Сечение выбирают по расчётному току линии: ток считают по мощности нагрузки (для сети 220 В – I = P / (U × cosφ)), затем по таблицам главы 1.3 ПУЭ берут ближайшее сечение, у которого допустимый ток выше расчётного, с поправками на способ прокладки, число проводников в пучке и температуру воздуха. Типовые пары «медное сечение – автомат»: 1,5 мм² – 10–16 А, 2,5 мм² – 16–20 А, 4 мм² – 25 А, 6 мм² – 32 А, 10 мм² – 50 А. Свой случай можно посчитать в калькуляторах сечения и падения напряжения.
Выбор по току – только первый шаг. Протяжённые линии дополнительно проверяют на падение напряжения (не более 5 % у потребителя, для освещения – 3 %), а сечение – на термическую стойкость при коротком замыкании. Для длинных переносок и временных строительных сетей именно падение напряжения чаще всего заставляет брать сечение на ступень больше, чем требует ток.
Почему жила греется
Сечение жилы определяет, насколько провод греется под нагрузкой, а вместе с этим – пожарную безопасность линии и потери энергии в ней. При протекании тока в проводнике выделяется тепло; процесс описывается законом Джоуля–Ленца:
Где: Q – выделяющееся количество теплоты (Дж); I – сила тока, протекающего по проводнику (А); R – электрическое сопротивление проводника (Ом); t – время протекания тока (с). Сопротивление проводника, в свою очередь, зависит от его геометрических параметров и материала жил:
Где: ρ – удельное электрическое сопротивление материала (для меди при 20°C ρ ≈ 0,0172 Ом·мм²/м, для алюминия ρ ≈ 0,028 Ом·мм²/м); L – длина проводника (м); S – площадь поперечного сечения жилы (мм²). Вместе обе формулы дают простую зависимость: чем меньше сечение S, тем выше сопротивление R, а тепло растёт квадратично с ростом тока. Если температура нагрева жилы превысит предельно допустимые значения для материала изоляции (обычно 70°C для ПВХ и 90°C для сшитого полиэтилена согласно ГОСТ 31996-2012), произойдет термическая деструкция диэлектрика, ведущая к короткому замыканию и возгоранию.
Шаг 1. Считаем ток по мощности
Начинают не с таблиц, а с расчётного тока линии. Исходные данные – паспортные мощности подключаемой техники.
Однофазная сеть 220/230 В
Формула для определения тока при однофазной нагрузке:
Пример: тепловой генератор мощностью 4,5 кВт (4500 Вт) в сети 220 В при cosφ = 1. Ток равен:
Трёхфазная сеть 380/400 В
Формула для сбалансированной трехфазной нагрузки:
Пример: промышленный щит РУСП 63А с суммарной нагрузкой 22 кВт (22 000 Вт) при cosφ = 0,85. Ток равен:
Шаг 2. Таблицы допустимых токов ПУЭ
С расчётным током идут в главу 1.3 ПУЭ. Она задаёт длительно допустимые токи для разных материалов жил, типов изоляции и условий прокладки (в воздухе, в земле, в коробах, одиночно или в пучках).
По таблице 1.3.4 ПУЭ (провода с медными жилами, резиновая и ПВХ-изоляция) каждому сечению соответствует свой допустимый ток. Для однофазного примера с током 20,45 А: жила сечением 1,5 мм² допускает лишь 19 А при прокладке в трубе или 23 А открыто в воздухе. С запасом на нагрев и возможную групповую прокладку кабелей берут сечение 2,5 мм² (до 30 А открыто).
