Στο αρχείο αυτό δίνονται οι διορθωµένες σελίδες από το σύγγραµµα του Καθηγητή του Πανεπιστηµίου Πατρών. Κ. Τσανάκα: «ΕΙ ΙΚΑ ΚΕΦΑΛΑΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΚΑΙ ΙΚΤΥΩΝ - Α ΜΕΡΟΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΑΝΘΡΩΠΩΝ ΚΑΙ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ» Προσοχή! Η έκδοση του συγγράµµατος που διαθέτετε µπορεί να περιλαµβάνει µέρος αυτών. Ξάνθη 007
1 Η επίδραση του ηλεκτρικού ρεύµατος στον ανθρώπινο οργανισµό Σχήµα 5. Τάση σφάλµατος U E, τάση επαφής U T και βηµατική τάση U S σε περίπτωση σφάλµατος στο δίκτυο α) Χωρίς εσφαλµένη σύνδεση β) Αύξηση της τάσεως επαφής µε τη µεταφορά δυναµικού λόγω της εσφαλµένης σύνδεσης.
Η επίδραση του ηλεκτρικού ρεύµατος στον ανθρώπινο οργανισµό 15 τη συχνότητα 50 / 60 Hz, στεγνό δέρµα, διαδροµή ρεύµατος χέρι-χέρι ή χέριπόδι και σχετικά µεγάλες επιφάνειες επαφής (50cm έως 100 cm ) [1]. Οι τιµές αυτές µειώνονται κατά 10 5 % για υγρό δέρµα και κατά 50 % περίπου για δέρµα υγρό µε αγώγιµα διαλύµατα. Σχήµα 7. Συνολική ωµική αντίσταση R T του ανθρωπίνου σώµατος και συνολική σύνθετη αντίσταση Z T (για συχνότητα 50 / 60 Hz) ως συνάρτηση της τάσεως επαφής U T µε παράµετρο το ποσοστό του πληθυσµού, για το οποίο δεν γίνεται υπέρβαση των τιµών R T και Z T.
Η επίδραση του ηλεκτρικού ρεύµατος στον ανθρώπινο οργανισµό 17 Σχήµα 9. Συνολική σύνθετη αντίσταση Z T του ανθρωπίνου σώµατος ως συνάρτηση της συχνότητας f, µε την τάση επαφής ως παράµετρο. 3 Επίδραση του εναλλασσόµενου ρεύµατος Η συνήθης αιτία θανατηφόρων ατυχηµάτων λόγω εναλλασσόµενου ρεύµατος είναι η διακοπή της κυκλοφορίας του αίµατος λόγω καρδιακής µαρµαρυγής ή καρδιακής ανακοπής. Τα φαινόµενα αυτά οφείλονται στο µέρος του ρεύµατος που ρέει δια της καρδιάς. Η διακοπή της κυκλοφορίας του αίµατος επιφέρει την διακοπή της τροφοδότησης του εγκεφάλου µε οξυγόνο και τον θάνατο σε µερικά λεπτά. Το σχήµα 10 δείχνει το τυπικό ηλεκτροκαρδιογράφηµα µε την ευαίσθητη φάση προσβολής της καρδιάς από το ηλεκτρικό ρεύµα, το καρδιογράφηµα σε περίπτωση µαρµαρυγής και την αντίστοιχη πίεση του αίµατος. Ρεύµατα που διαρκούν περισσότερο από µία καρδιακή περίοδο T κ (περίπου 075, s) είναι ιδιαίτερα επικίνδυνα. Η επίπτωση ρευµάτων µικρής
Η επίδραση του ηλεκτρικού ρεύµατος στον ανθρώπινο οργανισµό απελευθερώσεως του χεριού που κρατάει τον αγωγό (10 ma ) και µαρµαρυγής (καµπύλη c 1 στο σχήµα 11) για συχνότητα f > 50 Hz είναι µεγαλύτερα και προκύπτουν από τον πολλαπλασιασµό των ορίων για τα 50 Hz επί τους συντελεστές κ 1, κ και κ 3 αντίστοιχα. Πρέπει να λαµβάνεται υπόψη η αύξηση των ρευµάτων που διαρρέουν τον ανθρώπινο οργανισµό µε την αύξηση της συχνότητας για την ίδια τάση επαφής λόγω δραστικής ελάττωσης της αντίστασης του σώµατος, σχήµατα 8 και 9. Σχήµα 1. Μείωση των επιδράσεων ρευµάτων συχνότητας 50 Hz < f 1000 Hz [] κ 1 συντελεστής αυξήσεως του ορίου αντιλήψεως του ρεύµατος (05, ma) κ συντελεστής αυξήσεως του ορίου απελευθερώσεως του χεριού που κρατάει τον αγωγό (10 ma ) κ 3 συντελεστής αυξήσεως του ορίου µαρµαρυγής (καµπύλη c 1 στο σχήµα 11) για διάρκεια επαφής µεγαλύτερη από την περίοδο των καρδιακών παλµών (περίπου 075, s) και ροή ρεύµατος κατά µήκος του κορµού
