Nr 178 3 Witold Hoppel Politechnika Poznańska, Wydział

Sieci elektroenergetyczne
Witold Hoppel
Politechnika Poznańska, Wydział Elektryczny
Badanie instalacji uziemiających stacji SN/nN
1. Wstęp
Przedstawiona poniżej wykładnia wymagań dotyczy stacji SN/nN:
• przyłączonych do sieci SN, czyli o napięciu nominalnym powyżej 1 kV do 45 kV
włącznie, niezależnie od sposobu pracy ich punktu neutralnego,
• współpracujących z sieciami i instalacjami nN wykonanych w najbardziej rozpowszechnionym w Polsce systemie TN,
• posiadających wspólną instalację uziemiającą dla strony SN i nN stacji, czyli brak
rozdzielenia uziomu ochronnego i funkcjonalnego.
Stwierdzenia zawarte w niniejszej publikacji w stosunku do sprawdzania napięć
rażeniowych są prawidłowe dla innych systemów sieci nN, jak i również rzadko spotykanego w Polsce rozdzielenia uziemień stacji SN/nN na ochronne i funkcjonalne.
Należy wyraźnie stwierdzić, że prowadzenie dwóch przewodów uziemiających w stacji SN/nN pomalowanych na kolory niebieski i żółto-zielony do tego samego uziomu lub nawet uziomów różnych, ale znajdujących się bardzo blisko siebie, to nie jest
rozdzielenie uziemień, jak czasem uważają „fachowcy”. Wymieniając w pierwszym
akapicie właściwości stacji nie zakłada się, że energia elektryczna w ocenianej stacji
płynie od strony SN do nN, ale dowolnie, ponieważ coraz powszechniejsze są lokalne
źródła energii elektrycznej, przyłączane również czasem do sieci nN.
W Polsce w sieciach publicznych spotyka się jeszcze pozostałości starych sieci
TT, ale powinny one być jak najszybciej przebudowane na sieć w systemie TN.
Kryteria oceny uziemień stacji SN/nN wywodzą się z warunków wynikających
z przepisów dla urządzeń SN i wymagań dla sieci nN. Uziemienie stacji SN/nN
powinno być oceniane pod względem wartości napięcia uziomowego, napięć rażeniowych i rezystancji. Są to tzw. kryteria pierwotne. Napięcia rażeniowe przeważnie są trudniejsze w sprawdzaniu, często dąży się do doprowadzenia do wymaganej
maksymalnej rezystancji uziemienia (na razie w artykule nie określa się jej dokładniej). Z pobieżnych wiadomości na temat sprawdzania wymagań dla uziemień stacji SN/nN w poszczególnych polskich zakładach dystrybucyjnych czy w zakładach
przemysłowych wynika, że do tego problemu podchodzi się w bardzo zróżnicowany
sposób. Wynika to z jednej strony z różnej interpretacji przepisów, a z drugiej – stopnia dbałości o stan tych stacji. Zauważa się dwie zupełnie skrajne sytuacje – brak
sprawdzania nawet rezystancji uziemienia w wymaganym pięcioletnim okresie eksploatacji, a z drugiej strony – szczegółowe pomiary napięć rażeniowych w każdym
Nr 178
3
Sieci elektroenergetyczne
przypadku – niezależnie od parametrów sieci, usytuowania stacji czy znanej i bardzo
małej jej rezystancji uziemienia, a także położenia stacji na terenie zespolonej instalacji uziemiającej.
2. Podstawy prawne
Autor nie będzie tym artykułem brał udziału w dyskusji, czy należy stosować
normy w języku polskim, ciągle istniejące w wykazach norm powołanych, ale wycofane przez PKN, czy normy w języku oryginału ustanowione przez PKN1. Ponieważ
różnice w zakresie potrzebnych zapisów norm dotyczą przeważnie wartości pewnych
wielkości kryterialnych, a nie spraw merytorycznych, przytaczane będą obydwa wymagania. W momencie korzystania z artykułu Czytelnik powinien sprawdzić, które
normy są w danym momencie obowiązujące.
Niniejszy artykuł w dużej części opierać się będzie na normie [1] wycofanej przez
PKN i komentarzu do tej normy [2], który wyjaśnia wiele jej trudniejszych aspektów.
Poza tym ważna jest dla omawianych zagadnień norma [4], w nowszej wersji [5]. Pewne wymagania znajdują się w normie [6]. Dobrze wymagania dla strony nN stacji są
zebrane w normie [7], która jednak ma niższą rangę prawną. Znajdują się w niej m.in.
czytelne zasady obliczania prądów zwarć doziemnych i czasu trwania ich przepływu
wprowadzone na podstawie zaleceń autora niniejszego artykułu.
W tekście artykułu cytaty z norm lub zaczerpnięte z nich stwierdzenia będą
zaznaczone kursywą. W niektórych miejscach autor pozwolił sobie na pewne stylistyczne poprawki.
3. Definicje
Dla przypomnienia podaje się kilka definicji na podstawie [1, 7] i komentarza [2].
Napięcie uziomowe (UE) jest napięciem występującym pomiędzy układem uziomowym i ziemią odniesienia [7]. To napięcie przeważnie jest związane z doziemieniem, ale nie zawsze [9]. Może być spowodowane innymi zjawiskami, ale przeważnie
ma wówczas niewielkie wartości.
Napięcie dotykowe rażeniowe (UT) jest częścią napięcia uziomowego, wywołanego doziemieniem, która może pojawić się na ciele człowieka zakładając, że prąd przepływa na drodze ręka-stopy (pozioma odległość do części dotykanej 1 m) [1]. Można
tę wielkość definiować roboczo jako część napięcia uziomowego stanowiącą spadek
napięcia na rezystancji ciała człowieka pomiędzy częścią przewodzącą a powierzchnią gruntu w odległości 1 m od niej. Jest to najczęściej używana wielkość, a należy
sądzić, że najbardziej wiarygodna, do oceny zagrożenia porażeniowego w urządzeniach o napięciu nominalnym powyżej 1 kV.
Napięcie dotykowe spodziewane (UST) pojawia się podczas doziemienia między częściami przewodzącymi a ziemią, gdy części te nie są dotykane [1]. W praktyce
1
4
Problem ten rozstrzyga artykuł pt.: „Pojmowanie przepisów i norm bezpieczeństwa”. Musiał E. Biuletyn
SEP „Miesięcznik INPE” nr 93–94, 2007 r., s. 3–23 (przyp. red.).
Sieci elektroenergetyczne
można uważać, że jest to różnica potencjałów pomiędzy wymienionymi poprzednio
elementami. W [1] podaje się, że w języku angielskim to napięcie nazwano „source
voltage for touching UST ” czyli „napięcie dotykowe źródłowe”, niemieckie pojęcie
tłumaczy się jako „napięcie dotykowe biegu jałowego”. Autor spotkał się z interpretowaniem tego pojęcia jako napięcie dotykowe rażeniowe zmierzone przy przepływie
prądu pomiarowego i przeliczone do warunków zwarciowych, co jest dużym błędem.
Konstruując krzywe napięć dopuszczalnych korzysta się z dopuszczalnych prądów rażeniowych i rezystancji ciała człowieka, która jest funkcją przyłożonego napięcia oraz zmienia się mniej więcej w zakresie 1 kΩ – 3 kΩ. Natomiast podczas
pomiarów napięć dotykowych rażeniowych przyjmuje się wartość rezystancji ciała
człowieka stałą i równą 1000 Ω.
Napięcie krokowe rażeniowe (US) jest częścią napięcia uziomowego wywołanego
doziemieniem, które może pojawić się na ciele człowieka między stopami rozstawionymi na odległość 1 m, zakładając, że prąd przepływa przez ciało człowieka na drodze
stopa-stopa [1].
