Dobór przekroju przewodów elektrycznych

Dobór przekroju przewodu elektrycznego to proces, który – wbrew pozorom – nie sprowadza się wyłącznie do dobrania odpowiedniej wartości z tabel katalogowych. To zagadnienie wykraczające poza proste zestawienie prądu znamionowego i odpowiadającego mu przekroju.

Właściwe dobranie przekroju przewodu wymaga uwzględnienia szeregu współdziałających czynników o charakterze zarówno fizycznym, jak i eksploatacyjnym, środowiskowym oraz systemowym. Ostateczny wybór musi zapewnić nie tylko bezpieczną pracę przewodu, ale również efektywność energetyczną, trwałość instalacji i zgodność z obowiązującymi normami oraz przepisami.

Podstawowym kryterium doboru jest obciążalność prądowa długotrwała, która wskazuje maksymalną wartość prądu, jaką przewód może przenosić przez nieograniczony czas bez przekroczenia dopuszczalnej temperatury roboczej izolacji. Dla różnych typów izolacji (np. PVC, XLPE) przewidziane są różne temperatury graniczne, co determinuje możliwości prądowe przewodu. Przekroczenie dopuszczalnej temperatury prowadzi do postępującej degradacji materiałów izolacyjnych, a w dłuższym okresie – do awarii elektrycznych, nierzadko zagrażających bezpieczeństwu ludzi i mienia [1].

Drugim fundamentalnym aspektem jest spadek napięcia. Przewód ma rezystancję, a przepływający przez niego prąd powoduje straty napięcia. W praktyce dąży się do minimalizacji spadku napięcia, ponieważ bezpośrednio przekłada się on na sprawność pracy odbiorników. Dla instalacji niskiego napięcia przyjmuje się, że całkowity spadek napięcia od punktu zasilania do najbardziej oddalonego odbiornika nie powinien przekraczać 5% napięcia znamionowego, a w instalacjach o charakterze krytycznym – nawet mniej. Nadmierny spadek napięcia może prowadzić do przeciążenia silników, spadku momentu obrotowego lub błędnego działania systemów automatyki [2].

Równie istotne są parametry obciążenia. W przypadku odbiorników dynamicznych – jak silniki asynchroniczne czy urządzenia zasilane poprzez przekształtniki – występują prądy rozruchowe, które mogą kilkukrotnie przekraczać prąd znamionowy. Takie przeciążenia trwają od ułamków sekund do kilku sekund i prowadzą do chwilowego wzrostu spadku napięcia oraz nagrzewania przewodów. O ile zabezpieczenia można dobrać selektywnie, przewód musi fizycznie wytrzymać obciążenie, stąd w takich przypadkach zwykle stosuje się przewymiarowanie przekroju [3].

Nie do przecenienia pozostaje wpływ materiału przewodnika. Miedź, jako materiał o niskiej rezystywności i wysokiej przewodności cieplnej, charakteryzuje się lepszymi właściwościami zarówno elektrycznymi, jak i mechanicznymi niż aluminium. W przypadku stosowania przewodów aluminiowych należy zwiększyć przekrój o ok. 50–60% względem odpowiadającego przewodu miedzianego dla zachowania tych samych parametrów elektrycznych. Równocześnie przewody aluminiowe są bardziej wrażliwe na zmiany temperatury i korozję – co ma szczególne znaczenie w kontekście połączeń [4].

Sposób ułożenia przewodów, a więc ich instalacja – w rurkach, kanałach kablowych, przestrzeniach zamkniętych, ziemi – wpływa na możliwość odprowadzenia ciepła. To z kolei determinuje obciążalność prądową. Przewody ułożone ciasno, w wielożyłowych wiązkach lub w materiałach termoizolacyjnych mają znacznie obniżoną zdolność do chłodzenia. W takich przypadkach stosuje się współczynniki korekcyjne, które mogą wymusić zastosowanie przekroju o jedną lub dwie klasy większego [5].

Temperatura otoczenia również wpływa na zdolność chłodzenia przewodu. Każde przekroczenie wartości odniesienia (zwykle 30°C) skutkuje koniecznością korekty dopuszczalnej obciążalności. W warunkach przemysłowych, gdzie temperatury mogą przekraczać 50°C, obciążalność przewodów może spaść nawet o 30%, co wymusza zastosowanie większego przekroju [6].

Nie można zapominać o długości linii przesyłowej. Im dłuższy przewód, tym większy opór i – co za tym idzie – większe straty napięcia. Przy liniach zasilających o długościach kilkudziesięciu metrów i więcej, samo kryterium spadku napięcia może dominować nad obciążalnością prądową w doborze przekroju. Wówczas to nie prąd, lecz spadek napięcia wymusza zastosowanie większych przekrojów.

Istotny jest także sposób ochrony przed zwarciem – zabezpieczenia muszą zadziałać w czasie krótszym niż dopuszczalny czas nagrzewania się przewodu do temperatury krytycznej. Oznacza to, że nawet jeśli dany przekrój spełnia warunki pracy długotrwałej, to przy nieodpowiednio dobranych zabezpieczeniach może ulec uszkodzeniu w trakcie zwarcia. Dla zapewnienia odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa konieczne jest przeprowadzenie obliczeń termicznych opartych na energii zwarcia I²t [7].

