Důvod, proč se elektrické vodiče zahřívají – MediaPublisher 6.0

Bezpečný provoz elektrických spotřebičů a zařízení závisí na mnoha faktorech, které je třeba vzít v úvahu při provádění elektroinstalačních prací. Jedním z hlavních faktorů mezi těmito faktory je zahřívání elektrických vodičů během provozu. Tato vlastnost, kterou má jakýkoli drát, do značné míry určuje pravidla pro zapojení a připojení spotřebičů elektřiny, určuje výběr kabelu a přípustnou hodnotu připojeného zatížení. Proč se drát zahřívá, když jím prochází elektřina?

Důvody ohřevu vodičů spočívají v samotné povaze elektrického proudu. Jak je známo, proud je uspořádaný pohyb nabitých částic (elektronů) podél vodiče pod vlivem elektrického pole. Krystalová mřížka kovů má extrémně vysoké vnitřní molekulární vazby, které musí elektrony v procesu pohybu překonat. V důsledku toho se uvolňuje značné množství tepla a elektrická energie se přeměňuje na tepelnou energii. Docela zhruba, ale zároveň jasně se to dá přirovnat k uvolňování tepla při tření. Elektrony procházejí vodičem a „třou“ se o atomy kovové krystalové mřížky, což vede k uvolňování tepla.

Přeměna elektrické energie na tepelnou je jak velmi cenná vlastnost, tak nežádoucí efekt. Právě tato vlastnost umožňuje využívat elektřinu k vytápění v široké škále zařízení a zařízení, od průmyslových elektrických pecí až po domácí rychlovarnou konvici. Činnost jakéhokoli elektrického osvětlovacího zařízení je založena na stejném efektu. Jinými slovy, člověk se naučil v praxi extrémně efektivně využívat vlastnosti elektrického proudu na vodiče tepla.

Na druhou stranu takové zahřívání může vést k nežádoucím a často velmi nebezpečným následkům. Zejména zahřívání vinutí transformátorů, elektromotorů a dalších zařízení snižuje efektivitu jeho použití. Překročení určité teploty může vést k poruše zařízení. O nejnebezpečnějších důsledcích můžeme hovořit v případech, kdy se elektrický kabel nebo vodič používaný k připojení spotřebitelů, například elektroinstalace v bytě nebo kabel pro připojení výrobního zařízení, zahřeje nad určitou normu. Překročení určité teploty izolovaného drátu může způsobit spálení izolace. I když nedojde k požáru, roztavení izolace vede ke zhoršení jejích vlastností, což může způsobit zkrat. V tomto případě závisí pravděpodobnost vzniku požáru především na účinnosti použitých ochranných prostředků. Zahřívání kabelů je tedy jedním z hlavních nebezpečí požáru. Stačí říci, že zkratované vedení způsobuje značný počet požárů v obytných a komerčních budovách. Navíc dlouhodobé přehřívání vede ke změně mechanických vlastností kovu. To může vést například k přetržení nadzemního elektrického vedení, což může být také spojeno nejen se ztrátami, ale i s možným ohrožením osob.

Každý kabel popř izolovaný drát má maximální přípustnou teplotu ohřevu. Tato hodnota závisí především na vlastnostech použité izolace. Takže teplota drátu s pryžovou izolací by neměla překročit 50-65 stupňů, s papírovou izolací – 80 stupňů. U drátů s izolací z moderních polymerních materiálů může maximální teplota ohřevu dosáhnout 100 stupňů. Přesnou hodnotu přípustné teploty ohřevu uvádí u každé značky drátu nebo kabelu výrobce.

Klíčovou podmínkou pro zabránění přehřátí vodiče a vyhnutí se jeho negativním důsledkům je správný výběr kabelu pro připojení určitých spotřebičů. Chcete-li vybrat správný elektrický kabel, musíte pochopit, jaké faktory určují stupeň ohřevu elektrického vodiče. Za tímto účelem se musíte obrátit na vzorce ze školního kurzu fyziky.

