Czym jest obciążalność prądowa kabli ułożonych w ziemi?

Obciążalność prądowa kabli ułożonych w ziemi oznacza maksymalną wartość prądu, jaką przewód może bezpiecznie przewodzić w sposób ciągły, bez przekroczenia dopuszczalnej temperatury pracy jego żyły roboczej. Parametr ten zależy nie tylko od samego kabla (materiału, przekroju, rodzaju izolacji), ale również od warunków jego eksploatacji – przede wszystkim sposobu ułożenia w gruncie, właściwości cieplnych otaczającego podłoża oraz lokalnych temperatur. W praktyce, nieprawidłowy dobór obciążalności może prowadzić do przegrzewania się kabli, spadku ich żywotności, a nawet do awarii instalacji elektrycznej.

Znaczenie tego parametru rośnie szczególnie w kontekście projektowania infrastruktury energetycznej niskiego napięcia, gdzie większość kabli układana jest pod ziemią. W takich przypadkach właściwe oszacowanie obciążalności prądowej jest trudniejsze niż w przypadku instalacji prowadzonych na powierzchni, ponieważ temperatura otoczenia, rodzaj gruntu i sposób ułożenia mają znaczny wpływ na efektywne odprowadzanie ciepła.

Na potrzeby ujednolicenia tych szacunków, w Polsce obowiązują obecnie zharmonizowane normy PN-HD 60364-5-52 (2011), które określają referencyjne metody ułożenia oraz parametry brane pod uwagę przy wyznaczaniu obciążalności. Mimo to, wartości te różnią się istotnie od wcześniejszych danych podawanych w dawnym PBUE (np. rozporządzeniu Ministra Górnictwa i Energetyki z 1974 roku), co wciąż budzi wątpliwości i dyskusje w środowisku inżynierskim.

W niniejszym artykule omówimy wszystkie kluczowe czynniki mające wpływ na obciążalność kabli w ziemi, przywołując szczegółowe dane i tabele opracowane przez Franciszka Lesiaka, autora raportu opublikowanego przez Oddział Krakowski SEP. Artykuł ten stanowi podstawę merytoryczną niniejszego opracowania i odnosi się do obowiązujących norm, konkretnych współczynników korekcyjnych oraz praktycznych przykładów doboru kabli.

Dlaczego wartości obciążalności w normach budzą kontrowersje?

Różnice w wartościach dopuszczalnej obciążalności prądowej kabli wskazywane w obowiązujących normach w porównaniu do wcześniejszych przepisów są jednym z najczęstszych źródeł kontrowersji wśród projektantów i wykonawców instalacji elektrycznych. Najbardziej widoczne rozbieżności pojawiają się przy zestawieniu danych z normy PN-HD 60364-5-52:2011 z wcześniejszymi wartościami zawartymi w PBUE, które obowiązywało na mocy zarządzenia Ministra Górnictwa i Energetyki z 1974 roku.

Przykładem może być kabel miedziany o przekroju 3×240 mm². Według dawnych danych PBUE jego obciążalność wynosiła 535 A, podczas gdy w aktualnych tabelach normatywnych ta sama wartość została zmniejszona do 375 A (dane na podstawie opracowania Franciszka Lesiaka). Taka różnica – sięgająca nawet 30% – ma istotny wpływ na projektowanie instalacji i często zmusza projektantów do stosowania przewodów o większym przekroju, co podnosi koszty inwestycji.

Źródłem tych rozbieżności jest przede wszystkim przyjęcie innych warunków odniesienia. W normie PN-HD 60364-5-52:2011 wartości obciążalności podano dla gruntu o rezystancji cieplnej 2,5 K·m/W, podczas gdy w PBUE przyjmowano znacznie korzystniejsze parametry – zazwyczaj 1,2 K·m/W. W praktyce oznacza to, że nowe normy przyjmują mniej korzystne warunki chłodzenia, co automatycznie zmniejsza dopuszczalne obciążenie przewodów.

Dodatkowo, różnice wynikają też z podejścia metodologicznego: nowe normy są częścią systemu norm zharmonizowanych z przepisami IEC, natomiast PBUE opierało się na krajowych doświadczeniach eksploatacyjnych. Powoduje to niekiedy brak spójności między teoretycznymi wartościami normatywnymi a rzeczywistymi warunkami eksploatacyjnymi w Polsce.

Przeczytaj również: Moc bierna w energetyce – dlaczego to zagadnienie nabiera znaczenia?

Jakie normy określają obciążalność prądową kabli?

