Расчет площади сечения медных жил проводов и кабелей 1 страница

Так, говоря об электропроводке дома или квартиры, будет оптимальным применение: для «розеточных» - силовых групп медного кабеля или провода с сечением жил 2,5 мм2 и для осветительных групп – с сечением жил 1,5 мм2. Если в доме имеются приборы большой мощности, напр. эл. плиты, духовки, электрические варочные панели, то для их питания следует использовать кабели и провода сечением 4-6 мм2.

Предложенный вариант выбора сечений для проводов и кабелей является, наверное, наиболее распространенным и популярным при монтаже электропроводки квартир и домов. Что, в общем-то, объяснимо: медные провода сечением 1,5 мм2 способны «держать» нагрузку 4,1 кВт (по току – 19 А), 2,5 мм2 – 5,9 кВт (27 А), 4 и 6 мм2 – свыше 8 и 10 кВт. Этого вполне хватит для питания розеток, приборов освещения или электроплит. Более того, такой выбор сечений для проводов даст некоторый «резерв» в случае увеличения мощности нагрузки, например, при добавлении новых «электроточек».

Расчет площади сечения алюминиевых жил проводов и кабелей

При использовании алюминиевых проводов следует иметь в виду, что значения длительно допустимых токовых нагрузок на них гораздо меньше, чем при использовании медных проводов и кабелей аналогичного сечения. Так, для жил алюминиевых проводов сечением 2, мм2 максимальная нагрузка составляет чуть больше 4 кВт (по току это – 22 А), для жил сечением 4 мм2 – не более 6 кВт.

 

Не последний фактор в расчете сечения жил проводов и кабелей – рабочее напряжение. Так, при одинаковой мощности потребления электроприборов, токовая нагрузка на жилы питающих кабелей или проводов электроприборов, рассчитанных на однофазное напряжение 220 В будет выше, чем для приборов, работающих от напряжения 380 В.

Вообще, для более точного расчета нужных сечений жил кабелей и проводов необходимо руководствоваться не только мощностью нагрузки и материалом изготовления жил; следует учитывать также способ их прокладки, длину, вид изоляции, количество жил в кабеле и т. д. Все эти факторы в полной мере определены основным регламентирующим документом – Правилами Устройства Электроустановок.

Таблицы выбора сечения проводов

Сечение токопро водящей жилы, кв.мм	Медные провода
Напряжение, 220 В	Напряжение, 380 В
ток, А	мощность, кВт	ток, А	мощность, кВт
1,5		4,1		10,5
2,5		5,9		16,5
		8,3		19,8
		10,1		26,4
		15,4		33,0
		18,7		49,5
		25,3		59,4
		29,7		75,9
		38,5		95,7
		47,3		118,8
		57,2		145,2
		66,0		171,6

 

Сечение токопро водящей жилы, кв.мм	Алюминиевые провода
Напряжение, 220 В	Напряжение, 380 В
ток, А	мощность, кВт	ток, А	мощность, кВт
2,5		4,4		12,5
		6,1		15,1
		7,9		19,8
		11,0		25,7
		13,2		36,3
		18,7		46,2
		22,0		56,1
		29,7		72,6
		36,3		92,4
		44,0		112,2
		50,6		132,0

 

 

16. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

2.1.1. Сущность и значение электрических измерений

В любой области знаний измерения имеют исключительно боль­шое значение, но особенно важны они в электротехнике.

Механические, тепловые и световые явления человек воспри­нимает при помощи своих органов чувств и может приблизительно оценить размеры предметов, скорость их движения, яркость све­тящихся тел.

Но мы с вами совершенно одинаково реагируем на провод­ник, ток которого равен 10 мА или 1 А (т.е. в 100 раз больше).

