Prof. zw. dr hab. inż. Henryk markiewicz
Instytut Energoelektryki
Politechniki Wrocławskiej
KRYTERIA WYMIAROWANIA instalacji
elektrycznych
1. WIADOMOŚCI I wymagania ogólne
Instalacje elektryczne powinny być zaprojektowane i wykonane w taki sposób, aby w przewidywanym okresie użytkowania spełniały wymagania dotyczące mocy zapotrzebowanej i pozostawały w pełnej sprawności technicznej, a w odniesieniu do instalacji w budynkach mieszkalnych również wymagania wynikające z pożądanego komfortu życia mieszkańców.
Podstawowe właściwości techniczne instalacji elektrycznych w budynkach o dowolnym przeznaczeniu powinny być co najmniej takie, aby zapewniały one:
- niezawodną dostawę energii elektrycznej o parametrach technicznych, określających jakość energii, właściwych dla zasilanych urządzeń,
- nieuciążliwe i bezpieczne użytkowanie urządzeń elektrycznych, a szczególnie ochronę przed porażeniem elektrycznym, przetężeniami zagrażającymi nadmiernie szybkiemu zużywaniu się instalacji, pożarem, przepięciami łączeniowymi i atmosferycznymi oraz innymi zagrożeniami powodowanymi pracą urządzeń elektrycznych,
- ochronę ludzi i środowiska przed skażeniami oraz emitowaniem drgań, hałasu, temperatury i pola magnetycznego o wartościach i natężeniach większych od granicznych dopuszczalnych.
Zróżnicowane są lub mogą być wymagania odnośnie do przewidywanego czasu eksploatacji instalacji o różnym przeznaczeniu, przy czym najbardziej istotne różnice dotyczą z reguły instalacji w obiektach przemysłowych oraz w budynkach mieszkalnych. Nie oznacza to jednak zgody na to, że instalacje o przewidywanym krótszym okresie użytkowania mogą być wykonane mniej starannie. Mogą być i często są wykonywane jedynie w różny sposób.
Instalacje elektryczne w budynkach mieszkalnych powinny charakteryzować się takimi właściwościami technicznymi, aby ich użytkownicy mogli korzystać bez ograniczeń z posiadanych urządzeń gospodarstwa domowego, sprzętu RTV, teletechnicznego i innego zarówno teraz, jak i przez okres co najmniej 25-30 najbliższych lat, bez konieczności wykonywania znaczącej modernizacji instalacji. Powinny one zatem być tak zwymiarowane i wykonane, aby były w stanie sprostać nowym wymaganiom wynikającym ze zmian w wyposażeniu mieszkań w urządzenia elektryczne i zmian stylu życia mieszkańców.
Obowiązujące w Polsce akty prawne określające warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać instalacje elektryczne w budynkach to głównie:
- wieloarkuszowa polska norma PN-IEC 60364 „Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych”,
- Rozporządzenie Ministra Gospodarki Przestrzennej i Budownictwa z 14 grudnia 1994; rozdział 8: „Instalacje elektryczne”, wraz z późniejszymi uzupełnieniami.
Te akty prawne formułują wymagania dotyczące instalacji elektrycznych w sposób dość ogólny, wynikający głównie z szeroko rozumianych warunków bezpieczeństwa. Brak jest w nich niektórych ustaleń o podstawowym znaczeniu, warunkujących przyjęcie prawidłowych założeń projektowych oraz niektórych szczegółowych wymagań technicznych ustalających zasady realizacji instalacji.
Przy współudziale autora referatu została opracowana norma „Instalacje elektryczne w budynkach mieszkalnych. Podstawy projektowania. Wyznaczanie mocy zapotrzebowanej. Wytyczne wymiarowania i wyposażenia instalacji” zawierający zalecenia dotyczące założeń projektowych instalacji elektrycznych w budynkach mieszkalnych o średnim standardzie wykonania, w szczególności w zakresie:
- przyjmowanych mocy zapotrzebowanych mieszkań i wyznaczania szczytowych mocy obliczeniowych wewnętrznych linii zasilających i budynków,
- zasad wyznaczania przekrojów przewodów instalacji mieszkaniowych odbiorczych i wewnętrznych linii zasilających z uwzględnieniem mocy zapotrzebowanych oraz skuteczności i selektywności działania zabezpieczeń przetężeniowych,
- liczby obwodów w instalacji odbiorczej w mieszkaniu,
- niektórych rozwiązań szczegółowych instalacji.
