Jakość zasilania - poradnik.pdf

(502 KB) Pobierz
3_5_1_cover.indd
Harmoniczne
3.5.1
Proviso Systems Ltd
Harmoniczne
Dob–r przekroju przewod–w 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 dostawc–w miedzi oraz producent–w
pragnących zachęcić odbiorc–w do stosowania miedzi i jej stop–w oraz promujących ich prawidłowe i efektywne
zastosowanie. Działalność Centrum obejmuje zapewnienie technicznego doradztwa i informacji tym, kt–rzy są zainteresowani
wykorzystaniem miedzi w jej wszystkich aspektach. Centrum r–wnież 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 sp–łką joint venture Międzynarodowego Stowarzyszenia na Rzecz Miedzi
(ICA) i IWCC. ECI, dzięki swoim członkom, zajmuje się w imieniu największych producent–w miedzi
na świecie i czołowych europejskich producent–w - 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 r–wnież nie przewidziane szkody, kt–re mogą być poniesione w wyniku użycia
informacji lub nieumiejętnego użycia informacji lub danych zawartych w niniejszej publikacji.
Copyright¨ European Copper Institute, Deutsches Kupferinstitut and Polskie Centrum Promocji Miedzi.
Reprodukcja materiału zawartego w niniejszej publikacji jest legalna pod warunkiem reprodukcji w całości i po dania jej źr–dła.
Promocja LPQI w Polsce prowadzona jest w ramach Polskiego Partnerstwa Jakości Zasilania
Harmoniczne
Dob–r przekroju przewod–w neutralnych
w instalacjach o wysokiej zawartości harmonicznych
Wstęp
Niniejsza część Poradnika dotyczy doboru przekroju przewod–w neutralnych w sytuacji występowania pro-
blem–w związanych z jakością energii, a powodowanych przez ápotr–jneÑ harmoniczne prądu, tzn. takie, kt–-
rych rząd jest wielokrotnością trzech. To zagadnienie jest szczeg–lnie istotne w systemach niskiego napięcia,
w kt–rych emisja harmonicznych przez odbiorniki jednofazowe jest coraz poważniejszym problemem. Prądy
ápotr–jnychÑ 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 rzęd–w. W wyniku
tego prądy neutralne są często znacząco większe, typowo do 170%, niż prądy fazowe.
Dob–r przekroju przewod–w jest regulowany przez normę IEC 60364, Część 5-52: áDob–r i montaż wyposa-
żenia elektrycznego Î oprzewodowanieÑ. Norma ta zawiera przepisy i zalecenia dotyczące doboru przekroju
przewod–w w zależności od prądu odbiornika, rodzaju izolacji kabli oraz sposobu wykonania i warunk–w eks-
ploatacji instalacji. Niekt–re 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 op–źnieniem w ich wprowadza-
niu, większość z nich nie traktuje zagadnienia doboru przekroju przewodu neutralnego w spos–b komplekso-
wy. Ponieważ niewielu instalator–w i projektant–w ma łatwy dostęp do norm IEC, opierają się oni wyłącz-
nie na krajowych przepisach i w sprawie doboru przekroju przewod–w neutralnych muszą polegać na swojej
własnej wiedzy i doświadczeniu. Celem niniejszej noty aplikacyjnej jest wyjaśnienie zagadnień związanych
z wymiarowaniem przewod–w neutralnych i przedstawienie wytycznych IEC szerszemu gronu zainteresowa-
nych odbiorc–w.
Podstawy teoretyczne
W układzie tr–jfazowym połączonym w gwiazdę prąd
w przewodzie neutralnym jest wektorową sumą trzech
prąd–w fazowych. W symetrycznym układzie sinuso-
idalnych prąd–w tr–jfazowych ich suma jest w każdej
chwili r–wna zeru, zatem prąd w przewodzie neutralnym
jest r–wny zeru (rys. 1).
W tr–jfazowym systemie elektroenergetycznym zasila-
jącym odbiorniki liniowe prąd w przewodzie neutral-
nym rzadko jest r–wny zeru, ponieważ obciążenie każ-
dej fazy jest inne. W typowych warunkach ta r–żnica 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 prąd–w niesinusoidalnych, nawet o tej samej war-
tości skutecznej, suma trzech prąd–w fazowych może
być r–żna od zera. Na przykład, prądy o przebiegu pro-
stokątnym i r–wnych wartościach skutecznych dadzą w
wyniku znaczny prąd neutralny (rys. 3).
W istocie, składowe trzeciej harmonicznej (i wszystkich
innych harmonicznych, kt–rych rząd jest wielokrotno-
ścią trzech Î sz–stej, dziewiątej itd.) prąd–w 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 tr–jfazowego symetrycznego
odbiornika jest r–wny zeru
Rys. 2. Prąd neutralny tr–jfazowego
niesymetrycznego odbiornika nie jest r–wny zeru,
ale jest mniejszy niż prąd fazowy
1
Dob–r przekroju przewod–w 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:
Dob–r i montaż wyposażenia elektrycznego Î
oprzewodowanieÑ dotyczy bezpiecznego instalo-
wania obwod–w z punktu widzenia technik instala-
cyjnych i doboru przekroju przewod–w. Spos–b 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 obwod–w są instalowane
w tych samych rurach, listwach lub przestrzeniach
instalacyjnych, to w wyniku wzajemnego ogrze-
wania obciążalność prądowa każdego kabla ulega
zmniejszeniu. Inaczej m–wiąc - obciążalność prą-
dowa kabla jest określona przez ilość ciepła wy-
twarzanego przez płynący w nim prąd i przez ilość
ciepła, kt–ra może być odprowadzona przez kon-
wekcję. Oba te czynniki wyznaczają temperaturę
pracy kabla, kt–ra 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 wsp–łczynniki korekcyjne podane w
normie są oparte na badaniach praktycznych i ob-
liczeniach teoretycznych dla typowych warunk–w
i wymagają modyÜ kacji w celu uwzględnienia rze-
czywistych warunk–w pracy konkretnej instalacji.
Ponieważ obecność ápotr–jnychÑ harmonicznych
w przewodzie neutralnym powoduje zwiększe-
nie wydzielania ciepła, dob–r wymiaru kabla musi
uwzględniać poprawkę na to zjawisko.
Informacje odnoszące się do doboru przekroju
przewodu neutralnego w przypadku prąd–w niesi-
nusoidalnych można znaleźć w normie IEC 60364-
5-524. Rozdział 524.2. wskazuje, że przew–d neu-
tralny powinien mieć co najmniej taki sam przekr–j
jak przewody fazowe:
¤ w obwodach dwuprzewodowych jedno-
fazowych dotyczy to wszystkich wartości
przekroj–w przewod–w,
¤ w obwodach wielofazowych i w tr–jprze-
wodowych obwodach jednofazowych 1 , w
kt–rych przekr–j poprzeczny przewod–w
fazowych wynosi nie więcej niż 16 mm 2
dla miedzi lub 25 mm 2 dla aluminium.
Rys. 3. Prąd neutralny tr–jfazowego nieliniowego
odbiornika nie jest r–wny 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 kt–rych punkt środkowy jest punktem neutralnym.
2
Dob–r przekroju przewod–w neutralnych
w instalacjach o wysokiej zawartości harmonicznych
Rozdział 524.3 stanowi, że w innych obwodach wielofazowych przekr–j 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,
¤ przew–d neutralny ma zabezpieczenie nadprądowe,
¤ przekr–j 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 odbiornik–w, kt–re będą użytkowane po włączeniu instalacji
do eksploatacji Î niestety ta informacja jest rzadko dostępna. Norma zawiera r–wnież załącznik informacyjny,
kt–ry podaje metodologię prawidłowego doboru przekroju kabli. Zawarta w nim informacja, w postaci raczej
wytycznych i zaleceń niż przepis–w, ma być pomocna dla projektanta.
Niniejsza część Poradnika przedstawia te wytyczne wraz z przykładami liczbowymi i komentarzami doty-
czącymi zmniejszania dopuszczalnego obciążenia we wsp–lnie wykorzystywanych kanałach kablowych oraz
skutk–w spadk–w napięcia.
Wytyczne według normy
Zaburzenia w systemie zasilającym lub obciążeniu mogą w znacznym stopniu wpływać na funkcjonowanie
podzespoł–w lub przewod–w elektrycznych. Spośr–d wszystkich zaburzeń elektromagnetycznych, kt–re ma-
ją wpływ na kable energetyczne, jednym z najbardziej istotnych są harmoniczne. Skutki tego zjawiska mogą
prowadzić do przeciążenia zar–wno przewod–w fazowych, jak i neutralnych. Przedmiotem uwagi niniejszej
części Poradnika będzie dob–r 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 przewod–w fazowych nie jest
przeciążony całkowite straty cieplne w kablu nie są nadmierne. Kiedy obciążenie jest nieliniowe, występuje prąd
neutralny, kt–ry, podobnie jak trzy prądy fazowe, ma sw–j 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 por–wnaniu z warunkami obciążenia idealnie liniowego, co powodu-
je zmniejszenie obciążalności linii. Ponadto, przewody neutralne w istniejących budynkach, kt–rych przekro-
je często były dobierane zbyt nisko w stosunku do przekroju przewod–w 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 prąd–w 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 prostownik–w sterowanych i dużych kąt–w wysterowania, tj. niskich
wartości napięcia wyprostowanego (α ≥ 60 ), może osiągnąć wartość 1,73 prądu fazowego.
Najprostszym sposobem rozwiązania tego problemu jest przyjęcie odpowiednich wsp–łczynnik–w korekcyj-
nych dla wyznaczenia obciążalności prądowej kabla. Załącznik D do normy IEC 60364-5-52 podaje r–wnież
metodologię określania odpowiedniego wsp–łczynnika w celu zmniejszenia parametr–w znamionowych. Dla
uproszczenia podejście to zakłada, że:
¤ system jest tr–jfazowy i symetryczny,
¤ jedyną znaczącą harmoniczną, kt–rej wartość w przewodzie neutralnym nie podlega redukcji jest trze-
cia harmoniczna (tzn. amplitudy pozostałych ápotr–jnychÑ harmonicznych są stosunkowo małe, a in-
ne harmoniczne są w przybliżeniu symetryczne i ich suma jest r–wna 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.
3

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin