Зависимость электрического сопротивления от сечения, длины и материала проводника

На стадии проектирования линий электропередач, информационных и контрольных сетей существенное значение приобретает выбор материала и площади поперечного сечения проводника. Правильное инженерное решение помогает снизить потери, уменьшить вероятность аварийных ситуаций, решить другие задачи. Сравнительно небольшое электрическое сопротивление медного провода объясняет популярность применения этого варианта. Дополнительные преимущества и альтернативы рассмотрены в данной публикации.

Увеличением сечения повышают стойкость проводника к токовым нагрузкам

От чего зависит сопротивление металла

Электрический ток по классическому определению – это направленное движение заряженных частиц. В металлах перемещаются электроны, если создать между двумя точками подключения источника питания разницу потенциалов. Этому процессу препятствуют примеси, поэтому проводимость лучше в однородном материале.

К сведению. Качественные проводники тока выпускают из электротехнической меди, которая содержит не более 0,01% сторонних примесей. Незначительная добавка алюминия (0,02-0,03%) уменьшает проводимость на 10-11%. При большой длине трассы существенно увеличиваются потери на передачу энергии.

Отрицательное влияние оказывают колебательные процессы атомов кристаллической решетки. При повышении температуры увеличивается амплитуда этих движений, что создает дополнительные препятствия перемещению зарядов. Для компенсации этого явления резисторы создают из специальных сплавов. Правильно подобранные пропорции материалов обеспечивают стабильность электрического сопротивления в расчетном температурном диапазоне.

Как рассчитать сечение кабеля по мощности: формула

1️⃣ Первый шаг. Рассчитывается суммарная мощность всех электроприборов, которые могут быть подключены к сети:

2️⃣ Второй шаг. Затем определяется номинальная сила тока в цепи:

3️⃣ Третий шаг. На последнем этапе используются таблицы, согласно ПУЭ (Правила устройства электроустановок).

Таблица сечения медного кабеля по току по ПУЭ-7

Таблица сечения алюминиевого кабеля по току по ПУЭ-7

В правилах устройства электроустановок 7-го издания нет таблиц сечения кабеля по мощности, имеются только данные по силе тока. Поэтому рассчитывая сечения по таблицам нагрузки в интернете, вы рискуете получить неверные результат.

Удельное сопротивление различных металлов

Таблица: диаметр провода — сечение провода

Чтобы рассчитать потери, которые обеспечивает определенная длина проводника, удобно оперировать удельными параметрами. Базовая формула для вычисления электрического сопротивления:

R = p*(L/S),

где:

• L – длина в метрах;
• S – площадь поперечного сечения, мм кв.;
• p – удельное сопротивление кабеля, изготовленного из определенного материала, (Ом*мм кв.)/м.

При необходимости сечение можно вычислить по диаметру (D), применив известную формулу из геометрии:

S = (π * D2)/4.

Если микрометр отсутствует, применяют намотку провода на цилиндрический инструмент (отвертку, карандаш). Далее измеряют длину созданной катушки обычной линейкой, делят полученное значение на количество витков.

Измерение диаметра подручными средствами

Медь и алюминий

Для значительного изменения сопротивления провода достаточно минимального количества примесей. Однако даже при высокой степени очистки медь гораздо лучше проводит электрический ток, по сравнению с алюминием. Ниже приведены значения удельного сопротивления соответствующих материалов. С применением справочных сведений несложно проверить потери при выборе кабельной продукции для формирования трассы определенной длины:

• pм = 0,0175;
• pа = 0,028.

Другие металлы

Удельное сопротивление нихрома составляет от 1,04 до 1,42 (Ом*мм кв.)/метр. Большой разброс параметров объясняется пропорциональным изменением составляющих сплава. Такие материалы применяют для создания нагревательных элементов, так как целостность изделий сохраняется при высокой температуре. С учетом высокого сопротивления нихромовой проволоки на единицу длины этот кабель идеально подходит для создания «теплого пола».

Особенности других материалов (удельное сопротивление Ом*мм кв.)/м):

• золото (0,023) обеспечивает хорошую проводимость и устойчивость к окислению, но стоит дорого;
• ограниченное применение серебра (0,015) также объясняется высокой ценой;
• высокая температура (+3 422°C) плавления вольфрама (0,05) позволяет применять его для изготовления спиралей классических ламп накаливания;
• константан (0,5) применяют для создания резисторов.

