dimenzioniranje elektriČnih vodov …
TRANSCRIPT
I
DIMENZIONIRANJE ELEKTRIČNIH
VODOV NIZKONAPETOSTNEGA
ZUNANJEGA PRIKLJUČKA
Diplomsko delo
Študent: Rok Jakše
Študijski program: Visokošolski strokovni študijski program 1. stopnje Energetika
Mentor: izr. prof. dr. Miralem Hadžiselimović
Somentor: asist. Marko Habjanič
Lektorica: Tanja Muhvič
Krško, september 2014
II
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju, izr. prof. dr. Miralemu Hadžiselimoviću in somentorju Marku
Habjaniču za strokovne nasvete, ki so mi bili v pomoč pri izdelavi diplomskega dela. Še
posebej se zahvaljujem moji družini, ki mi je v času študija stala ob strani in me
spodbujala, prijatelju Davidu Kralju za pomoč pri učenju matematike ter sodelavcem in
podjetju Elektro Ljubljana d.d.
IV
DIMENZIONIRANJE ELEKTRIČNIH VODOV NIZKONAPETOSTNEGA
ZUNANJEGA PRIKLJUČKA
Ključne besede: Elektroenergetika, električni vodniki, dimenzioniranje, meritve
UDK: 621.315.027.2(043.2)
Povzetek
Diplomska naloga opisuje dimenzioniranje električnih vodov nizkonapetostnega zunanjega
priključka. V njej so opisani tipizirani vodniki ter vrste dimenzioniranja vodnikov, ki se
uporabljajo za izgradnjo nizkonapetostnih omrežij, ki so zgrajena za potrebe distribucije
električne energije, in sicer od transformatorske postaje do končnih odjemalcev.
V
DIMENSIONING OF EXTERNAL CONNECTION LOW-VOLTAGE POWER
LINES
Key words: Electricity, electric conductors, sizing, measurements
UDK: 621.315.027.2(043.2)
Abstract
Thesis describes dimensioning of the external low-voltage power lines. It describes the
standardized cables, and types of dimensioning of cables that are used to build low-voltage
networks, wich are built for the purpose of distribution of electricity, from transformating
station to final customers.
VI
KAZALO VSEBINE
1 UVOD ............................................................................................................................................... 1
2 VODNIK ........................................................................................................................................... 2
2.1 MATERIAL ZA VODNIKE ............................................................................................................... 2
2.2 ZGRADBA IN OBLIKA VODNIKOV .............................................................................................. 3
2.3 PRESEKI VODNIKOV ...................................................................................................................... 3
2.4 IZOLACIJA VODNIKOV .................................................................................................................. 4
2.5 ŽILA ................................................................................................................................................... 4
3 DIMENZIONIRANJE VODNIKOV ............................................................................................... 5
3.1 TERMIČNO DIMENZIONIRANJE ................................................................................................... 5
3.2 ELEKTRIČNO DIMENZIONIRANJE ............................................................................................. 11
3.3 MEHANSKO DIMENZIONIRANJE ............................................................................................... 13
3.4 DIMENZIONIRANJE GLEDE NA GOSPODARNOST ................................................................. 15
4 KABLI ZA IZGRADNJO NIZKONAPETOSTNEGA OMREŽJA ............................................. 16
4.1 STANDARDIZACIJA IN TIPSKI PRESEKI VODNIKOV ............................................................. 16
4.2 SAMONOSILNI KABELSKI SNOP (SKS) ..................................................................................... 17
4.3 ZEMELJSKI KABLI ........................................................................................................................ 19
5 DIMENZIONIRANJE KABLOVODA ZA NIZKONAPETOSTNI ZUNANJI PRIKLJUČEK . 22
5.1 NIZKONAPETOSTNI IZVOD ........................................................................................................ 22
5.1.1 Osnovni podatki izvoda ........................................................................................................... 23
5.1.2 Podatki o porabnikih ............................................................................................................... 23
5.2 IZRAČUN NIZKONAPETOSTNEGA IZVODA ............................................................................ 23
5.2.1 Konična moč ............................................................................................................................ 23
5.2.2 Kontrola trajno dovoljenih tokov ............................................................................................. 24
5.2.3 Izbira velikosti talilnih vložkov ................................................................................................ 24
5.2.4 Kontrola padca napetosti ........................................................................................................ 25
5.2.5 Kontrola ustreznosti preseka izbranega kabla ........................................................................ 25
5.2.6 Kontrola zaščite pred preobremenitvijo kabla ........................................................................ 25
5.2.7 Kontrola pregoretja varovalk .................................................................................................. 27
5.2.8 Zaščita kablov pred kratkostičnim tokom ................................................................................ 28
6 PROGRAM ZA POMOČ PRI PROJEKTIRANJU NIZKONAPETOSTNIH KABLOVODOV 29
6.1 NASTAVITVE PROGRAMA .......................................................................................................... 30
6.2 PRIKAZ IZRAČUNOV PROGRAMA ............................................................................................. 32
VII
7 PREIZKUS VGRAJENIH NN KABLOVODOV IN OMREŽJA V OBRATOVANJU .............. 35
7.1 MERITVE KABELSKE IZOLACIJE IN PLAŠČA Z ENOSMERNO NAPETOSTJO.................... 35
7.2 MERITVE IMPEDANCE OKVARNE ZANKE IN KAKOVOSTI ELEKTRIČNE ENERGIJE ..... 35
8 SKLEP ............................................................................................................................................ 36
VIRI IN LITERATURA.......................................................................................................................... 37
PRILOGE ................................................................................................................................................ 38
PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE ZAKLJUČNEGA
DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV ............................................................... 38
PRILOGA B : IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA.......................................................... 39
VIII
KAZALO SLIK
Slika 2.1 Zgradba in oblika sektorskega vodnika (SM) [3] ................................................... 3
Slika 2.2 Zgradba in oblika okroglega vodnika (RM) [3] ..................................................... 3
Slika 2.3 Oblika sektorske žile [4]......................................................................................... 4
Slika 4.1 Zgradba SKS kablov [4] ....................................................................................... 18
Slika 4.2 Zgradba zemeljskega kabla [15]........................................................................... 20
Slika 6.1 Osnovni izgled programa Raznnow [16] ............................................................. 30
Slika 6.2 Prikaz vgrajenega transformatorja, velikost napetosti in obremenitev ter izgub
[16] ...................................................................................................................................... 30
Slika 6.3 Nastavitve parametrov omrežja [16] .................................................................... 31