6 Η επίδραση του ηλεκτρικού ρεύµατος στον ανθρώπινο οργανισµό Η επίδραση των βραχυχρόνιων παλµών στον ανθρώπινο οργανισµό εξετάζεται στη δηµοσίευση [], όπου δίδονται και τα όρια των παλµών αυτών για ορισµένες επιπτώσεις. Για την στάθµιση των επιπτώσεων διαφορετικών παλµών εισάγεται στην δηµοσίευση [] η ειδική ενέργεια µαρµαρυγής t i rms 0 Fe = i () t dt = I t [ Fe] = A s = Ws Ω (1) i όπου t i η διάρκεια ροής του ρεύµατος it (). Η αγκύλη [ Fe ] συµβολίζει την µονάδα µέτρησης του µεγέθους Fe στο διεθνές σύστηµα µονάδων SI. Η ενέργεια που εκλύεται στο ανθρώπινο σώµα αντίστασης R κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης είναι W= R I t = Fe t [ W] = J = Ws () rms i i Ως διάρκεια εκφόρτισης των πυκνωτών t i λαµβάνεται το τριπλάσιο της σταθεράς χρόνου τ. Για t i = 3τ το ρεύµα εκφόρτισης έχει µειωθεί στο 5% της µέγιστης τιµής του, σχήµα 14γ. Η ειδική ενέργεια µαρµαρυγής, µε τα σύµβολα του σχήµατος 15, είναι: για ορθογώνιους παλµούς Fe = IDC ti (3) για ηµιτονοειδείς παλµούς I ACp Fe = I ACrms ti = ti (4) για εκφορτίσεις πυκνωτών ICp 1 Fe = ICrms ti = ti = ICpτ (5) 6 µε την ενδεικνυµένη (ενεργή) τιµή ICrms = 3τ 1 ic() t dt 3τ 0 1 = 3τ 3τ 0 1 t I τ Cpe dt 6 ( e ) 1 1 1 ICp = ICp = 6 1 6 επειδή e 6 << 1 (6)
8 Η επίδραση του ηλεκτρικού ρεύµατος στον ανθρώπινο οργανισµό όπου U C η τάση φόρτισης (τιµή κορυφής, για εναλλασσόµενο ρεύµα η τάση U C αποκτά την µέγιστη τιµή U, όπου U η ενδεικνυµένη (ενεργός) τιµή). Σχήµα 17. Κατώφλι αντίληψης και κατώφλι πόνου κατά τις εκφορτίσεις πυκνωτών για στεγνά χέρια και µεγάλη επιφάνεια επαφής. Ζώνη A: Κατώφλι αντίληψης Καµπύλη B: κατώφλι πόνου
3 Η επίδραση του ηλεκτρικού ρεύµατος στον ανθρώπινο οργανισµό όπου I p η µέγιστη στιγµιαία τιµή του ρεύµατος (από τον άξονα του χρόνου στην κορυφή, σχήµα 19) Η σχέση (10) ισχύει για σχετικά µεγάλες τιµές της συνεχούς προς την εναλλασσόµενη συνιστώσα. Για χρόνους t< 01, s, όπως φαίνεται από τα σχήµατα 11 και 14, το όριο µαρµαρυγής του συνεχούς ρεύµατος είναι ίσο µε το όριο του ηµιτονοειδούς εναλλασσόµενου ρεύµατος µε την ίδια ενδεικνυµένη τιµή. γ) Για διάρκεια ροής 075, Tκ < t< 15, Tκ το ισοδύναµο ρεύµα I ev µεταβάλλεται από I p σε I pp. Σχήµα 19. Εναλλασσόµενα ρεύµατα µε συνεχή συνιστώσα Παράδειγµα. Στον ακόλουθο πίνακα δίδονται τα ισοδύναµα ρεύµατα µαρµαρυγής I ev για τις κυµατοµορφές του σχήµατος 0. t 15, Tκ t 075T, κ σχήµα 0α σχήµα 0β σχήµα 0α σχήµα 0β I ev Ip = I ev Ip = I ev Irms = I ev Irms = I = I Iev = I ev rms rms
Η επίδραση του ηλεκτρικού ρεύµατος στον ανθρώπινο οργανισµό 37 τροφοδοτηθούν φορητές συσκευές) δεν έχει επιτευχθεί συµφωνία στα πλαίσια της CENELEC. Μέχρι τώρα ο καθορισµός αυτός γίνεται από τους εθνικούς κανονισµούς. Οι κανονισµοί VDE 57100/410 [13] περιορίζουν τη διάρκεια της τάσης επαφής σε περίπτωση φορητών συσκευών στα 0, s. Σύµφωνα µε το άρθρο 8 του ΚΕΗΕ παρέχεται ασφάλεια έναντι ηλεκτροπληξίας όταν η τάση λειτουργίας δεν υπερβαίνει τα 50 V. Για εγκαταστάσεις µε τάση λειτουργίας µεγαλύτερη των 50 V πρέπει να αποκλείεται η τυχαία επαφή µε στοιχεία που βρίσκονται υπό τάση και πρέπει πρόσθετα να πληρούται µία από τις τρεις συνθήκες: α) Το ρεύµα που µπορεί να διέλθει από τον ανθρώπινο οργανισµό, συνεχές ή εναλλασσόµενο µε συχνότητα µέχρι 60 Hz, να µην υπερβαίνει τα 05, ma. β) Η τάση επαφής να µην µπορεί να υπερβεί τα 50 V. γ) Τάση επαφής µεγαλύτερη από 50 V να µην µπορεί να διατηρηθεί περισσότερο από 5s. Από την σύγκριση των συνθηκών αυτών µε τα προηγούµενα προκύπτει ότι: η συνθήκη α) είναι αδικαιολόγητα αυστηρή, η συνθήκη β) συµπίπτει (για το