41255 Elektroinstallasjoner

Transkript

1 Norges teknisknaturvitenskapelige universitet NTNU INST. FOR ELKRAFTTEKNIKK Faggruppe: Energiomforming og Elektriske anlegg Adresse: 7491 Trondheim Telefon: Telefax: Elektroinstallasjoner Utlevert: Løsningsforslag øving nr: 9 Utarbeidet av: Utlevert: Oppgave nr. 1 a) En jordfeilbryter er en mekanisk bryteranordning som er laget for å koble inn, føre og bryte strømmer under normale driftsforhold og sørge for åpning av kontaktene når reststrømmen når en gitt verdi under spesifiserte forhold. (Med reststrøm menes her vektorstrømmen av den momentane verdien av strømmene som går i hovedkretsen til jordfeilbryteren.) Forskriftenes krav til utløsestrøm er at jordfeilvernet med sikkerhet løser ut etter tidene i tabell 41A ved forventet berøringsspenning. På grunnlag av overgangsresistansen ved installasjonens og transformatorens jordelektrode kan en regne ut strømmen ved jordfeil. En velger så et jordfeilvern med utløsestrøm klart mindre enn feilstrømmen. Jordfeilbrytere kan karakteriseres med følgende parametre: - antall poler og strømveier - merkestrøm, I n - merkestrøm, I n (Den verdi av reststrømmen som får bryteren til å operere under spesifiserte forhold) - merke ikke-utløsestrøm, I no (Den verdi av reststrømmen som ikke får bryteren til å operere) - merkespenning, U n - merkefrekvens, f n - merkeverdi for innkoblings- og bryteevne, I m - etc. se side 132 i læreboken b) Bruk av jordfeilvarsling/isolasjonsovervåkning: For å bli gjort oppmerksom på første jordfeil kreves isolasjonsovervåkning (eller jordfeilvern) i alle IT-installasjoner som omfattes av NEK isolasjonsovervåkningen skal både gi synlig og hørbart signal - det synlige signalet skal ikke kunne avstilles - det hørbare signalet kan avstilles, men skal tre i funksjon igjen dersom det oppstår en ny feil Fag nr Løsningsforslag øving nr. 9 Side 1 av 16

2 Overvåkningen må dekke installasjonen helt fra inntakspunktet, og kan prinsipielt utføres slik som figur 1 ( figur 12.3 i lærebok) viser. isolasjonsovervåking jordfeilbryter sumstrømtransformator isolasjonsovervåkingsenhet K1 K1 K1 lydsignal avstilling av lydsignal lyssignal Figur 1 Skjematisk fremstilling av jordfeilvarsler. Dersom inntaket og inntakskabelen er av klasse II eller tilsvarende, kan isolasjonsovervåkningsenheten plasseres i hovedfordelingen/skapet som vist i figur 2. Signalgiveren plasseres slik at signalene kan oppdages ved vanlig bruk av installasjonen. Ved større installasjoner anbefales det å installere selektiv overvåkningsutstyr som viser hvilken kurs det er feil på Fag nr Løsningsforslag øving nr. 9 Side 2 av 16

3 . Figur 2 Plassering av isolasjonsovervåkningsenhet. c) Med jording forstår vi at en anleggsdel eller et koblingspunkt settes i ledende forbindelse med jordpotensiale. Vi jorder elektriske anlegg for å hindre at uønskede spenninger opptrer med fare for mennesker og dyr, og for å hindre varmeutvikling og brann i anlegg. d) Beskyttelsesleder holder utsatte deler på et så lavt potensial i forhold til jord og andre ledende deler som mulig. For å forhindre farlig støt, forbinder beskyttelseslederen utsatte deler og andre ledende deler til: - hovedjordklemme/hovedjordskinne eller - jordelektrode eller - jordet punkt eller kunstig nøytralpunkt i strømkilde Fag nr Løsningsforslag øving nr. 9 Side 3 av 16

