Нагревание кабелей с бумажной изоляцией при длительном протекании тока

Как можно защитить кабель в оболочке из ПВХ

Для обеспечения максимального срока службы электрического кабеля с ПВХ оболочкой следует предпринять следующие меры защиты.

При монтаже кабеля нужно использовать пластиковые или металлические защитные трубы или кабельные каналы. Они могут быть жёсткими или гибкими гофрированными. Трубы и каналы защищают кабель от механических, световых и атмосферных воздействий, а также являются защитой от грызунов. Кроме того они увеличивают пожарную безопасность электросети.

Прокладку в герметичных трубах необходимо выполнять также при монтаже кабеля в бассейнах, банях и других помещениях с повышенной влажностью. А при воздушной прокладке во избежание натяжения кабеля следует использовать несущий металлический или капроновый трос.

Необходимо строго соблюдать эксплуатационные требования, предъявляемые к кабелю, по току, рабочему напряжению, окружающей температуре и влажности, правилам монтажа. Следует использовать стандартные средства защиты от перегрузок соответствующих номиналов.

Нельзя монтировать кабель вблизи систем отопления и водоснабжения. Нельзя допускать сращивания медных и алюминиевых жил. При соединении проводников нужно использовать стандартные наконечники, зажимы и колодки, обеспечивающие надёжный контакт.

При выполнении всех вышеуказанных мер защиты электрические кабели с ПВХ изоляцией и оболочкой прослужат долго и не доставят беспокойств в отношении безопасности их эксплуатации.

Опыты Ленца

Перенесемся в 19 век-эпоху накопления знаний и подготовки к технологическому прыжку 20 века. Эпоха, когда по всему миру различные учёные и просто изобретатели-самоучки чуть ли не ежедневно открывают что-то новое, зачастую тратя огромное количество времени на исследования и, при этом, не представляя конечный результат.

Один из таких людей, русский учёный Эмилий Христианович Ленц, увлекался электричеством, на тогдашнем примитивном уровне, пытаясь рассчитывать электрические цепи. В 1832 году Эмилий Ленц “застрял” с расчётами, так как параметры его смоделированной цепи “источник энергии – проводник – потребитель энергии” сильно разнились от опыта к опыту. Зимой 1832-1833 года учёный обнаружил, что причиной нестабильности является кусочек платиновой проволоки, принесённый им с холода. Отогревая или охлаждая проводник, Ленц также заметил что существует некая зависимость между силой тока, электрическим сопротивлением и температурой проводника.

Нагревание кабелей с бумажной изоляцией при длительном протекании тока

При определённых параметрах электрической цепи проводник быстро оттаивал и даже слегка нагревался. Измерительных приборов в те времена практически никаких не существовало – невозможно было точно измерить ни силу тока, ни сопротивление. Но это был русский физик, и он проявил смекалку. Если это зависимость, то почему бы ей не быть обратимой?

Для того чтобы измерить количество тепла, выделяемого проводником, учёный сконструировал простейший “нагреватель” – стеклянная ёмкость, в которой находился спиртосодержащий раствор и погружённый в него платиновый проводник-спираль. Подавая различные величины электрического тока на проволоку, Ленц замерял время, за которое раствор нагревался до определённой температуры. Источники электрического тока в те времена были слишком слабы, чтобы разогреть раствор до серьёзной температуры, потому визуально определить количество испарившегося раствора не представлялось возможным. Из-за этого процесс исследования очень затянулся – тысячи вариантов подбора параметров источника питания, проводника, долгие замеры и последующий анализ.

Причины нагрева кабеля

Токоведущие жилы могут перегреваться по нескольким причинам, которые напрямую связаны с природой электрического тока. Электрическое поле приводит в движение электроны, которые перемещаются по выбранному проводнику. В кристаллических решетках, из которых состоят металлы, действуют сильные молекулярные связи. Представьте шарик для настольного тенниса и паутину. Вторая — более-менее прочна, первый — обладает малым весом, поэтому для того, чтобы шарик разорвал паутину, придется приложить больше усилий. Чем сильнее вы выполните замах, тем более напряженными будут ваши мышцы. Чем больше напряжение, тем выше затрачиваемая энергия. Соответственно и мышцы будут нагреваться сильнее.

Так и электроны вынуждены высвобождать больше тепла, затрачивая немало энергии на преодоление этих молекулярных связей. Такой процесс называется преобразованием электрической энергии в тепловую.

