كيفية حساب قدرة كابل الطاقة على حمل التيار

تُعرف قدرة كابل الطاقة على حمل التيار، والتي تُسمى غالبًا سعة التيار، بأنها أقصى تيار كهربائي يمكنه حمله بشكل مستمر دون تجاوز درجة حرارته القصوى. ويؤدي تجاوز هذا الحد إلى ارتفاع درجة الحرارة، مما يُتلف العزل، ويُقصر عمر الكابل، وقد يتسبب في تعطله أو نشوب حريق.

إن حساب سعة التيار ليس مجرد معادلة، بل هو عملية تأخذ في الاعتبار بنية الكابل، وطريقة تركيبه، والبيئة المحيطة به. يشرح هذا الدليل المبادئ والعوامل الرئيسية المؤثرة وكيفية تطبيقها.

1. المبدأ الأساسي: التوازن الحراري

يسخن الكابل عند مرور التيار الكهربائي بسبب المقاومة في الموصل (فقدان الطاقة الناتج عن مربع التيار). وترتفع درجة الحرارة حتى تتساوى الحرارة المتولدة مع الحرارة المبددة في البيئة المحيطة.

وبالتالي، يتم تحديد الحد الأقصى للتيار من خلال توازن حراري بسيط:

• الحرارة المتولدة = I² × R (حيث I هو التيار و R هي المقاومة)

• الحرارة المبددة = ΔT / RTH (حيث ΔT هو فرق درجة الحرارة بين الموصل والبيئة المحيطة، و RTH هي المقاومة الحرارية الكلية من الموصل إلى المحيط)

يتم الوصول إلى سعة التيار للكابل عندما تصل درجة حرارة الموصل إلى الحد الأقصى المسموح به (على سبيل المثال، 90 درجة مئوية لعزل XLPE).لحساب سعة التيار، نحتاج إلى معرفة المقاومة الحرارية للكابل وجميع العوامل المؤثرة على تبديد الحرارة.

2. نموذج الدائرة الحرارية اللجنة الكهروتقنية الدولية 60287

المعيار الدولي لحساب سعة التيار الكهربائي للكابلات هو اللجنة الكهروتقنية الدولية 60287. وهو يُنمذج الكابل وبيئته كسلسلة من المقاومات الحرارية.:

• T1: المقاومة الحرارية لعزل الكابل.

• T2: المقاومة الحرارية للفراش أو الغلاف الداخلي.

• T3: المقاومة الحرارية للغلاف الخارجي أو الدرع.

• T4: المقاومة الحرارية للوسط المحيط (الهواء أو التربة أو القناة).

تعتمد الصيغة الأساسية للمعيار لحساب تصنيف التيار المستمر (I) على معادلة معقدة تأخذ في الاعتبار جميع هذه الحواجز الحرارية ومصادر الحرارة الداخلية.:

I = √((θ_max - θ_a - وود × [0.5T1 + (T2 + T3 + T4)]) / (R × T1 + R × n × (1 + lect1) × T2 + R × n × (1 + lect1 + lect2) × (T3 + T4)))

أين:

• I = القدرة على حمل التيار (أمبير)

• θ_max = أقصى درجة حرارة مسموح بها للموصل (على سبيل المثال، 90 درجة مئوية لـ XLPE)

• θ_a = درجة الحرارة المحيطة

• وود = الفقد العازل لكل وحدة طول

• R = مقاومة التيار المتردد للموصل عند درجة حرارة التشغيل

• ن = عدد الموصلات

• λ1، λ2 = عوامل فقدان الغمد والدرع

يوفر نموذج الدائرة الحرارية هذا حسابًا دقيقًا للغاية. عمليًا، يستخدم المهندسون برامج أو طرقًا مبسطة مستمدة من هذا المعيار.

3. الطريقة العملية: جداول سعة التيار الكهربائي ومعاملات تخفيض القدرة

بالنسبة لمعظم التطبيقات العملية، تستخدم الطريقة التقليدية جداول سعة التيار المنشورة من معايير مثل اللجنة الكهروتقنية الدولية 60364، أو NEC، أو بكالوريوس العلوم 7671. توضح هذه الجداول تصنيفات التيار الأساسية للكابلات في ظل الظروف المرجعية، وهي:

• درجة حرارة محيطة محددة: 30 درجة مئوية للكابلات الموجودة في الهواء، و20 درجة مئوية للكابلات المدفونة..

• دائرة كهربائية واحدة معزولة (بدون تجميع).

• طريقة تركيب محددة (على سبيل المثال، التثبيت المباشر، أو داخل قناة، أو الدفن المباشر).

بما أن التركيبات الفعلية نادراً ما تتطابق تماماً مع هذه الظروف المرجعية، يجب تعديل سعة التيار الأساسية عن طريق تطبيق عوامل تخفيض (تصحيح)..

المعادلة العامة لسعة حمل التيار الفعالة (إيز) هي:

إيز = إيتاب × كاليفورنيا × سي جي × Ci × ج × قرص مضغوط

أين:

• إيز = القدرة الفعالة على حمل التيار في الظروف الفعلية (A)

• إيتاب = تصنيف التيار المجدول من المعايير (A)

• كاليفورنيا = معامل تصحيح درجة الحرارة المحيطة

• سي جي = معامل تصحيح التجميع (التسخين المتبادل)

• Ci = معامل تصحيح العزل الحراري

• ج = معامل تصحيح المقاومة الحرارية للتربة (للكابلات المدفونة)

• قرص مضغوط = معامل تصحيح عمق الدفن (للكابلات المدفونة)

إذا كانت ظروف التركيب أقل ملاءمة من الظروف المرجعية، فإن العوامل تكون أقل من 1.0، مما يقلل من سعة الكابل.إذا كانت الظروف أكثر ملاءمة (مثل انخفاض درجة الحرارة المحيطة)، فقد تكون العوامل أكبر من 1.0.

