Elemente de calcul si dimensionare a instalatiilor electrice

ELEMENTE DE CALCUL SI DIMENSIONARE A INSTALATIILOR ELECTRICE

1. Dimensionarea instalatiilor electrice de joasa tensiune presupune:

- determinarea puterii absorbite si de calcul pentru circuite si coloane;

- determinarea curentului de calcul al circuitelor si coloanelor electrice, curent ce sta la baza intregului calcul;

- determinarea curentului de scurtcircuit in diferite puncte ale instalatiei;

- alegerea sectiunii conductelor sau cablurilor electrice pentru conditiile concrete de utilizare (regim permanent sau intermitent) si de montare (in tuburi de protectie, in aer, in sol etc.);

- verificarea sectiunilor alese la pierderea de tensiune in functionare si in regim de scurta durata (pornirea motoarelor);

- alegerea tuburilor de protectie pentru conductele electrice ale circuitelor si coloanelor;

- alegerea caracteristicilor aparatelor de actionare, de protectie si de masura;

- stabilirea traseelor circuitelor electrice;

- organizarea si dimensionarea tablourilor electrice.

2. Determinarea puterii instalate si a puterii de calcul pentru circuite si coloane

2.1. Pentru dimensionarea circuitului de alimentare a unor receptoare trebuie determinata puterea electrica absorbita de la retea de acestea, iar pentru dimensionarea coloanei de alimentare a unui tablou trebuie determinata puterea electrica absorbita de diferitele grupuri de receptoare, respectiv de circuitele acestora alimentate din tablou.

2.2. Puterea electrica absorbita, denumita conventional putere de calcul P_c, depinde de puterea instalata P_i si randamentul receptorului , precum si de incarcarea lui (C_i). In cazul in care din circuitul sau coloana respectiva se alimenteaza mai multe receptoare, trebuie sa se tina seama si de simultaneitatea acestora in functionare (C_s). Puterea de calcul P_c se poate determina cu relatia urmatoare:

P_c = C_c x P_i

in care:

P_i, puterea instalata a circuitului (coloana) (kW);

C_c, coeficientul de cerere, conform relatiei:

C_c = C_i x C_s

unde:

C_i, coeficientul de incarcare a receptorului (raportul dintre puterea cu care este incarcat receptorul si puterea instalata a acestuia);

C_s, coeficientul de simultaneitate al circuitului.

Coeficientul de cerere depinde de tipul receptoarelor si de regimul lor de functionare.

In tabelul  se dau valori determinate statistic pentru coeficientii de cerere. Pentru alte situatii, C_c se stabileste de catre proiectant impreuna cu tehnologul.

2. Puterea instalata pentru un circuit sau o coloana, P_i, este egala cu suma puterilor nominale P_n ale receptoarelor alimentate, cu urmatoarele precizari:

- pentru instalatii de iluminat cu lampi cu incandescenta (cuptoare cu rezistenta si bai de electroliza), puterea instalata este egala cu suma puterilor nominale ale lampilor, cuptoarelor, respectiv bailor;

- pentru instalatii de iluminat cu lampi de descarcari, puterea instalata este egala cu suma puterilor nominale ale lampilor si balasturilor;

- pentru motoare electrice cu regim de lucru practic permanent, puterea instalata este egala cu puterea nominala P_n indicata pe masina (puterea la axul motorului); in cazul motoarelor electrice cu regim intermitent de lucru, puterea nominala a motorului se inmulteste cu (DC durata relativa de conectare);

- pentru cuptoarele electrice alimentate prin transformator propriu, puterea instalata P_i = S_ncos_n in care S_n si cos_n sunt puterea nominala si factorul de putere al cuptorului.

Determinarea curentului de calcul al circuitului si coloanelor

1. In cazul circuitelor monofazate pentru receptoare de iluminat si de prize, curentul de calcul se poate determina cu relatia:

in care:

I_c, curentul de calcul al circuitului (A);

P_i, puterea instalata a circuitului stabilita conform art. 2 (W);

U_f, tensiunea de faza (V);

cos, factorul de putere al receptoarelor, stabilit conform

Daca din circuitul de prize monofazat se alimenteaza un receptor de forta, curentul de calcul se stabileste cu relatia:

in care:

I_c, P_i, U_f, cos au semnificatiile de mai sus;

, randamentul receptorului, stabilit conform art. 4.

