Grzanie się przewodów elektrycznych jest sygnałem, którego nie należy ignorować. Podwyższona temperatura może wynikać z przeciążenia, nieprawidłowego doboru przekroju, luźnego połączenia lub niewłaściwych warunków chłodzenia. W instalacjach przemysłowych przyczyna bywa jednak bardziej złożona.

Rosnąca liczba falowników, zasilaczy impulsowych, serwonapędów, urządzeń LED, systemów UPS i innych odbiorników energoelektronicznych zmienia charakter przepływu prądu. Prąd może być odkształcony, niesymetryczny oraz zawierać znaczący udział wyższych harmonicznych.

W takiej sytuacji przewód może nagrzewać się mimo pozornie prawidłowego obciążenia wynikającego ze wskazań standardowego miernika lub danych znamionowych odbiorników.

Prawidłowa diagnoza wymaga uwzględnienia całego układu: obciążenia, przekroju przewodów, sposobu ich ułożenia, jakości połączeń, harmonicznych, asymetrii faz oraz temperatury otoczenia.

Dlaczego przewód elektryczny się nagrzewa?

Każdy przewód ma określoną rezystancję. Przepływ prądu powoduje wydzielanie ciepła, którego ilość rośnie wraz z wartością prądu i rezystancją toru.

W normalnych warunkach temperatura przewodu stabilizuje się na poziomie dopuszczalnym dla zastosowanego materiału, izolacji i sposobu ułożenia.

Problem pojawia się, gdy:

• prąd jest większy od dopuszczalnego,
• rezystancja połączenia wzrasta,
• odprowadzanie ciepła jest utrudnione,
• przewód pracuje w wysokiej temperaturze otoczenia,
• przebieg prądu jest silnie odkształcony,
• występuje duża asymetria obciążenia,
• w przewodzie neutralnym sumują się harmoniczne.

Długotrwałe przegrzewanie może przyspieszać starzenie izolacji, pogarszać jakość połączeń i zwiększać ryzyko awarii.

Jaka temperatura przewodu powinna niepokoić?

Nie istnieje jedna uniwersalna temperatura graniczna dla wszystkich przewodów.

Dopuszczalna temperatura zależy między innymi od:

• materiału żyły,
• rodzaju izolacji,
• klasy temperaturowej przewodu,
• przekroju,
• sposobu ułożenia,
• liczby obciążonych przewodów,
• temperatury otoczenia,
• warunków wentylacji,
• wymagań producenta.

Inne warunki obowiązują dla przewodu prowadzonego pojedynczo w powietrzu, a inne dla wielu kabli ułożonych razem w zamkniętym korycie.

Dlatego pomiar temperatury należy interpretować razem z dokumentacją przewodu i warunkami jego zabudowy.

Szczególną uwagę powinny zwrócić:

• wyraźnie cieplejsza jedna faza,
• lokalne przegrzanie przy zacisku,
• nagrzewanie przewodu neutralnego,
• wzrost temperatury po uruchomieniu konkretnej maszyny,
• rosnąca temperatura mimo niezmienionego obciążenia,
• ślady przebarwienia izolacji,
• zapach przegrzanej izolacji,
• cykliczne wyzwalanie zabezpieczeń.

Najczęstsze przyczyny grzania się przewodów elektrycznych

Przeciążenie przewodu

Najbardziej oczywistą przyczyną jest przepływ prądu większego niż długotrwała obciążalność przewodu.

Może do tego dojść wskutek:

• zwiększenia mocy odbiorników,
• dołączenia nowych maszyn,
• zmiany profilu produkcji,
• większego współczynnika jednoczesności,
• nieprawidłowego doboru zabezpieczenia,
• pracy urządzeń powyżej wartości znamionowych,
• przeciążenia jednej fazy.

Instalacja zaprojektowana wiele lat wcześniej może nie być dostosowana do współczesnego parku maszynowego.

Pojedyncze urządzenia mogły zostać wymienione na bardziej wydajne, ale jednocześnie bardziej obciążające instalację. Często problem ujawnia się dopiero po uruchomieniu kolejnej linii, falownika lub systemu automatyki.

Zbyt mały przekrój przewodu

Jeżeli przekrój jest niewystarczający w stosunku do prądu, sposobu ułożenia i długości trasy, wzrastają:

• straty cieplne,
• spadki napięcia,
• temperatura żył,
• obciążenie izolacji.

Dobór przewodu nie powinien opierać się wyłącznie na mocy znamionowej odbiornika.

Należy uwzględnić:

• prąd roboczy,
• sposób prowadzenia,
• temperaturę otoczenia,
• liczbę przewodów w wiązce,
• długość,
• dopuszczalny spadek napięcia,
• charakter obciążenia,
• zawartość harmonicznych,
• prądy rozruchowe.

Luźne lub uszkodzone połączenie

Lokalne przegrzewanie w okolicy zacisku często wynika ze wzrostu rezystancji połączenia.

Przyczyną może być:

• niedokręcony zacisk,
• niewłaściwa końcówka kablowa,
• utlenienie powierzchni,
• korozja,
• drgania,
• cykliczne zmiany temperatury,
• uszkodzenie żyły,
• nieprawidłowe przygotowanie przewodu,
• poluzowanie połączenia po wieloletniej pracy.

Nawet niewielki wzrost rezystancji w punkcie połączenia może powodować silne lokalne nagrzewanie.

Charakterystycznym objawem jest wysoka temperatura jednego zacisku przy prawidłowej temperaturze pozostałej części przewodu.

Nieprawidłowe warunki ułożenia

Przewód może mieć prawidłowy przekrój, ale pracować w warunkach gorszych niż zakładane podczas projektowania.

Dotyczy to między innymi:

• prowadzenia wielu kabli w jednej wiązce,
• zamkniętych koryt bez wentylacji,
• tras znajdujących się przy źródłach ciepła,
• wysokiej temperatury w rozdzielni,
• zabrudzonych kanałów kablowych,
• ułożenia w izolacji cieplnej,
• ograniczonego przepływu powietrza.

W takich warunkach obciążalność przewodu jest mniejsza niż w warunkach referencyjnych.

Asymetria obciążenia faz

W instalacji trójfazowej prądy w poszczególnych fazach powinny być możliwie równomierne.

Jeżeli jedna faza jest bardziej obciążona, przewód tej fazy może osiągać wyższą temperaturę, mimo że całkowita moc instalacji nie wydaje się nadmierna.

Asymetria może wynikać z:

• nierównomiernego rozdziału odbiorników jednofazowych,
• zmiany sposobu pracy maszyn,
• niesymetrycznego obciążenia linii,
• uszkodzenia jednej z faz,
• problemów z połączeniami,
• nierównych napięć fazowych.

Pomiar samego prądu średniego nie wystarczy. Każdą fazę należy analizować oddzielnie.

Wyższe harmoniczne prądu

W instalacjach z odbiornikami nieliniowymi przebieg prądu nie jest sinusoidalny.

Wyższe harmoniczne zwiększają wartość skuteczną prądu i powodują dodatkowe straty w przewodach, transformatorach oraz innych elementach instalacji.

Źródłami harmonicznych są między innymi:

• falowniki,
• serwonapędy,
• prostowniki,
• zasilacze impulsowe,
• systemy UPS,
• urządzenia LED,
• spawarki,
• regulatory elektroniczne,
• ładowarki,
• instalacje fotowoltaiczne.

Przewód może zatem przenosić większe obciążenie cieplne, niż sugeruje analiza samej składowej podstawowej prądu.

Jak harmoniczne powodują nagrzewanie przewodów?

Prąd odkształcony składa się ze składowej podstawowej oraz wyższych harmonicznych.

Każda składowa przyczynia się do wartości skutecznej prądu i strat cieplnych. Jeżeli udział harmonicznych jest wysoki, całkowity prąd skuteczny może być większy niż wartość wynikająca ze składowej podstawowej.

Dodatkowo wraz ze wzrostem częstotliwości mogą nasilać się zjawiska powodujące nierównomierny rozkład prądu w przewodniku.

W praktyce harmoniczne mogą prowadzić do:

• zwiększenia strat cieplnych,
• wzrostu temperatury żył,
• większego spadku napięcia,
• obciążenia zacisków i szyn,
• przyspieszonego starzenia izolacji,
• zmniejszenia dostępnej obciążalności instalacji.

Skala problemu zależy od poziomu harmonicznych, wartości prądu, przekroju, materiału przewodu oraz sposobu jego ułożenia.

