جریان مجاز در کابل های برق چقدر است؟
کابل های برق یکی از اجزای حیاتی هر زیرساخت الکتریکی هستند که برق را از ژنراتورها به ترانسفورماتورها و در نهایت به خانه ها و مشاغل حمل می کنند. یکی از مشخصات کلیدی کابل های برق حداکثر جریانی است که می توانند بدون گرمای بیش از حد تحمل کنند – که به عنوان جریان مجاز یا مجاز شناخته می شود. اما این حد فعلی چگونه تعیین می شود و به چه عواملی بستگی دارد؟ مقدار جریان مجاز کابل چیست؟ در اینجا با جزئیات کامل به مقدار جریان مجاز در کابل های آلومینیومی و مسی میپردازیم. با ما همراه باشید. با جدول
تعریف جریان مجاز
جریان مجاز برای کابل برق به بالاترین جریان الکتریکی اشاره دارد که می تواند به طور مداوم بدون تجاوز از حداکثر دمای کارکرد ایمن ماده هادی حمل کند. فراتر رفتن از این آستانه دما در دوره های طولانی، پیری را تسریع می کند و در نهایت می تواند از طریق آسیب عایق یا ذوب هادی منجر به شکست شود.
برای هادی های مسی و آلومینیومی معمولی که در کابل های برق استفاده می شوند، حداکثر دمای کارکرد ایمن معمولاً به ترتیب 90 درجه سانتی گراد و 95 درجه سانتی گراد تعریف می شود. مقدار کمتر مس نشان دهنده افزایش مقاومت الکتریکی آن در دماهای بالاتر است.
محاسبه جریان مجاز
تعیین درجه جریان مجاز برای یک بخش کابل شامل محاسبه تعادل حرارتی بین گرمایش مقاومتی از جریان الکتریکی و سرمایش از اتلاف گرما به محیط اطراف است.
فرمول اصلی محاسبه از قانون اول ژول که با مفهوم مقاومت حرارتی ترکیب شده است، مشتق شده است:
I = ΔT / (Rθ x R)
جایی که:
- I = جریان مجاز (آمپر)
- ΔT = حداکثر افزایش دمای مجاز (K)
- Rθ = مقاومت حرارتی (K/W)
- R = مقاومت الکتریکی در واحد طول (Ω/m)
مقاومت حرارتی که به عنوان افزایش دما در واحد جریان برق تعریف می‌شود، توانایی کابل را برای دفع گرما نشان می‌دهد. عواملی مانند نوع و ضخامت عایق، محیط اطراف (مجرای زیرزمینی، هوای آزاد) و روش نصب بر این مقدار تأثیر می‌گذارند.
مقاومت حرارتی و مقاومت الکتریکی بالاتر جریان مجاز را کاهش می دهد. تولیدکنندگان ارقام Rθ و R را بر اساس آزمایشات آزمایشگاهی در شرایط استاندارد ارائه می‌کنند.
عوامل کلیدی موثر بر رتبه بندی فعلی
در حالی که فیزیک زیربنای محاسبه جریان مجاز ساده است، مدل سازی دقیق برهمکنش های حرارتی پیچیده بین کابل ها و محیط های اطراف چالش برانگیز است. این منجر به تحقیقات گسترده ای در بهبود مدل های ریاضی و اعتبارسنجی تجربی شده است.
اندازه هادی و مواد
مقاومت الکتریکی در واحد طول مستقیماً به سطح مقطع هادی و مقاومت ماده بستگی دارد. برای افزایش دما یکسان، دو برابر کردن قطر یک چهارم مقاومت، اجازه می دهد تا دو برابر جریان جریان داشته باشد.
مس دارای رسانایی الکتریکی و حرارتی عالی است، خواص ایده آل برای هادی کابل برق. در حالی که آلومینیوم مقاومت بالاتری دارد، هزینه و وزن کمتر آن را برای بخش های کابلی طولانی و بزرگ جذاب می کند. فرمولاسیون های اخیر آلیاژ آلومینیوم به پر کردن شکاف عملکرد با مس کمک می کند.
مواد عایق و ضخامت
مواد عایق رایج برای کابل های برق شامل پلی اتیلن متقاطع (XLPE)، لاستیک اتیلن پروپیلن (EPR) و پلی اتیلن (PE) می باشد. لایه عایق اطراف هادی ها به عنوان یک مانع گرما عمل می کند و راندمان اتلاف گرما را به محیط اطراف بهبود می بخشد. لایه عایق ضخیم تر مقاومت حرارتی کابل را کاهش می دهد.
