Размер провода, производство медной проволоки, типы изоляции и руководство по домашней проводке

Как измерить размер провода: AWG, мм² и что означают цифры

Размер провода — это измерение площади поперечного сечения проводника — количества меди (или алюминия), доступного для проведения тока. Доминируют две системы: американский стандарт сечения проводов (AWG), используемый в Северной Америке, и метрическая система мм² (квадратный миллиметр), используемая в Европе, Австралии и большей части остального мира. Понимание того и другого важно для тех, кто прокладывает провода для международных цепочек поставок или работает с импортным электрооборудованием.

AWG: Как работает американская система

AWG — это противоречивая система: чем выше номер калибра, тем меньше провод . AWG 4 — проводник большого диаметра, подходящий для цепей тяжелых приборов; AWG 24 — это тонкая проволока внутри телефонных кабелей. Масштаб зависит от количества проходов волочильной матрицы, необходимых для производства проволоки: чем больше проходов, тем тоньше проволока и более высокий номер калибра. Математическая зависимость точна: каждое увеличение на 6 шагов AWG уменьшает площадь поперечного сечения вдвое, а каждое увеличение на 3 шага уменьшает диаметр примерно вдвое.

Чтобы измерить размер провода в AWG без таблицы данных, используйте калибратор — плоскую стальную пластину с калиброванными пазами — вставляя оголенный проводник в пазы до тех пор, пока не найдете наименьший паз, через который он проходит чисто. Это напрямую дает AWG. Альтернативно измерьте диаметр оголенного проводника цифровым штангенциркулем и сверьте его со стандартной таблицей AWG: AWG 12 измеряет диаметр 2,053 мм; Размер AWG 14 составляет 1,628 мм; Размер AWG 10 составляет 2,588 мм. Никогда не измеряйте диаметр изолированного провода. — Толщина изоляции зависит от типа и номинального напряжения и приводит к неправильным показаниям датчика.

Метрическая система мм²

Метрическая система IEC определяет размер провода по фактической площади поперечного сечения проводника в квадратных миллиметрах, что является прямой и интуитивной мерой допустимого тока. Обычные размеры жилых помещений составляют 1,5 мм² (цепи освещения, эквивалентные примерно 14 AWG), 2,5 мм² (цепи розеток, примерно 12 AWG), 4 мм² (цепи плиты и душа, примерно 10 AWG) и 6 мм² (подключения и приборы с высокой нагрузкой, примерно 8 AWG). Чтобы вычислить мм² на основе измеренного диаметра: площадь = π × (диаметр/2)².

Номинальные значения тока в таблице выше отражают значения токовой нагрузки NEC (Национальный электротехнический кодекс) для медных проводников в кабелепроводе при номинальной температуре изоляции 60°C и температуре окружающей среды 30°C. Провода, проложенные в стенах без кабелепровода или проложенные в средах с высокой температурой окружающей среды, должны иметь пониженные номинальные характеристики — NEC определяет поправочные коэффициенты всего лишь 0,5× для кабелепроводов с более чем тремя токоведущими проводниками. Провод меньшего размера не просто сразу выходит из строя — он медленно перегревается, ухудшая изоляцию в течение месяцев или лет, пока не произойдет неисправность или возгорание.

Как производят медную проволоку: от катода до готового проводника

Производство медной проволоки — это многоэтапный промышленный процесс, который начинается с очищенных медных катодов — плоских пластин из меди с чистотой 99,99%, получаемых путем электролитического рафинирования плавленой руды — и заканчивается готовыми проводниками, вытянутыми до точного диаметра, отожженными до нужного состояния и намотанными на катушки для изоляции или прямой продажи. Мировая проводная и кабельная промышленность потребляет около 28 миллионов тонн меди в год , что делает его крупнейшей категорией конечного использования металла.

Шаг 1: Непрерывное литье в стержень

Медные катоды плавятся в шахтной или индукционной печи при температуре примерно 1085°C (температура плавления меди) и отливаются в непрерывный стержень с помощью процесса, называемого литьем Properzi или CONTIROD, разработанного в середине 20-го века специально для проволочной промышленности. Расплавленная медь заливается в движущуюся форму, состоящую из литейного колеса с канавками и стальной ленты, которая на выходе из колеса затвердевает в непрерывный стержень диаметром 8 мм. Затем стержень сразу же подвергают горячей прокатке через ряд прокатных клетей, пока температура все еще превышает 600°C, превращая его в стандартный медный пруток диаметром 8 мм, используемый в качестве исходного материала для волочения проволоки. Непрерывной разливкой получают стержень с однородная зернистая структура и минимальное количество оксидных включений — необходим для надежного волочения без обрывов проволоки.

