Lucrare de disertație [309065]

Lucrare de disertație

Proiectarea asistată de calculator a [anonimizat].dr.ing Mihai Octavian POPESCU

Student: [anonimizat]

2016

Cuprins

1. Noțiuni introductive 4

1.1. Instalația electrică 5

1.2. Instalații de legare la pământ 13

1.3. Instalatia de paratrasnet 24

2. Proiectarea instalației de forță 27

3. Proiectarea instalației de iluminat 34

4. Determinarea căderilor de tensiune 37

4. 1 Determinarea coloanei de alimentare 38

4.3 Schema de distributie electrica monofilara 39

4.4 Sumar de calcul rezultat in urma proiectarii in Ecodial 43

5. Instalatia de legare la pământ si protectie impotriva loviturilor de trasnet 52

5.1. Calculul prizei de pământ 52

5.2 Determinarea necesitatii prevederii instalatiei de paratrăsnet 54

6. Concluzii 59

7. Bibliografie 61

ANEXE 62

Noțiuni introductive [1]

[anonimizat].

[anonimizat], [anonimizat] [10].

[anonimizat] a acestora, efectuarea de stagii practice și proiectarea unor astfel de instalații. [anonimizat].

[anonimizat] ([anonimizat], Matcad) pentru calcul unei instalatii de joasa tensiune si verificarea acestor calcule cu un program specializat de dimensionare (ABB doc de la firma ABB sau Ecodial al firmei Schneider), a unei instalatii de legare la pamant si a unei instalatii de paratrasnet.

Sistemul electroenergetic

Sectoarele sistemul electroenergetic sunt următoarele :

a. Producerea energiei electrice cuprinde generatoarele și circuitele primare.

b.Transportul energiei electrice include următoarele :

-[anonimizat] (ridicătoare de tensiune și coborâtoare la tensiunea de distribuție);

-rețelele electrice de 110kV, 230kV, 400kV și 750 kV.

c. Distribuția energiei electrice cuprinde:

-[anonimizat];

-rețelele electrice cu tensiuni de (0,4…20) kV

Utilizarea energiei electrice se referă la:

-[anonimizat];

– [anonimizat] (interioare sau/și exterioare) de 0,4 și 6 kV, până la consumator (utilaje, agregate, [anonimizat] ș.a.).

d. Consumul cuprinde totalitatea receptoarelor electrice și se delimitează de utilizare după cum urmează:

-cutiile de borne ale tablourilor de utilaj;

-priza (monofazată sau trifazată) de alimentare a utilajelor;

-bornele aparatelor de iluminat;

-captatorul de curent la mijloacele de transport electric;

Totalitatea elementelor de rețea (linii, aparate, etc…) care se interpun intre sursa si un element alimentat constitue ceea ce se numește o cale de alimentare. [1]

Figura 1.1 Componentele sistemului de alimentare[2]

1.1 Instalația electrica

Instalația electrica este ansamblul de echipament electric interconectat in cadrul unui spațiu dat sau al unei zone precizate. Localizarea si interconectarea intr-un anumit scop funcțional constitue cele doua criterii inseparabile pentru delimitarea unei instalații[4].

Instalația electrica are deci doua componente de baza:

– echipamente electrice, cu o anumita destinație funcționala

– canale conductoare (linii), care servesc pentru dirijarea energiei electrice si pentru interconectarea echipamentelor

In funcție de intensitatea curentului si de destinație (receptoarele alimentate), instalațiile electrice se pot clasifica in:

Instalații de curenți “tari” [3]:

– instalații de putere (“forța”), cuprinzând echipamente destinate nemijlocit aplicării energiei electrice (producere, transport, distribuție, consum) in scop util: producerea de lucru mecanic, căldura, procese electrochimice

– instalații de iluminat electric

– instalații de automatizare, măsura si control

– instalații pentru compensarea puterii reactive

– instalații pentru reducerea regimului deformant

– instalații de protecție împotriva socului electric [3]

1.1.2 instalații de curenți “slabi” [3]:

– instalații de telecomunicații

– instalații de detectare automata si de alarma:

– instalații de telesupraveghere a funcționarii instalațiilor de curenți “tari” din clădiri

– instalații de ceasoficare

– instalații de telecomanda si telemăsurare.

1.1.3 Echipamentul electric

Echipamentul electric cuprinde elementele sau unitățile funcționale complexe care intervin in fluxul de energie electrica: producere, transport, distribuție, stocare, conversie, măsurare si consum (utilizare) ca:

– elemente indispensabile (de baza) in lanțul de transfer (alimentare)

– elemente auxiliare (suplimentare), care asigura funcționarea corecta, la parametrii si secvențe precizate, a elementelor de baza sau/si protecția adecvata, in cazul apariției unor disfunctionalitati.

Echipamentele electrice constau in: mașini electrice (generatoare si motoare), transformatoare (de putere si de măsura), convertoare (electromecanice sau statice), aparate electrice (de comutație, de protecție, de măsura), diverse dispozitive ( de semnalizare, de acționare, electromagneți), elemente de conexiune (tablouri de distribuție, doze de ramificație, prize) [8].

1.1.4 Elemente componente

Elemente componente ale unui circuit sunt, in principiu: sursa de alimentare cu energie electrica, elementul alimentat (consumatorul) si linia de legătura intre sursa si elementul alimentat.

Sursa de energie poate fi:

– sursa primara, bazata pe transformarea altei forme de energie

– generator (mașina electrica)

– pila (acumulator)

– sursa secundara, bazata pe modificarea parametrilor energiei electrice (secundarul unui transformator)

– “pseudosursa” – tensiunea electrica disponibila la barele unui punct de distribuție

– o priza de curent [7].

Linia electrică, reprezentând ansamblul elementelor prin care se asigură transferul de energie între sursă și elementul alimentat, distribuția în diferite direcții, închiderea/deschiderea circuitului , protecția circuitului (receptor și linie), măsurarea parametrilor electrici, conține:

– conductoare (izolate)/cabluri/bare;

– dispozitive de conexiune (doze de ramificație, cutii de derivație, borne), care realizează un contact fix;

– elemente de cablare, fixare și/sau protecție față de mediu (tuburi, țevi), cu accesoriile aferente;

– aparate de comutație, destinate manevrelor de închidere-deschidere a circuitelor;

– aparate de protecție împotriva supracurenților, destinate atât elementului alimentat cât și celorlalte elemente de pe linie;

– aparate de măsură, comandă și supraveghere.

Linia este caracterizată prin impedanța sa Zl, de regulă mult mai mică decât impedanțele sursei și elementului alimentat, determinând practic, împreună cu impedanța sursei, valoarea curentului de scurtcircuit și căderea de tensiune în rețea până la bornele receptorului, unde tensiunea are valoarea U < Us : Isc = U0/Zs+Zl; U = U0 – U= IZs+Zl.[7]

Elementul alimentat (consumatorul), constituind sarcina circuitului, poate fi:

– receptor simplu;

– receptor complex (echipament, unitate funcțională);

– punct de distribuție a energiei;

– transformator.

Tensiunea U a bornele elementului alimentat este inferioară tensiunii secundare a sursei, datorită căderii de tensiune pe linia de alimentare.

Receptorul simplu este caracterizat prin :

– parametrii funcționali nominali: Pn, Un,;

– abaterile admisibile de la tensiunea nominală;

– impedanța nominală (impedanța de utilizare) Zu; nu se indică direct, rezultând în concordanță cu parametrii nominali și determinând practic valoarea intensității curentului și a puterii absorbite la alimentarea din rețea: In U/Zu ( Zu>>Zs , Zu >>Zl).

Punctul de distribuție sau receptorul complex este caracterizat prin:

– puterile cerute activă și reactivă Pc și Qc (inferioare puterii instalate – puterea totală a receptoarelor alimentate);

– curentul nominal al "sosirii" (linie și bare la care se racordează "plecările" spre elementele alimentate) In. [7]

1.1.5 Schemele rețelelor electrice de joasă tensiune

Se consideră o instalație electrică destinată să alimenteze, în final, un anumit număr de receptoare de joasă tensiune, amplasate în diferite poziții în zona aferentă, conform necesităților de utilizare.

În schemele în care stația de primire este alimentată dintr-o singură sursă, energia electrică este transmisă spre receptoare într-un singur sens, printr-o rețea care se ramifică succesiv, pe măsura apropierii de receptoare, la diferite niveluri în structura sistemică a instalației, permițând dirijarea energiei electrice în diferite direcții și la diferite elemente alimentate. Ramificarea se realizează cu ajutorul unor echipamente prefabricate specializate, numite puncte de distribuție, situate în nodurile corespunzătoare ale rețelei.

Fiecare punct de distribuție este constituit, ca echipament de putere ("forță") din:

– o sosire, direct de la o sursă secundară sau de la un punct de distribuție precedent;

– mai multe plecări, spre alte puncte de distribuție sau elemente alimentate;

– un sistem de bare alimentate prin sosire și din care se execută derivațiile pentru plecări. [1]

Un punct de distribuție mai poate conține circuite suplimentare de comandă, semnalizare, măsură etc. Curentul nominal al sosirii este considerat drept curent nominal al punctului de distribuție respectiv.

