Uproszczony projekt rozdzielnicy głównej kompleksu użyteczności publicznej
ze źródłem zasilania awaryjnego, stacją ładowania pojazdów elektrycznych oraz rozdzielnicą napięcia gwarantowanego i rozdzielnicą klimatyzacji
Plan instalacji RGK, rys. J. Wiatr
Uproszczony projekt rozdzielnicy głównej kompleksu użyteczności publicznej ze źródłem zasilania awaryjnego, stacją ładowania pojazdów elektrycznych oraz rozdzielnicą napięcia gwarantowanego i rozdzielnicą klimatyzacji
Podstawa opracowania
- Zlecenie inwestora.
- Warunki techniczne zasilania, wydane przez OSD.
- Wizja lokalna w terenie.
- Ustawa z dnia 11 stycznia 2018 roku o elektromobilności i paliwach alternatywnych (Dz.U. z 2023 roku poz. 875 z późniejszymi zmianami).
- Rozporządzenie Ministra Energii z dnia 26 czerwca 2019 roku w sprawie wymagań technicznych dla stacji i punktów ładowania stanowiących element infrastruktury ładowania drogowego transportu publicznego (Dz.U. z 2019 roku poz. 1316 z późniejszymi zmianami).
- Rozporządzenie Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 23 marca 2023 roku w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz.U. z 2023 roku poz. 819).
- Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (tekst jednolity: Dz.U. z 2022 roku poz. 1225 z późniejszymi zmianami).
- Norma PN-HD 60364-5-52:2011 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-52: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Oprzewodowanie.
- Norma PN-HD 60364-5-54:2011 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-54: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Uziemienia, przewody ochronne i przewody połączeń ochronnych.
- Norma PN-HD 60364-4-442:2016 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Część 4-442: Ochrona przed przepięciami. Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi lub łączeniowymi.
- Norma PN-HD 60364-5-53:2016 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-53: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Aparatura rozdzielcza i sterownicza.
- Norma N SEP-E 002 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Instalacje elektryczne w budynkach mieszkalnych.
- Norma PN-HD 60364-4-41:2017-09 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym.
- Norma PN-HD 60364-5-56:2019-01 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-56: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Instalacje bezpieczeństwa.
- Norma PN-HD 60364-7-722:2019-01 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 7-722: Wymagania dotyczące specjalnych lokalizacji lub instalacji. Zasilanie pojazdów elektrycznych.
- Katalogi producentów kabli oraz producentów osprzętu kablowego.
- Uzgodnienie z rzeczoznawcą ds. zabezpieczeń ppoż. oraz rzeczoznawcą ds. ergonomii i bhp.
Wyciąg z warunków technicznych zasilania
Ze stacji transformatorowej SN/nn „Bydgoska” o mocy 630 kVA należy wyprowadzić kabel zasilający o żyłach aluminiowych i izolacji z igielitu usieciowanego, o przekroju według obliczeń, lecz nie mniejszym od 120 mm2. W linii ogrodzenia kompleksu należy zainstalować złącze kablowe typu KRSN-PP wraz z układem pomiarowym półpośrednim. Dopuszczalny współczynnik mocy, zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 23 marca 2023 roku w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz.U. z 2023 roku poz. 819), powinien być nie mniejszy od tgφ = 0,4 (cosφ = 0,93). Zasilanie kompleksu należy realizować na napięciu 3x230/400 V.
Opis stanu istniejącego
Do pomieszczenia RGK został doprowadzony kabel WLZ: 4x[2x(BiT1000FR-150)], wyprowadzony ze złącza kablowego z układem pomiarowym, zainstalowanego w linii ogrodzenia kompleksu (projekt zasilania kompleksu został opublikowany w numerze 10/2024).
Opis stanu projektowanego
W pomieszczeniu Rozdzielni Głównej Kompleksu (rys. 2.) należy zainstalować:
- Rozdzielnicę Główną Kompleksu (RGK), wykonaną zgodnie z rysunkiem 3., rysunkiem 4., rysunkiem 5. oraz rysunkiem 6.,
- Rozdzielnicę Napięcia Gwarantowanego (RNG), wykonaną zgodnie z rysunkiem 7.,
- zasilacz UPS 3x230/400 V o mocy wyjściowej 30 kVA, wraz z układem bypass,
- układ detekcji stężenia wodoru H2 oraz sterowania wentylacją,
- Rozdzielnicę Potrzeb Własnych (RPW) – rysunek 9.,
- Rozdzielnicę Klimatyzacji (RKlim.) – rysunek 10.,
- Rozdzielnicę Rppoż. (w warunkach niepożarowych obciążenie rozdzielnicy wynosi 5 kW – osobne opracowanie, nieobjęte artykułem).
Projektowany obiekt będzie rezerwowany przez kontenerowy zespół prądotwórczy 3x230/400 kV o mocy 250 KVA. Zespół prądotwórczy należy zainstalować na fundamencie stanowiącym opracowanie branży konstrukcyjno-budowlanej, w miejscu wskazanym na rysunku 1. Energię z generatora zespołu prądotwórczego do RGK należy wyprowadzić kablem 4x[Bit 1000 FR 1x185], układanym wzdłuż trasy określonej na rysunku 1. Kabel należy układać na głębokości 80 cm, na podsypce piasku o grubości 10 cm. Po ułożeniu kabla należy w odstępach co 10 m nałożyć opaski kablowe zawierające następujące informacje: typ kabla – długość – trasa – rok ułożenia – symbol wykonawcy.
Rys. 1. Plan zasilania kompleksu, rys. J. Wiatr
Rys. 2. Plan instalacji RGK, rys. J. Wiatr
Rys. 3. Schemat zasilania RGK. Układ automatyki SZR oraz PWP,
rys. J. Wiatr
Uwaga! PWP zgodny z PN-HD 60364-5-56:2019-01. Dla PWP stosować wyłącznie przyciski uruchamiające z certyfikatem CNBOP-PIB. Kable i przewody w klasie reakcji na ogień nie niższej niż Eca. Ochrona od porażeń – wykonanie rozdzielnic w II klasie ochronności. Odporność zwarciowa aparatów według normy IEC 60947-2: Ics≥10 kA; Icn>10 kA.
Rys. 4. Schemat ideowy układu SZR sieć-ZP, rys. J. Wiatr
Rys. 5. Schemat ideowy RGK bez automatyki SZR oraz PWP, rys. J. Wiatr
Rys. 6. Schemat automatyki zrzutu obciążenia RKlim., rys. J. Wiatr
Rys. 7. Schemat ideowy RNG rys. J. Wiatr
Rys. 8a Schemat automatyki wentylacji RGKJ, rys. J. Wiatr
Rys. 8b Schemat aplikacyjny centralki wykrywania stężenia wodoru H2, rys. J. Wiatr
Rys. 9. Schemat ideowy RPW, rys. J. Wiatr
Rys. 10. Schemat ideowy RKlim., rys. J. Wiatr
Po ułożeniu kabla należy zasypać wykop warstwą piasku o grubości 10 cm, warstwą rodzimego gruntu o grubości 30 cm, ułożyć taśmę kablową koloru niebieskiego i zasypać wykop, doprowadzając nawierzchnię do stanu pierwotnego sprzed wykopu. Pod drogą kabel należy układać w rurach osłonowych SRS ∅150. Przepusty kablowe należy uszczelnić, by zapobiec przedostawaniu się wody i gazów. Kabel YKYżo 5x10 – zasilania potrzeb własnych zespołu prądotwórczego – należy wyprowadzić z RGK i wprowadzić na zaciski zasilania potrzeb własnych zespołu prądotwórczego. Kabel należy układać wspólnie z kablem zasilania awaryjnego RGK. Rezystancja uziemienia punktu neutralnego uzwojeń generatora zespołu prądotwórczego RB ≤ 5 Ω. Zespół prądotwórczy (pozostaje na majątku i w eksploatacji inwestora) stanowi źródło zasilania awaryjnego, uruchamiane automatycznie w przypadku przerwy w dostawie energii z sieci elektroenergetycznej. Rozdzielnica Klimatyzacji jest objęta zrzutem obciążenia realizowanym automatycznie przez sterownik SZR sieć/zespół prądotwórczy, przez wysterowanie rozłącznika zainstalowanego w RKlim. Po powrocie napięcia w sieci elektroenergetycznej następuje automatyczne załączenie RKlim. na zasilanie energią elektryczną dostarczaną z SEE. RGK jest wyposażona w dwuobwodowy przeciwpożarowy wyłącznik prądu. PWP1 umożliwia wyłączenie urządzenia powszechnego użytku, pozostawiając pod napięciem urządzenia przeciwpożarowe. Natomiast do PWP2 ma dostęp tylko dowódca akcji ratowniczo-gaśniczej. Jego uruchomienie powoduje wyłączenie spod napięcia urządzeń przeciwpożarowych. Magazyn energii projektowanego zasilacza UPS 3x230/400 V o mocy 30 kVA, sprawności η = 0,9 oraz współczynniku zniekształceń W = 0,9, stanowi jedną gałąź szeregowo połączonych akumulatorów typu NPL 100-12 w liczbie 34, przy rozładowaniu do napięcia odcięcia Uk = 1,7 V/ogniwo (przy zasilaniu odbiorników przyłączonych do RNG). Wszystkie projektowane rozdzielnice, instalowane w budynku, należy wykonać w drugiej klasie ochronności. W miejscu wskazanym na rysunku 1. należy zainstalować stację ładowania pojazdów elektrycznych typu Garo LS 4-2x11 kW. Kabel zasilający stację ładowania typu YKYżo 5x10 należy wyprowadzić z RGK. Stacja jest przeznaczona do obsługi samochodów służbowych i umożliwia jednoczesne ładowanie dwóch pojazdów.
Projektowany układ detekcji stężenia wodoru H2, wraz z układem sterowania wentylacją pomieszczenia RGK należy wykonać zgodnie z rysunkami 8a oraz 8b.
Uwaga! W artykule pominięto schematy montażowe projektowanych rozdzielnic.
Obliczenia
Obliczenia mocy zapotrzebowanej czynnej i biernej poszczególnych rozdzielnic przyłączonych do RGK:
– Rozdzielnica Główna Kompleksu (RGK), bez Rozdzielnicy UPS oraz Rozdzielnicy Klimatyzacji:
- Moc czynna zapotrzebowana dla rozdzielnicy R1: 13 kW, przy cosφ = 0,8:
- Moce oraz współczynnik cosφ dla pozostałych rozdzielnic zasilanych z RGK zostały podane w poniższych tabelach (dla RGK ⇒ kZ1 = 0,55):
- Rozdzielnica Klimatyzacji (współczynnik zapotrzebowania kZ2 = 1):
- Rozdzielnica napięcia gwarantowanego, zasilana przez UPS:
Moc zapotrzebowana przez zasilacz UPS:
Dobór baterii akumulatorów do zasilacza UPS 30 kVA oraz ich zabezpieczeń:
Wymagana liczba gałęzi równoległych „x” oraz moc czynna w pojedynczej gałęzi P1g.
Na podstawie tabeli stałomocowego rozładowania, zamieszczonej w DTR producenta (https://www.enerblock.pl/images/design/pdfy/2021-06-11/JDG12-130.pdf, dostęp: 26.12.2024):
Zatem x = 1 → gałąź złożona z 34 baterii typu NPL 100-12, przy dopuszczalnym rozładowaniu do napięcia odcięcia Uk = 1,7 V/ogniwo.
Prądy zwarciowe na podstawach zabezpieczeń baterii akumulatorów:
Rw = 4,5 mΩ – na podstawie DTR akumulatora
Spodziewany prąd obciążenia baterii oraz wymagany prąd znamionowy zabezpieczenia bezpiecznikiem topikowym DC:
Ponieważ obciążenie jest mniejsze od znamionowego obciążenia zasilacza UPS, czas pracy przy zasilaniu bateryjnym będzie większy od 30 min. Pozwala to na przyjęcie zabezpieczenia baterii bezpiecznikami WTNgBat100.
Moc całkowita zapotrzebowana przez RGK:
UWAGA!
Konieczna jest kompensacja mocy biernej dla uzyskania współczynnika zgodnego z wymaganiami Rozporządzenia Ministra Środowiska i Klimatu z dnia 23 marca 2023 roku w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz.U. z 2023 roku poz. 819). Dobór układu kompensacji mocy biernej należy przeprowadzić po uruchomieniu instalacji i wykonaniu pomiarów tygodniowych obciążeń w celu ustalenia rzeczywistych wymagań w tym zakresie.
Dobór mocy zespołu prądotwórczego:
Ponieważ inwestor nie określił szczegółowej charakterystyki obciążenia, określaną moc zespołu prądotwórczego należy traktować jako dobór wstępny, wymagający skorygowania po ustaleniu szczegółowej charakterystyki obciążenia. Ze względu na występowanie odbiorników nieliniowych, przyjęto szacunkową wartość współczynnika zniekształceń W = 0,7.
Dobór kabla zasilania awaryjnego:
Wymagania spełni kabel 4x[Bit 1000 FR – 1x185] o obciążalności długotrwałej:
Sprawdzenie dobranego kabla z warunku spadku napięcia:
Sprawdzenie doboru WLZ oraz zabezpieczeń toru zasilania kompleksu:
1,2 · IB = 1,2 · 322,81 ≈ 387,37 A ≤ In = 400 A
Należy przyjąć zabezpieczenie WTN2gG 400, instalowane w Rnn stacji transformatorowej „Bydgoska”. W złączu kablowo-pomiarowym dla uzyskania wybiórczości zabezpieczeń należy zainstalować zwory liniowe ZL-400. Przyjęty współczynnik 1,2 pozwala skompensować ewentualne niedoszacowanie obliczonej mocy zapotrzebowanej i ma charakter praktyczny (normy nie przewidują tego współczynnika).
Wymagana dopuszczalna długotrwała obciążalność prądowa, z uwzględnieniem przeciążalności, wynosi:
Zgodnie z normą PN-HD 60364-5-52:2011 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-52: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Oprzewodowanie, po uwzględnieniu krajowych warunków rezystywności cieplnej gruntu, obciążalności czwartej żyły oraz sposobu ułożenia D1 kabla w ziemi, warunki spełni kabel 2xYAKXS 4x240:
IZ = 1,18 · 0,91 · 2 ·253 · 0,85 = 461,84 A > 441,38 A
Sprawdzenie dobranego kabla z warunku na spadek napięcia:
Zgodnie z wytycznymi biur projektowych, warunek spełniony.
Uwaga!
Złącze kablowo-pomiarowe zostanie wykonane w drugiej klasie ochronności. Minimalny promień gięcia 12 · ∅ = 12 · 55,5 = 666 mm, czyli w zaokrągleniu R = 70 cm.
Sprawdzenie doboru kabla WLZ (kabel został dobrany w artykule opublikowanym w „elektro.info” numer 10/2024):
Zgodnie z normą PN-HD 60364-5-52:2011 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-52: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Oprzewodowanie, po uwzględnieniu krajowych warunków rezystywności cieplnej gruntu, przy sposobie ułożenia D1 kabla w ziemi, warunki spełni kabel 4x[2xBiT1000FR-150] wykonany w 5. klasie giętkości, przystosowany do układania w ziemi.
Sprawdzenie dobranego kabla z warunku na spadek napięcia:
Warunek spełniony.
Uwaga!
RGB zostanie wykonana w drugiej klasie ochronności. Minimalny promień gięcia 15 · ∅ = 15 · 23 = 345 mm, czyli w zaokrągleniu R = 35 cm.
Spodziewane prądy zwarciowe dla zwarć symetrycznych w RGK – wymagania dla doboru odporności zwarciowej aparatów instalowanych w RGK:
Parametry zwarciowe transformatora o mocy 630 kVA, na podstawie tabeli 10.31 zamieszczonej w publikacji J. Wiatr, pt. „Dobór przewodów i kabli niskiego napięcia”, Grupa Medium Sp. z o.o. Sp.K., Warszawa 2024:
Należy przyjąć aparaty elektryczne o wytrzymałości zwarciowej ICS ≥ 6 kA oraz bezpieczniki topikowe Icn > 6 kA przy cosφ ≤ 0,85.
Wymagany przekrój kabla ze względu na prądy zwarciowe:
- dla kabla zasilającego kompleks: (2xYAKXS 4x240):
- dla WLZ: 4x[2(BiT1000FR-150)]:
Uwaga!
Przy spodziewanej wartości początkowego prądu zwarcia I"k = 6 kA, zgodnie z charakterystyką io = F(I"k) bezpiecznika topikowego WTN2gG400, nie nastąpi ograniczenie prądu udarowego ip. Dla doboru wymaganej odporności zwarciowej aparatów instalowanych w RGB należy przyjąć wartość prądu wyznaczoną na podstawie obliczeń ip = 10,23 kA. Przy spodziewanej wartości prądu I"k = 10,23 kA, czas trwania zwarcia, gwarantujący spełnienie warunku samoczynnego wyłączenia, nie przekroczy 0,1 s. Do wyznaczenia wymaganego przekroju głównej szyny RGB wykonanej z Cu oraz wymaganego krótkotrwałego prądu cieplnego (1-sekundowego) IthT1 przekładników prądowych, zostanie przyjęta katalogowa całka Joule’a I2tw bezpiecznika WTN2gG400.
Przekładniki prądowe instalowane w RGB: 300/5 A/A; kl. 02; S = 5 VA
Znamionowy krótkotrwały prąd cieplny (1-sekundowy):
IthT1 ≥ 1,3 kA
Znamionowy prąd dynamiczny:
Idyn ≥ Ip = 10,23 kA
Wymagania dla aparatów instalowanych w RGB:
Ponieważ w RGB: Tk < 0,1 s:
Uwaga!
Icw/Tn – krótkotrwały prąd zwarciowy wytrzymywany w czasie Tn , zwany prądem n-sekundowym, w którym badana jest odporność zwarciowa przez producenta, w [kA],
Tk – spodziewany czas trwania zwarcia, w [s],
Ith – prąd zwarciowy zastępczy cieplny, w [kA],
k – jednosekundowa odporność zwarciowa, w [A/mm2],
I2tw – katalogowa całka Joule’a, w [A2⋅s],
l – długość obwodu, w [m],
I"k – początkowy prąd zwarciowy, w [kA],
T – elektromagnetyczna stała obwodu zwarciowego, w [s],
cos φz – spodziewany współczynnik mocy narzucony przez zasilane odbiorniki, w [-],
cos φk – współczynnik mocy obwodu zwarciowego, zasilania RGB, w [-],
Rlk – rezystancja linii kablowej, w [Ω],
Xlk – reaktancja linii kablowej, w [Ω].
Dobór przewodów zasilających poszczególne rozdzielnice przyłączonego RGK:
- Rozdzielnica klimatyzacji:
Zgodnie z normą PN-HD 60364-5-52:2011 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-52: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Oprzewodowanie, po uwzględnieniu krajowych warunków temperatury otoczenia oraz obciążenia czwartej żyły, przy sposobie ułożenia B2, warunki spełni kabel: YKLY 5x150, o dopuszczalnej długotrwałej obciążalności prądowej wynoszącej:
Iz = 1,06 ⋅ 0,91 ⋅ 240 = 230,5 A > 220,69 A
Uwaga! Pozostałe przewody zasilające projektowane rozdzielnice, zasilane z RGK, oraz ich zabezpieczenia zostały określone na rysunkach.
Sprawdzenie ochrony przeciwporażeniowej przez samoczynne wyłączenie dla zasilacza UPS:
- Zasilanie z sieci elektroenergetycznej:
- Zasilanie z generatora zespołu prądotwórczego:
Warunek samoczynnego wyłączenia zostanie zachowany przy zasilaniu z SEE oraz ZP.
Sprawdzenie skuteczności ochrony przeciwporażeniowej w układzie zasilania potrzeb własnych zespołu prądotwórczego:
Uwaga! Dla Cu o przekrojach do 50 mm2 oraz Al o przekrojach do 70 mm2 można pominąć reaktancję – ze względu na to, że jest czterokrotnie mniejsza od rezystancji.
Warunek samoczynnego wyłączenia jest zachowany.
Dobór kabla do zasilania stacji ładowania samochodów elektrycznych:
- Zasilanie z SEE:
Sprawdzanie dobranego kabla z warunku spadku napięcia:
Sprawdzenie samoczynnego wyłączenia:
Warunek zostanie spełniony.
- Zasilanie z ZP:
Warunek zostanie spełniony.
Uwagi końcowe
- Ochrona przeciwporażeniowa wszystkich rozdzielnic instalowanych w budynku, przy uszkodzeniu – II klasa ochronności.
- Rozdział PEN na PE oraz N w RGB, zgodnie z rysunkiem 3.
- Rezystancja uziemienia zacisku PEN w RGB: RA ≤ 30 Ω.
- Rezystancja uziemienia punktu neutralnego generatora zespołu prądotwórczego RB ≤ 5 Ω.
- Po uruchomieniu instalacji budynku należy wykonać pomiary na potrzeby przyjęcia układu kompensacji mocy biernej, który pozwoli na utrzymanie wartości współczynnika mocy określonej w warunkach technicznych zasilania, wydanych przez OSD.
- Przed wykonaniem instalacji zespołu prądotwórczego należy uzgodnić instrukcję współpracy zespołu prądotwórczego z siecią elektroenergetyczną, wraz z układem współpracy zespołu z siecią elektroenergetyczną i Operatorem Sieci Dystrybucyjnej (przykładowa instrukcja współpracy ZP z SEE została opublikowana w numerze 11/2024 „elektro.info”).
- Montaż oraz uruchomienie stacji ładowania samochodów elektrycznych realizuje serwis dostawcy.
- Po wykonaniu projektowanych elementów należy przeprowadzić badania odbiorcze, zgodnie z wymaganiami normy PN-HD 60364-6:2016-07 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 6: Sprawdzanie.
- Po uruchomieniu stacji ładowania samochodów elektrycznych, przed oddaniem do eksploatacji, należy zgłosić stację do odbioru w Urzędzie Dozoru Technicznego.
Pobierz rysunki:
