Obciążalność prądowa przedłużaczy bębnowych

Przy wyborze typu przedłużacza skupiają się przede wszystkim na jego właściwościach mechanicznych (wytrzymałość bębna, odporność na wodę i inne czynniki środowiskowe), zapominając o wymogach natury elektrycznej. W artykule przedstawiono analizę obciążalności prądowej długotrwałej przewodów wykorzystywanych do budowy przedłużaczy bębnowych.

Podstawowe parametry przedłużaczy bębnowych

Każdy z dostępnych obecnie na rynku przedłużaczy charakteryzuje się pewnymi parametrami. Oprócz parametrów mechanicznych, takich jak wytrzymałość mechaniczna bębna, odporność na warunki środowiskowe, kształt, waga itp., każdy z przedłużaczy posiada cechy natury elektrycznej (Czytaj więcej na ten temat). Do podstawowych, elektrycznych parametrów przedłużaczy bębnowych należą przede wszystkim:

• napięcie znamionowe – powszechnie spotyka się przedłużacze wykonywane na napięcie 230 V lub 400 V. Występują również urządzenia umożliwiające podłączenie zarówno urządzeń jedno-, jak i trójfazowych,
• liczba i rodzaj gniazd – powszechnie stosuje się przedłużacze z liczbą gniazd od 1 do 4, przy czym gniazda te mogą być jedno- i trójfazowe, z lub bez klapki ochronnej, 
• długość przewodu nawiniętego na bęben – powszechnie stosowane przewody w przedłużaczach zazwyczaj nie przekraczają 50 m długości,
• przekrój znamionowy żył przewodu – na rynku możemy spotkać przedłużacze wykonane z przewodów o przekrojach znamionowych żył: 1; 1,5 lub 2,5 mm²,
• materiał izolacyjny przewodu – znajomość materiału, z jakiego wykonana jest izolacja i osłona przewodu, ma znaczenie przede wszystkim podczas uwzględniania środowiska, w jakim ma pracować przedłużacz. Do powszechnie wykorzystywanych materiałów izolacyjnych należą: poliuretan, neopren, guma i polichlorek winylu.

Ponadto, przedłużacze bębnowe mogą być wyposażone w układy samozwijające przewód czy też zabezpieczenie termiczne, chroniące przedłużacz przed przegrzaniem (wynikającym z przeciążenia prądowego).

Obciążalność prądowa długotrwała przedłużacza bębnowego przy rozwiniętym całkowicie przewodzie

Na wartość prądu, jaki może długotrwale płynąć przez przewód, ma wpływ przede wszystkim przekrój znamionowy żył zastosowanego przewodu oraz materiał izolacyjny wykorzystany do jego budowy. Nie bez znaczenia jest również sposób układania przewodu. Podczas eksploatacji przedłużaczy bębnowych, przy zachowaniu odpowiednich zasad bezpieczeństwa, można uznać, że przewód jest zawsze ułożony w powietrzu i właśnie dla takich warunków pracy należy określać jego obciążalność prądową długotrwałą.

W obecnie stosowanych przedłużaczach bębnowych, materiałem, z jakiego wykonane są żyły przewodu, jest miedź elektrolityczna. Materiał, z jakiego wykonana jest izolacja i osłona przewodu, może być różny (poliuretan, neopren, guma, polichlorek winylu). Według normy PN-IEC 60364-5-523 [1] powołanej w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. [2] do obowiązkowego stosowania, rozróżnia się dwie wartości temperatury dopuszczalnej długotrwale: 70°C – dla izolacji wykonanej z polichlorku winylu (PVC) oraz 90°C – dla izolacji wykonanej z polietylenu usieciowanego (XLPE) lub gumy etylenowo-propylenowej (EPR). Ponieważ producenci przedłużaczy bębnowych nie podają wartości granicznej temperatury ich pracy, to przy określaniu wartości prądu, jaki może długotrwale płynąć przez przewód, należy przyjąć najgorszy z możliwych przypadków, czyli, że temperatura dopuszczalna długotrwale dla przewodów wykorzystywanych w przedłużaczach bębnowych wynosi 70°C.