Slika 6.4 Nastavitev veje [16] ............................................................................................. 31
Slika 6.5 Nastavitev podatkov o odjemu [16] ..................................................................... 31
Slika 6.6 Prikaz prekoračene obremenitve transformatorja [16] ......................................... 32
Slika 6.7 Prikaz prekoračene obremenitve kablovoda [16] ................................................. 32
Slika 6.8 Prikaz prevelikega padca napetosti in premajhnega faktorja, ki povzroči
pravočasno pregoretje talilnih vložkov [16] ........................................................................ 32
Slika 6.9 Primer izvoda z uporabljenim zemeljskim kablom preseka 4x35+1,5 mm2 [16] 33
Slika 6.10 Primer izvoda z uporabljenim zemeljskim kablom preseka 4x70+1,5 mm2 [16]
............................................................................................................................................. 33
Slika 6.11 Primer obremenitve kablovoda 4x35+1,5 mm2 s 30 kW odjemne moči [16] .... 34
Slika 6.12 Primer obremenitve kablovoda 4x70+1,5 mm2 s 30 kW odjemne moči [16] .... 34
IX
KAZALO TABEL
Tabela 2.1 Osnovne lastnosti AI, AIMg in AIMgSi vodnikov [4] ........................................ 2
Tabela 3.1 Korekcijski faktorji za izračun maksimalnih tokovnih obremenitev v kablih
položenih v zraku za temperature, različne od 30 °C [4] ...................................................... 8
Tabela 3.2 Korekcijski faktorji za izračun maksimalnih tokovnih obremenitev v kablih
položenih v zemljo za temperature različne od 20 °C [4] ..................................................... 9
Tabela 3.3 Faktorji za preračunavanje tokovne obremenitve kabla glede na specifično
upornost tal [4] ...................................................................................................................... 9
Tabela 3.4 Faktorji za preračunavanje tokovne obremenitve kabla v trifaznem sistemu
glede na število kablov ali sistemov v istem jarku [4] .......................................................... 9
Tabela 3.5 Dopustni kratkostični tokovi za 1kV kable s PVC izolacijo [4] ........................ 10
Tabela 3.6 Dopustni kratkostični tokovi za 1kV kable z XLPE izolacijo [4] ..................... 10
Tabela 3.7 Dopustni kratkostični tokovi za SKS kabelske vodnike [4] .............................. 10
Tabela 4.1 Opis SKS kabla [4] ............................................................................................ 18
Tabela 4.2 Osnovne značilnosti faznih in ničelnih vodnikov SKS kablov [4] .................... 18
Tabela 4.3 Konstrukcijski podatki za SKS kable [4]........................................................... 19
Tabela 4.4 Specifikacija zemeljskega kabla [15] ................................................................ 20
Tabela 4.5 Konstrukcijski podatki zemeljskega kabla [4] ................................................... 21
Tabela 4.6 Tehnični podatki zemeljskega kabla [4] ............................................................ 21
X
UPORABLJENI SIMBOLI
A (mm2) - presek vodnika
I (A) - električni tok
U (V) - medfazna napetost
U0 (V) - fazna napetost
P (W) - delovna moč
R (Ω) - omska upornost
T (°C) - temperatura
cosφ - faktor delavnosti
F (N) - sila
γ (S/m) - specifična električna prevodnost
XI
UPORABLJENE KRATICE
NN - nizka napetost
SIST - slovenski standard
PVC - polivinil klorid
XLPE - mrežasti polietilen
PE - polietilen
TP - transformatorska postaja
TR - transformator
SKS - samonosni kabelski snop
SM - večžični sektorski vodnik
RM - večžični okrogli vodnik
IEC - mednarodna komisija za elektrotehniko
AI - aluminij
PMO - priključno merilna omara
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
1
1 UVOD
Pri distribuciji električne energije so ključnega pomena pravilno dimenzionirani vodniki,
saj le tako lahko zagotovimo optimalni prenos energije z najmanjšimi možnimi izgubami
in ustrezno kvaliteto napajalne napetosti. V električnih omrežjih vodnike dimenzioniramo
predvsem na dopustno tokovno obremenitev ter na dovoljen padec napetosti od izvora do
porabnika, dimenzioniramo pa jih tudi na mehanske obremenitve. Pri dimenzioniranju
popolna zagotovitev izgub žal ni mogoča, jih pa lahko z dobro optimizacijo in pravilno
izbiro vodnikov zelo zmanjšamo. Da bi bila izbira vodnikov pravilna, moramo njihove
karakteristike zelo dobro poznati. V diplomski nalogi se bomo osredotočili predvsem na
dimenzioniranje vodnikov, ki se uporabljajo na napetostnem nivoju 0,6/1 kV ali
nizkonapetostnem (NN) nivoju. Za gradnjo NN omrežji se uporabljajo vodniki, ki so
izolirani in združeni v t. i. energetske kable. Kabli so namenjeni vgradnji v zemljo in
prostozračni vgradnji po opornih točkah (lesenih drogovih) in raznih pritrdilnih konzolah
na objektih, ki jim želimo dovajati električno energijo. Kabli so grajeni po predpisanih
standardih in tipizirani za namen gradnje NN omrežij in pripadajočih zunanjih hišnih
priključkov. Izbira kablov pred vgradnjo je odvisna predvsem od izvedbe NN omrežja in v
naprej predvidenih električnih obremenitev.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
2
2 VODNIK
Vodnik je eden osnovnih elementov elektroenergetskega distribucijskega omrežja in je
namenjen prenosu električne energije od mesta izvora (elektrarne) do končnih porabnikov.
Ker je namenjen prenosu električne energije, mora biti dobro električno prevoden in dovolj
mehansko trden, saj je poleg električne obremenitve obremenjen tudi z mehanskimi
obremenitvami, ki jih povzročajo lastna teža vodnika, veter, sneg in žled.
2.1 MATERIAL ZA VODNIKE
Osnovna kovina za izdelavo nizkonapetostnih (NN) vodnikov je aluminij, predvsem za
podzemne vode, pri katerih ni pričakovati večjih mehanskih obremenitev. Pri nadzemnih
vodih, kjer je prisotna večja mehanska obremenitev, pa so vodniki izdelani iz zlitin
aluminija (Al), magnezija (Mg) in silicija (Si), saj kombinacija le-teh vodniku doda
povečano mehansko trdnost [1]. Osnovne lastnosti vodnikov so razvidne iz tabele 2.1.
Tabela 2.1 Osnovne lastnosti AI, AIMg in AIMgSi vodnikov [4]
Značilnost Enota AI AIMg AIMgSi
Gostota kg/m3
2,7 2,7 2,7
Natezna jakost pred montažo Mpa 127-206 252 294
Linearni termični koeficient raztezanja K-1
2,3*10-5
2,3*10-5
2,3*10-5
Modul elastičnosti Gpa 69 68,2 68,9
Specifična električna prevodnost pri 20 °C S/m 35,38*106
31,03*106 30,5*10
6
Temperaturni koeficient električne upornosti K-1
0,00403 0,000353 0,00360
Minimalna lomna natezna sila končnega
ničelnega vodnika
kN - 15,2 17,0
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
3
Glavne prednosti aluminija v elektroindustriji [2]:
lahek material;
odpornost na korozijo;
visoka prevodnost;
možnost recikliranja.
2.2 ZGRADBA IN OBLIKA VODNIKOV
Vodniki so večžilne zgradbe ter dveh različnih oblik (sektorske in okrogle). Izdelani so v
skladu s konstrukcijsko zasnovo glede na standard SIST EN 60228:20051 [1]. Oblika
vodnika je razvidna iz slik 2.1 in 2.2.
Slika 2.1 Zgradba in oblika sektorskega vodnika (SM) [3]
Slika 2.2 Zgradba in oblika okroglega vodnika (RM) [3]
2.3 PRESEKI VODNIKOV
Vodniki so izdelani v normiranih presekih, izbira določenega preseka pa odvisna od
pričakovane tokovne obremenitve in dovoljenega padca napetosti.
1 Standard, ki predpisuje zgradbo vodnikov izoliranih kablov.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
4
2.4 IZOLACIJA VODNIKOV
Izolacija je izdelana iz plasti PVC ali XLPE mase, v standardni kakovosti. V tabeli 2.2 so
podane osnovne značilnosti standardnih izolacijskih materialov na osnovi PVC in XLPE
[4].
Tabela 2.2 Osnovne značilnosti PVC in XLPE izolacije [4]
Značilnosti Enota PVC XLPE
Obratovalna temperatura vodnika, (maksimalno) °C 70 90
Temperatura kratkotrajne preobremenitve °C 85 130
Temperatura pri kratkem stiku °C 160 250
Specifična izolacijska upornost pri 20 °C Ωm 1011
1013
Dielektrična konstanta εr 4-5 2,3-2,7
Dielektrična trdnost, (minimalna) kV/mm 12 18
2.5 ŽILA
Žila je izoliran vodnik in predstavlja sestavni del kabla. Oblika sektorske žile je prikazana
na sliki 2.3.
