dr inż. Jan STROJNY ZASADY DOBORU APARATÓW ELEKTRYCZNYCH

Transkrypt

1 stalacje i sieci eletrycze dr iż. Ja STROJNY ZASADY DOBORU APARATÓW ELEKTRYCZNYCH 1. Kryteria ogóle Podstawą doboru aparatów eletryczych pod względem techiczym jest zasada, że parametry uładu w miejscu zaistalowaia ie mogą przeraczać wartości odpowiedich parametrów zamioowych daych aparatów. W ramach techiczego doboru aparatów ależy dooać: ustaleia wielości arażeń i wyiających stąd wartości obliczeiowych, doboru aparatów ze względu a ich parametry podstawowe, doboru aparatów z uwzględieiem ich zadań szczegółowych. Rówocześie może być przeprowadzoa aaliza techiczo-eoomicza, a miaowicie rachue osztów roczych i wybór wariatu optymalego w oparciu o oceę iezawodości zastosowaych rozwiązań techiczych. Aalizę techiczo- -eoomiczą przeprowadza się zwyle dla całego przedsięwzięcia iwestycyjego, p. budowy stacji trasformatorowo-rozdzielczej. 2. Dobór aparatów pod względem parametrów podstawowych Każdy aparat eletryczy podlega arażeiom apięciowym i cieplym prądowym w waruach roboczych oraz arażeiom cieplym i dyamiczym prądowym w waruach zwarciowych. Parametry techicze oreślające odporość aparatu w tym zaresie mają charater podstawowy i są podawae dla wszystich urządzeń. Narażeia robocze są wyzaczoe wartością apięcia zamioowego sieci i masymalą wartością prądu roboczego. Masymaly prąd roboczy jest oreślay a podstawie czasowo-mocowej charaterystyi dobowego obciążeia. Pszcz (1) rm A 3 U cosϕ przy czym: P szcz moc szczytowa czya obciążeia 3-fazowego zmierzoa lub wyzaczoa obliczeiowo w W, U apięcie zamioowe sieci w V, cosφ współczyi mocy w szczycie obciążeia. Wartość prądu roboczego rm ie powia przeraczać prądu zamioowego cieplego podawaego przez wytwórcę daego urzadzeia. Jeżeli przebieg zmia obciążeia ie jest zay to jao masymaly prąd roboczy przyjmuje się wartość prądu zamioowego trasformatora. 46

2 stalacje i sieci eletrycze W ietórych przypadach trzeba uwzględiać możliwość występowaia trwałego przeciążeia urządzeń w stosuu do obliczeiowej mocy obciążeia roboczego. Ta jest p. dla pól zasilających baterie odesatorów, dla tórych jao podstawę doboru aparatów i przewodów przyjmuje się zazwyczaj 1,3 wartości prądu zamioowego baterii, ze względu a możliwy trwały wzrost prądu związay z wystąpieiem wyższych harmoiczych lub loalego przyrostu apięcia a sute pojemościowego charateru obwodu. Rówież przy doborze przeładiów prądowych uwzględia się możliwość trwałego przeciążeia wyoszącego od 1,2 do 2,0 prądu zamioowego stroy pierwotej. Narażeia zwarciowe, wspóle dla wszystich aparatów, obejmują dyamicze i cieple działaie prądu zwarcia, odpowiedio oreśloe przez prąd zwarciowy udarowy i p, zastępczy cieply prąd zwarciowy th i czas trwaia zwarcia T. Wytrzymałość zwarciową aparatu oreślają zamioowy prąd szczytowy i dy oraz prąd zamioowy rótotrwały wytrzymyway thr (wartość sutecza). Prąd zamioowy rótotrwały wytrzymyway jest podaway ajczęściej dla czasu zwarcia rówego 1 s. Dla doboru więszości aparatów oiecza jest zajomość ajwięszej spodziewaej wartości prądu zwarciowego, a więc dla zwarcia trójfazowego. Dla bezpiecziów topiowych oiecza jest rówież zajomość miimalego prądu zwarciowego, tóry a ogół występuje podczas zwarcia jedofazowego z ziemią. Obliczaie miimalego prądu zwarciowego jest rówież oiecze dla doboru astaw zabezpieczeń adprądowych oraz dla sprawdzaia waruów rozruchowych siliów. Rozróżia się: 1. zwarcia odległe od geeratorów, podczas tórych prąd zwarcia ma charater siusoidalie zmiey symetryczy o stałej amplitudzie (rys. 1). Do tej grupy ależą przede wszystim zwarcia w sieciach rozdzielczych, 2. zwarcia w pobliżu geeratorów, podczas tórych prąd zwarciowy staowi sumę sładowej oresowej i zaiającej sładowej ieoresowej (rys. 2). Są to główie zwarcia w sieciach załadów przemysłowych z własymi eletrowiami lub z dużą liczbą siliów. i i DC 2 2 i p A 0 t Rys. 1. Przebieg prądu zwarciowego przy zwarciu odległym; '' prąd zwarciowy początowy, i p prąd udarowy, ustaloy prąd zwarciowy, A wartość początowa sładowej ieoresowej i DC Nr

