Projektowanie przewodów szynowych niskiego napięcia
![Przewody szynowe SCP 1250A oraz SCP 2000A [4]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/mikulski-fot1.jpg)
Przewody szynowe SCP 1250A oraz SCP 2000A [4]
Przewody szynowe niskiego napięcia, nazywane potocznie szynoprzewodami, jeszcze 20 lat temu w Polsce były kojarzone głównie z instalacjami przemysłowymi lub układami zasilania suwnic. Rozwój budownictwa komercyjnego spowodował powstawanie pierwszych wieżowców, centrów handlowych, serwerowni, magazynów logistycznych.
Zobacz także
ZnakDirect sp. z o.o. Znak Direct – znaczniki kablowe i inne oznakowania projektowane online
Czytelne i trwałe oznakowanie urządzeń, przewodów, kabli, szaf sterowniczych oraz elementów instalacji ma duże znaczenie dla bezpieczeństwa pracy, sprawnego montażu i późniejszej obsługi technicznej. Firma...
Czytelne i trwałe oznakowanie urządzeń, przewodów, kabli, szaf sterowniczych oraz elementów instalacji ma duże znaczenie dla bezpieczeństwa pracy, sprawnego montażu i późniejszej obsługi technicznej. Firma Znak Direct oferuje szeroki wybór tabliczek, oznaczników, naklejek i znaków przeznaczonych dla przemysłu, elektroinstalatorów, automatyków, producentów maszyn oraz wykonawców instalacji technicznych.
WAGO ELWAG Sp. z o.o. Rodzina złączek instalacyjnych 221 wciąż się powiększa!
Otwórz dźwignię, wsuń przewód i gotowe! Tak proste jest łączenie przewodów za pomocą złączek instalacyjnych z dźwigniami z serii 221. Ta dobrze znana rodzina złączek instalacyjnych WAGO właśnie się powiększyła!...
Otwórz dźwignię, wsuń przewód i gotowe! Tak proste jest łączenie przewodów za pomocą złączek instalacyjnych z dźwigniami z serii 221. Ta dobrze znana rodzina złączek instalacyjnych WAGO właśnie się powiększyła! Dzięki nowej, 2-rzędowej złączce instalacyjnej z dźwigniami z serii 221 można intuicyjnie i bez użycia narzędzi połączyć ze sobą do dziesięciu przewodów na tym samym potencjale.
BRADY Polska sp. z o.o. Szybciej, bezpieczniej, lepiej: profesjonalne i efektywne zarządzanie kablami
Wyraźna i dokładna identyfikacja przewodów, kabli i komponentów jest kluczowa dla elektryków. Dzięki dobrze oznakowanym kablom z odpowiednimi i niezawodnymi etykietami mogą oni szybko zrozumieć konfigurację...
Wyraźna i dokładna identyfikacja przewodów, kabli i komponentów jest kluczowa dla elektryków. Dzięki dobrze oznakowanym kablom z odpowiednimi i niezawodnymi etykietami mogą oni szybko zrozumieć konfigurację systemu, co skraca czas rozwiązywania problemów i minimalizuje ryzyko błędów. To nie tylko poprawia wydajność, ale także zwiększa bezpieczeństwo.
Tego typu obiekty charakteryzują się dużym zapotrzebowaniem na energię elektryczną i niezawodnością zasilania (podobnie jak hale przemysłowe) oraz ograniczoną przestrzenią instalacyjną. Naturalnym procesem była adaptacja sprawdzonych już przewodów szynowych na potrzeby obiektów komercyjnych. Na początku szynoprzewody były adaptowane do projektów instalacji opracowanych na kablach, tym samym z nimi konkurując. W miarę upływu czasu wykonane instalacje z przewodami szynowymi zaczęły się sprawdzać, co spowodowało ich rozpowszechnienie. Projektanci opracowując dokumentację projektową instalacji elektrycznych w sposób racjonalny korzystają zarówno z rozwiązań opartych na kablach, jak i przewodach szynowych. Obecnie szynoprzewody na trwałe weszły do stosowania i są, obok kabli i rozdzielnic, elementami składowymi instalacji elektrycznych zarówno w obiektach przemysłowych, jak i komercyjnych.
