วิธีคำนวณขนาดสายไฟ: คู่มือฉบับสมบูรณ์

คำตอบโดยตรง: วิธีการคำนวณขนาดสายไฟ

ในการคำนวณขนาดสายไฟ คุณต้องกำหนดกระแสสูงสุด (แอมแปซิตี) ที่สายเคเบิลต้องมี จากนั้นใช้ขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าตกและปัจจัยด้านความปลอดภัยเพื่อเลือกหน้าตัดของตัวนำที่ถูกต้อง สูตรที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดอิงตามกฎของโอห์มรวมกับมาตรฐาน National Electrical Code (NEC) หรือมาตรฐาน IEC สำหรับระบบไฟฟ้ากระแสสลับส่วนใหญ่ กฎพื้นฐานคือ: เลือกตัวนำไฟฟ้าที่มีความสามารถในการรองรับกระแสไฟเกิน 125% ของกระแสโหลดต่อเนื่อง สำหรับวงจรไฟฟ้ากระแสตรงหรือการเดินสายเคเบิลที่ยาวกว่า การคำนวณแรงดันไฟฟ้าตกจะมีความสำคัญเป็นอันดับแรก

ในทางปฏิบัติ หากคุณมีโหลดต่อเนื่อง 20เอ บนวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ 120V คุณจะต้องคูณ 20เอ × 1.25 = 25เอ ความแอมแปซิตีขั้นต่ำ ซึ่งชี้ไปที่ตัวนำทองแดง 12 AWG ภายใต้ตารางแอมแปซิตีมาตรฐานของ NEC สำหรับอุปกรณ์ที่ไวต่อแรงดันไฟฟ้าในระยะทางไกล จะต้องคำนวณแรงดันไฟฟ้าตกแยกกันโดยใช้สูตร: วีดี = (2 × ยาว × ร × ผม) / 1,000 โดยที่ L คือความยาวสายเคเบิลทางเดียวเป็นฟุต R คือความต้านทานต่อ 1,000 ฟุต และ I คือกระแสโหลดในหน่วยแอมป์

คู่มือนี้จะอธิบายแต่ละขั้นตอนของกระบวนการคำนวณ ซึ่งครอบคลุมทั้งระบบ AWG และเมตริก (มม.²) ประเภทฉนวนที่แตกต่างกัน เงื่อนไขการติดตั้ง และคุณภาพของโครงสร้างสายเคเบิล รวมถึงวิธีการ เครื่องอัดรีดลวดและสายเคเบิล ประมวลผลชั้นฉนวน - ส่งผลต่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้าขั้นสุดท้ายและระดับความปลอดภัยของสายเคเบิล

ทำความเข้าใจระบบกำหนดขนาดสายไฟและสายเคเบิล: AWG เทียบกับ mm²

ก่อนที่จะคำนวณ คุณต้องเข้าใจว่าระบบการวัดใดที่ใช้กับภูมิภาคและการใช้งานของคุณ มาตรฐานที่โดดเด่นสองมาตรฐาน ได้แก่ ระบบ American Wire Gauge (AWG) และระบบพื้นที่หน้าตัดเมตริกที่มีหน่วยเป็นตารางมิลลิเมตร (mm²)

ระบบอเมริกันไวร์เกจ (AWG)

AWG ใช้เป็นหลักในสหรัฐอเมริกาและแคนาดา ขัดกับสัญชาตญาณ หมายเลข AWG ที่ต่ำกว่าหมายถึงตัวนำที่หนาและมีความจุสูงกว่า . ตัวอย่างเช่น ทองแดง 4 AWG มีกระแสไฟฟ้ามากกว่า 14 AWG อย่างมาก สเกล AWG เริ่มตั้งแต่ 0000 (4/0) ที่ปลายขนาดใหญ่จนถึง 40 AWG สำหรับการใช้งานสายไฟละเอียด สายไฟทั่วไปสำหรับที่อยู่อาศัยและพาณิชยกรรมใช้ 14 AWG, 12 AWG และ 10 AWG สำหรับวงจรสาขา ในขณะที่ตัวนำป้อนอาจใช้ 6 AWG, 4 AWG, 2 AWG หรือใหญ่กว่า

ระบบหน้าตัดเมตริก (มม.²)

ใช้ทั่วทั้งยุโรป เอเชีย ออสเตรเลีย และส่วนอื่นๆ ของโลกตามมาตรฐาน IEC ระบบ mm² อธิบายพื้นที่หน้าตัดของตัวนำโดยตรง ขนาดทั่วไปได้แก่ 1.5 มม.², 2.5 มม.², 4 มม.², 6 มม.², 10 มม.², 16 มม.², 25 มม.², 35 มม.², 50 มม.² และอื่นๆ ตัวนำขนาด 2.5 มม.² มีค่าประมาณเท่ากับ 14 AWG ในแง่ของหน้าตัด แม้ว่าความทึบที่แน่นอนจะขึ้นอยู่กับชนิดของฉนวนและวิธีการติดตั้ง

วิธีการคำนวณขนาดสายไฟแบบทีละขั้นตอน

การกำหนดขนาดสายเคเบิลที่เหมาะสมเป็นไปตามลำดับตรรกะ การข้ามขั้นตอนนำไปสู่สายเคเบิลที่มีขนาดเล็กเกินไปซึ่งมีความร้อนมากเกินไปและก่อให้เกิดอันตรายจากไฟไหม้ หรือสายเคเบิลขนาดใหญ่ที่ทำให้สิ้นเปลืองวัสดุและทำให้ต้นทุนการติดตั้งเพิ่มขึ้นโดยไม่จำเป็น

ขั้นตอนที่ 1: กำหนดกระแสโหลดเต็ม

จุดเริ่มต้นสำหรับการคำนวณขนาดสายเคเบิลทุกครั้งคือการระบุกระแสโหลดเต็ม (FLC) ของอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ สำหรับโหลดที่มีความต้านทานเช่นเครื่องทำความร้อน ให้ทำดังนี้: ใช้ P = V × I โดยจัดเรียงใหม่เป็น I = P / V สำหรับเครื่องทำความร้อนพื้นที่ 2,400W บนวงจร 120V I = 2,400 / 120 = 20 แอมป์ .

สำหรับโหลดมอเตอร์สามเฟส สูตรคือ: I = P / (√3 × V × PF × η) โดยที่ PF คือตัวประกอบกำลัง และ η คือประสิทธิภาพ มอเตอร์ขนาด 15kW ที่ 400V โดยมี PF = 0.85 และ η = 0.92 ให้ผลลัพธ์เป็น I = 15,000 / (1.732 × 400 × 0.85 × 0.92) data 27.7ก . ใช้ข้อมูลแผ่นป้ายทุกครั้งเมื่อพร้อมใช้งาน แทนที่จะใช้ประมาณการที่คำนวณไว้

ขั้นตอนที่ 2: ใช้ตัวคูณโหลดต่อเนื่อง

สำหรับโหลดที่ทำงานต่อเนื่องเป็นเวลา 3 ชั่วโมงขึ้นไป NEC Section 210.19 กำหนดให้ต้องมีขนาดตัวนำที่ 125% ของกระแสโหลดต่อเนื่อง . หากโหลดของคุณดึงกระแสไฟ 20เอ อย่างต่อเนื่อง ความแอมป์ของตัวนำขั้นต่ำจะต้องเท่ากับ 20 × 1.25 = 25A อัตราความปลอดภัยด้านความร้อนนี้ทำให้เกิดการสะสมความร้อนในฉนวนจากการทำงานอย่างต่อเนื่อง มาตรฐาน IEC ใช้วิธีการที่คล้ายกันผ่านปัจจัยการแก้ไขที่ใช้กับค่าความทึบฐาน

ขั้นตอนที่ 3: ใช้ปัจจัยการแก้ไขสำหรับอุณหภูมิและการรวมกลุ่ม

สายเคเบิลที่ติดตั้งในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงหรือจัดกลุ่มกับสายเคเบิลอื่นจะต้องถูกลดพิกัด ตาราง NEC 310.15(B)(1) ให้ปัจจัยการแก้ไขอุณหภูมิ ที่อุณหภูมิแวดล้อม 40°C แทนที่จะเป็นค่าพื้นฐาน 30°C มาตรฐาน ตัวนำที่ได้รับการจัดอันดับ 75°C จะต้องถูกลดค่าลงด้วยปัจจัย 0.88 . นั่นหมายถึงตัวนำที่มีพิกัด 25A ที่อุณหภูมิ 30°C จะบรรทุกกระแสไฟ 22A ได้อย่างปลอดภัยที่อุณหภูมิแวดล้อม 40°C

การแก้ไขการรวมกลุ่มก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน เมื่อตัวนำกระแสไฟ 4-6 ตัวใช้ท่อร่วมกัน ให้ใช้ตัวประกอบ 0.80 สำหรับตัวนำ 7–9 ให้ใช้ 0.70 สำหรับตัวนำ 10–20 ตัวที่รวมเข้าด้วยกัน ค่าแฟคเตอร์จะลดลงเหลือ 0.50 ความล้มเหลวในการใช้ปัจจัยการรวมกลุ่มเป็นหนึ่งในสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของความร้อนสูงเกินไปในถาดสายเคเบิลเชิงพาณิชย์

ขั้นตอนที่ 4: คำนวณแรงดันไฟฟ้าตก

โดยทั่วไปขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าตกคือ 3% สำหรับวงจรย่อยและรวม 5% สำหรับตัวป้อนและวงจรย่อยรวมกัน (ตามคำแนะนำของ NEC แม้ว่าจะไม่ใช่ข้อกำหนดฮาร์ดโค้ดสำหรับทุกกรณี) ใช้สูตรนี้สำหรับวงจร AC และ DC เฟสเดียว:

VD (โวลต์) = (2 × L × R × I) / 1,000

โดยที่ L = ความยาวสายเคเบิลทางเดียวเป็นฟุต R = ความต้านทานเป็นโอห์มต่อ 1,000 ฟุต (จากตารางความต้านทานของตัวนำ) และ I = กระแสโหลดเป็นแอมป์ ปัจจัยของ 2 บัญชีสำหรับทั้งตัวนำออกและส่งคืน

ตัวอย่าง: วงจร 120V ทางเดียว 100 ฟุต นำกระแสทองแดง 15เอ ถึง 14 AWG (R = 3.14 Ω/1,000 ฟุต): VD = (2 × 100 × 3.14 × 15) / 1,000 = 9.42 โวลต์ ซึ่งก็คือ 7.85% ซึ่งสูงกว่าขีดจำกัด 3% มาก การอัพเกรดเป็น 10 AWG (R = 1.24 Ω/1,000 ฟุต) จะลดลงเหลือ 3.72V หรือ 3.1% ซึ่งถือว่าน้อยแต่ยอมรับได้สำหรับโหลดที่ไม่ละเอียดอ่อน สำหรับอุปกรณ์ที่มีความแม่นยำ การเปลี่ยนไปที่ 8 AWG จะทำให้เป็น 1.8%

สำหรับระบบสามเฟส สูตรจะปรับเปลี่ยนเป็น: วีดี = (√3 × ย × ร × ผม) / 1,000 โดยแทนที่ตัวประกอบของ 2 ด้วย 1.732 เนื่องจากเรขาคณิตของเฟสลดความต้านทานลูปที่มีประสิทธิผล

ขั้นตอนที่ 5: เลือกขนาดสายเคเบิลสุดท้าย

หลังจากคำนวณความครอบคลุมที่ต้องการ (โดยใช้ปัจจัยการแก้ไขทั้งหมด) และขนาดตัวนำขั้นต่ำที่จำเป็นเพื่อให้เป็นไปตามขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าตก เลือกขนาดใดก็ได้ที่ใหญ่กว่า . นี่คือขนาดสายเคเบิลที่ใช้ควบคุม ปัดเศษขึ้นตามขนาดตัวนำมาตรฐานถัดไปที่มีอยู่เสมอ — อย่าปัดเศษลง

บทบาทของประเภทฉนวนต่อความแอมป์ของสายเคเบิล

วัสดุฉนวนที่อยู่รอบๆ ตัวนำจะกำหนดปริมาณความร้อนที่สายเคเบิลสามารถรักษาได้อย่างปลอดภัยโดยตรง ซึ่งจะกำหนดระดับความทึบแสง นี่คือจุดที่กระบวนการผลิต — โดยเฉพาะประสิทธิภาพของ เครื่องอัดรีดลวดและสายเคเบิล — มีผลกระทบโดยตรงต่อคุณสมบัติทางไฟฟ้าและความร้อนของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป

พิกัดอุณหภูมิฉนวนทั่วไปและการกำหนด NEC ได้แก่:

• 60°ซ (140°F) — ประเภท ทีดับบลิว ใช้ในการเดินสายไฟในที่พักอาศัยแบบเก่า ความแอมป์ต่ำ ไม่เหมาะสำหรับวงจรที่มีโหลดสูง
• 75°C (167°F) — ประเภท THW, THWN ฉนวนเชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรมที่พบมากที่สุด นี่คือคอลัมน์มาตรฐานที่ใช้ใน NEC Table 310.15 สำหรับการกำหนดขนาดตัวนำในการติดตั้งใหม่ส่วนใหญ่
• 90°ซ (194°F) — ประเภท THHN, XHHW-2, RHH ความแอมป์ของฐานที่สูงกว่า แต่ NEC มักจะจำกัดการยุติไว้ที่ 75°C เว้นแต่ว่าอุปกรณ์จะได้รับการจัดอันดับโดยเฉพาะสำหรับการยุติที่ 90°C สามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิเต็ม 90°C ในอากาศอิสระ หรือเมื่ออุปกรณ์ปลายทางได้รับการจัดอันดับตามนั้น
• 150°C ขึ้นไป — สายเคเบิลพิเศษที่ใช้ยางซิลิโคน, PTFE (เทฟล่อน) หรือฉนวนแร่ (สายเคเบิล MI) ใช้ในเตาเผา เตาอบอุตสาหกรรม และอุปกรณ์กระบวนการที่มีอุณหภูมิสูง

ความสม่ำเสมอของความหนาของฉนวนเป็นสิ่งสำคัญ ก เครื่องอัดรีดลวดและสายเคเบิล ในสายการผลิตสมัยใหม่ใช้รูปทรงแม่พิมพ์ที่มีความแม่นยำ การควบคุมอุณหภูมิหลอมเหลว และการควบคุมความเร็วของสายการผลิตเพื่อรักษาความหนาของผนังรอบๆ ตัวนำให้สม่ำเสมอ ฉนวนที่ไม่สอดคล้องกัน — บางกว่าในบางจุด — สร้างจุดร้อนเฉพาะที่ซึ่งจะลดระดับความร้อนที่มีประสิทธิภาพ แม้ว่าความหนาเฉลี่ยจะตรงตามข้อกำหนดก็ตาม เครื่องจักรเครื่องอัดรีดขั้นสูงจากผู้ผลิตในจีน ยุโรป และอเมริกาเหนือ ปัจจุบันใช้ระบบการวัดด้วยเลเซอร์และการแก้ไขความเยื้องศูนย์อัตโนมัติ เพื่อให้ได้ค่าความคลาดเคลื่อนของความหนาของผนังภายใน ±5% หรือเข้มงวดกว่านั้น

ตัวนำทองแดงกับอะลูมิเนียม: ความแตกต่างของขนาด

ตัวนำอะลูมิเนียมมักใช้สำหรับสายเคเบิลทางเข้าบริการ ตัวป้อน และการกระจายสาธารณูปโภค มีน้ำหนักเบาและราคาถูกกว่าทองแดง แต่ อลูมิเนียมมีค่าการนำไฟฟ้าของทองแดงเพียงประมาณ 61% ซึ่งหมายความว่าคุณต้องมีหน้าตัดที่ใหญ่กว่าเพื่อส่งกระแสไฟเท่ากัน

ตามกฎในทางปฏิบัติ: เพื่อให้เข้ากับความทึบของตัวนำทองแดง อลูมิเนียมต้องใช้ประมาณ มีขนาดใหญ่กว่า AWG สองขนาด . ในกรณีที่ทองแดง AWG 6 ตัวรองรับกระแสไฟ 65A (ที่ 75°C) คุณจะต้องใช้อะลูมิเนียม AWG 4 ตัวเพื่อจ่ายกระแสไฟเท่ากัน สำหรับการวัดขนาดแบบเมตริก ตัวนำอะลูมิเนียม 16 มม.² จะจับคู่กับตัวนำทองแดงขนาด 10 มม.² โดยประมาณ

อลูมิเนียมยังขยายและหดตัวมากกว่าทองแดงด้วยวัฏจักรของอุณหภูมิ ซึ่งอาจทำให้การเชื่อมต่อหลุดเมื่อเวลาผ่านไป ขั้วต่อตัวนำอะลูมิเนียมทั้งหมดต้องใช้ตัวเชื่อมต่อที่ได้รับการจัดอันดับ AL/CU และจำเป็นต้องมีสารประกอบต่อต้านอนุมูลอิสระที่ข้อต่อและขั้วต่อเพื่อป้องกันการสะสมของออกซิเดชันที่เพิ่มความต้านทาน ข้อกำหนดเหล่านี้เป็นข้อกำหนดของรหัสในเขตอำนาจศาลส่วนใหญ่ ไม่ใช่แนวทางปฏิบัติทางเลือก

จากจุดยืนด้านการผลิต การอัดขึ้นรูปฉนวนบนตัวนำอะลูมิเนียมจำเป็นต้องมีการควบคุมความเร็วของเส้นและอุณหภูมิสารประกอบอย่างระมัดระวัง เครื่องอัดรีดลวดและสายเคเบิล . เคมีพื้นผิวของอลูมิเนียมแตกต่างจากทองแดง และสารประกอบฉนวนบางชนิดจะยึดเกาะต่างกัน ผู้ผลิตสายเคเบิลคุณภาพทำการทดสอบการยึดเกาะเพื่อให้แน่ใจว่าการยึดเกาะของฉนวนอย่างเหมาะสม และไม่แยกออกจากตัวนำในระหว่างการงอหรือการหมุนเวียนด้วยความร้อน

การกำหนดขนาดสายเคเบิลสำหรับวงจรมอเตอร์

วงจรมอเตอร์เป็นไปตามกฎที่แตกต่างจากวงจรย่อยทั่วไป เนื่องจากมอเตอร์ดึงกระแสไฟเข้าที่สูงมากเมื่อสตาร์ท — โดยทั่วไปจะเป็น 6 ถึง 8 เท่าของกระแสโหลดเต็มเป็นเวลา 0.5 ถึง 2 วินาที ตัวสายเคเบิลไม่จำเป็นต้องมีขนาดสำหรับกระแสไฟกระชาก (การป้องกันกระแสเกินจะจัดการได้) แต่ตัวนำจะต้องมีขนาดตามกฎของ NEC Article 430 แทนที่จะเป็นตารางแอมแปซิตีมาตรฐาน

สำหรับมอเตอร์ตัวเดียว NEC 430.22 กำหนดให้ตัวนำวงจรย่อยต้องมีขนาดที่ อย่างน้อย 125% ของกระแสโหลดเต็ม (FLC) ของมอเตอร์ ตามที่ระบุไว้ในตาราง NEC 430.247–430.250 (ไม่ใช่ค่าแผ่นป้าย เว้นแต่แผ่นป้ายจะต่ำกว่าค่าตาราง) สำหรับมอเตอร์เฟสเดียว 230V ขนาด 5 แรงม้า ตาราง 430.248 แสดงรายการ FLC เป็น 28A ตัวนำจะต้องจัดการกระแสขั้นต่ำ 28 × 1.25 = 35A โดยชี้ไปที่ทองแดง 8 AWG

สำหรับการใช้งานตัวแปลงความถี่ (VFD) จะต้องพิจารณาเพิ่มเติม VFD สร้างกระแสฮาร์มอนิกที่ก่อให้เกิดความร้อนพิเศษในตัวนำ วิศวกรหลายคนเพิ่มส่วนต่างเพิ่มเติม 10–15% เพิ่มเติมจากปัจจัยมาตรฐาน 125% เมื่อกำหนดขนาดสายเคเบิลสำหรับมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วย VFD โดยทั่วไปจำเป็นต้องใช้สายเคเบิลหุ้มฉนวนระหว่างเอาต์พุต VFD และมอเตอร์เพื่อให้มีสัญญาณรบกวนความถี่สูงและป้องกันความเสียหายของตลับลูกปืนจากกระแสในโหมดทั่วไป

เจาะลึกการคำนวณแรงดันไฟฟ้าตก: การใช้สายเคเบิลยาว

สำหรับสายเคเบิลที่ยาวเกิน 50 ฟุต (ประมาณ 15 เมตร) แรงดันไฟฟ้าตกมักจะกลายเป็นปัจจัยด้านขนาดที่สำคัญ ไม่ใช่ความครอบคลุม นี่เป็นเรื่องจริงโดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบเซลล์แสงอาทิตย์ (PV) สิ่งอำนวยความสะดวกทางการเกษตร ระบบไฟส่องสว่างกลางแจ้ง และโรงงานอุตสาหกรรมที่มีอุปกรณ์อยู่ห่างจากแผงจำหน่ายหลัก

การคำนวณหน้าตัดของตัวนำที่ต้องการจากแรงดันตก

คุณสามารถจัดเรียงสูตรลดแรงดันไฟฟ้าใหม่เพื่อคำนวณหน้าตัดของตัวนำที่ต้องการได้โดยตรง สำหรับทองแดงในระบบเฟสเดียว:

A (มม.²) = (2 × ยาว × ผม × ρ) / VD_max

โดยที่ A คือพื้นที่หน้าตัดที่ต้องการในหน่วย mm², L คือความยาวสายเคเบิลทางเดียวเป็นเมตร, I คือกระแสโหลดในหน่วยแอมป์, ρ (rho) คือความต้านทานของทองแดง = 0.0172 Ω·mm²/m (หรือ 0.0282 สำหรับอะลูมิเนียม) และ VD_max คือแรงดันไฟฟ้าตกสูงสุดที่อนุญาตในหน่วยโวลต์

ตัวอย่าง: ปั๊มดึงกระแสไฟ 30เอ ที่ 230V ซึ่งอยู่ห่างจากแผงจ่ายไฟ 120 เมตร แรงดันไฟฟ้าตกสูงสุดที่อนุญาต = 3% × 230V = 6.9V

ก = (2 × 120 × 30 × 0.0172) / 6.9 = 123.84 / 6.9 = 17.95 มม.² . ปัดขึ้นเป็นขนาดมาตรฐานถัดไป: 25 มม.² ตัวนำทองแดง

หากปั๊มเดียวกันนั้นตั้งอยู่ห่างออกไปเพียง 30 เมตร การคำนวณจะได้ 4.49 มม.² โดยปัดเศษขึ้นเป็น 6 มม.² ซึ่งเล็กกว่าและราคาถูกกว่ามาก ค่าใช้จ่ายในการลดขนาดในระยะยาวนั้นมาจากการสิ้นเปลืองพลังงานและประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์ที่ลดลง ไม่ใช่แค่ความร้อนสูงเกินไป

แรงดันไฟฟ้าตกในระบบ Solar PV DC

ในการติดตั้งพลังงานแสงอาทิตย์ การกำหนดขนาดสายไฟ DC มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพของระบบ NEC Article 690 แนะนำให้จำกัดแรงดันไฟฟ้าตกในวงจรแหล่งกำเนิด PV 2% หรือน้อยกว่า เพื่อการเก็บเกี่ยวพลังงานสูงสุด การลดลง 2% ในระบบสาย 600V ทำให้ไฟตกเพียง 12V ตลอดเส้นทางสายเคเบิล ด้วยกระแสไฟที่สายไฟ 9A และระยะวิ่ง 50 เมตร (ทางเดียว) หน้าตัดของตัวนำที่ต้องการจะเป็น A = (2 × 50 × 9 × 0.0172) / 12 = 1.29 มม.² ซึ่งชี้ไปที่สายเคเบิลพิกัด PV ขั้นต่ำ 2.5 มม.² (USE-2 หรือ PV Wire ในสหรัฐอเมริกา)

คุณภาพการก่อสร้างสายเคเบิลส่งผลต่อการคำนวณขนาดอย่างไร

การคำนวณขนาดสายเคเบิลจะถือว่าสายเคเบิลมีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนดที่กำหนด ซึ่งหมายความว่าตัวนำมีพื้นที่หน้าตัดที่ถูกต้อง ฉนวนมีความหนาและคุณสมบัติไดอิเล็กทริกที่ถูกต้อง และความต้านทานต่อความยาวหน่วยตรงกับค่าที่เผยแพร่ ในทางปฏิบัติ คุณภาพของสายเคเบิลจะแตกต่างกันอย่างมากระหว่างผู้ผลิต และความแปรปรวนนี้ส่งผลโดยตรงต่อการคำนวณของคุณในภาคสนาม

อัตราส่วนการเติมตัวนำและการพันเกลียว

ตัวนำตีเกลียวประกอบด้วยสายไฟเล็กๆ หลายเส้นบิดเข้าด้วยกัน อัตราส่วนการเติม — เปอร์เซ็นต์ของหน้าตัดระบุที่โลหะครอบครองจริง — ส่งผลต่อความต้านทาน ตัวนำตีเกลียวขนาด 2.5 มม.² ที่มีการพันเกลียวไม่ดีอาจมีหน้าตัดของโลหะจริงเพียง 2.3 มม.² เท่านั้น ซึ่งเพิ่มความต้านทานได้ประมาณ 8–9% เมื่อเทียบกับข้อกำหนด สิ่งนี้ส่งผลโดยตรงต่อทั้งแรงดันตกและประสิทธิภาพเชิงความร้อน ผู้ผลิตสายเคเบิลระดับพรีเมียมจะวัดความต้านทานของตัวนำตามมาตรฐาน IEC 60228 หรือ ASTM B8 เพื่อตรวจสอบการปฏิบัติตามข้อกำหนด

ความหนาของฉนวนและกระบวนการอัดรีด

ชั้นฉนวนถูกทาผ่านก เครื่องอัดรีดลวดและสายเคเบิล — เครื่องจักรที่ละลายสารประกอบโพลีเมอร์ (PVC, XLPE, LSZH หรือวัสดุอื่นๆ) และบังคับผ่านแม่พิมพ์ที่มีความแม่นยำรอบๆ ตัวนำที่กำลังเคลื่อนที่ คุณภาพของกระบวนการอัดรีดนี้จะกำหนดความหนาของฉนวน ความสมบูรณ์ของพื้นผิว และการยึดเกาะกับตัวนำหรือเสื้อชั้นใน

ระบบเครื่องอัดรีดลวดและสายเคเบิลสมัยใหม่ที่ผู้ผลิตชั้นนำใช้ ได้แก่:

• การควบคุมความเยื้องศูนย์แบบวงปิด : เซ็นเซอร์เลเซอร์หรือคาปาซิทีฟจะวัดความเข้มข้นของฉนวนแบบเรียลไทม์ และปรับตำแหน่งแม่พิมพ์โดยอัตโนมัติเพื่อแก้ไขการเคลือบที่อยู่กึ่งกลาง
• การตรวจสอบความดันและอุณหภูมิหลอมละลาย : รับประกันความหนืดของสารประกอบที่สม่ำเสมอผ่านแม่พิมพ์ ป้องกันจุดบางที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในกระบอกอัดรีด
• บูรณาการผู้ทดสอบประกายไฟ : เครื่องมือทดสอบประกายไฟไฟฟ้าแรงสูงจะสแกนสายเคเบิลที่ผลิตในสายการผลิต 100% เพื่อตรวจจับรูเข็มหรือจุดบางในฉนวนก่อนที่สายเคเบิลจะถูกม้วนเก็บ
• ระบบการวัดเส้นผ่านศูนย์กลาง : เลเซอร์ไมโครมิเตอร์จะวัดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกอย่างต่อเนื่องและป้อนข้อมูลกลับเพื่อควบคุมความเร็วของสายการผลิตและเอาท์พุตของเครื่องอัดรีดเพื่อรักษาพิกัดความเผื่อของเส้นผ่านศูนย์กลางที่ระบุ

เมื่อซื้อสายเคเบิลสำหรับการใช้งานที่สำคัญ เช่น เครื่องจักรอุตสาหกรรม การเดินสายไฟในอาคาร เครื่องป้อนใต้ดิน ให้ตรวจสอบเสมอว่าสายเคเบิลนั้นเป็นไปตามการรับรอง UL, CSA หรือ IEC ที่ทดสอบตามมาตรฐานที่เกี่ยวข้องเสมอ สายเคเบิลที่ได้รับการทดสอบและระบุไว้โดยบุคคลที่สามรับประกันว่าฉนวนที่ใช้โดยกระบวนการอัดรีดลวดและสายเคเบิลนั้นตรงตามความหนาขั้นต่ำ ความเป็นฉนวน และข้อกำหนดด้านความต้านทานต่ออุณหภูมิ

XLPE เทียบกับประสิทธิภาพของฉนวน PVC

ฉนวนโพลีเอทิลีนแบบเชื่อมขวาง (XLPE) ผลิตผ่านกระบวนการอัดรีดลวดและสายเคเบิลแบบพิเศษ ซึ่งรวมถึงขั้นตอนการวัลคาไนซ์ (การเชื่อมขวาง) ไม่ว่าจะผ่านการบ่มด้วยไอน้ำ การบ่มไนโตรเจนแบบแห้ง (สาย CCV) หรือการรักษาความชื้นด้วยไซเลน การเชื่อมโยงข้ามจะสร้างเครือข่ายโพลีเมอร์สามมิติที่ให้ XLPE ประสิทธิภาพการระบายความร้อนได้ดีกว่า PVC อย่างมาก : สายไฟหุ้มฉนวน XLPE ได้รับการจัดอันดับที่ 90°C ต่อเนื่อง, 130°C ในระหว่างการโอเวอร์โหลดฉุกเฉิน และ 250°C ภายใต้สภาวะไฟฟ้าลัดวงจร PVC จะมีอุณหภูมิสูงสุดที่ 70°C สำหรับเกรดมาตรฐาน

สำหรับสายเคเบิลแรงดันไฟฟ้าปานกลาง (1kV–35kV) ฉนวน XLPE ที่ผลิตบนลวดอัดรีดสามชั้นและสายการผลิตเครื่องอัดรีดสายเคเบิล — การใช้ตะแกรงด้านในแบบกึ่งตัวนำ ฉนวน XLPE และตะแกรงด้านนอกแบบกึ่งตัวนำในการผ่านครั้งเดียว — ถือเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม วิธีการผ่านครั้งเดียวนี้ช่วยขจัดการปนเปื้อนของอินเทอร์เฟซระหว่างเลเยอร์ ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับความสมบูรณ์ของไดอิเล็กตริกแรงดันสูง

ตัวอย่างขนาดสายไฟในทางปฏิบัติตามการใช้งาน

ทฤษฎีมีความชัดเจนมากขึ้นด้วยตัวอย่างการใช้งานที่เป็นรูปธรรมในการติดตั้งประเภทต่างๆ ตัวอย่างการทำงานต่อไปนี้ครอบคลุมสถานการณ์ทั่วไปที่พบในที่พักอาศัย อาคารพาณิชย์ และโรงงานอุตสาหกรรม

วงจรครัวที่อยู่อาศัย (120V, 20A)

NEC 210.11(C)(1) ต้องมีวงจรเครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดเล็ก 20A อย่างน้อยสองวงจรในบริเวณห้องครัว สายเคเบิล: 12 AWG / 2 ทองแดง, ประเภท NM-B (Romex), เบรกเกอร์ 20A โดยทั่วไปสายเคเบิลที่ต่อจากแผงจะมีความยาว 30–60 ฟุตในบ้านเดี่ยว แรงดันตกที่ 20A มากกว่า 60 ฟุต: VD = (2 × 60 × 1.98 × 20) / 1,000 = 4.75V ซึ่งก็คือ 3.96% . ใช้ได้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวส่วนใหญ่ สำหรับการติดตั้งแบบอนุรักษ์นิยมมากขึ้นหรือในกรณีที่ระยะการทำงานเกิน 80 ฟุต ให้อัปเกรดเป็น 10 AWG

สถานีชาร์จ EV (240V, 48A ต่อเนื่อง)

เครื่องชาร์จ EV ระดับ 2 ที่ 11.5kW จ่ายไฟ 48A ที่ 240V เมื่อโหลดต่อเนื่อง: 48A × 1.25 = ความแอมป์ของตัวนำขั้นต่ำ 60เอ เลือก 6 AWG copper THWN-2 ในท่อ สำหรับการวิ่ง 50 ฟุตจากแผงควบคุมไปยังโรงรถ แรงดันไฟฟ้าตก = (2 × 50 × 0.491 × 48) / 1,000 = 2.36V = 0.98% - อยู่ในขอบเขตด้วย ขนาด 6 AWG ถูกกำหนดโดยความทึบ ไม่ใช่แรงดันไฟฟ้าตกในกรณีนี้

มอเตอร์สายพานลำเลียงอุตสาหกรรม (400V, 3 เฟส, 22kW)

FLC = 22,000 / (1.732 × 400 × 0.87 × 0.92) = 39.7A ใช้ปัจจัยมอเตอร์ 125%: 39.7 × 1.25 = 49.6A เลือกตัวนำทองแดงขนาด 10 มม.² (พิกัด 52A ในสายเคเบิลแบบ 3 แกนตามมาตรฐาน IEC 60364) การเดินสายเคเบิลอยู่ห่างจาก MCC ถึงมอเตอร์ 85 เมตร แรงดันไฟฟ้าตก = (1.732 × 85 × 39.7 × 1.83 Ω/km × 0.001) / 1 = 10.7V = 2.68% - ภายในวงเงิน 3% การเลือกขนาด 10 มม.² ได้รับการยืนยันจากข้อกำหนดด้านความแอมป์และแรงดันไฟฟ้าตก

เครื่องป้อนใต้ดิน (240V, 100A, 150 ฟุต)

เครื่องป้อนแผงย่อย 100A ที่ใช้ตัวนำอะลูมิเนียมในท่อร้อยสาย PVC ตาราง 40 ฝังอยู่ที่ 24 นิ้ว กระแสไฟที่ต้องการ: 100A. ตัวนำอะลูมิเนียม 1/0 AWG อยู่ที่พิกัด 120A ที่ 75°C — เป็นไปตามความทึบแสง การตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าตก: อะลูมิเนียม 1/0 AWG R = 0.327 Ω/1,000 ฟุต VD = (2 × 150 × 0.327 × 100) / 1,000 = 9.81V = 4.09% . เกินกว่าที่แนะนำ 3% อัปเกรดเป็นอะลูมิเนียม 2/0 AWG (R = 0.259 Ω/1,000 ฟุต): VD = 7.77V = 3.24% — ยังน้อยอยู่ ใช้ อะลูมิเนียม 3/0 AWG (R = 0.205 Ω/1,000 ฟุต): VD = 6.15V = 2.56% — ยอมรับได้

ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับไฟฟ้าลัดวงจรและกระแสไฟฟ้าลัดในการกำหนดขนาดสายเคเบิล

สำหรับสายเคเบิลขนาดกลางและไฟฟ้าแรงสูง และสำหรับสายเคเบิล LV อุตสาหกรรมที่อยู่ใกล้กับหม้อแปลงขนาดใหญ่ ตัวนำต้องมีขนาดเพื่อให้ทนทานต่อพลังงานความร้อนของกระแสไฟฟ้าลัดในช่วงเวลาที่อุปกรณ์ป้องกันใช้เพื่อล้างข้อผิดพลาด สิ่งนี้เรียกว่า ทนต่อความร้อนลัดวงจร ตรวจสอบ

สูตรคือ: A (มม.²) = (I_sc × √t) / K โดยที่ I_sc คือกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่คาดหวังในหน่วยแอมป์ t คือเวลาในการล้างข้อผิดพลาดในหน่วยวินาที และ K คือค่าคงที่ของวัสดุ (K = 115 สำหรับตัวนำทองแดงหุ้มฉนวน PVC เริ่มต้นที่ 30°C; K = 135 สำหรับทองแดงหุ้มฉนวน XLPE)

ตัวอย่าง: สายเคเบิลป้อนแผงด้วยกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่คาดไว้ 25kA และเบรกเกอร์อัพสตรีมจะเคลียร์ภายใน 0.2 วินาที A_นาที = (25,000 × √0.2) / 115 = (25,000 × 0.447) / 115 = 97.2 มม.² . ต้องใช้ตัวนำทองแดงอย่างน้อย 120 มม.² โดยไม่คำนึงถึงกระแสโหลด ใกล้กับหม้อแปลงอุตสาหกรรมขนาดใหญ่หรือแผงสวิตช์หลัก ขนาดของไฟฟ้าลัดวงจรมักจะควบคุมการเลือกสายเคเบิล

ข้อผิดพลาดทั่วไปในการคำนวณขนาดสายไฟ

การทำความเข้าใจวิธีการคำนวณมีชัยไปกว่าครึ่งเท่านั้น ข้อผิดพลาดในทางปฏิบัติในภาคสนามส่งผลให้สายเคเบิลมีขนาดเล็กหรือใหญ่เกินไป แม้ว่าวิศวกรจะใช้สูตรอย่างถูกต้องก็ตาม

• การใช้แผ่นป้ายกระแสแทนตาราง NEC FLC สำหรับมอเตอร์: NEC 430.22 กำหนดให้ใช้ค่าตาราง NEC โดยเฉพาะ ไม่ใช่แผ่นป้าย เว้นแต่แผ่นป้ายจะต่ำกว่า การใช้กระแสไฟป้ายชื่อด้านล่างของมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าและการลดขนาดของสายเคเบิลถือเป็นการละเมิดรหัส
• ลืมที่จะใช้การรวมกลุ่ม derating: การติดตั้งตัวนำ THHN หกตัวในท่อเดียวและกำหนดขนาดแต่ละตัวตามขนาดแอมพลิฟายเออร์แต่ละตัวถือเป็นข้อผิดพลาดที่พบบ่อยมาก แฟกเตอร์การรวมกลุ่ม 0.80 ช่วยลดความครอบคลุมที่มีประสิทธิภาพ โดยต้องใช้ตัวนำขนาดใหญ่
• ไม่คำนึงถึงการเติบโตของโหลดในอนาคต: วงจรที่ความหนาแน่นของตัวนำ 95% ทำให้ไม่มีที่ว่างสำหรับอุปกรณ์เพิ่มเติม แนวปฏิบัติที่ดีที่สุดในอุตสาหกรรมคือการกำหนดขนาดสายเคเบิลให้ไม่เกิน 80% ของความขยายสัญญาณที่กำหนดภายใต้สภาวะการทำงานปกติ
• การผสม AWG และค่าเมตริกในสูตรเดียวกัน: การใช้ค่าความต้านทาน AWG (เป็น Ω/1,000 ฟุต) ที่มีความยาวหน่วยเมตริก (เป็นเมตร) โดยไม่มีการแปลงจะให้ผลลัพธ์ที่ไม่ถูกต้องอย่างมาก ยืนยันหน่วยก่อนคำนวณเสมอ
• ละเว้นอุณหภูมิแวดล้อม: สายเคเบิลที่ติดตั้งในพื้นที่ใต้หลังคาที่อุณหภูมิแวดล้อม 50°C แทนที่จะเป็นอุณหภูมิพื้นฐานมาตรฐาน 30°C ต้องมีการลดพิกัดลงอย่างมาก 12 AWG THHN ที่พิกัด 30เอ ที่ 30°C สามารถจ่ายกระแสไฟได้เพียง 23A ที่อุณหภูมิแวดล้อม 50°C ซึ่งลดลง 23%
• การซื้อสายเคเบิลต่ำกว่ามาตรฐาน: สายเคเบิลจากผู้ผลิตที่ไม่ผ่านการตรวจสอบอาจมีหน้าตัดของตัวนำจริงต่ำกว่าค่าที่กำหนด 10–15% เนื่องจากการควบคุมกระบวนการดึงลวดและการอัดขึ้นรูปไม่ดี ซื้อสายเคเบิลที่อยู่ในรายการ UL หรือได้รับการรับรอง IEC จากแหล่งที่ตรวจสอบย้อนกลับได้เสมอ

การอ้างอิงด่วน: สรุปการเลือกขนาดสายเคเบิล

เพื่อการอ้างอิงถึงสถานที่อย่างรวดเร็ว ตารางต่อไปนี้จะสรุปสถานการณ์โหลดทั่วไปและขนาดสายเคเบิลขั้นต่ำที่ต้องการภายใต้สภาวะทั่วไป (ตัวนำทองแดง ฉนวน 75°C อุณหภูมิแวดล้อม 30°C วงจรเดี่ยวในท่อร้อยสาย ระยะทางสูงสุด 50 ฟุต)