Одножильный или многожильный, какой провод лучше?

Рассмотрены достоинства и недостатки одножильного и многожильного провода при его применении в электропроводке и обмотках трансформаторов, дросселей и т.д.

Как известно величина тока в проводе ограничивается его нагревом. Длительно допустимая температура для голого проводника до 700С, а изолированного и того ниже, как правило, до 500С. При перегреве изоляция проводника разрушается, происходит замыкание и авария.

Нагрев зависит от сопротивления проводника, величины протекающего тока и эффективности охлаждения. На эффективность охлаждения влияют теплопроводящие свойства изоляции, конструктивные особенности прокладки (в стене, на воздухе) и характер распределения тока по сечению провода.

Что касается характера распределения тока по сечению проводника, то наиболее известен скин-эффект, который заключается в том, что токи с частотами выше 1кГц распределены ближе к поверхности проводника. Если глубина проникновения тока на частоте до 1 кГц в медном проводе около 2 мм, то на частоте 100 кГц в 10 раз меньше, около 0,2 мм. На высоких частотах выполняют посеребрение поверхности провода для снижения потерь.

Есть еще одна величина, которая так же влияет на эффективность использования проводников. Ее суть в том, что величина длительно допустимого тока, даже для низких частот без учета скин-эффекта, растет не прямо пропорционально сечению. Например, если сечение проводника увеличивать вдвое, то ток можно увеличить не вдвое, а всего в 1,6 раз или около того. Иначе охлаждение проводника не будет эффективным из-за того, что внутренняя часть проводника дальше от поверхности и охлаждается хуже. Так же с увеличением диаметра площадь сечения растет быстрее, чем площадь охлаждающей поверхности провода. Соответствующие зависимости показаны на графиках ниже.Это подтверждается и справочными данными проводов и кабелей.

Например, для электропроводки используются два основных типа провода (кабеля) с одной питающей жилой и многожильный. В качестве примера ниже показаны многожильный ПВС и одножильный ВВГ.

Одножильный используется для стационарной (неподвижной) электропроводки, как правили в стене, а многожильный для мобильной (подвижной) проводки (переноски, электроинструмент и т.д.).

Из рисунка выше видно, что сечение жилы (мм2) многожильного проводника указывается по внешнему, общему диаметру всех жил (D). При этом суммарная площадь сечения всех жил проводника Sm, ввиду наличия пространства между жилами, получается меньше, чем у одножильного (Sm<S).

Именно поэтому получаем такие электрические характеристики:

Сопротивление жилы постоянному току Ом/км.

Сила тока на один провод при открытой прокладке.

Одножильный пропускает больший ток, имеет больший срок службы, стоит дешевле, проще в монтаже (не распушивается и не требует наконечников).

У многожильного одно существенное преимущество – гибкость и возможность применения для подвижной проводки.

Но больший интерес представляет намотка трансформаторов, дросселей и т.д.

Для рассмотрения эффективности применения одножильного и многожильного провода в обмотках были проведены практические эксперименты.

Взят обмоточный провод диаметром 0,6мм, длиной 1м и эквивалентный ему по сечению провод диаметром 0,24 мм семь жил и такой же длиной 1 м. Основные характеристики представлены в таблице ниже.

 

Изготовлены два одинаковых каркаса и на них намотаны провода, одножильный и многожильный. При намотке в середину обмотки вставлялся штифт чтобы получилось место для датчика термометра.

Затем обмотки по очереди подключались по такой схеме.

В реальности это выглядело так:

При токах до 1 А, что соответствует плотности около 3,5 А/мм2, температура не поднималась выше 300С как у одножильного провода, так и у многожильного. Чтобы все-таки выявить зависимость нагрева от типа провода ток по показаниям амперметра увеличил до 5А. Температура стала заметно расти и в зависимости от времени для одножильного и многожильного провода изменялась так:

Из графика видно, что многожильный провод, при одинаковом сечении, нагревается быстрее и до более высокой температуры.

Посчитаем площадь поверхности охлаждения одножильного и многожильного провода в соответствии с рисунком представленным ниже:

Длина окружности провода L при диаметре 0,55мм равна 0,55×3,14=1,727мм. При длине провода H длиной 1м (1000мм) площадь поверхности охлаждения равна произведению L×H. Получаем 0,727×1000=1727мм2.

Для многожильного провода при диаметре 0,21мм длина окружности равна 0,21×3,14=0,659мм. При длине провода 1м (1000мм) получаем 659мм2. Для семи жил, как у нас, общая площадь охлаждения для выделения той же мощности равна 7×659=4613мм2. Это в 2,67 раза больше чем у одножильного провода. Так почему многожильный провод греется больше? Причина видимо в том, что плотность укладки тонкого провода выше, пространство между витками меньше и условия охлаждения хуже. Ниже показаны обмотки, намотанные проводами разных диаметров. Воздушные просветы у многожильного провода гораздо меньше.

В следующем эксперименте я проверил как будет нагреваться одножильный и многожильный провод, не намотанный на катушку, а находящийся в свободном пространстве. Показания амперметра те же, 5А.

При этом графики зависимости температуры от времени выглядят так:

В данном случае видно, что большая площадь охлаждения у многожильного провода дает о себе знать и температура у многожильного провода в установившемся значении ниже на 10%.

Выводы.

Самый главный вывод из двух графиков это то, что у того же провода, намотанного на катушку по сравнению с проводом в один слой, при том же токе температура выше в три с лишним раза и достигает недопустимого значения около 1500С. Это значит, что условия охлаждения провода, при прочих равных условиях, являются определяющими.

Если при намотке трансформатора мы заменяем одножильный провод многожильным у которого тоже самое суммарное сечение, то нужно учитывать, что из-за увеличения плотности намотки обмотка будет греться сильнее процентов на 10.

Если обмотка содержит мало витков и уложена в один ряд, то многожильный провод греется меньше одножильного на величину примерно 10%. Это удобно делать при намотке трансформаторов импульсных блоков питания, особенно сварочных инверторов. Вот пример такого трансформатора, у которого вторичная обмотка выполнена из большого количества тонких жил.

К тому же инверторы работают на частотах десятки кГц и уже будет сказываться скин-эффект, что делает применение многожильной обмотки еще более эффективным.

Как правило, в рекомендациях по намотке трансформаторов или дросселей говорят о возможной замене одножильного провода многожильным с одинаковым суммарным сечением, но о рассмотренных выше изменениях температурных режимов не упоминают. А это существенно влияет на температуру, и как следствие, надежность этих узлов.

Материал статьи продублирован на видео:

 

Оставьте комментарий