Dobór przewodów i kabli elektrycznych niskiego napięcia (zagadnienia wybrane)

Transkrypt

1 n i e z b ę d n i k e l e k t r y k a Julian Wiatr Marcin Orzechowski od Dobór przewodów i kabli elektrycznych niskiego napięcia (zagadnienia wybrane) WLZ ΔU WLZ ΔU 4 ieć a P WLZ ΔU WL [kw] [%] [% 100 0,5 3, ,0 3, ,25 2, ,5 2, w y d a n i e j u b i l e u s z o w e

2 n i e z b ę d n i k e l e k t r y k a Julian Wiatr Marcin Orzechowski Dobór przewodów i kabli elektrycznych niskiego napięcia (zagadnienia wybrane) Warszawa, 2011 r.

3 RECENZENCI mgr inż. Leszek Bożek Wojskowe Biuro Studiów Projektów Budowlanych i Lotniskowych w Warszawie mgr inż. Witold Zdunek prezes Oddziału Warszawskiego Stowarzyszenia Polskich Energetyków KIEROWNIK PROJEKTU Anna Kuziemska SKŁAD I ŁAMANIE Joanna Bilińska Agencja Reklamowa MEDIUM Wszelkie prawa zastrzeżone Copyright by Dom Wydawniczy MEDIUM Copyright by Julian Wiatr Copyright by Marcin Orzechowski ISSN WYDAWCA I ROZPOWSZECHNIANIE Dom Wydawniczy MEDIUM Warszawa, ul. Karczewska 18 tel Wydanie II SPIS TREŚCI 1. Nagrzewanie się kabli i przewodów Zasady doboru przewodów i kabli Dobór przewodów i kabli na długotrwałą obciążalność prądową i przeciążalność Sprawdzanie dobranych przewodów i kabli na warunki zwarciowe oraz wymagania zwarciowe stawiane zabezpieczeniom Sprawdzanie dobranych kabli lub przewodów na warunek spadku napięcia Sprawdzanie dobranych przewodów i kabli z warunku samoczynnego wyłączenia Wyznaczanie przekroju przewodu neutralnego w obwodach zasilających odbiorniki nieliniowe Dobór przewodów do zasilania urządzeń elektrycznych, które muszą funkcjonować w czasie pożaru Dobór przewodów połączonych równolegle Tabele doboru i oznaczenia przewodów Dobór przewodów szynowych