Мы видим форму проводника, его цвет, но наши органы чувств не позволяют оценить силу тока. Также мы не ощущаем влияния магнитного поля, созданного катушкой, электрического поля меж­ду обкладками конденсатора. Медицина установила определенное влияние электрических и магнитных полей на организм человека, но это влияние мы не ощущаем и величину электромагнитного поля оценить не можем. Исключение составляют только очень сильные поля. Но и здесь неприятное покалывание, которое можно заметить, гуляя около высоковольтной линии передачи, не позволит нам даже прибли­зительно оценить величину электрического напряжения в линии.

Все это заставило физиков и инженеров с первых шагов иссле­дования и применения электричества пользоваться электроизме­рительными приборами.

Для измерения электрических и магнитных величин служат электроизмерительные приборы: амперметры, вольтметры, галь­ванометры и другие, а также их комбинации. Процесс измерения заключается в сравнении определяемой физической величины с ее значением, принятым за единицу.

Измерение одной величины можно заменить измерением дру­гой величины, с ней связанной. Как правило, всякое измерение в конечном счете сводят к определению перемещения стрелки или светового пятна по шкале.

Измерительная аппаратура подразделяется на приборы и эта­лоны. Измерительные приборы обладают высокой точностью и надежностью, возможностью автоматизации процесса получения данных и передачи их на дальние расстояния, простотой ввода результатов в электрические вычислительные устройства и т.д. Поэтому они широко используются в системах ручного или авто­матического контроля и поддержания на заданном уровне пара­метров промышленных установок и технологических процессов.

С помощью измерительных устройств контролируется качество и количество выпускаемой продукции, соответствие ее характе­ристик установленным нормам. Разработаны и применяются элек­трические измерители влажности, температуры, давления и т.д.

Первостепенную роль электрические измерения играют в научных исследованиях.

2.1.2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ.ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Существует два основных метода электрических измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения.

При методе непосредственной оценки измеряемую величину отсчитывают не­посредственно по шкале прибора. При этом шкалу измеритель­ного прибора предварительно градуируют по эталонному прибо­ру в единицах измеряемой величины. Как правило, такая граду­ировка производится на заводе при изготовлении прибора. Дос­тоинствами этого метода являются удобство отсчета показаний и малые затраты времени на измерение. Метод непосредственной оценки широко применяется в различных областях техники для контроля и регулирования технологических процессов, в полевых условиях, на подвижных объектах и т.д. Недостаток метода — срав­нительно невысокая точность измерений.

При методе сравнения измеряемую величину сравнивают не­посредственно с эталоном, образцовой или рабочей мерой. В этом случае точность измерений может быть значительно повышена. Метод сравнения используется главным образом в лабораторных условиях, он требует сложной аппаратуры, высокой квалифика­ции операторов и значительных затрат времени. В последнее вре­мя аппаратура сравнения все более автоматизируется.

Электроизмерительные приборы непосредственной оценки позволяют отсчитать числовое значение измеряемой величины на шкале или цифровом устройстве прибора.

При измерении непрерывной величины неизбежна некоторая погрешность Δ — разница между измеренным А_ИЗ и действитель­ным А значениями измеряемой величины:

Δ=А_из-А (2.1.1)

Эту разницу называют абсолютной погрешностью измерения. Она определяется систематическими и случайными погрешностями прибора, а также ошибками оператора.

Для более полной характеристики измерений вводят понятие относительной погрешности измерения δ, %:

(2.1.2)

 

Величины Δ и δ характеризуют точность измерения. Во многих случаях возникает необходимость охарактеризовать точность при­бора. Для этой цели вводят понятие приведенной погрешности из­мерения γ, %:

(2.1.3)

 

 

где А_max — максимальное значение шкалы прибора, т. е. предель­ное значение измеряемой величины.

Наибольшая приведенная погрешность определяет класс то­чности прибора. Если, например, класс точности амперметра ра­вен 1,5, то это значит, что наибольшая приведенная погрешность γ = ±1,5 %.

