+

Jištění paralelních vodičů a kabelů

Úvodem
Protože se i v síti nízkého napětí přenášejí stále větší výkony, nestačí na jejich přenos již jednotlivé kabely, ale je k tomu zapotřebí používat více kabelů paralelních. S tím jsou spojeny i otázky jištění těchto paralelních kabelů, na které se nás čtenáři našeho informačního systému dotazují stále častěji.

Ochrana paralelních vodičů před nadproudy by měla být dostatečná pro veškeré paralelní vodiče. Pokud se týká dvou vodičů stejného průřezu, materiálu, délky a uložení tak, aby vedly v podstatě stejný proud, jsou požadavky na tuto ochranu zřejmé. Ať již jistíme každý kabel zvlášť na poloviční přenášený výkon, nebo oba kabely společně před bodem rozdělení na celý přenášený výkon, neuděláme zásadní chybu. Pokud se však týká uspořádání více vodičů, mělo by se podrobněji vyšetřit s ohledem na rozdělení proudů mezi vodiče i s ohledem na několik cest poruchového a především zkratového proudu. Dále jsou takové úvahy rozvedeny.

Ochrana paralelních vodičů před přetížením
Jestliže se nadproud objeví v obvodu, v němž jsou paralelní vodiče vícežilových kabelů, zvyšuje se při přetížení proud v každém vodiči ve stejné míře. Pokud je proud mezi paralelní vodiče rozložen stejnoměrně, může všechny tyto vodiče chránit jeden přístroj. Dovolené proudové zatížení (Iz) všech paralelních vodičů se rovná součtu dovolených proudových zatížení jednotlivých vodičů s tím, že se počítá také s příslušným součinitelem jejich seskupení i s dalšími součiniteli, které přicházejí v úvahu.

Rozdělení proudů mezi paralelní kabely závisí na jejich impedanci. Pro silné jednožilové kabely (o průřezu větším než 120 mm2) je reaktanční složka impedance větší než rezistanční (odporová) složka a na rozložení proudů má podstatný vliv. Na reaktanční složku má vliv prostorové uspořádání každého jednotlivého kabelu. Jestliže je obvod složen tak, že například na jednu fázi připadají dva silné kabely stejné délky, konstrukce a průřezu, které jsou paralelně nepříznivě uspořádány (např. kabely jedné fáze jsou spleteny dohromady), mohou být proudy mezi vodiči rozděleny spíše v poměru 2,3 : 1 než 1 : 1.

Pokud rozdíl mezi impedancemi paralelních vodičů způsobí nerovnoměrné rozdělení proudů, kdy nerovnoměrnost je větší např. než 10 %, mohou být požadavky na proud, na nějž je vedení navrženo, a tím i na nadproudové jištění jednotlivých vodičů, posuzovány zcela individuálně.

Proudové zatížení, na které by měl být každý vodič navržen, je možno počítat z celkového zatížení a impedance každého vodiče.

Pro celkem n paralelních vodičů, je dovolené proudové zatížení IBk vodiče k dáno vztahem:

,

kde:
IB je proud, na nějž je obvod navržen,
IBk je proud, na nějž je navržen vodič k,
Zk je impedance vodiče k,
Z1, popř. Zn jsou impedance vodiče 1, popř. n.

Pokud se jedná o vodiče průřezů do 120 mm2 včetně, je návrhový proud IBk vodiče k roven:

,

kde:
S1Sn jsou průřezy vodičů 1 až n,
Sk je průřez vodiče k.

V případě jednožilových kabelů závisí impedance na vzájemné poloze kabelů a také na konstrukci kabelu. Např. na tom, zda se jedná o kabely s kovovým pláštěm nebo bez pláště. Způsoby výpočtu impedance jsou uvedeny v ČSN IEC 60287-1-3. Doporučuje se, aby rozdělení proudů mezi paralelními kabely bylo ověřeno měřením.

