Přednáška 13. Přípustné úbytky napětí. Výpočet zatížení jednotlivých větví sítě
— zohlednění přípustných úbytků napětí v elektrické síti.
— seznámení s výpočty zatížení jednotlivých větví sítě.
Přípustné úbytky napětí
Jakýkoli odběr z elektrické sítě způsobuje vznik elektrického proudu. Při jeho průchodu způsobuje úbytky napětí na těchto vodičích, proto napětí dodávané do elektrického přijímače není rovno napětí na svorkách zdroje energie, ale je nižší. Zároveň jsou pro jednotlivé části elektrického vedení předepsány různé úbytky napětí.
Pro úbytek napětí od zdroje energie k místu odběru lze vycházet z předepsaných tolerancí napětí (IEC 60 038), které musí být v rozsahu + 6 % a – 10 % jmenovité hodnoty (od roku 2003 musí být tyto limity ). To znamená, že celkový úbytek napětí od zdroje energie k samotnému místu odběru může být až 16 %.
V samotné elektroinstalaci budovy (tj. uvnitř budovy) norma IEC 60 634-5-52 doporučuje, aby úbytek napětí mezi začátkem instalace a provozovaným zařízením uživatele nebyl větší než 4 % jmenovitého napětí instalace. Toto doporučení je poněkud v rozporu s požadavky jiných národních norem (např. ČSN 33 2130 v České republice).
Lze předpokládat, že s ohledem na splnění ostatních požadavků se při výpočtu parametrů zapojení mohou v některých částech vyskytnout větší úbytky, než jsou uvedeny výše, pokud v zapojení od připojovací skříně k samotnému elektrickému přijímači nebudou překročeny následující úbytky: 4 % na svorkách osvětlení; 6 % na svorkách pro sporáky a topná zařízení (pračky); 8 % u zásuvek a dalších svorek.
„Pravidla pro elektroinstalaci“ (PUE) stanoví nejvyšší trvale přípustné zatížení (proud v ampérech) pro izolované vodiče. Kabely a holé vodiče, které jsou uvedeny ve formě tabulky. Tyto tabulky jsou sestaveny na základě teoretických výpočtů a výsledků přímých zkoušek vodičů a kabelů pro vytápění.
Maximální přípustné zatížení pro dráty a kabely s hliníkovými jádry za podmínek ohřevu se stejným geometrickým průřezem a stejným obvodem s měděnými vodiči by mělo být uvažováno jako 77 % zatížení pro odpovídající měděné vodiče. U silových sítí by přípustná dlouhodobá ztráta napětí neměla překročit 5 % a u osvětlovacích sítí 2,5 % jmenovité hodnoty.
Je zřejmé, že při sečtení všech přípustných úbytků napětí (v distribuční síti i v elektrické instalaci) se můžeme dostat na samotnou hranici provozuschopnosti některých přístrojů a zařízení. Například relé a stykače zaručeně fungují od 85 % jmenovitého napětí a výše, u elektromotorů je to od 90 % jmenovitého napětí. Proto je nutné dodržovat výše uvedené doporučení (úbytek napětí do 4 %), uvedené v normě IEC 60 634-5-52.
Je třeba poznamenat, že požadavky národních norem se netýkají úbytků napětí na určité části vedení, ale požadavků na to, o kolik může napětí klesnout v poměru k jmenovitému napětí. Na svorkách transformátoru může být například napětí rovné 110 % jmenovitého napětí, od kterého pak mohou být úbytky napětí 15 %, respektive 13 %. To znamená, že konstruktér má v těchto případech určitou volnost v tom, jak rozložit úbytky napětí od zdroje k přijímači energie.
Je nutné říci, jak se úbytky napětí počítají, respektive jak se sčítají. U čistě aktivních zátěží, jako jsou elektrická tepelná zařízení a malé průřezy vedení, je situace jednoduchá. Úbytky napětí jsou součiny proudů a odporů vedení, které lze jednoduše sčítat. V případě elektrických zařízení, jako jsou motory, jejichž povaha spotřeby je aktivní a indukční, a celkové impedance Z zapojení sestávající z reálné složky (aktivní odpor) R a imaginární složku (indukční odpor) X, pak se tyto komplexní veličiny vynásobí. Výsledkem tohoto součinu je opět komplexní veličina, tj. komplexní úbytek napětí. Popisuje úbytky napětí v reálné a imaginární souřadnicové ose. Absolutní hodnoty těchto úbytků napětí na jednotlivých částech vedení od zdroje k přijímači energie by se proto neměly sčítat standardním způsobem, ale měly by se sčítat opět pouze jako komplexní veličiny (tj. reálné a imaginární složky samostatně).
Nemělo by proto být překvapením, že součty absolutních hodnot úbytku napětí často nejsou přesným součtem jejich absolutních hodnot na jednotlivých, propojených vodičích.
Výpočet zatížení jednotlivých větví sítě
Proudové zatížení jednotlivých větví nelze sčítat jednoduše jako aritmetický součet absolutních hodnot proudu, ale reálné a imaginární složky je nutné sčítat odděleně. Pokud se tato pravidla dodrží, lze zatížení určit pro jakoukoli konfiguraci sítě. Podobná pravidla se dodržují při výpočtu zkratových proudů. A pro zkrat se výpočty provádějí s impedancí sítě vyjádřenou v komplexním tvaru.
Vliv zátěže na zkratový proud.
Zatížení může mít významný vliv na zkratové proudy. Obrázek 1 znázorňuje nejjednodušší schémata zapojení zátěže. Povaha zátěží a jejich poměry se liší (asynchronní a synchronní motory, zátěž domácností, osvětlení), hodnota se mění v různé dny v roce, v různé denní době, pro různé směnné režimy práce v podnicích. Je prakticky nemožné určit skutečnou hodnotu zátěže a nárůst jejího odporu v okamžiku zkratu.
Obvykle se předpokládá, že odpor zátěže je konstantní a jeho hodnota je určena vztahem (1).
V normálním režimu je odpor zátěže určen poměrem:
kde U je vypočítané napětí rovné sekundárnímu napětí napájecího transformátoru;
Iн a S.н – zatěžovací proud a výkon.
Výkon zátěže se odebírá v závislosti na počtu napájecích transformátorů. U jednoho transformátoru se výkon zátěže bere rovný výkonu transformátoru. U dvou identických transformátorů se výkon zátěže bere rovný 0,65-0,7 výkonu jednoho transformátoru. V případě nouzového vypnutí jednoho ze dvou transformátorů musí celé zatížení převzít transformátor, který zůstává v provozu. Jeho zatížení pak bude 130-140 % jmenovitého výkonu.
Obrázek 1 – Rozložení proudu s ohledem na připojenou zátěž
k linii (a) a k pneumatikám (b)
Z obrázku 1 je zřejmé, že v případě vzdáleného zkratu, kdy napětí na sběrnicích neklesne na nulu, se celkový proud procházející transformátorem skládá z proudu odbočujícího do zátěže a proudu v místě zkratu. Pro obvod na obrázku 1,a je celkový zkratový proud určen vztahem:
a pro obvod na obrázku 1b – podle poměru:
Ve skutečnosti mají odpory různé poměry x/r a proudy by se měly vypočítávat pomocí vzorců (2) a (3) v komplexním tvaru. Pro většinu sítí je však poměr z a L zátěže a vedení blízký, malý ve srovnání s , a pro zjednodušení výpočtů se rovnice (2) a (3) řeší v celkových odporech z. Tento předpoklad je o to oprávněnější, že skutečné zatížení v okamžiku zkratu není známo.
Celkový proud se dělí na dvě části: část proudu směřující do místa zkratu v obvodu na obrázku 1,a je určena vztahem:
a pro obvod na obrázku 1,b – podle vzorce:
Z výrazu (5) je zřejmé, že v bodě zс = 0, proud do místa zkratu je , tj. zátěž neovlivňuje hodnotu zkratového proudu, pokud je připojena k nekonečným napájecím sběrnicím.
Analýza výrazů (2)–(5) a obrázku 2 nám umožňuje vyvodit následující závěry:
— v obvodu na obrázku 1,a, když není zátěž, má proud v místě zkratu blízkou hodnotu proudu procházejícího transformátorem ze systému;
— pokud je přítomna zátěž, je proud v místě zkratu podle diagramu na obrázku 2a nejmenší a podle něj se kontroluje citlivost síťové ochrany; proud ze systému přes transformátor je největší a podle něj se koordinují ochrany transformátoru a sítě.