Различают основную и дополнительную погрешности. Основ­ная погрешность возникает при нормальных условиях работы, указанных в паспорте прибора и условными знаками на шкале. Дополнительные погрешности возникают при эксплуатации при­бора в условиях, отличных от нормальных (повышенная темпера­тура окружающей среды, сильные внешние магнитные поля, не­правильная установка прибора и т.д.).

Пример 6.1. Определить погрешность при изменении тока ам­перметром на 30 А класса точности 1,5, если он показал 10 А.

Р е ш е н и е.

Возможна наибольшая абсолютная погрешность прибора

ΔI = (1,5/100) *30 = 0,45%

Следовательно, истинное значение тока находится в пределах 9,55 … 10,45 А.

Относительная погрешность измерения

δI = (0,45/10) *100 = 4,5%

6.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Измерение — это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Технические средства электрических измерений, предназначен­ные для выработки сигналов измерительной информации, кото­рые функционально связаны с измеряемыми физическими вели­чинами в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, называются электроизмерительными приборами.

Все приборы классифицируются по различным признакам.

1. По виду измеряемой величины, когда классификация производится по наименованию единицы измеряемой величины. На шкале прибора пишут полное его наименование или начальную латинскую букву единицы измеряемой величины, например: амперметр — A, вольтметр — V, ваттметр — W и т.д.

2. По физическому принципу действия измерительного механизма прибора. Такая классификация определяется способом преобразования электрической величины в механическое действие подвижной части прибора.

В ряде приборов используют преобразовательные устройства в комплекте с обычным измерительным механизмом. Например, для измерения переменного тока магнитоэлектрическим прибором используют выпрямитель с полупроводниковым элементом.

3. По роду тока. Эта классификация позволяет определить, в цепях какого тока можно применять данный прибор. Это обозначают условными знаками на шкале.

На приборах переменного тока указывают номинальное значе­ние частоты или диапазон частот, при которых их применяют, например: 20... 50... 120 Гц; при этом подчеркнутое значение явля­ется номинальным для данного прибора.

Если на приборе не указан диапазон рабочих частот, то он предназначен для работы в установках с частотой 50 Гц.

4. По классу точности. Класс точности прибора обозначают цифрой, равной допускаемой приведенной погрешности, которая выражена в процентах. Выпускают приборы следующих классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Для счетчиков активной энергии шкала классов точности несколько другая: 0,5; 1,0; 2,0; 2,5. Цифра, обозначающая класс точности, указывается на шкале прибора.

Класс точности прибора определяет основную погрешность прибора, которая обусловлена его конструкцией, технологией изготовления и имеет место при нормальных условиях эксплуата­ции (температура, влажность, отсутствие внешних электрическо­го и магнитного полей и вибрации, правильная установка и т.д.).

5. По типу отсчетного устройства. Отсчетное устройство прибора состоит из шкалы и указателя. Шкалы могут быть или проградуированные в единицах измеряемой величины (их применяют в однодиапозонных приборах), или условные, которые имеют 75, 100 или 150 делений (их применяют в многодиапазонных приборах).

В качестве указателя используются стрелки или световое пятно с чертой. Во избежание параллакса, вызываемого неправильным положением глаза наблюдателя относительно шкалы и стрелки, шкалу дополняют зеркалом. При измерении необходимо добиться такого положения глаза, чтобы стрелка совпадала со своим отра­жением в зеркале. Такую шкалу применяют в переносных прибо­рах с классом точности не ниже 1,0.

6. По системе отсчета. Электроизмерительные приборы, показания которых являются непрерывными функциями изменения измеряемых величин, называются аналоговыми. Измерительные приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представлены в цифровой форме, называются цифровыми.

7. По способу снятия показаний. Если электроизмерительный прибор допускает только считывание показаний, то его называют показывающим, а если он допускает и считывание, и регистрацию (или только регистрацию) показаний, то его называют регистрирующим. Если показания прибора можно записать в форме диаграммы, то его называют самопишущим.

Часто применяют интегрирующие приборы, в которых значе­ния изменяемой величины суммируются по времени или по дру­гой независимой переменной. Из интегрирующих приборов всем известен счетчик электрической энергии.

8. По степени оценки. Электроизмерительные приборы подразделяются на приборы непосредственной оценки, в которых подвижная часть измерительного механизма реагирует на значение измеряемой величины, и приборы сравнения, в которых измеряемая величина сравнивается с величиной, значение которой известно. Примером приборов сравнения являются измерительные мосты и потенциометры.

9. По способу установки. Электроизмерительные приборы подразделяются на щитовые, предназначенные для монтажа на приборных щитах и пультах управления, и переносные.

10. По положению при измерении. Электроизмерительные приборы располагают по вертикали, по горизонтали или устанавливают под некоторым углом.

11. По исполнению в зависимости от условий эксплуатации. Класс прибора определяется пятью группами по диапазону рабочих температур и относительной влажности. Предельные значения определяют условия хранения и перевозки приборов.

12. По устойчивости к механическим воздействиям приборы подразделяются на группы в зависимости от значения максимального ускорения при тряске или вибрации (м/с²): обыкновенные с повышенной прочностью, нечувствительные к вибрации, вибропрочные, нечувствительные к тряске, тряскопрочные и ударопрочные.

13. По степени защиты от внешних магнитных и электрических полей приборы подразделяются на категории 1 и 2. От воздей­ствия внешних полей приборы защищают экранированием изме­рительного механизма.

На шкалу электроизмерительного прибора наносят условные обозначения (табл. 2.1.1).

Таблица 2.1.1. Условные обозначения, наносимые на шкалу электроизмерительного прибора

 

	Класс точности 1,5
	Постоянный ток
	Переменный (однофазный) ток
	Постоянный и переменный токи
	Трехфазный ток
	Прибор магнитоэлектрической системы
	Прибор электромагнитной системы
	Прибор электродинамической системы
	Прибор индукционной системы
	Прибор устанавливается горизонтально; вертикально; под углом 60°
	Изоляция прибора испытана при напряжении 2 кВ
	Для закрытых отапливаемых помещений
	Для закрытых неотапливаемых помещений
	Для полевых условий

6.4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ

Электромеханические приборы составляют большую группу электроизмерительных приборов. Их основным частям являются электроизмерительная цепь и измерительный механизм.

Измерительная цепь служит для преобразования измеряемой величины х в некоторую промежуточную электрическую величину y, функционально связанную с величиной х, т.е. у =f(x). Элек­трическая величина у, например ток или напряжение, непосредственно воздействует на измерительный механизм; ее называют вводной величиной. Она создает механические силы, действующие на подвижную часть измерительного механизма и вызывающие перемещение последней (чаще всего угловое). Поэтому измери­тельный механизм рассматривают как преобразователь электри­ческой величины в механическое перемещение и называют элек­тромеханическим преобразователем.

Общими элементами электромеханических измерительных при­боров являются отсчетное устройство; подвижная часть измери­тельного механизма; устройства для создания вращающего, про­тиводействующего и успокаивающего моментов.

Вращающий момент М_ВР, действующий на подвижную часть, является функцией измеряемой величины х (тока или напряже­ния): М_ВР =f(x).

Отсчетное устройство обязательно имеет шкалу и указатель. На шкалу нанесены отметки в виде коротких черточек, соответству­ющие определенным значениям измеряемой величины. Интервал между соседними отметками шкалы называется делением. Значе­ние измеряемой величины отсчитывается с помощью указателя. Как правило, указатели имеют вид стрелок. В зависимости от фи­зических явлений, положенных в основу создания вращающего момента, различают магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные и электростатические из­мерительные механизмы, или преобразователи.

Принцип действия прибора, возможность его работы в тех или иных условиях, возможные предельные погрешности прибора могут быть установлены по условным обозначения, нанесенным на циферблат прибора.

