Elektryczność

Niniejszy podręcznik zawiera podstawowe i klasyczne wiadomości z teorii obwodów. Jest on przeznaczony dla studentów, którzy opanowali kurs podstawowy I semestru (matematyka, fizyka, wstęp do elektrotechniki), czyli zagadnienia związane z teorią liczb zespolonych, rachunkiem różniczkowym i całkowym oraz są zapoznani z elementarnymi pojęciami obwodów elektrycznych i magnetycznych. Wszystkie ważniejsze twierdzenia teorii obwodów podano wraz z dowodami.

Niniejszy podręcznik zawiera kontynuację materiału zawartego w I części. Jest przeznaczony dla  studentów drugiego i trzeciego roku, jako pomoc w opanowaniu ważnych działów elektrotechniki teoretycznej i teorii obwodów, w tym komputerowej analizy obwodów. Czytelnik powinien mieć podstawową wiedzę z teorii obwodów, analizy matematycznej, rachunku macierzowego i przekształcenia Laplace’a.

Skrypt jest skierowany do studentów kierunku Elektrotechnika na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej.
Niniejszy skrypt powstał jako materiał pomocniczy do zajęć z badań kompatybilności elektromagnetycznej prowadzonych w pracowniach Politechniki Warszawskiej.
W ramach laboratorium student zaznajomi się z metodyką, zakresem, sposobem przeprowadzenia i raportowania wyników badań kompatybilności elektromagnetycznej zgodnie z wymaganiami Dyrektywy Europejskiej 2014/30/EU o Kompatybilności Elektromagnetycznej. Ponadto student pozna różne metody poprawy kompatybilności elektromagnetycznej prowadzących do pozytywnego wyniku badań.

Od Autorów
Przewody elektryczne stanowią podstawowy element każdej instalacji elektrycznej stanowiącej wyposażenie budynku. Od ich poprawnego doboru zależy również bezpieczeństwo osób użytkujących instalację oraz bezpieczeństwo pożarowe budynku. Zasady doboru przewodów są jednoznacznie określone w normach przedmiotowych, z których jednak projektanci elektrycy nie zawsze korzystają, co w konsekwencji powoduje, że projektowana instalacja może mieć wiele błędów.

Bardzo istotne jest dobranie właściwych zabezpieczeń przewodów i kabli. Problematyka doboru zabezpieczeń przeciążeniowych oraz zabezpieczeń zwarciowych przewodów i kabli niskiego napięcia jest związana z ich roboczą i zwarciową obciążalnością prądową. Pierwszym krokiem jest ustalenie wartości spodziewanego prądu obciążenia IB, który stanowi podstawę doboru prądu znamionowego zabezpieczenia In oraz wstępnego doboru obciążalności długotrwałej Iz przewodu. Drugim krokiem jest dobór prądu znamionowego i/lub nastawczego zabezpieczenia nadprądowego w taki sposób, aby wytrzymały prąd IB spodziewanego obciążenia oraz prądy załączeniowe, będące prądami normalnego użytkowania. Trzecim krokiem jest dobór przekroju przewodu w taki sposób, aby spełniał on wymagania w zakresie wytrzymałości mechanicznej, obciążalności cieplnej długotrwałej i zwarciowej, dopuszczalnego spadku napięcia oraz warunki ochrony przeciwporażeniowej zgodnie z wymaganiami normy PN-HD 60364-4-41:2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym.

Osobnym problemem jest dobór przewodów do zasilania urządzeń ppoż., które muszą funkcjonować w czasie pożaru, kiedy występuje wysoka temperatura powodująca znaczny wzrost rezystancji przewodów zasilających. Zagadnienia te nie zostały dotychczas objęte normalizacją, w związku z czym często projektanci nieświadomie popełniają podczas projektowania instalacji wiele błędów, mimo że pozornie dobór przewodów został wykonany zgodnie z obowiązującymi przepisami i normami.

Generalnie w obwodach bezpieczeństwa, do których należy zaliczyć urządzenia ppoż., takie jak np. oświetlenie awaryjne, pompy pożarowe, pompy tryskaczowe, DSO oraz dźwigi dla ekip ratowniczych, a także obwody bezpieczeństwa w ruchu lotniczym, kolejowym, drogowym i wodnym oraz w obwodach kontroli dostępu, nie należy stosować wyłączników różnicowoprądowych oraz zabezpieczeń przeciążeniowych. W obwodach tych w celu wyeliminowania przypadkowych zadziałań, prądy znamionowe lub nastawcze zabezpieczeń zwarciowych należy zawyżyć o jeden lub dwa stopnie w porównaniu z zwartością wynikającą ze zwykłych zasad ich doboru. Przy doborze zabezpieczeń należy również pamiętać o zachowaniu wybiórczości ich działania z zabezpieczeniami usytuowanymi na niższych stopniach zabezpieczeń.

Niniejsze opracowanie w zamierzeniu autorów ma być podręczną „ściągą” dla projektantów i wykonawców, z której będą mogli zawsze skorzystać w warunkach budowy. Czytelników, którzy chcieliby pogłębić swoją wiedzę w zakresie doboru przewodów i kabli nn oraz ich zabezpieczania, zachęcamy do lektury książki pt. „Ochrona przeciwporażeniowa oraz dobór przewodów i ich zabezpieczeń w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia”, naszego autorstwa, wydanej w ramach serii wydawniczej „Zeszyty dla elektryków”.

Aktualne wydanie uwzględnia zmiany wynikłe z wycofania bez zastąpienia w dniu 10 maja 2017 r. przez prezesa PKN normy PN-IEC 60364-5-523:2001 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Obciążalność prądowa długotrwała przewodów.

Zawarte w publikacji tabele dopuszczalnej obciążalności prądowej przewodów są zgodne z wymaganiami normy PN-HD 60364-5-52:2011 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-52: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Oprzewodowanie.

Julian Wiatr
Marcin Orzechowski

Bezpieczeństwo pożarowe jest jednym z najważniejszych wymagań stawianych współczesnym budynkom. Wiąże się z nim szereg wymagań technicznych, które należy spełnić na etapie projektowania. Ponieważ najważniejszym elementem działań ratowniczo-gaśniczych jest ewakuacja ludzi z budynku objętego pożarem, stawia się określone wymagania dla konstrukcji budynku oraz instalowanych w nim urządzeń elektrycznych i instalacji zasilającej te urządzenia. Sprawność przebiegu ewakuacji zależy od wielu czynników, począwszy od zagwarantowanych przez właściciela, zarządcę lub użytkownika obiektu warunków technicznych do jej przeprowadzenia (drogi ewakuacyjne, wydzielenie stref pożarowych, elementy wykończenia wnętrz, oświetlenie awaryjne, znaki bezpieczeństwa), a skończywszy na urządzeniach przeciwpożarowych (dźwiękowe systemy ostrzegawcze, systemy sygnalizacji pożaru, wentylacji pożarowej, stałe urządzenia gaśnicze, tryskacze itp.). Całość rozwiązań ma m.in. za zadanie utrzymać w budynku objętym pożarem, przez założony czas, parametry środowiska (temperaturę, promieniowanie cieplne, zasięg widzialności, stężenie tlenu oraz toksyczność środowiska) umożliwiające bezpieczną ewakuację.

Prawidłowość funkcjonowania kluczowych urządzeń przeciwpożarowych zależy nie tylko od właściwego ich doboru, montażu, ale także od jakości dostarczanej energii elektrycznej, gdyż zapewnienie niezawodnego zasilania urządzeń przeciwpożarowych jest warunkiem koniecznym dla sprawnego prowadzenia akcji ratowniczo-gaśniczej.
Przewody tych instalacji narażone są na działanie wysokiej temperatury, dlatego muszą one zapewnić ciągłość dostaw energii elektrycznej o wymaganych parametrach przez czas niezbędny do funkcjonowania zasilanych urządzeń.

Towarzysząca pożarowi temperatura powoduje zmniejszenie przewodności elektrycznej przewodów, co skutkuje pogorszeniem jakości dostarczanej energii elektrycznej objawiającej się nadmiernym spadkiem napięcia oraz pogorszeniem warunków ochrony przeciwporażeniowej tych urządzeń.

Zgodnie z wymaganiami Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2005 roku, poz. 1422), do zasilania urządzeń ppoż., które muszą funkcjonować w czasie pożaru, należy stosować „zespoły kablowe” zapewniające dostawę energii elektrycznej przez czas niezbędny do ich funkcjonowania. Czas ten wynika bezpośrednio z dokumentu określanego jako scenariusz zdarzeń pożarowych, który, zgodnie z wymaganiem Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 2 grudnia 2015 roku w sprawie uzgadniania projektu budowlanego pod względem ochrony przeciwpożarowej (DzU z 2015 roku, poz. 2117), jest opracowywany dla każdego budynku, w którym instalowany jest system sygnalizacji pożaru. Wymienione wcześniej rozporządzenie Ministra Infrastruktury określa tylko wymagania w zakresie ciągłości dostaw energii pomijając wymagania w zakresie jej jakości.

Podczas pożaru wskutek wysterowania przeciwpożarowego wyłącznika prądu urządzenia elektryczne powszechnego użytku zostają wyłączone spod napięcia. W budynku, w którym zostały zainstalowane urządzenia ppoż., niedopuszczalne jest ich wyłączenie w czasie pożaru. Urządzenia te należy zasilać sprzed przeciwpożarowego wyłącznika prądu oraz zadbać o wysoką niezawodność dostaw energii elektrycznej do ich zasilania.
W odniesieniu do obwodów zasilających urządzenia elektryczne funkcjonujące w czasie pożaru proces ich nagrzewania przebiega znacznie szybciej niż podczas normalnej eksploatacji i jest spowodowany głównie działaniem wysokiej temperatury powstającej w czasie pożaru.

Dobierane przewody lub kable o wymaganej odporności ogniowej, gwarantującej dostawę energii elektrycznej przez czas określony w scenariuszu rozwoju zdarzeń pożarowych, muszą spełniać wymagania norm i przepisów techniczno-prawnych określających zasady doboru przekroju przewodów z uwzględnieniem wymagań określonych w normie N SEP-E 005 Dobór przewodów elektrycznych do zasilania urządzeń, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru.
W czasie pożaru następuje znaczny wzrost temperatury otoczenia, który skutkuje wzrostem rezystancji przewodów zasilających. Wzrost rezystancji przewodów skutkuje natomiast zwiększonymi spadkami napięć oraz zakłóceniem skutecznej ochrony przeciwporażeniowej. Zawarte w niniejszym opracowaniu informacje wymagają od czytelnika znajomości zagadnień doboru przewodów i kabli elektrycznych oraz ich zabezpieczeń. Konieczna jest również znajomość zagadnień ochrony przeciwporażeniowej, dlatego też autorzy pominęli problematykę zagadnień powszechnie znanych i skupili się na zagadnieniach pomijanych w innych publikacjach z tego zakresu.
W tym miejscu pragnę złożyć podziękowanie wszystkim osobom, które przekazały swoje uwagi i sugestie podczas pracy nad książką.

Szczególne podziękowania kieruję do recenzentów: dr. hab. inż. Stefana Gierlotki, dr. hab. inż. Pawła Piotrowskiego oraz bryg. dr. inż. Waldemara Jaskółowskiego, dziekana Wydziału Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego SGSP.
Podziękowania należą się również członkom komitetu technicznego SITP ds. bezpieczeństwa pożarowego obiektów energetyki, kierowanego przez st. bryg. w st. spocz. mgr. inż. Zdzisława Winnickiego, za cenne uwagi i sugestie przekazywane podczas pracy nad książką.

Laboratorium z podstaw elektrotechniki i elektroniki.

