Výpočet odporu měděných vodičů a výběr průřezu kabelu

Jak se mění odpor krouceného měděného páru s rostoucí teplotou? Slyšel jsem názory, že pro přenos dat a napájení PoE je to kritické, a proto je nutné to nastavit na kategorii 6A nebo 7. Chci pochopit proč.

Odpor mědi se sice mění s teplotou, ale nejprve se musíme rozhodnout, zda mluvíme o elektrickém odporu vodičů (ohmický odpor), který je důležitý pro stejnosměrné napájení přes Ethernet, nebo zda mluvíme o signálech v datových sítích a pak mluvíme o vložných úbytcích při šíření elektromagnetické vlny v kroucené dvoulinkě a o závislosti útlumu na teplotě (a frekvenci, která je neméně důležitá).

Měděný odpor

V mezinárodní soustavě SI se měrný odpor vodičů měří v Ohm∙m. V oblasti IT se častěji používá nesystémový rozměr Ohm∙mm 2 /m, který je pro výpočty výhodnější, protože průřezy vodičů se obvykle udávají v mm 2. Hodnota 1 Ohm∙mm 2 /m je milionkrát menší než 1 Ohm∙m a charakterizuje měrný odpor látky, jejíž homogenní vodič o délce 1 m s plochou průřezu 1 mm 2 dává odpor 1 Ohm.

Odpor čisté elektrické mědi při 20°C je 0,0172 Ohm∙mm2/m. V různých zdrojích se můžete setkat s hodnotami až 0,018 Ohm∙mm 2 /m, což může platit i pro elektrickou měď. Hodnoty se liší v závislosti na zpracování, kterému je materiál podroben. Například žíhání po tažení („tažení“) drátu snižuje měrný odpor mědi o několik procent, i když se primárně provádí za účelem změny spíše mechanických než elektrických vlastností.

Měděný odpor má přímé důsledky pro aplikace Power over Ethernet. Pouze část původního stejnosměrného proudu vstřikovaného do vodiče dosáhne vzdáleného konce vodiče – určitá ztráta na cestě je nevyhnutelná. tak např. PoE typ 1 vyžaduje, aby z 15,4 W dodávaného zdrojem dosáhlo alespoň 12,95 W napájeného zařízení na vzdáleném konci.

Odpor mědi se mění s teplotou, ale pro teploty IT jsou změny malé. Změna odporu se vypočítá pomocí vzorců:

kde ΔR je změna měrného odporu, R je měrný odpor při teplotě brané jako základní úroveň (obvykle 20 °C), ΔT je teplotní gradient, α je teplotní koeficient měrného odporu pro daný materiál (rozměr °C -1 ). V rozsahu od 0°C do 100°C je pro měď akceptován teplotní koeficient 0,004 °C -1. Vypočítejme měrný odpor mědi při 60°C.

R_{60 ° C} = R_{20 ° C} · (1 + α · (60°С – 20°С)) = 0,0172 · (1 + 0,004 · 40) ≈ 0,02 Ohm∙mm2/m

Odpor se zvýšil o 40 % se zvýšením teploty o 16 °C. Při provozu kabelových systémů by kroucená dvoulinka samozřejmě neměla být vystavena vysokým teplotám; Při správně navrženém a nainstalovaném systému se teplota kabelů jen málo liší od obvyklých 20 °C a pak bude změna odporu malá. Podle telekomunikačních norem by odpor 100 m měděného vodiče v kroucených dvoulinkách kategorie 5e nebo 6 neměl překročit 9,38 ohmů při 20 °C. V praxi se výrobci do této hodnoty vejdou s rezervou, takže ani při teplotách 25°C ÷ 30°C odpor měděného vodiče tuto hodnotu nepřekračuje.

