวนอยู่ต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของทองแดงมาก

ประการที่สาม โดยทั่วไปแล้วสายเคเบิลหุ้มฉนวน XLPE สามารถทนทานได้หลายสิบวินาทีถึงหลายนาทีภายใต้การใช้งานเกิน 200% ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเริ่มต้นและสภาวะการกระจายความร้อน

ประการที่สี่ สำหรับการกระแทกระยะสั้นจากการสตาร์ทมอเตอร์โดยตรง ในกรณีส่วนใหญ่ ไม่จำเป็นต้องเพิ่มข้อมูลจำเพาะของสายเคเบิล โดยมีเงื่อนไขว่าเวลาสตาร์ทจะต้องไม่เกิน 5 ถึง 8 วินาทีและไม่บ่อยนัก

ประการที่ห้า การตัดสินใจทางวิศวกรรมควรขึ้นอยู่กับการคำนวณ ไม่ใช่สัญชาตญาณ การเพิ่มข้อมูลจำเพาะของสายเคเบิลโดยไม่ตั้งใจทำให้ต้นทุนสิ้นเปลือง ในขณะที่การละเลยการตรวจสอบอาจก่อให้เกิดอันตรายที่ซ่อนอยู่