Podręcznik „Sieci neuronowe do przetwarzania informacji” stanowi oryginalne ujęcie najnowszych osiągnięć w dziedzinie sztucznych sieci neuronowych oraz ich zastosowań. Jest rozszerzoną i znacznie zmodyfikowaną wersją wcześniejszego wydania podręcznika pod tym samym tytułem. W stosunku do poprzedniego wydania zawiera dodatkowo omówienie sieci typu Support Vector Machine (SVM), znacznie rozbudowaną część dotyczącą sieci rozmytych oraz przedstawienie wielu nowych zastosowań.
Sztuczne sieci neuronowe zdobyły sobie szerokie uznanie w świecie nauki poprzez swoją zdolność łatwego zaadoptowania do rozwiązania różnorodnych problemów obliczeniowych w nauce i technice. Mają właściwości pożądane w wielu zastosowaniach praktycznych: stanowią uniwersalny układ aproksymacyjny odwzorowujący wielowymiarowe zbiory danych, mają zdolność uczenia się i adaptacji do zmieniających się warunków środowiskowych, zdolność generalizacji nabytej wiedzy, stanowiąc pod tym względem szczytowe osiągnięcie sztucznej inteligencji. Podstawową bazą działania sieci są algorytmy uczące pozwalające na optymalny dobór parametrów i struktury sieci dopasowujących się do problemu podlegającemu rozwiązaniu.

Opracowanie ma ułatwić przyswojenie określonej wiedzy w zakresie odbioru prac montażowych i eksploatacji urządzeń i instalacji elektrycznych do 1 kV w budynkach. Książka przedstawia zasady prac kontrolno-pomiarowych pomontażowych i eksploatacyjnych wykonywanych w budynkach.

Powinny z niej skorzystać osoby ubiegające się o dodatkowe kwalifikacje w zakresie eksploatacji i dozoru wymagane przy wykonywaniu pomiarów ochronnych w budynkach.

Egzamin kwalifikacyjny elektryka w pytaniach i odpowiedziach” to zbiór wiedzy, polecana jako doskonała książka dla każdego elektryka, początkującego i zaawansowanego w celu aktualizacji posiadanych wiadomości. Kto chce nauczyć się zawodu, może wykorzystać ją jako materiał do nauki przed przystąpieniem do egzaminu zawodowego. Bardziej doświadczony elektryk jest w stanie uaktualnić posiadaną wiedzę. Pozycja ta może być z powodzeniem używana jako podręcznik dla doświadczonego elektryka oraz źródło informacji w razie potrzeby.

Prezentowana monografia jest wynikiem wieloletnich badań, prowadzonych przez autorów w Laboratorium LSEE Uniwersytetu Artois w Bethune we Francji oraz w Instytucie Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, dotyczących modelowania i pomiarów pól magnetycznych w zblachowanych i złożonych strukturach. Monografia adresowana jest do pracowników nauki, uczestników studiów podyplomowych i doktorantów. Zawarto w niej ogólną wiedzę dotyczącą zjawisk fizycznych w materiałach magnetycznych, tak z punktu widzenia struktury atomu, jak i cząsteczek, domen magnetycznych oraz podejścia makro. Szczególną uwagę zwrócono na zjawisko anizotropii magnetycznej. Zrozumienie zjawisk fizycznych zachodzących w materiałach magnetycznych pozwala na tworzenie prawidłowych modeli oraz co najważniejsze prawidłowe stosowanie uproszczeń. Najobszerniejsza część pracy jest poświęcona różnym metodom homogenizacji.

Z materiału przedstawionego w monografii wynika, że analiza sił elektrodynamicznych towarzyszyła naukowcom i konstruktorom aparatów elektrycznych od bardzo dawna. Została wykorzystana przy konstruowaniu konkretnych aparatów, np. w przypadku obliczeń dotyczących rozłączników mechanizmowych, kontraktowych przekaźników zmiennozwarciowych czy przekaźników samochodowych. W monografii przedstawiono wiedzę z zakresu sił elektrodynamicznych występujących w aparatach elektrycznych oraz zobrazowano możliwości zastosowania obliczeń i pomiarów wspomaganych komputerowo, zaprezentowano również przykłady praktyczne.

Niniejsza publikacja odnosi się do metod kompleksowej analizy urządzeń ochrony odgromowej i przepięciowej. Jest to tematyka, która z roku na rok nabiera coraz większego znaczenia w kontekście rozwoju technologicznego instalacji elektrycznych, jak również dołączonych do nich urządzeń elektrycznych i elektronicznych.

 Rozwiązywanie zagadnień pola elektromagnetycznego

W rozdziale 1 przedstawiono treść książki na tle dokumentów normalizacyjnych funkcjonujących w tematyce łączników elektroenergetycznych. Rozdział 2 zawiera wprowadzenie do prezentowanej tematyki, formułowane od strony elektrodynamiki klasycznej, gdzie za punkt wyjścia przyjęto monumentalne równania Maxwella w próżni w postaci różniczkowej, a następnie omówiono tzw. równania elementów RCLM i równania Kirchhoffa. Rozdział 3 stanowi fundament matematyczny prezentowanych w opracowaniu obliczeń i zawiera potrzebne w omawianej tematyce elementy rachunku różniczkowego i całkowego. W rozdziałach 4–6 opisano komplet zagadnień potrzebnych do analitycznego rozwiązywania rozpatrywanych tu liniowych równań różniczkowych zwyczajnych i cząstkowych. Rozdział 4 zawiera informacje na temat obliczeń stanów ustalonych zapisu funkcji harmonicznych z użyciem amplitud zespolonych. Kulminacją rozdziału 5 jest podanie wyprowadzenia ważnego (narzędziowo) twierdzenia o rozwiązaniu ogólnym równań różniczkowych niejednorodnych (liniowych i o stałych współczynnikach), a rozdział 6 dostarcza informacje potrzebne do samodzielnego korzystania z transformat Laplace’a. W kolejnych rozdziałach omówiono istotne aspekty procesów łączeniowych w systemie elektroenergetycznym. W rozdziale 7 wprowadzono opis stanu układu z użyciem równań różniczkowych zwyczajnych oraz ważne dla analizy procesów łączeniowych pojęcia składowych wymuszonej (ustalonej) i swobodnych (przejściowych), a także podaje rozwiązania kilku istotnych przypadków. Kolejne rozdziały zawierają zastosowanie transformaty Laplace’a do algebraizacji równań różniczkowych opisujących układy liniowe (rozdział 8) i dwa rozdziały bazujące na sformułowanych dla funkcji operatorowych Laplace’a twierdzeń Thevenina (rozdział 9) i Nortona (rozdział 10). W rozdziale 11 opisano zagadnienia, które są rozwiązywane z użyciem metod numerycznych i symulatorowych, których rozwiązanie analityczne wymaga wprowadzenia istotnych, a przy tym typowych uproszczeń.

Urządzenia, instalacje i sieci elektroenergetyczne o napięciu nie wyższym niż 1 kV.

SPIS TREŚCI:

I. ELEKTROENERGETYCZNE LINIE NAPOWIETRZNE O NAPIĘCIU DO 1 kV - pytania 1-30 ... 4

II. ELEKTROENERGETYCZNE LINIE KABLOWE O NAPIĘCIU DO 1 kV - pytania 31-50 ... 27

III. INSTALACJE ELEKTROENERGETYCZNE W BUDYNKACH I OBIEKTACH BUDOWLANYCH - pytania 51-75 ... 38

IV. ELEKTRYCZNE INSTALACJE PRZEMYSŁOWE - pytania 76-85 ... 54

V. INSTALACJE ELEKTRYCZNE W BUDOWNICTWIE MIESZKANIOWYM - pytania 86-104 ... 57

VI. ZASADY EKSPLOATACJI INSTALACJI ELEKTRYCZNYCH – pytania 105-116 ... 69

VII. ELEKTRYCZNE URZĄDZENIA NAPĘDOWE – pytania 117-131 ... 76

VIII. URZĄDZENIA OŚWIETLENIOWE – pytania 132-144 ... 90

IX. BATERIE KONDENSATORÓW NISKIEGO NAPIĘCIA – pytania 145-163 ... 98

Literatura ... 110