Wpływ temperatury na bezpieczeństwo eksploatacji rozdzielnic niskiego napięcia (część 2.)
Przykłady praktyczne
Elewacja rozdzielnicy wraz z jej wymiarami (do przykładu 3.), rys. M. Orzechowski
Kontynuując cykl poświęcony rozdzielnicom niskiego napięcia (a dokładnie połączeniom wewnętrznym w rozdzielnicach niskich napięć [9], [10], [11], [12] oraz [13]), tym razem autor zajął się zagadnieniem temperatury wewnątrz rozdzielnicy nn. W kolejnej części artykułu przedstawiamy praktyczne przykłady, które wyjaśnią problem wpływu temperatury na pracę wyposażenia rozdzielnicy oraz przyłączonych przewodów i kabli.
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...
StreszczenieW artykule przedstawiono zagrożenia wynikające z niewystarczających wymagań w zakresie temperatury wewnątrz rozdzielnicy. Pominięcie tej wielkości fizycznej w praktyce może doprowadzić do uszkodzenia rozdzielnicy lub przyczynić się do jej niepoprawnej pracy, a w skrajnym przypadku – do jej całkowitego zniszczenia. AbstractThe article presents the threats resulting from insufficient temperature requirements inside the switchgear. Omitting this physical quantity in practice may result in damage to the switchgear or contribute to its incorrect operation and, in extreme cases, to its complete destruction. |
Przykład 1.
Temperatura wewnątrz rozdzielnicy (w górnych partiach obudowy) będzie wynosiła 60°C. Należy ustalić, czy poprawnie dobrany przewód do zasilania odbiornika na obciążalność i przeciążalność długotrwałą dla warunków normalnych (tu: ułożone na korycie, temperatura otoczenia 25°C, obciążenie liniowe, 2 tory stykające się) będzie zabezpieczony również w rozdzielnicy dla warunków tam panujących. Obliczenia należy wykonać dla następujących prądów obciążenia:
1) IB1 = 13 A,
2) IB2 = 140 A.
A) Dobór przewodów na obciążalność długotrwałą i przeciążalność dla warunków normalnych:
1) IB1 = 13 A:
Jako zabezpieczenie przewodu zasilającego odbiornik należy przyjąć wyłącznik nadprądowy typu S203 B16 o In1 = 16 A (dla 30°C)*), przez co wymagany przekrój przewodu wyniesie:
Zgodnie z normą PN-HD 60364-5-52:2011 [17], przy sposobie ułożenia „E”, warunki spełnia przewód YDYżo 5x2,5 w klasie reakcji na ogień Eca (PN-EN 13501-6:2014-04):
Warunek spełniony.
2) IB2 = 140 A:
Jako zabezpieczenie przewodu zasilającego odbiornik należy przyjąć wyłącznik mocy typu Tmax XT 160 A TMD z wyzwalaczem termiczno-magnetycznym o In1 = 160 A (dla 40°C)*), przez co wymagany przekrój przewodu wyniesie:
Zgodnie z normą PN-HD 60364-5-52:2011 [17], przy sposobie ułożenia „E”, warunki spełnia przewód YKYżo 5x70 w klasie reakcji na ogień Eca (PN-EN 13501-6:2014-04):
Warunek spełniony.
B) Dobór przewodów na obciążalność długotrwałą i przeciążalność dla warunków, jakie występują w rozdzielnicy:
1) IB1 = 13 A:
Jako zabezpieczenie przewodu zasilającego odbiornik należy przyjąć wyłącznik nadprądowy typu S203 B16 o In1 = 14,6 A (dla 60°C)**), przez co wymagany przekrój przewodu wyniesie:
Zgodnie z normą PN-HD 60364-5-52:2011 [17], przy sposobie ułożenia „E”, warunki spełnia kabel YDYżo 5x4 w klasie reakcji na ogień Eca
(PN-EN 13501-6:2014-04):
Warunek spełniony.
2) IB2 = 140 A:
Należy przyjąć jako zabezpieczenie kabla zasilającego odbiornik wyłącznik mocy typu Tmax XT 160 A TMD z wyzwalaczem termiczno-magnetycznym o In1 = 140 A (dla 60°C)**), przez co wymagany przekrój przewodu wyniesie:
Zgodnie z normą PN-HD 60364-5-52:2011, przy sposobie ułożenia „E”, warunki spełnia kabel YKYżo 5x150 w klasie reakcji na ogień Eca, zgodnie z normą PN-EN 13501-6:2014-04:
gdzie:
In – prąd znamionowy lub prąd nastawy zabezpieczenia przewodu, w [A],
Iz – wymagana minimalna długotrwała obciążalność prądowa przewodu, w [A],
Idd – długotrwała obciążalność przewodu odczytana z tablicy B.52.10 normy PN-HD 60364-5-52 [17], w [A],
kt – współczynnik poprawkowy uwzględniający temperaturę otaczającego powietrza odczytany z tablicy B.52.14 normy PN-HD 60364-5-52 [17], w [-],
kp – współczynnik uwzględniający liczbę obwodów stykających się odczytany z tablicy B.52.17 normy PN-HD 60364-5-52 [17], w [-].
Warunek spełniony.
Komentarz: W przypadku kabli o wskazanym przekroju, ich sposób wyprowadzenia z rozdzielnicy zapewnia, że na odcinku wewnątrz rozdzielnicy ich stykanie się z pozostałymi obwodami jest pomijalne. Dlatego przyjęto współczynnik kp = 1.
Podsumowanie dla IB1= 13 A:
Podsumowanie dla IB2 = 140 A:
Sprawdźmy zatem, przy jakiej temperaturze wewnątrz rozdzielnicy nie będzie konieczności przewymiarowania przewodów i kabli – przykład 2.
Przykład 2.
Należy wyznaczyć optymalną temperaturę wewnątrz rozdzielnicy dla danych jak w przykładzie 1.
3) IB1 = 13 A:
Na podstawie tablicy B.52.14 normy PN-HD 60364-5-52 [17] odczytana wartość temperatury wynosi 55°C. Sprawdzenie:
4) IB2 = 140 A:
Na podstawie tablicy B.52.14 normy PN-HD 60364-5-52 [17] odczytana wartość temperatury wynosi 40°C. Sprawdzenie:
Warunek spełniony.
Komentarz: W przypadku kabli o przekroju powyżej 70 mm2 wpływ stykania się kabli wewnątrz rozdzielnicy jest pomijalny, pod warunkiem że rozdzielnica jest prawidłowo zaprojektowana i wykonana, a przewody oraz kable są wprowadzane do niej zgodnie z zasadami wiedzy technicznej. W przeciwnym wypadku wartość współczynnika kp powinna uwzględnić wzajemne oddziaływanie poszczególnych obwodów – co będzie oczywiście powodowało konieczność przewymiarowywania tych przewodów i kabli.
Przeanalizujmy teraz, jakie faktycznie temperatury występują wewnątrz rozdzielnicy – przykład 3.
Przykład 3.
Należy wyznaczyć temperaturę wewnątrz rozdzielnicy, w której będą zabudowane następujące aparaty:
1) S201-B10 – 8 szt.;
2) S201-B16 – 20 szt.;
3) Tmax XT 160 A TMD – 2 szt.
Jako temperaturę zewnętrzną należy przyjąć:
a) 35°C – zgodnie z PN-EN 61439 [1], [2];
b) 25°C – typowa temperatura występująca w pomieszczeniu rozdzielni głównej.
Powyższe zestawienie stanowi część rozdzielnicy głównej. Pozostałe elementy nie będą uwzględniane.
Obliczenia:
Na podstawie powyższych danych wstępnie dobrano obudowę ABB typu pro E Power o parametrach przedstawionych na rysunku 1.
Rys. 1. Elewacja rozdzielnicy wraz z jej wymiarami (do przykładu 3.), rys. M. Orzechowski
W rozdzielnicy nie uwzględniono szyn do rozdziału energii w jej wnętrzu. Dodatkowe elementy wchodzące w skład obudowy, które należy uwzględnić w bilansie cieplnym:
a) przewód typu LgY 2,5 – 60 m – przewody fazowe (neutralne – pominięte);
b) przewód typu LgY 70 – 8 m – przewody fazowe (neutralne – pominięte).
Szyny, które stanowią rozdział energii pomiędzy poszczególnymi obudowami, zostaną pominięte.
Obliczenia należy przeprowadzić zgodnie z normą IEC 60890 A method of temperature-rise verification of low-voltage switchgear and controlgear assemblies by calculation [7], która opisuje sposób wyznaczenia temperatury wewnątrz rozdzielnicy. Aby przyspieszyć obliczenia oraz zobrazować je graficznie, skorzystamy z programu ABB e-Design DOC® (rys. 2.).
Rys. 2. Okno programu ABB e-Design DOC® służące do obliczeń termicznych [16]
Program w ustawieniach standardowych ma nastawę temperatury otoczenia wynoszącą 35°C. Straty mocy z poszczególnych urządzeń pobiera z danych katalogowych. Dodatkowo wprowadza współczynnik jednoczesności, który można korygować według własnych potrzeb (rys. 3.).
Rys. 3. Okno programu ABB e-Design DOC® z wynikami obliczeń termicznych dla ustawień domyślnych [16]
Komentarz: żądany współczynnik wynika wprost z zapisów normy [3] – tablica 101 „Wartości założonego obciążenia”. Poniżej fragment tablicy 101 [3].
Bez uwzględnienia dodatkowych strat temperatura maksymalna (w górnych częściach rozdzielnicy) wynosi 45,8°C. Ponadto na wykresie z prawej strony przedstawiono zmianę temperatury w funkcji wysokości rozdzielnicy.
Straty mocy od przewodów wchodzących w skład danego pola wynoszą odpowiednio (PN-EN 61349-1 [2]):
a) przewód typu LgY 2,5 – 60 m – przewody fazowe (neutralne – pominięte);
b) przewód typu LgY 70 – 8 m – przewody fazowe (neutralne – pominięte).
gdzie:
Pυx – strata mocy w przewodzie służącym do połączeń wewnętrznych w rozdzielnicy, w [W],
L – długość przewodu, w [m],
R55 – rezystancja przewodu w temperaturze 55°C, w [Ω],
Imax – maksymalna wartość prądu płynąca w przewodzie przyjęta na podstawie załącznika H [2], w [A],
R20 – rezystancja przewodu w temperaturze 20°C, w [Ω],
Tυ – temperatura końcowa, w [K].
Wyznaczone wartości strat należy wprowadzić do programu (rys. 4.).
Rys. 4. Okno programu ABB e-Design DOC® z wynikami obliczeń termicznych, uzupełnionymi o straty w przewodach [16]
Po uwzględnieniu strat mocy w przewodach do połączeń wewnętrznych temperatura maksymalna w rozdzielnicy wzrosła do 58,6°C. Sprawdźmy teraz, jak zmieni się temperatura wewnątrz rozdzielnicy, jeśli wprowadzimy temperaturę otoczenia, jaka faktycznie występuje w pomieszczeniu: 25°C (rys. 5.).
Rys. 5. Okno programu ABB e-Design DOC® z wynikami obliczeń termicznych, uzupełnionymi o straty w przewodach i temperaturze 25°C [16]
Po uwzględnieniu typowej temperatury, jaka występuje w pomieszczeniu rozdzielni głównej, maksymalna temperatura wewnątrz spadła do 48,6°C (różnica temperatur pozostała taka sama).
Należy podkreślić, że nie uwzględniono szyn głównych rozdzielnicy oraz przewodów i kabli odpływowych itd. – zatem ostatecznie temperatura byłaby jeszcze wyższa o kilka stopni. Następnym krokiem będzie wprowadzenie paneli wentylacyjnych na górze i dole rozdzielnicy – o łącznej powierzchni czynnej 100 cm2 (rys. 6.). Podobny efekt można osiągnąć, zwiększając głębokość obudowy min. dwukrotnie!
Rys. 6. Okno programu ABB e-Design DOC® z wynikami obliczeń termicznych, uzupełnionymi o straty w przewodach i temperaturze 25°C [16]
Jak należało się spodziewać, temperatura wewnątrz rozdzielnicy spadła. Natomiast istotne jest to, że zastosowanie niewielkiej wentylacji o całkowitej powierzchni czynnej 100 cm2 (sumaryczna powierzchnia czynna kratki na dole i górze obudowy) może przyczynić się do obniżenia temperatury już o 8,5°C.
Wnioski końcowe
Wykonanie rozdzielnicy zgodnie z normą PN-EN 61439 [2], [3], [4], [5] i [6] nie gwarantuje jej prawidłowej eksploatacji – w zakresie temperatury otoczenia. PN-EN 61439 zakłada temperaturę otoczenia, która w praktyce przekłada się na wysokie temperatury we wnętrzu rozdzielnicy. To z kolei powoduje konieczność przewymiarowania elementów przyłączonych do niej (przewodów i kabli) oraz aparatów w niej zabudowanych.
Założenie, że niewielkie wypełnienie obudowy (np. 50%) gwarantuje, że temperatura wewnątrz rozdzielnicy nie przekroczy wartości dopuszczalnych długotrwale (40°C), może być błędne, co zostało udowodnione w przykładzie 3. Szczególnie gdy w rozdzielnicy nie będzie wentylacji.
Poprawny dobór przewodów na obciążalność i przeciążalność dla warunków występujących na obiekcie nie gwarantuje ich poprawnej eksploatacji. Przy skrajnie niekorzystnej konstrukcji rozdzielnicy (np. zbyt mała, przewody wewnątrz stykające się, brak wentylacji itd.) może się okazać, że dojdzie do przekroczenia temperatury dopuszczalnej długotrwale dla izolacji przewodów do niej przyłączonych. W konsekwencji może to doprowadzić do ich zapalenia, zwarć łukowych lub po prostu zwarcia. Aby zapobiec temu zjawisku, konieczne będzie ich przewymiarowanie, tak aby dostosować ich obciążalność długotrwałą do warunków panujących w samej rozdzielnicy.
Podział odpowiedzialności za urządzenie, jakim jest rozdzielnica, wynika właśnie z UZGODNIEŃ, gdyż:
- wytwórca pierwotny [1] (producent komponentów) wraz z wytwórcą zestawu [2] (prefabrykatorem) ma wykonać rozdzielnicę zgodnie z projektem (UZGODNIENIAMI [1]) i normą [2], [3], [4], [5] i [6]. To oni odpowiadają za konstrukcję rozdzielnicy, rozmieszczenie aparatów, połączenia wewnętrzne – aż do przyłączonych przewodów zewnętrznych (przewody i kable zasilające i odpływowe);
- użytkownik [2] ma określić cechy dla niego istotne, tzn. obciążalność długotrwałą, typ i nastawy aparatów, wyposażenie rozdzielnicy, przewody i kable zasilające i odpływowe, parametry zwarciowe itd.
Zatem jeśli projektant nie określi jakichś parametrów rozdzielnicy, np. temperatury wewnątrz, stopnia IP, wybranych prądów zwarciowych itd., to wytwórca zestawu może je przyjąć na podstawie PN-EN 61439 [2], [3], [4], [5] i [6]. Tym samym wytwórca zestawu spełni wymagania normy oraz projektu – choć może się okazać, że dostarczone rozwiązanie nie spełnia wymagań dla danej lokalizacji. W takiej sytuacji to użytkownik [2] (inwestor, projektant, kierownik robót i/lub inspektor nadzoru) ponosi odpowiedzialność za daną rozdzielnicę. Ewentualne spory może rozstrzygnąć sąd z powództwa cywilnego [1], [8], [9], [10], [11], [12] i [13].
