Witold Hoppel - Alpines-Hoppel

Witold Hoppel
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
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 PKN. 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 tą 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 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 1-3 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).
3. 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:
RB – wypadkowa rezystancja uziemienia wszystkich uziomów połączonych równolegle,
RE – 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 V.
W normie [7] objaśnienia do wzoru [1] są nieco zmodyfikowane i brzmią następująco:
RB – 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 V,
RE – minimalna rezystancja między przewodem liniowym (fazowym) i ziemią odniesienia w
miejscu zwarcia, jeżeli ustalenie wartości RE jest trudne, można przyjmować RE jako równe
10 ,
UO – wartość skuteczna napięcia nominalnego linii względem ziemi, w V.
Norma [7] uściśla, że jeśli ustalenie RE 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 RB [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 RB w polskich sieciach. Po wstawieniu wartości Uo
= 230 V oraz RE = 10  otrzymuje się
RB  2,78 
(2).
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 RBN (N
pochodzi od punktu neutralnego sieci),
- uziomów w głębi sieci o rezystancjach oznaczanych jako RBi.
Warunek dotyczący RBN jest opisany w oddzielnym punkcie niniejszego artykułu,
natomiast problem RBi 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 
UF
UF

IE
r * I k1
(3),
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 - odpowiednio 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:
U E  U Tp
(4a )
lub jeszcze łagodniej:
U E  X *U Tp
(4b)
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]
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.
f) Współpraca z ochroną odgromową. Dla uziemień odgromowych zalecana wartość
rezystancji nie powinna być większa od 10 , co jak podano w [8], wynika z normy PN-EN
62305-3. Można wartość tą 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.
3. 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 , 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 tF
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  t AWSCz
(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 tą 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 tF, co prowadzi do niejednolitych
wymagań dla uziemień. Może to być kłopotliwe podczas eksploatacji - stosowanie czasu
nastawionego w polu liniowym GPZ-tu 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 nieskończenie 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 IRes,
- w sieci z punktem neutralnym uziemionym przez mały opór, prąd początkowy zwarcia
doziemnego I k''1 .
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.
Rys. 3. Typowy przebieg prądu ziemnozwarciowego w sieci skompensowanej.
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 2-3 s na zgaszenie zwarcia przez dławik, do prądu resztkowego
dodaje się IAWSCz i przez czas około 0,5-1,0 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.
Na tym rysunku przyjęto pewne dodatkowe oznaczenia:
ZN – impedancja elementu w punkcie neutralnym sieci SN, może wynikać z parametrów
rezystora, dławika, itp.,
RES – rezystancja uziemienia w stacji zasilającej sieć SN, w polskich warunkach jest to
przeważnie rezystancja uziemienia GPZ-tu,
RBN, RB1, RB2 – cząstkowe rezystancje wpływające na wartość wypadkowej rezystancji
uziemienia RB stacji SN/nN, w tym przypadku RBN symbolizuje uziom przy stacji, RBi uziemienia na trasie linii nN, elementów tych może być bardzo dużo, w rozbudowanych
sieciach nawet kilkaset,
Ip – prąd w powłoce lub żyle powrotnej kabla.
Rys. 4. Powstawanie napięcia zakłóceniowego w stacji SN/nn przy zwarciach w sieci SN schemat dla sieci kablowej z uwzględnieniem redukcyjnego działania powłok.
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:
(6)
I E  I k1 * r
przy czym współczynnik redukcyjny wg [1] dla wybranych kabli SN wynosi:
- Cu 95 mm2 z powłoką ołowianą 1,2 mm – 0,2 – 0,6,
- Al 95 mm2 z powłoką aluminiową 1,2 mm – 0,2 – 0,3,
- jednożyłowych kabli XLPE Cu 95 mm2 z miedzianą żyłą powrotną 16 mm2 – 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
(7).