Расчет сечения провода

Начнем не с таблицы, а с расчета. То есть, каждый человек, не имея под рукой интернет, где в свободном доступе ПУЭ с таблицами имеется, может самостоятельно определить сечение кабеля по току. Для этого потребуется штангенциркуль и формула.

Если рассмотреть сечение кабеля, то это круг с определенным диаметром. Существует формула площади круга: S= 3,14*D²/4, где 3,14 – это Архимедово число, «D» — диаметр измеренной жилы. Формулу можно упростить: S=0,785*D².

Если провод состоит из нескольких жил, то замеряется диаметр каждой, вычисляется площадь, затем все показатели суммируются. А как вычислить сечение кабеля, если каждая его жила состоит из нескольких тоненьких проводков?

Процесс немного усложняется, но не сильно. Для этого придется подсчитать количество проводков в одной жиле, измерить диаметр одного проводка, вычислить его площадь по описанной формуле и умножить данный показатель на количество проводков. Это и будет сечение одной жилы. Теперь необходимо это значение умножить на количество жил.

Если нет желания считать проводки и измерять их размеры, надо просто замерить диаметр одной жилы, состоящий из нескольких проводов. Снимать размеры надо аккуратно, чтобы не смять жилу. Обратите внимание, что этот диаметр не является точным, потому что между проводками остается пространство.

Соотношение тока и сечения

Чтобы понять, как работает электрический кабель, необходимо вспомнить обычную водопроводную трубу. Чем больше ее диаметр, тем больше воды через нее будет проходить. То же самое и с проводами.

Чем больше их площадь, тем большей силы ток, через них пройдет, тем большую нагрузку такой провод выдерживает. При этом кабель не будет перегреваться, что является самым важным требованием правил пожарной безопасности.

Поэтому связка сечение – ток является основным критерием, который используется в подборе электрических проводов в разводке. Поэтому вам необходимо сначала разобраться, сколько бытовых приборов и какой общей мощности будет подключены к каждому шлейфу.

К примеру, на кухне обязательно устанавливается холодильник, микроволновка, кофемолка и кофеварка, электрочайник иногда посудомоечная машина. То есть, все эти прибору могут в один момент быть включены одновременно. Поэтому в расчетах и используется суммарная мощность помещения.

Узнать потребляемую мощность каждого прибора можно из паспорта изделия или на бирке.

Для примера обозначим некоторые из них:
1. Чайник – 1-2 кВт.
2. Микроволновка и мясорубка 1,5-2,2 кВт.
3. Кофемолка и кофеварка – 0,5-1,5 кВт.
4. Холодильник 0,8 кВт.

Узнав мощность, которая будет действовать на проводку, можно подобрать ее сечение из таблицы. Не будем рассматривать все показатели данной таблицы, покажем те, которые преобладают в быту.

Выбор сечения кабелей

Для крупных расчетов можно использовать специализированный калькулятор на справочном сайте либо соответствующее программное обеспечение. Следующий алгоритм применяют для последовательного вычисления рабочих параметров по формулам:

• при передаче в подключенную нагрузку мощности P = 1 600 Вт в линии с напряжением U = 220 V постоянный ток (I) определяют следующим образом: I = P/U ≈ 7,27А;
• сопротивление медного проводника (в обе стороны) длиной 800 м и сечением 2,5 мм кв.: R = (2*I*p)/S = (2*800*0,0175)/2,5 = 11,2 Ом;
• потери по напряжению в этой трассе: ΔU = (2*L*I)/((1/p)*S) = (2*800*7,27)/((1/0,0175)*2,5) = 11 520/ 142,86 = 80,63 V.

Что такое электрическое сопротивление

При необходимости последнее выражение несложно математически преобразовать для выбора площади поперечного сечения проводника по суммарному значению подключаемой нагрузки:

S = (2*I*L)/((1/p)*ΔU.

В рассмотренном примере потери напряжения составляют более 36%. Этот результат свидетельствует о необходимости корректировки расчета сопротивления проводника. По действующим нормативам допустимо уменьшение контрольного параметра не более, чем на 5 %. Увеличив диаметр провода, можно получить необходимый результат. При сечении 19 мм кв. напряжение уменьшится до 209,41 V (4,81%).

