Электропроводка — это электрический монтаж кабелей и связанных с ними устройств, таких как выключатели, распределительные щиты, розетки и осветительная арматура в здании.
Проводка подчиняется стандартам безопасности для проектирования и установки. Допустимые типы и размеры проводов и кабелей указываются в соответствии с рабочим напряжением цепи и допустимым током , с дополнительными ограничениями по условиям окружающей среды, таким как диапазон температур окружающей среды, уровень влажности и воздействие солнечного света и химикатов.
Связанные с этим устройства защиты цепи, управления и распределения в системе электропроводки здания подчиняются спецификациям напряжения, тока и функциональности. Правила безопасности электропроводки различаются в зависимости от местности, страны или региона. Международная электротехническая комиссия (МЭК) пытается гармонизировать стандарты электропроводки среди стран-членов, но все еще существуют значительные различия в требованиях к проектированию и установке.
Материалы для электропроводки внутренних электрических систем зданий различаются в зависимости от:
Например, системы электропроводки в односемейном доме или дуплексе просты, с относительно низкими требованиями к мощности, редкими изменениями в конструкции и планировке здания, обычно с сухими, умеренными температурами и неагрессивными условиями окружающей среды. В легкой коммерческой среде можно ожидать более частых изменений проводки, может быть установлена крупная аппаратура и могут применяться особые условия тепла или влажности. Тяжелая промышленность предъявляет более высокие требования к проводке, такие как очень большие токи и более высокие напряжения, частые изменения компоновки оборудования, коррозионная или влажная или взрывоопасная атмосфера. На предприятиях, где работают с горючими газами или жидкостями, специальные правила могут регулировать установку и проводку электрооборудования в опасных зонах .
Провода и кабели оцениваются по напряжению цепи, температурному диапазону и условиям окружающей среды (влажность, солнечный свет, масло, химикаты), в которых они могут использоваться. Провод или кабель имеет номинальное напряжение (относительно нейтрали) и максимальную температуру поверхности проводника. Величина тока, которую кабель или провод может безопасно переносить, зависит от условий установки.
Международные стандартные размеры проводов приведены в стандарте IEC 60228 Международной электротехнической комиссии . В Северной Америке для размеров проводов используется стандарт American Wire Gauge .
Современные кабели с неметаллической оболочкой, такие как (американские и канадские) типы NMB и NMC, состоят из двух-четырех проводов, покрытых термопластичной изоляцией, плюс провод для защитного заземления (связывания), окруженный гибкой пластиковой оболочкой. В Северной Америке и Великобритании этот проводник обычно представляет собой голый провод, но в Великобритании требуется, чтобы этот голый провод защитного заземления (PE) был покрыт зелено-желтой изоляционной трубкой, где оболочка кабеля удалена. Большинство других юрисдикций теперь требуют, чтобы провод защитного заземления был изолирован по тому же стандарту, что и токопроводящие проводники с зелено-желтой изоляцией.
В некоторых кабелях отдельные проводники оборачиваются бумагой перед нанесением пластиковой оболочки.
Специальные версии кабелей с неметаллической оболочкой, такие как US Type UF, предназначены для прямой прокладки под землей (часто с отдельной механической защитой) или наружного использования, где возможно воздействие ультрафиолетового излучения (УФ). Эти кабели отличаются влагостойкой конструкцией, отсутствием бумаги или других абсорбирующих наполнителей и формулой, обеспечивающей устойчивость к УФ-излучению.
Изоляция из синтетического полимера, похожего на резину, используется в промышленных кабелях и силовых кабелях, прокладываемых под землей, благодаря своей превосходной влагостойкости.
Изолированные кабели классифицируются по допустимому рабочему напряжению и максимальной рабочей температуре на поверхности проводника. Кабель может иметь несколько рейтингов использования для различных применений, например, один рейтинг для сухих установок и другой при воздействии влаги или масла.
