Нагревательный кабель: эксплуатационные свойства и основные разновидности

С приходом зимы и наступлением холодов, у каждого рачительного хозяина возникает непреодолимое желание обеспечить свой дом необходимым теплом, комфортом и уютом. А помочь вам в этом может современная система обогрева помещений «теплый пол»! Если же вы живете в собственном загородном доме, то вам нужно обратить внимание и на системы антиобледенения и снеготаяния, которые устанавливаются на крышу. Данные системы обеспечивают не только эстетический функционал, очищая крышу от наледи и фасад от сосулек, они предотвращают протечки, препятствуют падению снежных и ледяных масс с крыши и т.д.

Основным элементом, можно сказать рабочим органом таких систем является нагревательный кабель. И данная статья посвящена именно ему.

Принцип действия нагревательного кабеля базируется на законе Джоуля-Ленца, известного нам еще со школьной парты. Если физика не ваш конек, или ее изучение было давно, попытаемся вспомнить вместе основные моменты.

В данном случае, мы имеет проводник – нагревательный кабель, по которому течет электрический ток. Согласно закону, проводник под действием электрического тока обязательно нагревается. Сила нагрева напрямую зависит от величины электрического тока и сопротивления проводника. По сути, данный эффект является крайне нежелательным для проводов и кабелей систем электроснабжения, но в случае нагревательного кабеля он, наоборот, приветствуется и развивается.

Современные нагревательные кабели конструктивно можно разделить на два типа: саморегулирующиеся и резистивные.

Резистивный нагревательный кабель

Нагревательные кабеля резистивного типа по всей своей длине имеют постоянную выходную мощность, которая зависит от длины кабеля, подаваемого напряжения, удельного сопротивления материала.

Применяются такие кабеля для обогрева широкого спектра различных объектов, которые могут эксплуатироваться в самых разнообразных климатических и окружающих условиях. Для изготовления жил таких кабелей применяются специальные сплавы, для которых характерна незначительная величина температурного коэффициента электрического сопротивления. Благодаря этому свойству можно производить кабель, который при различном нагреве обладает практически неизменной тепловой линейной мощностью, т.е. по всей протяженности кабеля тепловыделение постоянно.

Резистивные кабели делят на три группы в зависимости от диапазона рабочих температур:

• низкотемпературные – до 100 ºС;
• среднетемпературные – 100-250 ºС;
• высокотемпературные – 250-1000 ºС.

Высокотемпературные кабеля характеризуются существенным тепловыделением до 250 Вт/м и, как правило, используются преимущественно при подогреве различного производственного технологического оборудования, а также крупных трубопроводов. Для обогрева крыш, помещений, садовых дорожек используют средне- и низкотемпературные кабеля, имеющие рабочую температуру не более 250 ºС и тепловыделение 10…30 Вт/м.

По конструкции резистивные кабели делятся также на две группы: параллельные (зональные) или последовательные.

Резистивный кабель последовательного типа

Подобный кабель в качестве нагревательного элемента в своей конструкции имеет сплошную жилу, тянущуюся по всей его длине. Общее сопротивление всего кабеля является суммарные сопротивлением отдельных участков, т.е. сопротивление напрямую зависит от длины подключаемого к электрическому питанию участка кабеля. Следовательно изменение протяженности кабеля приводит к изменению величины линейной тепловой мощности. Используемые в различных системах обогрева последовательные резистивные кабели могут включать в свою конструкцию одну или две изолированные жилы.

Чаще всего одножильные резистивные кабели подключаются к электрическому питанию обеими концами. Наиболее бюджетный вариант такого кабеля обладает только изолирующим слоем и наружной защитной оболочкой. Более дорогой и безопасный вариант исполнения предполагает наличие специального защитного экрана, который предохраняет человека от поражения электрическим током. Кроме того экран применяется для уменьшения напряжения электромагнитного поля до допустимых санитарных норм. Подобное напряжение по законам физики возникает вокруг любого проводника, когда по нему протекает электрический ток.

В ряде случаев последовательный одножильный кабель может являться и одномуфтовым. Т.е. один из его концов внутри концевой муфты соединяется с экраном, играющим роль второго проводника. В свою очередь экран для выполнения функций безопасности должен в обязательном порядке соединятся с «нулем».

Двухжильные резистивные кабели подключаются к источнику электрического тока только одним концом. На втором конце кабеля размещается муфта, которая соединяет нагревательную и возвратную жилы. В данной системе обогрева соединительная муфта является одним из самых уязвимых элементов, поэтому их разработке уделяется особое внимание. Как правило, технология изготовления соединительных муфт секретна у всех производителей.