Zastosowanie szynoprzewodów umożliwia systemowe budowanie układów instalacji, które bardzo trudno byłoby wykonać, stosując tradycyjne rozwiązania, na przykład:
- połączenie jednym mostem trzech urządzeń przy wykorzystaniu trójnika. Przykładem mogą być mosty szynoprzewodowe z transformatora do rozdzielnicy głównej i rozdzielnicy pożarowej (rys. 1a),
- zastosowanie izolatora sekcji (element z zabudowanym aparatem manewrowym, tj. rozłącznik) w środku linii rozdzielczej i dwustronne jej zasilenie. Dzięki takiemu rozwiązaniu uzyskujemy możliwość rezerwowania zasilania linii dystrybucyjnej i podniesienie niezawodności jej pracy. Na rysunku 1b przedstawiono linię dystrybucyjną prowadzoną w szachcie instalacyjnym. Linia zasilana jest dwustronnie, transformatory znajdują się na poziomie –1 oraz na kondygnacji technicznej (ostatnia kondygnacja). W środku linii zastosowano izolator sekcji, w normalnych warunkach aparat zabudowany wewnątrz jest w stanie otwartym. W przypadku zaniku zasilania z któregokolwiek kierunku, aparat w izolatorze sekcji zostanie załączony (ręcznie lub automatycznie) (rys. 1b),
- możliwość przesłania określonej mocy na dany obszar w przypadku braku dokładnych informacji na temat mocy zapotrzebowanej przez odbiorniki i ich rozmieszczenie. Dzięki zastosowaniu szynoprzewodów (elementy z gniazdami odpływowymi) jest możliwość przyłączenia kasety odpływowej w dowolnym miejscu i wyprowadzenia dostępnej mocy. Prądy znamionowe standardowych kaset zawierają się do 1250 A. Rozwiązania specjalne umożliwiają odbiór także większych mocy (rys. 1c).
Analogicznie do innych instalacji i urządzeń, zastosowanie przewodów szynowych jest poprzedzone procesem projektowania. W jego trakcie można wyróżnić dwa etapy. Pierwszy to dobór i sprawdzenie parametrów elektrycznych. Drugi polega na dokładnym zaplanowaniu tras i skonfigurowaniu elementów.
Obliczenia parametrów elektrycznych przebiegają analogicznie do doboru kabli i przewodów, ale są stosunkowo prostsze ze względu na mniejszą liczbę współczynników, które należy rozpatrywać. Należy też mieć na uwadze, że przewody szynowe stosuje się do budowy głównych ciągów zasilania obiektu. Nawet gdy w projekcie występuje bardzo rozbudowana instalacja szynoprzewodów, to i tak liczba odcinków kablowych będzie wielokrotnie większa, a co za tym idzie, ich dobór musi zajmować o wiele więcej czasu. Jednak zastosowanie szynoprzewodów do budowy rdzenia energetycznego budynku spowoduje uproszczenie instalacji kablowych, a w następstwie zmniejszenie ilości i stopnia skomplikowania ich obliczeń.
Prąd znamionowy przewodów szynowych
Po zaplanowaniu, które części instalacji elektrycznej zostaną wykonane na szynoprzewodach, następują obliczenia i ich dobór. Podstawowym parametrem szynoprzewodów jest ich prąd znamionowy. W celu doboru szynoprzewodu o określonym prądzie znamionowym In_sz należy określić obliczeniowy prąd obciążenia IB.
Ze względu na to, że szynoprzewody stosuje się niemal wyłącznie do instalacji trójfazowych, tylko dla tych przypadków zostaną przeprowadzone rozważania, ponadto z powodu dużych mocy, które te instalacje przenoszą, wygodniej operować na jednostkach mocy kVA i kW, a napięcie wyrażać w kV. Poniżej zostaną przeanalizowane dwa przypadki:
a) most łączący transformator (generator) z rozdzielnicą główną
Do określenia obliczeniowego prądu obciążenia mostu szynoprzewodowego łączących transformator lub generator z rozdzielnicą główną niskiego napięcia stosowany jest następujący wzór:
gdzie:
kprz – współczynnik uwzględniający przeciążenie transformatora, w [-],
IB – obliczeniowy prąd znamionowy dolnego uzwojenia transformatora (obciążenia mostu szynoprzewodowego), w [A],
Sn – znamionowa moc pozorna transformatora, w [kVA],
Un – znamionowe napięcie międzyfazowe po stronie niskiego napięcia transformatora, w [kV].
Zdarza się, że specyfika instalacji lub wymagania obiektu zakładają czasowe przeciążanie transformatora ponad jego moc znamionową (w tym celu stosuje się na przykład wydajniejsze chłodzenie). Współczynniki określające takie przeciążenia mocy (kprz) należy wprost proporcjonalnie odnieść także do prądu obliczeniowego szynoprzewodu,
b) linia dystrybucyjna
Do określenia obliczeniowego prądu obciążeniowego linii szynoprzewodowej przesyłowej lub rozdzielczej stosuje się na ogół następujący wzór:
gdzie:
IB – obliczeniowy prąd obciążenia linii (szynoprzewodu dystrybucyjnego), w [A],
Pii – moc czynna i-tego urządzenia, w [kW],
cos ji – współczynnik mocy i-tego urządzenia, w [-],
Un – znamionowe napięcie międzyfazowe, w [kV],
kj – współczynnik jednoczesności dla grupy odbiorników, w [-],
kzi – współczynnik zapotrzebowania i‑tego odbiornika, w [-],
i – numer odbiornika, w [-],
n – liczba odbiorników, w [-],
b – współczynnik zasilania, w [-],
b = 1 dla linii zasilanych jednostronnie,
b = 0,5 dla szczególnych przypadków linii zasilanych dwustronnie.
Ten szczególny przypadek, gdy współczynnik zasilania b = 0,5, dotyczy linii rozdzielczych zasilanych dwustronnie i sytuacji, gdy prąd obliczeniowy pojedynczego odbiornika jest dużo mniejszy od obliczeniowego prądu całego szynoprzewodu. Ponadto odbiorniki są rozłożone równomiernie wzdłuż linii. W praktyce takie układy występują dla linii oświetleniowych. W pozostałych przypadkach należy obliczyć rozpływ prądów w linii i sprawdzić, czy szynoprzewód nie będzie przeciążany.
Po określeniu prądu obliczeniowego obciążenia IB można przystąpić do dobrania szynoprzewodu o określonym prądzie znamionowym In_sz. W tym celu należy dobrać przewód szynowy, który spełni warunek:
gdzie:
IB – prąd obliczeniowy obciążenia linii, w [A],
In – prąd znamionowy lub prąd nastawienia zabezpieczenia przewodu szynowego, w [A],
Iz – wymagana minimalna długotrwała obciążalność prądowa przewodu szynowego, w [A],
k2 – współczynnik krotności prądu powodującego zadziałanie urządzenia zabezpieczającego w określonym umownym czasie, przyjmowanym jako równy:
- 1,6 – 2,1 dla wkładek bezpiecznikowych,
- 1,45 dla wyłączników nadprądowych o charakterystyce B, C i D,
- 1,2 dla wyłączników nadprądowych selektywnych o charakterystyce E,
Iz_sz – długotrwała obciążalność przewodu szynowego, w [A],
In_sz – znamionowy prąd szynoprzewodu odczytany z katalogu producenta, w [A],
k1c – współczynnik poprawkowy uwzględniający temperaturę otoczenia, w jakiej pracuje przewód szynowy odczytany z katalogu producenta, w [-],
k2c – współczynnik poprawkowy uwzględniający sposób ułożenia/montażu szynoprzewodu odczytany z katalogu producenta, w [-],
Są to czynności analogiczne jak dla typowego rozwiązania opartego na przewodach i kablach. Jedyną różnicą jest mniejsza liczba współczynników poprawkowych.
Współczynnik poprawkowy uwzględniający temperaturę otoczenia, w jakiej pracuje przewód szynowy
Współczynnik poprawkowy uwzględniający temperaturę otoczenia, w jakiej pracuje przewód szynowy w normie przedmiotowej [1] został oznaczony jako k1c.
Współczynnik temperaturowy k1c jest to stosunek prądu długotrwale dopuszczalnego w określonej temperaturze otoczenia do prądu znamionowego podawanego przez producenta dla referencyjnej temperatury odniesienia. Normy dotyczące przewodów szynowych: PN-EN 60439-2 [1] oraz PN-EN 61439-6 [2] podają wartość 35°C jako temperaturę referencyjną. Producenci systemów przewodów szynowych często przyjmują jako temperaturę odniesienia 40°C. W katalogach przewodów szynowych można znaleźć informację o współczynniku temperaturowym w formie wykresów lub tabel. W tabeli 1. zestawiono współczynniki temperaturowe dla wybranej grupy przewodów szynowych.
Współczynnik poprawkowy uwzględniający sposób ułożenia/montażu szynoprzewodu
Współczynnik poprawkowy uwzględniający sposób ułożenia/montażu szynoprzewodu w normie przedmiotowej [2] został oznaczony jako k2c.
Współczynnik ułożenia/montażu k2c jest zależny od sposobu układania przewodów szynowych. Jego wartość jest związana z różnymi możliwościami oddawania ciepła w zależności od ułożenia przewodników względem siebie. Rozróżnia się trzy sposoby montażu szynoprzewodów przedstawione na rysunku 2.
Do pionowego sposobu ułożenia zaliczane są również te linie, które posiadają odcinki pionowe o długościach ponad 100 cm. Zatem nie tylko linie, które są zamontowane w szachtach instalacyjnych, ale także odcinki mostów, które posiadają pionowe zejścia do transformatorów czy rozdzielnic przekraczających 100 cm, powinny zostać zakwalifikowane do pionowego sposobu ułożenia szynoprzewodów.
W katalogach producentów szynoprzewodów można odnaleźć wartości współczynników redukcyjnych lub wprost informację o prądzie znamionowym w zależności od sposobu ułożenia. Zmiana prądu znamionowego może być także powiązana ze stopniem ochrony jego obudowy. W zależności od rodzaju izolacji przewodników (powietrzna lub stała) wartości współczynników są różne. W ofercie producentów dominują dwa rozwiązania:
a) przewody szynowe w izolacji powietrznej
Przewody szynowe w izolacji powietrznej, posiadają perforowaną obudowę, w której znajdują się szyny rozstawione na izolatorach, a powietrze stanowi izolację elektryczną pomiędzy szynami. Przy tego typu rozwiązaniu znaczenie ma zarówno sposób ułożenia, jak i stopień ochrony IP. W tabelach 2. i 3. przedstawiono zmiany prądu znamionowego przewodu szynowego w zależności od sposobu ułożenia oraz stopnia IP.
b) przewody szynowe o konstrukcji kanapkowej
Innym typem przewodów szynowych są przewody szynowe o konstrukcji „kanapkowej”. Każda z szyn w tym rodzaju szynoprzewodu jest oddzielnie izolowana specjalną folią poliestrową. Szyny są zestawione w ten sposób, że stykają się wzajemnie swoimi izolacjami, a następnie całość jest zamknięta w obudowie, tworząc zwartą konstrukcję kompaktową. Są to systemy, w których współczynnik montażu k2c = 1. Przykładami takich systemów szynoprzewodów dużej mocy są:
- KT 1000A – 5000A Schneider,
- LX 800A – 5000A Siemens,
- SCP 630A – 5000A Zucchini.
Nie oznacza to oczywiście, że zjawiska różnej skuteczności oddawania ciepła w nich nie występują, ale zostały skonstruowane, przebadane i oznaczone dla najbardziej niekorzystnego przypadku ułożenia. Zatem wybierając system szynoprzewodów, w którym nie następuje redukcja prądu w zależności od ułożenia oraz średnia temperatura dobowa pokrywa się z temperaturą referencyjną, otrzymujemy prostą zależność doboru prądu znamionowego przewodu szynowego Iz_sz = In_sz 3 Iz , w innych przypadkach należy uwzględnić współczynniki poprawkowe.
Wyższe harmoniczne
Przy doborze prądów znamionowych przewodów szynowych należy podobnie jak to ma miejsce przy przewodach i kablach, uwzględnić wpływ poziomu wyższych harmonicznych na zmniejszenie obciążalności długotrwałej. W wielu przypadkach producenci systemów szynoprzewodowych podają wytyczne doboru odpowiedniego prądu znamionowego linii w zależności od zawartości wyższych harmonicznych (tab. 4.) w obliczeniowym prądzie obciążenia.
Można tutaj zauważyć następującą prawidłowość i stosować ją w obliczeniach inżynierskich. Podane w katalogach prądy znamionowe odnoszą się do przypadków, gdy zawartość wyższych harmonicznych nie przekracza 15%. Powyżej tej wartości, ale nie więcej niż 33%, należy przewymiarować szynoprzewód o jeden stopień. Natomiast dla zawartości wyższych harmonicznych powyżej 33% należy przewymiarować linie o dwa stopnie.
Prąd w przewodzie neutralnym
Przewody szynowe o prądach znamionowych od 63 A występują w większości w układach trójfazowych. Przekrój szyny neutralnej jest zwykle równy przekrojowi szyn fazowych (zdarzają się przypadki, w których przekrój szyny neutralnej stanowi 50% przekroju szyny fazowej). Takie układy są oczywiście przeznaczone do pracy w sytuacjach, w których prąd w torze neutralnym nie przekracza wartości prądów obliczeniowych fazowych. Jednak w praktyce coraz częściej występują odbiorniki nieliniowe, takie jak zasilacze UPS, zasilacze impulsowe, lampy fluoroscencyjne itp. Szczególne nagromadzenie tego typu urządzeń występuje w serwerowniach oraz obwodach komputerowych budynków biurowych. Najbardziej niekorzystna jest zawartość w prądzie trzeciej harmonicznej i jej krotności, ponieważ prądy te sumują się algebraicznie w przewodzie neutralnym. Gdy po wyliczeniu prądu w torze neutralnym okazuje się, że jego wartość skuteczna jest większa od prądów fazowych, mamy dwa wyjścia doboru przewodu szynowego:
- dobrać szynoprzewód do prądu w przewodzie neutralnym i jednocześnie przewymiarować tory fazowe. Sposób takiego doboru został przedstawiony w tabeli 5.,
- wybrać szynoprzewód z podwójnym przekrojem toru neutralnego. Przekrój takiego szynoprzewodu został przedstawiony na rysunku 3.
Przykład 1
Transformator o mocy: 1600 kVA i przekładni 15/0,4 kV należy połączyć z polem zasilającym rozdzielnicy głównej obiektu za pomocą:
- mostu kablowego,
- przewodem szynowym.
Nie przewiduje się przeciążania transformatora. Zabezpieczenie po stronie SN – bezpiecznik topikowy typu VVC 10/17,5 kV 125 kA. Temperatura w komorze transformatora oraz rozdzielni nn nie przekroczy temperatury 40ºC. Materiał przewodnika – aluminium. Układ sieci TN-S.
Obliczenia
Prąd znamionowy dolnej strony transformatora wynosi:
Jako zabezpieczenie mostu kablowego należy przyjąć: wyłącznik powietrzny DMX3‑N 2500 o prądzie znamionowym In = 2500 A z nastawą prądu przeciążeniowego zwłocznego Ir = 2300 A.
a) Most kablowy:
Zgodnie z PN-IEC 60364-5-523 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Obciążalność prądowa długotrwała przewodów, przy sposobie ułożenia „F” (korytko poziome z perforacją, przewody stykające się, ułożenie obok siebie) po uwzględnieniu współczynników poprawkowych, warunki długotrwałej obciążalności prądowej i przeciążalności spełnią kable 4´(7´YAKXS 300)+4´(YAKXSżo 300), dla których:
gdzie:
Idd – długotrwała obciążalność przewodu (kabla) uwzględniająca sposób ułożenia i temperaturę otoczenia,
Iz' – długotrwała dopuszczalna obciążalność przewodu odczytana z normy PN-IEC 60364‑5-523, w [A],
kp – współczynnik poprawkowy uwzględniający sposób ułożenia przewodu lub kabla, w [-],
kt – współczynnik poprawkowy uwzględniający temperaturę otoczenia, w jakiej pracuje przewód lub kabel, w [-].
Średnica zewnętrzna kabla YAKXS 300 wynosi 28,30 mm [14]. Powierzchnia (przekrój poprzeczny) zajęta przez most kablowy wraz korytami wyniesie w przybliżeniu 0,2 m2. Ciężar metra bieżącego mostu kablowego wynosi w przybliżeniu: 80 [kg/m].
b) Most wykonany przewodem szynowym:
Na podstawie katalogu przewodów szynowych [3] dobieramy przewód szynowy typu SCP5C (żyła neutralna i ochronna o przekroju równoważnym przewodom fazowym) o prądzie znamionowym 2500 A, dla którego:
Powierzchnia (przekrój poprzeczny) zajęty przez przewód szynowy wyniesie w przybliżeniu: 0,06 m2. Ciężar metra bieżącego przewodu szynowego wynosi w przybliżeniu: 50 [kg/m].
![Fot. 1. Przewody szynowe SCP 1250A oraz SCP 2000A [4]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/mikulski-fot1-1.jpg)
![Rys.2. Sposoby ułożenia przewodów szynowych [5]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/mikulski-rys2.jpg)
![Rys. 3. Przekrój szynoprzewodu Zucchini: a) SCP wersja standardowa z pojedynczym torem neutralnym, b) SCP2N wersja z podwójnym torem neutralnym [4]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/mikulski-rys3.jpg)
![Tab. 1. Współczynnik temperaturowy przewodów szynowych z zakresu 100–1000 A produkcji: Schneider [8], Siemens [7], Zucchini [3]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/mikulski-tab1.jpg)
![Tab. 2. Prądy znamionowe szynoprzewodów aluminiowych Zucchini typu HR IP31 w zależności od sposobu ułożenia [5]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/mikulski-tab2.jpg)
![Tab. 3. Prądy znamionowe szynoprzewodów aluminiowych Siemens typu LDA w zależności od sposobu ułożenia i stopnia ochrony IP [9]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/mikulski-tab3.jpg)
![Tab. 4. Dobór szynoprzewodów typu SCP Zucchini w zależności od zawartości wyższych harmonicznych w prądzie obciążenia [6]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/mikulski-tab4.jpg)
