Μάθημα 1 Πρώτα Βήματα στη Σχεδίαση μίας Εγκατάστασης: Απαιτούμενες Ηλεκτρικές Γραμμές και Υπολογισμοί

Transcript

1 Μάθημα 1 Πρώτα Βήματα στη Σχεδίαση μίας Εγκατάστασης: Απαιτούμενες Ηλεκτρικές Γραμμές και Υπολογισμοί Φορτίων Περίληψη Πως σχεδιάζουμε μία ηλεκτρική εγκατάσταση? Ξεκινώντας από τα αρχιτεκτονικά σχέδια του χώρου της εγκατάστασης, ποια είναι τα πρώτα τα βασικά βήματα, για να σχεδιάσουμε την ηλεκτρική εγκατάσταση σ αυτό το χώρο και να δημιουργήσουμε το ηλεκτρολογικό σχέδιο(α) αυτής της εγκατάστασης? Σ αυτό το μάθημα, επιχειρούμε να περιγράψουμε τα βήματα στη σχεδίαση μίας εγκατάστασης, εξετάζοντας βασικά θέματα αυτής της σχεδίασης, όπως: 1. Πως χρησιμοποιούμε το αρχιτεκτονικό σχέδιο, στη σχεδίαση της εγκατάστασης? 2. Πως προσδιορίζουμε τον αριθμό των ηλεκτρικών γραμμών, στο οριζόντιο δίκτυο της εγκατάστασης? Πως υπολογίζουμε τα χαρακτηριστικά αυτών των γραμμών? 3. Ποιος είναι ο κατάλληλος - πως υπολογίζουμε το κατάλληλο συντελεστή ταυτοχρονισμού (demand factor), για τα διάφορα φορτία της εγκατάστασης? Ποια είναι η διαφορά ανάμεσα σε συνδεδεμένα φορτία και demand load? 4. Πως υπολογίζουμε τα υλικά του πίνακα της εγκατάστασης? 1. Σκοπός Σκοπός αυτού του μαθήματος είναι να εξετάσουμε / αναλύσουμε τις βασικές αρχές στη σχεδίαση μίας ηλεκτρολογικής εγκατάστασης, στη βάση του κανονισμού ΕΛΟΤ 384. Έτσι, εξετάζουμε τις παρακάτω βασικές έννοιες: Έννοια της ηλεκτρικής γραμμής σε μία εγκατάσταση. Πως καθορίζουμε το πλήθος τον αριθμό των ηλεκτρικών γραμμών σε μία εγκατάσταση. Πως υπολογίζουμε τα βασικά χαρακτηριστικά, δηλαδή τη διατομή αγωγού και την ασφάλεια, για κάθε γραμμή. 1

2 Εικόνα 1. Η ηλεκτρική γραμμή του πλυντηρίου σε μία οικιακή εγκατάσταση. Πως υπολογίζουμε το συνολικό φορτίο στο πίνακα της εγκατάστασης. Βασικός ακόμα σκοπός, από τα πρώτα μαθήματα της σχεδίασης εγκαταστάσεων, είναι να συνδέσουμε τις αρχές της σχεδίασης εγκαταστάσεων με τις βασικές έννοιες / αρχές των ηλεκτρικών κυκλωμάτων, επιχειρώντας να δούμε πως οι αρχές των ηλεκτρικών κυκλωμάτων, έχουν εφαρμογή και καθορίζουν τη σχεδίαση υλοποίηση μίας εγκατάστασης. 2. Η βασική έννοια της ηλεκτρικής γραμμής Μία ηλεκτρική γραμμή είναι ο αγωγός από το πίνακα μίας ηλεκτρικής εγκατάστασης, σ ένα ή περισσότερα φορτία, δηλαδή ηλεκτρικές συσκευές, για να τροφοδοτεί με ρεύμα αυτές τις συσκευές φωτιστικά ή άλλες ηλεκτρικές συσκευές. Μία ηλεκτρική γραμμή μπορεί να τροφοδοτεί με ρεύμα μία μόνον ηλεκτρική συσκευή και τότε λέμε πως η γραμμή είναι μία ηλεκτρική γραμμή ειδικής χρήσης (Εικόνα 1). Όμως, μία ηλεκτρική γραμμή μπορεί να τροφοδοτεί με ρεύμα περισσότερα από ένα φορτία (γενικής χρήσης ηλεκτρική γραμμή, Εικόνα ). 2.1 Βασικά χαρακτηριστικά μίας γραμμής Κάθε ηλεκτρική γραμμή μίας εγκατάστασης καθορίζεται από δύο βασικά χαρακτηριστικά. Δηλαδή, για κάθε γραμμή μίας ηλεκτρικής εγκατάστασης, χρειάζεται να υπολογίσουμε δύο χαρακτηριστικά: τη διατομή του αγωγού αυτής της γραμμής και 2

