Toma Stenak, univ.dipl.gosp.in.el.

tomaz@ib-procadd.si

IB-PROCADD d.o.o.

RAUNALNIKO PODPRTO PROJEKTIRANJE DIMENZIONIRANJE IN OPTIMIRANJE

ELEKTRINIH INSTALACIJ

Poveztek

Projektanti uporabljajo ve razlinih raunalnikih orodij, ki so jim v pomo pri izdelavi nartov in izvedbi tehninih izraunov. Pri tem prihaja do vekratnih vnosov istih podatkov in prehodov iz ene aplikacije v drugo. V referatu bo opisan postopek reitve, ki projektantom omogoa vkljuitev eksaktnih rezultatov izraunov vseh tokokrogov instalacij. Izkljueno je podvajanje vnosov podatkov ter dodatno obremenjevanje ali dodatna izguba asa.

1. UVOD

Projektna dokumentacija elektrinih intalacij obsega idejno zasnovo, idejni projekt, projekt za pridobitev gradbenega dovoljenja (PGD), projekt za razpis in projekt za izvedbo. Vsa dokumentacija mora ustrezati veljavnim tehninim predpisom in standardom, predpisom o varstvu pri delu, varstvu okolja, varstvu pred poarom in raznim tudijam. V lanku je razdelan sistem raunalniko podprte priprave dokumentov, ki so del PGD; tehnino poroilo, popis potrebnega materiala, ocena strokov in risbe.

Tehnino poroilo v PGD za nizkonapetostne elektrine intalacije vsebuje opis elektrointalacijskih del, njihove funkcije, podatke o intalirani in konini moi, vrstah zaitnih naprav, nain merjenja elektrine energije ter rezultate tehninih izraunov, ki dokazujejo varno in pravilno delovanje projektirane intalacije. Risbe prikazujejo tlorisno razporeditev elektrinih intalacij, enopolne sheme stikalnih blokov ter nain prikljuka na elektroenergetski sistem. Na osnovi risb je izdelan projektantski popis s strokovno oceno, ki vsebuje podrobneji popis elektrointalacijskih del in opreme z oceno strokov. Ustrezna raunalnika orodja in pristopi lahko bistveno olajajo in skrajajo as priprave te dokumentacije.

2. RAUNALNIKA ORODJA NA PODROJU PROJEKTIRANJA V ELEKTROTEHNIKI

Trna ekonomija in mednarodna konkurennost temeljita tudi na sposobnosti komuniciranja s svetom, na nain in po standardih, ki jih le ta priznava. Na podroju elektrotehnike si sodobne proizvodnje, ineniringa in razvoja ne moremo ve zamisliti brez uporabe raunalniko podprte tehnologije. Projektiranje s pomojo raunalnika, uporaba sodobnih baz podatkov-katalogov na raunalnikem mediju in PPS produkcijsko planski sistem, kot sestavni del CAE (Computer Aided Engineering), so postali pogoj mednarodnega sodelovanja.

CAE je oblika uporabniko orientirane tehnologije popolnoma podprte z raunalniki. To pomeni velike prihranke asa pri pripravi, izdelavi in vodenju elektroprojektov in/oziroma ustrezne dokumentacije, tako v projektantskih oz. ineniring podjetij kot tudi pri investitorjih, v industriji in drugot. V razvitem svetu so risalne deske in neprijazni, neergonomski CAD programi zgodovina. Z uveljavljenjem mednarodnih standardov za izmenjavo loginih elektrotehnikih simbolov, tokovnih in vezalnih shem ter v nadaljevanju tudi tehnini in komercialni podatki o proizvodih, imajo tudi papirni katalogi vse manj pomembno vlogo.