Шаг 2: Рисование проволоки

Стержень диаметром 8 мм протягивается через ряд матриц из карбида вольфрама или алмазов постепенного уменьшения размера на волочильном станке, причем каждая матрица уменьшает диаметр на 15–25%. Типичная последовательность волочения от стержня диаметром 8 мм до AWG 12 (2,05 мм) требует 9–11 проходов штампа. Каждый проход приводит к упрочнению меди, увеличивая прочность на разрыв, но снижая пластичность. Смазка для волочения (эмульсия на мыльной основе) наносится непрерывно, чтобы уменьшить трение между проволокой и поверхностью матрицы, предотвратить истирание и отвести тепло, образующееся в результате пластической деформации. Многоштамповочные волочильные машины работают со скоростью на выходе проволоки 20–40 метров в секунду для тонкой проволоки, производя километры готового проводника в час.

Шаг 3: Отжиг

Закаленная медная проволока жесткая и хрупкая — она не подходит для электропроводки, где проводник должен сгибаться во время установки без образования трещин. Отжиг восстанавливает пластичность за счет нагрева проволоки до 200–500°C и возможности рекристаллизации деформированной зеренной структуры. В промышленности используются два метода. При периодическом отжиге спиральная проволока помещается в печь с контролируемой атмосферой на несколько часов, что дает очень однородные результаты, но требует значительного времени. Непрерывный поточный отжиг пропускает тянутую проволоку через зону электрорезистивного нагрева сразу после окончательной волочильной матрицы, рекристаллизуя медь за считанные секунды во время работы линии — доминирующий метод в крупносерийном производстве благодаря своей скорости и энергоэффективности. Правильно отожженная медная проволока достигает удлинения при разрыве более 25% и удельного сопротивления ниже. 1,724 мкОм·см — стандартизированное на международном уровне значение для отожженной меди (проводимость 100 % IACS).

Шаг 4: Скрутка и изоляция

Одиночные сплошные проводники предназначены для применений с низкой гибкостью (стационарная проводка в стенах). Для гибких кабелей — бытовых шнуров, переносных инструментов, сварочных проводов — несколько тонких проволок скручиваются вместе в крутильной машине, образуя многожильный проводник. Типичный многожильный проводник AWG 12 состоит из 7 отдельных проводов AWG 22,5, скрученных в один слой вокруг центрального провода. Более тонкая скрутка (19, 37 или 133 жилы) позволяет получать более гибкие проводники для требовательных применений с гибким циклом. Готовый проводник затем проходит через экструдер — нагретый цилиндр с вращающимся шнеком — где термопластичный или термореактивный изоляционный материал плавится и экструдируется под давлением на проводник в виде сплошного покрытия.

Типы изоляции электрических проводов: материалы, номиналы и выбор

Изоляция электрического провода — это диэлектрическое покрытие, которое предотвращает выход тока из проводника, защищает от воздействия окружающей среды и — во многих случаях — обеспечивает механическую защиту и огнестойкость. Выбор изоляции напрямую определяет номинальное напряжение провода, номинальную температуру, химическую стойкость и применимые условия установки. Ни один изоляционный материал не превосходит всех по всем параметрам, поэтому в проводной промышленности существуют десятки типов изоляции.

ПВХ (поливинилхлорид)

ПВХ является наиболее широко используемым изоляционным материалом во всем мире, на него приходится большая часть изоляции строительных проводов, кабелей управления и шнуров приборов. Он недорогой, легко экструдируется, самозатухающий (огнестойкий), устойчивый к маслам, кислотам и влаге. Стандартная изоляция из ПВХ рассчитана на 60°С или 75°С постоянная рабочая температура, доступны уровни 90°C. Его слабостью являются низкотемпературные характеристики: стандартный ПВХ становится хрупким при температуре ниже –10°C, а при горении он выделяет хлористый водород, который является коррозийным и токсичным. По этой причине использование ПВХ запрещено в некоторых зданиях (пространствах, туннелях, общественных зданиях), где токсичный дым представляет собой угрозу безопасности жизни. Строительные провода THHN и THWN — стандартный выбор для жилых кабелепроводов в Северной Америке — используют изоляцию из ПВХ с нейлоновой оболочкой, рассчитанную на 90 °C в сухом состоянии и 75 °C во влажном состоянии.

