Wyznaczanie przekroju przewodów Drukuj Email
sobota, 06 października 2012 21:24

2.8 Wyznaczanie przekroju przewodów i kabli

      Wyznaczenie przekroju przewodu wiąże się z ustaleniem jego obciążalności prądowej długotrwałej Idd a następnie sprawdza, czy dobrane przekroje są wystarczające ze względu na:
      - dopuszczalny spadek napięcia ∆U,
      - cieplne działanie prądów przeciążeniowych i zwarciowych,
      - wytrzymałość mechaniczną,
      - skuteczność ochrony przeciwporażeniowej.

 

      1. Obciążalność długotrwała przewodów

      Przepływający prąd przez żyły przewodów lub kabli powoduje wydzielanie się ciepła i wzrost temperatury żył, a w efekcie nagrzewanie izolacji, ekranu, pancerza oraz podłoża, tynku, gruntu, otoczenia, w których zostały ułożone.
      W zależności od sposobu ułożenia przewodu lub kabla, wydzielające się ciepło może być rozpraszane jednocześnie przez: konwekcję (odbieranie i unoszenie), przewodnictwo lub promieniowanie. Na przykład kable ułożone w korzystnych dla oddawania ciepła warunkach posiadają wyższą dopuszczalną obciążalność prądową (patrz Tablica 1),

      Moc P wydzielana na przewodzie jest wprost proporcjonalna do kwadratu natężenia przepływającego prądu I oraz do rezystancji R żyły (o przekroju S, konduktywności γ i długości L), wynosi:

 

 

      Dobór przekroju przewodów ze względu na obciążalność prądową długotrwałą wykonuje się na podstawie tablic obciążalności długotrwałej przewodów, właściwych dla określonych typów przewodów i warunków ich ułożenia, zawartych w normie PN-IEC 60364-5-523:2001 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Obciążalność prądowa długotrwała. Wymagania według tej normy mają na celu zapewnienie odpowiedniej trwałości żył i izolacji poddawanych działaniu cieplnemu płynącego długotrwale prądu, w warunkach normalnej eksploatacji.

      Normy międzynarodowe, w tym norma PN-IEC 60364-5-523:2001, zawierają tablice obciążalności długotrwałej przewodów dla temperatury otaczającego powietrza 30 °C występującej w strefie śródziemnomorskiej.

      Obciążalność długotrwałą przewodów wyznacza się zgodnie z pkt. 523.2.3 normy PN-IEC 60364-5-523:2001, po zastosowaniu współczynników poprawkowych z tablicy 52-D1 (dla warunków polskich) oraz po uwzględnieniu rodzaju przewodów i warunków ich układania.

 

      1.1 Warunki doboru przekroju przewodów ze względu na obciążalność prądową długotrwałą

      Dobiera się zazwyczaj najmniejszy z przekrojów, którego obciążalność długotrwała Idd jest większa od obliczeniowego prądu obciążenia IB wyznaczonego z mocy zapotrzebowanej lub obliczeniowej mocy szczytowej.

      W obliczeniach prądu IB w budynkach mieszkalnych, przy braku dokładnych danych, można przyjąć cos φ = 0,95. W obwodach odbiorczych zasilających pojedyncze odbiorniki prąd znamionowy odbiornika In przyjmuje się jako równy obliczeniowemu prądowi obciążenia In = IB.

      Przewody zasilające odbiorniki o obciążeniu innym niż długotrwałe (dorywcze, przerywane), w ograniczonym czasie mogą być obciążone prądem większym od ich obciążalności długotrwałej Idd bez przekroczenia temperatury granicznej dopuszczalnej długotrwale.

      Zastosowane zabezpieczenie przeciążeniowe, dobrane z uwzględnieniem warunku selektywności działania, wymuszają nierzadko zastosowanie przewodów, głównie wewnętrznych linii zasilających, o przekrojach i obciążalności większej niż wynika to z warunku IddIB spełnionego w minimalnym stopniu.

 

Tablica 1 Obciążalność prądowa długotrwała przewodów o izolacji PVC ułożonych w różny sposób
wg. normy niemieckiej DIN VDE 0298-4 oraz zalecane (największe) prądy znamionowe bezpieczników
jako zabezpieczeń przetężeniowych; obliczeniowa temperatura otoczenia równa 25o C

 

      Przy doborze przekroju przewodu ze względu na obciążalność prądową dopuszczalną długotrwale Idd, dobieramy z tabeli przekrój, dla którego obciążalność dopuszczalna Idd jest nie mniejsza od prądu roboczego linii Irob, wyznaczonego z mocy pojedynczego odbiornika lub z mocy szczytowej dla grupy odbiorników.

 

Tablica 2 Obciążalność prądowa długotrwała Idd kabli elektroenergetycznych z żyłami
aluminiowymi o izolacji papierowej, z powłoką ołowianą, opancerzonych lub nieopancerzonych,
z osłoną włóknistą lub polwinitową, ułożonych w linii pojedynczo, bezpośrednio w ziemi oraz prowadzonych
pojedynczo w instalacjach napowietrznych chronionych przed bezpośrednim działaniem promieni słonecznych,

 

      1.2 Obciążalność cieplna przewodów

      Do głównych przyczyn nagrzewania się przewodów skutek przepływu prądu elektrycznego należy zaliczyć:
      - straty spowodowane przepływem prądu przez przewód o określonej rezystancji (wynikające z prawa Joule'a),
      - straty wynikające z własności izolacji w zmiennym polu elektrycznym, które są przyczyną występowania
        prądów upływu do ziemi,
      - straty wynikające z histerezy magnetycznej i prądów wirowych w obwodach magnetycznych oraz w metalowych
        częściach aparatów instalowanych w obwodach elektrycznych,
      - wpływy środowiskowe.

 

      Przy wyznaczaniu wymaganego przekroju przewodu lub kabla definiuje sie następujące temperatury:
      - obliczeniowa temperatura otoczenia,
      - temperatura graniczna dopuszczalna długotrwale,
      - temperatura graniczna dopuszczalna przejściowo,
      - temperatura graniczna dopuszczalna przy zwarciu.

      1) Obliczeniowa temperatura otoczenia

      Temperatura otoczenia, jest to najwyższa temperatura powietrza występująca w ośrodku otaczającym użytkowane urządzenia i instalacje elektryczne.

      Obliczeniowa temperatura otoczenia jest to najwyższa temperatura powietrza otaczającego użytkowane urządzenia i instalacje elektryczne, którą należy ustalić (drogą pomiarów, obliczeń), po uwzględnieniu warunków występujących w danej strefie klimatycznej.

      Wartości właściwe dla Polski podane w normie IEC 60287-3-1/A1:1999, są następujące:

 

      2) Obliczeniowa temperatura otoczenia w Polsce wynosi:
      a) dla przewodów ułożonych w pomieszczeniach  25 °C;
      b) dla przewodów izolowanych w przestrzeniach zewnętrznych:
         - nie narażone na bezpośrednie nasłonecznienie 25 °C;
         - narażone na bezpośrednie nasłonecznienie 40 °C;
      c) dla kabli ułożonych w ziemi w zależności od pory roku:  5°C; 15°C;  20 °C.

 

      3) Temperatura graniczna dopuszczalna długotrwale jest to najwyższa temperatura, do jakiej mogą się nagrzewać żyły przewodów i stykające się z nimi warstwy izolacji przez czas nieograniczony przy zachowaniu wymaganej trwałości termicznej, w zależności od rodzaju izolacji i warunków otoczenia.

      Prąd długotrwały w dowolnej żyle przewodu w warunkach normalnej eksploatacji powinien mieć taką wartość, aby nie została przekroczona odpowiednia temperatura graniczna, np. dla izolacji:
      - z gumy naturalnej - temperatura graniczna dopuszczalna długotrwale wynosi- 60°C,
      - z polwinitu (PVC) - 70 °C,
      - z polietylenu sieciowanego (XLPE) oraz gumy etylenowo-propylenowej - 90 °C,

 

      Temperatura graniczna może być dopuszczalna przejściowo np. w sytuacjach awaryjnych przeciążeń ruchowych urządzeń elektrycznych, oczywiście w ograniczonym czasie ich trwania.

 

      4) Temperatura graniczna dopuszczalna przejściowo jest to najwyższa temperatura, jaką dopuszcza się przy sporadycznie występujących awaryjnych przeciążeniach ruchowych o ograniczonym czasie trwania; nie dłużej niż 100 h w ciągu roku i nie dłużej niż 500 h w całym przewidywanym okresie eksploatacji. Przeciążenia takie wywołują dodatkowe zużycie termiczne izolacji. Wartość temperatury granicznej dopuszczalnej przejściowo jest bezpośrednio uzależniona od materiału izolacji oraz od warunków otoczenia przewodu.

 

      5) Temperatura graniczna dopuszczalna przy zwarciu jest to najwyższa temperatura żył przewodu, jaką dopuszcza się w końcowej chwili trwania zwarcia. Wartość temperatury granicznej dopuszczalnej przy zwarciu zależy od materiału otoczenia żyły izolacji.

 

      2. Dopuszczalne spadki napięcia

      (wg. komentarza do normy N-SEP-002 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Instalacje elektryczne w obiektach mieszkalnych. Podstawy planowania).

