Sposób uziemienia punktu neutralnego sieci

Sposób uziemienia punktu neutralnego sieci
Rzecz dotyczy licznych kwestii terminologicznych, które w języku polskim od dawna są
wyjątkowo kulawe, a ci, którzy powinni je uleczyć, zachowują się jak łódzkie pogotowie. Zaczyna
się od tytułowego hasła „sposób uziemienia punktu neutralnego sieci” (dawniej punktu zerowego
i/lub punktu gwiazdowego), występującego w piśmiennictwie również w wielu innych wersjach:
rodzaj pracy punktu neutralnego sieci, system uziemienia sieci, sposób pracy punktu neutralnego
itd. Są to sformułowania dość zawiłe, złożone z wielu słów, co sprzyja ich zniekształcaniu
i udziwnianiu, mnożeniu wersji będących w obiegu. Aż dziw bierze, że w innych językach brzmi to
tak prosto: system grounding, régime du neutre, Sternpunktbehandlung, режим нейтрали.
Jeszcze gorzej jest, kiedy przechodzi się do szczegółów, do rozpatrywania i nazywania
możliwych sposobów uziemienia punktu neutralnego sieci. Jeśli w nazewnictwie ma być jakiś ład,
to trzeba według przyjętej zasady klasyfikacyjnej stworzyć pełny system terminologiczny
w określonej dziedzinie, a nie przyjmować doraźnie tylko potrzebne terminy, zaniedbując inne,
pokrewne, ściśle związane. Przyjęte zasady klasyfikacji powinny być niezależne od poziomu
napięcia znamionowego sieci, aczkolwiek napięcie znamionowe i inne cechy sieci mogą wpływać
na zwykle stosowane w nich rozwiązania techniczne i ich parametry. Jeśli pominąć niuanse
dotyczące sieci niskiego napięcia, to w sieciach wysokiego napięcia można wyróżnić sposoby
uziemienia punktu neutralnego zestawione w tabl. 1. W miarę posuwania się w dół prawej kolumny
- przy niezmiennych innych warunkach - coraz większy jest prąd zwarcia z ziemią, ale coraz
mniejsze są przepięcia ziemnozwarciowe. Wybór sposobu uziemienia punktu neutralnego sieci ma
zatem duży wpływ na wymiarowanie uziemień i innych elementów ochrony przeciwporażeniowej
i ochrony przeciwprzepięciowej oraz na rozwiązanie układu zabezpieczeń od zwarć doziemnych.
Tablica 1. Spotykane sposoby uziemienia punktu neutralnego sieci wysokiego napięcia
Sieć o punkcie neutralnym Punkt neutralny nie ma żadnego połączenia z ziemią albo jest uziemiony przez
ogranicznik przepięć bądź bardzo dużą impedancję umożliwiającą przepływ
izolowanym (od ziemi)
bardzo małego prądu dla celów zabezpieczeń i/lub pomiarów.
isolated neutral system
Sieć o punkcie neutralnym uziemionym
przez dużą impedancję
impedance earthed (neutral) system
Sieć o punkcie neutralnym
Sieć o punkcie neutralnym uziemionym pośrednio
uziemionym
Sieć o punkcie neutralnym uziemionym
przez dławik gaszący (sieć o kompensacji
ziemnozwarciowej)
resonant earthed (neutral) system
Sieć o punkcie neutralnym uziemionym
przez małą reaktancję (USA)
reactance earthed (neutral) system
Sieć o punkcie neutralnym uziemionym
przez rezystancję
resistance earthed (neutral) system
Sieć o punkcie neutralnym
uziemionym bezpośrednio
solidly earthed (neutral) system
Sieć o punkcie neutralnym nieskutecznie
uziemionym×)
Sieć o punkcie neutralnym skutecznie
uziemionym
×
) Wszystkie sieci o punkcie neutralnym uziemionym pośrednio tym bardziej mają ten punkt uziemiony
nieskutecznie.
Spuśćmy zasłonę na dawniejsze polskie wybryki terminologiczne w tej dziedzinie. Spójrzmy
na najnowsze normy, tłumaczone, redagowane i konsultowane w obecnych komitetach
technicznych PKN, w których pełno doktorów, profesorów zwyczajnych, nadzwyczajnych
i nienadzwyczajnych (tych najwięcej). Oto przykładowe sukcesy uczonych głów:
1. Sieć z uziemionym niebezpośrednio punktem neutralnym (PN-EN 62271-100:2004,
pkt 6.102.10.2.3.1). Antonimy „bezpośrednio – pośrednio”, jacyś niedouczeni uczeni zapamiętali
jako „bezpośrednio – niebezpośrednio”.