Dla potrzeb niniejszego artykułu ostatnie trzy pojęcia będą wspólnie nazywane
napięciami rażeniowymi, bez wchodzenia w szczegóły, którego z nich to dotyczy.
Instalacja uziemiająca jest to lokalnie ograniczony układ połączonych elektrycznie uziomów lub metalowych części wykorzystywanych dla celów uziemienia (np. fundamentów słupów, zbrojeń lub metalowych powłok kabli, przewodów uziemiających
i przewodów wyrównawczych [1].
Uziemienie – ogół środków i przedsięwzięć wykonanych w celu uziemienia [1].
W [7] jest następująca definicja:
Instalacja uziemiająca – zespół wszystkich połączeń elektrycznych i elementów
służących do uziemienia sieci, instalacji lub urządzenia. Termin „instalacja uziemiająca” jest zastępowany często słowem „uziemienie”.
Stąd wywodzi się termin „rezystancja uziemienia”, która określana jest jako część
rzeczywista impedancji uziemienia.
Impedancja uziemienia – impedancja przy danej częstotliwości, między określonym punktem sieci, instalacji lub urządzenia a ziemią odniesienia.
Uziom – część przewodząca umieszczona w/na gruncie lub w określonym, przewodzącym ośrodku, np. w betonie, znajdująca się w kontakcie elektrycznym z ziemią [7].
Pod pojęciem uziom sztuczny dla potrzeb niniejszej publikacji rozumieć się będzie część metalową mającą styczność z ziemią lub wodą, która została wykonana
specjalnie dla celów uziemienia urządzenia elektrycznego lub budowli. Przeważnie
składa się z uziomów poziomych lub/i pionowych wykonanych z taśm, prętów, rur,
płyt itp.
Znamionowy prąd ziemnozwarciowy rezystora uziemiającego jest to prąd, który płynie przez rezystor podczas bezrezystancyjnego zwarcia doziemnego na szynach
zbiorczych, do których jest przyłączony (definicja własna).
Nr 178
5
Sieci elektroenergetyczne
4. Wymagania stawiane instalacjom uziemiającym stacji SN/nN
Instalacje te pod względem elektrycznym spełniają różne funkcje, a stawiane wymagania nie wynikają z jednej normy, ale kilku różnych. Podjęto tutaj próbę zestawienia tych zadań i opracowanie zbiorczych wymagań z nich wynikających.
a) Pierwsze zadanie to ograniczenie do wartości dopuszczalnych napięć rażeniowych pojawiających się podczas zwarć doziemnych w sieci niskiego napięcia
poprzez część nie połączoną z przewodem PEN. Warunek dotyczy tylko tych stacji SN/nN, z których wyprowadzone są linie napowietrzne nN (nawet jak linia
napowietrzna jest przejściem z kablowej), ponieważ tylko w nich możliwe jest
zwarcie przewodu fazowego z częścią przewodzącą obcą. Na podstawie normy
[6] powinna być spełniona zależność, która ogranicza napięcie przewodu PEN
względem ziemi do 50 V:
50
RB ≤ RE (1)
U o − 50
w której:
R B – wypadkowa rezystancja uziemienia wszystkich uziomów połączonych równolegle,
R E – minimalna rezystancja styku z ziemią części przewodzących obcych niepołączonych z przewodem ochronnym, przez które może nastąpić zwarcie pomiędzy przewodem liniowym a ziemią,
UO – napięcie nominalne (wartość skuteczna) sieci względem ziemi w woltach.
W normie [7] objaśnienia do wzoru [1] są nieco zmodyfikowane i brzmią następująco:
• R B – wypadkowa rezystancja uziemienia wszystkich uziemień punktów neutralnych i przewodów PEN (PE) linii napowietrznych i innych tworzących
sieć elektroenergetyczną połączonych równolegle uziomów stacji (np. uziomu
sztucznego, konstrukcji, powłok kabli SN, uziomów w głębi sieci nN),
• 50 – najwyższe dopuszczalne długotrwale napięcie dotykowe spodziewane,
w woltach,
• R E – minimalna rezystancja między przewodem liniowym (fazowym) i ziemią
odniesienia w miejscu zwarcia, jeżeli ustalenie wartości RE jest trudne, można
przyjmować R E jako równe 10 Ώ,
• UO – wartość skuteczna napięcia nominalnego linii względem ziemi, w wolatch.
Norma [7] uściśla, że jeśli ustalenie R E jest trudne, można je przyjmować równe
10 Ω. Warto wspomnieć, że to uproszczenie jest krytykowane przez niektórych
specjalistów i uważane jako zbyt zaniżające wymaganą wartość R B [10]. Autor
niniejszego artykułu nie oceniając wartości 10 Ω uważa dyskusję o niej jako
zbędną, ponieważ w praktyce rzadko ten warunek decyduje o wymaganej wartości R B w polskich sieciach. Po wstawieniu wartości Uo = 230 V oraz R E = 10 Ώ
otrzymuje się:
6
RB ≤ 2,78 Ω.(2)
Sieci elektroenergetyczne
b) Zapewnienie właściwych wartości napięć rażeniowych wokół stacji. Wpływa na to wartość napięcia uziomowego, rezystywność powierzchniowej warstwy
gruntu (podłoża) i konfiguracja uziomu. Warunki dla spełnienia tego wymogu
zostaną omówione bardziej szczegółowo w dalszej części tekstu.
c) Zapewnienie działania środkom dodatkowej ochrony przeciwporażeniowej
przy uszkodzeniu przewodu PEN. Wymóg ten w PN i EN nie jest ujęty w precyzyjne ramy. W [6] jest sformułowanie, że przewody ochronne należy łączyć z ziemią wszędzie tam, gdzie jest to możliwe. Stąd w różnych przepisach i wytycznych
pojawiają się uzupełniające zasady odnośnie dodatkowego uziemiania przewodu
PEN. Składają się z dwóch części:
• dotyczącej uziomu w pobliżu stacji, którego rezystancja jest oznaczana w [7]
jako R BN (N pochodzi od punktu neutralnego sieci),
• uziomów w głębi sieci o rezystancjach oznaczanych jako R Bi.
Warunek dotyczący R BN jest opisany w oddzielnym punkcie niniejszego artykułu, natomiast problem R Bi dotyczy już samych linii nN oraz instalacji odbiorczych i rozmieszczenia w nich dodatkowych uziemień przewodu PEN lub PE.
d) Zapewnienie właściwych potencjałów w sieci nN podczas doziemienia po
stronie SN stacji wg zależności [1, 7]:
RB ≤
U F (3)
UF ,
=
I E r ∙ I k1
w której:
UF – maksymalne dopuszczalne napięcie zakłóceniowe (uziomowe) w stacji SN/
nN,
IE – prąd uziomowy wywołany zwarciem doziemnym po stronie SN, przy czym
ściśle biorąc w normie [4] prąd uziomowy jest oznaczany jako Im, oznaczenie IE
przyjęto jako bardziej rozpowszechnione i zgodne ze współczesnymi standardami,
r – współczynnik redukcyjny powłok kablowych,
Ik1 – prąd zwarcia doziemnego.
Warunek (3) wynika z norm [4, 5] i jest kryterium wtórnym. Kryterium pierwotne jest związane z dopuszczalnym maksymalnym czasem trwania określonego
napięcia zakłóceniowego.
