3 Pednka ESY Vodie a kabely Ing Miroslav

3. Přednáška ESY Vodiče a kabely Ing. Miroslav Novák, Ph. D. Ústav mechatroniky a technické informatiky Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií Technická Univerzita v Liberci ( +420 48 535 3626 e-* miroslav. novak@vslib. cz

2 Obsah n n Úvod, typy vodičů Dimenzování Odolnost vůči zkratovým proudům Barevné značení Úlohou vodičů a kabelů je přenos el. energie nebo přenos el. signálu pro účely měření, regulace a signalizace

3 Typy vodičů Izolovaný vodič: skládá se z vodiče a izolace nespí se ukládat do země Kabel (více žil): skládá se z izolovaných vodičů, společného pláště a někdy z výplně kabelu, výztuže, případně nosného prvku dodatečné opláštění mohou zajisti ochranu proti mechanickým a chemickým vlivům

4 Vztah požadavků n n n Mechanická odolnost Přípustná provozní teplota Malý úbytek napětí Malý odpor, aby fungovala nadproudová ochrana proti zkratu Chemická odolnost prostředí, mechanická odolnost pohyblivých vodičů a provedení el. vedení n n n Minimální průřez vodiče Proudová zatížitelnost Úbytek napětí Největší přípustná délka pro odpojení při zkratu Konstrukce jádra a izolace

5 Návrh el. vedení Návrh vedení je základním krokem projektanta. Zahrnuje tyto úkoly: 1. 2. 3. Volba vhodného druhu vodiče pro dané prostředí a podmínky provozu Způsob uložení vodiče Stanovení potřebného průřezu vodiče Zásady návrhu: n n n Teplota vodičů musí být v dovolených mezích Průřezy vodičů musí být v hospodárných mezích Vodiče musí mít dostatečnou mechanickou odolnost Úbytek napětí na vodičích musí být v dovolených mezích Vodiče musí odolat silovým a tepelným účinkům zkratových proudů

6 Značení vodičů podle ČSN 34 7409 n Nově používané značení

7 Mechanická odolnost vodičů U krátkých vedení je průřez omezen mechanickou odolností, souvislost s uložením vodičů – vzdáleností podpěr, pohyblivé vodiče n Vodiče s plným jádrem málo ohebné, do průřezu 10 mm 2, jen pro pevné uložení n Vodiče s děleným jádrem lépe se tvarují, od průřezu 16 mm 2 n Vodiče s jemnými a nejjemnějšími dráty nepoškodí se ani při více ohybech, pro připojení pohyblivých spotřebičů Plné jádro Cu Ohebné Cu průřez Typ, použití 1, 5 mm 2 Osvětlení, zásuvky 0, 1 mm 2 Ruční spotřebiče <1 A, <2 m 0, 5 mm 2 Signalizace, řídicí obvody 0, 5 mm 2 Spotřebiče <2, 5 A, <2 m 4 mm 2 Místní pospojování 0, 75 mm 2 Spotřebiče < 10 A 10 mm 2 Vzdušné vedení rozvodné sítě Typ, použití

8 Silové účinky zkratových proudů n n n Zkratové proudy jsou několikanásobně vyšší než jmenovité Silové účinky je třeba kontrolovat u pevných vodičů uložených blízko sebe Síla F = Bl. I sin a (dva vodiče vedle sebe vedoucí proud obvodem) n n n B = m 0 H (T); m 0 = 4 p 10 -7 (Hm-1); H = I / (2 pa) (Am-1) a Směr který svírá síla k ose vodiče, největší kolmo sin a = 1 l délka vodiče a vzdálenost vodičů I zkratový proud daný zdrojem (sítí) a zkratovou impedancí (běžně tisíce A) => F = 2. 10 -7 I 2 l/a (N) Mohou nabývat více než tisíců N na metr délky!