2. Sieć z trwale uziemionym punktem neutralnym: sieć, w której jeden punkt lub więcej punktów
neutralnych jest bezpośrednio uziemionych (PN-EN 60044-7:2003, punkt 2.1.24). Definicji
towarzyszy przywołanie międzynarodowego słownika elektrotechnicznego [IEV1 601-02-25],
w którym można przeczytać:
solidly earthed (neutral) system: a system whose neutral point(s) is (are) earthed directly ∗
réseau à neutre directement à la terre. R электрическая сеть с глухозаземленной нейтралью.
D Netz mit starrer Sternpunkterdung. E red de neutro rigidamente a tierra. I sistema con neutro
direttamente a terra. N net met star geaard sterpunt. P sieć o punkcie zerowym bezpośrednio
uziemionym. S direktjordat system.
Jak widać, do słownika międzynarodowego strona polska podała swego czasu poprawny,
powszechnie w piśmiennictwie używany, polski odpowiednik tego terminu: „sieć o punkcie
zerowym bezpośrednio uziemionym”. W innych wersjach językowych tego terminu akcentuje się
uziemienie bezpośrednie (directement, direttamente, direktjordat) albo uziemienie solidne,
sztywne, małooporowe (solidly earthed, с глухозаземленной…, starrer …erdung, rigidamente
a tierra, star geaard). W Polskiej Normie z roku 1999 na koordynację izolacji [6] w punkcie 3.12
zdefiniowano termin „sieć z bezpośrednio uziemionym punktem neutralnym”. Najwybitniejsi
specjaliści uwikłani w normalizację w Komitecie Technicznym nr 81 ds. Przekładników
i Transformatorów Małej Mocy (przewodniczący prof. dr hab. inż. Ryszard Nowicz) nic o tym
nie wiedzą i wymyślają bzdurny termin „trwale uziemiony punkt neutralny”, który nigdy
przedtem nie był używany. Bzdurny, bo „trwale” znaczy w ciągu długiego czasu, na stałe, stale,
i nie w tym rzecz, bo dławik gaszący albo rezystor też jest przyłączony na stałe i za ich
pośrednictwem punkt neutralny sieci jest trwale uziemiony pośrednio.
To bynajmniej nie koniec partactwa Komitetu Technicznego nr 81. W sieciach najwyższych
napięć (w Polsce Un ≥ 110 kV) punkt neutralny jest nie tylko uziemiony bezpośrednio, ale powinien
być uziemiony skutecznie, aby obniżyć koszt izolacji doziemnej i ochrony przeciwprzepięciowej.
Za miarę skuteczności uziemienia punktu neutralnego do niedawna przyjmowano współczynnik
uziemienia sieci definiowany następująco:
Współczynnik uziemienia sieci trójfazowej (kuz) w określonym jej miejscu jest to iloraz
następujących napięć o częstotliwości znamionowej: najwyższego napięcia występującego między
zdrową fazą a ziemią podczas zwarcia doziemnego jedno- lub wielofazowego oraz napięcia
międzyprzewodowego występującego w tym samym miejscu sieci w przypadku zniknięcia zwarcia
[3].
Wartość liczbowa współczynnika uziemienia sieci informuje o poziomie izolacji doziemnej.
Na przykład w sieci 110 kV, o największym dopuszczalnym napięciu roboczym 123 kV, wynosi on
0,8⋅123 ≈ 99 kV. Izolatory liniowe, izolację doziemną kabli i aparatów wymiaruje się na napięcie
obniżone do 80%, a nie na napięcie międzyprzewodowe 100% (123 kV), jak to muszą czynić
Niemcy i Austriacy w sieciach 110 kV o kompensacji ziemnozwarciowej.
Kiedy już wszyscy przywykli do pojęcia współczynnika uziemienia sieci, wprowadzono
nowe pojęcie - współczynnik zwarcia doziemnego - odnosząc najwyższe napięcie występujące
między zdrową fazą a ziemią podczas zwarcia doziemnego do napięcia doziemnego po ustąpieniu
zwarcia, a nie do napięcia międzyprzewodowego sieci. Łatwo zauważyć, że współczynnik zwarcia
doziemnego kE ma wartość 3 razy większą niż współczynnik uziemienia sieci (tabl. 2).
