Jakość zasilania - poradnik - Harmoniczne.pdf - elekronika i nie tylko - kormoran55

Harmoniczne

3.5.1

Proviso Systems Ltd

Harmoniczne

Dobr przekroju przewodw neutralnych

w instalacjach o wysokiej zawartości harmonicznych

Prof. Jan Desmet, Hogeschool West-Vlaanderen &

Prof. Angelo Baggini, Università di Bergamo

Czerwiec 2003

Niniejszy Poradnik został opracowany jako część europejskiego programu edukacyjnego i szkoleniowego Jakość

Zasilania Inicjatywa Leonardo (LPQI), wspieranego przez Komisję Europejską (w ramach Programu Leonardo da

Vinci) i Międzynarodowe Stowarzyszenie Miedzi. Dla uzyskania bliższych informacji odwiedź stronę LPQI www.lpqi.org.

Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. (PCPM S.A.)

Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. jest organizacją non-proÜ t, Ü nansowaną przez dostawcw miedzi oraz producentw

pragnących zachęcić odbiorcw do stosowania miedzi i jej stopw oraz promujących ich prawidłowe i efektywne

zastosowanie. Działalność Centrum obejmuje zapewnienie technicznego doradztwa i informacji tym, ktrzy są zainteresowani

wykorzystaniem miedzi w jej wszystkich aspektach. Centrum rwnież zapewnia łączność między jednostkami badawczymi a

przemysłem wykorzystującym miedź w produkcji oraz utrzymuje bliską łączność z innymi organizacjami zajmującymi się rozwojem

miedzi na całym świecie.

Europejski Instytut Miedzi (ECI)

Europejski Instytut Miedzi jest spłką joint venture Międzynarodowego Stowarzyszenia na Rzecz Miedzi

(ICA) i IWCC. ECI, dzięki swoim członkom, zajmuje się w imieniu największych producentw miedzi

na świecie i czołowych europejskich producentw - promocją miedzi w Europie. Powstały w styczniu

1996 roku Europejski Instytut Miedzi jest wspierany dzięki sieci dziesięciu Towarzystw Rozwoju Miedzi (CDA) w krajach Beneluksu,

we Francji, w Niemczech, Grecji, na Węgrzech, we Włoszech, w Polsce, Skandynawii, Hiszpanii i Wielkiej Brytanii. Towarzystwo

rozwija swoją działalność podjętą przez CDA powstałą w 1959 roku oraz dzięki INCRA (Międzynarodowemu Towarzystwu Badań

Miedzi) powstałemu w 1961 roku.

Zrzeczenie się odpowiedzialności

Niniejszy projekt nie musi odzwierciedlać stanowiska Komisji Europejskiej ani nie nakłada na Komisję Europejską żadnej

odpowiedzialności.

Europejski Instytut Miedzi, Deutsches Kupferinstitut i Polskie Centrum Promocji Miedzi zrzekają się wszelkiej odpowiedzialności

za wszelkie bezpośrednie lub pośrednie skutki jak rwnież nie przewidziane szkody, ktre mogą być poniesione w wyniku użycia

informacji lub nieumiejętnego użycia informacji lub danych zawartych w niniejszej publikacji.

Reprodukcja materiału zawartego w niniejszej publikacji jest legalna pod warunkiem reprodukcji w całości i po dania jej źrdła.

Promocja LPQI w Polsce prowadzona jest w ramach Polskiego Partnerstwa Jakości Zasilania

Harmoniczne

Dobr przekroju przewodw neutralnych

w instalacjach o wysokiej zawartości harmonicznych

Wstęp

Niniejsza część Poradnika dotyczy doboru przekroju przewodw neutralnych w sytuacji występowania pro-

blemw związanych z jakością energii, a powodowanych przez ápotrjneÑ harmoniczne prądu, tzn. takie, kt-

rych rząd jest wielokrotnością trzech. To zagadnienie jest szczeglnie istotne w systemach niskiego napięcia,

w ktrych emisja harmonicznych przez odbiorniki jednofazowe jest coraz poważniejszym problemem. Prądy

ápotrjnychÑ harmonicznych sumują się arytmetycznie w przewodzie neutralnym, a nie zerują się tak, jak to

ma miejsce w przypadku symetrii składowej podstawowej prądu i harmonicznych innych rzędw. W wyniku

tego prądy neutralne są często znacząco większe, typowo do 170%, niż prądy fazowe.

Dobr przekroju przewodw jest regulowany przez normę IEC 60364, Część 5-52: áDobr i montaż wyposa-

żenia elektrycznego Î oprzewodowanieÑ. Norma ta zawiera przepisy i zalecenia dotyczące doboru przekroju

przewodw w zależności od prądu odbiornika, rodzaju izolacji kabli oraz sposobu wykonania i warunkw eks-

ploatacji instalacji. Niektre postanowienia normy, wraz z wytycznymi o charakterze informacyjnym, zawar-

tymi w załączniku D, dotyczą doboru przekroju przewodu neutralnego w obecności harmonicznych. Normy

krajowe odpowiadają ściśle normie IEC 60364, ale w związku ze znacznym opźnieniem w ich wprowadza-

niu, większość z nich nie traktuje zagadnienia doboru przekroju przewodu neutralnego w sposb komplekso-

wy. Ponieważ niewielu instalatorw i projektantw ma łatwy dostęp do norm IEC, opierają się oni wyłącz-

nie na krajowych przepisach i w sprawie doboru przekroju przewodw neutralnych muszą polegać na swojej

własnej wiedzy i doświadczeniu. Celem niniejszej noty aplikacyjnej jest wyjaśnienie zagadnień związanych

z wymiarowaniem przewodw neutralnych i przedstawienie wytycznych IEC szerszemu gronu zainteresowa-

nych odbiorcw.

Podstawy teoretyczne

W układzie trjfazowym połączonym w gwiazdę prąd

w przewodzie neutralnym jest wektorową sumą trzech

prądw fazowych. W symetrycznym układzie sinuso-

idalnych prądw trjfazowych ich suma jest w każdej

chwili rwna zeru, zatem prąd w przewodzie neutralnym

jest rwny zeru (rys. 1).

W trjfazowym systemie elektroenergetycznym zasila-

jącym odbiorniki liniowe prąd w przewodzie neutral-

nym rzadko jest rwny zeru, ponieważ obciążenie każ-

dej fazy jest inne. W typowych warunkach ta rżnica jest

niewielka i w każdym przypadku mniejsza niż prądy fa-

zowe (rys. 2).

Jeżeli zasilane odbiorniki są nieliniowe, to, nawet, jeże-

li obciążenia są symetrycznie rozłożone pomiędzy faza-

mi, prąd w przewodzie neutralnym może być znaczny.

Dla prądw niesinusoidalnych, nawet o tej samej war-

tości skutecznej, suma trzech prądw fazowych może

być rżna od zera. Na przykład, prądy o przebiegu pro-

stokątnym i rwnych wartościach skutecznych dadzą w

wyniku znaczny prąd neutralny (rys. 3).

W istocie, składowe trzeciej harmonicznej (i wszystkich

innych harmonicznych, ktrych rząd jest wielokrotno-

ścią trzech Î szstej, dziewiątej itd.) prądw fazowych

są zgodne w fazie (tzn. są składowymi symetrycznymi

kolejności zerowej), a więc sumują się, zamiast znosić

się w wyniku dodawania wektorowego (p. rys. 4).

Rys. 1. Prąd neutralny trjfazowego symetrycznego

odbiornika jest rwny zeru

Rys. 2. Prąd neutralny trjfazowego

niesymetrycznego odbiornika nie jest rwny zeru,

ale jest mniejszy niż prąd fazowy

Dobr przekroju przewodw neutralnych

w instalacjach o wysokiej zawartości harmonicznych

Z powodu trzeciej harmonicznej amplituda prądu

neutralnego może przewyższać amplitudę prądu

fazowego dla częstotliwości zasilania.

