Wykrywanie błędów w układach ochrony przeciwporażeniowej z

Ćwiczenie S25
WYKRYWANIE BŁĘDÓW W UKŁADACH OCHRONY PRZECIWPORAŻENIOWEJ Z WYŁĄCZNIKAMI RÓŻNICOWO-PRĄDOWYMI
Ćwiczenie S 25
WYKRYWANIE BŁĘDÓW W UKŁADACH OCHRONY
PRZECIWPORAŻENIOWEJ Z WYŁĄCZNIKAMI
RÓŻNOCOWO−PRĄDOWYMI
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze sposobami wykrywania błędów w
układach ochrony przeciwporażeniowej z wyłącznikami różnicowo-prądowymi w
różnych typach sieci: TN i TT.
2. Program ćwiczenia
2.1. Badanie układu ochrony przeciwporażeniowej przy obecności napięcia w
przewodzie ochronnym i neutralnym w sieci TN
2.1.1. Badanie metodą techniczną
Badania należy przeprowadzić wg schematu przedstawionego na rys. 2.1.
mA
L
K
Tr 1 K
L
V1
PI
N
P
P
K
K’’
K’
Odb.
W
R
PE
~ 230 V
PEN
P
V3
V2
P
Tr 2
Rys. 2.1. Schemat układu badania ochrony przeciwporażeniowej opartej na wyłączniku
różnicowoprądowym metodą techniczną w sieci TN.
Oznaczenia: Tr 1 - transformator separujący od sieci zasilającej, Tr 2 - transformator
dodawczy podwyższający potencjał przewodów PE i N, PI - wyłącznik
różnicowoprądowy, Odb. - chroniony odbiornik
-1-
Ćwiczenie S25
WYKRYWANIE BŁĘDÓW W UKŁADACH OCHRONY PRZECIWPORAŻENIOWEJ Z WYŁĄCZNIKAMI RÓŻNICOWO-PRĄDOWYMI
Badania należy przeprowadzić wg schematu przedstawionego na rys. 2.1.
Pomiary przeprowadzić dla trzech wartości napięcia dodawczego mierzonego
woltomierzem V3 (zaczep P, K', K"), zanotować wskazania przyrządów zgodnie z
tabelą poniżej. Napięcia V1 przy zamkniętym wyłączniku W oraz napięcia V2 i V3
odczytać odpowiadające prądowi zadziałania wyłącznika różnicowopradowego.
Tabela 2.1.
Zaczep Tr 2
Napięcie V1
Prąd
Napięcie V1
odpowiadające
Napięcie V2 Napięcie V3 zadziałania
przy
prądowi
otwartym W
PI
zadziałania
V
V
V
mA
V
P.
K'
K"
2.1.2. Badanie miernikiem MIE-500
Przeprowadzić badania w oparciu o schemat przedstawiony na rys. 2.1.
przyłączając miernik MIE-500 zamiast układu pomiarowego składającego się z V1, mA,
W i R, wyniki przedstawić w tab. 2.2.
Tabela 2.2
Zaczep Tr 2
Wskazanie elektrody dotykowej
Napięcie dotykowe (V)
Czas zadziałania (ms)
Rezystancja uziemienia (kΩ)
Prąd zadziałania
Napięcie V2 (V)
Napięcie V3 (V)
P
-2-
K'
K"
Ćwiczenie S25
WYKRYWANIE BŁĘDÓW W UKŁADACH OCHRONY PRZECIWPORAŻENIOWEJ Z WYŁĄCZNIKAMI RÓŻNICOWO-PRĄDOWYMI
2.2. Badanie układu ochrony przeciwporażeniowej przy obecności napięcia w
przewodzie ochronnym i neutralnym w sieci TT
2.2.1. Badanie metodą techniczną
Badania należy przeprowadzić wg schematu przedstawionego na rys. 2.2.
mA
K
L
Tr 1 K
L
V1
PI
N
P
P
K
K’’
K’
Odb.
R
W
~ 230 V
P
PEN
V3
V2
Uziom
pomocniczy
P
Uziom
ochronny
Tr 2
Rys. 2.2. Schemat układu badania ochrony przeciwporażeniowej opartej na wyłączniku
różnicowoprądowym metodą techniczną w sieci TT.
