Zahtevi za projektovanje niskonaponskih zaštitni uređaja 

Niskonaponski zaštitnih uređaji su sistemi od jedne ili više sklopki sa kooperativnom opremom za upravljanje, signalizaciju, zaštitu i regulaciju. Ovi sistemi takođe obuhvataju sve električne i mehaničke priključke kao i konstrukcijske elemente (kućište).

.

Michał Szulborski Menadžer proizvoda

Svako niskonaponsko postrojenje treba da obezbedi kompatibilnost sa nazivnim rasklopnih uređaja na koje je priključeno ili prošireno itd. Uslove za povezivanje i ugradnju rasklopnog uređaja treba da obezbedi proizvođač sklopki [1, 2]. Što se tiče nazivnog napona rasporeda i nazivnog napona pojedinačnih zaštitni uređaja, oni treba da budu najmanje isti kao nazivni napon elektroenergetskog sistema na koji su ili će biti priključeni. Nazivni izolacioni napon kola rasklopnog uređaja je napon na koji se ispitni napon odnosi, a samim tim i njegove vrednosti.Važni parametri  uređaja su: nazivna struja rasporeda zaštitnih uređaja i nazivna struja kola. Nazivna struja zaštitnih uređaja je vrednost manja od zbira struja ulaznih kola u paralelnom operativnom sistemu, a takođe je manja od ukupne struje koju glavna sabirnica može da distribuira u datoj konfiguraciji sistema. Ova struja ne bi trebalo da izazove prekoračenje maksimalnog porasta temperature i to je maksimalna struja opterećenja koja se distribuira kroz sabirnice i kablove u rasklopnom uređaju. Nazivna struja kola je maksimalna vrednost struje opterećenja koju dato kolo može da sprovede u normalnim radnim uslovima bez prekoračenja maksimalnog povećanja temperature provodnika.

Trenutno, standard PN-EN 61439-1 uvodi faktor simultanosti (RDF), koji je vrednost nazivne struje u relativnim jedinicama. Ovaj faktor pomnožen sa vrednošću nazivne struje kola treba da bude jednak ili veći od pretpostavljenog opterećenja u strujnim kolima. Ovaj faktor se koristi kada dato rasklopno postrojenje radi pod opterećenjem nazivne struje [1, 2, 3]. Zaštitni uređaji moraju biti prilagođeni za rad sa određenom nazivnom frekvencijom. Ta vrednost frekvencije karakteriše ispravan rad priključenog zaštitnog uređaja. Povremeno su kola sistema projektovana za različite vrednosti frekvencije napona, zbog čega je neophodno obezbediti nazivnu frekvenciju za svako kolo. Standard PN-EN 61439-1 preporučuje da vrednosti frekvencije bude u određenim granicama, koje se kreću od 98% do 102%, osim ako proizvođač zaštitnig uređaja nije drugačije odredio.

Opšti zahtevi za konstrukciju zaštitnog uređaja

Slika 1. Tokovi struje u zaštitnom uređeju koji se nalazi iza zaštitnih poklopaca koji obezbeđuju adekvatnu zaštitu od kontakta sa delovima pod naponom (dizajn napravljen u Solid Edge 2021)

Svi provodni delovi zaštitnog uređaja su međusobno povezani žicama kako bi se obezbedio kontinuitet zaštitnog uzemljenja u slučaju oštećenja unutar postrojenja. Ovi spojevi se takođe mogu izvesti pomoću metalnih vijaka ili zavarivanjem. Sa elemenata prekrivenih zaštitnim premazom, oblogu treba ukloniti ili probušiti na datom mestu kako bi se obezbedio kontinuitet strujnog kola (npr. na obojenim metalnim kablovskim uvodnicama, zavrnutim obojenim poklopcima, itd.) - to je precizno opisano u tački 8.4. .3.2.2 standarda PN-EN 61439-1.

Ako uređaji prelaze granice niskog naponskog opsega, žičane veze se koriste dok su montirane na vrata ili poklopce kako bi se obezbedio kontinuitet uzemljenja. Poprečni presek kabla instaliranog na vratima ili kućištu uređaja treba da zavisi od maksimalne nazivne radne struje. Zaštitni vodič u zaštitnim uređajima treba da bude projektovan tako da može da izdrži najveća dinamička i toplotna opterećenja. Nije dozvoljeno ugrađivanje prekidača ili rastavljača u kolo zaštitnog provodnika, samo na putevima zaštitnih provodnika mogu se koristiti uređaji za kratki spoj koji se mogu ukloniti samo alatom od strane ovlašćenog osoblja. Ako kućište ima PEN vodič, moraju biti ispunjeni sledeći zahtevi:

• minimalni poprečni presek ove žice za bakar treba da bude 10, a za aluminijum - 16,
• poprečni presek ove žice ne bi trebalo da bude manji od neutralne žice,
• dozvoljeno je da se montažne šine od bakra ili aluminijuma koriste kao PEN žice,
• strukturne komponente ne treba koristiti kao PEN žice,
• PEN žice ne moraju biti izolovane unutar razvodne table.

