Επιλογή και διαστασιολόγηση καλωδίων χαμηλής τάσης

Η διαδικασία της σωστής επιλογής και διαστασιολόγησης των καλωδίων χαμηλής τάσης είναι ιδιαίτερα κρίσιμη και πρέπει να ακολουθεί τις απαιτήσεις συγκεκριμένων προτύπων, με στόχο την ασφάλεια και αξιοπιστία σε κάθε ηλεκτρική εγκατάσταση.

Άρθρο του κ. Χαράλαμπου Κουτρούλη*

Στο κείμενο που ακολουθεί γίνεται αναφορά στις βασικές απαιτήσεις των Προτύπων ΕΛΟΤ HD 384 & ΕΛΟΤ 60364, όσον αφορά την επιλογή και τη διαστασιολόγηση των ηλεκτρικών καλωδίων. Δεν περιλαμβάνονται τα εύκαμπτα καλώδια τροφοδότησης των ηλεκτρικών συσκευών που συνδέονται αναπόσπαστα με αυτές. Αυτά πρέπει να ακολουθούν τις απαιτήσεις των προτύπων των συσκευών στις οποίες είναι ενσωματωμένα. Η επιλογή και η σωστή διαστασιολόγηση των καλωδίων είναι κρίσιμες για την ασφαλή και αποτελεσματική λειτουργία της ηλεκτρικής εγκατάστασης.

Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε τους παράγοντες που επηρεάζουν την επιλογή και τη διαστασιολόγηση των καλωδίων χαμηλής τάσης, τα οποία πρέπει να συμμορφώνονται με σχετικά πρότυπα και κανονισμούς ασφαλείας, και κυρίως με τα Πρότυπα ΕΛΟΤ HD 384 και ΕΛΟΤ 60364, για να διασφαλίζεται η ασφαλής λειτουργία της ηλεκτρικής εγκατάστασης. Η συμμόρφωση με αυτά τα πρότυπα διασφαλίζει ότι τα καλώδια πληρούν τις απαιτήσεις ηλεκτρικών και μηχανικών χαρακτηριστικών και πυρασφάλειας.

Παράγοντες που επηρεάζουν το σχεδιασμό και την επιλογή των καλωδίων είναι:

1. Η ικανότητα συνεχούς φόρτισης

Η ικανότητα μεταφοράς ρεύματος ενός καλωδίου είναι κρίσιμος παράγοντας για το σχεδιασμό και την επιλογή του. Αφορά το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να μεταφέρει ένα καλώδιο με ασφάλεια χωρίς να υπερβαίνει την ονομαστική θερμοκρασία του, ώστε να διατηρήσει τις μονωτικές του ιδιότητες για το χρονικό διάστημα που έχει προδιαγραφεί. Είναι σημαντικό να ληφθεί υπόψη το αναμενόμενο φορτίο για να προσδιοριστεί το κατάλληλο μέγεθος καλωδίου και το κατάλληλο υλικό αγωγού.

Η ικανότητα συνεχούς φόρτισης ενός καλωδίου χαμηλής τάσης εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως είναι το μέγεθος (διατομή) του αγωγού, το υλικό, η μόνωση, η μέθοδος εγκατάστασης και η θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η ικανότητας φόρτισης προσδιορίζεται χρησιμοποιώντας πρότυπα και κατάλληλους υπολογισμούς, και στις πολύπλοκες ηλεκτρικές εγκαταστάσεις γίνεται με κατάλληλα εργαλεία λογισμικού.

2. Η ονομαστική τάση

Τα καλώδια χαμηλής τάσης έχουν συνήθως ονομαστικές τιμές τάσης έως 1000V. Η ονομαστική τάση καθορίζει το πάχος της μόνωσης που απαιτείται για να αντέξει τη διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ των αγωγών.  Είναι σημαντικό να επιλέγονται καλώδια με ονομαστική τάση που ανταποκρίνεται ή υπερβαίνει την τάση του ηλεκτρικού συστήματος, για να διασφαλιστεί η ηλεκτρική ασφάλεια και η απόδοση.