С учетом увеличенного сопротивления алюминиевого провода предполагаются пропорциональные изменения потерь. Выполнив аналогичный расчет, можно получить рекомендованное сечение 31 мм кв. Использование такого проводника в аналогичных условиях снизит напряжение до 209,2 V, что позволит обеспечить соответствие нормативам – 4,92%.

К сведению. Для проверки расчетных данных можно использовать мультиметр. Измерения выполняют в соответствующем диапазоне с учетом амплитуды сигнала, переменного (постоянного) тока.

Измерение сопротивления кабеля мультиметром

При подключении источника питания переменного тока алгоритм вычислений усложняется. Для таких исходных условий пользуются формулой:

ΔU = ((Pа * Rа + Pр * Rи) *L)/ U,

где:

• Pа (Pр) – активная (реактивная) мощность;
• Rа (Rи) – относительное активное (индуктивное) сопротивление линии в Ом на километр.

Для определенных материалов проводников исходные данные берут из справочника. По аналогии с упомянутыми нормативами уменьшение напряжения не должно быть в общем случае более 5%. Дополнительные ограничения применяют с учетом особенностей электрических сетей и подключаемых потребителей (от 1% до 12%). Действующие правила уточняют по тексту последней редакции ПУЭ.

Приведенные итоги расчетов убедительно подтверждают преимущества меньшего удельного сопротивления медного провода. При использовании алюминиевого аналога значительно увеличивается количество материала для передачи электроэнергии с нормативными потерями. Для комплексного анализа следует учитывать лучшие показатели меди по прочности, гибкости.

Алюминий отличается меньшей стоимостью, легкостью. Но при работе с этим материалом следует исключить вибрационные воздействия и перемещения в процессе эксплуатации. Особо тщательно проектируют изгибы, чтобы сохранить целостность проводника. Электрический контакт нарушается образованием окислов на поверхности изделий, изготовленных из этого металла.

К сведению. В определенных ситуациях многое будет значить свободное место для прокладки трассы. По экономии пространства преимущественными параметрами обладает медь.

Выбор сечения проводника по допустимому нагреву

По мере увеличения силы тока повышается температура проводящего металла. На определенном уровне повреждается слой защитной изоляции, созданный из полимеров. Это провоцирует короткие замыкания и образование пламени. Опасные ситуации предотвращают корректным расчетом площади поперечного сечения. Определенное значение имеет способ прокладки (совместный/ раздельный).

Выбор кабельных изделий с учетом нагрева

Выбор сечения по потерям напряжения

Как показано в расчетах, при большой длине трасы нужно учитывать снижение напряжения и соответствующие энергетические потери. В крупных проектах рассматривают всю цепь тока с распределительными устройствами и подключаемыми нагрузками.

Выбор по допустимым потерям

Для точного определения подходящей кабельной продукции рассматривают особенности процесса эксплуатации. Делают необходимый запас, чтобы предотвратить аварийные ситуации при подключении новых потребителей и бросках напряжения в сети питания.

Онлайн калькулятор: расчет сечения кабеля по мощности ТАБЛИЦА

1. Длина кабеля
   . Чем больше провод по длине, тем большие в нём наблюдаются потери тока. Это происходит опять-таки в результате увеличения сопротивления, нарастающего по мере увеличения длины проводника. Особенно это ощущается при использовании алюминиевой проводки. При применении медных проводов для организации электропроводки в квартире, длина, как правило, не учитывается — стандартного запаса в 20–30% (при скрытой проводке) с лихвой достаточно, чтобы компенсировать возможные увеличения сопротивления, связанные с длиной провода.
2. Тип используемых проводов
   . В бытовом электроснабжении используются 2 типа проводников — на основе меди или алюминия. Медные провода качественнее и обладают меньшим сопротивлением, но зато алюминиевые дешевле. При полном соответствии нормам, алюминиевая проводка справляется со своими задачами не хуже медной, так что необходимо тщательно взвесить свой выбор перед покупкой провода.
3. Конфигурация электрощита
   . Если все провода, питающие потребителей, подключены к одному автомату, то именно он и будет являться слабым местом в системе. Сильная нагрузка приведёт к нагреву клеммных колодок, а несоблюдение номинала к его постоянному срабатыванию. Рекомендуется разделять электропроводку на несколько «лучей» с установкой отдельного автомата.