Zaštitni uređaji odvajaju i pojedinačna električna kola kako bi se sprečio strujni udar usled kontakta sa dostupnim provodnim delovima koji mogu postati pod naponom usled osnovnog oštećenja izolacije. Sabirnice glavnih kola u zaštitnim uređajima su raspoređene tako da zadovolje sve zahteve vezane za rastojanje između sabirnice strujnog puta, između šina i konstruktivnih elemenata, tako da ne dođe do kratkog spoja unutar zaštitnog uređaja nakon njegovog puštanja u rad. Ove sabirnice treba izabrati na način da budu kompatibilne sa deklarisanom čvrstoćom kratkog spoja i napravljene tako da mogu da izdrže izloženost kratkom spoju ograničena zaštitom sa napojne strane sabirnica. Razvodni kablovi ili sabirnice unutar jednog segmenta između glavnih sabirnica i strane opterećenja mogu se odabrati prema smanjenoj dejstvu kratkog spoja zaštitnog uređaja. Pomoćna kola u zaštitnim uređajima su projektovana tako da ne dođe do nekontrolisanog incidenta (npr. kratkog spoja). Pomoćna kola treba da budu raspoređena na takav način da je malo verovatno da će doći do kratkog spoja.

Kablovi koji se koriste za povezivanje uređaja u rasklopnom aparatu ne bi trebalo da pogoršaju svoje izolacione parametre (starenje izolacije) kao rezultat normalnog povećanja temperature i vibracija koje se javljaju tokom normalnog rada rasklopnog uređaja. Posebno su važni efekti toplotnog širenja usled postignutih radnih temperatura provodnika. Pored provodljivosti, kablovi se biraju zbog:

• mehanička naprezanja koja se mogu javiti u zaštitnom uređaju,
• obezbeđivanje i usmeravanje provodnika,
• vrsta izolacije i materijal od kojeg je napravljena,
• korišćeni zaštitnih uređaja.

I u slučaju krutih i fleksibilnih izolovanih provodnika, međuspojevi ne bi trebalo da se koriste posebno korišćenjem spojnica ili lemljenih spojeva. Dodatno, kablove treba zaštititi od trljanja o oštrim ivicama konstrukcijskih elemenata, npr. korišćenjem nosača kablova. Ako se uređaji koji se koriste postavljaju na pokretne poklopce ili vrata rasklopnih uređaja, priključne žice se postavljaju u posebne savitljive zaštitne cevi koje štite od trljanja o vrata ili kućište rasklopnog uređaja.

Slika 2. Primer konfiguracije montažnog umetka i rasporeda prvodnik i sabirnica u niskonaponskom postrojenju (projekat izrađen u softveru Solid Edge 2021) Sl.

Površinski i vazdušni zazori elemenata strukture rasklopnih uređaja i ispitivanje dielektričnih svojstava

Što se tiče konstrukcije i projektovanja rasklopnih uređaja, posebna pažnja se poklanja održavanju odgovarajućih izolacionih zazora, kako vazdušnih tako i površinskih. Ovi zahtevi su detaljno opisani u standardu IEC 60664-1. Treba održavati razmake tako da ugradnja aparata i drugih uređaja u rasklopnu opremu ne utiče na navedene izolacione udaljenosti. U slučajevima kada su odvojena kola predviđena u rasklopnom uređaju, moraju se uzeti u obzir otporni impulsni naponi za vazdušna i površinska izolaciona rastojanja između ovih kola. Za sabirnice se koriste spojevi između uređaja i kablovskih terminala, odnosno svih neizolovanih elemenata, najmanje ista izolaciona rastojanja koja su predviđena za uređaje sa kojima su povezani. Pretpostavlja se da kratki spoj između sabirnica ne bi trebalo trajno da smanji predviđena izolaciona rastojanja. Da bi se povećali izolacioni zazori, u izolacionim elementima se koriste posebni konveksni žlebovi, koji značajno povećavaju površinska i vazdušna izolaciona rastojanja [1, 2, 3]. U slučaju konkavnih brazdi, povećava se samo površinska izolaciona udaljenost. Dielektrična svojstva niskonaponskih rasklopnih struktura su verifikovana u skladu sa zahtevima standarda PN-EN 61439-1, koji precizno opisuje kako treba da se vrše merenja dielektrične čvrstoće. Elementi kućišta i konstrukcije se ispituju otpornim naponom frekvencije mreže; gde se glavna, upravljačka i pomoćna kola ispituju sa vrednostima ispitnog napona koje su navedene u standardu. Date su tačne vrednosti AC i DC ispitnih napona u zavisnosti od nazivnog napona izolacije.

