Projektni zahtjevi za niskonaponska sklopna postrojenja

Niskonaponska rasklopna postrojenja su sistemi jedne ili više sklopki s međusobnom opremom za upravljanje, signalizaciju, zaštitu i regulaciju. Ti sistemi također uključuju sve električne i mehaničke priključke kao i konstrukcijske elemente (kućište).

.

Michał Szulborski Menadžer proizvoda

Svako rasklopno postrojenje mora osigurati kompatibilnost s nazivnim vrijednostima razvodnih uređaja na koje je spojeno ili prošireno itd. Uvjete za spajanje i ugradnju razvodnog uređaja treba osigurati proizvođač sklopa [1, 2]. Što se tiče nazivnog napona rasporeda i nazivnog napona pojedinačnog rasklopnog uređaja, oni bi trebali biti barem isti kao nazivni napon elektroenergetskog sistema na koji su ili će biti priključeni. Nazivni izolacijski napon sklopnog kruga je napon na koji se ispitni napon odnosi, a time i njegove vrijednosti. Važni parametri sklopnih uređaja su: nazivna struja rasporeda sklopnih uređaja i nazivna struja kruga. Nazivna struja rasporeda razvodnih uređaja je vrijednost manja od zbira struja ulaznog kruga u paralelnom operativnom sistemu, a također manja od ukupne struje koju glavna sabirnica može distribuirati u datoj konfiguraciji sistema. Ova struja ne bi trebala uzrokovati prekoračenje maksimalnog porasta temperature i to je maksimalna struja opterećenja koja se distribuira kroz sabirnice i kablove u rasklopnom uređaju. Nazivna struja strujnog kruga najveća je vrijednost struje opterećenja koju dati strujni krug može provesti u normalnim radnim uvjetima bez prekoračenja maksimalnog povećanja temperature.

Trenutno norma PN-EN 61439-1 uvodi faktor simultanosti (RDF), koji je vrijednost nazivne struje u relativnim jedinicama. Ovaj faktor pomnožen s vrijednošću nazivne struje kruga trebao bi biti jednak ili veći od pretpostavljenog opterećenja snage u strujnim krugovima. Ovaj se faktor koristi kada određeno rasklopno postrojenje radi opterećeno nazivnom strujom [1, 2, 3]. Razvodni uređaji moraju biti prilagođeni za rad s određenom nazivnom frekvencijom. Ta vrijednost frekvencije karakterizira ispravan rad priključenog sklopnog uređaja. Povremeno su strujni krugovi sisitema dizajnirani za različite vrijednosti frekvencije napona, zbog čega je potrebno osigurati nazivnu frekvenciju za svaki strujni krug. Norma PN-EN 61439-1 preporučuje da vrijednosti frekvencije budu unutar određenih granica, koje se kreću od 98% do 102%, osim ako proizvođač rasporeda sklopnih uređaja nije odredio drugačije.

Opći zahtjevi za konstrukciju sklopnih postrojenja

•  korištenje ključa ili drugog alata koji omogućuje uklanjanje poklopca;

• nakon odspajanja napajanja aktivnih elemenata, ponovno uspostavljanje napajanja moguće je samo kada se poklopac demontira;
• kada poklopac pruža zaštitu razine ne niže od IPXXB od kontakta s aktivnim elementima.

Slika 1. Tokovi struje u rasklopnom uređaju koji se nalazi iza zaštitnih poklopaca koji pružaju odgovarajuću zaštitu od kontakta s dijelovima pod naponom (dizajn izrađen u Solid Edge 2021)

Svi vodljivi dijelovi rasklopnog uređaja međusobno su povezani žicama kako bi se osigurao kontinuitet zaštitnog uzemljenja u slučaju oštećenja unutar rasklopnog uređaja. Ovi se spojevi također mogu izvesti pomoću metalnih vijaka ili zavarivanjem. S elemenata koji su prekriveni zaštitnim premazom potrebno je ukloniti ili probušiti pokrov na određenom mjestu kako bi se osigurao kontinuitet strujnog kruga (npr. na obojenim metalnim kabelskim uvodnicama, zavrnutim obojenim poklopcima itd.) - to je precizno opisano u točki 8.4. .3.2.2 norme PN-EN 61439-1.

