I. Przewody i kable stosowane w instalacjach elektrycznych

I.1 Klasyfikacja i budowa przewodów elektroenergetycznych

Największe zastosowanie w instalacjach w obiektach budowlanych, w tym przemysłowych, znajdują izolowane przewody elektroenergetyczne. Przewody te generalnie można podzielić na przewody do układania na stałe (jednożyłowe, wielożyłowe, wtynkowe, uzbrojone), przewody do odbiorników przenośnych i ruchomych (mieszkaniowe, warsztatowe, przemysłowe itd.) oraz przewody do zastosowań specjalnych (ciepłoodporne, o zwiększonej giętkości itd.), Rys. 1.1. Składają się one z żyły (żył) przewodzącej, izolacji żył oraz ewentualnie z powłoki (niemetalicznej) oraz w przypadku tzw. przewodów uzbrojonych dodatkowo oplotu z drutów stalowych.

Żyły przewodów elektroenergetycznych są wykonywane z aluminium półtwardego lub z miedzi (twardej lub miękkiej). Żyły wykonane z miedzi mają w porównaniu do aluminiowych większość przewodność elektryczną (konduktywność miedzi wynosi ok. 58 m/Ω mm2, podczas gdy aluminium tylko ok. 35 m/Ω mm2), a także dużo większą wytrzymałość mechaniczną (szczególnie na zginanie). Obowiązujące przepisy techniczno-budowlane^[1] nakazują stosowanie przewodów elektrycznych z żyłami wykonanymi wyłącznie z miedzi, jeżeli ich przekrój nie przekracza 10 mm2. Przy większych przekrojach można stosować przewody z żyłami aluminiowymi, ale przemawiają za tym w zasadzie tylko względy oszczędnościowe z uwagi na ich niższy koszt w porównaniu do przewodów z żyłami miedzianymi.

Produkowane są przewody o następujących przekrojach znamionowych żył: 0,5; 0,75; 1,5; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 35; 50; 70; 95; 120; 150; 185; 240; 300; 400 mm2 – przy czym zakres produkowanych przekrojów zależy od typu przewodów i wymaga sprawdzenia w katalogach producenta (patrz np. [3.8], [3.9]).

Żyły przewodów są produkowane w postaci pojedynczego drutu o przekroju okrągłym (przewody o żyłach jednodrutowych), a także linki w wykonaniu giętkim. Żyły w postaci drutu wykonywane są tylko do przekroju 10 mm2 włącznie. Przy większych przekrojach produkuje się już wyłącznie linki (żyły wielodrutowe), bo takie wykonanie zapewnia możliwość układania (zginania) bez niebezpieczeństwa uszkodzenia (złamania) żyły.

Przewody elektroenergetyczne są produkowane jako jednożyłowe lub wielożyłowe (2-, 3-, 4-, 5- żyłowe) oraz w specyficznych przypadkach z ilością żył powyżej 5, nawet do 36 włącznie.

Izolację żył przewodów elektroenergetycznych wykonuje się głównie z polwinitu, rzadziej z polietylenu, polietylenu usieciowanego, gumy lub elastomerów termoplastycznych.

1.2 Klasyfikacja i budowa kabli elektroenergetycznych

W tradycyjnej terminologii elektrotechnicznej i praktyce przyjętej w Polsce występuje wyraźne rozróżnienie między przewodami, a kablami elektroenergetycznymi. Kablami nazywa się wyroby przemysłowe składające się z jednej lub większej liczby żył izolowanych, zaopatrzonych w szczelną powłokę zewnętrzną chroniącą izolacje żył przed wodą i innymi wpływami zewnętrznymi. Kable są tym samym jedynymi przewodami elektroenergetycznymi, które mogą by układane w ziemi, choć można je także układać w powietrzu, na zewnątrz i wewnątrz pomieszczeń, w kanałach kablowych, na konstrukcjach wsporczych, korytkach kablowych itd.

Ze względu na przeznaczenie kable elektroenergetyczne podzielić można na:

• kable ogólnego przeznaczania,
• kable do zastosowań specjalnych (np. kable nierozprzestrzeniające płomienia, kable odporne na działanie ognia, górnicze).

Ze względu natomiast na wartość napięcia znamionowego izolacji na:

• kable niskiego napięcia (napięcie znamionowe izolacji 0,6/1 kV),
• kable średniego napięcia (napięcie powyżej 0,6/1 kV do 18/30 kV),
• kable wysokiego napięcia – 110 kV.

Do zastosowań w układach automatyki i sterowania oraz telekomunikacji produkowane są specjalnie kable sygnalizacyjne (sterownicze) oraz kable telekomunikacyjne.

Żyły kabli wykonywane są z aluminium lub miedzi i mogą mieć przekrój okrągły lub sektorowy (kształtu wycinku koła) umożliwiający lepsze wykorzystanie miejsca i zmniejszenie średnicy kabla. Żyły mogą mieć budowę jednodrutową lub wielodrutową. Kable z żyłami wielodrutowymi są z uwagi na ich większą elastyczność łatwiejsze w montażu i bardziej niezawodne w eksploatacji od kabli z żyłami jednodrutowymi. Kształt i budowa żył kabla określana jest w tradycyjnym krajowym systemie oznaczeń kabli za pomocą odpowiedniego oznaczenia podawanego w symbolu kabla po liczbie i przekroju żył. Oznaczenia te są następujące:

RE – żyła okrągła jednodrutowa,
RM – żyła okrągła wielodrutowa,
RMC – żyła okrągła wielodrutowa zagęszczona,
SE – żyła sektorowa jednodrutowa,
SM – żyła sektorowa wielodrutowa.

