Dobór obciążalności prądowej kabli zasilających, praktyczne uwagi ekspertów technicznych firmy HELUKABEL Polska Sp. z o.o.

fot. HELUKABEL

Producent pierwotny, odpowiedzialność za materiały reklamowe i wnioski na podstawie dyrektywy niskiego napięcia.

W roku 2014 opublikowano nową wersję tak zwanej dyrektywy niskonapięciowej (2014/35/UE), jak wiadomo jest ona europejską regulacją prawną dotyczącą sprzętu elektrycznego przeznaczonego do stosowania w określonych granicach napięcia, a więc w sensie formalnym dotyczy ona omawianych zagadnień jedynie w części. Należy jednak podkreślić, że pewne przesłanki logiczne w niej zawarte można uznać za mające szersze zastosowanie (czyli dla wyrobów o wyższym napięciu znamionowym). W punkcie 9. preambuły dyrektywy czytamy zatem:

„Zważywszy, że producent posiada dokładną wiedzę o procesie projektowania i produkcji, jest on najbardziej kompetentny do przeprowadzenia procedury oceny zgodności. W związku z tym ocena zgodności powinna pozostać wyłącznie obowiązkiem producenta. […]”

Powyższe stwierdzenie nie występowało we wcześniejszej wersji dyrektywy, jest zatem dość nowym, ale niezwykle ważnym, wręcz rewolucyjnym podejściem do zagadnienia wiedzy o wyrobie. Można powiedzieć, że znacznie wcześniej o tym wiedziano, lecz inną wagę ma obiegowa opinia, a inną oficjalne prawo Unii.

W zasadzie można się było spodziewać ewolucji przepisów w tym kierunku, ponieważ coraz szybszy postęp techniczny i lawinowy wzrost ilości wyrobów technicznych na rynku, przy jednocześnie wzrastającym opóźnieniu normalizacji względem globalnego rozwoju produktowego oraz zazdrosnym strzeżeniu wiedzy typu „know-how” przez firmy produkcyjne – spowodował narastającą dysproporcję pomiędzy wiedzą skodyfikowaną i właściwościami wyrobów w obrocie rynkowym. Po prostu usankcjonowano prawnie stan faktyczny.

Zatem jednocześnie wzrosła odpowiedzialność producentów za wyroby, w sytuacji wyprzedzenia przez projekt i/lub konstrukcję ogólnodostępnych i zweryfikowanych specyfikacji technicznych oraz na informowanie o istotnych cechach – również w materiałach reklamowych.^[1]

Wzmocniono nacisk na zapewnienie identyfikowalności urządzeń elektrycznych w całym łańcuchu dostaw. W ślad za tymi zapisami obserwuje się określone tendencje w modyfikacji norm zharmonizowanych. I tak przykładowo bardzo ważna dla przemysłu norma PN-EN 61439 „Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe” wprowadziła pojęcie producenta pierwotnego dla systemu rozdzielnic i sterownic, a także zasadę black-box konkretyzującą sposób identyfikacji parametrów urządzeń, z których w kolejnych stadiach przekształcania wyrobowi towarzyszą określone dane identyfikacyjne wyrobu nie tylko pod względem typu, lecz także funkcjonalnym.

Zwrócono większą uwagę na zapewnienie nienaruszenia cech sprzętu mających znaczenie dla bezpieczeństwa wyrobu w całym (obecnie czasem znacznie wydłużonym) łańcuchu dostaw. Odnosząc się do powyższego przykładu, można stwierdzić, że podmiot montujący wyrób dla użytkownika końcowego (lub kolejnego podmiotu z łańcuchu) jest zobligowany zasadą domniemania do stosowania się do zasad narzuconych przez pierwotnego producenta systemu, który ma do tego prawo – ponieważ wykonał szereg różnorodnych działań konstrukcyjno-projektowo-badawczych uzyskując tym samym przewagę wiedzy nad producentami wtórnymi.

