Dobór przewodu do mocy
Opublikowano: 10 maja 2024

Przewody elektryczne są kluczowym elementem każdej instalacji energoelektronicznej. Dobranie przewodów do mocy jest podstawowym krokiem do zapewnienia poprawnego i bezpiecznego działania całego systemu.

W fizyce czy elektrotechnice przewodem nazywa się obiekt, który umożliwia przepływ ładunku (prądu elektrycznego) w jednym lub kilku kierunkach. Przewody wykonywane są typowo z metalu, który umożliwia ruch ujemnie naładowanych elektronów. W zależności od przeznaczenia, przewody dzielą się na różne kategorie. Najczęściej wyróżnia się przewody energetyczne, używane do przesyłania dużej ilości energii elektrycznej oraz przewody sygnałowe, wykorzystywane do przekazywania informacji.

Kabel zasilający jest kablem elektrycznym, zespołem jednego lub więcej przewodników elektrycznych, zwykle trzymanych razem z ogólną osłoną. Zespół służy do przesyłania energii elektrycznej. Kable zasilające mogą być instalowane jako stałe okablowanie wewnątrz budynków, zakopane w ziemi, biegnące na ścianach lub osłonięte np. w trasach kablowych lub pod tynkiem.

Rezystancja przewodów

Opór danego przewodu zależy od materiału, z którego został on wykonany oraz od jego wymiarów. Dla danego materiału rezystancja jest odwrotnie proporcjonalna do pola przekroju poprzecznego przewodnika. Na przykład gruby drut miedziany ma mniejszą rezystancję niż cienki drut wykonany z tego metalu. Dla danego materiału opór jest wprost proporcjonalny również do długości. Oznacza to, że długi drut miedziany ma wyższą rezystancję niż krótki drut o identycznych wymiarach, wykonany również z miedzi. Dlatego rezystancja R przewodnika o równym, niezmiennym przekroju może być opisana następującym wzorem:

Gdzie ρ to rezystywność metalu, z jakiego wykonany został przewód, l to długość przewodu, a A pole powierzchni przekroju poprzecznego.

Z powyższego wzoru wynika więc, ze im grubszy kabel, tym ma niższą rezystancję. Kwestie materiałowe są także nie bez znaczenia – miedź ma istotnie niższą rezystywność niż inne metale, z których wykonuje się przewody, na przykład aluminium.

Efekt naskórkowy

Wymieniona powyżej zależność jest w pełni prawdziwa dla prądu stałego. W przypadku prądu zmiennego dodatkowo obserwowane jest tzw. zjawisko naskórkowe. Efekt naskórkowy to tendencja zmiennego prądu elektrycznego do takiego rozkładu gęstości w przewodniku, że gęstość prądu jest największa w pobliżu jego powierzchni i maleje z większą głębokością. Prąd elektryczny płynie głównie na „naskórku” przewodnika, jak wskazuje sama nazwa zjawiska. Prąd płynie pomiędzy powierzchnią zewnętrzną przewodnika, a poziomem zwanym głębokością naskórkową.

Efekt ten związany jest z częstotliwością prądu i wartością płynącego prądu. W dużej mierze jest on wywoływany przeciwstawnymi prądami wirowymi, indukowanymi przez zmieniające się pole magnetyczne wynikające z prądu przemiennego. Przy częstotliwości 50 Hz, w miedzi głębokość naskórkowa wynosi około 8 mm. Przy wysokich częstotliwościach głębokość ta staje się znacznie mniejsza. Wyznaczanie głębokości naskórkowej w przewodzie jest skomplikowane i wymaga wiedzy na temat szerokiej gamy parametrów materiałowych przewodu, takich jak m.in. przenikalność magnetyczna, przenikalność elektryczna (tzw. stała lub funkcja dielektryczna) itp.

Zwiększony opór zmiennoprądowy można skompensować na dwa sposoby – wykorzystując grubsze kable, lub stosując przewody z specjalnie plecionego drutu. Czasami stosuje się także przewody rurowe – puste w środku, ponieważ wnętrze przewodu o wysokiej częstotliwości niesie tak mało prądu, że wykorzystanie rury nie zmienia parametrów elektrycznych w zauważalny sposób, a redukuje koszt i ciężar przewodu.

Tabele doboru przewodów do mocy

Z uwagi na złożoność zjawisk wpływających na działanie przewodu elektrycznego, nie sposób jest w ścisły sposób dobrać przewód do płynącej przezeń mocy.

W dużym uproszczeniu – przewód dobiera się tak, aby pod wpływem płynącego przezeń prądu, nie rozgrzał się on do niebezpiecznej temperatury. Temperatury te regulują odpowiednie normy, takie jak IEC 60287-3-1:1999. Uzależniona jest ona od m. in. materiału izolacji i tak maksymalna dopuszczalna temperatura dla kabli w izolacji polwinitowej (PCV) wynosi 70°C, a w izolacji z gumy silikonowej 180°C.

Przy założeniu obciążenia czysto rezystancyjnego, w sieci prądu przemiennego 230 V, wartość płynącego prądu równa jest mocy podzielonej przez napięcie sieci – 230 V. Znając tą wartość można dobrać odpowiedni przekrój, zgodnie z poniższą tabelą.