Znamionowe przekroje żył kabli wynoszą: 1; 1,5; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 35; 50; 70; 95; 120; 150; 185; 240; 300; 500; 630; 1000 mm2.

Produkowane są kable elektroenergetyczne jednożyłowe oraz wielożyłowe (3-, 4- i 5-żyłowe), przy czym najczęstsze zastosowanie znajdują kable 4- i 5-żyłowe. W kablach 4-żyłowych niskiego napięcia o przekrojach większych od 10 mm2 żyła neutralna może mieć w celu obniżenia średnicy i kosztu kabla zmniejszony przekrój w stosunku do pozostałych żył (fazowych).

Kable średniego napięcia 1- i 3-żyłowe konstruuje się z żyłą powrotną miedzianą nałożoną na izolację rdzeniową polwinitową.

Izolacja żył kabli produkowanych współcześnie jest wykonywana najczęściej z polwinitu, polietylenu usieciowanego lub gumy etylenowo – propylenowej. Materiały te w dużym stopniu zastąpiły powszechnie kiedyś stosowaną izolację papierową przesyconą syciwem. Kable z izolacją wykonaną z tworzyw sztucznych są tańsze i prostsze w produkcji oraz łatwiejszy i szybszy jest ich montaż. Produkowane są także kable o izolacji z materiałów bezhalogenowych, nierozprzestrzeniających płomienia i niewydzielających w czasie pożaru szkodliwych gazów i dymów, stosowane w pomieszczeniach zagrożonych pożarem.

1.3 Sposoby oznaczenia przewodów i kabli

W Polsce stosowane są obecnie dwa oddzielne systemy oznaczeń przewodów i kabli: tradycyjny krajowy oraz międzynarodowy, opracowany przez CENELEC (Europejską Komisję Normalizacyjną ds. Elektrotechniki) i powszechnie stosowany w Unii Europejskiej.

W tradycyjnym krajowym systemie oznaczeń kable i przewody oznaczane są symbolami literowymi zwierającymi kolejno informację o składzie materiałowym: powłok, żył, izolacji,  konstrukcji żył oraz ewentualnie przeznaczenia przewodu, pancerzy, osłon i innych cech charakterystycznych. Za symbolami literowymi podaje się napięcie znamionowe kabli i przewodów oraz liczbę żył i ich przekrój.

Przykłady oznaczeń przewodów elektroenergetycznych:

LY-żo 450/750 V 5×1,5 – przewód 5-żyłowy o przekroju 1,5 mm2 o żyłach miedzianych, wielodrutowych (L) w izolacji z polwinitu (Y), z izolacją żyły ochronnej w kolorze zielono-żółtym (żo), napięcie znamionowe 450/750 V.

YDYp 300/500 V 3×10 – przewód płaski trójżyłowy o przekroju 10 mm2, z żyłami wykonanymi z drutu miedzianego (D), z powłoką polwinitową (Y na początku), w izolacji polwinitowej (Y), płaski (p), napięcie znamionowe 300/500 V.

Przykłady oznaczeń kabli elektroenergetycznych:

YAKY-żo 0,6/1 kV 4×25 SE – kabel (K) elektroenergetyczny aluminiowy (A) o izolacji polwinitowej (Y) i powłoce polwinitowej (Y) żyłą ochronną żółto-zieloną (żo), na napięcie 0,6/1 kV, 4 żyłowy o przekroju 25 mm2, żyły sektorowe jednodrutowe (SE).

YKYFtly-żo 0,6/1 kV 2×16 RE – kabel (K) elektroenergetyczny miedziany o izolacji polwinitowej (Y) i powłoce polwinitowej (Y) opancerzony taśmami stalowymi lakierowanymi z wytłoczoną na pancerz polwinitową osłoną ochronną (y), z żyłą ochronną zielono-żółtą (żo), na napięcie 0,6/1 kV, 2-żyłowy o przekroju 16 mm2, żyły okrągłe jednodrutowe (RE).

2. Dobór przewodów i kabli elektroenergetycznych

Dobór przekroju przewodów można więc podzielić na następujące etapy:

1. dobór przekroju przewodów ze względu na obciążalność prądową długotrwałą,
2. sprawdzenie dobranego przekroju pod kątem wytrzymałości mechanicznej,
3. sprawdzenie, czy spadki napięcia w dobranym przewodzie nie przekraczają wartości dopuszczalnych.

2.1 Dobór przekroju przewodów ze względu na obciążalność prądowa długotrwałą

Dobór przekroju przewodów ze względu na obciążalność prądową długotrwałą polega na doborze najmniejszych przekrojów żył przewodu, dla których obciążalność długotrwała [latex]{{I}_{\text{Z}}}[/latex] jest większa od prądu obciążenia [latex]{{I}_{\text{B}}}[/latex] dobieranego obwodu zgodnie z zależnością:

W przypadku doboru przewodu odbiorczego jako prąd obciążenia przyjmuje się wartość prądu znamionowego odbiornika [latex]{{I}_{\text{n}}}[/latex].

Wartości prądów obciążalności długotrwałych odczytuje się z tabel zamieszczonych w normie PN-IEC 60364-5-523:2001 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Obciążalność długotrwała przewodów z uwzględnieniem:

• sposobu wykonania instalacji,
• rodzaju izolacji przewodu,
• liczby obciążonych żył,
• materiału żył przewodu,
• ilości obwodów w wiązce i temperatury otoczenia.

