46 dr inż. Jan STROJNY ZASADY DOBORU APARATÓW

Instalacje i sieci elektryczne
dr inż. Jan STROJNY
ZASADY DOBORU APARATÓW ELEKTRYCZNYCH
1. Kryteria ogólne
Podstawą doboru aparatów elektrycznych pod względem technicznym jest zasada, że parametry układu w miejscu zainstalowania nie mogą przekraczać wartości
odpowiednich parametrów znamionowych danych aparatów. W ramach technicznego doboru aparatów należy dokonać:
• ustalenia wielkości narażeń i wynikających stąd wartości obliczeniowych,
• doboru aparatów ze względu na ich parametry podstawowe,
• doboru aparatów z uwzględnieniem ich zadań szczegółowych.
Równocześnie może być przeprowadzona analiza techniczno-ekonomiczna,
a mianowicie rachunek kosztów rocznych i wybór wariantu optymalnego w oparciu
o ocenę niezawodności zastosowanych rozwiązań technicznych. Analizę techniczno-ekonomiczną przeprowadza się zwykle dla całego przedsięwzięcia inwestycyjnego,
np. budowy stacji transformatorowo-rozdzielczej.
2. Dobór aparatów pod względem parametrów podstawowych
Każdy aparat elektryczny podlega narażeniom napięciowym i cieplnym prądowym w warunkach roboczych oraz narażeniom cieplnym i dynamicznym prądowym
w warunkach zwarciowych.
Parametry techniczne określające odporność aparatu w tym zakresie mają charakter podstawowy i są podawane dla wszystkich urządzeń.
Narażenia robocze są wyznaczone wartością napięcia znamionowego sieci
i maksymalną wartością prądu roboczego. Maksymalny prąd roboczy jest określany
na podstawie czasowo-mocowej charakterystyki dobowego obciążenia.
Pszcz
(1)
I rm =
A
3 ⋅ Un ⋅ cos ϕ
przy czym:
Pszcz – moc szczytowa czynna obciążenia 3-fazowego zmierzona lub wyznaczona
obliczeniowo w kW,
Un – napięcie znamionowe sieci w kV,
cosφ – współczynnik mocy w szczycie obciążenia.
Wartość prądu roboczego Irm nie powinna przekraczać prądu znamionowego
cieplnego podawanego przez wytwórcę danego urzadzenia.
Jeżeli przebieg zmian obciążenia nie jest znany to jako maksymalny prąd roboczy
przyjmuje się wartość prądu znamionowego transformatora.
46
Instalacje i sieci elektryczne
W niektórych przypadkach trzeba uwzględniać możliwość występowania trwałego przeciążenia urządzeń w stosunku do obliczeniowej mocy obciążenia roboczego.
Tak jest np. dla pól zasilających baterie kondensatorów, dla których jako podstawę
doboru aparatów i przewodów przyjmuje się zazwyczaj 1,3 wartości prądu znamionowego baterii, ze względu na możliwy trwały wzrost prądu związany z wystąpieniem wyższych harmonicznych lub lokalnego przyrostu napięcia na skutek pojemnościowego charakteru obwodu. Również przy doborze przekładników prądowych
uwzględnia się możliwość trwałego przeciążenia wynoszącego od 1,2 do 2,0 prądu
znamionowego strony pierwotnej.
Narażenia zwarciowe, wspólne dla wszystkich aparatów, obejmują dynamiczne
i cieplne działanie prądu zwarcia, odpowiednio określone przez prąd zwarciowy udarowy ip, zastępczy cieplny prąd zwarciowy Ith i czas trwania zwarcia Tk.
Wytrzymałość zwarciową aparatu określają znamionowy prąd szczytowy idyn
oraz prąd znamionowy krótkotrwały wytrzymywany Ithr (wartość skuteczna).
Prąd znamionowy krótkotrwały wytrzymywany jest podawany najczęściej dla czasu
zwarcia równego 1 s.
Dla doboru większości aparatów konieczna jest znajomość największej spodziewanej wartości prądu zwarciowego, a więc dla zwarcia trójfazowego. Dla bezpieczników topikowych konieczna jest również znajomość minimalnego prądu zwarciowego, który na ogół występuje podczas zwarcia jednofazowego z ziemią. Obliczanie
minimalnego prądu zwarciowego jest również konieczne dla doboru nastaw zabezpieczeń nadprądowych oraz dla sprawdzania warunków rozruchowych silników.
Rozróżnia się:
1. zwarcia odległe od generatorów, podczas których prąd zwarcia ma charakter
sinusoidalnie zmienny symetryczny o stałej amplitudzie (rys. 1). Do tej grupy należą przede wszystkim zwarcia w sieciach rozdzielczych,
2. zwarcia w pobliżu generatorów, podczas których prąd zwarciowy stanowi sumę
składowej okresowej i zanikającej składowej nieokresowej (rys. 2). Są to głównie zwarcia w sieciach zakładów przemysłowych z własnymi elektrowniami lub
z dużą liczbą silników.
i
„
2√2I k
i DC
„
2√2I k = 2√2I k
ip
A
0
t
Rys. 1. Przebieg prądu zwarciowego przy zwarciu odległym; I k'' – prąd zwarciowy początkowy,
ip – prąd udarowy, Ik – ustalony prąd zwarciowy, A – wartość początkowa składowej nieokresowej i DC
Nr 181
47
Instalacje i sieci elektryczne
i
i DC
„
2√2I k
2√2I k
ip
A
0
t
Rys. 2. Przebieg prądu zwarciowego przy zwarciu w pobliżu generatora; I k'' – prąd zwarciowy
początkowy, ip – prąd udarowy, Ik – ustalony prąd zwarciowy, A - wartość początkowa składowej nieokresowej i DC
Zasady obliczeń zwarciowych podaje międzynarodowa norma PN-EN 60909 [1]1.
Prąd zwarciowy początkowy oblicza się ze wzoru:
c ⋅ Un
I k'' = (2)
3 Zk
gdzie:
c – współczynnik napięciowy wg tabeli 1,
Un – znamionowe napięcie sieci w miejscu zainstalowania aparatu,
Zk–zastępcza impedancja zwarciowa.
Tabela 1. Współczynnik napięciowy c dla obliczeń prądów zwarciowych
Napięcie
do obliczania maksymalnej wartości
prądu zwarciowego
do obliczania minimalnej wartości
prądu zwarciowego
230/400 V
inne do 1000 V
1 kV – 230 kV
1,0
1,05
1,1
0,95
1,0
1,0
W przypadku obliczania zwarć odległych, zastępcza impedancja zwarciowa obejmuje impedancję systemu Z s , transformatorów Z t, linii Zl i dławików przeciwzwarciowych Zdł . Dla obliczeń uproszczonych oraz gdy R ≤ 0,3X, można pominąć rezystancję i przyjmować
Zk ≈ Xk = Xs + Xt + Xl + Xdł(3)
Przy obliczaniu zwarć występujących w pobliżu generatorów należy odpowiednio uwzględniać również impedancję zwarciową generatorów.
Z dostatecznie dokładnym dla doboru aparatów przybliżeniem, prąd początkowy zwarcia trójfazowego można obliczyć ze wzoru
I k'' =
1,1 ⋅ Un
0,636Un
(4)
≈
Xk
3X k
gdzie Xk – reaktancja obwodu zwarciowego.
1
48
tzw. norma uznaniowa (U), opublikowana tylko w języku angielskim
Instalacje i sieci elektryczne
W przypadku gdy znane są tylko dane transformatora, z którego dane miejsce
jest zasilane, za reaktancję Xk należy przyjmować sumę reaktancji transformatora
i ewentualnej linii zasilającej. Dodatkowo uwzględnia się reaktancję silników asynchronicznych o napięciu ponad 1 kV. Pomija się:
• silniki, które nie pracują równocześnie,
• silniki przyłączone do sieci nn energetyki zawodowej,
• grupy silników nn, jeżeli spełniona jest zależność
InM < 0,01IkM(5)
gdzie IkM jest to prąd obliczony przy zwarciu na zaciskach silników,
• silniki przyłączone za pośrednictwem transformatorów dwuuzwojeniowych, jeżeli ich łączna moc jest mniejsza niż to podaje norma [1].
Gdy podana jest moc zwarciowa S k na szynach, prąd początkowy oblicza się ze
wzoru:
Sk
I k'' = (6)
3Un
Obliczenia zwarciowe najczęściej przeprowadza się w jednostkach względnych, przyjmując zazwyczaj jako wielkości podstawowe: napięcie Up = Un kV i moc
S p = 100 MVA.
Reaktancja w jednostkach względnych, odniesiona do przyjętych wielkości podstawowych, może być obliczone ze wzorów podanych w tabeli 2.
Tabela 2. Wzory do obliczania reaktancji podstawowych elementów układu dla przybliżonych obliczeń zwarć trójfazowych w jednostkach względnych przy założeniu wielkości podstawowych napięcia Up = Un kV i mocy S p = 100 MVA
Element układu
Podstawowe dane
Wzór obliczeniowy
Xs =
1,1 ⋅ 100
Sk
sieć zasilająca
moc zwarciowa Sk (MVA)
generator,
silnik synchroniczny
moc znamionowa Sn (MVA)
reaktancja przejściowa wstępna Xd''(%)
linia napowietrzna
wysokiego napięcia
napięcie znamionowe Un (kV)
długość linii l (km)
X ln =
0,4 ⋅ 1 ⋅ 100
Un2
linia kablowa
jw.
X lk =
0,1 ⋅ 1 ⋅ 100
Un2
transformator
dwuuzwojeniowy
moc znamionowa SnT (MVA)
napięcie zwarcia uzw (%)
dławik przeciwzwarciowy
napięcie znamionowe Un (kV) prąd znamionowy
In (kA) reaktancja dławika xdł (%)
Nr 181
Xg =
Xt =
X dł =
Xd''
Sn
u zw
Sn
x dł
3Un In
49
Instalacje i sieci elektryczne
Moc zwarciowa występująca w danym miejscu, po przeliczeniu na jednostki
względne wynosi:
S k ( MVA)
S k ( j .wzgl) =(7)
100
Pocedura sprawdzania zwarciowej wytrzymałości dynamicznej i cieplnej przy
przepływie prądu zwarciowego:
1. Prąd znamionowy n-sekundowy aparatu Ithr, określający jego cieplną wytrzymałość zwarciową musi spełniać warunek
Ith tz
I thr ≥ (8)
n
gdzie:
Ith – prąd zwarciowy cieplny zastępczy,
tz – czas trwania zwarcia w sekundach.
Prąd zwarciowy cieplny zastępczy Ith oblicza się wg [1].
W przypadku obliczeń przybliżonych można przyjmować Ith = I k''.
Aparatów zabezpieczonych bezpiecznikami topikowymi nie sprawdza się na
cieplne działanie prądu zwarciowego.
2. Prąd znamionowy szczytowy aparatu idyn, określający jego wytrzymałość dynamiczną musi być większy od prądu udarowego ip
idyn ≥ ip(9)
Prąd udarowy ip oblicza się ze wzoru:
ip = κ 2 ⋅ I k''
(10)
w którym współczynnik udaru κ określa się w zależności od stosunku Xk/R k lub
R k/X k na podstawie wykresów (rys. 3). R k i X k są to odpowiednio rezystancja i reaktancja obwodu zwarciowego.
2,0
1,8
1,6
κ
1,4
1,2
1,0
0
0,2
0,4
0,6
R k /X k
0,8
1,0
1,2
Rys. 3. Współczynnik udaru κ w funkcji parametrów obwodu zwarciowego R k /X k
50
Instalacje i sieci elektryczne
W przybliżeniu prąd udarowy:
i p = 2,55 I k''(11)
3. Dobór aparatów ze względu na ich zadania szczegółowe
Niektóre urządzenia i aparaty wymagają określonych obliczeń dodatkowych.
Łączniki niskonapięciowe manewrowe zestykowe (styczniki)
Łączniki manewrowe należy dobierać odpowiednio do ich kategorii użytkowania i klasy pracy.
Kategoria użytkowania podaje zakres roboczych warunków pracy przy obciążeniu normalnym i przy przeciążeniach, zdefiniowanych jako wartość prądu wyłączalnego i prądu załączalnego przy określonym napięciu i współczynniku mocy obwodu
oraz przy określonej trwałości manewrowej danego łącznika. Klasa pracy określa
parametry trwałościowe stycznika.
Dla łączników manewrowych (styczników) prądu przemiennego rozróżnia się
następujące kategorie użytkowania (tab. 4):
Tabela 4. Kategorie użytkowania styczników prądu przemiennego
Kategoria
AC 1
AC 2
AC 3
AC 4
AC 5a
AC 5b
AC 6a
AC 6b
AC 7a
AC 7b
AC 8
Rodzaj obciążenia
obciążenie nieindukcyjne lub małoindukcyjne (cosφ do 0,95)
silniki indukcyjne pierścieniowe
silniki indukcyjne zwarte, wyłączane przy pełnej prędkości obrotowej
silniki indukcyjne zwarte, hamowanie przeciwprądem i impulsowanie
sterowanie lamp wyładowczych
łączenie żarówek
łączenie transformatorów
łączenie baterii kondensatorów
łączenie odbiorników stosowanych w gospodarstwie domowym (małoindukcyjnych)
łączenie odbiorników stosowanych w gospodarstwie domowym (silniki)
sterowanie silników sprężarek hermetycznych:
a – z ręcznym, b – z automatycznym przestawianiem wyzwalaczy przeciążeniowych
Kategorie użytkowania łączników niemanewrowych (rozłączniki, odłączniki,
rozłączniki z bezpiecznikami) oznaczone są przez AC 20 do AC 23.
Odpowiednio określone są również kategorie użytkowania dla łączników prądu
stałego (DC).
Klasa pracy określa trwałość i częstość łączenia niskonapięciowych styczników
(tabela 5).
Dla danej kategorii użytkowania, prąd wyłączalny (załączalny) jest określony
jako krotność tzw. prądu manewrowego Ie stycznika. Na przykład dla bardzo rozpowszechnionej kategorii użytkowania AC 3, w normalnych warunkach łączeniowych,
prąd załączalny nie powinien przekraczać 6∙Ie , prąd wyłączalny 1∙Ie , przy napięciu
manewrowym nie przekraczającym 1,0 napięcia znamionowego i cos φ ≥ 0,35. Prąd
Nr 181
51
Instalacje i sieci elektryczne
manewrowy, lub odpowiadająca mu moc obciążenia są podawane przez wytwórcę
łączników.
Tabela 5. Klasy pracy łączników manewrowych niskiego napięcia
Oznaczenie klasy
0,3
Trwałość
mechaniczna
(miliony cykli)
0,3
Najmniejsza
trwałość łączeniowa
(tysiące cykli)
15
Największa
częstość łączeń
(cykli na godzinę)
30
1
1
50
120
3
3
150
300
5
5
250
600
10
10
500
1200
30
30
1500
3600
Wyłączniki wysokiego napięcia
Przy doborze wyłączników należy sprawdzić warunki związane z wymaganą
zdolnością do wyłączania zwarć w danym punkcie sieci, a w szczególności:.
• napięcie łączeniowe górne łącznika, dla którego określony jest prąd łączeniowy,
ma być nie mniejsze od najwyższego napięcia roboczego sieci. Warunek ten musi
być spełniony również w przypadku, gdy znamionowe napięcie izolacji łącznika
jest większe od znamionowego sieci,
• znamionowy prąd wyłączalny symetryczny lub niesymetryczny powinien być
co najmniej równy odpowiednio prądowi wyłączeniowemu symetrycznemu lub
niesymetrycznemu występującemu w danym miejscu. Gdy czas rozdzielania się
zestyków jest większy niż 5 okresów (0,1 s), nie sprawdza się warunku na prąd
niesymetryczny. Dla zwarć odległych od generatorów i dla zwarć w sieci zamkniętej prąd wyłączeniowy symetryczny Ib można przyjmować równy I k'',
• jeżeli podana jest moc wyłączalna (zdolność wyłączalna) wyłącznika, to musi
ona być większa od mocy zwarciowej w danym punkcie sieci,
• znamionowy prąd załączalny wyłącznika powinien być co najmniej równy wartości prądu udarowego w danym miejscu sieci.
Bezpieczniki topikowe
Właściwości wkładek bezpiecznikowych dotyczące ich przeznaczenia i zdolności
przerywania prądów przeciążeniowych określa się dwiema literami: małą (g lub a)
oraz wielką (L, M, R, B, Tr lub G). Małe litery podają charakterystykę czasowo-prądową bezpiecznika (rys. 4), następująco:
g – pełnozakresowa zdolność wyłączania prądów, tj. począwszy od minimalnych
wartości prądu powodujących przetopienie topika do znamionowej zdolności
wyłączania, wynoszącej zwykle wiele dziesiątków kiloamperów;
a – niepełnozakresowa zdolność wyłączania, od prądu ok. ≤ 4∙INbezp, do znamionowej zdolności wyłączania.
52
Instalacje i sieci elektryczne
Duże litery oznaczają przeznaczenie wkładek odpowiednio dla:
L – przewodów i kabli,
M– silników,
R – elementów energoelektronicznych (diod, tyrystorów),
B – urządzeń elektroenergetycznych górniczych,
Tr– transformatorów,
G – urządzeń ogólnego przeznaczenia.
t
t
0,1s
0,1s
In
Inf
I
Ibmin - najmniejszy
prąd wyłączalny
In
Ibmin
I
Rys. 4. Charakterystyka czasowo-prądowa wkładek bezpiecznikowych t = f(I); pełnozakresowej
„g” i niepełnozakresowej „a”
Dla urządzeń zabezpieczonych przy pomocy tzw. bezpieczników ograniczających
wytrzymałość dynamiczną (warunek 9) sprawdza się wg wzoru:
idyn ≥ iogr(12)
gdzie iogr jest to największa wartość tzw. prądu ograniczonego wkładki bezpiecznikowej.
Szyny zbiorcze, przekładniki, elementy szaf rozdzielnic
• szyny sztywne (w rozdzielnicach wnętrzowych) wymagają sprawdzenia wytrzymałości na zginanie oraz zagrożenie wystąpieniem rezonansu mechanicznego,
• izolatory wsporcze szyn sztywnych wymagają sprawdzenia na zginanie,
• osprzęt i izolatory szyn giętkich (w rozdzielniach napowietrznych) wymagają
sprawdzenia sił naciągu występujących podczas zwarcia i po zwarciu, w chwili
opadnięcia przewodu,
• zakres i sposób obliczeń szyn, izolatorów i uchwytów podaje norma PN-EN
60865 [2].
Rozdzielnice i szafy rozdzielnic
Prefabrykowane stacje transformatorowo-rozdzielcze, rozdzielnice i szafy rozdzielnic są określane przez producentów przy pomocy następujących parametrów:
Nr 181
53
Instalacje i sieci elektryczne
napięcie znamionowe, prąd znamionowy długotrwały, prąd znamionowy krótkotrwały wytrzymywany (zwarciowa wytrzymałość cieplna) i szczytowy prąd znamionowy (zwarciowa wytrzymałość dynamiczna). Jest to wystarczające dla doboru rozdzielnicy wraz z jej kompletnym wysposażeniem.
4. Dobór ze względu na warunki otoczenia
Urządzenia i aparaty elektryczne muszą być zawsze dostosowane do warunków
środowiska pracy. Podstawę stanowi tu podzial na urządzenia wnętrzowe i napowietrzne, ale może wystąpić szereg uwarunkowań szczegółowych dotyczących np.
temperatury otoczenia, zwiększonej wilgotności powietrza, zapylenia, atmosfery
wybuchowej itd. Warunki te zostały skodyfikowane w normie [3]. Szczegółowe wymagania odnośnie obudów aparatów dotyczące ich szczelności i bezpieczeństwa dotykowego określone są tzw. kodem IPxx podanym w [4]. Natomiast wytrzymałość
mechaniczna obudów jest określana kodem IK wg [5].
5. Literatura
1. PN-EN 60909-0:2002U Prądy zwarciowe w sieciach trójfazowych prądu przemiennego – Część 0: Obliczanie prądów1.
2. PN-EN 60865-1:2002U Obliczanie skutków prądów zwarciowych – Część 1:
Definicje i metody obliczania1.
3. PN-IEC 60364-3:2000 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ustalenie ogólnych charakterystyk.
4. PN-EN 60529:2003 Stopnie ochrony zapewniane przez obudowy (Kod IP).
5. PN-EN 50102:2001 Stopnie ochrony przed zewnętrznymi uderzeniami mechanicznymi zapewniane przez obudowę urządzeń elektrycznych (Kod IK).
6. Strojny J.: Instalacje elektryczne. Wiadomości ogólne. SEP INPE Podręcznik
dla Elektryków. Zeszyt 1. 2004. s. 1–87.
7. Strzałka J.: Przemysłowe instalacje elektryczne. Klasyfikacje i wiadomości ogólne. SEP INPE Podręcznik dla Elektryków. Zeszyt 2. 2004 r. s. 1–96.
8. Maksymiuk J.: Aparaty elektryczne I. Podstawy doboru. SEP INPE Podręcznik
dla Elektryków. Zeszyt 33. 2010 r. s. 1–111.
9. Maksymiuk J.: Aparaty elektryczne II. Podstawy doboru. SEP INPE Podręcznik dla Elektryków. Zeszyt 34. 2011 r. s. 1–96.
10. Markiewicz H.: Urządzenia elektroenergetyczne. WNT. Warszawa 2011.
11. Strojny J., Strzałka J.: Elektroenergetyka. Wyd. II. Tarbonus, Kraków Tarnobrzeg 2013.
12. Strojny J.: Vademecum elektryka. Wyd. V. COSiW SEP. Warszawa. 2013 r.
13. Praca zbiorowa.: Podręcznik inżyniera elektryka. tom 2. Wyd. 4. WNT. Warszawa. 2011.
14. Musiał E.: Prądy zwarciowe w niskonapięciowych instalacjach i urządzeniach
prądu przemiennego. Dwumiesięcznik SEP INPE Nr 40. 2001 r. s. 3–50.
Artykuł wpłynął do redakcji 3 października 2014 r.
1
54
tzw. norma uznaniowa (U) opublikowana tylko w języku angielskim