Oznaczenia: Tr 1 - transformator separujący od sieci zasilającej, Tr 2 - transformator
dodawczy podwyższający potencjał przewodów PE i N, PI - wyłącznik
różnicowoprądowy, Odb. - chroniony odbiornik
Badania należy przeprowadzić wg schematu przedstawionego na rys. 2.2.
Pomiary przeprowadzić dla trzech wartości napięcia dodawczego mierzonego
woltomierzem V3 (zaczep P, K', K"), zanotować wskazania przyrządów zgodnie z
tabelą poniżej. Napięcia V1 przy zamkniętym wyłączniku W oraz napięcia V2 i V3
odczytać odpowiadające prądowi zadziałania wyłącznika różnicowopradowego.
Tabela 2.3.
Zaczep Tr 2
Napięcie V1
Prąd
Napięcie V1
odpowiadające
przy
Napięcie V2 Napięcie V3 zadziałania
prądowi
otwartym W
PI
zadziałania
V
V
V
mA
V
P.
K'
K"
-3-
Ćwiczenie S25
WYKRYWANIE BŁĘDÓW W UKŁADACH OCHRONY PRZECIWPORAŻENIOWEJ Z WYŁĄCZNIKAMI RÓŻNICOWO-PRĄDOWYMI
2.2.2. Badanie miernikiem MIE-500
Przeprowadzić badania w oparciu o schemat przedstawiony na rys. 2.2.
przyłączając miernik MIE-500 zamiast układu pomiarowego składającego się z V1, mA,
W i R, wyniki przedstawić w tab. 2.4.
Tabela 2.4
Zaczep Tr 2
Wskazanie elektrody dotykowej
Napięcie dotykowe (V)
Czas zadziałania (ms)
Rezystancja uziemienia (kΩ)
Prąd zadziałania
Napięcie V2 (V)
Napięcie V3 (V)
P
K'
K"
2.3. Badanie gniazd wtyczkowych
Należy zbadać poprawność połączeń styków 1,2,3 (rys. 1.3) gniazd wtyczkowych z
przewodami sieciowymi L, N, PE i oznaczyć rzeczywiste połączenia przewodów z
zaciskami. Badania przeprowadzić miernikiem zabezpieczeń różnicowych MIE-500.
Wyniki badań zamieścić w tabeli 3.1.
Tabela 3.1
Nr gniazda
Elektroda dotykowa
Zamiana L i N
Napięcie między 1 i 2 (V)
Napięcie między 1 i 3 (V)
Napięcie między 2 i 3 (V)
Napięcie między 3 i ziemią (V)
UB (V)
TA (ms)
RE (kΩ)
IA (mA)
1
2
Oznaczyć występujące połączenia gniazd:
-4-
3
4
5
6
Ćwiczenie S25
WYKRYWANIE BŁĘDÓW W UKŁADACH OCHRONY PRZECIWPORAŻENIOWEJ Z WYŁĄCZNIKAMI RÓŻNICOWO-PRĄDOWYMI
2.4. Analiza wyników badań
Należy przeanalizować możliwości wykrycia błędnych stanów pracy oraz błędnych
układów
połączeń
układów
ochrony
przeciwporażeniowej
z
wyłącznikami
różnicowopradowymi dla sieci typu TN i TT oraz zaproponować zakres badań
niezbędnych dla wykrycia wszystkich błędów.
3. Podstawy teoretyczne
Zagrożenie porażeniowe w sieci niskiego napięcia wywołane zakłóceniami
w stacji zasilającej SN/nn
Zwarcie w urządzeniach SN stacji zasilającej powoduje zagrożenie porażeniowe
zarówno w samej stacji jak i jej otoczeniu. Przepisy ochrony przeciwporażeniowej w
urządzeniach o napięciu wyższym niż 1 kV wymagają zastosowania takiego
uziemienia ochronnego, aby, zależnie od czasu trwania zwarcia, napięcie uziomowe
lub napięcie dotykowe nie przekraczały dopuszczalnych wartości.
Na częściach przewodzących dostępnych urządzeń (rozdzielczych i odbiorczych)
instalacji zasilanych z sieci nn typu TN może również pojawić się niebezpieczne
napięcie dotykowe na skutek uszkodzenia w stacji zasilającej (rys. 1.1a). W
najgorszym przypadku może być ono równe napięciu uziomowemu Uf. Mimo,
zastosowania takiego uziemienia R w stacji zasilającej, że napięcie uziomowe Uf jest
dopuszczalne z punktu widzenia ochrony tej stacji, napięcia dotykowe na
urządzeniach nN zasilanych z tej stacji mogą znacznie przekraczać wartości dopuszczalne 50V lub dla niektórych odbiorów (patrz np. [3]) 25 V.