Dlaczego nagrzewa się przewód neutralny?

Przewód neutralny może nagrzewać się z kilku powodów.

Najczęstsze to:

• nierównomierne obciążenie faz,
• duża liczba odbiorników jednofazowych,
• obecność harmonicznych trzeciego rzędu,
• zbyt mały przekrój,
• luźne połączenie,
• uszkodzenie żyły.

W idealnie symetrycznej instalacji z sinusoidalnymi prądami składowa podstawowa w przewodzie neutralnym jest niewielka.

Inaczej zachowują się harmoniczne trzeciego rzędu oraz ich nieparzyste wielokrotności. W poszczególnych fazach mogą być zgodne w fazie, dlatego w przewodzie neutralnym nie znoszą się, lecz sumują.

W rezultacie prąd przewodu neutralnego może być:

• wyższy niż oczekiwano,
• porównywalny z prądami fazowymi,
• w określonych warunkach większy od prądu pojedynczej fazy.

Problem jest szczególnie istotny w obiektach z dużą liczbą:

• komputerów,
• serwerów,
• zasilaczy impulsowych,
• urządzeń LED,
• elektroniki biurowej,
• odbiorników jednofazowych.

Czy przewód neutralny może być bardziej obciążony niż fazowy?

Tak, w instalacji z dużym udziałem harmonicznych trzeciego rzędu jest to możliwe.

Przewód neutralny może przenosić jednocześnie:

• prąd wynikający z asymetrii obciążeń,
• sumę harmonicznych trzeciego rzędu z poszczególnych faz.

Dlatego założenie, że przewód neutralny zawsze przenosi mniejszy prąd niż przewody fazowe, może być błędne.

W instalacjach z dużą liczbą odbiorników elektronicznych należy mierzyć rzeczywisty prąd przewodu neutralnego oraz analizować jego widmo.

Grzanie przewodów a falowniki

Falowniki wpływają na instalację na kilka sposobów.

Ich wejściowy układ prostownikowy pobiera prąd impulsowo, co powoduje powstawanie harmonicznych. Przy większej liczbie falowników skumulowany poziom prądów odkształconych może zwiększać obciążenie:

• przewodów,
• transformatora,
• szyn zbiorczych,
• aparatury rozdzielczej.

Dodatkowo duża liczba napędów może powodować:

• dynamiczne zmiany obciążenia,
• asymetrię,
• wzrost mocy biernej odkształcenia,
• spadki napięcia,
• lokalne przeciążenia odpływów.

Sama obecność falownika nie oznacza, że instalacja będzie się przegrzewać. Znaczenie mają jego moc, konstrukcja, obciążenie, liczba podobnych urządzeń oraz parametry sieci.

Grzanie przewodów a oświetlenie LED

Oświetlenie LED jest energooszczędne, ale jego zasilacze mogą pobierać prąd o odkształconym przebiegu.

W dużych obiektach przemysłowych i komercyjnych setki lub tysiące opraw mogą powodować:

• wzrost harmonicznych trzeciego rzędu,
• obciążenie przewodu neutralnego,
• moc bierną pojemnościową,
• zwiększenie prądu w wybranych obwodach,
• nagrzewanie zacisków i przewodów.

Problem jest szczególnie prawdopodobny po modernizacji oświetlenia, gdy stare oprawy zostały zastąpione LED bez ponownej analizy parametrów instalacji.

Niższa moc czynna nie zawsze oznacza proporcjonalnie mniejsze obciążenie wszystkich elementów sieci.

Grzanie przewodów a moc bierna

Moc bierna zwiększa wartość prądu płynącego w instalacji bez proporcjonalnego wzrostu użytecznej mocy czynnej.

Większy prąd oznacza:

• większe straty w przewodach,
• wyższą temperaturę,
• większy spadek napięcia,
• mniejszą rezerwę przesyłową instalacji.

Dotyczy to zarówno mocy biernej związanej z przesunięciem fazowym, jak i obciążeń o odkształconym przebiegu prądu.

Kompensacja mocy biernej może ograniczyć część niepotrzebnego przepływu prądu, ale nie usuwa automatycznie harmonicznych.

W instalacji z dużym udziałem odbiorników nieliniowych potrzebna jest analiza obu zjawisk.

Grzanie się przewodów mimo prawidłowego zabezpieczenia

Zabezpieczenie nadprądowe nie zawsze reaguje na wszystkie sytuacje prowadzące do przegrzewania.

Przewód może nagrzewać się mimo braku wyzwolenia zabezpieczenia, gdy:

• występuje lokalne luźne połączenie,
• temperatura otoczenia jest wysoka,
• kilka przewodów ułożono w jednej wiązce,
• prąd zawiera harmoniczne,
• zabezpieczenie dobrano do innego sposobu ułożenia,
• przewód jest długotrwale obciążony blisko granicy,
• przepływ powietrza jest ograniczony,
• występuje niesymetryczne obciążenie.

Zabezpieczenie chroni przed określonymi stanami przeciążeniowymi i zwarciowymi, ale nie zastępuje kontroli temperatury oraz jakości połączeń.

Grzanie przewodów po uruchomieniu nowej maszyny

Jeżeli problem pojawił się po uruchomieniu nowej maszyny, należy sprawdzić:

• jej rzeczywisty prąd wejściowy,
• prąd podczas poszczególnych etapów cyklu,
• harmoniczne,
• moc bierną,
• asymetrię faz,
• wpływ na inne odbiorniki,
• miejsce przyłączenia,
• obciążenie transformatora i rozdzielnicy.

Nowa maszyna może nie tylko zwiększać pobór prądu, ale także zmieniać profil całej instalacji.

Szczególnie istotne są urządzenia zawierające:

• falowniki,
• serwonapędy,
• prostowniki,
• zgrzewarki,
• nagrzewnice sterowane elektronicznie,
• zasilacze dużej mocy.

Problem może ujawniać się tylko podczas określonego etapu cyklu technologicznego, dlatego pomiar powinien obejmować pełną pracę maszyny.

Jakie zagrożenia powoduje przegrzewanie przewodów?

Długotrwale podwyższona temperatura może prowadzić do:

• przyspieszonego starzenia izolacji,
• utraty właściwości mechanicznych,
• pękania i kruszenia izolacji,
• pogorszenia jakości połączeń,
• wzrostu rezystancji,
• dalszego zwiększenia temperatury,
• zwarcia,
• przestoju instalacji,
• uszkodzenia urządzeń,
• ryzyka pożaru.

Przegrzewanie może rozwijać się stopniowo. Instalacja przez długi czas może działać bez wyraźnego alarmu, mimo że jej trwałość systematycznie się zmniejsza.

Dlatego termowizja i pomiary okresowe są ważnym elementem utrzymania ruchu.

Jak diagnozować grzanie się przewodów elektrycznych?

Diagnostyka powinna obejmować kilka etapów.

1. Oględziny instalacji

Należy sprawdzić:

• przebarwienia,
• ślady nadtopienia,
• zapach przegrzanej izolacji,
• stan zacisków,
• jakość końcówek kablowych,
• luźne połączenia,
• uszkodzenia mechaniczne,
• zabrudzenia,
• warunki wentylacji.

2. Pomiar temperatury

Pomocne mogą być:

• kamera termowizyjna,
• czujniki temperatury,
• pomiary kontaktowe,
• monitoring temperatury rozdzielnicy.

Termowizję należy wykonywać przy reprezentatywnym obciążeniu. Badanie nie powinno ograniczać się do momentu, gdy większość urządzeń jest wyłączona.

3. Pomiar prądów fazowych i neutralnego

Należy zarejestrować:

• prąd każdej fazy,
• prąd przewodu neutralnego,
• wartość skuteczną,
• asymetrię,
• zmienność w czasie,
• prądy podczas rozruchu i cyklu produkcyjnego.

4. Analiza harmonicznych

Jeżeli w instalacji pracują odbiorniki nieliniowe, warto zmierzyć:

• THDi,
• widmo harmonicznych,
• udział trzeciej harmonicznej,
• harmoniczne w przewodzie neutralnym,
• THDu,
• wartości prądów poszczególnych harmonicznych.

Sama wartość procentowa THDi nie wystarczy. Należy ją interpretować razem z rzeczywistą wartością prądu.

5. Kontrola spadków napięcia

Zwiększona rezystancja, zbyt mały przekrój lub przeciążenie mogą powodować podwyższony spadek napięcia.

