Instalatii Electrice

CUPRINS

1.Elemente generale

1.1 Descrierea generală a lucrărilor

2.Considerații teoretice

2.1 Sarcini electrice de calcul

2.2 Metoda coeficienților de cerere

3.Instalații electrice de joasă tensiune

3.1 Generalități

3.2 Protecția instalațiilor electrice de joasă tensiune

3.2.1 Condiții de prevedere a protecției receptoarelor

3.2.2 Selectivitatea protecției

3.2.2.1 Generalități

3.2.2.2 Criterii de apreciere a selectivității

3.2.3 Alegerea aparatelor de protecție și comutație

3.2.3.1 Precizări generale

3.2.3.2 Alegerea protecției receptoarelor și circuitelor

3.2.3.3 Alegerea protecției coloanelor

3.2.4 Alegerea conductelor electrice

3.2.4.1 Precizări generale

3.2.4.2 Determinarea secțiunii conductoarelor

1. GENERALITĂȚI

1.1 Descrierea generală a lucrărilor

Lucrarea de față își propune să realizeze proiectarea instalației de forță și iluminat pentru o clădire administrativa situată in județul Cluj, care este alcătuită din 21 de incăperi cu diferite utilizări.

2.CONSIDERAȚII TEORETICE

2.1 Sarcini electrice de calcul

În cadrul instalațiilor electrice, sarcina electrică reprezintă o mărime care caracterizează consumul de energie electrică. Mărimile utilizate frecvent în acest scop sunt puterea activă P, reactivă Q, aparentă S și curentul I.

În proiectarea instalațiilor electrice la consumatori este necesar să se cunoască în primul rând puterea activă absorbită de către:

– receptoare, pentru dimensionarea circuitelor de receptor;

– utilaje, pentru dimensionarea circuitelor de utilaj;

– grupuri de receptoare și utilaje, pentru dimensionarea tablourilor de distribuție și a coloanelor de alimentare a acestora;

– secții ale întreprinderii și apoi de întreaga întreprindere, pentru dimensionarea posturilor de transformare, a liniilor de medie și înaltă tensiune și a stațiilor de distribuție sau transformare.

Caracteristicile tehnice nominale ale receptoarelor sunt următoarele:

– puterea activă Pn, sau aparentă Sn;

– tensiunea Un;

– conexiunea fazelor;

– curentul In;

– randamentul n;

– factorul de putere cos n;

– relația dintre curentul de pornire Ip (conectare) și curentul nominal In, sub forma raportului Ip/In.

În cazul receptoarelor realizate pentru un regim de funcționare intermitent (motoare electrice), se specifică și durata relativă de acționare nominală DAn.

Puterea instalată Pi a unui receptor reprezintă puterea sa nominală raportată la durata de acționare de referință DA=1,

(2.1)

în care DAn este o mărime relativă subunitară care poate lua una din următoarele valori DAn=0,15; 0,25; 0,4; 0,6 și 1. Prin urmare, puterea instalată Pi a unui receptor este mai mică, cel mult egală cu puterea nominală Pn a acestuia.

În cazul receptoarelor caracterizate prin puterea aparentă nominală Sn, puterea instalată este dată de relația

(2.2)

Pentru un grup de n receptoare, puterea instalată totală se determină ca sumă a puterilor instalate a receptoarelor componente

(2.3)

în care puterile instalate individuale Pij rezultă din relațiile (2.1) sau (2.2).

Puterea activă absorbită, care se ia în considerare în calcul pentru grupuri cuprinzând cel puțin patru receptoare se numește putere cerută sau de calcul. Puterea cerută Pc reprezintă o putere activă convențională, de valoare constantă, care produce în elementele instalației electrice (conducte și echipamente) același efect termic ca și puterea variabilă reală, într-un interval de timp determinat (ex. 30 min.), în perioada de încărcare maximă.

Determinarea prin calcul a puterilor cerute se face prin diferite metode, utilizate în funcție de stadiul proiectării și nivelul la care se efectuează calculele. Deoarece calculele trebuie efectuate la toate nivelele instalației electrice la consumator, începând de la cele inferioare (receptoare) și până la cele superioare (racordul de înaltă tensiune), atât pentru tensiunile joase, sub 1000 V, cât și pentru cele mai mari de 1000 V, sunt preferabile acele metode care se aplică acoperitor în toate situațiile.

În continuare, se indică principalele metode de determinare a puterilor cerute în faza de proiectare și anume:

– metoda coeficienților de cerere, aplicabilă la orice nivel și în special pentru grupuri mari de receptoare, reprezentând o secție sau o întreprindere;

– metoda formulei binome, care dă rezultate acoperitoare pentru un grup restrâns de receptoare de forță având puteri mult diferite între ele, fiind recomandată pentru calculul puterilor cerute în special la nivelul tablourilor de distribuție;

– metoda analizei directe, aplicabilă pentru un număr mic de receptoare, la nivelul unor tablouri de distribuție cu plecări puține, inclusiv a tablourilor de utilaj, când se cunosc diagramele de funcționare și încărcare ale tuturor receptoarelor;

– metodele bazate pe consumuri specifice cu raportare la unitatea de produs sau la unitatea de suprafață productivă, utilizabile, datorită preciziei reduse, numai în faza notei de fundamentare ;

– metodele bazate pe puterea medie și indicatori ai curbelor de sarcină, recomandate pentru determinarea puterii cerute la nivelele superioare, de la barele de joasă tensiune ale posturilor de transformare, la liniile de racord în înaltă tensiune.

La instalații existente, puterea cerută se determină pe baza curbelor de sarcină.

2.2 Metoda coeficienților de cerere

Puterea activă cerută se determină prin înmulțirea puterii instalate cu un coeficient subunitar kc, denumit coeficient de cerere

(2.4)

iar puterea reactivă cerută QC – cu ajutorul factorului de putere cerut cos c

(2.5)

Coeficientul de cerere kc ține cont de randamentul al receptoarelor, de gradul de încărcare al acestora – prin coeficientul de încărcare ki, de simultaneitatea funcționării lor – prin coeficientul de simultaneitate ks și de randamentul r al porțiunii de rețea dintre receptoare și nivelul la care se calculează puterea cerută. Ca urmare, coeficientul de cerere este exprimat prin relația

(2.6)

Randamentul al receptoarelor se ia în considerare numai la acele receptoare pentru care puterea instalată Pi sau cea nominală Pn, semnifică puteri utile, cum este cazul motoarelor electrice, la care puterea nominală reprezintă puterea mecanică la arbore.

Factorul de putere cerut cos c exprimă consumul de putere reactivă al receptoarelor care absorb puterea activă Pc, în condițiile reflectate global prin coeficientul de cerere.

Coeficienții de cerere și factorii de putere ceruți sunt determinați experimental pe baze statistice, pentru diferite receptoare. Toate receptoarele cărora le corespund aceleași valori pentru perechea de mărimi (kc, cos c), se încadrează într-o singură grupare, numită categorie de receptoare. Datorită diversității mari a receptoarelor și a condițiilor de lucru, există un mare număr de categorii de receptoare.

Pentru explicitarea modului de aplicare a metodei coeficienților de cerere, se consideră un consumator de calcul, adică un ansamblu de n receptoare, încadrate în m categorii; consumatorul de calcul poate fi reprezentat de totalitatea receptoarelor, care aparțin unui tablou de distribuție, unei secții sau unei întreprinderi. O categorie k cuprinde nk receptoare, astfel încât puterea instalată a acestora Pik este conform relației (2.3)

(2.7)

iar puterea instalată totală este

(2.8)

Puterea cerută de receptoarele care fac parte dintr-o aceeași categorie k, este dată de relația

(2.9)

In care k/ck este coeficientul de cerere corectat al categoriei respective de receptoare.

Corecția ține seama de numărul total de receptoare

(2.10)

și se realizează prin intermediul coeficientului ka de influență a numărului de receptoare, conform relației

(2.11)

Fig. 2.1 – Nomogramă pentru determinarea coeficienților de influență kc și de cerere corectat k/c

în care kck este coeficientul de cerere pentru categoria de receptoare considerată.

Nomograma din figura 1.2 indică, în partea dreaptă, dependența coeficientului de influență ka de numărul de receptoare n ale consumatorului de calcul; în partea stângă a nomogramei rezultă coeficientul de cerere corectat k/c, pe baza coeficienților kc și ka determinați.

