Zasady projektowania instalacji elektrycznych w budownictwie jednorodzinne

W poniższym blogu omówiono zagadnienia dotyczące zasad projektowania instalacji elektrycznych w obiektach budownictwa jednorodzinnego. Proces projektowania został sprowadzony do omówienia najważniejszych zagadnień dotyczących zasad projektowania.

Omówiono wymagania i założenia ogólne do projektowania instalacji elektrycznych w odniesieniu do obowiązujących norm i przepisów. Podano podstawowe informacje na temat rodzajów i danych znamionowych odbiorników gospodarstwa domowego, których znajomość jest podstawą do określenia zapotrzebowania na moc elektryczną projektowanej instalacji. Wymieniono rodzaje obwodów odbiorczych i ich wyposażenie, oraz omówiono potrzebę ich wyodrębniania w projektowanej instalacji.

Bardziej szczegółowo zajęto się tematyką doboru przekroju przewodów. Poszczególne rozdziały zostały poświęcone doborowi przekroju przewodów ze względu na obciążalność prądową długotrwałą, dopuszczalny spadek napięcia, wytrzymałość mechaniczną oraz ze względu na zapewnienie skutecznej ochrony przeciwporażeniowej.

Ponadto, nie mniej szczegółowo, zostały omówione zasady doboru zabezpieczeń przewodów. Przedstawiono warunki, jakie powinny spełniać urządzenia zabezpieczające aby zabezpieczyć przewody przed przeciążeniem czy też skutkami zwarć. Omówiono zasady ich doboru oraz poruszono tematykę selektywności zabezpieczeń.

W ostatnim z rozdziałów poruszymy tematykę wyłączników różnicowoprądowych od strony konieczności ich stosowania w warunkach domowych.

Blog został podzielony na bloki tematyczne:

1. Wymagania ogólne do projektowania instalacji elektrycznych w budownictwie jednorodzinnym
2. Rodzaje i dane znamionowe odbiorników gospodarstwa domowego. Określenie zapotrzebowania na moc budynku, w którym projektujemy instalację elektryczną
3. Określenie zapotrzebowania na moc budynku do projektowanej instalacji
4. Rodzaje obwodów odbiorczych i ich wyposażenie
5. Zasady doboru przewodów
6. Zasady doboru aparatury zabezpieczającej
7. Selektywność zabezpieczeń
8. Wyłączniki różnicowoprądowe

      9. Literatura

Wymagania ogólne do projektowania instalacji elektrycznych w budownictwie mieszkaniowym jednorodzinnym

Obecnie w Polsce prowadzi się intensywne prace nad nowelizacją wielu krajowych norm i przepisów, w tym również z dziedziny elektroenergetyki w celu m.in. uzyskania zgodności wymagań technicznych norm krajowych z ustaleniami norm obowiązujących w większości krajów zrzeszonych w Unii Europejskiej. Niestety nie wszystkie zagadnienia są wyczerpująco opisane w polskojęzycznych normach, dlatego warto jest podczas prac projektowych posiłkować się normami z krajów o wyższej kulturze technicznej. Proponuje się korzystanie przede wszystkim z rozwiązań zawartych w normach niemieckich DIN oraz VDE, zgodnych z ustaleniami komisji międzynarodowych takich jak IEC oraz CENELEC [1].

Instalacje elektryczne powinny być zaprojektowane i wykonane w sposób zgodny z wymaganiami norm oraz przepisów z uwzględnieniem różnorodnych wymagań technicznych i innych uwarunkowań takich jak [1]:

– przeznaczenia obiektu (pomieszczenia: mieszkalne, ogólnego przeznaczenia, warsztatowe, przemysłowe lub inne;

– technologii budowy lub przebudowy obiektu oraz rodzaju i właściwości zastosowanych materiałów budowlanych;

– rodzaju i mocy zainstalowanych odbiorników energii;

– warunków środowiska oddziałujących szkodliwie na instalacje i urządzenia oraz spodziewanego niekorzystnego oddziaływania instalacji i urządzeń na otoczenie;

– uzasadnionych życzeń inwestorów.