Wzór (3) należy interpretować w ten sposób, że wartość rezystancji uziemienia
stacji powinna być tak dobrana, aby przy określonej wartości prądu uziomowego
nie nastąpiło przekroczenie dopuszczalnych napięć zakłóceniowych określonych
na rys. 1 i 2. Warto może zwrócić uwagę na podpis pod rysunkiem 1, który jest
dosłownie taki, jak w normie [4]. Otóż norma w zasadzie określa dopuszczalny
czas trwania napięcia zakłóceniowego przy określonej jego wartości, czyli stawia
wymaganie odnośnie nastawy czasowej zabezpieczeń od skutków zwarć doziemnych. Zwraca się uwagę, że na rys. 1 i 2 zamieszczono różne krzywe – odpowiedNr 178
7
Sieci elektroenergetyczne
nio wg norm [4] i [5]. Jest to problem formalny omawiany w punkcie 2. Czytelnik musi zdecydować, z której krzywej skorzystać. Pytanie może być również
następujące: prawo budowlane nakazuje korzystać z zasad wiedzy technicznej.
Czy pewniejszą wiedzą techniczną jest norma w języku polskim sprzed 15 lat czy
norma w języku angielskim znacznie nowsza?
Odpowiednik wymogu (3) w normie [1] jest sprecyzowany w postaci zależności:
UE ≤ UTp
(4a)
UE ≤ X ∙ UTp
(4a)
lub jeszcze łagodniej:
gdzie:
UTp – największe dopuszczalne napięcie dotykowe rażeniowe dla określonego
czasu przepływu prądu rażeniowego,
X – współczynnik, który zwykle wynosi 2, a w specjalnych przypadkach można
dopuścić jego zwiększenie do 5.
Rys. 1. Maksymalny czas trwania napięcia zakłóceniowego F i napięcia dotykowego T, spowodowanych doziemieniem w sieci WN [4]
8
Sieci elektroenergetyczne
Rys. 2. Dopuszczalne napięcie zakłóceniowe wg [5]
Warunki (4) są ujęte jako wymagania stawiane wspólnej instalacji uziemiającej
(w domyśle – spełniającej funkcje uziemienia ochronnego i funkcjonalnego) oraz
ze względu na bezpieczeństwo rażeniowe (napięcie dotykowe rażeniowe). Należy
sądzić, że dotyczą one bezpieczeństwa w samych instalacjach u odbiorców lub na
trasie linii nN, a nie przy samej stacji.
Wzór 4a należy stosować, jeśli połączenie przewodu PEN lub sieci niskiego napięcia z układem uziomowym wysokiego napięcia jest wykonane tylko na terenie
stacji transformatorowej. Wzór 4b stosuje się, jeśli przewód PEN jest uziemiony
w wielu punktach.
Po sprawdzeniu wykresów UF w normie [4] i UTp w normie [1], z zależności (4)
wynikają znacznie łagodniejsze warunki dla wymaganych rezystancji uziemienia
stacji SN/nN w porównaniu z zależnością (3). Autor, zresztą zgodnie z komentarzem w [2], skłania się do zalecania warunku wynikającego ze wzoru (3), bo
wynika on z norm dla instalacji elektrycznych niskiego napięcia i w ten sposób
przeniesiono to do normy [7]. Wzory (4) należy raczej stosować dla instalacji
znajdujących się na wydzielonych terenach ruchu elektrycznego i wszyscy polscy
specjaliści są zgodni co do tego, że nie dotyczą publicznych sieci nN.
e) Ochrona izolacji wyposażenia instalacji niskiego napięcia przed skutkami
przepięć wywołanych zwarciem po stronie górnego napięcia transformatora.
Dopuszczalne przepięcie prądu przemiennego dla wyposażenia instalacji nN
wynosi przy czasie wyłączenia > 5 s Uo + 250 V, a przy czasie ≤ 5 s Uo + 1250 V.
Te warunki są w sieciach TN bez rozdzielenia uziemień w stacji spełnione jakby
automatycznie na podstawie punktu d.
Nr 178
9
Sieci elektroenergetyczne
f) Współpraca z ochroną odgromową. Dla uziemień odgromowych zalecana wartość rezystancji nie powinna być większa od 10 Ώ, co – jak podano w [8] – wynika z normy PN-EN 62305-3. Można wartość tę interpretować jako wymaganie
dla uziomu sztucznego stacji.
Uziom i przewody uziemiające powinny być dobrane także ze względów cieplnych i mechanicznych, jednak to zagadnienie jest rozpatrywane tylko jednokrotnie na etapie projektowania stacji.
5. Wymagana wypadkowa rezystancja uziemienia
W podanych wyżej wymaganiach pojawiają się trzy uwarunkowania odnoszące
się bezpośrednio do wypadkowej rezystancji uziemienia: w punktach a, d oraz f, ale
trzeba wybrać najostrzejszy z warunków (2) lub (3), a także uwzględnić wymagania
ochrony odgromowej. Z tego wynika, że wypadkowa rezystancja uziemienia stacji
SN/nN, z których wychodzą linie napowietrzne niskiego napięcia, w żadnym przypadku nie może być większa od 2,78 Ώ, ale może być wymagana wartość mniejsza.
Dla stacji zasilających tylko linie kablowe nN przeważnie obowiązujący będzie warunek (3).
Czas doziemienia
Wartość UF we wzorze (3) jest funkcją czasu trwania zagrożenia porażeniowego
t F czyli czasu trwania zakłócenia (przepływu prądu zwarcia doziemnego przez uziom
danej stacji). Czas ten w stacjach zasilanych z linii nie wyposażonych w automatykę
SPZ wynika z zależności:
t F = two + tnast + tAWSCz(5)
w której:
two – czas własny wyłącznika przy wyłączaniu,
tnast – czas nastawiony na podstawowym zabezpieczeniu ziemnozwarciowym linii
zasilającej badaną stację (w zasadzie powinien to być czas zadziałania, ale jest on
praktycznie równy nastawionemu),
tAWSCz – czas opóźnienia załączenia automatyki AWSCz – uwzględnia się go, jeśli
sieć jest kompensowana i w tę automatykę wyposażona.
Bardzo wyraźnie należy zwrócić uwagę, że w przypadku zastosowania łączników
w głębi sieci (nazywanych reklozerami) wyposażonych w zabezpieczenia, właśnie te
zabezpieczenia są podstawowymi. Wystąpi wówczas sytuacja, że stacje SN/nN zasilane z tej samej linii średniego napięcia mogą mieć różne czasy t F, co prowadzi do
niejednolitych wymagań dla uziemień. Może to być kłopotliwe podczas eksploatacji
– stosowanie czasu nastawionego w polu liniowym GPZ-u zawyża nieco wymagane
rezystancje uziemień, ale pozwala na ich ujednolicenie.
Jeśli sieć pracuje jako skompensowana, ale bez automatyki AWSCz, to oznacza,
że nie ma w niej zabezpieczeń ziemnozwarciowych działających na wyłączenie linii,
a tylko na sygnalizację i należy przyjąć czas rażenia bardzo długi (ale nie nieskoń10
Sieci elektroenergetyczne
czenie długi). Należy wspomnieć, że takie rozwiązanie jest prawnie dopuszczalne
wg normy [1], ale nie zalecane – może przyczynić się do wzrostu zagrożenia porażeniowego takiej sieci podczas zwarć nie tylko w stacjach SN/nN, ale głównie na
trasie linii – szczególnie podczas opadnięcia przewodu na grunt. Sygnalizuje się, że
we wprowadzonej już przez PKN normie [3] znajduje się zdanie, że w takich sieciach
należy rozpatrzyć możliwość powstawania podwójnych zwarć doziemnych czyli
uwzględnienia stosunkowo dużego prądu uziomowego, znacznie większego niż przy
pojedynczych zwarciach doziemnych.
