Co to jest zwarcie (ang. Short Circuit)? na bazie normy IEC 61914:2015

W artykule opisałem na czym polega test prądów zwarciowych według normy IEC 61914:2015 w kontekście uchwytów kablowych średnich i wysokich napięć. Dodatkowo dowiesz się czym jest zwarcie elektryczne, kto reguluje badania związane ze zwarciami w energetyce oraz jakie normy za to odpowiadają. A już w kolejnym artykule opiszę uchwyty kablowe z oferty firmy Panduit.

Co to jest zwarcie (ang. Short Circuit)? 

Zanim zajmę się zwarciem warto na początku powiedzieć parę słów o napięciu i samym prądzie. Z definicji napięcia z książki „Elektronika dla bystrzaków” dowiesz się, że napięcie (wyrażane w woltach V) można sobie wyobrazić jako ciśnienie. Tak jak ciśnienie wody powoduje jej przepływ przez rury i zawory, tak napięcie pcha cząsteczki elektronów przez przewodniki (miedziane kable energetyczne). Im wyższe ciśnienie, tym silniejsza siła popychająca – a więc im wyższe napięcie, tym silniejszy jest prąd przepływający przez przewodnik. Rozróżnia się cztery zakresy napięć:

  • bardzo niskie napięcie wynosi od 6V – 110V;
  • niskie napięcie wynosi od 220V – AC do 1kV, a w DC do 1.5kV;
  • średnie napięcie wynosi od 1kV – 60kV;
  • wysokie napięcie wynosi od 60kV;
Znak ostrzegawczy przed wysokim napięciem

Prąd elektryczny wyrażany w amperach (A), to uporządkowany ruch w jednym kierunku, elektrycznie naładowanych cząstek zwanych elektronami. Prąd tworzyć mogą zarówno ładunki dodatnie (np. jony dodatnie: jon helu, jon miedzi, itp.), jak i ujemne (np. elektrony). Umownym kierunkiem prądu jest kierunek wyznaczony przez ruch ładunków dodatnich (czyli kierunek zgodny z kierunkiem pola elektrycznego). W obwodzie z prądem jest to kierunek od plusa do minusa.

Tylko tyle z podstawowej wiedzy, wystarczyło mi, żebym mógł zacząć pisać ten artykuł. Później coraz bardziej zagłębiałem się w temat, który okazał się być dość interesujący. Kolejne akapity, wyczerpują badane zagadnienie.

W książce (źródło) „Zasady energoelektryki” w rozdziale (4.2. Zwarcia w obwodach energoelektrycznych) dowiedziałem się, że: „Zwarcie w obwodzie elektrycznym określa się ogólnie jako zakłócenie spowodowane utratą własności izolacyjnych układu, polegające na zetknięciu się punktów obwodu elektrycznego, które w czasie normalnej pracy mają różne potencjały. Rozróżnia się przy tym zwarcia bezimpedancyjne, zwarcia przez łuk elektryczny oraz przez przedmioty o bardzo małej impedancji (oporu elektrycznego). Na skutek zwarcia może popłynąć duży prąd, wystąpić napięcie wyższe od napięcia roboczego (przepięcie) oraz pojawić się napięcie stwarzające niebezpieczeństwo dla ludzi i zwierząt. Łuk elektryczny, powstający często przy zwarciu, może spowodować pożar.” – w Wikipedii odkryłem, że temperatura łuku elektrycznego wynosi ok. 4720°C a 5720°C.

Zwarciu zwykle towarzyszy przepływ prądu o wartości znacznie większej niż w warunkach znamionowych. Prądy zwarciowe mogą wywierać działania cieplne i dynamiczne. Cieplne działanie prądów zwarciowych objawia się zniszczeniem lub stopieniem przewodów, izolacji, urządzeń elektrycznych. Duża wartość prądów zwarciowych przyczynia się do powstania sił dynamicznych, które są groźne dla konstrukcji urządzeń elektrycznych oraz izolatorów.

Zauważ na filmie, jak grube, ciężkie kable poruszają się gwałtownie podczas zwarcia (przy piku zwarciowym przyjmijmy 100 kA). Dzieje się tak dlatego, że powstają bardzo silne pola magnetyczne, które są spowodowane wysokim prądem.

W przypadku wykrycia przeciążenia na kablach i w zależności od rodzaju urządzenia zabezpieczającego, typowe wyłączniki prądowe przerywają usterkę dopiero między 0.06-0.1 sekundy a zwarcie jest natychmiastowe. Obliczenie wartości początkowego skutecznego prądu zwarciowego jest niezbędne do prawidłowego zaprojektowania i zwymiarowania instalacji. W ciągu milisekund prąd zwarciowy może być tysiące razy większy niż normalny prąd roboczy w instalacji elektroenergetycznej. Dobrze skonstruowane uchwyty kablowe spełniają swoją rolę już w pierwszych ułamkach sekundy (0,005s) kiedy następuje moment zwarcia. Utrzymują kabel w pierwszym piku zwarciowym (nawet przy 175kA) zanim włączy się automatyczny wyłącznik prądu. Jest to uzależnione od siły pola magnetycznego, które podaje się w N/m, i w kA. Dlatego tak ważne jest aby rozkład prądu w sąsiadujących przewodach był równomiernie rozłożony a przynajmniej symetrycznie.

Połączenia przytrzymujące przewody na drabinkach kablowych muszą być zdolne do wytrzymania termicznych i dynamicznych naprężeń wynikających z początkowych prądów zwarciowych. Poniższe wykresy (zgodne z normą IEC 60909:2015) pochodzą z książki „Ismail Kasikci Short Circuits in Power Systems” i przedstawiają zachowanie prądu zwarciowego w jednostce czasu. W sieciach trójfazowych prądu przemiennego, niskiego oraz wysokiego napięcia do 230kV, pracujących przy częstotliwości 50 lub 60 Hz wyróżnia się dwa warianty:

  • zwarcie odległe od generatora, przy którym prąd zwarciowy zawiera składową przemienną o stałej amplitudzie. Zwarcia dalekie uznawane są jako najbardziej typowe dla instalacji elektrycznych;
  • zwarcie w pobliżu generatora, podczas którego prąd zwarciowy zawiera składową przemienną o malejącej amplitudzie. Rozpatrywanie zwarć bliskich źródeł zasilania w instalacjach elektrycznych należy zaliczyć do sytuacji wyjątkowych i przypadki takie mogą dotyczyć momentów, gdy np. w instalacji istnieje rezerwowe zasilanie z generatorów prądotwórczych bądź instalacja przemysłowa jest zasilana równocześnie z systemu elektroenergetycznego i z elektrowni zakładowej.
  • Ik’’ – początkowa wartość skuteczna prądu zwarciowego symetrycznego (ang. Root Mean Square w skrócie RMS) (kA);
  • ip – prąd zwarciowy szczytowy – jest to największa możliwa do wystąpienia w rozpatrywanym obwodzie wartość chwilowa prądu zwarciowego (A);
  • t – czas trwania zwarcia (s).

Siła elektromagnetyczna działająca na kabel jest określona przez prąd płynący w nim i pole magnetyczne z sąsiednich przewodów. W instalacjach kablowych odległości między przewodami są zwykle małe, a zatem siły mogą być znaczne. Informacja dla nerdów. Nie wiem czy dobrze to przetłumaczyłem – dlatego tych bardziej dociekliwych odsyłam do źródła. W skrócie, wykresy przedstawiają typową usterkę w systemie prądu zmiennego AC. Na obrazku widać, że istnieje początkowa składowa prądu stałego iDC, która ostatecznie zanika w czasie osiągając wartość zerową. W momencie zainicjowania zwarcia, prąd nie może natychmiast zmienić się z wartości początkowej zwarcia do wartości stanu ustalonego przez zabezpieczenie. Aby to zapewnić, wprowadzono składową prądu stałego iDC, która jest równa wartości chwilowego prądu przemiennego w momencie powstania zwarcia o przeciwnej polaryzacji. Dodanie stałej składowej do symetrycznego prądu zwarciowego daje asymetryczny prąd zwarciowy. Wartość początkowa składowej prądu stałego zależy od dokładnego czasu w cyklu, w którym ma miejsce zwarcie oraz wartości prądu w tym czasie. Wielkość składowej prądu stałego zależy od tego, gdzie w cyklu ma miejsce początek zwarcia. W najgorszym przypadku początkowe przesunięcie DC będzie √2 razy większe od wartości symetrycznego zwarcia (RMS). Oczywiście znalazłem też informacje i wykresy z cyklami zwarcia w czasie, ale temat jest zbyt rozległy żeby to wszystko umieścić w jednym miejscu. Skupiłem się głównie na zwarciu w postaci łuku elektrycznego.

Dlatego tak ważną kwestią jest zrozumienie, jak powstaje i zanika zjawisko zwarcia prezentowane na wykresach, gdyż przepływ prądu zwarciowego powoduje różnego rodzaju niebezpieczne naprężenia:

  • bardzo duże siły między przewodami;
  • bardzo wysoki wzrost temperatury w bardzo krótkim czasie;
  • jonizację powietrza ze względu na powstanie łuku elektrycznego, co powoduje obniżenie izolacji powietrznej.

Instytucje regulacyjne

Główną, globalną firmą doradztwa energetycznego jest organizacja KEMA (hol. Keuring van Elektrotechnische Materialen te Arnhem, ang. Inspection of Electrotechnical Materials in Arnhem). Od 1927r. reguluje przepisy związane m.in. ze wspornikami kablowymi do instalacji elektroenergetycznych. Organizacja KEMA posiada największe na świecie laboratorium dużej mocy i pierwsze na świecie laboratorium zdolne do testowania komponentów ultrawysokich napięć dla super sieci, a także Laboratorium Flex Power Grid Laboratory do zaawansowanych testów komponentów inteligentnych sieci. Więcej w historii firmy KEMA. Zastanawiasz się co jest zawarte w takich certyfikatach, to pod linkiem podaje ogólnodostępne przykładowe certyfikaty KEMA firmy Panduit z 2012r. (pdf).

Pod koniec 2012 roku organizację KEMA Laboratories przejęła firma DNV (ang. Det Norske Veritas) stając się wiodącym światowym towarzystwem klasyfikacyjnym dla statków morskich DNV GL KEMA.

W październiku 2019r. doszło do fuzji między DNV GL a CESI (wł. Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano Giacinto Motta, ang. Italian Experimental Electrotechnical Center Giacinto Motta). Po tym zabiegu firma CESI stała się światowym liderem w niezależnym testowaniu, inspekcjach i usługach doradztwa technicznego w sektorze energetycznym. (źródło)

Wszystkie badane materiały w powyższych instytucjach, testowane są pod kątem wymagań, zawartych w dokumentach, normach i aprobatach technicznych:

  • norma IEC 60909-0:2016 „Short-circuit currents in three-phase a.c. systems – Part 0: Calculation of currents”(źródło) / polski odpowiednik PN-EN 60909-0:2002 „Prądy zwarciowe w sieciach trójfazowych prądu przemiennego. Część 0. Obliczanie prądów” (szczegółowe omówienie tej normy) ma zastosowanie do obliczania prądów zwarciowych w niskonapięciowych trójfazowych sieciach prądu przemiennego oraz w trójfazowych sieciach prądu przemiennego wysokiego napięcia pracujących przy częstotliwości znamionowej 50 Hz lub 60 Hz. Ustanawia ogólną, praktyczną i zwięzłą procedurę prowadzącą do wyników o ogólnie akceptowalnej dokładności i zajmuje się obliczaniem prądów zwarciowych w przypadku zwarć symetrycznych lub niezrównoważonych;
  • dawny polski odpowiednik normy „Wsporniki kablowe do instalacji elektrycznych” PN-EN 50368:2007 zastąpiony został przez światową normę PN-EN 61914:2009 „Uchwyty przewodów do instalacji elektrycznych” (ang. Cable cleats for electrical installations) (źródło) – norma zawiera takie kategorie jak: Zaciski kablowe, Systemy kabli elektrycznych, Kable elektryczne, Mocowanie, Instalacje elektryczne, Systemy klasyfikacji, Efekty elektromechaniczne, Siła, Testy mechaniczne, Testy elektryczne, Badania środowiskowe. Aby produkty mogły być poprawnie znormalizowane według tego kryterium powinny również być zgodne ze standardami: IEC 60060-1:1989, EN ISO 4892-2:2006, ISO 4892-2:2006, HD 588.1 S1:1991, IEC 60695-11-5:2004, EN 60695-11-5:2005, EN ISO 9227:2006, EN ISO 4287:1998, ISO 868:2003, ISO 9227:2006, ISO 4287:1997;
  • norma IEC 61914:2009 „Cable cleats for electrical installations” zastąpiona została przez IEC 61914:2015, która określa wymagania i testy dotyczące głównych zacisków kablowych i pośrednich uchwytów stosowanych do mocowania kabli w instalacjach elektrycznych. Zaciski kablowe zapewniają odporność na siły elektromechaniczne, o ile zostały zadeklarowane przez producenta. Norma ta obejmuje zaciski kablowe, które opierają się na powierzchni montażowej określonej przez producenta w celu osiowego i/lub bocznego mocowania kabli (źródło); Brytyjski odpowiednik BS EN 61914:2016 (źródło) – w tej normie warto wspomnieć o dwóch podpunktach: 6.4.4 – „Odporność na siły elektromechaniczne, wytrzymałość na jedno zwarcie” oraz 6.4.5 – „Odporność na siły elektromechaniczne, wytrzymałość na więcej niż jedno zwarcie” (ang. 6.4.4 Resistant to electromechanical forces, withstanding one short circuit and 6.4.5 Resistant to electromechanical forces, withstanding more than one short circuit). Laboratorium badawcze po wykonaniu testów dodatkowo sprawdza stan uchwytów, powłoki przewodów i spadki napięć w obwodzie.

Badania zacisków kablowych według normy IEC 61914: 2015 obejmują:

  • temperaturę znamionową otoczenia (-60˚C do +120˚C);
  • odpowiednią odporność na rozprzestrzenianie się płomienia (badanie bardzo podobne do testów UL 94);
  • badanie obciążenia bocznego (przy maksymalnej deklarowanej temperaturze);
  • testowanie obciążenia osiowego (w maksymalnej deklarowanej temperaturze);
  • odporność na uderzenia (w najniższej deklarowanej temperaturze);
  • odporność na korozję;
  • odporność na promieniowanie UV;
  • odporność na siły elektromechaniczne – zdolność wytrzymania jednego zdarzenia zwarciowego (6.4.4) lub dwóch zdarzeń zwarciowych z rzędu (6.4.5);
  • wersja normy z 2015 standaryzuje średnice kabli do testowania i umożliwia klientom porównywanie wydajność między różnymi producentami.

Utworzyłem playlistę z certyfikacją KEMA wykonywanej zgodnie ze wskazaniami normy IEC 61914:2015. Można zauważyć pewną jednolitość w tych testach. Zaciski kablowe mocowane są do powierzchni montażowej zadeklarowanej przez konkretnego producenta (np. drabinki kablowej), którą należy odpowiednio dobrać, uwzględniając siły elektromechaniczne, które mogą wystąpić podczas badania. Prawie każdy zestaw testowy podłączony jest do zasilania trójfazowego, a drugi koniec do zbiorczej szyny zwierającej z podłączonymi trzema fazami. Kable przymocowane są w co najmniej 5 miejscach wzdłuż linii trasy kablowej. Rozmieszczenie zacisków kablowych na drabince powinno być równomiernie. Jeżeli stosuje się dodatkowe uchwyty pośrednie utrzymujące kable, wtedy należy zastosować co najmniej 4 uchwyty zaciskowe i dodatkowo co najmniej 3 uchwyty pośrednie.

Test zwarciowy trwa nie krócej niż 0.1s i przeprowadza się go według parametrów wartości (podanych przez producenta) szczytowego prądu zwarciowego (ip) i początkowej wartości skutecznej symetrycznego prądu zwarciowego (Ik”) (patrz wykresy u góry artykułu). Zgodnie z podpunktem 5.1 normy IEC 61914:2015 – jeżeli w grupie danego uchwytu występuje wiele różnych modeli, to do testów bierze się najmniejszy i największy rozmiar zacisku. Badanie przeprowadza się w temperaturze otoczenia, uznawanej za temperaturę normalnej eksploatacji, na niezabezpieczonym miedzianym przewodzie jednożyłowym 600 lub 1000V. Stanowisko testowe jest montowane przy użyciu wybranych kabli i zacisków kablowych, stanowiących badany produkt, przy czym używane uchwyty i kable są w pełni udokumentowane. Później test przeprowadza się na zadeklarowanych parametrach. (źródło)

Aby produkt po wykonanym teście mógł być uznany jako zgodny z normą, powinien spełniać dodatkowe kryteria:

  • nie mogą występować uszkodzenia, które wpłyną na zdefiniowaną funkcję utrzymywania kabli na miejscu;
  • główne uchwyty kablowe i uchwyty pośrednie, jeśli są stosowane, muszą być nienaruszone i nie może w nich brakować części (dopuszczalne jest niewielkie odkształcenie);
  • nie powinny występować żadne widoczne nacięcia ani uszkodzenia zewnętrznej powłoki kabla, spowodowane przez główne uchwyty kablowe lub uchwyty pośrednie, jeśli są stosowane.

Należy też pamiętać, że siła elektromagnetyczna działająca na przewód określona jest przez prąd w nim płynący i przez pole magnetyczne z sąsiednich przewodach. W instalacjach kablowych odległości między przewodami są zwykle małe, a zatem siły mogą być znaczne. Kolejnym etapem badań jest wykonanie obliczeń siły oddziaływania pola magnetycznego na kable ułożone na drabince kablowej. Forma układu kabli w trakcie testu uzależniona jest od badanego elementu: w konfiguracji płaskiej lub w konfiguracji koniczyny (ang. trefoil). Siłę pola magnetycznego podaje się w N/m, i w kA co może znacznie przyśpieszyć zrozumienie broszurek opisowych różnych producentów.

Uchwyty firmy Panduit

Oferta mocowań przewodów firmy Panduit jest różnorodna. W kolejnym artykule postaram się ją omówić. Piki zwarciowe przy których następują kolejne zerwania mocowań uzależnione są od producenta nawet przy 150 kA. Można się tylko domyślać, że w źle zaprojektowanych instalacjach umowne znamionowe prądy zwarciowe, znacznie przekraczają zalecane zakresy stosowania. Dlatego efekty potrafią być tak spektakularne. Można tego uniknąć tylko w jeden sposób, w trakcie projektowania instalacji należy uwzględnić prądy oraz siły pola magnetycznego jakie mogą wystąpić w trakcie usterki i w ten sposób dobrać uchwyty lub obejmy kablowe (również opaskowe) przystosowane do odpowiedniej infrastruktury. Pamiętaj, że w trakcie takich awarii w pobliżu mogą znajdować się ludzie i warto robić to z głową. Liczę na to, że artykuł okazał się przydatny. Pozdrawiam, PrzemyslowyDaniel.

Przydatne linki

  • strona firmy Panduit dotycząca uchwytów kablowych (link);
  • konfigurator online firmy Panduit pomaga w wybraniu właściwych uchwytów kablowych do instalacji (link);
  • pomocny artykuł „What is a short circuit?” (link_ENG).

1 Comment

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Google

Komentujesz korzystając z konta Google. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj /  Zmień )

Połączenie z %s