εναλλασσόµενο ρεύµα) µε τους σχετικούς κανονισµούς της IEC και CENELEC [3,4]. η συνθήκη γ) είναι ελαστική, µη κάνοντας διαχωρισµό µεταξύ κυκλωµάτων χωρίς και µε ρευµατοδότες. Οι απαιτήσεις προστασίας έναντι βραχυχρόνιων εκφορτίσεων δεν έχουν καθορισθεί διεθνώς. Σύµφωνα µε τους κανονισµούς [13] η απαίτηση προστασίας πληρούται όταν κατά την άµεση επαφή η ενέργεια εκφόρτισης δεν υπερβαίνει τα 350 mj. 8 Βιβλιογραφία [1] IEC 479-1, Basic safety publication: Effects of current on human beings and livestock. General aspects, 1994 [] IEC 479-: Effects of current passing through the human body. Special aspects, 1988 [3] IEC: Publication 364-4-41, Electrical installations of buildings. Part 4, Protection for safety. Chapter 41, Protection against electric shock, 198
Μέθοδοι προστασίας έναντι ηλεκτροπληξίας σε εγκαταστάσεις χαµηλής τάσης 51 Πίνακας. Μέσες τιµές ειδικής αντιστάσεως εδάφους Είδος εδάφους Ειδική Αντίστασ η ρ ( Ω m ) Έδαφος ελώδες Έδαφος αργιλώδες πηλώδες ή αγρού Υγρή άµµος Υγροί χάλικες Ξηρή άµµος και ξηροί χάλικες Έδαφος πετρώδες 30 100 00 500 1000 3000 Για άλλες ειδικές αντιστάσεις εδάφους ρ οι πιο πάνω αντιστάσεις γειώσεως πολλαπλασιάζονται επί το συντελεστή ρ/ρ 1 Πίνακας 3. Αντίσταση γειώσεως ηλεκτροδίων για ειδική αντίσταση εδάφους ρ 1 = 100 Ω m Είδος ηλεκτροδίου Αντίσταση γειώσεως Ω Ταινία και συρµατόσχοινο µήκος Ράβδος και σωλήνας µήκος Πλάκα ορθογώνια, τοποθετηµένη κατακόρυφα, σε βάθος (από την άνω πλευρά) 1mπερίπου 10 m 5 m 50 m 100 m 1m m 3m 5m 05,m 1m 1m 1m 0 10 5 3 70 40 30 0 35 5
54 Μέθοδοι προστασίας έναντι ηλεκτροπληξίας σε εγκαταστάσεις χαµηλής τάσης Σχήµα 6. Προστασία µε διακόπτες διαφυγής εντάσεως Η µέγιστη επιτρεπόµενη αντίσταση γειώσεως R S προκύπτει από την επιτρεπόµενη µέγιστη τάση επαφής U B και το ονοµαστικό ρεύµα διαφυγής I n, που είναι η ελάχιστη τιµή του ρεύµατος I, που προκαλεί ασφαλή λειτουργία του Ε: R S U I B n (10) Για UB = 50 V και I n = 30 ma (συνήθης τιµή του Ε οικιακών εγκαταστάσεων) προκύπτει
68 Μέθοδοι προστασίας έναντι ηλεκτροπληξίας σε εγκαταστάσεις χαµηλής τάσης Σχήµα 15. ιάταξη της θεµελιακής γείωσης α) Απλός βρόχος β) Βρόχος µε διασύνδεση
Μέθοδοι προστασίας έναντι ηλεκτροπληξίας σε εγκαταστάσεις χαµηλής τάσης 71 Σχήµα 18. Στηρίγµατα αγωγών θεµελιακής γειώσεως Οι συνδέσεις των αγωγών των θεµελιακών γειώσεων πρέπει να γίνονται σύµφωνα µε σφηνοειδείς ή κοχλιωτούς συνδέσµους, σύµφωνα µε τους Κανονισµούς DIN 48834 και DIN 48845 [10,11]. Οι συνδέσεις µπορούν να γίνουν και µε συγκολλήσεις σύµφωνα µε τα DIN 1910 [1]. Παραδείγµατα συνδέσεων φαίνονται στο σχήµα 19. Σχήµα 19. Παραδείγµατα συνδέσεων αγωγών θεµελιακής γείωσης α, β, γ: σφηνοειδείς σύνδεσµοι δ : κοχλιωτός σύνδεσµος
78 Προστασία υπερεντάσεως εγκαταστάσεων χαµηλής τάσεως Από πλευράς κατασκευής οι ασφάλειες διακρίνονται σε κοχλιωτές ασφάλειες και σε µαχαιρωτές ασφάλειες (ασφάλειες χαµηλής τάσεως υψηλής ικανότητας διακοπής, µέχρι 100 ka!). Στο σχήµα φαίνεται η συγκρότηση κοχλιωτών (βιδωτών) ασφαλειών. Η αντικατάσταση των φυσιγγίων επιτρέπεται να γίνεται και από µη ειδικούς, επειδή κατά την αντικατάσταση παρέχεται προστασία έναντι επαφής µε υπό τάση τµήµατα και επειδή δεν είναι δυνατή η τοποθέτηση φυσιγγίων µεγαλύτερης ονοµαστικής εντάσεως (τέτοια φυσίγγια δεν µπορούν να εισαχθούν στη µήτρα προσαρµογής). Σχήµα. Κοχλιωτή ασφάλεια α) Φυσίγγι τύπου D β) Φυσίγγι τύπου D0 (περιορισµένων διαστάσεων) γ) Συγκρότηση ασφάλειας τύπου D Στο σχήµα 3 φαίνεται η συγκρότηση των µαχαιρωτών ασφαλειών. Η αντικατάσταση του κεντρικού σώµατος γίνεται µε ειδική µονωτική λαβή, χωρίς όµως να παρέχεται προστασία έναντι επαφής. Επειδή δεν υπάρχει µήτρα προσαρµογής µπορούν να τοποθετηθούν στην ίδια βάση σώµατα διαφορετικών ονοµαστικών εντάσεων. Για τους λόγους αυτούς η τοποθέτηση ή αφαίρεση του κεντρικού σώµατος γίνεται µόνο από ειδικευµένο προσωπικό. Στο σχήµα 3γ φαίνεται η θερµοκρασία κατά µήκος της ασφάλειας. Η θερµοκρασία ϑ α στο σηµείο συνδέσεως της ασφάλειας µε τη γραµµή (θερµοκρασία ακροδεκτών) είναι υψηλότερη από τη θερµοκρασία ϑ 1 του αγωγού. Η θερµοκρασία ϑ α για συνεχή φόρτιση µε το ονοµαστικό ρεύµα της ασφάλειας δεν επιτρέπεται να υπερβαίνει ένα ορισµένο όριο, για να µην
80 Προστασία υπερεντάσεως εγκαταστάσεων χαµηλής τάσεως Η ονοµαστική ένταση I n µιας ασφάλειας είναι η µέγιστη ένταση συνεχούς φορτίσεως χωρίς υπέρβαση της µέγιστης θερµοκρασίας του τηκτού και των ακροδεκτών. Η µέγιστη ένταση, η οποία µπορεί να διαρρέει µία ασφάλεια συνεχώς χωρίς να προκαλεί την τήξη της είναι η κάτω οριακή ένταση (π.χ. 11, I n ). Η ασφάλεια όµως δεν επιτρέπεται να διαρρέεται συνεχώς από την ένταση αυτή, για να µην γίνεται υπέρβαση της επιτρεπόµενης θερµοκρασίας των ακροδεκτών (ϑ α στο σχήµα 3γ). Ενδιαφέρον παρουσιάζουν η µέγιστη ένταση η οποία δεν προκαλεί τήξη της ασφάλειας εντός δύο ωρών και η ελάχιστη ένταση, η οποία προκαλεί οπωσδήποτε τήξη της ασφάλειας εντός h (13, I n και 16, I n αντίστοιχα). Σχήµα 4. Χαρακτηριστική εντάσεως-χρόνου τήξεως και εντάσεως-χρόνου διακοπής ασφάλειας Το σχήµα 4 δείχνει την τυπική µορφή των χαρακτηριστικών εντάσεως-χρόνου τήξεως ασφαλειών. Η ασύµπτωτος α προκύπτει από την ελάχιστη ένταση, η οποία προκαλεί τήξη της ασφάλειας. Όταν η ένταση του ρεύµατος έχει πολύ µεγάλες τιµές επέρχεται η τήξη του νήµατος της ασφάλειας σε πολύ µικρό
86 Προστασία υπερεντάσεως εγκαταστάσεων χαµηλής τάσεως Σχήµα 8. Περιορισµός ρεύµατος βραχυκυκλώσεως µε ασφάλειες τύπου gl [3] α) Ρεύµα βραχυκυκλώσεως µε συνεχή συνιστώσα, t χρόνος τήξεως, t τ χρόνος σβέσεως τόξου, t + t τ χρόνος διακοπής. I s κρουστικό ρεύµα, I D ρεύµα διελεύσεως β) Ρεύµα βραχυκυκλώσεως χωρίς συνεχή συνιστώσα γ) Χαρακτηριστικές ρεύµατος διελεύσεως ασφαλειών χαµηλής τάσεως υψηλής ικανότητας διακοπής ταχείας τήξεως, 500 V. Παράµετρος I n : ονοµαστική ένταση ασφάλειας
100 Προστασία υπερεντάσεως εγκαταστάσεων χαµηλής τάσεως Σχήµα 17. Επιλογική προστασία µε αυτόµατους διακόπτες µε χρονική καθυστέρηση λειτουργίας του ηλεκτροµαγνητικού στοιχείου. Παράδειγµα. Μετασχηµατιστής: ονοµαστική ισχύς Sn = 1000 kva ονοµαστική τάση δευτερεύοντος Un = 04, kv ονοµαστική ένταση δευτερεύοντος In = 1443 A τάση βραχυκυκλώσεως u k = 6% Ρεύµατα βραχυκυκλώσεως για σφάλµα στους ακροδέκτες του µετασχηµατιστή ή στο 1 : Ik = 4, 1 ka στο : Ik = 0, 8 ka στο 3 : Ik = 15, 0 ka Ρύθµιση 1 : a 1 $= 1440 A = I n, z1 = $ 6 ka~ 4 1440 A, n1 $= ka, t1 = 50 ms Ρύθµιση : a = 500 A, z $= ka = 4 500 A, t = 150ms Ρύθµιση 3, π.χ. για κινητήρα ονοµαστικής εντάσεως 100 A : a3 $= 100 A, n3 $= 1 100 A = 100 A
118 Προστασία υπερεντάσεως εγκαταστάσεων χαµηλής τάσεως Σχήµα 6. Παράδειγµα προστασίας µετασχηµατιστή µε ασφάλειες ΥΤ (3) και γενικό αυτόµατο διακόπτη ΧΤ (). Προστασία αναχωρήσεων ΧΤ µε ασφάλειες τύπου gl (1.1) ή αυτόµατο διακόπτη (1.).
