Oteplení rozváděčů v důsledku tepelných ztrát

Ing. Michal Kříž, IN-EL, spol. s r. o.

1.Teplo uvolňované v rozváděči
2. Chlazení rozváděčů
3. Oteplení uvnitř rozváděčů vlivem tepelných ztrát
4. Příklad

Elektrické rozváděče jsou vlastně souborem spínacích přístrojů sdružených spolu s přidruženým řídicím, měřicím, signalizačním, ochranným, regulačním zařízením v pokud možno malém prostoru. Odtud jsou pak vyvedeny jednotlivé obvody z rozváděče spínané a jinak ovládané do objektu, prostoru nebo lokality s napájeným elektrickým zařízením (spotřebiči nebo s dalšími podružnými rozváděči). Aby vybavení rozváděčů bylo chráněno před nepříznivými vnějšími vlivy, tzn. například prachem, kapalinami a na druhé straně, aby obsluha a především i osoby nezúčastněné byly chráněny před nebezpečným dotykem živých částí v rozváděči, umísťují se obvykle přístroje a celkové vybavení rozváděče do krytu. To má však jednu velkou nevýhodu, čím je kryt uzavřenější, tím nesnadnější je odvod tepla z rozváděče.

1. Teplo uvolňované v rozváděči

Kde se to teplo v uzavřené rozváděči bere? Jednak je to z přístrojů umístěných v rozváděči a potom také ze spojů, kterými může protékat značný proud.

V současné době lze ztrátový výkon přístrojů zjistit poměrně jednoduše z katalogů výrobců přístrojů v rozváděči používaných. Pokud tyto údaje nejsou dostupné, je možné:

1. buď vypočítat ztrátový výkon z úbytků napětí naměřených při jmenovitém proudu,
2. nebo ztrátový výkon odhadnout podle ztrát podobných přístrojů.

V tab. 1 jsou uvedeny hodnoty odporů a ztrátových výkonů připadající na jisticí prvky.

Tab. 1 Odpory a ztrátové výkony připadající na jisticí prvky

Kromě ztrátových tepelných výkonů uvolňovaných v rozváděči z přístrojů se ztrátový tepelný výkon uvolňuje také ze spojů v rozváděči. Tento výkon lze jednoduše vypočítat z odporu vodičů a proudů, které těmito vodiči protékají. Přitom je nutno pamatovat na to, že rezistivita (dříve měrný odpor) se zvyšuje s teplotou vodiče. Předpokládá se přitom, že teplota izolovaných vodičů v rozváděči nepřekračuje 70 °C. Kromě toho se rezistivita vlivem skinefektu mění s průřezem, takže pro průřez 1,5 mm² Cu se uvažuje 21,9 mΩ .mm²/m, zatímco pro průřez 300 mm² Cu se tato rezistivita uvažuje 24,75 mΩ .mm²/m. Jednoduše se však počítá, že při teplotě 35 °C uvnitř rozváděče je zatěžovací proud vodiče 1,5 mm² (se šesti žilami ve svazku) 12 A a uvolňovaný tepelný výkon na 1 m jednoho vodiče je 2,1 W/m. Zatěžovací proud vodiče 300 mm² (tři vodiče ve svazku) při teplotě 35 °C uvnitř rozváděče je 400 A a uvolňovaný tepelný výkon na 1 m jednoho vodiče je 2,1 W/m. Uvažujeme-li teplotu uvnitř rozváděče zvýšenou na 55 °C, dovolený proud vodiče 1,5 mm² se snižuje na 8 A a uvolňovaný tepelný výkon na 0,9 W/m, dovolený proud vodiče 300 mm² se snižuje na 260 A a uvolňovaný tepelný výkon na 5,6 W/m.

2. Chlazení rozváděčů

Sečtením všech ztrátových výkonů v rozváděči získáme celkový tepelný výkon, který se v rozváděči uvolňuje. Aby nedošlo k nadměrnému oteplení, musí se tento výkon z rozváděče odvést, a to tak, aby nedošlo k přehřátí vnitřku rozváděče, tzn., aby uvnitř rozváděče nebyla překročena teplota, při které by již nebyla zaručena řádná funkčnost přístrojů nebo při níž by docházelo k rychlému narušování izolace vodičů nebo jejich spojů. Z tohoto hlediska je chlazení nejjednodušší u tzv. nekrytých neboli otevřených rozváděčů. U těch je chlazení zprostředkováno přímo okolním prostředím, okolním vzduchem. U krytých rozváděčů je otázka chlazení obtížnější. Přístroje i spoje v rozváděči se ochlazují vzduchem v rozváděči a ten předává své teplo stěnám rozváděče, které se ochlazují vzduchem cirkulujícím kolem rozváděče, jak je to znázorněno na obr. 1.

Obr. 1 Chlazení vnitřního vybavení (přístrojů) v rozváděči vzduchem kolujícím uvnitř rozváděče a chlazení krytu rozváděče vnějším vzduchem

Ztrátový výkon P přístrojů a spojů v rozváděči se předává vzduchu v rozváděči, ten předává tento výkon prakticky celý (odhlédneme-li od nepatrné části tohoto výkonu, který je vyzařovaný) stěnám a vrchnímu krytu rozváděče a tento kryt zase předává tento výkon P vnějšímu vzduchu. Logicky můžeme usoudit, že tento výkon je úměrný oteplení vzduchu Δ t uvnitř krytu rozváděče oproti teplotě vně rozváděče. Dále platí, že čím větší je povrch A rozváděče, který se podílí na přenosu tepla ven z rozváděče, tím větší výkon P se ven z rozváděče přenáší. V prvním přiblížení můžeme tedy psát:

P ~  Δt × A.