Twisted Pair útlum signálu / ztráta vložení

Když se elektromagnetická vlna šíří měděným krouceným párovým kabelem, část její energie se rozptýlí podél cesty od blízkého konce ke vzdálenému konci. Čím vyšší je teplota kabelu, tím více se signál zeslabuje. Při vysokých frekvencích je útlum větší než při nízkých frekvencích a pro vyšší kategorie jsou přijatelné limity pro testování vložného útlumu přísnější. V tomto případě jsou všechny mezní hodnoty nastaveny na teplotu 20°C. Pokud při 20 °C původní signál dorazil na vzdálený konec 100 m úseku s úrovní výkonu P, pak při zvýšených teplotách bude takový výkon signálu pozorován na kratší vzdálenosti. Pokud je potřeba zajistit stejný výkon signálu na výstupu segmentu, pak budete muset buď instalovat kratší kabel (což není vždy možné), nebo zvolit značky kabelů s nižším útlumem.

Obecně se uznává, že:

• U stíněných kabelů při teplotách nad 20 °C vede změna teploty o 1 stupeň ke změně útlumu o 0.2 %.
• U všech typů kabelů a jakýchkoli frekvencí při teplotách do 40°C vede změna teploty o 1 stupeň ke změně útlumu o 0.4 %.
• U všech typů kabelů a jakýchkoli frekvencí při teplotách od 40 °C do 60 °C vede změna teploty o 1 stupeň ke změně útlumu o 0.6 %.
• U kabelů kategorie 3 může dojít ke změně útlumu o 1,5 % na stupeň Celsia

Již na začátku roku 2000. Norma TIA/EIA-568-B.2 doporučovala snížit maximální přípustnou délku trvalého spojení/kanálu kategorie 6, pokud byl kabel instalován v prostředí se zvýšenou teplotou, a čím vyšší je teplota, tím kratší by měl být segment.

Vzhledem k tomu, že frekvenční strop v kategorii 6A je dvakrát vyšší než v kategorii 6, budou teplotní omezení pro takové systémy ještě přísnější.

Dnes při zavádění aplikací PoE Bavíme se o maximálně 1-gigabitových rychlostech. Při použití 10gigabitových aplikací však Power over Ethernet nepřichází v úvahu, alespoň zatím. Takže v závislosti na vašich potřebách, když se změní teplota, musíte zvážit buď změnu odporu mědi, nebo změnu útlumu. V obou případech má největší smysl zajistit, aby byly kabely udržovány při teplotách blízkých 20 °C.

Autor odpovědi:
Jekatěrina Oganesjanová

Ředitel školicího střediska ICS, autor a učitel kurzů strukturovaných kabelážních systémů v Baumanově centru pro počítačové školení „Specialista“, kandidát věd, docent Ruské univerzity chemicko-technologické pojmenované po. DI. Mendělejev

Při návrhu elektrických obvodů je důležité zvolit správný materiál a průřez vodičů. Pro tyto účely se nejčastěji používá měď, která má nižší odpor.

Na čem závisí odpor kovu?

Elektrický proud je směrovaný pohyb nabitých částic. V kovech se jedná o volné elektrony. Pohybují se mezi atomy krystalové mřížky. Odpor proti jejich pohybu závisí na kovu nebo slitině, stejně jako na jeho teplotě – s jejím zvyšováním se zvyšuje odpor drátu vůči elektrickému proudu.

Výjimkou jsou speciální slitiny používané v měřicích přístrojích. Používají se k výrobě rezistorů, které nemění své parametry při změně teploty. Kromě toho se k připojení termočlánků používají dvouvodičové kabely, z nichž odpor jednoho se s rostoucí teplotou zvyšuje a druhého klesá. V důsledku toho se parametry kabelu nemění.

Rezistivita různých kovů

Různé kovy mají různé vlastnosti a používají se k různým účelům.

Měď a hliník

Nejběžnějšími dráty jsou měď a hliník. Měď má nižší elektrický odpor než hliníkový drát, kabely z ní vyrobené mají menší průřez. Je pevnější, což umožňuje výrobu tenčích kabelů, ale také flexibilních a vícežilových. Měď se navíc pájí cínovými pájkami.

Hliník má ale jednu výhodu: je mnohem levnější. Proto se používá k navíjení transformátorů a pokládce kabeláže, která se během provozu neohýbá, nepohybuje ani nevibruje.