Instalacje elektryczne mogą być wykonane z zastosowaniem przewodów izolowanych jedno- i wielożyłowych, kabli elektroenergetycznych oraz przewodów szynowych. W pewnych przypadkach dopuszcza się również użycie przewodów nieizolowanych [1].

Wymagania ogólne dotyczące różnych sposobów wykonania instalacji mogą być sformułowane następująco [1]:

1) Ułożenie przewodów i zastosowany osprzęt elektrotechniczny oraz materiały ochronne i mocujące powinny być takie, aby w czasie normalnej pracy i podczas zakłóceń (przeciążenia, zwarcia) nie następowało istotne pogorszenie się właściwości przewodów oraz, aby było zachowane pełne bezpieczeństwo pod względem porażeniowym, pożarowym i innym.

2) Przewody ułożone w sposób niewidoczny dla użytkownika (w tynku, pod tynkiem itp.) powinny być prowadzone poziomo lub pionowo, a w podłodze i na suficie równolegle lub prostopadle do naroży (rys. 14.1).

3) Przewody ułożone w szczelinach dylatacyjnych, w miejscach łączenia płyt i bloków budowlanych powinny być tak prowadzone, aby w przypadku spodziewanych naturalnych przemieszczeń nie następowało uszkodzenie przewodów.

4) Rury, listwy i kanały instalacyjne, wsporniki i inne elementy, w których lub na których są układane przewody, nie mogą mieć ostrych krawędzi zagrażających uszkodzeniem izolacji przewodów oraz powinno być tam tyle miejsca, aby przy układaniu przewodów nie powstawały ich ostre zagięcia lub załamania.

5) W instalacjach wykonanych z zastosowaniem listew i kanałów instalacyjnych ochrona przeciwporażeniowa przed dotykiem bezpośrednim powinna być zachowana również po zdjęciu pokryw; zdjęcie pokryw powinno być możliwe jedynie za pomocą odpowiednich narzędzi.

6) Kanały instalacyjne do prowadzenia i ochrony przewodów mogą być mocowane tylko na powierzchniach ścian, filarów i sufitów lub w specjalnie wykonanych kanałach w podłodze; kanały instalacyjne nie mogą być montowane pod tynkiem, w betonie itp.
Instalacje elektryczne w budynkach mieszkalnych

Zaprojektowana instalacja elektryczna w budynkach mieszkalnych powinna charakteryzować się takimi właściwościami technicznymi, aby jej użytkownicy mogli korzystać swobodnie z posiadanych urządzeń gospodarstwa domowego, sprzętu TV, teletechnicznego i innego w przewidywanym okresie eksploatacji instalacji, bez konieczności wykonywania znaczących jej modyfikacji. Jako przeciętny przewidywany okres eksploatacji przyjmuje się zwykle 25-30lat [2].

Podstawowe wymagania obowiązujące w Polsce, dotyczące projektowania instalacji elektrycznych w obiektach budowlanych zawarte są w:

– wieloarkuszowej normie PNE-IEC 60364 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych,

– normie SEP-E-002 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Instalacje elektryczne w budynkach mieszkalnych. Podstawy planowania,

– normach niemieckich DIN oraz VDE, i innych zgodnych z ustaleniami komisji międzynarodowych takich jak IEC oraz CENELEC,

Przy projektowaniu instalacji elektrycznej należy zapewnić spełnienie następujących wymagań [3];

a)ochrony ludzi, zwierząt domowych i pomieszczeń od niebezpieczeństw mogących wystąpić w instalacji elektrycznej takich jak:
– porażenie prądem elektrycznym,
– nadmiernym wzrostem temperatury mogącym spowodować pożar lub inne szkody;

b) prawidłowe działanie instalacji elektrycznej zgodnie z przeznaczeniem.

Spełnienie tych wymagań nastąpi, jeżeli w projektowaniu instalacji elektrycznej zastosuje się następujące kryteria [3]:

a) przekrój przewodów powinien być określony stosownie do:
– ich dopuszczalnej maksymalnej temperatury (dopuszczalnej wielkości obciążenia),
– dopuszczalnego spadku napięcia,
– oddziaływań elektromechanicznych mogących powstawać podczas zwarć,
– oddziaływań mechanicznych, na które przewody mogą być narażone;

b) wybór typu przewodów i sposoby ich instalowania zależą od:
– właściwości środowiska (klimatyczne warunki otoczenia),
– dostępności do przewodów (instalacji) dla ludzi i zwierząt,
– oddziaływań mechanicznych (uderzenia, wibracje), na które mogą być narażone przewody,
– napięcia;

c) rodzaje i dane znamionowe zabezpieczeń (urządzeń) powinny być dobrane z uwzględnieniem funkcji, jaką mają one spełniać, czyli przed jakimi skutkami powinny zabezpieczać (przeciążenia, prądu zwarciowego, przepięcia, obniżenia wartości napięcia lub zaniku);

d) wyposażenie zastosowane w instalacji elektrycznej winno spełniać wymagania odpowiednich norm.

Zaprojektowana instalacja elektryczna w budynkach mieszkalnych powinna charakteryzować się takimi właściwościami technicznymi, aby jej użytkownicy mogli korzystać swobodnie z posiadanych urządzeń gospodarstwa domowego, sprzętu TV, teletechnicznego i innego w przewidywanym okresie eksploatacji instalacji, bez konieczności wykonywania znaczących jej modyfikacji. Jako przeciętny przewidywany okres eksploatacji przyjmuje się zwykle 25-30lat [2].

Rodzaje i dane znamionowe odbiorników gospodarstwa domowego

Odbiorniki energii elektrycznej w gospodarstwie domowym – rodzaje i dane znamionowe Odbiorniki energii elektrycznej przeznaczone do powszechnego stosowania w mieszkaniach są wykonywane jako jedno lub trójfazowe, jeżeli ich moc znamionowa przekracza 3,0-3,5 kW (tabela 1). Wyszczególnione w tabeli urządzenia nie mają cech luksusu i wiele z nich jest na wyposażeniu, jeżeli nie wszystkich to znacznej części mieszkań [2].

Urządzenia elektryczne instalowane na stałe lub użytkowane okazjonalnie mogą być przeznaczane do:

– przygotowywania posiłków i zmywania naczyń - łączna moc około 20 kW,

– utrzymania czystości - łączna moc około 12 kW,

– oświetlenia oraz zaspokajania indywidualnych zainteresowań mieszkańców – łączna moc około 5 kW.

Tabela 1. Moce znamionowe odbiorników elektrycznych gospodarstwa domowego [2]

Określenie zapotrzebowania na moc budynku do projektowanej instalacji

Określając zapotrzebowanie na moc elektryczną budynku przy projektowaniu instalacji elektrycznych nie powinno się różnicować wymagań dotyczących wymiarowania i zasad wykonywania instalacji w budynkach zgazyfikowanych i niezgazyfikowanych. Zapewnia się przez to mieszkańcom aktualnym i tym przyszłym możliwość wyboru i korzystania z urządzeń bytowych, gazowych lub elektrycznych, które obecnie są nieco droższe w eksploatacji, ale nieco bardziej estetyczne i bezpieczne. Różnicuje się natomiast wymagania dotyczące instalacji elektrycznych w budynkach z centralnym zaopatrzeniem w ciepłą wodę oraz w tych, w których są instalowane elektryczne podgrzewacze wody [2].

Z przedstawionych w rozdziale 3.1. zestawień wynika, że łączna moc odbiorników elektrycznych, zainstalowanych w przeciętnym mieszkaniu lub jedynie posiadanych przez użytkowników, bez urządzeń ogrzewania elektrycznego i podgrzewaczy wody, może być rzędu 40 i więcej kilowatów [2].