Polskie i europejskie normy nie precyzują, w jaki sposób uwzględnić automatykę
SPZ. Dość powszechnie (np. w [7]) przyjmuje się dawną zasadę, że jeśli czas przerwy
bezprądowej nie przekracza 3 sekund, czasy „prądowe” sumuje się. W sposób bardziej oczywisty – przy czasie przerwy w cyklu SPZ nie przekraczającym 3 sekund należy zsumować czasy trwania zwarć w pierwszym cyklu SPZ. Druga przerwa w cyklu
SPZ w typowych polach z wyłącznikami o napędzie sprężynowym jest większa od
3 sekund i nie potrzeba trzeciego zwarcia doziemnego uwzględniać w obliczeniach.
Prąd doziemienia
Wg normy [1] za wartość prądu pojedynczego doziemienia Ik1 w różnych sieciach
należy przyjąć:
• z izolowanym punktem neutralnym – pojemnościowy prąd zwarcia z ziemią IC ,
• skompensowanych – prąd resztkowy zwarcia doziemnego I ’’Res ,
• w sieci z punktem neutralnym uziemionym przez mały opór, prąd początkowy
zwarcia doziemnego I ’’ k1 .
Ze względu na to, że w literaturze spotyka się bardzo różne oznaczenia prądu
zwarcia doziemnego w sieciach z nieskutecznie uziemionym punktem neutralnym
oraz występuje wątpliwość, czy sieć z punktem neutralnym uziemionym przez mały
opór wg normy [1] odpowiada sieci z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor, w niniejszej publikacji prąd doziemienia będzie wszędzie oznaczany Ik1 z pominięciem apostrofów odnoszących się do stanu podprzejściowego. Z badań prowadzonych w Politechnice Poznańskiej w różnych sieciach wynika, że podczas zwarć
doziemnych stany przejściowe prądu trwają relatywnie krótko (około 10 ms) i najczęściej są podobne do przebiegu zarejestrowanego w sieci skompensowanej, który
pokazany jest na rys. 3.
Ik1
t
Rys. 3. Typowy przebieg prądu ziemnozwarciowego w sieci skompensowanej
Nr 178
11
Sieci elektroenergetyczne
Dla sieci z punktem neutralnym izolowanym, uziemionym przez rezystor i skompensowanej bez AWSCz można przyjąć, że wartość prądu Ik1, który należy wstawić
do wzoru (3), jest praktycznie niezmienna w czasie zwarcia doziemnego, a jej obliczenie jest proste. Dla sieci skompensowanych z AWSCz w czasie doziemienia następuje
zmiana wartości prądu, po czasie 2 s –3 s na zgaszenie zwarcia przez dławik, do prądu
resztkowego dodaje się IAWSCz i przez czas około 0,5 s – 1,0 s płynie prąd większy. To
zdanie o zwiększeniu prądu ziemnozwarciowego dotyczy zwarć bezrezystancyjnych,
a za takie trzeba uznać zwarcia w stacjach SN/nN (rezystancja mniejsza niż 5 Ω).
Podczas zwarć przez dużą rezystancję włączenie AWSCz może spowodować zmniejszenie składowej zerowej napięcia i zmniejszenie wartości prądu ziemnozwarciowego. Nie ma w teorii ochrony od porażeń zasad uwzględniania wpływu zmiany prądu
czy napięcia rażeniowego w czasie rażenia. Jeśli takie zjawisko ma miejsce, należy
analizę prowadzić dla wartości największej, co zaostrza wymagania dla uziemień.
Z takim przypadkiem mamy do czynienia w sieciach z AWSCz.
Prąd uziomowy
Pewne wątpliwości może budzić zasadność uwzględniania współczynnika r, który wynika z redukcyjnego działania powłok i żył powrotnych kabli. Wyjaśnione jest
to na rys. 4, który również w ogólny sposób przybliża zjawisko „przenoszenia napięcia” ze strony SN na nN. Przyjęto przy tym uproszczenie, że uziemienie punktu
neutralnego sieci jest wykonywane w transformatorze zasilającym (nazywanym też
transformatorem mocy), a nie tak, jak to jest w rzeczywistości, w transformatorze
uziemiającym w polu potrzeb własnych.
Rys. 4. Powstawanie napięcia zakłóceniowego w stacji SN/nN przy zwarciach w sieci SN – schemat dla sieci kablowej z uwzględnieniem redukcyjnego działania powłok
Na tym rysunku przyjęto pewne dodatkowe oznaczenia:
ZN – impedancja elementu w punkcie neutralnym sieci SN, może wynikać z parametrów rezystora, dławika itp.,
R ES – rezystancja uziemienia w stacji zasilającej sieć SN, w polskich warunkach jest to
przeważnie rezystancja uziemienia GPZ-u,
12
Sieci elektroenergetyczne
R BN , R B1, R B2 – cząstkowe rezystancje wpływające na wartość wypadkowej rezystancji uziemienia R B stacji SN/nN, w tym przypadku R BN symbolizuje uziom przy stacji,
R Bi – uziemienia na trasie linii nN, elementów tych może być bardzo dużo, w rozbudowanych sieciach nawet kilkaset,
Ip – prąd w powłoce lub żyle powrotnej kabla.
Zagrożenie porażeniowe i wzrost napięcia uziomowego w stacji SN/nN powoduje tylko prąd IE . Prąd Ip zamyka swój obwód z pominięciem ziemi. Występuje następująca zależność:
IE = Ik1 ∙ r(6)
przy czym współczynnik redukcyjny wg [1] dla wybranych kabli SN wynosi:
• Cu 95 mm 2 z powłoką ołowianą 1,2 mm: 0,2–0,6,
• Al 95 mm 2 z powłoką aluminiową 1,2 mm: 0,2–0,3,
• jednożyłowych kabli XLPE Cu 95 mm 2 z miedzianą żyłą powrotną 16 mm 2:
0,5–0,6.
Bardziej szczegółowe dane odnośnie współczynników powrotnych nie są autorom znane i prawdopodobnie nie są opublikowane. Stąd można ten współczynnik
bezpiecznie przyjmować dla większości kabli równy 0,6.
Jest poza tym bardzo ważne stwierdzenie, że linie napowietrzne SN nie wyposażone w przewody odgromowe nie wprowadzają opisanego zjawiska i dla stacji zasilanych takimi liniami należy przyjmować r = 1, czyli występuje
IE = Ik1(7).
Szczegóły obliczania prądu doziemienia
W sieciach skompensowanych z AWSCz pojawia się problem sposobu uwzględniania zmiany prądu ziemnozwarciowego po załączeniu wymuszania. Norma [1]
praktycznie tego problemu nie zauważa. Podaje również, że w stacjach bez dławika
(w domyśle: SN/nN, a nie stacjach zasilających sieć) należy do obliczeń używać Ires
– czyli prądu resztkowego, jeśli nie jest znany – przyjmować 0,1IC (gdzie IC – prąd
pojemnościowy doziemny sieci).
W sieciach skompensowanych zakłada się przy tym, że prąd resztkowy ma charakter bierny, zaniedbuje się więc upływność sieci i wyższe harmoniczne, co dla dokładności obliczeń uziomów jest zupełnie wystarczające.
Stąd dla poszczególnych sposobów pracy punktu neutralnego zaleca się stosować
następujące zasady:
a) do obliczania Ik1 we wszystkich rodzajach sieci należy przyjąć najbardziej niekorzystny z tego punktu widzenia jej układ, przy którym prąd ten ma największą
wartość,
b) w sieci z izolowanym punktem neutralnym jako prąd zwarcia doziemnego Ik1
przyjmuje się IC ,
Nr 178
13
Sieci elektroenergetyczne
c) w sieci z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor prąd zwarcia doziemnego można przyjmować wg wzoru:
I k1 = I R2 + I C2 (8)
gdzie:
IR – znamionowy prąd ziemnozwarciowy rezystora lub przy równoległej pracy
pól potrzeb własnych – rezystorów.