Dla sieci pracujących w układzie TT w czasie trwania zwarcia doziemnego po
stronie SN w stacji zasilającej SN/nN, włącznie ze zwarciami wewnątrz
transformatora, na częściach przewodzących dostępnych urządzeń instalacji nn
(rys. 1b) nie pojawi się napięcie uziomowe ani dotykowe (Uf = 0), natomiast na
izolacji tych urządzeń pojawi się zwiększone napięcie o wartości
U2 = RIm + U0
-5-
(1)
Ćwiczenie S25
WYKRYWANIE BŁĘDÓW W UKŁADACH OCHRONY PRZECIWPORAŻENIOWEJ Z WYŁĄCZNIKAMI RÓŻNICOWO-PRĄDOWYMI
a)
Stacja SN/nn
U1
Układ TN
U2
Instalacja nn
L1
L2
L3
PEN
R
U2=U1=U0
Uf=R⋅Im
U1=U0
Uf
Im
b)
Stacja SN/nn
U1
Układ TT
U2
Instalacja nn
L1
L2
L3
PEN
R
U2= R⋅Im +U0
Uf=0
U1=U0
RA
Uf
Im
Rys. 1 . 1 . Napięcia uziomowe i napięcia na izolacji urządzeń stacji SN/nn i
urządzeń instalacji zasilanych z sieci nN dla układu TN (a) i TT (b)
w czasie trwania zwarcia po stronie SN w stacji SN/nN.
Oznaczenia: Im -prąd uziomowy stacji SN/nN płynący na skutek zwarcia po
stronie SN w stacji SN/nn; U1 - napięcie na izolacji urządzeń nN stacji; U2 napięcie na izolacji urządzeń w instalacjach odbiorczych nn; U o - napięcie
fazowe sieci nn; Uf - napięcie uziomowe urządzeń odbiorczych nn; R rezystancja uziemienia stacji SN/nn; RA -rezystancja uziemienia urządzenia
odbiorczego
Przepisy [1] dopuszczają napięcie na izolacji urządzeń instalacji nn zasilanych z
sieci o napięciu znamionowym 380/220 V (U2dop) o wartościach 330V dla czasów
trwania zagrożenia do 5 s oraz 1080 V dla czasów dłuższych. Napięcia na izolacji
-6-
Ćwiczenie S25
WYKRYWANIE BŁĘDÓW W UKŁADACH OCHRONY PRZECIWPORAŻENIOWEJ Z WYŁĄCZNIKAMI RÓŻNICOWO-PRĄDOWYMI
urządzeń instalacji nN o wartościach dopuszczalnych powstałyby wówczas, gdy
napięcie uziomowe stacji zasilającej było
RIm = U2dop + U0
(2)
Wartości tych napięć dla sieci nN o napięciu znamionowym 380/220V wypadają
znacznie
większe,
przeciwporażeniowej
niż
napięcia
stacji
dopuszczalne
zasilającej
z
SN/nN.
punktu
widzenia
ochrony
tego
ochrona
Wobec
przeciwporażeniowa urządzeń zasilanych z sieci typy TT nie stwarza dodatkowych
wymagań w stosunku do uziemienia ochronnego stacji zasilającej.
Zadaniem tego ćwiczenia jest m. in. zbadanie napięć uziomowych Uf, jakie mogą
pojawić się na urządzeniach odbiorczych nN na skutek uszkodzeń w stacji
zasilającej SN/nN i ocena możliwości wykrycia tych napięć w trakcie pomiarów
miernikami stosowanymi do badania układów ochrony przeciwporażeniowej z
wyłącznikami różnicowoprądowymi.
Badanie za pomocą mierników zabezpieczeń różnicowoprądowych
Obecnie istnieje wiele zagranicznych i krajowych mierników i testerów do badania
zabezpieczeń różnicowoprądowych. Najczęściej są to mikroprocesorowe przyrządy
pomiarowe mierzące wszystkie istotne parametry obwodów wyposażonych w
wyłączniki różnicowoprądowe. Metoda pomiaru oparta jest o przedstawioną na rys. 1
zasadę wykonywania sztucznego zwarcia przez rezystancję o wartości wymuszającej
prąd zwarciowy o wartościach rzędu znamionowego prądu różnicowego.