1
IEV – International Electrotechnical Vocabulary [7]
Tablica 2. Zwykłe warunki skuteczności uziemienia punktu neutralnego sieci
Napięcie
znamionowe
sieci
Wymagana wartość
współczynnika
uziemienia kuz
Wymagana wartość
współczynnika
zwarcia doziemnego kE
110 kV
kuz ≤ 0,80
kE ≤ 1,4
220 kV
kuz ≤ 0,75
kE ≤ 1,3
400 kV
Warunki zapewniające uzyskanie
wymaganych wartości
współczynników kuz lub kE
X0
≤3
X1
X0
≤2
X1
oraz
oraz
R0
≤1
X1
R0
≤ 0 ,5
X1
X0 i R0 - reaktancja i rezystancja dla składowej zerowej; X1 - reaktancja dla składowej zgodnej prądu
zwarciowego (warunki sprawdzane we wszystkich węzłach sieci)
W międzynarodowym słowniku elektrotechnicznym jest definicja współczynnika zwarcia
doziemnego i jest oczywiście jedna jedyna:
earth fault factor: at a given location of a three-phase system, and for a given system
configuration, the ratio of the highest r.m.s. phase-to-earth power frequency voltage on a healthy
phase during a fault to earth affecting one or more phases at any point on the system to the r.m.s.
value of phase-to-earth power frequency voltage which would be obtained at the given location in
the absence of any such fault ∗ facteur de défaut à la terre. R коэффициент замыкания на землю.
D Erdfehlerfaktor. E factor de defecto a tierra. I fattore di guasto a terra. N aardfoutfactor.
P współczynnik wzrostu napięcia przy zwarciu doziemnym. S jordfelsfaktor.
Tym razem Polacy podkreślili swoją odrębność. PKN zgłosił do IEV polską wersję terminu
„współczynnik wzrostu napięcia przy zwarciu doziemnym”, która - jak wyżej widać - nie ma
odpowiednika w żadnym innym języku. Nikt jej zresztą w Polsce nie przestrzega, chociażby
dlatego, że prawie nikt jej nie zna. Przejmując to pojęcie Polacy chętnie wymyślają własną wersję
terminu i/lub własną definicję. Za wyjściowy można przyjąć tekst z normy PN-EN 60071-1:1999
[6] dotyczącej koordynacji izolacji:
„Współczynnik zwarcia doziemnego: Stosunek wartości skutecznej najwyższego napięcia
o częstotliwości sieciowej między zdrową fazą a ziemią w danym miejscu i przy danej konfiguracji
sieci trójfazowej, w czasie zwarcia do ziemi jednej lub więcej faz w danym punkcie sieci, do
wartości skutecznej napięcia o częstotliwości sieciowej, która wystąpiłaby w rozpatrywanym
miejscu bez zwarcia. [IEV 604-03-06]”
W normie PN-EN 62271-100:2004, pkt 3.1.109 [8] jest następujące tłumaczenie tej samej
wersji oryginalnej terminu i jego definicji:
„Współczynnik zwarcia doziemnego - stosunek największej skutecznej wartości napięcia
fazowego o częstotliwości sieciowej dla wybranego miejsca w sieci trójfazowej (w miejscu
zainstalowania aparatu w danej sieci), fazy zdrowej podczas doziemienia w wybranym punkcie
sieci trójfazowej (oddziałującej na jedną fazę lub więcej faz), do skutecznej wartości napięcia
fazowego o częstotliwości sieciowej, jakie by wystąpiło w wybranym punkcie sieci, gdyby nie było
zwarcia.
UWAGA 1. Współczynnik ten jest stosunkiem (zwykle większym niż 1) i charakteryzuje warunki doziemienia systemu
w danym punkcie sieci, niezależnie od wartości napięcia w danym punkcie. „Współczynnik zwarcia doziemnego” jest
iloczynem 3 i „współczynnika uziemienia”, który stosowano w przeszłości.
UWAGA 2. Współczynnik zwarcia doziemnego oblicza się z impedancji składowych symetrycznych w danym punkcie
sieci, stosując składowe podprzejściowe dla dowolnego generatora.