Połączenia elektryczne jako element wpływający na dobór przekroju

Jednym z mniej oczywistych, a przy tym niezwykle istotnych aspektów mających wpływ na dobór przekroju przewodu, są parametry połączeń elektrycznych – zarówno ich jakość, rodzaj mechaniczny, jak i materiały stykowe. W przeciwieństwie do klasycznych parametrów elektrycznych, jak prąd czy napięcie, złącza stanowią punkt fizycznej nieciągłości przewodu i mogą znacząco zmieniać warunki jego pracy. Złącze to miejsce, w którym pojawiają się opory przejściowe, lokalne źródła strat cieplnych, a także potencjalne punkty awarii wynikające z niedostatecznej jakości montażu, korozji lub naprężeń mechanicznych.

Najbardziej bezpośredni wpływ złącza na parametry elektryczne instalacji wynika z oporu przejściowego. Złącze – niezależnie od konstrukcji – zawsze ma opór większy niż przewód. Jeżeli powierzchnia styku nie jest odpowiednio przygotowana (np. jest skorodowana), połączenie nie zostało dokręcone właściwym momentem lub występują drgania – opór rośnie, generując lokalne straty mocy proporcjonalne do rezystancji i kwadratu natężenia prądu. Zjawisko to skutkuje lokalnym nagrzewaniem złącza i przylegających odcinków przewodu. Jeśli nie zostanie to uwzględnione na etapie projektowania, może prowadzić do miejscowego przegrzewania, co z kolei może wywołać degradację samego złącza a także izolacji i stanowić realne zagrożenie pożarowe [8].

Rodzaj zastosowanego materiału złącza także nie pozostaje bez znaczenia. Połączenia miedź–miedź charakteryzują się niskim oporem i stosunkowo wysoką stabilnością. W przypadku połączenia różnych materiałów złącza wymagają szczególnej uwagi. W przypadku np. złącza miedź–aluminium - ze względu na różnice potencjałów elektrochemicznych, między tymi materiałami powstaje ogniwo galwaniczne, które przy obecności wilgoci prowadzi do przyspieszonej korozji. Dodatkowo aluminium w naturalny sposób pokrywa się warstwą tlenku, który ma bardzo wysoką rezystywność. Bez odpowiedniego przygotowania złącza (pasta przewodząca, dedykowane złączki) przewody aluminiowe szybko ulegają degradacji, pogarszająsię parametry elektryczne takich złącz do całkowiterj utraty kontaktu elektryczneg – z wszystkimi tego konsekwencjami [9].

Równie ważna jest mechaniczna stabilność połączenia. Złącza śrubowe wymagają odpowiedniego momentu dokręcenia i mogą się luzować w czasie eksploatacji, szczególnie w instalacjach narażonych na drgania (hale przemysłowe, pojazdy). Z kolei złącza sprężynowe są bardziej odporne na zmiany temperatury i drgania, co przekłada się na stabilniejsze warunki pracy. W instalacjach o dużej liczbie połączeń, np. w rozdzielnicach, niejednorodność wykonania i jakość montażu mają zbiorczy wpływ na bilans cieplny systemu i mogą wymagać przewymiarowania przekroju przewodów zasilających.

Należy również uwzględnić liczbę połączeń na trasie przewodu. Każde dodatkowe złącze to kolejne źródło potencjalnych strat energii i podwyższonego oporu. W systemach, gdzie występuje wiele punktów pośrednich – np. w liniach magistralnych – suma strat na złączach może być porównywalna z całościowymi stratami liniowymi. Uwzględnienie tego zjawiska w obliczeniach cieplnych i energetycznych może prowadzić do decyzji o zastosowaniu przewodów o większym przekroju, nawet jeśli same parametry elektryczne tego nie wymuszają.
W instalacjach, gdzie występują prądy impulsowe lub harmoniczne (napędy, przekształtniki), złącza mogą działać jak lokalne impedancje, powodując nierównomierne rozkłady napięcia oraz generowanie zakłóceń. W takich przypadkach nie tylko przewód, ale cały układ połączeń musi być traktowany jako spójny układ elektromagnetyczny, a dobór przekroju przewodu nie może być oderwany od właściwości styków [10].

Dobór przekroju przewodu elektrycznego to zagadnienie wielowymiarowe, które wymaga kompleksowego podejścia – uwzględniającego zarówno podstawowe kryteria techniczne, jak i często pomijane czynniki związane z jakością połączeń. Złącza elektryczne, mimo że traktowane są często jako marginalny element układu, w rzeczywistości mogą mieć decydujący wpływ na efektywność pracy systemu elektroenergetycznego. Ignorowanie ich właściwości prowadzi do błędów projektowych, które manifestują się dopiero w fazie eksploatacji. Uwzględnienie charakterystyki złącz w procesie doboru przekroju to krok w kierunku projektowania instalacji bardziej niezawodnych, energooszczędnych i trwałych.

Bibliografia:
[1] PN-HD 60364-5-52:2011
[2] IEC 60364-5-52
[3] Marciniak B., Instalacje elektryczne, WNT, 2021
[4] Więckowski M., Przewody i kable elektroenergetyczne, PW, 2019
[5] ABB, Cable Installation Guidelines, 2020
[6] Schneider Electric, Technical Guide: Electrical Installations, 2021
[7] Wiatr J., Zabezpieczenia sieci i instalacji, WKŁ, 2018
[8] Fluke Corporation, Thermal Imaging for Electrical Inspections, 2020
[9] Phoenix Contact, Złącza elektryczne – aspekty kontaktowe, 2022
[10] Siemens, Design of Electrical Systems with Harmonic Loads, Technical Paper, 2019