Цифровые электроизмерительные приборы

В последние годы большое распространение находят цифровые электроизмерительные приборы. Они измеряют значения непре­рывно изменяющейся величины в отдельные (дискретные) мо­менты времени и представляют полученный результат в цифро­вой форме.

Основное достоинство цифровых приборов заключается в том, что результат измерения может подвергаться дальнейшим физи­ческим и математическим преобразованиям без увеличения по­грешности.

Использование цифровых приборов с дискретным отсчетом позволило создать многоканальные автоматические устройства для централизованного контроля многих параметров, характеризующих сложные технологические процессы.

Цифровые электроизмерительные приборы имеют высокие точ­ность измерений (погрешность от 0,1 до 1 %), быстродействие, широкие пределы измерений; легко комплектуются с цифровы­ми вычислительными машинами; позволяют передавать результа­ты без искажений на неограниченные расстояния.

К недостаткам этих приборов следует отнести их сравнитель­ную сложность и высокую стоимость.

На практике часто возникает необходимость измерения неэлек­трических величин. С этой целью широко используют электриче­ские приборы, причем разновидностей электрических приборов для определения неэлектрических величин значительно больше, чем для измерения электрических.

Электроизмерительные приборы, используемые в этих це­лях, имеют ряд преимуществ перед неэлектрическими. Прежде всего следует отметить их низкую инерционность, т.е. способ­ность быстро реагировать на изменение измеряемой величины, широкий диапазон измерений, возможность включения в элек­трические цепи, а следовательно, использования их при дис­танционном и автоматическом управлении технологическими процессами и т.д.

6.5. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ, ТОКОВ И МОЩНОСТИ

Включение электроизмерительных приборов в электрическую цепь не должно изменять ее параметров. Однако это невозможно, так как любой измерительный прибор потребляет энергию, кото­рая расходуется на приведение в движение измерительного меха­низма, а также на нагрев обмоток и других токопроводящих дета­лей прибора.

В цепях постоянного тока для измерения тока и напряжения чаще применяют приборы магнитоэлектрической системы и реже — приборы электромагнитной и электродинамической систем. Для измерения мощности и энергии в основном используют электро­динамические приборы.

Для измерения тока включают амперметр в цепь последова­тельно (рис. 6.1, а). Чтобы он оказывал меньшее влияние на пара­метры цепи, сопротивление его должно быть небольшим. При измерении токов свыше 10 А применяют приборы с наружным шунтом, падение напряжения на котором составляет 75 мВ и который присоединяет­ся к амперметру калиброванными прово­дами.

Рис. 6.1. Схемы включения измерительных приборов: а — амперметра; б — вольтметра

Для измерения напряжения на каком-либо участке цепи включают вольтметр па­раллельно этому участку (рис. 6.1, б). Что­бы не произошло заметного изменения па­раметров цепи и увеличения тока в ее неразветвленной части, сопротивление вольт­метра должно быть большим. Чем больше сопротивление вольтметра, тем прибор луч­ше. Для расширения пределов измерения последовательно с вольт­метром включают добавочный резистор.

Рис. 6.2. Схема включе­ния ваттметра

Для измерения мощности в цепях постоянного и однофазного переменного токов используют ваттметры электродинамической системы. Схема включения ваттметра электродинамической сис­темы представлена на рис. 6.2. Неподвижную (амперметровую) обмотку ваттметра включают в цепь последовательно, подвижную (вольтметровую) — параллельно потребителю. В соответствии с этим на лицевую панель ваттметра выведено четыре зажима, два из которых обозначены символом I (токовые зажимы), а два дру­гих — символом U(зажимы напряжения). Два зажима помечены точками и называются генераторными.

Для получения такой схемы генераторные зажимы следует объе­динить и подключить к одному и тому же проводу. Генераторные зажимы являются началами обмоток. При правильном включении ваттметра стрелка будет отклоняться вправо. Чтобы изменить на­правление отклонения стрелки, необходимо изменить направле­ние тока в любой из обмоток ваттметра.

