Podstawowe wymagania przy projektowaniu rozdzielnic nn i obudów „hermetycznych”
fot. JT
Właściwy dobór wyposażenia rozdzielnicy, parametrów znamionowych aparatów i połączeń wewnętrznych zapewnia prawidłową pracę rozdzielnicy w warunkach normalnych, natomiast w warunkach wystąpienia zakłóceń pozwala minimalizować skutki działania prądów zwarciowych.
Zobacz także
mgr inż. Andrzej Solski Polska rozdzielnica na europejskim rynku
1 maja 2004 r. Polska przystąpiła do Unii Europejskiej, a 6 grudnia 2005 r. stała się pełnoprawnym członkiem EOG – Europejskiego Obszaru Gospodarczego. Implikacją tych wydarzeń jest obowiązek przestrzegania...
1 maja 2004 r. Polska przystąpiła do Unii Europejskiej, a 6 grudnia 2005 r. stała się pełnoprawnym członkiem EOG – Europejskiego Obszaru Gospodarczego. Implikacją tych wydarzeń jest obowiązek przestrzegania unijnego prawa w zakresie swobodnego przepływu towarów. Obowiązek ten dotyczy wszystkich producentów wyrobów kierowanych na EOG. Również wykonawców rozdzielnic i sterownic. I to niezależnie od stopnia uświadamiania sobie tej konieczności.
mgr inż. Julian Wiatr Uproszczony projekt zasilania pompowni pożarowej
Projektowana pompownia pożarowa stanowi wolno stojący budynek o odporności ogniowej REI60 oraz kubaturze 200 m3, z dostępem z zewnątrz przez drzwi wejściowe o odporności ogniowej EI30.
Projektowana pompownia pożarowa stanowi wolno stojący budynek o odporności ogniowej REI60 oraz kubaturze 200 m3, z dostępem z zewnątrz przez drzwi wejściowe o odporności ogniowej EI30.
APATOR SA SPV RM – regulator parku energii z funkcją strażnika mocy dla nowoczesnej generacji rozproszonej
Rosnący udział odnawialnych źródeł energii w systemie elektroenergetycznym sprawia, że coraz większego znaczenia nabiera nie tylko sama produkcja energii, ale również jej bezpieczne, przewidywalne i zgodne...
Rosnący udział odnawialnych źródeł energii w systemie elektroenergetycznym sprawia, że coraz większego znaczenia nabiera nie tylko sama produkcja energii, ale również jej bezpieczne, przewidywalne i zgodne z wymaganiami operatorów zarządzanie. Farmy fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe, instalacje biogazowe czy układy przemysłowe typu „zero eksport” wymagają dziś rozwiązań, które pozwalają kontrolować parametry pracy źródeł, ograniczać moc oddawaną do sieci oraz zapewniać skuteczną komunikację z systemami...
W celu prawidłowego doboru urządzeń, szyn zasilających oraz kabli i przewodów należy określić wartości prądów roboczych oraz zwarciowych w miejscu sieci lub instalacji, w której ma być zainstalowana rozdzielnica. Przy szacowaniu prądów znamionowych należy uwzględnić spodziewane prądy robocze.
W artykule
|
StreszczenieArtykuł omawia podstawowe wymagania dla rozdzielnic nn. Zwraca uwagę na podstawowe zależności dla układów zestykowych. |
AbstractBasic Requirements in the Design of LV Switchgears and Hermetic EnclosuresThe article discusses the basic requirements for low voltage switchgear. Draws attention to the basic dependencies for contact systems. |
Wymagania dla rozdzielnic
Obecnie rodzina norm PN-EN 61439 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe składa się z siedmiu części. PN-EN 61439-1:2011 P Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe. Część 1: Postanowienia ogólne zawiera postanowienia ogólne dotyczące urządzeń wszystkich odmian. Jednak na podstawie tego arkusza nie można zbudować żadnego urządzenia. PN-EN 61439-2:2011P Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe. Część 2: Rozdzielnice i sterownice do rozdziału energii elektrycznej stanowi normę produktową dla rozdzielnic i sterownic do rozdziału energii elektrycznej (PSC). Należy ją czytać razem z arkuszem 1. Szacuje się, że rozdzielnice i sterownice produkowane według arkuszy 2 i 1 stanowią zdecydowaną większość wszystkich urządzeń. PN-EN 61439-3:2012 P Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe. Część 3: Rozdzielnice tablicowe przeznaczone do obsługiwania przez osoby postronne (DBO) jest normą produktową dla rozdzielnic tablicowych przeznaczonych do obsługiwania przez osoby postronne DBO. PN-EN 61439-4:2013-06 P Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe. Część 4: Wymagania dotyczące zestawów przeznaczonych do instalowania na placu budowy (ACS) zawiera wymagania dotyczące zestawów rozdzielnic przeznaczonych do instalowania na placu budowy. PN-EN 61439-5:2015-02 P Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe. Część 5: Zestawy do dystrybucji mocy w sieciach publicznych jest normą produktową dla urządzeń do dystrybucji mocy w sieciach publicznych. Każdą część (-2, -3, -4, -5) należy czytać łącznie z częścią 1. Dodatkowo PN-EN 61439-6:2013-03 P Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe. Część 6: Systemy przewodów szynowych dotyczy systemów przewodów szynowych. Siódma część normy dotyczy specjalnych wykonań rozdzielnic, w tym stacji ładowania pojazdów elektrycznych. Jest dostępna w języku angielskim, jako norma PN-EN IEC 61439-7:2020-10 E Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe. Część 7: Rozdzielnice do specjalnych zastosowań, takich jak: mariny, kempingi, place targowe oraz stacje ładowania pojazdów elektrycznych. Miejmy nadzieję, że w krótkim czasie zostanie ona przetłumaczona na język polski, co ułatwi powszechne korzystanie z jej treści.
Fot. Przykład, jak nie powinna być eksploatowana rozdzielnica budowlana fot. JT
Natomiast część 0 (EN 61439-0) nie została do tej pory wprowadzona do zbioru polskich norm. Można powiedzieć, że wszystkie części normy PN-EN 61439 zostały zredagowane w duchu praktycznego realizmu: stawiają wymagania, ale liczą się z możliwościami ich spełnienia [2]. Przede wszystkim oficjalnie definiuje oryginalnego producenta (ang. original manufacturer), przypisując mu odpowiedzialność za jakość i deklarowane wyniki badań typu odnoszące się do jego dostaw.
Za projekt i realizację konkretnego kompletnego urządzenia odpowiada producent wyrobu finalnego, który najczęściej jest jego wytwórcą. Jeśli wytwórca dokona w pozyskanej obudowie lub konstrukcji zmian lub rozszerzeń na tyle istotnych i wpływających na działanie urządzenia, to ponosi odpowiedzialność za te zmiany i ich konsekwencje. Jednak ingerencja wytwórcy nie znosi całkowicie odpowiedzialności „original manufacturera”, który nadal odpowiada za pozostałe walory swoich dostaw, nienaruszone zmianami wytwórcy [2].
Drugą procedurą, która znalazła się w normie 61439, jest weryfikator projektu „design verification”, który nie jest pakietem fizycznych badań laboratoryjnych, jak to ma miejsce w przypadku badań typu. Pod rządami normy PN-EN 61439 pojęcie badań typu nadal funkcjonuje w swej klasycznej formule i odnosi się przede wszystkim do zadań i odpowiedzialności „original manufacturerów”. Natomiast procedura „design verification” jest weryfikacją wykonanej dokumentacji techniczno-technologicznej urządzenia pod kątem poprawności doboru komponentów (w tym konstrukcji) i technologii, które mają zapewnić spełnienie przez urządzenie wszystkich wymagań normy. „Design verification” to swoiste badania literackie, studia nad dokumentacją, by punkt po punkcie upewnić się o prawidłowym projektowaniu lub zgłaszać zastrzeżenia. Procedurę trzeba przeprowadzać dla każdego urządzenia (każdej serii identycznych urządzeń) i obowiązek ten spoczywa zawsze na wytwórcy finalnym [2]. Wokół procedury „design verification” narosło wiele nieporozumień, spowodowanych m.in. bardzo niefortunnym przetłumaczeniem nazwy tej procedury w polskojęzycznej edycji normy PN-EN 61439 jako „weryfikacja konstrukcji”. Skoro to ma być weryfikacja konstrukcji, to obowiązek jej wykonania można przerzucić na dostawcę konstrukcji, czyli „original manufacturera” – kombinują niektórzy. A doradcy niektórych „original manufacturerów” naginają rzeczywistość i nieuczciwie zachęcają: kupcie naszą konstrukcję, a my za was zrobimy „design verification” [2].