De remarcat că, determinarea coeficientului ka de influență a numărului de receptoare este corect să se facă în raport cu numărul total n de receptoare al consumatorului de calcul considerat, fiind același pentru toate categoriile de receptoare din compunerea acestuia. Acest lucru este firesc având în vedere că ansamblul receptoarelor, indiferent de categoriile cărora le aparțin, determină în mod statistic consumul de energie electrică, datorită nesimultaneităților în funcționare și în gradele de încărcare.

Pe această bază, dintre doi consumatori de calcul cu aceleași puteri instalate totale și cu repartiții identice ale puterilor instalate pe categorii de receptoare, cel care cuprinde un număr mai mare de receptoare (cu puteri instalate mai mici) va absorbi o putere mai mică.

Orice modificare ale numărului de receptoare a consumatorului de calcul atrage după sine necesitatea actualizării valorii coeficientului de influență ka și a determinării coeficienților de cerere corectați k/ck cu relația (2.11).

În cazul în care receptoarele au puteri mult diferite, se recomandă ca determinarea coeficientului de influență să se facă în raport cu numărul de receptoare.

(2.12)

în care s-a notat cu n0,5 – numărul receptoarelor celor mai mari, a căror putere instalată însumată este egală cu jumătate din puterea tuturor receptoarelor.

Cazurile limită ale corecției sunt următoarele:

a. n 4, când ka=1 și prin urmare k/c = 1, adică pentru un număr de receptoare mai mic decât patru, puterea cerută este egală cu suma puterilor instalate ale receptoarelor. Un astfel de consumator de calcul se poate întâlni la nivelul tablourilor de utilaj sau al celor de distribuție care alimentează cel mult trei receptoare.

b. n 50, ka 10 și conform relației (2.5) se obține , ceea ce înseamnă că pentru un consumator de calcul cu un număr foarte mare de receptoare, corecția coeficientului de cerere este nulă, astfel încât relația (2.11) devine:

(2.13)

Astfel de situații se întâlnesc la nivelul tablourilor generale din posturile de transformare sau al tablourilor de distribuție care alimentează un număr relativ mare de receptoare.

Având determinate puterile cerute de receptoarele din fiecare categorie, puterea cerută totală la nivelul consumatorului de calcul este

(2.14)

Dacă într-o secție alimentarea receptoarelor și utilajelor s-a organizat pe câteva (q) tablouri de distribuție și s-au calculat conform celor de mai sus puterile cerute la nivelurile secției Pcs și a tablourilor Pct este evident că

(2.15)

având în vedere că puterile cerute ale acestor consumatori de calcul au fost calculate pentru coeficienți de influență ka diferiți. Asemenea inegalități au loc între orice trepte consecutive pe care se organizează un consumator dat.

Calculul puterilor reactive cerute se face, de asemenea, pentru fiecare categorie în parte

(2.16)

puterea reactivă totală rezultând

(2.17)

Puterea aparentă totală absorbită de consumatorul de calcul este

(2.18)

Dacă rezultatul obținut se încadrează între valorile

400 kVA Sc 1 600 kVA, (2.19)

la componentele activă și reactivă se aplică reduceri prin intermediul coeficienților de reducere kra, pentru puterea activă și krr – pentru puterea reactivă, conform relațiilor

(2.20)

în care kra = 0,9, iar krr = 0,95. Reducerea nu se aplică dacă Sc 400 kVA.

În cazul în care consumatorul de calcul este o secție sau întrega întreprindere, puterea aparentă de calcul servește ca bază pentru alegerea transformatorului de alimentare

(2.21)

în care SnT reprezintă puterea aparentă nominală a transformagalități au loc între orice trepte consecutive pe care se organizează un consumator dat.

Calculul puterilor reactive cerute se face, de asemenea, pentru fiecare categorie în parte

(2.16)

puterea reactivă totală rezultând

(2.17)

Puterea aparentă totală absorbită de consumatorul de calcul este

(2.18)

Dacă rezultatul obținut se încadrează între valorile

400 kVA Sc 1 600 kVA, (2.19)

la componentele activă și reactivă se aplică reduceri prin intermediul coeficienților de reducere kra, pentru puterea activă și krr – pentru puterea reactivă, conform relațiilor

(2.20)

în care kra = 0,9, iar krr = 0,95. Reducerea nu se aplică dacă Sc 400 kVA.

În cazul în care consumatorul de calcul este o secție sau întrega întreprindere, puterea aparentă de calcul servește ca bază pentru alegerea transformatorului de alimentare

(2.21)

în care SnT reprezintă puterea aparentă nominală a transformatorului.

Dacă sarcina nu poate fi preluată de un singur transformator (S/c 1 600 kVA), se grupează receptoarele pe două sau mai multe transformatoare de puteri corespunzătoare, urmând ca la puterile cerute ale fiecărui grup de receptoare să se aplice coeficienții de reducere menționați. Este indicat ca gruparea receptoarelor să se facă după criterii de amplasament și tehnologice.

Pentru determinarea puterilor cerute Pct și Qct din rețeaua de medie tensiune, la totalul obținut după aplicarea reducerilor se adaugă pierderile active Pr, respectiv reactive Qr din transformatoare ,conform relațiilor

(2.22)

(2.23)

în care Qbc reprezintă puterea surselor instalate pentru compensarea puterii reactive.

În lipsa unor date de catalog, pierderile de putere din transformatoare se pot calcula cu relațiile

(2.24)

în care cu Sr s-a notat suma puterilor nominale ale transformatoarelor.

În cazul consumatorilor de calcul alimentați prin nr transformatoare, se recomandă ca valorilor determinate cu relațiile (1.22) și (2.23), să li se aplice coeficienții de simultaneitate ksa – pentru puterea activă și ksr – pentru puterea reactivă, rezultând puterile cerute pe partea de medie tensiune

(2.25)

Coeficienții de simultaneitate sunt dați în tabelul 1.4, în funcție de numărul de transformatoare. Valorile mai mari ale coeficienților se aplică în industriile (metalurgică, chimică) cu receptoare funcționând în mare parte în sarcină continuă.

Coeficientul mediu de cerere al consumatorului este

(2.26)

Puterea aparentă cerută totală

(2.27)

permite determinarea factorului de putere mediu

(2.28)

care în situația că puterea reactivă totală Q/ct a fost calculată fără a se ține cont de reducerea datorată puterii reactive a surselor de compensare, se numește factor de putere natural.

3. Instalații electrice de joasă tensiune

3.1 Generalități

Instalațiile electrice de joasă tensiune realizează distribuția energiei electrice la receptoare îndeplinind astfel scopul final al întregului proces de producere, transport și distribuție a energiei electrice. În compunerea lor se regăsesc aceleași părți, evidențiate pentru instalațiile electrice la consumatori .

Receptoarele electrice alimentate în joasă tensiune sunt de o mare diversitate, ocupând în general o pondere însemnată în valoarea puterii instalate la consumator. Având în vedere rolul instalațiilor de joasă tensiune, rezultă că proiectarea acestora este strâns legată de caracteristicile tehnico-funcționale ale receptoarelor electrice .Cerințele impuse de funcționarea corespunzătoare a receptoarelor, din punct de vedere tehnic și economic, trebuie satisfăcute între anumite limite admisibile, de către instalația de distribuție în joasă tensiune.

Așa cum s-a subliniat , un mare număr de receptoare electrice se află, în mod obișnuit, montate în cadrul utilajelor tehnologice, acestea cuprinzând unul sau mai multe receptoare. Prin fabricație, aceste utilaje au o instalație electrică proprie, care cuprinde atât o parte de forță – circuitele primare, cu rol de distribuție și de protecție a receptoarelor, cât și o parte de comandă, automatizare, măsură și control – circuitele secundare.

Rețelele electrice de joasă tensiune sunt constituite din totalitatea coloanelor și circuitelor de utilaj sau receptor. Prin coloană se denumește ansamblul elementelor conductoare de curent, care alimentează un tablou de distribuție, iar prin circuit ansamblul elementelor conductoare de curent, care alimentează unul (circuit de receptor) sau mai multe receptoare (circuit de utilaj).

În cadrul rețelelor electrice de joasă tensiune se pot face următoarele grupări:

– rețele de alimentare, care leagă barele de joasă tensiune ale posturilor de transformare la punctele de distribuție (tablouri), cuprinzând totalitatea coloanelor electrice;

– rețele de distribuție, care fac legătura între punctele de distribuție și receptoare sau utilaje, incluzând totalitatea circuitelor de receptor, respectiv utilaj.

Punctele de alimentare sunt reprezentate, în cazul instalațiilor electrice de joasă tensiune, de tablourile de distribuție care pot fi:

– tablouri generale, primind energia electrică de la postul de transformare sau direct din rețeaua furnizorului;

– tablouri principale, alimentate dintr-un tablou general și care distribuie energia electrică la tablouri secundare;

– tablouri secundare, de la care energia electrică se distribuie la receptoare și utilaje.

Instalațiilor electrice de joasă tensiune le este specific și un anumit echipament electric. De obicei echipamentul electric se montează concentrat, în vecinătatea punctelor de alimentare (în TD) putând fi însă amplasat și pe traseul unor coloane (cazul magistralelor din bare capsulate) sau al unor circuite (aparatele de conectare).

3.2 Protecția instalațiilor electrice de joasă tensiune

Prin laturile rețelelor electrice de joasă tensiune pot circula în mod accidental, în afara curenților ceruți și de vârf, supracurenți datorați unor cauze ca:

– scurtcircuite, constând în scăderea bruscă a valorii impedanței sau rezistenței echivalente din circuit;

– suprasarcini, constând în solicitarea receptoarelor la puteri mai mari decât cele nominale sau peste durata de acționare normală, fie din motive tehnologice, fie datorită unor variații prelungite a tensiunii la bornele acestora în raport cu tensiunea nominală.

Se poate considera că domeniul de valori pentru curenții de suprasarcină este (1,05 … 1,50) Ic, în raport cu intensitatea curentului cerut, iar curenții de scurtcircuit sunt mai mari decât 2 Ic.

Împotriva acestor curenți accidentali, instalațiile electrice trebuie protejate prin dispozitive de protecție corespunzătoare.

Protecția împotriva curenților de scurtcircuit are semnificația unei protecții a rețelelor de joasă tensiune, deoarece numai acestea sunt solicitate la scurtcircuit. În asemenea situații, receptoarele electrice fie că sunt cauza însăși a producerii scurtcircuitului, datorită producerii unui defect interior de izolație, fie că le scade la zero tensiunea de alimentare, astfel încât problema protecției lor este în ambele cazuri nesemnificativă.

În ceea ce privește protecția împotriva curenților de suprasarcină, aceasta are în schimb semnificația unei protecții a receptoarelor, deoarece curenții de suprasarcină nu reprezintă o solicitare deosebită pentru rețelele dimensionate a rezista la acțiunea curenților de scurtcircuit.

Alte protecții destinate receptoarelor sunt:

contra lipsei de tensiune sau a scăderilor acesteia (tensiune minimă);

contra măririi exagerate a turației, în cazurile când această mărire ar putea provoca pagube importante sau ar primejdui viața oamenilor (la motoarele de curent continuu cu excitație serie);

contra funcționării în două faze.

3.2.1 Condiții de prevedere a protecției receptoarelor

Principala protecție a receptoarelor electrice de forță este împotriva curenților de suprasarcină. Aceasta se realizează prin dispozitive de protecție cu relee termice, cum sunt contactoarele automate de joasă tensiune cu relee termice.

Caracteristica de funcționare a releului termic trebuie să asigure acționarea contactorului înainte de apariția pericolului de deteriorare (supraîncălzirea și străpungerea izolației) a receptorului protejat. Pe de altă parte, protecția nu trebuie să acționeze (să întrerupă circuitul) la suprasarcini de scurtă durată, normale, ca de exemplu curenții de pornire ai motoarelor electrice, vârfurile de curent date de procesul tehnologic etc.

Sunt în curs de răspândire elemente termosensibile realizate pe bază de termistoare, care au avantajul că realizează o protecție mai sigură decât releele termice, datorită faptului că termistoarele se implantează în mai multe puncte sensibile ale receptorului de protejat.

Protecția contra suprasarcinii prin dispozitive automate nu este obligatorie în următoarele situații:

– când nu există posibilitatea apariției unor suprasarcini, fie datorită însăși principiului de funcționare a receptoarelor (de ex. sursele de lumină), fie datorită nesimultaneității regimurilor lor de suprasarcină (cazul coloanelor și al circuitelor de utilaj);

– la motoarele electrice cu puteri mai mici de 1,1 kW, în cazurile când acestea au un regim de funcționare intermitent sau de scurtă durată sau în cazurile de regim de lungă durată, dacă supraâncărcarea lor nu este posibilă (de ex. la aeroterme, ventilatoare etc.).

Siguranțele fuzibile montate pe circuite, de pe care lipsesc dispozitive de protecție la suprasarcină conform celor de mai sus, ar fi de preferat să aibă o caracteristică lentă de funcționare.

Motoarele electrice cu puteri sub 1,1 kW, ale căror circuite sunt protejate numai prin siguranțe fuzibile se recomandă să fie prevăzute cu protecție contra funcționării în două faze. Această protecție se impune a fi aplicată și altor receptoare a căror funcționare nu este posibilă decât la alimentare trifazată.

Protecția la lipsa de tensiune sau tensiune minimă se prevede în următoarele cazuri:

– la motoarele electrice care nu pornesc prin conectare directă la rețea, ci prin aparate de pornire cu acționare manuală;

– la motoarele electrice a căror autopornire nu este permisă, fie datorită condițiilor procesului tehnologic, fie datorită pericolului pe care-l prezintă pentru personalul de exploatare;

– la motoarele electrice cu pornire automată.

Dispozitivele care realizează protecția la lipsa de tensiune sau la tensiune minimă se montează, în general, pentru fiecare motor în parte; se admite utilizarea unui singur dispozitiv pentru mai multe motoare din aceeași încăpere care, dacă sunt pornite direct, suma puterilor lor nominale nu depășește 15 kW sau dacă sunt pornite cu aparate speciale, acestea sunt readuse automat în starea inițială de pornire, în cazul lipsei de tensiune.

3.2.2 Selectivitatea protecției

3.2.2.1 Generalități

Rețelele electrice de joasă tensiune conțin un număr mare de dispozitive de protecție, de același tip sau tipuri diferite, unele dintre ele fiind plasate în serie, în sensul distribuției de energie. Aceste dispozitive de protecție, trebuie să funcționeze selectiv, adică în cazul unei avarii, este necesar să acționeze protecția cea mai apropiată de locul avariei și care este destinată naturii avariei produse, izolându-se astfel numai porțiunea respectivă de rețea, restul receptoarelor continuând să fie alimentate.

Selectivitatea protecției, între dispozitive de același tip sau de tipuri diferite, trebuie asigurată în condițiile că acestea realizează:

– protecții similare, fie contra curenților de scurtcircuit (selectivitatea între două siguranțe fuzibile, între două întreruptoare automate cu relee sau declanșatoare electromagnetice sau între o siguranță și un întreruptor automat), fie contra curenților de suprasarcină (selectivitatea între două relee sau două declanșatoare termice sau între un releu și un declanșator termic);

– protecții diferite, un dispozitiv realizând protecția împotriva curenților de scurtcircuit și celălalt împotriva curenților de suprasarcină (selectivitatea dintre siguranță fuzibilă și releu sau declanșator termic, dintre relee sau declanșatoare electromagnetice și termice).

În cazul în care protecția este realizată prin dispozitive de același tip și fabricație, curenții nominali ai fuzibililor siguranțelor, respectiv timpii de declanșare ai întreruptoarelor automate vor fi în creștere, în sensul de parcurgere a instalației electrice de la receptor spre sursă.

Pentru dispozitive de protecție de tip sau de fabricație diferită, selectivitatea se asigură prin examinarea caracteristicilor de protecție corespunzătoare.

3.2.2.2 Criterii de apreciere a selectivității

Funcționarea selectivă a protecției se studiază în mod riguros prin trasarea caracteristicilor de protecție pentru dispozitivele care lucrează în serie și determinarea diferențelor de timp t între timpii de acționare la anumite valori ale curenților. Selectivitatea este asigurată atunci când, aceste diferențe de timp au valori egale sau mai mari decât cele care se indică în cele ce urmează, pentru fiecare situație în parte.

a) Selectivitatea între o siguranță fuzibilă și un releu termic, trebuie realizată în special la nivelul circuitelor electrice de receptor, aici găsindu-se înseriate cele două dispozitive de protecție. Acestea sunt prevăzute pentru protecții diferite, la scurtcircuit, respectiv suprasarcină, astfel încât selectivitatea între ele este asigurată dacă fiecare dispozitiv acționează în domeniul corespunzător de supracurenți.

În figura 3.1 se prezintă un circuit prevăzut cu siguranțele e1 și releul termic e2, acesta din urmă acționând asupra contactorului c1 (fig. 3.1, a) și caracteristicile de protecție corespunzătoare (fig. 3.1, b).

a b

Fig. 3.1 – Explicativă pentru selectivitatea dintre o siguranță fuzibilă și un releu termic:

a – schema de alimentare a circuitului; b – caracteristicile de protecție.

Caracteristicile de protecție se intersectează într-un punct A, care are la stânga domeniul supracurenților (de suprasarcină) pentru care protecția este asigurată de releul termic e2 conform caracteristicii 2, iar la dreapta – domeniul supracurenților (de scurtcircuit) pentru care protecția este asigurată de siguranțele fuzibile e1, conform caracteristicii 1.

La valoarea curentului de scurtcircuit Isc, care s-ar stabili pe tronsonul considerat, diferența t între ordonatele corespunzătoare celor două caracteristici, dintre care cea a releului termic este deasupra, trebuie să fie t 0,04 s. Folosirea unei siguranțe fuzibile cu un curent nominal prea mic, ar determina neselectivitatea protecției în domeniul curenților de suprasarcină, iar una cu un curent nominal mai mare – neselectivitatea în domeniul curenților de scurtcircuit. Ultima situație este deosebit de periculoasă, deoarece ruperea curenților de scurtcircuit de către contactor atrage după sine deteriorarea acestuia.

Din analiza acestor date se constată că selectivitatea între o siguranță fuzibilă cu putere de rupere medie și un releu termic este asigurată dacă curenții respectă condiția

Inf 3Irt (3.1)

iar dacă siguranța este de tip MPR (mare putere de rupere)

(Inf)MPR 2,5 Irt (3.2)

Evident, se va alege întotdeauna curentul nominal minim al siguranței fuzibile, care respectă relația (3.1), respectiv (3.2).

b) Selectivitatea între două siguranțe fuzibile e1 și e2, (fig. 3.2), având curenții nominali Inf1 > Inf2 se obține atunci când:

– caracteristicile lor de protecție nu se intersectează sau punctul de intersecție se situează la o valoare a curentului mai mare decât curentul de scurtcircuit Isc de la locul instalării siguranței având curentul nominal cel mai mic;

– diferențele de timp măsurate pe diagramă au valorile indicate în figura 3.2. b.

a b

Fig. 3.2 – Explicativă pentru selectivitatea dintre două siguranțe fuzibilă

a – schema de alimentare a circuitului; b – caracteristicile de protecție.

În cadrul rețelelor electrice de joasă tensiune, cazul siguranțelor fuzibile consecutive este cel mai frecvent întâlnit. Pentru rezolvarea mai rapidă a problemei selectivității, fără a mai fi necesar studiul caracteristicilor de protecție timp-curent sau dacă nu există posibilitatea cunoașterii lor exacte, se recomandă ca, între curenții nominali a două siguranțe consecutive, eșalonarea să fie cel puțin din două în două trepte pe scara normalizată, dacă siguranțele sunt cu topire rapidă și din treaptă în treaptă, dacă sunt cu topire lentă.

Se evită montarea siguranțelor cu topire rapidă înaintea celor cu topire lentă.

Pentru exemplificarea modului de eșalonare a siguranțelor fuzibile, se consideră un tablou secundar de distribuție având pe plecări siguranțe rapide de 35 și 50 A; în amonte de acestea, pe coloana de alimentare a tabloului, se vor monta siguranțe de minimum 80 A.

c) selectivitatea între un întreruptor automat a1 și o siguranță fuzibilă e2 (fig. 3.3) este realizată atunci când caracteristicile nu se intersectează și diferența de timp măsurată între punctele cele mai apropiate ale caracteristicilor este t 0,04 s; dacă siguranța fuzibilă e2 este prea mare (cu linie întreruptă în fig. 3.3, b), apare un triunghi de neselectivitate (hașurat).

Întreruptorul automat se consideră prevăzut cu declanșatoare (sau relee) termice și electromagnetice, astfel încât caracteristica sa se compune din două porțiuni: pe porțiunea AB acționează declanșatorul (sau releul) termic, iar pe porțiunea CD – declanșatorul (sau releul) electromagnetic.

Acest caz de selectivitate apare, în general, la nivelul tablourilor generale.

a b

Fig. 3.3 – Explicativă pentru selectivitatea dintre un întreruptor automat și o siguranță fuzibilă:

a – schema de alimentare a circuitului; b – caracteristicile de protecție.

d) Selectivitatea între o siguranță fuzibilă e1 și un întreruptor automat a1, care se succed pe o direcție de distribuție conform schemei din figura 3.4 , a, este asigurată dacă intersecția inevitabilă a celor două caracteristici se situează la un curent IA mai mare decât curentul de scurtcircuit Isc din aval de întreruptorul automat, iar între cele două caracteristici există, la curentul de scurtcircuit considerat, un interval t 0,05 s.

Această variantăv de înseriere a celor două dispozitive de protecție este mai rar întâlnită în instalațiile electrice industriale , fiind mai frecventă la instalațiile electrice din clădiri de locuit și similare, unde se utilizează microîntreruptoare automate pentru protecția circuitelor.

a b

Fig. 3.4 – Explicativă pentru selectivitatea dintre o siguranță fuzibilă și un întreruptor automat:

a – schema de alimentare a circuitului; b – caracteristicile de protecție.

Corelația dintre curenții nominali ai siguranțelor fuzibile și ai întreruptoarelor automate mici, conectate în aval de acestea, pentru realizarea selectivității, este prezentată în tabelul.

e) Selectivitatea între două întreruptoare automate a1 și a2 (fig. 3.5), având curenții nominali In1 > In2 este asigurată, în general, în domeniul curenților de suprasarcină; la curenții de scurtcircuit, declanșatoarele (sau releele) electromagnetice ale ambelor întreruptoare declanșează practic simultan, deci neselectiv.

a b

Fig. 3.5 – Explicativă pentru selectivitatea dintre o două întreruptoare automate:

a – schema de alimentare a circuitului; b – caracteristicile de protecție.

Pentru obținerea selectivității este necesar ca acțiunea dispozitivului de protecție electromagnetic al întreruptorului a1 să fie temporizată cu treapta de timp t 0,15 s (posibilă la întreruptorul OROMAX cu declanșator tip Ksi).

Situația înserierii a două întreruptoare automate se întâlnește la nivelul unui tablou general, la care sunt racordate tablouri de distribuție asimetric încărcate. Evitarea măsurii de temporizare a acțiunii releului electromagnetic, care comandă întreruptorul a1, se poate obține prin repartizarea cât mai uniform posibilă a sarcinilor pe tablouri de distribuție, ceea ce adeseori permite înlocuirea întreruptorului a2 prin siguranțe fuzibile.

3.2.3 Alegerea aparatelor de protecție și comutație

3.2.3.1 Precizări generale

În proiectarea rețelelor electrice de joasă tensiune este indicat ca, după stabilirea schemei generale de alimentare, să se treacă la alegerea aparatelor de protecție și comutație. Această cerință este logică deoarece:

– protecția la suprasarcină, ca protecție a receptoarelor, poate fi dimensionată direct în funcție de caracteristicile tehnice ale acestora;

– protecția la scurtcircuit, deși reprezintă o protecție a rețelelor, este recomandabil să fie dimensionată înainte de alegerea secțiunii conductoarelor, pentru a nu se ajunge la situația în care ansamblul relațiilor de calcul pentru curenții nominali ai fuzibilelor sau pentru curenții de reglaj ai releelor electromagnetice să definească o mulțime vidă. În acest fel, se elimină unele reveniri în mersul de proiectare.

Alegerea aparatelor de protecție și comutație trebuie să fie precedată de prevederea acestora pe schema generală de distribuție, conform condițiilor expuse în subcapitolul 4.8. Pentru a rezolva cu prilejul alegerii aparatelor și problema selectivității protecției, se începe cu rețelele de distribuție și se continuă cu cele de alimentare, până la coloana generală din postul de transformare.

În general, la alegerea aparatelor, ca și a materialelor, nu pot fi luate în considerare toate condițiile și solicitările pe care trebuie să le satisfacă, deoarece unele nu pot fi determinate decât după depășirea unei prime etape – de alegere pentru regimul de funcționare normal. De aceea, unele condiții, ca de exemplu pentru aparate – stabilirea termică și dinamică la curenți de scurtcircuit, se grupează pentru a doua etapă, de verificare.

Alegerea aparatelor pentru regimul de funcționare normal se face pe baza următoarelor considerente:

– rolul funcțional la locul de montare și modul de acționare (dacă este cazul);

– categoriile în care se încadrează încăperea, spațiul, locul sau zona respectivă din punct de vedere al caracteristicilor mediului, al pericolului de electrocutare și al pericolului de incendiu;

– aparatele să fie omologate, iar pentru cele din import se va face asimilarea caracteristicilor acestora cu cele ale produselor indigene omologate;

– caracteristicile electrice nominale să aibă valori identice sau acoperitoare cu mărimile electrice corespunzătoare, pe care trebuie să le satisfacă în regim de funcționare normal.

În cele ce urmează, nu se va mai reveni asupra primelor trei aspecte enumerate mai sus, acestea fiind presupuse ca luate în considerare, la fel ca unele caracteristici nominale mai generale, printre care se enumeră, tensiunea, frecvența și numărul de faze.

3.2.3.2 Alegerea protecției receptoarelor și circuitelor

Variantele de echipare a circuitelor cu dispozitive de protecție și comutație, conform cu condițiile de prevedere a protecției, sunt prezentate în figura 3.6 :

a b c

Fig 3.6– Variantele de echipare a circuitelor cu dispozitive de protecție și comutație :

a – cu siguranțe fuzibile și contactor cu relee termice ; b – cu siguranțe fuzibile ; c – cu întreruptor automat.

Se constată că există un număr de trei situații posibile:

– pentru un receptor m1 cu regim posibil de funcționare la suprasarcină (fig. 3.6, a) circuitul cuprinde siguranțele fuzibile e1 pentru protecția la scurtcircuit, releul termic e2 pentru protecția la suprasarcină și contactorul c1 care asigură comutația, precum și întreruperea regimului de suprasarcină când primește comanda de la e2.

Când comutația circuitului se realizează mai rar și receptorul m1 funcționează corelat cu alte receptoare (de ex. în cadrul aceluiași utilaj), contactorul c1 poate fi înlocuit printr-un întreruptor manual, urmând ca releul termic e2 să aibe legat contactul de protecție în circuitul de comandă al contactorului comun;

– pentru un receptor h1 la care regimul de suprasarcină nu este posibil (fig. 3.6, b), circuitul cuprinde numai siguranțele e1 și întreruptorul manual a1, cu rol de comutație. La receptoare de iluminat sau prize, siguranțele e1 pot fi înlocuite prin întreruptoare automate mici;

– pentru un receptor protejat printr-un întreruptor automat a2 (fig. 3.6, c), circuitul mai cuprinde în afara declanșatoarelor sau releelor electromagnetice e1 și termice e2, care de obicei intră în compunerea întreruptorului automat și întreruptorul manual a1 cu rol de separator.

În timp ce siguranțele fuzibile, întreruptoarele automate și separatoarele se dispun în cadrul tabloului de distribuție de la care se ramifică circuitul respectiv, contactoarele și întreruptoarele manuale cu rol de comutație se pot dispune după caz, fie la tablou, fie în vacinătatea receptorului. Siguranțele fuzibile e1 din figura 3.6, a ș b pot asigura o separare vizibilă și sigură a circuitului prin extragerea patronului fuzibil.

Pe anumite circuite se pot monta și aparate speciale de pornire (de ex. comutatoare stea-triunghi), a căror alegere se va face similar cu a dispozitivelor de comutație considerate.

În continuare, alegerea aparatelor se organizează nu după configurația circuitului, ci după felurile protecțiilor asigurate. Principalele mărimi caracteristice ale aparatelor, care intervin în alegerea lor, sunt indicate alăturat simbolurilor acestora în figura 3.6.

1) Dimensionarea protecției la suprasarcină

Releul termic pentru protecția receptorului împotriva curenților de suprasarcină se alege în funcție de serviciu Is, care trebuie să îndeplinească condiția.

Is In (3.3)

In fiind curentul nominal al receptorului protejat.

Reglajul releului termic ales, caracterizat prin curentul de reglaj Irt, trebuie să țină cont pe de o parte de domeniul curenților de suprasarcină admiși de receptor, iar pe de altă parte de domeniul reglajului posibil al releului termic, din punct de vedere constructiv.

Conform primei condiții, curentul de reglaj trebuie să aparțină intervalului

Irt = (1,0 … 1,2)In, (3.4)

fiind de preferat reglajul releului termic, pe curentul nominal al receptorului sau cât mai apropiat de acesta .

În cazul receptoarelor dimensionate pentru un regim de lucru intermitent, în locul curentului nominal In, din relațiile (3.3) și (3.4) se va considera curentul cerut Ic .

Cea de-a doua condiție, a posibilității concrete de reglaj, este determinată de tipul constructiv al aparatului. Astfel pentru relee termice tip TSA domeniul reglajului posibil este, în general

Irt = (0,6 … 1) ktoIs, (3.5)

în care kto este un coeficient de corecție funcție de temperatură, având valoarea kto = 1 dacă temperatura mediului ambiant este în intervalul tao = (10 … 35)oC. Dacă temperatura mediului este variabilă în cursul aceleiași zile este indicat să se ia kto = 1, iar releul termic și receptorul să fie în aceeași încăpere, pentru a asigura sensibilitatea necesară a protecției.

Pentru declanșatoarele termice ale întreruptoarelor USOL și cele tip Ksi ale întreruptoarelor OROMAX, domeniul de reglaj este

Irt = (0,8 … 1,25) kto Is, (3.6)

iar pentru declanșatoarele termice tip H (pentru OROMAX) –

Irt = (0,5 … 1) kto Is, (3.7)

valorile coeficienților de corecție pentru aceste declanșatoare nu se indică în mod explicit, considerându-se suficientă precizarea domeniului de reglaj la diferite temperaturi.

Un reglaj mai precis se obține când se folosesc diviziunile marcate pe aparat, ca de exemplu la jumătatea intervalului sau diviziunile de câte o zecime din curentul de serviciu.

În final se alege un curent de reglaj, care să aparțină intersecției dintre domeniile de valori definite de relația (3.4) și una dintre relațiile (3.5), (3.6) sau (3.7) și să se respecte condițiile suplimentare expuse mai sus.

2) Dimensionarea protecției la scurtcircuit

Aceasta constă în stabilirea curentului nominal al fuzibilului sau a curenților de serviciu și reglaj pentru relee sau declanșatoarele electromagnetice.

Curentul nominal al fuzibilului Inf se determină în baza următoarelor condiții:

– siguranțele fuzibile (lente sau rapide) trebuie să suporte curentul de durată al receptorului

Inf In; (3.8)

– siguranțele fuzibile trebuie să reziste la acțiunea curentului de pornire pe toată durata sa, care se exprimă în cazul siguranțelor cu topire rapidă prin relația

(3.9)

în care c este un coeficient de siguranță egal cu 2,5 pentru porniri rare și ușoare (durata pornirii este 5 s); c = (1,6 … 2) pentru motoarele cu pornire grea și de durată (timpul de pornire 5 … 10 s) sau pentru motoarele cu porniri ușoare dar dese; c = 1,5 pentru porniri foarte grele (durata pornirii > 10 s). Îndeplinirea acestei condiții presupune și satisfacerea condiției de a rezista sub acțiunea suprasarcinilor accidentale de scurtă durată;

– protecția la scurtcircuit prin siguranțe fuzibile trebuie să fie selectivă cu protecția la suprasarcină prin relee termice, ceea ce înseamnă ca la stabilirea curentului nominal al fuzibilului să se aibă în vedere relațiile (3.1) și (3.2) sau valorile minime recomandate în tabelul.

Nomograma din anexa A1 permite dimensionarea siguranțelor fuzibile pentru protecția circuitelor în conformitate cu condițiile (3.8) și (3.9). Sensul de parcurgere al nomogramei este cel indicat prin săgeți. Prima mărime intermediară de calcul o reprezintă curentul nominal In al receptorului, determinat pe baza mărimilor nominale Pn, Un, cos n și n; în continuare, se determină curentul de pornire Ip, iar curentul nominal se rabate după dreapta DAn = 100%. În cadranul stânga-jos se obține curentul nominal al fuzibilului Inf, prin intersecția scării date de gama valorilor normalizate, cu dreptele corespunzătoare celor două valori caractersitice In și Ip/c, conform relațiilor (3.8) și (3.9); se alege Inf corespunzător treptei celei mai mari intersectate.

Nomograma mai permite obținerea curentului cerut Ic, pentru un singur receptor sau un grup de receptoare identice.

Curentul de serviciu Is al releului sau declanșatorului electromagnetic este identic cu cel al dispozitivului de protecție termic, deoarece acestea se fabrică de obicei asociate, sub forma blocurilor de relee sau a declanșatoarelor. Pentru a corespunde condițiilor de funcționare, curentul de serviciu al releului (declanșatorului) electromagnetic trebuie să se încadreze în domneiul definit de relația:

, (3.10)

în care Ip este curentul de pornire al receptorului alimentat prin circuitul protejat;

kpe – coeficient de siguranță la pornire, cu valori în intervalul (1,2 … 1,4) pentru relee și respectiv (1,4 … 1,6) pentru declanșatoare;

kre – coeficientul domeniului de reglaj, având valori diferite în funcție de tipul releului sau declanșatorului.

Deoarece dispozitivele de protecție termice se vor regla pentru protecția la suprasarcină, a doua condiție care trebuie impusă la alegerea curentului de serviciu Is este

Is Ic (3.11)

Dacă curentul de reglaj Ire al dispozitivelor electromagnetice de protecție are o singură valoare (reglaj fix făcut de furnizor), atunci se verifică îndeplinirea condiției de nedeclanșare la curentul de pornire cu relația:

Ire kpe . Ip, (3.12)

iar dacă se dispune de un domeniu de valori pentru coeficientul kre al domeniului de reglaj și reglajul este posibil la diferite valori

Ire = kre Is, (3.13)

atunci se alege acea valoare Ire care să verifice relația (3.11).

3) Alegerea aparatelor de comutație

Contactoarele și întreruptoarele automate propriu-zise (fără relee) se aleg ținând seama de valorile nominale ale tensiunii, de curentul Inc respectiv Ina al contactelor principale

Inc 1,1 In, (3.14)

în care In este curentul nominal al receptorului, de capacitatea și frecvența de conectare și de deconectare în regim normal și accidental, de tensiunea de serviciu a bobinei de acționare; toate aceste caracteristici trebuie să satisfacă mărimile nominale și de serviciu ale circuitelor deservite.

Separatoarele se aleg pe baza tensiunii și curentului lor nominal, care trebuie să aibă valori cel puțin egale cu ale circuitelor deservite. Pentru separatoarele având curenți nominali mai mari de 1000 A (la care furnizorul indică valorile maxime admise ale curenților de stabilitate termică și dinamică) este necesar să se facă verificarea lor la scurtcircuit.

Întreruptoarele neautomate (cu pârghie, cu manetă sau pachet) se aleg de asemenea pe baza tensiunii și curentului lor nominal, dar ținând seama și de curenții de conectare și deconectare în regim normal de funcționare (manevra acestor aparate nu este admisă în timpul unui scurtcircuit).În mod obișnuit valoarea curenților de închidere și deschidere a acestor aparate este mai mică decât valoarea curenților nominali.

Se recomandă ca aparatele de comutație să fie astfel montate, încât contactele lor mobile să nu fie sub tensiune atunci când aparatele sunt deschise și să nu poată închide sau deschide sub efectul vibrațiilor, la lovirea aparatelor sau datorită greutății proprii a părților mobile. Aceste contacte trebuie să întrerupă simultan toate conductele de fază ale circuitului (trifazat, bifazat sau monofazat) pe care îl deservesc. Întreruperea conductei de nul de lucru se admite numai la instalațiile în care aceasta nu este utilizată și pentru protecție.

Pentru curenții mici, sub 63 A, se pot alege fie întreruptoare cu pârghie, fie de tip pachet, în funcție de caracteristicile lor corelate cu considerentele de gabarit și de protecție a omului. Astfel întreruptoarele pachet au gabarit redus (recomandate la tablouri mici, de ex. cele capsulate) și curent de rupere mare. Întreruptoarele cu pârghie au poziții clare de conectare-deconectare, fiind indicate în special din punct de vedere al protecției împotriva atingerilor accidentale directe.

Aparatele de conectare folosite pentru circuitele electrice ale lămpilor fluorescente se recomandă să aibă un curent nominal de minimum 10 A.

3.2.3.3 Alegerea protecției coloanelor

Principalele variante de echipare a coloanelor cu dispozitive de protecție și comutație, prezentate în figura 3.7 , sunt:

– coloană protejată la plecare prin siguranțele fuzibile e1 și prevăzută la intrarea în tabloul de distribuție TD alimentat cu un separator a1 (fig. 3.7, a);

– coloană protejată prin întreruptorul automat a2 care realizează o dublă protecție la scurtcircuit și la suprasarcină, fiind prevăzută cu separatoarele a1 și a3, la plecare, respectiv la intrarea în tabloul de distribuție alimentat (fig. 3.7, b).

a b

Fig 3.7 – Variantele de echipare a coloanelor : a – cu siguranțe fuzibile ; b – cu întreruptor automat.

Ca dispozitive cu rol de separator pot servi și întreruptoarele neautomate (cu pârghie, cu manetă) sau comutatoarele (pachet). Prevederea lor este necesară, în general, pentru a se asigura controlul vizual direct al separației și în special, la intrarea în tablourile de distribuție.

Coloane având configurațiile din figura 3.7 fac legătura între tabloul general și tablourile principale, între tabloul principal și cele secundare sau între coloane magistrale și tablouri secundare. Echipări asemănătoare cu cele din figura 3.7, a și b se recomandă pentru circuitele de utilaj, cu deosebirea că, întreruptoarele de la intrările tablourilor de utilaj (a1 respectiv a3) pot lipsi, datorită faptului că tablourile de utilaj sunt prevăzute, în general, cu întreruptoare generale la intrare.

a) Protecția la scurtcircuit constituie protecția principală a coloanelor.

Dacă protecția este realizată prin siguranțe fuzibile (fig. 3.7, a), curentul nominal al acestora se determină cu relațiile

Inf > Ic (3.15)

(3.16)

similare relațiilor (3.8), respectiv (3.9), din cazul protecției circuitelor. După cum se observă din relația (3.16), numai componenta tranzitorie Ivt (Iv =Ivt +Ivp ) a curentului de vârf se reduce prin împărțire’ la coeficientul de siguranță c.

Având în vedere expresiile concrete ale curentului de vârf,

, (3.17)

în care

și (3.18)

(3.19)

în care reprezintă curentul de pornire al motorului pentru care () are valoarea maximă.

(3.20)

respectiv

(3.21)

Curentul de serviciu Is al declanșatoarelor sau releelor de protecție se alege similar, ca în cazul circuitelor, cu deosebirea că în locul curentului de pornire, din relația (3.10), se utilizează curentul de vârf

(3.22)

(3.23)

coeficienții kpe și kre având aceleași semnificații și valori.

Reglajul releelor electromagnetice se stabilește în mod identic la valoarea

Ire = kre Is, (3.24)

în care kre poate avea o singură valoare sau un domeniu de valori și se verifică la condiția de nedeclanșare pentru curentul de vârf

Ire kpe Iv (3.25)

Se recomandă ca alegerea sau reglarea dispozitivelor de protecție la scurtcircuit, după relațiile (3.15), (3.16) respectiv (3.25), să se efectueze cât mai aproape de limita inferioară admisă .

b) Reglarea protecției la suprasarcină se face numai pentru coloanele protejate la scurtcircuit prin întreruptoare automate (fig. 3.7, b).

În cazul coloanelor, curentul de reglaj al releului termic este necesar să se încadreze în intervalul

Irt = (1,0 … 1,2) Ic, (3.26)

care definește domeniul curenților de suprasarcină ai coloanelor.

În ceea ce privește reglajul posibil, acesta se stabilește conform relațiilor (3.5), (3.6) sau (3.7).

Curentul de reglaj se obține și în cazul coloanelor prin intersecția domeniului de valori dat de relația (3.26) cu domeniul corespunzător reglajului posibil, în baza acelorași indicații de la protecția receptoarelor . Se menține valabilitatea recomandării de mai sus, ca reglajul să se facă apropiat de limita inferioară admisă de relația (3.26).

Definitivarea protecției coloanelor se poate face numai după analiza selectivității acesteia în raport cu dispozitivele de protecție cele mai mari, de pe plecările tablourilor de distribuție alimentate. e aceea, este indicat ca în alegerea protecției coloanelor, să se urmeze succesiunea: circuite de utilaj, coloane secundare, coloane principale, magistrale.

3.2.4 Alegerea conductelor electrice

3.2.4.1 Precizări generale

Alegerea conductelor electrice implică examinarea și respectarea unui șir de posibilități și condiții, care se încheie prin determinarea corespunzătoare a secțiunii conductoarelor.

a) Materialul conductoarelor, utilizate în instalațiile electrice de joasă tensiune, poate fi: cuprul, aluminiul, oțelul-aluminiu și oțelul.

