Elementy instalacji elektrycznej Instalacja elektryczna składa się z odpowiednio dobranych elementów elektrycznych układu sieci, zapewniających odbiorcy dostawę energii elektrycznej w sposób niezawodny i bezpieczny. Wyróżnia się elementy instalacji elektrycznej w budynkach mieszkalnych oraz elementy elektryczne w zakładach przemysłowych. Do elementów instalacji elektrycznej w budynku mieszkalnym zalicza się: - złącze instalacji elektrycznej, - główną szynę uziemiającą (wyrównawczą), - wewnętrzne linie zasilające (WLZ), - instalacje odbiorcze w mieszkaniach, - uziom budynku. Schemat instalacji elektrycznej w budynku mieszkalnym wielorodzinnym, zawierający podstawowe elementy instalacji przedstawia rys.1. Rys. 1. Elementy instalacji elektrycznej w budynku mieszkalnym wielorodzinnym Oznaczenia: L przewody fazowe L1,L2,L3; OP ogranicznik przepięć; kwh licznik energii elektrycznej, FB - przewód uziemiający, GSU - główna szyna uziemiająca, WI - wyłącznik instalacyjny nadprądowy; o charakterystyka B, WLZ1,2 - wewnętrzne linie zasilające, F - zabezpieczenia przetężeniowe przedlicznikowe. Złącze instalacji elektrycznej Złącze instalacji elektrycznej jest urządzeniem łączącym przyłącze kablowe lub napowietrzne elektroenergetycznej sieci rozdzielczej z instalacją elektryczną budynku. 1
Zgodnie z normą N-SEP-E-002, złącze kablowe instaluje się na ścianach zewnętrznych budynków w miejscach łatwo dostępnych, we wnęce ściany zewnętrznej budynku od strony sieci zasilającej. Dolna krawędź wnęki lub skrzynki złącza powinna znajdować się na wysokości co najmniej 15 cm od poziomu terenu. Rodzaje złącz kablowych stosowanych w elektroenergetyce przedstawia rys. 2. Rys. 2 Złącza kablowe wnętrzowe przystosowane do przyłączenia: dwóch kabli zasilających umożliwiających sekcjonowanie sieci oraz wewnętrznych linii zasilających (WLZ) W przypadku przyłączy napowietrznych złącza instaluje sie na wysokości około 1,5 m nad poziomem terenu. Na odcinku od izolatorów zainstalowanych na ścianie budynku lub od stojaka dachowego do złącza; przyłącze powinno być wykonane przewodami izolowanymi ułożonymi w rurze ochronnej. Dla budynków jednorodzinnych dostawca energii wymaga zwykle, aby obok złączą zainstalowanego na granicy posesji (Rys. 3) zainstalowana była szafka pomiarowa. W takich przypadkach pomiędzy szafką pomiarową a tablicą rozdzielczą odbiorcy, prowadzona jest wewnętrzna linia zasilająca. 2
Rys. 3. Zasilanie budynku jednorodzinnego Oznaczenia: L przewody fazowe; SPD ogranicznik przepięć; kwh licznik energii elektrycznej, FB - przewód uziemiający, GSU - główna szyna uziemiająca, SU - punkt rozdziału przewodu PEN na przewody N i PE. Główna szyna uziemiająca (GSU) Wymaga się aby każda instalacja elektryczna budynku posiadała główną szynę uziemiająca (wyrównawczą), łączącą ze sobą elektrycznie: - uziom budynku, - przewód ochronny instalacji (PEN lub PE w zależności od układu sieci zasilającej) oraz - wszystkie połączenia wyrównawcze główne. Zaleca się, aby przewody wyrównawcze główne były przyłączone do głównej szyny wyrównawczej zainstalowanej w pomieszczeniu przyłączowym lub w szafie przyłączowej. Pomieszczenie to powinno być zlokalizowane w miejscu wprowadzenia do budynku innych instalacji (np. wodociągowej, wodno-kanalizacyjnej, ciepłej wody, centralnego ogrzewania, gazowej). 3
Rys. 4 - Przykład połączeń wyrównawczych głównych i miejscowych w budynku mieszkalnym. Rys. 4 Przykład systemu przewodów wyrównawczych głównych do połączeń z głównym zaciskiem uziemiającym oraz ochronnych przewodów wyrównawczych dodatkowych Oznaczenia: 1 złącze lub rozdzielnica główna budynku, 2 - instalacja kanalizacyjna, 3 - instalacja wodociągowa, 4 - instalacja centralnego ogrzewania, 5 - instalacja gazowa, 6 - wstawka izolacyjna, 7 - część przewodząca obca, 8 - wanna, 9 - listwa zaciskowa do przyłączenia przewodów wyrównawczych miejscowych, 10. uziom urządzenia piorunochronnego, jeżeli jest niezbędny, 11 - przewód odprowadzający urządzenia piorunochronnego, GSU - główna szyna uziemiająca, PB - przewody wyrównawcze, wlz - wewnętrzna linia zasilająca, E - przewód uziemiający, LPS - urządzenie piorunochronne Wewnętrzna linia zasilająca w budynku mieszkalnym Wewnętrzna linia zasilająca jest zespołem elementów instalacji elektrycznej łącząca złącze z licznikiem energii elektrycznej odbiorcy. Wielkość budynku i liczba mieszkań warunkują wielkość i złożoność wewnętrznej linii zasilającej. W skład WLZ mogą wchodzić również rozdzielnice główne budynku. 1) Wewnętrzna linia zasilająca w budynku mieszkalnym może być: - obwodem instalacji elektrycznej od złącza n.n. do tablicy licznikowej, - obwodem instalacji elektrycznej od tablicy licznikowej do piętrowych tablic rozdzielczych, - linią kablową n.n. od szafki pomiarowej usytuowanej na granicy posesji do rozdzielnicy mieszkaniowej. 2) Wymagania instalacyjne WLZ Przewody WLZ powinny być prowadzone w pomieszczeniach łatwo dostępnych jak klatki schodowe (z wyjątkiem ewakuacyjnym) lub korytarze piwnic. W przypadku przyłącza kablowego i złącza zlokalizowanego w pomieszczeniu przyłączowym w piwnicy, dopuszcza się prowadzenie przewodów WLZ na tynku, począwszy od złącza do przejścia przez sufit piwnicy. 4
Po przejściu przez sufit piwnicy przewody WLZ należy prowadzić w kanałach instalacyjnych, rurach instalacyjnych bądź jako instalację podtynkową lub wtynkową. Wewnętrzne linie zasilające należy prowadzić jako linie trójfazowe o układzie TN-S lub TN- C-S, a w przypadkach uzasadnionych również TT lub IT. Przekroje przewodów WLZ należy wymiarować w oparciu o wymagania normy N- SEP - E - 002, jednak na obciążalność długotrwałą nie mniejszą niż 50 A. Wymaganie ochrony od przeciążeń spełnia w przybliżeniu przewód miedziany o przekroju co najmniej 10 mm 2. Cu. Zabezpieczenia przetężeniowe wewnętrznych linii zasilających oraz obwodów odbiorczych instalacji elektrycznej powinny spełniać warunki skutecznej ochrony przewodów instalacyjnych od cieplnych skutków przeciążeń i zwarć, zgodnie z wymaganiami PN-IEC-60364-4-43:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Instalacja odbiorcza Zgodnie z wymaganiami N-SEP-E-002, wewnątrz każdego mieszkania należy umieścić rozdzielnicę mieszkaniową (tablicę rozdzielczą), zlokalizowaną w pobliżu środka obciążenia w danym mieszkaniu, zwykle w przedpokoju lub w korytarzu na jednej z mniej eksponowanych ścian, możliwie blisko kuchni, łazienki lub pomieszczenia gospodarczego, które grupują odbiorniki o większych mocach znamionowych (kuchenka, pralka, zmywarka naczyń, suszarka bielizny, prasowalnica i inne). Rozdzielnica powinna być umieszczona w miejscu i na wysokości nie utrudniającej nadmiernie dostępu do łączników. Rozdzielnice, w których przewiduje się zamontowanie styczników, przekaźników lub innych urządzeń sterujących i zabezpieczających, a których działanie wywołuje nawet umiarkowany hałas, nie powinny być instalowane na ścianie pomieszczenia przewidzianego na sypialnię. W rozdzielnicy mieszkaniowej powinny być zainstalowane wyłączniki instalacyjne nadprądowe, wyłączniki ochronne różnicowoprądowe i urządzenia sterujące instalacji odbiorczej. W tablicy rozdzielczej należy przewidzieć kilka miejsc rezerwowych przeznaczonych do ewentualnego zainstalowania dodatkowej aparatury w przyszłości. 5