Norma IEC 890 (zavedená v ČR jako ČSN IEC 890 +A1 Metoda stanovení oteplení extrapolací pro částečně typově zkoušené rozváděče pro spínací a řídicí zařízení nízkého napětí), která stanoví podrobnou metodu výpočtu oteplení v rozváděčích, fakticky tuto úměru dále upřesňuje. Prostudujeme-li tuto normu podrobněji, zjistíme, že výkon P přenášený povrchem rozváděče je úměrný oteplení Δt uvnitř krytu umocněnému na 1,243 pro zcela uzavřené kryty a na 1,4 pro kryty s větracími otvory. Kromě toho tento výkon není zcela přímo úměrný celému povrchu A krytu rozváděče, ale je úměrný 1 až 1,5násobku tzv. účinného chladicího povrchu A_e u rozváděčů větších objemů (u účinných povrchů nad 1,25 m³) a 1,3 až 3násobku účinného chladicího povrchu A_e u rozváděčů menších objemů (u účinných povrchů menších 1,25 m³). Přitom platí, že čím větší povrch, tím více se blíží odváděné teplo (tepelný výkon P) přímé úměře účinného chladicího povrchu A_e krytů. Tzv. účinný chladicí povrch A_e zohledňuje, jakým způsobem se na chlazení podílejí stěny a horní část krytu (dno rozváděče se do účinného povrchu vůbec nezapočítává, shora přístupná část krytu se započítává 1,4násobkem své plochy). Takže pro tepelný výkon odváděný z rozváděče můžeme u rozváděčů s kryty uzavřenými ze všech stran psát:

- pro rozváděče s účinným chladicím povrchem větším než 1,25 m²:

P =  Δt^1,243 × (1,0 až 1,3) A_e,

- pro rozváděče s účinným chladicím povrchem menším než 1,25 m²:

P =  Δt^1,243 × (1,3 až 3,0) A_e.

3. Oteplení uvnitř rozváděčů vlivem tepelných ztrát

To, co chceme vypočítat, však není výkon P, který způsobuje oteplení Δt uvnitř krytu rozváděče, ale oteplení Δt způsobované tepelnými ztrátami přístrojů a vodičů v rozváděči. Z výše uvedených vzorečků je možno odvodit, že:

Δt_0,5 = P^0,804/f(A_e),

což je prakticky vzoreček na výpočet oteplení ve střední části (v polovině výšky) rozváděče. Uvedený vzoreček není v normě udán takto jednoduchým způsobem. Je udán pomocí řady součinitelů vyjádřených jednak tabulkami a jednak grafickými závislostmi na obrázcích. Těmi jsou vyjádřeny také součinitelé, které se uplatňují při výpočtu oteplení rozváděčů, jejichž chlazení je vedle přenosu tepla chlazením krytu zajišťováno také ventilačními otvory. Tabulky udávají součinitele ztížení poměrů při chlazení, pokud jsou v rozváděči uplatněny vodorovné přepážky.

Z oteplení v polovině výšky rozváděče Δ t_0,5 se odvozuje oteplení v nejvyšší části rozváděče Δt_1,0. Je to násobek c × Δt_0,5, přičemž součinitel c se pohybuje v mezích od 1,1 do 2,2 v závislosti na poměru výšky rozváděče k jeho základně, i na tom, které stěny rozváděče jsou vystaveny proudění vzduchu a které jsou přistaveny ke zdi.

Několik příkladů, jak se oteplení v rozváděči počítá, je popsáno v  přílohách samotné normy. Na tomto místě si jenom uvedeme, jak je to s oteplením velmi malých rozvodnic s několika přístroji.

4. Příklad

Vezměme si malou rozvodnici, jejíž výška se rovná šířce 20,5 cm o hloubce 10 cm zasazenou do zdi. Účinný povrch této rozvodnice (spočítaný podle normy) je 0,08 m² (nejmenší povrch, s kterým norma ještě počítá). V této rozvodnici  je instalováno 6 jističů 16 A. Z výše uvedené tab. 1 zjistíme, že ztrátový výkon těchto jističů dohromady je 6 × 2 W = 12 W. Připočítáme-li ještě ztráty ve vedeních ve svorkách a ve spojích 2,5 W, je celkový ztrátový výkon P = 14,5 W. Oteplení uvnitř krytu v polovině výšky je

Δt_0,5 = P^0,804/f(A_e) = 14,5^0,804/(3× 0,08) ≈  4 × 14,5^0,804 = 34,3 °C

a oteplení u horní části krytu (s využitím součinitele c odečteného z normy) je

Δt_1,0 = c× Δ t_0,5 = 1,18 ×  34,3 °C = 40,5 °C.

Z uvedeného je vidět, že i u malých rozvodnic může existovat nebezpečí z jejich přílišného zahřátí. To může mít za následek nejen nadměrné ohřívání izolací, a tím i jejich stárnutí, ale důsledkem může být i častější vypínání jističů v důsledku jejich zvýšené teploty.