Příklad nepříznivého uspořádání jednožilových kabelů je znázorněn na níže uvedeném obr. 1. Na každou fázi připadají tři paralelní jednožilové nestíněné kabely průřezu 300 mm2. Na první fázi připadají odleva první tři kabely, na druhou fázi další tři kabely a jako poslední jsou napravo tři kabely pro třetí fázi. Mezi kabely je mezera rovná vnějšímu průměru kabelu, takže se počítá se vzdáleností mezi kabely (tj. mezi jednotlivými sousedícími žilami) asi 8 cm. (Na uložení všech kabelů v jedné vrstvě pak připadá šířka úložného prostoru asi 70 cm.) Z hlediska odvádění tepla a tím i možného vyššího zatížení kabelů může být uvedené uspořádání vhodné, ovšem, pokud se týká rozdělení proudů na jednotlivé paralelní kabely pro jednotlivé fáze, to vychází velice nerovnoměrné, jak je vidět z následujícího obr. 1.

 

Obr. 1 Rozdělení proudů v paralelních kabelech pro jednotlivé fáze

Z rozdělení vidíme, že u první a třetí fáze je poměr mezi proudy nejvíce a nejméně zatížené žíly 46,1 : 26,5 = 1,73, u druhé fáze je to 40,8 : 18,4 = 2,22. Pokud bychom tento zjištěný poměr chtěli promítnout do použitých jednofázových kabelů, volili bychom jejich zatížitelnosti v poměrech procent, jak jsou vyjádřeny na výše uvedeném obrázku. Méně ekonomická cesta by byla snížit celkové zatížení paralelních vodičů tak, aby ani ten nejzatíženější kabel nebyl přetížen. Nemohli bychom potom počítat zatížení jedné fáze jako součet zatížitelností jednotlivých jednožilových paralelních kabelů - v daném případě s trojnásobkem jmenovité zatížitelnosti jednožilového kabelu o průřezu 300 mm2, ale zatížení jednotlivých žil bychom vztáhli k zatížení nejzatíženějších dvou kabelů, tj. kabelu první a třetí fáze, kterými prochází proud o velikosti 46,1 % fázového proudu. Pokud je tedy dovolený proud jednoho jednožilového kabelu 300 mm2, např. 670 A, bude proud procházející dalšími dvěma vodiči první a třetí fáze:
- pro prostřední kabel fáze (670 A : 46,1) × 26,5 = 385 A a
- pro krajní kabel fáze (670 A : 46,1) × 27,4 = 398 A,
takže celkový dovolený proud nebude 3 × 670 A = 2 010 A, ale jen 670 + 385 + 398 = 1 453 A.

Obdobně i u druhé fáze musíme snížit zatížení, a to i u těch nejzatíženějších dvou kabelů (pokud uvažujeme souměrné zatížení):
- dva krajní kabely fáze jsou zatěžovány maximálně proudem (670 A : 46,1) × 40,8 = 593 A a
- prostřední kabel je zatěžován maximálně proudem (670 A : 46,1) × 18,4 = 267 A,
takže celkový dovolený proud bude i u druhé fáze jen 2 × 593 + 267 = 1 453 A. Vedení je pak možno zatěžovat pouze na 100 × (1 453 : 2 010) = 72 %.

Kdybychom vedení zatěžovali na plných 100 %, které by odpovídaly výše uvedenému jednoduchému výpočtu zatížení fází 3 × 670 A = 2 010 A, byly by nejzatíženější vodiče první a třetí fáze přetíženy o 38 % a tomu by odpovídala i při velmi mírném odhadu provozní teplota vedení kolem 110 °C, což by mohlo být přípustné při krátkodobém přetížení, nikoliv však pro trvalý provoz vedení.

Ekonomičtějším způsobem, než snížení celkového zatížení, by mohlo být i provedení zákrutu kabelů jednotlivých fází, obdobně jako se provádí zákrut (transpozice) fází u vedení vvn. V daném případě by se ovšem neprováděl zákrut fází, ale jednotlivých kabelů každé fáze – viz obr. 2. (Počet zákrutů by měl být pro tři paralelní kabely tři nebo číslo dělitelné třemi.)

Obr. 2 Zákrut tří paralelních jednožilových kabelů sloužících jako vedení jedné fáze

Další možností je volit paralelní vedení z několika tří, resp. čtyřžilových kabelů (počítáme-li ještě vodič PEN), které slouží jako samostatné třífázové vedení. V takovém případě se sice snižuje odvod tepla a tím i zatížitelnost (dovolené proudové zatížení) jednotlivých kabelů (dovolené zatížení jednoho třífázového kabelu 3 × 300 mm2 Cu by se snížilo přibližně na 470 A), do značné míry, díky zákrutu fází v kabelu, se však eliminují nepříznivé vlivy vzájemných indukčností mezi kabely.

Návrhový proud IBk se uplatňuje v základní rovnici pro jištění (uvedené v ČSN 33 2000-4-43) namísto IB takto:

IBk In Izk

a pak, jestliže se nadproudové jištění použije v každém vodiči (viz obr. 3), takže:

IBkInkIzk

nebo, jestliže je pro jištění všech paralelních vodičů použit jeden jisticí prvek, uplatní se přímo součet dovolených proudových zatížení všech vodičů (viz obr. 4), takže:

IBIn ≤ ΣIzk.

V uvedených nerovnostech je:
Ink jmenovitý proud ochranného přístroje pro vodič k,
Izk trvalé dovolené proudové zatížení vodiče k,
In jmenovitý proud ochranného přístroje pro celkový proud,
Izk součet trvalých dovolených proudových zatížení n paralelních vodičů.

Pokud se týká přípojnicového systému, je nejvhodnější obrátit se na výrobce.

 

Obr. 3 Obvod, v němž je nadproudová ochrana zajištěna pro každý z paralelních vodičů

 

Obr. 4 Obvod, v němž je jediná nadproudová ochrana použita pro všech n paralelních vodičů

Zkratová ochrana paralelních vodičů
Při paralelním spojení vodičů je třeba uvažovat s možností zkratu v každém paralelním kabelu.

Jestliže jsou paralelně spojeny dva vodiče, přičemž jeden jisticí přístroj nemusí být pro ochranu před zkratem dostatečný, měl by být zkratovým jisticím prvkem opatřen každý z obou vodičů.

Pokud jsou paralelně vedeny tři nebo více vodičů, pak může dojít k tomu, že zkratové proudy procházejí několika cestami. Potom může být účelné opatřit ochranou před zkratem oba konce (u zdroje i u zátěže) každého paralelního vodiče – viz obr. 5 a obr. 6.

Alternativou k šesti ochranným přístrojům by mohlo být použití spřaženého ochranného přístroje na straně zdroje (který při zkratu v jednom vodiči odpojí na straně zdroje všechny vodiče). Použití spřaženého ochranného přístroje má oproti použití šesti přístrojů následující dvě výhody.

Pokud použijeme šest přístrojů, jak je výše uvedeno, pak:
1. jestliže dojde ke zkratu v místě x, je tento zkrat odpojen vybavením přístrojů 3zd a 3zá, potom obvod bude dále sloužit k napájení, přičemž zatížení bude přenášeno vodiči 1 a 2, přitom porucha a následné přetížení vodičů 1 a 2 nemusí být zjištěny,
2. zkrat v bodě x může odeznít, aniž by došlo k vybavení přístroje 3zá, potom strana zátěže vodiče 3 zůstává živá, aniž by to bylo zjištěno.

Tato nebezpečí jsou právě použitím jednoho spřaženého přístroje na straně zdroje eliminována.

 

Obr. 5 Průtok proudu na začátku zkratu

Obr. 6 Průtok proudu po vybavení ochranného přístroje 3zd


Zpracoval: Ing. Michal Kříž
Vytvořeno: 8. 1. 2006
     
     
    Facebook
    Twitter Obchod IN-EL