Przykładowy schemat instalacji elektrycznej w budynku mieszkalnym przedstawia rys. 5. Rys. 5 Schemat instalacji odbiorczej w budynku mieszkalnym Oznaczenia: L (L1; L2; L3); - przewody fazowe instalacji trójfazowej; N - przewód neutralny; PE - przewód ochronny; WLZ - wewnętrzna linia zasilająca, WI - wyłączniki instalacyjne nadmiarowoprądowe o charakterystyce "B",, I - wyłącznik różnicowoprądowy; KWh - licznik energii elektrycznej; SPD - ograniczniki przepięć. Znamionowy różnicowy prąd zadziałania wyłącznika różnicowoprądowego I n powinien być co najmniej 2 3 - krotnie większy od maksymalnego roboczego prądu upływowego występującego w chronionej instalacji. Dla zapewnienia ochrony uzupełniającej przed dotykiem bezpośrednim w mieszkaniu o powierzchni ok. 70 m 2 i przy zwykle stosowanych odbiornikach, których łączny prąd roboczy upływowy nie przekracza wartości 10 ma, możliwe jest zastosowanie jednego wysokoczułego wyłącznika RCD o I n = 30 ma (rys. 5). Wysokoczułe wyłączniki różnicowoprądowe są wymagane w obwodach, w których konieczne jest wspomaganie ochrony przed dotykiem bezpośrednim, ze względu na trudne warunki 6
środowiskowe użytkowania urządzeń albo w obwodach narażonych na przerwanie ciągłości elektrycznej lub uszkodzenie izolacji przewodu ochronnego. W instalacji, w której konieczne jest stosowanie wysokoczułych wyłączników RCD uzupełniających ochronę przed dotykiem bezpośrednim, a łączny roboczy prąd upływowy przekracza 10 ma, instalacja podzielona została na odrębne obwody chronione przez oddzielne, odpowiednio dobrane wyłączniki różnicowoprądowe (rys. 5). Polska Norma PN-HD 60364 w Części 7 określa wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji w obiektach budowlanych, w pomieszczeniach w których znajdują się: - wanny, natryski i inne urządzenia kąpielowe, - baseny pływackie, - kabiny wyposażone w ogrzewacze do sauny oraz - instalacje na terenie budowy i rozbiórki, - gospodarstwa rolnicze i ogrodnicze, - kempingi i pojazdy wypoczynkowe, - instalacje oświetlenia zewnętrznego, Wymagania te dotyczą w szczególności: - ustalenia zakresów stref bezpieczeństwa, - ograniczenia lub zakazu prowadzenia przewodów w określonych miejscach, - ograniczenia lub zakazu instalowania w określonych miejscach gniazd wtyczkowych, łączników oraz niektórych urządzeń ochronnych, - wymaganej grubości ścian i wymaganej grubości pozostałości materiału ściany po wykonaniu wyżłobienia na prowadzenie przewodów jak i grubości i rozmiary tych wyżłobień oraz pokrycia przewodów, - spełnienia zasad dodatkowej ochrony przeciwporażeniowej. Elementy instalacji przemysłowych 1) Wewnętrzna linia zasilająca w zakładach przemysłowych może być: - linią kablową lub napowietrzną W/N od złącza W/N do pola pomiarowego rozdzielni lub stacji transformatorowo rozdzielczej, - linią kablową lub napowietrzną W/N od złącza W/N do pola pomiarowego rozdzielni lub stacji transformatorowo rozdzielczej do oddziałowych rozdzielni stacji transformatorowo - rozdzielczej, - linią kablową lub napowietrzną W/N od złącza W/N do pola pomiarowego rozdzielni lub stacji transformatorowo rozdzielczej do rozdzielnic oddziałowych n.n. 2) Zakłady przemysłowe mogą być zasilane: - z sieci rozdzielczej o napięciu powyżej 1 kv (Rys. 6), - z sieci rozdzielczej o napięciu powyżej 1 kv i z elektrowni własnej, - z sieci komunalnej niskiego napięcia. 7