4 Tverrsnittet på beskyttelseslederne er bestemt av følgende: De skal ha: - så liten resistans at kravene til berøringsspenning og rask utkobling ved feil tilfredsstilles. - mekanisk styrke til å kunne motstå ytre påkjenninger - evne til å føre feilstrøm uten å få for høy temperatur. Beskyttelseslederes tverrsnitt skal ikke være mindre enn vist i NEK-400, tabell 54 F. Tverrsnitt for faseledere i installasjonen A [mm 2 ] A 16 Minstetverrsnitt for tilhørende beskyttelsesleder A P [mm 2 ] A 16 < A A > 35 0,5 A Når det ikke er åpenbart at lederen er en beskyttelsesleder, skal den merkes med gul og grønn farge, eller med bokstavene PE. Beskyttelsesledere må isoleres når de er forlagt eller festet slik at de utilsiktet kan komme i berøring med spenningsførende deler. e) Valg og installasjon av materiell i jordingssystemer skal være slik at : - jordingsresistansens verdi tilfredsstiller sikkerhets- og funksjonskravene til installasjonen. - jordfeil- og jordlekkstrømmer kan føres uten fare, spesielt med sikte på termiske, termomekaniske og elektromekaniske påkjenninger, - det er tilstrekkelig robust eller har tilstrekkelig mekanisk beskyttelse ut fra de aktuelle ytre påvirkninger som kan opptre. Oppgave nr. 2 Generelle krav til jordingssystemet: Forskriftene definerer jordelektrode som en eller flere ledende deler i jord/sjø for å oppnå elektrisk kontakt med jord. Som jordelektroder kan følgende typer benyttes (NEK-400) - Jordspyd og/eller jordplate som slås loddrett ned i grunnen - Elektroder (bånd eller tråd) i fundament, dvs. støpt i fundament eller lagt mellom fjell grunn og fundament - Elektroder (bånd eller tråd) i grøft, enkeltvis eller i maskeform - Armering i betong (NEK-400) - Metallkonstruksjoner i jord (unntak se NEK-400) Jordingssystemet må legges til rette og tilpasses slik at det innfrir en del viktige krav: - Overgangsresistanser til jord og resistanser i beskyttelsesledere og utjevningsforbindelse Fag nr Løsningsforslag øving nr. 9 Side 4 av 16

5 må tilfredstille de sikkerhets- og funksjonskravene som er satt til anlegget. Resistansen i beskyttelsesledere og utjevningsforbindelser må være så liten at kravene til berøringsspenning og utkoblingstid er oppfylt. - Jordfeilstrømmer skal kunne passere uten fare for skadelige termiske og mekaniske påkjenninger. (Feilstrømmen er stor ved enpolet kortslutning i TN-systemer og ved topolet jordslutning i IT-systemer). - Jordingssystemet må være tilstrekkelig robust og ha god mekanisk beskyttelse mot ytre påvirkninger. For en sirkelformet ringjordelektrode kan jordingsmotstanden beregnes ved: R π d ln π d r Ω hvor: er spesifikk jordingsmotsand d er ringens diameter m r er radius av leder m Ωm Jordingsmotstanden for en jordplate kan beregnes omtrentlig ved: R π arc 1 + sin A π π h 2 A Ω hvor: er spesifikk jordingsmotsand Ωm h er platens nedgravningsdybde m A er platens areal Jordingsmotstanden for jordspyd kan beregnes ved formelen: R π l ln l r - Ω m 2 hvor: er spesifikk jordingsmotsand l er jordspydets lengde r er jordspydets radius m m Ωm For enkel stråle benyttes følgende formel for jordingsmotstanden: R π l ln l r - Ω Fag nr Løsningsforslag øving nr. 9 Side 5 av 16