Producenci większości przedłużaczy ustalają ich obciążalność prądową długotrwałą (I_Z), podając wartość prądu znamionowego – najczęściej 16 A, lub określając maksymalną moc przyłączonego urządzenia – dla przedłużaczy z całkowicie rozwiniętym przewodem moc ta określona jest na poziomie 3500 lub 3600 W. Jednakże taka obciążalność prądowa występuje tylko w przypadku przedłużaczy wykonanych przewodami trójżyłowymi o przekroju znamionowym żył wynoszącym 1 mm² (wg [1] I_Z = 16,5 A). Jeśli do wykonania przedłużacza jednofazowego wykonano przewód o przekroju znamionowym żył równym 1,5 mm², to jego maksymalna obciążalność prądowa wynosi już 22 A (5000 W, przy cosφ = 1), a dla żył 2,5 mm² będzie to 30 A (6900 W, przy cosφ = 1) (tab. 1.) [1]. Należy jednak podkreślić, że obciążalność ta dotyczy całego przewodu, tzn., że podana moc nie dotyczy jednego gniazda (pojedyncze gniazdo ma obciążalność prądową długotrwałą 16 A – 3600 W), a jest to łączna moc (prąd) urządzeń do nich przyłączonych. Oznacza to, że oprócz obciążania prądem równym 16 A, przedłużacz można obciążyć w pozostałych gniazdach łącznie prądem 6 A (dla s = 1,5 mm²) oraz 14 A (dla s = 2,5 mm²).

Do budowy przedłużaczy siłowych (o napięciu 230/400 V) producenci wykorzystują już przewody pięciożyłowe, o przekrojach znamionowych żył wynoszących 1,5 lub 2,5 mm². Obciążalność prądowa długotrwała takich przewodów wynosi odpowiednio 18,5 oraz 25 A [1]. Również w tym przypadku obciążalność ta dotyczy całego przewodu, co powoduje, że łączny prąd wywołany przyłączeniem do poszczególnych gniazd (o prądzie znamionowym 16 A) odbiorników (zarówno jedno-, jak i trójfazowych), nie może przekraczać wyżej wymienionej wartości. W przeciwnym wypadku, przewód wykorzystany do budowy przedłużacza może ulec przegrzaniu (skraca się czas jego eksploatacji) lub nawet uszkodzeniu (trwałe termiczne uszkodzenie materiału izolacyjnego powodujące zwarcie). Na rysunku 1. przedstawiony został rozkład pól temperatur w pięciożyłowym przewodzie o izolacji i osłonie polwinitowej, obciążonym prądem symetrycznym (jednakowa wartość natężenia w każdej fazie) – wyznaczony na podstawie programu EMRC NISA (program EMRC Nisa jest profesjonalnym narzędziem do analizy problemów z dziedziny pól termicznych, elektrostatycznych, magnetycznych i elektromagnetycznych).

Obciążalność prądowa długotrwała przedłużacza bębnowego przy nierozwiniętym całkowicie przewodzie

Bardzo często, ze względu na brak czasu lub zwykłe lenistwo, odwijana jest tylko część przewodu znajdującego się na bębnie, niezbędna do podłączenia danego urządzenia (urządzeń). W wyniku tego, podczas eksploatacji takiego przedłużacza następuje wzrost temperatury w nierozwiniętym przewodzie, wywołany wzajemnym oddziaływaniem sąsiadujących ze sobą przewodów (rys. 2.). Aby nie dopuścić do przekroczenia w przewodach wartości temperatury dopuszczalnej długotrwale, należy ograniczać wartość prądu płynącego przez przewód. Producenci niektórych przedłużaczy bębnowych podają, że maksymalna moc, jaką można przyłączyć do przedłużacza przy zwiniętym przewodzie, wynosi zaledwie 1000 W – co odpowiada wartości prądu obciążenia 4 A – dla układów jednofazowych oraz 2,5 A dla obciążenia trójfazowego (przy założeniu cosφ=1).

Jak łatwo zauważyć, obciążalność prądowa długotrwała w takim przypadku zmniejszyła się co najmniej czterokrotnie – w porównaniu z przedłużaczem z całkowicie rozwiniętym przewodem. W praktyce oznacza to, że według danych producenta, do przedłużacza, w którym przewód nie został całkowicie rozwinięty, można przyłączyć (aby nie spowodować przekroczenia w przewodzie temperatury dopuszczalnej) urządzenia jedynie o mocy znamionowej nie większej niż 1 kW. Nie ma przy tym mowy o jednoczesnym podłączaniu do takiego przedłużacza innych odbiorników, takich jak na przykład oświetlenie halogenowe.