Ako uređaji prelaze granice niskog napona, koriste se žičane veze dok su montirani na vrata ili poklopce kako bi se osigurao kontinuitet uzemljenja. Presjek kabela instaliranog na vratima ili kućištu uređaja treba ovisiti o najvećoj nazivnoj radnoj struji. Zaštitni vodič u rasklopnim uređajima treba biti projektiran tako da može podnijeti najveća dinamička i toplinska opterećenja. U strujnom krugu zaštitnog vodiča nije dopuštena ugradnja sklopke ili rastavljača, samo na tokovima zaštitnih vodiča smiju se koristiti kratkospojni uređaji koje samo ovlašteno osoblje može ukloniti alatom. Ako kućište ima PEN vodič, moraju biti ispunjeni sljedeći zahtjevi:

• minimalni presjek ove žice za bakar trebao bi biti 10 , a za aluminij 16;

• poprečni presjek ove žice ne smije biti manji od neutralne žice;
• dopušteno je da se montažne letvice od bakra ili aluminija koriste kao PEN žice;
• strukturne komponente ne smiju se koristiti kao PEN žice;
• PEN žice ne moraju biti izolirane unutar razvodne ploče.

Razvodni uređaji također odvajaju pojedinačne električne krugove kako bi se spriječio strujni udar uslijed dodira s dostupnim vodljivim dijelovima, koji mogu nastati pod naponom zbog oštećenja osnovne izolacije. Sabirnice glavnih strujnih krugova u rasklopnim uređajima su raspoređene tako da zadovolje sve zahtjeve koji se odnose na udaljenosti između sabirnice strujnog toka, između sabirnice i konstrukcijskih elemenata, kako ne bi došlo do kratkog spoja unutar sklopnog uređaja nakon njegovog pokretanja. Ove sabirnice trebaju biti odabrane na takav način da budu kompatibilne s deklariranom čvrstoćom kratkog spoja i izrađene tako da mogu izdržati izloženost kratkom spoju ograničenu zaštitom s napojne strane sabirnica. Distribucijski kabeli ili sabirnice unutar jednog segmenta između glavnih sabirnica i strane opterećenja mogu se odabrati prema smanjenoj čvrstoći kratkog spoja zaštitnog uređaja. Pomoćni krugovi u razvodnim uređajima su projektirani tako da nema nekontrolisanog incidenta (npr. kratkog spoja). Pomoćni krugovi trebaju biti usmjereni na takav način da je malo vjerojatno da će doći do kratkog spoja.

Kabeli koji se koriste za spajanje uređaja u rasklopnim postrojenjem ne bi trebali pogoršati svoje izolacijske parametre (starenje izolacije) kao rezultat normalnog porasta temperature i vibracija koje se javljaju tokom normalnog rada rasklopnog uređaja. Posebno su važni učinci toplinskog rastezanja zbog postignutih radnih temperatura žica. Osim vodljivosti, kabeli se odabiru zbog:

• mehanička naprezanja koja se mogu pojaviti u rasklopnom uređaju;

• osiguranje i usmjeravanje žica;
• vrstu izolacije i materijal od kojeg je izrađena;
• korištena rasklopna oprema i sklopni uređaji.

I u slučaju čvstih i savitljivih izoliranih vodiča, međuspojevi se ne bi trebali koristiti posebno pomoću spojnica ili lemljenih spojeva. Dodatno, kabele treba zaštititi od trljanja o oštre rubove konstrukcijskih elemenata, npr. korištenjem nosača kabela. Ako se korišteni uređaji postavljaju na pomične poklopce ili vrata rasklopnog uređaja, spojne žice se postavljaju u posebne savitljive zaštitne cijevi, koje ih štite od trljanja o vrata ili kućište rasklopnog uređaja.

 Slika 2. Primjer konfiguracije montažnog umetka, rasporeda vodova i sabirnica u niskonaponskom rasklopnom postrojenju (projekt izrađen u softveru Solid Edge 2021)

Površinski i zračni raspori konstrukcijskih elemenata rasklopnih postrojenja i ispitivanje dielektričnih svojstava

Što se tiče konstrukcije i dizajna rasklopnih uređaja, posebna se pažnja posvećuje održavanju odgovarajućih izolacijskih razmaka, kako zraka tako i površine. Ovi zahtjevi su detaljno opisani u standardu IEC 60664-1. Treba se držati razmaka tako da ugradnja aparata i drugih uređaja u rasklopni uređaj ne utječe na navedene izolacijske udaljenosti. U slučajevima kada su u rasklopnom uređaju predviđeni odvojeni strujni krugovi, moraju se uzeti u obzir otporni impulsni naponi za zrak i površinski izolacijski razmaci između tih krugova. Za sabirnice, veze između uređaja i kabelskih stezaljki, odnosno svih neizoliranih elemenata, koriste se najmanje isti razmaci izolacije koji su predviđeni za uređaje s kojima se spajaju. Pretpostavlja se da kratki spoj između sabirnica ne bi trebao trajno smanjiti predviđene izolacijske udaljenosti. Kako bi se povećali izolacijski razmaci, u izolacijskim elementima koriste se posebni konveksni utori koji značajno povećavaju površinske i zračne izolacijske udaljenosti [1, 2, 3]. U slučaju konkavnih brazda povećava se samo površinski razmak izolacije. Dielektrična svojstva konstrukcija niskonaponskih rasklopnih postrojenja provjeravaju se u skladu sa zahtjevima norme PN-EN 61439-1, koja precizno opisuje kako treba provoditi mjerenja dielektrične čvrstoće. Elementi kućišta i konstrukcije ispituju se podnosivim naponom mrežne frekvencije; gdje se glavni, upravljački i pomoćni krugovi ispituju s vrijednostima ispitnog napona koje su navedene u standardu. Date su tačne vrijednosti izmjeničnog i istosmjernog ispitnog napona ovisno o nazivnom izolacijskom naponu.

U slučaju ispitivanja glavnih krugova izmjeničnim naponom - dato je pet vrijednosti ispitnog napona: 1000 V, 1500 V, 1890 V, 2000 V i 2200 V. Međutim, za mjerenje s istosmjernim naponom utvrđeno je šest vrijednosti: 1415 V , 2120 V, 2670 V, 2830 V, 3110 V i 3820 V. Tokom ispitivanja upravljačkih i pomoćnih krugova, korišteni ispitni napon ovisi o nazivnom izolacijskom naponu. U strujnim krugovima s naponom većim od 60 V koriste se dodatno unesene vrijednosti ispitnog napona koje su jednake 250 V i 500 V. Oblik ispitnog napona treba biti sinusoidan s frekvencijom od 45 - 65 Hz. S druge strane, izlazna struja na kratko spojenim stezaljkama uređaja tokom mjerenja treba imati vrijednost ne manju od 200 mA.

Kada se ispitni napon primjenjuje na frekvenciji mreže, njegova vrijednost općenito ne prelazi 50% tog napona. Postupno se podiže do punog napona i održava se tokom cijelog testnog rada. Ispituju se svi aktivni dijelovi glavnog strujnog kruga s raspoloživim vodljivim elementima kao i aktivni dijelovi s različitim potencijalima ili između glavnog kruga, pomoćnih i upravljačkih krugova.