2.2 Sprawdzenie dobranego przekroju ze względu na wytrzymałość mechaniczną

Dobrany przewód powinien mieć odpowiednią wytrzymałość mechaniczną, zgodnie z zależnością:

gdzie: [latex]{{S}_{{\text{mech}}}}[/latex] – minimalny przekrój przewodu dopuszczalny ze względu na wytrzymałość mechaniczną (Tabela 2.1).

2.3 Wyznaczanie przekroju przewodów ze względu na dopuszczalny spadek napięcia

Zasilanie odbiorników energii elektrycznej napięciem o odpowiedniej wartości jest istotne ze względu na ich poprawną pracę. Dlatego też spadek napięcia na przewodzie zasilającym nie może być większy od wartości dopuszczalnych dla określonych grup odbiorników:

gdzie:

[latex]\Delta {{U}_{\%}}[/latex] – procentowy spadek napięcia na danym odcinku instalacji (przewodu zasilającego),

[latex]\Delta {{U}_{{\text{dop}}}}[/latex] – dopuszczalny spadek napięcia.

Wartości dopuszczalnych spadków napięcia w instalacjach przemysłowych zależą od rodzaju odbiornika i sposobu zasilania. W rozwiązaniach praktycznych korzystać można z wartości podanych na Rys. 2.2. Zaznaczono na nim wartości dopuszczalnych spadków napięcia z podziałem na sieć rozdzielczą i odbiorczą.

Procentowy spadek napięcia na danym odcinku instalacji wyznacza się z odpowiednich zależności:Rys. 2.2 Wartości dopuszczalnych spadków napięcia w sieciach zakładów przemysłowych zasilanych z własnych stacji transformatorowych z uwzględnieniem sposobu zasilania odbiorników siłowych i oświetleniowych; SO – stacja oddziałowa, RO – rozdzielnica oddziałowa.

• dla obwodu jednofazowego

• dla obwodu trójfazowego

gdzie:

[latex]\Delta {{U}_{\%}}[/latex] – procentowy spadek napięcia na danym odcinku instalacji (przewodu zasilającego)

[latex]\Delta {{U}_{{\text{nf}}}}[/latex] – napięcie znamionowe fazowe, V.

[latex]\Delta {{U}_{\text{n}}}[/latex] – napięcie znamionowe międzyfazowe, V.

[latex]{{I}_{\text{B}}}[/latex] – prąd obciążenia danego obwodu, A.

[latex]\cos \varphi[/latex] – współczynnik mocy odbiornika,

[latex]R[/latex] – rezystancja przewodu zasilającego wyznaczona ze wzoru (2.6), [latex]\Omega[/latex],

[latex]X[/latex] – reaktancja przewodu zasilającego wyznaczana ze wzoru (2.7), [latex]\Omega[/latex].

gdzie:

[latex]\displaystyle l[/latex] – długość rozpatrywanego odcinka instalacji, [m].

[latex]\displaystyle \gamma[/latex] – konduktywność materiału żyły przewodu, [latex]\displaystyle \frac{\text{m}}{{\Omega \cdot \text{m}{{\text{m}}^{2}}}}[/latex], odpowiednio dla miedzi [latex]\displaystyle {{\gamma }_{{\text{Cu}}}}=56\frac{\text{m}}{{\Omega \cdot \text{m}{{\text{m}}^{2}}}}[/latex], dla aluminium [latex]\displaystyle {{\gamma }_{{\text{Al}}}}=33\frac{\text{m}}{{\Omega \cdot \text{m}{{\text{m}}^{2}}}}[/latex],

[latex]\displaystyle S[/latex] – przekrój znamionowy przewodu, [latex]\displaystyle \text{m}{{\text{m}}^{2}}[/latex],

[latex]\displaystyle {x}'[/latex] – reaktancja jednostkowa przewodu wg Tabela 2.2, [latex]\displaystyle \frac{{\text{m}\Omega }}{\text{m}}[/latex].

Tabela 2.2 Wartości reaktancji jednostkowych przewodów i kabli w instalacjach niskiego napięcia

Podczas rozruchu silników w instalacjach przemysłowych dopuszcza się większe wartości dopuszczalnych spadków napięcia, ale nie powinny one przekraczać na całym odcinku sieci rozdzielczej i odbiorczej (czyli od zacisków transformatora do zacisków przyłączeniowych silnika) wartości 10% dla rozruchów ciężkich i częstych, 15% przy rozruchach ciężkich i rzadkich oraz 35% przy rozruchu lekkim. Obniżenie napięcia do podanych wartości nie powinno także powodować zakłóceń w rozruchu silnika i prawidłowej pracy innych urządzeń, np. oświetlenia.

Wartość spadku napięcia w obwodzie zasilającym silnik indukcyjny trójfazowy w czasie jego rozruchu wyliczyć można z zależności:

gdzie:

[latex]\Delta {{U}_{\text{n}}}[/latex] – napięcie znamionowe międzyfazowe, V.

[latex]{{I}_{\text{r}}}_{{\max }}[/latex] – prąd rozruchowy silnika, A.

[latex]\cos \varphi[/latex] – współczynnik mocy silnika,

[latex]R[/latex] – rezystancja przewodu zasilającego silnik, [latex]\Omega[/latex].

[latex]X[/latex] – reaktancja przewodu zasilającego silnik, [latex]\Omega[/latex].

