DIY Mała przydomowa elektrownia wiatrowa - Obciążalność przewodów

Słowem wstępu.

Przepływ prądu powoduje wydzielanie się ciepła w przewodniku (żyle kabla), którym płynie. Zgodnie z prawem Joule'a, moc (P) wydzielanego ciepła jest wprost proporcjonalna do kwadratu natężenia przepływającego prądu (I) i do rezystancji (R) żyły i wynosi

P = I ² x R.

Wydzielające się ciepło powoduje wzrost temperatury żyły. Temperatura ta nie powinna jednak przekroczyć pewnej określonej temperatury dopuszczalnej, powyżej której występują niekorzystne i nieodwracalne zjawiska, np. nadmierne mięknienie i deformacja materiału izolacji, przemieszczanie się żyły w izolacji, a w wyższej temperaturze - degradacja (zniszczenie) izolacji.

Wydzielające się w żyle ciepło jest oddawane (rozpraszane) do otoczenia. Odbywa się to przez konwekcję - odbieranie i unoszenie ciepła przez przepływające powietrze, przewodnictwo do otaczającego ośrodka, którym jest np. ziemia, i przez promieniowanie do otoczenia. Jeśli ilość wydzielającego się ciepła nie powoduje degradacji izolacji, wówczas, po pewnym czasie, następuje równowaga cieplna i ilość ciepła wydzielanego w żyle jest równa ilości ciepła oddawanego do otoczenia. Wartość prądu w stanie równowagi, kiedy żyły osiągają temperaturę dopuszczalną, nazywamy dopuszczalną długotrwale obciążalnością prądową, lub krótko obciążalnością dopuszczalną.

Wiele czynników ma wpływ na obciążalność dopuszczalną kabli. Najważniejszymi z nich są:

• przekrój żyły (miedzianej, bo tylko takie będziemy rozpatrywać) - im większy przekrój, tym mniejsza rezystancja żyły i większa obciążalność,
• materiał izolacji - im bardziej odporny na mięknienie i deformację lub degradację w podwyższonej temperaturze, tym obciążalność żył może być wyższa, im większe przewodnictwo cieplne materiału, tym obciążalność większa,
• grubość izolacji i powłoki, czyli grubość warstw izolujących cieplnie i utrudniających oddawanie ciepła do otoczenia - im grubsze warstwy izolacyjne, tym obciążalność mniejsza, liczba obciążonych żył w wiązce - im więcej obciążonych żył w kablu lub w wiązce kabli, tym obciążalność pojedynczej żyły jest mniejsza, bo obciążone żyły ogrzewają się nawzajem i utrudniają oddawanie ciepła do otoczenia,
• temperatura otoczenia - im niższa, tym bardziej odległa od temperatury dopuszczalnej i przez to obciążalność jest większa,
• miejsce ułożenia - obciążalność kabli i przewodów ułożonych w miejscach nasłonecznionych jest mniejsza, niż w miejscach ocienionych, natomiast obciążalność kabli ułożonych w ziemi jest większa niż ułożonych w powietrzu, bo odprowadzanie ciepła w ziemi jest zwykle lepsze,
obecność zewnętrznych źródeł ciepła w pobliżu kabla oniża jego obciążalność.

Jak widzimy, istotny wpływ na obciążalność dopuszczalną ma nie tylko konstrukcja kabla ale również sposób jego instalowania. Kable mogą być układane pojedynczo lub w wiązkach, na drabinkach, w rurkach instalacyjnych, w kanałach kablowych, ale mogą być również zakopane bezpośrednio w ziemi. Od miejsca i sposobu instalowania zależy intensywność odprowadzania ciepła. Dodatkowym czynnikiem ograniczającym obciążalność dopuszczalną mogą być zewnętrzne źródła ciepła znajdujące się w pobliżu trasy kabla, takie jak rurociągi z parą lub gorącą wodą (nawet izolowane cieplnie), a także miejsca nasłonecznione.

Należy pamiętać, że czynniki zewnętrzne, które wpływają na obciążalność, mogą się zmieniać w czasie i wzdłuż trasy kabla, a krytycznymi dla obciążalności będą zawsze czynniki najbardziej niekorzystne, choćby występowały na krótkim odcinku trasy.