6.6. ШУНТЫ И ДОБАВОЧНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Рамка магнитоэлектрического прибора имеет катушку, выпол­ненную из тонкого провода, который рассчитан на очень малень­кий ток. Поэтому магнитоэлектрические амперметры могут изме­рять силу тока величиной несколько десятков миллиампер.

Рис. 6.3. Схема включения шунта

Для увеличения пределов измерения амперметров в цепях по­стоянного тока применяют шунт — резистор с очень малым со­противлением, который включают параллельно прибору (рис. 6.3).

Распределение токов в рамке амперметра 1_А и шунте I_ш обрат­но пропорционально их сопротивлениям:

(6.4)

 

Измеряемый ток равен сумме токов:

I=I_А+I_Ш (6.5)

Из формул (6.4), (6.5) выразим ток в шунте и получим

 

(6.6)

Коэффициент п называется коэффи­циентом шунтирования. Он показыва­ет, во сколько раз нужно увеличить показания амперметра с шунтом, чтобы получить измеряемый ток:

 

Если известны коэффициент шунтирования и сопротивление амперметра, то легко найти сопротивление шунта:

 

Пример 4.2. Определить сопротивление шунта, который необ­ходим, чтобы амперметром на 1 А с сопротивлением 0,075 Ом измерить ток величиной 25 А.

Это сопротивление должно быть выдержано очень точно, иначе при измерении возникнет боль­шая ошибка.

Шунт представляет собой резистор с очень маленьким сопро­тивлением, поэтому шунт делают в виде короткой пластинки до­вольно большого сечения.

Манганиновая пластинка имеет четыре зажима. Силовые зажи­мы служат для подключения измеряемого тока; к потенциальным зажимам подключают измерительный прибор. Такая конструкция уменьшает влияние переходного сопротивления контактов на то­чность измерения.

Р е ш е н и е.

Определим коэффициент шунтирования:

 

Теперь найдем сопротивление шунта:

 

Если необходимо расширить пределы измерения вольтметра, то к нему последовательно подключают добавочное сопротивле­ние R_Д (рис 6.4). Оно необходимо для того, чтобы через прибор проходил ток, не прерывающий допустимого значения:

R_Д = R_V(m-1)

Рис. 6.4. Схема включения добавочных сопротивлений

где R_V — сопротивление вольтметра; т — число, показывающее, во сколько раз измеряемое напряжение больше того напряжения, на которое рассчитан прибор. Его определяют по формуле

 

где U — измеряемое напряжение, U = I_V(R_V+ R_Д); U_V — напряже­ние, на которое рассчитан вольтметр, U_V = I_VR_V.

Важной характеристикой прибора является мощность, кото­рая выделяется в самом приборе, шунте или добавочном резисто­ре. Электрики называют эту мощность собственным потребителем прибора. Она должна быть по возможности малой. Иногда говорят по-другому: прибор, включенный в электрическую цепь, не дол­жен изменять режим ее работы.

Собственное потребление магнитоэлектрических приборов очень мало — составляет сотые и тысячные доли ватта, поэтому в элек­тротехнических установках это правило всегда выполняется. Но в электронных устройствах подключение электроизмерительного прибора может существенно изменить распределение токов и на­пряжений. Тогда используют электронные вольтметры, собствен­ное потребление которых чрезвычайно мало.

6.7. ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГИИ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЧЕТЧИК

Электрический счетчик — самый распространенный элект­роизмерительный прибор. Он стоит в каждой квартире, во всех учреждениях, на заводах и фабриках, т.е. у всех потребителей электрической энергии. По своему устройству счетчик похож на асинхронный двигатель, только магнитное поле счетчика не вращается, а движется прямолинейно — это «бегущее» магнит­ное поле.