6 hvor: er spesifikk jordingsmotsand l er elektrodens lengde r er elektrodens radius m I stedet for stråle er det gunstigere med stråler i stjerneform, kråkefot. Dersom en benytter 4 stråler (90 o vinkel mellom strålene ), gjelder følgende formel: R π l ln l r , Ω Jordingsalternativ d (m) Tabell 1: Jordingsalternativer A (mm 2 ) r (m) Av formlene til beregning av overgangsmotstandene ser en umiddelbart at denne er direkte pro- h (m) R ( Ω ) I f (A) U b (V) Kommentar: automatisk utkobling Ringjordelektrode , , ,95 ikke krav Ringjordelektrode , , ,2 ikke krav A (m 2 ) Jordplate-elektrode ,9 1 58,9 KRAV Jordplate-elektrode , ,43 ikke krav Jordplate-elektrode , ,08 ikke krav Jordplate-elektrode , ,54 ikke krav A (mm 2 ) m Jordspyd-elektrode 2 0,001 90, ,73 KRAV Jordspyd-elektrode 2 0, ,9 1 85,9 KRAV Jordspyd-elektrode 3 0,001 63,7 1 63,7 KRAV Jordspyd-elektrode 3 0, ,5 1 60,5 KRAV Strålingsjording , , ,7 KRAV Strålingsjording , , ,1 KRAV Strålingsjording , , ,9 KRAV Strålingsjording , , ,2 KRAV Kråkefot -jording , , ,27 KRAV Kråkefot -jording , , ,86 KRAV Ωm Kråkefot -jording , , ,46 ikke krav Kråkefot -jording , , ,52 ikke krav Fag nr Løsningsforslag øving nr. 9 Side 6 av 16

7 posjonal med resistansen i jordsmonnet. Det er således ønskelig å forlegge elektroden i jord med høy ledningsevne, noe som i praksis fører til at en søker leire eller mineralholdig jord fremfor morenegrus. Da fuktighet generelt øker ledningsevnen vesentlig, er det også viktig å søke forlegning der jordsmonnet holder seg fuktig, men da må en passe på at lederene legges frostfritt. For å bedre kontakten mellom jordelektrodene og jorda kan det være aktuelt å strø et lag moldjord, eventuelt bentonitt, over jordelektroden. For vanlig jordsmonn med resitivitet vil en sammenligning av overgangsmotstanden til jord for de vanligste jordelektrodene (og med reelle størrelser på elektrodene) gi denne oppstillingen : - Jordplate, nedgravd 1,4 m, - Spyd, 2 m lengde, R j R j 60Ω - Spyd, 2 m lengde, 2 stk i avstand 2 m, - Bånd, 50 m lengde, f.eks. 25 mm 2 blank koppervaier el., 95Ω, R j - Maskenett, én kvadratisk maske med side 12,5 m, 113Ω, R j - Kråkefot, fire stråler med hver sin lengde 12,5 m, 107Ω, R j Ωm 375Ω, R j 33Ω Som jordelektrode for en boliginstallasjon vil et bånd lagt i bunnen av grøfta som fører vann og avløpsrør inn til huset, eller et maskenett i bunnen av dreneringsgrøfta rundt betongfundamententet til huset være bedre enn de andre alternativene. Kråkefot er først og fremst aktuell for jording av nøytralpunktet til E-verkets transformator. Kurve merket R 1 på figur 3, er avledet av ligning R ln l, og viser hvordan π l r - Ω overgangsmotstanden avtar med elektrodenes lengde når lederdiameter og resistans holdes faste. Som det sees er motstandsreduksjonen liten når elektrodelengdene økes utover ca. 100 m Fag nr Løsningsforslag øving nr. 9 Side 7 av 16

8 R [Ω] R 1 Figur 3 Overgangsmotstand som funksjon av elektrodens lengde. Det kan også vises at det er relativt lite å hente i motstandsreduksjon ved å øke lederdiameteren utover ca. 10 mm. I praksis er det Cu-liner av tverrsnitt 25 eller 50 mm 2 som er mest brukt som jordelektroder, idet flertrådete liner er mer fleksible og robuste enn massive ledere. Kopper er dessuten lite korrosjons utsatt i jord. R [Ω] l [m] h0m h1m Plateareal [m 2 ] Figur 4 Plate som jordelektrode. Figur 4 viser overgangsmotstanden for en kvadratisk plate, forlagt horisontalt i jord. De faktiske motstandsverdiene er vesentlig høyere enn eksempelet over. Kurvene viser også at det er lite å oppnå ved en økning av platearealet utover ca. 2 m 2. Det er viktig å kjenne til overgangsresistanser til jord for å kontrollere kravene til beskyttelse mot berøringsspenninger. Størrelsen på overgangsmotstanden til jord er derfor avgjørende for beskyttelsesjordingens funksjon Fag nr Løsningsforslag øving nr. 9 Side 8 av 16

9 Oppgave nr. 3 I j U a U j x dx s U s U j U s s I j dx I dx Ax ( ) j πx 2 a s a I j 1 2π ā s (1) For s kan vi sette U s 0, sann jord. Dette gir: hvor: U j R j I 2πa j R j I j πa [ohm]. [V] Setter vi utrykket for U j inn i ligning (1) får vi U s I a 2πs j - U s j [V] Den såkalte skrittspenningen defineres som spenningsdifferansen mellom to punkter med en avstand på 1 m. Innfører vi skrittlengden får vi s a + S a + 1: I U j s π ā a + 1 I j π a ( a+ 1) [V] Størstedelen av jordmotstanden ligger i elektrodens umiddelbare nærhet, i samme område ligger også de største potensialdifferansene. Jo nærmere vi kommer elektroden, desto større blir skrittspenningen, og det farligste tilfellet er når det ene beinet står på overgangen metall-jord. Avstanden en må gå for å finne 80 % av overgangsmotstanden: Vi har funnet følgende utrykk for R når s : Fag nr Løsningsforslag øving nr. 9 Side 9 av 16

10 R j πa [ohm] Dette bruker vi i vår løsning: 08, R 2π ā s 08, πa 2π ā s 1 -- ( 1 ( 08, )) a 1 -- s s 5 a Svaret blir da at vi må gå ut 5 ganger elektroderadien for å kunne måle 80% av overgangsmotstanden. Maksimal ikke skadelig skrittspenning: Med hensyn til skrittspenningen vil vi ha en seriekobling av kroppsmotstanden og føttenes jordmotstand. Jordmotstanden for en fot settes lik jordmotstanden for en sirkulær plate med diameter D 20 cm, og en midlere spesifikk motstand, 100Ωm, slik at: r fot D , 250Ω Den samlede motstand blir da med kroppsmotstand 1500 Ω. Med begge føtter på jorda: R Ω. Når en fot berører elektroden: R Ω. Forutsetter vi nå at den strømmen som går fra bein til bein ikke må overstige 25 ma, får vi for den maksimale skrittspenningen når begge bein står på jorda: U maks 0025, V og når ett bein berører elektroden: U maks 0025, , 75 V Fag nr Løsningsforslag øving nr. 9 Side 10 av 16

11 Dyr er mer ømfintlige enn mennesker, og på vanlig jordsmonn kan vi ikke regne med at dyr tåler skrittspenninger over 20 V. Figur 6 Skrittspenning Fag nr Løsningsforslag øving nr. 9 Side 11 av 16

12 VEDLEGG: Jordingsanordninger Fag nr Løsningsforslag øving nr. 9 Side 12 av 16

13 Fag nr Løsningsforslag øving nr. 9 Side 13 av 16

14 Fag nr Løsningsforslag øving nr. 9 Side 14 av 16

15 Fag nr Løsningsforslag øving nr. 9 Side 15 av 16

16 Fag nr Løsningsforslag øving nr. 9 Side 16 av 16