Odbiorniki elektryczne zgromadzone w poszczególnych mieszkaniach nigdy nie są jednocześnie załączane do sieci, tak, że rzeczywiste zapotrzebowanie na moc, określone pojęciem mocy zapotrzebowanej, jest znacznie mniejsze od sumy mocy znamionowych odbiorników [2].

Na obecną chwilę nie ma w Polsce obowiązujących przepisów pozwalających w jednoznaczny sposób określić wartość mocy zapotrzebowanej na jedno mieszkanie o zróżnicowanej wielkości oraz różnym wyposażeniu w instalacje inne niż elektryczne. Dlatego w celu wyznaczenia wartości mocy zapotrzebowanej należy się posłużyć zaleceniami np. COBRE „Elektromontać” czy też normą N-SEP 002 lub innymi równoważnymi pozycjami zagranicznym [2].

Według zaleceń COBRE „Elektromontaż” zapotrzebowanie na moc określa wzór:

gdzie:
P1 – moc odbiornika o największym poborze zainstalowanego w mieszkaniu,
P2 – moc zapotrzebowana przypadająca na jedną osobę (przyjmuje się P2=1kW),
M – ilość osób, dla których zaprojektowano mieszkanie.

Przy czym moc P1 odbiornika o największym poborze:
- w przypadku mieszkań z instalacją gazową wynosi P1 = 2÷3,5kW
- w przypadki mieszkań bez instalacji gazowej wynosi P1 = 7÷10kW

Według zaleceń N SEP-E002 moc zapotrzebowaną przez 1 mieszkanie należy przyjmować jako równą:
- dla mieszkań bez centralnego zaopatrzenia w ciepłą wodę

- dla mieszkań z centralnym zaopatrzeniem w ciepłą wodę


Przy ustalaniu mocy zapotrzebowanej mieszkań i szczytowych mocy obliczeniowych budynków mieszkalnych należy odejść od nawyku zbyt szczegółowego ustalania ich wartości, czym jest m.in. uwzględnianie liczby osób, na które planowane jest mieszkanie. Budynek trwa z reguły dłużej niż zamieszkują w nim pierwsi jego mieszkańcy, a kolejni lokatorzy czy właściciele nie powinni być zmuszeni do użytkowania sprzętu elektrycznego o podobnym standardzie jak ich poprzednicy, z okresu gdy instalacja była projektowana [2].

Dlatego najlepszym rozwiązaniem będzie skorzystanie z niemieckiej normy DIN 18015/01, która nie ogranicza użytkownika projektowanej instalacji w wyborze urządzeń, dzięki którym będzie zaspokajać swoje potrzeby bytowe, oraz nie wkracza w szczegóły odnośnie ilości osób w mieszkaniu.

Niemiecka norma DIN 18015/01 różnicuje jedynie fakt czy budynek jest wyposażony w centralne zaopatrzenie w ciepłą wodę czy też nie. Dla budynków jednorodzinnych norma jasno określa zapotrzebowanie na moc, które powinno
wynosić [2]:

– 14,5 kW dla mieszkań z centralnym zaopatrzeniem w ciepłą wodę,

– 34 kW dla mieszkań w których mogą być zastosowane elektryczne podgrzewacze wody o znacznych mocach znamionowych.

Podane wyżej wartości są uzasadnione w następujący sposób. W domach jednorodzinnych z centralnym zaopatrzeniem w ciepłą wodę największe spodziewane długotrwale obciążenie, tj., które trwa dłużej niż 3-4 stałe czasowe przewodów, może wystąpić wyłącznie w przypadkach jednoczesnego korzystania z [2]:

– kuchenki elektrycznej o mocy znamionowej PN równej 12 kW z włączonymi elementami grzejnymi o łącznej mocy 0,75 PN – 9 kW

– pralki elektrycznej - 2,75 kW,

– innych odbiorników (oświetlenia, lodówki, żelazka, odkurzacza, sprzętu RTV i in.) - 2,75 kW.