3 stalacje i sieci eletrycze i i DC i p A 0 t Rys. 2. Przebieg prądu zwarciowego przy zwarciu w pobliżu geeratora; '' prąd zwarciowy początowy, i p prąd udarowy, ustaloy prąd zwarciowy, A - wartość początowa sładowej ieoresowej i DC Zasady obliczeń zwarciowych podaje międzyarodowa orma PN-EN [1] 1. Prąd zwarciowy początowy oblicza się ze wzoru: '' c U (2) 3 Z gdzie: c współczyi apięciowy wg tabeli 1, U zamioowe apięcie sieci w miejscu zaistalowaia aparatu, Z zastępcza impedacja zwarciowa. Tabela 1. Współczyi apięciowy c dla obliczeń prądów zwarciowych 48 Napięcie do obliczaia masymalej wartości prądu zwarciowego do obliczaia miimalej wartości prądu zwarciowego 230/400 V 1,0 0,95 ie do 1000 V 1,05 1,0 1 V 230 V 1,1 1,0 W przypadu obliczaia zwarć odległych, zastępcza impedacja zwarciowa obejmuje impedację systemu Z s, trasformatorów Z t, liii Z l i dławiów przeciwzwarciowych Z dł. Dla obliczeń uproszczoych oraz gdy R 0,3X, moża pomiąć rezystację i przyjmować Z X X s + X t + X l + X dł (3) Przy obliczaiu zwarć występujących w pobliżu geeratorów ależy odpowiedio uwzględiać rówież impedację zwarciową geeratorów. Z dostateczie doładym dla doboru aparatów przybliżeiem, prąd początowy zwarcia trójfazowego moża obliczyć ze wzoru '' 1,1 U 0,636U (4) 3X X gdzie X reatacja obwodu zwarciowego. 1 tzw. orma uzaiowa (U), opubliowaa tylo w języu agielsim

4 stalacje i sieci eletrycze W przypadu gdy zae są tylo dae trasformatora, z tórego dae miejsce jest zasilae, za reatację X ależy przyjmować sumę reatacji trasformatora i ewetualej liii zasilającej. Dodatowo uwzględia się reatację siliów asychroiczych o apięciu poad 1 V. Pomija się: silii, tóre ie pracują rówocześie, silii przyłączoe do sieci eergetyi zawodowej, grupy siliów, jeżeli spełioa jest zależość M < 0,01 M (5) gdzie M jest to prąd obliczoy przy zwarciu a zacisach siliów, silii przyłączoe za pośredictwem trasformatorów dwuuzwojeiowych, jeżeli ich łącza moc jest miejsza iż to podaje orma [1]. Gdy podaa jest moc zwarciowa S a szyach, prąd początowy oblicza się ze wzoru: '' S (6) 3U Obliczeia zwarciowe ajczęściej przeprowadza się w jedostach względych, przyjmując zazwyczaj jao wielości podstawowe: apięcie U p U V i moc S p 100 MVA. Reatacja w jedostach względych, odiesioa do przyjętych wielości podstawowych, może być obliczoe ze wzorów podaych w tabeli 2. Tabela 2. Wzory do obliczaia reatacji podstawowych elemetów uładu dla przybliżoych obliczeń zwarć trójfazowych w jedostach względych przy założeiu wielości podstawowych apięcia U p U V i mocy S p 100 MVA Elemet uładu Podstawowe dae Wzór obliczeiowy 1,1 100 sieć zasilająca moc zwarciowa S (MVA) Xs S geerator, sili sychroiczy liia apowietrza wysoiego apięcia moc zamioowa S (MVA) reatacja przejściowa wstępa X ' d ' (%) X g X S apięcie zamioowe U (V) 0, Xl 2 długość liii l (m) 0, liia ablowa jw. Xl 2 U trasformator dwuuzwojeiowy dławi przeciwzwarciowy moc zamioowa S T (MVA) apięcie zwarcia u zw (%) apięcie zamioowe U (V) prąd zamioowy (A) reatacja dławia x dł (%) X dł U u X t S '' d zw xdł 3U Nr

