Szigetelt vezetékek keresztmetszet-csökkenésének problémái

2016. április 4. | Horváth Zoltán |  82 250 |

Az alábbi tartalom archív, 8 éve frissült utoljára. A cikkben szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

A villamos vezetékek feladata többféle: egyszerű jelátvitel az automatikai áramköröknél, vezérlési és szabályozási funkciók, valamint energia átvitele. Ez utóbbiaknál a fogyasztók teljesítményéhez méretezett vezetékeket kell használni. Mindkét fajta vezetéknél a gyakorlatban a hajlékony, rézerekből álló szigetelt vezetékek különböző típusai terjedtek el a kapcsolószekrénynél.

Általában a 230 V AC vezérlőfeszültségnél, illetve a törpefeszültségű gyengeáramú körökben a H05V-K (300/500 V), míg az erősáramúaknál a H07V-K (450/750 V) típusjelű, a köznapi nyelvben MKh-nak nevezett egyszeresen szigetelt vezetékeket használjuk.

Nagyon fontos, hogy a beépített vezetékek melegedését bizonyos korlátok között tartsuk. A normál környezeti hőmérséklethez képest mindig van melegedés, hiszen a vezetőkben áram folyik. Azonban akkor is van melegedés, ha a vezetékkötés nem megfelelő, ilyenkor az átmeneti ellenállás megnövekedése miatt nemkívánt mértékben növekszik meg kapcsolószekrényen belül levő vezetékek és a villamos készülékek hőmérséklete. A helyzet tovább bonyolódik amiatt, hogy a perforált műanyag csatornában több különféle áramot vivő vezeték fut párhuzamosan. Ezek természetesen egymást is melegíteni fogják. A PVC szigetelésű vezetékek megengedett maximális üzemi hőmérséklete +70 °C lehet. A kapcsolószekrény-gyártóknak jelenleg az MSZ EN 61439 szabványsorozat előírásai szerint kell a terméket elkészíteni és annak megfelelőségét bizonyítani. Új elemként jelent meg e szabványban a melegedés vizsgálata, ami a tervező számára egy előzetes, számítással történő méretezést, a gyártónak pedig ennek ellenőrzését írja elő.

Minden ilyen számítás azon alapul, hogy a vezető keresztmetszete a névleges értékű. De mi a helyzet akkor, ha ez a valóságban kisebb? A műszaki gyakorlatban az eltérést „tűrés” értékekkel adhatjuk meg, ami pl. egy +/– előjelű %-os adat lehet. Ha a villanyszerelő egy 1,5 mm² keresztmetszetű vezetéket használ, akkor ez vajon mennyire térhet el, hogy számára ne okozzon problémát? Gondolhatnánk, hogy akkor még „jó”, ha az pl. 1,5 mm² +2/–5% értékű, de legalábbis negatív irányban az eltérés ne haladja meg az 5%-ot. Ezt az értéket most a példa kedvéért, önkényesen határoztam meg a magam műszaki logikája alapján, ugyanis a villamos szabványokban jelenleg ilyen követelményt a szabványalkotók nem fogalmaztak meg a gyártók számára.

Miután a sodrott vezetékek keresztmetszete kör alakú, annak értéke a d²π/4 képlettel számítható. A kisebb keresztmetszet kisebb átmérőt is jelent, ami a kötőelemeink egyik legfontosabb jellemzője. A sodrott vezetékeknél célszerűen érvéghüvelyeket, sarukat használunk a kötéseknél. Vannak rugós típusú vezetékkapcsok is, ahol nem szükséges érvéghüvelyt használni, azonban a kötések túlnyomó többségénél alkalmazni kell az említett elemek valamelyikét. Mi a helyzet akkor, ha a kötőelemgyártók továbbra is a névleges keresztmetszetet alapul véve gyártják az érvéghüvelyeket, sarukat, a vezetéket készítő kábelgyárak viszont a rájuk vonatkozó termékszabványt betartva Ohm/km ellenállásérték szerint vizsgálják a termékük megfelelőségét?