Ponieważ wzór (8) w wielu sytuacjach daje zawyżone wyniki, należy zwrócić
uwagę za zastrzeżenie podane w punkcie „Obliczanie prądu ziemnozwarciowego
w niektórych sieciach o punkcie neutralnym uziemionym przez rezystor”.
d) w sieci skompensowanej bez automatyki AWSCz, co w Polsce spotyka się już
rzadko, jest kilka sposobów postępowania:
• jeśli dokładnie są znane parametry sieci i nastawienie dławika, to można skorzystać z zależności:
Ik1 = |IC – IL|(9)
• jeśli zastosowana jest kompensacja płynna, to zaleca się przyjmowanie:
Ik1 = 0,1IC(10)
lub bezwzględnej wartości prądu rozkompensowania określonego w nastawach regulatora,
• jeśli jest znany tylko pojemnościowy prąd zwarcia sieci bez nastaw dławika,
to norma dopuszcza zastosowanie zależności (10), jednakże autorzy uważają,
że dla ostrożności lepiej stosować dawną zasadę:
Ik1 = 0,2IC ,(11)
e) w sieci skompensowanej z automatyką AWSCz należy zastosować zasady podane
w punkcie poprzednim, ale uwzględniając prąd czynny, czyli odpowiednio:
2
2
I k1 = I AWSCz
+ (I CS − I L ) (12)
2
I k1 = I AWSCz
+ (0,1I CS ) 2 (13)
2
I k1 = I AWSCz
+ (0,2 I CS ) 2 (14)
W praktyce często podczas sprawdzania warunków ochrony nie uwzględnia się
prądu wymuszanego przez układ AWSCz, co jest dużym uproszczeniem. Zawiera się
on w granicach 15 A – 25 A, rzadko osiąga 40 A (urządzenie AWP-40), a w pojedynczych rozwiązaniach dochodzi nawet do 100 A.
Uwzględnienie prądu AWSCz stawia trudniejsze warunki dla rezystancji uziemień. Można także w sieciach skompensowanych (czyli w takich, gdzie kompensacja
spełnia warunek z definicji o indukcyjności dławika zasadniczo dobranej do pojem14
Sieci elektroenergetyczne
ności sieci) niezależnie od rodzaju dławika zawsze stosować wzór (13) ze współczynnikiem 0,1 przy IC , a nie wzór (14) ze współczynnikiem 0,2. Ma to w jakiś sposób,
zgodny z normami, rekompensować wpływ przyjęcia największego prądu ziemnozwarciowego w czasie doziemienia.
Wpływ konfiguracji sieci
We wcześniejszym tekście wstępnie wspomniano, że w obliczeniach prądu zwarcia doziemnego w konkretnej stacji Sn/nN, należy w danej sieci wybrać największą
jego wartość wynikającą z możliwych jej konfiguracji. Jest dość oczywiste, że w sieciach o izolowanym punkcie neutralnym lub uziemionym przez dławik kompensujący wartość tego prądu nie zależy od położenia danej stacji w sieci, czyli np. od impedancji wzdłużnej linii. Nawet w sieci z punktem neutralnym uziemionym przez
rezystor zależność taka jest na tyle niewielka, że jej uwzględnianie jest wskazane
tylko w niektórych przypadkach. Większe błędy dotyczące wielkości oceniających
ochronę porażeniową wynikają np. z szacowania sezonowej zmienności rezystywności gruntu.
Najbardziej na wartość prądów ziemnozwarciowych wpływa możliwość łączenia
sekcji do pracy równoległej tak na stałe, jak i dorywczo np. przy czynnej automatyce
SZR. Należy wówczas:
1. W sieciach z izolowanym punktem neutralnym lub uziemionym przez rezystor
sumować prądy pojemnościowe łączonych sekcji.
2. Wziąć pod uwagę pracę równoległą pól transformatorów uziemiających i sumować prądy AWSCz lub rezystorów uziemiających. Nadmienia się, że z punktu
widzenia ochrony od porażeń warto wprowadzić w stacjach blokowanie jednego z układów AWSCz po połączeniu sekcji. Takie rozwiązanie proponuje EGE
(Czeskie Budziejowice) w regulatorach dławików z płynną regulacją prądu.
3. W sieci skompensowanej sumować prądy resztkowe lub w odpowiedni sposób
uwzględnić prądy pojemnościowe i nastawy dławików.
W zasadzie nadzwyczaj wyjątkowe będą przypadki, gdzie można sobie pozwolić
na analizę każdej sekcji oddzielnie bez uwzględniania ich łączenia. Brak uwzględnienia tego problemu może doprowadzić do około dwukrotnego niedoszacowania
wymaganej rezystancji uziemienia stacji SN/nN.
Obliczanie prądu ziemnozwarciowego w sieciach o punkcie neutralnym uziemionym przez rezystor
Wzór (8) w wielu przypadkach daje zawyżone wartości prądu ziemnozwarciowego, w szczególny sposób uwidacznia się to, jeśli znamionowy prąd ziemnozwarciowy
rezystora przekracza 250 A (jeśli dopuszcza się równoległą pracę rezystorów przyłączonych do poszczególnych sekcji rozdzielni SN, to jest to suma ich znamionowych
prądów ziemnozwarciowych), a pomiędzy stacją SN/nN i początkiem linii są – bardzo orientacyjnie – przynajmniej 2 km linii napowietrznej lub 5 km linii kablowej.
To zawyżenie wynika z pominięcia impedancji transformatora uziemiającego i imNr 178
15
Sieci elektroenergetyczne
pedancji wzdłużnych linii od szyn zbiorczych do miejsca zwarcia. Jeśli rezystancja
w miejscu zwarcia przekracza mniej więcej 5 Ω, to warto również uwzględnić jej
wpływ. W stacjach SN/nN, których dotyczy artykuł, nie powinno mieć to miejsca.
Jeśli analizuje się zagrożenie porażeniowe przy słupach linii napowietrznych SN, to
wpływ rezystancji uziemienia jest wyraźny.
W celu dokładniejszego obliczenia wartości prądu ziemnozwarciowego w sieciach o punkcie neutralnym uziemionym przez rezystor można skorzystać ze schematu zastępczego pokazanego na rys. 5 (bardzo uproszczonego, ale wystarczającego)
i dokonać obliczeń metodą składowych symetrycznych.
Prąd zwarcia doziemnego Ik1 oblicza się wg wzoru:
Ik1 = 3 |Io |(15)
Rys. 5. Schemat zastępczy sieci o punkcie neutralnym uziemionym przez rezystor
Na tym schemacie poszczególne symbole oznaczają:
E – siła elektromotoryczna (napięcie źródłowe), można przyjmować równą 1,1 napięcia fazowego wynikającego z napięcia nominalnego sieci (napięcie nominalne sieci
jest napięciem przewodowym),
Z1S , Z2S – impedancje systemu elektroenergetycznego dla składowej zgodnej i przeciwnej, można obliczać je wg wzoru:
16
Sieci elektroenergetyczne
1,1U n2
(16)
SK
w którym S K , to moc zwarciowa na szynach SN zasilających sieć,
Z1Ln – impedancja linii doziemionej pomiędzy szynami zbiorczymi a miejscem zwarcia dla składowej zgodnej, należy liczyć wg typowych wzorów,
Z2Ln – impedancja linii doziemionej pomiędzy szynami zbiorczymi a miejscem zwarcia dla składowej przeciwnej, należy przyjąć równą Z1Ln,
Z 0Ln – impedancja linii doziemionej pomiędzy szynami zbiorczymi a miejscem zwarcia dla składowej zerowej, impedancje jednostkowe dla niektórych linii podano w tablicach 1 i 2,
ZTPw – impedancja transformatora uziemiającego dla składowej zerowej, jest podawana na tabliczce znamionowej przez producenta, są to wartości sięgające (moduł)
nawet kilkudziesięciu omów,
R N – rezystancja rezystora uziemiającego (indeks N od „punktu neutralnego”),
N – punkt neutralny sieci,
Y0S – admitancja doziemna sieci (fazowa), którą można obliczyć wg wzoru:
Z 1S = Z 2 S = j
Y0S = G 0S + jB 0S .(17).
We wzorze (17)
B 0S = ωC 0S(18a)
G 0S = (0,03 – 0,05) B 0S(18b)
oraz
IC
C0S = (19)
3 ω UL
gdzie:
IC – pojemnościowy prąd zwarcia doziemnego sieci,
UL – napięcie fazowe sieci, przy którym zmierzono lub dla którego obliczono IC .
Można zastosować inne sposoby obliczania C0S podawane w literaturze. Obliczenia
pradu ziemnozwarciowego wg schematu na rys. 5 warto wykonać wykorzystując arkusz
kalkulacyjny MS EXCEL. Pewna podpowiedź praktyczna: wstępnie poprawność obliczeń można sprawdzić w ten sposób, że przy zwarciu na szynach zbiorczych wartość
prądu ziemnozwarciowego powinna być zbliżona do wynikającej ze wzoru (8).
Tablica 1. Jednostkowe parametry wzdłużne linii napowietrznych dla składowej zerowej
Rodzaj przewodów
Reaktancja w Ω/km dla składowej
Rezystancja w Ω/km dla składowej
zgodnej
zerowej
zgodnej
zerowej
AFL – 35
0,442
1,57
0,837
0,985
AFL – 50
0,411
1,57
0,588
0,814
AFL -70
0,369
1,56
0,434
0,582
Nr 178
17
Sieci elektroenergetyczne
Tablica 2. Jednostkowe parametry wzdłużne linii kablowych dla składowej zerowej
Przekrój żył kabla
(fazowej /powrotnej)
Rezystancja w Ω/km dla kabli o żyłach
Cu
Al
Reaktancja w Ω/km
dla kabli o żyłach Cu, Al
70/25
1,24
1,47
0,073
120/50
0,63
0,76
0,062
150/50
0,60
0,70
0,057
185/50
0,56
0,65
0,054
240/50
0,53
0,60
0,051
300/50
0,52
0,57
0,048
6. Sprawdzenie napięć rażeniowych dotykowych
Norma [1] precyzuje, że dopuszczalne wartości napięć rażeniowych dotykowych
uznaje się za nieprzekroczone, gdy spełniony jest jeden z warunków:
a) rozpatrywana instalacja uziemiająca jest częścią zespolonej instalacji uziemiającej,
b) napięcie uziomowe, wyznaczone na drodze pomiarowej lub obliczeń nie przekracza
podwójnej wartości największego dopuszczalnego napięcia dotykowego rażeniowego podanego na rysunku,
lub
c) są wykonane określone środki uzupełniające odpowiednie do wartości napięcia
uziomowego i czasu doziemienia, które opisano w załączniku do normy.
Mamy tutaj do czynienia z dwoma elementami, które w naszej praktyce eksploatacyjnej są bardzo rzadko stosowane: sprawdzania tylko wartości napięcia uziomowego, a na jego podstawie oceniania napięć rażeniowych w otoczeniu stacji oraz wyraźną dopuszczalnością stosowania obliczeń. Dopiero jeśli te kryteria nie pozwolą na
stwierdzenie zachowania wymagań normy, trzeba przeprowadzić pomiary sprawdzające samych napięć.
Proponuje się dla stacji SN/nN nie uwzględniać punktu c) – wydaje się, że są to
środki przeznaczone dla zamkniętych stacji elektroenergetycznych z terenami wydzielonymi dla ruchu elektrycznego, niedostępnych dla osób postronnych (np. warstwy tłucznia lub asfaltu) oraz pewnych wyjątkowych przypadków.
7. Zespolona instalacja uziemiająca
W podpunkcie a) poprzedniego rozdziału podano, że dopuszczalne jest zupełne
„zwolnienie” z bardziej szczegółowych dociekań dotyczących napięć rażeniowych,
jeśli rozpatrywana instalacja uziemiająca (czyli ocenianej stacji SN/nN) stanowi
część zespolonej instalacji uziemiającej.
Zespolona instalacja uziemiająca [1] (dalej w skrócie oznaczana ZIU), jest to
równoważny układ uziemiający utworzony przez wzajemne połączenie lokalnych instalacji uziemiających, który dzięki bliskości instalacji uziemiających zapewnia, że
nie występują wówczas niebezpieczne napięcia dotykowe. Rozwiązanie to prowadzi
18
Sieci elektroenergetyczne
do takiego rozpływu prądu zwarcia doziemnego, który powoduje obniżenie napięcia
uziomowego w lokalnej instalacji uziemiającej i kształtuje prawie ekwipotencjalną powierzchnię. Definicja ta jest nadzwyczaj nieprecyzyjna i brak jest obecnie oficjalnej
precyzyjnej definicji.
Autorzy [2] dodają przy tym, że definicja nie określa ścisłego kryterium, które
pozwalałoby zaliczyć konkretny przypadek do „zespolonej instalacji uziemiającej”,
ale zauważają, że w literaturze podaje się, iż przypadek taki występuje, jeśli średni
odstęp między poszczególnymi instalacjami nie jest większy niż 1 km, ale istotnym
kryterium jest stworzenie ekwipotencjalizacji. Wydaje się, że ta kwalifikacja nie
przystaje do warunków polskich.
Gdyby za kryterium przyjąć tylko odległość 1 km, to należy mieć poważne wątpliwości, co do słuszności tej definicji. Przykładem może być wieś, w której napowietrzna sieć niskiego napięcia jest zasilana dwoma stacjami transformatorowymi
odległymi o mniej niż 1 km. Taki układ na pewno nie stworzy warunków do ekwipotencjalizacji. Ponieważ w Polsce można by nie wykonywać badań napięć rażeniowych lub ich obliczeń dla dużej liczby stacji na podstawie zakwalifikowania ich do
ZIU, warto będąc w zgodzie z normą, dopracować się własnej, bardziej ścisłej definicji. Nawet może w tej definicji nie chodzi o stwierdzenie, czy na danym terenie
jest ZIU, ale określenie, jakie warunki musi spełniać stacja, aby uznać, że warunki
dotyczące napięć rażeniowych są spełnione bez jakichkolwiek pomiarów.
W publikacji [10] autor podaje, że chodzi o instalację zajmującą duży teren (np.
co najmniej 10 km 2), na którym są połączone ze sobą wszelkie uziomy (w większości
mające charakter uziomów wyrównawczych, poziomych), w tym co najmniej 20 lokalnych uziemień stacyjnych, przy czym sąsiednie uziemienia lokalne są blisko siebie
w sensie elektrycznym, co oznacza, że największa dopuszczalna odległość między
nimi powinna być uzależniona od wypadkowej konduktancji łączących je przewodów.
Autor niniejszego artykułu proponuje, że za ZIU można uznać obszar o powierzchni co najmniej 10 km 2 , na którym znajduje się przynajmniej 20 instalacji
uziemiających stacji SN/nN, z których każda jest połączona przynajmniej dwoma
liniami kablowymi z pozostałymi stacjami (nie muszą to być kable SN), a długość
pojedynczej linii nie przekracza 1 km.
Właściwie żadna z proponowanych definicji nie jest wystarczająco dokładna. Bez
najmniejszych obaw można za teren objęty ZIU uważać miasta i osiedla o gęstej zabudowie.