10 Προστασία υπερεντάσεως εγκαταστάσεων χαµηλής τάσεως Πίνακας 4. Αιτίες και επιπτώσεις βλαβών.
13 Προστασία υπερεντάσεως εγκαταστάσεων χαµηλής τάσεως 35 για ασφάλειες 35 A : 169, 30, = δηλαδή 130 % 30 50 για ασφάλειες 50 A : 169, 469, = δηλαδή 369 % 30 Από τα παραπάνω είναι σαφές ότι οι ασφάλειες δεν προστατεύουν τον κινητήρα έναντι υπερφορτίσεως. 4.5. Προστασία µε θερµικό ηλεκτρονόµο και ασφάλεια Στο σχήµα 30 φαίνονται οι χαρακτηριστικές προστασίας κινητήρα ονοµαστικής εντάσεως 30 A µε συνδυασµό διακόπτη µε θερµικό ηλεκτρονόµο και ασφάλεια. Ο θερµικός ηλεκτρονόµος προστατεύει τον κινητήρα, τη γραµµή τροφοδοτήσεως και τον τηλεχειριζόµενο διακόπτη έναντι υπερφορτίσεως. Οι ασφάλειες προστατεύουν τον τηλεχειριζόµενο διακόπτη, τον ηλεκτρονόµο, τη γραµµή και τον κινητήρα έναντι βραχυκυκλώσεως. Οι περιοχές επενέργειας του ηλεκτρονόµου και της ασφάλειας καθορίζονται µε βάση τα ακόλουθα κριτήρια: α) Η χαρακτηριστική του ηλεκτρονόµου πρέπει να επιτρέπει την εκκίνηση του κινητήρα. Το σηµείο τοµής A του χρόνου εκκινήσεως t εκ µε το ρεύµα I εκ πρέπει να είναι κάτω από την χαρακτηριστική του ηλεκτρονόµου. I nm β) Οι ασφάλειες πρέπει να προστατεύουν τον ηλεκτρονόµο έναντι µεγάλων ρευµάτων. Το σηµείο τοµής Β της καµπύλης καταστροφής του θερµικού στοιχείου µε την χαρακτηριστική του ηλεκτρονόµου πρέπει να είναι πάνω από την χαρακτηριστική της ασφάλειας. Η χαρακτηριστική ΒΓ πρέπει να είναι πάνω από την χαρακτηριστική των ασφαλειών. γ) Οι ασφάλειες πρέπει να διακόπτουν τις µεγάλες εντάσεις οι οποίες δεν µπορούν να διακοπούν από τον διακόπτη. Στο σηµείο τοµής της χαρακτηριστικής των ασφαλειών µε τη χαρακτηριστική του ηλεκτρονόµου πρέπει να αντιστοιχεί ένταση µικρότερη από την ικανότητα διακοπής του διακόπτη (10I n στο σχήµα 30).
17 Επιτρεπόµενες εντάσεις λειτουργίας, υπερφορτίσεως και βραχυκυκλώσεως ϑ = ϑ ( 1 e τ ) τ t µε τ= S C () όπου ϑ η διαφορά µεταξύ της θερµοκρασίας του αγωγού και της θερµοκρασίας του περιβάλλοντος µετά χρόνο t από τη στιγµή ενάρξεως της διελεύσεως της σταθερής έντασης I, ϑ τ η διαφορά µεταξύ της τελικής θερµοκρασίας του αγωγού και της θερµοκρασίας του περιβάλλοντος, τ η χρονική σταθερά θερµάνσεως του καλωδίου που καθορίζεται του καθορίζεται από τη σχέση () S η θερµική αντίσταση µέσω της οποίας γίνεται η απαγωγή της θερµότητας και C η θερµοχωρητικότητα του καλωδίου. Το σχήµα δείχνει την θεωρητική και την πραγµατική µεταβολή της θερµοκρασίας []. Επειδή στην αρχή της θερµάνσεως η πραγµατική καµπύλη βρίσκεται πάνω από τη θεωρητική συνιστάται η χρησιµοποίηση χρονικής σταθεράς τ µε µικρότερη τιµή από εκείνη που προκύπτει από τη σχέση (). Με την µείωση αυτή της χρονικής σταθεράς παρέχεται και ένα περιθώριο ασφαλείας για ενδεχόµενες ανακρίβειες στην εκτίµηση των εντάσεων ή των χρόνων υπερφορτίσεως. Η χρονική αυτή σταθερά τ εξαρτάται από τη διατοµή και το υλικό, είναι πρακτικά ανεξάρτητη από τον τύπο του καλωδίου και µπορεί να ληφθεί από τον πίνακα 1. Στο σχήµα 3 δίδεται η καµπύλη θερµάνσεως, από την οποία είναι ευχερής η εύρεση της ανυψώσεως της θερµοκρασίας του καλωδίου σε σχέση µε τη θερµοκρασία του περιβάλλοντος για ορισµένο χρόνο ροής του ρεύµατος, όταν είναι γνωστή η τελική ανύψωση της θερµοκρασίας (βλέπε εδάφιο 6.5, παραδείγµατα). (1)
178 Επιτρεπόµενες εντάσεις λειτουργίας, υπερφορτίσεως και βραχυκυκλώσεως Iι = I ED 100% (6) Η ισοδύναµη αυτή ένταση είναι η ένταση εκείνη, η οποία εάν διέρρεε τον αγωγό ολόκληρη την περίοδο t S, θα προκαλούσε τις ίδιες θερµικές απώλειες τις οποίες προκαλεί η ένταση I, που διαρρέει τον αγωγό τη χρονική διάρκεια t B. Για I ι = I n προκύπτει από τη σχέση (6) ο επιτρεπόµενος συντελεστής υπερφορτίσεως η I η= = I n 100% ED Για περιοδικές υπερφορτίσεις µε χρόνους µεγαλύτερους από t S =τ 3 και t B =τ 0 ο συντελεστής η µπορεί να υπολογισθεί µε τη σχέση (8) ή να ληφθεί από το σχήµα 6. η τ τ = t ED 100 % t S S ( 1 e ) ( 1 e ) (7) (8) Σχήµα 6. Συντελεστής υπερφορτίσεως η κατά την περιοδική υπερφόρτιση ως συνάρτηση του συντελεστή διάρκειας υπερφορτίσεως ED µε παράµετρο τη διάρκεια πλήρους περιόδου t S ανηγµένη στη σταθερά χρόνου τ.
Επιτρεπόµενες εντάσεις λειτουργίας, υπερφορτίσεως και βραχυκυκλώσεως 181 6.5. Περιοδική υπερφόρτιση α) Υπόγειο καλώδιο Χ.Τ. τύπου NKBA πρόκειται να τροφοδοτήσει τριφασική συσκευή µε χρονική διάρκεια φορτίου 15 s και χρονική διάρκεια πλήρους περιόδου 100 s. Η ένταση (κατά τη διάρκεια των 15 s ) είναι 450 A. Να καθοριστεί η απαραίτητη διατοµή του καλωδίου. 1η εκτίµηση. Χρησιµοποίηση καλωδίου 4 70mm. Η επιτρεπόµενη ένταση συνεχούς φορτίσεως είναι In = 35 A (κεφάλαιο 4, πίνακας 1, NKBA: καλώδια χαλκού). Η χρονική σταθερά του καλωδίου είναι τ = 15 min = 900 s (πίνακας 13). s Ισχύει ts = 100 s < τ = 900 = 300 s 3 3 s και tb = 15 s < τ = 900 = 45 s 0 0 Ο συντελεστής διάρκειας υπερφορτίσεως είναι t ED = B s 100 % t = 100 15 % S 100 s = 15% Ο συντελεστής υπερφορτίσεως είναι 100% 100% η= = = 6, ED 15% Η επιτρεπόµενη υπερφόρτιση για τις πιο πάνω συνθήκες είναι: I=, 6 I =, 6 35 A= 611 A> 450 A n Το καλώδιο NKBA 4 70 mm επαρκεί και έχει µεγάλη εφεδρεία. Θα εξετασθεί αν επαρκεί και το καλώδιο της αµέσως µικρότερης διατοµής 4 50mm. η εκτίµηση. Χρησιµοποίηση καλωδίου 4 50 mm. Η επιτρεπόµενη ένταση συνεχούς φορτίσεως είναι In = 187 A (κεφάλαιο 4, πίνακας 1). Η χρονική σταθερά του καλωδίου είναι τ = 10 min = 600 s (πίνακας 13). Ισχύει s ts s τ = 600 = 00 s 3 3 και s tb s τ = 600 = 30 s 0 0
196 Επιτρεπόµενες εντάσεις λειτουργίας, υπερφορτίσεως και βραχυκυκλώσεως In I ϑ n = ϑ ϑ = ϑ ( ) I = 50 A n 80 C 40 C = 6 C I 17 A n Η µέγιστη θερµοκρασία λειτουργίας (αρχική θερµοκρασία τη στιγµή εµφανίσεως του βραχυκυκλώµατος) είναι: ϑ = ϑ + ϑ = 40 C+ 6 C= 46 C α π Από τη σχέση (4) µε Tk = 05, s, ϑ α = 46 C, ϑ τ = 160 C (εδάφιο 7..3) και ρ, c, κ 0 και α 0 από τον πίνακα 14 προκύπτει: q ρκ c 0 1 + α0( ϑτ 0 C) Ith = n T α 1 + α ( ϑ 0 C) k 0 0 5, 7, 7 0,91 34,8 1+ 0, 004(160 0) = n 0,5 0, 004 1+ 0, 004(46 0) mm q Ws m 3 3 mm 1 VAs 10 mma 3 3 α s C cm q C Ωmm = 314 = 314A= 3,1kA 10 mm 1 Vmm Η διατοµή 16 mm ACSR δεν είναι η πραγµατική διατοµή αλουµινίου αλλά η ισοδύναµη διατοµή χαλκού για την ίδια ωµική αντίσταση. Η διατοµή αλουµινίου είναι q = 16 mm κ Cu = 16 mm 56 = 5, 7 mm κ 34, 8 Al Καθορισµός µε τη βοήθεια διαγραµµάτων: I 50 A Από το σχήµα 14 είναι για = = 0394, δ = 13, I 17 A n Το θερµικό ρεύµα βραχείας διαρκείας για προηγούµενη φόρτιση µε I n λαµβάνεται από το σχήµα 13 για Tk = 05, s και είναι I ~ th n 5, ka. Το θερµικό ρεύµα βραχείας διαρκείας για προηγούµενη φόρτιση µε I= 50 A είναι: I = I δ = 5, ka 13, = 31, ka th th n
198 Επιτρεπόµενες εντάσεις λειτουργίας, υπερφορτίσεως και βραχυκυκλώσεως
Τεχνικά χαρακτηριστικά ηλεκτροδοτήσεως και προστασίας καταναλωτών 1.4 Γειώσεις καταναλωτών Μ.Τ. 1.4.1 Γενικά Η γείωση του Υ/Σ του καταναλωτή είναι απαραίτητη για την προστασία ατόµων έναντι επικίνδυνων τάσεων επαφής. Η πιο αποτελεσµατική προστασία επιτυγχάνεται µε την κατασκευή θεµελιακής γειώσεως κάτω από το κτίριο του Υ/Σ ή, αν αυτό δεν είναι δυνατό, µε την τοποθέτηση ισοδυναµικού πλέγµατος στο δάπεδο του Υ/Σ. Οδηγίες για την κατασκευή θεµελιακών γειώσεων δίδονται στο παράρτηµα VI του κανονισµού Εσωτερικών Ηλεκτρικών Εγκαταστάσεων. Η ελάχιστη διατοµή του αγωγού γειώσεως καθορίζεται από την ένταση του ρεύµατος κατά το µονοπολικό βραχυκύκλωµα, το χρόνο λειτουργίας των µέσων προστασίας, την αποδεκτή τελική θερµοκρασία του αγωγού και το υλικό του αγωγού. Όταν προηγούνται ασφάλειες Μ.