Najczęściej przyrządy, według informacji producentów, umożliwiają:
•
przyłączenie do obwodu badanego za pomocą sond ostrzowych lub wtyczki
sieciowej,
•
pomiar napięcia sieciowego pomiędzy przewodem fazowym a neutralnym,
•
sprawdzenie poprawności połączeń przewodów L, N i PE w gniazdkach
sieciowych,
•
pomiar napięcia dotykowego odniesionego do nominalnego prądu różnicowego
wyłącznika IΔn i mierzonego bez wyzwalania wyłącznika,
•
sprawdzenie
zadziałania
i
pomiar
znamionowym różnicowym,
-7-
czasu
zadziałania
przy
prądzie
Ćwiczenie S25
WYKRYWANIE BŁĘDÓW W UKŁADACH OCHRONY PRZECIWPORAŻENIOWEJ Z WYŁĄCZNIKAMI RÓŻNICOWO-PRĄDOWYMI
•
pomiar rezystancji uziemienia mierzonego bez wyzwalania wyłącznika,
•
pomiar prądu zadziałania i napięcia dotykowego powstającego w momencie
zadziałania wyłącznika
•
kontrola napięcia dotykowego w trakcie pomiarów, przy przekroczeniu
wybranego napięcia dotykowego (najczęściej 25 V lub 50 V) pomiar jest
natychmiast przerywany (w gwarantowanym czasie np. 200ms),
•
samoczynne wyłączanie przyrządu (AUTO-OFF).
L1
L2
L3
N
PI
Rp
P
mA
V
PE
Rys. 1.2. Schemat układu do pomiaru skuteczności ochrony wyłącznikiem
różnicowoprądowym
Interpretacja wyników pomiarów
Poniżej przedstawione uwagi o interpretacji wyników pomiaru zostały opracowane
na podstawie pomiarów przeprowadzonych miernikiem MIE-500. Wynikają one z
zastosowanej zasady pomiaru opartej na sposobie przyłączenia miernika wg rys. 1.1 i
dotyczą również innych mierników tak przyłączanych (tj. bez stosowania niezależnej
sondy pomocniczej umieszczonej w ziemi odniesienia).
Kontrola
połączeń
gniazda
wtyczkowego
jest
wg
instrukcji
przyrządu
automatycznie dokonywana przy zastosowaniu sondy pomiarowej zakończonej
wtyczką sieciową. Nieprawidłowości są sygnalizowane:
-8-
Ćwiczenie S25
WYKRYWANIE BŁĘDÓW W UKŁADACH OCHRONY PRZECIWPORAŻENIOWEJ Z WYŁĄCZNIKAMI RÓŻNICOWO-PRĄDOWYMI
•
napięcie między przewodem fazowym a kołkiem ochronnym poza zakresem
pomiarowym (187 - 253V) mrugającym symbolem wtyczki,
•
nie podłączony przewód ochronny symbolem PE,
•
napięcie względem ziemi na kołku ochronnym przekraczające 50V przy
dotknięciu elektrody dotykowej symbolem PE.
3
1
2
Rys. 1.3. Oznaczenie zacisków gniazd
Niestety, nie wszystkie błędy w gnieździe mogą być w ten sposób wykryte.
Poniżej w tab.1.1 zostały przedstawione wyniki badań miernikiem dla gniazd z różnie
podłączonymi przewodami. Oznaczenia zacisków gniazd jak na rys. 1.3.
Jak widać z tych pomiarów elektrodą dotykową nie zawsze jesteśmy w stania wykryć
pełnego napięcia fazowego na bolcu (gniazda 5 i 6). Błędu tego da się uniknąć, jeżeli
mierzący będzie miał małą impedancję w stosunku do ziemi, np. jeżeli w trakcie pomiaru
palcem jednej ręki będzie dotykać elektrody dotykowej a drugą ręką chwyci np. rurę
wodociągową).