4. عوامل خفض التصنيف الرئيسية

أ. تصحيح درجة الحرارة المحيطة (كاليفورنيا)

ارتفاع درجة الحرارة المحيطة يعني مساحة أقل للكابل لتبديد حرارته، وبالتالي يجب أن يحمل تيارًا أقل. يتم حساب عامل التصحيح باستخدام الصيغة:

كاليفورنيا = √((T_max - T_actual) / (T_max - T_ref))

أين:

• T_max = أقصى درجة حرارة مسموح بها للموصل

• T_actual = درجة الحرارة المحيطة الفعلية

• T_ref = درجة الحرارة المحيطة المرجعية (30 درجة مئوية للهواء، 20 درجة مئوية للأرض)

على سبيل المثال، بالنسبة لكابل XLPE بدرجة حرارة 90 درجة مئوية في درجة حرارة محيطة تبلغ 40 درجة مئوية، فإن العامل كاليفورنيا هو 0.91 (اللجنة الكهروتقنية الدولية 60364).عند درجة حرارة 50 درجة مئوية، ينخفض ​​العامل إلى حوالي 0.89 بالنسبة لـ XLPEوهذا يعني أن سعة الكابل تنخفض بنسبة 11%.

ب. تصحيح التجميع (التسخين المتبادل) (سي جي)

عند تركيب عدة كابلات متقاربة، فإنها تسخن بعضها بعضاً. ويقلل عامل التجميع (سي جي) من سعة التيار الكهربائي لمراعاة هذا التسخين المتبادل.

على سبيل المثال، قد توصي المعايير بمعامل 0.85 لأربعة كابلات مجمعة معًازيادة عدد الدوائر أو زيادة كثافة التجميع تؤدي إلى انخفاض العامل.

ج. تصحيح المقاومة الحرارية للتربة (ج) [الكابلات المدفونة]

تُعدّ قدرة التربة على توصيل الحرارة بعيدًا عن الكابل المدفون أمرًا بالغ الأهمية. فالتربة ذات المقاومة الحرارية العالية (مثل الرمل الجاف) تُعتبر موصلًا رديئًا للحرارة، ما يستدعي تطبيق عامل تخفيض في قدرة الكابل. ويُعدّ تركيب التربة ومحتواها من الرطوبة من العوامل الرئيسية التي تؤثر على قدرة الكابل على تحمل التيار.

د. تصحيح العزل الحراري (Ci)

إذا كان الكابل على اتصال بالعزل الحراري (على سبيل المثال، في تجويف الجدار)، فإن العزل يحبس الحرارة، مما يقلل بشكل كبير من قدرة الكابل على حمل التيار.

5. دليل خطوة بخطوة لتحديد حجم الكابل

لتحديد الحجم الصحيح للكابل باستخدام طريقة تخفيض القدرة:

• تحديد تيار التصميم (برنامج البكالوريا الدولية): احسب أقصى تيار حمل للدائرة.

• حدد تصنيف جهاز الحماية (في): اختر مصهرًا أو قاطع دائرة كهربائية مصنفًا لحماية الدائرة.

• حدد طريقة التركيب: حدد بدقة كيفية تركيب الكابل (على سبيل المثال، داخل قناة، أو دفنه مباشرة، أو تثبيته على سطح) وابحث عن طريقة التركيب المرجعية المقابلة في المعايير..

• إيجاد سعة التيار المُجدولة (إيتاب): باستخدام طريقة التركيب ونوع الموصل، ابحث عن سعة التيار الأساسية من جداول المعيار..

• تطبيق جميع عوامل تخفيض القدرة: اضرب سعة التيار المجدولة في جميع عوامل التصحيح المطبقة (كاليفورنيا، سي جي، ج، Ci، إلخ) للحصول على سعة حمل التيار الفعالة (إيز)..

• تحقق: هل إيز ≥ في؟ يجب أن تكون السعة الفعالة للكابل مساوية أو أكبر من تصنيف جهاز الحماية.وإلا، فاختر موصلاً أكبر وكرر العملية.

تتضاعف عوامل خفض القدرة المتعددة معًا، وتتضاعف آثارها.على سبيل المثال، عاملان كل منهما يساوي 0.80 يعطيان عاملاً مشتركاً يساوي 0.64.

يُعد حساب قدرة كابل الطاقة على حمل التيار مهمة أساسية لضمان سلامة وموثوقية التركيبات الكهربائية. في حين أن العلم الدقيق لهذا الأمر يخضع لمعايير معقدة مثل معيار اللجنة الكهروتقنية الدولية 60287تتضمن الطريقة العملية البدء بجداول سعة التيار المنشورة في ظل ظروف مرجعية، ثم تطبيق سلسلة من عوامل خفض القدرة لمراعاة بيئة التركيب الفعلية. باتباع هذا النهج المنهجي، يمكنك تحديد حجم الكابلات بشكل صحيح لمنع ارتفاع درجة الحرارة، والحفاظ على موثوقية النظام، وضمان عمر خدمة طويل.