Τ. επαρκεί αγωγός χαλκού διατοµής 16 mm. Η τελική αποδεκτή θερµοκρασία του αγωγού γειώσεως είναι 00 C. Εάν δεν υπάρχει κίνδυνος αναφλέξεως παρακείµενων υλικών η οριακή θερµοκρασία είναι 300 C. Από το σχήµα 15 του κεφαλαίου III προκύπτει π.χ. για αγωγούς γειώσεως από χαλκό, διάρκεια βραχυκυκλώσεως 1 s, αρχική θερµοκρασία (θερµοκρασία περιβάλλοντος) 40 C και τελική θερµοκρασία 00 C, SthN = 150 A mm. Το επιτρεπόµενο θερµικό ρεύµα I th είναι περίπου ίσο µε το ρεύµα βραχυκυκλώσεως (σφάλµα µακριά από γεννήτριες, I ~ th Ik ). Π.χ. για ρεύµα βραχυκυκλώσεως Ik = 5000 A είναι αναγκαία η διατοµή Ith Ik A q = ~ 5000 = = 33 mm S S 150 Amm thn thn και επιλέγεται η τυποποιηµένη διατοµή q = 35 mm. 1.4. Συνολική αντίσταση γειώσεως µικρότερη από 1 Ω Στην περίπτωση αυτή επιβάλλεται η κοινή γείωση των µεταλλικών µερών του Μ/Σ και του ουδέτερου κόµβου του Μ/Σ, σχήµα 14. Αυτό ισχύει ανεξάρτητα από τη µέθοδο προστασίας της εγκαταστάσεως Χ.Τ. του καταναλωτή (ουδετέρωση ή άµεση γείωση). Γείωση συνολικής αντιστάσεως µικρότερη του 1 Ω θεωρείται εξασφαλισµένη όταν ο Υ/Σ τροφοδοτείται από υπόγειο δίκτυο Μ.Τ. συνολικού µήκους τουλάχιστον
6 Τεχνικά χαρακτηριστικά ηλεκτροδοτήσεως και προστασίας καταναλωτών παραγράφους 1.3.1 και 1.3.. Για Μ/Σ µεγάλης αξίας µπορεί να προβλεφθεί πρόσθετη προστασία (διαφορική προστασία, προστασία Bucholz, προστασία υπερθερµάνσεως). Η προστασία έναντι ατµοσφαιρικών υπερτάσεων γίνεται µε αλεξικέραυνο τύπου βαλβίδας (µη γραµµικές αντιστάσεις που στις κανονικές συνθήκες έχουν πρακτικά άπειρη τιµή και στα οδεύοντα κύµατα τιµή που τείνει προς το µηδέν). Όταν εµφανίζονται ατµοσφαιρικές υπερτάσεις το αλεξικέραυνο άγει το ηλεκτρικό φορτίο προς τη γη. Τα αλεξικέραυνα αυτά δεν έχουν καµµία σχέση µε το αλεξικέραυνο προστασίας κτιρίου. Στις παροχές τύπου Α η ΕΗ τοποθετεί αλεξικέραυνα στα σηµεία της παροχής. Εάν το καλώδιο από το σηµείο της παροχής ως τον Μ/Σ έχει µήκος µικρότερο των 500 m συνιστάται η τοποθέτηση και από τον καταναλωτή αλεξικέραυνων στα άκρα του καλωδίου. Για µεγαλύτερα µήκη καλωδίου δεν απαιτείται η τοποθέτηση αλεξικέραυνων όπως επίσης δεν απαιτείται και όταν η τροφοδότηση γίνεται από υπόγειο δίκτυο. Η χωρητικότητα των καλωδίων µειώνει την κλίση του µετώπου του οδεύοντος κύµατος της τάσεως και έτσι αποφεύγεται η µεγάλη καταπόνηση των τυλιγµάτων του Μ/Σ. 1.6 ιατοµή καλωδίου παροχής Η ελάχιστη διατοµή του καλωδίου παροχής (καλώδιο µεταξύ της παροχής της ΕΗ και του µετασχηµατιστή του καταναλωτή) προκύπτει από τις ακόλουθες απαιτήσεις θερµική αντοχή του καλωδίου κατά την κανονική λειτουργία, θερµική αντοχή του καλωδίου κατά τα βραχυκυκλώµατα. Στο κεφάλαιο IV