Rys. 6 Instalacja elektryczna zakładu przemysłowego O sposobie zasilania zakładu przemysłowego decydują takie czynniki jak: moc zapotrzebowana, wymagana pewność zasilania oraz ewentualne zapotrzebowanie na energie cieplną. Duże lub niekiedy średnie zakłady przemysłowe zasilane są zwykle z elektroenergetycznej sieci rozdzielczej napowietrznej lub kablowej wysokiego napięcia (Rys. 6). Rozdzielnica główna RG niskiego napięcia jest zasilana z transformatora SN/nn, z której energia elektryczna jest doprowadzona do rozdzielnic oddziałowych RO usytuowanych w pomieszczenia (halach) zakładu. Z rozdzielnic RO zasilane są poszczególne odbiorniki siłowe i oświetleniowe. Małe zakłady przemysłowe o mocy zapotrzebowanej do 200-300 kw mogą być zasilane z sieci komunalnej niskiego napięcia (najczęściej 230/400 V. Na tym również napięciu zrealizowana jest wówczas sieć rozdzielcza zasilająca rozdzielnice pośrednie i odbiorcze oraz sieć odbiorcza zasilająca poszczególne odbiorniki. 3) Obwody rozdzielcze i odbiorcze W instalacji przemysłowej niskiego napięcia można wyróżnić obwody elektryczne rozdzielcze i odbiorcze oraz rozdzielnice i tablice rozdzielcze. Jako oprzewodowanie w instalacja przemysłowych wykorzystywane są głównie kable i przewody elektroenergetyczne a w niektórych gałęziach przemysłu również przewody szynowe. Obwody rozdzielcze, są to obwody zasilające rozdzielnice pośrednie i rozdzielnice odbiorcze. Są one wyprowadzone z rozdzielnicy głównej zakładu. Obwody odbiorcze (końcowe), są to obwody, które służą do bezpośredniego podłączenia do rozdzielnicy poszczególnych odbiorników energii elektrycznej lub gniazd wtyczkowych. 8
W obiektach i pomieszczeniach o charakterze przemysłowym najczęściej instalacje odbiorcze wykonuje się w układzie promieniowym otwartym, w którym z poszczególnych obwodów zasilane są inne obwody i odbiorniki Głównymi elementami obwodu rozdzielczego i odbiorczego instalacji przemysłowej są tory prądowe umożliwiające przesyłanie energii elektrycznej, łączniki manewrowe umożliwiające załączanie i wyłączanie obwodu oraz zabezpieczenia chroniące elementy obwodu przed skutkami zakłóceń, jakie mogą wystąpić w instalacji lub w odbiornikach. W instalacjach przemysłowych istotną rolę odgrywają również urządzenia automatyki i sterowania. Wymaganą pewność zasilania odbiorników energii elektrycznych w zakładzie przemysłowym uzyskuje się poprzez: 1) stosowanie układów niezależnego zasilania z dwóch niezależnych źródeł, 2) sekcjonowanie szyn rozdzielnic niskiego napięcia zasilanych z oddzielnych transformatorów SN/nn, 3) sekcjonowanie szyn rozdzielnic niskiego napięcia połączone ze stosowanie automatyki samoczynnego załączenia rezerwy (SZR), 4) odpowiednie ukształtowanie sieci wewnątrzzakładowej, 5) stosowanie wyposażenia zapewniającego większą niezawodność, 6) stosowanie agregatów prądotwórczych. 9
W dużych zakładach przemysłowych, dla zapewnienia wymaganego stopnia pewności zasilania, stosuje się odpowiednie układy i urządzenia zasilania rezerwowego, awaryjnego lub gwarantowanego (Rys. 7). Rys. 7 Instalacja elektryczna dużego zakładu przemysłowego z układami i urządzeniami, zasilania rezerwowego (dwustronne zasilanie z sieci elektroenergetycznej rozdzielczej), awaryjnego (z agregatu prądotwórczego) i gwarantowanego (z UPS), (więcej w artykule "Urządzenia prądotwórcze/zasilanie rezerwowe) Główną wadą tradycyjnych sposobów rezerwowania zasilania jest występowanie czasu, w którym odbiory są pozbawione zasilania. W przypadku "ręcznego" wykonywania operacji przełączenia wymaga to wystąpienia kilkuminutowej przerwy. Układ automatyki SZR wydatnie skraca czas przerwy w zasilaniu odbiorników, lecz nie pozwala na jej całkowite wyeliminowanie.stosowanie tzw. szybkiego SZR (z czasem przerwy poniżej 10