Folosirea cuprului în instalațiile electrice industriale sub formă de conducte neizolate și izolate, bare sau cabluri, se permite numai în următoarele situații:

– la circuitele care alimentează receptoare de importanță deosebită cum sunt pompele de incendiu, consumatorii de siguranță din centrale electrice, corpurile instalației de iluminat de siguranță pentru evacuare de tip 1 și 2, dar numai dacă secțiunea conductoarelor de aluminiu ar rezulta mai mică de 10 mm2;

– la circuitele care alimentează receptoare amplasate în medii cu pericol de explozie (în cazurile precizate în prescripțiile specifice);

– în încăperi și spații din exterior cu mediu coroziv, în cazurile în care stabilitatea chimică a aluminiului sau oțelului nu este corespunzătoare și numai dacă instalațiile nu pot fi realizate în execuție etanșă;

– la instalațiile de pe utilaje mobile (de ex. pe macarale, poduri rulante, vibratoare etc.);

– la instalațiile de pe utilaje supuse șocurilor sau vibrațiilor permanente, care se pot transmite conductelor electrice (de ex. de pe cajele laminoarelor);

– la instalațiile de protecție prin legare la pământ sau la nul ;

– la circuitele de comandă, automatizate, măsură și semnalizare, cu excepția circuitelor de alimentare cu curent operativ a tablourilor de comandă, atunci când secțiunea conductelor din aluminiu rezultă mai mare de 10 mm2 sau a unor receptoare electrice mai puțin importante, prevăzute numai cu comandă locală și care nu fac parte din sistemul de automatizare a instalației respective.

De asemenea, folosirea conductelor electrice de orice tip cu conductoare din cupru se limitează numai în zonele în care se impune acest lucru.

În afara situațiilor de mai sus, se folosesc conductoare de aluminiu. Conductoarele de oțel-aluminiu sunt destinate liniilor electrice aeriene, iar cele de oțel – instalațiilor de protecție (prin legare la pământ, împotriva trăsnetelor).

b) Felul izolației trebuie luat în considerare în corelație cu categoriile de încadrare a încăperii sau a locului de montare din punct de vedere al caracteristicilor mediului și al pericolului de incendiu și explozie, având în vedere și dezideratul de a utiliza cu precădere izolații din materiale plastice, apreciate ca greu combustibile .

c) Domeniul de utilizare reprezintă un criteriu fundamental pentru alegerea conductelor. Din acest punct de vedere interesează în principal următoarele tipuri de conducte:

– pentru transportul energiei electrice (neizolate sau izolate);

– pentru instalații fixe;

– pentru instalații mobile;

– pentru ascensoare;

– pentru branșamente la construcții indistriale;

– pentru sudare electrică;

– de comandă, măsură, semnalizare și control.

d) Modul de montare se corelează cu tipul conductei din punct de vedere al domeniului de utilizare, cu felul izolației și cu categorii de încadrare a încăperii sau a locului de montare .

În cazul barelor, modul de montare poate fi:

– pe izolatoare, în execuție deschisă;

– pe izolatoare, în execuție acoperită (canal, șanț);

– protejat în cutii;

– capsulat.

Conductele neizolate se montează pe izolatoare, iar cele izolate – fie pe izolatoare, fie în tuburi sau țevi de protecție. În ceea ce privește tuburile sau țevile de protecție, acestea pot fi amplasate;

– pe construcție;

– pe console;

– îngropat.

Se recomandă utilizarea cu prioritate a tuburilor din materiale plastice, cu excepția interdicțiilor menționate în .

Cablurile electrice se pot instala în următoarele feluri:

– aparent pe construcție;

– pe console;

– îngropat în tub;

– canal, tunel, pod;

– canal cu nisip.

În general, trebuie să se mai cunoască dacă montarea se face în interior, exterior sau sub tensuială.

Modul de montare influențează într-o măsură hotărâtoare condițiile de răcire ale conductoarelor și prin aceasta alegerea secțiunii, determinând în același timp, tehnologia de execuție a instalației.

e) Numărul conductoarelor pe anumite tronsoane se determină din schema de alimentare și schema cu amplasamente. Interesează astfel numărul conductelor dintr-un tub, al conductoarelor dintr-un cablu sau cordon și al barelor în paralel pe pol sau fază.

f) Frecvența curentului (curent continuu sau alternativ) se cere specificată mai ales în cazul barelor și cablurilor.

g) Secțiunea minimă admisă pentru conductoare este prevăzută prin normativ , fiind obligatorie chiar dacă din calculele de încălzire sau a pierderilor de tensiune rezultă secțiuni inferioare.

3.2.4.2 Determinarea secțiunii conductoarelor

Pentru a nu periclita starea izolației conductelor electrice, este necesar ca temperatura acestora să nu depășească anumite valori maxim admise. Luând ca punct de referință temperatura pe conductor, valorile maxim admise tocadm pentru diversele conducte de joasă tensiune sunt după cum urmează:

– bare de oțel, conducte cu izolație de PVC …………………………………. +70oC;

– cabluri cu izolație și manta de PVC ………………………………………….. +70oC;

– cabluri cu izolație de hârtie, bare de cupru și aluminiu ………………… +65oC;

– conducte și cabluri cu izolație din cauciuc …………………………………. +60oC.

Solicitarea termică a conductelor este datorată curenților de sarcină de durată (regim permanent), de suprasarcină de scurtă (la pornire) și lungă durată și de scurtcircuit.

Secțiunile conductoarelor electrice se dimensionează pentru a satisface condiția de stabilitate termică la încălzire în regim permanent sau intermitent (în funcție de regimul de funcționare al receptoarelor alimentate). Secțiunile determinate se verifică apoi la condițiile de încălzire în regim de scurtă durată (la curenții de vârf), de pierdere de tensiune și de rezistență mecanică.

În regim permanent, cantitatea de căldură degajată în conductor prin efectul Joule-Lenz este cedată integral, prin suprafața conductei, mediului ambiant, distribuția temperaturilor pe secțiunea conductei rămânând constantă. Relația echilibrului este

(3.27)

în care: Ic – este curentul de durată prin conductor;

– rezistivitatea conductorului la temperatura de referință tor = 20oC;

k– coeficientul de creștere a rezistivității cu temperatura;

toc – temperatura medie a conductorului;

l,s – lungimea și secțiunea conductorului;

– transmisivitatea termică (coeficientul de transmitere a căldurii prin convecție și radiație) de la suprafața conductei;

A – suprafața (laterală) de cedare a căldurii;

– temperatura de la suprafața conductei;

– temperatura mediului ambiant.

Dacă se atribuie temperaturii medii a conductorului valorile maxim admise tocadm indicate mai sus, pe baza relației (3.24) se pot determina intensitățile maxime admise Ic adm ale curenților în regim permanent pentru diverse tipuri de conducte

(3.28)

În practică nu se lucrează cu relația (4.32), datorită dificultăților de apreciere a condițiilor de răcire în ansamblul lor, dată fiind diversitatea situațiilor de montare.

Intensitățile maxime admise Ic adm pentru curenții în regim permanent sunt date în tabele, pentru diferite tipuri de conducte, luând în considerare o temperatură a mediului ambiant toa = 20 … 35oC și anumite condiții de montare (deci de răcire). În cazul pozării conductelor în alte condiții decât cele indicate în tabele, se aplică corecții ale intensităților maxim admise, prin intermediul unor coeficienți de corecție, precizați în cele ce urmează. Pentru a se elimina eventualele reveniri în mersul de calcul, coeficienții de corecție se vor aplica în mod corespunzător asupra valorilor curenților ceruți, care trec în regim permanent prin conductoare, astfel încât alegerea secțiunii conductoarelor să se facă direct pe baza intensităților maxim admise.

A. Determinarea secțiunii conductoarelor pentru a satisface condiția de stabilitate termică la încălzire în regim permanent sau intermitent (în funcție de regimul de lucru al consumatorilor și receptoarelor) se face cu relația

(3.29)

în care: Ic – este curentul cerut de receptor sau de consumatorul de calcul;

a – coeficientul de corecție al regimului de lucru;

K – coeficientul de corecție al condițiilor de răcire, dependente de tipul conductei, de condițiile de instalare și de mediu.

Coeficientul de corecție al regimului de lucru are valoarea a = 1 pentru regimuri permanente și

(3.30)

pentru regimuri intermitente de lucru, cu durata totală a ciclului de minimum 10 minute și durata de funcționare de maximum 4 minute; DA reprezintă durata relativă de anclanșare (conectare), adică raportul dintre durata de funcționare și durata totală a ciclului. Aplicarea coeficientului supraunitar dat de relația (3.30) este admisă numai pentru conductoare de cupru cu secțiuni peste 10 mm2 sau de aluminiu – peste 16 mm2 , ceea ce revine la curenți ceruți în regim intermitent după cum urmează:

– Ic > 70 A, dacă se folosesc conducte izolate cu PVC sau cauciuc;

– Ic > 110 A, dacă se folosesc conducte neizolate, cordoane sau cabluri în curent alternativ;

– Ic > 140 A, dacă se folosesc cabluri în curent continuu.

