HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG

Transkript

1 HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Målform: Bokmål Eksamensdato: 26.mai 2015 Varighet/eksamenstid: Emnekode: Emnenavn: 5 timer TELE2005-A 15V Elektriske lavspentinstallasjoner Klasse(r): ELK 12 Studiepoeng: 10 Faglærer(e): (navn og telefonnr på eksamensdagen) Ola Furuhaug / Pål Glimen Kontaktperson(adm.) (fylles ut ved behov kun ved kursemner) Hjelpemidler: Kalkulator type C. Eventuelle godkjente standard matematiske/fysiske tabeller (men slike tabeller er ikke viktig mtp å løse disse oppgavene) Oppgavesettet består av: (antall oppgaver og antall sider inkl. forside) Vedlegg består av: (antall sider) Merknad: Oppgaveteksten kan beholdes av studenter som sitter eksamenstiden ut. NB! Les gjennom hele oppgavesettet før du begynner arbeidet, og disponer tiden. Dersom noe virker uklart i oppgavsettet, skal du gjøre dine egne antagelser og forklare dette i besvarelsen. Lykke til!

2 1 Fordelingsnett Et lavspent fordelingsnett skal transportere elektrisk energi fra fordelingstransformatoren ut til forbruksapparatene. Det finnes ulike typer fordelingsnett; IT, TN og TT. IT nett a) Hva kjennetegner et IT nett og hva står IT for? Hvilke fordeler og ulemper har et IT nett i forhold til et TN nett? I: Alle strømførende ledere isolert fra jord. T: Utsatte deler har beskyttelsesjording direkte til jord, dvs. at installasjonen har en egen jordelektrode, uavhengig av jording andre steder i systemet. I vårt tradisjonelle 230V nett blir nøytralpunktet isolert fra jord ved hjelp av et gjennomslagsvern. Dermed er det impedansene mellom faselederene og jord som styrer spenningene mot jord. I et friskt og symmetrisk system vil fasespenningen være faktoren 3 mindre enn linjespenningen. Fordeler ved IT-systemet: Høy driftsikkerhet. Driften kan opprettholdes ved en jordfeil. Jordingsresistansen kan tillates å være høyere enn for anlegg med jordet nøytralpunkt. Systemet skal utføres med jordfeilvarsling som varsler første jordfeil som dermed kan repareres før neste jordfeil oppstår. Ulemper ved IT-systemet: Enpolet jordslutning gir ikke utkobling av overstrømsvern. Man kan derfor risikere at en jordfeil blir stående over lang tid med tilhørende brann- og berøringsfare. Systemet kan drives videre med en jordfeil. En 2.jordfeil i et et styresystem kan forårsake utilsiktet oppstart og sette viktige stoppbrytere ut av funksjon. b) Tegn en skisse som viser et 230V IT-nett fra og med sekundærsiden av transformatoren. Tegn inn en enfase og en trefase last og før på spenningene. 2

3 TN nett c) Hva kjennetegner et TN nett og hva står TN for? Hvilke fordeler og ulemper har et TN nett i forhold til et IT nett? T: Direktejordet nøytralpunkt. N: Utsatte anleggs-deler er knyttet til systemets jording (i tillegg til evt. egen jordelektrode) Et TN-system skal være dimensjonert slik at strømmen som oppstår ved jordslutning/kortslutning mellom faseleder (ytterleder) og en N-, PEN-, PE-leder eller jordet del skal være så stor at strømtilførselen automatisk frakobles innen fastsatt tid. I TN-systemer er enpolet jordslutning den vanligste feilarten. Strømmen har i slike tilfeller så høy verdi at man kaller denne type feil for enpolet kortslutning. Kortslutningsstrømmen er begrenset av serieimpedansen i transformator, faseleder (ytterleder og PE-, PEN- eller N-leder.) Fordeler ved TN-systemet: Kortslutning mellom en faseleder og PE-, N- eller PEN- leder skal umiddelbart forårsake utkobling av feilkretsen. Det er liten eller ingen risiko for utilsiktede innkoblinger/oppstart av motorer og liten risiko for at stoppbrytere og annet sikkerhetsutstyr settes ut av funksjon ved jordfeil. Nettets impedans mot jord blir så lav at systemjordingen virker reduserende på overspenningen. Ulemper ved TN-systemet: Ved enpolet kortslutning legges belastningsobjekter ut og kan ikke settes igang igjen før feilen er rettet (dårligere driftssikkerhet). Jordslutningsstrømmen er vesentlig større enn i IT-anlegg, hvilket kan medføre større fare. 3