Hlavním vzorcem popisujícím proces přeměny elektrické energie na teplo je Joule-Lenzův zákon:

Q – množství tepla uvolněného při průchodu elektrického proudu vodičem,

• I – aktuální síla,
• R – elektrický odpor vodiče,
• t – doba průchodu elektrického proudu vodičem.

Tyto vzorce nám umožňují určit parametry, které můžeme změnit, abychom řídili množství a rychlost ohřevu drátů. Síla proudu závisí na jmenovitém výkonu všech připojených vodičů. To je hodnota, ze které lze vycházet při výpočtech. Hlavním parametrem, jehož hodnota se může měnit, je elektrický odpor. Jeho hodnota je určena vlastnostmi kovu vodiče a průřezem kabelu. Proto je nutné volit průřez kabelu podle výkonu. To umožňuje snížit elektrický odpor drátu, což zase umožňuje snížit zahřívání na přijatelné limity.

Průřez kabelu je nutné volit podle výkonu tak, aby byla zajištěna nejen bezpečnost provozu elektrické sítě, ale i účinnost. Při výběru kabelu s větším průřezem, než je nutné, vznikají při elektroinstalaci neodůvodněné náklady. Na druhou stranu, pokud se v budoucnu plánuje připojení dalších spotřebitelů, mělo by to být také zohledněno při výběru průřezu kabelu ve směru jeho zvětšení.

Chcete-li určit požadovaný průřez kabelu, měli byste nejprve vypočítat maximální proud spotřebovaný zátěží. K tomu je nutné vydělit celkový jmenovitý výkon všech instalovaných spotřebičů napětím. Na základě aktuální hodnoty se určí výkonový průřez kabelu pomocí speciálních tabulek uvedených v „Pravidlech elektrické instalace“ (PUE). Můžete také použít přibližný přípustný poměr proudu na průřez kabelu, který poskytuje dostatečnou přesnost. Takže pro měděný drát je přípustný proud 10 ampérů na čtvereční mm2, pro hliník – 8 ampérů na mm2. V případě instalace skryté kabeláže se tyto hodnoty násobí korekčním faktorem 0,8.

© Copyright 2014 Kabelové centrum “Elkab”

Zeptejte se kteréhokoli elektrikáře: co je na kabelu nejdůležitější? – Odpoví, že je to jeho schopnost vést elektrický proud. A čím větší proud je potřeba nést, tím silnější musí být kabel. Kabel se obvykle skládá z několika vodičů, uvnitř kterých je položeno vodivé jádro. Existují však kabely, jejichž hlavní vlastností není vést proud k zátěži, ale fungovat jako zátěž sama. O těchto kabelech a jejich vlastnostech bude řeč v článku.

Když vodiči protéká příliš velký proud, začnou se zahřívat, což způsobuje různé problémy: od zrychleného stárnutí kabelů a zkrácení životnosti zařízení až po úplné poruchy a požáry. Proto vám každý normální elektrikář řekne, že když se kabel zahřeje, je to špatné a nemělo by se to stávat.

Kabelové vytápění však může být výhodné, pokud je řízeno a uvedeno do provozu. Pro tento účel se vyrábějí speciální topné kabely, jejichž vytápění je hlavní spotřebitelskou vlastností. Pojďme si tedy společně připomenout základní fyziku a podívat se, jak to platí pro topné kabely.

Odolnost měděného drátu

Výchozím parametrem, na jehož základě se provádějí všechny výpočty s vodiči, je měrný odpor drátu. ρ, který má rozměr Ohm mm 2 /m. Pro slitinu mědi, která se používá v běžných elektrických rozvodech, ρ=0,0175 Ohm mm2/m. Ale to je teoretická hodnota, ve skutečnosti může být vyšší – 0,018 nebo 0,019. Tato hodnota závisí na složení slitiny a integritě výrobce.

Co to číslo znamená? ρ? Dovolte mi uvést příklad. Vezměme jeden drát s průřezem S = 1,5 mm2 , délka L=1 km. Jeho odpor lze vypočítat pomocí vzorce:

R=(ρ L)/S = 11,6 Ohm

Odolnost běžných typů vodičů je regulována GOST 22483-2012. Kromě toho tato norma GOST reguluje změnu odporu drátu v závislosti na teplotě. Tato změna je ale tak malá, že je ve většině případů zanedbávána.

Stejně jako u běžného drátu je velmi důležitým parametrem také odpor topného vodiče. Ostatně určuje další parametr, který charakterizuje jeho topné vlastnosti – lineární výkon (W/m). Když to znáte z dokumentace nebo výpočtů, můžete vypočítat množství tepelné energie podle zákona Joule-Lenz pomocí následujícího vzorce:

Q=I2Rt=UIt (J)

V přírodě existují zásadně dva typy topných kabelů, budu o nich mluvit dále, určitě budou příklady.

Odporové kabely s konstantním výkonem

Drát v takovém kabelu má jádro ze speciální slitiny. Tato slitina má určitý odpor, který je větší než odpor mědi. Odpor metru takového kabelu se pohybuje od jednotek do desítek ohmů v závislosti na požadované teplotě a oblasti použití.

Příklady průmyslových značek takových kabelů a vodičů jsou MNT, SNF, PNSV a další. Písmeno „H“ v názvu kabelu znamená „vytápění“.

Odporové topné kabely jsou v zásadě dvou typů podle způsobu připojení: s jedním nebo dvěma vodiči. Pokud je pouze jedno jádro, musíte kabel položit tak, aby se oba konce sbíhaly na jednom místě.

Když má kabel dvě žíly, zjednodušuje to instalaci. Začátek kabelu je připojen k silovým svorkám a na konci je namontována spojovací koncovka.

Izolace topných kabelů je určena pro vysoké provozní teploty (až 100 °C) a je obvykle vyrobena z fluoroplastu. Kromě izolace bývá oplet (zástěna), který funguje jako dodatečná ochrana.

Na fotografii je dvouvodičový odporový topný kabel. Můžete vidět dva pracovní vodiče, zemnící vodič, stínění a vnější plášť.

Z fyzikálního hlediska je kabel navržen stejně jako jakýkoli topný článek, jako je páječka nebo žehlička. A stejně jako páječka jsou některé odporové kabely navrženy tak, aby byly neustále zapnuté. To je například relevantní v zimě při použití topného kabelu k vytápění střech.

V ostatních případech, stejně jako u žehličky, je potřeba regulovat teplotu topného kabelu. K tomuto účelu se používají termostaty (regulátory teploty) – zpravidla elektronické, se zpětnovazebním čidlem.

Nápadným příkladem použití topného kabelu, který v zimě potěší naše promrzlé nohy, je elektrická vyhřívaná podlaha.

Topné odporové kabely jsou vyráběny pro konkrétní výkon a napětí a mají pevnou délku, nelze je stříhat.

Mezi vámi a mnou lze takový kabel přestřihnout nebo prodloužit, ale pro získání stejného výkonu bude zapotřebí jiné napětí. Nebo bude teplota ohřevu jiná, což může hrát krutý vtip.

Při zvýšeném žáru (při příliš vysokém odporu nebo napětí) se stane totéž jako u běžného kabelu – izolace se začne tavit a životnost se sníží.

Zákony objevené před více než 150 lety ještě nebyly zrušeny!

V průmyslu a každodenním životě se topný kabel používá například pro vytápění potrubí. Ve stavebnictví – pro zahřátí betonu při lití při nízkých teplotách. V tomto případě je topný kabel položen do výztuže a po nalití betonu je několik dní dodáváno napětí.

Stojí za zmínku, že odporový kabel se zahřívá po celé délce a při jeho instalaci je nutné zajistit úseky na trase, které jsou položeny běžným drátem. V opačném případě dojde k ohřevu tam, kde to není potřeba – například uvnitř elektrického panelu.

