Połączenia wewnętrzne w rozdzielnicach niskich napięć
Studium przypadków – odporność zwarciowa elementów realizujących rozdział energii
Rys. Schemat do przykładu 1., rys. M. Orzechowski, M. Mikulski
Kontynuując cykl „Połączenia wewnętrzne w rozdzielnicach niskich napięć” zwracamy uwagę czytelników na dualizm pomiędzy zapisami w normie wieloarkuszowej PN-EN 61439 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe (tzw. norma rozdzielnicowa) a założeniami i obliczeniami, które należy wykonać w projektach instalacji elektrycznej.
Zobacz także
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...
WAGO ELWAG Sp. z o.o. Optymalny rozdział potencjałów dzięki nowym złączkom TOPJOB® S
Rodzina złączek listwowych TOPJOB® S poszerzyła się ostatnio o nowe rozwiązanie – kompaktowe bloki rozdzielcze, które pozwalają na wydajny rozdział potencjałów za pomocą jednej tylko złączki – bez żadnych...
Rodzina złączek listwowych TOPJOB® S poszerzyła się ostatnio o nowe rozwiązanie – kompaktowe bloki rozdzielcze, które pozwalają na wydajny rozdział potencjałów za pomocą jednej tylko złączki – bez żadnych dodatkowych elementów.
Farnell Projekty w trudnych warunkach przemysłowych
Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe...
Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe tylko wtedy, gdy wszystkie komponenty przetrwają w trudnym środowisku. Systemy muszą wytrzymywać gorące, wilgotne i trudne warunki oraz niszczące pola elektryczne i magnetyczne. Specyficzne warunki środowiskowe, w których produkt jest używany, wpływają na jego specyfikacje. Takie specyfikacje należy...
W przypadku warunków normalnych, gdy rozdzielnica przeznaczona jest do układów związanych z wytwarzaniem, przesyłem, rozdziałem i przetwarzaniem energii elektrycznej niskiego napięcia (≤1000V AC lub ≤1500V DC) lub do sterownia odbiornikami energii elektrycznej, powinno się stosować wymagania zawarte w normie PN-EN 61439-2 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe. Część 2: Rozdzielnice i sterownice do rozdziału energii elektrycznej [4]. Normę tę określa się jako produktową i jest przeznaczona głównie dla producentów rozdzielnic [10]. Jak już zostało opisane w pierwszej części artykułu [10] norma PN-EN 61439-2 w załączniku BB prezentuje „Punkty będące przedmiotem uzgodnienia między producentem ZESTAWU i użytkownikiem” (oryginalny tytuł załącznika). Pozostałe parametry producent może dobrać na podstawie własnych badań, dokumentacji technicznej zastosowanych komponentów lub/i przedmiotowych norm. Analizując zapisy normy w tym aspekcie, można dojść do wniosków, że dobór urządzenia elektrycznego – w tym przypadku rozdzielnicy – nie jest spójny z obliczeniami instalacji elektrycznej, w której to urządzenie ma pracować. W dalszej części artykułu zostaną przedstawione te zapisy, które uważamy za kontrowersyjne. Jednocześnie przedstawimy własną interpretację (podpartą zasadami wiedzy technicznej) i przykłady, które pozwolą na wyciągnięcie wniosków na temat poprawnego doboru parametrów rozdzielnicy elektrycznej.
Aktualny stan norm serii PN-EN 61439 według PKN
W 2021 zostały wydane aktualizacje norm, opublikowano je w języku angielskim z okładką w języku polskim:
- PN-EN IEC 61439-1:2021-10 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe. Część 1: Postanowienia ogólne [8];
- oraz PN-EN IEC 61439-2:2021-10 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe. Część 2: Rozdzielnice i sterownice do rozdziału energii elektrycznej [9];
- zastąpiły one normy [3] i [4] wydane w całości w języku polskim w 2011 roku:
- PN-EN 61439-1:2011 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe. Część 1: Postanowienia ogólne [3] oraz;
- PN-EN 61439-2:2011 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe. Część 2: Rozdzielnice i sterownice do rozdziału energii elektrycznej [4].
W zakresie omawianym w tym artykule zapisy norm [8] i [9] nie zmieniły zapisów norm [3] i [4].
Uzgodnienia pomiędzy producentem i użytkownikiem rozdzielnicy w zakresie odporności zwarciowej elementów stosowanych do wewnętrznego rozdziału energii według normy wieloarkuszowej PN-EN 61439
Zawarta w normie PN-EN 61439-2 [4] tabela BB.1 przedstawia m.in. parametry prądów zwarciowych oraz ich wzajemne zależności będące przedmiotem uzgodnienia pomiędzy producentem rozdzielnicy a użytkownikiem. Dobór pozostałych parametrów jest natomiast opisany w zeszycie pierwszym tej wieloarkuszowej normy, czyli PN-EN 61439-1 [3]. Na podstawie tabeli BB.1 (jej fragment znajduje się w artykule – tab. 1.) możemy w łatwy i szybki sposób przyjąć, że spodziewane prądy zwarciowe w torze neutralnym i w obwodzie ochronnym będą wynosiły nie więcej niż 60% wartości spodziewanego prądu fazowego przy zwarciu symetrycznym 3-fazowym na wejściu rozdzielnicy. Nasuwa się jednak pytanie, czy takie uproszczenie i „pójście na skróty” nie doprowadzi w konsekwencji do błędów przy budowie rozdzielnicy?
Tab. 1. Fragment tabeli BB.1 z załącznika BB „Punkty będące przedmiotem uzgodnienia między producentem ZESTAWU i użytkownikiem” z normy PN-EN 61439-2 [4]
Komentarz: Według tabeli BB.1 zamieszczonej w załączniku do normy [4] możemy przyjąć, że prądy zwarć jednofazowych w torze neutralnym oraz przewodzie ochronnym nie przekroczą 60% prądu zwarciowego symetrycznego. Natomiast w normie [3] mamy w tym zakresie odwrotny zapis – mówiący, że jeżeli nie ustalono inaczej (pomiędzy pierwotnym wytwórcą a użytkownikiem) należy założyć wartość prądów probierczych w to, że neutralnym i ochronnym co najmniej 60% wartości prądu fazowego przy zwarciu 3-fazowym symetrycznym. Zatem mamy tutaj dualizm przy doborze parametrów rozdzielnicy.
Postaramy się teraz zinterpretować i rozwinąć poszczególne definicje zawarte w tabeli 1.:
1) Prąd zwarciowy spodziewany na zaciskach zasilania Icp (kA)
W dokumentacji Projektant (choć norma [3] posługuje się określeniem „Użytkownik”) powinien określić spodziewany prąd zwarciowy na zaciskach zasilania – Icp zgodnie z normą PN-EN 61439-1, Icp – to wartość skuteczna prądu, który popłynąłby w obwodzie, w przypadku gdy przewody zasilające obwód są zwarte przewodnikiem o pomijalnie małej impedancji znajdującym się tak blisko jak to jest praktycznie możliwe zacisków zasilania ZESTAWU (rozdzielnicy) [3].
Prąd Icp, określony w normie N-EN 61439-1 należy utożsamić z prądem zwarciowy (I”k3) – dla zwarcia trójfazowego symetrycznego [12] na zaciskach wejściowych głównego aparatu w rozdzielnicy. Jego wartość należy wyznaczyć z następującego wzoru:
gdzie:
I”k3 – początkowy prąd zwarciowy dla zwarcia trójfazowego (symetrycznego), w [A],
Un – napięcie międzyfazowe, w [V],
Zk3 – impedancja pętli zwarciowej dla zwarć trójfazowych, w [Ω],
cmax – współczynnik korekcyjny siły elektromotorycznej obwodu zwarciowego w zależności od napięcia znamionowego w sieci, przyjmowany z tabeli 2., w [-].