4 Ved jordfeil som ikke fører til ren kortslutning (for eksempel ved jordslutning i en varmekabel hvor en del av nyttelasten ligger i feilkretsen), er strømmen normalt ikke stor nok til å forårsake utkobling. I anlegg med PEN-ledere må en regne med at det går strøm i ledende rørledninger og bygningskonstruksjoner. Dette kan medføre fare for brann og forstyrrelser i elektronikk- og dataanlegg. Ved brudd i PEN-leder kan det oppstå brann- og berøringsfare. d) Tegn en skisse som viser et 230/400V TN-C-S nett fra og med sekundærsiden av transformatoren. Tegn inn en enfase og en trefase last og før på spenningene. 4

5 2 Vern a) Tegn en skisse som viser en typisk tid/strømkarakteristikk for en automatsikring. b) Marker i skissen prøvestømmene I1, I2, I4, I5 og forklar hva disse prøvestrømmene betyr. Svar : se skissen i a) c) Hva er den prinsipielle forskjellen på vernkarakteristikkene B, C og D. Tegn skisse og forklar. se skissen under. Forskjellen ligger i vernets elektromagnetiske del, dvs evnen til å tåle kortvarige startstrømmer. 5

6 En motorkurs er sikret med 16A sikringsautomat med B-karakteristikk. Brukeren av anlegget sliter med at sikringen av og til faller ut i forbindelse med start av motoren. Under drift trekker motoren en strøm på 8A. d) Hva er en sannsynlig forklaring på dette problemet og hvordan kan det løses? Motoren trekker så høy startstrøm at det elektromagnetiske vernet i sikringsautomaten slår ut. En nærliggende løsning er å skifte til en automat som tåler høyere startstrømmer, en C eller D karrakteristikk. e) Hvilke vurderinger må i så fall tas? Man må sjekke at laveste kortslutningsstrøm i anlegget er høyere enn I5 verdien til automaten. Dette for å sikre at man får momentan utløsning ved en kortslutning på kursen. 6

7 3 Kortslutningsberegning 230V IT i bygg Et bygg forsynes fra et 230V IT-nett. Fra inntaket i bygget går det en kabel PFSP 3x50mm2 AL til en underfordeling, kabellengde: 70m. Fra denne underfordelingen går en PR 3x1,5mm2+j som forsyner et 3fase varmeelement, lengde er 30 m. Denne kursen har jordfeilbryter. Oppgitte data ved inntaket er som følger: Trepolet kortslutningsstrøm I k3p max = 10 ka, cos φ = 0,9 Topolet kortslutningsstrøm I k2p min = 2,5 ka, cos φ = 0,9 Enpolet jordslutningsstrøm Ia = 850 ma Ledertemperatur ved min. kortslutning for begge kablene: 70 C Ledertemperatur ved max kortslutning: 20 C αcu = 0,004K 1 Tabell 1 Kabeldata Kabeltype PFSP PR Tverrsnitt [mm2] 3x50mm2 AL 3x1,5mm2 CU r [mω/m] x [mω/m] r0 [mω/m] Xo [mω/m] 0,641 0,079 4,09 0,095 12,1 0,106 a) Tegn et enlinjeskjema for installasjonen som er beskrevet, fra inntak til varmeelement. Figur 1 Enlinjeskjema 7

8 Tilførsel fra Everk Inntak 230V IT Ik3p max : 10kA Ik2p min : 2,5kA b) Beregn minste kortslutningsstrøm på kursen som forsyner varmeelementet. Minste kortslutningsstrøm vil bli topolt kortslutning lengst ute på kursen Beregner impedans i ytre nett: I k2p = c U l Z 2 Z k = c U l y 2 I k2p Z y = c U l 0, = 2 I k2p = 43,7mΩ Z y = 43,7 cosφ + 43,7 sin (cos 1 φ) Z y = 43,7 0,9 + 43,7 cos (cos 1 0,9) Z y = 39,33 + j19,04mω -W1 PFSP 3x50mm2 AL Lengde=50m Beregner impedans i PFSP 3x50AL Z k = l(r jx) = 70(0,641 [1 + 0,004(70 20 )] + j0,079) = 53,844 + j5,53mω Z k = 53,844 + j5,53mω Beregner impedans i PFSP 3x1,5CU Fordeling -W11 PR 3x2,5 Z k = l(r jx) = 30(12,1 [1 + 0,004(70 20 )] + j0,106) = 435,6 + j3,18mω Z k = 435,6 + j3,18mω Temperaturkorrigerer resistans Varmeelement 8

9 Beregner minste kortslutningsstrøm I k2pmin = c U l 2 Z = 0, = , , ,6 + j19,04 + j5,53 + j3, I k2pmin = 206A 9

10 c) Beregn største kortslutningsstrøm på kursen. Beregner impedans i ytre nett: I k3p = c U l Z y = c U l 3 Z k 3 I k3p 1, Z y = = 13,95mΩ Z y = 13,95 cosφ + 13,95 sin φ Z y = 13,95 0,9 + 13,95 sin(cos 1 0,9) Z y = 12,55 + j6,08mω Beregner impedans i PFSP 3x50AL Z k = l(r jx) = 70(0,641 +j0,079) = 44,87 + j5,53mω Z k = 44,87 + j5,53mω Beregner største kortslutningsstrøm Z y = c U l 3 I k3p I k3pmax = c U l 1, = 3 Z k 3 Z = 1, , ,87 + j6,08 + j5, = 2380 I k3pmax = 2,4kA 10

11 d) Hvis denne el.installasjonen ikke hadde hatt jordfeilbryter, hvor stor minste kortslutningsstrøm ville vi da fått i anlegget? Minste korslutningsstrøm blir da 2.jordfeil i en annen fase i en tenkt identisk kurs. Beregner minste kortslutningsstrøm I k2p = c U l 0, = 2 Z y 2 Z 0, = 2 39, , , ,6 + j19,04 + j5,53 + j3,18 + j3,18 = 113 I k2p = 113A Tenkt identisk kurs Dette er en veldig lav kortslutningsstrøm. Man må være spesielt oppmerksom på å finne et vern for denne kursen som garanterer momentan utkobling (elektromagnetisk) med laveste kortslutningsstrøm. (I 5 < I k2polt min ) 11

12 4 Lysberegning og dimensjonering av kabel og vern. I et arbeidslokale skal det monteres lysanlegg. Lokalet forsynes fra et TN 230/400V nett. Det er bestemt at midlere belysningsstyrke på arbeidsplanet, driftsverdi skal være E = 450 lux. Armaturer: Det forutsettes brukt armaturer for 2 x 65 W lysrør med cosφ= 0,9, se virkningsfaktortabellen under. 65W lysrør har nominell lysfluks på 5300 lumen. Tapet i forkoblingsutstyret er beregnet til 35 W pr. armatur. Armatur mål lxb=130x25cm. Vedlikeholdsfaktoren settes lik v = 0,75. Rom: Lokalets dimensjoner: L = 30 m, B = 20 m, H = 4,85 m og arbeidsplanet er 0,85 m over gulvet. Refleksjonsfaktorer for rommets begrensningsflater: tak: 50 %, vegger: 50 %, gulv: 20 %. Tabell 2 Virkningsfaktortabell Tak/hulrom Vegger Gulv 0,7 0,5 0,2 0,7 0,3 0,2 0,7 0,1 0,2 0,5 0,5 0,2 Reflektanser 0,5 0,3 0,2 0,5 0,1 0,2 Romfaktor Virkningsfaktor i % k = 0, , , , , , , , , ,

13 a) Hvor mange armaturer må installeres for å oppnå den forutsatte belysningsstyrken? Foreslå plassering av armaturene i taket forutsatt at vi ønsker en jevn belysning i hele lokalet.(tegn skisse) Finner romfaktoren, k: k = l b = (l+b)h (30+20)(4,85 0,85) = 3 Leser av virkningsfaktoren, μ= 0,68 Beregner nødvendig antall armaturer N Φ η v E A E = N = A Φ η v E A N = Φ η v = ,68 0,75 = 49,94 Det trengs min 50 armaturer for å holde belysningskravet. Velger å montere disse i 5 rekker med 10 armaturer i hver rekke for å oppnå symmetri. b) Hvor stor effekt og strøm trekker lysanlegget? Foreslå for mange kurser belastningen skal fordeles på. Effekt: P = 50 ( ) = 8250W Strøm P I = U cos φ 3 = ,9 3 = 13,2A 13

14 Lysanlegg med lysrørarmaturer trekker ganske store startstrømmer og jeg ønsker å unngå at hele lokalet blir mørk hvis en sikring ryker. Derfor deles denne belastningen på 2 kurser med 6,6A på hver kurs. I b = 13,2 2 = 6,6A Lyskursen(e) skal være trefase (men hver enkelt armatur skal forsynes med 230V enfase). Det benyttes kabel av type PFSP (PVC-isolert, kobberledere), som monteres direkte i taket. Kablene ligger maksimalt sammen med 3 andre kabler. Omgivelsestemperaturen er 35 C. c) Bestem nødvendig ledertverrsnitt for kursene. Belastningstrøm Ib=6,6A Installasjonsmetode nr 21 gir referansinstallasjonsmetode C (NEK400 tabell 52A-2) Korreksjonsfaktorer: K parallell = 0,66 K temp = 0,94 Finner nødvending strømføringsevne: I b 6,6 I z min = = K parallell K temp 0,66 0,94 = 10,64A (NEK400 Tabell 52B-17) (NEK400 Tabell 52B-14) Strømføringsevner for kabel: PFSP 4x1,5mm2 17,5A (NEK400 Tabell 52B-4) PFSP 4x2,5mm2 24A Ut fra strømføringsevne velges PFSP 4x1,5mm2 til dette anlegget. Kabelen får strømføringsevne på 11,2A (I z = 17,5 0,66 0,94 = 10,86A) Sjekk spenningsfall og min. kortslutningsstrøm på kursene, ev kan man da velge å bruke 4x2,5mm2. d) Bestem egnet overbelastningsvern for kursene, og kontroller at dette tilfredsstiller kravene i NEK

15 Velger en 10A automat med C-karakteristikk Krav i NEK Koordinering mellom ledere og overbelastningsvern 1) I B I N I Z 6, ,85 OK 2) I 2 1,45 I Z 10*1,45 1,45*10,85 OK Kraven i NEK er oppfylt 5 Kabeldimensjonering ved overharmoniske strømmer HF TN-S 230/400V Tilførsel fra Everk W1 GF 1 -W11 2x1,5 PN i rør Enfase stikkontakter i kontorlokale Fordeling GF 1 er en underfordeling som forsyner et kontorlokale. Dimensjonerende strøm for kabel W1 er 16,5A. Det er beregnet at andelen 3.harmonisk strøm er 25% av fasestrømmen. Kabel W1 skal være en PFSP, og denne legges fram til GF1 på ei perforert kabelbru sammen med 2 andre kraftkabler. a) Forklar hva som menes med ulineære laster og gi eksempel. Ulineære laster trekker strømmer som ikke er sinusformet, selv om påtrykt spenning er sinusformet. Eksempel er: Kraftelektronikk Datamaskiner, kopimaskiner, skrivere UPS Frekvensomformere Enkelte belysningsanlegg b) Dimensjoner kabel W1 i samsvar med kravene i NEK 400:14. Referer i besvarelsen til hvilke tabeller du bruker i NEK

16 Forlegningsmåte 31 gir referanseinstallasjonsmetode E (Tabell 52A-2) Strømføringsevne for forlegningemetode E finnes i tabell 52B-10 Korreksjonsfaktorer: Siden andelen 3.harmoniske strøm er 25% skal kabelen dimensjoneres ut fra strømmen i faseleder med en korreksjonsfaktor på 0,86. (NEK tabell 52D-1) K overharm. = 0,86 K parallell = 0,82 Finner minimum kabeltverrsnitt: I b 16,5 I z min = = K overharm. K parallell 0,86 0,82 = 23,4A Finner kabel med strømføringsevne over 23,4A i tabell 52B-10 4x2,5mm 2 kabel kan føre 25A 4x4mm 2 kabel kan føre 34A (NEK400 Tabell 52D-1) (NEK400 Tabell 52B-20) 2,5mm2 kabel har tilstekkelig strømføringsevne forutsatt at man finner et vern som tilfredstiller kravene. c) Bestem egnet overbelastningsvern for kursen, og kontroller at dette tilfredsstiller kravene i NEK400. Juster om nødvendig kabeldimensjon. Krav i NEK 400: Vern som bestykker en PVC isolert kabel med tverrsnitt 4mm2: o 2,5 mm2 kabel kan maksimalt bestyttes med 16A vern o 4 mm2 kabel kan maksimalt beskyttes med 25A vern ved ref.inst.metode E. I dette tilfellet har vi en dimensjonerende strøm på 16,5A og vi da minimum ha et vern på 20A. Kabelen i deloppgave c) må derfor byttes til en PFSP 4x4mm2. (I z = 34A 0,86 0,82 = 24A) Koordinering mellom ledere og overbelastningsvern 16

17 1) I B I N I Z 16, OK 2) I 2 1,45 I Z 16,5*1,45 1,45*24 OK Oppsummering: kabel 4x4mm2 og vern 20A-C karr. Kraven i NEK er oppfylt d) Kursene ut fra GF 1 kables med 2x1,5 mm2 PN i rør frem til stikkontaktene i hvert kontor, (-W11). Hvordan vil overharmoniske strømmer påvirke dimensjoneringen av disse kablene? Overharmoniske strømmer vil ikke påvirke dimensjoneringen av 2 leder kabler e) Hva er årsaken til at strømmen i nøytralleder i enkelte tilfeller kan overstige strømmen i faselederne? 3.harmoniske strøm i de ulike faselederne vil ligge i fase og dermed summere seg i N- lederen, se figuren under. + + = 17

18 6 Varmepumpe og varmegjenvinner a) Forklar med enkle ord og en prinsippskisse hvordan en varmepumpe er bygget opp og hvordan den virker. b) Hvordan er temperaturvirkningsgraden for en varmegjenvinner definert? Angi formel med forklaring. (Gjerne enkel skisse). Nevn 2 ulike typer varmegjenvinnere til ventilasjonsanlegg og beskriv kort virkemåte, og oppbygging. Angi omtrentlig temperaturvirkningsgrad og fordel/ulempe for hver av dem. Anta at et ventilasjonsanlegg i et næringsbygg har innblåsningskapasitet på m3/h. Det er ønskelig med 20 grader på lufta som skal inn til kontorene. Dette antas også å være returluftas temperatur. Anta at det er -7 grader ute denne dagen. Varmegjenvinneren i anlegget har temperaturvirkningsgrad på 65% og går for fullt. Det er i tillegg et elektrisk varmebatteri, der man betaler 0,9 kr pr kwh (inkl nettleie). Anlegget går 9 timer hver dag. c) Hva vil det koste å ha dette anlegget i drift denne dagen? (Se bort fra forbruket til viftemotorer). Du kan bruke følgende formler til dette: P [W]=q * γ * c * Δt eller P [W]=0,35 [W*h/m3* C] * Q [m3/h] * Δt [ C] Der: Δt= temperaturløft i grader [ C] q= luftmengde i m3/s γ=1,27 kg/m3 (tettheten til luft) c=1000 Ws/(kg*K) (varmekapasitet for luft) Q=luftmengde i m3/h 0,35 omregningsfaktor i forhold til den første formelen. Og dersom du ikke klarer å regne ut hvor mye varmegjenvinneren bidrar, så angi bare et fritt valgt tall og bruk dette i beregningen. 18

19

20 IN SN LØ AG SL R O SF G

21

22

23

24

25