Поговорим о пусковом токе тёплого пола и обычных медных проводов, который мало кто принимает во внимание при расчётах. Некоторые возразят — ток тут не очень большой, если сравнивать с электродвигателями, а значит, и серьёзного влияния он не оказывает.
Не соглашусь. Ведь этот параметр хоть и меньше, однако, он серьёзно зависит от разных факторов и может превышать номинальное значение в несколько раз. А это значит, что в совокупности, пусковой ток может оказать серьёзное влияние на работу коммутационных аппаратов и защиты. Рассмотрим всё подробно.
Не знаешь закон Ома — сиди дома!
Вспомним школьный курс физики. Отношение напряжения, силы тока и сопротивление описывается законом Ома. Это, конечно, в общем случае, однако, нам сейчас это и требуется.
Отсюда можно вывести, что сопротивление равно:
R=U/I;
Также есть ещё одна известная формула:
R=(ρ*l)/S;
Здесь удельное сопротивление обозначается буквой ρ (ро), длина обозначается буквой l, а площадь сечения обозначается буквой S.
Вроде бы из этой формулы должно следовать, что сопротивление будет увеличиваться линейно при увеличении напряжения. Однако в реальной жизни это совсем не так.
Допустим, что у нас есть регулируемый блок питания, оборудованный амперметром и вольтметром и спираль от нагревательного прибора с номинальным напряжением 12 В.
Подключим эту спираль к блоку питания. Плавно увеличивая напряжение, можно заметить, что ток не будет увеличиваться линейно. Наоборот, при достижении номинального напряжения, спираль будет нагреваться больше, а ток будет расти медленнее.
Эта особенность металлического проводника связана с тем, что при протекании по нему электрического тока, электроны сталкиваются с различными препятствиями. Данные препятствия обусловлены различными дефектами кристаллической решётки.
При столкновении с ними электронов, последние теряют часть своей энергии, которая переходит в тепло. Следовательно, при увеличении температуры, возрастает и сопротивление проводника.
Чем больше температура - тем тяжелее электронам "протискиваться" через проводник. И наоборот - чем больше электронов, тем больше ток и нагрев.
Возможно, причина путается со следствием, но факт остается фактом.
Формула, описывающая эту зависимость выглядит так:
R=R0(1+αt)
В этой формуле R0 — сопротивление проводника при температуре равной 0℃, α — температурный коэффициент сопротивления.
Этот коэффициент зависит от материала.
Удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления при 20℃ некоторых металлов и сплавов сведены в таблицу.
* данные взяты из таблицы 7 учебника Основы электротехники, Кузнецов М.И.
Как видно, для самых ходовых материалов проводников (медь, алюминий с α = 0,0042) изменение сопротивления от температуры будет максимальным.
Однако, в этой таблице данные указаны для 20℃. Как же рассчитать сопротивление для температуры, которая нужна нам?
Какой пусковой ток нихрома и меди?
На этот счёт есть ещё одна формула:
Rt=R20(1+α(t-20℃))
Соответственно, в этой формуле R20 — сопротивление проводника при 20℃.
Всё познаётся на примерах. Решим простую задачку из учебника Кузнецов М.И. «Основы электротехники».
Требуется определить сечение 20 м нихромовой проволоки, если сопротивление её равно 25 Ом. Это делается по известной формуле:
Теперь исходя из имеющихся данных, рассчитаем и сравним сопротивление двух отрезков проволоки из нихрома и меди, при разных температурах, имеющих одинаковую длину и рассчитанную площадь сечения. Данные сведём в таблицу.
Итог расчётов — наглядно видно, как при увеличении температуры увеличивается и сопротивление проводника.
Учитывая, что рабочая температура нихромовой спирали - не более 1000℃, ток нагревательного элемента в холодном и рабочем состоянии уменьшится примерно на 15%.
Этим объясняется расхождение расчетного тока ТЭНа (на основе измерения омметром) и измерения тока токовыми клещами. Кто с таким встречался?
А теперь посмотрите, как сильно меняется сопротивление меди:
Вывод, который сразу бросается в глаза - если медная жила по какой-то причине нагревается с 20℃ до 80℃ (это может быть нагрев проходящим током, либо внешним источником тепла), её сопротивление повышается на 24 %. Соответственно меняется и ток.
Конечно, в реальной жизни 80℃ - за гранью длительно допустимого тока большинства кабелей и проводов. Но можете подставить любой другое значение, файл Эксель прилагаю.
Как это использовать? Предлагаю самим решать, напишите в комментарии, как это знание пригодится на практике.
Чтобы не загромождать статью, все расчеты выложил в отдельном файле, который можно будет скачать в конце статьи. Там же можно сказать указанный учебник по электротехнике.
Как меняется пусковой ток нагревательного элемента?
По аналогии с проволокой, при подаче напряжения на нагревательные элементы тёплого пола, возникает увеличение тока — пусковой ток. Он также зависит от материала, температуры окружающей среды, длины секции и мощности.
Для тёплого пола могут применяться резистивные и саморегулирующие нагревательные кабели. При этом они также зависят от коэффициента теплового сопротивления, а значит, его нужно обязательно учитывать при расчёте пускового тока.
Резистивные кабели могут иметь нагревательный элемент, изготовленный из стали, нихрома, латуни и т. п. Для примера рассмотрим кабель IQ FLOOR CABLE 20 Вт/м.
Нужно отметить, что информацию о материалах, которые применяются в конструкции греющего элемента, как правило, можно найти только в подробной инструкции. Но большинство продавцов вообще не считают нужным указывать такую информацию. Пример.
Открываем инструкцию и смотрим, из чего сделана нагревательная жила:
Как может сопротивление 10 метров меди (точнее, 20, т.к. туда-сюда) быть больше 200 Ом??? Кто знает, из чего делают такие жилы на самом деле, и почему производители скрывают эту информацию?
В любом случае, методика расчета имеется, если необходимо посчитать - подставьте нужные параметры в Эксель, и получите стартовый (пусковой) ток и рабочий ток.
Пусковой ток саморегулирующего кабеля теплого пола
Наиболее заметно влияние пускового тока на примере саморегулирующего нагревательного кабеля. Очень условно его конструкцию можно представить как совокупность множества резисторов, подключённых параллельно к источнику питания.
Сопротивление этих резисторов напрямую зависит от температуры окружающей среды. Следовательно, при подключении такого нагревательного элемента к источнику питания, да ещё вдобавок при уменьшении температуры окружающей среды, в несколько раз увеличивается ток, протекающий по электрической цепи.
Непосредственно жилы не предназначены для нагрева, они лишь подводят напряжение к нагревательным элементам между ними.
После нагрева кабеля, который может занимать от 3 до 30 секунд, стартовый ток начинает снижаться. При этом величина тока зависит от состава материалов матрицы. Далее, в течение пяти или десяти минут происходит стабилизация работы кабеля, после чего достигается номинальная мощность.
Расчёт стартового тока для кабеля марки Samreg
Допустим, что нам требуется рассчитать ток пуска для саморегулирующего кабеля Samreg-40-2CR. Удельная мощность для этого кабеля составляет 40 Вт/метр. Длина отрезка равна 50 метров.
Получается, что номинальная мощность, то есть разогретого кабеля, при температуре +10℃ рассчитывается как:
Рном=40*50=2000 Вт
Для «холодного» кабеля требуется это значение умножить на дополнительный коэффициент, учитывающий пусковой ток. В интернете пишут, что это значение получено экспериментальным путём и составляет для этой марки 2,5-3.
Получаем:
Рп=2000*2,5=5000 Вт
Следовательно, ток, при пуске равен:
Iп=5000/220=22,7 А
Из этого делаем вывод, что если при выборе параметров автоматического выключателя или автоматического выключателя дифференциального тока принять только номинальное значение мощности кабеля, мы неизбежно допускаем серьёзную ошибку.
Прекрасно пишет об этом производитель:
Можно ли уменьшить пусковой ток?
Помните, что в начале статьи, мы рассматривали лампу накаливания? Так вот, одним из способов снижения тока, возникающего при пуске в работу саморегулирующегося кабеля, также является устройство плавного пуска, например, ICEFREE-ПП.
Прибор будет поддерживать при холодном запуске такое значение, которое не будет превышать номинальный ток. Следовательно, можно применять автоматы защиты и проводники, рассчитанные на номинальный ток.
При холодном пуске кабеля приходится использовать автоматические выключатели с завышенными номиналами, чтобы исключить срабатывание автоматики во время пуска. Применение данного прибора позволяет использовать защитную автоматику, рассчитанную на номинальный ток, что, в свою очередь, повышает надежность защиты и снижает её стоимость.
Пусковые токи, многократно превышающие рабочие, требуют
прокладки подводящих кабелей повышенного сечения. Плавный пуск
позволяет использовать провода, рассчитанные на номинальный ток,
что также значительно снижает стоимость. Кроме того, если есть
ограничение по мощности, то и эта проблема снимается.
Если саморегулирующая нагревательная секция используется в
составе автоматической системы, то для её управления приходится
использовать коммутирующие аппараты (пускатели, мощные реле и
т.п.). А так как ICEFREE-ПП сам является коммутирующим
устройством, то необходимость в этих приборах отпадает.
Ещё одним из вариантов решения проблемы будет применение реле времени для последовательного включения нескольких секций. Разумеется, что для этого сама система должна состоять из нескольких линий, мощность которых равномерно распределена.
Допустим, что первая линия будет включаться без выдержки, а подключение каждой следующей линии будет происходить с задержкой времени, достаточной для уменьшения стартового тока.
В основном такие реле делают для светодиодных ламп, для теплого пола и подобных устройств они не подходят, поскольку выдержка должна быть не доли секунды, а несколько минут.
Вывод
Нужно понимать, откуда берутся пусковые токи, как они влияют, и что с ними делать.
Книга, о которой идет речь в статье:
• Кузнецов М.И. Основы электротехники / Один из лучших советских учебников по электротехнике. Издательство "Высшая школа", Москва, 1964 г, 9-е издание, pdf, 121.97 MB/
• Расчет сопротивлений нихрома и меди / Расчет сопротивлений нихрома и меди и теплого пола для статьи про пусковой ток теплого пола dzen.ru/media/samelectric/chemu-raven-puskovoi-tok-teplogo-pola-i-mednoi-provodki-641c6a85369a1932fd77eb3b, xlsx, 14.63 kB/
Сопротивление лампочки:
Статьи по теме теплого пола:
------------------------------------
Подписывайтесь на Дзен СамЭлектрик.ру и делитесь опытом в комментариях!
Также жду вас на блоге www.SamElectric.ru и в группе СамЭлектрик.ру в ВК!
Внимание! Автор не гарантирует, что всё написанное на этой странице - истина. За ваши действия и за вашу безопасность ответственны только вы!