Для трехфазного примера с током 39,32 А: по таблице 1.3.6 ПУЭ (кабели с медными жилами) трёхжильный кабель сечением 4 мм² при прокладке в воздухе выдерживает до 35 А – прокладка в кабель-канале трактуется именно как прокладка в воздухе. Этого недостаточно. Следующее стандартное сечение 6 мм² обеспечивает допустимый ток 42 А, что перекрывает расчётную потребность в 39,32 А. По п. 7.1.34 ПУЭ-7 и п. 15.3 СП 256.1325800.2016 алюминиевые жилы во внутренних питающих и распределительных сетях жилых зданий применяют от 16 мм², поэтому для меньших сечений берут медь. Ограничение не абсолютное: приказом Минэнерго России от 20.12.2017 № 1196 абзацы первый и шестой п. 7.1.34 ПУЭ признаны не подлежащими применению, а п. 15.3 СП 256.1325800.2016 допускает алюминиевые сплавы марок 8030 и 8176 по таблице 15.3.
| Сечение медной жилы (мм²) | Допустимый ток (А) при прокладке в одной трубе (однофазная цепь, 2 жилы) | Допустимый ток (А) при прокладке открыто в воздухе | Максимальная мощность нагрузки (кВт) при 220В (открыто, cosφ=1) | Максимальная мощность нагрузки (кВт) при 380В (открыто, cosφ=0,85) |
|---|---|---|---|---|
| 1,5 | 19 | 23 | 5,0 | 12,8 |
| 2,5 | 27 | 30 | 6,6 | 16,8 |
| 4,0 | 38 | 41 | 9,0 | 22,9 |
| 6,0 | 46 | 50 | 11,0 | 27,9 |
| 10,0 | 70 | 80 | 17,6 | 44,7 |
| 16,0 | 85 | 100 | 22,0 | 55,9 |
Шаг 3. Поправки на условия прокладки
Табличные значения ПУЭ без поправочных коэффициентов брать нельзя. Длительно допустимый ток уменьшается, если кабели прокладываются не одиночно, а группами, или если температура окружающей среды отличается от базисной (+25°C для воздуха).
При совместной прокладке нескольких кабелей в одном лотке или коробе ухудшаются условия теплоотвода. По п. 1.3.11 ПУЭ при более чем четырёх одновременно нагруженных проводниках в трубе, коробе или пучке ток берут как для открытой прокладки со снижающим коэффициентом 0,68 (5–6 проводников), 0,63 (7–9), 0,6 (10–12). Если базовый ток для сечения 4 мм² при открытой прокладке равен 41 А, то в пучке из 5 кабелей он составит:
Аналогично, если температура воздуха на объекте в летний период достигает +40°C, применяется температурный коэффициент по таблице 1.3.3 ПУЭ. Таблицы 1.3.4–1.3.11 нормированы на температуру жил +65 °C при расчётной температуре воздуха +25 °C, и для этой строки таблицы 1.3.3 при температуре воздуха +40 °C коэффициент равен 0,79. Коэффициент определяется нормированной температурой жил и расчётной температурой среды, а не материалом изоляции сам по себе. Без этих коэффициентов полимеры стареют быстрее и защитная оболочка разрушается.
Посмотреть в каталоге: Кабели и провода силовые для стационарной прокладки, Кабель силовой, Провод одножильный.
Шаг 4. Проверяем падение напряжения
Сечение, выбранное по току и мощности, обязательно проверяют ещё и на падение напряжения в конце линии. Особенно это касается временных строительных сетей, где длина кабеля от распределительного устройства до конечного инструмента может достигать 100–150 метров. Нормативное падение напряжения не должно превышать 5% от номинального значения сети (СП 256.1325800.2016, ГОСТ Р 50571.5.52); при этом отклонение напряжения у потребителя не должно выходить за ±10% согласно ГОСТ 32144-2013.
Падение напряжения ΔU в вольтах для однофазной цепи считают по формуле:
Пример: по медному кабелю сечением 2,5 мм² (S) длиной 80 метров (L) протекает ток 16 А (I). Падение напряжения составит:
В процентах к сети 220 В: (17,61 / 220) × 100% = 8,0%, норматив 5% превышен. При таком напряжении (202,3 В вместо 220 В) у электроинструмента падает крутящий момент и сильно греются обмотки статора, он может выйти из строя. Сечение 4 мм² задачу не решает (ΔU = 44,032 / 4 = 11,01 В, то есть 5,0 %, ровно на границе норматива), норме соответствует 6 мм²: ΔU = 44,032 / 6 = 7,33 В (3,3 %). Для цепей освещения предел жёстче – 3 % (ГОСТ Р 50571.5.52-2011, приложение G, таблица G.52.1).
Посчитать падение напряжения для своей линии можно в калькуляторе ниже.
Шаг 5. Проверяем стойкость к току короткого замыкания
Расчёт по длительно допустимому току нагрузки (рабочему нагреву) – только первый этап выбора сечения. ПУЭ-7 (глава 1.4) и ГОСТ Р 52736-2007 требуют проверить выбранное сечение на термическую стойкость при токах короткого замыкания (КЗ). При КЗ ток скачком растёт до тысяч ампер. При таких значениях теплота в медной или алюминиевой жиле выделяется настолько быстро, что теплоотдачей в окружающую среду можно полностью пренебречь. Процесс идёт адиабатически (без теплообмена).
Смысл проверки: жила не должна расплавиться, а изоляция – загореться за те миллисекунды или секунды, которые нужны электромагнитному расцепителю автоматического выключателя для разрыва цепи. Минимальное сечение по термической стойкости считают по интегралу Джоуля:
Шаг 1: Определение тока трехфазного короткого замыкания. Ток КЗ считают по полному сопротивлению петли «фаза-ноль» (Z_loop) от трансформатора до наиболее удаленной точки распределительного щита. Для примера возьмём расчётный или замеренный ток КЗ (I_sc) 1500 А (1,5 кА).
Шаг 2: Определение времени срабатывания защиты. Полное время (t), в течение которого ток КЗ воздействует на кабель, складывается из собственного времени срабатывания автомата и времени горения электрической дуги внутри дугогасительной камеры аппарата. Для модульных автоматов это время принимают равным 0,02 секунды (при больших токах) или определяют по время-токовой характеристике. С запасом принимаем t = 0,1 секунды.
Шаг 3: Выбор термического коэффициента. Коэффициент K – табличная константа, он зависит от материала жилы и типа изоляции и учитывает начальную и предельно допустимую температуры. Для медной жилы с ПВХ-изоляцией (которая выдерживает кратковременный нагрев до 160 °C при КЗ) коэффициент K = 115 А·√с/мм². Для меди с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), способного выдерживать до 250 °C, K = 143 А·√с/мм².
Шаг 4: Вычисление минимального сечения. Формула адиабатического нагрева:
Подставляем полученные значения:
Шаг 5: Результат. Чтобы проводник не разрушился при токе КЗ 1500 А в течение 0,1 секунды, его сечение должно быть не менее 4,12 мм². Округляя до ближайшего большего стандартного значения, получаем кабель сечением 6 мм². Кабель 2,5 мм², выбранный только по рабочему току 20 А, такого воздействия не выдержит: жила перегреется, и ПВХ-оболочка может воспламениться раньше, чем автоматический выключатель отключит линию.
Сечение и автомат
Автоматический выключатель защищает не нагрузку, а кабель: номинал автомата подбирают так, чтобы длительно допустимый ток линии не был превышен. Типовые сочетания для медных жил, согласованные с таблицами главы 1.3 ПУЭ: 1,5 мм² – автомат 10–16 А, 2,5 мм² – 16–20 А, 4 мм² – 25 А, 6 мм² – 32 А, 10 мм² – 50 А. Ставить автомат «с запасом вверх» относительно сечения нельзя: при перегрузке он не отключит линию, и кабель будет греться сверх допустимого.
Подобрать сечение медной жилы и номинал автомата для своего случая можно в калькуляторе ниже.
Посмотреть в каталоге: Кабели и провода силовые для стационарной прокладки, Кабель силовой, Провод одножильный, Выключатель автоматический модульный.
Источники
- Правила устройства электроустановок (ПУЭ) – «главы 1.3, 2.1, 7.1 – выбор сечений, электропроводки, электрооборудование жилых и общественных зданий». Главы 1.3 и 2.1 приказом № 204 не утверждались – действуют тексты 6-го издания.
- ГОСТ 31996-2012 – «Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение 0,66; 1 и 3 кВ. Общие технические условия». текст стандарта
- ГОСТ 22483-2021 – «Жилы токопроводящие для кабелей, проводов и шнуров». текст стандарта