Pentru situațiile limită, cărora le-ar corespunde în urma corecției cu coeficientul a, secțiuni mai mici decât cele menționate mai sus, alegerea se va face considerând în final ă = 1.

Coeficientul de corecție K al condițiilor de răcire se determină în mod diferit, după tipul conductei.

a) În cazul conductelor neizolate și izolate, pozate la temperaturi ale mediului ambiant diferite de +25oC, coeficientul de corelație al condițiilor de răcire este

K = K1 (3.31)

în care K1 este coeficientul de corecție pentru temperaturi ale mediului ambiant diferite de +25oC.

b) Pentru bare, intensitățile maxime admise sunt valabile următoarele condiții de funcționare și montaj:

– conductivitățile de referință sunt CU = 56 m/mm2 pentru cupru și AL = 35,1 m/mm2 pentru aluminiu;

– barele dreptunghiulare sunt montate pe muchie, iar traseul este orizontal;

– temperatura mediului ambiant barelor este de 35oC, iar temperatura barelor este de 65oC;

– barele sunt montate distanțat, astfel încât efectul de vecinătate nu se manifestă;

– altitudinea este de maximum 1000 m;

– disiparea căldurii se face în mod natural etc.

În figura 4.42, sunt reprezentate două situații de amplasare a barelor în pachete și sunt indicate notații pentru mărimile caracteristice.

Alte condiții de funcționare și montaj se iau în considerare în relația (3.29), prin calcularea coeficientului de corecție al condițiilor de răcire cu formula:

K = K1 K2 K3 K4 K5 K6 (3.32)

în care: K1 este coeficientul de corecție pentru variația conductivității barelor;

K2 – coeficient de corecție pentru reducerea sarcinii la așezarea barelor cu lățimea pe orizontală sau pentru un traseu vertical mai lung de 2 m

K3 – coeficientul de corecție pentru temperaturi ale mediului ambiant și a barelor diferite de cele de referință;

K4 – coeficient de corecție ținând seamă de efectul de vecinătate al curenților din bare amplasate la distanțe mici între ele;

K5 – coeficient de corecție pentru altitudini mai mari de 1000 m;

K6 – coeficient de corecție pentru bare răcite prin curenți de aer.

Pentru barele având secțiuni diferite de cele indicate în tabele sau grafice, însă ale căror perimetre nu diferă sau diferă puțin ca formă și valoare de ale acestora, încărcările admisibile se pot determina cu aproximație cu relația

(3.33)

în care: ICadm2 este curentul admisibil al unei bare (dreptunghiulare sau țeavă) sau al unui pachet de n bare (dreptunghiulare) în paralel pentru care nu au putut fi aplicate direct corecțiile;

ICadm1 – curentul admisibil al unei bare sau al unui pachet de bare similare, pentru care corecțiile pot fi determinate direct din tabele sau grafice;

p1, p2 – perimetrele secțiunilor a câte unei singure bare dintre cele care se găsesc, respectiv nu se găsesc în tabele sau grafice;

s1, s2 – ariile secțiunilor corespunzătoare, conform semnificațiilor indicilor.

Relația (3.33) este aplicabilă barelor cu secțiuni dreptunghiulare având aceeași lățime și o grosime care diferă cu cel mult 50% de cea a secțiunilor din tabele, precum și barelor țeavă având același diametru exterior însă grosimea peretelui diferind cu cel mult 50% de cea a secțiunilor din tabele.

La barele capsulate, coeficientul de corecție calculat conform relației (3.32) se multiplică prin factorul 0,8, pentru a ține seamă de condițiile speciale de răcire.

c) În cazul cablurilor, aplicarea corecției referitoare la condițiile de răcire se face diferențiat, după natura mediului – pământ, aer sau apă – în care se pozează cablurile.

Pentru cablurile pozate în pământ, corecția se determină cu relația

K = Kc1 Kc2 Kc3, (3.34)

în care: Kc1 este coeficientul de corecție în funcție de rezistența termică specifică a solului.

Temperatura solului se consideră egală cu valoarea medie a temperaturilor maxime din lunile de vară, la adâncimea de pozare. Dacă nu există date precise, această temperatură se adoptă astfel:

+24oC – pentru regiunile de șes;

+15oC – pentru regiunile de deal și de munte.

Se consideră neglijabilă variația temperaturii solului, în funcție de adâncimea de pozare, în domeniul 70 … 120 cm. Pentru cablurile pozate mai aproape de nivelul solului decât 70 cm, se consideră o temperatură superioară cu 5oC față de temperatura de calcul.

Pentru pozare alăturată în aer, în diferite moduri și la temperaturi ale mediului ambiant diferite de +30oC, coeficientul de corecție al condițiilor de răcire este

(3.35)

în care: K’c1 este coeficientul de corecție în funcție de modul de pozare;

K’c2 – coeficientul de corecție în funcție de temperatura mediului ambiant.

În cazul cablurilor expuse razelor solare, se va aplica suplimentar un coeficient de reducere egal cu 0,9.

Pentru cablurile de energie pozate în canale și tuneluri aglomerate, se recomandă verificarea condiției ca temperatura calculată a conductoarelor să fie inferioară temperaturii maxime admisibile; mersul de calcul al temperaturii conductoarelor este indicat în .

Dacă pozarea se face în apă, se consideră K = 1,15.

Secțiunea se poate schimba la trecerea cablului din apă în pământ sau în aer, în funcție de rezultatele calculelor.

B. Determinarea secțiunii conductelor din condiția de stabilitate termică la supracurenții accidentali reprezintă o etapă de calcul, care se asociază celei corespunzătoare încălzirii în regim permanent (pct.A).

a) Stabilitatea termică a conductelor la curenți de suprasarcină, se consideră asigurată dacă

(3.36)

Irt fiind curentul de reglaj al releului sau declanșatorului termic montat pe porțiunea de rețea considerată (numai la circuite și coloane protejate prin relee sau declanșatoare termice).

b) Pentru curenții de scurtcircuit, condiția de stabilitate termică se exprimă diferit, în funcție de felul dispozitivului de protecție.

Astfel, dacă protecția este asigurată prin siguranțe fuzibile, condiția de stabilitate termică este dată, în cazul instalațiilor electrice de forță, de relația:

(3.37)

iar în cazul instalațiilor electrice de iluminat și prize

(3.38)

daca posibilitatea apariției suprasarcinilor este minimă la anumite instalații electrice de iluminat și prize (de ex. în cazul utilizării corpurilor de iluminat cu tuburi flourescente), intensitatea maxim admisă a curentului permanent prin conductoare se obține cu relația

(3.39)

În cazul protecției la scurtcircuit realizate prin întreruptoare automate cu relee sau declanșatoare electromagnetice cu acțiune instantanee, stabilitatea termică a conductelor este asigurată dacă

(3.40)

Intensitățile maxim admise prin conducte se determină din condițiile (3.26), (3.33) și una din relațiile (3.29) … (3.36) , apoi din tabele speciale rezultă secțiunea conductoarelor.

C. Verificarea secțiunii conductelor se face într-o primă etapă la următoarele solicitări:

– rezistența mecanică, exprimată prin secțiunile minime admise ;

– încălzirea în regim de scurtă durată la pornire, care se verifică prin intermediul densității de curent la pornire

(3.41)

sau

(3.42)

și care trebuie să fie pentru conductoare din aluminiu

(3.43)

iar pentru conductoare din cupru

(3.44)

O ultimă verificare pentru secțiunile determinate se realizează prin calculul pierderilor de tensiune .

D. Secțiunea conductorului de nul de lucru se stabilește în corelație cu cea a conductoarelor de fază, după cum urmează:

– egală cu secțiunea conductorului de fază în cazul circuitelor de lumină trifazate cu patru conductoare, până la o secțiune de 16 mm2 a conductoarelor de fază și a circuitelor monofazate ;

– cel puțin 50% din secțiunea conductoarelor de fază și astfel încât să corespundă intensității maxime de curent posibile în conductele respective, în cazul instalațiilor de forță;

– pentru circuite de lumină trifazate cu patru conductoare, începând cu secțiunea conductorului de fază de 25 mm2.