Výpočet skratových prúdov pri projektovaní elektrických inštalácií

Transcript

1 Výpočet skratových prúdov pri projektovaní elektrických inštalácií Ing. Juraj Kalina elektrotechnik špecialista, 1 Úvod Výpočet skratových prúdov pri projektovaní elektrickej inštalácie je neustále aktuálna téma, predstavuje v súčasnosti pri veľkom náraste elektrických spotrebičoch prvoradú potrebu investora a následne projektanta z hľadiska zaťaženosti siete. Súčasný trend nie je možné zastaviť a s meniacimi sa podmienkami v oblasti technických noriem a rozvoja informačných technológií. Tradičný matematický výpočet je riešiť pomocou najmodernejšej technológie - výpočtovej techniky. Uvedené skutočnosti podstatným spôsobom menia situáciu pri výpočte skratových prúdov. Mám na mysli napríklad vývoj nových materiálov použitých v elektrotechnickom priemysle mení situáciu pri navrhovaní prierezov použitých káblov. V neposlednom rade skrátenie času pri tvorbe projektu taktiež prináša ekonomický efekt. Už v minulosti som priniesol na stránky zborníka obdobnú tému. Nakoľko konkurencia na poli vývoja softvérových nástrojov pre projektovanie elektrickej inštalácie nespí rozhodol som sa v tomto roku o riešenie totožného príkladu pomocou programovacieho nástroja firmy Schneider electric s.r.o. Stále totiž platí, že jeden krát vidieť je viac ako desať krát počuť. Bližšie informácie je možné získať z podkladov uvedených v kap. 10. Teoretické základy výpočtu skratových prúdov a účinkov skratových prúdov zostávajú v platnosti naďalej. Zmena nastáva pri praktickom použití programového vybavenia a obdržaných výsledkov návrhu projektu. Výpočet hodnoty času skratového prúdu Aby mohla byť ochrana pred skratovými prúdmi zabezpečená, musí byť predovšetkým v každom príslušnom mieste inštalácie zistený príslušný skratový prúd. Skratové prúdy musia byť vypnuté istiacim zariadením skôr, než dôjde k otepleniu vodičov nad prípustnú hranicu. Táto hranica je rôzna. Pre bežnú PVC izoláciu je to 140 až 160 C, pre odolnejšie izolačné zmesi PVC 00 C, PE 130 až 150 C, sieťovaný PE 50 C, guma, kaučuk 00 až 350 C, papierovú izoláciu 00 C, pre holé vodiče mechanicky nezaťažené 300 C, pre holé vodiče mechanicky zaťažené 00 C. Pre skraty s časom trvania do 5 s sa čas, v priebehu ktorého musí byť skrat vypnutý, vypočíta zo vzorca: I t k S Kde: t je čas trvania skratu v s S prierez vodiča v mm I efektívna hodnota skratového prúdu v A k 115 pre medené vodiče izolované PVC 135 pre medené vodiče z izolovanej pryže 74 pre hliníkové vodiče izolované PVC 87 pre hliníkové vodiče z izolovanej pryže 41

2 Bezpečnosť práce na elektrických zariadeniach 006 V zmysle príručky CENELEC R sú stanovené nasledovné pravidlá pre kontrolu tepelného namáhania vo vodičoch. Musí byť vykonaná kontrola, že teplota fázových, stredných a ochranných vodičov neprevyšuje maximálnu dovolenú teplotu pri skrate a poruche. Najvyššia teplota musí zodpovedať minimálnemu prúdu z dôvodu dlhšieho vypínacieho času. Inak povedané, energia stratená v priebehu vypnutia nesmie ohroziť vodiče. Kontrola tepelného namáhania vo fázových vodičoch je potrebná iba ak ochrana proti preťaženiu nie je umiestnená na začiatku kábla alebo ak prierez stredného, PE alebo PEN vodiča je menší než prierez fázových vodičov Ak je ako ochrana použitý istič, nie je všeobecne nutné kontrolovať tepelné namáhanie vodičov na maximálny skratový prúd v mieste umiestnenia ističa, pokiaľ nejde o zámerné oneskorenie vypnutia ističa. Tab. 1 Hodnoty veľkosti koeficientu k podľa príručky CENELEC R sústava TN-C izolácia PVC Cu Materiál jadra 300mm > 300mm izolácia pryž izolácia kaučuk do 85 C sústava TN-S 300mm izolácia PVC > 300mm izolácia pryž izolácia kaučuk do 85 C izolácia ostatné Al 3 Dimenzovanie vedení s ohľadom na účinky skratových prúdov 4 Pri dimenzovaní vedení z pohľadu účinkov skratových prúdov je potrebné uvažovať s účinkom dynamických síl a tepelných Obr.1 účinkov skratových prúdov. Dynamické sily vznikajú elektromagnetickým pôsobením prúdov v susedných vodičoch a sú im priamo úmerné. Najväčší silový ráz spôsobuje prvá amplitúda skratového prúdu, tzv. nárazový skratový prúd I km. Nepriaznivým účinkom dynamických síl v rozvodoch s napätím nad 1000V sa čelí najmä voľbou vhodného druhu vedení, jeho uložením (do trojuholníka) a správnym upevnením, ktorým je možné dosiahnuť žiadúceho zväčšenia odolnosti pri skrate, bez nutnosti ich nadmerného predimenzovania. V inštaláciách nn bývajú dynamické sily významné na vedeniach spravidla len v blízkosti silných zdrojov (transformátorov).

3 Tepelné účinky skratového prúdu môžu mať pri nedostatočne dimenzovaných vedeniach ničivé následky. V priebehu krátkej doby trvania skratu nemôže byť vzniknuté teplo odvedené do okolitého prostredia a spôsobuje veľké oteplenie, ktoré poškodzuje izoláciu vodičov a u holých vedení spôsobuje ich deformáciu. Nakoľko sa v priebehu skratu veľkosť skratového prúdu mení, pre zjednodušenie je výhodné posudzovať jeho tepelné účinky podľa tzv. ekvivalentného otepľovacieho prúdu I ke, čo je fiktívna efektívna hodnota prúdu ustálenej veľkosti, ktorá má za rovnakú dobu rovnaký tepelný účinok, ako uvažovaný skratový prúd (obr.1). Veľkosť skratového prúdu v elektrických rozvodoch býva významne ovplyvnená istením. Vhodne zvolený istiaci prvok preruší skratový prúd skôr, než jeho hodnota narastie do nebezpečne vysokých hodnôt. 4 Metodický postup riešenia návrhu Na obr. je uvedený metodický postup pri riešení návrhu výpočtu skratových prúdov pri projektovaní elektrickej inštalácie. Podľa zobrazeného metodického návrhu je možné vypracovať logickú schému pre voľbu prierezu kábla a pre druh a veľkosť ochranného zariadenia. Predpokladaný výkon Výpočet prevádzkového prúdu IB Voľba ochranného prístroja a jeho vypínacej spúšte Výpočet prierezu kábla Kontrola úbytku napätia Výpočet skratového prúdu Voľba vypínacej schopnosti Kontrola namáhania kábla Selektivita Kaskádovanie Kontrola maximálnej dĺžky obvodu v sieti IT a TN Potvrdenie prierezu vodičov Obr. 43

4 Bezpečnosť práce na elektrických zariadeniach Logická schéma voľby prierezu kábla a ochranného zariadenia Na základe vypracovaného metodického postupu je na obr. sa vypracuje logická schéma voľby prierezu kábla a ochranného zariadenia. Logická schéma obr. 3 je rozdelená vodorovne a zvisle na pomyselné logické sekcie, ktoré vytvárajú tzv. maticu interakcií. 6 Výpočet pomocou Programu Ecodial V3.47 Nakoľko program Ecodial je zostavený ako pomôcka pre projektovanie elektrických inštalácií je postup pri návrhu inštalácie a výpočte skratových prúdov rozpracovaný podrobnejšie v ďalších bodoch. Program Ecodial je produkt spoločnosti Schneider electric, divízie Schneider Interactive software. Spoločnosť Schneider electric ponúka bezplatne zjednodušený program s názvom Profidesign. Program má obmedzenie použitia istiaceho prvku do 630A. Kontaktné údaje: Schneider Electric CZ, s.r.o. Technická podpora tel , tp@cz.schneiderelectric.com, pre Slovensko Schneider electric Slovakia s.r.o., Borekova 10, Bratislava, tel. 0/ Všeobecné vlastnosti Po štarte programu sa na obrazovke zjaví dialógové okno do ktorého je potrebné vypísať jednotlivé parametre projektu. napätie siete sústava (TN-C, TN-S, IT, TT) použitie kaskádovania a selektivity pre výber zariadení maximálny prierez kábla použitý v tejto inštalácii (štandardne 40 mm ) voľba prierezu stredného vodiča (1 alebo 1/) maximálna tolerancia prierezu daná výrobcom kábla ( 5% ) cieľový účinník ( štandardne 0,96 ) frekvencia sústavy (50 Hz) kontrola tepelného namáhania (štandardne nie) Štandard (prednastavený IEC947-) Nakreslenie jednopólovej schémy Nakreslenie schémy inštalácie sa vykonáva veľmi rýchlo a jednoducho pomocou štandardných elektrických symbolov z knižnice obvodov (obr.4). Knižnica obvodov je rozdelená do nasledujúcich skupín: zdroje (transformátor, generátor, všeobecný zdroj a kompenzácia) zbernice (zbernice, prípojnicový systém) výstupné obvody (druhy vývodov z hlavného rozvádzača do podružných rozvádzačov) záťaže (všeobecná záťaž, osvetlenie, motor, zásuvky) transformátor nn/nn (zvyšovacie, znižovacie, oddeľovacie, zmena sústavy) ostatné (odkaz na nadradený projekt, prepojenie obvodu) kreslenie (grafické symboly) štandardné schémy (užívateľská knižnica) Zadanie parametrov obvodu Po nakreslení jednopólovej schémy je vhodné vykonať logickú kontrolu obvodu. Pokiaľ logickú kontrolu nevykoná užívateľ, táto sa vykoná programom automaticky pred výpočtom. V tejto etape projektu sa zadávajú základné parametre obvodu. Dvojitým kliknutím na schematickú značku obvodu sa zobrazí dialógové okno, do ktorého je možné vložiť tieto údaje o obvode: názov, výkon, dĺžku kábla, účinník atď. V prípade, že nie sú zadané žiadne hodnoty, program automaticky pridelí preddefinované parametre každému prvku obvodu. 44

5 vonkajšie vplyvy nominálne parametre skraty požiadavky investora technické parametre predpokladaný výkon kw nadradená sieť (dodávateľ el. energie) dodávaný výkon kva skratový výkon zdrojového obvodu MVA voľba ochranného prístroja maximálny prúd záťaže I B menovitý prúd ochranného prístroja (poistka, istič, chránič) I N skratový prúd vypínacia schopnosť ochranného prístroja voľba ochranného prístroja podmienky kladenia vedenia prierez vodičov obvodu kontrola požiadaviek tepelného namáhania určenie prierezov vodičov kontrola maximálneho úbytku napätia sieť TT sieť IT alebo TN kontrola maximálnej dĺžky obvodu Obr. 3 potvrdenie prierezu káblov a voľba jeho ochrany

6 Bezpečnosť práce na elektrických zariadeniach 006 Obr. 4 Súčet výkonov Po zadaní parametrov jednotlivých obvodov Ecodial vypočíta v okne Súčet výkonov zaťaženie všetkých vetiev siete s použitím činiteľov zaťaženia (soudobosti) pre jednotlivé záťaže a pre rozvádzač. Ecodial vypočíta a navrhne veľkosť normálneho a záložného zdroja a vypočíta veľkosť skutočného účinníka na zberniciach v hlavnom rozvádzači. Na základe tohto účinníka a cieľového účinníka zadaného vo Všeobecných vlastnostiach navrhne veľkosť a druh kompenzácie. V prípade jednofázových záťaží vykoná automatické rozdelenie tejto záťaže medzi jednotlivé fázy. Pre výpočet celkového prúdu rozvádzača je potrebné zadať vhodnú veľkosť súčiniteľa k s. Výpočet inštalácie Po návrhu veľkosti zdroja a zaťaženia jednotlivých vetiev obvodu je možné pristúpiť k výpočtu inštalácie. Zobrazí sa okno Výpočet, v ktorom sú zobrazené detailné parametre jednotlivých prvkov inštalácie, strom siete, súhrnné a detailné informácie výpočtu pre každý obvod samostatne: prierez kábla s odpovedajúcim kritériom obmedzenia parametre chráneného zariadenia, I kmax. (1, alebo 3 fázy), I kmin. (1 alebo fázy), poruchový prúd (fáza - PE), R, X, nastavenie vypínacej jednotky alebo spúšte (len ak je to u daného typu prístroja možné)) úbytok napätia, zemná ochrana Oblasť detailných informácií je rozdelená do troch častí: alarmy, výsledky a detaily. Výpočet je možné vykonávať samostatne po jednotlivých vetvách alebo automaticky celý projekt. Vypočítané vetvy sú v okne stromu siete označené zelenou vlajkou a nevypočítané sú označené červenou vlajkou. Pokiaľ vykonáte zmeny vo vetvách obvodu zmení sa automaticky farba vlajočky zo zelenej na červenú. 46

7 Na základe týchto vypočítaných a navrhnutých hodnôt môžete vykonať zmeny v inštalácii obvodu nn a upravené hodnoty znovu prepočítať. Porovnanie charakteristík Program zobrazí vypínacie charakteristiky ochrán pomocou modulu Charakteristiky istiacich prvkov. V tomto module je možné graficky porovnať charakteristiky istiacich prvkov z databázy prvkov. Obr. 5 Modul je možné používať samostatne nezávisle od programu Ecodial. Pomocou modulu je možné optimalizovať selektivitu a nastavenia spúští úpravou nastavení vypínacích charakteristík ochrán. Upravené vypínacie charakteristiky budú zobrazené a nové nastavenie vypínacích jednotiek bude zohľadnené vo výpočte (obr.5). Výsledky výpočtu Výsledky výpočtu jedného alebo viacerých obvodov môžu byť kedykoľvek zobrazené na obrazovke podľa schémy (názov jednotlivých položiek, selektivita, výsledky súčtu výkonov, výsledky výpočtu). Pre tlač a export záverečných výsledkov z programu môžu byť použité tieto tri rozdielne tvary: celková tlač - predstavuje projekt, zhodu s normami, výsledky výpočtu (zoznam káblov, zoznam zariadení, nastavenie ochrán, atď.) exportovaný súbor obsahuje databázu zariadení pre použitie v ďalších programoch firmy SCHNEIDER ELECTRIC (napr. SISPOWER) exportovaný súbor vo formáte *.DXF alebo *.RTF, pre možné úpravy a použitie v ďalších programoch na trhu (napr. MSWORD, AUTOCAD) Projektant po ukončení výpočtových prác získa optimalizovaný návrh nn rozvodu. Má vypočítané prierezy pre jednotlivé káble, skratové pomery na jednotlivých zberniciach v rozvádzači, na konci káblových vedení a priradené optimálne typy istiacich prvkov. Program odstraňuje zdĺhavé a

