Come calcolare la dimensione del cavo: una guida passo passo per progetti sicuri e reali

Scegliere la giusta dimensione del conduttore è una di quelle decisioni che determinano silenziosamente se un'installazione funzionerà comodamente per trent'anni o si surriscalderà nella sua prima estate calda. Un cavo sottodimensionato spreca energia, accorcia la vita dell'isolamento e crea un vero e proprio rischio di incendio; un cavo di due dimensioni troppo grande lega i soldi in rame di cui il circuito non ha mai avuto bisogno. Imparare a calcolare la dimensione del cavo significa in realtà bilanciare quattro diversi controlli l'uno con l'altro.

Questa guida segue la stessa sequenza utilizzata dai nostri ingegneri quando un cliente invia un programma di carico: trova la corrente di progetto, correggila per il modo in cui il cavo è effettivamente installato, conferma la caduta di tensione sull'intera lunghezza e verifica che il conduttore sopravviva a un cortocircuito.

Cosa significa realmente una dimensione corretta del cavo

Un conduttore è dimensionato correttamente solo quando tutte e quattro le condizioni seguenti sono soddisfatte contemporaneamente. Se uno di essi fallisce, passare alla sezione trasversale standard successiva e ripetere il calcolo. Saltare un controllo è il motivo più comune per cui un cavo risulta perfettamente dimensionato sulla carta e poi non funziona sul posto.

Passaggio 1: stabilire la corrente di progetto

Tutto inizia con la corrente continua che il cavo deve trasportare, solitamente scritta come Ib. Per un carico trifase la relazione è:

Ib = P/(1.732 × U × PF)

Per un circuito monofase o CC, è sufficiente eliminare 1.732:

Ib = P / (U × PF)

Prendiamo un motore trifase da 55 kW con un'alimentazione di 400 V con un fattore di potenza di 0,86. Quindi Ib = 55.000 / (1,732 × 400 × 0,86), che equivale a circa 92 A. Utilizzare il fattore di potenza reale anziché assumere l'unità, perché la differenza tra 0,86 e 1,0 è circa il 16% della corrente e spesso è esattamente il margine che decide un controllo della caduta di tensione. Se il carico è un motore, prestare attenzione anche alla corrente di avviamento, poiché il dispositivo di protezione deve attraversare l'avviamento senza scattare.

La corrente di progetto non è il valore nominale dell'interruttore

Una volta noto Ib, scegliere un dispositivo di protezione il cui valore nominale sia almeno Ib, quindi verificare che la capacità declassata del cavo corrisponda almeno al valore nominale del dispositivo. Lavorando in quest'ordine si mantiene il conduttore protetto e termicamente confortevole.

Passaggio 2: applicare i fattori di declassamento per le condizioni reali

I valori di corrente del catalogo presuppongono un insieme di condizioni di riferimento, solitamente un circuito in aria libera a 30 °C o un circuito sepolto nel terreno a 20 °C. Le installazioni reali raramente corrispondono a questi presupposti, quindi ogni deviazione viene gestita con un fattore di correzione e i fattori si moltiplicano:

Iz = It × k1 × k2 × k3 ...

dove It è la potenza tabellata e Iz è la capacità effettivamente disponibile. Un gruppo di tre circuiti caricati in un condotto in una giornata a 40 °C può perdere un terzo della potenza nominale prima ancora che venga presa in considerazione la caduta di tensione.

Ad esempio, un fattore di 0,87 per una temperatura ambiente di 40 °C moltiplicato per 0,75 per il raggruppamento dà 0,65, quindi un cavo classificato a 130 A è valido solo per circa 85 A in quella disposizione. Non sommare mai i fattori di correzione; moltiplicateli sempre.

Passaggio 3: controllare la caduta di tensione durante il percorso

La caduta di tensione è il controllo che più spesso forza un conduttore più grande su alimentatori lunghi e non può essere giudicato solo dalla tabella delle correnti. Per la parte resistiva del circuito:

Vd = k × I × L × R / 1000

dove k è 2 per i circuiti monofase e CC e 1,732 per quelli trifase, I è la corrente di carico in ampere, L è la lunghezza del percorso di sola andata in metri e R è la resistenza del conduttore in ohm per chilometro. La caduta percentuale viene quindi divisa per la tensione nominale Vd, moltiplicata per 100. La maggior parte degli impianti a bassa tensione funziona al 3% nel circuito finale e al 5% in generale.

Nel nostro esempio, una corsa di 80 m a 92 A su un conduttore di rame da 50 mm² con una resistenza di circa 0,387 ohm per chilometro fornisce Vd = 1,732 × 92 × 80 × 0,387 / 1000, ovvero circa 4,9 V, ovvero l'1,2% di 400 V. Questo passa comodamente. Su una corsa di 300 m lo stesso calcolo fallirebbe e farebbe salire la sezione trasversale di diversi gradini, motivo per cui la lunghezza del percorso rientra nel calcolo fin dall'inizio.

Passaggio 4: verificare la resistenza al cortocircuito

Un cavo deve inoltre resistere alla corrente di guasto per tutto il tempo necessario al dispositivo di protezione per eliminarlo. L'equazione adiabatica gestisce questo in una riga:

S = radice quadrata di (I² × t) / k

dove S è la sezione trasversale minima in mm², I è la corrente di guasto presunta in ampere, t è il tempo di disconnessione in secondi e k è una costante per la combinazione conduttore e isolamento. I valori tipici sono circa 143 per il rame con isolamento XLPE, 115 per il rame con PVC e 94 per l'alluminio con XLPE.

Un guasto da 6 kA risolto in 0,1 s in un cavo XLPE in rame richiede la radice quadrata di (6000² × 0,1) divisa per 143, ovvero circa 13 mm². Il nostro conduttore da 50 mm² è comodo. Notate quanto sia importante: lo stesso guasto risolto in un secondo richiederebbe circa 42 mm², motivo per cui le impostazioni di protezione e il dimensionamento del cavo appartengono alla stessa conversazione.

Mettere tutto insieme

Ecco la sequenza completa del motore da 55 kW su una corsa di 80 m, con cifre arrotondate per chiarezza.

1. Corrente di progetto: 92 A a 400 V con un fattore di potenza di 0,86. Dispositivo di protezione da 100 A.
2. Condizioni di installazione: Cavo in rame XLPE su vaschetta con altri due circuiti caricati, temperatura ambiente 40 °C. Fattore di declassamento combinato 0,65.
3. Prima prova a 35 mm²: capacità tabulata di circa 130 A, declassata a circa 85 A. Fallisce, perché 85 A è inferiore alla potenza nominale del dispositivo di 100 A.
4. Seconda prova a 50 mm²: capacità declassata di circa 100 A. Soddisfa la classificazione del dispositivo.
5. Caduta di tensione a 50 mm² su 80 m: 4,9 V o 1,2%. Passa.
6. Requisito di cortocircuito: minimo 13 mm² per un guasto da 6 kA eliminato in 0,1 s. Passa.
7. Risultato: cavo in rame isolato XLPE da 0,6/1 kV, quattro conduttori da 50 mm², con protezione impostata per eliminare un guasto entro 0,1 s.

Dal calcolo al cavo effettivamente ordinato

Una sezione trasversale è solo una parte delle specifiche. Il tipo di isolamento cambia la quantità di corrente che un conduttore può trasportare, poiché i cavi isolati XLPE funzionano a temperature del conduttore più elevate rispetto agli equivalenti in PVC e quindi necessitano di una sezione trasversale inferiore per lo stesso carico. Confrontiamo le due costruzioni in modo più dettagliato in questo articolo su Prestazioni del cavo di alimentazione isolato XLPE e PVC . Anche il materiale del conduttore è importante: i conduttori in alluminio e leghe di alluminio sono più leggeri ed economici, ma necessitano di una sezione trasversale maggiore per la stessa corrente.

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Per la maggior parte dei lavori di distribuzione a bassa tensione, il cavo di alimentazione isolato XLPE da 0,6/1 kV in rame o alluminio copre l'intervallo e il calcolo sopra riportato si applica direttamente. A media tensione il metodo è invariato, ma le tabelle di declassamento, i livelli di guasto e i requisiti di spessore dell'isolamento sono diversi, quindi gli alimentatori da 3,6/6 kV fino a 26/35 kV sono generalmente dimensionati rispetto ai dati di rete dell'azienda di distribuzione.

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Dimensionamento per carichi solari, VFD e altri carichi speciali

Alcuni circuiti necessitano di una versione modificata della stessa procedura. Le stringhe solari CC trasportano corrente continua a temperatura ambiente elevata su un tetto, quindi il fattore di declassamento viene applicato a un cavo già caldo e la caduta di tensione è spesso mantenuta all'1 o 2% perché l'efficienza dell'inverter soffre su entrambe le estremità della sua finestra di ingresso. I circuiti di comando a frequenza variabile aggiungono contenuto armonico e tensione pulsata, quindi il cavo schermato e il controllo della tensione nominale verso terra diventano entrambi parte dell'esercizio di dimensionamento.

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I cavi resistenti al fuoco, alle termiti e per il trasporto ferroviario seguono la stessa aritmetica, ma lo standard applicabile aggiunge vincoli come l'integrità del circuito sotto incendio che nessun calcolo può sostituire.

Errori di dimensionamento comuni che vediamo nei documenti di gara

• Applicando un fattore di declassamento e dimenticando il resto, durante il raggruppamento, la temperatura ambiente e le condizioni del terreno agiscono tutte contemporaneamente.
• Utilizzando valori di resistenza di 20 °C per un conduttore che funzionerà a 70 °C o 90 °C.
• Dimensionamento in base a un interruttore già specificato anziché al carico effettivo.
• Ignorare il neutro sui circuiti con carichi ricchi di armoniche come apparecchiature IT per ufficio o illuminazione a LED.
• Supponendo che un cavo più grande risolva un problema di caduta di tensione quando il vero problema è la lunghezza del percorso o uno scarso fattore di potenza.
• Tralasciando la sezione minima necessaria per la resistenza meccanica e la continuità del conduttore di protezione.

Controlla i numeri con un produttore che fa questo ogni giorno

Wuxi Guanghuan Cable produce fili e cavi a Guanlin, Yixing, l'area conosciuta come la città dei cavi della Cina, dal 1998. La nostra gamma comprende cavi di alimentazione a bassa e media tensione, conduttori aerei, cavi per apparecchiature elettriche e cavi speciali per fotovoltaico, trasporto ferroviario e applicazioni resistenti al fuoco, con oltre 100 serie e 30.000 specifiche prodotte in oltre 70 linee di produzione e test. I dettagli delle nostre approvazioni, inclusa la certificazione TUV Rheinland e i certificati di sistema ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001 e ISO 50001, sono elencati sul nostro pagina di certificazione del prodotto .

Inviaci il programma di carico, la lunghezza del percorso, il metodo di installazione e le condizioni ambientali, e i nostri ingegneri eseguiranno gli stessi quattro controlli sopra descritti e torneranno con una sezione trasversale, un tipo di isolamento e una struttura del cavo che supererà l'ispezione la prima volta.