Сравнить такое явление можно с выделением тепла при трении. Можно сказать, что электроны вынуждены тереться о кристаллическую решетку металла и тем самым выделять тепло. Данное свойство металлического кабеля имеет свои преимущества и недостатки. Нагрев может быть полезен на производственных объектах и для бытовых приборов. Он является основным свойством, позволяющим работать электрическим печам, обогревателям, утюгам и чайникам. Однако в обычных электрических сетях это может привести к перегреву и разрушению изоляции, а впоследствии — и вовсе к возгоранию. Могут испортиться техника и оборудование. Происходит подобное в случае превышения заданной нормы для длительных токовых нагрузок.

Перечислим три основные причины перегрева проводника:

Наиболее распространенная — использование кабеля с некорректным сечением. Любой проводник имеет уникальную максимально допустимую пропускную способность по току. Измеряется она в Амперах. Перед подключением бытового прибора нужно определить его мощность и в соответствии с ней подобрать правильное сечение

Важно учесть запас на 30-40%.
Вторая причина — отсутствие качественного контакта в точках соединения линии. Речь идет об участках трассы, где кабель подключается к щитку, автомату или выключателю

Плохой контакт приводит к нагреву. При худших раскладах — полному перегоранию. В большинстве случаев будет достаточно осмотреть контакты и подтянуть все соединения.
Старая электропроводка строилась на алюминиевых жилах, поэтому при модернизации таких кабельных линий зачастую возникает необходимость перехода на медные проводники. В данном случае важно соблюдать технику подключения медных и алюминиевых жил. Без применения специальных клеммников появление окисления — вопрос времени.

Популярные статьи  Освещение коридоров

Старая алюминиевая проводка в квартире

Причины нагрева кабеля

Причины повышения температуры проводников тесно связаны с самой природой электрического тока. Всем известно, что по проводнику под действием электрического поля упорядоченно перемещаются заряженные частицы – электроны. Однако для кристаллической решетки металлов характерны высокие внутренние молекулярные связи, которые электроны вынуждены преодолевать в процессе движения. Это приводит к высвобождению большого количества теплоты, то есть, электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Данное явление похоже на выделение теплоты под действием трения, с той разницей, что в рассматриваемом варианте электроны соприкасаются с кристаллической решеткой металла. В результате, происходит выделение тепла.

Такое свойство металлических проводников имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Эффект нагрева используется на производстве и в быту, как основное качество различных устройств, например, электрических печей или электрочайников, утюгов и другой техники. Отрицательными качествами являются возможные разрушения изоляции при перегреве, что может привести к возгоранию, а также выходу из строя электротехники и оборудования. Это означает, что длительные токовые нагрузки для проводов и кабелей превысили установленную норму.

Существует множество причин чрезмерного нагрева проводников:

  • Основной причиной часто становится неправильно выбранное сечение кабеля. Каждый проводник обладает собственной максимальной пропускной способностью тока, измеряемого в амперах. Прежде чем подключать тот или иной прибор, необходимо установить его мощность и только потом выбирать сечение. Выбор следует делать с запасом мощности от 30 до 40%.
  • Другой, не менее распространенной причиной, считаются слабые контакты в местах соединений – в распределительных коробках, щитках, автоматических выключателях и т.д. При плохом контакте провода будут нагреваться, вплоть до их полного перегорания. Во многих случаях достаточно проверить и подтянуть контакты, и чрезмерный нагрев исчезнет.
  • Довольно часто контакт нарушается из-за неправильного соединения медных и алюминиевых проводов. Чтобы избежать окисления в местах соединений этих металлов, необходимо использовать клеммники.

Для правильного расчета сечения кабеля нужно вначале определить максимальные токовые нагрузки. С этой целью сумма всех номинальных мощностей у используемых потребителей, должна быть поделена на значение напряжения. Затем, с помощью таблиц можно легко подобрать нужное сечение кабеля.

Выбор проводников

Как вы можете понять из всего выше написанного, проводники следует выбирать из условий нагрева. Дабы при определённом токе их температура не превышала максимально допустимую. Сделать это можно своими руками, благодаря таблицам в ПУЭ. Но и в этом вопросе сначала необходимо разобраться.

В ПУЭ приведены таблицы, по которым можно осуществить выбор проводников по нагреву, экономической плотности тока, способу прокладки и другим параметрам. Но для начала мы точно должны знать условия монтажа и работы провода. Давайте разберем, зачем это нужно.

Нагревание кабелей с бумажной изоляцией при длительном протекании тока

Но прежде разберемся с током. Ни для кого не секрет, что в течение времени ток в проводнике будет меняться. И какой из них следует рассматривать в качестве результирующего для выбора сечения проводника, непонятно. На этот вопрос нам отвечает п. 1.3.2 ПУЭ, который гласит, что для выбора следует применять средний ток в течении получаса, наиболее нагруженного в течении суток.

