Szigetelt vezetékek keresztmetszet-csökkenésének problémái

A cikk a Villanyszerelõk Lapja márciusi számában (2016/3)
 jelent meg, amelyet a kiadó engedélyével közlünk.

Cikkemet tisztelettel ajánlom Nádassy László emlékére,
akinek szakmai segítségére, tanácsaira az elmúlt évtizedekben mindig számíthattam.
(Horváth Zoltán, a cikk szerzõje)

A villamos vezetékek feladata többféle: egyszerû 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, rézerekbõl álló szigetelt vezetékek különbözõ típusai terjedtek el a kapcsolószekrénynél.

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

Nagyon fontos, hogy a beépített vezetékek melegedését bizonyos korlátok között tartsuk. A normál környezeti hõmérséklethez képest mindig van melegedés, hiszen a vezetõkben áram folyik. Azonban akkor is van melegedés, ha a vezetékkötés nem megfelelõ, ilyenkor az átmeneti ellenállás megnövekedése miatt nemkívánt mértékben növekszik meg kapcsolószekrényen belül levõ vezetékek és a villamos készülékek hõmérséklete. A helyzet tovább bonyolódik amiatt, hogy a perforált mûanyag csatornában több különféle áramot vivõ vezeték fut párhuzamosan. Ezek természetesen egymást is melegíteni fogják. A PVC szigetelésû vezetékek megengedett maximális üzemi hõmérséklete +70 °C lehet. A kapcsolószekrény-gyártóknak jelenleg az MSZ EN 61439 szabványsorozat elõírásai szerint kell a terméket elkészíteni és annak megfelelõségét bizonyítani. Új elemként jelent meg e szabványban a melegedés vizsgálata, ami a tervezõ számára egy elõzetes, számítással történõ méretezést, a gyártónak pedig ennek ellenõrzését írja elõ.

Minden ilyen számítás azon alapul, hogy a vezetõ keresztmetszete a névleges értékû. De mi a helyzet akkor, ha ez a valóságban kisebb? A mûszaki gyakorlatban az eltérést „tûrés” értékekkel adhatjuk meg, ami pl. egy +/– elõjelû %-os adat lehet. Ha a villanyszerelõ egy 1,5 mm² keresztmetszetû 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% értékû, de legalábbis negatív irányban az eltérés ne haladja meg az 5%-ot. Ezt az értéket most a példa kedvéért, önkényesen határoztam meg a magam mûszaki 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 átmérõt is jelent, ami a kötõelemeink egyik legfontosabb jellemzõje. A sodrott vezetékeknél célszerûen 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 kötõelemgyártók továbbra is a névleges keresztmetszetet alapul véve gyártják az érvéghüvelyeket, sarukat, a vezetéket készítõ kábelgyárak viszont a rájuk vonatkozó termékszabványt betartva Ohm/km ellenállásérték szerint vizsgálják a termékük megfelelõségét?

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 kötõelemet 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 kellõen szorossá vált. Ez a módszer széles vezetékkeresztmetszet-tartományra igaznak bizonyult a gyakorlatomban: 0,75-tõl 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 követõen tavaly nyáron kezdtem meg a keresztmetszetek módszeres vizsgálatát a fenti tartományban. Kissé fáradságos és nagy figyelmet igénylõ a munka, de bárki maga is elvégezheti. A szigetelést csupaszító szerszámmal, néhány cm hosszon eltávolítjuk a vezetékrõl és levágjuk. Ezután gondosan megszámoljuk az elemi szálakat, és az átmérõjüket egy elég pontos mérõeszközzel megmérjük. Én erre egy digitális tolómérõt használtam. A fenti képlettel meghatároztam az elemi szál keresztmetszetét, majd a darabszámmal szorozva megkaptam a teljes vezetõ-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 elõre utaltak a problémára. A keresztmetszetértékek rendre kisebbek voltak a névleges értéknél, mégpedig 10%-nál is nagyobb mértékben!

Ezután, 2015. októberben megbíztam egy tõlem független vizsgáló laboratóriumot azzal a feladattal, hogy a vezetékekre vonatkozó további szabványkövetelményeket is ellenõrizze, és minõsítse azok teljesülését. A késõbbiekben a 16 oldalas vizsgálati jegyzõkönyvbõl is fogok idézni.