W podanych w prenormie zasadach planowania instalacji elektrycznych nie różnicuje się 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, obecnie nieco droższych w eksploatacji niż urządzenia gazowe, lecz bardziej estetycznych i bezpiecznych. Różnicuje się natomiast wymagania dotyczące instalacji elektrycznych w budynkach z centralnym zaopatrzeniem w ciepłą wodę oraz w tych, w których w każdym mieszkaniu są instalowane elektryczne podgrzewacze wody.
2. RODZAJE I DANE ZNAMIONOWE ODBIORNIKÓW GOSPODARSTWA DOMOWEGO ORAZ MOCE ZAPOTRZEBOWANE POJEDYNCZYCH MIESZKAŃ
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.
Urządzenia elektryczne instalowane na stałe lub przyłączane 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.
Z przedstawionego zestawienia wynika, że łączna moc odbiorników elektrycznych, zainstalowanych w mieszkaniu lub jedynie posiadanych przez użytkowników, bez urządzeń ogrzewania elektrycznego mieszkania i podgrzewaczy wody, może być rzędu 40 i więcej kilowatów.
Odbiorniki elektryczne zgromadzone w poszczególnych mieszkaniach nigdy nie są jednocześnie załączone do sieci, tak że rzeczywiste zapotrzebowanie na moc, określone pojęciem mocy zapotrzebowanej, jest znacznie mniejsze od sumy mocy znamionowych odbiorników.
Przepisy z 1977 r., obowiązujące aż do roku 1995, ustalały moce zapotrzebowane dla mieszkań bez elektrycznego ogrzewania pomieszczeń następująco:
- w budynkach zgazyfikowanych, dla mieszkań wieloizbowych 1 kW na izbę lecz nie mniej niż 4 kW na mieszkanie oraz 2 kW na mieszkanie jednoizbowe,
- w budynkach niezgazyfikowanych 7 kW na mieszkanie wieloizbowe dla kuchni elektrycznej i elektrycznych podgrzewaczy wody oraz dodatkowo 300 W na izbę; 4 kW na mieszkanie jednoizbowe.
Obecnie w Polsce nie ma żadnych obowiązujących przepisów dotyczących ustalania mocy zapotrzebowanej na jedno mieszkanie o zróżnicowanej wielkości oraz różnym wyposażeniu w instalacje inne niż elektryczne. Według zaleceń COBRE „Elektromontaż” moce te można wyznaczyć według zależności:
PM1 = P1 + MP2 (1)
w której: P1 - moc odbiornika o największej mocy znamionowej,
P2 - moc zapotrzebowana przez 1 osobę w mieszkaniu,
M - liczba osób, dla których mieszkanie zostało zaprojektowane.
W mieszkaniach zgazyfikowanych moc P1 to moc pralki elektrycznej
(2,5 - 3,3 kW), a w mieszkaniach niezgazyfikowanych moc kuchenki elektrycznej z piekarnikiem (8 - 14 kW) lub niekiedy moc przepływowego podgrzewacza wody
(18 - 27 kW). Moc P2 szacuje się na 1 kW w okresie najbliższych kilku lat.
Według tych zaleceń moc zapotrzebowaną przez przeciętne mieszkanie wieloizbowe (M - 4) w budynkach wielorodzinnych o ogrzewaniu innym niż elektryczne można szacować jako równe:
6-7 kW w budynkach zgazyfikowanych,
12-25 kW w budynkach niezgazyfikowanych.
Przy takich obciążeniach zasilanie mieszkań powinno być wykonane jako trójfazowe.
Zróżnicowanie mocy zapotrzebowanej przez jedno mieszkanie w zależności od tego czy budynek jest czy nie jest zgazyfikowany wpływa na ustalenie obciążalności (przekrojów) przewodów i parametrów urządzeń zabezpieczeniowych przetężeniowych (prądów znamionowych bezpieczników i wyłączników) wewnętrznych linii zasilających, fragmentów instalacji zasilających poszczególne mieszkania oraz sposób wykonania instalacji w samym mieszkaniu. Jest to w zasadzie równoznaczne ze zmuszeniem mieszkańców budynków zgazyfikowanych na wyłączne korzystanie z kuchenek gazowych, w niektórych budynkach również na stosowanie gazowych podgrzewaczy wody, bez możliwości zainstalowania teraz i w przyszłości bardziej estetycznych i bezpiecznych urządzeń elektrycznych.
Nie występują takie ograniczenia przy założeniu, że sposób wykonania instalacji elektrycznej w budynku mieszkalnym nie powinien zależeć od tego czy jest w nim również instalacja gazowa, tak jak ustala się to również w innych krajach, m.in. w normie niemieckiej DIN 18015/1. Oznacza to również, że mieszkańcy domów zgazyfikowanych mają prawo wyboru przy pomocy jakich urządzeń pragną zaspokajać swoje określone potrzeby bytowe.
Przy takim założeniu moc zapotrzebowana pojedynczego mieszkania powinna wynosić:
- 12,5 kVA dla mieszkań w budynkach z centralnym zaopatrzeniem w ciepłą wodę,
- 30 kVA dla mieszkań w budynkach, w których przewiduje się instalowanie elektrycznych urządzeń do przygotowania ciepłej wody o znacznych mocach znamionowych.
Uzasadnienie podanych wartości jest następujące. W mieszkaniach z centralnym zaopatrzeniem w ciepłą wodę największe długotrwałe obciążenie (trwające dłużej niż
3-4 stałe czasowe przewodów) może wystąpić w przypadkach jednoczesnego korzystania z:
- kuchenki elektrycznej o mocy znamionowej PN równej 10 kW z włączonymi elementami grzejnymi o łącznej mocy 0,75 PN - 7,5 kW,
- pralki elektrycznej - 2,5 kW,
- innych odbiorników (oświetlenia, lodówki, żelazka, odkurzacza, sprzętu RTV i in.) - 2,5 kW.
W mieszkaniach z indywidualnym przygotowaniem ciepłej wody uzasadnienie największego obciążenia jest następujące:
- kuchenka elektryczna o PN = 10 kW, włączona na 0,75 mocy znamionowej - 7,5 kW,
- przepływowy podgrzewacz wody - 18 kW,
- pralka oraz inne odbiorniki - 4,5 kW.
W każdym mieszkaniu mogą być załączone również inne zestawy odbiorników lecz ich łączne obciążenie nie powinno długotrwale przekroczyć założonych wartości.
Zbliżone, chociaż o około 10% wyższe wartości mocy zapotrzebowanych podaje się również w normie DIN 18015/1; odpowiednio 14,5 oraz 34 kVA.
Przy ustalaniu mocy zapotrzebowanej mieszkań i szczytowych mocy obliczeniowych budynków mieszkalnych należy odejść od nawyku zbyt szczegółowego ustalania tych 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.
3. WEWNĘTRZNE LINIE ZASILAJĄCE
3.1. Wymagania ogólne
Wewnętrzne linie zasilające (wlz) mają za zadnie połączenie instalacji odbiorczych ze złączem bezpośrednio lub za pośrednictwem rozdzielnicy głównej (rys. 1). Przekroje żył przewodów wlz powinny być tak dobrane, aby spełnione były wymagania dotyczące w szczególności:
- obciążalności prądowej, nie mniejszej niż spodziewane szczytowe obciążenie prądowe,
- skuteczności działania zastosowanych zabezpieczeń przetężeniowych, przeciwporażeniowych i in.,
- dostawy energii elektrycznej o wysokiej jakości zapewniającej długotrwałą, poprawną i bezpieczną pracę wszystkich urządzeń elektrycznych,
- zastosowania przewodów o przekrojach nie mniejszych od najmniejszych dopuszczalnych dla wlz.
Rys. 1. Przykład wykonania instalacji elektrycznej w budynku mieszkalnym wielorodzinnym z zaznaczeniem charakterystycznych elementów instalacji
3.2. Szczytowe moce obliczeniowe wewnętrznych linii zasilających
Proponuje się, aby za podstawę przyjmowania obliczeniowych mocy szczytowych wewnętrznych linii zasilających budynków jedno i wielorodzinnych bez ogrzewania elektrycznego przyjmować diagram z rysunku 2.
Moc obliczeniową wewnętrznej linii zasilającej N mieszkań wyliczono z zależności
Pblz = kjNPM1 (2)
w której kj to współczynnik jednoczesności.
