Zasilanie odbiorów końcowych :: Główny system zasilania obiektu :: Układy sieci - IT, TT, TN :: Prąd zwarcia :: Obwody prądu zmiennego :: Zabezpieczenia przepięciowe :: Linki

Instalacja elektryczna

Na instalacje elektryczną składają się:

Instalacja elektryczna na ogół stanowi hierarchiczny system (kabel zasilający rozdzielnicę jest wyprowadzony w większej rozdzielnicy i tam posiada swoje zabezpieczenia, często także w ramach rozdzielnicy zabezpieczenia odbiorów są jakoś grupowane) dlatego ważne jest zapewnienie odpowiedniego stopniowania i selektywności zabezpieczeń zarówno nadprądowych jak i różnico-prądowych. Nie należy także zapominać o przewidzeniu zastosowania zabezpieczeń przeciwprzepięciowych, systemów sygnalizacyjnych i elementów automatyki - istotne jest zapewnienie styków pomocniczych służących monitorowaniu stanu aparatów, a także zdalnego monitoringu parametrów zasilania (z wykorzystaniem analizatorów z komunikacją modbus lub ethernet) oraz możliwości zdalnego wyłączania czy też włączania (wybranych) zabezpieczeń.

Zasilanie odbiorów końcowych

Rozdzielnie zasilające odbiory końcowe wykonuje się z użyciem tzw. aparatury modułowej. Jej producenci zapewniają szeroki wybór aparatów:

A także osprzętu łączeniowego (szyny grzebieniowe, szpilkowe, bloki łączeniowe, etc.). Niestety systemy aparatury modułowej różnych producentów są ze sobą zazwyczaj niekompatybilne (nawet do tego stopnia że ciężko je połączyć jedną szyną grzebieniową), nie wspominając już o estetyce wyglądu rozdzielnicy, czy też podłączaniu osprzętu pomocniczego - dlatego należy w miarę możliwości starać się wykonywać całą rozdzielnicę aparaturą od jednego producenta.

Wspomniane wyżej, dostępne na rynku elementy automatyki do rozdzielnic elektrycznych są najczęściej rozwiązaniami wysokonapięciowe i nie umożliwiającymi bardziej zaawansowanego zdalnego sterowania. Dlatego uważam iż bardziej zaawansowane systemy automatyki instalacji elektrycznej należy opierać na dedykowanych sterownikach mikroprocesorowych, w których sterowanie odbywa się niskonapięciowo, a ich funkcja jest zmieniana programowo. Natomiast zastosowanie opisywanej aparatury modułowej systemów sterowania powinno sprowadzać się głównie do funkcji pomocniczych wobec podstawowych aparatów łączeniowych - umożliwienia uzyskanie informacji o ich stanie oraz powodowania zadziałania, a także wizualną sygnalizację parametrów pracy rozdzielnicy (lampki, wskaźniki i liczniki). Na stronie opisuję także wielokanałowy kanałowy mikroprocesorowy sterownik oświetlenia z ściemniaczem.

Istnieją dwa podstawowe sposoby prowadzenia instalacji elektrycznych:

Większość instalacji stanowi swego rodzaju miks tych dwóch podejść - z rozdzielni wychodzi (gwiaździście) kilka obwodów magistralowych. Ze wzlędów na możliwości sterowania, czytelnośc instalacji, itd. lepszym rozwiązaniem wydaje się topologia gwiaździsta. Dlatego instalację należy starać się prowadzić w sposób gwiaździsty od rozdzielnicy (punktu dystrybucyjnego), ale względu na ilość dość grubych przewodów należy starać się robić niezbyt wielkie rozdzielnice w pobliżu odbiorów (łatwiej poradzić sobie z jednym przewodem o większym przekroju do zasilania rozdzielnicy niż wychodząca z niej wiązką przewodów). Należy także pamiętać o zachowaniu odpowiednich odległości między wysoko-prądowymi instalacjami zasilającymi a telekomunikacyjnymi. Konieczne jest także zapewnienie odpowiedniego rozdziału obciążenia między fazy.
Warto dla każdej linii stosować indywidualne zintegrowane zabezpieczenie różnico i nad-prądowe (RCBO), a obwody grupować dopiero na następnym (z zachowaniem selektywności) stopniu zabezpieczeń. W przypadku podłączania pod jeden RCD kilku zabezpieczeń nadprądowych warto rozważyć stosowanie zabezpieczeń dwutorowym (jest to ważne przy usuwaniu niektórych z uszkodzeń powodujących działanie RCD - konkretnie upływności N-PE, przy których załączenie dowolnego z obciążonych S-ów za RCD powoduje zadziałanie RCD) - dostępne są także w wykonaniu 1 modułowym (zobacz w Sieci: Ciekawe rozwiązania aparatów modułowych).

