Obciążalność prądowa i spadki napięć

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.
Takie zasady przyjęto również przy obliczaniu obciążalności dopuszczalnej kabli produkowanych przez
Technokabel.

Podane w załączonych Tablicach 1 . i 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.

Tablica 1. Dopuszczalna długotrwale obciążalność prądowa przewodów elektroenergetycznych
                    z żyłami miedzianymi izolowanymi polwinitem lub polietylenem,
                    przeznaczonych do odbiorników ruchomych i przenośnych, użytkowanych
                    w pomieszczeniach lub przestrzeniach zewnętrznych, w miejscach
                    osłoniętych od bezpośredniego działania promieni słonecznych

Przekrój żyły [mm2]	Dopuszczalna długotrwała obciążalność prądowa [A] w temperaturze otoczenia 25°C	Spadek napięcia [mV/(Am)] wzdłuż pojedynczej żyły o długości 1 m, przy przepływie prądu 1 A, dla dopuszczalnej temperatury żyły 70°C
0,5	9	47
0,75	12	31
1,0	14	23
1,5	18	16
2,5	25	9,6
4	34	5,9
6	44	4,0
10	60	2,3

W tablicach 1 i 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).

Tablica 2. Przeliczniki obciążalności dopuszczalnej dla Tablicy 5.1 i Tablicy 5.3

Temperatura otoczenia [°C]	25	30	35	40	45	50
Współczynnik przeliczeniowy	1,00	0,94	0,88	0,82	0,75	0,67

Tablica 3. Długotrwała obciążalność prądowa ułożonych w powietrzu,
                    w temperaturze 25°C, przewodów i kabli dla zastosowań w elektronice
                    i automatyce, z żyłami miedzianymi izolowanymi polwinitem lub polietylenem

Przekrój żyły [mm2]	Długotrwała obciążalność prądowa [A] powodująca wzrost temperatury żyły o			Spadek napięcia [mV/(Am)] wzdłuż pojedynczej żyły o długości 1 m, przy przepływie prądu 1 A, dla temperatury żyły
	10°C	35°C	45°C*)	35°C	55°C	70°C
0,05	0,6	1,1	1,4	389	411	441
0,08	0,9	1,6	2,0	265	279	299
0,12	1,2	2,2	2,7	176	185	199
0,14	1,4	2,5	3,1	150	159	170
0,15	1,5	2,7	3,3	134	142	152
0,20	1,8	3,2	4,0	98	103	111
0,22	2,0	3,5	4,3	95	101	108
0,25	2,1	3,8	4,6	87	92	98
0,34	2,6	4,7	5,7	62	66	71
0,38	2,8	4,9	6,2	55	58	62
0,5	3,3	5,9	7,1	41	44	47
0,75	4,3	7,6	9,4	28	29	31
1,0	5,2	9,1	11	21	22	23
1,5	6,7	12	14	14	15	16
2,5	9,3	16	20	8,4	8,9	9,6

*) W temperaturze otoczenia 25°C, jest to dopuszczalna długotrwale obciążalność prądowa

Tablica 4. Przeliczniki obciążalności prądowej dla Tablicy 1 i Tablicy 3

Liczba żył*)	Współczynnik przeliczeniowy
1	1,6
2 lub 3	1,0
4 - 6	0,8
7 - 9	0,7
10 - 20	0,5
21 - 30	0,45
31 - 40	0,40
powyżej 40	0,35

*) Jeśli ekrany biorą udziału w przewodzeniu prądu, należy je uwzględnić