Niestety jest to nieprawdą. Choćby dlatego, że w specyfikacji sprawdzeń poszczególnych części normy PN-EN 61439 (-2, -3, -4, -5) występują trzy punkty dotyczące wyposażenia i wewnętrznych połączeń konkretnego urządzenia (punkty 10.6, 10.7, 10.8), a takiej wiedzy „original manufacturer” po prostu nie ma. Procedurę „design verification” musi wykonywać wytwórca, jednak wyniki badań typu pochodzące od „original manufacturera” mogą w tej pracy bardzo dopomóc. Procedura „design verification” powinna poprawnie nazywać się weryfikacją projektu lub weryfikacją projektową. Rozdział 10 normy zawiera specyfikację dwunastu sprawdzeń oraz trzy honorowane metody, poprzez które można sprawdzenia wykonywać. Przy czym nie wszystkie metody mogą być stosowane do każdego sprawdzenia [2].
Obudowy „hermetyczne”*)
Obudowy rozdzielnic spełniające wymagania normy PN-EN 60529-2003P+AC:2020-01P określane mianem szczelnych rozdzielnic elektrycznych coraz częściej towarzyszą nam nie tylko na budowie i w zakładach przemysłowych, gdzie w trudnych warunkach środowiskowych mają zapewnić bezpieczeństwo użytkownikom oraz osobom postronnym. Przykładami takich zastosowań mogą być złącza zasilające budynki, obudowy zawierające układy sterujące pracą pomp, obudowy stacji ładownia i inne. Od tego typu obudów wymaga się, aby były one odporne na otaczające warunki środowiskowe, w tym słońce oraz wnikanie do środka wilgoci. Parametrem wyznaczającym odporność danej obudowy na te czynniki jest stopień ochrony IP określony zgodnie z normą PN-EN 60529:2003 P + AC:2020-01 P. Urządzenia elektryczne instalowane na zewnątrz budynków powinny mieć stopień ochrony zapewniany przez obudowę co najmniej IP65. Natomiast zgodnie z PN-EN 50102:2001 P stopień odporności danej obudowy elektrycznej na uszkodzenia mechaniczne określa stopień IK– przed wandalizmem co najmniej IK09. Obudowy tego typu wykonywane są najczęściej z tworzywa zbrojonego włóknem szklanym odpornego na działanie UV lub metalowe w I klasie ochronności. Dostępne są również obudowy metalowe wykonane w II klasie ochronności, które pokryte są specjalną certyfikowaną warstwą elektroizolacyjną.
Należy pamiętać, że norma PN-EN 61439-1 definiuje rozdzielnice/sterownice niskonapięciowe jako zestawy rozdzielcze zbudowane z jednego lub większej liczby łączników niskonapięciowych, wraz ze współpracującym wyposażeniem sterowniczym, pomiarowym, sygnalizującym i zabezpieczającym. Uwzględnia również wszystkie wewnętrzne połączenia elektryczne i mechaniczne oraz części konstrukcyjne. W porównaniu z poprzednią serią norm PN-EN 60439, nowa norma podnosi wymagania konstrukcyjne, reguluje sposób wykonania i jasno określa kwestie dotyczące użytkowników mających dostęp do rozdzielnic [3].
Norma PN-EN 61439 podzielona została w sposób przyjazny dla użytkownika, a jej wymogi praktycznie wyjaśnione poprzez podanie odpowiednich wskazówek i zaleceń. Norma podstawowa to PN-EN 614391-1:2011 P wraz z bezpłatnymi poprawkami Ap1:2019-03P Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe. Część 1: Postanowienia ogólne. W normie tej podano warunki eksploatacji, wymagania konstrukcyjne, cechy techniczne oraz badania dotyczące zestawów rozdzielnic i sterownic niskonapięciowych stacjonarnych lub przenośnych, w obudowach i bez obudów, przeznaczonych do pracy przy napięciu znamionowym nieprzekraczającym 1000 V prądu przemiennego lub 1500 V prądu stałego, w systemach wytwarzania, przesyłu, rozdziału i przekształcania energii elektrycznej oraz w systemach sterowania urządzeniami zasilanymi energią elektryczną, w warunkach specjalnych (na statkach, w pojazdach szynowych, w urządzeniach dźwigowych, w atmosferach zagrożonych wybuchem) oraz do zastosowań powszechnego użytku (do obsługi przez osoby niewykwalifikowane), a także jako wyposażenie elektryczne maszyn [3].