Ukázkovým příkladem jsou odporové kabely.

Například položení vyhřívané podlahy pod dlaždice. Není zde nic složitého, hlavní je vše rozložit a zapojit podle návodu. Základem vyhřívané podlahy v příkladu je topná rohož od HEM.

Kabel má dvě zóny – topnou (hlavní) a studenou, vyrobenou z obyčejného měděného drátu. Hranice mezi zónami je označena, to je důležité vědět při instalaci.

V návodu je uvedeno, že kabel podlahového topení má výkon 150 W, maximální teplotu 80 °C a odpor 347 Ohm. Zkontrolujeme výkon pomocí vzorce:

P = U2/R = 140 W,
je to skoro jako v návodu.

Je třeba říci, že při takovém výkonu je velmi důležité položit tepelnou izolaci pod podlahu, jinak bude vytápění neúčinné – většina tepelné energie se vyplýtvá na zbytečné vytápění spodní části podlahy (nebo stropu sousedů níže, pokud se jedná o byt).

Podlaha spotřebovává málo, ale také potřebuje termostat – pro úsporu elektřiny a pro případy, kdy „příliš mnoho dobré věci je špatné“.

Čidlo posílá informace termostatu, který zase při zahřívání dá povel k vypnutí a při ochlazení dá povel k napájení kabelu podlahového topení.

Rozdíl mezi hodnotami zapnutí/vypnutí termostatu se nazývá šířka hysterezní smyčky a měří se ve °C.

Samoregulační topné kabely

Tyto kabely mají také určitý odpor, který však není konstantní, ale závisí na teplotě. A teplota zase závisí na proudu a odporu, jako u klasického topného kabelu.

Hlavním rozdílem takových kabelů je, že není nutné instalovat senzory a obávat se přehřátí kabel sám nastaví optimální teplotu změnou svého odporu.

Tento kabel se skládá z paralelně zapojených částí (vodivých matric), z nichž každá je nezávislým topným tělesem, které lze připojit a namontovat samostatně. Příkladem jsou topná tělesa Unimat, kterým se také říká tyčové podlahové vytápění. Tyče lze vyrobit i ve formě filmu.

Další konstrukční možností je dvoužilový kabel určité délky, který eliminuje jakékoli řezání a je celý namontován na vyhřívanou konstrukci. Příkladem je samoregulační kabel KDBS.

Z principu samoregulace vyplývá zajímavá vlastnost: zatímco je vytápěný objekt studený, kabel pracuje na plný výkon. Při zahřívání se zvyšuje odpor, klesá výkon a teplota se stabilizuje na optimální úrovni.

Další výhodou samoregulačního kabelu je úspora energie a tento proces probíhá automaticky.

Za zmínku stojí, že samoregulační kabely se používají i u čidel a termostatů, kdy není potřeba vytápět objekt na maximální výkon. Například při použití ve vyhřívaných podlahách.

Samoregulační vyhřívaná podlaha

Uvedu příklad vyhřívané podlahy, která používá samoregulační kabel.

Pokyny říkají, že lineární metr takové teplé podlahy ve studeném stavu spotřebuje 116 W a při 60 ° C – 77 W. To znamená, že s rostoucí teplotou se zvyšuje odpor topných těles, výkon klesá a teplota je nastavena na nějakou optimální hodnotu. Pro přesné nastavení teploty (pokud nechcete, aby se podlaha příliš zahřívala) slouží čidlo s regulátorem, stejné jako u odporové podlahy.

Takže zahřátí drátů není vždy špatné, když to použijete!

Zdroj: Alexander Yaroshenko, autor blogu „SamElektrik.ru“ Publikováno v časopise „Electrotechnical Market“ č. 1 2020.

Přihlaste se k odběru Elec.ru. Jsme v Telegramu, VKontakte a Odnoklassniki