2. Puterile instalate maxime P_i pe un circuit de iluminat si prize, conform valorilor prevazute in normativul I.7, sunt urmatoarele:

a) pe un circuit de iluminat:

- in general, P_iL = 3 kW

- in apartamente cu putere instalata de 6 kW, P_iL = 1 kW;

- in apartamente cu putere instalata de 10 kW, P_iL = 1,5 kW;

- circuite din spatiile comune ale cladirilor de locuit, P_iL = 1 kW;

b) pe un circuit de prize generale din cladiri de locuit si social-culturale, P_iP = 2 kW;

c) pe un circuit de priza separat pentru receptoare de forta monofazate (masini de gatit electrice, de spalat vase, de spalat rufe, de conditionare, boilere etc.) P_i = P_n a receptorului.

Factorul de putere cos poate avea urmatoarele valori:

- pentru lampi cu incandescenta si incalzitoare electrice, cos= 1;

- pentru lampi fluorescente cu factor de putere ameliorat si alte lampi cu descarcari, cos= 0,95;

- pentru lampi fluorescente cu factor de putere neameliorat, cos= 0,..0,5;

- pentru circuite de prize, cos= 0,8.

In tabelul 1. se dau valorile pentru cos si tg pentru cateva receptoare uzuale.

Tabelul 1.

Valorile cos si tg pentru cele mai uzuale receptoare

4. Randamentul  al receptoarelor de forta monofazate, daca nu este cunoscut din prospectul receptorului, se poate considera egal cu 0,8. El variaza, avand valori sub 0,8 la motoare de puteri mici, sub 3 kW si scade daca motorul este sub sau supraincarcat, asa cum se vede din tabelul 2.

vTabelul 2.

Variatia randamentului motoarelor asincrone in functie de sarcina

5. In cazul circuitelor trifazate pentru receptoare de iluminat, curentul de calcul se determina cu relatia urmatoare (in conditiile in care repartizarea pe circuite este practic uniforma):

P_i= U* cos

in care:

P_i, puterea instalata a circuitului trifazat (W);

U, tensiunea de linie (V);

cos, factorul de putere al circuitului care se stabileste in conditiile art. 3

Puterea instalata pe un circuit trifazat de iluminat, conform normativului I.7, trebuie sa fie de cel mult 8 kW.

6. Circuite trifazate pentru circuite de iluminat se utilizeaza in cazul sistemelor de iluminat cu numar mare de corpuri de iluminat (sali de sport, de spectacole, in hale industriale etc.) si atunci cand este necesara limitarea la maxim a efectului stroboscopic al lampilor cu descarcari (in sali de sport, hale industriale etc.).

7. Dintr-un circuit trifazat pentru un receptor de forta, de obicei se alimenteaza un singur receptor, astfel incat curentul de calcul se poate determina cu relatiile urmatoare:

(pentru functionarea receptorului in regim nominal)

(pentru functionare la sarcina diferita de cea nominala)

in care:

P_i, puterea instalata a receptorului de forta; P_i este o putere electrica activa absorbita, in relatie nu se foloseste 

cos , factorul de putere si randamentul corespunzatoare regimului normal de functionare;

C_i, coeficientul de incarcare al receptorului care trebuie stabilit de proiectant sau tehnolog. In tabelele 1 si 2 se dau valorile randamentelor si factorilor de putere pentru motoarele asincrone la incarcare de 50%, 75%, 100% si 120%.

In tabelul 3 se dau valorile pentru C_c, C_i, cos si tg pentru o serie de receptoare.

Tabelul

Coeficienti de cerere C_c si de incarcare C_i factori de putere cos si tg pentru diferite categorii de receptoare

8. Un circuit trifazat de forta poate alimenta mai multe receptoare in cazurile prevazute in normativul I.7 in urmatoarele conditii: daca ele sunt de aceeasi natura si sunt utilizate in acelasi scop, puterea lor nedepasind 15 kw si daca au protectie comuna la scurtcircuit.

In anexa 2 se dau, pentru cazul garsonierelor si apartamentelor din blocuri de locuinte, valorile coeficientului de cerere, de simultaneitate si ale curentilor de calcul precum si sectiunile conductoarelor coloanelor.

