Vplyv prúdovej zaťažiteľnosti na oteplenie izolácie kábla v krátkych úsekoch s rôznou tepelnou vodivosťou
Požiadavky sa neustále zvyšujú
Nároky na funkčnosť, spoľahlivosť a efektivitu dodávky elektrickej energie sa neustále zvyšujú. Na tieto požiadavky významným spôsobom vplýva aj prúdová zaťažiteľnosť káblových trás. Miesta so zvýšenou teplotou sú potencionálnymi miestami neočakávanej havárie, ktorá súvisí s prehriatím izolácie. Rovnako sú to miesta, ktoré z dlhodobého hľadiska môžu prispieť k zrýchlenej degradácii izolácie a tým aj k skráteniu jej prognózovanej životnosti.
Dlhodobá prúdová zaťažiteľnosť káblových trás býva žiaľ v praxi v mnohých prípadoch nastavená na prevažujúce podmienky prostredia káblovej trasy aj napriek tomu, že by mala byť prispôsobená najnepriaznivejším podmienkam. Príklad takéhoto stavu, ktorý vyústil do neočakávanej poruchy z dôvodu prekročenia maximálneho dovoleného oteplenia je možné vidieť na obr. 1.
Kritické sú prechodová miesta
Prechody cez steny alebo úseky s rôznou tepelnou vodivosťou môžu byť kritickými miestami káblovej trasy. Cieľom experimentu v laboratórnych podmienkach bolo zistiť možné oteplenie v prechodoch káblov v komerčne vyrábaných stavebných materiáloch s rôznou tepelnou vodivosťou a šírkou pri vybraných prúdových zaťaženiach s rôznym počtom zaťažených vodičov. Vybrané stavebné materiály majú predstavovať reálne typy materiálov (prostredí) cez ktoré môže káblová inštalácia prechádzať v stavbách rodinných domov, bytov alebo budov vo všeobecnosti. Konkrétne to boli: drevo (smrek), pórobetón YTONG a minerálna vata. Pohľad na prechody z vybraných materiálov a na vzduchu počas experimentálneho merania je možné vidieť na obr.2.
Vykonané merania
Na experimentálne meranie oteplenia bola použitá vzorka komerčne vyrábaného nízkonapäťového kábla typu N2XH-J 3×1,5. Kábel je určený pre pevné rozvody v stenách alebo na vzduchu a vhodný pre aplikácie, ktoré vyžadujú odolnosť proti šíreniu plameňa. Izolácia žily je tvorená zo zosieťovaného polyetylénu (XLPE). Odolnosť proti šíreniu plameňa je určená podľa EN 60332-3-24.
Počas experimentu prechádzal meraný kábel cez vybrané stavebné materiály (prechody) s rôznou tepelnou vodivosťou. Dĺžka (šírka) prechodov bola stanovená na 10 cm, 20 cm a 30 cm. Počas experimentu boli postupne zaťažovaná jedna, dve a nakoniec tri žily predmetného kábla prúdom s konštantnou hodnotou 15 A, 20 A a 25 A po dobu 4 h.
Najskôr bolo merané oteplenie kábla v 10 cm šírke prechodov z YTONGu, smrekového dreva, minerálnej vaty a na vzduchu pri prúdovom zaťažení jedného vodiča 15 A, potom 20 A a nakoniec 25 A. Ďalej nasledovali merania pri dvoch a nakoniec pri troch zaťažených vodičoch prúdom pri tom istom prúdovom zaťažení. Takýto postup bol zopakovaný aj pri meraniach s dĺžkou prechodov 20 cm a 30 cm.
Vplyv dĺžky prechodu na oteplenie kábla
Na obr. 3 je vidieť oteplenie meranej vzorky kábla v závislosti od dĺžky (šírky) krátkych úsekov (stien). Graf je vynesený len pre zaťaženie dvoch žíl, ktoré je štandardné pre tento typ kábla. Šírka steny označená v prezentovanom grafe 0 cm reprezentuje oteplenie kábla vo vzduchu. Hodnoty oteplenia kábla vo vzduchu nám slúžia na porovnanie teploty kábla, ktoré by dosahoval ešte pred vstupom do steny s nižšou tepelnou vodivosťou. Hrubá vodorovná červená čiara v grafe pri oteplení 60 °C reprezentuje maximálne dovolené oteplenie kábla N2XH-J 3×1,5 pri predpokladanej teplote okolia 30 °C. Z prezentovaného grafu vyplýva, že maximálne dovolené oteplenie meraného kábla 60 °C nebolo vôbec prekročené pri zaťažení 15 A. Pri zaťažení 20 A prišlo k prekročeniu maximálnej dovolenej teploty kábla v minerálnej vate so šírkou steny 20 a 30 cm. V prípade šírky steny 30 cm a prúdovom zaťažení 25 A prišlo k prekročeniu maximálnej teploty kábla pri všetkých meraných materiáloch (okrem vzduchu). Šírka steny 20 cm bola kritická pri zaťažení 20 A iba pre stenu z minerálnej vaty. Šírka steny 10 cm je z hľadiska prekročenia maximálnej dovolenej teploty kábla problematická iba pri minerálnej vate a prúdovom zaťažení 25 A. Pri všetkých realizovaných meraniach oteplenie kábla vo vzduchu nepresiahlo maximálne dovolené oteplenie 60 °C na rozdiel od hodnôt oteplení v prechodoch vybraných stavebných materiáloch. V prechodoch namerané hodnoty oteplení záviseli od počtu zaťažených vodičov, prúdového zaťaženia, šírky a tepelnej vodivosti prechodu, pričom v niektorých prípadoch dosahovali extrémne hodnoty, ktoré by mohli spôsobiť okamžitú haváriu kábla. Napríklad v prechode minerálnou vatou so šírkou 30 cm a 25 A prúdovom zaťažení všetkých troch vodičov bola nameraná hodnota oteplenia 239,3 °C pri uvažovaní teploty okolia 30 °C.
Norma STN 33 2000-5-52 uvádza, že prúdová zaťažiteľnosť musí zohľadniť časť káblovej trasy s najnepriaznivejšie podmienkami. Zároveň, ale tvrdí, že táto požiadavka sa môže zvyčajne zanedbať, ak rozvod prechádza stenou s hrúbkou menšou ako 0,35 m. Z experimentálne nameraných výsledkov možno skonštatovať, že na oteplenie kábla N2XH-J 3×1,5 má veľký vplyv počet zaťažených vodičov, prúdové zaťaženie, šírka a tepelná vodivosť prostredia a to aj v prípade krátkych úsekov menších ako 0,35 m. Z uvedených dôvodov by sme mali pri určení hodnoty prúdovej zaťažiteľnosti káblov pristupovať veľmi opatrne a najskôr preveriť, či už meraniami alebo vhodnými simuláciami, reálne oteplenie v prechodoch káblov pozdĺž káblovej trasy.
November 2024
Ing. Rastislav Valach,
VUKI a.s. Bratislava
Doc. Ing. Juraj Packa, PhD., Fakulta elektrotechniky a informatiky STU Bratislava,
Tento článok vznikol s podporou Slovenskej agentúry pre výskum a vývoj (APVV) podľa zmluvy č. APVV-23-0012, APVV-23-0025