Нагревание кабелей с бумажной изоляцией при длительном протекании тока

  • Теперь давайте определимся с температурой. В разных местах монтажа она может достаточно сильно отличаться от рабочей температуры. Это следует учитывать. Поэтому в табл. 1.3.3 ПУЭ приведены поправочные коэффициенты для различной кабельно-проводниковой продукции, если температуры в которых будет работать кабель, отличается от рабочей.
  • Выбор проводников по нагреву, плотности тока, обязательно учитывает способ прокладки проводника. Это может быть одиночная прокладка по воздуху, а может быть монтаж в земле или в трубах. Согласитесь, теплоотведение у таких проводников будет существенно отличаться. И это обязательно стоит учитывать.
  • Так же следует учитывать количество жил проводника. То ли у нас охлаждается одна жила, то ли три, которые соприкасаются.

Нагревание кабелей с бумажной изоляцией при длительном протекании тока

В итоге мы сможем воспользоваться таблицами 1.3.4. – 1.3.11 ПУЭ, которые предписывают, проводники какого сечения использовать для различных токов, и при использовании проводников с различными типами изоляции.

Нагревание кабелей с бумажной изоляцией при длительном протекании тока

Но эти таблицы можно применять для не самых мощных линий. При расчётах межсистемных высоковольтных линий с напряжением в 330кВ и выше, опираться на эти таблицы нельзя. В этом случае используют таблицу 1.3.36 ПУЭ, которая позволяет выбрать сечение проводников, исходя из экономической плотности тока.

Из этого видео Вы узнаете о требованиях к проводникам.

Искусственные факторы нарушения ПВХ изоляции

К ним относятся:

  • Нарушения технологии производства ПВХ пластиката. Бракованный материал с пониженным содержанием пластификаторов быстрее растрескивается в процессе эксплуатации.
  • Нарушения технологии монтажа. Прокладка кабеля при температурах ниже -15° С, изгибы кабеля радиусом меньше требуемых величин или излишнее натяжение приводят к появлению механических повреждений, трещин, порывов ПВХ оболочек, способствующих их преждевременному выходу из строя.
  • Нарушения эксплуатационных требований к кабелю. Токовая перегрузка жил, использование в сетях с повышенным напряжением, прокладка в несоответствующих условиях по температуре, влажности и давлению, применение нестандартных предохранителей и АЗС приводят к перегреву изоляционного материала, его электрическому пробою и сокращению срока службы.
  • Некачественный контакт в местах соединения и сращивания проводников приводит к искрению, образованию переходных сопротивлений, вызывающих перегрев проводов и разрушение изоляции.
Популярные статьи  Программы для расчета сечения кабеля — обзор 10 популярных

Причины нагрева проводников и их этапы

Так почему при прохождении тока проводник нагревается? Ответ на этот вопрос независимо друг от друга дали Джеймс Джоуль в 1841 году, и Эмиль Ленц в 1842 году. В связи с этим. открытый ими закон получил название Джоуля-Ленца.

Закон Джоуля-Ленца

Нагревание кабелей с бумажной изоляцией при длительном протекании тока

Звучит этот закон, как: мощность тепла, выделяемого в единице объема проводника, равна произведению напряженности электрического тока к его плотности. Если из этого определения вам сразу все стало понятно, то наша статья не для вас. Мы поговорим с теми, кто, как и я, когда услышал первый раз это определение, удивленно хлопал глазами.

Поэтому мы будем по минимуму использовать формулы, а постараемся на пальцах объяснить, что значит этот закон:

Соответственно, чем большее количество времени протекает ток по проводнику, чем большее сопротивление проводника, чем больший ток протекает по проводнику, тем быстрее и больше он нагревается. Вот так характеризует нагревание проводников электрическим током закон Джоуля-Ленца.

Отвод тепла от проводника и этапы нагрева

В связи с приведенным выше свойством, с нагревом проводников нужно бороться. Достигается это за счет выбора оптимального сечения провода, а также материала. То есть, сечение провода должно соответствовать максимально допустимому току, который может протекать в нем, а также нормально выдерживать кратковременные перегрузки.

Дабы все это правильно рассчитать, мы должны знать не только как закон Джоуля-Ленца нагревание проводников электрическим током рассчитывает, но и как посчитать отдачу тепла проводником. Ведь наш проводник находится не в вакууме, и отдает тепло окружающей среде.

Нагревание кабелей с бумажной изоляцией при длительном протекании тока

Сразу давайте определимся, какие параметры влияют на теплоотдачу проводника. Прежде всего, это сечение проводника, ведь вполне логично, что чем большая площадь проводника соприкасается с окружающим воздухом, тем быстрее он ее отдает.