9. In cazul coloanelor monofazate pentru tablouri de iluminat si prize (folosite pentru tablouri cu puteri instalate mici in cladiri de locuit si social-culturale), curentul de calcul se stabileste cu relatia urmatoare:

in care:

P_c = P_i, puterea instalata a tabloului, egala cu suma puterilor instalate ale circuitelor alimentate din tablou (W);

U_f tensiunea de faza (V);

cos_med factorul de putere mediu al receptoarelor alimentate din tablou, care pentru receptoare preponderent de lumina este cos_med = 0,95, iar daca puterea receptoarelor alimentate din priza este semnificativa (>30%), se poate lua cos_med = 0,9; atunci cand se cunoaste cu precizie destinatia circuitelor de priza, respectiv caracteristicile electrice ale receptoarelor, cos_med se determina astfel:

unde: l_ca si l_cr sunt componentele activa si reactiva ale curentului de calcul care se pot calcula conform relatiilor de la art. 10.

10. Pentru coloanele trifazate pentru tablouri pentru iluminat si prize avand puterea uniform distribuita pe faze, curentul de calcul pe faza se determina cu relatia de la art. 5. Puterea instalata pe tablou, P_i, rezulta din insumarea puterilor instalate ale circuitelor electrice alimentate din tablou.

Daca circuitele de priza au o putere comparabila cu cea a receptoarelor de lumina, trebuie sa se determine curentul de calcul pentru fiecare faza a tabloului sau numai pe faza pe care puterea instalata a prizelor este cea mai mare. La alegerea sectiunii coloanei este necesar sa fie luata in considerare valoarea cea mai mare a curentului de faza.

Relatia pentru determinarea curentului de calcul este urmatoarea:

in care:

I_ca, componenta activa a curentului de calcul (A), care poate fi stabilita cu relatia:

I_cr, componenta reactiva a curentului de calcul care poate fi stabilita cu relatia:

unde simbolurile 'I' si 'p'se refera la circuitele de iluminat, respectiv de priza ale fazei respective;

tg_l si tg_p se determina considerand cos_l = 0,951 si cos_p = 0,8;

_p randamentul care se poate considera 0.8.

11. La coloanele trifazate cum sunt cele generale de iluminat, coloanele colective ale firidelor de alimentare din cladirile de locuit si coloanele magistrale, relatia generala de la art. 5. pentru curentul de calcul devine:

in care:

C_s, C_i, P_i, cos  au semnificatiile cunoscute din articolele precedente cu urmatoarele precizari:

Coeficientul de simultaneitate C_s al receptoarelor alimentate din coloana poate avea urmatoarele valori:

- pentru coloanele tablourilor iluminatului de siguranta, C_s = 1;

- pentri coloanele de tipul celor prezentate la al. 1 din:

• cladiri civile si industriale, C_s = 0,80,9;
• cladiri de locuit (coloane, firide), conform anexei 9 in functie de numarul de apartamente

12. Curentul de calcul al coloanei trifazate pentru tablourile de iluminat si proze, in cazul in care receptoarele ce vor fi alimentate din prize este comparabila cu cea a receptoarelor de iluminat, trebuie stabilit pentru fiecare faza, utilizandu-se in vederea alegerii sectiunii coloanei cea mai mare valoare rezultata. Curentul de calcul se poate stabili cu relatia:

in care: I_ca si I_cr au semnificatiile si se determina conform art. 10.

1 Coloanele trifazate ale tablourilor secundare de forta alimenteaza de obicei tablouri de forta pentru un numar de receptoare de acelasi fel. Curentul de calcul se determina cu relatia de la art. 12., in care componentele activa si reactiva se stabilesc facand unele ipoteze de calcul. Se considera ca tabloul respectiv alimenteaza 'N' receptoare (circuite) oarecare, avand caracteristicile P_ik, cos_k _k unde k = 1N, numai un numar 'm' de receptoare (circuite) functionand simultan. Simultaneitatea se apreciaza pentru cazul de functionare cel mai dezavantajos. Alegerea celor 'm' receptoare se face impreuna cu tehnologul pe baza unei analize atente a utilizarii celor 'm' receptoare. Se pot folosi urmatoarele relatii pentru determinarea componentelor I_ca si I_cr ale curentului de calcul;

in care: I_cak si I_crk se determina conform art. 10.

14. In cazul coloanelor trifazate ale tablourilor generale de forta (coloane generale), curentul de calcul se determina cu relatia de la art. 12. in care componentele activa si reactiva se stabilesc ca sume ale curentilor respectivi pentru un numar k = 1N de coloane ce pleaca din tablou astfel:

in care:

I_ck, curentul de calcul pentru coloana k (A);

Cs, coeficientul de simultaneitate in functionare a intregii instalatii de forta a cladirii stabilit impreuna cu tehnologul pentru a evita supra sau subdimensionarea coloanelor.

15. In cazul coloanelor trifazate generale ce alimenteaza un tablou de iluminat si forta, utilizate in cladiri in care receptoarele de forta insumeaza o putere redusa fata de aceea a receptoarelor de lumina sau atunci cand tarifarea este unica, curentul de calcul se stabileste cu relatiile de la art. 10.

16. La circuitele electrice de curent continuu, curentul de calcul se stabileste cu relatia:

in care:

P, puterea receptoarelor alimentate din circuit (W);

U, tensiunea de utilizare (V);

4. Alegerea sectiunii conductoarelor si cablurilor electrice

4.1. Sectiunea de faza a conductoarelor si cablurilor electrice pentru circuite si coloane se stabileste ca fiind sectiunea minima care indeplineste urmatoarele conditii:

- stabilitate termica in regim normal de functionare;

- rezistenta mecanica in conditii de functionare normale;

- protectie la suprasarcina si scurtcicuit conform conditiilor de la art. 5 si cap. 4;

- stabilitate termica in regim de pornire a receptoarelor;

- pierderi de tensiune in limitele admise;

- stabilitatea termica in conditii de scurtcircuit.

4.2. Stabilitea termica a conductoarelor in regim normal de functionare se considera asigurata daca sectiunea conductoarelor si cablurilor se alege incat sunt respectate urmatoarele relatii:

- in regim permanent: I_adm ≥ I_c;

- in regim intermitent: I_adm ≥ a x I_c;

in care:

I_adm, curentul maxim admisibil in conductoare sau cabluri, stabilit in functie de natura, izolatia, modul de pozare, temperatura mediului in conditiile date de normativul I. 7 si art. 4. (A);

I_c, curentul de calcul determinat pentru situatia data conform art. 2. (A);

a, coeficientul de supraincarcare admis in regim intermitent, determinat in conditiile de la normativul I.7.

4. Pentru cablurile electrice, in afara de conditiile din normativul I.7, la stabilirea curentului maxim admisibil corectat se tine seama de conditiile concrete de pozare a cablurilor prin coeficientii de corectie dati in normativul I.7.

4.4. Conditia de rezistenta mecanica se considera indeplinita daca sectiunea aleasa este cel putin egala cu sectiunea minima admisa de normativul I.7.

4.5. Sectiunea aleasa pe baza conditiilor de la art. 4.2. si 4. si a conditiilor de protectie la suprasarcina si scurtcircuit se verifica la conditia de stabilitate termica in regim de scurta durata, la pornire determinandu-se densitatea de curent.

4.6. Valorile densitatii de curent la pornire trebuie sa fie de cel mult:

- 35 A/mm², pentru conductoare din cupru;

- 20 A/mm², pentru conductoare din aluminiu.

4.7. Densitatea de curent la pornire se poate calcula astfel:

- pentru circuitele motoarelor:

Varianta I

- pentru coloanele secundare de forta:

in care:

j_p, densitatea de curent la pornire (A/mm2);

S_f, sectiunea aleasa pentru conductorul de faza (A);

I_p, curentul de pornire al motorului conform catalogului, placutei motorului sau calculat, in functie de modul de pornire si curentul nominal I_n al motorului astfel:

I_p = k x I_n

unde:

k se poate stabili din tabelul 4.

Tabelul 4.

Coeficientul k pentru calculul curentilor de pornire

I_Vcol, curentul maxim pentru o coloana N cu receptoare:

unde:

I_pmax, cel mai mare curent de pornire (A);

I_ck, curentul de calcul pentru un receptor k (A).

Varianta 2

- pentru coloane secundare de forta:

in care: I_cmax, curentul maxim absorbit de coloana care se determina cu relatia:

unde: I_camax si I_crmax sunt componentele activa si reactiva ale curentului absorbit de coloana si se pot determina cu relatia de la art. 1 in care suma se aplica pentru N-1 receptoare la care se adauga valoarea cea mai mare a componentelor activa, respectiv reactiva a curentului de pornire al receptorului pentru care acesta este maxim.

4.8. Verificarea sectiunilor alese la pierderi de tensiune se face numai dupa ce verificarile de la art. 4.2, 4.4. si 4.5. au fost facute pentru toate circuitele si coloanele. Valorile admise ale pierderilor de tensiune intre originea instalatiei (cofret sau post de transformare) si cel mai indepartat receptor, fata de tensiunea nominala, nu trebuie sa depaseasca limitele reglementate in normativul I.7 si prezentate in tabelul 5.

Pe tronsonul pe care nu este indeplinita conditia privind caderea de tensiune admisa, sectiunile trebuie marite pana cand se obtine respectarea conditiei, conform tabelului 5.

Tabelul 5.

Pierderi de tensiune admise

Note:

1. Pierderi de tensiune mai mari decat cele din tabel pot fi admise:

- pentru motoare, in timpul pornirii, conform datelor din catalog;

- in cazuri speciale.

2. Nu trebuie luate in considerare conditiile temporare urmatoare:

- supratensiunile tranzitorii;

- variatiile de tensiune in timpul unei functionari normale.

4.9. Pierderile de tensiune relative U% se pot determina cu ajutorul relatiei generale:

in care:

U, pierderea de tensiune (V);

U_N, tensiunea nominala (V);

4.10. Pierderile de tensiune pe circuite si coloane de iluminat si de prize se pot calcula cu urmatoarele relatii:

- circuite monofazate:

- circuite trifazate echilibrate:

- coloane monofazate:

- coloane trifazate in regim normal de functionare:

in care:

P_ik, puterea instalata pentru un tronson oarecare k (W);

l_k, lungimea unui tronson oarecare k (m);

S_Fk, sectiunea conductorului de faza pentru tronsonul k (mm2);

U_F, tensiunea de faza (V);

U_L, tensiunea de linie (V);

, conductivitatea materialului conductorului, 57 m/mm² la Cu si 34 m/mm² la Al;

C_c, coeficientul de cerere.

4.11. Pierderile de tensiune pe circuite si coloane de forta se pot calcula cu relatiile:

- circuite monofazate:

- circuite trifazate echilibrate:

- coloane monofazate in regim normal:

- coloane monofazate in regim de pornire:

- coloane trifazate in regim de pornire:

in care:

P_i, puterea instalata in (W);

P_p, puterea la pornire (W) determinata cu relatia:

unde P_pmax este puterea de pornire, iar este suma celorlalte N-1 motoare in functiune;

N, numarul motoarelor alimentate din tablou;

, U_F, U_L, l, S_F, C_c au semnificatiile de la art. 4.10.

4.12. Sectiunea conductorului neutru (N) este egala cu sectiunea conductorului de faza:

- in circuitele monofazate cu doua conductoare;

- in circuitele monofazate cu trei conductoare si in circuitele trifazate la care sectiunea conductorului de faza este cel mult egala cu 16 mm² Cu sau 25 mm² Al.

4.1 Sectiunea conductorului neutru (N) in circuitele trifazate poate fi inferioara cu o treapta fata de sectiunea unei faze in cazul in care sectiunea fazei este mai mare de 16 mm² Cu sau 25 mm² Al, daca sunt indeplinite simultan urmatoarele conditii:

- curentul maxim care ar putea trece prin conductorul neutru in serviciu normal nu este mai mare decat curentul admis care corespunde sectiunii reduse a neutrului (practic daca sarcinile sunt uniform distribuite pe faze);

- conductorul neutru este protejat impotriva supracurentilor in conditiile de la cap. 4;

- sectiunea conductorului neutru este cel putin egala cu 16 mm² Cu sau 25 mm² Al.

4.14. Conductorul neutru nu poate fi folosit in comun pentru mai multe circuite individuale.

4.15. Sectiunea conductorului de protectie (PE) se alege din tabelul 6. aplicabil pentru cazul in care conductorul de protectie si de faza sunt din acelasi material. In cazul in care acestea sunt din materiale diferite, sectiunea conductorului de protectie se stabileste astfel incat sectiunea aleasa sa aiba conductibilitatea echivalenta cu aceea rezultata prin aplicarea tabelului 6.

Tabelul 6.

Sectiunea conductorului de protectie

In situatia in care conductorul de protectie nu face parte din circuitul de alimentare (dintr-un cablu sau conductoare in tuburi), sau este din Al, sectiunea lui trebuie sa fie cel putin egala cu 4 mm².

4.16. Un conductor PE utilizat in comun pentru mai multe circuite trebuie sa aiba sectiunea dimensionata in functie de sectiunea de faza cea mai mare.

4.17. Sectiunea conductorului PEN trebuie sa fie egala cel putin cu 10 mm² la Cu si 16 mm² pentru Al.

4.18. In anexa 8 se prezinta o metoda rapida de stabilire a sectiunii conductoarelor circuitelor de alimentare pentru gama de motoare produse in tara, precum si a caracteristicilor dispozitivelor de protectie la suprasarcina si scurtcircuit pentru acestea.