Как правило, одножильный строительный провод небольших размеров представляет собой сплошной провод, поскольку проводка не должна быть очень гибкой. Проводники строительного провода размером более 10 AWG (или около 5 мм2 ) скручиваются для гибкости во время монтажа, но недостаточно гибки для использования в качестве шнура для электроприборов.
Кабели для промышленных, коммерческих и многоквартирных зданий могут содержать много изолированных проводников в общей оболочке, с винтовой стальной или алюминиевой броней или стальной проволочной броней, а также, возможно, с общей ПВХ или свинцовой оболочкой для защиты от влаги и физических повреждений. Кабели, предназначенные для очень гибкой эксплуатации или для использования в морских условиях, могут быть защищены плетеными бронзовыми проводами. Силовые или коммуникационные кабели (например, компьютерные сетевые), проложенные в или через воздухообрабатывающие помещения (пленумы) офисных зданий, в соответствии с типовым строительным кодексом должны быть либо заключены в металлический кабелепровод, либо рассчитаны на низкое пламя и дымообразование.
Для некоторых промышленных применений на сталелитейных заводах и в аналогичных горячих средах ни один органический материал не обеспечивает удовлетворительного обслуживания. Иногда используются кабели, изолированные спрессованными чешуйками слюды. Другой формой высокотемпературного кабеля является кабель с минеральной изоляцией , в котором отдельные проводники помещены в медную трубку, а пространство заполнено порошком оксида магния . Вся сборка вытягивается до меньших размеров, тем самым сжимая порошок. Такие кабели имеют сертифицированный класс огнестойкости и стоят дороже, чем кабели без рейтинга огнестойкости. Они малогибкие и ведут себя скорее как жесткий кабелепровод, чем как гибкие кабели.
Окружающая среда установленных проводов определяет, какой ток может пропускать кабель. Поскольку несколько проводников, объединенных в кабель, не могут рассеивать тепло так же легко, как отдельные изолированные проводники, эти цепи всегда рассчитаны на более низкую допустимую силу тока . Таблицы в правилах электробезопасности указывают максимально допустимый ток на основе размера проводника, потенциала напряжения, типа и толщины изоляции, а также температурного номинала самого кабеля. Допустимый ток также будет отличаться для влажных или сухих мест, для горячих (чердак) или прохладных (под землей) мест. При прокладке кабеля через несколько областей часть с самым низким номиналом становится номиналом всего прогона.
Кабели обычно закрепляются специальными фиттингами в местах входа в электроприборы; это может быть простой винтовой зажим для кабелей в оболочке в сухом месте или кабельный соединитель с полимерной прокладкой, который механически зацепляет броню бронированного кабеля и обеспечивает водонепроницаемое соединение. Специальные кабельные фитинги могут применяться для предотвращения протекания взрывоопасных газов внутри кабелей в оболочке, где кабель проходит через области, где присутствуют горючие газы. Чтобы предотвратить ослабление соединений отдельных проводников кабеля, кабели должны поддерживаться вблизи их входа в устройства и на регулярных интервалах вдоль их трасс. В высотных зданиях требуются специальные конструкции для поддержки проводников вертикальных трасс кабеля. Как правило, допускается только один кабель на фитинг, если фитинг не рассчитан или не указан для нескольких кабелей.
Для кабелей, устанавливаемых на судах, требуются специальные конструкции кабелей и методы их заделки. Такие сборки подвергаются воздействию экстремальных условий окружающей среды и механических факторов. Поэтому, в дополнение к проблемам электрической и пожарной безопасности, такие кабели также должны быть устойчивы к давлению в местах, где они проникают через переборки судна. Они также должны противостоять коррозии, вызванной соленой водой или солевым туманом , что достигается за счет использования более толстых, специально сконструированных оболочек и лужения отдельных стоек проводов.
