Požadavky na konstrukci rozváděčů nízkého napětí

Rozváděče nízkého napětí jsou systémy jednoho nebo více spínačů se spolupracujícím řídicím, signalizačním, ochranným a regulačním zařízením. Tyto systémy zahrnují také všechna elektrická a mechanická spojení a konstrukční prvky (skříň).

Michał Szulborski Produktový manažer

Každý rozváděč by měl zajistit kompatibilitu se jmenovitými hodnotami rozváděčů, ke kterým je připojen nebo je rozšiřuje atd. Podmínky pro připojení a instalaci rozváděče by měl poskytnout výrobce sestavy [1, 2]. Pokud jde o jmenovité napětí soustavy a jmenovité napětí jednoho rozváděče, ty by měly být minimálně shodné se jmenovitým napětím napájecího systému, ke kterému jsou nebo budou připojeny. Jmenovité izolační napětí obvodu rozváděče je napětí, ke kterému se vztahuje zkušební napětí, a tedy i jeho hodnoty. Důležitými parametry rozváděčů jsou: jmenovitý proud soustavy rozváděčů a jmenovitý proud obvodu. Jmenovitý proud soustavy rozváděčů je hodnota menší než součet proudů vstupních obvodů v paralelně pracujícím systému a také menší než celkový proud, který je hlavní přípojnice schopna rozvést v dané konfiguraci systému. Tento proud by neměl způsobit překročení maximálního nárůstu teploty a je to maximální zatěžovací proud, který je rozváděn přípojnicemi a kabely v rozváděči. Jmenovitý proud obvodu je maximální hodnota zatěžovacího proudu, kterou může daný obvod vést za normálních provozních podmínek, aniž by došlo k překročení maximálního nárůstu teploty.

V současné době norma PN-EN 61439-1 zavádí součinitel soudobosti (RDF), což je hodnota jmenovitého proudu v relativních jednotkách. Tento součinitel vynásobený hodnotou jmenovitého proudu obvodu by měl být roven nebo větší než předpokládané výkonové zatížení v obvodech. Tento součinitel se používá, když daný rozváděč pracuje zatížený jmenovitým proudem [1, 2, 3]. Rozváděče musí být přizpůsobeny pro práci s určitou jmenovitou frekvencí. Tato hodnota frekvence charakterizuje správnou činnost připojeného rozváděče. Občas se stává, že obvody soustavy jsou navrženy pro různé hodnoty frekvence napětí, a proto je nutné pro každý obvod zajistit jmenovitou frekvenci. Norma PN-EN 61439-1 doporučuje, aby hodnoty frekvence byly v určitých mezích, které se pohybují v rozsahu 98 % až 102 %, pokud výrobce soustavy rozváděčů nestanovil jinak.

Obecné požadavky na konstrukci rozváděčů

Rozváděče nízkého napětí musí být vyrobeny z materiálů, které odolávají mechanickému, tepelnému, elektrickému a povětrnostnímu namáhání, k němuž někdy dochází za určitých podmínek použití. Rozváděče mohou mít různé vnější rozměry v závislosti na požadavcích a použití.

Nadměrné teplo a oheň by neměly mít negativní vliv na prvky z izolačních materiálů, které jsou v rozváděčích často vystaveny tepelné energii vznikající v důsledku elektrických jevů. Poškození nebo roztavení izolátoru přípojnic vlivem vysoké teploty může vést ke zkratu, který často zničí celou sestavu rozváděče. Materiál izolátorů v rozváděči by proto měl být odolný vůči teplu a ohni. Odolnost vůči těmto podmínkám se zkouší metodou žhavé smyčky podle normy IEC 60695-2-11.

Požadavky na mechanickou pevnost jsou kladeny nejen na skříně, ale také na všechny zábrany, podpěry, závěsy a zámky, které by měly mít dostatečnou mechanickou pevnost, aby odolaly namáhání vznikajícímu při běžném provozu rozváděče a při zkratových stavech [1].

Instalované přístroje a zařízení uvnitř rozváděče jsou uspořádány tak, aby byl zajištěn přístup pro údržbu a servis rozváděče, ale také aby byly dodrženy vhodné vzdálenosti mezi vybavením. Každý rozváděč by měl poskytovat určitou úroveň základní ochrany před přímým kontaktem s aktivními prvky. Toho je dosaženo vhodně navrženou konstrukcí skříně a také dalšími opatřeními, která jsou přijata při instalaci rozváděče.

Všechny části rozváděče pod napětím, které podléhají základní ochraně, by měly být zcela izolovány. Tuto izolaci (vzduchovou izolaci, kryty, přepážky a povrchovou izolaci z nevodivých materiálů) lze odstranit pouze pomocí vhodného nástroje. Izolace by měla mít vhodné parametry, které jí umožní odolávat mechanickému, elektrickému a tepelnému namáhání, jemuž je vystavena během provozu rozváděče.

Aktivní části izolované vzduchem by měly být umístěny za ochrannými kryty, které zajišťují stupeň ochrany IP (systémový kód pro označení ochrany proti přístupu k nebezpečným částem, vniknutí cizích pevných látek, vniknutí vody a uvádějící další informace týkajících se této ochrany) ne nižší než IPXXB. Každý kryt by měl být v rozváděči instalován tak, aby byl zajištěn požadovaný stupeň ochrany a oddělení od aktivních prvků rozváděče za běžných provozních podmínek. Ochranné kryty by měly splňovat tři podmínky umožňující jejich vyjmutí z rozváděče:

• použití klíče nebo jiného nástroje umožňujícího sejmutí krytu;
• po odpojení napájení aktivních prvků je obnovení napájení možné pouze v případě, že je kryt demontován;
• pokud kryt poskytuje ochranu před kontaktem s aktivními prvky na úrovni ne nižší než IPXXB.

Obr. 1.  Proudové cesty v rozváděči umístěné za ochrannými kryty, které zajišťují dostatečnou ochranu před kontaktem s částmi pod napětím (návrh vytvořený v programu Solid Edge 2021)

Všechny vodivé části rozváděče jsou vzájemně propojeny dráty, aby byla zajištěna kontinuita ochranného uzemnění v případě poškození uvnitř rozváděče. Tato spojení mohou být provedena také pomocí kovových šroubů nebo svařováním. Z prvků pokrytých ochranným povlakem je třeba v daném místě povlak odstranit nebo propíchnout, aby byla zajištěna spojitost obvodu (např. u natřených kovových kabelových vývodek, šroubovaných natřených krytů apod.) – to je přesně popsáno v bodě 8.4.3.2.2 normy PN-EN 61439-1.

Pokud zařízení překračují meze rozsahu nízkého napětí, používají se při montáži na dveře nebo kryty drátové spoje, které zajišťují spojitost uzemnění. Průřez kabelu instalovaného na dveřích nebo skříni přístroje by měl záviset na maximálním jmenovitém provozním proudu. Ochranný vodič v rozváděčích by měl být navržen tak, aby byl schopen odolat nejvyššímu dynamickému a tepelnému zatížení. V obvodu ochranného vodiče není dovoleno instalovat spínač nebo odpojovač. Pouze ve vedení ochranných vodičů se smí používat zkratovací zařízení, které může odstranit pouze oprávněný pracovník nástrojem. Pokud má skříň vodič PEN, musí být splněny následující požadavky:

• minimální průřez tohoto vodiče pro měď by měl být 10, pro hliník 16;
• průřez tohoto vodiče by neměl být menší než průřez nulového vodiče;
• jako vodiče PEN mohou být použity montážní lišty z mědi nebo hliníku;
• jako vodiče PEN by neměly být použity konstrukční prvky;
• vodiče PEN nemusí být uvnitř rozváděče izolovány.

Rozváděče také oddělují jednotlivé elektrické obvody, aby se zabránilo úrazu elektrickým proudem v důsledku kontaktu s dostupnými vodivými částmi, které se mohou stát živými v důsledku základního poškození izolace. Přípojnice hlavních obvodů v rozváděčích jsou uspořádány tak, aby byly splněny všechny požadavky týkající se vzdáleností mezi přípojnicemi proudové cesty, mezi lištami a konstrukčními prvky, aby po uvedení do provozu nedošlo ke zkratu uvnitř rozváděče. Tyto přípojnice by měly být vybrány tak, aby byly kompatibilní s deklarovanou zkratovou pevností, a měly by být vyrobeny tak, aby vydržely zkratové expozice omezené ochranou z napájecí strany přípojnic. Rozvodné kabely nebo přípojnice v rámci jednoho segmentu mezi hlavními přípojnicemi a zátěžovou stranou mohou být vybrány podle snížené zkratové pevnosti ochranného zařízení. Pomocné obvody v rozváděčích jsou navrženy tak, aby nedocházelo k nekontrolovaným událostem (např. zkratu). Pomocné obvody by měly být vedeny tak, aby nemohlo dojít ke zkratu.

Kabely použité k připojení zařízení v rozváděči by neměly zhoršovat své izolační parametry (stárnutí izolace) v důsledku běžného zvyšování teploty a vibrací vznikajících při běžném provozu rozváděče. Zvláště důležité jsou účinky tepelné roztažnosti v důsledku dosažených provozních teplot vodičů. Kromě vodivosti se kabely vybírají také s ohledem na:

• mechanické namáhání, které se může vyskytnout v rozváděči;
• zajištění a vedení vodičů;
• typ izolace a materiál, ze kterého je vyrobena;
• použitý rozváděč a spínací zařízení.

Jak v případě vodičů s pevnou, tak s ohebnou izolací by se neměly používat mezispoje, zejména ve formě spojek nebo pájených spojů. Kromě toho by měly být kabely chráněny proti tření o ostré hrany konstrukčních prvků, např. použitím kabelových nosných systémů. Pokud jsou použitá zařízení instalována na pohyblivých krytech nebo dveřích rozváděče, jsou spojovací vodiče umístěny ve speciálních ohebných ochranných trubkách, které je chrání před třením o dveře nebo skříň rozváděče.

 Obr. 2.  Příklad konfigurace montážní vložky a uspořádání vodičů a přípojnic v rozváděči nízkého napětí (projekt vytvořený v programu Solid Edge 2021)

Povrchové a vzduchové mezery konstrukčních prvků rozváděče a testování dielektrických vlastností

Pokud jde o konstrukci a návrh rozváděčů, zvláštní pozornost se věnuje zachování vhodných izolačních mezer, a to jak vzduchových, tak povrchových. Tyto požadavky jsou podrobně popsány v normě IEC 60664-1. Mezery by měly být dodrženy tak, aby instalace přístrojů a jiných zařízení v rozváděči neovlivnila stanovené izolační vzdálenosti. V případech, kdy jsou v rozváděči samostatné obvody, je třeba vzít v úvahu impulsní výdržná napětí pro vzdušné a povrchové izolační vzdálenosti mezi těmito obvody. Pro přípojnice, spoje mezi přístroji a kabelové svorky, tj. všechny neizolované prvky, se použijí alespoň stejné izolační vzdálenosti, jaké byly stanoveny pro přístroje, s nimiž jsou spojeny. Předpokládá se, že zkrat mezi přípojnicemi by neměl trvale snížit stanovené izolační vzdálenosti. Pro zvětšení izolačních mezer se v izolačních prvcích používají speciální konvexní drážky, které výrazně zvětšují povrchové a vzduchové izolační vzdálenosti [1, 2, 3]. V případě konkávních drážek se zvětšuje pouze povrchová izolační vzdálenost. Dielektrické vlastnosti konstrukcí rozváděčů nízkého napětí se ověřují v souladu s požadavky normy PN-EN 61439-1, která přesně popisuje, jak by se mělo měření dielektrické pevnosti provádět. Prvky skříně a konstrukce se zkoušejí výdržným napětím síťové frekvence; přičemž hlavní, řídicí a pomocné obvody se zkoušejí hodnotami zkušebního napětí, které byly stanoveny v normě. Tam jsou uvedeny přesné hodnoty střídavých a stejnosměrných zkušebních napětí v závislosti na jmenovitém izolačním napětí.

V případě zkoušení hlavních obvodů střídavým napětím je uvedeno pět hodnot zkušebního napětí: 1000 V, 1500 V, 1890 V, 2000 V a 2200 V. Pro měření stejnosměrným napětím však bylo stanoveno šest hodnot: 1415 V, 2120 V, 2670 V, 2830 V, 3110 V a 3820 V. Při zkouškách řídicích a pomocných obvodů závisí použité zkušební napětí na jmenovitém izolačním napětí. V obvodech s napětím nad 60 V se používají dodatečně zadané hodnoty zkušebního napětí 250 V a 500 V. Tvar zkušebního napětí by měl být sinusový s frekvencí 45–65 Hz. Na druhé straně by výstupní proud na zkratovaných svorkách zařízení během měření neměl mít hodnotu menší než 200 mA.

Pokud je zkušební napětí aplikováno se síťovou frekvencí, jeho hodnota zpravidla nepřesahuje 50 % tohoto napětí. Postupně se zvyšuje na plné napětí a udržuje se po celou dobu zkoušky. Zkouší se všechny aktivní části hlavního obvodu s dostupnými vodivými prvky i aktivní části s různými potenciály nebo mezi hlavním, pomocným a řídicím obvodem.

Při zkoušce konstrukce s impulsním výdržným napětím se napětí 1,2/50 μs aplikuje pětkrát pro každou polarizaci v intervalu 1 sekundy. Pokud během zkoušky nedojde k žádnému výboji, je zkouška považována za pozitivní. V případě ověřování výrobku, tj. hotového vyrobeného rozváděče, se zkouší dielektrická pevnost napětím síťové frekvence. Myšlenka zkoušky je téměř stejná jako v případě zkoušení konstrukce, s tím rozdílem, že v tomto scénáři je napětí aplikováno pouze na 1 sekundu. Zkouška se neprovádí u pomocných obvodů chráněných nadproudovou ochranou, jejichž jmenovitý proud nepřesahuje 16 A, nebo pokud byla funkční zkouška provedena ve fázi konstrukčních zkoušek při spínacím napětí stanoveném v projektu pro tyto obvody.

Pokud jsou ve zkoušeném obvodu instalovány nadproudové ochrany se jmenovitým proudem do 250 A, měří se hodnota izolačního odporu napětím nejméně 500 V DC. Pokud hodnota izolačního odporu mezi vodivými částmi a obvody není menší než 1 kΩ/V, je zkouška úspěšná.

Vliv elektrodynamických sil na proudové cesty a nosné konstrukce rozváděčů nízkého napětí

Při průtoku elektrického proudu proudovými cestami a kabely rozváděčů vznikají elektrodynamické síly, které vytvářejí napětí na nosných izolátorech proudových cest, upevňovacích prvcích kabelů, podpěrách atd. [3, 6, 7].

Elektrodynamické síly vznikají mezi:

• proudovými cestami;
• silovými kabely;
• feromagnetickými materiály a vodiči nebo přípojnicemi;
• hraničními povrchy materiálů s různou magnetickou permeabilitou.

K určení momentů a elektrodynamických sil působících na proudové cesty se používají Biotovy-Savartovy, Lorentzovy a Maxwellovy rovnice. Maxwellovy rovnice se používají k výpočtu elektrodynamických sil v soustavách s proudovými cestami, pro které jsou známy analytické výrazy indukčnosti. Obecně se Lorentzovy a Biotovy-Savartovy rovnice používají k výpočtu momentů a elektrodynamických sil, které působí na přímočaré části proudových cest.

Při návrhu proudových cest rozváděčů věnujte pozornost a proveďte potřebné výpočty týkající se:

• napětí vznikající v proudových cestách v okamžiku průtoku zkratových proudů, což umožní vhodnou volbu průřezů přípojnic, délky rozpětí a správné upevnění proudových cest,
• reakčních sil působících na upevňovací prvky a další podpěry, kterými jsou proudové cesty upevněny, což umožní zvolit vhodný izolátor s požadovanou pevností a počet těchto prvků,
• momentů ovlivňujících spojení přípojnic při průtoku zkratových proudů,
• sil působících na elektrický oblouk.

Důležitým jevem je interakce vodiče s proudem v blízkosti feromagnetických hmot. Když stejnosměrný nebo střídavý proud protéká v blízkosti konstrukce nebo desky z feromagnetického materiálu, způsobuje deformaci magnetického pole v okolí vodiče, kterým proud protéká. Elektrodynamická síla směřující k feromagnetickému prvku je v tomto případě důsledkem nesymetrického pole vzhledem k ose vodiče.

Tuto sílu popisuje vzorec podle metody zrcadlového obrazu:

C - konstanta předpokládaná v závislosti na délce a tvaru vodiče;

i – proud obvodu;

i_1- proud zrcadlového odrazu;

a - vzdálenost povrchu desky od osy vodiče..

Obr. 4.  Vliv přitahování vodiče proudem k feromagnetické desce: a) rozložení magnetických indukčních čar, b) příklad výpočtu podle metody zrcadlového odrazu.

Vznik elektrodynamických sil v důsledku přitahování je nebezpečným jevem při zkratech, kdy se vodiče/přípojnice nachází v blízkosti ocelové desky nebo jiných nosných konstrukcí s ostrými (nezabroušenými) hranami. Tehdy hrozí porušení izolace vodičů, změknutí vlivem teploty, tření o desku nebo jinou konstrukční část skříně vlivem elektrodynamických sil, což může vést ke zkratu kovového vodiče s daným prvkem.

Maximální výkonové ztráty rozváděčů nízkého napětí

Vyrobené rozváděče nízkého napětí se podrobují zkouškám a testům zaměřeným na stanovení maximálních výkonových ztrát. Důvodem je zavedení normy IEC 61439. Norma podrobně popisuje zkoušky, které je třeba provést pro získání požadovaných údajů. Jednou z konkrétních zkoušek v bodě 10.10 polské normy PN-EN 61439-1 je ověření tepelného zatížení. Zkouška spočívá ve stanovení maximálního přípustného nárůstu teploty v místech, kde může být překročena kritická hodnota nárůstu teploty. Ověřuje se, který prostor skříně pro zkoušku je nejnepříznivější (vzhledem k velikosti, tvaru, počtu přepážek a tomu, zda je větraný, či nikoli).

Během zkoušky závisí maximální jmenovitý proud na počtu zařízení ve funkčním bloku. Pokud je ve funkčním bloku pouze jedno zařízení, použije se jmenovitý proud tohoto zařízení. Pokud je ve funkčním bloku více zařízení, použije se proud zařízení s nejnižším jmenovitým proudem.

Podle doporučení normy by se měly vždy zkoumat nejnepříznivější varianty. Kritický funkční blok se zkouší:

• uvnitř (nejmenšího) prostoru určeného pro funkční blok;
• vzhledem k nejhorší možnosti vnitřního oddělení, s ohledem na velikost větracích otvorů;
• pokud se vyskytuje ve skříni s nejvyšším instalovaným ztrátovým výkonem na jednotku objemu;
• v nejhorší variantě větrání s ohledem na typ větrání – nucené nebo konvekční.

Zkoušky se provádějí, jako by byl rozváděč používán za normálních podmínek, s instalovanými všemi kryty a panely. U jednotlivých skříní se teplotní zkouška provádí s typem proudu, pro který byla navržena. Zkouška se provádí, dokud se hodnota teploty nestane konstantní. Během zkoušek je této hodnoty dosaženo, pokud nárůst teploty ve všech měřicích bodech nepřekročí 1 K/h.

Při provádění zkoušky výkonové ztráty rozváděčové skříně se pomocí topných rezistorů vhodně umístěných uvnitř skříně simuluje vznik tepla proudovými cestami a instalovanými zařízeními. Tyto rezistory se nastaví tak, aby poskytovaly hodnotu tepla odpovídající očekávané výkonové ztrátě v rozváděčové skříni za normálních podmínek, kterou uvádí výrobce [1, 2]. Kabely napájející topné rezistory se volí tak, aby neodváděly teplo ze zkoušené skříně. Hodnoty teploty ve skříni se měří v její horní části, kde je její hodnota nejvyšší, protože teplý vzduch stoupá konvekcí vzhůru. Teplota ve skříni nesmí překročit hodnoty uvedené v normě PN-EN 61439.

Provedená zkouška se ověřuje při jejím provádění a po jejím ukončení. Pokud teplota vzduchu z vypočtené výkonové ztráty (získané během zkoušky) není vyšší než přípustná provozní teplota deklarovaná výrobcem, znamená to, že u vnitřních spojek a konektorů hlavního obvodu není trvalé zatížení větší než přípustné zatížení při vypočtené teplotě vzduchu. V tomto případě nepřekračuje trvalé zatížení 80 % jmenovitého proudu, což znamená shodu s prohlášením výrobce.

Elektromagnetická kompatibilita rozváděčů nízkého napětí

Norma PN-EN 61439-1 (bod 9.4 a příloha J) uvádí, že rozváděče by měly splňovat směrnice pro elektromagnetickou kompatibilitu (EMC). Jedná se o schopnost rozváděče pracovat ve specifickém elektromagnetickém prostředí a nevytvářet rušivé elektromagnetické pole, které by mohlo narušit správnou funkci jiných zařízení fungujících v jeho blízkosti. Zkoušení EMC je povinné na většině trhů v Evropě, Spojených státech a dalších zemích. Proto je nutné tyto zkoušky provést, aby bylo možné daný výrobek uvést na trh a splnit všechny zákonné požadavky, a umožnit tak jeho prodej.

Obr. 5.  Místnost pro testování elektromagnetické kompatibility (EMC).

 Při přípravě rozváděče ke zkouškám se zpravidla připravuje sestavený vzorek najednou a kombinace uvnitř instalovaných přístrojů je spíše náhodná. Zkoušky odolnosti nebo emise EMC se nevyžadují, pokud instalované součásti rozváděče a elektrické přístroje splňují požadavky norem elektromagnetické kompatibility pro dané prostředí v souladu s konkrétními požadavky na výrobek nebo obecnou normou EMC.

Zdroji elektromagnetického rušení mohou být:

• diskrétní spojité nebo proměnné (sinusové) signály například z všudypřítomných rádiových vysílačů,
• širokopásmové spojité signály generované nadzemním vedením, elektrickými stroji nebo tyristorovými usměrňovacími systémy,
• jednorázové přechodné přepěťové signály od blesku, elektrostatického výboje, spínacích procesů, jiskrových výbojů a zkratů.

Všechna tato rušení způsobují vznik přechodných přepětí, která ohrožují zařízení instalovaná v rozváděči poruchou izolace a narušují měřicí a řídicí funkce. Dalším problémem je odolnost přístrojů a vinutí transformátorů vůči krátkodobým přepětím s nanosekundovými náběhy.

 Vazby rušivé veličiny s danými obvody v rozváděči lze dosáhnout prostřednictvím zkreslení:

• induktivní;
• galvanické;
• kapacitní.

Za účelem snížení vazby mezi rušivým signálem je rozváděč vybaven:

• svodičem přepětí pro ochranu před přepětím;
• stíněním řídicích kabelů (s uzemněním stínění na obou stranách);
• síťovými filtry;
• optickými vlákny mezi řídicími zařízeními.

Obr. 6.  Příklady vazeb v okamžiku výskytu poruchy: a) galvanická, b) kapacitní, c) induktivní, d) elektrostatický výboj.

Dosažení požadovaného stupně elektromagnetické kompatibility (EMC) rozváděče vyžaduje odpovídající opatření ve fázích od konceptu až po prototyp. K tomuto účelu se používá řada počítačových programů a také se uplatňují doporučení obsažená v normalizačních předpisech a zkušenosti výrobců.

Shrnutí

V rukopise jsou uvedeny a rozebírány konstrukční požadavky na rozváděče nízkého napětí obsažené v normách PN-EN 61439-1 a PN-EN 62208, které musí splňovat rozváděče vyráběné na trhu.

Ověření vyvinutých konstrukcí rozváděčů výrobcem při konstrukčních zkouškách a typových zkouškách ve výzkumných laboratořích umožňuje uvedení na trh a prodej moderních kvalitních řešení, která zajišťují odpovídající stupeň ochrany a bezpečnosti při jejich provozu.