Dobór kabli i ich dopuszczalna obciążalność prądowa w Polsce opierają się obecnie na normach zharmonizowanych z przepisami międzynarodowymi. Głównym odniesieniem jest norma PN-HD 60364-5-52:2011, która zastąpiła wcześniejsze dokumenty krajowe. Dokument ten jest częścią europejskiej serii norm dotyczących instalacji elektrycznych niskiego napięcia, a jego celem jest ujednolicenie zasad projektowania instalacji w różnych krajach Unii Europejskiej.

W ciągu ostatnich dwóch dekad w Polsce obowiązywały kolejno następujące normy dotyczące obciążalności prądowej:

• PN-IEC 60364-5-523 (2001) – Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia. Obciążalność prądowa długotrwała przewodów.
• PN-IEC 60364-5-52:2002 – Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia. Oprzewodowanie.
• PN-HD 60364-5-52 (2011) – Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego – Oprzewodowanie.

Każda z powyższych norm wprowadzała zmiany w metodologii określania dopuszczalnego obciążenia kabli, uwzględniając nowe podejście do zagadnień cieplnych, izolacyjnych i montażowych. Szczególne znaczenie ma tutaj norma PN-HD 60364-5-52, która:

• rozróżnia metody ułożenia kabli w gruncie (D1 – w osłonie, D2 – bezpośrednio w ziemi),
• definiuje temperaturę referencyjną gruntu i przewodów,
• zakłada rezystancję cieplną gruntu na poziomie 2,5 K·m/W,
• wprowadza współczynniki korekcyjne dla temperatury, ułożenia i liczby kabli.

Warto podkreślić, że zakres stosowania tych norm jest ograniczony. Zgodnie z normą PN-IEC 60364-5-52:2002, jej zapisy nie mają zastosowania do:

• rozdziału energii elektrycznej do obiektów publicznych,
• wytwarzania i przesyłu energii elektrycznej.

Oznacza to, że normy te dotyczą głównie instalacji odbiorczych w budynkach i obiektach prywatnych, a nie infrastruktury przesyłowej lub przemysłowej.

Sprawdź to: Szkolenie G1 – czym jest i dlaczego jest potrzebne?

Zakres obowiązywania norm PN-IEC i PN-HD

Normy serii PN-IEC 60364 oraz PN-HD 60364 zostały opracowane z myślą o zapewnieniu spójnych zasad projektowania i montażu instalacji elektrycznych w obiektach budowlanych. Ich celem jest standaryzacja parametrów technicznych w skali międzynarodowej, w tym przede wszystkim określenie warunków bezpiecznego i efektywnego prowadzenia przewodów oraz doboru ich przekrojów.

Zgodnie z dokumentem PN-IEC 60364-5-52:2002, norma ta nie ma zastosowania w odniesieniu do:

• rozdziału energii elektrycznej do obiektów publicznych,
• instalacji związanych z wytwarzaniem i przesyłem energii elektrycznej.

Oznacza to, że zarówno ta norma, jak i jej nowsze wersje – w tym PN-HD 60364-5-52:2011 – są dedykowane wyłącznie instalacjom niskiego napięcia realizowanym wewnątrz budynków lub ich najbliższym otoczeniu. Zakres ich stosowania obejmuje:

• instalacje w domach jedno- i wielorodzinnych,
• obiekty użyteczności publicznej (w zakresie odbiorczym),
• budynki przemysłowe w zakresie rozdziału wewnętrznego,
• sieci zasilające urządzenia technologiczne lub automatykę lokalną.

Normy te nie powinny być stosowane w projektach dotyczących głównych ciągów przesyłowych, stacji transformatorowych, sieci średniego i wysokiego napięcia ani przy projektowaniu przyłączy energetycznych o charakterze infrastrukturalnym.

W praktyce oznacza to, że wartości obciążalności prądowej kabli przedstawione w tabelach tych norm (np. tab. B52.4 i B52.5 w PN-HD 60364-5-52) są rekomendowane wyłącznie dla instalacji odbiorczych, a ich bezkrytyczne przenoszenie na inne obszary zastosowania może prowadzić do błędów projektowych lub przewymiarowania przewodów.

Różnice między dawnym PBUE a aktualnymi normami

Porównując obecnie obowiązujące normy z przepisami zawartymi w dawnym PBUE (Przepisy Budowy Urządzeń Elektrycznych), można zauważyć istotne różnice w podejściu do wyznaczania obciążalności prądowej kabli. PBUE, oparte na zarządzeniu Ministra Górnictwa i Energetyki z 1974 roku, uwzględniało realne warunki eksploatacyjne w Polsce oraz praktyczne doświadczenia z krajowych inwestycji elektroenergetycznych. Z kolei normy z serii PN-HD 60364 bazują na standardach IEC, które mają charakter ogólnoeuropejski i są mniej dostosowane do lokalnych warunków geologicznych.