Tab. 2. Współczynniki korekcyjne siły elektromotorycznej zasilającej obwód zwarciowy
2) Prąd zwarciowy spodziewany w obwodzie neutralnym
Norma [4] pozwala przyjąć wartość prądu zwarciowego w torze neutralnym nie większą od 60% prądu fazowego zwarcia 3-fazowego symetrycznego i określić następująco:
gdzie:
I”k1 – wartość początkowego prądu zwarciowego dla zwarcia jednofazowego [12], w [A].
Wzór do wyznaczenia I”k1 podano poniżej:
gdzie:
I”k1 – początkowy prąd zwarciowy dla zwarcia jednofazowego (symetrycznego), w [A],
U1f – napięcie fazowe, w [V],
Zk1 – impedancja pętli zwarciowej dla zwarć jednofazowych, w [Ω],
cmax – współczynnik korekcyjny siły elektromotorycznej obwodu zwarciowego w zależności od napięcia znamionowego w sieci przyjmowany z tabeli 2., w [-].
3) Prąd zwarciowy spodziewany w obwodzie ochronnym
Podobnie jak w przypadku prądu zwarciowego spodziewanego w przewodzie neutralnym norma PN-EN 61439-2 [4] dopuszcza przyjęcie, że wartości prądu zwarciowego w przewodzie ochronnym o wartości nie większej niż 60% prądu zwarcia symetrycznego:
gdzie:
Ik1min – najmniejszy spodziewany prąd zwarciowy przy zwarciu jednofazowym (obliczany na końcu obwodu – do celów ochrony przeciwporażeniowej) [12].
Zgodnie z praktyką, przyjętą przed wielu laty, prąd zwarcia jednofazowego należy obliczyć z następującego wzoru:
gdzie:
I”k1min – najmniejszy spodziewany prąd zwarciowy przy zwarciu jednofazowym (obliczany na końcu obwodu – do celów ochrony przeciwporażeniowej), w [A],
U0 – wartość skuteczna napięcia nominalnego względem ziemi, w [V],
Zk1 – impedancja pętli zwarciowej dla zwarć jednofazowych dla celów ochrony przeciwporażeniowej – pętla zwarciowa, obejmująca przewód fazowy i przewód ochronny obwodu, w [Ω],
0,8 – współczynnik wynikający ze wzrostu rezystancji przewodu powodowany przepływem prądu oraz rezystancje łączeń trudne do analitycznego oszacowania, w [-] – szczegółowe wyjaśnienie tego problemu znajduje się w [12].
Poniżej zostaną przedstawione dwa przykłady rachunkowe, które wyjaśnią problem z przyjmowaniem wartości prądów w przewodzie neutralnym i ochronnym na podstawie zależności opisanych w normie PN-EN 61439-1 [3] oraz PN-EN 61439-2 [4].
Przykład obliczeniowy 1. – rozdzielnica główna
Należy wyznaczyć wartości spodziewanych:
- prądów zwarciowych (I”k3, I”k1, Ik1min);
- a następnie ich wzajemny procentowy stosunek wartości w odniesieniu do – prądu zwarciowego trójfazowego na zaciskach aparatu głównego (od strony zasilania) w rozdzielnicy głównej.
Parametrów obwodu zwarciowego:
1) Zasilanie z własnej stacji transformatorowej, moc zwarciowa w miejscu przyłączenia transformatora (rozdzielnica SN): S”kQ = 100 MVA
2) Moc transformatora: 1000 kVA, 15,0/0,4 kV/kV, typu Green T.HE:
Model: HK3AIAFBB
Rezystancja transformatora RTr: 0,001440 [Ω]
Reaktancja transformatora XTr: 0,009491 [Ω]
Impedancja transformatora ZTr: 0,009600 [Ω].
3) Most pomiędzy transformatorem a rozdzielnicą typu: przewód szynowy XCP-HP 1600, [3L+N]+PE(obudowa), przewodniki aluminiowe. Parametry przyjętego rozwiązania:
Prąd znamionowy: 1600, w [A],
Rezystancja przewodników roboczych (L,N w temp. 20oC) RL = 0,031 [mΩ/m],
Reaktancja przewodników roboczych (dla 50 Hz) – XL = 0,014 [mΩ/m],
Impedancja przewodników roboczych (L,N) – ZL = 0,034 [mΩ/m].
Rezystancja przewodnika ochronnego (PE-obudowa) RPE = 0,111 [mΩ/m],
Reaktancja przewodnika ochronnego (PE-obudowa) XPE = 0,039 [mΩ/m],
Długość mostu – L = 10 m.
Obliczenia:
A) Wyznaczenie poszczególnych prądów zwarciowych
a) Impedancja, reaktancja i rezystancja systemu elektroenergetycznego:
b) I”k3 – początkowy prąd zwarciowy dla zwarcia trójfazowego (symetrycznego), w [A]:
c) I”k1 –początkowy prąd zwarciowy dla zwarcia jednofazowego, w [A]:
d) Ik1min – najmniejszy spodziewany prąd zwarciowy przy zwarciu jednofazowym (obliczany na końcu obwodu – do celów ochrony przeciwporażeniowej – tu: na zaciskach aparatu głównego od strony zasilania), w [A]:
B) Stosunek wartości poszczególnych prądów w odniesieniu do prądu zwarciowego trójfazowego:
1) na podstawie powyższych obliczeń wartości poszczególnych prądów zwarciowych wynoszą:
2) Stosunek wartości poszczególnych prądów zwarciowych:
a. Prąd zwarciowy jednofazowy w odniesieniu do prądu trójfazowego:
b. Najmniejszy spodziewany prąd zwarciowy jednofazowy w odniesieniu do prądu trójfazowego:
Przykład obliczeniowy 2. – rozdzielnica obiektowa
Należy wyznaczyć wartości spodziewanych:
A) prądów zwarciowych (I”k3, I”k1, Ik1min);
B) a następnie ich wzajemny stosunek wartości w odniesieniu do prądu zwarciowego trójfazowego na zaciskach aparatu głównego (od strony zasilania) w rozdzielnicy obiektowej.
Parametry obwodu zwarciowego:
Rozdzielnica obiektowa będzie zasilana z rozdzielnicy głównej z przykładu 1.
Rys. 1. S chemat do przykładu 1., rys. M. Orzechowski, M. Mikulski
1) Linia zasilająca rozdzielnicę oddziałową (R1) o następujących parametrach:
Typ kabla: YKYżo 5x25,
Długość linii: L = 100 m.
Obliczenia:
A) Wyznaczenie poszczególnych prądów zwarciowych
1) Rezystancja i reaktancja linii zasilającej rozdzielnicę R1:
gdzie:
RL_R1 – rezystancja przewodu fazowego, w [Ω],
RN_R1 – rezystancja przewodu neutralnego, w [Ω],
RPE_R1 – rezystancja przewodu ochronnego, w [Ω],
XL_R1 – reaktancja przewodu fazowego, w [Ω],
XN_R1 – reaktancja przewodu neutralnego, w [Ω],
XPE_R1 – reaktancja przewodu ochronnego, w [Ω],
L – długość linii,
ϒ – konduktywność przewodu, w [m/(Ω*mm2)],
S – przekrój przewodu, w [mm2],
2) I”k3 – początkowy prąd zwarciowy dla zwarcia trójfazowego (symetrycznego), w [A]:
3) I”k1 – początkowy prąd zwarciowy dla zwarcia jednofazowego, w [A]:
4) Ik1min – najmniejszy spodziewany prąd zwarciowy przy zwarciu jednofazowym (obliczany na końcu obwodu – do celów ochrony przeciwporażeniowej – tu: na zaciskach aparatu głównego od strony zasilania), w [A]:
B) Stosunek wartości poszczególnych prądów w odniesieniu do prądu zwarciowego trójfazowego:
1) na podstawie powyższych obliczeń wartości poszczególnych prądów zwarciowych wynoszą:
2) Stosunek wartości poszczególnych prądów zwarciowych:
a. Prąd zwarciowy jednofazowy w odniesieniu do prądu trójfazowego:
b. Najmniejszy spodziewany prąd zwarciowy jednofazowy w odniesieniu do prądu trójfazowego:
Rys. 2. Schemat od przykładu 2., rys. M. Orzechowski, M. Mikulski
Wyznaczenie prądu zwarciowego spodziewanego w torze neutralnym/ochronnym zgodnie z normą PN-EN 61439 ([3] i [4]) niesie ze sobą niebezpieczeństwo popełnienia błędu i niedoszacowanie wartości tych prądów.
Jeśli projektant nie podał wartości I”k3 oraz Ik1min, to producent rozdzielnicy nie powinien zakładać wartości podanych w tabeli BB.1 (PN-EN 61439-2 [4]) – czyli maks. 60% wartości I”k3. Powyższe wartości mogą być poprawne w instalacji odległej od źródła zasilania (np.: duża odległość od transformatora, rozdzielnicy oddziałowej) – co zostało pokazane w przykładzie 2. W przypadku rozdzielnicy głównej zasilanej bezpośrednio z transformatora (przykład 1.) te wartości są inne i zbliżają się do: I”k3 ≅ I”k1. Dlatego też przyjęcie założenia wynikającego z normy PN-EN 61439 ([3],[4]) nie jest podejściem prawidłowym. W skrajnym przypadku może doprowadzić do zniszczenia w czasie zwarcia powstałego podczas eksploatacji tak wykonanej rozdzielnicy.
Dobór elementów rozdziału energii wewnątrz rozdzielnicy zostanie opisany w następnej części artykułu.
Literatura
- Ustawa Prawo budowlane (Dz.U. 1994 nr 89 poz. 414, z późniejszymi zmianami - ostatnia tekst jednolity Dz.U. 2019 poz. 1186).
- Obwieszczenie Marszałka Sejmu Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 8 września 2015 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu ustawy o normalizacji (Dz.U. 2015 poz. 1483);
- PN-EN 61439-1:2011 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe -- Część 1: Postanowienia ogólne
- PN-EN 61439-2:2011 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe -- Część 2: Rozdzielnice i sterownice do rozdziału energii elektrycznej
- PN-EN 61439-3:2012 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe -- Część 3: Rozdzielnice tablicowe przeznaczone do obsługiwania przez osoby postronne (DBO)
- PN-EN 61439-4:2013-06 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe -- Część 4: Wymagania dotyczące zestawów przeznaczonych do instalowania na placu budowy (ACS)
- PN-EN 61439-5:2015-02 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe -- Część 5: Zestawy do dystrybucji mocy w sieciach publicznych
- PN-EN IEC 61439-1:2021-10 "Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe -- Część 1: Postanowienia ogólne"
- PN-EN IEC 61439-2:2021-10 „Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe -- Część 2: Rozdzielnice i sterownice do rozdziału energii elektrycznej”
- M.Orzechowski „Połączenia wewnętrzne w rozdzielnicach niskich napięć – część 1” elektro.info 11.2020
- Burke J. J., Lawrence D. J.: Characteristics of fault currents on distribution systems. IEEE Trans. PAS, 1984, nr 1, s. 1-6.
- „Poradnik projektanta elektryka. Podstawy zasilania budynków mieszkalnych, użyteczności publicznej i innych obiektów nieprzemysłowych w energię elektryczną”, Julian Wiatr i Marcin Orzechowski, Grupa Medium, wydanie VI 2021