3. Το μέγεθος του αγωγού και το υλικό

Το μέγεθος (διατομή) του αγωγού και το υλικό επηρεάζουν την ικανότητα μεταφοράς ρεύματος και τα χαρακτηριστικά πτώσης τάσης του καλωδίου. Οι μεγαλύτερες διατομές αγωγών επιτρέπουν μεγαλύτερη ικανότητα φόρτισης των καλωδίων και χαμηλότερη πτώση τάσης. Ο χαλκός και το αλουμίνιο είναι τα πιο κοινά υλικά αγωγών για καλώδια χαμηλής τάσης. Ο χαλκός προσφέρει υψηλότερη αγωγιμότητα, ενώ το αλουμίνιο είναι ελαφρύτερο και οικονομικότερο. Η επιλογή του υλικού αγωγού εξαρτάται από παράγοντες όπως είναι το κόστος, το βάρος, οι απαιτήσεις αγωγιμότητας και οι συγκεκριμένες ανάγκες εφαρμογής. Ειδικότερα, όσον αφορά το υλικό των αγωγών:

• Οι χάλκινοι αγωγοί χρησιμοποιούνται ευρέως λόγω της εξαιρετικής αγωγιμότητας, της χαμηλής αντίστασης και της υψηλής αντοχής εφελκυσμού τους. Είναι κατάλληλοι για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών και προσφέρουν καλή αντοχή στη διάβρωση.
• Οι αγωγοί αλουμινίου είναι ελαφρύτεροι και πιο οικονομικοί από τους χάλκινους αγωγούς, καθιστώντας τους μια προτιμώμενη επιλογή για μετάδοση ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις. Ωστόσο, έχουν υψηλότερη αντίσταση και μπορεί να απαιτούν μεγαλύτερες διατομές για να επιτευχθεί η ίδια ικανότητα μεταφοράς ρεύματος με αυτήν του χαλκού.

4. Το υλικό μόνωσης

Το μονωτικό υλικό ενός καλωδίου χρησιμεύει για την παροχή ηλεκτρικής μόνωσης και την προστασία των αγωγών από εξωτερικούς παράγοντες όπως είναι η υγρασία, οι χημικές ουσίες και η μηχανική καταπόνηση. Τα κοινά μονωτικά υλικά για καλώδια χαμηλής τάσης περιλαμβάνουν το πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC), το πολυαιθυλένιο με διασταυρούμενη σύνδεση (XLPE) και το καουτσούκ αιθυλενίου – προπυλενίου (EPR). Η επιλογή του μονωτικού υλικού εξαρτάται από παράγοντες όπως είναι η θερμοκρασία λειτουργίας, η ευκαμψία, η αντοχή στη φλόγα και οι περιβαλλοντικές συνθήκες.

Τα καλώδια χαμηλής τάσης διατίθενται σε διάφορους τύπους μόνωσης, καθένας από τους οποίους έχει σχεδιαστεί για συγκεκριμένες εφαρμογές. Οι πιο συνηθισμένοι τύποι καλωδίων, για τους οποίους γίνεται αναφορά στα Πρότυπα ΕΛΟΤ HD 384 και 60364, είναι:

• Τα καλώδια από χλωριούχο πολυβινύλιο (PVC), τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως για εφαρμογές χαμηλής τάσης λόγω της οικονομικότητας και την ευκολία εγκατάστασής τους. Είναι κατάλληλα για εσωτερικές και εξωτερικές εγκαταστάσεις όπου απαιτείται μέτρια μηχανική προστασία (εφαρμογές γενικής χρήσης).
• Τα καλώδια διασταυρωμένου πολυαιθυλενίου (XLPE), τα οποία προσφέρουν ανώτερη θερμική αντοχή, εξαιρετικές ηλεκτρικές ιδιότητες και βελτιωμένη αντοχή στην υγρασία, στη θερμότητα και στις χημικές ουσίες. Χρησιμοποιούνται συνήθως σε εγκαταστάσεις μέσης και υψηλής τάσης, αλλά συχνά προτιμώνται στις εγκαταστάσεις χαμηλής τάσης για πιο απαιτητικές εφαρμογές, όπως είναι υπόγειες εγκαταστάσεις, βιομηχανικές εγκαταστάσεις και περιοχές με υψηλότερες θερμοκρασίες περιβάλλοντος.
• Τα καλώδια από καουτσούκ, τα οποία είναι γνωστά για την εξαιρετική ευκαμψία και την αντοχή τους στην τριβή, στα χημικά και στα λάδια. Χρησιμοποιούνται συνήθως σε σκληρά (διαβρωτικά) περιβάλλοντα, συμπεριλαμβανομένων των εργοταξίων και των εργασιών εξόρυξης.