3 την ασφάλεια που χρησιμοποιούμε για τη προστασία της γραμμής, δηλαδή τη συσκευή που ανοίγει το κύκλωμα της γραμμής, όταν σ αυτό, δημιουργείται ρεύμα ίσο ή μεγαλύτερο μίας προκαθορισμένης έντασης. Αν και μία γραμμή καθορίζεται / προσδιορίζεται και από τα δύο αυτά χαρακτηριστικά διατομή αγωγού και ασφάλεια συνήθως, αναφερόμαστε σε μία γραμμή, μέσα από την ονομαστική ένταση ρεύματος της ασφάλειας που χρησιμοποιούμε, για τη προστασία της γραμμής. Αν για παράδειγμα, χρησιμοποιούμε ασφάλεια 30 Α για μία γραμμή, αναφερόμαστε σ αυτή τη γραμμή, σαν γραμμή 30 Α. Γραμμές που τροφοδοτούν περισσότερες από μία συσκευές, μπορεί να είναι 15 Α, 20 Α, 30 Α, 40 Α και 50 Α. Οι περισσότερες γραμμές, στις οικιακές εγκαταστάσεις έχουν ονομαστική ένταση ρεύματος (ασφάλεια) 15 Α ή 20 Α. Γραμμές ειδικής χρήσης που εξυπηρετούν ένα μόνο φορτίο, όπως η γραμμή της κουζίνας, ή γραμμή του θερμοσίφωνα μπορεί να έχουν πολύ μεγαλύτερα ονομαστικά ρεύματα, όπως 40 Α, 50 Α, 60 Α, ακόμα και 100 Α. 2.2 Φορτίο μίας Γραμμής Διακρίνουμε το κύκλωμα μίας ηλεκτρικής γραμμής ως συνεχές ή ασυνεχές, ανάλογα με φορτία που τροφοδοτεί. Λέμε πως μία γραμμή έχει συνεχές φορτίο, όταν το ρεύμα στη γραμμή είναι αμετάβλητο, για 3 ή περισσότερες ώρες. Φωτισμός και κλιματιστικά είναι χαρακτηριστικά παραδείγματα συνεχών φορτίων, γιατί μπορεί να λειτουργούν αδιάκοπα, για πολλές ώρες. Από την άλλη πλευρά, ο θερμοσίφωνας και το πλυντήριο ρούχων που δεν λειτουργούν δεν είναι σε συνεχή λειτουργία για περισσότερο από 1 2 ώρες, είναι χαρακτηριστικά παραδείγματα ασυνεχών φορτίων. Άλλα ακόμα φορτία, όπως η ηλεκτρική κουζίνα, είναι μη συνεχή φορτία, γιατί η ηλεκτρική κουζίνα ή συσκευές όπως η ηλεκτρική κουζίνα έχουν θερμοστάτες, ώστε να μην καταναλώνουν το ίδιο ρεύμα, για πολλές ώρες. Για μία γραμμή που τροφοδοτεί συνεχή φορτία ή ένα συνδυασμό συνεχών και μη συνεχών φορτίων, η ονομαστική τιμή ρεύματος της ασφάλειας για τη γραμμή, είναι το άθροισμα του μη συνεχούς φορτίου και του 125% του συνεχούς φορτίου. Η μικρότερη διατομή αγωγού που χρησιμοποιούμε, για μία γραμμή σε μία οικιακή εγκατάσταση, είναι S = 1,5 mm 2 και η ασφάλεια για αυτή τη γραμμή, είναι 10 Α. Πρακτική Εφαρμογή 2.1 Ποιο είναι το μέγιστο φορτίο που μπορεί να τροφοδοτεί μία γραμμή ονομαστικής έντασης ρεύματος 10 Α? Μία γραμμή ονομαστικής έντασης 10 Α μπορεί να τροφοδοτεί φορτίο, μέχρι: Μέγιστο Φορτίο Γραμμής = 10 Α 240 V = 2400 W 3