В североамериканской практике для жилых и легких коммерческих зданий, питаемых однофазной разделенной службой 120/240 , воздушный кабель от трансформатора на опоре электропитания прокладывается до точки входа в службу. Кабель представляет собой трехжильный скрученный «триплексный» кабель с голой нейтралью и двумя изолированными проводниками, без общей оболочки кабеля. [1] Нейтральный проводник часто представляет собой поддерживающий «посланник» стальной проволоки, который используется для поддержки изолированных линейных проводников.
Электрические устройства часто используют медные проводники из-за их свойств, включая высокую электропроводность , прочность на разрыв , пластичность , сопротивление ползучести , коррозионную стойкость , теплопроводность , коэффициент теплового расширения , паяемость , устойчивость к электрическим перегрузкам , совместимость с электроизоляторами и простоту установки. Медь используется во многих типах электропроводки. [2] [3]
Алюминиевый провод был распространен в североамериканской жилой проводке с конца 1960-х до середины 1970-х годов из-за роста стоимости меди. Из-за большего удельного сопротивления алюминиевая проводка требует более крупных проводников, чем медная. Например, вместо медного провода 14 AWG ( американский калибр проводов ) алюминиевая проводка должна быть 12 AWG на типичной 15-амперной цепи освещения, хотя местные строительные нормы различаются.
Сплошные алюминиевые проводники изначально изготавливались в 1960-х годах из алюминиевого сплава утилитарного класса, который имел нежелательные свойства для строительного провода, и использовались с электропроводными устройствами, предназначенными для медных проводников. [4] [5] Было обнаружено, что эти методы приводят к дефектным соединениям и пожароопасности. В начале 1970-х годов был представлен новый алюминиевый провод, изготовленный из одного из нескольких специальных сплавов, и все устройства — выключатели, переключатели, розетки, соединители для сращивания , гайки для проводов и т. д. — были специально разработаны для этой цели. Эти новые алюминиевые провода и специальные конструкции решают проблемы со стыками между разнородными металлами, окислением на металлических поверхностях и механическими эффектами, которые возникают, когда разные металлы расширяются с разной скоростью при повышении температуры. [ необходима ссылка ]
В отличие от меди, алюминий имеет тенденцию к ползучести или холодной текучести под давлением, поэтому старые простые стальные винтовые зажимные соединения могут со временем ослабнуть. Новые электрические устройства, разработанные для алюминиевых проводников, имеют функции, призванные компенсировать этот эффект. В отличие от меди, алюминий образует изолирующий оксидный слой на поверхности. Иногда эту проблему решают, покрывая алюминиевые проводники антиоксидантной пастой (содержащей цинковую пыль на основе полибутена с низким содержанием остатка [6] ) в местах соединений или применяя механическое окончание, предназначенное для прорыва оксидного слоя во время установки.
Некоторые концевые заделки на устройствах электропроводки, предназначенных только для медных проводов, перегревались при большой токовой нагрузке и вызывали пожары при использовании с алюминиевыми проводниками. Для уменьшения этих проблем были разработаны пересмотренные стандарты для материалов проводов и устройств электропроводки (например, обозначение CO/ALR "медь-алюминий-пересмотренный"). В то время как для подачи питания на электрические панели и большие устройства по-прежнему используются более крупные размеры, алюминиевая проводка для бытового использования приобрела плохую репутацию и вышла из моды.
Алюминиевые проводники по-прежнему широко используются для передачи электроэнергии , распределения электроэнергии и больших фидерных цепей с большими токовыми нагрузками из-за различных преимуществ, которые они предлагают по сравнению с медной проводкой. Алюминиевые проводники и стоят, и весят меньше, чем медные проводники, поэтому можно использовать гораздо большую площадь поперечного сечения при том же весе и цене. Это может компенсировать более высокое сопротивление и меньшую механическую прочность алюминия, то есть для достижения сопоставимой токовой нагрузки и других характеристик требуется большая площадь поперечного сечения. Алюминиевые проводники должны устанавливаться с совместимыми разъемами, и необходимо соблюдать особую осторожность, чтобы поверхность контакта не окислялась.