Нагревание кабелей с бумажной изоляцией при длительном протекании тока

  • Следующим важным критерием является так называемый коэффициент теплоотдачи материала, из которого выполнен проводник. Или как этот параметр еще называют — теплопроводность материала. Ведь ни для кого не секрет, что теплопроводность у материалов разная.
  • Ну и последним параметром, является разность между температурой окружающей среды и материалом проводника. Ведь как говорит инструкция: чем больше этот перепад, тем быстрее материал отдает тепло.

Нагревание кабелей с бумажной изоляцией при длительном протекании тока

Исходя из этих всех параметров, влияющих на теплоотдачу, можно предположить, что для любого проводника и любого тока имеется, так называемая, установившаяся температура. То есть, температура, при которой существует равенство получаемой энергии от протекания тока и отводимого тепла.

Закон Джоуля-Ленца

На основании этого и других экспериментов можно сделать следующие предположения:

  • чем больше сопротивление, тем сильнее нагреваются проводники. То есть количество теплоты Q, которое выделяется при протекании электрического тока по проводнику, прямо пропорционально величине сопротивления проводника R;
  • чем больше сила тока, тем большее количества тепла выделяется. При возрастании тока большее количество частиц проходит через поперечное сечение проводника в единицу времени, то есть число столкновений возрастает, а значит больше энергии передается атомам проводника.

Формулу для вычисления количества тепла получили независимо друг от друга в 1842 г. английский физик Джеймс Джоуль и российский ученый Эмилий Ленц:

Q — количество теплоты, Дж;

Согласно закону Ома:

где U — напряжение, В.

Пользуясь этой формулой, закон Джоуля-Ленца может быть представлен еще в одном варианте, когда известно напряжение на участке проводника, а сила тока неизвестна:

Формулы закона Джоуля-Ленца справедливы тогда, когда работа, совершаемая электрическим током идет исключительно на нагревание. Если в цепи есть потребление энергии на выполнение механической работы (электродвигатель) или на совершение химических реакций (электролит), то для расчета необходимо применять другие формулы.

Почему греется проводник

Как же объясняется нагрев проводника? Почему он именно греется, а не остаётся нейтральным или охлаждается? Нагрев происходит из-за того, что свободные электроны, перемещающиеся в проводнике под действием электрического поля, бомбардируют атомы молекул металла, тем самым передавая им собственную энергию, которая переходит в тепловую. Если изъясняться совсем просто: преодолевая материал проводника, электрический ток как бы “трётся”, соударяется электронами о молекулы проводника. Ну а , как известно, любое трение сопровождается нагревом. Следовательно, проводник будет нагреваться пока по нему бежит электрический ток.

Из формулы также следует – чем выше удельное сопротивление проводника и чем выше сила тока протекающего по нему, тем выше будет нагрев . Например, если последовательно соединить проводник-медь (удельное сопротивление 0,018 Ом·мм²/м) и проводник-алюминий (0,027 Ом·мм²/м), то при протекании через цепь электрического тока алюминий будет нагреваться сильнее чем медь из-за более высокого сопротивления. Поэтому, кстати, не рекомендуется в быту делать скрутки медных и алюминиевых проводов друг с другом – будет неравномерный нагрев в месте скрутки. В итоге – подгорание с последующим пропаданием контакта.

Почему нагреваются проводники

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. В проводниках этими частицами выступают отрицательно заряженные электроны. Воздействие электрического поля сообщает электронам дополнительную кинетическую энергию. В процессе движения они сталкиваются с атомами (или молекулами) проводника, отдавая часть приобретенной энергии. По этой причине начинает увеличиваться внутренняя энергия вещества, что приводит к повышению температуры и выделению тепла.

Рис. 1. Электрический ток в проводнике нагревает проводник

Если взять обычную лампочку накаливания и подключить ее к источнику напряжения через реостат (переменное сопротивление), то можно наблюдать тепловой эффект от протекания тока. Постепенно увеличивая ток, мы можем сначала на ощупь почувствовать, что стеклянная колба лампочки постепенно начнет нагреваться, а затем увидим, как начинает светиться раскаленная нить накаливания.

Популярные статьи  Характеристика срабатывания автоматического выключателя

Заметим, что в этом эксперименте подводящие провода сильно не нагреваются и не светятся. Это происходит потому, что сопротивление нити накаливания намного больше сопротивления подводящих проводов .