Сшитый полиэтилен (сшитый полиэтилен)

Сшитый полиэтилен производится путем химического или физического сшивания полиэтиленовых цепей после экструзии, создавая трехмерную полимерную сетку, которая не плавится. Это дает сшитому полиэтилену постоянную температурную нагрузку 90°C (сухой) и 75°C (влажный) , с температурой стойкости к короткому замыканию 250°C, что значительно лучше, чем предел стойкости ПВХ к короткому замыканию 160°C. Сшитый полиэтилен имеет меньшие диэлектрические потери, чем ПВХ, что делает его стандартной изоляцией для силовых кабелей среднего напряжения (1–35 кВ) и высокого напряжения, где диэлектрический нагрев ПВХ может быть проблематичным на рабочей частоте. Строительные провода USE-2 и RHW-2, предназначенные для подземных и влажных помещений, имеют изоляцию из сшитого полиэтилена. Материал не выделяет коррозионные газы при горении, что дает ему преимущество в безопасности перед ПВХ в закрытых помещениях.

LSZH (Малодымный, без галогенов)

В изоляции LSZH используются безгалогенные полимерные соединения — обычно полиолефиновые смеси с антипиренами на основе минеральных наполнителей — которые при воздействии огня выделяют минимальное количество дыма и не выделяют газов галогеновой кислоты. Это критически важно в замкнутых пространствах, где эвакуация затруднена: туннели, корабли, морские платформы, центры обработки данных и системы общественного транспорта. Европейские строительные нормы (CPR — Регламент строительных изделий) классифицируют кабели по характеристикам реакции на огонь, а составы LSZH доминируют в классах характеристик Cca, B2ca и более высоких. Компромиссом является механическая прочность: компаунды LSZH обычно мягче и менее устойчивы к истиранию, чем ПВХ, что требует более осторожного обращения при установке.

Силиконовая резина

Изоляция из силиконовой резины выдерживает экстремальные температуры, которых не может достичь изоляция из термопластика: постоянные характеристики от от –60°С до 180°С , при этом некоторые сорта выдерживают температуру 200°C в течение ограниченного периода времени. Силикон гибок даже при криогенных температурах, химически инертен, устойчив к ультрафиолетовому излучению и нетоксичен при горении. Эти свойства делают его стандартным для проводки печей, промышленных печей, выводов медицинского оборудования и проводки в аэрокосмической отрасли. Основным ограничением является стоимость: провод с силиконовой изоляцией стоит в 3–8 раз дороже за метр, чем эквивалентный провод из ПВХ, что ограничивает его применение там, где действительно необходимы его тепловые характеристики.

ПТФЭ (политетрафторэтилен)

ПТФЭ, коммерчески известный как тефлон, обеспечивает высочайшую химическую стойкость среди любой изоляции проводов в сочетании с продолжительным температурным диапазоном 260°С и превосходные диэлектрические свойства на высоких частотах. Провод с изоляцией из ПТФЭ является стандартным в жгутах проводов аэрокосмической отрасли (MIL-W-22759 и эквивалент), высокочастотных коаксиальных кабелях и оборудовании химической обработки, где агрессивные растворители или кислоты могут разрушить любой другой изоляционный материал. Чрезвычайно низкий коэффициент трения и антипригарная поверхность также облегчают протягивание провода с тефлоновой изоляцией через кабелепровод и связывание в плотные жгуты.

Виды электрического кабеля: конструкция и применение

Электрический кабель отличается от провода тем, что он объединяет несколько изолированных проводников — а также часто заземляющий провод, наполнительный материал, экран и внешнюю оболочку — в единый узел, предназначенный для конкретной среды установки и электрической функции. Конструкция кабеля не является взаимозаменяемой в разных приложениях: использование кабеля неправильного типа в конкретной среде может создать опасность пожара, нарушение правил или преждевременный выход из строя изоляции.