Изолированные провода могут быть проложены в одной из нескольких форм между электрическими устройствами. Это может быть специализированная гибкая труба, называемая кабелепроводом , или одна из нескольких разновидностей металлических (жесткая сталь или алюминий) или неметаллических ( ПВХ или ПЭВП ) трубок. Металлические или ПВХ-желоба прямоугольного сечения (Северная Америка) или кабель-каналы (Великобритания) могут использоваться, если требуется много цепей. Провода, проложенные под землей, могут быть проложены в пластиковых трубках, залитых бетоном, но при сильном натяжении могут использоваться металлические колена. Проводка в открытых зонах, например, на заводских полах, может быть проложена в кабельных лотках или прямоугольных кабельных каналах с крышками.
Если проводка или кабельные каналы, удерживающие проводку, должны пересекать стены и полы с классом огнестойкости , местные строительные нормы требуют, чтобы отверстия были противопожарными . В случаях, когда критически важная для безопасности проводка должна оставаться работоспособной во время случайного пожара, необходимо применять противопожарную защиту для поддержания целостности цепи таким образом, чтобы соответствовать сертификационному списку продукта . Характер и толщина любых пассивных противопожарных материалов, используемых вместе с проводкой и кабельными каналами, оказывают количественное влияние на снижение допустимой токовой нагрузки, поскольку теплоизоляционные свойства, необходимые для огнестойкости, также препятствуют воздушному охлаждению силовых проводников.
Кабельные лотки используются в промышленных зонах, где много изолированных кабелей проложено вместе. Отдельные кабели могут выходить из лотка в любой точке, что упрощает монтаж проводки и снижает трудозатраты на установку новых кабелей. Силовые кабели могут иметь фитинги в лотке для поддержания зазора между проводниками, но небольшая контрольная проводка часто устанавливается без какого-либо преднамеренного зазора между кабелями.
Местные электротехнические правила могут ограничивать или устанавливать особые требования к смешиванию уровней напряжения в одном кабельном лотке. Хорошие методы проектирования могут, например, отделять кабели измерения низкого уровня или сигнальные кабели от лотков, несущих мощные ответвления, чтобы предотвратить наведение помех в чувствительные цепи.
Поскольку провода, проложенные в каналах или под землей, не могут рассеивать тепло так же легко, как на открытом воздухе, и поскольку соседние цепи создают индуцированные токи, правила прокладки электропроводки содержат правила по установлению допустимой токовой нагрузки (токовой нагрузки).
Для прокладки проводов в потенциально взрывоопасных средах используются специальные герметичные фитинги.
Для очень больших токов в электроприборах и для больших токов, распределяемых по зданию, могут использоваться шины. (Термин «шина» является сокращением от латинского omnibus – означающего «для всех».) Каждый токоведущий («горячий») проводник такой системы представляет собой жесткий кусок меди или алюминия, обычно в виде плоских стержней (но иногда в виде трубок или других форм). Открытые шины никогда не используются в общедоступных зонах, хотя они используются на производственных предприятиях и распределительных устройствах энергетических компаний для получения преимущества воздушного охлаждения. Разновидностью является использование тяжелых кабелей, особенно там, где желательно транспонировать или «перекатывать» фазы.
В промышленных применениях токопроводящие шины часто предварительно собираются с изоляторами в заземленных корпусах. Эта сборка, известная как шинопровод или шинопровод, может использоваться для подключения к большому распределительному устройству или для подачи основного питания в здание. Форма шинопровода, известная как «штекерная шина», используется для распределения питания по всей длине здания; она сконструирована так, чтобы позволить устанавливать ответвительные переключатели или контроллеры двигателей в определенных местах вдоль шины. Большим преимуществом этой схемы является возможность удаления или добавления ответвления цепи без удаления напряжения со всего канала.
Шинопроводы могут иметь все фазные проводники в одном корпусе (неизолированная шина) или могут иметь каждый проводник, отделенный заземленным барьером от соседних фаз (сегрегированная шина). Для проведения больших токов между устройствами используется кабельная шина. [ необходимо дополнительное объяснение ]
Для очень больших токов на генерирующих станциях или подстанциях, где сложно обеспечить защиту цепи, используется шина с изолированной фазой . Каждая фаза цепи проходит в отдельном заземленном металлическом корпусе. Единственная возможная неисправность — замыкание фазы на землю, поскольку корпуса разделены. Этот тип шины может быть рассчитан на ток до 50 000 ампер и до сотен киловольт (при нормальной работе, а не только при неисправностях), но не используется для электропроводки зданий в обычном смысле.
Электрические панели — это легкодоступные распределительные коробки, используемые для перенаправления и переключения электрических служб . Термин часто используется для обозначения панелей выключателей или коробок предохранителей. Местные нормы могут определять физическое расстояние вокруг панелей. [ необходима цитата ]
Белки , крысы и другие грызуны могут грызть незащищенную проводку, вызывая опасность возгорания и поражения электрическим током. [7] [8] Это особенно касается телефонных и компьютерных сетевых кабелей с ПВХ-изоляцией. Было разработано несколько методов для отпугивания этих вредителей, включая изоляцию с перцовой пылью. [ требуется ссылка ]
Первые внутренние системы электропроводки использовали голые или покрытые тканью проводники, которые крепились скобами к каркасу здания или на подножках. Там, где проводники проходили через стены, они были защищены тканевой лентой. Сращивания выполнялись аналогично телеграфным соединениям и спаивались для безопасности. Подземные проводники изолировались обмотками тканевой ленты, пропитанной смолой, и укладывались в деревянные желоба, которые затем закапывались. Такие системы электропроводки были неудовлетворительными из-за опасности поражения электрическим током и пожара, а также высокой стоимости рабочей силы для таких установок. Первые электротехнические нормы и правила появились в 1880-х годах с коммерческим внедрением электроэнергии; однако существовало много противоречивых стандартов для выбора размеров проводов и других правил проектирования электроустановок, и возникла необходимость ввести единообразие по соображениям безопасности.
Самым ранним стандартизированным методом электропроводки в зданиях, который широко использовался в Северной Америке примерно с 1880 по 1930 годы, была проводка с ручкой и трубкой (K&T): отдельные проводники прокладывались через полости между конструктивными элементами в стенах и потолках, а керамические трубки образовывали защитные каналы через балки и керамические ручки, прикрепленные к конструктивным элементам, чтобы обеспечить воздух между проводом и пиломатериалами и поддерживать провода. Поскольку воздух мог свободно циркулировать по проводам, можно было использовать проводники меньшего размера, чем требовалось в кабелях. Располагая провода на противоположных сторонах конструктивных элементов здания, обеспечивалась некоторая защита от коротких замыканий, которые могли быть вызваны одновременным забиванием гвоздя в оба проводника.
К 1940-м годам стоимость труда при установке двух проводников вместо одного кабеля привела к снижению числа новых установок с ручкой и трубкой. Однако кодекс США по-прежнему допускает установку новых проводов K&T в особых ситуациях (некоторые сельские и промышленные применения).
В Соединенном Королевстве ранняя форма изолированного кабеля, [9] представленная в 1896 году, состояла из двух проводников с пропитанной бумажной изоляцией в общей свинцовой оболочке. Соединения были спаяны, а для патронов ламп и выключателей использовались специальные фитинги. Эти кабели были похожи на подземные телеграфные и телефонные кабели того времени. Кабели с бумажной изоляцией оказались непригодными для внутренних электромонтажных работ, поскольку требовалась очень тщательная работа со свинцовыми оболочками, чтобы гарантировать, что влага не повлияет на изоляцию.