4 Εικόνα 2. Το ηλεκτρικό κύκλωμα της γραμμής πλυντηρίου. Ναι αλλά μικροσυσκευές, όπως μηχανές καφέ ή μίξερ μπορεί να καταναλώνουν περισσότερο από αυτή την ισχύ, δηλαδή περισσότερο από 2400 W. Γι αυτό το λόγο, ο κανονισμός επιβάλλει οι γραμμές ρευματοδοτών της κουζίνας και του μπάνιου να έχουν ονομαστική τιμή ρεύματος 20 Α. Ο πίνακας πολλών οικιακών εγκαταστάσεων είναι μονοφασικός με τρείς αγωγούς. Αρκετά σπίτια έχουν τριφασικούς πίνακες με τέσσερα καλώδια τροφοδοσίας. 3. Το Ηλεκτρικό Κύκλωμα μίας Γραμμής Μία γραμμή σε μία ηλεκτρική εγκατάσταση λειτουργεί ώστε να συνδέει και να τροφοδοτεί τα φορτία μίας εγκατάστασης με ρεύμα από το πίνακα της εγκατάστασης. Μία γραμμή μπορεί να τροφοδοτεί περισσότερα από ένα φορτία, όμως στη πιο απλή περίπτωση, μία γραμμή τροφοδοτεί με ρεύμα ένα μόνον φορτίο (Εικόνα 1). Σε ποιο ηλεκτρικό κύκλωμα αντιστοιχεί η γραμμή της Εικόνας 1? Η γραμμή του πλυντηρίου της Εικόνας 1, δημιουργεί / μπορεί να παρασταθεί από το πιο απλό δυνατό ηλεκτρικό κύκλωμα, αυτό στην Εικόνα 2 που αποτελείται από τα εξής στοιχεία: 1 Μία πηγή τροφοδοσίας, a.c. ή d.c. 2 Έναν αγωγό με μικρή αντίσταση μέσα από τον οποίο θα κυκλοφορεί ρεύμα και που ονομάζουμε καλώδιο. 4

5 Εικόνα 3. Το ηλεκτρικό κύκλωμα μίας γραμμής φωτισμού που τροφοδοτεί ένα απλό φωτιστικό, από έναν λαμπτήρα. 3 Μία αντίσταση που μετατρέπει την ενέργεια από τη ροή ρεύματος σε φώς, θερμότητα ή κίνηση και που ονομάζεται φορτίο. 4 Μία ασφάλεια που διακόπτει τη ροή ρεύματος, αν το ρεύμα υπερβεί μία τιμή, αν δηλαδή αρχίζει να κυκλοφορεί περισσότερο απ όσο πρέπει, ρεύμα στο κύκλωμα. Αυτή η ασφάλεια αποτελεί τη προστασία του κυκλώματος. 5 Έναν διακόπτη που λειτουργεί ώστε να αποσυνδέει τη πηγή τροφοδοσίας από το κύκλωμα, ανοίγοντας ή θα κλείνοντας το κύκλωμα. Το πλυντήριο είναι ένα επαγωγικό φορτίο που εκτός από μία ωμική αντίσταση R, περιλαμβάνει και μία επαγωγική αντίσταση R L (Εικόνα 2). Όμως, ένα απλό φωτιστικό από ένα λαμπτήρα είναι ένα καθαρά ωμικό φορτίο και η γραμμή που τροφοδοτεί με ρεύμα αυτό το φωτιστικό παριστάνεται από το απλό κύκλωμα στην Εικόνα 3. Η παράσταση μίας ηλεκτρικής γραμμής και των φορτίων σε αυτή, από ένα αντίστοιχο ηλεκτρικό κύκλωμα, όπως το επαγωγικό κύκλωμα της Εικόνας ή το ωμικό κύκλωμα της Εικόνας, μας επιτρέπει βασικούς υπολογισμούς στα χαρακτηριστικά της γραμμής. Παράδειγμα 3.1 Μία γραμμή φωτισμού τροφοδοτεί με ρεύμα ένα απλό φωτιστικό, από ένα λαμπτήρα 100 W, 230 V. Ποια είναι η ένταση του ρεύματος στο κύκλωμα και η ισχύς που αποδίδει ο λαμπτήρας? 5

6 Εικόνα 4. Ο υπολογισμός του ρεύματος σε μία απλή γραμμή φωτισμού. Απάντηση Το κύκλωμα της γραμμής φωτισμού παριστάνεται από το απλό ηλεκτρικό κύκλωμα στην Εικόνα 4. Η αντίσταση R μίας λάμπας ισχύος P = 100 W σε τάση λειτουργίας V = 230 V, είναι: Από το νόμο του Ohm, η ένταση του ρεύματος στο κύκλωμα είναι: Αν αντί για ένα απλό φωτιστικό, η γραμμή φωτισμού τροφοδοτεί ένα πολύφωτο από δύο ή περισσότερους λαμπτήρες 100 W, τότε πως αλλάζει το κύκλωμα και τα χαρακτηριστικά της γραμμής? Αυτό εξετάζουμε στο επόμενο παράδειγμα. 6

7 Εικόνα 5. Οι δυνατές συνδεσμολογίες των φορτίων σε μία γραμμή. Παράδειγμα 3.2 Μία γραμμή φωτισμού τροφοδοτεί ένα φωτιστικό από δύο λαμπτήρες των 100 W, 230 V. Ποια είναι η ένταση του ρεύματος στη γραμμή και η συνολική ισχύς που αποδίδει το κύκλωμα της γραμμής? Απάντηση Η αντίσταση R του κάθε λαμπτήρα είναι: Δυο λαμπτήρες, δηλαδή δύο ωμικές αντιστάσεις μπορεί να συνδεθούν σ ένα κύκλωμα, με δύο δυνατούς τρόπους: είτε σε σειρά (Εικόνα 5A) ή παράλληλα (Εικόνα 5B). Όταν μία γραμμή τροφοδοτεί δύο ή περισσότερα φορτία, ποια είναι η συνδεσμολογία των φορτίων, σ αυτή τη γραμμή, σε σειρά ή παράλληλα? Αν συνδέσουμε τους δύο λαμπτήρες σε σειρά, όπως στο κύκλωμα της Εικόνας 5A, τότε: 7

8 Εικόνα 6. Πως δημιουργείται η πτώση τάσης σε μία γραμμή. Αν αντίθετα, συνδέσουμε τους λαμπτήρες παράλληλα, τότε: Το συμπέρασμα είναι πως σε μία γραμμή που τροφοδοτεί περισσότερα από ένα φορτία, αυτά τα φορτία συνδέονται στο κύκλωμα της γραμμής παράλληλα. 4. Πτώση Τάσης Η πτώση τάσης σε μία ηλεκτρική γραμμή σημαίνει πως η τάση που εφαρμόζεται στα φορτία της γραμμής δεν είναι η ονομαστική τάση της τροφοδοσίας, δηλαδή V, αλλά μία μικρότερη τάση. Αυτό οφείλεται στο ότι ο αγωγός / το καλώδιο της γραμμής, δεν μπορεί να είναι τέλειος αγωγός, αλλά έχει μία εσωτερική αντίσταση που λειτουργεί σαν αντίσταση συνδεδεμένη σε σειρά με τα φορτία στη γραμμή (Εικόνα 6). Πώς υπολογίζουμε τη πτώση τάσης σε μία γραμμή? Στη βάση της ειδικής αντίστασης ρ του υλικού του αγωγού της γραμμής, από το τύπο: 8

9 Μεγάλη πτώση τάσης μειώνει / περιορίζει τα λειτουργικά χαρακτηριστικά των ηλεκτρικών συσκευών. Κινητήρες θερμαίνονται περισσότερο και δημιουργούν μικρότερη ροπή. Συσκευές θέρμανσης και κλιματιστικά θερμαίνονται περισσότερο και έχουν μικρότερη διάρκεια ζωής. Ο φωτισμός είναι αρκετά ασθενέστερος, απ ότι θα έπρεπε. Οι λαμπτήρες φθορισμού έχουν πρόβλημα στην εκκίνηση. 5. Σχεδίαση μίας Εγκατάστασης Δεν χρειάζεται να σχεδιάσουμε ολόκληρο το δίκτυο μίας εγκατάστασης, για να επιλέξουμε το πίνακα της εγκατάστασης. Όμως, χρειάζεται: 1. Να επιλέξουμε τις βασικές συσκευές μίας εγκατάστασης, δηλαδή το φούρνο, την ηλεκτρική κουζίνα, το θερμοσίφωνα, τη θέρμανση, τα κλιματιστικά. Η χρήση αυτών των μεγάλων σχετικά φορτίων αυξάνει το μέγεθος του πίνακα και το πλήθος των υλικών διακοπτών και ασφαλειών που θα χρειαστούμε. Σε αντίθεση, η θέρμανση από πετρέλαιο ή γκάζι περιλαμβάνει μικρά μόνον ηλεκτρικά φορτία, για τη λειτουργία συσκευών, όπως ο θερμοστάτης. Αυτό το βήμα μπορεί να γίνει και από το κατασκευαστή που προσδιορίζει τις βασικές η- λεκτρικές συσκευές που θα λειτουργούν σ ένα διαμέρισμα, στον ηλεκτρολόγο εγκαταστάτη. 2. Να καθορίσουμε τον αριθμό των ηλεκτρικών γραμμών. 3. Να καθορίσουμε το συνολικό φορτίο που θα εξυπηρετεί ο πίνακας. Ο αριθμός των γραμμών βασίζεται / καθορίζεται και από την επιφάνεια - τα τετραγωνικά του διαμερίσματος και τις βασικές ηλεκτρικές συσκευές που έχουμε επιλέξει. Οι γραμμές φωτισμού και ρευματοδοτών είναι ξεχωριστές γραμμές σε εμπορικά και βιομηχανικά κτίρια. Όχι όμως πάντοτε και στα σπίτια, όπου φωτιστικά και ρευματοδότες μπορεί να τροφοδοτούνται από την ίδια γραμμή. Παράδειγμα 5.1 Ο ΕΛΟΤ 384 προσδιορίζει φορτία φωτισμού μέχρι 33 W ανά τ.μ. και πως αυτά τα φορτία θα πρέπει να είναι ομοιόμορφα κατανεμημένα στις γραμμές της εγκατάστασης. Αν υποθέσουμε ένα διαμέρισμα συνολικής επιφάνειας 204 τ.μ., τόσες πόσες γραμμές φωτισμού, θα χρειαστούμε για αυτό το διαμέρισμα? Απάντηση Σύμφωνα με το κανονισμό του ΕΛΟΤ, δεν μπορεί να έχουμε μεγαλύτερο φορτίο φωτισμού από 33 W ανά τ.μ. Άρα: 9

10 33 * 204 / 240 = 6732 / 240 = 28 Α Ένα συνολικό φορτίο P = 6,7 kw σε τάση 240 V, θα δημιουργεί ρεύμα I = 28 Α. Αν κάθε γραμμή φωτισμού έχει ονομαστικό ρεύμα 10 Α, τότε μπορούμε να εξυπηρετήσουμε το συνολικό φορτίο Ι = 28 Α, χρησιμοποιώντας: Αριθμός γραμμών φωτισμού = 28 / 10 = 2,8 = 3. Αυτό δημιουργεί μία γραμμή φωτισμού, για κάθε 70 περίπου τετραγωνικά μέτρα. Ένας γενικός κανόνας είναι μία γραμμή φωτισμού για κάθε 40 τμ Γραμμές ρευματοδοτών. Συνήθως, τα περισσότερα σπίτια απαιτούν το ελάχιστο δύο γραμμές ρευματοδοτών, για να τροφοδοτούν μικροσυσκευές στο κουζίνα, τη τραπεζαρία, ενός διαμερίσματος. Μερικά διαμερίσματα έχουν περισσότερες από δύο γραμμές. Πλυντήριο. Τουλάχιστον μία γραμμή 20 Α χρειάζεται για το πλυντήριο. Μπάνιο. Μία γραμμή ρευματοδοτών για το μπάνιο. Αυτή η γραμμή μπορεί να χρησιμεύει να τροφοδοτεί όλες τις άλλες συσκευές στο μπάνιο δηλαδή τον εξαεριστήρα και φώς. Πρόσθετες γραμμές Εργαστήριο Εξωτερικό φωτισμό Φωτισμό στο κήπο 6. Ο πίνακας Το μέγεθος του πίνακα και ο γενικός διακόπτης εξαρτώνται / καθορίζονται από το συνολικό φορτίο που υπολογίζεται στη βάση των ηλεκτρικών γραμμών που ξεκινούν από το πίνακα Το συνολικό φορτίο ενός πίνακα περιλαμβάνει τα γενικά φορτία φωτισμού, τα φορτία της ηλεκτρικής κουζίνας, το πλυντήριο, θέρμανση κλιματιστικά. Ορισμένα από τα φορτία υπόκεινται σ ένα συντελεστή ταυτοχρονισμού. Ο συντελεστής ταυτοχρονισμού είναι ένα συντελεστής που χρησιμοποιείται για να υπολογίσουμε τη μέγιστή ζήτηση, για ένα σύστημα στη βάση του συνολικά συνδεδεμένου φορτίου. 10

11 Αυτοί οι συντελεστές είναι γιατί το ζητούμενοι φορτίο ενός ηλεκτρικού κυκλώματος, συχνά είναι λιγότερο από το συνδεδεμένο φορτίο. Στη πράξη δηλαδή, δεν είναι όλα τα φώτα αναμμένα ταυτόχρονα ή όλες οι εστίες σε μία ηλεκτρική κουζίνα. 11