W mieszkaniach gdzie występuje indywidualne przygotowanie ciepłej wody uzasadnienie największego zużycia jest następujące [2]:

– kuchenka elektryczna o PN = 12 kW, włączona na 0,75 mocy znamionowej - 9 kW,

– przepływowy podgrzewacz wody - 20 kW,

– pralka oraz inne odbiorniki - 5 kW.

Rodzaje obwodów odbiorczych i ich wyposażenie

Obwody odbiorcze są zespołem elementów instalacji elektrycznej wspólnie zasilanych poprzez urządzenie pomiarowe i chronionych przed przetężeniem wspólnym zabezpieczeniem. Przez obwody odbiorcze doprowadzona jest energia elektryczna do wszystkich urządzeń gospodarstwa domowego.

W budynkach mieszkalnych jednorodzinnych powinno się wyodrębnić następujące obwody odbiorcze (obwody elektryczne) [4]:

– oświetlenia,

– gniazd wtyczkowych ogólnego przeznaczenia,

– gniazd wtyczkowych w łazience,

– gniazd wtyczkowych do urządzeń odbiorczych w kuchni,

– odbiorników wymagających indywidualnego zabezpieczenia.

Poprzez wydzielenie obwodów odbiorczych osiągamy konkretne korzyści [2]:

– zapewniamy niezawodną pracę odbiorników energii elektrycznej,

– ograniczamy negatywne skutki w razie zaistnienia uszkodzenia w jednym z obwodów,

– ułatwienie bezpiecznego sprawdzenia i konserwacji instalacji.

Wyodrębniając potrzebną ilość obwodów odbiorczych należy pamiętać, aby do jednego obwodu nie przyłączać więcej niż 10 gniazd, przy czym gniazda podwójne i potrójne liczy się jako jedno gniazdo. Ponadto odbiorniki o mocy 2kW i większej należy zasilać z osobno wydzielonych obwodów bez względu na to czy są zainstalowane na stałe czy też zasilane poprzez gniazda wtyczkowe i wtyczki. Wśród tych odbiorników znajdują się [2]:

– kuchenki elektryczne, rożna,

– zmywarki do naczyń,

– pralki,

– przepływowe podgrzewacze wody,

– zbiornikowe podgrzewacze wody o znacznych mocach i pojemnościach.

Wskazane jest wykonanie osobnych obwodów odbiorczych zasilających [2]:

– warsztaty podręczne i pracownie,

– garaże,

– oświetlenie zewnętrzne,

– sprzęt komputerowy,

– inne pomieszczenia gospodarcze.

Zaleca się zastosowanie odpowiedniej minimalnej liczby obwodów odbiorczych w zależności od powierzchni danego mieszkania. Przytoczoną zależność opisuje Tabela 2 [2].

Tabela 2. Zalecana, minimalna liczba obwodów elektrycznych (gniazd wtyczkowych ogólnego użytku i obwodów oświetleniowych w instalacji odbiorczej w mieszkaniu


Wyposażenie mieszkań w urządzenia elektryczne zależy od sposobu rozwiązania warunków bytowych, a w szczególności od upodobań użytkowników i ich finansowych możliwości.

W przypadku projektowania instalacji elektrycznej dla klienta indywidualnego, tak jak to jest w przypadku właścicieli domów jednorodzinnych, niezbędnym jest ustalenie ilości i usytuowania konkretnego wyposażenia w mieszkaniu. Takie podejście dyktowane jest zazwyczaj gotowym już projektem aranżacji wnętrz lub osobliwą wizją klienta i powinno umożliwić mieszkańcom prawidłowe i wygodne użytkowanie odbiorników energii elektrycznej.

Często jednak podczas projektowania instalacji nie możemy tego ustalić. W takim przypadku należy podejść w sposób uniwersalny do problemu i ustalić standardowe wyposażenie mieszkań, które wyznacza pewne funkcjonalne minimum.

Stosując się do zaleceń COBR Elektromontaż w pomieszczeniach mieszkalnych należy przewidzieć [1]:

– w pokojach 1 gniazdo wtyczkowe podwójne na każde 4-6m2 powierzchni, nie mniej jednak niż 2 gniazda,

– w kuchni 4-5 gniazd ze stykiem ochronnym, w tym jedno gniazdo 16A z przeznaczeniem do zasilenia kuchenki,

– w przedpokoju co najmniej jedno gniazdo w miejscu ogólnie dostępnym,

– w łazience 1 lub 2 gniazda ze stykiem ochronnym, w tym jedno 16A z przeznaczeniem do zasilenia pralki.

Zgodnie z normami niemieckimi zaleca się instalowanie wyłącznie gniazd wtyczkowych ze stykiem ochronnym oraz doprowadzenie przewodu ochronnego PE do wypustów oświetleniowych. Stosowane w Polsce gniazda z bolcem ochronnym uniemożliwiają korzystanie z powszechnie stosowanych odbiorników o 0 klasie ochronności, wyposażonych we wtyczką dwubiegunową. Tego rodzaju utrudnienie nie występuje przy stosowaniu odbiorników II klasy ochronności. Chcąc porównać ustalenia normy SEP, N-SEP-E-002, zgodnej z wytycznymi norm niemieckich DIN, które dotyczą liczby gniazd wtyczkowych odbiorników w pomieszczeniach mieszkalnych, spójrzmy na Tablicę 3 [1].

Tablica 3. Minimalne wyposażenie instalacji elektrycznej w pomieszczeniach mieszkalnych wg. N-SEP-E-002

Zasady doboru przewodów

Prawidłowy dobór przewodów w instalacji elektrycznej sprowadza się do wyznaczenia ich przekroju ze względu na następujące warunku: – obciążalność prądową długotrwałą, – dopuszczalny spadek napięcia, – wytrzymałość mechaniczną, – skuteczność ochrony przeciwporażeniowej.

Dobór przekroju przewodu ze względu na obciążalność prądową długotrwałą

Podczas przepływu prądu elektrycznego w żyle przewodu następuje jego nagrzewanie się. Ciepło powstające w przewodniku powoduje wzrost jego temperatury oraz częściowo zostaje oddane do otoczenia. Aby nie dopuścić do zniszczenia izolacji przewodu, jego temperatura nie powinna przekroczyć maksymalnej temperatury dopuszczalnej, przy której jest zachowany bilans cieplny między ciepłem wytworzonym w przewodniku a oddanym do otoczenia. Warunek ten zostanie spełniony w momencie, gdy maksymalny prąd płynący w żyle (roboczy) IB będzie mniejszy od prądu dopuszczalnego długotrwale IZ [5],

gdzie:
Iz - dopuszczalna długotrwała obciążalność prądowa dla danego typu i przekroju przewodu, [A]. Wartość tą można przyjąć z tabel umieszczonych w katalogu producenta, lub wg normy PN-IEC 60364-5-53:2001
IB - prąd obliczeniowy (roboczy) linii, [A]
P – moc obliczeniowa (szczytowa), [W]
Unf , Un – napięcie fazowe, miedzyprzewodowe, [V]
cosφ – współczynnik mocy, przyjmuje się 0,95

Dobór przekroju przewodu ze względu na dopuszczalny spadek napięcia

Odbiorniki energii elektrycznej powinny być zasilone napięciem bardzo zbliżonym do wartości znamionowych. Niestety przepływ prądu w przewodzie wywołuje na nim spadek napięcia. Oznacza to, że napięcie na początku linii zasilającej nie jest równe napięciu na jej końcu. Obowiązujące akty prawne wymagają, aby spadek napięcia między złączem instalacji a odbiornikiem nie przekroczył 4% znamionowego napięcia instalacji. Spadek napięcia wyrażony w % obliczamy z zależności [2]:

gdzie:
γ – konduktywność , [m/Ωmm²] (dla żył Cu - 56, dla żył Al - 33); l – długość linii, [m];
s – przekrój przewodu, [mm²]
X’ – reaktancja jednostkowa [Ω/m] (dla kabli: 0,08 • 10-3 Ω/m, dla instalacji w rurkach: 0,1 • 10-3 Ω/m)
IB – prąd obliczeniowy, [A]; cosφ - współczynnik mocy; R, X - rezystancja i reaktancja obwodu, [Ω];
Unf , Un - napięcie fazowe, międzyprzewodowe, [V].