U slučaju ispitivanja glavnih kola sa naizmeničnim naponom – dato je pet vrednosti ispitnog napona: 1000 V, 1500 V, 1890 V, 2000 V i 2200 V. Međutim, za merenje jednosmernim naponom utvrđeno je šest vrednosti: 1415 V. , 2120 V, 2670 V, 2830 V, 3110 V i 3820 V. Tokom ispitivanja upravljačkih i pomoćnih kola, korišćeni ispitni napon zavisi od nazivnog napona izolacije. U kolima sa naponom preko 60 V koriste se dodatno unete vrednosti ispitnog napona koje su jednake 250 V i 500 V. Oblik ispitnog napona treba da bude sinusoidan sa frekvencijom od 45 - 65 Hz. S druge strane, izlazna struja na kratko spojenim terminalima uređaja tokom merenja treba da ima vrednost ne manju od 200 mA.

Kada se ispitni napon primenjuje na frekvenciji mreže, njegova vrednost uglavnom ne prelazi 50% tog napona. Postepeno se podiže do punog napona i održava tokom probnog rada. Ispituju se svi aktivni delovi glavnog kola sa raspoloživim provodnim elementima kao i aktivni delovi sa različitim potencijalima ili između glavnog kola, pomoćnih i upravljačkih kola.

Prilikom ispitivanja strukture, sa otpornim naponom impulsa, napon od 1,2/50 ms se primenjuje pet puta za svaku polarizaciju u intervalima od 1 sekunde. Ako tokom ispitivanja ne dođe do pražnjenja, test se smatra pozitivnim. U slučaju verifikacije proizvoda, odnosno gotovog proizvedenog rasklopnog uređaja, ispituje se dielektrična čvrstoća sa naponom mrežne frekvencije. Ideja testa je skoro ista kao u slučaju ispitivanja strukture, samo što se u ovom scenariju napon primenjuje samo 1 sekundu. Ispitivanje se izostavlja za pomoćna kola zaštićena prekostrujnom zaštitom, čija nazivna struja ne prelazi 16 A, ili kada je funkcionalno ispitivanje izvršeno u fazi ispitivanja konstrukcije sa sklopnim naponom predviđenim projektom za ova kola.

Kada su u ispitivanom kolu ugrađene prekostrujne zaštite sa nazivnom strujom do 250 A, vrednost izolacionog otpora se meri naponom ne manjim od 500 V DC. Ako vrednost otpora izolacije između provodnih delova i kola nije manja od 1 kΩ/V, test je prošao.

Uticaj elektrodinamičkih sila na strujne puteve i noseće konstrukcije niskonaponskih rasklopnih uređaja

Prilikom strujanja električne struje kroz strujne puteve i kablove rasklopnih uređaja nastaju elektrodinamičke sile koje stvaraju naprezanja na nosećim izolatorima strujnih puteva, pričvršćivačima kablova, nosačima itd. [3, 6, 7].

Elektrodinamičke sile nastaju između:

• trenutni putevi,
• kablovi za napajanje,
• feromagnetni materijali i žice ili sabirnice,
• granične površine materijala različite magnetne permeabilnosti.

Da bi se odredili momenti i elektrodinamičke sile koje deluju na strujne putanje, koriste se Biot-Savartova, Lorencova i Maksvelova jednačina. Maksvelove jednačine se koriste za izračunavanje elektrodinamičkih sila u sistemima putanje struje za koje su poznati analitički izrazi induktivnosti. Generalno, Lorencove i Biot Savartove jednačine se koriste za izračunavanje momenata i elektrodinamičkih sila koje deluju na pravolinijske delove strujnih putanja.