0,5 s) zwykle napotyka trudności w zapewnieniu koordynacji z czasem działania zabezpieczeń na odpływach rozdzielnicy, oraz stwarza problemy w przypadku występowania silników, co zazwyczaj ma miejsce w sieciach przemysłowych. Systemy elektroniczne i komputerowe występujące w przemyśle wymagają radykalnej poprawy sytuacji w zakresie zapewnienia bezprzerwowego zasilania odbiorów. Do środków tych można zaliczyć układy FACTS (Flexible Alternating Current Transsmision Systems) oraz układy bezprzerwowego zasilania typu UPS (Uninterruptible Power Supply). Układy FACTS znalazły już praktyczne zastosowanie w sieciach przemysłowych, np. w przemyśle papierniczym, gdzie pozwalają na likwidację wahań napięcia i krótkotrwałych, trwających ok. 100 ms przerw beznapięciowych. Jednakże układy te ze względu na duże koszty mogą znaleźć szersze zastosowanie w przyszłości. Drugi z wymienionych sposobów, to znaczy zasilacze typu UPS, są już szeroko stosowane w układach gwarantowanego zasilania napięciem przemiennym. Są to nowoczesne, sterowane mikroprocesorami urządzenia zabezpieczające przed przerwami w dostawie energii elektrycznej oraz poprawiające jakość dostarczanej energii elektrycznej podczas normalnej pracy. Stosowane są zwłaszcza w układach zasilania sieci i systemów teleinformatycznych i układów komputerowego sterowania produkcją, które stawiają ostre wymagania odnośnie zapewnienia zasilania, ze względu na możliwość wystąpienia awarii w pracy tych układów. 4) Odbiorniki i jakość energii elektrycznej w przemyśle Odbiorniki energii elektrycznej służą do przetwarzania energii elektrycznej w inną pożądaną formę energii. Odbiorniki stosowane w przemyśle można ogólnie podzielić na oświetleniowe (źródła światła) i siłowe. Grupa odbiorników siłowych obejmuje miedzy innymi silniki elektryczne, urządzenia elektrotermiczne, urządzenia spawalnicze, urządzenia prostownikowe, oraz urządzenia energoelektroniczne. Podstawowe zasady dotyczące budowy i eksploatacji tych urządzeń omówione są oddzielnie na stronach: a) urządzenia prądotwórcze, b) urządzenia napędowe, c) spawarki i zgrzewarki, d) urządzenia elektrotermiczne, e) prostowniki i akumulatory. W zależności od rodzaju prądu zasilającego, odbiorniki w instalacjach przemysłowych można podzielić na odbiorniki prądu przemiennego i odbiorniki prądu stałego. Ze względu na charakter pracy, odbiorniki można podzielić na odbiorniki o obciążeniu praktycznie stałym, odbiorniki o obciążeniu zmiennym i odbiorniki o obciążeniu szybkozmiennym (udarowym). Pod względem niezawodności zasilania odbiorniki przemysłowe dzieli sie na trzy kategorie, zależne od skutków przerwy w dostawie energii elektrycznej: 1) do kategorii I zalicza sie odbiorniki, dla których: - przerwa w zasilaniu energią elektryczną może spowodować zagrożenie dla życia ludzkiego oraz uszkodzenie budowli lub urządzeń technologicznych, - przerwa w pracy powoduje zaburzenie procesu technologicznego w takim stopniu, że w produkcji będzie trwała dłużej niż jedną zmianę, 2) do kategorii II zalicza się odbiorniki, dla których przerwa w zasilaniu energią elektryczna może spowodować straty produkcyjne, 3) do kategorii III zalicza sie odbiorniki nie należące do kategorii I i II. 11