4 OD AUTORÓW Przewody elektryczne stanowią podstawowy element każdej instalacji elektrycznej stanowiącej wyposażenie budynku. Od ich poprawnego doboru zależy również bezpieczeństwo osób użytkujących instalację oraz bezpieczeństwo pożarowe budynku. Zasady doboru przewodów są jednoznacznie określone w normach przedmiotowych, z których jednak projektanci elektrycy nie zawsze korzystają, co w konsekwencji powoduje, że projektowana instalacja może mieć wiele błędów. Bardzo istotne jest dobranie właściwych zabezpieczeń przewodów i kabli. Problematyka doboru zabezpieczeń przeciążeniowych oraz zabezpieczeń zwarciowych przewodów i kabli niskiego napięcia jest związana z ich roboczą i zwarciową obciążalnością prądową. Pierwszym krokiem jest ustalenie wartości spodziewanego prądu obciążenia I B, który stanowi podstawę doboru prądu znamionowego zabezpieczenia I n oraz wstępnego doboru obciążalności długotrwałej I z przewodu. Drugim krokiem jest dobór prądu znamionowego i/lub nastawczego zabezpieczenia nadprądowego w taki sposób, aby wytrzymały prąd I B spodziewanego obciążenia oraz prądy załączeniowe, będące prądami normalnego użytkowania. Trzecim krokiem jest dobór przekroju przewodu w taki sposób, aby spełniał on wymagania w zakresie wytrzymałości mechanicznej, obciążalności cieplnej długotrwałej i zwarciowej, dopuszczalnego spadku napięcia oraz warunki ochrony przeciwporażeniowej zgodnie z wymaganiami normy PN-HD :2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym. Osobnym problemem jest dobór przewodów do zasilania urządzeń ppoż., które muszą funkcjonować w czasie pożaru, kiedy występuje wysoka temperatura powodująca znaczny wzrost rezystancji przewodów zasilających. Zagadnienia te nie zostały dotychczas objęte normalizacją, w związku z czym często projektanci nieświadomie popełniają podczas projektowania instalacji wiele błędów, mimo że pozornie dobór przewodów został wykonany zgodnie z obowiązującymi przepisami i normami. Generalnie w obwodach bezpieczeństwa, do których należy zaliczyć urządzenia ppoż., takie jak np. oświetlenie awaryjne, pompy pożarowe, pompy tryskaczowe, DSO oraz dźwigi dla ekip ratowniczych, a także obwody bezpieczeństwa w ruchu lotniczym, kolejowym, drogowym i wodnym oraz w obwodach kontroli dostępu, nie należy stosować wyłączników różnicowoprądowych oraz zabezpieczeń przeciążeniowych. W obwodach tych w celu wyeliminowania przypadkowych zadziałań, prądy znamionowe lub nastawcze zabezpieczeń zwarciowych należy zawyżyć o jeden lub dwa stopnie w porównaniu z zwartością wynikającą ze zwykłych zasad ich doboru. Przy doborze zabezpieczeń należy również pamiętać o zachowaniu wybiórczości ich działania z zabezpieczeniami usytuowanymi na niższych stopniach zabezpieczeń. Niniejsze opracowanie w zamierzeniu autorów ma być podręczną ściągą dla projektantów i wykonawców, z której będą mogli zawsze skorzystać w warunkach budowy. Zostało ono wydane z okazji jubileuszu 10-lecia istnienia na rynku wydawniczym miesięcznika elektro.info. Czytelników, którzy chcieliby pogłębić swoją wiedzę w zakresie doboru przewodów i kabli nn oraz ich zabezpieczania, zachęcamy do lektury książki pt. Ochrona przeciwporażeniowa oraz dobór przewodów i ich zabezpieczeń w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia, naszego autorstwa, wydanej w ramach serii wydawniczej Zeszyty dla elektryków. Julian Wiatr Marcin Orzechowski Warszawa, sierpień, 2011 r. 3

5 1. NAGRZEWANIE SIĘ KABLI I PRZEWODÓW Głównymi przyczynami nagrzewania się żył kabli i przewodów wskutek przepływu prądu są: niezerowa rezystancja (straty wynikające z prawa Joule a), straty wynikające z histerezy magnetycznej i prądów wirowych w obwodach magnetycznych urządzeń oraz w metalowych częściach aparatów instalowanych w obwodach elektrycznych, straty wynikające z własności dielektryków (izolacji) pozostających w zmiennym polu elektrycznym, która jest przyczyną występowania prądów upływu do ziemi, oddziaływanie środowiska. Decydujący wpływ na prawidłowy dobór przewodów i kabli mają straty wynikające z prawa Joule a, czyli spowodowane przepływem prądu przez przewód o niezerowej rezystancji. Przy wyznaczaniu wymaganego przekroju przewodu lub kabla definiuje się następujące temperatury: obliczeniowa temperatura otoczenia τ o, temperatura graniczna dopuszczalna długotrwale τ dd, temperatura graniczna dopuszczalna przejściowo τ dp (w polskich przepisach nieokreślona), temperatura graniczna dopuszczalna przy zwarciu τ dz. Obliczeniowa temperatura otoczenia τ o jest to najwyższa temperatura powietrza lub ziemi otaczających rozważane urządzenie elektryczne, występująca stale lub okresowo, w normalnych warunkach użytkowania. W tabeli 1.1. zostały podane obliczeniowe temperatury otoczenia występujące w Polsce określone w normie IEC /A1:1999 Electric cables. Calculation of the current rating. Part 3-1: Sections on operating conditions. Reference operating conditions and selections of cable type, których wartości zostały uzgodnione ze stroną polską. Tabela 1.1. Obliczeniowe temperatury otoczenia przyjęte w Polsce [18] Rodzaj przewodu i warunki układania τ o, w [ C] Przewody w pomieszczeniach 25 Przewody izolowane nienarażonych na bezpośrednie nasłonecznienie 25 w przestrzeniach zewnętrznych narażonych na bezpośrednie nasłonecznienie 40 Kable układane w ziemi w zależności od pory roku 20 (15; 5) *) Objaśnienia: *) 20 C lato, 15 C wiosna i jesień, 5 C zima Temperatura graniczna dopuszczalna długotrwale τ dd jest to najwyższa temperatura, do jakiej mogą nagrzewać się żyły przewodów i stykające się z nimi warstwy izolacji przez czas nieograniczony przy zachowaniu trwałości termicznej izolacji na poziomie lat. Wartość temperatury τ dd jest bezpośrednio uzależniona od materiału izolacji oraz od warunków otoczenia przewodu. Przekroczenie temperatury τ dd może doprowadzić do: skrócenia okresu użytkowania, pogorszenia właściwości izolacji żył (zwiększenie upływności, zmniejszenie odporności mechanicznej), zwiększenia zagrożenia pożarowego. Temperatura graniczna dopuszczalna przejściowo τ dp jest to najwyższa temperatura, jaką dopuszcza się przy sporadycznie występujących awaryjnych przeciążeniach ruchowych o ograniczonym czasie trwania, np. nie dłużej niż 100 h w ciągu roku i nie dłużej niż 500 h w całym przewidywanym okresie eksploatacji. Przeciążenia takie wywołują dodatkowe zużycie termiczne izolacji, np. w odniesieniu do jednego przeciążenia nie większe niż 0,1% trwałości i nie dłuższe niż 200 h przewidywanego czasu eksploatacji. Wartość temperatury τ dp jest bezpośrednio uzależniona od materiału izolacji oraz od warunków otoczenia przewodu. W tabeli 1.2. zostały przedstawione dopuszczalne temperatury przewodów bez izolacji oraz w izolacji wykonanej z różnych materiałów [18]. Tabela 1.2. Temperatura graniczna dopuszczalna dla przewodów w zależności od rodzaju materiału izolacji [18] Materiał izolacji Temperatura graniczna dopuszczalna, w [ C], długotrwale τ dd przejściowo 1) τ dp przy zwarciu τ dz Bez izolacji, przewody gołe miedziane Guma naturalna Papier olej (kable niskiego napięcia)

6 Materiał izolacji Temperatura graniczna dopuszczalna, w [ C], długotrwale τ dd przejściowo 1) τ dp przy zwarciu τ dz Polwinit (PVC) ) Polietylen (PE) Guma butylowa Polwinit ciepłoodporny, polietylen sieciowany (XLPE), guma etylenowo-propylenowa (EPR) Polietylenowinyloacetat (EVA) 120 Guma silikonowa Objaśnienia: 1) nie występuje w aktualnych polskich normach ani przepisach, 2) 140 C dla przewodów o przekroju S > 300 mm 2 Temperatura graniczna dopuszczalna przy zwarciu τ dz jest to najwyższa temperatura żył przewodu, jaką dopuszcza się w końcowej chwili trwania zwarcia. Wartość τ dz zależy od materiału otoczenia żyły (izolacji) im materiał, z którego wykonana jest izolacja, jest bardziej odporny na mięknienie, deformację i degradację, tym wyższa temperatura dopuszczalna jest przy zwarciu. 2. ZASADY DOBORU PRZEWODÓW I KABLI Przewody w sieciach i instalacjach elektrycznych nn dobiera się na następujące warunki: wytrzymałość mechaniczną, obciążalność długotrwałą, przeciążalność, spadek napięcia, warunki zwarciowe, samoczynne wyłączenie w celu ochrony przeciwporażeniowej. Oprócz ww. wymagań, napięcie znamionowe izolacji przewodów U ni musi być co najmniej równe napięciu znamionowemu sieci U n : (U ni U n ). Dopuszczalne najmniejsze przekroje przewodów ze względu na wytrzymałość mechaniczną zostały przedstawione w tabeli 2.1. Tabela 2.1. Najmniejsze przekroje przewodów wymagane ze względu na wytrzymałość mechaniczną wg DIN VDE 0100:2002 [44] Najmniejszy przekrój żyły, w [mm 2 ] Rodzaje przewodów i sposób ułożenia Cu Al Przewody ułożone na stałe, chronione przed uszkodzeniami 1,5 2,5 1) Przewody izolowane do połączeń w rozdzielnicach o zastępczym prądzie obciążenia długotrwałego: I B 2,5 A 2,5 A < I B 16 A I B > 16 A 0,5 0,75 1,0 Przewody do odbiorników ruchomych i przenośnych o prądzie znamionowym I n : 1,5 A < I n 10 A I n > 10 A 0,75 1,0 Przewody obwodu wtórnego przekładnika prądowego 2,5 Przewody obwodu wtórnego przekładnika napięciowego 1,5 Przewody sterownicze ułożone na stałe w pomieszczeniach 0,5 5