Sektorska žila z večžičnim (SM) vodnikom [4], kjer je:
h - višina sektorja;
A - širina sektorja;
r - polmer krivine;
ρ - debelina izolacije;
α - sektorski kot;
R - polmer sektorja.
Slika 2.3 Oblika sektorske žile [4]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
5
3 DIMENZIONIRANJE VODNIKOV
Ob prevajanju električnega toka se vodnik segreva, pojavljajo pa se tudi sile, ki ga
mehansko obremenjujejo, dimenzioniranje pa pomeni predvsem izbiro zadovoljivega
preseka vodnika glede na predviden največji tok ob upoštevanju [5]:
zaščite pred električnim udarom;
toplotnih učinkov;
preobremenitve in kvarnega toka;
padca napetosti;
mehanske odpornosti.
Vodnike dimenzioniramo glede na [5]:
predviden največji trajni tok (termično dimenzioniranje);
dopusten padec napetosti na vodniku (električno dimenzioniranje);
dopusten najmanjši prerez glede na mehanske obremenitve (mehansko
dimenzioniranje);
gospodarnost (izgube v vodniku).
3.1 TERMIČNO DIMENZIONIRANJE
Da se zagotovi potrebna trajnost izoliranih vodnikov in kablov v sistemih električnih
omrežij, je treba pri njihovem dimenzioniranju upoštevati standarda SIST HD 603 S1/A3
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
6
3G-28 tabela 142 in SIST HD 603 S1/A3 3G-28 tabela 15
3 [6] s poudarkom upoštevanja
izpostavljenosti izolacije termičnim učinkom trajno dovoljenega toka in zunanjih vplivov v
času obratovanja [7]. Termično dimenzioniranje pomeni izbor ustreznega vodnika ali
kabla, katerega dopustna tokovna obremenitev je večja od pričakovanega največjega
trajnega toka [5]. Dopustna nazivna tokovna obremenitev kabla je nazivni tok, ki lahko
trajno teče v vodniku kabla določenega tipa v normalnih pogojih, ne da bi se kabel
prekomerno segrel [8]. Na največjo dopustno trajno obremenitev pa vplivajo razni
dejavniki, kot so: vrsta materiala in prerez vodnikov, vrsta izolacije, število vzporednih
vodnikov, temperatura okolice in način vgradnje. Največjo dopustno tokovno obremenitev
izberemo tako, da najvišja obratovalna temperatura vodnika ne preseže temperature, ki bi
lahko povzročila poškodbe izolacije [5].
Za polaganje kablov v zemljo so podane tokovne obremenitve za normalno obratovanje ob
izpolnjenih referenčnih pogojih za polaganje v zemljo. Med njimi je posebno pomembna
referenčna temperatura, ki je pogojena s klimatskim pasom države proizvajalca oz.
uporabnika kabla, zato se vrednosti referenčnih temperatur v posameznih sekcijah med
seboj razlikujejo, česar se ne sme spregledati. Če želimo podatke o tokovni obremenitvi
kablov, ki so izdelani z različnimi sekcijami standarda, med seboj primerjati, je potrebno
njihove vrednosti preračunati na referenčno temperaturo zemlje, v kateri bo kablovod
obratoval [6].
Pri nadzemnem polaganju kablov velja ustrezna nazivna tokovna obremenitev za normalno
obratovanje ob izpolnjenih referenčnih pogojih za nadzemno polaganje. Pri tem se razume,
da je omogočeno hlajenje kablov s konvekcijo in sevanjem, da ni porasta temperature
okolice in prav tako ne tujih toplotnih izvorov [6].
Nazivno tokovno obremenitev določa dopustni trajni obremenilni tok za posamično
položene kable odnosno kabelske sisteme po tako imenovanem dnevnem diagramu
obremenitve. Dnevna obremenitev kablov je obratovalno stanje, pri katerem se dnevna
2 Standard, ki predpisuje tokovno obremenitev kablov iz aluminija za polaganje v zemljo.
3 Standard, ki predpisuje tokovno obremenitev kablov iz aluminija za nadzemno polaganje.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
7
obremenitev spreminja od polne ali maksimalne obremenitve do najmanjše minimalne
obremenitve. Razmerje med obremenitvijo in maksimalno polno dnevno obremenitvijo se
imenuje stopnja dnevne obremenitve. Stopnja dnevne obremenitve se izračuna kot količnik
površine pod diagramom dnevne obremenitve in skupne površine pravokotnika, ki ga
določa maksimum obremenitve skozi 24 ur [6].
Pri dimenzioniranju kablovoda je potrebno zagotoviti ustrezno rezervo glede na mejno
termično obremenitev. Pri mejni termični obremenitvi so izgube zelo velike, zato je ta
dovoljena le v stanjih rezervnega napajanja, kjer je vpliv izgub, zaradi kratkega časa
trajanja obremenitve, zanemarljiv. Seveda pri tem padec napetosti ne sme preseči vrednosti
12,5 %, ki je predpisana za rezervna stanja napajanja. Dopustna obremenitev kablovodov v
normalnih obratovalnih stanjih je odvisna od vrste omrežja. V radialnih omrežjih se v
normalnih obratovalnih stanjih dopušča obremenjevanje kablovodov do 50 % termične
moči zaradi zagotavljanja rezervnega napajanja [6].
Tokovno obremenitev kabla je treba omejiti tako, da je mogoče vso toploto, ki se pojavlja
v kabelskih vodnikih, speljati v okolico. Odvajanje toplote je odvisno od zunanje toplotne
upornosti med vodnikom in zunanjo površino kabla ter toplotne upornosti okolice
(prostora, kjer je kabel vgrajen). Notranja toplotna upornost je določena z zasnovo kabla in
lastnostmi vgrajenega materiala ter se za določen tip kabla praktično ne spreminja. Pri
določanju toplotne upornosti okolice je treba upoštevati [4]:
specifično upornost tal;
temperaturo okolice;
izpostavljenost sončni svetlobi (pri polaganju po zraku);
način polaganja in zaščite kablov;
število vzporedno položenih kablov;
vpliv drugih instalacij.
Izračun tokovne obremenitve iz tabel 4.2 in 4.6 je narejen za 100 % obremenitev kabla ter
na podlagi slednjih predpostavk [4]:
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
8
globina polaganja v zemljo: 70 cm;
specifična toplotna upornost tal: 1 K· m/W;
specifična toplotna upornost PVC izolacije in plašča: 6 K· m/W;
specifična toplotna upornost XLPE izolacije: 3,5 K· m/W;
temperatura tal: 20 °C;
temperatura okolice (pri polaganju kabla po zraku): 30 °C.
Če kabel obratuje pri drugačnih pogojih, kot so navedeni v zgornjih predpostavkah, je
treba vrednosti tokovnih obremenitev iz tabel 4.2 in 4.6 pomnožiti s korekcijskimi faktorji
podanimi v tabelah 3.1; 3.2; 3.3 in 3.4. Za natančno določanje navedenih pogojev je treba
vzdolž celotne kabelske trase opraviti vrsto meritev temperature okolice (tal ali zraka) ter
specifične toplotne upornosti tal, in sicer najmanj enkrat letno [4].
