Электроника:Постоянный ток/Физика проводников и диэлектриков/Допустимые токовые нагрузки на провода

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Допустимые токовые нагрузки на провода[1]

Чем меньше площадь поперечного сечения провода, тем больше сопротивление (при прочих равных условиях). Провод с бо́льшим сопротивлением будет рассеивать большее количество тепловой энергии при любом заданном значении тока, мощность которого равна P = I2R.

Рассеиваемая мощность из-за сопротивления проводника проявляется в виде тепла, и чрезмерное тепло может повредить провод (не говоря уже об объектах рядом с проводом), особенно с учётом того, что чаще всего проводная изоляция сделана из пластика или резины, а эти материалы при высоких температурах могут расплавиться или загореться. Таким образом, тонкие провода выдерживают меньший ток, чем толстые, при прочих равных условиях. Предельная токовая нагрузка – это и есть максимально допустимая величина тока в проводнике.

В целях безопасности в США определены стандарты для электропроводки, которые перечислены в Национальном электротехническом кодексе (обозначается как NEC, от National Electrical Code). В типовых таблицах NEC для допустимой нагрузки проводов указаны максимальные токи, в зависимости от размеров и сферы применения. Хотя температура плавления меди теоретически накладывает ограничения по токовой нагрузке на провода, материалы, обычно используемые для изоляции проводников, плавятся при температурах значительно ниже точки плавления меди. На практике рейтинги по предельной токовой нагрузке основаны на тепловых ограничениях именно для изоляции. Падение напряжения в результате чрезмерного сопротивления проводов также является фактором при выборе размеров проводников для их использования в цепях, но этот фактор лучше оценивать с помощью более сложных средств (которые мы рассмотрим в этой главе). А пока посмотрим на таблицу, составленную на основании стандартов NEC:

Токовая нагрузка медных проводов на открытом воздухе при 30°С

Изоляция: RUW, T THW, THWN FEP, FEPB
Тип: TW RUH THHN, XHHW
Размер (AWG) Текущий рейтинг
@60°C @75°C @90°C
20 * 9 - * 12,5
19 * 13 - 18
16 * 18 - 24
14 25 30 35
12 30 35 40
10 40 50 55
8 60 70 80
6 80 95 105
4 105 125 140
2 140 170 190
1 165 195 220
1/0 195 230 260
2/0 225 265 300
3/0 260 310 350
4/0 300 360 405

* = оценочные значения; как правило, провода малого диаметра не производятся с изоляцией такого типа.

Обратите внимание на существенные различия в допустимой нагрузке между проводами одинакового сечения с разными типами изоляции. Это связано, опять же, с тепловыми ограничениями (60°C, 75°C, 90°C) для каждого типа изоляционного материала.

Эти значения допустимой нагрузки приведены для медных проводов, используемых «на открытом воздухе» (т.е. предполагается максимальная типичная циркуляция воздуха). Значения для проводников, помещённых в кабели или кожухи для проводов, будут иными. Как вы уже заметили, в таблице не указаны значения силы тока для проводов малых размеров. Это связано с тем, что система стандартов NEC ориентирована в первую очередь на применение силовой проводки (большие токи, большие провода), и не разрабатывалась для тонких проводов из небольших электронных устройств со слабыми токами.

Последовательности букв, используемые для обозначения типов проводников, расшифровываются определённым образом. Как правило, эти буквы относятся к свойствам изолирующего слоя (или слоев, их может быть и несколько) для провода. Некоторые из этих отдельных букв символизируют индивидуальные свойства провода, а иногда группа букв является просто сокращением. Например, буква «Т» сама по себе означает «термопластик» в качестве изоляционного материала, как в случае «TW» или «THHN». Однако трехбуквенная комбинация «MTW» является аббревиатурой для Machine Tool Wire (станочная проволока) – это тип провода, гибкая изоляция которого сделана так, чтобы провод подходил для использования в движущихся механизмах или испытывающих вибрацию.

Изоляционный материал

  • C = хлопчатобумажный (Cotton)
  • FEP = фторированный этилен-пропилен (Fluorinated Ethylene Propylene) (фторопластик)
  • MI = минеральный (Mineral) (обычно это оксид магния)
  • PFA = перфторалкоксилированный полимер (Perfluoroalkoxy)
  • R= резина (Rubber) (иногда в качестве заменителя резины также используется неопрен)
  • S = силиконовая «резина» (Silicone «rubber»)
  • SA = силиконовый асбест (Silicone-asbestos)
  • T = термопластик (Thermoplastic) (огнеупорный пластик)
  • TA = асбестовый термопластик (Thermoplastic-asbestos)
  • TFE = политетрафторэтилен (Polytetrafluoroethylene) (известен также как «тефлон»)
  • X = сшитый синтетический полимер (Cross-linked synthetic polymer) (имеет сетчатую структуру)
  • Z = модифицированный этилен-тетрафторэтилен (Modified ethylene tetrafluoroethylene)

Тепловой номинал

  • H = 75°C
  • HH = 90°C

Наружное покрытие («чехол», «обшивка»)

Особые условия эксплуатации

  • U = подземный (Underground)
  • W = влажные условия (Wet)
  • -2 = 90°C + влажные условия

Таким образом, проводник, обозначенный как «THWN» имеет изоляцию, сделанную из термопластика (Thermoplastic), имеет тепловой номинал Н (Hot), то есть устойчив к температуре 75°C, рассчитан на влажные (Wet) условия W, и буква N указывает на то, что изоляция поставляется с нейлоновой (Nylon) оболочкой.

Подобные буквенные коды используются только для проводов общего назначения, например, используемых в домашних условиях и на предприятиях. Если это электрическая цепь с особо высокой мощностью и/или речь идёт о тяжёлых условиях эксплуатации проводников в сложных технологиях, то специальная проводка для таких случаев не поддаётся стандартной классификации по нескольким буквенным кодам. Провода линий электропередач обычно изготавливаются из чистого металла и подвешиваются на стеклянных, фарфоровых или керамических опорах, известных как изоляторы. Даже в этом случае фактическая конструкция провода, способного выдерживать физические нагрузки, как статические (собственный вес), так и динамические (ветер), может быть очень сложной, многослойной, где слои выполнены из разных металлов, намотанных вместе, чтобы сформировать единый провод. Крупные подземные силовые провода иногда изолируются бумагой, а затем заключаются в стальную трубку, заполненную сжатым азотом или маслом, чтобы предотвратить проникновение воды. Для таких проводов требуется вспомогательное оборудование для поддержания давления жидкости по всей трубе.

Другие изоляционные материалы применяются в небольших приборах. Например, проволока малого диаметра, используемая для изготовления электромагнитов (катушек, создающих магнитное поле за счёт потока электронов), часто покрыта тонким слоем эмали. Эмаль является прекрасным изоляционным материалом и к тому же представляет собой очень тонкий слой, что позволяет наматывать множество «витков» проволоки, и такая намотка будет занимать совсем немного места.

Итог

  • Сопротивление провода генерирует тепло в рабочих электрических цепях. Это тепло потенциально может привести к возгоранию.
  • Тонкие провода пропускают меньший по значению максимально допустимый ток (т.е. имеют более низкую «предельную токовую нагрузку»), чем толстые провода ввиду их большего сопротивления на единицу длины и, следовательно, большего тепловыделения на единицу тока.
  • Национальный электротехнический кодекс (NEC) определяет допустимую силу тока для силовой проводки в зависимости от допустимой температуры изоляции и условий применения провода.

См.также

Внешние ссылки