Most idõben ugorjunk kissé elõre, mert a méréseket ebben az évben megismételtem, sõt ki is egészítettem. Az elemiszál-átmérõket egy még pontosabb eszközzel mértem: 0-25 mm mérési tartományú mikrométert használtam a digitális tolómérõ helyett, a mérés idejére a mikrométer egy gépsatuba volt rögzítve.

1. kép: Elemi szál átmérõjének mérése mikrométerrel.

A nyilvánvalóan más beszerzésû, 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 kötõelemek nagyobb átmérõje a vezetékhez képest elég meggyõzõ ahhoz, hogy bizonyítsa: a tavalyi minták valóban lényegesen eltértek a gyakorlatban megkívánható és szükséges mértéktõl. Az 2. és 3. képen a 35, 25 és 16 mm²-es vezetékek és a hozzájuk tartozó névleges keresztmetszetû saruk láthatók préselés elõtt 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(?) keresztmetszetû vezetékek préselés elõtti állapotban.

3. kép: És ugyanazok préselés után.

A következõ vizsgálati mintáimat egy általunk 5-6 évvel korábban készített villamos szekrénybõl vettem. Ezen vezetékek keresztmetszetei már jobban közelítették a névleges értékeket, de az eltérések itt is negatív irányúak voltak: jellemzõen 10% vagy annál kisebb eltéréseket mértem. Továbblépve egy Franciaországban 7-8 éve gyártott automatika és erõátviteli 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, „kettõs szigetelésû” kéteres vezeték van bekötve. A bakelit öntésû dugvillán ma is jól olvasható az ELER márkanevû gyártói felirat. A külsõ szigetelés a kor technikai lehetõségei szerint textil bevonatú, amely alatt a két vezeték mûanyagszigeteléssel van ellátva. Az elemi szálak ezekben nagyobb átmérõjûek, és a darabszámuk is kevesebb. Az elõzõ mérési módszerrel vizsgálva a keresztmetszet mindkét érre 1,5 mm² névleges értékre utalt. Azonban az elemi szálakat mikrométerrel megmérve meglepõ 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 mérõszáma.

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

Szakértõi vizsgálat

Térjünk át a tõlem független szakértõi vélemény számunkra fontosabb megállapításaira. Elõre is elnézést kérek olvasóimtól a „száraz” mûszaki szövegért! Mint tudjuk, egy szakvélemény jegyzõkönyve stílusa nem irodalmi és olvasmányos, hanem a rideg tényeket, a valóságot leíró szöveg. A mellékletekkel együtt összesen 16 oldalas vizsgálati jegyzõkönyvet ezért nem közöljük teljes terjedelemben.

Egy hazai nagykereskedõnél vásárolt vezetékek szolgáltak vizsgálati mintául a laboratórium számára, az egyik vezeték hazai gyártású, a másik pedig Bosznia-Hercegovinában készült (4. kép). A vizsgálati jegyzõkönyv e téma szempontjából lényeges megállapításait közlöm csak a következõkben. 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 terhelhetõségû erõátviteli vezetéket.

A vizsgálatok az alábbi fõ területeket érintették:

1. 1. áramvezetõ erek szerkezeti követelményeinek ellenõrzése,
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 szakértõ megjegyzése: a termékre vonatkozó szabványok a keresztmetszet tekintetében nem határoznak meg megengedhetõ eltérésértéket!

A 2. pont vizsgálatai szerint a vezetõ 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 szigetelõanyagának a vezetõér áramterhelése hatására kialakuló hõmérsékletét vizsgálták, ehhez kétféle elrendezést alkalmaztak: egyrészt a vezetéket szabad levegõben kifeszítették, másrészt mûanyag kábelcsatornába helyezett állapotban határozták meg a kialakult hõmérsékletüket. A mérésekhez számítógépes adatgyûjtõket is alkalmaztak, így a kiértékelést a felvett hõmérséklet-idõ diagramok is szemléletesen mutatták.

A H05V-K és a H07V-K típusú, PVC szigetelésû, rögzített szerelésre tervezett, hajlékony rézvezetékeket villamos vezérlõ-, mérõ- 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 terhelõáramokat alkalmazták:

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

A szabad levegõben kifeszített vezetõk melegedése nem haladta meg az elõírt értéket, viszont az ezt követõ vizsgálat érdekes eredményekkel szolgált!

Vezetékkötegek vizsgálata

Egy 2 méter hosszúságú, 80×40 mm méretû perforált mûanyag 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 keresztmetszetû vezetéket. (Ez a szerelési helyzet a gyakorlatban is elõfordul, pl. egy álló kivitelû kapcsolószekrény esetén.) A 0,75 mm² keresztmetszetû vezetéket 9 A-rel, a 2,5 mm² keresztmetszetût pedig egyidejûleg 24 A-rel terhelték. A környezeti hõmérséklet 20,8 °C volt.

A terhelõáram bekapcsolása után kb. 22 perccel a 2,5 mm² keresztmetszetû vezetékkötegben a vezetékek szigetelése a kialakult hõmérséklet hatására megolvadt, és a vezetékkötegben zárlat keletkezett (5. ábra). A vezetékkötegek közepén elhelyezett hõelemekkel a vezetékek PVC szigetelésének felületén az alábbi hõmérsékletértékeket mérték: 0,75 mm² keresztmetszetû 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 alapkivitelû PVC anyagú szigetelésre megengedett max. üzemi hõmérséklet: 70 °C. Mint láthatjuk, sajnos itt a melegedés többszörösen túllépte szabványkövetelményt (6. ábra).

5. kép: A vizsgált vezetékkötegek PVC szigetelése a hõ hatására megolvadt és összehegedt a megengedhetõ maximális terhelõ árammal terhelve.

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

Vizsgálat az egyidejûségre való tekintettel, csökkentett terhelõárammal

A terheléses vizsgálatot megismételték az MSZ 2364-523:2002 szabványnak az egyidejûséget figyelembevevõ elõírásai szerint. A vizsgálathoz természetesen újabb mintakészletet állítottak öszsze. A szabványban megadott 0,5 egyidejûségi tényezõt alkalmazva, a 0,75 mm²keresztmetszetû vezetéket 4,5 A-rel, a 2,5 mm²-est pedig egyidejûleg 12 A-rel terhelték. A vezetékek PVC szigetelésének felületén az állandósult melegállapotban az alábbi hõmérsékletértékeket mérték: 0,75 mm² keresztmetszetû 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 hõmérséklet hatására nem károsodott. Az egyidejûségi tényezõ figyelembevételével végrehajtott vizsgálat alapján megállapítható, hogy a 0,75 mm²keresztmetszetû vezeték PVC anyagú szigetelésének hõmérséklete nem haladta meg a szokásos max. értéket, így elfogadható.

A szakvélemény

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

1. 1. A vizsgált hajlékony vezetékek elemi szálai átmérõinek mért értékei tekintetében a követelmény teljesül.
2. 2. A vezetõerek mérések alapján számított tényleges keresztmetszetértékei 17,09%-kal, ill. 15,28%-kal kisebbek a gyártók által megadott névleges értékektõl.
3. 3. A termékre vonatkozó szabványok tanulmányozása alapján megállapítható, hogy azok a vezetékerek keresztmetszete tekintetében nem határoznak meg megengedhetõ eltérés -értéket!
4. 4. A vezetõerek mért ellenállás értékei megfelelnek a szabvány követelményeinek.
5. 5. A vezetékek villamos szilárdsága és mért szigetelési ellenállásértékei megfelelnek a szabvány elõírásainak.
6. 6. A vezetékcsatornában, kötegelt formában elhelyezett PVC szigetelésû vezetékek felületének hõmérséklete az egyidejûség figyelembevételével meghatározott áramterhelés esetén – bár a 2,5 mm² keresztmetszetû vezetékre vonatkozóan eltér a gyakorlatban szokásos értéktõl – elfogadható mértékû.”

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

Eddig a vizsgálati jegyzõkönyv 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?

Horváth Zoltán, villamos üzemmérnök

Várjuk véleményüket, akár alább komment formájában, akár az Info@e-villamos címre küldött üzenetben.