czytaj

Ochrona przeciwporażeniowa w instalacjach
elektrycznych nN zasilanych ze źródeł awaryjnych
mgr inż. Julian Wiatr
CKSI i UE SEP
1. Zmiana reaktancji generatora zespołu prądotwórczego
Zespół prądotwórczy w stosunku do systemu elektroenergetycznego jest źródłem „miękkim”,
w którym impedancja obwodu zwarciowego ulega szybkim zmianom w czasie zwarcia
(przyjmuje się, że system elektroenergetyczny charakteryzuje się stałą impedancją obwodu
zwarciowego z uwagi na dużą wartość mocy zwarciowej).
W chwili wystąpienia zwarcia ulega zmianie rozpływ strumieni magnetycznych w
generatorze zespołu prądotwórczego. Rozpływy strumieni w generatorze podczas zwarcia
przedstawia rys. 1.
a)
b)
c)
Rys. 1: Przebieg wypychanego poza wirnik strumienia stojana: a) stan podprzejściowy, b)
stan przejściowy, c) stan ustalony [2]
W początkowej fazie zwarcia nazywanej stanem podprzejsciowym, w skutek działania klatki
tłumiącej, strumień główny wytwarzany przez prądy płynące w uzwojeniu stojana jest
wypychany poza wirnik (rys. 1a). W stanie tym reaktancja generatora charakteryzuje się mała
wartością, wynoszącą przeciętnie (10 – 15)% wartości reaktancji generatora w stanie
statycznym.
Stan ten trwa bardzo krótko ze względu na małą wartość elektromagnetycznej stałej
czasowej T, wynoszącą dla generatorów nN, średnio 0,01 s.
Działanie klatki tłumiącej ze względu na małą wartość jej rezystancji szybko ustaje, co
skutkuje powolnym wchodzeniem strumienia głównego w wirnik.Stan ten nazywany stanem
przejściowym charakteryzuje wzrost reaktancji generatora, która dla generatorów nN wynosi
średnio (30- 40)% wartości reaktancji znamionowej generatora.
Generator w krótkim czasie przechodzi w stan ustalony zwarcia, co objawia się dalszym
wzrostem reaktancji obwodu zwarciowego. W stanie ustalonym zwarcia strumień główny
oraz strumień wzbudzenia zamykają się w przez wirnik generatora. Ponieważ kierunki tych
strumieni są przeciwne, strumień wypadkowy ulega sinemu zmniejszeniu. Zjawisko to
prowadzi do gwałtownego wzrostu reaktancji generatora, która dla generatorów nN wynosi
(200 – 300)% wartości reaktancji statycznej generatora.
1
W zespołach prądotwórczych konstruowanych obecnie, instalowany jest regulator prądu
wzbudzenia wyposażony w układ forsowania, który pozwala podczas zwarcia na utrzymanie
określonej wartości reaktancji generatora.
Wartość ta charakteryzowana jest krotnością prądu znamionowego generatora, utrzymywaną
przez czas nie dłuższy niż 10 s. Ograniczenie czasowe utrzymywania określonej wartości
reaktancji generatora podczas zwarcia wynika z warunku wytrzymałości izolacji uzwojeń
generatora. Wydłużenie tego czasu może skutkować zniszczeniem izolacji uzwojeń
generatora.
Na rys. 2 przedstawiono uproszczone charakterystyki zmienności reaktancji zwarciowej w
generatorze nowoczesnego zespołu prądotwórczego oraz zmienności prądu zwarciowego na
jego zaciskach. Parametry obwodu zwarciowego ulegają szybkim zmianą, co powoduje
trudności w uzyskaniu skutecznej ochrony przeciwporażeniowej w odległej instalacji
odbiorczej.
Problemy te uwypuklają się szczególnie w zespołach starego typu, sukcesywnie
wycofywanych z eksploatacji w Siłach Zbrojnych. Zakupywane przez ludność cywilną są
wykorzystywane do zasilania gospodarstw rolnych itp. Dlatego ważne jest, aby ludzie
zajmujący się instalowaniem tego typu zespołów prądotwórczych (np. wiejscy elektrycy)
mieli świadomość zagrożenia, jakie może stwarzać zespół prądotwórczy.
a)
b)
Rys.2: Unormowane charakterystyki: a) zmienności reaktancji zwarciowej generatora
X k1G
* 100%
X nG
f (Tk ) ;
b)zmienności prądu zwarciowego generatora, przy zwarciu na jego zaciskach
Ik1G
* 100%
InG
f Tk
[1]
gdzie:
X nG - znamionowa reaktancja generatora (wartość w stanie statycznym), w [ ]
X k1G - reaktancja generatora dla zwarć jednofazowych, [ ]
InG - prąd znamionowy generatora, w [A]
Ik1G - prąd zwarcia jednofazowego dla zwarć na zaciskach generatora, w [A]
Tk – czas trwania zwarcia , w [s]
2
W nowoczesnych zespołach prądotwórczych, producent zapewnia (wskutek działania
układów automatyki) utrzymanie prądu zwarciowego na zaciskach generatora o wartości 3*In
przez 10 s (dłuższe utrzymywanie takiego stanu grozi zniszczeniem izolacji uzwojeń). Dzięki
czemu do obliczeń skuteczności samoczynnego wyłączenia można przyjmować wartość
reaktancji zwarciowej generatora Xk1G (na jego zaciskach ) wyliczoną ze wzoru (1):
X k1G
0,33 X nG
0,33
2
UnG
S nG
(1)
gdzie:
UnG – napięcie znamionowe generatora zespołu prądotwórczego, w [kV],
SnG – moc znamionowa generatora zespołu prądotwórczego, w [MVA].
Wynika to z następującego rozumowania:
X nG
2
UnG
SnG
2
UnG
3 InG UnG
UnG
3 U0
3 InG
3 InG
U0
,
InG
zatem, jeżeli podczas zwarć na zaciskach generatora
I"k
3 InG
X k1G
U0
3 InG
1
X nG
3
0,33 X nG
Uwaga:
W ogólnym przypadku, przy założeniu I"k n InG można zapisać wzór na reaktancję generatora
dla zwarć jednofazowych jako:
X k1G
2
UnG
n SnG
(gdzie n – krotność prądu znamionowego
utrzymywana podczas zwarć na zaciskach generatora, podawana przez producenta ZP w
DTR).
Częstym błędem popełnianym przez mniej doświadczonych projektantów jest przyjmowanie
impedancji zwarciowej generatora na podstawie impedancji transformatora o mocy równej
mocy generatora zespołu prądotwórczego.
Dla porównania tych wartości w tabeli 1 zostały przedstawione impedancje wybranych
transformatorów oraz generatorów.
Tabela 1. Zestawienie impedancji transformatora i generatora o tej samej mocy [3]
Moc transformatora lub
Impedancja
Reaktancja generatora na jego zaciskach
generatora
transformatora na przyjmowana dla obliczania skuteczności
Zespołu prądotwórczego, w jego zaciskach, w
samoczynnego wyłączenia (rezystancja
[kVA]
uzwojeń stanowi zaledwie 0,03*XnG i może
[ ]
zostać pominięta w obliczeniach
praktycznych), w [ ]
100
160
250
400
500
0,072
0,045
0,028
0,018
0,014
0,528
0,330
0,211
0,132
0,106
3
Porównując dane przedstawione w tabeli 1 widać jak duże rozbieżności występują w
wartościach impedancji zwarciowych obydwu źródeł ( Z k1G / Z kT 7,33 ).
W przypadku, gdy zespół zespół prądotwórczy jest oddalony o kilkanaście metrów od
zasilanej rozdzielnicy, wartość impedancji obwodu zwarciowego w dalszym ciągu rośnie i
powoduje dalsze zmniejszanie się prądów zwarciowych. Znaczna wartość reaktancji obwodu
zwarciowego zasilanego przez generator zespołu prądotwórczego może być powodem
nieskutecznej ochrony przeciwporażeniowej w instalacji, w której zastosowano samoczynne
wyłączenie.
Obwód zwarciowy dla potrzeb ochrony przeciwporażeniowej przedstawia rys. 3.
Rys.3. Schemat jednofazowego obwodu zwarcia w instalacji zasilającej z zespołu
prądotwórczego [3].
