Вимоги до розподільних пристроїв низької напруги

Розподільні пристрої низької напруги – це рішення, яке складається з одного або кількох вимикачів разом з  обладнанням для контролю, сигналізації, захисту та регулювання. Сюди також входять усі електричні та механічні з’єднання, а також елементи конструкції (корпус).

Michał Szulborski Менеджер по продукції

Кожен розподільний пристрій повинен бути сумісним за параметрами з розподільними пристроями, до яких він підключений. Умови підключення та встановлення розподільного пристрою повинні бути надані виробником [1, 2]. Що стосується номінальної напруги схеми та номінальної напруги окремого розподільного пристрою, вони повинні бути такими ж, як номінальна напруга енергосистеми, до якої вони підключені або будуть підключені. Номінальна напруга ізоляції  розподільного пристрою визначається значенням напруги випробувань. Важливими параметрами розподільних пристроїв є: номінальні струми компонентів розподільних пристроїв і номінальний струм кола. Значення номінального струму компонентів розподільних пристроїв менше, ніж сума вхідних струмів, з’єднаних паралельно компонентів, а також менше, ніж сумарний струм розподільного пристрою. Цей струм не повинен призводити до підвищення значення максимальної температури і збільшення струму навантаження, який проходить через шини та кабелі в розподільному пристрої. Номінальний струм кола – це максимальне значення струму навантаження, що може пропускати коло за нормальних робочих умов без перевищення значення максимальної температури.

В даний час стандарт PN-EN 61439-1 вводить коефіцієнт одночасності (RDF), який є значенням номінального струму у відносних одиницях. Цей коефіцієнт, помножений на значення номінального струму кола, повинен дорівнювати або бути більшим за розрахункове навантаження в колі. Цей коефіцієнт використовується, коли даний розподільний пристрій працює зі споживачами з номінальними струмами [1, 2, 3]. Розподільні пристрої повинні бути розраховані на роботу з певною номінальною частотою. Значення частоти визначає правильність роботи підключеного розподільного пристрою. Інколи системи розраховані на різні значення частоти, що спричиняє необхідність враховувати номінальну частоту кожного кола. Стандарт PN-EN 61439-1 рекомендує, щоб значення частоти були в межах від 98% до 102%, якщо виробник розподільних пристроїв не вказав інше.

Загальні вимоги до конструкції розподільних пристроїв

Розподільні пристрої низької напруги повинні бути виготовлені з матеріалів здатних витримувати механічні, термічні, електричні навантаження та бути стійкими до впливу навколишнього середовища. Розподільні пристрої можуть мати різні габаритні розміри в залежності від вимог і сфер застосування.

Елементи, що виготовлені з ізоляційних матеріалів мають бути стійкими до впливів високих температур та вогню. Пошкодження або оплавлення ізолятора збірної шини під дією високих температур може призвести до короткого замикання, що може вивести із ладу весь розподільний пристрій. Тому матеріал ізоляторів в розподільних пристроях повинен бути стійким до тепла і вогню. Стійкість до цих умов перевіряється методом випробування розжареним дротом відповідно до IEC 60695-2-11.

Вимоги щодо механічної міцності пред'являються не тільки до корпусів, а й до всіх елементів – перегородк, опор, петель і замків, які повинні мати достатню механічну міцність, щоб витримувати навантаження при нормальному режимі роботи розподільного пристрою і в умовах короткого замикання [1].

Встановлене обладнання та пристрої всередині розподільного пристрою мають бути розташовані таким чином, щоб забезпечити доступ і можливість технічного обслуговування. Також мають бути витримані відповідні відстані між обладнанням. Кожен розподільний пристрій повинен забезпечувати базовий рівень захисту, в тому числі захист від контакту із струмовідними елементами. Це враховується при розробці конструкції корпусу, а також додатковими заходами при монтажі розподільного пристрою.

Усі струмовідні частини розподільного пристрою повинні бути повністю ізольовані. Ця ізоляція (повітряна ізоляція, захисні кришки, перегородки та поверхнева ізоляція з непровідних матеріалів) може бути усунена тілька за допомогою спеціального інструменту. Ізоляція повинна мати відповідні параметри, які дозволяють їй витримувати механічні, електричні та термічні навантаження, яким вона піддається під час роботи розподільного пристрою.

Активні частини, ізольовані повітрям, повинні бути розміщені за захисними кожухами, які забезпечують ступінь захисту IP (система кодів, які вказують на захист від потрапляння сторонніх твердих речовин, проникнення води та надають додаткову інформацію щодо захисту) не нижче, ніж IPXXB. Кожна кришка повинна бути встановлена в розподільному пристрої таким чином, щоб забезпечити необхідний ступінь захисту та відокремлення від активних елементів розподільного пристрою в нормальних умовах експлуатації. Захисні кришки повинні відповідати трьом умовам, що дозволяють зняти її з розподільного щита:

• використання ключа або іншого інструменту, що дозволяє зняти кришку;
• після відключення живлення активних елементів, - відновлення живлення можливе лише за умови демонтажа кришки;
• коли кришка забезпечує рівень захисту від контакту з активними елементами не нижче IPXXB

Рис. 1. Шляхи проходження струму в розподільному пристрої захищені лицьовими фальшпанелями, що забезпечують належний захист від контакту з струмовідними частинами (дизайн виконано в Solid Edge 2021)

Усі струмопровідні частини розподільного пристрою мають бути заземлені. Ці з’єднання можна виконати за допомогою кабелю, металевих болтів або зварюванням. З елементів, що мають захисне покриття, його слід частково видалити або проколоти в певному місці, щоб забезпечити безперервність кола (наприклад, на пофарбованих металевих кабельних вводах, пригвинчених пофарбованих панелях тощо) – це описано в пункті 8.4.3.2.2 стандарту PN-EN 61439-1.

Якщо пристрої виходять за межі рівня низької напруги, використовуються дротові з’єднання які приєднуються до дверцят або панелей, щоб забезпечити безперервність заземлення. Поперечний переріз повинен залежати від максимального номінального робочого струму. Захисний провідник в розподільних пристроях повинен витримувати динамічні та теплові навантаження. Забороняється встановлювати вимикач або роз’єднувач в колі захисного провідника, лише на окремих ділянках дозволяється використовувати короткозамикаючі пристрої, які можуть бути вилучені кваліфікованим персоналом за допомогою інструменту. Якщо в корпусі є PEN-провідник, необхідно виконати наступні вимоги:

• мінімальний переріз цього кабелю для мідного дроту має бути 10 мм², а для алюмінію – 16 мм²,
• переріз кабелю не повинен бути менше провідника нейтралі,
• в якості PEN-провідників допускається використовувати монтажні шини з міді або алюмінію,
• конструктивні компоненти не повинні використовуватися в якості PEN- провідників,
• PEN-провідник не потребують ізоляції всередині розподільного щита.

В розподільних пристроях також відокремлюють окремі електричні кола, щоб запобігти ураженню електричним струмом через контакт з доступними струмопровідними частинами, які можуть опинитися під напругою через пошкодження основної ізоляції. Шини головних кіл у розподільних пристроях розташовані таким чином, щоб відповідати всім вимогам, пов’язаним з відстанями між шинами, між din-рейками та конструктивними елементами, щоб не було короткого замикання всередині розподільного пристрою після його включення. Ці шини повинні бути вибрані таким чином, щоб витримувати ударні струми короткого замикання зі сторони живлення. Розподільні кабелі або шини в межах однієї секції між основними шинами та стороною навантаження обирається відповідно до зниженого значення короткого замикання захисного пристрою. Допоміжні кола в розподільних пристроях розроблені таким чином, щоб не було неконтрольованого випадку (наприклад, короткого замикання). Допоміжні кола повинні бути з’єднані таким чином, щоб виключити коротке замикання.

Під час вибору кабелів, які використовуються для з'єднання елементів в розподільних пристроях, повинен бути врахований вплив підвищення температур і вібрації при роботі, це не повинно впливати на параметри ізоляції (старіння ізоляції). Особливо важливими є ефект теплового розширення через високі робочі температури. Крім провідності, кабелі вибирають за:

• механічні навантаження, які можуть виникнути в розподільному пристрої,
• кріплення та прокладання проводів,
• тип ізоляції та матеріал, з якого вона виготовлена,
• розподільні та комутаційні апарати, що застосовуються.

Як у випадку жорстких, так і гнучких ізольованих провідників не слід використовувати проміжні з’єднання, особливо за допомогою муфт або спаяних з’єднань. Крім того, кабелі повинні бути захищені від тертя об гострі краї елементів конструкції, наприклад, за допомогою кабельних лотків. При встановленні пристроїв на рухомих елементах або дверцятах, з'єднувальні проводи поміщаються в спеціальні гнучкі захисні трубки, що захищають їх від тертя об двері або корпус.

Рис. 2. Приклад конфігурації щита та розташування кабелів і шин в низьковольтному розподільному пристрої (проект виконано в програмному забезпеченні Solid Edge 2021)

Поверхневий і повітряний зазори елементів конструкції розподільних пристроїв і випробування діелектричних властивостей

Що стосується конструкції та проектування розподільних пристроїв, особлива увага приділяється дотриманню відповідних ізоляційних проміжків, як повітряних, так і поверхневих. Ці вимоги детально описані в стандарті IEC 60664-1. Необхідно дотримуватися відстаней, щоб встановлення апаратів та інших пристроїв у розподільних пристроях не впливало на вказані ізоляційні проміжки. У випадках, коли в розподільному пристрої передбачені окремі кола, слід враховувати імпульсну напругу, що витримується, для повітряної та поверхневої ізоляції між цими колами. Для шин, кабельних наконечників, тобто всіх неізольованих елементів, – використовуються принаймні такі ж ізоляційні відстані, які були передбачені для пристроїв, до яких вони підключаються. Передбачається, що коротке замикання між шинами не повинно остаточно зменшувати передбачені ізоляційні відстані. Для збільшення ізоляційних зазорів в ізоляційних елементах використовують спеціальні опуклі канавки, які значно збільшують поверхневі та повітряні ізоляційні проміжки [1, 2, 3]. При застосуванні увігнутих борозен збільшується лише поверхнева відстань ізоляції. Діелектричні властивості конструкцій розподільних пристроїв низької напруги перевіряються відповідно до вимог стандарту PN-EN 61439-1, який точно описує як слід проводити вимірювання електричної міцності. Елементи корпусу та конструкції випробовуються витримуваною напругою частоти мережі, де основні, контрольні та допоміжні кола тестуються значеннями випробовуваної напруги, які були визначені в стандарті. Наведено точні значення змінної та постійної випробувальних напруг залежно від номінальної напруги ізоляції.

У разі випробування основних кіл змінною напругою – наведено п'ять значень випробувальної напруги: 1000 В, 1500 В, 1890 В, 2000 В і 2200 В. Однак, для вимірювання постійною напругою було визначено шість значень: 1415 В , 2120 В, 2670 В, 2830 В, 3110 В і 3820 В. Під час випробувань кіл керування і допоміжних кіл випробувальна напруга залежить від номінальної напруги ізоляції. У колах з напругою понад 60 В використовуються додатково введені значення випробувальної напруги, які дорівнюють 250 В і 500 В. Форма випробувальної напруги повинна бути синусоїдальною з частотою 45 - 65 Гц. Вихідний струм на замкнутих клемах приладу під час вимірювання повинен бути не менше 200 мА.

Коли випробувальна напруга має частоту мережі, її значення зазвичай не перевищує 50% цієї напруги. Напругу поступово підвищують до повного значення та підтримують протягом тестування. Випробовуються всі активні частини основного кола з наявними провідними елементами, а також активні частини з різними потенціалами або між основним колом, допоміжними та колом керування.

Під час випробування імпульсною стійкою напругою, напруга 1,2/50 мкс прикладається п’ять разів з інтервалами в 1 секунду. Якщо під час випробування не відбувається розряду, – випробування вважається позитивним. У разі перевірки виробу, тобто готового виготовленого розподільного пристрою, його перевіряють на електричну міцність напругою частоти мережі. Ідея тесту майже така ж, як і у випадку тестування конструкції, за винятком того, що в цьому випадку напруга подається лише на 1 секунду. Випробування не проводиться для допоміжних кіл, що мають захист від перевантаження,  номінальний струм яких не перевищує 16 А, або коли функціональне випробування проводилося на етапі випробування конструкції з напругою комутації, передбаченою проектом.

Якщо в випробуваному колі встановлено захист від перевантаженння з номінальним струмом до 250 А, значення опору ізоляції вимірюється при напрузі не менше 500 В постійного струму. Якщо значення опору ізоляції між струмопровідними частинами та колом становить не менше 1 кОм/В, випробування пройдено.

Вплив електродинамічних сил на шляхи струму та опорні конструкції розподільних пристроїв низької напруги

Під час проходження електричного струму по шинопроводах і кабелях виникають електродинамічні сили, які створюють напругу на опорних ізоляторах шинопроводів, кабельних кріпленнях, опорах тощо [3, 6, 7].

Електродинамічні сили виникають між:

• шинопроводами;
• силовими кабелями;
• феромагнітними матеріалами та кабельнями чи шинами;
• граничними поверхнями матеріалів з різною магнітною проникністю.

Для визначення моментів і електродинамічних сил, що діють на шляхах струму, використовуються рівняння Біо-Савара, Лоренца і Максвелла. Рівняння Максвелла використовуються для розрахунку електродинамічних сил у системах струмових шляхів, для яких відомі аналітичні вирази індуктивності. Як правило, рівняння Лоренца і Біо-Савара використовуються для обчислення моментів і електродинамічних сил, які діють на прямолінійні ділянки шляхів струму.

При проектуванні шляхів розподілу струму розподільного пристрою зверніть увагу та зробіть необхідні розрахунки щодо:

• стрибків струму, що виникають в шинопроводах в момент протікання струмів короткого замикання, що дозволить правильно підібрати переріз шин, довжину і правильно закріпити шинопроводи;
• сил, що діють на елементи кріплення та інші опори, за допомогою яких закріплені шинопроводи, що дозволяє підібрати відповідний ізолятор;
• моментів, що впливають на з'єднання шин при протіканні струмів короткого замикання;
• сил, що діють на електричну дугу.

Важливим явищем є взаємодія провідника зі струмом поблизу феромагнітних мас. Коли постійний або змінний струм протікає поблизу конструкції або пластини з феромагнітного матеріалу, це викликає спотворення магнітного поля навколо провідника, через який протікає струм. Електродинамічна сила, спрямована на феромагнітний елемент, у цьому випадку є результатом несиметричного поля відносно осі провідника.

Ця сила описується формулою за методом дзеркального відображення:

C - константа, що приймається залежно від довжини та форми провідника,

i –  струм кола,

i_1- струм дзеркального відбиття,,

a - відстань від поверхні пластини до осі провідника.

Рис. 4. Ефект притягання провідника зі струмом до феромагнітної пластини: а) розподіл силових ліній магнітного поля, б) приклад розрахунку за методом дзеркального відбиття.

Наростання електродинамічних сил через тяжіння є небезпечним явищем під час коротких замикань, коли кабелі/шини прокладені близько до металевих панелей або інших опорних конструкцій з гострими (неочищеними) краями. Тоді існує ризик порушення ізоляції проводу від впливу температури, тертя об пластину або іншу конструктивну частину корпусу під дією електродинамічних сил, що може призвести до короткого замикання в провіднику.

Максимальні втрати потужності розподільних пристроїв низької напруги

Розподільні пристрої низької напруги піддаються випробуванням з метою визначення максимальних втрат потужності. Це пов’язано з впровадженням стандарту IEC 61439. Стандарт детально описує випробування, які необхідно провести. Одним із спеціальних випробувань у пункті 10.10 польського стандарту PN-EN 61439-1 є перевірка теплового навантаження. Випробування полягає у забезпеченні максимально допустимого підвищення температури в місцях, де можливе перевищення критичного значення підвищення температури. Перевіряється, яка частина корпусу для випробувань є найбільш несприятливою (за розміром, формою, кількістю перегородок, наявностю чи відсутностю вентиляції).

Під час перевірки максимальний номінальний струм залежить від кількості пристроїв. Якщо пристрій лише один, то використовується номінальний струм пристрою, якщо пристроїв декілька, то обирається струм пристрою з найменшим номінальним струмом.

Згідно з рекомендаціями стандарту, завжди слід досліджувати найбільш несприятливі варіанти. Критичний функціональний блок повинен бути протестований:

• всередині (найменшого) відділення,
• в найгіршому варіанті внутрішнього поділу, враховуючи розміри вентиляційних отворів,
• якщо це відбувається в корпусі, – з найбільшою можливою втратою потужності на одиницю об’єму,
• в найгіршому випадку варіанту вентиляції, враховуючи тип вентиляції – примусова або природня.

Випробування проводяться так, ніби розподільний пристрій використовувався в нормальних умовах, з усіма встановленими панелями. В індивідуальних кожухах температурні випробування проводяться з тим типом струму, на який вони розраховані. Перевірка проводиться до тих пір, поки значення температури не стане постійним. Під час випробувань це значення досягається, якщо підвищення температури в усіх точках вимірювання не перевищує 1 К/год.

Під час проведення тесту на втрату потужності корпусу розподільного пристрою моделюється генерація тепла струмовими шляхами та встановленими пристроями за допомогою нагрівальних резисторів, відповідним чином розташованих усередині корпусу. Ці резистори налаштовані таким чином, щоб теплота була еквівалентна очікуваним втратам потужності в корпусі за нормальних умов, наданих виробником [1, 2]. Кабелі, що живлять нагрівальні резистори, вибираються таким чином, щоб не відводити тепло від випробуваного корпусу. Значення температури в камері вимірюються у верхній її частині, де вона найбільша, оскільки тепле повітря піднімається вгору шляхом конвекції. Температура корпусу не може перевищувати значення, наведені в стандарті PN-EN 61439.

Електромагнітна сумісність розподільних пристроїв низької напруги

Стандарт PN-EN 61439-1 (пункт 9.4 і додаток J) визначає, що розподільні пристрої повинні відповідати вимогам електромагнітної сумісності (EMC). Це здатність комутаційного пристрою працювати в певному електромагнітному середовищі та не створювати наведених електромагнітних полів, що можуть заважати правильній роботі інших пристроїв. Тестування на електромагнітну сумісність є обов’язковим в багатьох країнах Європи, США та інших країн. Це робить необхідним проведення цих випробувань, щоб мати змогу представляти даний продукт на ринку і відповідати всім вимогам законодавства, щоб забезпечити продажі.

Рис. 5. Приміщення для перевірки електромагнітної сумісності ЕМС.

Під час підготовки розподільного пристрою до випробувань зазвичай використовується зібраний зразок, а комбінація пристроїв, встановлених усередині, змінюється. Випробування на несприйнятливість до електромагнітної сумісності або випромінювання не потрібні, якщо встановлені компоненти розподільного пристрою та електричне обладнання відповідають вимогам електромагнітних стандартів сумісності для певного середовища відповідно до конкретних вимог до продукту або загального стандарту ЕМС.

Джерелами електромагнітних перешкод можуть бути:

• дискретні безперервні або змінні (синусоїдальні) сигнали від, наприклад, радіопередавачів,
• широкосмугові безперервні сигнали, що генеруються повітряними лініями, електричними машинами або тиристорними системами випрямлення,
• одноразові перехідні імпульси від блискавки, електростатичних розрядів, комутаційних процесів, іскрових розрядів і коротких замикань.

Усі ці перешкоди викликають появу перехідних перенапруг, які впливають на пристрої встановлені в розподільному пристрої та призводять до руйнування ізоляції, порушують функції вимірювання та керування. Додатковою проблемою є опір обладнання та обмоток трансформатора до короткочасних перенапруг із наносекундним часом наростання.

Щоб зменшити вплив сигналів збурення, – розподільний пристрій оснащений:

• обмежувачами для захисту від перенапруги,
• екрануванням кабелів управління (із заземленням екрана з обох сторін),
• мережевими фільтрами,
• волоконно-оптичними зв'язками між пристроями керування.

Рис. 6. Приклади зв’язків у момент виникнення завад: а) гальванічний, б) ємнісний, в) індуктивний, г) електростатичний.

Отримання необхідного ступеня електромагнітної сумісності (EMC) розподільного пристрою вимагає відповідних дій на етапах від конструювання до прототипу. Для цього використовується ряд комп'ютерних програм, а також застосовуються рекомендації нормативних документів стандартизації та досвід виробників.

Висновки

У статті представлені та висвітлені вимоги до конструкції розподільних пристроїв низької напруги, що містяться в стандартах PN-EN 61439-1 і PN-EN 62208,і яким повинні відповідати розподільні пристрої.

Перевірка розподільних пристроїв виробником під час типових випробувань в науково-дослідних лабораторіях дозволяє представляти і реалізовувати сучасні високоякісні рішення, що забезпечують відповідний ступінь захисту і безпеки при їх експлуатації.