سطح مقطع کابل نشان‌دهنده میزان مواد استفاده شده در هادی کابل است و باید بر اساس جریان الکتریکی که از آن عبور می‌کند و فاصله از منبع تغذیه تعیین شود. این موضوع بسیار مهم است تا بتوانیم عملکرد بهینه کابل را در سیستم داشته باشیم. برای محاسبه سطح مقطع کابل، معمولاً به جداول استاندارد مراجعه میشود. اما اگر بخواهید خودتان سطح مقطع کابل را محاسبه کنید، باید تمامی فرمول‌های لازم را بلد باشید که در ادامه به معرفی آنها و روش‌های محاسبه سطح مقطع کابل می‌پردازیم.
علت اهمیت سایزینگ کابل و محاسبه سطح مقطع کابل مسی
بگذارید علت اهمیت سایزینگ کابل را با توضیحی ساده و مثال، شفاف سازی کنیم. ببینید دوستان عزیز، همانطور که میدانید سیم‌ها و کابل‌های برقی برای انتقال برق از یک نقطه به نقطه دیگر استفاده می‌شوند. در این فرآیند انتقال برق، انرژی الکتریکی به گرما تبدیل میشود و بخشی از انرژی الکتریکی که به گرما تبدیل میشود، به کابل یا سیم مورد استفاده خود پس داده میشود. این پدیده، به دلیل مقاومت الکتریکی مواد استفاده شده در کابل یا سیم اتفاق می‌افتد.
با افزایش جریان برق که از کابل یا سیم عبور می‌کند، مقاومت الکتریکی نیز افزایش می‌یابد و انرژی الکتریکی به میزان بیشتری به گرما تبدیل میشود. در نتیجه، کابل یا سیم گرم میشود و اگر این افزایش دما به حدی برسد که ماده سوختنی کابل یا سیم را به آتش بکشاند، آتش سوزی خواهیم داشت.
حال باید خاطر نشان کنیم که برای جلوگیری از خطر آتش سوزی و ایمنی برقی، باید کابل یا سیم با سطح مقطع کافی را استفاده کرد. در واقع به دلیل جلوگیری از آتش سوزی و حفظ سلامت کابل و تجهیزات است که قبل از شروع به کار تاسیساتی، سطح مقطع کابل اندازه گیری میشود. سطح مقطع کافی، به معنای سطح مقطع کابل یا سیمی است که جریان الکتریکی مورد نظر را بدون ایجاد خطر آتش سوزی انتقال دهد. با انتخاب سطح مقطع کافی، می‌توان از آتش سوزی و خطرات دیگری که از جریان برق بالا ناشی میشود، جلوگیری کرد. در مبحث 13 مقررات به طور کامل در مورد سایزینگ کابل توضیح داده شده است.
روش‌های محاسبه سطح مقطع کابل
در طراحی و نصب سیستم‌های برقی، تعیین سطح مقطع مناسب کابل‌های برق یکی از مهم‌ترین مسائل است. سطح مقطع کابل بر میزان جریان قابل انتقال و افت ولتاژ در مدار تأثیر گذار است. در ادامه، به انواع روش‌های محاسبه سطح مقطع کابل و کاربردهای هر یک خواهیم پرداخت.
- محاسبه بر اساس جریان مجاز: در این روش، ابتدا جریان مورد نیاز تجهیزات برقی محاسبه میشود. سپس با توجه به جریان مجاز کابل‌های مختلف، سطح مقطع مناسب انتخاب می‌گردد. این روش برای محاسبه سطح مقطع در سیستم‌های برق قدرت و موتورها کاربرد دارد.
- محاسبه بر اساس افت ولتاژ: در این روش، ابتدا افت ولتاژ مجاز تعیین میشود. سپس با توجه به جریان، طول کابل و افت ولتاژ مجاز، سطح مقطع کابل محاسبه می‌گردد. این روش برای محاسبه سطح مقطع در سیستم‌های با طول زیاد و حساس به افت ولتاژ کاربرد دارد.
- محاسبه بر اساس توان: در این روش، ابتدا توان مورد نیاز تجهیزات برقی محاسبه میشود. سپس با توجه به ولتاژ و توان، جریان مورد نیاز تعیین و سطح مقطع کابل محاسبه می‌گردد. این روش برای محاسبه سطح مقطع در سیستم‌های با توان بالا کاربرد دارد.
- محاسبه بر اساس ضریب همزمانی: در این روش، ابتدا ضریب همزمانی مصرف‌کنندگان تعیین میشود. سپس با توجه به جریان مصرف‌کنندگان و ضریب همزمانی، سطح مقطع کابل محاسبه می‌گردد. این روش برای محاسبه سطح مقطع در سیستم‌های با مصرف‌کنندگان متعدد کاربرد دارد.
انتخاب روش مناسب برای محاسبه سطح مقطع کابل برق
انتخاب روش محاسبه سطح مقطع کابل بستگی به نوع و کاربرد سیستم برقی دارد. در سیستم‌های برق قدرت و موتورها، معمولاً روش محاسبه بر اساس جریان مجاز کاربرد دارد. در سیستم‌های با طول زیاد و حساس به افت ولتاژ، روش محاسبه بر اساس افت ولتاژ مناسب است. در سیستم‌های با توان بالا، روش محاسبه بر اساس توان کاربرد دارد. در سیستم‌های با مصرف‌کنندگان متعدد، روش محاسبه بر اساس ضریب همزمانی مناسب است.
فرمول‌های مورد نیاز برای محاسبه سطح مقطع کابل
برای محاسبه سطح مقطع کابل، چندین فرمول و روش وجود دارد که بسته به شرایط مختلف استفاده می‌شوند. در اینجا چند فرمول مهم را به صورت تصاویر برای شما آماده کردیم:
فرمول محاسبه سطح مقطع کابل تک فاز
برای محاسبه سطح مقطع کابل تک فاز، نیاز است که با توجه به افت ولتاژ در مدار و سایر پارامترهای مهم، از فرمول زیر استفاده کنید:
a=200ρℓICosφ/αV
در این فرمول، ( alpha ) درصد افت ولتاژ مجاز است که باید حداکثر به مقدار مشخصی محدود شود. علاوه بر این، ( rho ) مقاومت ویژه هادی کابل، ( a ) سطح مقطع سیم، ( ℓ ) مسافت، ( Cosφ ) ضریب توان و ( V ) ولتاژ مدار را نشان می‌دهد.
در صورتی که خط تغذیه بار یکسان نباشد، برای هر خط بار باید محاسبات جداگانه انجام شود و سپس سطح مقطع کابل‌های مسی با یکدیگر جمع میشود.
صورت مسئله
فرض کنید می‌خواهیم سطح مقطع کابل مسی برای یک الکتروموتور سه فاز با توان 15 کیلووات را حساب کنیم که در فاصله 50 متری از تابلو برق قرار دارد. (ولتاژ خطی 380 ولت و ضریب توان 0.8 )
مرحله ۱: محاسبه جریان مصرفی ( I )
ابتدا با استفاده از فرمول توان در سیستم سه فاز، جریان را به دست می‌آوریم:
با احتساب ضریب اطمینان برای راه اندازی موتور، جریانی حدود ۳۵ آمپر را در نظر می‌گیریم.
مرحله ۲: انتخاب اولیه از روی جدول جریان مجاز
با مراجعه به جداول استاندارد (مثل مبحث ۱۳)، برای جریان ۳۵ آمپر در فاصله کوتاه، کابل مسی با سطح مقطع 6 میلی‌متر مربع معمولاً پاسخگو است. اما باید افت ولتاژ را چک کنیم.
-
L: طول کابل ($50$ متر)
-
I: جریان ($28.5$ آمپر)
-
S: سطح مقطع (فرض کنیم $6$ انتخاب شده)
-
56: ضریب هدایت مس
مرحله ۳: کنترل افت ولتاژ
طبق مقررات ملی، افت ولتاژ مجاز برای موتورها معمولاً حداکثر ۳ درصد است. فرمول درصد افت ولتاژ در سیستم سه فاز:
چون افت ولتاژ محاسبه شده (1.5\) کمتر از حد مجاز (3\%) است، کابل 3* 6 میلی‌متر مربع مسی برای این پروژه مناسب است. اگر افت ولتاژ بیشتر از ۳٪ می‌شد، باید سطح مقطع بالاتر (مثلاً ۱۰) را انتخاب می‌کردیم.
نکات محاسبه سطح مقطع کابل
محاسبه سطح مقطع کابل تنها به یک فرمول ختم نمی‌شود، یک مهندس باید یک سری نکات کلیدی برای سیم کشی کابل رعایت کند.
-
معیار افت ولتاژ (Voltage Drop):
نکته مهم برای محاسبه سطح مقطع کابل، بررسی افت ولتاژ است. ببینید دوستان، در مسیرهای طولانی، افت ولتاژ تعیین‌کننده اصلی سطح مقطع است، نه جریان مجاز. طبق مبحث ۱۳، افت ولتاژ مجاز برای مصارف روشنایی معمولاً ۱.۵٪ و برای سایر مصارف (مثل موتورها) تا ۳٪ (از محل تحویل توان) در نظر گرفته میشود.
-
ظرفیت آمپراژ (Current Carrying Capacity):
سطح مقطع کابل مسی انتخابی باید بتواند جریان نامی مصرف‌کننده را بدون گرم شدن بیش از حد عایق عبور دهد. همیشه جریان طراحی را کمی بالاتر از جریان نامی مصرف‌کننده لحاظ کنید.
-
ضریب تصحیح دمای محیط:
سومین نکته برای محاسبه سطح مقطع، توجه به ضریب تصحیح دمای محیط است. ببینید دوستان، جداول استاندارد کابل معمولاً برای دمای ۳۰ درجه سانتی‌گراد (هوا) یا ۲۰ درجه (زمین) تنظیم شده‌اند. اگر کابل در محیطی گرم‌تر (مثل سقف سوله‌ها یا نزدیکی کوره) اجرا میشود، باید از ضرایب کاهش جریان استفاده کنید.
-
اثر دسته‌بندی کابل‌ها (Grouping Factor):
یک مهندس برق باید بداند که عبور چندین کابل از کنار هم در یک سینی یا داکت، تبادل حرارتی را کاهش می‌دهد. در این حالت باید ضریب دسته‌بندی (مثلاً ۰.۷ یا کمتر) را در ظرفیت کابل اعمال کنید؛ در غیر این صورت کابل‌ها زودتر از موعد دچار سوختگی عایق می‌شوند.
-
تحمل جریان اتصال کوتاه:
نکته بسیار مهم برای محاسبه سطح مقطع کابل مسی، اتصال کوتاه ست. کابل باید بتواند در زمان کوتاه (تا لحظه عملکرد کلید حفاظتی)، جریان شدید اتصال کوتاه را بدون ذوب شدن عایق یا هادی تحمل کند. این مورد به‌ویژه در خروجی‌های اصلی تابلوهای توزیع حیاتی است.
-
نوع عایق (PVC یا XLPE):
عایق‌های XLPE تحمل دمایی بالاتری (تا ۹۰ درجه سانتی‌گراد) نسبت به PVC (تا ۷۰ درجه) دارند. این یعنی در یک سطح مقطع ثابت، کابل با عایق XLPE می‌تواند جریان بیشتری را از خود عبور دهد.
-
روش نصب (Installation Method):
ظرفیت جریان‌دهی کابل در “لوله توکار”، “روی سینی کابل” یا “دفن شده در زمین” کاملاً متفاوت است. روش نصب در جداول استاندارد با حروف انگلیسی (مانند A، B، C، E) مشخص میشود.
-
هارمونیک‌ها و هادی خنثی (نول): در مداراتی که بارهای غیرخطی زیاد دارند (مانند درایورها و کامپیوترها)، جریان سیم نول صفر نیست و گاهی از جریان فاز هم بیشتر میشود. در این موارد، سطح مقطع سیم نول نباید کمتر از سیم فاز باشد.
-
استقامت مکانیکی:طبق مبحث 13 ، حداقل سطح مقطع کابل‌های مسی برای مدارات روشنایی ۱.۵ و برای مدارات پریز ۲.۵ میلی‌متر مربع است؛ حتی اگر محاسبات عددی کمتری را نشان دهند.
محاسبه سطح مقطع کابل سه فاز
روش سایزینگ کابل در مدارهای سه فاز، در شرایط تعادل، جریان خط نوترال صفر است. بنابراین، می‌توانیم سطح مقطع کابل مسی را در یکی از فازها محاسبه کنیم و به دست آمده را برای سایر فازها استفاده کنیم. این کار با استفاده از فرمول a=100plw/α(VL)2 قابل انجام است. در صورت عدم تعادل بارها، باید جریان مجاز و افت ولتاژ را برای هر فاز جداگانه محاسبه کرده و در نهایت سطح مقطع کابل مسی را مجدداً محاسبه کنیم. همچنین، در صورت وجود بارهای متفاوت در مسیر، باید هر بار را جداگانه محاسبه کرده و جمع کنیم.