Система, изобретенная позднее в Великобритании в 1908 году, использовала изолированный вулканизированной резиной провод, заключенный в полосовую металлическую оболочку. Металлическая оболочка была связана с каждым металлическим устройством электропроводки для обеспечения непрерывности заземления.
Система, разработанная в Германии под названием «провод Кухло», использовала один, два или три провода с резиновой изоляцией в латунной или свинцовой трубке из листового железа с гофрированным швом. Корпус также мог использоваться в качестве обратного проводника. Провод Кухло мог быть проложен на поверхности и окрашен или заделан в штукатурку. Для ламп и выключателей были сделаны специальные розетки и распределительные коробки, сделанные либо из фарфора, либо из листовой стали. Гофрированный шов не считался таким же водонепроницаемым, как провод Станноса , используемый в Англии, который имел спаянную оболочку. [10]
Несколько похожая система, называемая «концентрической проводкой», была введена в Соединенных Штатах около 1905 года. В этой системе изолированный электрический провод был обмотан медной лентой, которая затем была спаяна, образуя заземленный (обратный) проводник системы проводки. Голая металлическая оболочка, находящаяся под потенциалом земли, считалась безопасной для прикосновения. Хотя такие компании, как General Electric, производили арматуру для системы, и несколько зданий были оснащены ею, она так и не была принята в Национальный электротехнический кодекс США. Недостатками системы были то, что требовались специальные арматуры, и что любой дефект в соединении оболочки приводил к тому, что оболочка становилась под напряжением. [11]
Бронированные кабели с двумя изолированными резиной проводниками в гибкой металлической оболочке использовались еще в 1906 году и в то время считались лучшим методом, чем открытая проводка с ручкой и трубкой, хотя и гораздо более дорогим.
Первые кабели с резиновой изоляцией для электропроводки зданий в США были представлены в 1922 году с патентом США 1458803, Burley, Harry & Rooney, Henry, "Insulated electric wire", выданным 1923-06-12, назначенным Boston Insulated Wire and Cable . Это были два или более сплошных медных электрических провода с резиновой изоляцией, плюс тканая хлопчатобумажная ткань поверх каждого проводника для защиты изоляции, с общей тканой оболочкой, обычно пропитанной смолой для защиты от влаги. Вощеная бумага использовалась в качестве наполнителя и разделителя.
Со временем кабели с резиновой изоляцией становятся хрупкими из-за воздействия атмосферного кислорода, поэтому с ними нужно обращаться осторожно и обычно их заменяют во время ремонта. Когда заменяются выключатели, розетки или светильники, простое затягивание соединений может привести к отслаиванию затвердевшей изоляции от проводников. Резиновая изоляция, находящаяся глубже внутри кабеля, часто находится в лучшем состоянии, чем изоляция, открытая на соединениях, из-за меньшего воздействия кислорода.
Сера в вулканизированной резиновой изоляции воздействовала на оголенный медный провод, поэтому проводники были покрыты оловом, чтобы предотвратить это. Проводники снова стали оголенными, когда резина перестала использоваться.
Около 1950 года были введены изоляция и оболочки из ПВХ , особенно для бытовых электропроводок. Примерно в то же время стали распространены одиночные проводники с более тонкой изоляцией из ПВХ и тонкой нейлоновой оболочкой (например, тип THN, THHN и т. д. США). [ необходима цитата ]
Простейшая форма кабеля имеет два изолированных проводника, скрученных вместе для формирования блока. Такие кабели без оболочки с двумя (или более) проводниками используются только для сверхнизковольтных сигнальных и контрольных приложений, таких как проводка дверного звонка.
Другие методы крепления проводки, которые в настоящее время устарели, включают в себя:
Системы металлических формованных кабелей с уплощенным овальным сечением, состоящим из базовой полосы и защелкивающегося колпачкового канала, были более дорогими, чем открытая проводка или деревянные формованные кабели, но их можно было легко прокладывать по поверхностям стен. Подобные системы кабельных каналов для поверхностного монтажа доступны и сегодня.