Ca regulă generală, fiecare plecare trebuie să fie prevăzută cu un aparat de protecție la scurtcircuit (siguranță fuzibilă sau întreruptor de putere automat), plasat imediat după conexiunea la bare, care să acționeze la un scurtcircuit care s-ar produce în orice loc pe linia dintre punctul respectiv și următorul element alimentat. De asemenea, fiecare sosire trebuie prevăzută cu un aparat de comutație, care să realizeze cel puțin funcția de separator, permițând izolarea față de rețeaua din amonte, după deconectarea sarcinii din aval. Excepțiile sunt prevăzute în normative. [3]

La consumatorii care solicită din rețea puteri mici, alimentarea se face direct din rețeaua zonală de JT (aeriană sau subterană) a furnizorului, printr-un branșament care face legătura între linia de alimentare și contorul de energie al consumatorului, situat în amonte de tabloul general sau la intrarea în tablou. De regulă, contorul aparține furnizorului.

Consumatorii de puteri mai mari sunt alimentați din rețeaua de medie tensiune a furnizorului, printr-un racord care conține un post de transformare. Postul de transformare conține 1-2 transformatoare (10/0,4 kV sau 20/0,4 kV), având înfășurarea secundară în stea, cu neutrul accesibil (4 borne), precum și echipamentul de comutație și de protecție aferent, atât pe partea de MT, cât și pe partea de JT. Secundarul transformatorului alimentează tabloul de distribuție general, care poate fi chiar înglobat în postul de transformare [11].

Celelalte puncte de distribuție pot fi:

– tablouri de distribuție de tip panou, dulap, din cutii echipate etc., clasificate, după intensitatea curentului sosirii, în tablouri principale (In 600 A) și tablouri secundare
(In 300 A);

– canale prefabricate de bare (un sistem de 4 bare într-o incintă de protecție), realizate ca tronsoane care pot fi îmbinate și prevăzute cu posibilitatea efectuării de derivații pentru ramificații. În funcție de intensitatea curentului nominal, canalele pot fi canale magistrale și canale de distribuție.

În practică, circuitele electrice care alimentează puncte de distribuție sunt denumite coloane, termenul de circuit fiind consacrat pentru alimentarea fiecărui receptor sau echipament de la ultimul punct de distribuție [11].

Circuite electrice de joasă tensiune :

– individuale, pentru fiecare receptor (în sens restrâns);

– comune, pentru mai multe receptoare, cu protecție unică la scurtcircuit:

– circuit de iluminat;

– circuit de prize;

– circuit de utilaj;

– circuit pentru mai multe motoare similare, cu puterea totală până la 15 kW.

Tipuri de scheme:

Scheme radiale

Fiecare punct de distribuție, utilaj sau receptor este alimentat printr-o linie separată, care pleacă de la un punct de distribuție central (fig. 1.2).

Aceste scheme prezintă avantajul siguranței în alimentare; un defect pe o linie provoacă scoaterea de sub tensiune, prin funcționarea aparatului de protecție respectiv, numai a liniei afectate, restul instalației rămânând în funcțiune.

Figura 1.2 Scheme radiale[5]

Dezavantajele schemelor sunt:

– investiții mari;

– consum ridicat de material conductor;

– număr mare de plecări din punctele de distribuție (creșterea gabaritului).

Se recomandă în cazul:

– coloanelor de alimentare a tablourilor de distribuție sau al unor canale de bare de distribuție secundare;

– utilajelor cu receptoare de puteri mari, alimentate direct din tabloul general sau dintr-un canal magistral;

– utilajelor cu receptoare de puteri mici și mijlocii, alimentate din tablouri secundare sau din bare de distribuție;

– utilajelor și receptoare dispersate;

– utilajelor, receptoare și instalații importante, pentru care riscul de întrerupere a alimentării trebuie să fie minim.

Scheme cu linii principale sau magistrale.

Se prevede câte o plecare într-o anumită direcție, care trece prin apropierea unor utilaje /receptoare sau grupuri de utilaje/receptoare, care se alimentează apoi, de regulă, în derivație (fig1.3).

Figura 1.3 Scheme cu linii principale sau magistrale[5]

Avantajele constau în:

– consum redus de material conductor;

– derivații din mai multe locuri;

– număr redus de plecări din punctele de distribuție.

Dezavantajul este siguranța mai mică în exploatare, deoarece un defect pe linia principală antrenează întreruperea alimentării tuturor derivațiilor din linie.

Utilizarea acestor scheme se recomandă pentru:

– utilaje grupate, la distanțe relativ mici, linii tehnologice;

– distribuția în canale de bare.

c. Scheme mixte:

– scheme radiale pentru:

– utilajele/receptoarele dispersate;

– echipamentele/receptoarele importante;

– scheme magistrale pentru utilajele grupate.

1.1.6 Conductoarele rețelei de distribuție

Conductoarele active ale rețelei sunt:

a. conductoarele de linie (fază): L1, L2, L3;

b. conductorul neutru (nul de lucru) N – care servește drept :

– conductor pentru alimentarea receptoare monofazate;

– cale de închidere a circuitului curenților de dezechilibru din rețea, (inclusiv armonicele multiplu de 3);

– conductorul de protecție PE – destinat exclusiv protecției prin legare la pământ și legare la nul, servind pentru racordarea elementelor conductive neaflate în mod normal sub tensiune, cu alte elemente conductive similare, cu prizele de pământ sau cu punctul neutru al sursei de alimentare;

– conductorul combinat PEN, îndeplinind ambele funcții (neutru și de protecție) pe o porțiune definită a rețelei.

Din punct de vedere tehnic, se pot folosi:

– conductoare izolate, montate în tuburi sau țevi de protecție, cu accesoriile aferente pentru derivații (doze, cutii) și îmbinare (manșoane, mufe, coturi, curbe) [5];

– cabluri;

– bare neizolate.

a. Conductorul metalic este o cale unică de curent, formată din unul sau mai multe fire.

Drept material se recurge la cupru (Cu) sau aluminiu (Al) – a căror conductivitate este ridicată (Cu > Al).

Avantajele cuprului sunt: consum mai mic, la aceeași solicitare termică (aceeași sarcină); cădere de tensiune mai mică pe rețea; conexiuni mai sigure (prin lipire); rezistență mecanică mai mare.

Ca execuție, conductorul poate fi: unifilar/multifilar; rigid/flexibil.

Forma secțiunii poate fi: circulară; dreptunghiulară; alte forme geometrice (de exemplu, sector de cerc, elipsă).

Secțiunea conductoarelor utilizate în instalațiile electrice are valori normalizate, exprimate în mm2. La cablurile polifazate, cu conductor neutru și/sau de protecție, secțiunea conductorului respectiv se adoptă:

– egală cu secțiunea conductorului de linie, pentru s 16 mm2;

– valoarea normalizată cea mai apropiată de jumătate din secțiunea conductorului de linie, pentru s 25 mm2.

Secțiunea conductoarelor este determinată de:

– solicitarea termică, la trecerea curentului electric, astfel încât să nu fie pusă în pericol durata de viață a izolației conductorului ;

– căderea de tensiune admisibilă în rețea, pentru sarcini de durată și de scurtă durată ;

– solicitările electromecanice, datorate curenților de scurtcircuit;

– impedanța maximă necesară pentru a permite funcționarea protecției, în caz de scurtcircuit și în cazul protecției împotriva electrocutării prin legare la nul[5].

Tabelul 1.1 Valorile normalizate ale secțiunii conductoarelor (mm2)

b. Conductorul izolat (conductor, conductă) este constituit (fig.1.4) dintr-un conductor metalic și izolație din PVC, cauciuc sau polietilenă (eventual, o manta).

Figura 1.4 Conductorul izolat[5]

c. Cablul (fig. 1.5) este un ansamblu de : conductoare izolate (separate din punct de vedere electric, dar solidare mecanic), învelișuri și, eventual, ecrane.

Învelișurile servesc fie pentru protecție contra acțiunilor chimice, fizice, mecanice: (armături metalice, manta – înveliș de protecție etanș, exterior), fie pentru solidarizarea ansamblului.

Figura 1.5 Cablul[5]

Ecranele sunt destinate protecției circuitelor față de acțiunea câmpului electric și magnetic exterior sau împiedicării acțiunii câmpului conductoarelor asupra mediului înconjurător.

După destinație, cablurile se clasifică în: cabluri de energie, cabluri de comandă, cabluri de semnalizare.

d. Barele neizolate, cu secțiune dreptunghiulară se folosesc drept:

– cale de curent pentru curenți intenși, pentru racordarea echipamentelor în rețea, în zone inaccesibile personalului necalificat ca, de exemplu, legătura între tabloul general și transformator, în postul de transformare sau conexiuni între echipamente, în zone protejate.