حداکثر دمای مجاز هادی به مواد عایق بستگی دارد – XLPE و EPR می توانند تا 90 درجه سانتیگراد را تحمل کنند در حالی که PE استاندارد به 70 درجه سانتیگراد محدود شده است.
مقدار جریان مجاز چیست
دمای محیط
دمای محیط یا اطراف نقطه مرجع برای افزایش دمای مجاز هادی را فراهم می کند. کابل های مدفون در زیر زمین نسبت به کابل های سقفی در معرض نوسانات کمتری را تجربه می کنند. استانداردها رتبه های فعلی را برای شرایط محیطی معمولی 25 درجه سانتیگراد و 40 درجه سانتیگراد بیان می کنند.
عملیات در ارتفاعات بالاتر که در آن هوا رقیق تر است نیز اتلاف گرما و در نتیجه درجه جریان را کاهش می دهد. فاکتورهای درجه بندی برای تاسیسات بالاتر از ارتفاع 1000 متری اعمال می شود.
گروه بندی و فاصله گذاری کابل
گروه بندی چند کابل حامل جریان با هم تأثیر پیچیده ای بر جریان مجاز کلی دارد. اثر گرمایش متقابل تمایل به کاهش رتبه بندی فردی دارد. با این حال، اتلاف حرارت کلی نیز به لطف سطح جمعی بزرگتر افزایش می یابد.
فاصله و پیکربندی مناسب گروه‌های کابل برای بهینه‌سازی ظرفیت فعلی و جلوگیری از گرمای بیش از حد موضعی حیاتی است. مدل‌سازی دقیق حرارتی تضمین می‌کند که استانداردهای ترتیبات نصب، جریان کل را به حداکثر می‌رسانند.
اضافه بار اقتصادی در مقابل اضطراری
جداول و استانداردهای منتشر شده ظرفیت کابل، رتبه بندی های فعلی را برای عملکرد مداوم در شرایط عادی ارائه می دهد. کمک هزینه برای اضافه بار موقت مانند در مواقع اضطراری یا اوج تقاضای غیرمعمول وجود دارد.
در عمل، کابل های زیرزمینی اغلب زیر حد حرارتی کار می کنند تا بر اساس ظرفیت حمل اقتصادی، پیری عایق را به حداقل برسانند. اضافه بارهای اضطراری کوتاه مدت از حاشیه ایمنی داخلی بین محدودیت های اقتصادی و حرارتی استفاده می کنند.
تاثیر بر شبکه های انتقال نیرو
جریان مجاز در نهایت به حداکثر ظرفیت انتقال نیرو برای بخش های کابل در شبکه های برق تبدیل می شود. این محدودیت‌های عملی را برای ولتاژهای عملیاتی مورد استفاده برای انتقال از راه دور ایجاد می‌کند.
در حالی که افزایش ولتاژ باعث کاهش جریان برای یک سطح توان معین به دلیل P=VI می شود، ولتاژهای بیش از حد بالا مسائل اقتصادی و عملکردی را ایجاد می کند. الزامات عایق نیز تشدید می شود. بنابراین اپراتورهای سیستم ولتاژهای انتقال را بهینه می کنند – معمولاً در محدوده 115 کیلو ولت تا 765 کیلو ولت.