UWAGA 3. Jeżeli dla wszystkich możliwych układów sieci, reaktancja dla składowej zerowej jest trzykrotnie mniejsza
niż dla składowej zgodnej oraz jeżeli rezystancja dla składowej zerowej nie przekroczy wartości reaktancji dla
składowej zgodnej, współczynnik zwarcia doziemnego nie przekroczy 1,4.”
W artykule [1] bazującym na normie dotyczącej koordynacji izolacji [6] można znaleźć
następującą prostą definicję, podbudowaną wzorem i zarazem - zniekształconą w porównaniu
z normą - wersję terminu, bo prof. R. Kosztaluk wprawdzie wychował się w Gdańsku, ale potem
zwarszawiał i znalazł upodobanie w psuciu terminologii:
„Współczynnik zwarcia z ziemią (ang. earth fault factor) w danym miejscu i w danym
układzie pracy sieci trójfazowej jest ilorazem wartości skutecznych dwu napięć doziemnych
częstotliwości sieciowej:
k=
U zf
U bd
przy czym Uzf jest napięciem zdrowej (nie uziemionej) fazy, podczas wystąpienia doziemienia innej
fazy, natomiast Ubd jest napięciem tej samej (nie uziemionej) fazy, która wystąpiłaby w przypadku
braku zwarcia z ziemią.”
Wszystkich pobił, już wyżej podziwiany, Komitet Techniczny nr 81, który zresztą od lat
masakruje polską terminologię z zakresu przekładników. We wspomnianej normie PN-EN 600447:2003 [5] w punkcie 2.1.21 czytamy:
Współczynnik uziemienia: Stosunek najwyższej wartości skutecznej napięcia fazowego
o częstotliwości sieciowej w nieuszkodzonej fazie w rozpatrywanym miejscu sieci trójfazowej
podczas zwarcia z ziemią jednej lub kilku faz w dowolnym miejscu sieci, do wartości skutecznej
napięcia fazowego o częstotliwości sieciowej, które wystąpiłoby w tym miejscu po usunięciu
zwarcia [IEV 604-03-06]
Starszemu, od dawna ugruntowanemu terminowi „współczynnik uziemienia” przypisuje się
definicję nowszego terminu „współczynnik zwarcia doziemnego”. Wartości liczbowe obu
współczynników różnią się w stosunku 3 (tabl. 2). Łatwo sobie wyobrazić zamęt w głowach
studentów i konsekwencje praktyczne, jeśli jakiś projektant weźmie dosłownie tekst normy
opracowanej przez wybitnych polskich profesorów i doktorów.
Tak się buduje wieżę Babel. Budują ją ludzie niedouczeni i nieodpowiedzialni, za to
utytułowani i wysoko nosa zadzierający. Parodiowanie normalizacji [2] trwa w najlepsze.
Literatura
1. Kosztaluk R., Mikulski J.: Koordynacja izolacji sieci elektrycznych. Biuletyn SEP INPE, 2003,
nr 54, s. 35-56.
2. Musiał E.: Najwyższy czas zaprzestać parodiowania normalizacji. Biul. SEP INPE „Informacje
o normach i przepisach elektrycznych” 2002, nr 48, s. 96-110.
3. Poradnik inżyniera elektryka. Tom czwarty - Elektroenergetyka. WNT, Warszawa 1975.
4. PN-92/E-50601 Słownik terminologiczny elektryki. Wytwarzanie, przesyłanie i rozdzielanie
energii elektrycznej. Pojęcia ogólne.
5. PN-EN 60044-7:2003 Przekładniki. Przekładniki napięciowe elektroniczne.
6. PN-EN 60071-1:1999 Koordynacja izolacji. Definicje, zasady i reguły.
7. PN-EN 62271-100:2004 Wysokonapięciowa aparatura rozdzielcza i sterownicza. Część 100:
Wyłączniki wysokiego napięcia prądu przemiennego.
8. International Electrotechnical Commission: Electricity, Electronics and Telecommunications.
Multilingual Dictionary. Volume 1: English-French-Russian-German-Spanish-Dutch-ItalianSwedish-Polish. Elsevier, Amsterdam-New York-Tokyo-Oxford 1992.
Edward Musiał
Powyższy tekst jest uzupełnioną wersją artykułu o danych bibliograficznych:
Musiał E.: Sposób uziemienia punktu neutralnego sieci. Biul. SEP INPE „Informacje o normach
i przepisach elektrycznych”, 2004, nr 63, s. 72-76.