Probléma a gyakorlatban

Most forduljunk egy kicsit a gyakorlat irányába! Jómagam az elmúlt években azt tapasztaltam, hogy ezek a „fránya” érvéghüvelyek és saruk lötyögnek a hozzájuk tartozó lecsupaszított vezetékeken, a préselést célszerszámmal elvégezve pedig nem minden kötés lett elfogadhatóan szoros. Ez ismételt kötés elkészítését jelentette, gyakran új érvéghüvely felhasználásával. A dolog addig fajult, hogy már eggyel kisebb kötőelemet használtunk, mint ami a névleges keresztmetszet szerint a vezetékre illett volna. Pl. a 2,5 mm²-es vezetékre a 1,5 mm²-es érvéghüvely szépen felcsúsztatható volt, és a kötés így már kellően szorossá vált. Ez a módszer széles vezetékkeresztmetszet-tartományra igaznak bizonyult a gyakorlatomban: 0,75-től 95 mm²-ig magam is kipróbáltam.

Továbbá egy másik probléma is felütötte a fejét: a vezetékek PVC szigetelését eltávolító fogó gyakran nem vágta azt át a kívánt mélységig, mert a szigetelés vastagsága mintha megnövekedett volna a korábbiakhoz képest.

Ezt követően tavaly nyáron kezdtem meg a keresztmetszetek módszeres vizsgálatát a fenti tartományban. Kissé fáradságos és nagy figyelmet igénylő a munka, de bárki maga is elvégezheti. A szigetelést csupaszító szerszámmal, néhány cm hosszon eltávolítjuk a vezetékről és levágjuk. Ezután gondosan megszámoljuk az elemi szálakat, és az átmérőjüket egy elég pontos mérőeszközzel megmérjük. Én erre egy digitális tolómérőt használtam. A fenti képlettel meghatároztam az elemi szál keresztmetszetét, majd a darabszámmal szorozva megkaptam a teljes vezető-keresztmetszetet. Természetesen több mérés átlagát vettem, hiszen „egy mérés nem mérés”! A fent említett tartományban végzett keresztmetszet-vizsgálat eredménye még engem is meglepett, annak ellenére, hogy a korábbi tapasztalataim már előre utaltak a problémára. A keresztmetszetértékek rendre kisebbek voltak a névleges értéknél, mégpedig 10%-nál is nagyobb mértékben!

Ezután, 2015. októberben megbíztam egy tőlem független vizsgáló laboratóriumot azzal a feladattal, hogy a vezetékekre vonatkozó további szabványkövetelményeket is ellenőrizze, és minősítse azok teljesülését. A későbbiekben a 16 oldalas vizsgálati jegyzőkönyvből is fogok idézni.

Most időben ugorjunk kissé előre, mert a méréseket ebben az évben megismételtem, sőt ki is egészítettem. Az elemiszál-átmérőket egy még pontosabb eszközzel mértem: 0-25 mm mérési tartományú mikrométert használtam a digitális tolómérő helyett, a mérés idejére a mikrométer egy gépsatuba volt rögzítve.

1. kép: Elemi szál átmérőjének mérése mikrométerrel.

A nyilvánvalóan más beszerzésű, de a hazai kereskedelemben kapható vezetékeknél a kapott keresztmetszeti eredmények 0,75–16 mm² tartományban már –5% vagy annál kisebb értékkel közelítették meg a névleges értéket! Levonhatnánk a gyors következtetést: a tavalyi méréseim pontatlanabbak voltak, mérési hibákat követtem el. Azonban a kötőelemek nagyobb átmérője a vezetékhez képest elég meggyőző ahhoz, hogy bizonyítsa: a tavalyi minták valóban lényegesen eltértek a gyakorlatban megkívánható és szükséges mértéktől. Az 2. és 3. képen a 35, 25 és 16 mm²-es vezetékek és a hozzájuk tartozó névleges keresztmetszetű saruk láthatók préselés előtt és után. A préselést karos sarupréssel készítettük, normális esetben a szerszám szabályos sokszög alakú nyomatot készít. Itt azonban az látható, hogy a két nagyobb méretnél az összepréselt saru a vezetékkel egészen torz nyomatúvá sikerült.