2. Odmienność warunków zasilania z zespołu
w odniesieniu do Systemu Elektroenergetycznego
prądotwórczego
System Elektroenergetyczny (SEE) jest zasilany przez kilkadziesiąt generatorów
przyłączonych za pośrednictwem transformatorów blokowych do sieci elektroenergetycznych
WN pracujących w systemie zamkniętym.
Moc zwarciowa SEE w uproszczeniu jest określana jako nieskończona.
Wartość jej w różnych punktach sieci przyłączonych do SEE posiada wartości skończone ale
wartości ich są dość duże.
Przeciętnie wartość mocy zwarciowej odniesiona do sieci SN kształtuje się na poziomie
(150 –250) MVA.
Zespół prądotwórczy po przejęciu zasilania stanowi jedyne źródło zasilania odbiorników
objętych systemem zasilania awaryjnego. Dysponowana przez jego generator moc zwarciowa
zależy od mocy generatora i posiada wartość skończoną.
Dla wybranych generatorów niskiego napięcia w zależności pod ich mocy znamionowej, moc
zwarciowa została przedstawiona w tabeli 2.
Tabela 2. Zestawienie mocy zwarciowych wybranych generatorów w zależności od ich mocy
znamionowej
Moc zespołu
prądotwórczego
[kVA]
100
200
500
1000
2000
6000
Moc zwarciowa na zaciskach
generatora
[MVA]
1,0
2,0
5,0
10,0
20,0
60,0
4
Wartość mocy zwarciowej rośnie wraz z mocą zespołu prądotwórczego, ale maleje wraz z
odległością miejsca powstania zwarcia od zacisków generatora.
Dla powszechnie stosowanych zespołów prądotwórczych moc zwarciowa na zaciskach
generatora nie przekracza 5,0 MVA.
Ponieważ z chwilą wejścia generatora w stan przejściowy podczas zwarcia moc zwarciowa
znacząco maleje wskutek wzrastającej impedancji źródła, podczas gdy przy zasilaniu z SEE
wartość mocy zwarciowej pozostaje praktycznie niezmienna przez czas trwania zawarcia.
Parametry zwarciowe transformatora oraz przewodów zasilających ulegają nieznacznej
zmianie głównie wskutek termicznego działania prądu.
Graficzne porównanie obydwu źródeł przedstawia rys. 4.
Rys. 4: Porównanie wydajności SEE oraz generatora zespołu prądotwórczego
3. Zasady projektowania ochrony przeciwporażeniowej
Z pośród trzech układów sieci: TT, IT i TN (TN-C; TN-C-S i TN-S), przy zasilaniu
obiektów budowlanych najbardziej nadaje się układ TN-S lub TN-C-S. Układ IT może być
stosowany tylko w ograniczonym zakresie (blok operacyjny lub OIOM w szpitalu po
spełnieniu określonych warunków).
Warunek samoczynnego wyłączenia w sieci TN, należy uznać za spełniony, jeżeli:
ZS
Uo
Ia
(2)
5
ZS
( X k1G
X L )2
(R kG R L ) 2
(3)
W praktyce korzysta się z innej postaci tego wzoru:
I k1
0,8 U0
ZS
(4)
gdzie:
Zs – impedancja pętli zwarciowej obejmującej źródło zasilania, przewód roboczy, aż do punktu
zwarcia i przewód ochronny miedzy punktem zwarcia a źródłem, w [ ]
Ia – prąd powodujący samoczynne zadziałanie urządzenia wyłączającego, w czasie zależnym od
napięcia znamionowego Uo podanego w tabeli 3.
RkG- rezystancja uzwojeń generatora ( RkG
0,03
2
U nG
), w [ ]
SnG
Xk1G – reaktancja generatora dla zwarć jednofazowych, (wg wzoru 1) w [ ]
RL – rezystancja kabla zasilającego oraz przewodów instalacji odbiorczej, w [ ]
XL – reaktancja kabla zasilającego oraz przewodów instalacji odbiorczej, w [ ]
Uo – napięcie pomiędzy przewodem fazowym a uziemionym przewodem ochronnym (PE) lub
ochronno-neutralnym (PEN), w [V]
Tabela 3: Maksymalne czasy wyłączenia dla normalnych warunków środowiskowych
Układ
sieci
TN
TT
50 V< Uo≤ 120 V
120 V< Uo≤ 230 V 230 V< Uo≤ 400 V Uo> 400 V
s
s
s
s
a.c.
d.c.
a.c.
d.c.
a.c.
d.c.
a.c. d.c.