7 Rodzaje przewodów i sposób ułożenia Przewody napowietrzne na izolatorach przy rozpiętości przęsła a Najmniejszy przekrój żyły, w [mm 2 ] Cu Al a 20 m m < a 45 m 6 16 a > 45 m Objaśnienia: 1) w Polsce przekroje żył przewodów aluminiowych nie powinny być mniejsze niż 16 mm 2 [5] 3. DOBÓR PRZEWODÓW I KABLI NA DŁUGOTRWAŁĄ OBCIĄŻALNOŚĆ PRĄDOWĄ I PRZECIĄŻALNOŚĆ Przy doborze przewodów i kabli na długotrwałą obciążalność i przeciążalność prądową dla odbiornika liniowego pierwszym krokiem jest obliczenie spodziewanego prądu obciążenia, który należy wyznaczyć z poniższych wzorów, w zależności od rodzaju obwodu: dla obwodów jednofazowych: S P I = = (3.1.) B U cosϕ U nf nf dla obwodów trójfazowych: S P I = = (3.2.) B 3 U 3 cosϕ U n n gdzie: I B obliczeniowy prąd obciążenia przewodu lub kabla, w [A], U nf napięcie fazowe, w [V], U n nominalne napięcie międzyfazowe, w [V], cosϕ współczynnik mocy, w [-], S moc pozorna obciążenia przewodu lub kabla, w [VA], P moc czynna obciążenia przewodu lub kabla, w [W]. W odniesieniu do odbiorników nieliniowych współczynnik mocy cosϕ, przyjmowany dla odbiorników liniowych, nie znajduje uzasadnienia, gdyż odnosi się on tylko do składowej podstawowej. Każda składowa prądu i napięcia przebiegu odkształconego posiada indywidualny współczynnik mocy cosϕ k. Moc pozorną zapotrzebowaną przez odbiornik nieliniowy należy określić wzorem: S = P + Q + V (3.3.) gdzie: P moc czynna, w [W], Q moc bierna, w [var], V moc deformacji, w [VA]. Moc czynna przebiegu odkształconego jest sumą mocy czynnych harmonicznych napięcia i prądu o tej samej częstotliwości, czyli: P= U I cosϕ (3.4.) k= 1 k k k Natomiast moc bierną przebiegu odkształconego obliczamy z powszechnie akceptowalnego wzoru: Q= U I sinϕ k= 1 k k k gdzie: ϕ k przesunięcie fazowe pomiędzy napięciem i prądem dla harmonicznej rzędu k, U k wartość skuteczna napięcia harmonicznej rzędu k, w [V], I k wartość skuteczna prądu harmonicznej rzędu k, w [A], sinϕ k 2 = 1 cos ϕ Ilustrację graficzną wektorów mocy P, Q, V, S 1 i S dla odbiornika liniowego oraz nieliniowego przedstawia rysunek 3.1. k (3.5.) 6

8 Niedostępne w wersji demonstracyjnej. Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki w serwisie