Połączenia w rozdzielnicach
Wzrost wartości prądów i napięć znamionowych oraz prądów zwarciowych w rozdzielnicach i układach zasilających urządzenia elektryczne stawia coraz większe wymagania torom prądowym i układom zestykowym. Każdy aparat pracujący w systemie elektroenergetycznym ma tor prądowy oraz układ zestykowy. Przepływ prądu ciągłego powoduje nagrzewanie się toru prądowego i zestyków do temperatury, która nie powinna przekraczać wartości dopuszczalnej. Należy przy tym zauważyć, że dopuszczalna temperatura powinna być co najmniej równa dopuszczalnej temperaturze samego toru prądowego, a o obciążalności długotrwałej najczęściej decyduje układ zestykowy. W warunkach zwarciowych tory prądowe oraz zestyki podlegają dodatkowemu nagrzewaniu oraz narażeniom elektrodynamicznym [4, 5].
Jednym z najważniejszych parametrów charakteryzujących zestyki jest struktura powierzchni styczności. Ze względu na kształt powierzchni stykowych zestyki dzielimy na punktowe, liniowe i powierzchniowe. Jednak w rzeczywistości styczność dwóch ciał nigdy nie następuje w jednym punkcie, wzdłuż linii lub jednolitej powierzchni geometrycznej. Dlatego też zestyk punktowy jest to zestyk, w którym styczność elektryczna odbywa się na powierzchni o bardzo małym promieniu. Zestyk liniowy jest to zestyk, w którym styczność rzeczywista odbywa się na kilku małych powierzchniach ułożonych w przybliżeniu wzdłuż pewnej linii prostej. Natomiast zestyk powierzchniowy jest to zestyk, w którym styczność pozorna następuje na powierzchni wynikającej z geometrycznych wymiarów styków, a styczność rzeczywista na wielu małych powierzchniach dowolnie usytuowanych w obrębie pozornej powierzchni styczności [5].
Rezystancja zestykowa jest zmienna w czasie ze względu na utlenianie się powierzchni styków. Proces ten jest dodatkowo przyspieszony podwyższoną z reguły temperaturą. Rzeczywista powierzchnia styczności jest sumą powierzchni zestyków punktowych. Wielkość rzeczywistej powierzchni styczności zależy od twardości materiału, rodzaju i dokładności obróbki powierzchni styczności styków. Suma powierzchni styczności stref, w których grupują się mikronierówności związane z falistością powierzchni styczności styków, tworzy tzw. konturową powierzchnię styczności [5].
W zależności od wartości siły docisku zestyków, mikropowierzchnie ulegają odkształceniu sprężystemu lub plastycznemu. W zestykach na prądy znamionowe powyżej kilkuset amperów z uwagi na wymaganie małej rezystancji na ogół stosowane są znaczne siły docisku powodujące odkształcenia plastyczne mikropowierzchni. Przy danej sile docisku styków F o liczbie mikropowierzchni styczności decyduje tzw. twardość stykowa αHB materiału styków zgodnie z zależnością opartą na założeniu odkształcenia plastycznego w miejscu styczności [3, 4]:
gdzie:
n – liczba powierzchni styczności, w [-],
rp – promień zastępczy kołowej powierzchni styczności, w [m],
HB – twardość materiału styków wg Brinella lub Vickersa (np. dla styku Cu-Cu: HB = (3 – 7)108 N/m2),
α – współczynnik twardości stykowej materiału, zależny od mikrostruktury powierzchni styczności (przyjmuje się α = 0,5 – 0,7), w [-],
F – siła docisku styków, w [N].