8 Bezpečnosť práce na elektrických zariadeniach 006 manuálne vyhľadávanie a odčítanie z tabuliek a katalógov. Ide o nástroj, ktorý prispeje k urýchleniu a skvalitneniu elektro-projekčných prác, príp. je možné ho použiť i na kontrolu existujúcich rozvodov alebo pri rekonštrukciách. Kontrola maximálnej dĺžky obvodu v sieti TN V danom príklade neboli zadávané reálne dĺžky vodičov. Boli zadávané hraničné dĺžky vedení pre daný prierez vodiča a uloženie. Je potrebné si uvedomiť, že v danom príklade sú uvedené obvody na konci vedenia. V prípade rozvetvených lúčových sietí by tento spôsob riešenia viedol k nesprávnym výsledkom. Potvrdenie prierezu vodičov Nakoľko program poskytuje bohatý zdroj informácií je potrebné tieto údaje prekontrolovať na správnosť nakreslenej schémy, zadaných parametrov a chybových hlásení programu v časti alarmy, výsledky a detaily. Vizuálnu možnosť kontroly ponúka aj modul charakteristík istiacich prvkov. 7 Príklad výpočtu skratových prúdov Predmetný príklad rieši výpočet skratových prúdov rodinného domu vrátane jeho nn prípojky. Zvod nn je napojený na vodiče AlFe 6 3x50+35mm káblom AYKY 4Bx16mm dĺžky l=10m s uložením na povrchu stĺpa. Kábel je ukončený v skrini SPP na poistkových spodkoch a istený poistkami I n =3A. Káblová prípojka z SPP po elektromerový rozvádzač ER je vyhotovená káblom AYKY 4Bx16mm dĺžky l=14m. Kábel je uložený: na stĺpe do ochrannej oceľovej rúrky l=4m v korugovanej PVC ochrannej rúrke D 110 v dĺžke l=7m v križovaní spevnených plôch v pieskovom lôžku s PVC výstražnou fóliou v dĺžke l=1m v ochrannej oceľovej rúrke v pilieri a voľne v ER v dĺžke l=1+1m Kábel je ukončený na poistkových spodkoch v rozvádzači SPP a na hlavnom ističi ER. Hlavný istič má veľkosť I n =5A. Hlavné vedenie z ER do RP (rozvádzač rodinného domu - prízemie) je vyhotovené káblom CYKY 4Bx10mm l=8m. Kábel je uložený: voľne v ER a v pilieri v ochrannej oceľovej rúrke l=1+1m v korugovanej PVC ochrannej rúrke D 110 v dĺžke l=0m v križovaní spevnených plôch v pieskovom lôžku s PVC výstražnou fóliou v dĺžke l=m voľne pod omietkou a v rúrke v dĺžke l=4m Bilancia celkového elektrického príkonu odberného miesta bola stanovená v zmysle vyjadrenia dodávateľa elektrickej energie Západoslovenská energetika EON na P i =8kW, P s =14kW, súčiniteľ súčasnosti β =0,5 v členení: Spotrebič Výkon [kw] svetlo,0 automatická práčka,5 myčka riadu,5 klimatizácia 3,0 elektrický sporák 7,0 motory 7,0 ostatné elektrické spotrebiče 4,0 spolu 8,0 48

9 Káblové rozvody v dome sú riešené tromi dimenzionálnymi typmi vodičov: trojfázový rozvod 4mm, zásuvky,5mm a svetelné obvody 1,5mm vo vyhotovení typu 5C, 3C a 4D. Káblový rozvod v dome je vedený v stenách, strope a podlahe objektu. Pre zjednodušenie je možné uvažovať s tromi najvzdialenejšími spotrebičmi daného typu káblového vývodu. 8 Riešenie príkladu Zhrnutie základných vstupných údajov 1. Zdroj: sekundárna sieť nn s parametrami: označenie W1 Ik"= 0.0 ka,. Vedenie: C1 AYKY 4x16 Odbočenie zo stĺpa, l=10m C AYKY 4x16 Vedenie z SPP do ER, l=14m C3 CYKY4x10 Vedenie z ER do RP (rozvádzač rod. domu), l=30m C5 CYKY5Cx4 Vedenie k trojfázovej zásuvke, l=100m C6 CYKY 3Cx,5 Najdlhšie vedenie k zásuvke, l=30m C7, D7 CYKY 3Cx1,5, Ax1,5 Najdlhšie vedenie k svetelným obvodom, l=0m, l=0m 3. Spotrebiče: XC1 Trojfázová zásuvka XC Jednofázová zásuvka EL Svetelný obvod Výsledky riešenia príkladu budú prezentované na prednáške. 9 Záver Z dôvodu objektivity je potrebné uviesť, že na trhu je k dispozícii niekoľko ďalších programov pre kontrolu a návrh elektrických inštalácií nn. Nakoľko tieto programy nie sú tak rozšírené je vykonaný iba stručný výpis. Bližšie informácie o jednotlivých programových produktoch sú uvedené v Zborníku prednášok z XI. odborného seminára Bezpečnosť práce na elektrických zariadeniach, Liptovský Mikuláš. 1. SICHR výrobca: OEZ s.r.o., Letohrad, internet: SPIDER (PAVOUK) - výrobca: Moeller Elektrotechnika s.r.o., Komárovská 406, Praha 9, obchodné zastúpenie pre Slovensko: Moeller Electric s.r.o., Kopčianska, Bratislava 5 3. EV03, ES01, EU01 - výrobca: Ing. Michal Števko, distribútor: ELMAX v.o.s, Hany Meličkovej 1/d, Bratislava 4 4. RUPLAN - výrobca: Debis Systemhaus, distribútor: TECHNODAT, CAE-Systémy, s.r.o, Jilemnického, Trenčín 5. CANECO - výrobca: ALPI, distribútor: TECHNODAT, CAE-Systémy, s.r.o, Jilemnického, Trenčín

10 Bezpečnosť práce na elektrických zariadeniach Zoznam použitej literatúry STN EN (33 300) - Skratové prúdy v trojfázových striedavých sústavách, Časť 0: Výpočet prúdov, Apríl 003. STN IEC/TR (33 300) - Výpočet skratových prúdov v trojfázových striedavých sústavách, Časť 1: Súčinitele na výpočet skratových prúdov v trojfázových striedavých sústavách podľa IEC 60909, August 000. STN IEC/TR (33 300) - Elektrické zariadenia, Údaje na výpočet skratových prúdov podľa IEC 60909: 1988, August 000. STN IEC (33 300) - Výpočet skratových prúdov v trojfázových striedavých sústavách, Časť 3: Prúdy počas dvoch oddelených súčasných jednofázových skratov vodiča so zemou a čiastkové skratové prúdy tečúce cez zem, August STN IEC (60)781 (33 301) - Návod na výpočet skratových prúdov v lúčových sieťach nízkeho napätia, December STN IEC/TR (33 305) - Skratové prúdy v jednosmerných rozvodoch vlastnej spotreby v elektrárňach a rozvodniach, Časť 3: Príklady výpočtov. STN EN ( ) - Skratové prúdy. Výpočet účinkov. Časť 1: Definície a výpočtové metódy, Apríl 000. Ing. Leoš Kabát, Marketing, Schneider CZ, s.r.o. Manuál k programu Ecodial V3.46 od firmy Schneider Electric s.r.o. Zborník prednášok z XIII. odborného seminára Bezpečnosť práce na elektrických zariadeniach, Ochrana pred zásahom elektrickým prúdom, Liptovský Mikuláš, 4. februára 005. Ing. Václav Honys, Ing. Michal Kříž - Dimenzovanie a istenie elektrických vedení, Platí do