9 Chemická odolnost pláště kabelů

10 Elektrická pevnost izolace n n Základní parametr pro výběr vodiče Tepelné namáhání izolace dlouhodobě snižuje její el. pevnost

11 Příklady vodičů

12 Příklady vodičů

13 Uložení vodiče Zajišťuje: n Mechanickou podporu musí odolat účinkům sil zkratových proudů, u venkovních vedení námraze, větru, vlastní hmotnosti vodiče n n Mechanickou ochranu vodiče, případně i chemickou Zhoršuje odvod tepla z vodiče do okolí Při plánování trasy vodičů se vyhýbáme překážkám – v případě ohrožení vodiče použijeme ochrannou instalační trubku, vedení ukládáme zásadně vodorovně a svisle

14 Způsoby uložení kabelů

15 Příklady uložení vedení Pod omítku Dvojitá podlaha Do panelů Instalační lišty Mřížové žlaby Podlahové lišty Venkovní vedení

16 Postup návrhu podle ČSN 33 2000 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Výpočet proudu v obvodu Výpočet průřezu vodičů Výpočet hospodárnosti průřezu Volba jisticího přístroje k uvažovanému proudu Výpočet zkratových proudů, kontrola max. a min. zkratových proudů Ověření funkčnosti ochrany samočinným odpojení Ověření úbytku napětí Ověření selektivity jisticích prvků

17 Výpočet proudu obvodu/vedení Výpočtový proud vedením Ib: n Součet proudů připojených spotřebičů Návrh bez korekcí je značně nehospodárný, zatížení ve skutečném provozu by bylo malé n Při výpočtu z výkonů počítáme se zdánlivým příkonem n Odběry násobíme součinitelem využití n Odběry násobíme součinitelem současnosti n Výsledek přizpůsobíme součinitelem dalšího rozšiřování n Při malém počtu připojených zařízení (4) a nejnižším dovoleným napětím v síti (230 V – 10 %) spotřebiče často neodebírají svůj jmenovitý příkon. kb = 1 osvětlení, tepelné spotřebiče; kb = 0, 75 motory všechny spotřebiče nejsou zapnuty najednou. ks = 1 osvětlení, vytápění, klimatizace; ks = 0, 1 až 0, 2 zásuvkové obvody; ks = 0, 7 čerpadla, ventilátory Počítáme s rozvojem instalace. kr = 1, 2 pro průmyslové instalace musíme dimenzovat na součet zdánlivých příkonů = bez součinitele využití a současnosti Ib = k b. k s. kr. In tabulky koeficientů v literatuře, normách

18 Oteplení vodiče Určuje hospodárnou životnost vodiče nebo kabelu, závisí na použitých materiálech izolace a vodič a na podmínkách provozu n Proudové zatížení vodiče omezeno Jouleovým teplem a odvodem tepla do okolí, pro volné vodiče se používají proudové hustoty JCu = 12 A/mm 2; JAl = 8 A/mm 2, v praxi se používají tabulky proudových zatížitelností jednotlivých typů kabelů n Způsob uložení vodiče n Teplota prostředí (včetně slunečního záření) n Vedení více vodičů paralelně brání v odvodu tepla, opět se používá koeficientu pro snížení proudové zatížitelnosti daného průřezu tabulky zatížitelnosti jsou pro 30 °C, pro jiné teploty se používají opravné koeficienty vodiče se navzájem ohřívají, řeší se opět koeficientem

19 Jmenovité hodnoty proudové zatížitelnosti podle způsobu uložení pro 30 °C DIN VDE 0298, ČSN 33 200 -5 -523

20 Přepočítávací koeficient teploty Odolnost izolačních materiálů

21 Přepočítávací koeficient sdružování kabelů

22 Postup návrhu průřezu z oteplení vodiče 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Výpočet proudu obvodu Určení okolní teploty vodiče – vyhledání koeficientu f 1 Vyhledání koeficientu paralelně vedených (sdružených) vodičů f 2 Korekce proudu obvodu Ib’ = f 1. f 2. Ib Určení způsobu uložení Určení konstrukce kabelu Vyhledání průřezu žil z tabulky zatížitelnosti

23 Výpočet hospodárnosti průřezu n Jde o kontrolu návrhu průřezu z ekonomického hlediska n Kontroluje se je-li doba plných ztrát >1000 h/rok a životnost zařízení >10 let Doba plných ztrát tz n n n Jde vlastně o poměr mezi investicí do většího průřezu a ztrát ve vodiči za celou dobu jeho života. = doba po kterou bychom dodávali maximální ztrátový výkon přepočítaná z proměnlivého zatížené T. . Sledované období (h) x. . Zatěžovatel Istř/Imax (-) I. . Zatěžovací proudy (A) S. . Hospodárný průřez (mm 2) Ib. . Výpočtový proud (A) K. . Součinitel druhu vodiče Druh vedení / Součinitel k (mm 2 A-1) Cu Al Holé přípojnice 0, 006 0, 014 Chráněné kabely a vodiče do 1 k. V a do 16 mm 2 0, 006 0, 0129 Chráněné vodiče a kabely do 10 mm 2, vodiče v instalačních trubkách 0, 053 0, 009

24 Ochrana proti přetížení nutná: Volba jisticího prvku • Ovládací obvody • Sekundární obvody proudových transformátorů • Bezpečnostní obvody • Veřejné rozvodné sítě Vedení musí být chráněno před přetížením – riziko požáru 1. 2. 3. Zamezit spuštění ochrany při bezchybném stavu zařízení In > Ib jmenovitý proud jističe je větší jak výpočtový proud Vypínací proud jističe Ia musí být menší jak mezní hodnota proudové zatížitelnosti vodiče IZmax < 1, 45 Ia a větší jak minimální zkratový proud vodiče Kontrola vypínací schopnosti jističe = není překročen maximální proud, který je jistič schopen vypnout u standardních jističů nn je 6 -10 k. A 4. Kontrola doby vypnutí t

25 Výpočet zkratových proudů ČSN 33 2000 čl. 434. 2 a 533. 3 Maximální zkrat. proud se ověřuje pro: Průběh zkratového proudu Vypínací schopnosti ochranného přístroje n Překročení dovoleného namáhání vodičů – teplené, silové Počítá se z maximálního napětí v síti a minimální impedanci (nejkratší vodič, nejnižší teplota) n Minimální zkrat. proud se ověřuje: Je-li ochranný prvek schopen odpojit vedení i při nejvzdálenějším zkratu n Není překročeno tepelné namáhání vodičů Počítá se s nejnižšího napětí v síti a maximální impedanci (nejdelší část vedení, nejvyšší teplota) n Počáteční rázový zkratový proud Ik’’ c. Un/ 3. . Ekvivalentní napěťový zdroj v místě zkratu Zk. . Zkratová impedance c. . Napěťový součinitel (pro síť nn je c = 1) Maximální zkratový proud (první vrchol po vzniku zkratu) Ikm k. . Činitel druhu sítě k = 1. 02 + 0. 98 e-3 R/X (v síti nn k = 1. 8)

26 Výpočet zkratových proudů 2 n n n Existuje několik metod výpočtů Hodnotu v místě připojení sdělí dodavatel el. energie Je dána distribučním transformátorem a vedením od něj Zkratový proud v podstatě s jmenovitým napětím udává zkratovou impedanci sítě Zk Zkratový proud v místě zapojení ochranných prvků přibližně vypočteme jako součet impedance sítě a impedance vedení od místa připojení (přiblížení předpokládá odporovou zátěž a nezohledňuje fázové posuvy) Přibližné hodnoty zkratových proudů distribučních trf. P (k. VA) 63 80 100 160 250 400 630 1000 1600 Ik (k. A) 2, 3 2, 8 3, 4 5, 5 8, 6 10 16 22 37

27 Zkratová odolnost kabelů a vodičů n n n Zkrat vyvolá proud několikanásobně větší než je trvalá zatížitelnost vedení. Teplo ve vodiči se vyvine tak rychle, že se nestačí odvést do okolí. I krátkodobé překročení mezní teploty může poškodit izolací. Izolace za vyšší teploty mění mechanické vlastnosti, je pružnější, v extrémních případech viskózní. Mechanické namáhání, např. v ohybech, pak způsobí změnu polohy vodičů a způsobí oslabení izolace Výpočtem ověříme jak dlouhou dobu trvání t může mít zkrat pro daný průřez I. . Zkratový proud S. . Průřez vodiče t. . Doba trvání zkratu (rychlost reakce ochrany) k. . Konstanta zahrnující vlastnosti vodiče a dovolené max. oteplení Koeficienty materiálu vodiče k pro Al k pro Cu Vodič s izolací PVC 74 115 Vodič s pryžovou izolací 87 135

28 Ověření funkčnosti ochrany samočinným odpojením n V případě poruchy, kdy dojde k průniku napětí na neživou část je třeba odpojit obvod v krátkém čase ČSN 33 2000 čl. 413. 1. 1. 1 Jmenovité fázové napětí Uo (V) 230 400 >400 n Doba odpojení t 0 (s) Normální prostory UL = 50 V 0, 4 0, 2 0, 1 Nebezpečné prostory UL = 25 V 0, 2 0, 05 0, 02 Poruchový proud je Ip = U 0/Zs U 0. . Jmenovité fázové napětí Zs. . Impedance poruchové smyčky n Jistič: n Pojistka: Kontroluje se podle vypínací charakteristiky Při daném průřezu omezuje maximální délku kabelu n vypínací proud okamžité funkce jističe Ia (elektromagnetická spoušť) musí být menší než poruchový proud Ia < Ip, samotná reakce je pak rychlá (5 ms)

29 Ověření úbytku napětí n Je třeba zajistit, aby spotřebiče dostávali el. energii potřebné kvality n Výpočet z podélné impedance vodiče a komplexního zatěžovacího proudu v pásmu dovolených odchylek napětí = úbytek napětí na vedení snižuje napětí v místě spotřeby r. . Rezistivita (Wmm 2 m-1) l. . Délka vodiče (m) S. . Průřez vodiče (mm 2) I. . Proud v jednom vodiči (A) Uf, Us. . Fázové/sdružené napětí (V) cos fi. . Účiník (-) P. . Výkon přenášený po vedení (W) n n jednofázový 3 fázový Od roku 2003 je jmenovité napětí sítě v ČR 230 V ± 10 % tj. 207 – 253 V Výjimečně může být úbytek větší např. rozběh velkých motorů, ale musí být zajištěn rozběh a funkce ostatních zařízení připojených ke stejnému rozvodu Dovolený úbytek je 3 % pro světelné obvody a 5 % pro ostatní Při daném průřezu omezuje maximální délku kabelu

30 Ověření selektivity jisticích prvků n Porucha nemá vyřadit jiný než poruchový obvod ČSN 33 2000 -3 čl. 314 Jistící prvky se umisťují tam, kde je změna průřezu vodičů Existují grafy max. tepelného zatížení vodičů (obdoba charakteristiky pojistky), které se zahrnují do kontroly selektivity – obdoba kontroly na maximální oteplení n Selektivitou se budeme zabývat příště n n

31 Barevné značení vodičů n Důležitý bezpečnostní prvek, omezuje chyby při instalaci Barvy kabelových plášťů Silový kabel <1 k. V Černá Silový kabel >1 k. V červená Důlní zařízení Žlutá Zabezpečovací obvody Světle modrá Stejnosměrná soustava Střídavá soustava Kladný pól L+ Tmavě červená Pracovní vodič L 1, L 2, L 3 Černá, hnědá, šedá Záporný pól L- Tmavě modrá Střední vodič M Světle modrá Ochranný vodič PE Zelenožlutá Ochranný vodič PE Zelenožludá Nulovací vodič PEN Zelenožlutá

32 Návrh středních a ochranných vodičů n Střední vodiče n Ochranný vodič pro vedení vyšších proudů mohou mít menší průřez než vodiče fázové – proud středním vodičem nesmí přesáhnout max. zatěžovací proud použitého vodiče = pouze při zaručení symetrického zatížení 3 f soustavy - kontroluje se tepelné namáhání minimálním zkratovým proudem

33 Literatura Rozvody: n n n FENCL, František. Elektrický rozvod a rozvodná zařízení. Skriptum FEL-ČVUT v Praze. Česká technika – nakladatelství ČVUT. 2006. ISBN 80 -01 -02771 -6 [UKN] HÄBERLE, Heinz; kol. Průmyslová elektronika a informační technologie. Europa – Sobotáles cz. Praha, 2003. ISBN 80 -86706 -04 -4 [UKN] BASTIAN, Peter; kol. Praktická elektrotechnika. Europa – Sobotáles cz. Praha, 2004. ISBN 80 -86706 -07 -9 [UKN] KŘÍŽ, Michal. Dimenzování a jištění elektrických zařízení – tabulky a příklady. INEL. Praha, 2001. ISBN 80 -86230 -21 -X [UKN] Lapp. Group – výrobce kabelů: http: //www. lappgroup. cz/10/cz/katalog/technicke_tabulky/index. html UKN – Univerzitní knihovna TU v Liberci

34 Příště n n n Teorie el. ochran, rozdělení, značení Selektivita jištění Modelové příklady