Rezystancja zestykowa
Rezystancja zestykowa jest podstawowym parametrem charakteryzującym zestyk i decydującym o jego obciążalności prądowej ciągłej i zwarciowej dla całego toru prądowego. Rezystancję zestykową Rz można wyrazić wzorem [4, 5]:
gdzie:
RL – rezystancja połączonych styków płaskich o długości zakładki L, w [Ω],
Rp – rezystancja przejścia będąca sumą rezystancji przewężenia przekroju związaną z mikrostrukturą powierzchni styku oraz rezystancji warstw nalotowych o grubości kilkudziesięciu nanometrów, zwykle z tlenków metali o właściwościach izolacyjnych.
Rezystancję zestykową można też wyznaczyć się z empirycznego wzoru [4, 5]:
gdzie:
r – rezystywność materiału styków w [Ωm],
c – stała zależna od własności materiału styków, stanu ich powierzchni itp.,
m – stała zależna od rodzaju styku (powierzchniowy m = 1, liniowy m = 0,7, punktowy m= 0,5).
W wyniku nierównomiernego rozpływu prądu w obszarze połączonych szyn rezystancja RL zależy od stosunku długości zakładki L do grubości styku t. Uwzględnia to współczynnik zagęszczenia strug prądowych e, którego wartość określa się z zależności [4, 5]:
gdzie:
RL – rezystancja połączonych styków płaskich o długości zakładki L, w [Ω],
RB – rezystancja pojedynczego odcinka szyny przy długości zakładki L, w [Ω],
w – szerokość szyny, w [m],
L – długość zakładki, w [m],
t – grubość styku, w [m].
Obliczeń rezystancji warstw w praktyce się nie wykonuje ze względu na znaczne trudności metrologiczne związane z wyznaczeniem ich grubości; wpływ zaś ich na rezystancję zestykową jest bardzo duży. Utlenianie się styków może powodować wielokrotne powiększanie się rezystancji zestykowej. Jest to spowodowane bardzo dużą rezystywnością tlenków metali przewodowych [5].
W przypadku połączeń śrubowych szyn wartość rezystancji przejścia Rp zależy od liczby śrub łączących szyny oraz od technologii wykonania otworów. Szczególne znaczenie ma deformacja powierzchni styczności przy otworach. Rezystancję przejścia możemy policzyć z zależności [4, 5]:
gdzie:
Sm – średnia odległość nierówności profilu powierzchni styczności, w [m],
b – liczba śrub mocujących szyny, w [-].
Podsumowanie
Każde połączenie dwóch przewodników charakteryzuje się rezystancją zestykową. W rozdzielnicach o prądach znamionowych powyżej kilkuset amperów projektanci coraz częściej nie tylko dobierają przekroje szyn i połączeń do płynących prądów, ale również zwracają uwagę na maksymalne zmniejszenie rezystancji zestykowych przez przewymiarowanie przekrojów i dobór aparatów dostosowanych do łączenia większych prądów. Należy pamiętać, że rezystancja zestykowa nie ma stałej wartości w czasie ze względu na utlenianie się powierzchni styków, a przyrost jej jest tym większy, im wyższa jest temperatura pracy zestyków. Wraz ze wzrostem temperatury zestyku i grubości warstwy nalotowej wzrasta natężenie pola elektrycznego w warstwie nalotowej, co prowadzi do jej przebicia [5]. Przy dostatecznie dużej grubości warstwy nalotowej przebicie może nie nastąpić i temperatura zestyku może wzrosnąć i przekroczyć dopuszczalne granice powodując upalenie się połączenia.
Literatura
1. J. Wiatr, M. Orzechowski, Poradnik projektanta elektryka, Grupa MEDIUM, Warszawa 2021.
2. A. Solski, Polska rozdzielnica na europejskim rynku, „elektro.info”, nr 1–2/2020.
3. K. Kuczyński, Rozdzielnice nn stosowane w budynkach oraz na terenie budowy, „elektro.info”, nr 1–2/2018.
4. S. Kulas, Tory prądowe i układy zestykowe, OWPW, Warszawa 2008,
5. K. Kuczyński, Rozdzielnice nn i ich wyposażenie – wprowadzenie do układów zestykowych, „elektro.info”, nr 1–2/2013.
6. J. Wiatr, Zasilanie budynków w energię elektryczną w warunkach normalnych a zasilanie w warunkach pożaru, „elektro.info”, nr 7–8/2019.
*) Określenie powszechnie funkcjonujące w języku potocznym – oznacza obudowę o wysokiej szczelności zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 60529P+AC:2020-01P.