Prilikom projektovanja strujnih putanja zaštitnig uređaja obratite pažnju i izvršite potrebne proračune koji se odnose na:

• naprezanja koja nastaju na strujnim putanjama u trenutku proticanja struja kratkog spoja, što će omogućiti odgovarajući izbor poprečnih preseka sabirnica, dužine raspona i pravilno fiksiranje strujnih putanja,
• reakcione sile koje deluju na pričvrsne elemente i druge oslonce kojima se fiksiraju strujni putevi, što omogućava izbor odgovarajućeg izolatora sa potrebnom čvrstoćom i brojem ovih elemenata,
• momenti koji utiču na spajanje sabirnica tokom protoka struja kratkog spoja,
• sile koje deluju na električni luk.

Važan fenomen je interakcija provodnika sa strujom u blizini feromagnetnih masa. Kada jednosmerna ili naizmenična struja teče u blizini strukture ili ploče napravljene od feromagnetnog materijala, to izaziva izobličenje magnetnog polja oko provodnika kroz koji struja teče. Elektrodinamička sila usmerena ka feromagnetnom elementu u ovom slučaju je rezultat asimetričnog polja u odnosu na osu provodnika.

Ova sila je opisana formulom prema metodi ogleda u ogledalu:

C - pretpostavljena konstanta u zavisnosti od dužine i oblika cevovoda,

i – struja kola,

i_1- struja refleksije ogledala,

a - rastojanje od površine ploče do ose provodnika.

Slika 4. Efekat privlačenja provodnika strujom na feromagnetnu ploču: a) raspodela linija magnetnog polja, b) primer proračuna prema metodi refleksije u ogledalu.

Nagomilavanje elektrodinamičkih sila usled privlačenja je opasna pojava tokom kratkih spojeva kada su žice/sabirnice položene blizu čelične ploče ili drugih potpornih konstrukcija sa oštrim (neočišćenim) ivicama. Tada postoji opasnost od pucanja izolacije žice, mekane usled uticaja temperature, trljanja o ploču ili drugi strukturalni deo kućišta pod dejstvom elektrodinamičkih sila, što može dovesti do kratkog spoja metalne žice sa dati element.

Maksimalni gubici snage zaštitnog uređaja

Proizvedeni zaštitni uređaji se podvrgavaju ispitivanjima i ispitivanjima u cilju utvrđivanja maksimalnih gubitaka snage. Ovo je zbog uvođenja standarda IEC 61439. Standard detaljno opisuje testove koje treba izvršiti da bi se dobili potrebni podaci. Jedno od specifičnih ispitivanja u tački 10.10 poljskog standarda PN-EN 61439-1 je verifikacija toplotnog opterećenja. Test se sastoji u obezbeđivanju maksimalnog dozvoljenog porasta temperature na mestima gde kritična vrednost porasta temperature može biti prekoračena. Proverava se koji deo kućišta za ispitivanje je najnepovoljniji (zbog veličine, oblika, broja pregrada i da li je ventilisan ili ne).

Tokom testa, maksimalna nazivna struja zavisi od broja uređaja u funkcijskom bloku. Ako postoji samo jedan uređaj, primenjuje se nazivna struja uređaja, ako postoji više uređaja u funkcijskom bloku, onda se primenjuje struja uređaja sa najnižom nazivnom strujom.

Prema preporukama standarda, uvek treba istražiti najnepovoljnije varijante. Kritični funkcionalni blok se testira:

• unutar (najmanjeg) dela namenjenog za funkcionalni blok,
• zbog najgore opcije unutrašnjeg odvajanja, koja se odnosi na veličinu ventilacionih otvora,
• ako se javlja u kućištu sa najvećim instaliranim gubitkom snage po jedinici zapremine,
• u najgorem slučaju ventilacione varijante, uzimajući u obzir vrstu ventilacije

Ispitivanja se vrše kao da je zaštitna oprema korišćena u normalnim uslovima, sa svim postavljenim poklopcima i panelima. U pojedinačnim kućištima, ispitivanje temperature se vrši sa vrstom struje za koju je projektovano. Test se izvodi sve dok vrednost temperature ne postane konstantna. Tokom ispitivanja ova vrednost se postiže ako porast temperature na svim mernim mestima ne prelazi 1 K/h.

Tokom izvođenja testa za gubitak snage kućišta zaštitnog uređaja, simulira se stvaranje toplote strujnim putevima i instaliranim uređajima korišćenjem grejnih otpornika koji su na odgovarajući način postavljeni unutar kućišta. Ovi otpornici su podešeni da daju toplotnu vrednost ekvivalentnu očekivanom gubitku snage u kućištu pod normalnim uslovima koje je obezbedio proizvođač [1, 2]. Kablovi koji snabdevaju grejne otpornike biraju se tako da ne uklanjaju toplotu iz testiranog kućišta. Vrednosti temperature u kućištu se mere u njegovom gornjem delu, gde je njegova vrednost najveća, jer se topao vazduh konvekcijom diže nagore. Temperatura kućišta ne može da pređe vrednosti date u standardu PN-EN 61439.