Kolejnym krokiem w kierunku dostosowywania się do tempa postępu technicznego było zrównanie dowodzenia zgodności na podstawie norm międzynarodowych IEC, a nawet krajowych wobec braku (i do czasu braku) norm zharmonizowanych z dyrektywą na podstawie mandatu Unii Europejskiej.

Oczywiście nie wszystkie wyroby elektryczne podlegają dyrektywie niskonapięciowej, lecz celem powyższych rozważań, było nie tylko zwrócenie uwagi Czytelnika na system oceny zgodności, lecz spojrzenie na pewne koncepcje w nim występujące, jako na posiadające znaczenie bardziej uniwersalne.

Kable średniego napięcia – informacyjna rola producenta wobec projektanta

Jak wiadomo żyła powrotna kabla służąca do odprowadzania prądów zwarciowych powstałych w systemie energetycznym najczęściej jest wykonana z drutów miedzianych owiniętych spiralnie jedną lub dwoma taśmami miedzianymi o przekroju wymaganego prądami zwarcia – produkowane są w różnych systemach zależnych od potrzeb energetyki. Pod żyłą powrotną jak i na niej stosuje się taśmy półprzewodzące, które ograniczają kontakt metalowego ekranu z układem izolacyjnym w przypadku przepływu prądów zwarciowych i wzrostu temperatury izolacji kabla oraz pełnią funkcję wzdłużnego zabezpieczenia przed wnikaniem wilgoci. Taśmy te, zabezpieczają ekran izolacji przed wgnieceniami drutów żyły powrotnej w przypadku nagrzewania się kabla i wzrostu jego wymiarów w kierunku promieniowym. Stanowi też barierę neutralną, taką aby potencjał ekranu izolacji, taśm, żyły powrotnej,  taśmy aluminiowej będącej barierą promieniowego wnikania wilgoci był na tym samym poziomie. Taśma aluminiowa aplikowana jest wzdłużnie pod powłoką kabla, z którą jest zespojona.

W sumie jak widzimy, kabel średniego napięcia jest dość skomplikowaną konstrukcją, co bardzo utrudnia lub nawet uniemożliwia  ścisłą ocenę jego parametrów dla określonych warunków pracy na podstawie prostych wzorów.

Sytuację dodatkowo komplikuje fakt, iż producenci nieustannie doskonalą swoje konstrukcje, aby nadać im cechy korzystniejsze z punktu widzenia przyszłego użytkownika. Zatem z czasem producent staje się niezastąpionym źródłem informacji na temat wyrobu.

Posłużmy się przykładem, aby lepiej przedstawić istniejącą sytuację. W ofercie firmy HELUKABEL znajdują się między innymi kable jednożyłowe oznaczone jako: N2XS(FL)2Y o przekrojach żyły czynnej 120 i 185 mm² i żyły powrotnej 50 mm². Przekrój żyły powrotnej jest w tym przypadku dość znaczny.^[2]

Przewód Cu, izolowany XLPE, jednożyłowy, ekranowany, podłużnie i poprzecznie uszczelniony,
płaszcz PE:

• Kable te są wykonane ściśle zgodnie z normami niemieckimi.
• Kable posiadają uszczelnienie zarówno wzdłużne, jak i promieniowe, a zatem charakteryzują się znaczną odpornością na oddziaływanie wody.
• Podstawowa izolacja kabli jest bardzo nowoczesna, ponieważ jest wykonana z polietylenu sieciowanego, co daje im znaczną odporność cieplną (temperatura graniczna dla XLPE i EPR to 90°C). Zatem przy obciążeniu ciągłym/długotrwałym (load factor = 100%) dana temperatura nie może być przekraczana.
• Żyła powrotna ma praktycznie największy stosowany w tego rodzaju kablach przekrój (50 mm²), co pozwala na przyjęcie mocy zwarciowej nawet do 220 MVA.
• Zakładając trójfazowe połączenie kablowe, należy pamiętać, że ułożenie płaskie, kabli jednożyłowych zwiększa ich obciążalność prądową z stosunku do ułożenia trójkątnego w powietrzu około 1,13 razy (max. o 13%), przy ułożeniu w ziemi stosunek ten jest mniejszy, na poziomie około 1,05 razy (max. o 5%).^[3]
• Ułożenie kabli z powietrzu zwiększa średnio o około 10% obciążalność.

UWAGA: Dla napięć z przedziału od 1kV do 30 kV należy układać kable jednożyłowe tej samej linii w układzie płaskim w odległości nie mniejszej niż 100 mm od siebie. W układzie trójkątnym kable zwykle stykają się.

Inżynierowie i eksperci techniczni firmy HELUKABEL Polska Sp. z o.o. potrafią doszacować dopuszczalne wartości prądów zastępczych dla swoich typów przewodów w relacji do podanych parametrów technicznych dla porównywalnych kabli innych producentów. 

Przykład formuły obliczenia:

Wzór [1]:

Gdzie:

I^’ – prąd ciągły długotrwały kabla w nowych warunkach,

I – prąd ciągły długotrwały kabla w znanych warunkach,

t_c^’- temperatura żyły kabla w nowych warunkach,

t_a^’- temperatura otoczenia kabla w nowych warunkach,

t_c – temperatura żyły kabla w znanych warunkach,

t_a – temperatura otoczenia kabla w znanych warunkach.

Zatem jeżeli, przykładowo kabel leży w ziemi w zwykle przyjmowanej w danych katalogowych temperaturze 20°C i temperatura żyły dla obciążenia 400A wynosi 75°C, to dla temperatury żyły 90°C (maksymalnie dla XLPE) jego dopuszczalny prąd wyniesie:

Korzystając z tego prostego równania można zatem szybko przeliczyć dla tego samego kabla (i ewentualnie dla zmienionej temperatury otoczenia) na jaki prąd można sobie pozwolić , aby nie przekroczyć założonej temperatury żyły (np. bezpiecznej dla materiału izolacji).

Przeliczenie temperatury dla zmienionego współczynnika obciążenia, nie jest niestety już takie proste.

Poszukujemy prądu zastępczego, który powinien wywołać taki sam skutek cieplny, jak wiele różnych wartości prądu obciążenia, które wystąpią w danym przedziale czasu:

Wzór [2]:

Zatem:

Współczynnik obciążenia, to:                   

Gdzie I_max – to w naszym przypadku prąd, który w danych warunkach obciążenia nie podniesie temperatury żyły powyżej 90°C.

I tu wobec braku danych rysują się dwa rozwiązania:

1. Wziąć dane z katalogu konkurencji dla jak najbardziej zbliżonego kabla.
2. Przyjąć literaturowy^[4] współczynnik korekcyjny 0,93, aby przejść ze współczynnika obciążalności (load factor) 0,7 na pełną obciążalność długotrwałą 1,0.

Czyli, dla przykładu – tabela poniżej:

Temperatura 90°C i współczynnik obciążenia 0,7

UWAGA: Nie są to badania laboratorium akredytowanego, tylko szacunkowe obliczenia!

Z powyższego przykładu widzimy, że albo należy zaufać współczynnikom inżynierskim (z jakimś zapasem bezpieczeństwa, co też kosztuje), albo zlecić badania (w przypadku jednostkowej aplikacji, co najmniej dyskusyjne ekonomicznie), albo zaufać bezgranicznie informacjom od producenta.

I w tym miejscu rodzi się zasadnicze pytanie, czy wspomniane wyżej rozwiązanie 1. – czyli skorzystanie z danych dotyczących konkurencyjnego produktu jest lepsze, biorąc pod uwagę iż firmy prowadzą zarówno działania badawczo-rozwojowe, jaki i walkę konkurencyjną.

Chyba jednak najpewniejsze jest korzystanie z wiedzy producenta pierwotnego, tym bardziej, że ponosi on odpowiedzialność za swoje wyroby i rozpowszechniane informacje na ich temat.