2. kép: 16, 25, és 35 mm²-es saru és a hozzátartozó névleges(?) keresztmetszetű vezetékek préselés előtti állapotban.

3. kép: És ugyanazok préselés után.

A következő vizsgálati mintáimat egy általunk 5-6 évvel korábban készített villamos szekrényből vettem. Ezen vezetékek keresztmetszetei már jobban közelítették a névleges értékeket, de az eltérések itt is negatív irányúak voltak: jellemzően 10% vagy annál kisebb eltéréseket mértem. Továbblépve egy Franciaországban 7-8 éve gyártott automatika és erőátviteli szekrény vezetékeit vizsgáltam meg. Itt a keresztmetszetek már közelebb estek a névleges értékhez. 0,75 mm²-nél pl. „csak” 4%-kal volt kisebb az eltérés, de a vastagabbaknál (25 mm²-ig vizsgáltam) már helyenként meghaladta a 10%-ot is.

A jószerencse is kedvezhetett nekem, mert egy gépész kollégától kaptam az utolsó vizsgálati mintámat. Ez egy régi, földeletlen dugvilla, amelyen kb. 15 cm hosszúságú, „kettős szigetelésű” kéteres vezeték van bekötve. A bakelit öntésű dugvillán ma is jól olvasható az ELER márkanevű gyártói felirat. A külső szigetelés a kor technikai lehetőségei szerint textil bevonatú, amely alatt a két vezeték műanyagszigeteléssel van ellátva. Az elemi szálak ezekben nagyobb átmérőjűek, és a darabszámuk is kevesebb. Az előző mérési módszerrel vizsgálva a keresztmetszet mindkét érre 1,5 mm² névleges értékre utalt. Azonban az elemi szálakat mikrométerrel megmérve meglepő eredményt tapasztaltam: a vezetékek valós keresztmetszete 1,62 mm² volt. A bakelit öntvényen van még további adat is: 6/250, ami nyilvánvalóan a névleges áram és a feszültség mérőszáma.

Gondoljunk csak bele: a mai háztartási készülékeinken ilyen 1,5 mm² keresztmetszetű vezeték dugvilláján nem 6, hanem legalább 10 vagy akár 16 A terhelhetőséget látunk. Vajon a metallográfia technikai fejlődése az egyetlen magyarázat arra, hogy ma kétszer annyi áramot vezethetünk a rézvezetéken, mint elődeink tették 50-60 évvel korábban? A réz tisztasága javult annyira, hogy a vezetőképessége lehetővé teszi a jóval nagyobb terhelhetőséget? Nem inkább arról van szó, hogy a biztonság akkor még fontosabb érték volt, mint a gazdaságosság és a profit?

Szakértői vizsgálat

Térjünk át a tőlem független szakértői vélemény számunkra fontosabb megállapításaira. Előre is elnézést kérek olvasóimtól a „száraz” műszaki szövegért! Mint tudjuk, egy szakvélemény jegyzőkönyve stílusa nem irodalmi és olvasmányos, hanem a rideg tényeket, a valóságot leíró szöveg. A mellékletekkel együtt összesen 16 oldalas vizsgálati jegyzőkönyvet ezért nem közöljük teljes terjedelemben.

Egy hazai nagykereskedőnél vásárolt vezetékek szolgáltak vizsgálati mintául a laboratórium számára, az egyik vezeték hazai gyártású, a másik pedig Bosznia-Hercegovinában készült (4. kép). A vizsgálati jegyzőkönyv e téma szempontjából lényeges megállapításait közlöm csak a következőkben. A termékmintákon feltüntetett szabványon túl még három másik szabvány erre vonatkozó részei alapján is végeztek vizsgálatokat. A két keresztmetszetet én választottam ki: egy 0,75 mm²-es vezérlési célú vezetéket, és egy 2,5 mm²-es, kisebb terhelhetőségű erőátviteli vezetéket.

4. kép: Egy hazai nagykereskedőnél vásárolt vezetékek szolgáltak vizsgálati mintául a laboratórium számára, az egyik vezeték hazai gyártású, a másik pedig Bosznia-Hercegovinában készült.

A vizsgálatok az alábbi fő területeket érintették:

1. 1. áramvezető erek szerkezeti követelményeinek ellenőrzése,
2. 2. villamos szilárdság és szigetelési ellenállás vizsgálata,
3. 3. melegedésmérések.

Az 1. pont vizsgálatainak megállapításai röviden: a 0,75 mm²-es vezeték keresztmetszete 17,09%-kal, míg a 2,5 mm²-esé 15,28%-kal volt kisebb, mint a névleges érték! A szakértő megjegyzése: a termékre vonatkozó szabványok a keresztmetszet tekintetében nem határoznak meg megengedhető eltérésértéket!

A 2. pont vizsgálatai szerint a vezető erek ellenállásértékei megfelelnek a szabványkövetelményeknek. Pl. a 0,75 mm² vezetéknél így értékel: a vezetékér számított ellenállása: 25,76 Ohm/km, megengedett max. érték: 26,00 Ohm/km. A követelmény teljesül. A villamos szilárdság és szigetelési ellenállás vizsgálata eredményei kielégítik a rájuk vonatkozó szabványkövetelményeket, így ezzel most nem foglakozunk.

A melegedésméréseknél a vezetékek szigetelőanyagának a vezetőér áramterhelése hatására kialakuló hőmérsékletét vizsgálták, ehhez kétféle elrendezést alkalmaztak: egyrészt a vezetéket szabad levegőben kifeszítették, másrészt műanyag kábelcsatornába helyezett állapotban határozták meg a kialakult hőmérsékletüket. A mérésekhez számítógépes adatgyűjtőket is alkalmaztak, így a kiértékelést a felvett hőmérséklet-idő diagramok is szemléletesen mutatták.

A H05V-K és a H07V-K típusú, PVC szigetelésű, rögzített szerelésre tervezett, hajlékony rézvezetékeket villamos vezérlő-, mérő- és elosztóberendezésekben is alkalmazzák, amelyekben a vezetékek csatlakoztatására az MSZ EN 60998 szabványsorozat hatálya alá tartozó csatlakozóelemek szolgálnak. Erre való tekintettel a vezetékek vizsgálata során az MSZ EN 60998-1 szabvány 2. számú táblázatában megadott alábbi terhelőáramokat alkalmazták:

• a 0,75mm² keresztmetszetű vezeték vizsgálatához: 9 A,
• a 2,5 mm² keresztmetszetű vezeték vizsgálatához: 24 A.

A szabad levegőben kifeszített vezetők melegedése nem haladta meg az előírt értéket, viszont az ezt követő vizsgálat érdekes eredményekkel szolgált!

Vezetékkötegek vizsgálata

Egy 2 méter hosszúságú, 80×40 mm méretű perforált műanyag vezetékcsatornába egyszerre behelyeztek 33 db 3 m hosszú, öszszesen 100 m hosszúságú, 0,75 mm², és szintén 33 db, 3 m hosszú, összesen 100 m hosszúságú, 2,5 mm² keresztmetszetű vezetéket. (Ez a szerelési helyzet a gyakorlatban is előfordul, pl. egy álló kivitelű kapcsolószekrény esetén.) A 0,75 mm² keresztmetszetű vezetéket 9 A-rel, a 2,5 mm² keresztmetszetűt pedig egyidejűleg 24 A-rel terhelték. A környezeti hőmérséklet 20,8 °C volt.

A terhelőáram bekapcsolása után kb. 22 perccel a 2,5 mm² keresztmetszetű vezetékkötegben a vezetékek szigetelése a kialakult hőmérséklet hatására megolvadt, és a vezetékkötegben zárlat keletkezett (5. ábra). A vezetékkötegek közepén elhelyezett hőelemekkel a vezetékek PVC szigetelésének felületén az alábbi hőmérsékletértékeket mérték: 0,75 mm² keresztmetszetű vezetékkötegben mért értékek: T₁=148,2 °C, T₃=158,4 °C, míg a 2,5 mm²-esben: T₂=187,4 °C, T₄=187,0 °C. Az alapkivitelű PVC anyagú szigetelésre megengedett max. üzemi hőmérséklet: 70 °C. Mint láthatjuk, sajnos itt a melegedés többszörösen túllépte szabványkövetelményt (6. ábra).

5. kép: A vizsgált vezetékkötegek PVC szigetelése a hő hatására megolvadt és összehegedt a megengedhető maximális terhelő árammal terhelve.

6. kép:  A 0,75 és 2,5 mm²-es vezetékkötegek melegedésvizsgálata (hőmérséklet-idő diagram). 22 perc után a 2,5 mm²-es vezetékeknél zárlat lépett fel 187,4 °C hőmérsékletmaximumnál.

Vizsgálat az egyidejűségre való tekintettel, csökkentett terhelőárammal

A terheléses vizsgálatot megismételték az MSZ 2364-523:2002 szabványnak az egyidejűséget figyelembevevő előírásai szerint. A vizsgálathoz természetesen újabb mintakészletet állítottak öszsze. A szabványban megadott 0,5 egyidejűségi tényezőt alkalmazva, a 0,75 mm² keresztmetszetű vezetéket 4,5 A-rel, a 2,5 mm²-est pedig egyidejűleg 12 A-rel terhelték. A vezetékek PVC szigetelésének felületén az állandósult melegállapotban az alábbi hőmérsékletértékeket mérték: 0,75 mm² keresztmetszetű vezetékköteg mért értékei: T₁=65,1 °C, T₂=48,7 °C, míg a 2,5 mm²-es vezeték esetében: T₃=80,2 °C, T₄=57,3 °C. A vezetékek szigetelése a kialakult hőmérséklet hatására nem károsodott. Az egyidejűségi tényező figyelembevételével végrehajtott vizsgálat alapján megállapítható, hogy a 0,75 mm² keresztmetszetű vezeték PVC anyagú szigetelésének hőmérséklete nem haladta meg a szokásos max. értéket, így elfogadható.

A szakvélemény

A szakvélemény „összefoglalás” fejezetét a jegyzőkönyvben olvasható módon, változatlan formában adom közre: „A fentiekben részletezett vizsgálati eredmények alapján az alábbi megállapítások tehetők:

1. A vizsgált hajlékony vezetékek elemi szálai átmérőinek mért értékei tekintetében a követelmény teljesül.
2. A vezetőerek mérések alapján számított tényleges keresztmetszetértékei 17,09%-kal, ill. 15,28%-kal kisebbek a gyártók által megadott névleges értékektől.
3. A termékre vonatkozó szabványok tanulmányozása alapján megállapítható, hogy azok a vezetékerek keresztmetszete tekintetében nem határoznak meg megengedhető eltérés -értéket!
4. A vezetőerek mért ellenállás értékei megfelelnek a szabvány követelményeinek.
5. A vezetékek villamos szilárdsága és mért szigetelési ellenállásértékei megfelelnek a szabvány előírásainak.
6. A vezetékcsatornában, kötegelt formában elhelyezett PVC szigetelésű vezetékek felületének hőmérséklete az egyidejűség figyelembevételével meghatározott áramterhelés esetén – bár a 2,5 mm² keresztmetszetű vezetékre vonatkozóan eltér a gyakorlatban szokásos értéktől – elfogadható mértékű.”

A még megengedhető maximális terhelőáram hatására azonban a vezetékköteg túlmelegedett, és zárlat lépett fel (a cikk írójának megjegyzése).

Eddig a vizsgálati jegyzőkönyv és annak megállapításai. Ezután bennem is kérdések sorozata merült fel. Mit lehet és mit kell tenni az általam több éve tapasztaltak és a szakvélemény eredményeivel?

Folytatása következik, amelyhez várjuk a tisztelt olvasóink véleményét, tapasztalatait, akár cikk alatti hozzászólás, akár a szerkesztőségnek küldött e-mail (info@villanylap.hu) formájában.

A cikket tisztelettel ajánlom Nádassy László emlékére, akinek szakmai segítségére, tanácsaira az elmúlt évtizedekben mindig számíthattam.

Vezetékek

Kapcsolódó

---