مقدار جریان مجاز کابل‌های قدرت با هادی مسی
| سه کابل تک رشته در سیستم سه فاز | کابل‌های سه و چهار رشته | کابل‌های دو رشته | کابل‌های تک رشته در سیستم DC | سطح مقطع (mm²) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| هوا (A) | زمین (A) | هوا (A) | زمین (A) | هوا (A) | زمین (A) | هوا (A) | زمین (A) | هوا (A) | زمین (A) | |
| 18 | 27 | 21 | 30 | 26 | 37 | 1.5 | ||||
| – | – | – | – | 25 | 36 | 29 | 41 | 35 | 50 | 2.5 |
| – | – | – | – | 34 | 46 | 38 | 53 | 46 | 65 | 4 |
| – | – | – | – | 44 | 58 | 48 | 66 | 58 | 83 | 6 |
| – | – | – | – | 60 | 77 | 66 | 88 | 80 | 110 | 10 |
| 86 | 110 | 100 | 120 | 80 | 100 | 90 | 115 | 105 | 145 | 16 |
| 120 | 140 | 135 | 155 | 105 | 130 | 120 | 150 | 140 | 190 | 25 |
| 145 | 170 | 170 | 185 | 130 | 155 | 150 | 180 | 175 | 235 | 35 |
| 180 | 200 | 205 | 220 | 160 | 185 | – | – | 215 | 280 | 50 |
| 225 | 245 | 260 | 270 | 200 | 230 | – | – | 270 | 350 | 70 |
| 280 | 295 | 320 | 325 | 245 | 275 | – | – | 335 | 420 | 95 |
| 330 | 335 | 375 | 370 | 285 | 315 | – | – | 390 | 480 | 120 |
| 380 | 380 | 430 | 420 | 325 | 355 | – | – | 445 | 540 | 150 |
| 440 | 430 | 450 | 470 | 370 | 400 | – | – | 510 | 620 | 185 |
| 530 | 490 | 590 | 540 | 435 | 465 | – | – | 620 | 720 | 240 |
| 610 | 550 | 680 | 620 | – | – | – | – | 710 | 820 | 300 |
| 740 | 650 | 820 | 710 | – | – | – | – | 850 | 960 | 400 |
| 860 | 740 | 960 | 820 | – | – | – | – | 1000 | 1110 | 500 |
عوامل کلیدی موثر بر رتبه بندی جریان کابل مسی
اندازه هادی
هادی‌های مسی ضخیم‌تر باعث می‌شوند که قدرت بیشتری داشته باشند – کابل‌های AWG 000 می‌توانند بیش از 500 آمپر را تحمل کنند، در حالی که AWG 2 کمتر از 100 آمپر است.
نوع و ضخامت عایق
یک لایه عایق ضخیم تر اتلاف گرما را بهبود می بخشد و ظرفیت جریان را افزایش می دهد. عایق های معمولی مانند XLPE دارای محدودیت دمایی 90 درجه سانتیگراد هستند.
دمای محیط
دمای محیط بالاتر از طریق فاکتورهای کاهش رتبه، درجه جریان کابل را کاهش می دهد. درجه بندی ها دمای محیط را 25 درجه سانتیگراد فرض می کنند.
شرایط نصب
فاصله گذاری و چیدمان مناسب برای جلوگیری از نقص های موضعی گرمای بیش از حد و بهینه سازی ظرفیت حیاتی است.
شرایط عملیاتی
استانداردهای منتشر شده، جریان‌ها را برای دماهای مختلف از 90 درجه سانتیگراد (شرایط اضطراری کوتاه) تا 60 درجه سانتیگراد یا کمتر (عملکرد مداوم) فهرست می‌کنند.
مقدار جریان مجاز کابل‌های قدرت با هادی آلومینیومی
| سه کابل تک رشته در سیستم سه فاز | کابل‌های سه و چهار رشته | کابل دو رشته | کابل‌های تک رشته در سیستم DC | سطح مقطع (mm²) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| هوا (A) | زمین (B) | هوا (A) | زمین (B) | هوا (A) | زمین (B) | هوا (A) | زمین (B) | هوا (A) | زمین (B) | |
| 26 | 36 | 29 | 41 | 36 | 50 | 4 | ||||
| – | – | – | – | 34 | 45 | 37 | 51 | 45 | 64 | 6 |
| – | – | – | – | 46 | 60 | 51 | 68 | 62 | 85 | 10 |
| 67 | 84 | 78 | 93 | 62 | 78 | 70 | 89 | 82 | 115 | 16 |
| 91 | 110 | 105 | 120 | 82 | 100 | 94 | 115 | 110 | 150 | 25 |
| 115 | 130 | 130 | 145 | 100 | 120 | 115 | 140 | 135 | 150 | 35 |
| 140 | 155 | 160 | 170 | 125 | 145 | 140 | 165 | 165 | 215 | 50 |
| 175 | 190 | 200 | 210 | 155 | 175 | 180 | 200 | 210 | 270 | 70 |
| 220 | 230 | 245 | 250 | 190 | 215 | 215 | 245 | 260 | 325 | 95 |
| 255 | 260 | 290 | 290 | 220 | 245 | 250 | 275 | 300 | 375 | 120 |
| 295 | 295 | 335 | 325 | 250 | 275 | 290 | 315 | 350 | 420 | 150 |
| 340 | 330 | 380 | 365 | 285 | 310 | 335 | 355 | 400 | 480 | 185 |
| 410 | 380 | 460 | 420 | 340 | 360 | 395 | 415 | 480 | 560 | 240 |
| 470 | 430 | 530 | 475 | 390 | 410 | 460 | 465 | 550 | 640 | 300 |
| 570 | 500 | 640 | 550 | 460 | 470 | 550 | 540 | 660 | 740 | 400 |
| 670 | 570 | 740 | 630 | – | – | – | – | 780 | 860 | 500 |
جریان مجاز کابل آلومینیومی
آلومینیوم مقاومت الکتریکی بالاتری نسبت به مس دارد اما سبک تر و کم هزینه تر است. فرمولاسیون آلیاژهای اخیر به بهبود رسانایی و استحکام کمک می کند.