Należy dodać, że przynależność danej instalacji uziemiającej zwalnia formalnie
z potrzeby określania napięć dotykowych rażeniowych, natomiast w normie [4] nie
ma zwolnienia z badania napięcia zakłóceniowego. Dość zgodnie specjaliści twierdzą, że pomiary rezystancji uziemień na terenach ZIU są obarczone dużymi błędami,
ale wykonuje się je, aby zadośćuczynić przepisom. Warto byłoby pomyśleć o zastąpieniu tego pomiaru np. badaniem ciągłości pomiędzy różnymi punktami ZIU.
Nr 178
19
Sieci elektroenergetyczne
8. Odpowiednia wartość napięcia uziomowego
Z punktu b) rozdziału 4 wyraźnie wynika dopuszczalność następującego trybu
postępowania przy ocenie napięć dotykowych rażeniowych:
• pomiar wypadkowej rezystancji uziemienia stacji R B (w praktyce czasem pomiar
taki jest nazywany „bez rozpinania złącz kontrolnych”),
• ocena wartości prądu zwarcia doziemnego Ik1 i uziomowego IE stacji na podstawie
pojemnościowego prądu zwarcia doziemnego ICS , sposobu pracy punktu neutralnego oraz ewentualnie współczynnika r,
• obliczenie napięcia uziomowego i porównanie z podwójną wartością UTp wynikającą z normy [1] dla określonego czasu trwania zagrożenia porażeniowego.
W normie wartości te są podane w postaci wykresu pokazanego na rys. 6, na tej
podstawie podano je również jako liczby w ostatniej kolumnie tablicy 1.
Jeśli wartość obliczonego napięcia uziomowego jest mniejsza od dwukrotnej
wartości UTp, można nie wykonywać dalszych analiz, a poprzestać na stwierdzeniu, że na podstawie punktu 9.2.4.2 normy [1] napięcia rażeniowe dotykowe dla
badanej stacji są mniejsze od dopuszczalnych.
Rys. 6. Wykres największego dopuszczalnego napięcia rażeniowego dotykowego [1]
9. Ocena napięć rażeniowych wyłącznie na podstawie pomiaru rezystancji uziemienia
Dla bieżących potrzeb w wielu stacjach można badanie instalacji uziemiającej
stacji ograniczyć wyłącznie do pomiaru wypadkowej rezystancji uziemienia oraz
sprawdzenia warunku wynikającego ze wzoru (3). Jeśli jest on spełniony, to można
nie wykonywać już żadnych dodatkowych analiz.
20
Sieci elektroenergetyczne
Wynika to z faktu, że jeśli spełniony jest ten warunek, to napięcie zakłóceniowe
(a odpowiada ono dokładnie napięciu uziomowemu – w dwóch normach zastosowano różne nazewnictwo) w stacji jest mniejsze od UFdop podanego w kolumnie 3
tablicy 1. Stąd napięcie uziomowe jest również mniejsze od UTp – więc spełniony jest
warunek znacznie ostrzejszy, niż wymaga norma [1], czyli od 2UTp. Podobna analiza
jest słuszna dla nowych norm [3] i [5].
Tablica 3. Dopuszczalne napięcia zakłóceniowe i dotykowe rażeniowe w funkcji czasu zwarcia [1, 4]
Lp.
Czas przepływu prądu rażeniowego
UFdop [V]
UTp [V]
1
0,10
570
660
2
0,15
490
570
3
0,20
450
500
4
0,25
360
440
5
0,30
300
380
6
0,35
270
330
7
0,40
205
280
8
0,45
155
250
9
0,50
135
240
10
0,60
115
170
11
0,70
105
140
12
0,80
98
130
13
0,90
94
120
14
1
90
110
15
2
78
88
16
5
68
81
17
10 i więcej
67
75
Ten sposób oceny nie może być zastosowany bezpośrednio dla umieszczenia
w protokołach z badania stacji, ponieważ nie jest podany w normie. Może jednak
pojawić się w zarządzeniach poszczególnych zakładów dystrybucyjnych, jeśli zostanie dobrze uzasadniony. Pozwala to na całkowitą rezygnację z badania napięć dotykowych rażeniowych w stacjach SN/nN i zastąpienie go bardzo prostym pomiarem
wypadkowej rezystancji uziemienia.
10. Uziom sztuczny
Wymaganie odnośnie wymaganej rezystancji uziemienia R BN w punkcie neutralnym sieci nN znajduje się w normie [7] i brzmi następująco:
Rezystancja R BN , obliczona jako wypadkowa rezystancja uziomu stacji i tych
uziemień, których rezystancja nie przekracza 30 Ω (każdego uziemienia
Nr 178
21
Sieci elektroenergetyczne
należącego do operatora sieci), znajdujących się wraz z uziemionym przewodem na obszarze koła o średnicy 200 m obejmującego stację zasilającą sieć
spełniała warunek:
R BN ≤ 5 Ω;
jeżeli rezystywność gruntu jest większa lub równa 500 Ωm, to wartość 5 Ω
można zastąpić wartością:
ρmin /100,
gdzie ρmin oznacza najmniejszą zmierzoną zastępczą wartość rezystywności
gruntu, w którym będą umieszczone uziomy.
Przy braku uziemień przewodów PEN (PE) o rezystancji nie przekraczającej 30 Ω w obszarze koła o średnicy 200 m, powyższe wymagania powinna spełniać rezystancja uziomu punktu neutralnego sieci niskiego napięcia
zasilanej ze stacji.
W stosunku do poprzedniego wydania normy [7] pojawiły się w tym zapisie znaczne zmiany: dodano lub poprawiono słowa, które w cytacie zostały podkreślone. Z tego
zapisu wynika, że można zrezygnować z prawidłowego merytorycznie, ale niepraktycznego obliczania wypadkowej rezystancji uziemień w kole o średnicy 200 m obejmującym stację i sprawdzać wartość 5 Ω uziemienia przy samej stacji. Zwraca się uwagę, że
w przypadku rozdzielenia uziemień wymóg z kołem staje się obowiązujący. Warto też
przy okazji zauważyć, że kilka oznaczeń w normie [7] zostało zmodyfikowanych i dopasowanych do norm PN czy EN (zlikwidowano nieczytelne R B1 i R B2).
Tutaj krótka uwaga odnośnie pomiaru rezystancji. Nie ma wątpliwości co do metodyki pomiaru wypadkowej rezystancji uziemienia stacji SN/nN, która jest dobrze
opisana w wielu publikacjach m.in. L. Danielskiego i W. Jabłońskiego. Wątpliwości
pojawiają się w przypadku przyrządów z jednymi cęgami pomiarowymi, dla których
podaje się, że mogą mierzyć rezystancję uziemienia bez rozpinania złącz kontrolnych.
Można zwrócić uwagę na rysunku zamieszczone np. w instrukcjach obsługi mierników MRU – przy metodzie cęgowej (dobrze podać: jednocęgowej lub z cęgami
pomiarowymi) uziom badany nie jest pod ziemią połączony z innymi uziomami i dochodzi do niego tylko jeden przewód uziemiający. W większości polskich stacji SN/
nN są dwa przewody uziemiające oznaczone kolorem niebieskim (uziemienie funkcjonalne) i żółto-zielonym (uziemienie ochronne). Przeważnie są one pod ziemią
przyłączone do tego samego uziomu, a nad ziemią w nowszych stacjach rozdzielone,
a w starszych wykonane w bardzo różny sposób. Cęgi nie mierzą prądu pomiarowego
spływającego do gruntu tylko przez uziom do niego podłączony, ale również przez
także inne uziomy, czasem nawet te w głębi sieci. Stąd przy pomiarach rezystancji
uziemienia punktu neutralnego sieci R BN należy zwrócić uwagę na prawidłowy sposób pomiaru.
Autor zwraca uwagę na brak przepisu (przynajmniej się go nie doszukał), który by
nakazywał prowadzenie dwóch przewodów uziemiających. Normy mówią o wspólnej instalacji uziemiającej dla strony Sn i nN stacji. Może więc być wykonywany jeden wspólny przewód. Czasem wydaje się, że dwa przewody są po to, aby zwiększyć
pewność połączenia – ale tak nie jest.
22
Sieci elektroenergetyczne
11. Kolejność postępowania
W związku z dużą liczbą różnych uwarunkowań podanych w niniejszym artykule, w tym rozdziale zostanie podana dodatkowo sugerowana kolejność postępowania
przy ocenie prawidłowości uziemienia stacji SN/nN.
W sieci skompensowanej jest ona następująca:
a) Określenie czasu trwania zagrożenia porażeniowego na podstawie nastawy podstawowego zabezpieczenia ziemnozwarciowego, czasu własnego wyłącznika przy
wyłączaniu i przerwy beznapięciowej w cyklu SPZ, należy przy tym pamiętać, że
do tego czasu wlicza się również czas przed załączeniem AWSCZ, a w sieciach
z zabezpieczeniami działającymi na sygnał przyjmuje się czas bardzo długi (10 s).
b) Obliczenie prądu resztkowego wynikającego z prądu pojemnościowego i nastawienia lub sposobu regulacji dławików. W tych obliczeniach szczególnie należy
uwzględnić możliwość łączenia sekcji rozdzielni lub nawet różnych sieci.
c) Obliczenie prądu zwarcia doziemnego przez uwzględnienie prądu AWSCz wynikającego z załączenia tej automatyki w jednym lub większej liczbie pól potrzeb
własnych, przy czym przy prawidłowo skompensowanej sieci można stosować zawsze wzór (13).
d) Obliczenie największego prądu uziomowego dla danej stacji z uwzględnieniem
współczynnika redukcyjnego kabla zasilającego, proponuje się przyjmować bez
dogłębnych analiz r = 0,6, a dla stacji zasilanych liniami napowietrznymi koniecznie wartość 1.
e) Obliczenie wymaganej rezystancji uziemienia na podstawie wzoru (3). Jeśli stacja
zasila linie napowietrzne nN, należy wziąć pod uwagę także warunek (2).
f) Pomiar wypadkowej rezystancji uziemienia R B i uziomu przy stacji R BN (po rozpięciu złącz kontrolnych lub z wykorzystaniem miernika z cęgami, który tego nie
wymaga, ale tylko w pewnych sytuacjach).
g) Obliczenie wartości napięcia uziomowego UE na podstawie wypadkowej rezystancji uziemienia wg wzoru:
UE = IE R B(20)
h) Jeśli napięcie uziomowe jest mniejsze od dwukrotnej wartości UTp określonej na
podstawie rys. 6, to oznacza, że warunki dotyczące napięć rażeniowych są spełnione. Jeśli na podstawie tych obliczeń nie uda się udowodnić, że napięcia rażeniowe spełniają stawiane im wymagania, należy przeprowadzić ich pomiary.
g) Wypadkowa rezystancja uziemienia powinna spełniać warunek określony w podpunkcie e), a rezystancja uziomu przy stacji – określony dla danego obiektu (sugeruje się wartość 5 Ώ).
W sieci z izolowanym punktem neutralnym zamiast podpunktów b) i c) wystarczy określić największy możliwy prąd pojemnościowy i przyjąć go jako prąd zwarcia
doziemnego.
W sieci z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor zamiast podpunktów b) i c) należy w obliczeniu prądu zwarcia doziemnego uwzględnić znamionowy
Nr 178
23
Sieci elektroenergetyczne
prąd ziemnozwarciowy rezystora wg wzoru (8) lub skorzystać z metody wynikającej
z rys. 5, co przeważnie daje mniejsze wartości i w konsekwencji powoduje wzrost
wymaganej rezystancji R B – nawet do 25 % przy rezystorach o znamionowym prądzie
ziemnozwarciowym 500 A.
12. Wnioski:
1. Podane w artykule zasady dotyczą uziemień stacji zasilających sieci i instalacje
wykonane w układzie TN oraz bez rozdzielenia funkcji uziemienia ochronnego
oraz funkcjonalnego.
2. Z prawa budowlanego wyraźnie wynika konieczność kontroli uziemień stacji
SN/nN. W przypadku ich braku zakład dystrybucji naraża się na poważne konsekwencje nawet karne, szczególnie w przypadku stwierdzenia powstania zagrożenia dla życia ludzi.
3. Kontrolę uziemień można ograniczyć w większości przypadków do oględzin, pomiaru wypadkowej rezystancji uziemienia i rezystancji uziomu przy stacji oraz
sprawdzenia napięcia uziomowego na podstawie obliczeń.
4. Podczas oceny wymagana jest dobra znajomość parametrów doziemnych sieci,
w której pracuje badana stacja łącznie z układem awaryjnym oraz nastaw elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej, szczególnie dotyczy to nastaw
czasowych zabezpieczeń ziemnozwarciowych i przerwy w cyklu SPZ.
5. Jeśli instalacja uziemiająca stacji jest częścią zespolonej instalacji uziemiającej,
nie potrzeba wykonywać żadnej analizy związanej z napięciami rażeniowymi.
6. Na terenach zwartej zabudowy występują problemy z wykonaniem wiarygodnego pomiaru rezystancji uziemienia stacji, ale analiza norm [4, 5] nie pozwala na
możliwość rezygnacji z ich przeprowadzenia.
13. Literatura
1. PN-E-05115: Instalacje elektroenergetyczne prądu przemiennego o napięciu
wyższym od 1 kV.
2. Nartowski Z., Jabłoński W., Nahotko M., Samek S.: Komentarz do normy
PN-E-05115. Instalacje elektroenergetyczne prądu przemiennego o napięciu
wyższym od 1 kV. COSiW SEP, Warszawa, 2003 r.
3.PN-EN 61936-1:2011 Instalacje elektroenergetyczne prądu przemiennego
o napięciu wyższym od 1 kV. Część 1: Postanowienia ogólne (oryg.)
4. PN-IEC 60364-4-442:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych.
Ochrona zapewniająca bezpieczeństwo. Ochrona przed skutkami przepięć.
Ochrona instalacji niskiego napięcia przez przejściowymi przepięciami i uszkodzeniami przy doziemieniach w sieciach wysokiego napięcia.
5. PN-HD 60364-4-442:2012 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Ochrona
dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona instalacji niskiego napięcia przed
przepięciami dorywczymi powstającymi wskutek zwarć doziemnych w układach po stronie wysokiego i niskiego napięcia (oryg.)
24
Sieci elektroenergetyczne
6. PN-HD 60364-4-41:2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia: Ochrona
dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym.
7. Norma SEP, N SEP-E-0001: Sieci elektroenergetyczne niskiego napięcia.
Ochrona przed porażeniem elektrycznym. COSiW SEP. Wydanie III poprawione. Warszawa, 2013 r.
8. Łoboda M.: Uziemienia w ochronie odgromowej. Materiały VI Konferencji
Naukowo-Technicznej „Ochrona odgromowa budynków. Nowe normy i wymagania”. Poznań, 14 maja 2008 r., Międzynarodowe Targi Energetyki EXPOPOWER 2008.
9. Hoppel W.: Niesamowite porażenie zwierząt. Wiadomości Elektrotechniczne,
nr 4/2014.
10. Musiał E.: Ochrona od porażeń w układach IT, TT i TN. Współdziałanie dwóch
rożnych układów w jednej instalacji. Strona internetowa http://www.edwardmusial.info.
11. Musiał E.: Ochrona przeciwporażeniowa w urządzeniach średniego napięcia. Aktualny stan normalizacji. Strona internetowa http://www.edwardmusial.info.
Artykuł wpłynął do redakcji 30 maja 2014 r.
Nr 178
25