5. Οι περιβαλλοντικές συνθήκες

Οι περιβαλλοντικές συνθήκες στις οποίες θα εγκατασταθούν τα καλώδια θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά τη διαδικασία σχεδιασμού και επιλογής. Παράγοντες όπως η θερμοκρασία, η υγρασία, η έκθεση στο ηλιακό φως και η παρουσία διαβρωτικών ουσιών μπορούν να επηρεάσουν την απόδοση και τη διάρκεια ζωής του καλωδίου. Τα καλώδια που έχουν σχεδιαστεί για υπαίθρια ή διαβρωτικά περιβάλλοντα ενδέχεται να απαιτούν πρόσθετη προστασία, όπως κατάλληλους μανδύες ή επιστρώσεις ανθεκτικές στην υπεριώδη ακτινοβολία.

6. Η συμπεριφορά στην πυρκαγιά

Σε ορισμένες εφαρμογές, η συμπεριφορά στην πυρκαγιά είναι κρίσιμης σημασίας. Καλώδια με βελτιωμένη συμπεριφορά στην πυρκαγιά, όπως το LSZH (Low Smoke Zero Alogen) ή πυράντοχα, χρησιμοποιούνται σε εγκαταστάσεις όπου η πυρασφάλεια αποτελεί προτεραιότητα. Αυτά τα καλώδια εκπέμπουν ελάχιστο καπνό και τοξικά αέρια όταν εκτίθενται στη φωτιά, μειώνοντας τους κινδύνους για ανθρώπινες ζωές και περιουσίες.

7. Οι συνθήκες εγκατάστασης

Κατά την επιλογή του καλωδίου πρέπει να ληφθούν υπόψη παράγοντες όπως ο τρόπος/φορέας εγκατάστασης των καλωδίων, η ακτίνα κάμψης, οι περιορισμοί εγκατάστασης και η συμβατότητα με τις μεθόδους τερματισμού. Είναι σημαντικό να διασφαλιστεί ότι τα επιλεγμένα καλώδια μπορούν να εγκατασταθούν εύκολα και με ασφάλεια εντός του δεδομένου χώρου και απαιτήσεων. Οι περιβαλλοντικοί παράγοντες πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά την επιλογή καλωδίων χαμηλής τάσης για να διασφαλιστεί η μακροπρόθεσμη απόδοση και αξιοπιστία. Μερικοί σημαντικοί παράγοντες είναι:

• Η θερμοκρασία: Τα καλώδια που εκτίθενται σε υψηλές θερμοκρασίες ενδέχεται να απαιτούν μόνωση με βελτιωμένες θερμικές ιδιότητες, όπως το πολυαιθυλένιο με διασταυρούμενη σύνδεση (XLPE), για να αποφευχθεί η υποβάθμιση της μόνωσης και η πρόωρη αστοχία.
• Η υγρασία και η χημική αντοχή: Τα καλώδια που είναι εγκατεστημένα σε υγρά ή χημικά διαβρωτικά περιβάλλοντα θα πρέπει να έχουν κατάλληλη μόνωση και ανθεκτικά υλικά εξωτερικού περιβλήματος, για να αντιστέκονται στην υγρασία και στη χημική διάβρωση.
• Η μηχανική προστασία: Τα καλώδια που είναι εγκατεστημένα σε περιοχές επιρρεπείς σε μηχανικές βλάβες ή κρούσεις θα πρέπει να διαθέτουν επαρκή μηχανική προστασία, όπως κατάλληλους μανδύες / θώρακες, για να διασφαλίζεται η ακεραιότητά τους.

Διαδικασία επιλογής

Η διαδικασία επιλογής για καλώδια χαμηλής τάσης περιλαμβάνει 7 στάδια, που είναι τα παρακάτω:

1. Προσδιορισμός των απαιτήσεων εφαρμογής: Αφορά την κατανόηση των ειδικών αναγκών του ηλεκτρικού συστήματος, συμπεριλαμβανομένων της τάσης, του ρεύματος, των περιβαλλοντικών συνθηκών και των μηχανικών παραμέτρων.
2. Επιλογή κατάλληλου τύπου καλωδίου: Με βάση τις απαιτήσεις εφαρμογής, επιλέγεται ο καταλληλότερος τύπος καλωδίου, όπως καλώδια PVC, XLPE ή καουτσούκ.
3. Επιλογή υλικού του αγωγού: Λαμβάνεται υπόψη η αγωγιμότητα, η αντίσταση, η μηχανική αντοχή και οι παράγοντες κόστους, προκειμένου να γίνει η επιλογή μεταξύ αγωγών χαλκού και αλουμινίου.
4. Αξιολόγηση των μονωτικών υλικών: Αξιολογούνται οι ιδιότητες μόνωσης που απαιτούνται για την εφαρμογή, όπως PVC ή XLPE, με βάση παράγοντες όπως είναι η θερμοκρασία λειτουργίας, οι ηλεκτρικές ιδιότητες και οι περιβαλλοντικές συνθήκες.
5. Προσδιορισμός ονομαστικής τάσης: Επιλέγεται η κατάλληλη ονομαστική τάση με βάση την τάση του ηλεκτρικού συστήματος και τις πιθανές συνθήκες υπέρτασης.
6. Υπολογισμός μεγέθους (διατομής) καλωδίου: Αφού γίνει ο υπολογισμός φορτίου, προσδιορίζεται το απαιτούμενο μέγεθος (διατομή) αγωγού με βάση το αναμενόμενο μέγεθος ρεύματος, τη μέθοδο εγκατάστασης, την πτώση τάσης και τη θερμοκρασία περιβάλλοντος.
7. Ανάλυση κόστους-οφέλους: Σε σημαντικού μεγέθους ηλεκτρικές εγκαταστάσεις είναι απαραίτητη η διεξαγωγή μιας ενδελεχούς ανάλυσης κόστους – οφέλους. Για παράδειγμα, η αύξηση της διατομής των αγωγών των καλωδίων προκαλεί μείωση της πτώσης τάσης και κατά συνέπεια εξοικονόμηση ενέργειας, λόγω μικρότερων απωλειών στις καλωδιώσεις. Από την άλλη πλευρά, οι αυξημένες διατομές αγωγών συνεπάγονται αυξημένα κόστη προμήθειας και εγκατάστασης των καλωδίων.

Ειδικότερα, για την επιλογή της διατομής του καλωδίου ακολουθούνται τα παρακάτω βήματα:

1. Υπολογίζεται το ρεύμα μόνιμης κατάστασης που φορτίζει το καλώδιο. Στη συνέχεια, από τους πίνακες 52-Δ1, 52-Δ2 και 52-Δ3 του Προτύπου, επιλέγονται οι συντελεστές διόρθωσης του μέγιστου ρεύματος λόγω θερμοκρασίας περιβάλλοντος. Επίσης, από τους πίνακες 52-Ε1 έως 52-Ε4 επιλέγονται οι συντελεστές διόρθωσης λόγω ομαδοποίησης και τρόπου εγκατάστασης. Από τους πίνακες Μέγιστης Επιτρεπόμενης Φόρτισης 52-Κ1, 52-Κ2 και 52-Κ3 του Προτύπου επιλέγεται η διατομή Δ1 των αγωγών που αντιστοιχεί στο διορθωμένο μέγιστο ρεύμα που υπολογίστηκε.
2. Σε τριφασικά καλώδια που μεταφέρουν ρεύμα με σημαντικό ποσοστό αρμονικών (πάνω από 15%) επιλέγεται η διατομή Δ2 του καλωδίου, σύμφωνα με τις απαιτήσεις του Παραρτήματος 52.Ε του Προτύπου ΕΛΟΤ 60364.
3. Υπολογίζεται το μέγιστο ρεύμα στερεού βραχυκυκλώματος στο απώτατο άκρο της καλωδιακής γραμμής. Ο υπολογισμός αφορά όλες τις περιπτώσεις ζεύγους αγωγών, σε μονοφασικά ή τριφασικά συστήματα: φάση – φάση, φάση – ουδέτερο, φάση – αγωγό προστασίας. Ο έλεγχος αφορά τη συμμόρφωση με τον κανόνα 434.3.2 του Προτύπου (μέγιστη οριακή θερμοκρασία αγωγών κατά το βραχυκύκλωμα), σε κάθε περίπτωση κυκλώματος (παροχικού ή τερματικού) και επιλέγεται η κατάλληλη διατομή Δ3.
4. Από τις προηγούμενες διατομές επιλέγεται η μεγαλύτερη Δα = max {Δ1, Δ2, Δ3} και ελέγχεται η πτώση τάσης. Εάν ο έλεγχος της πτώσης τάσης είναι ανεπαρκής, επιλέγεται η κατάλληλη μεγαλύτερη διατομή Δβ. Στον υπολογισμό της πτώσης τάσης λαμβάνεται υπόψη ο συντελεστής ισχύος του φορτίου και η σύνθετη αντίσταση της γραμμής (ωμική και επαγωγική συνιστώσα). Χωρίς μεγάλο σφάλμα, η επαγωγική αντίδραση της γραμμής μπορεί να παραληφθεί για διατομές μικρότερες ή ίσες από 30mm2. Ο συντελεστής ισχύος, όταν δεν υπάρχουν στοιχεία, μπορεί να ληφθεί ίσος με 0,8.
5. Υπολογίζεται το ελάχιστο ρεύμα στερεού βραχυκυκλώματος μεταξύ φάσης και αγωγού προστασίας στο απώτατο άκρο της γραμμής. Ο υπολογισμός αφορά τον έλεγχο προστασίας έναντι έμμεσης επαφής (έλεγχος χρόνου απόζευξης σε σφάλμα), σύμφωνα με το Τμήμα 413 του Προτύπου. Αν ο έλεγχος δεν είναι ικανοποιητικός, επιλέγεται μεγαλύτερη διατομή Δγ που να ικανοποιεί το κριτήριο. Στον υπολογισμό του ελάχιστου ρεύματος βραχυκυκλώματος θεωρείται ότι η γραμμή έχει τη μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας, και για το λόγο αυτό λαμβάνεται υπόψη αυξημένη η ωμική αντίσταση των αγωγών.

Από τα παραπάνω είναι φανερό ότι ο σχεδιασμός και η επιλογή των καλωδίων χαμηλής τάσης απαιτεί μια συστηματική προσέγγιση, που να λαμβάνει υπόψη διάφορους παράγοντες όπως είναι ο τύπος του καλωδίου, το υλικό του αγωγού, η μόνωση, η ονομαστική τάση, το ρεύμα φορτίου, οι περιβαλλοντικές συνθήκες και τα πρότυπα ασφαλείας.

Ακολουθώντας μια ενδελεχή διαδικασία επιλογής, οι ηλεκτρολόγοι μπορούν να διασφαλίσουν ότι τα επιλεγμένα καλώδια πληρούν τις συγκεκριμένες απαιτήσεις του ηλεκτρικού συστήματος, παρέχοντας ασφάλεια, αξιοπιστία και οικονομικότητα.

*Ο κ. Χαράλαμπος Γ. Κουτρούλης είναι διπλωματούχος ηλεκτρολόγος μηχανικός, MSc, διευθυντής Τεχνικών Υπηρεσιών του Ελληνικού Μεσογειακού Πανεπιστημίου (ilektroskopio@koutroulis.gr).