Warto stosować powszechnie uznawany układ faza/neutralny w gniazdkach 230V (ale nie będący chyba żadnym formalnym standardem) przedstawiony na ilustracji:
układ faza/neutralny

Główny system zasilania obiektu

Przy projektowaniu głównego systemu zasilającego w obiekcie (rozdzielni głównej) bardzo istotne jest zapewnienie odpowiedniego podziału systemu na pod-rozdzielnie z uwzględnieniem ich ewentualnego zasilania zapasowego (UPS, agregat), redundancji zasilania, rozkładu obciążenia, możliwości rozbudowy i modernizacji (stosowny zapas miejsca w rozdzielni, modułowość jej wykonania). Zamieszczam kilka koncepcji rozdzielni głównej dla obiektu infrastruktury komputerowej prezentujący kilka wartych uwagi rozwiązań.

redundancja N+1

Układ typu N+1 z niezależnymi ścieżkami dystrybucji posiada dwa tory wejściowe po 1MW z układem SZR (z obsługą agregatu), redundancję N+1 na UPSach i trzy tory zasilania serwerów (A i B dla odbiorników z dwoma zasilaczami oraz C dla odbiorników z jednym zasilaczem), z których każda może być niezależnie przełączona na bypass. Dla układu tego zamieszczam także przykład rozmieszczenia rozdzielni wraz z UPSami i klimatyzacją.
POWIĘKSZ

redundancja 2(N+1)

Układ typu 2(N+1) z niezależnymi ścieżkami dystrybucji posiada dwa tory wejściowe po 1MW (plus agregat) z innym rozwiązaniem układu SZR, zasilenia UPSów i dystrybucji prądu UPSowanego. Każda strona zasilania (A i B) jest całkowicie niezależna od drugiej (w szczególności posiada własną rozdzielnie główną, układ SZR, system UPSów oraz niezależne tory dystrybucji aż do redundantnego zestawu zasilaczy w odbiorniku), aby to zapewnić pomieszczenia rozdzielni, UPSów, akumulatorów poszczególnych stron muszą być także całkowicie niezależne (izolowane od siebie strefy ogniowe). Optymalnym (m.in. ze względu na standardowe wykonania rozdzielni oraz aparatów) wydaje się realizowanie zasilania jako zestawu systemów 2(n+1) o mocy nominalnej rzędu 2.2MW (3200A). Dystrybucję zasilania po serwerowni realizowana jest z wykorzystaniem szynoprzewodów 630A i podłączanych do nich rozdzielni dedykowanych pod dany system komputerowy. Oba końce szynoprzewodu powinny być podłączane do rozdzielni głównej - jeden do części UPSowanej, drugi do części bypassowej. Obwody gniazd ogólnych realizowane są w postaci indywidualnie zabezpieczanych gniazd trójfazowych 32A i jednofazowych 16A zgodnych z standardem IEC 60309, rozdzielnie je zasilające są podłączone bezpośrednio do rozdzielni głównej.
POWIĘKSZ

redundancja N+2

Układ typu N+2 jest alternatywne rozwiązanie zapewniającym (przy poprawnym wykonaniu) nie mniejszy poziom odporności na awarie jak system 2(n+1).
POWIĘKSZ

Jak już wspomniano w niektórych zastosowaniach kluczowe przy projektowaniu systemu zasilania jest zapewnienie jego dużej niezawodności oraz redundancji (zarówno celem zwiększenia odporności na awarie, jak i celem umożliwienia serwisowania systemu w trakcie pracy). Możemy to uzyskać zwielokrotniając tory zasilania (np. redundancja 2N gdzie mamy 2 identyczne tory zasilania, z których każdy jest w stanie przyjąć pełne obciążenie) lub elementy w torach zasilania (np. N+1, gdzie potrzebujemy N jednostek - np. modułów systemu UPS a mamy jedną nadmiarową). Ciekawym rozwiązaniem jest redundancja N+1 lub N+2 oparta na całych torach zasilania (oczywiście aby było to bardziej atrakcyjne od 2N N musi być większe od 1, ale w dużych systemach na ogół nie jest to problem).

Urządzenie o mocy n * Y potrzebuje:

  • Y podstawowych linii zasilających o mocy n każda
  • X redundancyjnych linii zasilających o mocy n każda

Typowo (Y, X) = (1, 0), (1, 1), (1, 2), (2, 1), (2, 2) lub (3, 1). Najczęściej spotykane są urządzenia typu (1, 1) i (1, 0). Zasilanie w układzie (3,1) jest typowe dla dużych jednostek obliczeniowych. Przypadek (1, 1) i (2, 2) oznacza redundancje typu "2N", przypadek (1,2) oznacza redundancje typu "3N". Przypadek (2, 2) jest równoważny przypadkowi (1, 1) gdyż i tak nie mamy odporności na zanik dowolnych dwóch linii.

Liczbę potrzebnych linii zasilających determinuje max( (Y + X) / nwd(x, y) ). Czyli dla wszystkich typowych przypadków wystarczający jest 4 liniowy system zasilania (strony: A, B, C, D).

Do systemu musimy dostarczać N = sum(n * Y) mocy z zachowaniem wymaganej redundancji. Zatem potrzebujemy N/M + max(X) układów zasilających o mocy M każdy. Jeżeli urządzeń większym X od reszty jest niewiele to rezerwę redundancyjną dla nich możemy ukryć w N/M, czyli potrzebujemy: (N+N')/M + X', N' to odpowiednia część mocy urządzeń z wymaganą redundancją większą niż X'.

Ponadto (zwłaszcza gdy X' = 1 lub wiele urządzeń ma X = 1) warto zastosować jeszcze jeden dodatkowy system zasilania w trybie tak zwanej zimnej rezerwy, który zapewni zachowanie redundancji w trakcie prac serwisowych na dowolnym z układów podstawowych. W ten sposób otrzymujemy redundancje systemów zasilania: (N+N')/M + X' + 1.

Układy sieci - IT, TT, TN

Wyróżnia się 3 podstawowe układy sieci zasilającej: IT (punkt neutralny transformatora izlowoany, uziemnienia urządzeń łączone do ziemi), TT (punkt neutralny transformatora połączony z ziemią, uziemnienia urządzeń łączone do ziemi), TN (punkt neutralny transformatora połączony z ziemią, uziemnienia urządzeń łączone do przewodu neutralnego i uziemniane wraz z nim). W tym ostatnim wyróżnia się jego odmiany związne z rozdzieleniem przewodu PE (uziemnienie ochronne) i N (roboczy przewód neutralny) od przewodu wspólnego PEN.

POWIĘKSZ

Prąd zwarcia

Przy projektowaniu instalacji i doborze zabezpieczeń istotna wrtość odgrywa prąd zwarcia. Oblicza się go w oparciu o dane transformatora i parametry linii przesyłowych (grubość i materiał kabli, co przekłada się na ich rezystancję) zgodnie z poniższymi zasadami:

POWIĘKSZ

Obwody prądu zmiennego

Szeregowy obwód RLC}

Prąd:
$$I_{sk} = U_{sk} / \sqrt{R^2 + \left(\omega L - { 1 \over \omega C}\right)^2}$$, gdy brak cewki L=0, brak kondensatora $$C = \infty$$

Kąt przesunięcia fazowego:
$$\phi = \arctan \left({X_L + X_C \over R}\right) = \arctan \left({\omega L - \frac{1}{\omega C} \over R} \right)$$

Moc wydzielana:
$$P = U_{sk} I_{sk} \cos(\phi)$$
alternatywnie w oparciu na zależność związaną z czasem ładowania kondensatora stałym prądem można przybliżyć tą wartość przez:
$$P = R \left({C \Delta U \over \Delta T}\right)$$

Skrypt dla calc:

U=230
OM=2*3.14/50
L=0
C=100e-09
R=1000

X=OM*L - 1/(OM*C)
I=U*(R^2+X^2)^-0.5
cosFI=cos(atan(X/R))
U*I*cosFI

Moc pozorna, czynna i bierna

Moc pozorna:
$$S = U_{sk} I_{sk} = U_{m} I_{m} / 2$$
$$S = Z I_{sk}^2$$
$$S = \sqrt{P^2 + Q^2}$$

Moc czynna: $$P = U_{sk} I_{sk} \cos(\phi)$$

Moc bierna: $$Q = U_{sk} I_{sk} \sin(\phi)$$

Zobacz także: skrypt gnuplota ilustrujący zależności między mocą pozorna, czynna i bierna

Reaktancja

$$Z = R +jX$$ - odpowiednik oporu dla elementów z urojoną impedancją:

  • kondensator: $$X=-\frac{1}{\omega C}$$
  • indukcyjność: $$X=\omega L$$

Oznaczenia

  • Usk, Isk - wartości skuteczne napięcia i prądu
  • Um, Im - amplitudy napięcia i prądu

Zabezpieczenia przepięciowe

Interesującym i ważnym zagadnieniem z pogranicza elektroniki i elektrotechniki są zabezpieczenia przepięciowe.

W układach elektronicznych najczęściej stosowane są diody zabezpieczające (określane mianem transil). Ich działanie jest podobne do diody Zenera - montowane są zaporowo i po wzroście napięcia do wartości znamionowej gwałtownie przewodzą, pozwalają przy tym na wytracenie znacznej mocy przez krótki czas. W tym czasie prąd płynący przez transil powinien wywołać zadziałanie bezpiecznika i odcięcie urządzenia od zasilania. Dostępne są zarówno transile jedno jak i dwu kierunkowe. Innym spotykanym zabezpieczeniem jest warystor będący rezystorem o wartości oporu silnie zależnej od przyłożonego napięcia. Jest on elementem podobnym w działaniu do transila tyle że zawsze dwukierunkowy i wolniejszy.

W zabezpieczeniach instalacji elektrycznej (ochronniki przepięciowe) wyróżnia się 4 stopnie ochrony A (wymagany tylko przy liniach napowietrznych), B (w tablicy głównej budynku), C (w tablicy mieszkania, pomieszczenia), D (do ochrony urządzeń wrażliwych - np. elektroniki, stosowany w listwach przepięciowych). Jako zabezpieczenia stouje się warystory metal-oxygen (końcowe stopnie ochrony) oraz iskrowniki. Istotną rolę odgrywa również instalacja piorunochronowa działająca na kształt (mocno nieidealnej) klatki Faradaya.

Dość zaskakujące wydaje się stosowanie w układzie sieciowym TN-S zabezpieczeń o dużej wartości znaminowej napięcia pomiędzy N a PE, których potencjał powinien być bliski. W zasadzie można by sobie wyobrazić konstrukcję zabezpieczenia N-PE o znacznie mniejszym napięciu znamionowym - np. jako warystor (np. 14V) lub szeregowo połączone transil dwukierunkowy (np. 10V, 5W) i rezystor (np. 15Ohm, 5W); w takim przypadku należy tez rozważyć układ wyłączający całość gdy przez takie zabezpieczenie płynie prąd (coś na kształt RCD).

Linki

Zobacz w Wikipedii: Instalacja elektryczna, Rozdzielnica elektryczna, Bezpiecznik elektryczny, Bezpiecznik różnicowo-prądowy, Gniazdko elektryczne, Łączniki elektryczne, Electrical room, Electric switchboard, Utility tunnel, AWG, Industrial lamps. Zobacz w Sieci: Publikacje SEP, Instalacje elektryczne na terenach wiejskich.

Galeria zdjęć związanych z instalacją elektryczną



Copyright (c) 1999-2015, Robert Paciorek (http://www.opcode.eu.org/), BSD/MIT-type license


Redystrybucja wersji źródłowych i wynikowych, po lub bez dokonywania modyfikacji JEST DOZWOLONA, pod warunkiem zachowania niniejszej informacji o prawach autorskich. Autor NIE ponosi JAKIEJKOLWIEK odpowiedzialności za skutki użytkowania tego dokumentu/programu oraz za wykorzystanie zawartych tu informacji.

This text/program is free document/software. Redistribution and use in source and binary forms, with or without modification, ARE PERMITTED provided save this copyright notice. This document/program is distributed WITHOUT any warranty, use at YOUR own risk.

Valid XHTML 1.1 Dokument ten (URL: http://www.opcode.eu.org/installations/electrical) należy do serwisu OpCode. Autorem tej strony jest Robert Paciorek, wszelkie uwagi proszę kierować na adres e-mail serwisu: webmaster@opcode.eu.org.
Data ostatniej modyfikacji artykulu: '2015-10-10 11:34:28 (UTC)' (data ta może być zafałszowana niemerytorycznymi modyfikacjami artykułu).