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电工冷知识,为什么4平方电线能通过的电流不是1平方的4倍?

来源:工学院


引子


在线路施工和设计过程中,经常会遇到选电线截面积的问题。电工朋友都知道,电线截面积越大,能通过的电流越大。4平方电线的截面积是1平方的4倍,那能通过的电流为什么不是4倍呢?深挖背后的原因,对我们正确理解电线截面积的选用,非常重要。


单根导线载流量


这个大家都知道,在各种电工入门书籍里都有,我就不再赘述了。




30°C情况下,导线安全载流量

从这里我们可以明显的看出:


1. 导线载流量和截面积成正比;但导线载流量和截面积并不是成倍数关系。


2. 明线安装的载流量明显比穿管的载流量要高的多,钢管穿线能过的电流明显比塑料管穿线能过的电流要多。


3. 1平方的铜线线明线安装时,安全载流量是17A;4平方的铜线线明线安装时,安全载流量并不是1平方铜线的4倍。


为什么同样的导线在不同环境、不同情况下,它们能通过的电流不一样呢?这个就要从影响电线载流量的因素说起了。


影响载流量的因素


电线能过多少电流,主要取决于两个关键点。第一个是发热,第二个是散热。从理论上来讲,只要电线的散热速度超过发热速度,那么电线永远不会烧掉。


假设把一根电线放入冰箱,只要这个冰箱的制冷速度能超过电线发热速度,那么该线能承受无限大电流。


那么影响发热和散热的速度又跟哪些因素有关呢?


1. 影响发热的因素


它与电流大小、导线的材料、导线横截面积、导线排布等有关。此外,导线外面的绝缘层,它在某种频率下也会因共振而发热。


2. 再看散热


它与环境温度、排列方式、敷设形式(穿管、明线)、空气流通等有关


所以我们在计算电线载流量时,需要考虑的除了电流以外,还需要考虑电线是铜线还是铝线、电线粗细、一字形分布还是品字形分布、周围环境温度、是否穿管、钢管还是塑料管、还有空气流通等情况。





导线一字排布

下面我们来详细分析一下各因素对电线载流量的影响


a. 材料


我们生活里用的大都是铜线或者铝线,铜的电阻率比铝要小。在其他条件相同的情况下,铜线比铝线发热要少,能通过的电流要多。


b. 截面积


我们都知道粗电线比细电线能过的电流要多,这是因为粗电线比细电线电阻更小。在其他条件相同的情况下,电线越粗、发热越小,能通过的电流越多。


c. 排布


由于电线通电以后会产生磁场,磁场会在导线上感应出涡流,所以导线不同排列方式对发热也是有影响的。它们的载流量从大到小依次:品字排列>一字排列>杂乱排列


d. 敷设形式


明线敷设比穿管散热要好,钢管穿线比塑料管穿线散热要好;所以它们载流量从大到小依次是:明线>钢管穿线>塑料管穿线


e. 绝缘皮


不同导线的绝缘层耐热温度是不一样的。具体见下表





f. 环境温度


环境温度越高,散热条件越差; 所以在其他条件相同的情况下,环境温度越高能通过的电流要少。


载流量和电线大小关系


为什么1.5平方电线载流量不是1平方电线载流量的1.5倍呢?


这是因为虽然电线截面积增加了1.5倍,但是影响电线散热的表面积并没有增加1.5倍。决定表面积最关键的因素是线芯的周长,当电线截面积增加1.5倍。那电线周长增加了多少倍呢?



1.0平方电线:L=2πr=πd=3.14*1.13≈3.548

1.5平方电线:L=2πr=πd=3.14*1.37≈4.302

2.5平方电线:L=2πr=πd=3.14*1.76≈5.526

4.0平方电线:L=2πr=πd=3.14*2.24≈7.034

为了方便分析,用个表格列一下




我们可以计算一下:





从上表可以看出:


1.5的电线比1.0的电线周长大1.213倍,载流量大1.23倍


2.5的电线比1.5的电线周长大1.285倍,载流量大1.33倍


4.0的电线比2.5的电线周长大1.273倍,载流量大1.25倍


4.0的电线比1.5的电线周长大1.635倍,载流量大1.66倍


(由于计算结果有一定误差,但是在接受范围内。)


总结


电线的安全载流量主要取决于发热和散热。虽然导线截面积成倍的增加,但影响导线散热的表面积没有成倍增加,所以安全载流量也不会成倍增加。另外,平时我们在选用的过程中,除了要牢记载流量表以外,还需要考虑环境温度、敷设形式、电线排布、电线耐热温度等情况。还有人可能会提到“集肤效应”,但集肤效应主要体现在高频电路和大导线上,对于我们常用的工频和小导线几乎可以忽略。




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