Podręcznik

Najczęściej przyczyną zwarcia w sieciach dystrybucyjnych jest uszkodzenie izolacji elementu układu elektroenergetycznego (wskutek przepięcia, oddziaływania mechanicznego, procesów starzeniowych, wad materiałowych i montażowych, przeciążenia, zanieczyszczenia izolacji, pomyłek łączeniowych itd.). Wartości prądów zwarciowych zależą od następujących czynników:

1. konfiguracji, struktury układu elektroenergetycznego w chwili zwarcia;
2. rodzaju zwarcia;
3. miejsca zwarcia.

Rodzaj zwarcia, miejsce zwarcia a także konfiguracja układu elektroenergetycznego są odpowiednio dobierane w celu uzyskania największego lub najmniejszego prądu zwarciowego. Wartość największa lub najmniejsza prądu zwarciowego jest bardzo istotna przy doborze aparatury pierwotnej także wtórnej (zabezpieczeniowej).

Przy projektowaniu sieci kablowej niskiego i średniego napięcia następuje sprawdzenie kabli na warunki zwarciowe. Kable powinny być tak dobrane ze względu na obciążalność znamionową, aby przy określonym prądzie zwarcia w układzie sieciowym nie nastąpiło nagrzanie żyły do temperatury wyższej od najwyższej temperatury granicznej dopuszczalnej (np. dla kabli izolacji polwinitowej i przekroju do 300 mm2):

1. długotrwale 70°C,
2. przy zwarciu 160°C

Kable i przewody elektroenergetyczne niskiego napięcia są dobierane i zabezpieczane przed skutkami zwarć i przeciążeń.

Kable i przewody należy dobierać na obciążalność prądem przetężeniowym i zwarciowym [8], [11] i [12]. Przepływ prądu przetężeniowego i zwarciowego powoduje wzrost temperatury przewodu lub kabla.

Kable i przewody przed skutkami przeciążeń powinny być tak dobrane, aby w przypadku przepływu prądów o wartości większej od długotrwałej obciążalności prądowej przewodów $I_z$ nastąpiło działanie urządzenia zabezpieczającego, zanim wystąpi nadmierny wzrost temperatury żył przewodów lub kabli oraz różnych zestyków.

Warunki techniczne, które muszą być spełnione, aby zabezpieczenie działało prawidłowo są następujące:

gdzie: $I_B$ – prąd obliczeniowy lub prąd znamionowy odbiornika, jeżeli z danego obwodu jest zasilany tylko jeden odbiornik, $I_N$ – prąd znamionowy lub prąd nastawienia urządzenia zabezpieczającego, $I_2$ – prąd zadziałania urządzenia zabezpieczającego, $I_z$ – obciążalność prądowa długotrwała zabezpieczanych przewodów.

Konieczność spełnienia warunków (4.33) i (4.34) przez bezpieczniki stanowiące zabezpieczenie przeciążeniowe przewodów lub kabli powoduje, że w pewnych przypadkach prąd znamionowy bezpieczników powinien być nawet o kilkanaście procent mniejszy niż obciążalność prądowa długotrwała zabezpieczanych przewodów lub kabli. Obecne zabezpieczenia przewodów bezpiecznikami są dalekie od doskonałości.

W warunkach przemysłowych przy zwiększonym zagrożeniu i możliwości występowania przeciążeń w sieci, wskazane jest przyjmowanie prądu znamionowego wkładek bezpiecznikowych mniejszego niż to wynika z warunków (4.24) i (4.25), spełnionych jedynie w minimalnym stopniu.

Urządzenia zabezpieczające przed skutkami zwarć powinny być tak dobrane, aby przerwanie prądu zwarciowego w obwodzie elektrycznym następowało wcześniej, niż wystąpi niebezpieczeństwo uszkodzeń cieplnych i mechanicznych w przewodach lub kablach oraz ich połączeniach. Zabezpieczenia zwarciowe wykonuje się z zastosowaniem:

1. bezpieczników,
2. wyłączników samoczynnych z wyzwalaczami zwarciowymi.

W przypadku stosowania wyłączników samoczynnych jako urządzeń zabezpieczających, wymaga się, aby wartość prądu zwarciowego była co najmniej równa prądowi działania wyzwalaczy zwarciowych, wyłączających przy czasie własnym ok. 30÷50 ms (niezależnym od wartości prądu zwarciowego). Przy użyciu wyłączników z wyzwalaczami zwłocznymi czas działania urządzeń zabezpieczających w niektórych przypadkach może wynosić 100÷500 ms. Czas od chwili powstania zwarcia do przerwania prądu zwarciowego powinien być na tyle krótki, aby temperatura żył kabli, przewodów nie była wyższa niż wartość dopuszczalna przy zwarciu dla danego typu kabli, przewodów.

Czas ten wyrażany w sekundach, nie powinien być dłuższy niż wartość graniczna dopuszczalna, którą określa się wzorem:

gdzie: $S$ – przekrój kabla, przewodu, w [mm²], $k$ – współczynnik zależny od właściwości materiałów przewodowych i izolacyjnych, $I$ – dopuszczalny prąd zwarciowy, w [A].

Kable i przewody powinny być tak dobrane ze względu na obciążalność zwarciową, aby przy określonej wartości prądu zwarcia w układzie nie nastąpiło nagrzanie żyły do temperatury wyższej od najwyższej dopuszczalnej temperatury granicznej. Największe dopuszczalne wartości gęstości prądu zwarciowego jednosekundowego wyznacza się wg normy PN–EN 60865–1 [24].

Bardzo istotnym czynnikiem wpływającym na dobór przekroju przewodów jest czas trwania zwarcia $t_z$. Przekrój przewodu oblicza się ze wzoru:

gdzie: $S$ – przekrój przewodu, w [mm²], $I_{th}$ – prąd zastępczy cieplny, w [A], $t_z$ – czas trwania zwarcia, w [s], $j_{c\ \mathrm{dop}}$ – gęstość dopuszczalna jednosekundowa prądu zwarciowego, w [A/mm²].

W przypadku transformatora SN/nn prąd $I_{th}$ oblicza się ze wzoru:

gdzie: $Z_T$ – impedancja transformatora.

Gęstość prądu zwarciowego 1–sekundowego oblicza się ze wzoru:

gdzie: $S$ – przekrój przewodu sieci, w [mm²].

Dla prawidłowego doboru kabla (przewodu) ze względu na warunki zwarciowe musi być spełniony warunek, że:

gdzie: $j_{c\ \mathrm{dop}}$ – dopuszczalna gęstość prądu zwarciowego 1–sekundowego.