W obwodach trójfazowych i jednofazowych z kablami i przewodami o przekroju żył do 16 mm2 można pominąć reaktancję przewodów, ponieważ rezystancje przewodów są ponad pięciokrotnie większe od reaktancji. Takie uproszczenie nie wpłynie w znaczący sposób na wyniki obliczeń [5].
Jeśli prawidłowo dobierzemy przekrój przewodu ze względu na dopuszczalny spadek napięcia, powinna zostać spełniona zależność [5]:

Dobór przekroju przewodu ze względu na wytrzymałość mechaniczną

Aby został spełniony warunek na wytrzymałość mechaniczną przewodu ułożonego na stałe chronionego przed uszkodzeniami mechanicznymi powinien on posiadać minimalny przekrój 1,5mm2Cu. I tak w instalacjach elektrycznych wewnątrz budynku minimalna wartość przekroju dla obwodów oświetleniowych wynosi 1,5mm2 Cu, natomiast dla obwodów gniazd wtyczkowych 2,5mm2Cu [2].

Dobór przekroju przewodu ze względu na skuteczność ochrony przeciwporażeniowej

Przekrój przewodu powinien być tak dobrany, by w przypadku zwarcia między przewodem fazowym a ochronnym lub częścią przewodzącą instalacji zapewnić samoczynne wyłączenie zasilania przez urządzenie zabezpieczające, w określonym czasie. Ten warunek może zostać spełniony, gdy impedancja pętli zwarcia jest odpowiednio mała i spełnia zależność [2]:


gdzie:
Uo - wartość skuteczna napięcia znamionowego prądu przemiennego względem ziemi, 230 [V];
Zs - impedancja pętli zwarciowej obejmującej: źródło zasilania, przewód fazowy do punktu zwarcia, i przewód ochronny między punktem zwarcia a źródłem;
Ia - prąd powodujący samoczynne zadziałanie urządzenia wyłączającego w czasie zależnym od napięcia Uo. Dla Uo = 230 V czas wyłączania wg PN-IEC 60364-4-41 wynosi 0,4 s. Dla układu TN
ΣR, ΣX - suma rezystancji i reaktancji obwodu;
In - wartość znamionowa urządzenia zabezpieczjącego, [A];
k - krotność prądu znamionowego powodująca zadziałanie urządzenia zabezpieczającego. Przykładowo, dla wyłącznika typu CLS6 produkcji Moeller, krotność dla charakterystki B wynosi od 3 do 5.

Dobór zabezpieczeń przewodów

Wszystkie przewody instalacji elektrycznej zasilające urządzenia powinny być zabezpieczone przed skutkami przeciążeń, zwarć przez urządzenia zabezpieczające, samoczynnie wyłączające zasilanie w przypadku wystąpienia zakłócenia. Zasady zabezpieczania kabli i przewodów są określone w arkuszu 43 normy PN-IEC 60364 [6].

Zabezpieczenia przeciążeniowe

Urządzenie zabezpieczające przewód przed przeciążeniem powinien spełniać następujące warunki [6]:

przy czym prąd I2 powodujący zadziałanie urządzeń zabezpieczających jest określany jako krotność prądu znamionowego In wyłącznika lub bezpiecznika według zależności:

gdzie:
IB - prąd obliczeniowy w obwodzie elektrycznym (prąd obciążenia przewodów), [A];
IZ - dopuszczalna obciążalność prądowa długotrwała przewodu, [A];
In - prąd znamionowy urządzeń zabezpieczających (lub nastawiony prąd urządzeń zabezpieczających), [A];
I2 - prąd zadziałania urządzeń zabezpieczających, [A];
k2 - współczynnik krotności prądu powodującego zadziałanie urządzenia zabezpieczającego, przyjmowany jako równy: 1,6 - 2,1 dla wkładek bezpiecznikowych; 1,45 dla wyłączników nadprądowych o char. B, C, D.

Zabezpieczenia zwarciowe

gdzie:
Unf – napięcie fazowe, [V]; Zk – impedancja obwodu zwarciowego, [Ω]
Inw – prąd znamionowy wyłączalny urządzenia zabezpieczającego, [A] (podawany przez producenta urządzeń), np. dla wyłącznika typu CLS6 wynosi 6 kA;
Iws= Ik – spodziewana wartość prądu zwarcia, [A]
Un – napięcie przewodowe, [V]

gdzie:
s – przekrój przewodu, [mm²]
Ik – wartość skuteczna prądu zwarciowego, [A]
k – współczynnik liczbowy [As-1/2 mm²], odpowiadający jednosekundowej dopuszczalnej gęstości prądu podczas zwarcia, zależny od właściwości materiału przewodowego, rodzaju izolacji i typu przewodu wynoszący:
- 135 dla przewodów Cu z izolacją z gumy, butylenu, polietylenu usieciowanego,
- 87 dla przewodów Al z izolacją z gumy, butylenu, polietylenu usieciowanego,
- 115 dla przewodów Cu z izolacją PVC,
- 74 dla przewodów Al z izolacją PVC.

Selektywność zabezpieczeń

Instalacje elektryczne pracują najczęściej w układach promieniowych kilkustopniowych, gdzie niezbędne jest zastosowanie, co najmniej kilku zabezpieczeń przetężeniowych połączonych szeregowo [3].

W przypadku wystąpienia zwarcia w końcowej części obwodu prąd zwarciowy o tej samej wartości przepływa przez kilka urządzeń zabezpieczających. Zabezpieczenia te powinny działać w sposób selektywny, tzn. podczas wystąpienia zakłócenia powinno zadziałać tylko jedno zabezpieczenie znajdujące się najbliżej miejsca uszkodzenia w kierunku źródła zasilania. Można powiedzieć, że zabezpieczenia działają selektywnie (wybiórczo), jeśli ich pasmowe charakterystyki czasowo-prądowe nie przecinają się ani nie mają wspólnych obszarów działania [6].

Sprawdzenie wybiórczości przy przewężeniach wymaga posługiwania się charakterystykami czasowo-prądowymi t=f(I) aparatów zabezpieczających w zakresie przeciążeniowym (przy t>0,1s) oraz charakterystykami całki Joule’a I2t=f(I) w zakresie zwarciowym (przy t<0,1s). Przykład zasad oceny selektywności zabezpieczeń przetężeniowych obrazuje rysunek 1.

Rys. 1. Zasady oceny selektywności bezpieczników na kolejnych stopniach zabezpieczeń: a) usytuowanie zabezpieczeń; b) sprawdzenie wybiórczości przeciążeniowej; c) sprawdzenie wybiórczości zwarciowej; Id – prąd obciążenia pozostałych obwodów odbiorczych [6].

[1] Markiewicz H.: Instalacje elektryczne. Warszawa, WNT 2008.
[2] Markiewicz H.: Podstawy projektowania instalacji elektrycznych. Biblioteka PCPM Nr 15/12/2001.
[3] Drop D., Drop R., Majewski A., Binga T.: Współczesne instalacje elektryczne w budownictwie jednorodzinnym. Poradnik elektroinstalatora. Warszawa COSiW SEP 2006.
[4] Wądołowski P.: Warunki techniczne wykonania i odbioru robót budowlanych. Warszawa, JJ Budownictwo Fachowe 2005.
[5] Lejdy B., Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Warszawa WNT 2005
[6] Strzałka J., Rosak T., Wolski A.: Poradnik inżyniera elektryka tom 3. Instalacje elektryczne. Warszawa WNT 2005.