5 stalacje i sieci eletrycze Moc zwarciowa występująca w daym miejscu, po przeliczeiu a jedosti względe wyosi: S ( MVA) S (7) ( j. wzgl) 100 Pocedura sprawdzaia zwarciowej wytrzymałości dyamiczej i cieplej przy przepływie prądu zwarciowego: 1. Prąd zamioowy -seudowy aparatu thr, oreślający jego cieplą wytrzymałość zwarciową musi spełiać warue th tz (8) thr gdzie: th prąd zwarciowy cieply zastępczy, t z czas trwaia zwarcia w seudach. Prąd zwarciowy cieply zastępczy th oblicza się wg [1]. W przypadu obliczeń przybliżoych moża przyjmować th ''. Aparatów zabezpieczoych bezpiecziami topiowymi ie sprawdza się a cieple działaie prądu zwarciowego. 2. Prąd zamioowy szczytowy aparatu i dy, oreślający jego wytrzymałość dyamiczą musi być więszy od prądu udarowego i p Prąd udarowy i p oblicza się ze wzoru: i p i dy i p (9) κ (10) '' 2 w tórym współczyi udaru κ oreśla się w zależości od stosuu X /R lub R /X a podstawie wyresów (rys. 3). R i X są to odpowiedio rezystacja i reatacja obwodu zwarciowego. κ 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 50 R /X Rys. 3. Współczyi udaru κ w fucji parametrów obwodu zwarciowego R /X

6 stalacje i sieci eletrycze W przybliżeiu prąd udarowy: i (11) p '' 2,55 3. Dobór aparatów ze względu a ich zadaia szczegółowe Nietóre urządzeia i aparaty wymagają oreśloych obliczeń dodatowych. Łączii isoapięciowe maewrowe zestyowe (styczii) Łączii maewrowe ależy dobierać odpowiedio do ich ategorii użytowaia i lasy pracy. Kategoria użytowaia podaje zares roboczych waruów pracy przy obciążeiu ormalym i przy przeciążeiach, zdefiiowaych jao wartość prądu wyłączalego i prądu załączalego przy oreśloym apięciu i współczyiu mocy obwodu oraz przy oreśloej trwałości maewrowej daego łączia. Klasa pracy oreśla parametry trwałościowe styczia. Dla łącziów maewrowych (stycziów) prądu przemieego rozróżia się astępujące ategorie użytowaia (tab. 4): Tabela 4. Kategorie użytowaia stycziów prądu przemieego Kategoria Rodzaj obciążeia AC 1 obciążeie ieiducyje lub małoiducyje (cosφ do 0,95) AC 2 silii iducyje pierścieiowe AC 3 silii iducyje zwarte, wyłączae przy pełej prędości obrotowej AC 4 silii iducyje zwarte, hamowaie przeciwprądem i impulsowaie AC 5a sterowaie lamp wyładowczych AC 5b łączeie żarówe AC 6a łączeie trasformatorów AC 6b łączeie baterii odesatorów AC 7a łączeie odbioriów stosowaych w gospodarstwie domowym (małoiducyjych) AC 7b łączeie odbioriów stosowaych w gospodarstwie domowym (silii) AC 8 sterowaie siliów sprężare hermetyczych: a z ręczym, b z automatyczym przestawiaiem wyzwalaczy przeciążeiowych Kategorie użytowaia łącziów iemaewrowych (rozłączii, odłączii, rozłączii z bezpiecziami) ozaczoe są przez AC 20 do AC 23. Odpowiedio oreśloe są rówież ategorie użytowaia dla łącziów prądu stałego (DC). Klasa pracy oreśla trwałość i częstość łączeia isoapięciowych stycziów (tabela 5). Dla daej ategorii użytowaia, prąd wyłączaly (załączaly) jest oreśloy jao rotość tzw. prądu maewrowego e styczia. Na przyład dla bardzo rozpowszechioej ategorii użytowaia AC 3, w ormalych waruach łączeiowych, prąd załączaly ie powiie przeraczać 6 e, prąd wyłączaly 1 e, przy apięciu maewrowym ie przeraczającym 1,0 apięcia zamioowego i cos φ 0,35. Prąd Nr

