Johdon mitoitus Pekka Rantala 18.12.2013 Suunnittelun lähtökohta Kiinteistön sähköverkon suunnittelun lähtökohtana ovat tyypillisesti: Syötön ominaisuudet: Syöttöjännite, 1- vai 3-vaiheliittymä Pääsulakkeiden koko Oikosulkuvirta syötössä Kulutuslaitteiden puolella: Laitteiden tehot ja määrät Kuormituksen tyyppi: lämmitys, valaistus, moottori, Suunnittelun tavoite on toteuttaa toimiva ja turvallinen sähköverkko liittymispisteen (syötön) ja kulutuskojeiden väliin. Suunnittelussa on johtojen mitoitus ja suojalaitteiden valinta käsiteltävä yhtenä kokonaisuutena. 1
Pääperiaatteet Johtojen avulla pitää pystyä siirtämään syötöstä kulutuskojeiden tarvitsema sähköteho kuormitettavuus Seuraavat suojaustoimenpiteet pitää toteutua : Vikasuojaus eli riittävän nopea syötön poiskytkentä, jolla estetään vaarallisten kosketusjännitteiden pitkäaikainen esiintyminen (= kosketusjännitesuojaus) Ylivirtasuojaus Ylikuormitussuojaus (pitkäkestoinen pieni ylivirta) Oikosulkusuojaus (lyhytkestoinen suuri ylivirta) Vikasuojauksessa tarkastellaan vikavirtapiiriä L-PE Ylivirtasuojauksessa tarkastellaan päävirtapiiriä L-N Sähkön laatu pitää pysyä riittävän hyvänä Suojauksen toteuttavat komponentit pienjänniteasennuksissa Suojauksen toteutukseen käytetään: Sulakkeita (tulppa, kahva) Johdonsuojakatkaisijoita (= automaattisulake) Moottorinsuojakytkin (= lämpörele) Katkaisijoita (ilma, kompakti) Oikosulkusuojaus (ja vikasuojaus) ja ylikuormitussuojaus voidaan toteuttaa joko yhdellä tai kahdella erillisellä suojalaitteella Tässä esityksessä tarkastellaan asuinkiinteistöjen sähköasennuksia, joissa käytetään sulakkeita ja johdonsuojakatkaisijoita 2
Suojalaitteiden sijainti sähköverkossa Jokaiseen piiriin pitää asentaa ylikuormitus- ja oikosulkusuojat. Oikosulkusuoja on yleensä aina syöttävän johdon alkupäässä, jolloin se suojaa myös johtoa (muutamia poikkeuksia) (Liite 43D) Tästä nimitys Johdonsuojakatkaisija Ylikuormitussuoja voi sijaita tietyissä tilanteissa myös johdon loppupäässä, kulutuskojeen lähellä. (Liite 43C) Suojalaitteiden mitoituksesta Johtoja ja laitteita suojaavien suojalaitteiden mitoituksessa on otettava huomioon: Suojalaitteen katkaisukyky Oikosulkutilanteessa suojalaitteen pitää pystyä katkaisemaan suurin mahdollinen oikosulkuvirta. Suojalaitteiden hetkellinen tehonkesto Oikosulkutilanteessa suojalaitteen pitää kestää sen läpi kulkeva energia ( I 2 t-arvo) Selektiivisyys Suojalaitteiden porrastetulla toiminnalla verkosta pyritään kytkemään pois vain niin pieni osa kuin on tarpeen 3
Johdon mitoituksen monta tekijää Johdon poikkipinta-alan mitoitukseen vaikuttaa: 1) Johtimiin kohdistuvat mekaaniset rasitukset 2) Johtimien kuormitettavuus eli sallittu lämpötila 3) Syötön automaattisen poiskytkennän vaatima riittävän lyhyt poiskytkentäaika = vikasuojaus 4) Sallittu jännitteen alenema 5) Oikosulkuvirtojen aiheuttamat mekaaniset ja lämpörasitukset ( I 2 t-arvo) 6) Taloudellisuus 1) Johtimien mekaaninen kestävyys Kiinteissä asennuksissa johtimilta vaaditut minimipaksuudet mekaanisen kestävyyden perusteella (524.1): Kupari 1,5 mm 2 Alumiini 16 mm 2 Lisäksi on monia muita huomioon otettavia ulkoisten olosuhteiden tekijöitä (522): Vesi, kosteus, betoni (asennusolosuhteiden mukaan) Iskut ja värähtely Puristusvoiman kesto (maahan upotettu, ajetaan yli) Kemiallisten aineiden kestävyys Kaapelin taivutussäde yms. 4
