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
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...
dr inż. Karol Kuczyński Ograniczenie strat w transformatorach rozdzielczych – co możemy jeszcze zrobić?
Straty w sieci energetycznej różnią się znacznie w poszczególnych krajach na całym świecie. Liczby wahają się od mniej niż 4% do ponad 20%. W większości krajów daje to możliwość znacznych oszczędności....
Straty w sieci energetycznej różnią się znacznie w poszczególnych krajach na całym świecie. Liczby wahają się od mniej niż 4% do ponad 20%. W większości krajów daje to możliwość znacznych oszczędności. Transformatory rozdzielcze są wykorzystywane do przekształcania energii elektrycznej ze średniego napięcia – poziomu, na którym energia jest przesyłana lokalnie i dostarczana do wielu odbiorców przemysłowych – do poziomu niskiego napięcia – zazwyczaj wykorzystywanego przez konsumentów indywidualnych...
dr inż. Waldemar Chmielak Opatentowana metoda ultraszybkiego wykrywania zwarć w liniach SN z wykorzystaniem fal wielokrotnie odbitych
Dystrybucja energii elektrycznej realizowana jest w wielu przypadkach rozległymi i rozproszonymi liniami napowietrznymi wysokiego i średniego napięcia. Dość powszechne w tego typu liniach zasilających...
Dystrybucja energii elektrycznej realizowana jest w wielu przypadkach rozległymi i rozproszonymi liniami napowietrznymi wysokiego i średniego napięcia. Dość powszechne w tego typu liniach zasilających są zwarcia doziemne, które – z uwagi na stosunkowo niską wartość prądów zwarciowych, wynikającą zarówno z izolowanego punktu neutralnego sieci średnich napięć oraz często wysokich rezystancji zwarcia – mogą trwać względnie długo.
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
