EN
Inżynier elektryk w zakładzie przetwórstwa spożywczego stwierdził, że pojedyncze zadziałanie zabezpieczenia nadprądowego na wyzwalaczu zabezpieczającym doprowadzającym spowodowało łańcuchowe wyłączenie całej linii pakującej poprzez zabezpieczenia wyższego rzędu — nie z powodu katastrofalnego uszkodzenia, lecz dlatego, że podczas pierwotnego projektowania niskonapięciowego systemu dystrybucji pominięto analizę koordynacji zabezpieczeń. Strata produkcji wynikająca z czterogodzinnego postoju przekroczyła koszt prawidłowej analizy koordynacji zabezpieczeń dwadzieścia razy. Projektowanie niskonapięciowego systemu dystrybucji może być niewidoczne dla użytkowników budynku lub menedżerów produkcji, ale gdy zawiedzie, jego skutki przenoszą się na każdy system zależny od zasilania elektrycznego.
Podstawowe zasady projektowania
Obliczanie obciążenia i współczynniki różnorodności
Każdy projekt rozdziału niskiego napięcia zaczyna się od dokładnego harmonogramu obciążeń — udokumentowanej listy wszystkich obwodów, ich obciążeń przyłączonych wyrażonych w kilowatach lub kilowoltamperach oraz przewidywanych charakterystyk pracy. Obciążenia trójfazowe, takie jak silniki, sprężarki systemów klimatyzacji i wentylacji oraz przemysłowe elementy grzejne, są równomiernie rozdzielane między fazy, aby zminimalizować prąd w przewodzie neutralnym oraz nierównowagę napięć. Obciążenia jednofazowe — obwody oświetleniowe, gniazda ogólnego przeznaczenia, wyposażenie biurowe — są rozdzielane między trzy fazy z docelową nierównowagą mniejszą niż 15 procent pomiędzy najbardziej a najmniej obciążoną fazą. Współczynniki zróżnicowania uwzględniają fakt, że nie wszystkie obciążenia przyłączone działają jednocześnie z pełną mocą znamionową. Współczynnik zróżnicowania obciążeń oświetleniowych w budynku komercyjnym może wynosić 0,9, podczas gdy dla obwodów gniazd w obszarach biurowych może on wynosić od 0,3 do 0,5, co odzwierciedla rzeczywistość, że w danym momencie jedynie część gniazd zasila aktywne urządzenia. Zastosowanie odpowiednich współczynników zróżnicowania zapobiega nadmiernemu wymiarowaniu transformatorów, głównych szyn zbiorczych oraz wyższego stopnia aparatury łączeniowej — nadmiernemu wymiarowaniu, które zwiększa koszty, powiększa wymiary fizyczne urządzeń oraz może faktycznie obniżać sprawność energetyczną, ponieważ transformatory pracują mniej wydajnie przy małych obciążeniach.
Współpraca i selektywność urządzeń ochronnych
Koordynacja selektywna oznacza, że w przypadku wystąpienia uszkodzenia działa wyłącznie urządzenie zabezpieczające bezpośrednio położone nad miejscem uszkodzenia — wyzwalacz obwodu zasilającego uszkodzony obwód wyłącza się, podczas gdy wszystkie wyzwalacze położone wyżej pozostają zamknięte. Osiągnięcie takiej koordynacji wymaga przeprowadzenia analizy koordynacji, w ramach której nanosi się na wykres krzywe charakterystyk czasowo-prądowych wszystkich urządzeń zabezpieczających w hierarchii rozdzielni, od głównego wyzwalacza wejściowego aż do końcowych wyzwalaczy obwodów. W przypadku wyzwalaczy obwodów o obudowie formowanej stosowanych w niskonapięciowych szafach rozdzielczych koordynację osiąga się zwykle poprzez dobór wyzwalaczy o różnych ustawieniach prądu chwilowego lub wprowadzanie opóźnień czasowych w urządzeniach położonych wyżej. W konstrukcjach szaf rozdzielczych wyciąganych, takich jak niskonapięciowe panele typu MNS lub GCS, wyzwalacze mogą być wyposażone w elektroniczne jednostki wyzwalające umożliwiające regulację ustawień zabezpieczenia długoczasowego, krótkoczasowego i chwilowego — taka elastyczność upraszcza koordynację w porównaniu z niezmiennymi jednostkami wyzwalającymi termiczno-magnetycznymi. Zabezpieczenie przed zwarciem do ziemi wymaga szczególnej uwagi przy projektowaniu niskonapięciowych systemów dystrybucji. Zwarcie do ziemi w przewodzie zasilającym o prądzie 400 A może nie generować wystarczająco dużego prądu, aby aktywować zabezpieczenie nadprądowe fazowe, co pozwala na utrzymywanie się tego uszkodzenia bez wykrycia. Specjalizowane przekaźniki zwarcia do ziemi lub wyzwalacze wyposażone w wbudowane zabezpieczenie przed zwarciem do ziemi zapewniają niezbędną czułość do wykrywania i usuwania takich zagrożenio.
Bary i zarządzanie cieplne
Główny system szyn zbiorczych w zestawie rozdzielnic niskiego napięcia przewodzi prąd obciążenia sumarycznego wszystkich podłączonych obwodów. Przekrój poprzeczny szyn jest dobierany na podstawie wartości prądu ciągłego, zdolności wytrzymywania zwarć oraz dopuszczalnego wzrostu temperatury zgodnie z normą IEC 61439 lub odpowiednimi normami równoważnymi. Szyny miedziane są standardem w większości zastosowań; szyny aluminiowe stosuje się tam, gdzie priorytetem są masa i koszt, pod warunkiem zastosowania odpowiednich połączeń bimetalicznych zapobiegających korozji galwanicznej w miejscach przejścia między materiałami. Zarządzanie ciepłem w obudowie rozdzielni ma bezpośredni wpływ na wydajność szyn i wyzwalaczy. Chłodzenie przez naturalną konwekcję za pośrednictwem otworów wentylacyjnych wystarcza w większości instalacji; jednak zestawy montowane w środowiskach o wysokiej temperaturze otoczenia lub pracujące w sposób ciągły w pobliżu swojej nominalnej wartości prądu mogą wymagać chłodzenia wymuszonego. Standardowy limit wzrostu temperatury dla połączeń szyn wynosi 70 kelwinów powyżej temperatury otoczenia dla odsłoniętej miedzi oraz 65 kelwinów dla połączeń cynowanych — przekroczenie tych limitów przyspiesza utlenianie, zwiększa opór kontaktowy i prowadzi do samowzmocniającego się cyklu degradacji.
Często zadawane pytania
Jaka jest różnica między stałą a wyciągalną niskonapięciową aparaturą rozdzielczą?
W stałej aparaturze rozdzielczej wyzwalacze są trwale zamontowane na systemie szyn zbiorczych, co wymaga odłączenia napięcia w celu ich wymiany. W konstrukcjach wyciągalnych wyzwalacze są montowane na wózkach, które można wysunąć w celu konserwacji bez odłączania napięcia od całej tablicy, co skraca czas przestoju podczas wymiany lub testowania wyzwalaczy.
W jaki sposób określa się wartość prądu zwarciowego dla niskonapięciowej tablicy rozdzielczej?
Znamionowa wytrzymałość na zwarcie tablicy musi przekraczać maksymalny możliwy prąd zwarciowy w miejscu jej instalacji. Typowe wartości wahają się od 25 kA do 100 kA przy czasie 1 sekunda i są obliczane na podstawie impedancji transformatora, impedancji kabli od źródła zasilania oraz wkładu silników połączonych obciążeń obrotowych.
Jakie normy stosuje się przy projektowaniu niskonapięciowej aparatury rozdzielczej?
Norma IEC 61439 określa wymagania dotyczące zestawów niskonapięciowych urządzeń sterowniczych i zabezpieczających, obejmując badania typowe oraz weryfikację rutynową. Poszczególne części normy dotyczą tablic rozdzielczych przeznaczonych dla operatorów, urządzeń rozdzielczych zasilania przeznaczonych dla osób wykwalifikowanych oraz systemów szyn zbiorczych. Norma IEC 60947 dotyczy pojedynczych urządzeń przełączających i zabezpieczających.
W jaki sposób zagrożenie wybuchem łuku elektrycznym wpływa na projektowanie niskonapięciowych systemów rozdzielczych?
Badania wybuchu łuku elektrycznego pozwalają obliczyć energię padającą w każdym punkcie systemu rozdzielczego, co stanowi podstawę do doboru środków ochrony indywidualnej oraz wpływa na decyzje projektowe, takie jak zdalne wysuwanie i wsuwanie wyzwalaczy przesuwnych, konstrukcja rozdzielnic odpornych na wybuch łuku elektrycznego oraz selektywne blokady strefowe mające na celu skrócenie czasu gaszenia łuku.
Jaką rolę odgrywają przewody neutralny i uziemiający w projektowaniu systemu?
Przewód neutralny przewodzi prąd powrotny z niezrównoważonego układu trójfazowego i musi być odpowiednio dobrany pod kątem przekroju — w systemach obciążonych znacznymi harmonicznymi pochodzącymi od sprzętu elektronicznego przewód neutralny może przewodzić prąd przekraczający wartość prądu w przewodach fazowych, co wymaga jego zwiększenia przekroju. Przewód ochronny (PE) zapewnia ścieżkę powrotną prądu zwarciowego i musi być dobrany tak, aby wytrzymać przewidywany prąd zwarciowy przez czas niezbędny do działania urządzeń ochronnych.
Jak często należy przeglądać analizy koordynacji ochrony?
Analizy koordynacji ochrony należy przeglądać za każdym razem, gdy dodawane lub usuwane są istotne obciążenia, gdy zmieniają się parametry zasilania od dostawcy energii lub co najwyżej co pięć lat. Zmiany ustawień urządzeń ochronnych po stronie dostawcy energii, starzenie się izolacji kabli w czasie oraz wymiana sprzętu na urządzenia o innych charakterystykach wpływają na ważność pierwotnej analizy koordynacji.