Dlaczego to spadek napięcia, a nie tylko obciążalność, decyduje o przekroju przewodu
Każdy przewód ma rezystancję, więc część napięcia zasilania jest zużywana na przepchnięcie prądu przez kabel i nigdy nie dociera do odbiornika. Na krótkim obwodzie odbiorczym ta strata jest znikoma; na długim obwodzie zasilającym, przy dużym obciążeniu lub w niskonapięciowej instalacji prądu stałego może być na tyle duża, że ma znaczenie. Obciążalność prądowa — prąd, jaki przewód może przenosić bez przegrzania — to pierwszy limit i ma charakter obowiązkowy: wyznacza minimalny przekrój dopuszczony przez przepisy. Obciążalność nie mówi jednak nic o tym, ile napięcia dotrze na drugi koniec trasy. Miedziany przewód 12 AWG może swobodnie przenosić 20 A, a mimo to stracić ponad 6% napięcia na trasie 30 m, co odczuje podłączone na jej końcu oświetlenie lub silnik. Dlatego długie trasy tak często są ograniczane przez spadek napięcia, a nie przez obciążalność: po przekroczeniu pewnej odległości trzeba zwiększyć przekrój przewodu nie dlatego, że się przegrzeje, lecz dlatego, że do odbiornika dotarłoby zbyt mało napięcia. Prawidłowy projekt sprawdza oba limity i przyjmuje większy z dwóch wymaganych przekrojów.
Wzór na spadek napięcia i liczby, które na niego wpływają
Spadek napięcia to prawo Ohma zastosowane na całej trasie, którą pokonuje prąd. Pomnóż prąd obciążenia przez rezystancję przewodu dla drogi w obie strony, a otrzymasz utracone wolty; podziel przez napięcie zasilania, a otrzymasz spadek w procentach. Na tę wartość wpływają cztery czynniki: prąd (podwojenie obciążenia podwaja spadek), rezystancja na jednostkę długości (cieńszy przewód ma wyższą rezystancję i większy spadek), długość trasy (spadek jest proporcjonalny do odległości) oraz współczynnik fazowy uwzględniający liczbę przewodów przenoszących prąd w obie strony — 2 dla układu jednofazowego i prądu stałego oraz √3 (około 1,732) dla trójfazowego układu międzyprzewodowego. Ponieważ prąd płynie do odbiornika i z powrotem, obliczenie zawsze uwzględnia drogę w obie strony, mimo że wpisujesz tylko długość w jedną stronę. Sama rezystancja pochodzi z opublikowanych tabel: przewody AWG w omach na 1000 stóp (NEC Chapter 9, Table 8, przy 75 °C) i przewody metryczne w omach na kilometr (IEC 60228, przy 20 °C). Aluminium ma wyższą rezystancję niż miedź przy każdym przekroju, dlatego przewód aluminiowy zwykle musi być o jeden lub dwa rozmiary większy niż miedziany dla tej samej trasy i tego samego spadku.
Jaki spadek jest dopuszczalny i kto to określa
Limity, względem których sprawdzany jest spadek napięcia, są przede wszystkim zaleceniami, a przepisami egzekwowalnymi stają się tylko tam, gdzie przyjmuje je lokalna jurysdykcja. Najczęstsze wartości docelowe to 3% na obwodzie odbiorczym lub oświetleniowym oraz 5% dla obwodu zasilającego lub łącznej sumy obwodu zasilającego i odbiorczego. W Ameryce Północnej pochodzą one z uwag informacyjnych w NEC 210.19 i 215.2 — mają charakter informacyjny, a nie obowiązkowy, chyba że lokalny organ nadzoru uczynił je wiążącymi. W praktyce IEC/BS 7671 te same wartości — 3% dla oświetlenia i 5% dla innych zastosowań — pojawiają się w załączniku informacyjnym IEC 60364-5-52 oraz w BS 7671, z bardziej liberalnym limitem 6%/8% dopuszczonym dla instalacji zasilanych z własnego transformatora lub agregatu prądotwórczego, a nie z sieci publicznej. W praktyce oznacza to, że są to cele projektowe, a nie przyzwolenie na ignorowanie lokalnych przepisów: utrzymanie obwodu odbiorczego poniżej 3%, a całej trasy poniżej 5%, spełni wymogi zdecydowanej większości instalacji, jednak zawsze potwierdź wartość faktycznie egzekwowaną przez Twoją jurysdykcję przed sfinalizowaniem projektu.
Miedź czy aluminium, AWG czy mm² — gdzie spotykają się oba standardy
Dobór przekroju przewodu odbywa się w dwóch równoległych światach, które nie przeliczają się na siebie w prosty sposób. Praktyka północnoamerykańska stosuje AWG (American Wire Gauge) dla mniejszych przewodów i kcmil powyżej 4/0, gdzie mniejszy numer oznacza większy przewód; reszta świata stosuje przekrój poprzeczny w milimetrach kwadratowych, gdzie większa liczba po prostu oznacza grubszy przewód. Nie ma dokładnego jeden-do-jednego przełożenia między nimi — 12 AWG jest zbliżone do 4 mm², 10 AWG do około 6 mm² — dlatego przełączenie kalkulatora między jednostkami imperialnymi a metrycznymi nie przelicza wartości, lecz zamienia całą listę katalogową rozmiarów. Materiał to drugi istotny czynnik. Aluminium jest lżejsze i tańsze na amper niż miedź, dlatego dominuje w większych obwodach zasilających i przyłączach, ale jego wyższa rezystywność oznacza większy spadek napięcia i zwykle konieczność zwiększenia przekroju względem miedzi; ma też inne wymagania dotyczące zakończeń i połączeń niż miedź. Niezależnie od wybranego systemu i materiału pamiętaj, że kalkulator odpowiada wyłącznie na część pytania dotyczącą spadku napięcia — nie sprawdza obciążalności prądowej, zabezpieczenia nadprądowego, przeliczeń temperaturowych ani zapełnienia koryta czy rury, ani niczego innego wymaganego przez przepisy, dlatego traktuj jego wynik jako wartość planistyczną do potwierdzenia przez wykwalifikowanego elektryka zgodnie z przepisami obowiązującymi dla Twojej instalacji.