Ostatní kovy

• Zlato. Má nejnižší elektrický odpor, ale kvůli své ceně se používá pouze na určitých místech ve vojenské a kosmické technice;
• Stříbro. Má lepší poměr ceny a kvality než zlato, ale také se používá v omezené míře, zejména k výrobě kontaktů a konektorů – neoxiduje;
• Nichrom (slitina niklu a chromu) a fechral (železo, chrom a hliník). Mají vysoký bod tání. Odpor nichromu a nichromového drátu je dostatečně vysoký pro výrobu topných těles a drátových rezistorů;
• Wolfram. Má vysoký měrný odpor a je velmi žáruvzdorný – 3422 stupňů. Používá se k výrobě vláken v žárovkách;
• Konstantan. Slitina mědi, niklu a manganu, která nemění své vlastnosti se změnami teploty. Používá se k výrobě rezistorů v měřicích přístrojích;
• Kompenzace. Tyto slitiny se používají k výrobě kabelů pro připojení termočlánků a dalších senzorů. S rostoucí teplotou se elektrický odpor jednoho vodiče zvyšuje a odpor druhého se snižuje. V důsledku toho zůstává celková hodnota nezměněna.

To je zajímavé. V 50. letech XNUMX. století byly navrženy transformátory pro vysokonapěťové rozvodny se stříbrnými vinutími. Vzhledem ke sníženým ztrátám to bylo ziskové. Kvůli nárůstu ceny stříbra na světovém trhu však tyto projekty nebyly realizovány.

Výběr průřezů kabelů

Při výpočtu průřezu vodivého jádra se bere v úvahu ohřev a úbytek napětí v dlouhých kabelech. Odpor vodiče lze vypočítat pomocí speciálních tabulek nebo online kalkulaček.

Průřez vypočítaný na základě ztrát může být větší nebo menší než průřez vypočítaný na základě ohřevu. To závisí na délce kabelu. Pro pokládku se volí větší hodnota.

Výběr průřezu vodiče na základě přípustného ohřevu

Když kabelem protéká elektrický proud, zahřívá se. Toto zahřívání může roztavit izolaci, což povede k jejímu zničení a zkratu blízkých vodičů mezi sebou nebo s uzemněnými konstrukčními částmi.

Důležité! Zničení izolace a zkrat mohou vést k požáru.

Aby se tomu zabránilo, musí průřez kabelu odpovídat zatěžovacímu proudu, typu izolace a podmínkám instalace. Vodiče položené otevřeně nebo s tepelně odolnou izolací mohou nést větší proud než kabely položené ve vinylových nebo pryžových trubkách.

Výběr sekce ohřevem

Výběr průřezu na základě ztrát napětí

Když kabelem protéká elektrický proud, napětí v blízkosti zátěže klesá. To je způsobeno tím, že ačkoli je odpor malého kusu drátu a úbytek napětí na něm malý, na velké délce může dosáhnout značné hodnoty.

Například měrný odpor měděného drátu je 0,017 Ohm mm²/m. Ale u jednožilového kabelu o délce 100 m s průřezem 10 mm² to bude 0,17 Ohm. Při proudu 80 A (přípustném pro vytápění) bude úbytek napětí v síti 220 V 27 V (100 m fázového vodiče a 100 m nulového vodiče s úbytkem 13 V v každém vodiči). Proto při přípustném úbytku napětí 2 % nebo 5 V nesmí být průřez kabelu menší než 66 mm², nebo nejbližší větší standardní hodnota – 75 mm².

Pokud se výpočet topného průřezu provádí na základě provozního proudu elektromotoru a na základě průřezu od vstupního jističe k zařízení, pak se výpočet ztrát musí provést na základě rozběhového proudu s přihlédnutím k celé délce kabelů: od hlavního vedení k elektrickému stroji.

Výběr průřezu vodiče na základě přípustného úbytku napětí

Odpor měděného drátu je hodnota, která ovlivňuje výběr kabelů a vodičů pro navíjení cívek při návrhu elektrických obvodů, stejně jako elektromotorů a transformátorů. Znalost výpočtu odporu vodiče a potřebných vzorců vám pomůže správně navrhnout elektrické zapojení a vyhnout se nouzovým situacím.

Video