Kaapelin mitoitus: laske poikkipinta-ala, jännitehäviö ja sulake (230 V ja 12 V)

Miten kaapelin mitoitus lasketaan?

Kaapelin mitoituksessa tarkistetaan kolme asiaa: kestääkö kaapeli kuormitusvirran lämpenemättä liikaa (kuormitettavuus), jääkö jännitehäviö sallitun rajan alle ja toimiiko suojalaite eli sulake vikatilanteessa oikein. Kaapelin mitoituslaskuri tekee saman laskun, mutta jännitehäviön osuuden voit laskea itse kaavalla:

A = 2 × L × I × ρ / ΔU

• A = poikkipinta-ala (mm²)
• L = matka syötöstä kuormaan yhteen suuntaan (m); kerroin 2 huomioi meno- ja paluujohtimen
• I = kuormitusvirta (A)
• ρ = johtimen resistiivisyys: kuparilla 0,0175 Ω·mm²/m 20 °C:ssa, ja lämmenneen johtimen laskenta-arvona käytetään yleisesti 0,0225 Ω·mm²/m
• ΔU = sallittu jännitehäviö voltteina, esimerkiksi 3 % × 230 V = 6,9 V

Laskin tämän sivun taulukot varovaisemmalla arvolla 0,0225 ja tehokertoimella 1, joka vastaa vastuskuormia kuten lämmittimiä. Jos tiedät laitteen tehon mutta et virtaa, saat virran kaavasta I = P / U; kaavat on koottu teho, jännite ja virta -oppaaseen. Muita valmiita laskelmia löydät laskurit-sivulta.

Esimerkki: 230 V, 16 A ja 30 metrin kaapeli

Autotallin pistorasiaryhmälle tarvitaan 230 V:n kaapeli 30 metrin päähän, ja suojalaite on 16 A. Sallittu jännitehäviö on 3 % eli 6,9 V.

A = 2 × 30 × 16 × 0,0225 / 6,9 = 3,13 mm². Seuraava standardikoko on 4 mm². Tarkistus: 4 mm²:n kaapelilla jännitehäviö on 2 × 30 × 16 × 0,0225 / 4 = 5,4 V eli 2,3 %. Jos valitsisit 2,5 mm²:n kaapelin, häviö olisi 8,6 V eli 3,8 %: 5 %:n rajan sisällä mutta yli 3 %:n tavoitteen.

Häviö on myös rahaa. Johtimissa lämmöksi muuttuva teho on I² × R. 24 metrin 2,5 mm²:n kaapelin silmukkaresistanssi on noin 0,43 Ω, joten 16 A:n virralla häviötä syntyy noin 110 W. Satunnaisessa käytössä summa on pieni, mutta jatkuvassa kuormassa, kuten lämmittimessä, paksumpi kaapeli pienentää sähkölaskua koko käyttöiän ajan.

Kaapelin mitoitus 230 V: suurin pituus jännitehäviön mukaan

Taulukoissa on suurin yhdensuuntainen kaapelin pituus metreinä, jolla jännitehäviö pysyy rajan sisällä yksivaiheisessa 230 V:n kuparikaapelissa.

– = yhdistelmä ei yleensä täytä kuormitettavuusehtoa. Taulukot kertovat vain jännitehäviön: kuormitettavuus ja suojalaite tarkistetaan aina erikseen asennustavan mukaan.

Kolmivaihe 400 V: miten laskenta muuttuu?

Kolmivaiheisessa, tasaisesti kuormitetussa piirissä nollajohtimessa ei kulje virtaa, joten kerroin 2 vaihtuu kertoimeksi √3, kun häviö lasketaan pääjännitteestä 400 V:

ΔU = √3 × L × I × ρ / A

Esimerkki: 3 × 16 A:n syöttö 40 metrin päähän 6 mm²:n kaapelilla. ΔU = 1,732 × 40 × 16 × 0,0225 / 6 = 4,2 V eli noin 1,0 % 400 voltista. Kolmivaihesyöttö kantaa siis samaa virtaa selvästi pidemmälle kuin yksivaiheinen piiri, ja 3 × 16 A riittää noin 11 kW:n kuormalle (√3 × 400 V × 16 A).

Miten valita sulake kaapelin poikkipinta-alan perusteella?

Ylikuormitussuojauksen perussääntö on Ib ≤ In ≤ Iz: suunnitteluvirta Ib ei saa ylittää suojalaitteen nimellisvirtaa In, eikä In saa ylittää kaapelin kuormitettavuutta Iz kyseisessä asennustavassa. Sulake suojaa siis kaapelia, ei laitetta.

Asuinrakennuksissa yleinen yhdistelmä on 1,5 mm²:n kuparijohdin ja 10 A:n suojalaite valaistusryhmissä sekä 2,5 mm² ja 16 A pistorasiaryhmissä. Isompi sulake ohuelle kaapelille on vaarallinen, koska kaapeli voi ylikuumentua ennen kuin suojalaite laukeaa.

Moottoreiden käynnistysvirta on hetkellisesti moninkertainen nimellisvirtaan nähden, mikä huomioidaan suojalaitteen laukaisukäyrän valinnassa. Jännitehäviön ja sulakkeen yhteisvaikutusta käsittelen tarkemmin jännitehäviön laskemista koskevassa jutussa.

12 V kaapelin mitoitus: miksi kaapelin pitää olla paksumpi?

12 V:n järjestelmiä on autoissa, veneissä, matkailuautoissa ja mökkien aurinkosähköjärjestelmissä. Kaava on sama, mutta sallittu jännitehäviö voltteina on pieni: 3 % 12 voltista on vain 0,36 V. Lisäksi sama teho vaatii 12 V:lla noin 19-kertaisen virran 230 volttiin verrattuna.

Esimerkki: 10 A:n laite on 3 metrin päässä akusta. 3 %:n häviöllä A = 2 × 3 × 10 × 0,0225 / 0,36 = 3,75 mm², joten valitaan 4 mm². Jos 5 %:n häviö riittää, tulos on 2,25 mm² ja 2,5 mm² kelpaa. 20 A:n kuormalle 5 metrin päähän tarvitaan 3 %:n häviöllä jo 12,5 mm² eli 16 mm²:n kaapeli.

Sekä plus- että miinusjohdin lasketaan mukaan: kaavan kerroin 2 tekee sen puolestasi, kun L on matka akusta laitteeseen. Jos käytät kaavaa, jossa pituutena on johtimien yhteispituus, kerrointa ei tarvita.

Sallittu häviö riippuu käytöstä. Latauksessa ja herkillä laitteilla tähdätään noin 3 %:iin, kun taas esimerkiksi moottorikuormille sallitaan usein jopa 10 %. Laitteen valmistajan ohje kertoo, paljonko jännite saa laskea.

Virtakaapelin paksuus taulukko 12 V

Taulukoissa matka on etäisyys akusta laitteeseen yhteen suuntaan, ja poikkipinta-ala on pyöristetty seuraavaan standardikokoon.

Taulukot huomioivat vain jännitehäviön. Suurilla virroilla tarkista lisäksi kaapelivalmistajan ilmoittama kuormitettavuus ja mitoita sulake kaapelin mukaan.

Teho watteina: kaapelin koko 12 V:n ja 24 V:n järjestelmässä

Jos tiedät laitteen tehon, virta on I = P / U. Taulukossa on virta 12 ja 24 V:n järjestelmässä sekä poikkipinta-ala, joka riittää 3 %:n jännitehäviöön, kun laite on 2 metrin päässä akusta.

Esimerkiksi 1 000 W:n invertteri ottaa 12 V:n akusta noin 83 A, mikä vaatii 2 metrin matkalla 25 mm²:n kaapelin. Invertterin hyötysuhteen takia todellinen virta on vielä hieman suurempi. 24 V:n järjestelmässä virta puolittuu ja häviöjännite saa olla kaksinkertainen, joten 6 mm² riittää. Siksi isommissa aurinkosähkö- ja venejärjestelmissä käytetään usein 24 tai 48 volttia.

AWG ja mm²: muuntotaulukko

Amerikkalaisissa laitteissa ja veneissä kaapelit merkitään usein AWG-numerolla (American Wire Gauge). Mitä pienempi numero, sitä paksumpi johdin. AWG-koon halkaisija määritellään kaavalla d = 0,127 mm × 92^{(36 − n)/39}, ja alla olevat pinta-alat on laskettu sen mukaan.

Kaupassa 1/0 rinnastetaan usein 50 mm²:iin ja 4/0 120 mm²:iin, vaikka pinta-alat eivät ole täsmälleen samat. Kun korvaat AWG-kaapelin metrisellä, valitse sama tai suurempi pinta-ala, jotta jännitehäviö ei kasva.

Kaapelin kuormitettavuus: asennustapa, lämpötila ja materiaali

Kuormitettavuus eli virta, jonka kaapeli kestää jatkuvasti ylikuumenematta, riippuu poikkipinta-alan lisäksi asennustavasta, ympäristön lämpötilasta, vierekkäisten kaapelien määrästä ja eristemateriaalista. Sama 2,5 mm²:n johdin kestää lämpöeristetyn seinän sisällä selvästi vähemmän virtaa kuin vapaasti ilmassa, koska lämpö ei pääse haihtumaan.

Standardin kuormitettavuustaulukot on laadittu vertailuolosuhteisiin, ja poikkeamiin käytetään korjauskertoimia: kuuma ympäristö ja nipussa kulkevat kaapelit pienentävät kuormitettavuutta. Siksi arvo tarkistetaan aina kaapelivalmistajan tai standardin taulukosta juuri kyseiselle asennustavalle.

Kupari vai alumiini?

Alumiinin resistiivisyys on noin 1,6-kertainen kupariin verrattuna (20 °C:ssa noin 0,028 ja kuparilla 0,0175 Ω·mm²/m), joten samaan jännitehäviöön tarvitaan alumiinilla noin 1,6 kertaa suurempi poikkipinta-ala. Alumiinia käytetään lähinnä suurissa syöttö- ja maakaapeleissa, kun taas pienet asennus- ja ajoneuvokaapelit ovat kuparia.

Saako kaapelin asentaa itse? Tukesin säännöt

Tukesin mukaan varsinaiset sähkötyöt on aina teetettävä sähköalan ammattilaisella, jolla on rekisteröity oikeus sähkötöihin. Maallikko saa tehdä vain pieniä töitä, esimerkiksi:

• korjata ja rakentaa yksivaiheisia jatkojohtoja
• vaihtaa vahingoittuneen yksivaiheisen liitäntäjohdon ja pistotulpan
• liittää kodin valaisimen valaisinliittimellä ja vaihtaa vanhan liittimen tilalle uudenmallisen kattorasian ilman johdotustyötä
• koota ja korjata sähkölaitteita harrastuksena

Kiinteän 230 V:n kaapelin vetäminen esimerkiksi autotalliin tai pihalle on siis urakoitsijan työtä, ja urakoitsijan oikeudet voi tarkistaa Tukesin rekisteristä. Laskelma on silti hyödyllinen: kun tiedät, minkä kokoista kaapelia matka vaatii, ymmärrät tarjouksen sisällön ja voit verrata tarjouksia.

Jos sähkötyö on osa isompaa remonttia, kustannukset kannattaa laskea yhteen. Remontin rahoitusvaihtoehtoja vertaan remonttilainaa käsittelevällä sivulla, ja kuukausierän voit tarkistaa lainalaskurilla.

SFS 6000 ja mitä laskukaava ei kerro

SFS 6000 on Suomen pienjännitesähköasennuksia koskeva standardisarja, joka perustuu kansainväliseen IEC 60364 -sarjaan. Sen osa 5-52 käsittelee johtojärjestelmiä, kuten kaapeleiden kuormitettavuutta ja jännitteenalenemaa.

Laskureissa yleinen oletus, 3 % valaistukselle ja 5 % muille kuormille, vastaa IEC 60364-5-52:n liitteen suositusarvoja yleisestä jakeluverkosta syötetyille asennuksille. Kohteeseen sovellettavan rajan tarkistaa sähkösuunnittelija tai -urakoitsija.

Kaava ei myöskään kerro kaikkea. Lopullisessa mitoituksessa tarkistetaan lisäksi oikosulkusuojaus ja syötön impedanssi, vikavirtasuojaus, asennustavan korjauskertoimet sekä se, että suojalaite laukeaa vikatilanteessa riittävän nopeasti. Samantyyppisiä työkaluja rahan ja kulutuksen laskemiseen löydät Finaron laskureista.