2) Kuormitettavuus Kuormitettavuuden perusteella saadaan johtimen minimi-poikkipinta-ala Kuormitettavuuteen vaikuttaa asennustapa ja asennusolosuhteet: Ympäristön/maan lämpötila Vieressä olevat lämmittävät osat (toiset kaapelit) Läpiviennit lämpöeristeen läpi Kuormitettavuuden määrittelyssä käytetään apuna korjauskertoimia Ylikuormitussuojan ja johtimen yhteensovittaminen (433.1) Ensimmäinen epäyhtälö I B I N I Z I B = piirin suunniteltu virta I N = suojalaitteen mitoitusvirta (nimellisvirta) I Z = johtimen jatkuva kuormitettavuus Suunnittelu lähtee yleensä piirin suunnitellusta virrasta I B, joka saadaan selville kulutuslaitteen tehon perusteella Valitaan suojalaitteen mitoitusvirraksi I N seuraava suurempi pykälä suunniteltuun virtaan I B nähden Johtimen jatkuvan kuormitettavuuden I Z pitää puolestaan olla taas vähän isompi kuin suojalaitteen mitoitusvirta I N 5
Ylikuormitussuojan ja johtimen yhteensovittaminen (433.1) Toinen epäyhtälö I 2 1,45 I Z I Z = johtimen jatkuva kuormitettavuus I 2 = virta, joka varmistaa suojalaitteen toimimisen suojalaitteelle määritellyssä tavanomaisessa toimintaajassa Toisen epäyhtälön mukaan virta, jolla suojalaite toimii tavanomaisessa ajassa, tulee olla pienempi kuin 1,45 johdon jatkuva kuormitettavuus Kuormitettavuuden mitoitus: Teho/Virta Poikkipinta-ala 1. Lasketaan virtapiirin mitoitusvirta I B tehotiedoista 2. Määritetään johtoa suojaavan suojalaitteen mitoitusvirta I N ( I B ) 3. Määritetään suojalaitteen mukaan johdolta vaadittava kuormitettavuus I Z ( I N ) 4. Selvitetään asennusolosuhteet ja asennustavat 5. Valitaan olosuhteita vastaavat korjauskertoimet 6. Lasketaan korjauskertoimilla korjattu virta I max, joka johtimen pitää jatkuvana kuormituksena kestää, eli I max = I Z /C 7. Valitaan johtimen poikkipinta-ala virran I max perusteella kuormitustaulukoista. 6
Kuormitettavuuden mitoitus: Poikkipinta-ala Suojalaite 1. Määritetään johdon asennustavat ja olosuhteet 2. Valitaan johtimen poikkipinta-alaa vastaava johdon suurin sallittu virta (I max ) kuormitustaulukoista 3. Valitaan olosuhteita vastaavat korjauskertoimet 4. Lasketaan johtimen mahdollistava suurin jatkuva kuormitettavuus I Z kertomalla suurin sallittu virta korjauskertoimilla: I Z = I max C 5. Valitaan johtoa suojaavan suojalaiteen mitoitusvirraksi I N pykälää pienempi kuin I Z 6. Saadaan myös selville johtoon kytkettävän kuorman maksimiteho 3) Syötön automaattisen poiskytkennän toteutuminen Vikasuojauksen yleisin toteutustapa kiinteissä sähköasennuksissa on riittävän nopea automaattinen poiskytkentä. Vikatilanteessa sähkölaitteen jännitteelle altis osa (metallikotelo) tulee jännitteelliseksi. Vikavirtapiiri muodostuu syöttävästä vaihejohtimesta ja paluujohtimena toimivasta PE-johtimesta. 7
Vikavirtapiiri L1 L2 L3 N PE Asuinkiinteistön asennuksissa PE-johtimella on samat sähköiset ominaisuudet kuin N-johtimella, koska niillä on sama poikkipinta-ala (sama kuin vaihejohtimella). Syötön automaattisen poiskytkennän sähköinen tarkastelu on pitkälti samanlainen kuin vaiheen ja nollan välisessä oikosulussa. Automaattinen poiskytkentä, kriittisin kohta Automaattisen poiskytkennän toiminta on sitä heikompaa mitä pienempi oikosulkuvirta on. Oikosulkuvirta on pienimmillään johdinvetojen kaukaisimmassa pisteessä, jossa johtimista aiheutuva impedanssi on suurimmillaan. Jos sähköverkossa on peräkkäisiä keskuksia ja ylivirtasuojia, pitää syötön automaattisen poiskytkennän toteutuminen tarkastaa myös kaikkien keskusten kohdalta erikseen. 8