0,8 Wyłączenie może być
0,4
5
0,2
0,4
0,1 0,1
wymagane z innych
0,3 przyczyn niż ochrona
0,2
0,4
0,07
0,2
0,04 0,1
przeciwporażeniowa
Uo- nominalne napięcie a.c. lub d.c. przewodu liniowego względem ziemi
Uwagi:
1. Dłuższe czasy wyłączenia mogą być dopuszczone w sieciach rozdzielczych oraz
elektrowniach i w sieciach przesyłowych systemów.
2. Krótsze czasy wyłączenia mogą być wymagane dla specjalnych instalacji lub lokalizacji
objętych arkuszami normy PN-IEC (HD) 60364 grupy 700.
3. Dla układu sieci IT samoczynne wyłączenie zasilania nie jest zwykle wymagane po
pojawieniu się pojedynczego zwarcia z ziemią.
4. Maksymalne czasy wyłączenia podane w tabeli 3 powinny być stosowane do
obwodów odbiorczych o prądzie znamionowym nieprzekraczającym 32 A.
5. Jeżeli w układzie sieci TT wyłączenie jest realizowane przez zabezpieczenia nadprądowe,
a połączenia wyrównawcze ochronne są przyłączone do części przewodzących obcych
znajdujących się w instalacji, to mogą być stosowane maksymalne czasy wyłączenia
przewidywane dla układu sieci TN.
6. W układach sieci TN czas wyłączenia nieprzekraczający 5 s jest dopuszczony w obwodach
rozdzielczych i w obwodach niewymienionych w pkt. 4.
7. W układach sieci TT czas wyłączenia nieprzekraczający 1 s jest dopuszczony w obwodach
rozdzielczych i w obwodach niewymienionych w pkt. 4.
8. Jeżeli samoczynne wyłączenie zasilania nie może być uzyskane we właściwym czasie, to
powinny być zastosowane dodatkowe połączenia wyrównawcze ochronne.
6
W normie PN-HD 60364-4-481:1994 podane są maksymalne czasy wyłączenia dla
warunków środowiskowych o zwiększonym zagrożeniu. Dotyczą one specjalnych instalacji
lub lokalizacji objętych arkuszami normy PN-IEC (HD) 60364 grupy 700. Czasy te podano w
tabeli 4.
Tabela 4: Maksymalne czasy wyłączenia dla warunków środowiskowych o
zwiększonym zagrożeniu w układzie sieci TN
Uo
Dla napięcia dotykowego dopuszczalnego długotrwale
UL 25 V ; UL 60 V =
V
s
120
0,35
230
0,20
277
0,20
400
0,05
480
0,05
580
0,02
W układach a.c. powinna być zastosowana ochrona uzupełniająca za pomocą urządzeń
ochronnych różnicowoprądowych o znamionowym prądzie różnicowym nieprzekraczającym
30 mA:
-
w obwodach odbiorczych gniazd wtyczkowych o prądzie znamionowym
nieprzekraczającym 20 A, które są przewidziane do powszechnego użytkowania i do
obsługiwania przez osoby niewykwalifikowane, oraz
- w obwodach zasilających urządzenia ruchome o prądzie znamionowym nieprzekraczającym
32 A, używane na zewnątrz.
Uwaga:
Dla przekrojów przewodu SCu
obliczeniach pominięta.
50 mm2 lub SCu
70 mm2 Al., reaktancja może zostać w
Czas ten może być dłuższy od podanego w tabeli 3, ale nie może przekraczać 5 s:
1) w obwodach rozdzielczych,
2) w obwodach zasilających jedynie urządzenia stacjonarne, jeżeli inne obwody
odbiorcze, dla których czas wyłączenia podany w tabeli 3, są przyłączone do
rozdzielnicy lub do obwodu rozdzielczego w sposób spełniający jeden z poniższych
warunków:
7
- impedancja przewodu ochronnego ZPE między rozdzielnicą i punktem, w którym
przewód ochrony jest przyłączony do głównej szyny uziemiającej nie przekracza
wartości określonej wzorem:
50
(5)
ZPE
ZS
Uo
- w rozdzielnicy znajdują się połączenia wyrównawcze przyłączone do tych samych
części przewodzących obcych, co połączenia wyrównawcze.
Jeżeli uzyskanie wymaganych czasów wyłączeń jest niemożliwe przy zastosowaniu urządzeń
ochronnych przetężeniowych, należy wykonać połączenia wyrównawcze dodatkowe.
Alternatywnie ochrona powinna być zapewniona za pomocą urządzenia ochronnego
różnicowoprądowego.
Przy zasilaniu z zespołu prądotwórczego uzyskanie skutecznej ochrony przeciwporażeniowej
przy zastosowaniu tylko urządzeń przetężeniowych może być nieskuteczne. Konieczne zatem
wydaje się zastosowanie urządzeń różnicowoprądowych w instalacji odbiorczej. Do instalacji
zasilającej gniazda przeznaczone do zasilania odbiorników ręcznych należy stosować
wyłączniki różnicowoprądowe o czułości nie większej jak 30 mA.
Rezystancja uziemienia punktu neutralnego generatora zespołu prądotwórczego nie może być
wyższa niż 5 .
W przypadku braku uziemienia punktu neutralnego generatora zespołu prądotwórczego
wektory napięć fazowych mogą się rozjeżdżać wskutek asymetrii obciążenia i w
konsekwencji prowadzić do wzrostu napięcia w fazach niedociążonych.
Wzrost napięcia w fazie niedociążonej może skutkować uszkodzeniem zasilanych
odbiorników.
W przypadku przyłączenia zespołu prądotwórczego poprzez transformator nN/SN, należy
uwzględnić wzrost obwodu zwarciowego powodowany występowaniem transformatora
nN/SN oraz transformatora SN/nN.
Jednokreskowy schemat obwodu zwarciowego w takim przypadku przedstawia rys.5.
8
Rys. 5: Jednokreskowy schemat obwodu zwarciowego dla układu zasilania awaryjnego z
przyłączonym zespołem prądotwórczym do linii SN
Obliczone parametry tak zaprojektowanego obwodu należy przeliczyć na napięcie 0,4 kV
zgodnie z zasadami obowiązującymi przy obliczaniu zwarć:
-
transformator nN/SN:
2
U nT
1
S nT
- transformator SN/nN
-
Z kT
uk
Z kT
uk
(6)
2
U nT
2
S nT
(7)
linia SN:
RL
L
400 2
(
)
S U SN
XL
x' L
ZL
RL2
(8)
X L2
9
Wówczas impedancja obwodu zwarciowego zostanie wyrażona następującym wzorem:
Z
Z k1G
2 Z L1nN
Z kTnN / SN
Z LSN
Z kTSN / nN
2 Z L 2nN .
(9)
Dalsze obliczenia należy prowadzić zgodnie z wcześniej opisanymi zasadami.
W praktyce impedancja linii SN przeliczona na napięcie 0,4 kV nie wnosi istotnych zmian do
wartości impedancji obwodu zwarciowego.
Największe znaczenie mają długości linii nN.
Dlatego w przypadku przesyłu energii elektrycznej z generatora zespołu prądotwórczego nN
należy dążyć do minimalizacji długości odcinków linii nN.
Transformator nN/SN należy lokalizować w pobliżu zespołu prądotwórczego podobnie
transformator SN/nN należy instalować w pobliżu rozdzielnicy głównej objętej systemem
zasilania awaryjnego.
W przypadku gdy spełnienie warunku samoczynnego wyłączenia w instalacji zasilanej z
zespołu prądotwórczego jest niemożliwe, należy przeprowadzi ocenę skuteczności
ochrony przeciwporażeniowej przy uszkodzeniu (przed dotykiem pośrednim) przez
sprawdzenie, czy w czasie zwarcia doziemnego o prądzie zwarciowym równym I a
wystąpiłoby na częściach przewodzących dostępnych napięcie dotykowe o wartości nie
przekraczającej napięcia dotykowego, dopuszczalnego długotrwale w danych
warunkach środowiskowych (UL).
Sprawdzenie to można wykonać przez obliczenie spodziewanych wartości napięć
dotykowych, jakie wystąpią na objętych ochroną częściach przewodzących dostępnych
Największa spodziewana wartość napięcia dotykowego UST będzie równa:
UST
Ia Z PE
(10)
Zależność określona wzorem (26) wynika bezpośrednio z rys. 6.