      Odbiorniki energii elektrycznej pracują poprawnie przy zasilaniu ich napięciem o wartości zbliżonej do znamionowej. Wymagane jest niekiedy zastosowanie przewodów o przekroju żył większym niż wynika to z warunku obciążalności prądowej długotrwałej, aby odchylenia napięcia w poszczególnych fragmentach sieci i instalacji nie przekraczały wartości granicznych dopuszczalnych ustalonych przez odpowiednie normy przy założeniu, że występujące odchylenia napięcia powodowane spadkami napięć nie powinny wywoływać zakłóceń w pracy odbiorników.

      Zgodnie z pkt. 3.6.7 normy SEP-E-002 spadek napięcia w obwodach odbiorczych, od licznika energii elektrycznej do punktu przyłączenia odbiornika nie powinien przekraczać 3 %, przy czym równocześnie całkowity spadek napięcia od złącza instalacji elektrycznej do zacisków dowolnego odbiornika nie powinien przekraczać 4%. Spadki napięcia w wewnętrznej linii zasilającej nie powinny przekraczać wartości podanych w tablicy 3.

 

Tablica 3 Graniczne dopuszczalne spadki napięcia
w wewnętrznych liniach zasilających w budynkach mieszkalnych

 

      Obliczenia spadku napięcia należy dokonać dla prądu, wynikającego z obliczeniowej mocy szczytowej dla WLZ.
Spadek napięcia wyrażony w % na dowolnym odcinku toru o długości l wykonany przewodem o przekroju S i konduktywności materiału żyłγ γ jest określony zależnością:
      - dla obwodów jednofazowych:

      - dla obwodów trójfazowych:

      gdzie:
      IB – obliczeniowy prąd obciążenia przewodu lub kabla,
      Uf – znamionowe napięcie fazowe,
     UN – znamionowe napięcie międzyfazowe,
 cos φ – współczynnik mocy,
       S – przekrój przewodu, w mm2,
        l – długość linii, w m,
       γ – konduktywność materiału żył, w m/Ω·mm2.
      X – reaktancja przewodu i R - rezystancja przewodu, w Ω; wyrażone wzorami:

 

 

      Przy czym: x’ – reaktancja jednostkowa przewodów w mΩ.

 

      W obliczeniach należy przyjmować długości l w metrach, przekroje przewodów S w mm2, zaś konduktywność dla linii kablowych, 0,10 mΩ/m dla instalacji w rurkach oraz 0,25 – 0,30 mΩ/m dla linii napowietrznych niskiego napięcia.

      Jeżeli obliczenia spadku napięcia dotyczą linii (instalacji) do 1 kV, wykonanych kablami, przewodami wielożyłowymi lub jednożyłowymi ułożonych w rurkach, o przekroju żył nie większych niż 50 mm2Cu lub 70 mm2 Al, pomija się wpływ reaktancji przewodów i spadek napięcia oblicza się ze wzorów uproszczonych:

      - dla obwodów jednofazowych:

 

      - dla obwodów trójfazowych:

      w których:
      P - moc czynna przesyłana analizowanym odcinkiem instalacji, w W,
     Uf - napięcie znamionowe fazowe, w V,
    UN - napięcie znamionowe międzyprzewodowe, w V,
      S - przekrój przewodu, w mm2,
       l - długość linii, w m,
      γ - konduktywność materiału żył, w m/Ω·mm2.

 

      3. Wytrzymałość mechaniczna

      Przewody powinny być dobrane z uwzględnieniem ich wytrzymałości mechanicznej. Dopuszczalne przekroje przewodów ze względu na wytrzymałość mechaniczną powinny być nie mniejsze niż:
      1. przewody elektroenergetyczne ułożone na stałe w pomieszczeniach:
          - przewód miedziany - 1,5 mm2,
          - przewód aluminiowy - 2,5 mm2 (w Polsce w budynkach nieprzemysłowych - 16 mm2),
      2. przewody sterownicze ułożonego na stałe w pomieszczeniach:
          - przewód miedziany - 0,5 mm2,
          - przewód aluminiowy - zabroniony,
      3. w nowo budowanych i modernizowanych instalacjach w budynkach należy stosować przewody
          elektryczne z żyłami o przekrojach do 10 mm2 wykonane wyłącznie z miedzi.
      4. gołe przewody napowietrzne na izolatorach przy rozpiętości przęsła:
         a ≤ 20 m - przewód miedziany: 4 mm2, aluminiowy: 16 mm2,
         - 20 < a  ≤ 45 m - przewód miedziany: 6 mm2, aluminiowy: 16 mm2,
         a > 45 m - przewód miedziany: 10 mm2, aluminiowy: 25 mm2.

Poprawiony: sobota, 11 stycznia 2014 16:24