Wymagania normy

Norma IEC 60364-5-52:2001 áInstalacje elek-

tryczne w obiektach budowlanych Î część 5-52:

Dobr i montaż wyposażenia elektrycznego Î

oprzewodowanieÑ dotyczy bezpiecznego instalo-

wania obwodw z punktu widzenia technik instala-

cyjnych i doboru przekroju przewodw. Sposb in-

stalacji często wpływa na warunki cieplne, w kt-

rych kabel jest eksploatowany i tym samym na ob-

ciążalność prądową przewodu lub obwodu. Jeżeli

kable należące do kilku obwodw są instalowane

w tych samych rurach, listwach lub przestrzeniach

instalacyjnych, to w wyniku wzajemnego ogrze-

wania obciążalność prądowa każdego kabla ulega

zmniejszeniu. Inaczej mwiąc - obciążalność prą-

dowa kabla jest określona przez ilość ciepła wy-

twarzanego przez płynący w nim prąd i przez ilość

ciepła, ktra może być odprowadzona przez kon-

wekcję. Oba te czynniki wyznaczają temperaturę

pracy kabla, ktra oczywiście nie może być wyż-

sza niż dopuszczalna dla danego materiału izola-

cji: 70 C dla izolacji z tworzyw termoplastycznych

(jak PVC) lub 90 C dla izolacji termoutwardzal-

nej (jak polietylen usieciowany XLPE). Parametry

znamionowe i wspłczynniki korekcyjne podane w

normie są oparte na badaniach praktycznych i ob-

liczeniach teoretycznych dla typowych warunkw

i wymagają modyÜ kacji w celu uwzględnienia rze-

czywistych warunkw pracy konkretnej instalacji.

Ponieważ obecność ápotrjnychÑ harmonicznych

w przewodzie neutralnym powoduje zwiększe-

nie wydzielania ciepła, dobr wymiaru kabla musi

uwzględniać poprawkę na to zjawisko.

Informacje odnoszące się do doboru przekroju

przewodu neutralnego w przypadku prądw niesi-

nusoidalnych można znaleźć w normie IEC 60364-

5-524. Rozdział 524.2. wskazuje, że przewd neu-

tralny powinien mieć co najmniej taki sam przekrj

jak przewody fazowe:

¤ w obwodach dwuprzewodowych jedno-

fazowych dotyczy to wszystkich wartości

przekrojw przewodw,

¤ w obwodach wielofazowych i w trjprze-

wodowych obwodach jednofazowych 1 , w

ktrych przekrj poprzeczny przewodw

fazowych wynosi nie więcej niż 16 mm 2

dla miedzi lub 25 mm 2 dla aluminium.

Rys. 3. Prąd neutralny trjfazowego nieliniowego

odbiornika nie jest rwny zeru i może być większy

niż prąd fazowy, ze względu na obecność

harmonicznych tworzących układ składowych

symetrycznych kolejności zerowej

Rys. 4. Prąd trzeciej harmonicznej

w przewodzie neutralnym

1 tj. w obwodach z wyprowadzonym środkiem, w ktrych punkt środkowy jest punktem neutralnym.

Dobr przekroju przewodw neutralnych

w instalacjach o wysokiej zawartości harmonicznych

Rozdział 524.3 stanowi, że w innych obwodach wielofazowych przekrj przewodu neutralnego może być

zmniejszony, jeżeli spełnione są wszystkie poniższe warunki:

¤ maksymalny przewidywany prąd, łącznie z harmonicznymi, jeżeli występują w przewodzie neutral-

nym podczas normalnej pracy jest nie większy niż długotrwała obciążalność prądowa dla zmniejszo-

nego przekroju przewodu neutralnego,

¤ przewd neutralny ma zabezpieczenie nadprądowe,

¤ przekrj przewodu neutralnego wynosi co najmniej 16 mm 2 dla miedzi lub 25 mm 2 dla aluminium.

Warunki te są normatywne, tzn. muszą być przestrzegane w celu zachowania zgodności z normą. Spełnienie

ich wymaga jednak znajomości rodzaju i liczby odbiornikw, ktre będą użytkowane po włączeniu instalacji

do eksploatacji Î niestety ta informacja jest rzadko dostępna. Norma zawiera rwnież załącznik informacyjny,

ktry podaje metodologię prawidłowego doboru przekroju kabli. Zawarta w nim informacja, w postaci raczej

wytycznych i zaleceń niż przepisw, ma być pomocna dla projektanta.

Niniejsza część Poradnika przedstawia te wytyczne wraz z przykładami liczbowymi i komentarzami doty-

czącymi zmniejszania dopuszczalnego obciążenia we wsplnie wykorzystywanych kanałach kablowych oraz

skutkw spadkw napięcia.

Wytyczne według normy

Zaburzenia w systemie zasilającym lub obciążeniu mogą w znacznym stopniu wpływać na funkcjonowanie

podzespołw lub przewodw elektrycznych. Spośrd wszystkich zaburzeń elektromagnetycznych, ktre ma-

ją wpływ na kable energetyczne, jednym z najbardziej istotnych są harmoniczne. Skutki tego zjawiska mogą

prowadzić do przeciążenia zarwno przewodw fazowych, jak i neutralnych. Przedmiotem uwagi niniejszej

części Poradnika będzie dobr przekroju przewodu neutralnego.

Należy zauważyć, że w tabelach obciążalności prądowej zamieszczonych w normie przyjęto szereg założeń; oce-

na, czy są one spełnione, oraz uwzględnienie stosownych poprawek należy do projektanta. Najważniejszym za-

łożeniem jest to, że w cztero- lub pięciożyłowym kablu tylko trzy żyły przewodzą prąd, lub inaczej - obciążenie

jest symetryczne i liniowe. W sytuacji, gdy obciążenie jest niesymetryczne, lecz liniowe, prąd będący rezultatem

jego asymetrii płynie w przewodzie neutralnym, ale jego wpływ jest kompensowany przez fakt, że przynajmniej

w jednym przewodzie fazowym prąd ma mniejsza wartość. Zakładając, że żaden z przewodw fazowych nie jest

przeciążony całkowite straty cieplne w kablu nie są nadmierne. Kiedy obciążenie jest nieliniowe, występuje prąd

neutralny, ktry, podobnie jak trzy prądy fazowe, ma swj udział w całkowitych stratach cieplnych.

W warunkach odkształcenia prądu, opisanego w paragraÜ e 1.2. wydzielanie ciepła w przewodniku, spowodo-

wane zjawiskiem JouleÓa, jest większe w porwnaniu z warunkami obciążenia idealnie liniowego, co powodu-

je zmniejszenie obciążalności linii. Ponadto, przewody neutralne w istniejących budynkach, ktrych przekro-

je często były dobierane zbyt nisko w stosunku do przekroju przewodw fazowych (paragraf 1.3.), mogą być

przeciążone, nawet jeżeli prąd neutralny nie przekracza znamionowego prądu fazowego.

Wyznaczenie prądu neutralnego w wartościach bezwzględnych nie jest możliwe, jeżeli nie jest znany rzeczy-

wisty lub teoretyczny kształt przebiegu czasowego prądw obciążenia. W przybliżeniu można przyjąć, że prąd

neutralny może wynosić 1,61 prądu fazowego w przypadku obciążenia takimi odbiornikami, jak komputery,

natomiast w najgorszym przypadku, dla prostownikw sterowanych i dużych kątw wysterowania, tj. niskich

wartości napięcia wyprostowanego (α ≥ 60 ), może osiągnąć wartość 1,73 prądu fazowego.

Najprostszym sposobem rozwiązania tego problemu jest przyjęcie odpowiednich wspłczynnikw korekcyj-

nych dla wyznaczenia obciążalności prądowej kabla. Załącznik D do normy IEC 60364-5-52 podaje rwnież

metodologię określania odpowiedniego wspłczynnika w celu zmniejszenia parametrw znamionowych. Dla

uproszczenia podejście to zakłada, że:

¤ system jest trjfazowy i symetryczny,

¤ jedyną znaczącą harmoniczną, ktrej wartość w przewodzie neutralnym nie podlega redukcji jest trze-

cia harmoniczna (tzn. amplitudy pozostałych ápotrjnychÑ harmonicznych są stosunkowo małe, a in-

ne harmoniczne są w przybliżeniu symetryczne i ich suma jest rwna zeru), oraz

¤ kabel jest 4- lub 5 żyłowy, z żyłą neutralną z tego samego materiału i o tym samym przekroju po-

przecznym co przewody fazowe.

Jakość zasilania - poradnik - Harmoniczne.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: