Sähkökaapelin poikkipinta-alan laskuri (mm²)

Miten laskenta toimii

Miten sähkökaapelin poikkipinta-ala lasketaan mm²

Sähkökaapelin poikkipinta-alan mitoitus on yksi sähköasennuksen perustehtävistä. Liian pieni johdin lämpenee käytössä liikaa, eristys vanhenee nopeammin ja pahimmillaan syntyy tulipalovaara. Liian suuri johdin sitoo turhaa materiaalia ja nostaa kustannuksia. Mitoitus perustuu kahteen ehtoon, jotka on täytettävä samanaikaisesti: kaapelin on kestettävä virta, ja jännitehäviön on pysyttävä sallituissa rajoissa. Kansainvälisesti johdinjärjestelmien valintaa ja asennusta käsitellään standardissa SFS-EN 60364-5-52 (IEC 60364-5-52), ja tämä laskuri noudattaa sen menetelmää B2.

Ensimmäinen ehto: kuormitettavuus

Kuormitettavuusehto on suorin. Kaapelin on kestettävä mitoitusvirta niin, ettei johtimen lämpötila ylitä eristeen sallittua arvoa. PVC-eristetyllä kuparikaapelilla, joka on asennettu menetelmällä B2, jatkuva käyttölämpötila saa olla enintään 70 °C (PVC-eristeen raja-arvo standardissa SFS-EN 60364-5-52).

Mitoitusvirta lasketaan kuorman tehosta ja syöttötyypistä:

• Yksivaiheinen piiri (230 V): Ib = P / (V × cos φ)
• Kolmivaiheinen piiri (400 V): Ib = P / (√3 × V × cos φ)

Kun mitoitusvirta Ib on tiedossa, valitaan kaapelitaulukosta ensimmäinen normitettu poikkipinta-ala, jonka kuormitettavuus Iz on suurempi tai yhtä suuri kuin Ib. Tämä laskuri käyttää standardin taulukon B.52.2 saraketta kahdelle kuormitetulle johtimelle, joka vastaa yksivaiheista piiriä (menetelmä B2, PVC-eriste, kupari). Sen arvot ovat seuraavat: 1,5 mm² kestää 15,5 A, 2,5 mm² kestää 21 A, 4 mm² kestää 28 A, 6 mm² kestää 36 A, 10 mm² kestää 50 A, 16 mm² kestää 68 A, 25 mm² kestää 89 A ja 35 mm² kestää 110 A. Kolmivaiheisissa piireissä käytetään kolmelle kuormitetulle johtimelle tarkoitettua saraketta, jonka arvot ovat pienempiä, koska kolme aktiivijohdinta lämmittää toisiaan.

Toinen ehto: jännitehäviö

Jännitehäviöehto rajoittaa sitä jännitettä, joka johtimessa häviää. Johtimen resistanssi aiheuttaa häviön, joka kasvaa pituuden ja virran mukana. Pitkässä piirissä liian suuri häviö pienentää jännitettä laitteen liittimissä. Se heikentää valaisimien valoa, lyhentää moottorin käyttöikää ja voi estää laitteen käynnistymisen kunnolla.

Ohjeelliset rajat ovat 3 % valaistuspiireille ja 5 % pistorasioille sekä muille voimapiireille. Nämä ovat standardin SFS-EN 60364-5-52 jännitehäviön suositusarvoja, ja kohteen omat vaatimukset on aina tarkistettava.

Jännitehäviön edellyttämä vähimmäispoikkipinta-ala lasketaan kaavalla:

S_jh = (k × ρ × L × Ib) / ΔU_max

Kaavassa k on piirikerroin, ρ = 1/56 Ω·mm²/m on kuparin ominaisvastus 20 °C:n lämpötilassa, L on kaapelin pituus metreinä ja ΔU_max on suurin sallittu jännitehäviö voltteina. Yksivaiheisessa piirissä k = 2, koska virta kulkee meno- ja paluujohtimen kautta. Kolmivaiheisessa piirissä k = √3. Esimerkiksi 5 % 230 voltin verkosta on 11,5 V. Tulos S_jh on jatkuva luku, joka pyöristetään seuraavaan suurempaan normitettuun poikkipinta-alaan.

Lopullinen poikkipinta-ala: suurempi kahdesta

Asennettava poikkipinta-ala on aina suurempi kahdesta ehdosta saadusta arvosta. Lyhyissä piireissä kuormitettavuus on yleensä määräävä. Piirin pidetyessä jännitehäviöstä tulee rajoittavampi ehto, ja se vaatii suurempia johtimia samalla virralla. Tämän voi havaita esimerkiksi 3 kW:n kuormasta, joka 230 voltin yksivaiheisessa piirissä vaatii kuormitettavuuden perusteella 1,5 mm² kaapelin. Jos piirin pituus on 50 metriä, jännitehäviö vaatii 2,5 mm² kaapelin.

Esimerkki laskennasta vaihe vaiheelta

Oletetaan yksivaiheinen 230 V piiri, jossa on 3 kW:n lämmitin (tehokerroin 1,0) ja 50 metrin pituinen kaapeli. Sallittu jännitehäviö on 5 %.