Aby dokładnie określić obciążalność prądową, muszą być znane co najmniej trzy czynniki: warunki odprowadzania ciepła wzdłuż całej trasy kabla (uzyskuje się je przez kosztowne pomiary), charakter obciążenia kabla (przepływ prądu w czasie, uwzględniający zmienność dobową i sezonową) oraz konstrukcja kabla. Następnie wykonuje się czasochłonne obliczenia. Ze względu na koszty, obciążalność dopuszczalną oblicza się tylko dla kabli energetycznych wysokiego i bardzo wysokiego napięcia, gdzie dokładne wykorzystanie możliwości przesyłowych kabli daje istotne korzyści ekonomiczne.

Trudno dokładnie określić obciążalność prądową szacując jedynie czynniki na nią wpływające. Toteż najczęściej zakłada się typową konstrukcję kabla i jego niezmienne obciążenie prądem oraz przyjmuje się pewne często spotykane warunki otoczenia i sposób ułożenia kabla. Dla tych założonych warunków oblicza się dopuszczalną długotrwale obciążalność prądową. Na potrzeby niektórych użytkowników podaje się również obciążalność prądową długotrwałą, powodującą wzrost temperatury o określoną wartość.

Podane w załączonych Tablicy 1. i Tablicy 3. wartości długotrwałych obciążalności prądowych dotyczą kabli ułożonych w powietrzu, w miejscu osłoniętym od bezpośredniego promieniowania słonecznego. Przyjęto, że kable mają izolację z polwinitu lub polietylenu, a dwie lub trzy jego żyły są obciążone - zasilają odbiornik jedno- lub trójfazowy. Dla obciążalności dopuszczalnej założono, że temperatura otaczającego powietrza wynosi 25°C, a żyły 70°C, co oznacza 45°C wzrost temperatury żyły ponad temperaturę powietrza.

Tablica 1. dotyczy przewodów energetycznych. Tablica 3. - kabli stosowanych w elektronice i automatyce, które bardzo rzadko obciążane są prądami o wartościach bliskich obciążalności dopuszczalnej, dlatego podano w niej dodatkowo długotrwałe obciążalności prądowe wywołujące przyrosty temperatury żył kabla o 10°C i 30°C powyżej temperatury otoczenia (25°C), co odpowiada temperaturom żyły 35°C i 55°C. Dla innej liczby obciążonych żył w kablu, albo w wiązce stykających się kabli, należy odczytaną z tablic wartość obciążalności pomnożyć przez podany w Tablicy 4. współczynnik. Jeśli temperatura powietrza jest wyższa od założonej (25°C), odczytaną obciążalność dopuszczalną należy zmniejszyć, mnożąc wartość prądu przez współczynnik podany w Tablicy 2.

Ponieważ w obliczeniach nie uwzględniono wszystkich omówionych wcześniej warunków ułożenia kabla i nie zawsze wszystkie rzeczywiste warunki eksploatacji kabla będą zgodne z założonymi, trzeba pamiętać, że odczytane z tablic długotrwałe obciążalności prądowe sa tylko wartościami przybliżonymi.

Spadek napięcia (D U) wzdłuż żyły o rezystancji (R) powodowany jest przepływem prądu (I) i może być łatwo obliczony z prawo Ohma: DU = I R. Spadek napięcia na długości żył kabla jest niekorzystny, bo powoduje obniżenie napięcia zasilającego przyłączone urządzenia. Przy długich trasach kabli i dużych prądach, spadki napięcia mogą być zbyt duże i może okazać się konieczne zastosowanie kabli o większym przekroju żył (mniejszej rezystancji). Należy pamiętać, że rezystancja żył rośnie wraz z długością kabla i z jego temperaturą. Wpływ reaktancji żył można pominąć, ponieważ dla rozpatrywanych konstrukcji kabli i dla częstotliwości sieci jest ona bardzo mała.

W Tablicy 1. i Tablicy 3. podano spadki napięcia dla przewodów energetycznych i dla kabli dla elektroniki i automatyki. Spadki te odniesiono do przepływu prądu równemu 1 amperowi i długości pojedynczej żyły równej 1 metrowi w temperaturze osiągniętej przez żyłę kabla. Aby obliczyć spadek napięcia dla spodziewanej temperatury, wartość napięcia odczytaną z tablicy należy pomnożyć przez 2 (pętlę obwodu elektrycznego stanowią 2 żyły kabla), przez długość kabla (w metrach) i przez obciążenie prądem (w amperach).