I E  I k1
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 sieciach 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,
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:
I k1  I C  I L
(9)
- jeśli zastosowana jest kompensacja płynna, to zaleca się przyjmowanie:
I k1  0,1I C
(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:
I k1  0,2I C
(11) ,
e) w sieci skompensowanej z automatyką AWSCz należy zastosować zasady podane w
punkcie poprzednim, ale uwzględniając prąd czynny, czyli odpowiednio:
2
I K1  I AWSCz
 I CS  I L 
2
I K1 
(12) ,
2
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 15-25 A, rzadko osiąga 40A (urządzenie AWP-40), a w pojedynczych
rozwiązaniach dochodzi nawet do 100A.
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 pojemności 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 impedancji 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:
(15)
I k1  3 | I 0 |
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:
1,1U n2
Z 1S  Z 2 S  j
(16)
SK
w którym SK , to moc zwarciowa na szynach SN zasilających sieć,
Z1Ln - impedancja linii doziemionej pomiędzy szynami zbiorczymi a miejscem zwarcia
dla składowej zgodnej, należy liczy wg typowych wzorów,
Z2Ln - impedancja linii doziemionej pomiędzy szynami zbiorczymi a miejscem zwarcia
dla składowej przeciwnej, należy przyjąć równą Z1Ln,
Z2Ln - 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 Ω,
RN - rezystancja rezystora uziemiającego (indeks N od „punktu neutralnego”),
N - punkt neutralny sieci,
Y0S - admitancja doziemna sieci (fazowa), którą można obliczyć wg wzoru:
(17).
Y 0 S  G0S  jB0S
Rys. 5. Schemat zastępczy sieci o punkcie neutralnym uziemionym przez rezystor
W wzorze (17)
B0 S   C0S
G0S  (0,03  0,05) B0S
(18a)
(18b)
oraz
C 0S 
IC
3 U L
(19)
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 ziemnozwrciowego wg schematu na rys. 5 warto wykonać wykorzystując arkusz
kalkulacyjny 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
Reaktancja w /km dla składowej Rezystancja w /km dla składowej
przewodów
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
Tablica 2
Jednostkowe parametry wzdłużne linii kablowych dla składowej zerowej
Przekrój
żył
Rezystancja w /km dla kabli o żyłach
Reaktancja w /km dla
kabla (fazowej
kabli o żyłach Cu, Al.
Cu
Al.
/powrotnej)
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
5. 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.
6. 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 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 km2), 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 km2 , 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.
6. 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 RB (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.
7. 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.
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]
L.p.
1
1.
2.
3.
Czas przepływu
prądu
rażeniowego
2
0,10
0,15
0,20
UFdop w V
UTp w V
3
570
490
450
4
660
570
500
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1
2
5
10 i więcej
360
300
270
205
155
135
115
105
98
94
90
78
68
67
440
380
330
280
250
240
170
140
130
120
110
88
81
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.
8. Uziom sztuczny
Wymaganie odnośnie wymaganej rezystancji uziemienia RBN w punkcie neutralnym
sieci nN znajduje się w normie [7] i brzmi następująco:
Rezystancja RBN, obliczona jako wypadkowa rezystancja uziomu stacji i tych uziemień,
których rezystancja nie przekracza 30 Ω (każdego uziemienia należącego do operatora sieci),
znajdujących się wraz z uziemionym przewodem na obszarze koła o średnicy 200 m
obejmującego stację zasilającą sieć spełniała warunek:
RBN ≤ 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  uziemienia przy samej stacji. Zwraca się uwagę, że w przypadku
rozdzielnia 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 RB1 i RB2).
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 RBN 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.
9. 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 RB i uziomu przy stacji RBN (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:
U E  I E RB
(20)
h) Jeśli napięcie uziomowe jest mniejsze od dwukrotnej wartości UTp określonej na podstawie
rys. 2, 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 ).
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 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
RB - nawet do 25 % przy rezystorach o znamionowym prądzie ziemnozwarciowym 500 A.
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.
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-E05115. Instalacje elektroenergetyczne prądu przemiennego o napięciu wyższym od 1 kV.
COSiW SEP, Warszawa, 2003 r.
3.
PN-EN 61936-1: 2011 E. 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.)
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 NaukowoTechnicznej „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.