Wartości współczynników jednoczesności kj w zależności od liczby mieszkań przyjęto, w zakresie do 25 mieszkań zgodnie z ustaleniami normy niemieckiej DIN 18015/1. Dla większej liczby mieszkań przyjęto nieco większe wartości współczynników kj niż podaje to norma niemiecka.
W przypadku instalacji modernizowanych w budynkach o bardzo przeciętnym standardzie wykonania, wyposażonych w instalację gazową, w których w przewidywanym okresie użytkowania instalacji nie planuje się instalowania kuchni elektrycznych i elektrycznych przepływowych podgrzewaczy wody, można dopuścić nieco obniżony standard wykonania instalacji, przez przyjęcie mocy równej 7 kW na mieszkanie (rys. 2, krzywa C). Ustalenia te powinny być dokonane za zgodą ich właścicieli/lokatorów oraz uzgodnione z administracją budynku. Na ich też wniosek instalacje elektryczne w części mieszkań mogą być przystosowane do zainstalowania odbiorników o większych mocach znamionowych.
W uzasadnionych przypadkach mogą być przyjęte wyższe od ustalonych wartości mocy zapotrzebowanych.
Na rysunku 2 poziomymi liniami podano wymagane wartości prądów znamionowych bezpieczników INF, a przez to pośrednio również najniższą długotrwałą obciążalność prądową przewodów wlz. Wynika stąd, że również przy niewielkiej liczbie mieszkań, a nawet w przypadku pojedynczego mieszkania, obciążalność ta nie powinna być mniejsza niż 50 A, czemu z pewnymi ograniczeniami odpowiada przekrój przewodów miedzianych 10 mm2.
Rys.2. Wartości obliczeniowych mocy szczytowych i prądy znamionowe wkładek bezpiecznikowych INF wewnętrznych linii zasilających budynków o liczbie mieszkań n bez ogrzewania elektrycznego.
krzywa A - dla mieszkań nie posiadających zaopatrzenia w ciepłą wodę z zewnętrznej, centralnej sieci grzewczej,
krzywa B - dla mieszkań posiadających zaopatrzenie w ciepłą wodę z zewnętrznej, centralnej sieci grzewczej,
krzywa C - dla mieszkań o obniżonym standardzie.
*) – zalecany minimalny prąd znamionowy wkładki bezpiecznikowej zabezpieczenia przedlicznikowego i wewnętrznej linii zasilającej, ze względu na selektywność działania zabezpieczeń nadprądowych
3.3. Obwody odbiorcze
Przewody łączące wewnętrzną linię zasilającą z zabezpieczeniami przedlicznikowymi, licznikiem i tablicą rozdzielczą w mieszkaniu powinny być przystosowane do zabezpieczenia ich bezpiecznikami 50 A, niekiedy 63 A. Powinny to być przewody miedziane o minimalnym przekroju co najmniej 10 mm2 i obciążalności prądowej co najmniej 50 A. Zasadność stosowania takich zabezpieczeń i przewodów wynika z warunku selektywności działania szeregowo połączonych bezpieczników przedlicznikowych i wyłączników instalacyjnych w obwodach odbiorczych.
Instalacje elektryczne powinny być podzielone na potrzebną liczbę obwodów (tabl. 1) w celu:
- zapewnienia niezawodnej pracy odbiorników energii elektrycznej,
- ograniczenia negatywnych skutków w razie zaistnienia uszkodzenia w jednym z obwodów,
- ułatwienia bezpiecznego sprawdzania i konserwacji instalacji.
Wydzielone obwody należy stosować dla gniazd wtyczkowych. Do jednego obwodu nie należy przyłączać więcej niż 10 gniazd, przy czym gniazda podwójne i potrójne liczy się jako jedno gniazdo. Dopuszcza się stosowanie w mieszkaniu obwodów wspólnych dla odbiorników oświetleniowych i gniazd wtyczkowych, jeżeli są co najmniej dwa obwody, a działanie takie pozwala na ograniczenie liczby lub znaczne skrócenie łącznej długości obwodów.
Odbiorniki o mocy 2 kW i większej powinny być zasilane z osobnych wydzielonych obwodów (rys. 3) niezależnie od tego czy są zainstalowane na stałe czy zasilane poprzez gniazda wtyczkowe i wtyczki. Do takich odbiorników należą:
- kuchenki elektryczne, rożna,
-...
morny