Tabela 3.1 Korekcijski faktorji za izračun maksimalnih tokovnih obremenitev v kablih položenih v zraku za
temperature, različne od 30 °C [4]
Temperatura okolice °C Izolacija
PVC XLPE
10 1,22 1,15
15 1,17 1,12
20 1,12 1,08
25 1,06 1,04
30 1,00 1,00
35 0,94 0,96
40 0,87 0,91
45 0,79 0,87
50 0,71 0,82
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
9
Tabela 3.2 Korekcijski faktorji za izračun maksimalnih tokovnih obremenitev v kablih položenih v zemljo za
temperature različne od 20 °C [4]
Temperatura okolice °C Izolacija
PVC XLPE
10 1,10 1,07
15 1,05 1,04
20 1,00 1,00
25 0,95 0,96
30 0,89 0,93
35 0,84 0,89
40 0,77 0,85
45 0,71 0,80
50 0,63 0,76
Tabela 3.3 Faktorji za preračunavanje tokovne obremenitve kabla glede na specifično upornost tal [4]
Nazivni
presek
vodnika mm2
Specifična toplotna upornost tal °K· m/W
0,70 1,00 1,20 1,50 2,0 2,5 3,0
35 do 95 1,13 1,00 0,93 0,86 0,76 0,70 0,64
120 do 240 1,14 1,00 0,93 0,85 0,76 0,69 0,63
Tabela 3.4 Faktorji za preračunavanje tokovne obremenitve kabla v trifaznem sistemu glede na število kablov
ali sistemov v istem jarku [4]
Število kablov (sistemov) v istem jarku 2 3 4 5 6 8 10
Razmik med kabli
(sistemi)
Dotik 0,79 0,69 0,63 0,58 0,55 0,50 0,46
7 cm 0,85 0,75 0,68 0,64 0,60 0,56 0,53
15 cm 0,86 0,77 0,72 0,68 0,64 0,61 0,58
25 cm 0,87 0,78 0,74 0,71 0,67 0,64 0,62
Pri termičnem dimenzioniranju je potrebno upoštevati tudi velik toplotni vpliv
kratkostičnega toka, ki se pojavlja v omrežju, tega nam določa mejna temperatura vodnika,
za katero ga je treba dimenzionirati; pri tem se vodniki ne smejo segreti nad dovoljeno
temperaturo razvidno iz tabel 4.1 in 4.4. Dopusten kratkostični tok faznega vodnika kabla
dodatno pogojuje tudi temperatura na začetku pojava kratkega stika. Za privzeto
temperaturo vodnika 70 °C in čas trajanja pa od 0,1–5 sekund so kratkostični tokovi podani
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
10
v tabeli 3.5, za privzeto temperaturo vodnika 90 °C in čas trajanja od 0,1–5 sekund pa so
kratkostični tokovi podani v tabeli 3.6 [4].
Tabela 3.5 Dopustni kratkostični tokovi za 1kV kable s PVC izolacijo [4]
Presek
vodnika
mm2
Čas trajanja kratkega stika (sekund)
0,1 0,2 0,5 1 2 5
Kratkostični tok za aluminijaste vodnika (kA)
35 8,41 5,95 3,76 2,66 1,88 1,19
70 16,8 11,9 7,52 5,32 3,76 2,38
150 36,1 25,2 16,1 11,4 8,06 5,10
240 57,6 40,7 25,7 18,2 12,9 8,14
Tabela 3.6 Dopustni kratkostični tokovi za 1kV kable z XLPE izolacijo [4]
Presek
vodnika
mm2
Čas trajanja kratkega stika (sekund)
0,1 0,2 0,5 1 2 5
Kratkostični tok za aluminijaste vodnika (kA)
35 10,5 7,4 4,68 3,31 2,34 1,481
70 20,8 14,7 9,31 6,58 4,65 2,941
150 44,6 31,5 20,0 14,1 9,90 6,311
240 71,5 50,5 32,0 22,6 16,0 10,111
Tabela 3.7 Dopustni kratkostični tokovi za SKS kabelske vodnike [4]
Presek
vodnika
mm2
Čas trajanja kratkega stika (sekund)
0,1 0,2 0,5 1 2 5
Kratkostični tok (kA)
35 10,2 7,22 4,57 3,23 2,28 1,45
70 13,8 9,73 6,15 4,35* 3,08 1,95
71,5 13,8 9,73 6,15 4,35 3,08 1,95
*Dejanski kratkostični tok za vodnik 70 mm2
je 6,8 kA, omejen pa je na 4,35 kA zaradi
največjega dopustnega toka pri kratkem stiku za ničelni vodnik 71,5 mm2. V času trajanja
kratkega stika, ki ni enak trajanju, navedenem v tabelah 3.5, 3.6 in 3.7, je treba vrednost
kratkostičnega toka pomnožiti s faktorjem , kjer t pomeni čas trajanja kratkega stika v
sekundah [4].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
11
3.2 ELEKTRIČNO DIMENZIONIRANJE
Električno dimenzioniranje vodnikov oziroma kablov pomeni dimenzioniranje glede na
padec napetosti, ki ga podamo v odstotkih. Z električnim dimenzioniranjem preprečimo, da
bi bila napetost na porabniku izven dovoljenega obsega. Največji dovoljen padec napetosti
ostalih porabnikov je 8 %, če računamo od transformatorske postaje. Ko dimenzioniramo
vodnike, iščemo ustrezen prerez, da bo padec napetosti v dovoljenih mejah [5]:
Padec napetosti je definiran kot razlika napetosti na začetku in na koncu voda, zapisano v
enačbi 3.1, [5]:
(3.1)
kjer so;
ΔU - sprememba napetosti;
U1 - napetost na začetku voda;
U2 - napetost na koncu voda.
Za izračun padca napetosti v trifaznem tokokrogu velja enačba 3.2, za odstotek padca
napetosti pa enačba 3.3, [9].
(3.2)
(3.3)
Enačbe izrazimo še s specifično upornostjo in močjo, kot je razvidno iz enačb 3.4 in 3.5,
[9]:
(3.4)
(3.5)
Najmanjši dovoljen presek A dobimo z enačbami 3.6 in 3.7, [9]:
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
12
(3.6)
(3.7)
V odsekovno obremenjenih trifaznih sistemih upoštevamo zopet vsoto vseh tokov v
posameznem odseku, izračun dobimo z uporabo enačb 3.8 in 3.9, [9]:
(3.8)
(3.9)
Najmanjši dovoljen presek A vodnikov po odsekih, izračun dobimo z uporabo enačb 3.10
in 3.11, [9]:
(3.10)
(3.11)
kjer pomenijo:
ΔU (%) - odstotek padca napetosti;
P (W) - priključna moč tokokroga;
U (V) - medfazna napetost;
I (A) - tok v amperih;
l (m) - dolžina vodnika;
ρ (Ω/m) - specifična upornost;
A (mm2) - presek vodnika;
r (Ω/km) - omska upornost vodnika na kilometer.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
13
Napetost na različnih točkah v omrežju mora biti konstantna oziroma znotraj določenih
tolerančnih pasov. Tolerančna območja za naš sistem so zapisana v standardu SIST EN
501604. Kakovost električne energije je neposredno povezana s kakovostjo napetosti.
Padce napetosti, ki nastanejo kot posledica toka, ki teče prek impedanc omrežja, moramo
ustrezno omejiti. Električne naprave povezane v omrežja so načrtovane za obratovanje pri
določeni, nazivni napetosti. Zagotavljanje točno te napetosti vsem porabnikom na
posameznem vodu pa je praktično nemogoče. Težava je namreč v padcih napetosti, ki se
pojavljajo na elementih elektroenergetskega sistema na vseh napetostnih nivojih [10].
Znotraj normalnih obratovalnih stanj, razen med napakami, odstopanje napetosti ne sme
biti višje od ±10 % nazivne napetosti. V najslabših razmerah, pri oddaljenih uporabnikih in
med otočnim obratovanjem mora biti napetost znotraj +10 % in –15 % nazivne napetosti
[5].
3.3 MEHANSKO DIMENZIONIRANJE
Varnost el. naprav je odvisna tudi od mehanske trdnosti vodnikov. Mehanske obremenitve
vodnikov so odvisne od [7]:
načina polaganja vodnikov;
montaže vodnikov;
velikosti sil ob kratkih stikih;
okoljskih razmer.
Pri polaganju zemeljskih kablov v zemljo boljšo mehansko trdnost dosežemo s polaganjem
v zaščitne cevi [5]. Maksimalna vlečna sila pri vlečenju kabla se mora določiti po enačbi
3.12:
(N) (3.12)
4 Standard, ki predpisuje značilnosti napetosti v javnih razdelilnih omrežjih.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
14
kjer pomeni:
F - vlečna sila v N;
σ - dopustna natezna napetost, ki znaša za AL vodnike 30 N/mm2;
S - presek vodnika mm2.
Pri polaganju kablov direktno v zemljo moramo biti posebej pazljivi, da kabla ne
zasipavamo z ostrim peskom, ker lahko pride do poškodbe izolacije in s časom do preboja
kabla in daljšega izpada dobave električne energije odjemalcem. Posebno pozornost je ob
polaganju kablovodov v zemljo potrebno nameniti terenom, kjer lahko pride do plazenja
tal, saj lahko v tem primeru pride do natega in mehanskega pretrga kabla. Običajno se
projektanti takih terenov izogibajo, vendar se vsega vedno ne da predvideti. Pri polaganju
zemeljskih vodnikov ob prehodu iz zemlje na drog je potrebno paziti, da je zasip vodnika
opravljen pred montažo na drog, saj lahko kasneje ob posedanju zasipnega materiala
prihaja do mehanskih sil, ki pripet kabel vlečejo navzdol in zaradi teh sil lahko pride do
poškodbe. Pri navpičnem polaganju je opora kabla na vsakih 5 m, saj skupna obremenitev
na kabel ne sme znašati več kot 1000 N. Do kritičnih sil pri zemeljskih kablih pa lahko
prihaja tudi v transformatorskih NN razdelilnikih, kakor tudi v priključnih omarah, kadar
so na tokokrogih priključeni večji porabniki. V teh primerih izvajamo tudi mehanske
izračune [11].
Ko kabel pritrdimo med dvema podpornima ali zateznima točkama (prostozračno), se bo
zaradi lastne teže in dodatne obremenitve v zimskem času (led, sneg) bolj ali manj povesil.
Lego kabla med dvema opornima ali zateznima točkama imenujemo verižnica ali povesna
krivulja, poves pa je vertikalna razdalja med namišljeno črto, ki povezuje dve sosednji
obešališči in točko na vodniku. Če sta obešališči na istih višinah, je maksimalni poves na
sredini razpetine. Poleg lastne teže vodnika in dodatne obremenitve pa je poves odvisen
tudi od kvadrata razdalje med dvema sosednjima stebroma – razpetine, od natezne sile in
temperature okolice [12].
Kabli vgrajeni v NN omrežju morajo biti konstruirani in montirani tako, da lahko vzdržijo
vse dinamične in druge mehanske obremenitve, ki se pojavljajo pri kratkih stikih ter
dodatnih obremenitvah (led, veter in žled). Zaščito pred mehanskimi in dinamičnimi
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
15
obremenitvami nizkonapetostnih vodov je treba izvesti v skladu z veljavnimi predpisi in
standardi [13].
Ko smo izbrali presek vodnika, smo s tem izbrali tudi dovoljeni (predvideni) trajni tok. V
kolikor je tok v vodniku večji od tega dovoljenega trajnega toka, govorimo o tokovni
preobremenitvi [11].
3.4 DIMENZIONIRANJE GLEDE NA GOSPODARNOST
Izgube v NN omrežjih so lahko precejšnje (tudi preko 10 %). Izgubo lahko zmanjšamo s
povečanjem prereza vodnika, kar pa tudi predstavlja višji strošek pri nabavi vodnika. To
vrsto dimenzioniranj uporabljamo v omrežjih z visokimi obratovalnimi urami [7].
Nizkonapetostna omrežja so po dolžini, številu in raznovrstnosti elementov najobsežnejša
omrežja. Po ocenah znašajo vlaganja v NN omrežja približno tretjino vseh vlaganj v
distributivni sistem, zato morajo biti posamezni posegi ekonomsko in tehnično
najugodnejši, saj že majhni prihranki predstavljajo ogromne denarne zneske [14].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
16
4 KABLI ZA IZGRADNJO NIZKONAPETOSTNEGA OMREŽJA
V tem poglavju bomo večino pozornosti namenili energetskim NN kablom, ki so tipizirani
za izgradnjo NN omrežja in hišnih priključkov. NN kabli so zgrajeni iz štirih vodnikov, ki
so prekriti z izolacijo ter več zaščitnimi plastmi in so namenjeni za polaganje v zemljo,
cevi, vodo ter zrak [7].
4.1 STANDARDIZACIJA IN TIPSKI PRESEKI VODNIKOV
Pri izgradnji nadzemnih NN omrežij za potrebe distribucije električne energije se
uporabljajo samonosilni kabelski snopi (SKS) z aluminijastimi vodniki, ki so
standardizirani s standardom SIST HD 6265 in imajo tipske preseke [15]:
3x35+70 mm2 ali 3x35+71,5 mm
2;
3x70+70 mm2 ali 3x70+71,5 mm
2.
Pri izgradnji podzemnih NN omrežij se uporabljajo energetski kabli z aluminijastimi
vodniki in dodatnim bakrenim vodnikom, ki služi kot signalni vodnik in je preseka najmanj
1,5 mm2, ki so standardizirani s standardom SIST HD 603
6 in tipskih presekov[15]:
4x35+1,5 mm2;
4x70+1,5 mm2;
4x150+1,5 mm2;
4x240+1,5 mm2.
5 Standard za nadzemne razvodne kable za naznačeno napetost 0,6 /1 kV
6 Standard za distribucijske kablovode za naznačeno napetost 0,6/1 kV
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
17
4.2 SAMONOSILNI KABELSKI SNOP (SKS)
SKS kabel je namenjen za izgradnjo distribucijskih NN nadzemnih omrežij v mestih,
primestnih in podeželskih območjih. Za napajanje oddaljenih objektov in naselij za
začasno in trajno rabo, za nadzemne hišne priključke. Pri njem so žile črne barve, fazni
vodniki so označeni s številkami 1, 2 in 3, žila ničelnega vodnika ni označena s številčno
oznako, ima pa po vsej dolžini na izolaciji izdelano trikotno izboklino, ki jo je mogoče
zlahka opaziti tako s pogledom kot z otipom. Označevanje kablov je standardizirano s
standardom SIST HD 308 S27. Ničelni vodnik ima tudi funkcijo nosilnega vodnika, saj se
le-ta vpenja v obesno opremo na opornih in končnih točkah. Zgradbo vodnika prikazuje
slika 4.1, opis SKS kabla, osnovne značilnosti ter konstrukcijski podatki pa so razvidni iz
tabel 4.1, 4.2 in 4.3 [15].
Oznake kabla sestavlja skupina črk in številk [13]:
N označen v skladu z EN- ter SIST-normami;
1 nazivna napetost U0/U – 0,6/1 kV;
X izolacija iz XLPE;
D9 štirižilni kabel z nosilno nevtralno žilo;
A vodnik iz aluminija;
R večžilni okrogli vodnik.
Zasnova kabla pa je sledeča [13].
1. Fazni vodnik: kompaktirana aluminijasta okrogla vrv preseka 35 in 70 mm2.
2. Ničelni vodnik: kompaktirana okrogla vrv, izdelana iz aluminijske zlitine AIMg
1, (1 % magnezija) nazivnega preseka 71,5 mm2
ali aluminijske zlitine AIMgSi
nazivnega preseka 70 mm2.
3. Izolacija: masa iz XLPE črne barve.
7 Standard, ki opisuje identifikacijo (razpoznavo) žil v kablih in zijavih vrvicah
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
18
Slika 4.1 Zgradba SKS kablov [4]
Tabela 4.1 Opis SKS kabla [4]
Tip N1XD9-AR
Standard SIST HD 626
Nazivna napetost 1 kv
Preizkusna napetost 4 kV
Minimalna temperatura pri vgradnji −5 °C
Delovna temperatura −30 °C - +90 °C
Maksimalna obratovalna temperatura +90 °C
Temperatura kratkega stika 250 °C/5 s
Barva izolacije Črna
Vrsta izolacije vodnikov XLPE
Tabela 4.2 Osnovne značilnosti faznih in ničelnih vodnikov SKS kablov [4]
Nazivni
presek
vodnikov
Zunanji
premer vrvi
Upornost
vodnika pri
20°C
Debelina
izolacije
Premer preko
izolacije
Tokovna
obremenitev
I (zdržni)
mm2 mm Ω/km mm mm A
Fazni vodniki
35 7,2 0,876 1,6 10,6 138
70 10,3 0,452 1,8 14,0 213
Ničelni vodniki
71,5 AIMg1 10,6 0,47 1,8 14,6
70 AIMgSi 10,2 0,50 1,5 13,6
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
19
Tabela 4.3 Konstrukcijski podatki za SKS kable [4]
Konstrukcija snopa Korak navitja Premer Snopa Teža snopa Pakiranje
mm mm kg/km dolžina
(3x35+70) mm2 ali
(3x35+71,5) mm2
760 29,8 780 1000
(3x70+71,5) mm2 ali
(3x70+71,5) mm2
980 38,6 1160 1000
4.3 ZEMELJSKI KABLI
NN zemeljski kabli so namenjeni za izgradnjo nizko napetostnih omrežij, in sicer za
polaganje v zemljo, zunanje polaganje v vodo, beton, v zaprte prostore, kabelske kanale v
elektrarnah in v industriji, v mestnih omrežjih, povsod kjer se ne pričakujejo večje
mehanske obremenitve [15]. Žile so sektorske oblike, različnih barv, fazni vodniki so črne,
rjave in modre (ali sive), nevtralni pa rumeno/zeleni (ali modri). Zgradba kabla je razvidna
iz slike 4.2. Osnovne značilnosti, konstrukcijski podatki ter tehnični podatki pa so opisani
v tabelah 4.4, 4.5 in 4.6 [4].
Oznako kabla sestavlja skupina črk in številk, ki po vrsti označujejo konstrukcijo kabla od
sredine kabla (vodnik) navzven (plašč) [6].
Oznake kabla [13]:
E energetski kabel;
A vodnik iz aluminija;
Y izolacija iz (PVC);
2Y plašč iz (PE);
-J kabel z rumeno-zeleno žilo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
20
Zasnova kabla pa je sledeča.
1. Vodnik: Sektorsko oblikovan aluminijast vodnik preseka 35, 70 , 150 ali 240
mm2.
2. Izolacija: PVC ali XLPE.
3. Polnitev: EPDM.
4. Plašč: PE.
5. Signalna žica.
Slika 4.2 Zgradba zemeljskega kabla [15]
Tabela 4.4 Specifikacija zemeljskega kabla [15]
Tip E-AY2Y–J
Standard SIST HD 603
Nazivna napetost 0,6/1 kV
Preizkusna napetost 4 kV
Minimalna temperatura pri vgradnji − 5 °C
Delovna temperatura od − 30 °C do 70 °C
Maksimalna obratovalna temperatura 70 °C
Temperatura kratkega stika 160 °C/5s
Barva izolacije HD 308. S2
Ognje odporni test EN 50265-2-1 IEC 60332-1
Maksimalni radij ukrivljanja 12x ϕ kabla
Barva plašča Črna
Izolacija vodnika je PVC termoplastična umetna snov, katere osnovna surovina je etin in
HCl (klorovodikova kislina). Odporna proti bencinu, bazam, kislinam, olju in vodi. Ni pa
odporna proti višjim temperaturam. Polnilo je material, s katerim se izpolnjuje prostor med
žilami večžilnega kabla, da dosežemo želeno okroglo obliko prereza, običajno je to
brizgana elastomerna ali plastomerna masa ali pa naviti termoplastični trakovi. Plašč kabla
je iz PE, črne barve, odlikuje se po dobri kemični obstojnosti in odličnih elektroizolacijskih
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
21
lastnostih. PE gori z modrikastim plamenom, pri gorenju žareče kaplja. Ima značilen vonj
po parafinu. Je obstojen v razredčenih kislinah, bazah, raztopinah soli; vodi, alkoholih,
oljih in trdi PE tudi v bencinu. Neobstojen v močnih oksidacijskih sredstvih [16].
Tabela 4.5 Konstrukcijski podatki zemeljskega kabla [4]
Nazivni
presek kabla
Debelina
izolacije
Debelina
plašča
Celoten
premer kabla
Količina
aluminija
Neto teža Pakiranje
mm2 mm mm mm kg/km kg/km m
35 1,2 1,9 26,5 406 805 500
70 1,4 2,1 33,4 812 1418 500
150 1,8 2,4 45,1 1740 2745 500
240 2,2 2,8 55,7 2784 4250 500
Tabela 4.6 Tehnični podatki zemeljskega kabla [4]
Število
vodnikov in
presek
Oblika
vodnika
Maksimalna
upornost pri 20
°C
Največja tokovna
obremenitev na zraku
I (zdržni)
Največja tokovna
obremenitev v zemlji
I (zdržni)
mm2 Ω/km A A
4x35+1,5 SM 0,870 99 123
4x70+1,5 SM 0,611 152 179
4x150+1,5 SM 0,215 246 275
4x240+1,5 SM 0,125 338 364
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
22
5 DIMENZIONIRANJE KABLOVODA ZA NIZKONAPETOSTNI ZUNANJI
PRIKLJUČEK
Za pravilno določevanje novega kablovoda moramo poznati vrsto obremenitve, moč
obremenitve in material vodnikov. Pod pojmom inštalirana moč določenega objekta si
predstavljamo električno moč, ki bi nastopila, če bi bili istočasno v objektu priključeni vsi
električni potrošniki in bi bili ti potrošniki tudi vsi nazivno obremenjeni. Ker v praksi
takšnega načina obremenitev ne srečujemo, je potrebno za dimenzioniranje novega
napajalnega voda ugotoviti velikost konične moči, ki pa je manjša od inštalirane moči.
Konično moč pa izračunamo z uporabo faktorja istočasnosti. Za določanje faktorja
istočasnosti je več pristopov, predvsem pa je bistveno, za katero vrsto objekta gre.
Običajno projektanti izbirajo velikost faktorja istočasnosti na osnovi izkušenj oziroma
danih podatkov iz priročnikov oziroma druge literature. Nepravilna izbira faktorja
istočasnosti ima lahko velike posledice, predvsem če je njegova velikost prenizko izbrana.
Posledica tega je, da je napajalni kablovod prešibko dimenzioniran. Zaradi tega lahko
nastopijo visoki stroški predelave [17].
5.1 NIZKONAPETOSTNI IZVOD
Za priklop novega objekta na električno omrežje je potrebno zgraditi nov NN izvod, ki
poteka od obstoječe TP do nove PMO, ki bo locirana na fasadi novozgrajenega objekta.
Nov kabel tipa: E-AY2Y-J 4x150+1,5 se uvleče v obstoječo in novo zgrajeno kabelsko
kanalizacijo od TP do PMO [18].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
23
5.1.1 Osnovni podatki izvoda
Naziv izvoda v TP: 4. ŠOLA
Nazivna napetost: 400/230 V, 50 Hz
Vrsta gradnje: Zemeljsko
Dolžina kablovoda: 60 m
5.1.2 Podatki o porabnikih
Sistem 3-N-PE 400/230 V
Inštalirana moč 110 kW
faktor istočasnosti [7] fi = 0,8
faktor delavnosti cosφ = 0,95
5.2 IZRAČUN NIZKONAPETOSTNEGA IZVODA
5.2.1 Konična moč
Konična moč je izračunana po enačbi 5.1:
(5.1)
kjer so:
- konična moč objekta;
- inštalirana moč objekta;
- faktor istočasnosti.
Izračun konične moči;
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
24
5.2.2 Kontrola trajno dovoljenih tokov
Dejanski tok je izračunan po enačbi 5.2:
(5.2)
kjer so:
- konični tok objekta;
- nazivna napetost;
- faktor delavnosti.
Izračun koničnega toka za objekt:
Trajno dovoljeni tok kabla E-AY2Y-J 4x150+1,5 je razviden iz tabele 4.6 in znaša 275 A
Zdržni tok mora biti večji od koničnega toka:
Pogoj za predviden kablovod drži.
5.2.3 Izbira velikosti talilnih vložkov
Za izračun velikosti talilnih vložkov, ki varujejo predvideni izvod v TP uporabimo enačbo
5.3 [18]:
(5.3)
kjer je:
- nazivni tok zaščitne naprave
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
25
Izračun velikosti talilnih vložkov:
Izberemo talilni vložek, ki je za stopnjo višji od izračuna, in sicer 160 A.
Kontrola s pogojem:
5.2.4 Kontrola padca napetosti
Kontrolo padca napetosti izvedemo po enačbi 3.3, ki velja za trifazni tokokrog.
5.2.5 Kontrola ustreznosti preseka izbranega kabla
Kontrolo ustreznosti preseka izbranega kabla izvedemo po enačbi 3.6:
Izbrani kabel je ustrezen.
5.2.6 Kontrola zaščite pred preobremenitvijo kabla
Delovna karakteristika naprave, ki ščiti električni vod pred preobremenitvijo mora izpolniti
dva pogoja [18]:
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
26
1.
2.
kjer so:
Ib - tok, za katerega je tokokrog predviden;
Iz - trajni zdržni tok vodnika ali kabla (tabela);
In - nazivni tok zaščitne naprave;
I2 - tok, ki zagotavlja zanesljivo delovanje zaščitne naprave.
Za izračun toka, ki zagotavlja zanesljivo delovanje zaščitne naprave uporabimo enačbo 5.4
[18]:
(5.4)
Faktor velja za zaščitno napravo:
1,6 – za varovalke 16 A in več.
Za predvideni kablovod:
Pogoja sta izpolnjena.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
27
5.2.7 Kontrola pregoretja varovalk
Izračun imedance voda opravimo po enačbi 5.5:
(5.5)
Izračun impedance TR opravimo po enačbi 5.6:
(5.6)
Izračun skupne kratkostične impedance zanke opravimo po enačbi 5.7:
(5.7)
kjer pomeni:
- dolžina voda 60 m
- presek faznega vodnika 150 mm2
- presek nevtralnega vodnika 150 mm2
- specifična električna prevodnost 36 S/m
- kratkostična napetost transformatorja 4 %
- nazivna napetost sekundarja transformatorja 420 V
- nazivna navidezna moč transformatorja 630 kVA
- izračunana impedanca voda 0,022 Ω
- izračunana impedanca transformatorja 0,011 Ω
- celotna impedanca okvarne zanke 0,033 Ω
Kratkostično kontrolo okvarne zanke opravimo po enačbi 5.8:
(5.8)
kjer sta:
- fazna napetost 230 V
- kratkostični tok okvarne zanke 6,97 kA
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
28
Pogoj za hiter avtomatski odklop v primeru napake na izvodu je:
Za naš primer:
=160 A
Pogoj je izpolnjen.
5.2.8 Zaščita kablov pred kratkostičnim tokom
Kable prereza nad 10 mm2 kontroliramo še z oziroma na tok kratkega stika (Tehnična
smernica TSG-N-002:2011) po enačbi 5.9 [18]:
(5.9)
kjer so:
- koeficient za Al vodnike 74
- kratkostični tok okvarne zanke 6,96 kA
- odklopni čas zaščitne naprave trajnega kratkega stika 0,1 s
- minimalni presek zaščitnega vodnika 29,78 mm2
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
29
6 PROGRAM ZA POMOČ PRI PROJEKTIRANJU NIZKONAPETOSTNIH
KABLOVODOV
V podjetju, kjer sem zaposlen, projektanti kot pomoč pri projektiranju NN kablovodov
uporabljajo tudi računalniški program Raznnow, ki so ga razvili na Elektroinštitutu Milan
Vidmar, natančneje na Oddelku za načrtovanje elektroenergetskih sistemov [16].
Program Raznnow je napisan za MS Windows okolje in omogoča v grafičnem načinu
gradnjo, analizo (pretoki moči, napetostni padci, energetske izgube, enopolni kratki stiki)
in ojačevanje nizkonapetostnega omrežja. Iz slike 6.1 je razvidna osnovna stran programa
[19].
Program nudi uporabniku [16]:
možnost istočasnega analiziranja več omrežij in primerjavo variant;
zapis rezultatov v datoteko ter tiskanje rezultatov v tekstovni in grafični obliki;
večanje in manjšanje prikazane sheme, velikosti in oblike črk;
enostavno določitev in spreminjanje parametrov za posamezno omrežje;
izbiro prikazanih rezultatov in parametrov omrežja;
prikaz baze elementov omrežja, dodajanje novih in popravljanje starih vrednosti.
S programom Raznnow lahko analiziramo NN omrežja radialne oblike z neomejenim
številom izvodov, vej in nanje priključenih odjemalcev.
Program omogoča naslednje izračune:
izračun obremenjenosti vej in transformatorja;
izračun napetostnih padcev;
izračun (ocena) izgub moči in energije;
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
30
izračun parametrov enopolnih kratkih stikov;
izbiro primernih varovalk;
indentifikacijo ozkih grl;
ojačevanje omrežja (ojačanje vej in transformacije, vstavitev nove TP v omrežje);
analizo omrežja ob povečani odjemni moči bremen.
Slika 6.1 Osnovni izgled programa Raznnow [16]
6.1 NASTAVITVE PROGRAMA
V programu lahko nastavimo različne moči TR, izbiramo lahko med različnimi kabli,
nastavimo lahko različne velikosti odjema, praktično lahko v programu nastavimo vse
parametre, ki ponazarjajo NN omrežje. Opisi in nastavitve so vidi iz slik 6.2, 6.3, 6.4 in
6.5.
Slika 6.2 Prikaz vgrajenega transformatorja, velikost napetosti in obremenitev ter izgub [16]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
31
Slika 6.3 Nastavitve parametrov omrežja [16]
Slika 6.4 Nastavitev veje [16]
Slika 6.5 Nastavitev podatkov o odjemu [16]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
32
6.2 PRIKAZ IZRAČUNOV PROGRAMA
Ko pa nek transformator ali kablovod preveč obremenimo ali povzročimo padec napetosti,
ki ni v dovoljenih mejah, pa se mesto v grafičnem prikazu, ki je preobremenjeno ali ima
kak parameter izven dovoljenih meja obarva z rdečo barvo in nas opozori na nepravilnost,
kar pa prikazujejo slike 6.6, 6.7 in 6.8.
Slika 6.6 Prikaz prekoračene obremenitve transformatorja [16]
Slika 6.7 Prikaz prekoračene obremenitve kablovoda [16]
Slika 6.8 Prikaz prevelikega padca napetosti in premajhnega faktorja, ki povzroči pravočasno pregoretje
talilnih vložkov [16]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
33
V pogovoru s projektantom v našem podjetju sem izvedel, da se najraje poslužuje že
preizkušenih variant, ker je v tem primeru riziko za napake manjši. Vedno pa so omrežja,
ki se projektirajo nekoliko predimenzionirana in to predvsem z namenom kvalitetnega
obratovanja. Predimenzionirana v smislu vgrajevanje kablov z večjim presekom, tudi če bi
za nek izvod zadostoval kabel preseka 4x35+1,5 mm2, se raje vgradi 4x70+1,5 mm
2 in s
tem omogoči nekaj rezerve pri tokovnih obremenitvah ter padcih napetosti, izgube omrežja
pa ostanejo enake, kar se vidi iz priloženih slik 6.9 in 6.10.
Slika 6.9 Primer izvoda z uporabljenim zemeljskim kablom preseka 4x35+1,5 mm2 [16]
Slika 6.10 Primer izvoda z uporabljenim zemeljskim kablom preseka 4x70+1,5 mm2 [16]
Ko izvod s kablom 4x35+1,5 mm2 nekoliko bolj obremenimo, pa pride do prevelikih
padcev napetosti in premajhnega faktorja pregoretja talilnih vložkov, kljub temu da je
kabel obremenjen le 39 %. V primeru enake obremenitve omrežja, vendar s kablom
4x70+1,5 mm2, pa je padec napetosti in vsi ostali parametri v dovoljenih mejah.
Obremenitev kabla pa je 26,7 % , izgube omrežja pa so v prvem primeru cca 70 % višje
kot v drugem. Vsi podatki so razvidni iz slik 6.11 in 6.12.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
34
Slika 6.11 Primer obremenitve kablovoda 4x35+1,5 mm2 s 30 kW odjemne moči [16]
Slika 6.12 Primer obremenitve kablovoda 4x70+1,5 mm2 s 30 kW odjemne moči [16]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
35
7 PREIZKUS VGRAJENIH NN KABLOVODOV IN OMREŽJA V
OBRATOVANJU
7.1 MERITVE KABELSKE IZOLACIJE IN PLAŠČA Z ENOSMERNO
NAPETOSTJO
Namen merjenja izolacije energetskih kablov je odkrivanje napak – poškodb, ki lahko
nastanejo med transportom, pri polaganju (zaradi dotika s kamni, skale …) ali napačne
izdelave kabelskega pribora. Vedno bolj pogosta je praksa merjenja na novo položenih
kablih oz. pred začetkom obratovanja [20]. Iz prakse pa vemo, da se največkrat meritve na
NN kablih izvajajo predvsem takrat, ko se išče okvara.
7.2 MERITVE IMPEDANCE OKVARNE ZANKE IN KAKOVOSTI ELEKTRIČNE
ENERGIJE
Ko novo omrežje obratuje in je obremenjeno se na njem opravijo kontrolne meritve
kakovosti električne energije in meritve impedance okvarne zanke, ki nam pokažejo, ali so
bili upoštevani ustrezni parametri pri projektiranju. Meritve se opravljajo tudi z namenom
kontrole vgrajenih kablovodov s periodiko vsakih pet let ter po večjih povečavah odjemnih
moči ali ob sumu na neustrezno kakovost električne energije.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
36
8 SKLEP
V diplomski nalogi smo prišli do ugotovitev, kako zelo je pomembno za kvalitetno
obratovanje omrežja, kakšne karakteristike ima nek kabel, glede na to, kje se bo uporabljal
in kako bo vgrajen. V praksi na žalost opažamo vse preveč poudarka na ceni nekega
materiala in čedalje manj na kvaliteti, kar pa se v elektrodistribuciji kaže s pogostimi
okvarami kablovodov, saj prihaja do deformacij izolacije in do neželenih medfaznih ali
enopolnih kratkih stikov. Glavni problem je uporaba kablov s PVC izolacijo in
izpostavljenost izolacije vremenskim vplivom. Kabli s PVC izolacijo so občutljivi na
vremenske vplive in so vsekakor primernejši za vgradnjo v notranje prostore, na primer
razvode med TP-ji in razdelilnimi ali priključnimi omaricami. Kabli z XLPE izolacijo pa
so primernejši za vgradnjo ob prehodih iz zemlje na drogove, saj so v tem primeru izolirani
vodniki izpostavljeni vsem vremenskim vplivom, na katere pa je XLPE izolacija odporna.
Ker pa so kabli s PVC izolacijo v primerjavi z XLPE izolacijo cenejši, je posluževanje
prvih v tem primeru večje. V NN distribucijskem omrežju, če izpostavimo omrežja po
raznih zaselkih ali drugih bivalnih področjih, kjer prevladuje gospodinjski odjem,
dimenzioniranje na tokovne obremenitve ravno ne predstavljajo težav, saj so kablovodi
redko obremenjeni z več kot 50 % dovoljene obremenitve, večji problem so zaradi dolžin
izvodov, padci napetosti in prevelike impedance zank. Na impedance zank sicer lahko
vplivamo z vgradnjo vmesnih varovanj, padcev napetosti pa na koncu dolgih izvodov žal
ne moremo korigirati. Obstaja sicer možnost dviga napajalne napetosti na transformatorju,
ki pa lahko pri odjemalcih na začetku izvoda povzroči neželeno prekoračitev zakonsko
predpisani velikosti napetosti.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
37
VIRI IN LITERATURA
[1] Dokument Nadzemna _omrežja_Konečnik.doc
[2] www.impol.si/aluminij/uporaba-aluminija/ [17.6.2014]
[3] www.kabeltrade.si/images/06_oblike_vodnikov.si [17.6.2014]
4 Katalog kablov Elka; www.eltima.si [25.6.2014]
5 Irf.fe.uni-lj.si_ennei03i.pdf ; prof.dr.Grega Bizjak, u.d.i.e.
[6] EIMV,št.2090,september 2011
7 Ravnikar I. Knjiga Električne inštalacije
[8] Tehnična smernica za distribucijske NN kable 0,6-1kV.pdf
[9] Implentum_246Mehanotronika_osnove_Kokalj.pdf
10 Padci napetosti.pdf; Mitja Antončič, Seminar
11 Tehnična smernica TSG-N-002:2011; Nizkonapetostne električne inštalacije
[12] El-energ_sistemi-vodniki (1).pdf
[13] Dokument TS70 VB2-tipizacija NN omrežij s SKS.doc
[14] Dokumentacija Elektra Ljubljana d.d.
15 Katalog kablov Kapis; www.kapis-cables.com [20.7.2014]
[16] Računalniški program raznnow
[17] Knjiga Nizkonapetostne elektroenergetske instalacije, Peter Žunko
[18] www.ilirska-bistrica.si_mma_bin.pdf [25.7.2014]
[19] http://books.google.si/ [25.7.2014]
[20] http://www.elektroservisi.si/meritve-in-diagnostika-energetskih-kablov/ [15.8.2014]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
38
PRILOGE
PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE
ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
39
PRILOGA B : IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA