Cerințe de proiectare pentru aparatele de comutare de joasă tensiune

Aparatele de joasă tensiune sunt sisteme de unul sau mai multe întrerupătoare cu echipamente de control, semnalizare, protecție și reglare cooperante. Aceste sisteme includ, de asemenea, toate conexiunile electrice și mecanice, precum și elementele de construcție (incintă).

Michał Szulborski Manager de produs

Fiecare tablou trebuie să asigure compatibilitatea cu valorile nominale ale tablourilor la care este conectat sau extins, etc. Condițiile de conectare și instalare ar trebui să fie furnizate de producătorul ansamblului [1, 2]. În ceea ce privește tensiunea nominală a structurii și tensiunea nominală a aparatului de distribuție unic, acestea ar trebui să fie cel puțin aceeași cu tensiunea nominală a sistemului de alimentare la care sunt sau vor fi conectate. Tensiunea nominală de izolație a circuitului de comutație este tensiunea la care se referă tensiunea de testare și, prin urmare, valorile acesteia. Parametrii importanți ai aparatelor de comutație sunt: curentul nominal al structurii tabloului și curentul nominal al circuitului. Curentul nominal al instalației de comutație este o valoare mai mică decât suma curenților circuitului de intrare într-un sistem de operare paralel și, de asemenea, mai mică decât curentul total pe care bara principală este capabilă să-l distribuie într-o anumită configurație de sistem. Acest curent nu ar trebui să determine depășirea creșterii maxime a temperaturii și este curentul maxim de sarcină care este distribuit prin barele și cablurile din tabloul de distribuție. Curentul nominal al circuitului este valoarea maximă a curentului de sarcină pe care un anumit circuit o poate conduce în condiții normale de funcționare fără a depăși creșterile maxime de temperatură.

În prezent, standardul PN-EN 61439-1 introduce factorul de simultaneitate (RDF), care este valoarea curentului nominal în unități relative. Acest factor înmulțit cu valoarea curentului nominal al circuitului ar trebui să fie egal sau mai mare decât sarcina de putere presupusă în circuite. Acest factor este utilizat atunci când un anumit aparat de comutare funcționează încărcat cu curent nominal [1, 2, 3]. Aparatele de comutare trebuie să fie adaptate pentru a funcționa cu o frecvență nominală specifică. Această valoare a frecvenței caracterizează funcționarea corectă a aparatului de distribuție conectat. Ocazional, circuitele sistemului sunt proiectate pentru diferite valori ale frecvenței tensiunii, ceea ce face necesară furnizarea frecvenței nominale pentru fiecare circuit. Standardul PN-EN 61439-1 recomandă ca valorile frecvenței să se încadreze în anumite limite, care variază de la 98% la 102%, cu excepția cazului în care producătorul structurii de comutație a specificat altfel.

Cerințe generale pentru construcția tabloului de distribuție

• Utilizarea unei chei sau a unui alt instrument care să permită îndepărtarea capacului;
• După deconectarea sursei de alimentare la elementele active, restabilirea sursei de alimentare este posibilă numai atunci când capacul este demontat;
• Când capacul asigură o protecție de nivel nu mai mic decât IPXXB împotriva contactului cu elementele active.

Fig. 1. Căi de curent în aparatul de distribuție situat în spatele capacelor de protecție care asigură o protecție adecvată împotriva contactului cu părțile sub tensiune (design realizat în Solid Edge 2021)

 Toate părțile conductoare ale tabloului de distribuție sunt conectate între ele prin fire pentru a asigura continuitatea împământării de protecție în cazul deteriorării în interiorul tabloului de distribuție. Aceste conexiuni pot fi realizate și folosind șuruburi metalice sau prin sudură. Din elementele acoperite cu un strat de protecție, învelișul trebuie îndepărtat sau perforat într-un loc dat pentru a asigura continuitatea circuitului (de exemplu, pe presetupe metalice vopsite, capace vopsite înșurubate etc.) - acest lucru este descris cu precizie la punctul 8.4. .3.2.2 din standardul PN-EN 61439-1.În cazul în care dispozitivele depășesc limitele domeniului de joasă tensiune, conexiunile prin cablu sunt utilizate în timp ce sunt montate pe uși sau capace pentru a asigura continuitatea legăturii la pământ. Secțiunea transversală a cablului instalat pe ușă sau incinta aparatului ar trebui să depindă de curentul nominal de funcționare maxim. Conductorul de protecție din aparatele de comutare trebuie proiectat astfel încât să poată rezista la cele mai mari sarcini dinamice și termice. Nu este permisă instalarea întrerupătorului sau a separatorului în circuitul conductorului de protecție, numai căile conductoarelor de protecție pot folosi dispozitive de scurtcircuitare care pot fi îndepărtate numai cu o unealtă de către personalul autorizat. Dacă carcasa are un conductor PEN, trebuie îndeplinite următoarele cerințe:

• Secțiunea transversală minimă a acestui fir pentru cupru ar trebui să fie de 10 , iar pentru aluminiu - 16;
• Secțiunea transversală a acestui fir nu trebuie să fie mai mică decât firul neutru;
• Este permis ca șine de montare din cupru sau aluminiu să fie folosite ca fire PEN;
• Componentele structurale nu trebuie folosite ca fire PEN;
• Firele PEN nu trebuie să fie izolate în interiorul tabloului de distribuție.

De asemenea, aparatele de distribuție separă circuitele electrice individuale pentru a preveni șocurile electrice din cauza contactului cu părțile conductoare disponibile, care pot deveni sub tensiune din cauza deteriorării de bază a izolației. bare colectoare ale traseului curentului, între șine și elemente structurale, astfel încât să nu existe un scurtcircuit în interiorul tabloului de distribuție după pornirea acestuia. Aceste bare colectoare ar trebui să fie alese astfel încât să fie compatibile cu rezistența declarată la scurtcircuit și realizate astfel încât să poată rezista expunerilor la scurtcircuit limitate de protecția din partea de alimentare a barelor colectoare. Cablurile de distribuție sau barele colectoare într-un singur segment dintre barele principale și partea de sarcină pot fi selectate în funcție de rezistența redusă la scurtcircuit a dispozitivului de protecție. Circuitele auxiliare din tablourile de distribuție sunt proiectate astfel încât să nu existe incidente necontrolate (de exemplu, scurtcircuit). Circuitele auxiliare trebuie dirijate astfel încât să nu se producă un scurtcircuit.

Cablurile utilizate pentru conectarea dispozitivelor din tabloul de distribuție nu trebuie să-și deterioreze parametrii de izolație (învechirea izolației) ca urmare a creșterii normale a temperaturii și a vibrațiilor care apar în timpul funcționării normale a tabloului de distribuție. Deosebit de importante sunt efectele dilatarii termice datorate temperaturilor de operare atinse ale firelor. Pe lângă conductivitate, cablurile sunt selectate datorită:

• Solicitări mecanice care pot apărea în tabloul de distribuție;
• Asigurarea și dirijarea firelor;
• Tipul de izolație și materialul din care este fabricat;
• Aparate de comutare și dispozitive de comutație folosite.

Atât în cazul conductoarelor izolate rigide, cât și flexibile, îmbinările intermediare nu trebuie utilizate în special prin folosirea de cuplaje sau conexiuni lipite. În plus, cablurile trebuie protejate împotriva frecării împotriva marginilor ascuțite ale elementelor structurale, de ex. prin utilizarea jgheaburilor de cablu. În cazul în care dispozitivele utilizate sunt instalate pe capace mobile sau uși de comutație, firele de legătură sunt plasate în tuburi speciale de protecție flexibile, care le protejează de frecarea de ușă sau de carcasa tabloului de distribuție.

Fig. 2. Un exemplu de configurație a insertului de asamblare și aranjarea firelor și a barelor colectoare în tabloul de joasă tensiune (proiect realizat în software-ul Solid Edge 2021)

Suprafața și golurile de aer ale elementelor structurii aparatului de comutare și testarea proprietăților dielectrice

În ceea ce privește construcția și proiectarea aparatelor de comutare, se acordă o atenție deosebită menținerii golurilor de izolație adecvate, atât la aer cât și la suprafață. Aceste cerințe sunt descrise în detaliu în standardul IEC 60664-1. Spațiile libere trebuie păstrate astfel încât instalarea aparatelor și a altor dispozitive în tabloul de distribuție să nu afecteze distanțele de izolație specificate. În cazurile în care în tabloul de distribuție sunt prevăzute circuite separate, trebuie luate în considerare tensiunile de rezistență la impuls pentru aer și distanța de izolare a suprafeței dintre aceste circuite. Pentru barele colectoare se folosesc conexiuni între dispozitive și bornele cablurilor, adică toate elementele neizolate, se folosesc cel puțin aceleași distanțe de izolație ca cele prevăzute pentru dispozitivele cu care sunt conectate. Se presupune că scurtcircuitul dintre barele nu trebuie să reducă permanent distanțele de izolație prevăzute. Pentru a mări golurile izolante, în elementele izolante se folosesc niște caneluri convexe speciale, care măresc semnificativ distanța de izolare la suprafață și aer [1, 2, 3]. În cazul brazdelor concave, crește doar distanța de izolație superficială. Proprietățile dielectrice ale structurilor de comutație de joasă tensiune sunt verificate în conformitate cu cerințele standardului PN-EN 61439-1, care descrie cu precizie cum trebuie făcute măsurătorile rigidității dielectrice. Elementele carcasei și structurii sunt testate cu tensiunea de rezistență a frecvenței rețelei; unde circuitele principale, de control și auxiliare sunt testate cu valorile tensiunii de încercare care au fost specificate în standard. Sunt date valorile exacte ale tensiunilor de testare AC și DC în funcție de tensiunea nominală de izolație.

În cazul testării circuitelor principale cu tensiune alternativă - se dau cinci valori ale tensiunii de încercare: 1000 V, 1500 V, 1890 V, 2000 V și 2200 V. Totuși, pentru măsurarea cu tensiune continuă s-au determinat șase valori: 1415 V , 2120 V, 2670 V, 2830 V, 3110 V și 3820 V. În timpul încercărilor circuitelor de comandă și auxiliare, tensiunea de testare utilizată depinde de tensiunea nominală de izolație. În circuitele cu tensiune peste 60 V, se folosesc valorile tensiunii de testare introduse suplimentar, care sunt egale cu 250 V și 500 V. Forma tensiunii de testare trebuie să fie sinusoidală cu o frecvență de 45 - 65 Hz. Pe de altă parte, curentul de ieșire la bornele dispozitivului scurtcircuitat în timpul măsurării ar trebui să aibă o valoare nu mai mică de 200 mA.

Când tensiunea de testare este aplicată la frecvența rețelei, valoarea acesteia nu depășește, în general, 50% din acea tensiune. Este ridicat treptat la tensiunea maximă și menținut pe toată durata testului. Sunt testate toate părțile active ale circuitului principal cu elemente conductoare disponibile, precum și părțile active cu potențiale diferite sau între circuitul principal, circuitele auxiliare și de control.

La testarea structurii, cu tensiunea de rezistență la impuls, se aplică tensiunea de 1,2/50 μs de cinci ori pentru fiecare polarizare la intervale de 1 secundă. Dacă nu are loc nicio descărcare în timpul testului, testul este considerat pozitiv. În cazul verificării produsului, adică a tabloului de distribuție fabricat finit, acesta este testat pentru rezistența dielectrică cu tensiunea de frecvență a rețelei. Ideea testului este aproape aceeași ca și în cazul testării structurii, cu excepția faptului că în acest scenariu tensiunea este aplicată doar pentru 1 secundă. Încercarea este omisă pentru circuitele auxiliare protejate cu protecție la supracurent, al căror curent nominal nu depășește 16 A, sau când încercarea funcțională a fost efectuată în faza de încercare a construcției cu tensiunea de comutare prevăzută în proiectarea acestor circuite.

Când în circuitul testat sunt instalate protecții la supracurent cu un curent nominal de până la 250 A, valoarea rezistenței de izolație este măsurată cu o tensiune de cel puțin 500 V DC. Dacă valoarea rezistenței de izolație dintre părțile conductoare și circuite nu este mai mică de 1 kΩ/V, testul este trecut.

Influența forțelor electrodinamice asupra căilor de curent și structurilor de susținere ale aparatelor de comutare de joasă tensiune

În timpul curgerii curentului electric prin căile de curent și cablurile aparatului de comutare, apar forțe electrodinamice, care generează solicitări asupra izolatorilor de susținere a căilor de curent, elementele de fixare a cablurilor, suporturile etc. [3, 6, 7].

Forțele electrodinamice apar între:

• Căi curente;
• Cabluri de alimentare;
• Materiale feromagnetice și fire sau bare colectoare;
• Suprafețe limită ale materialelor cu permeabilitate magnetică diferită.

Pentru a determina momentele și forțele electrodinamice care acționează pe traseele curentului, se folosesc ecuațiile Biot-Savart, Lorentz și Maxwell. Ecuațiile Maxwell sunt utilizate pentru a calcula forțele electrodinamice în sistemele de cale de curent pentru care sunt cunoscute expresii analitice ale inductanței. În general, ecuațiile Lorentz și Biot Savart sunt folosite pentru a calcula momentele și forțele electrodinamice care acționează asupra porțiunilor rectilinii ale căilor de curent.

Atunci când proiectați căi de curent pentru aparatura de comutare, acordați atenție și efectuați calculele necesare legate de:

• Tensiuni care apar pe traseele de curent în momentul curgerii curenților de scurtcircuit, ceea ce va permite selectarea corespunzătoare a secțiunilor transversale a barelor, lungimea traveilor și fixarea corectă a căilor de curent;
• Forțe de reacție care acționează asupra elementelor de fixare și a altor suporturi cu care sunt fixate căile de curent, acest lucru permite alegerea unui izolator adecvat cu rezistența necesară și numărul acestor elemente;
• Momente care afectează conectarea barelor în timpul curgerii curenților de scurtcircuit;
• Forțele care acționează asupra arcului electric..

Un fenomen important este interacțiunea conductorului cu curentul în vecinătatea maselor feromagnetice. Când curge curentul continuu sau alternativ în apropierea unei structuri sau plăci dintr-un material feromagnetic, acesta provoacă o distorsiune a câmpului magnetic în jurul conductorului prin care trece curentul. Forța electrodinamică îndreptată către elementul feromagnetic în acest caz este rezultatul câmpului asimetric față de axa conductorului.

Această forță este descrisă de formula conform metodei imaginii în oglindă:

C - constantă presupusă în funcție de lungimea și forma conductei;

i – curent de circuit;

i_1- curent de reflexie în oglindă;

a - distanța de la suprafața plăcii la axa conductorului.

Fig. 4. Efectul de atragere a conductorului cu curentul către placa feromagnetică: a) distribuţia liniilor câmpului magnetic, b) exemplu de calcul după metoda reflexiei în oglindă.

 Acumularea de forțe electrodinamice datorită atracției este un eveniment periculos în timpul scurtcircuitelor când firele/barele colectoare sunt așezate aproape de o placă de oțel sau de alte structuri de susținere cu muchii ascuțite (nebavurate). Apoi, există riscul ruperii izolației firului, moale din cauza influenței temperaturii, frecării de placa sau altă parte structurală a carcasei sub influența forțelor electrodinamice, ceea ce poate duce la un scurtcircuit al firului metalic cu un element dat.

Pierderi de putere maxime ale aparatelor de comutare de joasă tensiune

Aparatele de joasă tensiune fabricate sunt supuse unor examinări și încercări care vizează determinarea pierderilor maxime de putere. Acest lucru se datorează introducerii standardului IEC 61439. Standardul descrie în detaliu testele care trebuie efectuate pentru a obține datele necesare. Una dintre testele specifice de la punctul 10.10 din standardul polonez PN-EN 61439-1 este verificarea sarcinii termice. Testul constă în asigurarea creșterii maxime admisibile a temperaturii în locurile în care valoarea critică a creșterii temperaturii poate fi depășită. Se verifică care compartiment al incintei pentru testare este cel mai defavorabil (datorită dimensiunii, formei, numărului de pereți despărțitori și dacă este ventilat sau nu).

În timpul testului, curentul nominal maxim depinde de numărul de dispozitive din blocul funcțional. Dacă există un singur dispozitiv, se aplică curentul nominal al dispozitivului, dacă există mai multe dispozitive în blocul funcțional, atunci se aplică curentul dispozitivului cu cel mai mic curent nominal.

Conform recomandărilor standardului, variantele cele mai nefavorabile trebuie investigate întotdeauna. Blocul funcțional critic trebuie testat:

• în interiorul (cel mai mic) compartiment destinat blocului funcțional;
• datorită celei mai proaste opțiuni de separare internă, referitor la dimensiunea deschiderilor de ventilație;
• dacă apare în carcasa cu cea mai mare putere de pierdere instalată pe unitate de volum;
• în cel mai rău caz varianta de ventilație, ținând cont de tipul de ventilație - forțată sau prin convecție.

Testele sunt efectuate ca și cum aparatul de distribuție ar fi folosit în condiții normale, cu toate capacele și panourile instalate. În carcasele individuale, testul de temperatură se efectuează cu tipul de curent pentru care a fost proiectat. Testul se execută până când valoarea temperaturii devine constantă. În timpul testelor, această valoare este atinsă dacă creșterea temperaturii în toate punctele de măsurare nu depășește 1 K/h.

În timpul efectuării testului pentru pierderea de putere a carcasei de comutație, generarea de căldură de către căile de curent și dispozitivele instalate este simulată folosind rezistențe de încălzire poziționate corespunzător în interiorul carcasei. Aceste rezistențe sunt setate să dea o valoare termică echivalentă cu pierderea de putere așteptată în carcasă în condiții normale furnizate de producător [1, 2]. Cablurile care alimentează rezistențele de încălzire sunt selectate astfel încât să nu elimine căldura din carcasa testată. Valorile temperaturii din incintă sunt măsurate în partea superioară a acesteia, unde valoarea sa este cea mai mare, deoarece aerul cald se ridică în sus prin convecție. Temperatura carcasei nu poate depăși valorile date în standardul PN-EN 61439.

Testul efectuat este verificat în momentul efectuării sale și după finalizarea acestuia. Dacă temperatura aerului din pierderea de putere calculată (obținută în timpul testului) nu este mai mare decât temperatura de funcționare admisă declarată de producător, înseamnă că pentru fitingurile interne și conectorii circuitului principal, sarcina continuă nu este mai mare decât sarcina admisă la temperatura aerului calculată. În acest caz, sarcina continuă nu depășește 80% din curentul nominal, ceea ce înseamnă conformitatea cu declarația producătorului.

Compatibilitatea electromagnetică a aparatelor de comutare de joasă tensiune

Standardul PN-EN 61439-1 (punctul 9.4 și Anexa J) prevede că aparatele de comutare trebuie să îndeplinească liniile directoare privind compatibilitatea electromagnetică (EMC). Este capacitatea aparatului de a funcționa într-un mediu electromagnetic specific și de a nu genera perturbări de câmp electromagnetic care ar putea interfera cu funcționarea corectă a altor dispozitive care funcționează în vecinătatea acestuia. Testarea EMC este obligatorie pe majoritatea piețelor din Europa, Statele Unite și alte țări. Acest lucru face necesară efectuarea acestor teste pentru a introduce un anumit produs pe piață și pentru a îndeplini toate cerințele legale pentru a permite vânzările.

Fig. 5. Camera pentru testarea compatibilităţii electromagnetice EMC.

La pregătirea aparatului de comutare pentru testare, în general, o probă asamblată este pregătită la un moment dat, iar combinația de dispozitive instalate în interior este destul de aleatorie. Nu sunt necesare teste de imunitate sau de emisie EMC dacă componentele instalate ale aparatului de comutare și aparatele electrice respectă cerințele electromagnetice. standarde de compatibilitate pentru un mediu dat, în conformitate cu cerințele specifice ale produsului sau cu standardul general EMC.

Sursele de interferență electromagnetică pot fi:

• Semnale discrete continue sau variabile (sinusoidale) de la, de exemplu, transmițătoare radio omniprezente;
• Semnale continue în bandă largă generate de linii aeriene, mașini electrice sau sisteme de redresare cu tiristoare;
• Semnale de supratensiune tranzitorii unice de la fulgere, descărcări electrostatice, procese de comutare, descărcări cu scântei și scurtcircuite.

Toate aceste perturbații provoacă apariția unor supratensiuni tranzitorii care expun dispozitivele instalate în tabloul de distribuție la defectarea izolației și perturbă funcțiile de măsurare și control. O problemă suplimentară este rezistența aparatului și a înfășurărilor transformatorului la supratensiuni de scurtă durată cu timpi de creștere a pantei în nanosecunde.

Cuplarea mărimii perturbatoare cu circuitele date din tablou se poate realiza prin distorsiunile:

• Inductiv;
• Galvanic;
• Capacitive.

Pentru a reduce cuplarea dintre semnalul perturbator, tabloul este echipat cu:

• Descărcători de supratensiune pentru protecție la supratensiune;
• Ecranarea cablurilor de comandă (cu împământare ecran pe ambele părți);
• Filtre de rețea;
• Conexiuni prin fibră optică între dispozitivele de control.

Fig. 6. Exemple de cuplari la momentul producerii perturbatiei: a) galvanice, b) capacitive, c) inductive, d) descărcări electrostatice.

Obținerea gradului necesar de compatibilitate electromagnetică (EMC) a unui aparat de comutație necesită acțiuni adecvate în faze de la concept până la prototip. În acest scop sunt utilizate o serie de programe de calculator, precum și aplicarea recomandărilor cuprinse în reglementările de standardizare și experiențele producătorilor.

Rezumat

Manuscrisul prezintă și discută cerințele de proiectare pentru aparatele de comutare de joasă tensiune cuprinse în standardele PN-EN 61439-1 și PN-EN 62208, care trebuie îndeplinite de aparatele de comutare fabricate pe piață.

Verificarea structurilor de comutație dezvoltate de către producător în timpul testelor de construcție și testelor de tip în laboratoarele de cercetare permite comercializarea și vânzarea de soluții moderne de înaltă calitate care asigură un grad adecvat de protecție și siguranță în timpul funcționării acestora.