Dobór przewodów i kabli elektrycznych niskiego napięcia

n
i
e
z
b
ę
d
n
i
k
e
l
e
k
t
r
y
k
a
od
Julian Wiatr
Marcin Orzechowski
Dobór przewodów
i kabli elektrycznych
niskiego napięcia
4
≤
ΔU
Z
L
W
ΔU
(zagadnienia wybrane)
Z
L
W
ieć
w y d a n i e
[%
WL
U
Δ
3,0
]
%
[
,0
3
5
P WLZ ]
0,
,75
W
2
0
k
,
[
1
0
2,
0
5
1
2
0
,
≤ 25
1
÷
0
0
1,5
10 ÷40
0
25 400
≥
a
j u b i l e u s z o w e
n
i
e
z
b
ę
d
n
i
k
e
l
e
k
t
r
y
k
a
Julian Wiatr
Marcin Orzechowski
Dobór przewodów
i kabli elektrycznych
niskiego napięcia
(zagadnienia wybrane)
Warszawa, 2011 r.
RECENZENCI
mgr inż. Leszek Bożek – Wojskowe Biuro Studiów Projektów Budowlanych i Lotniskowych w Warszawie
mgr inż. Witold Zdunek – prezes Oddziału Warszawskiego Stowarzyszenia Polskich Energetyków
KIEROWNIK PROJEKTU
Anna Kuziemska
SKŁAD I ŁAMANIE
Joanna Bilińska
Agencja Reklamowa MEDIUM
Wszelkie prawa zastrzeżone
© Copyright by Dom Wydawniczy MEDIUM
© Copyright by Julian Wiatr
© Copyright by Marcin Orzechowski
ISSN 1642-8722
WYDAWCA I ROZPOWSZECHNIANIE
Dom Wydawniczy MEDIUM
04-112 Warszawa, ul. Karczewska 18
tel. 22 512 60 60
www.ksiegarniatechniczna.com.pl
Wydanie II
SPIS TREŚCI
1. Nagrzewanie się kabli i przewodów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2. Zasady doboru przewodów i kabli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3. Dobór przewodów i kabli na długotrwałą obciążalność prądową i przeciążalność . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4. Sprawdzanie dobranych przewodów i kabli na warunki zwarciowe oraz wymagania zwarciowe
stawiane zabezpieczeniom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5. Sprawdzanie dobranych kabli lub przewodów na warunek spadku napięcia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
6. Sprawdzanie dobranych przewodów i kabli z warunku samoczynnego wyłączenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
7. Wyznaczanie przekroju przewodu neutralnego w obwodach zasilających odbiorniki nieliniowe . . . . . . . . . 36
8. Dobór przewodów do zasilania urządzeń elektrycznych, które muszą funkcjonować w czasie pożaru . . . . 38
9. Dobór przewodów połączonych równolegle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
10. Tabele doboru i oznaczenia przewodów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
11. Dobór przewodów szynowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
OD AUTORÓW
Przewody elektryczne stanowią podstawowy element każdej instalacji elektrycznej stanowiącej wyposażenie
budynku. Od ich poprawnego doboru zależy również bezpieczeństwo osób użytkujących instalację oraz bezpieczeństwo pożarowe budynku. Zasady doboru przewodów są jednoznacznie określone w normach przedmiotowych, z których jednak projektanci elektrycy nie zawsze korzystają, co w konsekwencji powoduje, że projektowana instalacja może mieć wiele błędów.
Bardzo istotne jest dobranie właściwych zabezpieczeń przewodów i kabli. Problematyka doboru zabezpieczeń
przeciążeniowych oraz zabezpieczeń zwarciowych przewodów i kabli niskiego napięcia jest związana z ich roboczą
i zwarciową obciążalnością prądową. Pierwszym krokiem jest ustalenie wartości spodziewanego prądu obciążenia
IB, który stanowi podstawę doboru prądu znamionowego zabezpieczenia In oraz wstępnego doboru obciążalności
długotrwałej Iz przewodu. Drugim krokiem jest dobór prądu znamionowego i/lub nastawczego zabezpieczenia
nadprądowego w taki sposób, aby wytrzymały prąd IB spodziewanego obciążenia oraz prądy załączeniowe, będące prądami normalnego użytkowania. Trzecim krokiem jest dobór przekroju przewodu w taki sposób, aby spełniał
on wymagania w zakresie wytrzymałości mechanicznej, obciążalności cieplnej długotrwałej i zwarciowej, dopuszczalnego spadku napięcia oraz warunki ochrony przeciwporażeniowej zgodnie z wymaganiami normy PN-HD
60364-4-41:2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa.