NM-B (кабель с неметаллической оболочкой)

NM-B, обычно называемый Romex в честь доминирующего бренда, является стандартным кабелем для жилой проводки в сухих внутренних помещениях по всей Северной Америке. Он состоит из двух или трех изолированных медных проводников (обычно THHN) плюс оголенного заземляющего провода, обернутого бумажным сепаратором и заключенного в внешнюю оболочку из ПВХ. NM-B доступен в исполнениях 14/2, 12/2, 10/2 (два провода плюс земля) и 14/3, 12/3 (три провода плюс земля — требуется для схем трехпозиционного переключателя). Он рассчитан на температуру 90°C на проводнике, но необходимо снизить номинальную нагрузку до 60°C. на практике из-за сохранения тепла внешней оболочкой. NM-B нельзя использовать во влажных помещениях, замуровывать в бетон или эксплуатировать в местах, подверженных физическим повреждениям.

UF-B (подземный питающий кабель)

Кабель UF-B предназначен для непосредственного закапывания в почву без кабелепровода — жилы заделаны в сплошной серый ПВХ-композит, а не обернуты отдельной оболочкой, создавая влагостойкую и устойчивую к разрушению сборку. Он используется для наружных цепей (ландшафтное освещение, хозяйственные постройки, садовые розетки), а также может использоваться внутри помещений во влажных помещениях, где NM-B запрещен. Минимальная глубина заглубления под НЭК составляет 24 дюйма для UF-B прямого захоронения без защиты кабелепровода, уменьшается до 12 дюймов при защите кабелепровода.

Кабель MC (кабель в металлической оболочке)

Кабель MC заключает изолированные проводники в гибкую взаимосвязанную броню из алюминия или оцинкованной стали, обеспечивая механическую защиту, подходящую для открытых прокладок в коммерческих и промышленных зданиях, а также в жилых домах, где местные нормы запрещают NM-B (во многих городских юрисдикциях и многоквартирных домах). Броня не заменяет заземляющий провод — кабель MC включает специальный изолированный провод заземления оборудования. Кабель MC одобрен для использования во влажных помещениях (с указанными фитингами), в бетоне и в некоторых случаях прямого захоронения, обеспечивая гибкость установки, с которой не может сравниться NM-B.

Кабель SE и SER (служебный вход)

Кабель служебного входа соединяет счетчик коммунальных услуг с главным электрическим щитом. SE-R (служебный вход, круглый) содержит два изолированных фазных провода и голый алюминиевый нейтральный провод, все в оплетке или внешней оболочке из ПВХ, рассчитанной на воздействие на открытом воздухе. SER используется для подачи тока 100–400 А от счетчика к панели и для подачи подпанели внутри одного здания. Он не одобрен для прямого захоронения без трубопровода. Для распределительных сетей — подключения трансформатора к счетчику — стандартным является воздушный триплексный кабель (предварительно скрученные алюминиевые жилы с изоляцией из сшитого полиэтилена).

Бронированные и экранированные кабели для передачи данных

Низковольтные кабели для передачи данных и связи — Cat6 Ethernet, коаксиальный RG-6, оптоволоконный с медным индикатором — являются электрическими кабелями в нормативном смысле, подпадающими под действие статей 800 и 820 NEC. В вентиляционных помещениях (над подвесными потолками, в вентиляционных камерах) эти кабели должны использовать оболочки класса CMP (коммуникационные пленумы) с низким уровнем дымообразования и низким распространением пламени. Кабели с рейтингом стояка (CMR) необходимы на вертикальных прокладках между этажами. Стандартные кабели с номиналом CM разрешены только во внутренних помещениях, не относящихся к пленуму и стоякам. Замена вертикального кабеля в камере статического давления является распространенной и опасной ошибкой при установке, которая не проходит проверку пожарной безопасности и может привести к циркуляции токсичного дыма через системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в случае пожара.

Какой тип проводки используется сегодня в домах?

Современная электропроводка в жилых домах в Соединенных Штатах соответствует стандартизированной системе, установленной NEC и соблюдаемой местными строительными нормами и правилами. Материалы, типы кабелей и конфигурации цепей в доме, построенном или отремонтированном после 2000 года, существенно отличаются от проводки до 1970-х годов, и понимание текущего стандарта помогает домовладельцам оценивать старую проводку, планировать ремонт и общаться с электриками.

Медный проводник повсюду

Во всей ответвительной проводке в новом жилом строительстве используются медные жилы. Алюминиевая проводка, широко использовавшаяся в домах, построенных в период с 1965 по 1973 год из-за нехватки меди и скачка цен, стала причиной тысяч пожаров в домах из-за ее большего теплового расширения, склонности к окислению в соединениях и холодного течения под винтовыми клеммами. Алюминий по-прежнему используется сегодня для проводников служебных входов и больших фидерных кабелей (панелей на 200 А, субпанелей, цепей плит и осушителей), где его более низкая стоимость на ампер-фут значительна и где соединения выполняются с помощью перечисленных в списке совместимых с алюминием наконечников, а не стандартных винтовых клемм.

Кабель NM-B в качестве проводки первичной ответвленной цепи

Подавляющее большинство ответвлений в частном доме — общее освещение, розетки, мелкая бытовая техника — проложены кабелем NM-B, проложенным через полости стен, через балки и прикрепленным к каркасу. Типичный новый дом содержит 1000–2000 погонных футов кабеля NM-B в 20–40 филиалах. Сечение проводов соответствует силе тока в цепи: 14 AWG в цепях на 15 А (NM-B с белой оболочкой), 12 AWG в цепях на 20 А (с желтой оболочкой), 10 AWG в цепях на 30 А (с оранжевой оболочкой). Цветовая маркировка курток является стандартом, принятым производителями и широко признанным инспекторами, но формально не требуется NEC.

Выделенные цепи для устройств с высокой нагрузкой

NEC требует выделенных цепей — цепей, обслуживающих только одну розетку или прибор — для нескольких жилых помещений с высокой нагрузкой. Выделенная цепь 20 А, 120 В требуется для каждого небольшого прибора на кухне (минимум две цепи для розеток на столешнице), холодильника, посудомоечной машины, мусоропровода и микроволновой печи. Для крупных приборов требуются цепи на 240 В: электрическая плита (50 А, 8 AWG или 6 AWG), сушилка для одежды (30 А, 10 AWG), центральный конденсатор переменного тока (обычно 30–60 А в зависимости от размера устройства), электрический водонагреватель (30 А, 10 AWG) и зарядные устройства для электромобилей (50 А, 6 AWG для EVSE уровня 2 на 48 А). В этих цепях на 240 В используются двухполюсные выключатели и проложен кабель 10/3 или 6/3 NM-B, несущий обе «горячие» ветви, нейтраль и землю.

Требования защиты GFCI и AFCI

Современные нормы по электропроводке в жилых домах требуют двух типов дополнительной защиты помимо стандартного выключателя. Защита GFCI (прерыватель цепи замыкания на землю) требуется для всех розеток в ванных комнатах, кухнях в пределах 6 футов от раковины, гаражах, на открытом воздухе, в подвалах, недостроенных подвалах и возле бассейнов — в любом месте, где возможен одновременный контакт с заземленной поверхностью и проводом под напряжением. Устройства GFCI обнаруживают дисбаланс тока между горячей и нейтральной 4–6 миллиампер и совершить поездку в течение 25 миллисекунд, прежде чем может возникнуть фибрилляция сердца. Защита AFCI (прерыватель дугового замыкания) требуется в редакциях NEC 2017 и 2020 годов практически для всех ответвленных цепей на 15 А и 20 А в жилых помещениях, спальнях, коридорах и кухнях, определяя высокочастотную электрическую сигнатуру дугового замыкания в поврежденной проводке, которую не могут обнаружить стандартные выключатели.

Выявление устаревшей проводки в старых домах

В домах, построенных до 1940 года, может быть проводка в виде ручки и трубки — отдельные проводники с тканевой изоляцией, проложенные через керамические ручки и трубки без заземляющего провода. Эта проводка по своей сути не опасна, если ее не трогать и не модифицировать, но она не может поддерживать заземленные розетки, несовместима с современными приборами, требующими заземления, и аннулируется страховыми полисами большинства домовладельцев. В домах 1940–1960-х годов обычно использовались двухпроводные цепи (без заземления) с проводниками с резиновой изоляцией, которые часто становились хрупкими. В обеих ситуациях требуется оценка лицензированным электриком перед ремонтом или добавлением цепей. Любой дом, в котором имеется проводка, обернутая тканью, двухконтактные незаземленные розетки повсюду или панель предохранителей, а не автоматические выключатели, должен быть проверен на предмет замены проводки. — не для того, чтобы соответствовать произвольным стандартам, а потому, что ухудшение изоляции проводов, которым 60–80 лет, представляет собой реальную опасность пожара.