Politechnika Opolska

LABORATORIUM

Przedmiot:	Laboratorium sieci i systemów elektroenergetycznych

Kierunek studiów:	Elektrotechnika	Rok studiów:	2
Semestr:	4	Rok akademicki:	2011/2012

Temat:
Badanie wytrzymałości przewodów

Projekt wykonali:
Nazwisko:
1.
3.

Ocena za projekt:	Data:	Uwagi:

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.

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 [mm^2]	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).

Polwinity (PVC) występują jako bardzo liczna grupa tworzyw na bazie plastyfikowanego polichlorku winylu. Polwinity wykazują podwyższoną odporność na działanie płomienia, olejów, ozonu, promieniowania słonecznego i większości rozpuszczalników. Ponieważ przenikalność dielektryczna PVC jest większa niż polietylenu, izolację polwinitową stosuje się tylko w kablach do transmisji sygnałów o częstotliwościach akustycznych. Polwinity są mieszaninami wielu składników i przez odpowiedni ich dobór można uzyskać zamierzone, zmodyfikowane własności. Modyfikacje dotyczą głównie własności mechanicznych, w tym elastyczności i twardości, i umożliwiają zastosowanie polwinitu dla zakresu niskich albo podwyższonych temperatur. Znane są również specjalne receptury dla rozszerzonego zakresu temperatur (-55°C do 105°C). Modyfikacja własności mechanicznych pociąga za sobą zmiany własności elektrycznych, szczególnie stałej dielektrycznej.

Termowizja oparta jest o zasadę odbioru promieniowania elektromagnetycznego z zakresu podczerwieni. Kamera zamienia to promieniowanie na obraz widzialny.
Zastosowanie termowizji jako metody badań dokonywanych na podstawie pomiaru i rejestracji obrazów termicznych badanych obiektów przy pomocy zdalnie działającej kamery, nieustannie się rozszerza i obejmuje coraz to inne dziedziny, np.:

• budownictwo (termoizolacja)

• przemysł

• elektronika (urządzenia i maszyny wadliwie pracujące)

• energetyka

• diagnostyka medyczna

• kontrola jakości

• kryminalistyka

• badania naukowe

Kamera termowizyjna okazuje się urządzeniem nie tylko przydatnym i pomocnym, ale w wielu już dziedzinach i sytuacjach niezbędnym, zwłaszcza tam, gdzie istotne są różnice w temperaturach. Kamera termowizyjna jest bowiem tym urządzeniem, które daje możliwość pomiaru temperatury na odległość w kilku miejscach jednocześnie, ukazuje rozkład temperatur.

Przewód Dy1,5mm²

Katalogowa obciążalność w temp otoczenia 30°C wynosi 24 A zgodnie z VDE. Wygląd przewodu w kamerze termowizyjnej oraz zdjęcie samego przewodu dla zmieniającego się obciążenia :

10A temp otoczenia 20 A temp 31,5°C

30 A temp 37,1°C 40 A temp 42,9°C

50 A temp 55,9°C 60 A temp 125,6°C

70 A temp 145,8°C 80 A temp 183,2°C

90 A temp553,5°C 100 A temp 674,1°C

110 A temp 689°C

Przewód Ly4mm²

Katalogowa obciążalność w temp otoczenia 30°C wynosi 35 A zgodnie z VDE. Wygląd przewodu w kamerze termowizyjnej oraz zdjęcie samego przewodu dla zmieniającego się obciążenia :

40A temp35,6°C 50A temp 63,2°C

60A temp77,9°C 80A temp114,6°C

90A temp127°C 110A temp133,8°C

130A temp204,8°C 150A temp326,9°C

170A temp869,4°C 190A temp1026°C

Wnioski:

Dokładne obrazy z termowizji pokazały że przewód Dy wytrzymał przepływ prądu o wartości 100 A a przy 110A nastąpiło przepalenie a temp w której izolacja zaczeła się topić wynosiła 125 °C . Przewód Ly wytrzymał 170 A a przepalenie nastąpiło przy 190 A temperatóra wynosiła wtedy 1026°C. Przewody wytrzymały taką temperatóre ponieważ warunki w których się znajdywały były dla nich optymalne. Nie znajdywały się w zamknieciu a na swieżym powietrzu w pomieszczeniu w którym był przeciąg. Dodatkowo nie znajdował się koło nich żaden inny przedmiot który mogł być dodatkowym źródlem ciepła. Kamera termowizyjna pozwoliła zarejestrowac temperatórę co jest ogromną zalętą która pozwala diagnozować awarie nawet w szafach rozdzielczych bez rozbierania ich .