Jeżeli rozpatrywany odcinek instalacji elektrycznej wykonany ma być kablami lub przewodami jedno- i wielożyłowymi ułożonymi w rurkach, a przekroje żył nie przekraczają 50 mm2 dla miedzi i 70 mm2 dla aluminium, to rezystancje przewodów są ponad czterokrotnie większe od ich reaktancji; wtedy po pominięciu reaktancji i przy uwzględnieniu zależności na prąd obciążenia [latex]{{I}_{\text{B}}}[/latex], wartości spadków napięcia można obliczyć z uproszczonych zależności:

• dla obwodu jednofazowego

• dla obwodu trójfazowego

gdzie: [latex]P[/latex] – moc czynna przesyłana rozpatrywanym odcinkiem instalacji, W.

W zakładach przemysłowych sieci rozdzielcze i odbiorcze niskiego napięcia bardzo często wykonywane są jako promieniowe jedno- i wielostopniowe, obciążone w wielu węzłach. Obliczanie spadku napięcia w takiej sieci między określonymi punktami sieci (rozdzielnicami oddziałowymi) wymaga zsumowania spadków napięcia na poszczególnych odcinkach toru prądowego. Spadek napięcia w linii promieniowej między rozdzielnicami R1 a Rn może więc być wyznaczony z zależności:

Przy obliczaniu spadku napięcia na danym odcinku promieniowego toru prądowego należy uwzględnić wartość mocy przenoszonej rozpatrywanym odcinkiem oraz długość tego odcinka.

3. Zabezpieczenia elementów i urządzeń instalacji elektrycznych

3.1 Zabezpieczenia przewodów

Zabezpieczenie przed prądem przeciążeniowym. Urządzenia zabezpieczające przeciążeniowe mają za zadanie przerywać przepływ prądu przeciążeniowego o danej wartości, zanim wystąpi niebezpieczeństwo uszkodzenia izolacji, połączeń zacisków oraz otoczenia na skutek nadmiernego wzrostu temperatury.

Charakterystyka działania urządzenia zabezpieczającego przewody od przeciążenia powinna spełniać warunki określone wzorami:

[latex]{{I}_{\text{B}}}\le {{I}_{\text{n}}}\le {{I}_{\text{z}}}[/latex]                 (3.1)

[latex]{{I}_{2}}\le 1,45{{I}_{\text{z}}}[/latex]  (3.2)

[latex]{{I}_{z}}\ge \frac{{{{k}_{2}}{{I}_{\text{F}}}}}{{1,45}}[/latex]                                                                               (3.3)

[latex]{{I}_{2}}={{k}_{2}}{{I}_{\text{F}}}[/latex]                                                                               (3.4)

gdzie: [latex]{{I}_{\text{B}}}[/latex] – prąd obliczeniowy (obciążenia) w obwodzie elektrycznym,

[latex]{{I}_{\text{z}}}[/latex] – obciążalność prądowa długotrwała przewodu,

[latex]{{I}_{\text{n}}}[/latex] – prąd znamionowy urządzenia zabezpieczającego (w urządzeniach zabezpieczających mających możliwość regulowania wartości prądu, prąd [latex]{{I}_{\text{n}}}[/latex] jest prądem nastawionym),

[latex]{{I}_{2}}[/latex] – prąd zadziałania urządzenia zabezpieczającego; w praktyce przyjmowany jako wartość prądu powodującego działanie wyłączników lub bezpieczników w określonym czasie, podawany przez producentów w danych katalogowych.

Dla określonego typu bezpieczników, stosowanych w danym rozwiązaniu, współczynniki te należy przyjmować zgodnie z danymi katalogowymi.

Dla wyzwalaczy termobimetalowych, stosowanych w przypadkach konieczności zabezpieczenia odbiornika od przeciążenia, np. w obwodach silników, współczynnik zadziałania dla temperatury otoczenia 20°C nagrzanego wyzwalacza wynosi [latex]{{k}_{2}}=1,2[/latex].

Zabezpieczenie przewodów połączonych równolegle. Przewody takie mogą mieć jedno zabezpieczenie przeciążeniowe. Jako wartość [latex]{{I}_{\text{z}}}[/latex] przyjmuje się wtedy sumę prądów obciążalności tych przewodów. Skuteczna ochrona przed przeciążeniem jest jednak zapewniona tylko w przypadku, gdy równolegle połączone przewody są jednakowo (proporcjonalnie do ich obciążalności długotrwałej) obciążone.

Zabezpieczenia przed prądem zwarciowym. Urządzenie zabezpieczające powinno być tak dobrane aby przerywało przepływ prądu zwarciowego w obwodzie elektrycznym zanim wystąpi niebezpieczeństwo uszkodzeń cieplnych w przewodach i połączeniach. Prądy zwarciowe należy określać metodą obliczeniową lub za pomocą pomiarów.

Urządzenie zabezpieczające przed prądem zwarciowym powinno spełniać podane niżej wymagania:

1. Muszą mieć zdolność przerywania prądu zwarciowego o wartości nie mniejszej od wartości spodziewanego początkowego prądu zwarciowego mogącego występować w miejscu zainstalowania danego urządzenia zabezpieczającego – wzór (3.5).

[latex]{{I}_{\text{w}}}\ge {{{I}''}_{\text{k}}}[/latex]      (3.5)

gdzie: [latex]{{I}_{\text{w}}}[/latex] – zdolność wyłączalna urządzenia,

[latex]{{{I}''}_{\text{k}}}[/latex] – spodziewany początkowy prąd zwarciowy.

Dopuszcza się, aby ta zdolność była mniejsza wtedy, gdy:

• – od strony zasilania jest inne urządzenie zabezpieczające o wystarczającej zdolności przerywania prądu zwarciowego,
• – przewody i urządzenia znajdujące się za tym zabezpieczeniem wytrzymują przepływ spodziewanego prądu zwarciowego bez uszkodzeń (energia przenoszona przez urządzenia zabezpieczające musi by mniejsza od energii jaką mogą wytrzymać przewody i urządzenia).

2. Czas przerywania przepływu prądu zwarciowego o danej wartości w dowolnym miejscu obwodu zwarciowego powinien być taki, aby temperatura przewodu nie przekraczała wartości temperatury granicznej dopuszczalnej przy zwarciu. Dla prądów zwarciowych trwających nie dłużej niż 5 s, czas potrzebny na podwyższenie temperatury przewodu od temperatury dopuszczalnej długotrwale (jaką ma przewód obciążony znamionowym prądem w chwili wystąpienia zwarcia) do granicznej dopuszczalnej przy zwarciu można w przybliżeniu obliczyć ze wzoru:

[latex]\displaystyle t=\frac{{{{{\left( {ks} \right)}}^{2}}}}{{{{I}^{2}}}}[/latex]                                                                               (3.6)

gdzie: [latex]\displaystyle t[/latex] – graniczny czas trwania zwarcia [s],

[latex]\displaystyle s[/latex] – przekrój przewodu [mm2],

[latex]\displaystyle I[/latex] – początkowy prąd zwarciowy (w normie zastosowano oznaczenie [latex]\displaystyle I[/latex], a nie [latex]{{{I}''}_{\text{k}}}[/latex]),

[latex]k[/latex] – współczynnik charakterystyczny dla danego typu przewodu – wg Tabeli. 3.1.

Tabela 3.1 Wartości charakterystyczne współczynników [latex]k[/latex] do wzoru (3.6)

Gdy dopuszczalny czas trwania zwarcia, obliczony z wzoru (3.6), jest mniejszy od 0,1 s znaczącą rolę w nagrzewaniu przewodu odgrywa składowa nieokresowa prądu. Wtedy wymaga się, aby był spełniony warunek:

[latex]{{\left( {ks} \right)}^{2}}\ge {{I}^{2}}t[/latex]                                           (3.7)

Spełnienie warunku (3.7) oznacza, że ilość energii cieplnej [latex]{{I}^{2}}t[/latex] (zwanej całką Joule`a), jaką przenosi urządzenie zabezpieczające do chwili jego zadziałania, jest mniejsza od ilości energii cieplnej [latex]{{\left( {ks} \right)}^{2}}[/latex] potrzebnej do nagrzania danego typu przewodu do temperatury granicznej dopuszczalnej przy zwarciu. Wartości [latex]{{I}^{2}}t[/latex] dla urządzeń zabezpieczających nadmiarowo-prądowych podawane są przez producentów.

Znamionowy prąd urządzeń zabezpieczających przed zwarciem może być większy od obciążalności długotrwałej przewodów. Dopuszcza się, aby jedno zabezpieczenie zwarciowe chroniło kilka równolegle pracujących przewodów pod warunkiem, że ilość energii cieplnej wytwarzanej przepływem prądy zwarciowego, jaką może przenieść to urządzenie, nie będzie większa od energii cieplnej, jaką bez szkody mogą przenieść zabezpieczane przewody. Aby stwierdzić, czy taki warunek jest spełniony, należy policzyć rozpływ prądu zwarciowego w równolegle połączonych przewodach, a następnie określić sumę iloczynów [latex]{{\left( {{{k}_{\text{i}}}{{s}_{\text{i}}}} \right)}^{2}}[/latex] dla wszystkich przewodów i porównać ją z wartością [latex]{{I}^{2}}t[/latex] urządzenia zabezpieczającego.

3.2 Zabezpieczenia silników

Silniki o napięciu znamionowym do 1000 V należy wyposażać w następujące zabezpieczenia:

• zwarciowe, od skutków zwarć w uzwojeniach i doprowadzeniach,
• przeciążeniowe, od skutków przeciążeń prądowych powodujących przekroczenia dopuszczalnych temperatur,
• zanikowe od szkodliwych skutków powrotu napięcia po znacznym jego obniżeniu lub zaniku.

Zabezpieczenie zwarciowe. Każdy silnik powinien mieć zabezpieczenie zwarciowe oddzielne lub wspólne dla grupy silników. W przypadku zabezpieczenia wspólnego powinno ono być tak dobrane, aby zwarcie w dowolnym zabezpieczanym silniku powodowało zadziałanie zabezpieczenia. W układach trójfazowych należy stosować zabezpieczenia zwarciowe w trzech fazach.

Stosują jako zabezpieczenie zwarciowe wyłącznik z przekaźnikiem przeciążeniowo-zwarciowym, należy pamiętać, że wyłącznik musi mieć zdolność wyłączania prądu zwarciowego. Jeżeli wyłącznik takiej zdolności nie ma, to należy dodatkowo zastosować bezpieczniki, które je mają.

Prąd znamionowy zabezpieczenia należy tak dobierać, aby był możliwie najbliższy prądowi znamionowemu silnika, a jednocześnie na tyle duży, aby zabezpieczenie nie reagowało w czasie jego rozruchu.

Dla wyzwalaczy elektromagnesowych, działających bezzwłocznie, prąd nastawczy powinien spełniać warunek:

[latex]{{I}_{{\text{we}}}}\ge 1,2{{I}_{\text{r}}}_{{\max }}[/latex]                                                                   (3.8)

gdzie: [latex]{{I}_{{\text{we}}}}[/latex] – prąd nastawczy wyzwalacza lub przekaźnika elektromagnesowego,

[latex]{{I}_{\text{r}}}_{{\max }}[/latex] – maksymalna wartość skuteczna prądu rozruchowego zabezpieczanego silnika.

W przypadku zabezpieczenia bezpiecznikiem, jego prąd znamionowy [latex]{{I}_{\text{F}}}[/latex] powinien spełniać warunki:

[latex]{{I}_{\text{F}}}\ge \frac{{{{I}_{\text{r}}}_{{\max }}}}{\alpha }[/latex]                                  (3.9)

[latex]{{I}_{\text{F}}}\ge {{I}_{\text{n}}}[/latex]              (3.10)

gdzie: [latex]{{I}_{\text{r}}}_{{\max }}[/latex] – jak we wzorze (3.8),

[latex]\alpha[/latex] – współczynnik wyznaczony doświadczalnie zależny od rodzaju rozruchu, częstotliwości rozruchu silnika i typu wkładki topikowej bezpiecznika.

Spełnienie warunku (3.9) nie powoduje działania zabezpieczenia w czasie rozruchu, a (3.10) w czasie normalnej pracy silnika.

W Tabeli 3.2 podano wartości współczynnika [latex]\alpha[/latex] dla silników asynchronicznych zwartych.

Tabela 3.2 Wartości współczynnika [latex]\alpha[/latex] występującego we wzorze (3.9)

W przypadku zabezpieczenia topikowego dobieranego dla grupy silników, uruchamianych pojedynczo po zaniku napięcia, prąd znamionowy [latex]{{I}_{\text{F}}}[/latex] wkładki bezpiecznika powinien spełniać warunki:

[latex]\displaystyle {{I}_{\text{F}}}\ge \frac{{\left( {{{I}_{\text{B}}}-{{I}_{\text{n}}}_{{\max }}} \right)+{{I}_{\text{r}}}_{{\max }}}}{\alpha }[/latex]                          (3.11)

[latex]\displaystyle {{I}_{F}}\ge {{I}_{B}}[/latex]                                    (3.12)

gdzie: [latex]\displaystyle {{I}_{\text{B}}}[/latex] – prąd obciążenia grupy silników,

[latex]\displaystyle {{I}_{\text{B}}}_{{\max }}[/latex] – prąd znamionowy silnika, z zabezpieczanej grupy, mający największy prąd rozruchowy [latex]\displaystyle {{I}_{\text{r}}}_{{\max }}[/latex].

Spełnienie warunku (3.11) nie powoduje działania zabezpieczenia w czasie ponownego uruchamiania silników po uprzednim zaniku napięcia. Taki przypadek występuje, gdy jako łączniki w polach silników stosowane są styczniki, których cewka sterująca spełnia rolę zabezpieczenia podnapięciowego.

Zabezpieczenie przeciążeniowe. Silnik powinien mieć zabezpieczenie przeciążeniowe. Zabezpieczenia takiego można nie stosować w następujących przypadkach:

• – dla silników małej mocy o prądzie znamionowym mniejszym od 4 A,
• – dla silników o mocy do 10 kW, których przeciążenie mechaniczne jest mało prawdopodobne,
• – dla silników obciążanych w sposób przerywany.

Prąd nastawiony na zabezpieczeniu przeciążeniowym powinien spełniać warunek:

[latex]{{I}_{\text{n}}}\le 1,1{{I}_{{\text{ns}}}}[/latex]                                                                             (3.13)

gdzie: [latex]{{I}_{\text{n}}}[/latex] – prąd nastawiony na wyzwalaczu przeciążeniowym,

[latex]{{I}_{{\text{ns}}}}[/latex] – prąd znamionowy silnika.

Jako zabezpieczenie przeciążeniowe stosowane są łączniki wyposażone w przekaźniki termobimetalowe.

Zabezpieczenia zanikowe. Gdy samo rozruch silników, po uprzednim zaniku napięcia, mógłby być przyczyną niepożądanych następstw, np. pobór nadmiernie dużego prądu powodującego załamanie napięcia, zagrożenie obsługi, zakłócenie procesu technologicznego wymagającego uruchomienia silników w pewnej określonej kolejności itp., należy stosować zabezpieczenie zanikowe. Zabezpieczenie takie stanowi cewka zapadkowa w wyłącznikach zapadkowych lub cewka sterująca w łącznikach stycznikowych.

Przykład 3.1

Dobrać zabezpieczenie zwarciowe i przeciążeniowe silnika trójfazowego asynchronicznego, zwartego, napędzającego przenośnik taśmowy. Dane silnika: [latex]{{P}_{\text{n}}}[/latex] = 4 kW, [latex]{{U}_{\text{n}}}[/latex] = 400 V, [latex]{{n}_{\text{n}}}[/latex] = 2915 obr/min, [latex]\cos {{\varphi }_{\text{n}}}[/latex] = 0,87, [latex]{{{{I}_{\text{r}}}}}/{{{{I}_{\text{n}}}}}\;[/latex] = 7,4, sprawność [latex]\displaystyle \eta[/latex] = 0,85. Prąd zwarciowy w miejscach zainstalowania zabezpieczenia wynosi 3,5 kA. Rozruch silnika – średni i częsty.

Rozwiązanie:

Prąd znamionowy silnika:

[latex]{{I}_{{\text{ns}}}}=\frac{{{{P}_{\text{n}}}}}{{\sqrt{3}{{U}_{\text{n}}}\eta \cos {{\varphi }_{\text{n}}}}};{{I}_{{\text{ns}}}}=\frac{{4000}}{{\sqrt{3}\cdot 400\cdot 0,87\cdot 0,85}}=7,8\text{A}[/latex]

Prąd rozruchu silnika:

[latex]\displaystyle {{I}_{\text{r}}}=7,4\cdot 7,8=57,7\text{A}[/latex]

Dla rozruchu średniego i częstego oraz wkładki o działaniu szybki, wg Tabeli. 3.2, [latex]\displaystyle \alpha[/latex] = 1,8. Prąd znamionowy wkładki topikowej powinien spełniać warunki (3.9) i (3.10).

[latex]\displaystyle {{I}_{\text{F}}}=\frac{{57,7}}{{1,8}}=32\text{A}[/latex]

[latex]\displaystyle {{I}_{\text{F}}}\ge 7,8\text{A}[/latex]

Dobieramy wkładkę topikową o działaniu zwłocznym Bi-Wtz 35 A.

Jako zabezpieczenie od przeciążeń stosujemy przekaźnik termobimetalowy nastawiony na prąd dobrany zgodnie ze wzorem (3.13):

[latex]\displaystyle {{I}_{\text{n}}}=1,1\cdot 7,8=8,6\text{A}[/latex]

Należy dobrać stycznik z przekaźnikiem termicznym o zakresie umożliwiającym nastawienie wartości 8,6 A, np. stycznik SLA z przekaźnikiem termicznym o zakresie (7÷10) A.

        3.3      Zabezpieczenie baterii kondensatorów elektroenergetycznych na napięcie do 1 kV

Dobierając zabezpieczenie baterii kondensatorów, należy mieć na uwadze stany przejściowe zachodzące w bateriach podczas ich załączania spowodowane prądami ładowania baterii. Stany te nie powinny powodować działania dobieranych zabezpieczeń przetężeniowych.

Zabezpieczenia zwarciowe. Baterie kondensatorów na napięcie do 1 kV powinny być zabezpieczone od zwarć międzyfazowych. W bateriach, w zależności od ich wielkości, występują następujące zabezpieczenia:

• – główne, stosowane w bateriach, których prąd nie przekracza 100 A, lub w bateriach podzielonych na grupy mające własne zabezpieczenia,
• – grupowe, stosowane w bateriach, których prąd znamionowy przekracza 100 A (takie baterie powinny być podzielone na równoległe grupy wyposażone w oddzielne zabezpieczenia).

Zabezpieczenia grupowe, ze względu na wartości prądów, możliwe są do zrealizowania za pomocą bezpieczników. Zabezpieczenia grupowe, do pewnych wartości prądów są realizowane za pomocą bezpieczników (wynika to z prądów znamionowych produkowanych wkładek topikowych), a powyżej tych wartości za pomocą wyłączników samoczynnych wyposażonych w wyzwalacze elektromagnetyczne.

W przypadku zabezpieczenia bezpiecznikami zaleca się stosować wkładki topikowe o działaniu szybkim. Prąd znamionowy [latex]\displaystyle {{I}_{\text{F}}}[/latex] wkładki, o działaniu szybkim, powinien spełniać warunek:

[latex]\displaystyle {{I}_{\text{F}}}\ge \left( {2-3} \right){{I}_{\text{C}}}[/latex]                                                                             (3.14)

Prąd znamionowy [latex]\displaystyle {{I}_{\text{F}}}[/latex] wkładki, o działaniu zwłocznym, powinien spełniać warunek:

[latex]\displaystyle {{I}_{\text{F}}}\ge \left( {1,3-1,6} \right){{I}_{\text{C}}}[/latex]                                                                             (3.15)

gdzie: [latex]\displaystyle {{I}_{\text{C}}}[/latex] – prąd znamionowy zabezpieczanej baterii, jej członu lub pojedynczego kondensatora.

W przypadku zabezpieczania baterii wyłącznikiem samoczynnym z wyzwalaczem elektromagnetycznym prąd [latex]\displaystyle {{I}_{{\text{we}}}}[/latex] nastawiony na wyzwalaczu powinien spełniać warunek:

[latex]\displaystyle {{I}_{{\text{we}}}}\ge \left( {8-10} \right){{I}_{\text{C}}}[/latex]                                                                             (3.16)

gdzie: [latex]\displaystyle {{I}_{\text{C}}}[/latex] jak we wzorze (3.15)

4.      Dobór głównej stacji transformatorowej

Stacja transformatorowa, z której zasilane są rozdzielnice pomieszczeń produkcyjnych, składa się z transformatora lub transformatorów oraz rozdzielnicy głównej nn. W zakładach przemysłowych jako rozdzielnice główne najczęściej stosowane są zestawy szkieletowe.

W przypadku stacji z jednym transformatorem przy jego doborze należy przestrzegać zasady, żeby moc transformatora stanowiła:

• – 100% mocy obliczeniowej – zakład jednozmianowy,
• – 100÷125% mocy obliczeniowej – zakład dwuzmianowy,
• – 100÷145% mocy obliczeniowej – zakład trzyzmianowy.

W celu ułatwienia doboru transformatorów w Tabeli 4.1 podano podstawowe dane techniczne transformatorów olejowych, które można stosować w zakładach przemysłowych.

Tabela 4.1 Transformatory trójfazowe olejowe o chłodzeniu naturalnym firmy Schneider

Metoda współczynnika zapotrzebowania. Metoda ta polega na wykorzystaniu do ustalania wartości mocy obliczeniowej współczynnika zapotrzebowania mocy, określonych dla różnych grup odbiorników, na podstawie pomiarów statystycznych.

Moc obliczeniową czynna grupy [latex]n[/latex] odbiorników oblicza się jako sumę mocy znamionowych [latex]{{P}_{\text{n}}}[/latex] odbiorników tej grupy pomnożoną przez odpowiadający danej grupie współczynnik zapotrzebowania mocy [latex]{{k}_{\text{z}}}[/latex].

[latex]\displaystyle {{P}_{\text{B}}}={{k}_{\text{z}}}\sum\limits_{1}^{\text{n}}{{{{P}_{{\text{ni}}}}}}[/latex]                                                                               (4.1)

Podział odbiorników na charakterystyczne grupy oraz wartości współczynników zapotrzebowania podano w Tabeli 4.1.

Moc obliczeniową bierną oblicza się ze wzoru:

[latex]\displaystyle {{Q}_{\text{B}}}={{P}_{\text{B}}}\text{tg}\varphi[/latex]                                                                           (4.2)

Wartość [latex]\displaystyle \text{tg}\varphi[/latex] przyjmuje się na podstawie podanych w Tabeli. 4.2 wartości [latex]\cos \varphi[/latex].

Tabela 4.2 Współczynniki zapotrzebowania i współczynnik mocy charakterystycznych grup odbiorników [22]

Wartości współczynnika [latex]{{k}_{\text{z}}}[/latex] podane w Tabeli. 4.2 odnoszą się do przypadków obliczania mocy zapotrzebowanej dla stacji transformatorowych lub rozdzielnic, jeżeli moc ta nie przekracza 500 kW. W przypadku większych zakładów przy obliczaniu wypadkowego obciążenia głównych stacji zasilających należy uwzględniać współczynniki jednoczesności.

Obciążenie mocą pozorną głównych stacji zasilających oblicza się ze wzoru:

[latex]\displaystyle {{S}_{\text{b}}}=\sqrt{{{{{\left( {{{k}_{{\text{jP}}}}\sum\limits_{1}^{\text{m}}{{{{P}_{\text{B}}}}}} \right)}}^{2}}+{{{\left( {{{k}_{{\text{jQ}}}}\sum\limits_{1}^{\text{m}}{{{{Q}_{\text{B}}}}}} \right)}}^{2}}}}[/latex]                  (4.3)

przy czym: [latex]{{k}_{{\text{jP}}}}[/latex] i [latex]{{k}_{{\text{jQ}}}}[/latex] – współczynniki jednoczesności wg Tabeli 4.3,

[latex]\text{m}[/latex] – liczba stacji transformatorowych lub grup odbiorników.

Tabela 4.3 Wartości współczynników jednoczesności

Bibliografia:

1. H. Markiewicz: Instalacje Elektryczne. Wyd. 10, WNT, Warszawa 2017.
2. S. Niestępski, M. Parol, J. Pasternakiewicz, T. Wiśniewski: Instalacje elektryczne. Budowa, projektowanie i eksploatacja. Wyd. 3, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2011
3. W. Dołęga, M. Kobusiński: Projektowanie instalacji elektrycznych w obiektach przemysłowych: zagadnienia wybrane. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2009.
4. Norma PN-IEC 60364: Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych (wybrane arkusze).

ZAŁĄCZNIK NR 1

INSTALACJE ELEKTRYCZNE

TESTY OCENY

1. Omówić zagadnienie podziału przewodów stosowanych w instalacjach elektrycznych.
2. Omówić budowę przewodów elektroenergetycznych.
3. Przedstawić klasyfikację i budowę kabli elektroenergetycznych stosowanych w instalacjach elektrycznych.
4. Podać przykłady oznaczeń przewodów i kabli elektroenergetycznych
5. Omówić zagadnienie doboru przekroju przewodów ze względu na obciążalność prądową długotrwałą i wytrzymałość mechaniczną.
6. Omówić zagadnienie doboru przekroju przewodów ze względu na dopuszczalny spadek napięcia.
7. Przedstawić problematykę zabezpieczenia przewodów przed prądem przeciążeniowym i zwarciowym.
8. Przedstawić zagadnienie zabezpieczenia silników elektrycznych.
9. Omówić problematykę zabezpieczenia baterii kondensatorów na napięcie do 1 kV.
10. Omówić zagadnienie doboru stacji transformatorowej SN/nn w zakładzie przemysłowym.

ZADANIA DO ROZWIĄZANIA

Zadanie Nr 1

Dobrać przekrój linii kablowej z żyłami aluminiowymi o długości [latex]\displaystyle l=200\ \text{m}[/latex] zasilającej rozdzielnicę nn o napięciu [latex]U=400\ \text{V}[/latex] obciążoną mocą [latex]P=55\ \text{kVA}[/latex] przy [latex]\cos \varphi =0,75[/latex].

Zadanie Nr 2

Dobrać zabezpieczenie zwarciowe i przeciążeniowe silnika trójfazowego o danych znamionowych: [latex]{{P}_{\text{n}}}=5\ \text{kW}[/latex], [latex]{{U}_{\text{n}}}=400\ \text{V}[/latex], [latex]\displaystyle n=2950\ {{\text{obr}}}/{{\min }}\;[/latex], [latex]\cos \varphi =0,85[/latex], [latex]{{{{I}_{\text{r}}}}}/{{{{I}_{\text{n}}}}}\;=7,2[/latex], sprawność [latex]\eta =0,85[/latex]. Rozruch silnika bezpośredni – średni i częsty. Prąd zwarciowy w miejscach zainstalowania zabezpieczenia wynosi [latex]4\ \text{kA}[/latex].