В случае использования двухжильного резистивного кабеля мы имеем два проводника, расположенных параллельно. Электрический ток по проводникам перемещается в противоположных друг другу направлениях, что способствует возникновению эффекта взаимной компенсации напряженности электромагнитных полей. Именно поэтому двужильный кабель более безопасен в процессе эксплуатации для здоровья людей.

Для изготовления нагревательных жил, которые используются в кабелях высокого сопротивления, наиболее часто применяется нихром. Нихром – это сплав никеля (55…78%) с хромом (15…23%) с добавлением в качестве легирующих добавок железа, марганца, алюминия и кремния. Для производства кабелей с низким сопротивлением чаще всего используют либо оцинкованную сталь, либо медные жилы, покрытые никелем.

Изоляция двужильных кабелей может быть как однослойной, так и многослойной. Следовательно, многослойная изоляция обеспечивает более  высокое качество диэлектрической прочности, но при этом стоит такой кабель несколько дороже. Для производства изоляции применяется обширный спектр материалов: полиэтилен, фторполимер, поливинилхлорид и пр.

Нагревательная изолированная жила размещается в специальный защитный экран, в качестве которого выступает оплетка из луженой или никелированной проволоки. В качестве защитного экрана также может выступать сплошная металлическая трубка из алюминиевой или свинцовой фольги.

Заключительным слоем всей конструкции является оболочка из высокопрочных полимеров.

Как правило, на реализацию резистивный последовательный кабель поступает  готовыми нагревательными секциями. Т.е. это уже полностью готовый к подключению к источнику питания отрезок нагревательного кабеля с предустановленными соединительными муфтами на концах. Длина одной секции может составлять от нескольких десятков до сотен метров и подбирается таким образом, чтобы прикладываемое напряжение без допущения перегревов достигало полного падения.

В настоящий момент рынок изобилует предложениями от различных производителей резистивного кабеля. Бренд STEM Energy предлагает оптимальное ценовое решение нагревательных кабелей.

Саморегулирующийся нагревательный кабель

В конструкцию саморегулирующегося нагревательного кабеля входит две токоведущих жилы, между которыми располагается углеродная матрица. Функциональная особенность подобной конструкции заключается в том, что при возрастании или понижении температуры окружающей среды, температура нагрева кабеля меняется обратно пропорционально. Т.е. чем выше температура внешней среды, тем ниже температура нагрева.

Следовательно, кабель самостоятельно подстраивается под температуру окружающей его среды. Матрица кабеля обеспечивает необходимый диапазон изменений линейного тепловыделения кабеля, который зависит от предельной температуры для каждой конкретной модели. Общий диапазон колебаний всего семейства саморегулирующихся кабелей составляет 6…100 Вт/м.

Токопроводящие жилы состоят из 17…19 тонких проводов обладают следующей площадью сечения — 1.0…1.5 м². Для препятствия процессам старения и окисления производители стараются использовать провода с никелевым покрытием. Наиболее оптимальна и производительна скрутка из 19 проводов, т.к. она обладает почти идеально круглым поперечным сечением и при экструзии материала матрицы не возникает воздушных зазоров.

Токопроводящие жилы и матрица помещаются в изоляционный слой, который сверху покрывается экраном. В качестве экрана может выступать фольга или оплетка из луженой или никелированной проволоки. Поверх экрана располагается защитная оболочка, выполняемая из высокопрочного пластика. Применение двух изолирующих слоев обеспечивает оптимальную стойкость к механическим нагрузкам и диэлектрическую прочность.

В качестве материала для производства внешней оболочки саморегулирующегося кабеля могут использоваться фторопласты или полиолефины. Фторопластовые оболочки позволяют кабелю успешно противостоять даже в случае воздействия достаточно агрессивных сред. Внешние оболочки из полиолефинов покрыты полиэтиленом и улучшены за счет использования различных добавок.

При прочих равных условиях использования саморегулирующиеся кабеля имеют следующие неоспоримые преимущества:

• рациональный расход электроэнергии за счет способности к саморегулированию температуры нагрева в зависимости от температуры окружающей среды;
• простота монтажа. Конструкция кабеля позволяет разрезать его в любом месте. Длина отдельных фрагментов не менее 200 мм;
• не боится перехлестов и снижения теплоотвода во внешнюю среду.

Тем не менее, конструкция саморегулирующегося кабеля имеет и определенные недостатки:

• невозможен режим ускоренного нагрева;
• эксплуатация при низкой внешней температуре характеризуется большими значениями стартового тока.