Ochrona przed porażeniem elektrycznym.
Osobnym problemem jest dobór przewodów do zasilania urządzeń ppoż., które muszą funkcjonować w czasie
pożaru, kiedy występuje wysoka temperatura powodująca znaczny wzrost rezystancji przewodów zasilających.
Zagadnienia te nie zostały dotychczas objęte normalizacją, w związku z czym często projektanci nieświadomie
popełniają podczas projektowania instalacji wiele błędów, mimo że pozornie dobór przewodów został wykonany
zgodnie z obowiązującymi przepisami i normami.
Generalnie w obwodach bezpieczeństwa, do których należy zaliczyć urządzenia ppoż., takie jak np. oświetlenie
awaryjne, pompy pożarowe, pompy tryskaczowe, DSO oraz dźwigi dla ekip ratowniczych, a także obwody bezpieczeństwa w ruchu lotniczym, kolejowym, drogowym i wodnym oraz w obwodach kontroli dostępu, nie należy
stosować wyłączników różnicowoprądowych oraz zabezpieczeń przeciążeniowych. W obwodach tych w celu
wyeliminowania przypadkowych zadziałań, prądy znamionowe lub nastawcze zabezpieczeń zwarciowych należy
zawyżyć o jeden lub dwa stopnie w porównaniu z zwartością wynikającą ze zwykłych zasad ich doboru. Przy doborze zabezpieczeń należy również pamiętać o zachowaniu wybiórczości ich działania z zabezpieczeniami usytuowanymi na niższych stopniach zabezpieczeń.
Niniejsze opracowanie w zamierzeniu autorów ma być podręczną „ściągą” dla projektantów i wykonawców, z której będą mogli zawsze skorzystać w warunkach budowy. Zostało ono wydane z okazji jubileuszu 10-lecia istnienia
na rynku wydawniczym miesięcznika „elektro.info”. Czytelników, którzy chcieliby pogłębić swoją wiedzę w zakresie
doboru przewodów i kabli nn oraz ich zabezpieczania, zachęcamy do lektury książki pt. „Ochrona przeciwporażeniowa oraz dobór przewodów i ich zabezpieczeń w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia”, naszego autorstwa, wydanej w ramach serii wydawniczej „Zeszyty dla elektryków”.
Julian Wiatr
Marcin Orzechowski
Warszawa, sierpień, 2011 r.
3
1. NAGRZEWANIE SIĘ KABLI I PRZEWODÓW
Głównymi przyczynami nagrzewania się żył kabli i przewodów wskutek przepływu prądu są:
q niezerowa rezystancja (straty wynikające z prawa Joule’a),
q straty wynikające z histerezy magnetycznej i prądów wirowych w obwodach magnetycznych urządzeń
oraz w metalowych częściach aparatów instalowanych w obwodach elektrycznych,
q straty wynikające z własności dielektryków (izolacji) pozostających w zmiennym polu elektrycznym, która jest
przyczyną występowania prądów upływu do ziemi,
q oddziaływanie środowiska.
Decydujący wpływ na prawidłowy dobór przewodów i kabli mają straty wynikające z prawa Joule’a, czyli spowodowane przepływem prądu przez przewód o niezerowej rezystancji.
Przy wyznaczaniu wymaganego przekroju przewodu lub kabla definiuje się następujące temperatury:
q obliczeniowa temperatura otoczenia τo,
q temperatura graniczna dopuszczalna długotrwale τdd,
q temperatura graniczna dopuszczalna przejściowo τdp (w polskich przepisach nieokreślona),
q temperatura graniczna dopuszczalna przy zwarciu τdz.
Obliczeniowa temperatura otoczenia τo jest to najwyższa temperatura powietrza lub ziemi otaczających rozważane urządzenie elektryczne, występująca stale lub okresowo, w normalnych warunkach użytkowania.
W tabeli 1.1. zostały podane obliczeniowe temperatury otoczenia występujące w Polsce określone w normie IEC
60287-3-1/A1:1999 Electric cables. Calculation of the current rating. Part 3-1: Sections on operating conditions. Reference operating conditions and selections of cable type, których wartości zostały uzgodnione ze stroną polską.
Tabela 1.1. Obliczeniowe temperatury otoczenia przyjęte w Polsce [18]
τo, w [°C]
Rodzaj przewodu i warunki układania
Przewody w pomieszczeniach
Przewody izolowane
w przestrzeniach zewnętrznych
25
nienarażonych na bezpośrednie nasłonecznienie
25
narażonych na bezpośrednie nasłonecznienie
40
20 (15; 5)*)
Kable układane w ziemi w zależności od pory roku
Objaśnienia: *) 20°C – lato, 15°C – wiosna i jesień, 5°C – zima
Temperatura graniczna dopuszczalna długotrwale τdd jest to najwyższa temperatura, do jakiej mogą nagrzewać się żyły przewodów i stykające się z nimi warstwy izolacji przez czas nieograniczony przy zachowaniu trwałości termicznej izolacji na poziomie 20–30 lat. Wartość temperatury τdd jest bezpośrednio uzależniona od materiału
izolacji oraz od warunków otoczenia przewodu. Przekroczenie temperatury τdd może doprowadzić do:
q skrócenia okresu użytkowania,
q pogorszenia właściwości izolacji żył (zwiększenie upływności, zmniejszenie odporności mechanicznej),
q zwiększenia zagrożenia pożarowego.
Temperatura graniczna dopuszczalna przejściowo τdp jest to najwyższa temperatura, jaką dopuszcza się przy
sporadycznie występujących awaryjnych przeciążeniach ruchowych o ograniczonym czasie trwania, np. 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, np. w odniesieniu do jednego przeciążenia − nie większe niż 0,1%
trwałości i nie dłuższe niż 200 h przewidywanego czasu eksploatacji. Wartość temperatury τdp jest bezpośrednio
uzależniona od materiału izolacji oraz od warunków otoczenia przewodu.
W tabeli 1.2. zostały przedstawione dopuszczalne temperatury przewodów bez izolacji oraz w izolacji wykonanej z różnych materiałów [18].
Tabela 1.2. Temperatura graniczna dopuszczalna dla przewodów w zależności od rodzaju materiału izolacji [18]
Temperatura graniczna dopuszczalna, w [°C],
Materiał izolacji
4
długotrwale
τdd
przejściowo1)
τdp
przy zwarciu
τdz
Bez izolacji, przewody gołe miedziane
80
100
200
Guma naturalna
60
60
200
Papier–olej (kable niskiego napięcia)
65
80
200
Temperatura graniczna dopuszczalna, w [°C],
Materiał izolacji
długotrwale
τdd
przejściowo1)
τdp
przy zwarciu
τdz
Polwinit (PVC)
70
100
1602)
Polietylen (PE)
75
90
150
Guma butylowa
85
–
220
Polwinit ciepłoodporny, polietylen sieciowany
(XLPE), guma etylenowo-propylenowa (EPR)
90
130
250
Polietylenowinyloacetat (EVA)
120
–
–
Guma silikonowa
180
–
350
Objaśnienia: 1) – nie występuje w aktualnych polskich normach ani przepisach, 2) – 140°C dla przewodów o przekroju S > 300 mm2
Temperatura graniczna dopuszczalna przy zwarciu τdz jest to najwyższa temperatura żył przewodu, jaką
dopuszcza się w końcowej chwili trwania zwarcia. Wartość τdz zależy od materiału otoczenia żyły (izolacji) – im
materiał, z którego wykonana jest izolacja, jest bardziej odporny na mięknienie, deformację i degradację, tym wyższa temperatura dopuszczalna jest przy zwarciu.
2. ZASADY DOBORU PRZEWODÓW I KABLI
Przewody w sieciach i instalacjach elektrycznych nn dobiera się na następujące warunki:
wytrzymałość mechaniczną,
obciążalność długotrwałą,
przeciążalność,
spadek napięcia,
warunki zwarciowe,
samoczynne wyłączenie w celu ochrony przeciwporażeniowej.
Oprócz ww. wymagań, napięcie znamionowe izolacji przewodów Uni musi być co najmniej równe napięciu znamionowemu sieci Un: (Uni ≥ Un).
Dopuszczalne najmniejsze przekroje przewodów ze względu na wytrzymałość mechaniczną zostały przedstawione w tabeli 2.1.
q
q
q
q
q
q
Tabela 2.1. Najmniejsze przekroje przewodów wymagane ze względu na wytrzymałość mechaniczną
wg DIN VDE 0100:2002 [44]
Najmniejszy przekrój żyły, w [mm2]
Rodzaje przewodów i sposób ułożenia
Cu
Al
2,51)
Przewody ułożone na stałe, chronione przed uszkodzeniami
1,5
Przewody izolowane do połączeń w rozdzielnicach
o zastępczym prądzie obciążenia długotrwałego:
– IB ≤ 2,5 A
– 2,5 A < IB ≤ 16 A
– IB > 16 A
0,5
0,75
1,0
Zabronione
Zabronione
Zabronione
0,75
1,0
Zabronione
Zabronione
Przewody do odbiorników ruchomych i przenośnych
o prądzie znamionowym In:
– 1,5 A < In ≤ 10 A
– In > 10 A
Przewody obwodu wtórnego przekładnika prądowego
2,5
Zabronione
Przewody obwodu wtórnego przekładnika napięciowego
1,5
Zabronione
Przewody sterownicze ułożone na stałe w pomieszczeniach
0,5
Zabronione
5
Najmniejszy przekrój żyły, w [mm2]
Rodzaje przewodów i sposób ułożenia
Przewody napowietrzne na
izolatorach przy rozpiętości
przęsła „a”
Objaśnienia:
1)
a ≤ 20 m
20 m < a ≤ 45 m
a > 45 m
Cu
Al
4
16
6
16
10
– w Polsce przekroje żył przewodów aluminiowych nie powinny być mniejsze niż
25
16 mm2
[5]
3. DOBÓR PRZEWODÓW I KABLI NA DŁUGOTRWAŁĄ OBCIĄŻALNOŚĆ PRĄDOWĄ
I PRZECIĄŻALNOŚĆ
Przy doborze przewodów i kabli na długotrwałą obciążalność i przeciążalność prądową dla odbiornika liniowego pierwszym krokiem jest obliczenie spodziewanego prądu obciążenia, który należy wyznaczyć z poniższych
wzorów, w zależności od rodzaju obwodu:
q dla obwodów jednofazowych:
S
P
(3.1.)
IB =
=
Unf cos ϕ ⋅ Unf
q dla obwodów trójfazowych:
S
P
IB =
=
(3.2.)
3 ⋅ Un
3 ⋅ cos ϕ ⋅ Un
gdzie:
IB – obliczeniowy prąd obciążenia przewodu lub kabla, w [A],
Unf – napięcie fazowe, w [V],
Un – nominalne napięcie międzyfazowe, w [V],
cosϕ – współczynnik mocy, w [-],
S – moc pozorna obciążenia przewodu lub kabla, w [VA],
P – moc czynna obciążenia przewodu lub kabla, w [W].
W odniesieniu do odbiorników nieliniowych współczynnik mocy cosϕ, przyjmowany dla odbiorników liniowych,
nie znajduje uzasadnienia, gdyż odnosi się on tylko do składowej podstawowej. Każda składowa prądu i napięcia
przebiegu odkształconego posiada indywidualny współczynnik mocy cosϕk.
Moc pozorną zapotrzebowaną przez odbiornik nieliniowy należy określić wzorem:
S2 = P2 + Q 2 + V 2
(3.3.)
gdzie:
P – moc czynna, w [W],
Q – moc bierna, w [var],
V – moc deformacji, w [VA].
Moc czynna przebiegu odkształconego jest sumą mocy czynnych harmonicznych napięcia i prądu o tej samej
częstotliwości, czyli:
∞
(3.4.)
P = ∑ Uk ⋅ Ik ⋅ cos ϕk
k =1
Natomiast moc bierną przebiegu odkształconego obliczamy z powszechnie akceptowalnego wzoru:
∞
Q = ∑ Uk ⋅ Ik ⋅ sinϕk
(3.5.)
k =1
gdzie:
ϕk – przesunięcie fazowe pomiędzy napięciem i prądem dla harmonicznej rzędu k,
Uk – wartość skuteczna napięcia harmonicznej rzędu k, w [V],
Ik – wartość skuteczna prądu harmonicznej rzędu k, w [A],
sin ϕk = 1− cos2 ϕk
Ilustrację graficzną wektorów mocy P, Q, V, S1 i S dla odbiornika liniowego oraz nieliniowego przedstawia
rysunek 3.1.
6
Niedostępne w wersji demonstracyjnej.
Zapraszamy do zakupu
pełnej wersji książki
w serwisie