Zasady doboru podstawowych

urządzeń rozdzielczych i przewodów

Ewa Webs

Przy doborze przekroju przewodów i

kabli w sieciach

elektroenergetycznych należy

przede wszystkim kierować się

kryteriami:

• Znamionowe napięcie
• Obciążalność prądowa w warunkach

nagrzewania prądem roboczym.

• Wytrzymałość na nagrzewanie prądem

zwarciowym.

• Dopuszczalny spadek napięcia.
• Wytrzymałości mechanicznej.
• Skuteczność ochrony

przeciwporażeniowej

Dobór przekroju przewodu ze względu na

obciążalność prądową długotrwałą.

Prawidłowo dobrany przekrój przewodu
powinien spełniać warunek:

I

dd

≥ I

obc

gdzie:
• I

dd

- dopuszczalna długotrwała

obciążalność prądowa dla danego typu i
przekroju przewodu, [A].

• I

obc

- prąd obliczeniowy (roboczy) linii, [A]

:

:

Gdzie:
ϑdd –temperatura dopuszczalnie
długotrwała
ϑot – temperatura otoczenia
Sz – zastępcza rezystancja termiczna
R – rezystancja przewodu

Obciążalność zwarciowa cieplna przewodów

Przekrój przewodu powinien być tak dobrany, aby

pod wpływem ciepła wydzielonego przy przepływie
prądu zwarciowego nie nastąpiło przekroczenie
granicznej dopuszczalnej wartości temperatury.

s

I

S

I

T

S

thr

thr

th

k

thr







gdzie:
I

thr

- prąd znamionowy krótkotrwały wytrzymywany, w [A]

S

thr

- gęstość prądu znamionowego krótkotrwałego wytrzymywanego, w [A/mm

2

]

I

th

- prąd zwarciowy cieplny zastępczy

gdzie:
I

kq

” - prąd zwarciowy początkowy w obliczeniowym miejscu zwarcia na początku linii

m = f(T

k

; ) - współczynnik uwzględniający skutek cieplny składowej nieokresowej

prądu zwarciowego
n = f(T

k

; I

k

”

/I

k

) - współczynnik uwzględniający skutek cieplny składowej okresowej prądu

zwarciowego

I

I

m n

th

kq







"

Dobór przekroju przewodu ze względu

na dopuszczalny spadek napięcia

Przyjmuje się że spadek napięcia jest równy

podłużnej stracie napięcia

X = X’l

Skuteczność ochrony przeciwporażeniowej

Przekrój przewodu powinien być tak dobrany, by w przypadku
zwarcia między przewodem fazowym a ochronnym lub
częścią przewodzącą instalacji zapewnić samoczynne
wyłączenie zasilania przez urządzenie zabezpieczające, w
określonym czasie. Ten warunek może zostać spełniony, gdy
impedancja pętli zwarcia jest odpowiednio mała i spełnia
zależność

Zasady doboru odłączników

• Znamionowe napięcie izolacji U

ni

• Znamionowy prąd cieplny (ciągły) I

nth

• Znamionowy prąd 3- sekundowy I

n3s

• Znamionowy prąd szczytowy i

nsz

Znamionowe napięcie

izolacji

Znamionowe napięcie izolacji Uni

odłącznika musi być co najmniej
równe napięciu znamionowemu sieci

Uni ≥ Uns

Gdzie:
Uni – napięcie znamionowe izolacji
Uns – napięcie znamionowe sieci

Znamionowy prąd cieplny

Największy prąd płynący trwale przez
odłącznik nie może przekroczyć jego
znamionowego prądu ciągłego

I

nth

> I

obc

Gdzie :
Inth – znamionowy prąd cieplny
Iobc – prąd obciążenia w warunkach normalnej pracy

Znamionowy prąd 3- sekundowy

Dla czasu trwania zwarcia tz, należy
znaleźć prąd o stałej wartości Itz,
który płynąc przez odłącznik w czasie
tz nagrzeje go do takiej samej
temperatury jak prąd zwarciowy.

I

n3s

≥ I

tz

Gdzie:
I

n3s

– Znamionowy prąd 3 sekundowy

I

tz

– prąd zastępczy

Zasady doboru wyłączników

• Znamionowe napięcie izolacji U

ni

• Znamionowy prąd cieplny I

nth

• Znamionowy prąd 3- sekundowy I

n3s

• Znamionowy prąd szczytowy i

nsz

• Znamionowe napięcie łączeniowe

górne U

ng

• Znamionowy prąd załączalny I

nzał

• Znamionowy prąd wyłącznalny I

nw

Znamionowe napięcie łączeniowe górne

Znamionowe napięcie łączeniowe górne
dobiera się tak aby największe napięcie
robocze sieci nie było w warunkach
roboczych zwykłych większe od tego
napięcia

U

gr

 U

nm

Znamionowe

napięcie sieci kV

Znamionowe

napięcie łączeniowe

górne kV

(6)

(7,2)

10

12

(15)

(17,5)

20

24

30

36

110

123

220

245

400

425

750

765

Gdzie:
U

gr

- napięcie

łączeniowe górne
U

rm

- maksymalne

napięcie robocze sieci

Znamionowy prąd szczytowy Insz
charakteryzuje wytrzymałość
elektrodynamiczna wyłącznika w stanie
zamknięcia, natomiast jego zdolność
załączania prądów zwarciowych
znamionowy prąd załączalny. Każdy z
tych prądów muci być większy od
udarowego prądu zwarciowego w miejscu
zainstalowania wyłącznika

i

nz

 i

p

i

nsz

 i

p

 
gdzie:
i

nz

- prąd załączalny

i

nsz

- prąd szczytowy

i

p

- prąd udarowy

Znamionowy prąd

wyłączalny

Największa dopuszczalna przez wytwórcę wartość
prądu wyłączalnego, który wyłącznik może
wyłączyć w danym obwodzie przy określonym
napięciu równym lub mniejszym niż znamionowe
napięcie łączeniowe górne
- Znamionowy prąd wyłączalny symetryczny
wyłącznika
- Znamionowy prąd wyłączalny niesymetryczny
wyłącznika

I

nb

 I

b

gdzie:
I

nb

- znamionowy prąd wyłączeniowy symetryczny

I

b

- prąd wyłączeniowy symetryczny

 

Zasady doboru

bezpieczników

• Wkładki bezpiecznikowe

- znamionowy prąd cieplny
- charakterystyka działania (charakterystyka
czasowo-prądowa )
- znamionowy napięciem łączeniowym górnym
- znamionowy prąd wyłączalny

• Podstawy bezpiecznikowe

- znamionowy prąd cieplny
- znamionowe napięcie izolacji

Dobór bezpieczników topikowych do

zabezpieczania transformatorów mocy

Prąd znamionowy

transformatora, A

Minimalny prąd znamionowy

wkładki bezpiecznikowej, A

1,5

3

5

5

8

10

10

15

20

16

25

32

40

55

75

64

100

125

100

160

Charakterystyka działania wkładek

bezpieczników

Zależność prądów ograniczonych iogr wkładek

bezpieczników wysokonapięciowych o różnych

prądach znamionowych cieplnych od składowej

okresowej początkowej Ip prądu zwarciowego

Zasady doboru szyn

zbiorczych

• obciążalność prądową długotrwałą
• wytrzymałość zwarciową

elektrodynamiczną

• obciążalność zwarciową cieplną

Obciążalność długotrwała

Wytrzymałość zwarciowa

elektrodynamiczna

obl

dd

I

I 

- Siły elektromagnetyczne między szynami sąsiednich faz

a

l

i

F

p

m







2

3

3

174

,

0

Gdzie:
l – odległość między podporami szyn, m
a - odległość między osiami przewodów fazowych, m
ip3 – prąd zwarciowy udarowy

- Częstotliwość drgań własnych przewodu fazowego

'

2

s

s

c

m

J

E

l

c

f











gdzie:
γ - współczynnik zależny od sposobu mocowania przewodów,
E - moduł Younga,
Js- moment bezwładności przewodu o przekroju prostokąta,
ms- masa jednostkowa przewodu składowego,
c- współczynnik zależny od konstrukcji przewodu fazowego

- Naprężenia gnące przewodów szynowych

Z

l

F

V

V

m

r

m













8

3







gdzie:
β- współczynnik zależny od sposobu zamocowania przewodu,

Z - wskaźnik wytrzymałości przewodów szynowych
o przekroju prostokątnym,















f

f

f

V

c

















f

f

f

V

c

r

 
Całkowite naprężenie gnące przewodu fazowego nie może być większe niż naprężenie
dopuszczalne, czyli:
 

dop

m







Obciążalność zwarciowa cieplna szyn

1

min

th

k

th

S

T

I

s

s







gdzie:
s - przekrój dobranej szyny,
- dopuszczalna gęstość jednosekundowego prądu zwarciowego.
- prąd zwarciowy zastępczy cieplny

1

th

S

th

I

Zasady doboru przekładników

prądowych i napięciowych

• Napięcie znamionowe;
• Prąd znamionowy pierwotny i wtórny;
• Moc znamionową;
• Klasę dokładności;
• Wytrzymałość cieplną zwarciową;
• Wytrzymałość dynamiczną;
• Liczbę przetężeniową.

Przykłady

Dobór linii zasilających transformator o

danych znamionowych:

]

[

20000kVA

S

rT



]

[

110kV

U

rTHV



]

[

3

,

6 kV

U

rTLV



]

[

2

,

19

kW

P

j





]

[

35

,

88

kW

P

cun





[%]

5

,

12

%



kr

u

[%]

25

,

0

%

0



i

Yd11

• Napięcie znamionowe linii:

• Dobór przekroju przewodów linii ze

względu na obciążalność długotrwałą

ns

nl

U

U 

gdzie:

ns

U

- napięcie znamionowe sieci zasilającej wynoszące
110 [kV].

Obciążalność dopuszczalna długotrwale
dobieranych przewodów (I

dd

) nie może

być mniejsza niż prąd obciążenia (I

obl

)

obliczony po stronie górnego napięcia
transformatora, czyli:

97

,

104

110

3

20000

3













rTHV

rT

obl

dd

U

S

I

I

Na podstawie powyższego dobrano wstępnie przewody

napowietrzne typu AFL-6-185mm², których minimalna
obciążalność prądowa dopuszczalna długotrwale wynosi:

]

[

113 A

I

ddpn



• Dobór przekroju przewodów linii

napowietrznej ze względu na
obciążalność zwarciową

W celu określenia przewodów linii napowietrznej ze względu na obciążalność zwarciową
należy w pierwszej kolejności określić parametry prądu zwarciowego na początku
napowietrznej linii zasilającej: prąd zwarciowy początkowy I

k

”

i prąd zwarciowy zastępczy

cieplny I

th

.

Prąd zwarciowy początkowy :

kA

U

S

I

nQ

kQ

k

_

87

,

7

110

3

1500

3















"

kQ

S



nQ

U

gdzie:

moc zwarciowa po stronie GN transformatora zasilającego

napięcie znamionowe sieci w miejscu zwarcia.

Prąd zwarciowy zastępczy cieplny określa wzór:

n

m

I

I

k

th







"

gdzie:

- współczynnik uwzględniający skutek cieplny składowej

nieokresowej prądu zwarciowego,

- współczynnik uwzględniający skutek cieplny składowej

okresowej prądu zwarciowego,

- współczynnik udaru,

- czas trwania zwarcia,
- prąd zwarciowy ustalony (dla zwarcia odległego).

)

;

(



k

T

f

m















k

k

k

I

I

T

f

n

"

;



k

T

"

k

k

I

I 

W celu obliczenia współczynnika udaru określono rezystancję i reaktancję systemu:

Ω oraz

Ω,

Współczynnik udaru wynosi zatem:

Przekrój przewodu linii napowietrznej powinien spełnić warunek:

gdzie:

- prąd znamionowy krótkotrwały wytrzymywany (jednosekundowy),
- dopuszczalna gęstość prądu jednosekundowego  

0



Q

R

87

,

8

1500

110

1

,

1

1

,

1

2

"

2











kQ

nQ

Q

S

U

X

2

98

,

0

02

,

1

98

,

0

02

,

1

87

,

8

0

3





















e

e

Q

Q

X

R



1

)

2

;

1

,

0

(

)

;

(







f

T

f

m

k



1

)

1

;

1

,

0

(

;

"



















f

I

I

T

f

n

k

k

k

1

,

11

1

1

85

,

7

"















n

m

I

I

k

th

75

,

48

72

1

,

0

11100













thr

k

th

thr

thr

S

T

I

S

I

s

thr

I

thr

S

• Dobór przekroju przewodów linii napowietrznej ze

względu na ulot

• Dobór przekroju przewodów linii ze względu na

dopuszczalny spadek napięcia

Prawidłowo dobrano linię AFL -6 o przekroju 185mm2

Aby ulot był ograniczony do dopuszczalnego poziomu w liniach 110 [kV] należy spełnić warunek:

]

[

120

2

mm

s 

120

185

Dopuszczalne spadki napięcia dla linii 110 [kV] nie są określone, ponieważ
wszystkie transformatory zasilające 110/SN są wyposażone w regulację
napięcia pod obciążeniem (istnieje możliwość ustawiania zaczepów tych
transformatorów w granicach 10 [%]) i mogą utrzymywać napięcie na
wyznaczonym poziomie, przy odchyleniach rzędu 1[%].

Bibliografia

• Dzierzbicki S.: „Aparaty

elektroenergetyczne” wydanie II.
Warszawa 1980

• http://www.elektroonline.pl/