Типичные повреждения кабелей

Проверка повышенным напряжением позволяет выявить в высоковольтных линиях следующие распространенные типы дефектов:

  • обрывы (в том числе отдельных жил) без заземления;
  • обрывы одной либо нескольких жил с их заземлением;
  • обрывы одной либо нескольких жил, с заземлением целых жил;
  • короткое замыкание между жилами либо на землю, происходящее в результате старения изоляционного покрытия либо коррозии металлических оболочек;
  • механические повреждения (наиболее частые для кабелей, пролегающих в грунте);
  • утечка масла из маслонаполненных кабелей;
  • другие виды повреждений, в том числе множественные нарушения целостности изоляции либо обрывы жил на всем протяжении кабеля.

Среди всех этих дефектов наибольшее распространение имеют однофазные повреждения — при них одна их токопроводных жил замыкается на экранирующую оболочку кабеля. В свою очередь, межфазные нарушения (при котором несколько жил оплавляются и свариваются вместе (а часто — и с экранирующей оболочкой) составляют не более 20% от всех повреждений.

Если рассматривать причины, по которым возникают подобные дефекты, то можно выделить следующие:

  • ошибки проектирования (например — заниженная площадь сечения жил);
  • заводской брак (неравномерная изоляция, заусенцы на токоведущих жилах и другие);
  • механические повреждения при прокладке;
  • нарушения при монтаже муфт;
  • повреждения кабеля в ходе эксплуатации.

В любом случае, для того, чтобы избежать разрушения кабеля во время эксплуатации и вовремя выявить его повреждения, и проводятся испытания с применением повышенного напряжения.

Вывод

Мы очень надеемся, что теперь вы знаете, как можно объяснить нагревание проводника электрическим током, и понимаете сам процесс. Так же вы должны понимать, с чем связаны определенные ограничения при выборе сечения проводников, и не будет ли слишком велика цена игнорирования этих правил.

Ведь все из них основаны на реальных практических и научных обоснованиях, а электротехника очень жестоко наказывает тех, кто их игнорирует.

При прохождении по проводу электрического тока происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Скорость процесса преобразования электрической энергии в тепловую характеризуется мощностью P=UI.

Количество тепла, выделяемого током в проводнике, пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока: Q = I 2 rt (Закон Джоуля-Ленца).

Преобразование электрической энергии в тепловую имеет большое практическое значение для создания ламп накаливания, нагревательных приборов и электрических печей. Однако выделение тепла в проводах и обмотках электрических, машин, трансформаторов, измерительных и других приборов не только бесполезная трата электрической энергии, но и процесс, который может принести к недопустимо высокому повышению температуры и к порче изоляции проводов и даже самих устройств.

Количество тепла, выделяющегося в проводе, пропорционально объему провода и приращению температуры, а скорость отдачи тепла в окружающее пространство пропорциональна разности температур провода и окружающей среды.

В первое время после включения цепи разность температур провода и окружающей среды мала. Только небольшая часть тепла, выделяемого током, рассеивается и окружающую среду, а большая часть тепла остается в проводе и идет на его нагревание. Этим объясняется быстрый рост температуры провода в начальной стадии нагрева.

По мере увеличения температуры провода растет разность температур провода и окружающей среду к увеличивается количество тепла, отдаваемое проводом. В связи с этим рост температуры провода все более замедляется. Наконец, при некоторой температуре устанавливается тепловоз равновесие: за одинаковое время количество выделяющегося в. проводе тепла становится равным рассеивающемуся во внешнюю среду.

При дальнейшем прохождении неизменяющегося тока температура провода не изменяется и называется установившейся температурой .

Время нагревания до установившейся температуры неодинаково для различных проводников: нить лампы накаливания нагревается за доли секунды, электрическая машина – за несколько часов (как показывает анализ, теоретически время нагревания бесконечно велико, мы под временем нагревания будем понимать время, в течение которого провод нагревается до температуры, обличающемся от установившейся не более чем на 1%).

Для изолированных проводов нормами установлена предельная температура нагрева 55 – 100° С в зависимости от свойств изоляции и условий монтажа. Ток, при котором установившаяся температура соответствует нормам, называется предельно допустимым или номинальным током провода. Значение номинальных токов для различных сечений проводов приводится в специальных таблицах в ПУЭ и электротехнических справочниках.

Мощность, развиваемая током в проводе, при которой наступает тепловое равновесие к устанавливается допустимая температура, называется допустимой мощностью рассеивания .

Если по проводу проходит ток больше номинального, то провод оказывается «перегруженным». Однако, поскольку установившаяся температура достигается не сразу, кратковременно можно допустить в цепи ток больше номинального (до момента, пока температура провода не достигнет предельного значения). Слишком большая температура провода, как правило, получается при коротком замыкании.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Денис Серебряков/ автор статьи
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: