Inginerul electric este responsabil pentru proiectarea sistemelor de distribuție a energiei electrice pentru clădiri. Înțelegerea cerințelor complete de protecție a circuitului îi va permite inginerului să proiecteze cele mai sigure și mai fiabile sisteme de distribuție electrică pentru clădiri.

obiective de invatare

  • Înțelegeți diferitele tipuri de strategii de protecție împotriva supracurentului pe care să le aplicați în construcția sistemelor electrice.
  • Recunoașteți diferența dintre protecția la pământ la echipamente (GFPE) și întrerupătoarele de circuit la pământ (GFCI; protecție pentru personal).
  • Înțelegeți cum să vă protejați împotriva diferitelor tipuri de defecțiuni.

Inginerul electric are o mare responsabilitate față de public atunci când proiectează sisteme de distribuție a energiei electrice pentru clădiri. Proiectarea trebuie să protejeze împotriva defecțiunilor și supraîncărcărilor, asigurând în același timp o protecție adecvată a personalului și minimizând întreruperile. Din păcate, nu există o „rețetă” clară și concisă de urmat pentru astfel de modele. Mai degrabă, necesită un studiu constant al codurilor și standardelor în continuă schimbare, care pot fi interpretate în diferite moduri, și apoi aplicându-le în mod corespunzător într-un design acționabil. Chiar și codurile în sine întăresc faptul că, oferind în același timp un ghid practic pentru protejarea oamenilor și a bunurilor împotriva pericolelor electrice, acestea nu sunt „concepute ca o specificație de proiectare sau ca un manual de instrucțiuni pentru persoanele neinstruite” (NFPA 70: National Electrical Code [NEC], articolul 90.1 ).

Prin urmare, este extrem de important ca inginerul electric să înțeleagă și să aplice în mod corespunzător strategii de protecție a circuitelor în proiectele lor pentru a asigura sisteme de operare sigure. Când vine vorba de protecția circuitului, NEC este cartea de cod primară cu care inginerii electrici trebuie să se familiarizeze. NEC conține principii fundamentale de siguranță care cuprind protecția împotriva șocurilor electrice, efectelor termice, supracurentului, curenților de defect și supratensiunii. Este esențial să înțelegeți și strategiile de protecție a circuitelor, deoarece acestea se referă la NEC.

Aproape fiecare articol din NEC include o formă de protecție a circuitelor, subliniind importanța problemei. Obiectivele de bază ale protecției circuitului sunt: ​​1) localizarea și izolarea stării sau defecțiunii și 2) prevenirea și minimizarea oricărei pierderi inutile de energie. Există mai multe tipuri de condiții anormale care pot apărea de-a lungul vieții unei clădiri, în care un sistem electric trebuie proiectat pentru a corecta sau depăși. Acestea includ suprasarcini, scurtcircuite, sub/supratensiuni, supratensiuni tranzitorii și alte probleme de putere, cum ar fi monofazarea sistemelor trifazate și rotația inversă a fazei de putere.

O suprasarcină este cauzată de o cerere excesivă din partea echipamentelor de utilizare care este mai mare decât capacitatea nominală. Suprasolicitarea sistemului poate fi tolerată pentru o perioadă scurtă de timp înainte de a fi luate măsuri corective. Pe de altă parte, defecțiunile la scurtcircuit sunt cauzate de defectarea componentelor electrice. Deoarece avariile pot fi imediate, partea defectă a sistemului trebuie izolată cât mai repede posibil. Există mai multe tipuri de defecte, inclusiv defecte de arc de la linie la linie, defecte de la linie la sol și defecte cu șurub trifazate. Multe defecte încep ca defecte intermitente, arcuite cu impedanță variabilă și curenți de magnitudine relativ redusă, caracterizate prin eliberarea necontrolată de energie.

Pe de altă parte, o eroare trifazată cu șuruburi este cea care creează cantități imense de curent pe sistem și va menține acest curent până când circuitul este deschis sau izolat prin anumite mijloace. Deși un proiectant trebuie să țină seama de cel mai rău scenariu, o defecțiune trifazată este destul de rară. Cel mai frecvent tip de defecțiune este o defecțiune linie-masă, cauzată în mod obișnuit de contactul involuntar dintre un conductor alimentat și masa sau cadrul echipamentului, care provoacă un flux neintenționat de curent printr-o cale diferită de echipamentul de utilizare. Acest lucru ar putea apărea din probleme cum ar fi o defecțiune a echipamentului de izolare, izolația conductorului sau o întrerupere slabă. Când se întâmplă acest lucru, calea de întoarcere, care ar fi în mod normal prin sistemul de împământare, se deplasează acum prin orice cadru de echipament, suprafață metalică sau persoană în contact cu sistemul, deoarece acestea devin, în esență, parte a unui circuit electric înapoi la sursă.

consultanță
Dispozitive de protecție la supracurent pentru sisteme electrice

Echipamentul de intrare în serviciu oferă primul pas în protejarea împotriva suprasolicităților termice și a defecțiunilor în care dispozitivele de protecție a circuitului sunt introduse în sistemul electric. Dispozitivele de protecție la supracurent (OCPD) includ relee, întrerupătoare de circuit sau siguranțe și sunt unul dintre elementele de bază ale sistemelor de distribuție a energiei și protecția acestora. La nivelul cel mai de bază, aceste dispozitive sunt introduse în sistemul de distribuție a energiei pentru a „rupe”, a izola sau a deconecta circuitul dacă există o suprasarcină sau un scurtcircuit. Aceste dispozitive au fost utilizate de la sfârșitul secolului al XIX-lea și continuă să fie aplicate astăzi. Cu toate acestea, protecția circuitului continuă să evolueze cu o tehnologie în continuă schimbare. Astăzi, există tehnologii care utilizează strategii complexe de comunicare și control și pot raporta ce tip de suprasarcină sau defecțiune a deschis un întrerupător, oferă informații despre calitatea energiei electrice, măsoară armonicele, alarmează anumite evenimente, cum ar fi defectul la sol și multe altele.

O tehnologie care oferă o reducere suplimentară a energiei de trecere pentru o defecțiune în regiunea dintre două întreruptoare electronice cu declanșare poate fi realizată prin ZSI (blocare selectivă a zonei). ZSI constă din cablarea a două unități de declanșare a întrerupătorului, astfel încât o defecțiune este eliminată de întrerupătorul cel mai apropiat de defecțiune în timpul minim posibil. Acestea funcționează astfel încât, dacă întrerupătorul în aval detectează o defecțiune, acesta trimite un semnal de restricție către întrerupătorul în amonte. Întreruptorul în amonte va continua apoi să expire așa cum se specifică pe curba sa caracteristică, declanșând numai dacă dispozitivul din aval nu elimină defecțiunea. Scopul principal este de a opri curentul de defecțiune în cel mai scurt timp posibil, afectând în același timp cea mai mică cantitate de echipamente conectate. ZSI nu este o tehnologie nouă, dar tinde să fie mai scumpă. Producătorii au modalități diferite de a realiza același principiu, deci este important să înțelegem nuanțele. Cu toate acestea, NEC din 2014 a adăugat o cerință de a furniza o reducere a energiei arcului (articolul 240.87) și enumeră ZSI ca metodă acceptabilă, făcând din ZSI o practică mai obișnuită.

Strategiile suplimentare de protecție a circuitului includ utilizarea de relee de protecție în OCPD. Releele și dispozitivele de protecție pot fi aplicate unui sistem pentru a ajuta la protejarea circuitelor de condiții, cum ar fi fluxul de putere inversă, fazare simplă sau tranzitorii și supratensiuni. Releele direcționale de putere sau inversă monitorizează direcția curentului și au capacitatea de a răspunde deconectând circuitul. Releele diferențiale măsoară diferența dintre două valori de curent și răspund în consecință dacă detectează o eroare. Un dispozitiv de protecție împotriva supratensiunii este un aparat introdus în sistemul electric; este proiectat pentru a proteja împotriva vârfurilor de tensiune prin limitarea tensiunii furnizate unui circuit electric. Dispozitivele de protecție împotriva supratensiunii ajută la protejarea echipamentelor împotriva efectelor dăunătoare ale tranzitorilor cauzate de fulgere, anomalii ale utilităților sau chiar comutarea internă a sarcinii. Există sute de tipuri diferite de relee de protecție și cu cât un sistem este mai complex (cum ar fi surse multiple de energie și niveluri de tensiune diferite), cu atât sistemele de protecție devin mai complexe. Acestea trebuie analizate de inginerul electric.

Protecție la pământ pentru sistemele electrice

În timp ce selectarea corectă a OCPD-urilor și relei va oferi protecție împotriva defectelor la suprasarcină termică, aceste strategii singure nu pot proteja împotriva defectelor la sol de tip arc. Pentru aceste tipuri de defecte, trebuie adăugat la sistem un alt nivel de apărare. Datorită rezistenței relativ mai mari a unui defect de arc și a naturii sale intermitente, curenții de defect rezultați sunt mult mai mici decât cei pentru defecțiunile cu șurub și, prin urmare, sunt mai dificil de detectat. Există două tipuri de protecție la pământ: protecția la pământ a echipamentelor (GFPE) și întrerupătoarele de circuit la pământ (GFCI), care este pentru protecția personalului. GFPE, prin definiție, este „un sistem destinat să asigure protecția echipamentelor împotriva deteriorării curenților de avarie linie-masă, acționând pentru a provoca un mijloc de deconectare care să deschidă toți conductorii nefondați ai circuitului avariat. Această protecție este asigurată la niveluri de curent mai mici decât cele necesare pentru a proteja conductorii de deteriorări prin funcționarea unui dispozitiv de supracurent al circuitului de alimentare. ” (Articolul 100 NEC). GFPE detectează defecte până la 30 mA și nu oferă protecție personalului.

Pentru protecția personalului, este necesar GFCI, care detectează defecțiuni de până la 5 mA (acest lucru va fi discutat mai târziu). GFPE este cerut de NEC pentru serviciile electrice Wye cu legare solidă, cuprinse între 150 și 1.000 V la sol și 1.000 amperi sau mai mare (NEC 230-95; se aplică excepții). Și pentru sistemele electrice vitale, cum ar fi spitalele, sunt necesare două niveluri de GFPE (NEC 517-17). Cu toate acestea, codurile sunt doar standarde minime; este o bună practică inginerească să se aplice detectarea defecțiunilor la sol de tip GFPE și mai departe în aval în sistemul de distribuție electrică unde defectele la sol sunt de interes și dorința este de a izola defecțiunea mai aproape de sursă.

Importanța împământării pentru sistemele de distribuție a energiei electrice

Orice proiectare a sistemului de distribuție a energiei ar trebui să includă fie un sistem neîmpământat, fie un sistem solid împământat. Un sistem neîmpământat nu este neapărat la fel de sigur ca un sistem împământat și există doar cinci circuite diferite de alimentare electrică menționate în articolul 250.22 NEC în care pericolele unui sistem neîmpământat pot depăși beneficiile de siguranță ale împământării. Pentru a evita confuzia, ne vom concentra pe sisteme solid bazate. Împământarea corespunzătoare a sistemului este un jucător major în protecția personalului și a echipamentelor. Împământarea este conexiunea intenționată a unui conductor care transportă curent la masă.

Cele două motive principale pentru împământare conform NEC sunt: ​​1) limitarea tensiunilor cauzate de trăsnet sau de contactul accidental al conductoarelor de alimentare cu conductori de tensiune mai mare și 2) stabilizarea tensiunii în condiții normale de funcționare. Echipamentele cu împământare corespunzătoare oferă o referință la împământare pentru părțile expuse care nu transportă curent ale sistemului electric și oferă o cale pentru ca curentul de defect la sol să revină la sursă. Scopul este de a preveni fluxul de curent inacceptabil. Împământarea este un subiect de neînțeles în mod obișnuit, iar NEC dedică un articol întreg (articolul 250) cerințelor de împământare. Figura 6 reprezintă un rezumat al cerințelor din NEC, articolul 250.

Figura 6 prezintă conceptul important al unui sistem de electrozi cu împământare completă. În loc să se bazeze complet pe un electrod de împământare pentru a-și îndeplini funcția, NEC necesită formarea unui sistem de electrozi în care toți electrozii prezenți într-o clădire sau structură sunt legați între ei. Aceasta include elemente structurale metalice, conducte metalice de apă și chiar armături în picioarele de beton.

Strategii suplimentare de protecție a circuitelor pentru sistemele electrice

Odată ce sistemul de împământare este proiectat corespunzător, strategiile de protecție suplimentare pot fi aplicate circuitelor de alimentare și de ramificare. O altă formă de protecție a circuitului este GFCI. GFCI funcționează similar cu GFPE; totuși, este de obicei un dispozitiv de utilizare finală care dezactivează un recipient într-o perioadă stabilită de timp când se detectează o defecțiune la sol. Spre deosebire de GFPE, care se aplică la OCPD pentru a asigura în principal protecția echipamentelor, GFCI este de obicei aplicat la dispozitivul de utilizare finală pentru a asigura în primul rând protecția personalului, așa cum am menționat anterior. Această formă de protecție poate fi aplicată și la circuitul de ramificare OCPD, dar oferă aceeași protecție a personalului. Cerințele pentru GFCI se află în articolul 210.8 din NEC. GFCI este necesar pentru facilitățile comerciale din băi, bucătării, acoperișuri, în aer liber, la 6 ft de o chiuvetă, locuri umede, vestiare, garaje și locații de service. Alte articole ale NEC enumeră, de asemenea, cerințele GFCI pentru locații de specialitate, cum ar fi distribuitoare automate, unități de locuit, case mobile etc.

Un întrerupător de circuit cu defecțiune la arc (AFCI) este o altă formă de protecție a circuitului. Un AFCI este „destinat să ofere protecție împotriva efectelor defecțiunilor arcului prin recunoașterea caracteristicilor unice arcului și prin funcționarea dezactivării circuitului atunci când este detectată o defecțiune arc” (articolul 100 NEC). Cerințele pentru dispozitivele AFCI pot fi găsite în articolul 210.12 din NEC. Acestea sunt necesare în unități de locuit și dormitoare, dar nu în multe construcții comerciale.

O ultimă formă de protecție a circuitului demnă de menționat este cea a protecției fizice. Mai multe articole din cod necesită protecție fizică sau mecanică pentru alimentatoare și chiar circuite de ramificație pentru lucruri precum servicii sau circuite de alimentare de urgență în spitale. Strategiile pentru această formă de protecție pot fi găsite în NEC 230.50 sau NEC 517.30 și includ dirijarea subterană, instalarea într-o conductă mai de susținere sau alte mijloace aprobate.