– bare "colectoare" – în cadrul tablourilor de distribuție, la care se racordează sosirea și plecările, în cadrul schemelor radiale.

– canale din bare protejate/capsulate, prefabricate (fig. 1.6), sub formă de tronsoane, inclusiv elementele de îmbinare, derivație și montaj: canal magistral, canal de distribuție, cutii de ramificație, cutii de colț, cutii de siguranțe, cutii de dilatare[5].

Figura 1.6 Barele neizolate, cu secțiune dreptunghiulară[5]

Instalații de legare la pământ

Instalația de legare la pământ, numită câteodată mai simplu „pământare”, reprezintă totalitatea măsurilor adoptate pentru conectarea la pământ a componentelor electrice conductoare. Această instalație este o componentă importantă a rețelelor de alimentare cu energie electrică, atât la nivelul de MT cât și la JT. O bună instalație de legare la pământ este necesară pentru:

-protecția clădirilor și instalațiilor împotriva loviturilor de trăsnet;

-securitatea vieții oamenilor și animalelor prin limitarea tensiunilor de atingere și de pas la valori de siguranță;

-asigurarea compatibilității electromagnetice (CEM), respectiv limitarea perturbațiilor electromagnetice;

-funcționarea corectă a rețelei de alimentare cu energie electrică și asigurarea unei calități corespunzătoare a energiei furnizate.

Toate aceste funcțiuni sunt asigurate de o instalație unică de legare la pământ care trebuie proiectată pentru a îndeplini toate cerințele. Anumite elemente ale acestei instalații pot fi dedicate satisfacerii unor cerințe specifice dar ele sunt totuși parte a unei unice instalații de legare la pământ. Standardele impun ca toate măsurile privind legarea la pământ dintr-o instalație să fie interconectate, formând un sistem unic.

1.2.1 Definiții de bază

Sistemul sau instalația de legare la pământ reprezintă totalitatea mijloacelor și măsurilor prin care părți ale unui circuit electric, părți conductoare care pot fi accesibile ale unui echipament electric (părți conductoare expuse) sau părțile conductoare din vecinătatea unei instalații electrice (părți conductoare externe) sunt conectate la pământ.

Priza de pământ este un conductor metalic sau un ansamblu de conductoare metalice interconectate sau alte părți metalice acționând în aceeași manieră, îngropate în pământ și conectate electric la acesta sau introduse în beton care are o suprafață mare în contact cu pământul (de exemplu, fundația unei clădiri).

Conductorul de legare la pământ este un conductor care asigură conectarea la priza de pământ a unei părți a unei instalații electrice, a elementelor conductoare expuse sau părți conductoare externe sau interconectează electrozi ai prizei de pământ. Conductorul de legare la pământ este montat în aer sau, dacă este îngropat în sol, se izolează față de acesta.

Pământul de referință (zona de potențial nul) este o parte a solului, în particular la suprafața acestuia, localizată în afara sferei de influență a prizei de pământ considerate, adică zona în care între două puncte arbitrare nu există o diferență de potențial perceptibilă, rezultată în urma trecerii prin priză a unui curent de punere la pământ. Potențialul pământului de referință este întotdeauna presupus a fi egal cu zero.

Fig. 1.7 Schemă ilustrând sensul fizic al rezistivității solului ρ

1.2.2 Proprietățile electrice ale solului

Proprietățile electrice ale solului sunt caracterizate prin rezistivitatea ρ a acestuia. În ciuda definiției relativ simple a rezistivității ρ, prezentată anterior, determinarea valorii acesteia este adesea dificilă din două motive:

solul nu are o structură omogenă ci este format din straturi de materiale diferite

rezistivitatea unui anumit sol variază în limite largi (tabelul 1) și este puternic dependentă de gradul de umiditate.

Tabelul 1 – Rezistivitatea solului ρ pentru diferite tipuri de sol și beton [21]

Calcularea rezistenței solului presupune o bună cunoaștere a proprietăților acestuia, în particular a rezistivității. Ca urmare, variația în limite largi a rezistivității ρ constituie o mare problemă. În multe situații practice se acceptă o structură omogenă a solului, cu o valoare medie a rezistivității ρ, aceasta fiind estimată pe baza unor analize ale solului sau a unor măsurători. Există tehnici elaborate pentru măsurarea rezistivității solului. Un aspect important este ca distribuția curentului în straturile de sol, existentă în timpul măsurătorilor, să o simuleze cât mai fidel pe cea a instalației finale. În consecință, rezultatele măsurătorilor trebuie întotdeauna interpretate cu precauție. Dacă nu se dispune de informații reale asupra valorii lui ρ, se acceptă valoarea prezumată ρ =100 Ωm. Totuși, așa cum se indică în tabelul 1, valorile reale pot fi foarte diferite, astfel încât trebuie avute în vedere teste de verificare în instalația finală, împreună cu o estimare a variațiilor posibile determinate de condițiile climatice și de uzura în timp.

O altă problemă la determinarea rezistivității solului o reprezintă conținutul de umiditate care se poate schimba în limite largi, depinzând de amplasarea geografică și de condițiile atmosferice, de la o valoare nesemnificativă a umidității, pentru regiunile deșertice până la valori de circa 80 % pentru regiunile mlăștinoase. Rezistivitatea solului depinde în mod semnificativ de acest parametru. În figura 2 este indicată dependența dintre rezistivitate și umiditate pentru argilă. Se poate observa aici că, pentru valori ale umidității mai mari de 30 %, modificările rezistivității ρ sunt foarte lente și practic nesemnificative. Totuși, când solul este uscat, respectiv valori ale umidității relative h mai mici de 20 %, rezistivitatea crește foarte rapid.

Fig.1.8 – Rezistivitatea solului ρ, pentru argilă, în funcție de umiditatea relativă h a solului

În regiunile cu climă temperată, de exemplu în țările europene, rezistivitatea solului se modifică în timpul anotimpurilor datorită dependenței rezistivității de umiditatea solului. Pentru Europa, această dependență are o formă aproximativ sinusoidală, valoarea maximă a rezistenței prizei de pământ fiind atinsă în februarie, iar valoarea minimă în august. Valorile medii sunt obținute în lunile mai și noiembrie. Valoarea din februarie este cu aproximativ 30 % mai mare decât valoarea medie, în timp ce în august ea este cu circa 30 % mai mică decât media [21].

Trebuie reamintit că efectul înghețului este similar cu cel al secetei – rezistivitatea crește în mod semnificativ.

Din aceste motive, calculul rezistenței solului și proiectarea prizei pot fi realizate numai până la un nivel limitat de acuratețe.

Proprietățile electrice ale instalației de legare la pământ

Proprietățile electrice ale instalației de legare la pământ depind în mod esențial de doi parametri:

rezistența prizei de pământ;

configurația prizei de pământ.

Rezistența prizei de pământ determină relația dintre potențialul prizei VE și valoarea curentului de punere la pământ. Configurația prizei de pământ determină repartiția potențialului la suprafața solului, urmare a trecerii curentului spre pământ. Repartiția potențialului la suprafața solului reprezintă un element important în evaluarea gradului de protecție împotriva șocurilor electrice, întrucât ea determină tensiunile de atingere și de pas. Aceste probleme vor fi discutate pe scurt în continuare.

Rezistența prizei de pământ are două componente:

rezistența de dispersie RD, care este rezistența solului între priza de pământ și zona de potențial nul

rezistența RL a părților metalice ale prizei de pământ și ale conductorului de nul de protecție.

Rezistența RL este, în mod uzual, mult mai mică decăt rezistența de dispersie RD. Ca urmare, rezistența prizei de pământ este considerată a fi egală cu rezistența de dispersie RD. În literatura de specialitate, rezistența prizei de pământ este denumită frecvent rezistență de dispersie.

Fiecare legare la pământ asigurată de furnizor apare ca fiind conectată în paralel cu prizele locale și se poate presupune cu siguranță că va avea o impedanță mai mică pentru frecvența fundamentală și armonicile acesteia. Totuși, disponibilitatea și caracteristicile acestei căi sunt în afara controlului proiectanților și, ca urmare, ea nu va fi luată în considerare în proiectarea instalației de legare la pământ care trebuie să corespundă cerințelor impuse prin caracteristicile proprii.

1.2.4 Rezistența prizei de pământ și distribuția potențialelor

În circuitele de tensiune alternativă trebuie considerată în principal impedanța de legare la pământ ZE, care este impedanța dintre instalația de legare la pământ și pământul de referință la frecvența de lucru dată. Reactanța instalației de legare la pământ este dată de reactanța conductorului de legare la pământ și a părților metalice ale prizei de pământ. La frecvențe mici – frecvența rețelei și armonicile asociate – reactanța este, de obicei, neglijabilă în comparație cu rezistența prizei de pământ, dar ea trebuie luată în considerare la frecvențe ridicate, așa cum este cazul regimului tranzitoriu determinat de o lovitură de trăsnet. Astfel, pentru frecvențe mici, se consideră că impedanța de legare la pământ ZE este egală cu rezistența de dispersie RD care, la rândul ei, este presupusă a fi egală cu rezistența prizei de pământ, R:

ZE ≈RD ≈ R (1.1)

Rezistența R a unei prize de pământ depinde de rezistivitatea solului ρ precum și de configurația prizei. Pentru a obține valori scăzute ale rezistenței R, densitatea curentului care se scurge de la electrozii metalici spre pământ trebuie să fie redusă, adică volumul de pământ prin care se scurge acest curent trebuie să fie cât mai mare posibil. Îndată ce curentul trece de la metal la pământ el se dispersează, reducând asfel densitatea de curent. Dacă electrodul are dimensiuni mici, de exemplu este un punct, acest efect este semnificativ dar el se reduce foarte mult pentru un electrod tip placă unde disiparea este efectivă numai pe muchii. Aceasta înseamnă că electrozii realizați din tije, țevi sau conductoare au o rezistență de dispersie mult mai mică decât, de exemplu, o placă având aceeași suprafață. În plus, este bine cunoscut din literatura de specialitate că fenomenul de coroziune determinat de curentul alternativ sau continuu se intensifică odată cu creșterea densității de curent. Densități mici de curent măresc durata de viață a electrozilor.

Calculul rezistenței prizei de pământ este realizat, uzual, pe baza presupunerii că pământul este infinit și cu o structură uniformă, având o valoare dată a rezistivității. Este posibilă stabilirea unor relații exacte pentru rezistența prizei de pământ dar, în practică, utilitatea acestora este foarte limitată, în special în cazul prizelor complexe și de tip plasă unde expresiile matematice devin foarte complicate. Mai mult, chiar și o mica inexactitate în valoarea rezistivității are o influență semnificativă asupra valorii reale a rezistenței prizelor complexe și adesea, determinarea rezistivității solului cu exactitatea impusă este foarte dificilă. Din această cauză, relațiile teoretice exacte ale rezistenței prizei de pământ sunt utilizate numai pentru structuri simple ale acesteia în scopul ilustrării dependenței dintre tensiunea prizei, repartiția potențialului solului și curentul de punere la pământ. Pentru prize de suprafață mare și tip plasă, se utilizează relații aproximative pentru determinarea rezistenței prizei.

Un model de bază pentru configurația unei prize de pământ, utilizat în scopul punerii în evidență a proprietăților electrice fundamentale, îl reprezintă o semisferă îngropată la suprafața solului (fig. 1.9). Curentul de punere la pământ care apare într-un astfel de electrod se presupune a trece radial spre zonele înconjurătoare. Suprafața semisferei, ca și o secțiune transversală semisferică dx prin pământ, se presupun a fi echipotențiale și prin urmare, liniile de curent sunt perpendiculare pe aceste suprafețe. În aceste condiții, rezistența elementului semisferic de grosime dx se exprimă prin relația (în ipoteza că ρ este constant):

(1.2)

Rezistența electrodului semisferic este dată de relația:

(1.3)

Fig. 1.9 – Ilustrarea noțiunii de electrod de pământ semisferic, cu indicarea parametrilor necesari pentru calculul rezistenței prizei de pământ și repartiția potențialului la suprafața solului (cu ρ = const)

r-raza electrodului

x-distanța de la centrul electrodului

aT, aS-distanțele de atingere și respectiv de pas

V’-valoarea relativă a repartiției de potential

Rezistența prizei de pământ depinde în mod semnificativ de adâncimea de îngropare a electrodului. Aceasta deoarece conținutul de umiditate este mai mare și mai stabil pentru straturile mai adânci decât pentru cele superficiale. Straturile din apropierea suprafeței sunt influențate mai puternic de variațiile meteorologice sezoniere și pe termen scurt și pot fi supuse înghețului. Această problemă este ilustrată în figura 1.10 , pentru un electrod vertical, putându-se observa o reducere considerabilă a rezistenței prizei pe măsură ce adâncimea de îngropare crește. Totuși, din considerente geologice, nu este întotdeauna posibil să se amplaseze electrozii la adâncimea dorită, de exemplu acolo unde există piatră sau alte obstrucții în apropierea suprafeței solului sau acolo unde priza acoperă o suprafață mare.

Tipuri de prize de pământ

Se pot deosebi mai multe tipuri de prize de pământ, printre care:

a) prize simple de suprafață (prize simple orizontale) realizate din benzi sau conductoare plasate orizontal sub formă de fâșii sau inel;

b) priză orizontală realizată ca o plasă amplasată la mică adâncime;

c) cabluri cu manta metalică neprotejată sau armături care se comportă ca o priză simplă orizontală;

d) prize naturale formate din părțile de structură conductoare conținute în betonul fundației și care asigură o suprafață mare de contact cu solul;

e) prize tijă constând din țevi, bare etc. și care sunt instalate sau îngropate la o adâncime mai mare de 1 metru, uzual între 3 și 30 metri sau chiar mai mult.

Primele patru configurații sunt prize de pământ de suprafață care constau, în mod obișnuit, din conductoare neizolate sau benzi, poziționate într-o configurație radială, circulară, de tip plasă sau o combinație a acestora, îngropate la o adâncime mică de până la 1 metru. Un avantaj important al acestei soluții îl constituie repartiția favorabilă a potențialelor la suprafața solului. Prizele tijă aparțin așa numitelor prize de adâncime; avantajul acestora constă în faptul că ele traversează straturi având rezistivități diferite și sunt deosebit de utile în locurile unde straturile superficiale au conductivitate scăzută. În acest fel se poate obține cu ușurință o valoare dorită a rezistenței prizei (fig. 1.10).

Un alt avantaj al prizelor tijă este acela că ele pot fi realizate în locuri unde suprafața disponibilă pentru amplasarea electrozilor este redusă. Totuși, distribuția potențialelor la suprafața solului este defavorabilă pentru aceste prize astfel încât în practică se utilizează o combinație de prize tijă/verticală și de suprafață în scopul de a obține atât o bună rezistență cât și o distribuție dorită a potențialelor.

Fig. 1.10 Exemplu pentru rezistența de dispersie RD a unei prize tijă în funcție de adâncimea d

Potențialul prizei de pământ și repartiția potențialului la suprafața solului

Potențialul prizei de pământ, precum și repartiția potențialului la suprafața solului în timpul trecerii curentului prin instalația de legare la pământ, sunt parametri importanți pentru protecția contra șocurilor electrice. Relațiile de bază vor fi prezentate cu ajutorul modelului pământului prezentat în figura 1.9.

Potențialul oricărui punct situat la distanța x de centrul electrodului prin care trece curentul IE poate fi calculat cu relația:

(1.4)

Iar valoarea sa relativa este :

(1.4a)

în care VE este potențialul prizei de pământ, presupunând că potențialul pământului de referință este egal cu zero.

Potențialul prizei de pământ poate fi descris ca:

(1.5)

Diferența de potențial dintre două puncte de pe suprafața solului, unul situat la distanța x, iar celălalt la x + aS, în care aS se consideră a fi egală cu 1 metru, corespunde tensiunii de pas ∆VS, adică diferența de potențial existentă între două picioare, când o persoană stă în acel loc pe suprafața pământului:

(1.6)

Iar valoarea sa relativa este :

(1.6a)

O relație similară poate fi scrisă pentru orice alte distanțe x și a. În particular, pentru x = r și a = aT = 1 m, relația permite calculul tensiunii de atingere, adică tensiunea dintre mâna și piciorul unei persoane care atinge priza de pământ sau o parte metalică conectată la aceasta:

(1.7)

Iar valoarea sa relativa este :

(1.7a)

O prezentare practică a tensiunilor de atingere și de pas este cuprinsă în figura 1.11. Persoanele A și B sunt supuse tensiunii de atingere în timp ce persoana C este expusă tensiunii de pas. Uneori, tensiunea de atigere VT este considerată distinct față de tensiunea de atingere de șoc VTS (similar, tensiunea de pas VS se diferențiază de tensiunea de șoc VSS). Tensiunile VT și VS sunt valorile care rezultă din repartiția de potențial în timp ce VTS și VSS iau în considerare micile variații în repartiția potențialului determinate de trecerea curentului de șoc – adică țin seama și de efectele perturbatorii ale curentului care circulă prin om. În practică, diferențele dintre VS și VSS sau dintre VT și VTS sunt mici, astfel încât se consideră aceleași valori pentru cele două tensiuni: VS ≈ VSS și VT ≈ VTS .

Partea din stânga a figurii 1.11 prezintă situația unei prize tijă/verticale în timp ce partea dreaptă este caracteristică unei prize de tip plasă. Priza tijă/verticală (1) prezintă o rezistență scăzută dar o repartiție a potențialelor mult mai defavorabilă, în timp ce priza orizontală este caracterizată printr-un profil mult mai aplatizat al potențialului solului. Tensiunea de atingere (persoana A) este considerabil mai mare la priza tijă/verticală (1) decît la cea de tip plasă (2), (persoana B). Tensiunile de pas (persoana C) sunt de asemenea mai puțin periculoase în cazul prizei tip plasă.

Când nu se poate realiza o priză plasă, un electrod circular (așa cum se practică în Belgia și Germania, de exemplu) reprezintă o soluție intermediară combinând costuri rezonabile cu o securitate acceptabilă.

Rezistența prizei de pământ determină valoarea potențialului prizei de pământ în timp ce configurația prizei are o influență determinantă asupra repartiției potențialului la suprafața solului. Desigur, configurația influențează și rezistența prizei – o priză tip plasă este în contact cu un volum mult mai mare de pământ– astfel încât rezistența și configurația trebuie considerate împreună. De notat că, deoarece priza tip plasă ocupă o suprafață mare, nu este practic ca ea să fie îngropată prea adânc și, prin urmare, este mult mai sensibilă la schimbări ale conținutului de umiditate al solului. O stabilitate îmbunătățită a rezistenței poate fi obținută prin includerea unui număr de electrozi verticali de lungime mare în interiorul rețelei tip plasă.

Fig. 1.11 – Comparație între distribuția potențialului la suprafața solului (SPD) în timpul trecerii curentului prin instalația de legare la pământ, pentru două tipuri de prize de pământ

1-priză tip tijă/verticală

2-priză tip plasă

VE-potențialul prizei de pământ

VT, VTS- tensiunea de atingere și tensiunea de atingere de șoc VS, VSS tensiunea de pas și tensiunea de pas de șoc

IT-curentul de atingere de șoc

Ik-curentul de scurtcircuit (curentul prin instalația de legare la pământ)

A, B, C -persoane la diferite potențiale la suprafața solului

Prizele plasă măresc aria suprafeței care suportă o creștere de tensiune ca urmare a trecerii curentului prin priză. Pe suprafața prizei se obține o zonă „echipotențială” dar la periferia prizei există un gradient de potențial, așa cum se evidențiază în figura 1.12 a).

Deși nu există tensiune de atingere – deoarece rețeaua se extinde dincolo de orice structură metalică cu mai mult de 1 metru – pot să apară tensiuni de pas periculoase. Astfel de situații pot exista, de exemplu, la instalația de legare la pământ a unei stații electrice. Pentru a evita acest fenomen, electrozii marginali ai prizei de pământ trebuie plasați la o adâncime ceva mai mare decât restul prizei (Figura 1.12 c).

Fig. 1.12 – Fenomenul de transfer al potențialului. Repartiția potențialului la suprafața solului pentru două prize de tip plasă

Priză cu electrozii plasați în același plan

Planul electrozilor

Priză cu cei doi electrozi marginali îngropați mai adânc

Proprietățile legăturii la pământ pentru curenți mari de impuls

Până acum, caracteristicile instalației de legare la pământ au fost discutate în ipoteza unor valori moderate ale curentului care circulă în regim staționar la frecvența rețelei. Diferențele dintre proprietățile în regim permanent și în regim de impuls ale instalației de legare la pământ sunt determinate în principal de:

-apariția unor curenți de valori ridicate, până la câteva sute de kA;

-pante foarte mari de creștere a curentului – loviturile de trăsnet ating în mod curent câteva sute de kA/µs.

Valori extrem de ridicate ale densității de curent în sol măresc intensitatea câmpului electric până la valori ce determină descărcări electrice în micile spații gazoase din pământ, cauzând scăderea rezistivității solului și a rezistenței prizei. Acest fenomen apare în special în apropierea electrozilor unde densitatea de curent este maximă, iar influența mai importantă. Intensitatea acestui fenomen este deosebit de mare atunci când solul este uscat sau de rezistivitate ridicată.

Inductivitatea părților metalice ale prizei, care poate fi estimată la valoarea de 1 µH/m, poate fi neglijată când se consideră impedanța prizei la frecvența rețelei. Totuși, inductivitatea devine un parametru important dacă viteza de creștere a curentului este ridicată, în domeniul câtorva sute de kA/µs sau mai mult. Pe durata loviturilor de trăsnet, căderea de tensiune inductivă (L*di/dt) atinge valori foarte ridicate. Ca urmare, electrozii mai îndepărtați joacă un rol redus în conducerea spre pământ a curentului.

Impedanța prizei de pământ în cazul curenților de impuls crește în comparație cu rezistența acesteia în condiții statice. Astfel, prin creșterea lungimii electrozilor prizei peste așa numita lungime critică (fig. 1.13), nu se obține nici un efect de reducere a impedanței prizei la semnale tranzitorii.

Fig. 1.13 Lungimea maximă lmax a electrozilor prizei de pământ pentru instalația de paratrăsnet în funcție de rezistivitatea solului ρ

Pe durata unei lovituri de trăsnet, intervin ambele fenomene descrise anterior dar ele acționează în sensuri contrare. Valoarea ridicată a curentului descrește rezistența prizei în timp ce frecvența ridicată a semnalului crește impedanța. Impedanța totală poate fi mai mare sau mai mică în funcție de efectul care este dominant.

1.3 Instalatia de paratrasnet

Constituie principala măsură de protecție la loviturile directe de trasnet in cazul furtunilor.

O amenințare pentru instalațiile electrice o constituie și apariția supratensiunilor cauzate de descărcările electrice chiar daca cestea au loc mult mai departe de obiectivul de protejat.

Dacă o lovitura de trasnet lovește o instalație de paratrasnet, atunci o bună parte din energia trasnetului este deviată spre pământ, dar și spre instalația electrică proprie, iar prin sistemele de legare la pământ și la alte instalații.

Chiar dacă avem o instalatie de paratrasnet, o lovitura de trasnet în apropriere poate produce pagube. Acest lucru se poate combate prin reducerea supratensiunilor induse, până la un anumit nivel care să nu mai reprezinte un pericol pentru consumatorii finali, prin instalarea de descarcatoare de supratensiune pe zone de protecție.

Așadar când vorbim de protecția la loviturile de trasnet, trebuie să avem în vedere un sistem de protecție împotriva loviturilor de trasnet, în care includem:

-sistemul de protecție exterioară (dispozitivul de captare, de coborâre, instalația de legare la pământ)

-sistemul de protecție interioară – montarea descarcatoarelor la supratensiune (SPD)

Paratrasnet cu dispozitiv de amorsare – PDA:

Acest sistem de protecție împotriva loviturilor de trasnet, este net superior sistemului clasic, asigurând o zonă de protecție superioară prin faptul că se creează artificial o ionozare în vârful captatorului, reacționând astfel la o lovitură iminentă de trasnet.

La utilizarea paratrasnetelor cu PDA, se va acorda atenție alegerii corecte a nivelului de protecție, paratrasnetului, locului de montaj, dar și sistemului de coborâre și realizării corecte a prizei de pământ.

O astfel de instalație de protectie impotriva trasnetului este compusă din:

-un dispozitiv PDA montat pe un catarg

-conductoare de coborâre

-priza de împământare pentru dispersia curentului de trasnet

Avantaje

-este un sistem mult mai simplu și eficient decât cel clasic

-nu afectează aspectul arhitectural al clădirilor

Captatorul

-se montează la cel puțin 2 m deasupra celui mai înalt punct al zonei pe care o protejează

-montarea acestuia se realizeauă în general pe un catarg

-dacă catargul este ancorat, atunci aceste ancorări se leagă în punctele de jos, la conductoarele de coborâre conform I 20

Conductoarele de coborare

Sstemul PDA este legat la pământ prin cel puțin o coborâre.

Sunt necesare două coborâri, daca:

-lungimea orizontală a a conductorului de coborâre este mai mare decât lungimea verticală a aceluiaș conductor

-înălțimea construcției este mai mare de 28 m

Traseul de coborâre trebuie să urmeze următoarele reguli:

-urmează calea cea mai scurtă până la priza de pământ

-traseul de coborâre trebuie proiectat în așa fel încât să nu aibe cotituri bruște iar razele de curbură să fie de minim 20 cm

-să evite întoarcerile și urcările

-montarea conductoarelor de coborâre se va face la o distanță de minim 0.5 m de marginile ușilor și ferestrelor

-conductorul de coborâre va avea trei fixări pe metru.

Conductoarele de coborare pot fi din cupru stanat, inox sau aluminiu, având dimensiunile recomandate în normativ. Execuția acestora se recomandă să se facă dintr-o singură bucată, fără îmbinări.

În cazul în care este necesară îmbinarea, numărul acestor îmbinări trebuie redus la minim și să fie realizate prin sudare sau prin bride speciale.

Conductoarele de coborare se recomandă a fi montate în exteriorul clădirilor, la o distanță de 10 cm de pereții din material combustibil. La 2 m înălțime deasupra solului, conductorul de coborâre se va întrerupe, legătura electrică fiind realizată cu o piesă de separație.

Cu ajutorul piesei de separație se poate separa conductorul de coborâre de priza de pamant cu ocazia măsurătorilor rezistenței prizei de împământare. Pentru protecția conductorului de coborâre se poate monta o teacă de protecție.

2. Proiectarea instalației de forță

Prezenta tema de cercetare isi propune sa foloseasca un model matematic intr-un program de calcul (Microsoft Office Excell , Microsoft Office Visual Basic, Matcad) pentru calcul unei instalatii de joasa tensiune.

Mi-am propus sa proiectez o instalație electrica de forța si iluminat pentru un atelier auto cu 1 camera de lucru si 2 camere anexe cu urmatoarele date de proiectare:

– 3 prese vulcanizat monofazate de 3 kW

– un compresor trifazat de 10 kW

– 2 motopompe monofazate de 0.6 kW

– un ventilator trifazat de 1 kW

– o mașina de echilibrat trifazata de 3 kW

– 6 prize 230V și putere de 1 kW,pentru atelierul de lucru, pentru diverse aparate (masini de gaurit, polizoare, etc…)

– 2 prize 3X400V și putere de 3 kW,pentru atelierul de lucru. Vor fi folosite pentru utilaje ce pot fi achizitionate ulterior

– 4 prize 230V și putere de 1 kW,pentru camerele anexe (pentru a conecta un calculator, fax, xerox, casă de marcat, etc…)

– lămpi de iluminat, cu putere de 250W și flux luminos 13500lm

2.1 Dimensionarea circuitelor electrice pentru presele de vulcanizare

P= 3 kW; U= 230V; cosφ= 0.95

2.1.1 Curentul de calcul al presei:

(2.1)

2.1.2 Curentul maxim admisibil pe cablu

(2.2)

coeficientul de corecție funcție de modul de pozare (A.E/1986 pag. 79 și normativ I.R. 7-68)

corecție funcție de temperatura exterioară(40șC)

Deci

Aleg conductor de cupru CYY 2×1,5mm²

2.1.3 Alegerea siguranței fuzibile

(2.4)

Aleg siguranța fuzibilă SF

2.1.4 Alegerea contactorului

Aleg din tabel contactorul D09 (curent termic 25A)

Vom avea 3 circuite pentru cele 3 prese de vulcanizare. Fiecare circuit va avea câte două siguranțe fuzibile și un contactor.

2.2 Dimensionarea circuitului compresorului

P= 10 kW; U= 400V; cosφ= 0.85; η=0.81

2.2.1 Curentul de calcul al compresorului:

(2.4)

2.2.2 Curentul maxim admisibil pe cablu

(2.5)

coeficientul de corecție funcție de modul de pozare (A.E/1986 pag. 79 și normativ I.R. 7-68)

corecție funcție de temperatura exterioară(40șC)

Deci

Aleg conductor de cupru CYY 4x4mm²

2.2.3 Verificarea termică a cablului

Curentul de pornire este:

(2.6)

Densitatea de curent:

se verifică (2.7)

2.2.4 Alegerea siguranței fuzibile

2,5 coeficient pentru pornire ușoară (2.8)

(2.9)

Aleg siguranța fuzibilă SF

2.2.5 Alegerea contactorului

Aleg din tabel contactorul D25 (curent termic 40A)

2.2.6 Alegerea releului

Aleg din tabel releu de 25A cu bloc 32.

2.3 Dimensionarea circuitelor motopompelor

P= 0.6 kW; U= 230V; cosφ= 0.8; η=0.8

2.3.1 Curentul de calcul al pompei:

(2.10)

2.3.2 Curentul maxim admisibil pe cablu

(2.11)

coeficientul de corecție funcție de modul de pozare (A.E/1986 pag. 79 și normativ I.R. 7-68)

corecție funcție de temperatura exterioară(40șC)

Deci

Aleg conductor de cupru CYY 2×1,5mm²

2.3.3 Verificarea termică a cablului

Curentul de pornire este:

(2.12)

se verifică (2.13)

2.3.4 Alegerea siguranței fuzibile

2,5 coeficient pentru pornire ușoară (2.14)

(2.15)

Aleg siguranța fuzibilă SF

2.3.5 Alegerea contactorului

Aleg din tabel contactorul D09 (curent termic 25A)

2.3.6 Alegerea releului

Aleg din tabel releu de 6A cu bloc 10

Vom avea 2 circuite pentru fiecare pompă. Pe fiecare circuit vom avea câte 2 siguranțe fuzibile, câte un contactor și câte un releu.

2.4. Dimensionarea circuitului mașinii de echilibrat

P= 3 kW; U= 400V; cosφ= 0.81; η=0.805

2.4.1 Curentul de calcul al mașinii de echilibrat:

(2.16)

2.4.2 Curentul maxim admisibil pe cablu

(2.17)

coeficientul de corecție funcție de modul de pozare (A.E/1986 pag. 79 și normativ I.R. 7-68)

corecție funcție de temperatura exterioară(40șC)

Deci

Aleg conductor de cupru CYY 4×1,5mm²

2.4.3 Verificarea termică a cablului

Curentul de pornire este:

(2.18)

Densitatea de curent:

se verifică (2.19)

2.4.4 Alegerea siguranței fuzibile

2,5 coeficient pentru pornire ușoară

(2.20)

Aleg siguranța fuzibilă SF

2.4.5 Alegerea contactorului

Aleg din tabel contactorul D09 (curent termic 25A)

2.4.6 Alegerea releului

Aleg din tabel releu de 8A cu bloc 10.

2.5 Dimensionarea circuitului ventilatorului

P= 1 kW; U= 230V; cosφ= 0.85; η=0.8

2.5.1 Curentul de calcul al ventilatorului:

(2.21)

2.5.2 Curentul maxim admisibil pe cablu

(2.22)

coeficientul de corecție funcție de modul de pozare (A.E/1986 pag. 79 și normativ I.R. 7-68)

corecție funcție de temperatura exterioară(40șC)

Deci

Aleg conductor de cupru CYY 2×1,5mm²

2.5.3 Verificarea termică a cablului

Curentul de pornire este:

(2.23)

Densitatea de curent:

se verifică (2.24)

2.5.4 Alegerea siguranței fuzibile

2,5 coeficient pentru pornire ușoară (2.25)

(2.26)

Aleg siguranța fuzibilă SF

2.5.5 Alegerea contactorului

Aleg din tabel contactorul D09 (curent termic 25A)

2.5.6 Alegerea releului

Aleg din tabel releu de 8A cu bloc 10

2.6 Dimensionarea circuitelor de prize monofazate din atelier

P= 3 kW; U= 230V; cosφ= 0.88

2.6.1Curentul de calcul al prizelor:

(2.27)

2.6.2 Curentul maxim admisibil pe cablu

(2.28)

coeficientul de corecție funcție de modul de pozare (A.E/1986 pag. 79 și normativ I.R. 7-68)

corecție funcție de temperatura exterioară(40șC)

Deci

Aleg conductor de cupru CYY 2×2,5mm²

2.6.3 Alegerea siguranței fuzibile

(2.29)

(2.30)

Aleg siguranța fuzibilă SF

Vom avea două circuite cu câte 3 prize monofazate. Pe fiecare circuit vor fi 3 siguranțe fuzibile.

2.7 Dimensionarea circuitelor formate din prize trifazate

P= 3 kW; U= 400V; cosφ= 0.88

2.7.1 Curentul de calcul al prizelor trifazate:

(2.31)

2.7.2 Curentul maxim admisibil pe cablu

(2.31)

coeficientul de corecție funcție de modul de pozare (A.E/1986 pag. 79 și normativ I.R. 7-68)

corecție funcție de temperatura exterioară(40șC)

Deci

Aleg conductor de cupru CYY 4×1,5mm²

2.7.3 Alegerea siguranței fuzibile

(2.32)

(2.33)

Aleg siguranța fuzibilă SF

Vom avea două circuite, fiecare cu o priză trifazată. Pe fiecare circuit vor fi câte trei siguranțe fuzibile.

2.8 Dimensionarea circuitelor formate din prize monofazate din camerele anexe

P= 2 kW; U= 230V; cosφ= 0.88

2.8.1 Curentul de calcul al prizelor:

(2.34)

2.8.2 Curentul maxim admisibil pe cablu

(2.35)

coeficientul de corecție funcție de modul de pozare (A.E/1986 pag. 79 și normativ I.R. 7-68)

corecție funcție de temperatura exterioară(40șC)

Deci

Aleg conductor de cupru CYY 2×1,5mm²

2.8.3 Alegerea siguranței fuzibile

(2.36)

(2.37)

Vom avea două circuite cu câte 2 prize monofazate. Câte un circuit pentru fiecare cameră. Pe fiecare circuit vor fi 2 siguranțe fuzibile.

3. Proiectarea instalației de iluminat

3.1 Stabilirea geometriei și caracteristicilor luminotehnici ai încăperii și lămpilor de iluminat

3.1.1 Din temă este stabilit că

3.1.2 Dimensiunile atelierului sunt ;

lungime – a=10m

lățime – b=6m

înălțime h=3m

3.1.3 Dimensiunile camerelor anexe

lungime a=6m

lățime b=3m

înălțime h=3m

lungime a=4m

lățime b=3m

înălțime h=3m

3.1.4 Se vor utiliza corpuri de iluminat de tipul HBN 251, de 250W si 13500 lm

3.1.5 Factorii de reflexie pentru tavan 0.70, pentru pereți 0.50, pentru podea 0.10

3.2 Calculul iluminatului

3.2.1 Se calculează indicele încăperii

3.2.1.1 Pentru atelier

(3.1)

factor de utilizare

3.2.1.2 Pentru camera anexă 1

(3.2)

factor de utilizare

3.2.1.3 Pentru camera anexă 2

(3.3)

factor de utilizare

3.2.2 Fluxul luminos pe planul util

(3.4)

Δ – factor de depreciere în funcție de gradul de poluare

– valoarea iluminatului impusă 300 lx

3.2.2.1 Pentru atelier Δ=1,4

(3.5)

3.2.2.2 Pentru camera anexă 1 Δ=1,25

(3.6)

3.2.2.3 Pentru camera anexă 2 Δ=1,25

(3.7)

3.2.3 Fluxul luminos necesar al lămpilor din instalație

(3.8)

– fluxul luminos pe planul util

– factor de reflexie

3.2.3.1 Pentru atelier

(3.9)

3.2.3.2 Pentru camera anexă 1

(3.10)

3.2.3.3 Pentru camera anexă 2

(3.11)

3.2.3 Numărul de lămpi necesar

3.2.3.1 Pentru atelier

(3.12)

Numărul de lămpi necesar este de 4 lămpi

3.2.3.2 Pentru camera anexă 1

(3.13)

Numărul de lămpi necesar este de 2 lămpi

3.2.3.3 Pentru camera anexă 2

(3.14)

Numărul de lămpi necesar este de 1 lampă

3.3 Dimensionarea conductorilor pentru instalația de iluminat

P=1.75 kW ; U=230 V ; cosφ=0,5

Curentul de calcul:

(3.15)

Curentul maxim admisibil:

(3.16)

Aleg conductor de cupru CYY 2×2,5mm²

3.4 Alegerea siguranței fuzibile

(3.17)

(3.18)

Aleg siguranța fuzibilă SF

4. Determinarea căderilor de tensiune

4.1 Determinarea coloanei de alimentare

4.1.1 Determinarea curentului de calcul

(4.1)

4.1.2 Determinarea curentului maxim admisibil

(4.2)

Aleg conductor de cupru CYY 4x16mm²

4.1.3 Alegerea siguranței fuzibile

(4.3)

(4.4)

Aleg siguranța fuzibilă SF

Aleg din tabel contactor D80 cu Ith 125A

4.2 Determinarea căderilor de tensiune

Datorită rezistenței sau impedanței conductoarelor și echipamentelor electrice circulația prin ramurile rețelei determină pierderi de tensiune, cunoașterea exactă a valori tensiunii în diferite puncte ale rețelei este o necesitate, cunoscut fiind faptul că alimentarea receptoarelor cu o tensiune diferită de cea nominală periclitează buna lor funcționare.

(4.5)

(4.6)

unde: R – rezistența [Ω]

X – reactanța inductivă – se neglijează

l – lungimea cablului

Se cunosc următoarele valori :

s=10 mm²

(4.7)

θ=40°C

α=4*10ˉ³ 1/°C

l=40m

P= 27.4 kW

Q= 18.791 kVAR

U=400V

Unde : γ – conductivitatea materialului

S – secțiunea conductorului

R – rezistența

R – rezistența specifică

P – puterea activă

Q – puterea reactivă

U – tensiunea de alimentare a tabloului

Cu ajutorul expresiilor de mai sus calculăm pierderea de tensiune în funcție de puterea activă și puterea reactivă.

(4.8)

θ=40°C

(4.9)

(4.10)

(4.11)

4.3 Schema de distributie electrica monofilara

Schema de distributie electrica a fost realizata in programul Ecodial al firmei Scheneider si a utilizat datele rezultate in urma proiectarii. Acesta a optimizat calculele din proiectare sa fie corelate cu normativul de instalatii IEC60364. Intrerupatorul diferential asigura protectia contra contactului direct cu partile aflate sub curent . Disjunctorul diferential asigura in plus protectia la scurtcircuit si la suprasarcina prin releul magneto-termic cu care este echipat . Pentru pornirea motoarelor trifazate am folosit disjunctore cu contactor si releu termic integrat deoarece in catalogul Ecodial nu am gasit o siguranta fuzibila clasica cu patron de calibru necesar deoarece nu se opteaza pentru aceasta tehnologie in instalatiile electrice de puteri mari.

Instalatia de legare la pamant si protectie impotriva loviturilor de trasnet

Calculul prizei de pamant

Rezistenta prizei de pamant mixte este formata din 2 rezistente legate in paralel, una fiind rezistenta unei prize multiple verticale ,,Rv" si alta fiind rezistenta unei prize orizontale ,,Ro":

, unde  si  (5.1)

in care:

– rv,ro=rezistentele prizelor de pamant simple verticale, respectiv orizontale;

– n=numarul de electrozi ai prizei multiple;

– u=coeficientul de utilizare al prizei (datorita apropierii dintre electrozi).

Figura 8. Priza verticala de pamant

Conform relatiilor de calcul pentru rezistenta de dispersie a prizelor simple orizontale si verticale pentru teava ingropata la adancimea  avem:

(5.2)

unde:

– ρs=0,97∙104 Ωcm=97 Ωm reprezinta rezistivitatea de calcul a solului;

– l=3 m reprezinta lungimea electrodului;

– d=2 ½"=0,0635 m reprezinta diametrul exterior al electrodului;

–  reprezinta adancimea de ingropare a electrodului prizei simple.

Rezistenta de dispersie a prizelor verticale:

(5.3)

Numarul de electrozi verticali se determina cu relatia: , deci alegem nv=48 electrozi, unde P=144 m si reprezinta perimetrul prizei de pamant situata la 3 m de cladire. Obtinem coeficientul de utilizare uv=0,38 pentru e=1 [tabelul A] (distanta dintre electrozii verticali in functie de lungimea l a electrozilor).

Tabelul 5.1 Coeficienții de utilizare pentru electrozii verticali

(5.4)

(5.5)

unde:

– ρs=0,97∙104 Ω∙cm=97 Ω∙m reprezinta rezistivitatea de calcul a solului;

– l=3 m reprezinta lungimea electrodului;

– b=0,04 m reprezinta latimea barei;

– q=0,8 m reprezinta adancimea de ingropare a prizei orizontale.

Rezistenta de dispersie a prizelor simple orizontale :

(5.6)

Numarul de electrozi verticali no=nv=48 obtinand coeficientul de utilizare uo=0,2 pentru e=1[tabelul B] (distanta dintre electrozii verticali in functie de lungimea l a electrozilor).

Tabelul 5.2 Coeficienții de utilizare pentru electrozii orizontali (benzi de legătură)

(5.7)

Rezistenta prizei de pamant va fi :

(5.8)

Deoarece Rpp≤1 Ω, priza se foloseste atat ca instalatie de paratraznet cat si ca instalatie de protectie a omului.

5.2 Determinarea necesitatii prevederii instalatiei de paratrăsnet

Calcularea parametrilor :

Nd – frecvența loviturilor directe de trăsnet

Nc – frecvența anuală acceptată de lovituri de trăsnet

Densitatea trăsnetelor la sol exprimată în număr de lovituri de trăsnet pe km² și an:

Ng = 0,04·Nk1.25 [nr. impact/km²·an] (5.9)

unde : Nk este indicele keraunic din harta keraunică sau :

Tabelul 5.3 Valorile Ng în funcție de indicele keraunic

Frecvența loviturilor directe de trăsnet (Nd) pe o construcție se determină cu relația:

Nd = Ng ∙Ae ∙C1 ∙10-6 = 4.66 · 998.16 · 0.5 · 10-6 = 2325.71·10-6 [lovituri/an] (5.10)

unde :

Ng este densitatea anuală a loviturilor de trăsnet (nr. impact./km² an);

Ae este suprafața echivalentă de captare a construcției (m² );

C1 este un coeficient ce ține seama de mediul înconjurător

Ae = L ∙l + 6∙H(L + l) + 9·π·H² = 10 ∙9 + 6 ∙ 4 ∙ (10 + 9) + 9 ∙ 3.14 ∙ 16 = 998.16 m² (5.11)

Tabelul 5.4 Valorile coeficientului C1

[lovituri/an] în care: (5.12)

C = C2 ∙ C3 ∙ C4 ∙ C5 = 2.5 ∙ 2 ∙ 1 ∙ 5 = 25 (5.13)

Tabelul 5.5 Valorile coeficientului C2 în funcție de natura construcției

Tabelul 5.6 Valorile coeficientului C3 în funcție de conținutul construcției

Tabelul 5.7 Valorile coeficientului C4 în funcție de gradul de ocupare al construcției

Tabelul 5.8 Valorile coeficientului C5 în funcție de consecințele trăsnetului

Dacă Nd ≤ Nc atunci nu este necesară instalarea unei IPT sau se instalează la cererea expresă a beneficiarului.

Dacă Nd > Nc, atunci este necesară instalarea unei IPT a cărei eficacitate se determină cu relația:

(5.14)

Concluzie: CLADIREA NECESITA INSTALATIE DE PROTECTIE

DATE DE CALCUL:

Dimensiunile cladirii: Lungime: L = 10 m

Latime: l = 9 m

Inaltime: H = 4 m

Tabelul 5.9 Tabel indrumator pentru determinarea raza sferei fictive

5.2.1 CALCULUL PDA

Prezenta se aplică la IPT cu dispozitive de amorsare (PDA) împotriva loviturilor directe de trăsnet ale tuturor construcțiilor cu înălțimi mai mici de 60 m, precum și a zonelor deschise la care considerentele economice și estetice impun această soluție.

Raza de protectie se calculeaza cu relatia:

[m] (5.15)

unde :

ΔL este lungimea suplimentară determinată de avansul ΔT al PDA și se calculează cu relația:

ΔL = v (m/µs) ΔT [µs] (5.16)

în care : ΔT = avansul amorsarii al PDA dat de producator.

Se alege un dispozitiv cu:

ΔT=45 µs

Lungimea suplimentara ΔL=15 m

Inaltimea de montaj a PDA h= 5 m fata de elementul protejat

Raza de protective RP1=44.72 m la nivelul coloanei

Raza de protective la sol RP2=51.28 m

Conform siteului http://www.paratrasnete-online.ro/calcul-raza-protectie-paratrasnet

se poate observa ca valorile de dimensionare pe care le-am realizat sunt asemanatoare cu cele obtinute pe site.

6. Concluzii

Pentru dimensionarea instalațiilor electrice de joasă tensiune putem crea modelul matematic intr-un program de calcul accesibil utilizatorului. Spre exemplu putem sa calculam necesarul de putere activă, reactivă și aparentă cerută de la barele tabloului general de distribuție de un ansamblu de receptoare precum si celelalte necunoscute cu ajutorul programelor Microsoft Office Excell sau Mathcad. Acestea prezinta avantajul de a permite modficarea parametrilor cu usurinta si sunt acesibile deoarece sunt studiate in cadrul ciclului de licenta.

Odata creat un model matematic acesta va putea fi utilizat si pentru alte proiecte ulterioare prin modificarea parametrilor de calcul.

Verificarea calculelor si reprezentarea grafica a echipamentelor utilizate se poate face cu urmatoarele programe specializate de proiectare :

-ABB doc de la firma ABB

– MyEcodial al firmei Schneider

-Neplan dezvoltat de BCP Busarello + Cott + Partner

-Calculux al firmei Philips

-Dialux furnizat de compania DIAL Gmbh (Philips).

Datorită rezistenței sau impedanței conductoarelor și echipamentelor electrice circulația prin ramurile rețelei determină pierderi de tensiune, cunoașterea exactă a valori tensiunii în diferite puncte ale rețelei este o necesitate, cunoscut fiind faptul că alimentarea receptoarelor cu o tensiune diferită de cea nominală periclitează buna lor funcționare.

Schema de distributie electrica a fost realizata in programul Ecodial al firmei Scheneider si a utilizat datele rezultate in urma proiectarii. Acesta a optimizat calculele din proiectare sa fie in corelate cu normativul de instalatii IEC60364. Intrerupatorul diferential asigura protectia contra contactului direct cu partile aflate sub curent . Disjunctorul diferential asigura in plus protectia la scurtcircuit si la suprasarcina prin releul magneto-termic cu care este echipat .

Pentru pornirea motoarelor trifazate am folosit disjunctore cu contactor si releu termic integrat deoarece in catalogul Ecodial nu am gasit o siguranta fuzibila clasica cu patron de calibru necesar.

Cu ajutorul expresiilor calculate pe parcursul proiectarii si a celor stiute din manualele de proiectare am calculat pierderea de tensiune in functie de puterea activa si reactiva pentru a ne asigura de buna functionarea a echipamentelor folosite in atelierul auto proiectat.

Rezistența prizei de pământ și repartiția potențialului la suprafața solului sunt parametrii principali care caracterizează proprietățile electrice ale instalației de legare la pământ.

Parametrii electrici ai instalației de legare la pământ depind atât de proprietățile solului cât și de configurația geometrică a prizei. Proprietățile solului sunt caracterizate prin rezistivitatea solului care variază în limite largi, de la câțiva Ωm la câteva mii de Ωm, depinzând de tipul și structura solului, ca și de umiditatea acestuia. Prin urmare, determinarea unei valori exacte a rezistenței prizei de pământ este dificilă. Toate relațiile care stabilesc rezistența prizei de pământ sunt obținute pe baza ipotezei că solul are o structură omogenă și o rezistivitate constantă.

În mod ideal, potențialul la suprafața solului ar trebui să fie aplatizat în zonele din jurul prizei. Aceasta este importantă pentru protecția împotriva șocurilor electrice și este caracterizată prin tensiunile de atingere și de pas. Prizele tijă/verticale au o repartiție mai nefavorabilă a potențialului la suprafața solului în timp ce prizele plasă asigură o distribuție mult mai plată.

Comportarea instalației de legare la pământ în cazul curenților tranzitorii de mare intensitate trebuie de asemenea luată în considerare. Valori foarte ridicate ale curenților reduc rezistența prizei datorită câmpului electric intens dintre electrozii prizei și sol, în timp ce variațiile rapide de curent măresc impedanța prizei datorită inductivității electrozilor. Impedanța prizei este, în acest caz, o suprapunere a ambelor fenomene.

In urma calculelor se poate observa ca Rpp≤1 Ω deci instalatia de impamantare a fost folosita si pentru paratrasnet. Conform normativului I7/2011 pentru o priza artificiala de pamant Rpp≤1 Ω in cazul in care avem instalatia de paratrasnet conectata la cea de impamantare si Rpp≤4  Ω cand instalatiile sunt independente.

Se poate observa ca valorile de dimensionare obtinute prin calcul sunt asemanatoare cu cele obtinute pe site [24] lucru ce valideaza dimensionarea instalatiei de paratrasnet.

7. Bibliografie

[1]Dinculescu P., Sisak F., Instalații si echipamente electrice. București Editura didactica si pedagogica, 1981.

[2]Canescu T. Si alții. Aparate electrice de joasa tensiune. Îndreptar. București Editura tehnica, 1977

[3]Centea C. Si Bianchi C. Instalații electrice. București, Editura didactica si pedagogica, 1973

[4]Duminicatu M. Si alții. Proiectarea instalațiilor de joasa tensiune. București Editura tehnica, 1975

[5]Pietrareanu E. Tablouri electrice de distribuție de joasa tensiune. București, Editura tehnica, 1971

[6]Spanu A. Protecția instalațiilor electrice de joasa tensiune. București, Editura tehnica, 1971

[7]Pantelimon, Comsa, Dinculescu, Craciunescu, Chindris. Utilizarea energiei electrice si instalații electrice> Probleme. București, Editura didactica si pedagogica, 1980

[8]Dinculescu P., Comsa D., Utilizări ale energiei electrice si instalații electrice. București, Editura didactica si pedagogica, 1983

[9] Cristina Saracin , notite curs 2015 Instalatii electrice

[10]https://www.researchgate.net/publication/259655876_Proiectarea_asistata_de_calculator_a_instalatiilor_electrice_de_joasa_tensiune

[11]http://www.electroplus-cluj.ro/lucrari/instalatii-electrice-de-joasa-tensiune.html

[14] http://www.electricalc.ro/calculul-instalatiilor-de-jt

[15]http://www.schneider-electric.com/products/ro/ro/5100-software/5110-software-proiectare-electrica/1832-my-ecodial-l/

[16] http://www.siear.ro/doc/ecodial.pdf

[17] http://new.abb.com/low-voltage/launches/selectivity/tools-support/doc

[18]http://documents.tips/documents/indrumar-de-proiectare-instalatii-electrice-de-joasa-tensiune.html.

[19]http://ovidiupopovici.ro/uploaded_files/instalatii_electrice_indrumator_laborator.pdf

[20] HD 637 S1 „Power installations exceeding 1 kV a.c”, 1999.

[21] ABB Switchgear Manual, 10th edition, Dusseldorf, Cornelsen Verlag 1999.

[22] IEC 364-5-54: 1980 „Electrical installations of buildings – Part 5: Selection and erection of electrical equipment – Chapter 54: Earthing arrangements and protective conductors”

[23] Rudolph W., Winter O. EMV nach VDE 0100. VDE-Schriftenreihe 66. VDE-Verlag GmbH. Berlin, Offenbach, 1995.

[24] http://www.paratrasnete-online.ro/calcul-raza-protectie-paratrasnet

ANEXE