Pomiar należy wykonać w warunkach rzeczywistego obciążenia.

6. Weryfikacja doboru przewodów

Należy ponownie ocenić:

• przekrój,
• materiał żyły,
• sposób ułożenia,
• temperaturę otoczenia,
• współczynniki korekcyjne,
• długość,
• obciążenie długotrwałe,
• charakter prądu,
• zabezpieczenie.

Dlaczego zwykły pomiar prądu może nie wystarczyć?

Standardowy pomiar może nie ujawnić pełnego obrazu, zwłaszcza gdy:

• obciążenie zmienia się dynamicznie,
• problem występuje tylko podczas określonego cyklu,
• prąd jest odkształcony,
• miernik nie rejestruje harmonicznych,
• występują krótkotrwałe przeciążenia,
• przewód neutralny nie został objęty pomiarem,
• analizowana jest tylko jedna faza.

W złożonych instalacjach potrzebna jest rejestracja parametrów w czasie, a nie pojedynczy odczyt.

Kiedy wykonać analizę jakości energii?

Analiza jest szczególnie uzasadniona, gdy:

• przewody nagrzewają się mimo pozornie prawidłowego obciążenia,
• przewód neutralny ma wysoką temperaturę,
• w instalacji pracuje wiele falowników lub zasilaczy impulsowych,
• występuje duża liczba odbiorników LED,
• transformator również nadmiernie się nagrzewa,
• problem pojawił się po modernizacji zakładu,
• występują jednocześnie awarie elektroniki,
• wyzwalają zabezpieczenia,
• pojawiają się spadki napięcia,
• obciążenia faz są nierównomierne.

Pomiar powinien obejmować pełny cykl pracy zakładu oraz punkty, w których występuje podwyższona temperatura.

Jak ograniczyć grzanie się przewodów?

Działania zależą od zidentyfikowanej przyczyny.

Mogą obejmować:

• poprawę lub wymianę połączeń,
• zwiększenie przekroju przewodu,
• zmianę sposobu ułożenia,
• poprawę wentylacji,
• zmniejszenie obciążenia,
• prawidłowy rozdział odbiorników między fazy,
• zmianę miejsca przyłączenia,
• modernizację rozdzielnicy,
• ograniczenie harmonicznych,
• redukcję prądu przewodu neutralnego,
• kompensację mocy biernej,
• monitoring temperatury i prądów.

Jeżeli przyczyną jest kilka zjawisk jednocześnie, konieczne może być połączenie działań instalacyjnych z poprawą parametrów jakości energii.

Kiedy filtr aktywny może ograniczyć obciążenie przewodów?

Filtr aktywny może mieć zastosowanie, gdy pomiary potwierdzą:

• wysoki poziom harmonicznych prądu,
• nadmierny udział trzeciej harmonicznej,
• przeciążenie przewodu neutralnego,
• asymetrię prądów fazowych,
• nadmierny pobór mocy biernej,
• zmienny charakter obciążenia.

Urządzenie mierzy parametry instalacji i generuje prąd kompensacyjny odpowiedni do aktualnego stanu sieci.

W zależności od konfiguracji może realizować:

• filtrację harmonicznych prądu,
• kompensację mocy biernej,
• symetryzację prądów,
• redukcję prądu przewodu neutralnego.

Nie oznacza to jednak, że filtr aktywny zastąpi wymianę zbyt małego przewodu albo naprawę uszkodzonego zacisku.

Rozwiązanie powinno być stosowane wtedy, gdy przyczyną zwiększonego obciążenia są zjawiska możliwe do ograniczenia za pomocą aktywnej kompensacji.

Więcej informacji o urządzeniach przeznaczonych do filtracji harmonicznych, symetryzacji prądów i kompensacji mocy biernej znajduje się w opisie rozwiązań do kondycjonowania energii elektrycznej.

Jak dobrać rozwiązanie?

Proces powinien obejmować:

1. pomiar temperatury przewodów i połączeń,
2. rejestrację prądów fazowych i neutralnego,
3. analizę widma harmonicznych,
4. ocenę asymetrii,
5. kontrolę mocy biernej,
6. weryfikację przekrojów i warunków ułożenia,
7. identyfikację głównych źródeł obciążenia,
8. określenie wymaganych działań.