Sprovedeni test se verifikuje u trenutku njegovog izvođenja i nakon njegovog završetka. Ako temperatura vazduha iz izračunatog gubitka snage (dobijenog tokom ispitivanja) nije veća od dozvoljene radne temperature koju je deklarisao proizvođač, to znači da za unutrašnje armature i konektore glavnog kola, neprekidno opterećenje nije veće od dozvoljenog opterećenja na izračunatu temperaturu vazduha. U ovom slučaju, neprekidno opterećenje ne prelazi 80% nazivne struje, što znači usklađenost sa deklaracijom proizvođača.

Elektromagnetna kompatibilnost zaštitnih uređaja

Standard PN-EN 61439-1 (tačka 9.4 i Aneks J) navodi da razvodni uređaji treba da ispunjavaju smernice za elektromagnetnu kompatibilnost (EMC). To je sposobnost zaštitnog uređaja da radi u specifičnom elektromagnetnom okruženju i da ne stvara smetnje elektromagnetnog polju koje bi mogle da ometaju pravilan rad drugih uređaja koji funkcionišu u njegovoj blizini. EMC testiranje je obavezno na većini tržišta u Evropi, Sjedinjenim Državama i drugim zemljama. Zbog toga je neophodno izvršiti ova ispitivanja kako bi se određeni proizvod plasirao na tržište i ispunio sve zakonske uslove kako bi se omogućila prodaja.

Slika 5. Prostorija za ispitivanje elektromagnetne kompatibilnosti EMC.

Prilikom pripreme zaštitnog uređaja za ispitivanje, obično se sastavljeni uzorak priprema u jednom trenutku, a kombinacija uređaja ugrađenih unutra je prilično nasumična. Testovi otpornosti na elektromagnetnu kompatibilnost ili emisija nisu potrebni ako su ugrađene komponente zaštitnog uređaja u skladu sa zahtevima elektromagnetne standarde kompatibilnosti za dato okruženje, u skladu sa specifičnim zahtevima proizvoda ili opštim EMC standardom.

Izvori elektromagnetnih smetnji mogu biti:

• diskretni kontinuirani ili promenljivi (sinusoidni) signali sa, na primer, sveprisutnih radio predajnika,
• širokopojasni kontinuirani signali generisani od strane nadzemnih vodova, električnih mašina ili tiristorskih ispravljačkih sistema,
• jednokratni prolazni prenaponski signali od groma, elektrostatičkih pražnjenja, komutacionih procesa, varničkih pražnjenja i kratkih spojeva.

Svi ovi poremećaji izazivaju pojavu prelaznih prenapona koji izlažu uređaje ugrađene u zaštitnu opremu  izolacije i remete merne i kontrolne funkcije.

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

Spreganje u  datim kolima sa zaštitnim uređajem može se postići:

• induktivni,
• galvanski,
• kapacitivni.

Da bi se smanjila sprega između ometajućeg signala, zaštitni uređaj je opremljen:

• odvodnici prenapona za zaštitu od prenapona,
• ekranizacija kontrolnih kablova (sa uzemljenjem ekrana sa obe strane),
• mrežni filteri,
• optičke veze između uređaja.

Slika 6. Primeri sprega u trenutku nastanka smetnje: a) galvanski, b) kapacitivni, c) induktivni, d) elektrostatičko pražnjenje.

Dobijanje potrebnog stepena elektromagnetne kompatibilnosti (EMC) zaštitnog uređaja zahteva odgovarajuće radnje u fazama od koncepta do prototipa. U tu svrhu koriste se brojni kompjuterski programi, kao i primena preporuka sadržanih u propisima o standardizaciji i iskustva proizvođača.

Rezime

U rukopisu su predstavljeni i razmatrani zahtevi za projektovanje zaštitnih uređaja sadržanih u standardima PN-EN 61439-1 i PN-EN 62208, koje moraju da ispune postrojenja proizvedena na tržištu.

Verifikacija razvijenih konstrukcija zaštitnih uređaja od strane proizvođača tokom građevinskih ispitivanja i tipskih ispitivanja u istraživačkim laboratorijama omogućava tržište i prodaju savremenih visokokvalitetnih rešenja koja obezbeđuju odgovarajući stepen zaštite i sigurnosti tokom njihovog rada.