Poprawność połączenia gniazda wtykowego możemy jedynie ocenić przeprowadzając
dodatkowe pomiary czterech napięć (wymienionych w 4 ostatnich wierszach tabeli)
między trzema zaciskami gniazda oraz między bolcem (zaciskiem 3) a ziemią. Zmierzenie
ostatniego napięcia wymaga zastosowania dodatkowej sondy umieszczonej w ziemi
odniesienia, praktycznie wbitej w ziemię w oddaleniu przynajmniej 20 m. od innych
uziomów naturalnych i sztucznych.
-9-
Ćwiczenie S25
WYKRYWANIE BŁĘDÓW W UKŁADACH OCHRONY PRZECIWPORAŻENIOWEJ Z WYŁĄCZNIKAMI RÓŻNICOWO-PRĄDOWYMI
Tabela 1.1. Wyniki badania gniazd wtykowych z różnie podłączonymi przewodami do zacisków 1, 2, 3
Nr gniazda
1
2
3
4
5
6
Połączenie zacisków z
123
123
123
123
123
123
przewodami
L N PE N L PE L N L
L PE N N PEL
PEL L
Badanie elektrodą dotykową
PE
Y
Y
Sygnalizacja zamiany L i N
Y
∩
∩
∩
Napięcie dotykowe UB (V)
<1V
<1V
<1V
<1V
<1V
<1V
Czas zadziałania TA (ms)
10
10
red
red
red
9
0
0
0
0
0
0
Rezystancja uziemienia RE (kΩ)
Prąd zadziałania IA (mA)
21
20,7
red
red
red
21
Napięcie między 1 i 2 (V)
230
231
230
230
UL
230
Napięcie między 1 i 3 (V)
230
UL
UL
230
230
230
Napięcie między 2 i 3 (V)
UL
230
231
UL
230
UL
Napięcie między 3 i ziemią (V)
UL
UL
231
UL
231
231
Oznaczenia wg instrukcji obsługi miernika zabezpieczeń różnicowoprądowych typu MIE-500:
Y – napięcie pomiarowe mieści się w przedziale 187…253 V,
∩ – przewód fazowy sieci połączony jest z zaciskiem N miernika
red – wykonywany pomiar czasu bądź prądu zadziałania nie spowodował wyzwolenia
wyłącznika
UL – wartość mierzonego napięcia nie mieści się w zakresie pomiarowym woltomierza (jest
za mała)
Zmierzone przyrządem napięcie dotykowe UB w sieci TN nie jest wcale napięciem
dotykowym a spadkiem napięcia na pętli zwarcia tj. na impedancjach transformatora
zasilającego, przewodu fazowego i przewodu ochronnego przy przepływie prądu
znamionowego IΔn (miernik sam przelicza ten spadek mierzony dla prądu 0,4 IΔn, na
spadek przy znamionowym prądzie różnicowym IΔn). Dla gniazd 3,5 i 6 ( z
przyłączonymi do zacisków ochronnych przewodami fazowymi) zmierzone napięcie
wynosi <1 V, a w rzeczywistości może stanowić nawet pełne napięcie fazowe, o czym
świadczy zmierzone napięcie między bolcami a ziemią
W sieci TT zmierzone napięcie dotykowe UB można traktować jako napięcie
dotykowe, gdy pozostałe impedancje wchodzące w skład pętli zwarcia tj.
impedancja transformatora i impedancja przewodu fazowego mają znacznie
mniejszą wartość niż rezystancja uziemienia ochronnego.
Zmierzona przyrządem rezystancja uziemienia w sieci TN jest rezystancją pętli
zwarcia, natomiast w sieci TT można ją traktować jako rezystancję uziemienia, jeżeli
rezystancja transformatora zasilającego i przewodu fazowego mają znacznie mniejszą
wartość niż rezystancja uziemienia ochronnego.
- 10 -
Ćwiczenie S25
WYKRYWANIE BŁĘDÓW W UKŁADACH OCHRONY PRZECIWPORAŻENIOWEJ Z WYŁĄCZNIKAMI RÓŻNICOWO-PRĄDOWYMI
4. Literatura
[1] IEC 364-4-442 Electrical installations of buildings. Protection for safety. Protection
against overvoltages. Protection of Iow-voltage installations against faults between
high-voltage systems and earth.
[2] PN-91/E-05009/705 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Instalacje
elektryczne w gospodarstwach rolniczych i ogrodniczych.
[3] PN-92/E-05009/41 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona
zapewniająca bezpieczeństwo. Ochrona przeciwporażeniowa.
- 11 -