Automaattinen poiskytkentä, laskentajärjestys Laskenta etenee seuraavassa järjestyksessä: 1. Selvitetään syötön impedanssi Z S, jolloin saadaan silmukkaimpedanssi pääkeskukselta nähtynä Z PK = Z S 2. Lasketaan ryhmäkeskusta (tai nousukeskusta) syöttävän pääjohdon impedanssi Z PJ, jolloin saadaan silmukkaimpedanssi ryhmäkeskukselta nähtynä Z RK = Z PK + 2 Z PJ HUOM! PE-johtimella sama impedanssi kuin vaihejohtimella 3. Tarkastetaan, toteutuuko pääjohtoa suojaavan ylivirtasuojan ehto 5 s 4. Lasketaan kulutuspistettä syöttävän ryhmäjohdon impedanssi Z RJ, jolloin saadaan silmukkaimpedanssi kulutuspisteestä nähtynä Z KP = Z PK + 2 Z PJ + 2 Z RJ 5. Tarkastetaan, toteutuuko ryhmäjohtoa suojaavan ylivirtasuojan ehto, yleensä 0,4 s Automaattinen poiskytkentä, laskentajärjestys Z KP Laskenta etenee viereisen kuvan tilanteessa alhaalta ylöspäin Z RK Z RJ Z RJ-PE Ryhmäjohto Ryhmäkeskus Pienillä poikkipinta-aloilla PE-johdin on yhtä paksu kuin vaihejohdin Z PK Z PJ Z PJ-PE Pääkeskus Pääjohto Z S ~ Syöttö 9
Syöttävän verkon impedanssi Vikavirtapiirin kokonaisimpedanssin laskemiseksi on tiedettävä syöttävän verkon silmukkaimpedanssi Mikä on liittymiskohdan impedanssi/oikosulkuvirta? Tiedon saa jakeluverkkoyhtiöltä tai sen voi arvioida pääsulakkeiden koon perusteella. Pääsulakkeiden pitää toimia 5 sekunnin toiminta-ajalla (D1-2012, s.94) Pääsulake Oikosulkuvirta vähintään 25 A 110 A 35 A 165 A 50 A 250 A 63 A 320 A Syöttävän verkon impedanssin laskeminen Esimerkki: Pääsulakkeet 3 50 A Tarkastellaan asiaa yhden vaiheen kannalta Edellä olevan taulukon mukaan on oikosulkuvirta I k oltava vähintään 250 A 0,95 230 V Z = c U vaihe = = 0,874 Ω I 250A C on kerroin, joka ottaa huomioon jännitteen aleneman syötössä yms. 10
Johtimien impedanssin ( resistanssi) laskeminen Pienillä poikkipinta-aloilla ( 25 mm 2 ) reaktanssin merkitys on hyvin pieni, jolloin Z R Kuuman johtimen (80 C) resistanssi on suurempi kuin kylmän johtimen (20 C) (D1-2012, s.96) Kuparijohdin [mm 2 ] Johtimen impedanssi Z J lasketaan kaavalla Z J = r l Ominaisresistanssi r [Ω/km] (80 C) 1,5 14,620 2,5 8,770 4 5,480 6 3,660 10 2,244 r = ominaisresistanssi [Ω/km] l = johtimen pituus [km] 4) Sallittu jännitteen alenema Sallitulle jännitteen alenemalle ei ole täysin yksiselitteisiä vaatimuksia. Kyseessä ei ole niinkään sähköturvallisuus, vaan sähkön laatu. Yleisestä jakeluverkosta syötetyssä pienjänniteasennuksessa liittymispisteen ja minkä hyvänsä kuormituspisteen välillä saisi jännitteen alenema olla enintään (Liite 52G, opastava): Valaistus 3 % Muu käyttö 5 % Yleisenä tavoitetasona voidaan pitää 4 % mitattuna asennuksen nimellisjännitteestä 11
Jännitteen aleneman laskeminen Jännitteenaleneman aiheuttaa johtimien impedanssi (liite 52G, D1-2012 s.233) Asuinkiinteistöjen asennuksissa tehokerroin cos ϕ 1, jolloin reaktanssin osuutta ei tarvitse ottaa huomioon. Yksinkertaistetuksi kaavaksi saadaan U = k I ρ L A = k I Z J k=1 3-vaihepiirissä (kun symmetrinen kuormitus, I N = 0) k=2 1-vaihepiirissä (vaihe- ja nollajohtimessa jännitehäviö) I = mitoitusvirta [A] ρ = johtimen resistiivisyys, kuparilla 0,0225 Ω mm2 m L = johtojärjestelmän pituus [m] A = johtimen poikkipinta-ala [mm 2 ] 5) Oikosulkuvirran kestäminen, I 2 t-arvo (434.5) Missä tahansa virtapiirin kohdassa esiintyvä oikosulkuvirta on katkaistava viimeistään ajassa, jossa johtimet saavuttavat suurimman sallitun rajalämpötilan. Johtimen eriste ei saa sulaa. Enintään 5 s kestävässä oikosulussa johdin saavuttaa suurimman sallitun lämpötilansa ajassa t, joka voidaan laskea kaavasta t = (k A I k ) 2 A = johtimen poikkipinta-ala [mm 2 ] I k = oikosulkuvirta [A] k = kerroin, joka ottaa huomioon johdinmateriaalin ominaisuudet (434.5.2) k = 115, kun PVC-eristeinen kuparijohdin, <300 mm 2 Jos ajaksi tulee yli 5 s, on tulos turvallisesti virheellinen 12
Suuri ja pieni oikosulkuvirta Mitä vaikutuksia oikosulkuvirran suuruudella on? Ylivirtasuojien toiminta-aika Oikosulussa kulkeva energia Oikosulkusuojan katkaisukyky Pitkä/lyhyt johdin Pitkä johdin, jännitteen alenema suurenee Pitkä johdin, oikosulkuvirta pienenee 13