Pri ispitivanju strukture, uz otporni napon impulsa, napon od 1,2/50 μs primjenjuje se pet puta za svaku polarizaciju u intervalima od 1 sekunde. Ako tokom ispitivanja ne dođe do pražnjenja, ispitivanje se smatra pozitivnim. U slučaju verifikacije proizvoda, odnosno gotovog proizvedenog rasklopnog uređaja, ispituje se njegova dielektrična čvrstoća naponom mrežne frekvencije. Ideja testa je gotovo ista kao u slučaju ispitivanja konstrukcije, osim što se u ovom scenariju napon primjenjuje samo na 1 sekundu. Ispitivanje se izostavlja za pomoćne krugove zaštićene prekostrujnom zaštitom, čija nazivna struja ne prelazi 16 A, ili kada je funkcionalno ispitivanje obavljeno u fazi ispitivanja konstrukcije s sklopnim naponom predviđenim u projektu za te krugove.

Kada su prekostrujne zaštite s nazivnom strujom do 250 A ugrađene u ispitivani strujni krug, vrijednost izolacijskog otpora mjeri se s naponom ne manjim od 500 V DC. Ako vrijednost izolacijskog otpora između vodljivih dijelova i krugova nije manja od 1 kΩ/V, ispitivanje je uspješno.

Utjecaj elektrodinamičkih sila na strujni tok i nosive strukture niskonaponskih sklopnih postrojenja

Tokom prolaska električne struje kroz strujne tokove i kabele rasklopnih uređaja nastaju elektrodinamičke sile koje generiraju naprezanja na nosećim izolatorima strujnih tokova, spojnicama kabela, nosačima itd. [3, 6, 7].

Elektrodinamičke sile nastaju između:

• trenutne tokove;

• strujni kablovi;
• feromagnetski materijali i žice ili sabirnice;
• granične površine materijala različite magnetske propusnosti.

Za određivanje momenata i elektrodinamičkih sila koje djeluju na strujne tokove koriste se Biot-Savartova, Lorentzova i Maxwellova jednadžba. Maxwellove jednadžbe koriste se za izračunavanje elektrodinamičkih sila u strujnim sustavima za koje su poznati analitički izrazi induktiviteta. Općenito, jednadžbe Lorentz i Biot Savart koriste se za izračunavanje momenata i elektrodinamičkih sila koje djeluju na pravolinijske dijelove strujnih tokova.

Prilikom projektiranja strujnih tokova rasklopnog uređaja obratite pažnju i napravite potrebne izračune koji se odnose na:

• naprezanja koja nastaju u strujnim tokovima u trenutku protjecanja struja kratkog spoja, što će omogućiti odgovarajući izbor presjeka sabirnica, dužina raspona i pravilno učvršćenje strujnih tokova;
• sile reakcije koje djeluju na pričvrsne elemente i druge nosače kojima su učvršćene strujni tokovi, što omogućuje izbor odgovarajućeg izolatora potrebne čvrstoće i broja tih elemenata;
• momenti koji utječu na spoj sabirnica tokom protoka struje kratkog spoja;
• sile koje djeluju na električni luk.

Važan fenomen je međudjelovanje vodiča sa strujom u blizini feromagnetskih masa. Kada istosmjerna ili izmjenična struja teče u blizini strukture ili ploče izrađene od feromagnetskog materijala, uzrokuje izobličenje magnetskog polja oko vodiča kroz koji teče struja. Elektrodinamička sila usmjerena prema feromagnetskom elementu u ovom je slučaju rezultat nesimetričnog polja u odnosu na os vodiča.

Ova sila je opisana formulom prema metodi slike ogledala:

C - konstanta pretpostavljena ovisno o dužini i obliku cijevi,

i – struja kruga,

i_1- struja refleksije ogledala,

a - udaljenost od površine ploče do osi vodiča.

Slika 4. Učinak privlačenja vodiča sa strujom na feromagnetsku ploču: a) raspodjela silnica magnetskog polja, b) primjer proračuna po metodi refleksije ogledala.

Nakupljanje elektrodinamičkih sila zbog privlačenja opasna je pojava tokom kratkih spojeva kada su žice/sabirnice položene blizu čelične ploče ili drugih potpornih struktura s oštrim rubovima (neočišćenim). Tada postoji opasnost od pucanja izolacije žice, meke zbog utjecaja temperature, trljanja o ploču ili drugi strukturni dio kućišta pod utjecajem elektrodinamičkih sila, što može dovesti do kratkog spoja metalne žice s datim elementom.

Maksimalni gubici snage niskonaponskih sklopnih postrojenja

Proizvedena niskonaponska rasklopna postrojenja podvrgavaju se pregledima i ispitivanjima s ciljem utvrđivanja maksimalnih gubitaka snage. To je zbog uvođenja standarda IEC 61439. Norma detaljno opisuje testove koje treba provesti da bi se dobili potrebni podaci. Jedno od specifičnih ispitivanja u tački 10.10 poljske norme PN-EN 61439-1 je provjera toplinskog opterećenja. Ispitivanje se sastoji u osiguravanju maksimalnog dopuštenog porasta temperature na mjestima gdje kritična vrijednost porasta temperature može biti prekoračena. Provjerava se koji je dio komore za ispitivanje najnepovoljniji (zbog veličine, oblika, broja pregrada te je li ventiliran ili ne).

Tokom ispitivanja maksimalna nazivna struja ovisi o broju uređaja u funkcijskom bloku. Ako postoji samo jedan uređaj, primjenjuje se nazivna struja uređaja, ako postoji više uređaja u funkcijskom bloku, tada se primjenjuje struja uređaja s najnižom nazivnom strujom.

Prema preporukama standarda uvijek treba istražiti najnepovoljnije varijante. Kritični funkcionalni blok mora se ispitati:

• unutar (najmanjeg) dijela namijenjenog funkcijskom bloku; 

• zbog najlošije mogućnosti unutrašnjeg odvajanja, s obzirom na veličinu ventilacijskih otvora;
•  ako se dogodi u kućištu s najvećim instaliranim gubitkom snage po jedinici volumena;
• u najgorem slučaju varijanta ventilacije, uzimajući u obzir vrstu ventilacije - prisilnu ili konvekcijsku.

Ispitivanja se izvode kao da se razvodni uređaj koristi u normalnim uvjetima, sa svim ugrađenim poklopcima i pločama. U pojedinačnim kućištima temperaturno ispitivanje se provodi onom vrstom struje za koju je predviđeno. Test se provodi sve dok vrijednost temperature ne postane konstantna. Tijekom ispitivanja ova se vrijednost postiže ako porast temperature na svim mjernim tačkama ne prelazi 1 K/h.

Tokom izvođenja testa gubitka snage kućišta razvodnog uređaja, simulira se stvaranje topline strujnim tokovima i instaliranim uređajima pomoću otpornika za grijanje koji su odgovarajuće postavljeni unutar kućišta. Ovi otpornici su postavljeni tako da daju vrijednost topline koja je jednaka očekivanom gubitku snage u kućištu u normalnim uslovima koje je naveo proizvođač [1, 2]. Kabeli koji napajaju grijače otpornika biraju se tako da ne odvode toplinu iz ispitivanog kućišta. Vrijednosti temperature u komori mjere se u njenom gornjem dijelu, gdje je njena vrijednost najveća, jer se topli zrak konvekcijom diže prema gore. Temperatura kućišta ne smije preći vrijednosti navedene u standardu PN-EN 61439.

Provedeno ispitivanje provjerava se u vrijeme izvođenja i nakon završetka. Ako temperatura zraka iz izračunatog gubitka snage (dobivenog tijekom ispitivanja) nije veća od dopuštene radne temperature koju je deklarirao proizvođač, to znači da za unutrašnje armature i priključke glavnog strujnog kruga trajno opterećenje nije veće od dopuštenog opterećenja na izračunatu temperaturu zraka. U tom slučaju trajno opterećenje ne prelazi 80% nazivne struje, što znači usklađenost s deklaracijom proizvođača.

Elektromagnetska kompatibilnost niskonaponskih sklopnih postrojenja

Norma PN-EN 61439-1 (tačka 9.4 i Aneks J) navodi da razvodni uređaji trebaju zadovoljavati smjernice za elektromagnetsku kompatibilnost (EMC). To je sposobnost rasklopnog uređaja da radi u specifičnom elektromagnetskom okruženju i da ne stvara smetnje elektromagnetskog polja koje bi moglo ometati pravilan rad drugih uređaja koji rade u njegovoj blizini. EMC testiranje je obavezno na većini tržišta u Europi, Sjedinjenim Državama i drugim zemljama. Zbog toga je potrebno provesti ova ispitivanja kako bi se dati proizvod plasirao na tržište i zadovoljio sve zakonske uvjete kako bi se omogućila prodaja.

Slika 5. Prostorija za ispitivanje elektromagnetske kompatibilnosti EMC.

Prilikom pripreme rasklopnog uređaja za ispitivanje, općenito se skupljeni uzorak priprema odjednom, a kombinacija uređaja ugrađenih unutra prilično je nasumična. Ispitivanja otpornosti na elektromagnetsku kompatibilnost ili emisije nisu potrebna ako su ugrađene komponente rasklopnog uređaja i električni uređaji u skladu sa zahtjevima elektromagnetskih standarde kompatibilnosti za određeno okruženje, u skladu sa specifičnim zahtjevima proizvoda ili općim EMC standardom.

Izvori elektromagnetskih smetnji mogu biti:

• diskretni kontinuirani ili promjenjivi (sinusoidni) signali iz, na primjer, sveprisutnih radio odašiljača;

•  širokopojasni kontinuirani signali koje stvaraju nadzemni vodovi, električni strojevi ili tiristorski ispravljački sistemi;
• jednokratni prelazni udarni signali munje, elektrostatičkih pražnjenja, sklopnih procesa, iskrenja i kratkih spojeva.

Sve ove smetnje uzrokuju pojavu prelaznih prenapona koji izlažu uređaje ugrađene u rasklopnom postrojenju proboju izolacije i kvare mjerno-regulacijske funkcije. Dodatni problem je otpornost namota aparata i transformatora na kratkotrajne prenapone s nanosekundnim vremenima nagiba.

Povezivanje uznemirujuće veličine sa zadanim krugovima u rasklopnom postrojenju može se postići izobličenjima:

• induktivni;

• galvanski,
• kapacitet.

Kako bi se smanjila veza između signala smetnji, sklopni uređaj je opremljen sa:

• odvodnici prenapona za zaštitu od prenapona;,

• zaštita upravljačkih kabela (s uzemljenjem ekrana s obje strane);
• mrežni filteri;
• optičke veze između upravljačkih uređaja.

Slika 6. Primjeri spojnica u trenutku nastanka smetnje: a) galvanski, b) kapacitivni, c) induktivni, d) elektrostatski pražnjenje.

Postizanje potrebnog stupnja elektromagnetske kompatibilnosti (EMC) rasklopnog uređaja zahtjeva odgovarajuće radnje u fazama od koncepta do prototipa. U tu svrhu koriste se brojni računarski programi, primjena preporuka sadržanih u normizacijskim propisima i iskustva proizvođača.

Sažetak

U rukopisu su prikazani i razmatrani zahtjevi za projektiranje niskonaponskih rasklopnih uređaja sadržani u normama PN-EN 61439-1 i PN-EN 62208, koje moraju ispunjavati rasklopna postrojenja proizvedena na tržištu.

Provjera razvijenih sklopnih struktura od strane proizvođača tokom konstrukcijskih i tipskih ispitivanja u istraživačkim laboratorijima omogućuje tržište i prodaju savremenih visokokvalitetnih rješenja koja osiguravaju odgovarajući stepen zaštite i sigurnosti tokom rada.