δίδονται οι επιτρεπόµενες φορτίσεις των καλωδίων για κανονικές συνθήκες φορτίσεως (ηµερήσιος κύκλος µε 10 h φόρτιση µε το πλήρες φορτίο και 14 h µε το 60 % του φορτίου). Με συντελεστές λαµβάνονται υπόψη οι συνθήκες εγκαταστάσεως, οι συνθήκες περιβάλλοντος και οι συνθήκες φορτίσεως (εγκατάσταση στο χώµα ή στον αέρα, γειτνίαση περισσοτέρων καλωδίων, θερµοκρασία περιβάλλοντος, συνεχής φόρτιση, βραχυχρόνια υπερφόρτιση, περιοδική υπερφόρτιση). Στο κεφάλαιο IV δίδεται επίσης σε καµπύλες το επιτρεπόµενο θερµικό ρεύµα βραχείας διαρκείας ως συνάρτηση της διάρκειας βραχυκυκλώσεως. Το ρεύµα αυτό, καθώς επίσης και η καµπύλη εντάσεως-χρόνου της προστασίας της ΕΗ δίδονται στον καταναλωτή από τη ΕΗ. Ο καταναλωτής µπορεί έτσι να επιλέξει την απαραίτητη διατοµή του καλωδίου, σχήµα 16. Το καλώδιο πρέπει
Τεχνικά χαρακτηριστικά ηλεκτροδοτήσεως και προστασίας καταναλωτών 33 Παροχή Μεγίστη ισχύς Γενικές ασφάλειες ισχύς εγκαταστάσεως ιατοµή γραµµής µετρητή-πίνακα που προστατεύεται για παροχής εγκαταστάσεως βραχυκύκλωµα υπερφόρτιση No kva A kva mm mm 1 16 5 16 6 6 5 5 35 16 5 6 6 10 3 35 50 35 6 16 4 55 63 80 45 55 10 5 5 5 85 100 65 15 85 5 ( ) 35 () 1 50 6 135 160 105 35 ( ) 95 00 135 10 7 50 50 165 95 ( ) 185 315 10 40 400 50 150 Πίνακας 1. Τυποποιηµένες τριφασικές παροχές ΕΗ. (1) Για να υπάρχει προστασία και για βραχυκύκλωµα, η γραµµή πρέπει να είναι 4 35mm ή ( 3 50+ 5) mm. () Οι διατοµές αυτές δεν ισχύουν για την περίπτωση µεµονωµένων καταναλωτών (που τροφοδοτούνται απ ευθείας από Μ/Σ χωρίς παρεµβολή δικτύου Χ.Τ.). ιευκρινίζονται τα ακόλουθα: Το µέγεθος της παροχής επιλέγεται από τον καταναλωτή (ή τον µελετητή της εσωτερικής εγκαταστάσεως), ανάλογα µε τις ανάγκες της εγκαταστάσεως. H ΕΗ µπορεί να επέµβει συµβουλευτικά, αν διαπιστώσει ότι δεν ζητείται το σωστό µέγεθος παροχής. Ειδικά για τους καταναλωτές που έχουν ένα µόνο κινητήρα, ή που ο κινητήρας τους έχει ισχύ µεγαλύτερη ή ίση µε το 80 % της ισχύος της εγκαταστάσεως, θα πρέπει να εκλεγούν οι γενικές ασφάλειες έτσι, ώστε να µην υπάρχει ο κίνδυνος να καίγονται από το ρεύµα εκκινήσεως του κινητήρα. Αν υπάρχει διάταξη περιορισµού του ρεύµατος εκκινήσεως (π.χ. διακόπτης αστέρα-τριγώνου) η ονοµαστική ένταση των γενικών ασφαλειών θα πρέπει να είναι κατά 10 % τουλάχιστον µεγαλύτερη από το ονοµαστικό ρεύµα του κινητήρα. Αν δεν υπάρχει τέτοια διάταξη, η ονοµαστική ένταση των
Ασκήσεις 49 Στο σχήµα φαίνεται το ισοδύναµο κύκλωµα της συνδεσµολογίας του σχήµατος 1. Σχήµα. Ισοδύναµο κύκλωµα της συνδεσµολογίας του σχήµατος 1 Από το σχήµα προκύπτει ότι η αντίσταση R v είναι βραχυκυκλωµένη. Ισχύει RS << Rα + Rδ, συνεπώς το ρεύµα I α δεν χρειάζεται να ληφθεί υπόψη για τον υπολογισµό του ρεύµατος I F. Ισχύει επίσης RN << RS και συνεπώς δεν χρειάζεται να ληφθεί υπόψη η αντίσταση R S (ανοικτό κύκλωµα µεταξύ PE και Γ). Στο σχήµα 3 φαίνεται το απλοποιηµένο ισοδύναµο κύκλωµα του σχήµατος 1 µε τις παραπάνω απλοποιήσεις. Σχήµα 3. Απλοποιηµένο ισοδύναµο κύκλωµα της συνδεσµολογίας του σχήµατος 1.