Dopiero wtedy można zdecydować, czy potrzebna jest:

• naprawa połączenia,
• wymiana przewodu,
• zmiana rozdziału obciążeń,
• modernizacja instalacji,
• filtr aktywny,
• kompensator mocy biernej,
• połączenie kilku rozwiązań.

Grzanie się przewodów elektrycznych – podsumowanie

Grzanie się przewodów elektrycznych nie zawsze wynika wyłącznie z przeciążenia lub zbyt małego przekroju.

W instalacjach przemysłowych należy uwzględnić również:

• jakość połączeń,
• sposób ułożenia,
• temperaturę otoczenia,
• asymetrię obciążeń,
• harmoniczne prądu,
• prąd przewodu neutralnego,
• moc bierną,
• zmienność procesu produkcyjnego.

Szczególnie istotne jest grzanie przewodu neutralnego w instalacjach z dużą liczbą odbiorników elektronicznych. Harmoniczne trzeciego rzędu mogą się w nim sumować i powodować obciążenie większe, niż wynikałoby z tradycyjnego podejścia do instalacji trójfazowej.

Prawidłowa diagnostyka powinna łączyć:

• termowizję,
• kontrolę połączeń,
• pomiar prądów,
• analizę harmonicznych,
• rejestrację parametrów w czasie,
• weryfikację projektu instalacji.

Działania naprawcze należy dobrać do potwierdzonej przyczyny. Filtracja harmonicznych i symetryzacja prądów mogą ograniczyć część nadmiernego obciążenia, ale nie zastępują naprawy wadliwych połączeń ani prawidłowego doboru przewodów.

FAQ – najczęstsze pytania

Dlaczego przewody elektryczne się grzeją?

Najczęstsze przyczyny to przeciążenie, zbyt mały przekrój, luźne połączenie, utrudnione chłodzenie, asymetria obciążenia oraz harmoniczne prądu.

Czy ciepły przewód oznacza awarię?

Nie każdy wzrost temperatury oznacza awarię, ponieważ przewód nagrzewa się podczas normalnej pracy. Niepokojąca jest temperatura przekraczająca dopuszczalne warunki dla danego przewodu, lokalne przegrzanie lub wyraźna różnica między fazami.

Dlaczego grzeje się tylko jeden przewód fazowy?

Może to wynikać z asymetrii obciążeń, luźnego połączenia, uszkodzenia przewodu lub większego prądu w jednej fazie.

Dlaczego grzeje się przewód neutralny?

Przyczyną może być asymetria odbiorników jednofazowych, harmoniczne trzeciego rzędu, zbyt mały przekrój lub nieprawidłowe połączenie.

Czy harmoniczne mogą nagrzewać przewody?

Tak. Zwiększają wartość skuteczną prądu i dodatkowe straty cieplne. Harmoniczne trzeciego rzędu mogą także sumować się w przewodzie neutralnym.

Czy falowniki powodują grzanie przewodów?

Falowniki mogą generować harmoniczne prądu, które zwiększają obciążenie cieplne instalacji. Rzeczywisty wpływ zależy od liczby urządzeń, ich mocy, obciążenia oraz parametrów sieci.

Czy wymiana przewodu na grubszy rozwiąże problem?

Może być konieczna, jeżeli przekrój jest niewystarczający. Nie rozwiąże jednak problemu luźnego zacisku, harmonicznych, asymetrii lub niewłaściwego rozdziału obciążeń.

Jak sprawdzić, dlaczego przewód się grzeje?

Należy połączyć kontrolę połączeń, pomiar temperatury, rejestrację prądu, analizę harmonicznych oraz weryfikację przekroju i sposobu ułożenia.

Czy filtr aktywny obniży temperaturę przewodów?

Może ograniczyć prądy harmoniczne, asymetrię i obciążenie przewodu neutralnego, jeżeli te zjawiska są przyczyną przegrzewania. Efekt należy potwierdzić pomiarami przed doborem urządzenia.

Kiedy wezwać specjalistę?

Gdy występuje zapach przegrzanej izolacji, przebarwienia, nadtopienie, silne lokalne grzanie, wyzwalanie zabezpieczeń lub wzrost temperatury przewodu neutralnego. Instalacja powinna zostać wtedy niezwłocznie sprawdzona przez osobę z odpowiednimi kwalifikacjami.