7 stalacje i sieci eletrycze maewrowy, lub odpowiadająca mu moc obciążeia są podawae przez wytwórcę łącziów. Tabela 5. Klasy pracy łącziów maewrowych isiego apięcia 52 Ozaczeie lasy Trwałość mechaicza (milioy cyli) Najmiejsza trwałość łączeiowa (tysiące cyli) Najwięsza częstość łączeń (cyli a godzię) 0,3 0, Wyłączii wysoiego apięcia Przy doborze wyłącziów ależy sprawdzić warui związae z wymagaą zdolością do wyłączaia zwarć w daym pucie sieci, a w szczególości:. apięcie łączeiowe góre łączia, dla tórego oreśloy jest prąd łączeiowy, ma być ie miejsze od ajwyższego apięcia roboczego sieci. Warue te musi być spełioy rówież w przypadu, gdy zamioowe apięcie izolacji łączia jest więsze od zamioowego sieci, zamioowy prąd wyłączaly symetryczy lub iesymetryczy powiie być co ajmiej rówy odpowiedio prądowi wyłączeiowemu symetryczemu lub iesymetryczemu występującemu w daym miejscu. Gdy czas rozdzielaia się zestyów jest więszy iż 5 oresów (0,1 s), ie sprawdza się waruu a prąd iesymetryczy. Dla zwarć odległych od geeratorów i dla zwarć w sieci zamiętej prąd wyłączeiowy symetryczy b moża przyjmować rówy '', jeżeli podaa jest moc wyłączala (zdolość wyłączala) wyłączia, to musi oa być więsza od mocy zwarciowej w daym pucie sieci, zamioowy prąd załączaly wyłączia powiie być co ajmiej rówy wartości prądu udarowego w daym miejscu sieci. Bezpieczii topiowe Właściwości włade bezpiecziowych dotyczące ich przezaczeia i zdolości przerywaia prądów przeciążeiowych oreśla się dwiema literami: małą (g lub a) oraz wielą (L, M, R, B, Tr lub G). Małe litery podają charaterystyę czasowo-prądową bezpieczia (rys. 4), astępująco: g pełozaresowa zdolość wyłączaia prądów, tj. począwszy od miimalych wartości prądu powodujących przetopieie topia do zamioowej zdolości wyłączaia, wyoszącej zwyle wiele dziesiątów iloamperów; a iepełozaresowa zdolość wyłączaia, od prądu o. 4 Nbezp, do zamioowej zdolości wyłączaia.