1. Mitoitusvirta: Ib = 3000 / (230 × 1,0) = 13,04 A.
2. Kuormitettavuusehto: 1,5 mm² kestää 15,5 A, joten se täyttää ehdon. Virran mukainen vähimmäisala on 1,5 mm².
3. Sallittu jännitehäviö: ΔU_max = 5 % × 230 V = 11,5 V.
4. Jännitehäviön vaatima ala: S_jh = (2 × (1/56) × 50 × 13,04) / 11,5 = 2,0 mm².
5. Seuraava normitettu ala on 2,5 mm². Se on suurempi kahdesta vaatimuksesta, joten valinta on 2,5 mm².
6. Suojakatkaisija: pienin normitettu arvo, joka on vähintään 13,04 A, on 16 A.
7. Todellinen jännitehäviö 2,5 mm² kaapelilla: 9,3 V, eli noin 4,0 % 230 voltista.

Samalla 1,5 mm² kaapelilla jännitehäviö olisi noin 15,5 V eli noin 6,7 %, mikä ylittää rajan. Tämä selittää, miksi pituus on mitoituksessa yhtä tärkeä kuin virta. Esimerkki osoittaa myös, että pelkkä virta-arvo ei riitä: suurempi poikkipinta-ala voi olla välttämätön jo pelkän pituuden takia, vaikka kuormitettavuus olisi riittävä.

Suojakatkaisijan valinta

Suojakatkaisijan nimellisvirran on oltava vähintään mitoitusvirta, mutta se ei saa ylittää kaapelin kuormitettavuutta Iz. Laskuri ehdottaa pienintä normitettua arvoa, joka täyttää mitoitusvirran vaatimuksen. Nimellisvirrat noudattavat standardisarjaa IEC 60898-1: 6, 10, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80 ja 100 A. Jos asennuksessa on vikavirtasuojaus, suojakatkaisija ja vikavirtasuojakytkin valitaan yhteensopivasti sähköalan ammattilaisen toimesta.

Asennustapa B2 ja muut tilanteet

Tämä laskuri käyttää menetelmää B2. Se kuvaa monijohtimista kaapelia, joka on asennettu putkeen seinälle, ympäristön lämpötilan ollessa 30 °C. Menetelmä B2 ei kuvaa kaapelia lämpöeristetyn seinän sisällä, jota koskee menetelmä A2. Maahan upotetun kaapelin, ilmassa olevan kaapelin tai kaapelikanavassa kulkevan kaapelin kuormitettavuus on erilainen, ja silloin on sovellettava standardin korjauskertoimia. Sama pätee, jos ympäristön lämpötila poikkeaa merkittävästi 30 °C:sta tai jos samassa putkessa kulkee useita piirejä. Tällöin kuormitettavuus pienenee ja vaadittu poikkipinta-ala kasvaa. Laskuri ei sovella näitä kertoimia, joten tulos voi aliarvioida tai yliarvioida tarvittavan poikkipinta-alan. Lämpötila vaikuttaa myös käytännössä: ullakolla tai ulkoseinän sisäpuolella lämpötila voi olla selvästi korkeampi kuin laskennan 30 °C, jolloin kuormitettavuus pienenee. Tämä kannattaa huomioida ennen kuin valitset pienimmän mahdollisen poikkipinta-alan.

Milloin laskuria käytetään ja milloin ei

Laskuri sopii ensimmäiseen arvioon, kun suunnitellaan uutta pistorasiapiiriä, lisätään laite olemassa olevaan asuntoon tai vertaillaan vaihtoehtoja ennen urakkatarjouksen pyytämistä. Se ei sovellu lopulliseen suunnitteluun. Sitä ei myöskään pidä käyttää kylpyhuoneiden ja saunojen asennuksiin, koska niihin liittyy omat vaatimuksensa. Sama koskee sähköauton latausasemia ja suuria teollisia kuormia, joiden mitoitus vaatii laajemman tarkastelun.

Yleisiä virheitä

Tyypillisin virhe on mitata pituus suoraan huoneiden väliltä. Kaapeli kulkee yleensä sähkötaulusta lattian tai katon kautta, ja reitti voi olla huomattavasti pidempi. Toinen virhe on sekoittaa teho ja virta. Laskuri vaatii tehon kilowatteina. Jos laitteen tyyppikilvessä on vain virta, teho saadaan yksivaiheisessa piirissä kaavalla P = V × I × cos φ ja kolmivaiheisessa kaavalla P = √3 × V × I × cos φ.

Kolmas virhe on käyttää tehokertoimena yhtä arvoa kaikille laitteille. Moottorien ja ilmastointilaitteiden tehokerroin on hyvä tarkistaa laitteen tiedoista, koska se poikkeaa vastuskuormien arvosta 1,0. Neljäs virhe on unohtaa tulevat laitteet. Jos piiriin lisätään myöhemmin kuormaa, kaapelin ylimitoitus voi säästää uudelleenkaapeloinnilta.

Viranomaiset ja vastuut

Suomessa sähköturvallisuuden valvonnasta vastaa Turvallisuus- ja kemikaalivirasto Tukes sähköturvallisuuslain (1135/2016) nojalla. Sähköasennuksen suunnittelun ja toteutuksen kannattaa tehdä pätevä sähköalan ammattilainen. Tämä laskuri ei korvaa tätä työtä, mutta se auttaa ymmärtämään, mitkä tekijät määräävät kaapelin koon. Mitoitusperusteet kannattaa säilyttää, jotta myöhempien muutosten vaikutus on helppo arvioida.