Vpeljava ECAD (Electrical Computer Aided Design) sistemov za projektiranje v elektrotehniki je povzroila nastanek zahteve po aurnih in popolnih opisih artiklov, ki so dostopni na elektronskem mediju. Proizvajalci so sami zainteresirani, da ponudijo svoje kataloge v elektronski obliki. Z njihovo vkljuitvijo se proces projektiranja v elektrotehniki v smislu raunalniko podprte tehnologije (CAT Computer Aided Technology) zakljui v logino celoto. ECAD je torej pomemben len v CAT verigi in uporabniki e vedo, da lahko zahtevne naloge uspeno opravijo le z ustreznimi CAE sistemi.

Prehod na ECAD da ali ne ?

Uvajanje novih tehnologij je povezano z investicijami, ki so vse prej kot zanemarljive. Poleg tehniko-tehnolokih, je eden najpomembnejih ciljev vsake nove investicije; da se le ta v ekonomskem smislu povrne in da prinese dodaten profit.

Pred letom dni smo izdelali analizo prihrankov asa v primerih, ko projektanti pri svojem delu uporabljajo specializirana elektrotehnika programska orodja (ECAD) in in v primerih, ko uporabljajo nespecializirana orodja.

Predmet analize je bil projekt dovoda el. energije ter napajanja in upravljanja elektromotornih pogonov. Projekt je obsegal 50 A3 strani. Rezultati porabe asa so pridobljeni na podlagi spletne ankete, v kateri je sodelovalo 33 strokovnjakov. Upotevani so tudi projektni popravki (izvedbeno stanje) in revizija dokumentacije. Iz tabele je razvidno, da je ob upotevanju izdelave nartov in popravkov prihranek asa v primeru dela z ECAD programsko opremo ve kot 60 %.

1Prihranki asa priprave elektrotehnike dokumentacije ob uporabi ECAD programske opreme.

Analiza je pokazala, da je uporaba specializirane ECAD programske opreme smiselna, saj je as priprave dokumentacije bistveno kraji. Projekt je shranjen v ustrezni obliki, saj vkljuuje grafiko in bazo podatkov, ki so osnova za povezovanje z drugimi aplikacijami znotraj CAE sistema.

1 Podatki pridobljeni na podlagi spletne ankete (n=33).

Potreben as za A3 stran v

nespeciliziranem programu

[min]

Potreben as za A3 stran v ECAD

programski opremi

[min]

Prihranek asa

[min]

Prihranek asa

[%] Nartovanje in konstr. Delovna verzija 40 30 10 25,0 Finaliziranje, konna verzija 40 10 30 75,0 Spremembe, korekcije, revizija 30 10 20 66,7 Seznami, kalkulacije, nartovanje, administracija

50 15 35 70,0

Seznami sponk s povezavami: nartovanje, administracija

50 10 40 80,0

Seznamin sponk s povezavami: spremembe 15 5 10 66,7

SKUPAJ 225 80 145 64,4

Kljub navedenim dejstvom je na voljo e veliko prostora za e bolj uinkovito projektiranje. Omenjeni programi so veinoma zelo dobro prilagojeni eljam in zahtevam izdelave projektov v avtomatizaciji, procesnem vodenju in energetiki. Na tem podroju sreamo ve dobro razvitih programskih orodij za projektiranje in dimenzioniranje stikalne opreme. Obiajno so na voljo s strani vejih proizvajalcev elektro opreme, vendar so veinoma prilagojeni njihovim proizvodom. Na podroju elektro projektiranja v zgradbah so tovrstni programi za dimenzioniranje redkeji. Najpogosteje sreamo orodja za svetlobno tehnini izraun. Nain dimenzioniranja vodnikov, kontrole zaite pred elektrinim udarom, izraun obremenitev razdelilcev ter konine moi je veinoma prepuen iznajdljivosti projektantov.

3. RAUNALNIKO PODPRTO PROJEKTIRANJE, DIMENZIONIRANJE IN OPTIMIRANJE INTALACIJ

Prikazana reitev v nadaljevanju je plod neposredne povezanosti dveh obstojeih profesionalnih raunalnikih aplikacij, ki sta namenjeni izdelavi tlorisne razporeditve elektrinih intalacij ter dimenzioniranju in optimiranju elektrinih intalacij. Proces je sestavljen iz veih faz, vendar so vsi prehodi med njimi izvedeni samodejno brez ronega poseganja. Osnovne faze so:

zajem obstojee grafine podloge tlorisa objekta, izdelava tlorisne razporeditve elektrinih instalacij z vrisanimi tokokrogi, doloanje osnovnih atributov, kot so tip porabnikov, moi, izbira faznega sistema.

Na osnovi tega narta z vrisanimi tokokrogi dobimo tudi doline posameznih odsekov kablov. Sledi:

odpiranje projekta v programu za dimenzioniranje in optimiranje elektrinih intalacij, samodejno kreiranje elektrine strukture celotne instalacije in izvedba dimenzioniranja

elementov zaite in vodnikov, vraanje preraunanih podatkov v projekt ter samodejno generiranje enopolnih shem razdelilcev.

Dimenzioniranje elementov je usklajeno z zahtevami IEC standardov in Pravilnika o tehninih normativih za nizkonapetostne elektrine instalacije (Ur.l. SFRJ 53/88). Pri izraunih so upotevani navedeni veljavni JUS, SIST in IEC standardi.

Nart elektrinih intalacij

V stroki velja splono mnenje, da sama izdelava narta elektrinih intalacij obiajno ne zahteva posebno zahtevnih raunalnikih orodij. Elektro projektanti tlorisne podloge objektov veinoma pridobijo v vektorski grafiki v formatih dxf ali dwg. Dodani elektrotehniki simboli in oznake so obiajno v vektorski grafiki brez dodatne funkcionalnosti. Funkcija taknega rezultata je podobena nartu na papirju. Edina prednost je uporaba grafinih simbolov in enostavneje popravljanje in spreminjanje narta. Dodatno je potrebno rono izdelati popis materiala, izraunati obremenitve posameznih tokokrogov, oceniti razdalje med virom in bremenom. V primeru sprememb na osnovi izraunov pri dimenzioniranju in optimiranju oziroma ob spremembi zahtev naronika, se lahko postopek ponovnega preraunavanja in optimizacije intalacije precej otei. S tem se as priprave elektro dokumentacije bistveno podalja. Iz tega razloga je smiselno uvajanje hitrejih naprednejih metod nartovanja in sicer grafiki dodati e eno komponento, to je bazo podatkov.

Raunalnika orodja lahko naredijo marsikaj namesto nas, vendar za to potrebujejo ustrezne vhodne podatke. V primeru izdelave elektro narta, ki vsebuje le osnovne podatke, kot so

oznaka tokokroga, ki mu pripada porabnik, mo in podobno so le nekateri od vhodnih podatkov, ki jih potrebujemo za celoten postopek dimenzioniranja vodnikov. Ostali podatki, kot so razdalje med virom in bremenom, faktor istoasnosti, skupna intalirana mo na posamezen tokokrog, nain polaganja vodov, temperatura okolice, so podatki, ki jih strokovnjak obiajno rono prenese v formule, tabele ali v lastno aplikacijo za dimenzioniranje.

V primeru definiranja vseh potrebnih podatkov neposredno v nartu jih lahko samodejno prenaamo v druge aplikacije. V kolikor je omogoen pretok podatkov v obe smeri, pomeni, da lahko projektant poljubno spreminja strukturo intalacij v nartu glede na dobljene rezultatov izraunov ter ponovno poene preraun. Na ta nain zelo hitro pride do optimalne razporeditve obremenitve in veje gospodarnosti. Kot bistvena prednost definiranja vhodnih podatkov neposredno v nartu se izkae v primerih, ko projektant naknadno vnaa spremembe, ki lahko bistveno vplivajo na rezultate terminega, elektrinega ali mehanskega dimenzioniranja.

Ob uporabi ECAD programskih orodij je vnos dodatnih atributov enostaven, saj so ta orodja temu posebej prilagojena. Za projekt povezovanja smo uporabili programsko opremo CADdy++/SEE, ki je v Sloveniji zelo razirjena in s svojimi karakteristikami ustreza zahtevam za izvedbo celotnega postopka od izdelave narta do rezultatov izrauna. V bazi simbolov so e vkljueni standardni simboli s privzetimi vrednostmi atributov za izraune, ki jih lahko po potrebi spreminjamo. Uporabniki lahko svoje simbole tudi dodajajo in si prilagodijo knjinjice glede na njihove potrebe. Za dimenzioniranje je bistven podatek o razdalji med virom in bremenom. V primeru, da programsko orodje omogoa samodejno raunanje te razdalje, lahko govorimo o zelo eksaktnih izraunih na osnovi tonih dolin kablov in vodnikov.

Podatki v nartu niso namenjeni le dimenzioniranju v okviru tehninih izraunov, temve so tudi osnova za samodejno izdelavo seznama materiala vkljuno s kabli. V primeru, da so definirane tudi cene, lahko takoj dobimo tudi oceno strokov.

Dimenzioniranje in optimiranje elektrinih instalacij

Za izvedbo tehninih izraunov je uporabljen program ELIN, ki je v celoti plod slovenskega znanja in razvoja. Kot samostojna aplikacija je v stroki prisotna e priblino 10 let in je do sedaj delovala loeno od drugih programskih orodij, kar pomeni, da je vhodne podatke bilo potrebno vnaati rono. Za potrebe povezovanja je dodatno razvit zajem podatkov neposredno iz narta izdelanega v ECAD programski opremi CADdy++/SEE ter samodejno dimenzioniranje elementov zaite in vodnikov. Izraunane vrednosti je mono vrniti v nart in samodejno kreirati enopolne sheme. Mogo je izraun celega objekta in ne le posameznih delov.

Izraun poteka v dveh smereh, to je od zadnjega porabnika do mrenega prikljuka in obratno. Pri izraunu impedance mree upotevamo impedanco vhodne toke, ki je podana z R in X komponentama ter vse kabelske povezave.

Program v enem koraku kontrolira padec napetosti, kratkostine vrednosti in selektivnost.

Doloitev preseka kabla in zaite je doseena v sedmih korakih v skladu s predpisi IEC 364-4-43 in IEC 364-4-473 (oziroma po novem IEC standarda 60364-4-43 in 60364-4-473):

1. Doloitev bremenskega toka IB 2. Izbira zaite glede na nazivni tok In 3. Izbira ali izraun preseka vodnika S 4. Izraun kratkostinega toka Ikmax (v programu definiran kot Ik3) in preverjanje

ustrezne kratkostine zmogljivosti zaite 5. V TN sistemu izraun kratkostinega toka Ikmin (v programu definiran kot Ik1) in

preverjanje doline okvarne zanke, okvarna impedanca Zs 6. Preverjanje selektivnosti zaporednih zaitnih elementov 7. Preverjanje padca napetosti dU

1. Bremenski tok

Za izraun IB je potrebna skupna poraba. Odvisna je od faktorja istoasnosti in celotne intalirane moi v tokokrogu.

Pkon = Pi fi

kjer je Pi intalirana poraba, mo fi faktor soasnosti ("factor g" ) Pkon konina mo

IB bremenski tok (A)

IB = Pkon / (U cos) za 1f sistem IB = Max (IL1, IL2, IL3) za 3f sistem

Program izrauna bremenski tok tako, da tudi trifaznim porabnikom izrauna tok in cos() za vsako fazo posebej. Na ta nain program spremlja potek faznega zasuka kazalcev moi po celem sistemu. Doloi se lahko tudi potrebna kompenzacija za omreje.

2. in 3. Izbira zaite in preseka kabla

Pri dimenzioniranju se upotevajo pogoji, ki so prikazani tudi v oknu programa, so pa v okviru predpisa JUS N.B2.743 (SIST HD 384.4.43, IEC 60364-4-43) o zaiti pred prevelikimi toki.

Zdrni tok kabla Iz je produkt osnovnega zdrnega toka Izo in faktorjev okolice (temperatura, tevilo vzporednih vodnikov, nain polaganja vse po JUS N.B2.752, oz. SIST HD 384.5.52, IEC 60364-5-52 1993, vendar je v veliki meri upotevan nov osnutek tega standarda)

1. pogoj / pravilo nazivnega toka

IB In Iz

IB bremenski tok, za katerega je tokokrog predviden In nazivni tok zaitne naprave oznaen na napravi Iz zdrni tok trajno dovoljeni tok vodnika ali kabla

2. pogoj /pravilo izklopnega toka

I2 1,45 Iz

I2 tok, ki zagotavlja zanesljivo delovanje zaitne naprave

Tok I2 za varovalke izraunamo po formuli: I2 = kIn pri emer faktor k za posamezne nazivne tokove talilnih varovalk znaa:

TABELA - JUS N. B5. 210 Nizkonapetostne talilne varovalke

In (A) k 2 in 4 2,1

6 in 10 1,9 16 < In < 63 1,6 63 < In < l60 1,6

l60 < In < 400 1,6

Faktor k za vse instalacijske odklopnike znaa 1,45.

Vrednosti za k so razline, vendar se vse pribliujejo vrednosti 1,45. Za najnijo mono vrednost k lahko drugi pogoj napiemo tudi tako:

1,45 In 1,45 Iz In Iz

To velja e v 1. pogoju, kar pomeni, da e je izpolnjen 1. pogoj je avtomatsko izpolnjen tudi 2. pogoj.

4. Zaita pred elektrinim udarom

Pri dimenzioniranju se upoteva tudi predpis JUS N.B2.741 Zaita pred elektrinim udarom (SIST HD 384.4.41, IEC 60364-4-41).

Primerja se termina zmogljivost naprave I1 z maksimalnim predvidenim kratkim stikom Ik3

I1 > Ik3

kjer so: Ik3 = Ikmax tok 3-polnega kratkega stika (max.) I1 termina zmogljivost zaitne naprave

5. Predvideni okvarni tok

Za pravilno delovanje zaitne naprave moramo preveriti naslednji pogoj:

Ia < Ik1

kjer so: Ia izklopni tok v izklopnem asu Ti Ik1 = Ikmin tok 1-polnega kratkega stika (min)

Vrednost toka Ia pridobimo iz krivulje tok/as (I/t), ki je vnesena za vsako zaitno napravo v bazi podatkov. Tako lahko tudi iz vrednosti Ik1 doloimo izklopni as.

6. Selektivnost zaitnih naprav

Vrednosti zaitnih naprav v zaporedju morajo biti take, da napaka v enem delu mree ne sme povzroiti izpada celotnega omreja. To se dosee s tem, da je razmerje med eno in drugo stopnjo zaite tako, da je asovni integral moi prvega elementa veji od elementa druge stopnje. Za taljive varovalke velja, da je selektivnost doseena, e je to razmerje 1,6. V programu je mono to razmerje (prednastavljeno 1,55) spreminjati. 7. Izraun padca napetosti

Padec napetosti je raunan v dveh delih in sicer:

1. od porabnika do zaite lokalni 2. od porabnika preko zaite do prve toke omreja celotni

Skupni padec napetosti ne sme presegati vrednosti predpisane v Pravilniku o tehninih normativih za NN elektrine instalacije (Ur.l. SFRJ 53/88). Izraun padca napetosti upoteva nominalne napetosti (IEC 60038) in dovoljena odstopanja po DINVDE 0100-520, oziroma po naem Pravilniku (Ur.l. SFRJ 53/88).

Povezava narta z izrauni

Osnovni princip povezave programa za elektroprojektiranje in programa za preraune in optimizacijo lahko predstavimo v 4 korakih:

1. Izdelava narta elektrinih instalacij v ECAD programski opremi; - Uporaba ustreznih simbolov z ustreznimi atributi, ki sluijo za preraune, - povezave med simboli, ki sluijo za generiranje topoloke sheme omreja in za

izraun dolin kablov, - vnos ali spreminjanje vrednosti, ki odstopajo od privzetih.

Nart elektrine intalacije z vrisanimi tokokrogi (monostni del)

2. Prenos podatkov iz narta v program za preraune; - Odpiranje projektne datoteke kjer je shranjen ustrezen nart, - samodejno generiranje topoloke strukture omreja, - samodejna izvedba izraunov in optimizacija, - rono spreminjanje vrednosti atributov, kjer je to potrebno ter ponoven samodejni

izraun in optimizacija, - monost izpisa seznamov izraunanih vrednosti, - shranjevanje in samodejni prenos izraunanih vrednosti nazaj v nart (tipi kablov,

moi, tokovi, faze na katere so prikljueni porabniki,...)

Neposreden prenos podatkov za preraun in optimizacijo iz narta v program za preraune

3. Kreiranje seznamov in enopolne sheme razdelilnikov; - Samodejno kreiranje enopolne sheme razdelilnikov na osnovi prenesenih

izraunannih podatkov, - samodejno kreiranje seznamov materiala vkljuno s popisom kablov in zaitnih

naprav.

Na osnovi izraunov je enopolna shema razdelilnikov izdelana samodejno.

4. Monost ponovitve katerega koli koraka od 1-3 v vsakem trenutku.

4. ZAKLJUEK:

Izdelava narta elektrine intalacije z vrisanimi tokokrogi sicer traja nekoliko dlje asa, vendar je to le eden izmed vseh korakov v fazi priprave dokumentacije. Projektant s tem pridobi podatke, ki mu omogoajo avtomatizacijo naslednjih faz, vkljuno s prerauni, popisi materiala in oceno strokov. Bistvena prednost opisanega principa se izkae predvsem pri vnaanju naknadnih sprememb v nart, ki lahko vplivajo na e izvedene izraune. Za vejo razirjenost tovrstnih reitev in izboljave na tem podroju lahko najve prispevajo strokovnjaki sami predvsem s svojimi zahtevami, predlogi in idejami, ki bi omogoile e laje projektiranje. Z uvedbo priporoil ali certificiranja ustreznih programskih reitev s strani pristojnih intitucij, bi lahko pripomogli k iri uporabi tovrstnih orodij. Veje povpraevanje bi vspodbudilo konkurenco in s tem razvijalce k e boljim reitvam in nijim cenam. Na ta nain bi orodja postala dostopna vsem, ki se sreujejo s pripravo elektro dokumentacije. Kot stranski uinek uporabe navedenih reitev je projektna dokumentacija, ki ima enotno obliko in je v celoti izdelana po veljavnih standardih.

LITERATURA:

[1] Toma Stenak: Izrada projektne dokumentacije za elektrine instalacije, pogone i postrojenja pomou kompjutera referat na PEIPP Zagreb, IB-PROCADD d.o.o., Zagreb, november 2006.

[2] Elin, navodila za uporabo, Abakus d.o.o. in Elsyst d.o.o, maj 2006

[3] Botjan Lilija, Projektiranje elektrinih intalacij tehnini izrauni, Viharnik d.o.o., Ljubljana 2003

[4] Ivan Ravnikar: Elektrine intalacije, Tehnika zaloba, Ljubljana, 1997

[5] Pravilnik o podrobneji vsebini projektne dokumentacije, Uradni list RS, t. 35-1518/98

[6] Tehniki predpisi in standardi, ki se nanaajo na projektiranje gradbenih in drugih nartov Elektrotehnika, IZS-MSE, januar 2005