Podstawowe różnice dotyczą:

• Założeń dotyczących gruntu – W PBUE przyjmowano rezystancję cieplną gruntu na poziomie 1,2 K·m/W, co odpowiada warunkom występującym w większości rejonów Polski. Norma PN-HD 60364-5-52 zakłada natomiast 2,5 K·m/W, czyli grunt znacznie mniej korzystny pod względem odprowadzania ciepła. To obniża dopuszczalne obciążenie przewodów.
• Dokładności obliczeń – PBUE prezentowało wartości w sposób uproszczony, natomiast nowe normy operują dokładnością do 1 ampera, co przy zmiennych i trudnych do oszacowania parametrach gruntu może być mylące.
• Zakresu stosowania – PBUE miało zastosowanie również do rozdziału i przesyłu energii, podczas gdy obecne normy tego nie obejmują (dotyczą wyłącznie instalacji odbiorczych).

Przykładowe rozbieżności liczbowe ilustrują, jak poważne są różnice w wartościach obciążalności:

• Kabel miedziany 3×240 mm²:
  • PBUE: 535 A
  • PN-HD 60364-5-52: 375 A (dla gruntu o rezystancji 2,5 K·m/W – Tabela 2)

Zmniejszenie wartości o ponad 150 A oznacza konieczność stosowania przewodów o znacznie większym przekroju, co ma bezpośredni wpływ na koszty materiałowe i przestrzeń montażową. W efekcie wielu projektantów nadal opiera się na danych z PBUE lub korzysta z wartości pośrednich, stosując własne doświadczenia eksploatacyjne.

Jakie czynniki wpływają na obciążalność kabli w ziemi?

Obciążalność prądowa kabli ułożonych w gruncie zależy od wielu parametrów środowiskowych i instalacyjnych, które wpływają na zdolność przewodów do odprowadzania ciepła. W przeciwieństwie do instalacji prowadzonych na powierzchni, gdzie głównym czynnikiem jest temperatura otoczenia, w przypadku kabli ziemnych kluczowe znaczenie ma rezystancja cieplna gruntu oraz sposób fizycznego ułożenia przewodów. Nieodpowiednie uwzględnienie tych czynników może skutkować przegrzewaniem się kabli, a w konsekwencji – obniżeniem ich trwałości lub uszkodzeniem izolacji.

Na podstawie normy PN-HD 60364-5-52:2011 oraz opracowania Franciszka Lesiaka, najważniejsze czynniki wpływające na dopuszczalne obciążenie kabli w ziemi to:

• Rezystancja cieplna gruntu – wyrażona w K·m/W, określa zdolność gruntu do przewodzenia ciepła. Im niższa wartość, tym lepsze warunki chłodzenia przewodu.
• Temperatura gruntu – wpływa na punkt wyjściowy dla bilansu cieplnego kabla. Standardowa wartość w normach to 20°C.
• Rodzaj izolacji kabla – izolacje PVC i XLPE mają różne graniczne temperatury pracy (odpowiednio 70°C i 90°C).
• Metoda ułożenia kabli – rozróżniamy układanie w osłonie (D1) i bezpośrednio w gruncie (D2), co wpływa na wymianę ciepła z otoczeniem.
• Liczba kabli w wiązce i odstępy między nimi – im więcej przewodów ułożonych blisko siebie, tym gorsze warunki chłodzenia. Norma wprowadza współczynniki korekcyjne dla takich sytuacji.

Dodatkowo warto uwzględnić także czynniki lokalne, takie jak:

• Rodzaj gruntu (piasek, glina, popiół) i jego zawilgocenie,
• Głębokość ułożenia (standardowo przyjmuje się 0,8 m),
• Obciążenie symetryczne – obliczenia dotyczą sytuacji, gdy obciążone są wszystkie trzy żyły przewodu.

Norma przewiduje również stosowanie specjalnych tabel korekcyjnych (np. tab. 52.16, B52.15, B52.18, B52.19), które pozwalają na dostosowanie teoretycznych wartości do warunków rzeczywistych. Pominięcie tych korekt może skutkować błędnym doborem przekroju kabla i zwiększonym ryzykiem awarii.

Znaczenie rezystancji cieplnej gruntu

Rezystancja cieplna gruntu to jeden z najważniejszych parametrów wpływających na obciążalność prądową kabli ułożonych w ziemi. Wyrażana w jednostkach K·m/W, opisuje zdolność podłoża do odprowadzania ciepła z kabla do otoczenia. Im wyższa rezystancja, tym trudniej grunt przewodzi ciepło, co skutkuje wyższą temperaturą pracy przewodu i koniecznością ograniczenia dopuszczalnego prądu.

Norma PN-HD 60364-5-52:2011 przyjęła wartość referencyjną 2,5 K·m/W, co odpowiada bardzo suchym warunkom gruntu – znacznie bardziej niekorzystnym niż przeciętne warunki w Polsce. Tymczasem, według opracowania Franciszka Lesiaka, realne wartości rezystancji cieplnej gruntu w Polsce najczęściej mieszczą się w przedziale:

• 1,2–1,5 K·m/W – dla gruntów o umiarkowanej wilgotności (np. glina, piasek),
• 0,7–1,0 K·m/W – dla gruntów wilgotnych lub mokrych,
• 2–3 K·m/W – dla gruntów bardzo suchych lub sypkich (np. popiół, suchy piasek),
• 0,45 K·m/W – dla gruntu całkowicie nasyconego wodą.

Na podstawie tabeli 52.16 z normy PN-HD 60364 można dobrać współczynniki korekcyjne do wartości obciążalności dla różnych poziomów rezystancji. Przykładowo:

• dla gruntu o 0,5 K·m/W współczynnik korekcyjny wynosi nawet 1,28,
• dla gruntu o 1,5 K·m/W – około 1,1,
• dla warunków referencyjnych (2,5 K·m/W) – 1,0 (bez korekty),
• dla gruntu o 3,0 K·m/W – około 0,96.

To oznacza, że przy korzystniejszych warunkach gruntowych (niższa rezystancja cieplna), kabel może zostać znacznie bardziej obciążony, bez ryzyka przekroczenia dopuszczalnej temperatury żyły.

W praktyce dokładne określenie rezystancji cieplnej gruntu na placu budowy jest bardzo trudne. Zależy ona od:

• rodzaju i struktury gleby,
• gęstości gruntu,
• zawartości wody, która może zmieniać się sezonowo,
• uziarnienia i porowatości podłoża.

Projektant zazwyczaj nie dysponuje pełnymi danymi geotechnicznymi, dlatego zaleca się stosowanie współczynników korekcyjnych w oparciu o typowy skład gruntu i jego wilgotność, korzystając z danych tabelarycznych (np. Tab.1 z opracowania Lesiaka, źródło: materiały firmy SOLIS Sp. z o.o.).

Temperatura gruntu a dopuszczalne obciążenie

Temperatura gruntu w miejscu ułożenia kabli ma bezpośredni wpływ na ich zdolność do odprowadzania ciepła, a co za tym idzie – na dopuszczalne obciążenie prądowe. W normie PN-HD 60364-5-52:2011 przyjęto temperaturę referencyjną gruntu równą 20°C, jednak w rzeczywistości może ona znacznie się różnić – zależnie od głębokości układania kabli, ekspozycji terenu, warunków klimatycznych oraz rodzaju gleby.

Wyższa temperatura gruntu powoduje, że kabel szybciej osiąga graniczną temperaturę pracy, co zmusza do ograniczenia jego obciążalności. Dla dokładniejszego dopasowania obliczeń norma wprowadza współczynniki korekcyjne, które należy zastosować, gdy temperatura gruntu różni się od przyjętej referencji.

Wartości współczynników korygujących, według tabeli B52.15 z normy PN-HD 60364, dla dwóch typów izolacji są następujące:

Izolacja PVC:

• 10°C → 1,1
• 15°C → 1,05
• 20°C → 1,0 (wartość bazowa)
• 25°C → 0,95
• 30°C → 0,89

Izolacja XLPE:

• 10°C → 1,07
• 15°C → 1,04
• 20°C → 1,0
• 25°C → 0,96
• 30°C → 0,93

Oznacza to, że w chłodniejszym gruncie obciążalność kabla może wzrosnąć nawet o 10%, natomiast w cieplejszym spadnie o blisko 10–11%. W projektach, gdzie przewody są układane płytko, w pobliżu ciepłowni, kanalizacji lub w nasłonecznionym terenie, przyjęcie zaniżonej temperatury gruntu może prowadzić do błędów projektowych.

Dlatego zaleca się:

• analizę lokalnych warunków gruntowych,
• uwzględnienie sezonowych wahań temperatur,
• stosowanie współczynników korekcyjnych z odpowiednim zapasem bezpieczeństwa.

W praktyce projektanci często przyjmują temperaturę gruntu 25°C jako bardziej realistyczną dla całorocznego użytkowania, co wymaga zastosowania odpowiednich korekt zgodnie z typem izolacji.