Das beste Verteilungssystem ist eines, das sowohl gegenwärtige als auch zukünftige wahrscheinliche Lasten kostengünstig und sicher mit ausreichend Strom versorgt. Die Funktion des Stromverteilungssystems in einem Gebäude oder einer Installationsstätte besteht darin, Strom an einem oder mehreren Versorgungspunkten zu empfangen und ihn an die einzelnen Lampen, Motoren und alle anderen elektrisch betriebenen Geräte zu liefern. Die Bedeutung des Verteilungssystems für die Funktion eines Gebäudes macht es nahezu zwingend erforderlich, dass das beste System entworfen und installiert wird.
Um das beste Verteilungssystem zu entwerfen, muss der Systemkonstrukteur Informationen über die Lasten und Kenntnisse über die verschiedenen Arten von Verteilungssystemen haben, die anwendbar sind. Die verschiedenen Gebäudekategorien stellen viele spezifische Designherausforderungen dar, aber bestimmte Grundprinzipien sind allen gemeinsam. Wenn diese Prinzipien befolgt werden, wird ein solide ausgeführtes Design gewährleistet.
Zu den grundlegenden Prinzipien oder Faktoren, die bei der Konstruktion des Stromverteilungssystems berücksichtigt werden müssen, gehören:
Mehrere neue Faktoren, die in modernen Stromverteilungssystemen berücksichtigt werden müssen, resultieren aus zwei relativ neuen Veränderungen. Die erste Veränderung ist die Deregulierung der Versorgungsunternehmen. Die traditionelle Abhängigkeit vom Versorgungsunternehmen bei Problemanalysen, Energiesparmaßnahmen und -techniken sowie einer vereinfachten Kostenstruktur für Elektrizität hat sich geändert. Die zweite Veränderung ist für den Designer weniger offensichtlich, wird sich jedoch auf die Art der zu entwerfenden Geräte und Systeme auswirken. Es ist die abnehmende Anzahl qualifizierter Gebäudeelektriker, Wartungsabteilungen und Gebäudetechniker.
Moderne Technologien für die elektrische Energie können dem Planer und dem Gebäudebesitzer bei der Bewältigung dieser neuen Herausforderungen von Nutzen sein. Die Einführung von Mikroprozessorgeräten (Smart Devices) in Stromverteilungsanlagen hat die Optionen und Möglichkeiten der Gebäudebesitzer erweitert und ermöglicht eine automatische Kommunikation wichtiger Informationen zum Stromsystem (sowohl Energiedaten als auch Informationen zum Systembetrieb) und die Steuerung elektrischer Geräte.
Diese Technologien können wie folgt gruppiert werden:
Various sections of this guide cover the application and selection of such systems and components that may be incorporated into the power equipment Designed.
When considering the design of an electrical distribution system for a given customer and facility, the electrical engineer must consider alternate design approaches that best fit the following overall goals.
1.Safety: The No. 1 goal is to design a power system that will not present any electrical hazard to the people who use the facility, and/or the utilization equipment fed from the electrical system.
It is also important to design a system that is inherently safe for the people who are responsible for electrical equipment maintenance and upkeep.
The National Electrical Code® (NEC®), NFPA® 70 and NFPA 70E, as well as local electrical codes, provide minimum standards and requirements in the area of wiring design and protection, wiring methods and materials, as well as equipment for general use with the overall goal of providing safe electrical distribution systems and equipment.
The NEC also covers minimum requirements for special occupancies including hazardous locations and special use type facilities such as health care facilities, places of assembly, theaters and the like, and the equipment and systems located in these facilities. Special equipment and special conditions such as emergency systems, standby systems and communication systems are also covered in the code.
It is the responsibility of the design engineer to be familiar with the NFPA and NEC code requirements as well as the customer’s facility, process and operating procedures; to design a system that protects personnel from live electrical conductors and uses adequate circuit protective devices that will selectively isolate overloaded or faulted circuits or equipment as quickly as possible.
2.Minimum Initial Investment: The owner’s overall budget for first cost purchase and installation of the electrical distribution system and electrical utilization equipment will be a key factor in determining which of various alternate system designs are to be selected. When trying to minimize initial investment for electrical equipment, consideration should be given to the cost of installation, floor space requirements and possible extra cooling requirements as well as the initial purchase price.
3.Maximum Service Continuity: The degree of service continuity and reliability needed will vary depending on the type and use of the facility as well as the loads or processes being supplied by the electrical distribution system. For example, for a smaller commercial office building, a power outage of considerable time, say several hours, may be acceptable, whereas in a larger commercial building or industrial plant only a few minutes may be acceptable. In other facilities such as hospitals, many critical loads permit a maximum of 10 seconds outage and certain loads, such as real-time computers, cannot tolerate a loss of power for even a few cycles.
Typically, service continuity and reliability can be increased by:
4.Maximum Flexibility and Expendability: In many industrial manufacturing plants, electrical utilization loads are periodically relocated or changed requiring changes in the electrical distribution system. Consideration of the layout and design of the electrical distribution system to accommodate these changes must be considered. For example, pro- viding many smaller transformers or load centers associated with a given area or specific groups of machinery may lend more flexibility for future changes than one large transformer; the use of plug-in busways to feed selected equipment in lieu of conduit and wire may facilitate future revised equipment layouts. In addition, consideration must be given to future building expansion, and/or increased load requirements due to added utilization equipment when designing the electrical distribution system. In many cases considering trans- formers with increased capacity or fan cooling to serve unexpected loads as well as including spare additional protective devices and/ or provision for future addition of these devices may be desirable. Also to be considered is increasing appropriate circuit capacities or quantities for future growth. Power monitoring communication systems connected to electronic metering can provide the trending historical data necessary for future capacity growth.
5.Maximum Electrical Efficiency (Minimum Operating Costs): Electrical efficiency can generally be maximized by designing systems that minimize the losses in conductors, transformers and utilization equipment. Proper voltage level selection plays a key factor in this area and will be discussed later. Selecting equipment, such as transformers, with lower operating losses, generally means higher first cost and increased floor space requirements; thus, there is a balance to be considered between the owner’s utility energy change for the losses in the transformer or other equipment versus the owner’s first cost budget and cost of money.
6.Minimum Maintenance Cost: Usually the simpler the electrical system design and the simpler the electrical equipment, the less the associated maintenance costs and operator errors. As electrical systems and equipment become more complicated to provide greater service continuity or flexibility, the maintenance costs and chance for operator error increases. The systems should be designed with an alternate power circuit to take electrical equipment (requiring periodic maintenance) out of service without dropping essential loads. Use of draw out type protective devices such as breakers and combination starters can also minimize maintenance cost and out-of-service time. Utilizing sealed equipment in lieu of ventilated equipment may minimize maintenance costs and out-of-service time as well.
7.Maximum Power Quality: The power input requirements of all utilization equipment has to be considered including the acceptable operating range of the equipment and the electrical distribution system has to be designed to meet these needs. For example, what is the required input voltage, current, power factor requirement? Consideration to whether the loads are affected by harmonics (multiples of the basic 60 Hz sine wave) or generate harmonics must be taken into account as well as transient voltage phenomena. The above goals are interrelated and in some ways contradictory. As more redundancy is added to the electrical system design along with the best quality equipment to maximize service continuity, flexibility and expandability, and power quality, the more initial investment and maintenance are increased. Thus, the designer must weigh each factor based on the type of facility, the loads to be served, the owner’s past experience and criteria.
Es ist davon auszugehen, dass dem Ingenieur bei der Systemplanung nie vollständige Lastinformationen zur Verfügung stehen. Der Ingenieur muss die ihm zur Verfügung stehenden Informationen auf der Grundlage von Erfahrungen mit ähnlichen Problemen erweitern. Natürlich ist es wünschenswert, dass der Ingenieur so viele konkrete Informationen wie möglich über die Funktion, Anforderungen und Eigenschaften der Verbraucher hat. Der Ingenieur sollte wissen, ob bestimmte Verbraucher einzeln oder gemeinsam als Einheit funktionieren, wie groß der Bedarf der Verbraucher einzeln und als Einheit ist, die Nennspannung und -frequenz der Geräte, ihren physischen Standort zueinander und zur Quelle sowie die Wahrscheinlichkeit und Möglichkeit einer zukünftigen Verlagerung von Verbrauchern und Hinzufügung von Verbrauchern.
In Verbindung mit diesen Informationen ermöglicht das Wissen über die wichtigsten Typen elektrischer Energieverteilungssysteme den Ingenieuren, das optimale Systemdesign für das jeweilige Gebäude zu entwickeln.
Es liegt außerhalb des Rahmens dieses Handbuchs, eine detaillierte Erörterung der Lasten zu geben, die in den verschiedenen Gebäudetypen vorkommen können. Unter der Annahme, dass der Konstrukteur die erforderlichen Lastdaten zusammengestellt hat, werden auf den folgenden Seiten einige der verschiedenen Arten von elektrischen Verteilungssystemen erläutert, die verwendet werden können. In der Beschreibung der Systemtypen und den Diagrammen zur Erläuterung der Systemtypen auf den folgenden Seiten wird der Übersichtlichkeit halber die Position der Geräte zur Verbrauchszähler weggelassen. Außerdem wird eine Erörterung von Kurzschlussberechnungen, Koordination, Spannungsauswahl, Spannungsabfall, Erdschlussschutz, Motorschutz und anderen spezifischen Geräteschutzfunktionen gegeben.
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