W rzeczywistości, obciążalność prądowa długotrwała przedłużacza zależy od liczby nierozwiniętych zwojów pozostałych na bębnie. Wówczas powstają układy złożone z jednej lub kilku warstw przewodów, przy czym liczba przewodów w poszczególnych warstwach może być różna. W tabeli 2. podano współczynniki zmniejszające, jakie należy stosować do obciążalności prądowej długotrwałej przewodów odosobnionych, w zależności od budowy układu przewodów pozostałego na bębnie przedłużacza. Jak wynika z analizy wartości podanych w tabeli 2., nie zawsze istnieje konieczność czterokrotnego zmniejszenia obciążalności prądowej długotrwałej przewodów pracujących na bębnie przedłużacza, a można – w celu wyznaczenia obciążalności prądowej długotrwałej przewodu – wartość prądu dopuszczalnego dla odosobnionego przewodu (podane w tabeli 1.) pomnożyć przez odpowiedni współczynnik zmniejszający (przedstawiony w tabeli 2.).

Wpływ temperatury otoczenia na obciążalność prądową długotrwałą przedłużaczy bębnowych

Temperatura obliczeniowa otoczenia jest to wartość przyjmowanej do obliczeń temperatury otoczenia, właściwej dla danego środowiska w określonych warunkach. Wartość ta, dla przewodów ułożonych w powietrzu, ustalona została w normie PN-IEC 60364 [1] na poziomie 30°C. Jednakże bardzo często, szczególnie na placach budowy, temperatura otoczenia jest niższa od 30°C. Istnieje wówczas możliwość zwiększenia obciążalności prądowej długotrwałej przewodu, wykorzystując wartości współczynnika korekcyjnego podane w tabeli 3. Należy jednak pamiętać, że wartość prądu, jaki może długotrwale płynąć przez przewód, maleje wraz ze wzrostem temperatury otoczenia powyżej 30°C, zgodnie z zależnością [3]:

gdzie:

θ_Z – temperatura dopuszczalna długotrwale przewodu,

θ_o – rzeczywista temperatura otoczenia.

W tabeli 4. przedstawione zostały wartości prądów i mocy (przy założeniu cosφ=1) obciążenia, jakimi mogą być długotrwale obciążone przewody wykorzystane do budowy przedłużacza podczas jego eksploatacji w temperaturze niższej niż 30°C. Należy przy tym podkreślić, że podane w tabeli obciążenia są wartościami sumarycznymi dla wszystkich gniazd przedłużacza, przy założeniu, że cosφ=1. Rzeczywistą dopuszczalną moc obciążeniową należy wyznaczyć poprzez pomnożenie właściwej wartości mocy podanej w tabeli 4. przez rzeczywisty współczynnik mocy danego urządzenia.

Podsumowanie

Obciążalność prądowa długotrwała przewodów wykorzystywanych do budowy przedłużaczy bębnowych zależy przede wszystkim od stopnia rozwinięcia przewodu z bębna. Eksploatacja przedłużacza z nierozwiniętym przewodem wymaga, w celu niedopuszczenia do przekroczenia w przewodzie wartości temperatury dopuszczalnej długotrwale, znacznego obniżenia (nawet o 70%) wartości prądu obciążenia. Aby tego uniknąć, należy zawsze pracować z całkowicie rozwiniętym przewodem przedłużacza, zachowując jednocześnie wszystkie wymogi bezpieczeństwa pracy z luźno rozłożonym przewodem. W przypadkach eksploatacji przedłużaczy w warunkach, w których temperatura otoczenia jest niższa od 30°C, istnieje możliwość zwiększenia obciążenia przedłużacza, bez ryzyka jego przegrzania.

***

Artykuł zrealizowano w ramach pracy statutowej w zakresie pracy badawczej statutowej S/WE/4/08.

Literatura

1. PN-IEC 60364-5-523:2001 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Obciążalność prądowa długotrwała przewodów.

2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, z późniejszymi zmianami (DzU nr 75, poz. 690).

3. Z. Skibko, Obciążalność prądowa przewodów ułożonych wielowarstwowo. Rozprawa doktorska, Politechnika Białostocka, Białystok 2008 r.