Zalecenia:
- W dokumentacji projektowej powinny znaleźć się zapisy o oczekiwanej temperaturze wewnątrz rozdzielnicy. Temperatura wewnątrz nie powinna przekraczać 40°C w miejscu wprowadzenia przewodów i kabli do rozdzielnicy (góra rozdzielnicy), gdyż to może mieć wpływ na jej bezawaryjną eksploatację.
- Jedynym rozwiązaniem jest każdorazowe wyznaczenie temperatury wewnątrz rozdzielnicy zgodnie z IEC 60890 [7] lub wykorzystanie programów na niej opartych, np.: ABB e-Design DOC, ABB Connect Partner Hub. Obliczenia powinny być zamieszczone w dokumentacji projektowej. Jeśli na etapie projektu nie ma możliwości wskazania konkretnego rozwiązania (np. zamówienie publiczne), wówczas w dokumentacji powinien znaleźć się zapis nakazujący dostawcy rozwiązania przedstawienie odpowiednich obliczeń, zgodnie z IEC 60890 [7].
*) Prąd znamionowy wyzwalacza termicznego dla temperatury znamionowej.
Literatura
- Ustawa Prawo budowlane (Dz.U. 1994 nr 89 poz. 414, z późniejszymi zmianami – tekst jednolity Dz.U. 2019 poz. 1186).
- PN-EN IEC 61439-1:2011/2021-10 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe. Część 1: Postanowienia ogólne. (Norma z 2011 – jest wersja polska (wycofana przez prezesa PKN); norma z 2021 – jest wersja angielska (zastępuje poprzedniczkę – według PKN). W praktyce jednak jest to norma niezharmonizowana z dyrektywą 2014/35/UE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 26 lutego 2014 r. w sprawie harmonizacji ustawodawstw państw członkowskich odnoszących się do udostępniania na rynku sprzętu elektrycznego przewidzianego do stosowania w określonych granicach napięcia. Tym samym z punktu widzenia prawnego nadal obowiązuje norma z 2011 r. W omawianym zakresie nie ma większych różnic pomiędzy normami. Zostały przywołane obie ze względu na język tekstu).
- PN-EN IEC 61439-2:2011/2021-10 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe. Część 2: Rozdzielnice i sterownice do rozdziału energii elektrycznej. (Komentarz: patrz wyżej).
- 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.
- IEC 60890 A method of temperature-rise verification of low-voltage switchgear and controlgear assemblies by calculation.
- J. Wiatr, M. Orzechowski, Poradnik projektanta elektryka. Podstawy zasilania budynków mieszkalnych, użyteczności publicznej i innych obiektów nieprzemysłowych w energię elektryczną, Grupa Medium, wydanie VI, Warszawa 2021.
- M. Orzechowski, Połączenia wewnętrzne w rozdzielnicach niskich napięć – część 1, „elektro.info” 11/2020.
- M. Orzechowski, M. Mikulski, Połączenia wewnętrzne w rozdzielnicach niskich napięć – studium przypadków – odporność zwarciowa elementów realizujących rozdział energii, „elektro.info” 4/2022.
- J. Wiatr, M. Orzechowski, Połączenia wewnętrzne w rozdzielnicach niskich napięć – obliczenia zwarciowe, „elektro.info” 6/2022.
- M. Orzechowski, Połączenia wewnętrzne w rozdzielnicach niskich napięć – przykłady doboru elementów, „elektro.info” 7–8/2022.
- M. Orzechowski, Rozdzielnice niskich napięć – stopień ochrony (kod IP), „elektro.info” 7–8/2023.
- www.imgw.pl/wydarzenia/charakterystyka-wybranych-elementow-klimatu-w-polsce-w-2022-roku-podsumowanie
- https://meteomodel.pl/rekordy-temperatury/
- new.abb.com/low-voltage/pl/produkty/materialy-dla-projektantow
- PN-HD 60364-5-52 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-52: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Oprzewodowanie.
- https://partnerhub.connect.abb.com/