دمای عملیاتی هادی
حداکثر دمای عملیاتی و جریان مجاز کابل آلومینیومی قبل از وقوع اثرات بازپخت کمی بالاتر در 95 درجه سانتیگراد تعریف شده است.
رتبه بندی فعلی مجاز
جریان مجاز به سطح مقطع آلومینیومی کابل و ضخامت عایق بستگی دارد. هادی های بزرگتر به دلیل مقاومت کمتر می توانند جریان بیشتری را تحمل کنند.
عوامل تاثیرگذار
عوامل کلیدی مؤثر بر ظرفیت فعلی با کابل‌های مسی مطابقت دارند – دمای محیط، ترتیبات گروه‌بندی و حاشیه اضافه بار اضطراری.
استانداردها
استانداردهای منتشر شده حداکثر جریان مجاز را برای اندازه های مختلف کابل آلومینیومی تحت شرایط دمایی مختلف از 95 درجه سانتیگراد تا عملکرد مداوم 60 درجه سانتیگراد ارائه می دهند.
ملاحظات استفاده
آلومینیوم برای کابل های انتقال طولانی و با ظرفیت بالا به دلیل وزن و هزینه کمتر جذاب است. روش‌های نصب و اتصالات مناسب برای به حداقل رساندن مقاومت در برابر اکسیداسیون سطح مهم هستند.
نتیجه
تعریف ظرفیت جریان مجاز ایمن نقش مهمی در طراحی و بهره برداری از کابل های برق برای زیرساخت برق دارد. در حالی که محدودیت های حرارتی به عوامل مواد بستگی دارد، تجزیه و تحلیل دقیق شرایط محیطی و نصب برای به حداکثر رساندن مجموع امتیاز جریان حیاتی است.
ادامه تحقیق و آزمایش به اصلاح محاسبات و استانداردهای پیچیده برای فناوری‌های کابلی جدید و محیط‌های عملیاتی متنوع‌تر کمک می‌کند. تلاش برای راندمان بالاتر و هزینه های کمتر به این معنی است که جریان مجاز یک مشخصات کلیدی برای برآوردن نیازهای قابلیت اطمینان و کارایی شبکه باقی خواهد ماند.
سوالات متداول
- جریان مجاز در کابل های برق چیست؟
جریان مجاز به حداکثر مقدار جریان الکتریکی اطلاق می شود که یک کابل برق می تواند بدون تجاوز از محدودیت های حرارتی و مکانیکی خود با خیال راحت حمل کند.
- چه عواملی بر جریان مجاز در کابل های برق تاثیر می گذارد؟
مواد هادی، نوع و ضخامت عایق، دمای محیط و شرایط نصب عوامل کلیدی موثر بر جریان مجاز در کابل های برق هستند.
- چرا رعایت استانداردهای ایمنی برای جریان مجاز مهم است؟
مطابقت با استانداردهای ایمنی، مانند استانداردهای تعیین شده توسط سازمان هایی مانند IEC، NEC، و CENELEC، قابلیت اطمینان و ایمنی تاسیسات الکتریکی را تضمین می کند، از گرمای بیش از حد و سایر خطرات جلوگیری می کند.
- ابررساناهای با دمای بالا چگونه بر جریان مجاز تأثیر می گذارند؟
ابررساناهای با دمای بالا مقاومت الکتریکی را از بین می برند و به کابل های برق اجازه می دهند تا جریان های بسیار بالاتری را حمل کنند. این فناوری طراحی کابل را برای افزایش کارایی متحول کرده است.
- چه چالش هایی در افزایش جریان مجاز وجود دارد و چگونه به آنها رسیدگی می شود؟چالش‌ها شامل اثرات زیست‌محیطی، قابلیت اقتصادی و استانداردسازی جهانی است. تحقیق در مورد مواد پایدار، فناوری‌های مقرون‌به‌صرفه و تلاش‌های مشترک استانداردسازی برای غلبه بر این چالش‌ها ضروری است.