Rys. 6: Napięcie dotykowe na obudowie uszkodzonego odbiornika przy zwarciu
jednofazowymz ziemią [1]
(Ik – prąd zwarciowy; RkG – rezystancja uzwojenia
generatora; Xk1G – reaktancja generatora przyjmowana do obliczania zwarć
jednofazowych; Rp – rezystancja przewodów zasilających odbiornik;
Xp - reaktancja przewodów zasilających odbiornik; RPE – rezystancja przewodu ochronnego;
XPE – reaktancja przewodu ochronnego;
F – zabezpieczenie;
GSU – główna szyna uziemiająca;
RB – rezystancja uziemienia generatora zespołu prądotwórczego)
10
Zgodnie z wymaganiami określonymi w PN – HD 60364-4-41 uważa się, że ochrona
jest skuteczna, jeżeli napięcie dotykowe UST jest mniejsze od dopuszczalnego długotrwale w
danych warunkach środowiskowych, czyli:
UST
Ia Z PE
UL
(11)
gdzie:
Ia – prąd wyłączający głównego urządzenia zabezpieczającego w zespole
prądotwórczym, w czasie określonym w tabeli 3, w [A]
ZPE – wartość impedancji przewodu ochronnego PE między rozpatrywaną
częścią przewodzącą dostępną a głównym połączeniem wyrównawczym, w [ ]
UL – dopuszczalna długotrwale w danych warunkach środowiskowych wartość napięcia dotykowego,
w [V].
Jeżeli określony wzorem warunek nie może zostać spełniony, to należy wykonać połączenie
wyrównawcze dodatkowe (miejscowe), łączące części przewodzące jednocześnie dostępne.
Skuteczność wykonanego połączenia wyrównawczego dodatkowego sprawdza się przez
obliczenie spodziewanej wartości napięcia dotykowego zgodnie ze wzorem
(PN – HD 60364 4-41):
UST Ia R PE UL
(12)
gdzie:
Ia – prąd wyłączający urządzenia zabezpieczającego (w obwodzie zasilania zespołu
prądotwórczego lub urządzenia odbiorczego) w czasie określonym w tabeli 3, w [A]
RPE – wartość rezystancji przewodu połączenia wyrównawczego miejscowego PE pomiędzy
częściami przewodzącymi dostępnymi jednocześnie, w [ ]
UL – dopuszczalna długotrwale w danych warunkach środowiskowych wartość napięcia
dotykowego, w [V].
Wartość rezystancji RPE należy ustalić na drodze obliczeniowej zgodnie ze wzorem:
R
(13)
L
S
gdzie:
L – długość przewodu wyrównawczego, w [m]
γ – przewodność elektryczna materiału żyły przewodu wyrównawczego, w [ m /(
S – przekrój żyły przewodu wyrównawczego, w [mm2].
mm2 ) ]
Prowadzi to przy znanych odległościach części przewodzących jednocześnie dostępnych do
określenia następującego warunku dotyczącego minimalnego przekroju przewodu
wyrównawczego, przy określonej wartości napięcia dopuszczalnego długotrwale (UL):
S
Ia L
UL
11
(14)
Literatura:
1. J. Wiatr; M. Orzechowski – Poradnik projektanta elektryka – DW Medium 2008
2. R. Kacejko; J. Machowski – Zwarcia w systemach elektroenergetycznych – WNT
2001
3. Ochrona przeciwporażeniowa w warunkach polowych – MON Inż. 349/72
4. Praca zbiorowa pod redakcją J. Wiatr – Poradnik Projektanta systemów zasilania
awaryjnego i gwarantowanego – EATON POWER QUALITY 2008
5. Wieloarkuszowa norma PN-IEC 60364 – Instalacje elektryczne w obiektach
budowlanych
6. J. Wiatr; M. Miegoń – Zasilacze UPS i baterie akumulatorów w układach zasilania
gwarantowanego –DW Medium 2008
7. L. Danielski; R. Zacirka – Badanie ochrony przeciwporażeniowej w obiektach z
przemiennikami częstotliwości – Elektro.info nr 12/2005
8. J. Wiatr – Zespoły prądotwórcze w układach zasilania awaryjnego – DW Medium
2008
12