8 Duże litery ozaczają przezaczeie włade odpowiedio dla: L przewodów i abli, M siliów, R elemetów eergoeletroiczych (diod, tyrystorów), B urządzeń eletroeergetyczych góriczych, Tr trasformatorów, G urządzeń ogólego przezaczeia. stalacje i sieci eletrycze t t bmi - ajmiejszy prąd wyłączaly 0,1s 0,1s f Rys. 4. Charaterystya czasowo-prądowa włade bezpiecziowych t f(); pełozaresowej g i iepełozaresowej a Dla urządzeń zabezpieczoych przy pomocy tzw. bezpiecziów ograiczających wytrzymałość dyamiczą (warue 9) sprawdza się wg wzoru: i dy i ogr (12) gdzie i ogr jest to ajwięsza wartość tzw. prądu ograiczoego władi bezpiecziowej. Szyy zbiorcze, przeładii, elemety szaf rozdzielic szyy sztywe (w rozdzielicach wętrzowych) wymagają sprawdzeia wytrzymałości a zgiaie oraz zagrożeie wystąpieiem rezoasu mechaiczego, izolatory wsporcze szy sztywych wymagają sprawdzeia a zgiaie, osprzęt i izolatory szy giętich (w rozdzieliach apowietrzych) wymagają sprawdzeia sił aciągu występujących podczas zwarcia i po zwarciu, w chwili opadięcia przewodu, zares i sposób obliczeń szy, izolatorów i uchwytów podaje orma PN-EN [2]. Rozdzielice i szafy rozdzielic Prefabryowae stacje trasformatorowo-rozdzielcze, rozdzielice i szafy rozdzielic są oreślae przez producetów przy pomocy astępujących parametrów: bmi Nr

9 stalacje i sieci eletrycze apięcie zamioowe, prąd zamioowy długotrwały, prąd zamioowy rótotrwały wytrzymyway (zwarciowa wytrzymałość ciepla) i szczytowy prąd zamioowy (zwarciowa wytrzymałość dyamicza). Jest to wystarczające dla doboru rozdzielicy wraz z jej ompletym wysposażeiem. 4. Dobór ze względu a warui otoczeia Urządzeia i aparaty eletrycze muszą być zawsze dostosowae do waruów środowisa pracy. Podstawę staowi tu podzial a urządzeia wętrzowe i apowietrze, ale może wystąpić szereg uwaruowań szczegółowych dotyczących p. temperatury otoczeia, zwięszoej wilgotości powietrza, zapyleia, atmosfery wybuchowej itd. Warui te zostały sodyfiowae w ormie [3]. Szczegółowe wymagaia odośie obudów aparatów dotyczące ich szczelości i bezpieczeństwa dotyowego oreśloe są tzw. odem Pxx podaym w [4]. Natomiast wytrzymałość mechaicza obudów jest oreślaa odem K wg [5]. 5. Literatura 1. PN-EN :2002U Prądy zwarciowe w sieciach trójfazowych prądu przemieego Część 0: Obliczaie prądów PN-EN :2002U Obliczaie sutów prądów zwarciowych Część 1: Defiicje i metody obliczaia PN-EC :2000 stalacje eletrycze w obietach budowlaych. Ustaleie ogólych charaterysty. 4. PN-EN 60529:2003 Stopie ochroy zapewiae przez obudowy (Kod P). 5. PN-EN 50102:2001 Stopie ochroy przed zewętrzymi uderzeiami mechaiczymi zapewiae przez obudowę urządzeń eletryczych (Kod K). 6. Strojy J.: stalacje eletrycze. Wiadomości ogóle. SEP NPE Podręczi dla Eletryów. Zeszyt s Strzała J.: Przemysłowe istalacje eletrycze. Klasyfiacje i wiadomości ogóle. SEP NPE Podręczi dla Eletryów. Zeszyt r. s Masymiu J.: Aparaty eletrycze. Podstawy doboru. SEP NPE Podręczi dla Eletryów. Zeszyt r. s Masymiu J.: Aparaty eletrycze. Podstawy doboru. SEP NPE Podręczi dla Eletryów. Zeszyt r. s Mariewicz H.: Urządzeia eletroeergetycze. WNT. Warszawa Strojy J., Strzała J.: Eletroeergetya. Wyd.. Tarbous, Kraów Tarobrzeg Strojy J.: Vademecum eletrya. Wyd. V. COSiW SEP. Warszawa r. 13. Praca zbiorowa.: Podręczi iżyiera eletrya. tom 2. Wyd. 4. WNT. Warszawa Musiał E.: Prądy zwarciowe w isoapięciowych istalacjach i urządzeiach prądu przemieego. Dwumiesięczi SEP NPE Nr r. s tzw. orma uzaiowa (U) opubliowaa tylo w języu agielsim 54 Artyuł wpłyął do redacji 3 paździeria 2014 r.