ANALIZA MOśLIWOŚCI ZADZIAŁANIA ZABEZPIECZEŃ ZIEMNOZWARCIOWYCH W SYTUACJI DOTYKU BEZPOŚREDNIEGO W IZOLOWANYCH SIECIACH SN

Transkrypt

1 Henryk KLEN OP-LBOR Sp. z o.o. NLZ MOśLWOŚC ZDZŁN ZBEZPECZEŃ ZEMNOZWRCOWYCH W SYTUCJ DOTYKU BEZPOŚREDNEGO W ZOLOWNYCH SECCH SN Streszczenie. KaŜdy przypadek poraŝenia człowieka prądem elektrycznym na terenie zakładu górniczego jest przedmiotem wnikliwej analizy. W wypadkach dotyku bezpośredniego części czynnych zasilanych z kopalnianej sieci SN, wobec spektakularnych efektów tych wypadków (oparzenia, ęglenie naskórka, termiczne uszkodzenia stawów), wiele wątpliwości budzi na ogół stan techniczny i dobór nastawień zabezpieczeń ziemnoarciowych w polach rozdzielczych zasilających miejsce wypadku. W referacie przedstawiono analizę warunków działania zabezpieczeń ziemnoarciowych w czasie takiego zdarzenia. 1. Organizm człowieka w obwodzie ziemnoarciowym. Z punktu widzenia wpływu organizmu ludzkiego na wartość wielkości fizycznych charakteryzujących doziemienie, stanowi on pewną impedancję o charakterze rezystancyjno-pojemnościowym wtrąconą pomiędzy ziemię a część czynną sieci elektroenergetycznej. Wartość tej impedancji zaleŝna jest od szeregu czynników, takich jak: wartość i częstotliwość napięcia dotykowego, powierzchnia dotyku, stan skóry w miejscu dotyku, obecność elementów pośredniczących (narzędzia, tkanina ubrania) czy wreszcie warunki środowiskowe (temperatura, wilgotność) w miejscu wypadku. Na Rys. 1 przedstawiono rozkład statystycznych wartości impedancji całkowitych ciała ludzi na drodze przepływu prądu ręka stopa w zaleŝności od wartości napięcia dotykowego [1]. Wartości te odpowiadają stosunkowo duŝym powierzchniom styku (kilka tysięcy mm 2 ). Mniejszym powierzchniom styku do chwili przebicia naskórka odpowiadają większe wartości impedancji. Jednoznaczne określenie wpływu pozostałych wymienionych czynników nie jest na ogół moŝliwe, zarówno z uwagi na indywidualne cechy miejsca zdarzenia i stanu ciała osoby poraŝonej przed zaistnieniem zdarzenia jak i ze względu na zmiany powierzchni styku oraz stanu naskórka w czasie przepływu prądu przez organizm. Rozpatrując zatem wpływ organizmu człowieka na obwód ziemnoarciowy, naleŝy liczyć się z jego impedancją mieszczącą się w przedziale od wartości bliskich zeru do kilku kω, przy czym moŝliwość doprecyzowania tej wartości w konkretnym przypadku naleŝy uznać za wątpliwą. Z punktu widzenia późniejszego dochodzenia przebiegu zdarzenia interesujący jest równieŝ iązek charakteru obraŝeń (oparzeń) naskórka z wartością 1

2 naliza moŝliwości zadziałania zabezpieczeń ziemnoarciowych w sytuacji... przepływającego prądu. ZaleŜność tę charakteryzują krzywe przedstawione na Rys. 2 [1]. Rys. 1. Wartości statystyczne impedancji całkowitych ciała ludzi na drodze przepływu prądu ręka-stopa, przy napięciach dotykowych do 5 V, dla prądu przemiennego 5/6 Hz Rys. 2. ZaleŜność zmian skóry ludzkiej od gęstości prądu i czasu przepływu prądu. 2

3 H. Klein 2. Wielkości warunkujące działanie zabezpieczeń ziemnoarciowych w izolowanych sieciach SN. Zabezpieczenia ziemnoarciowe pracujące w kopalnianych sieciach rozdzielczych 6 kv działają na podstawie pomiaru jednej lub obu następujących wielkości: składowej kolejności zerowej napięcia (U) na szynach rozdzielni; składowej kolejności zerowej prądu na kontrolowanym odpływie (). Wielkościami kryterialnymi (powodującymi zadziałanie) tych zabezpieczeń są albo wartości U lub, albo teŝ wielkości wyliczane na ich podstawie (przesunięcie fazowe, admitancja). W odpływowych polach rozdzielczych najbardziej rozpowszechnione są zabezpieczenia mierzące tylko składową kolejności zerowej prądu (zerowoprądowe niekierunkowe) albo mierzące i U lub teŝ w kilku polach rozdzielczych i na tej podstawie określające dodatkowo kierunek przepływu składowej kolejności zerowej prądu (t. zabezpieczenia ziemnoarciowe kierunkowe). Zabezpieczenia mierzące wyłącznie składową kolejności zerowej napięcia (zerowonapięciowe) budowane są prawie wyłącznie w polach pomiaru napięcia a ich zadaniem jest sygnalizacja wystąpienia doziemienia w sieci, a nie jego lokalizacja i eliminacja. Pobudzenie zabezpieczenia ziemnoarciowego niekierunkowego (zerowoprądowego lub zerowonapięciowego) następuje po przekroczeniu przez mierzoną wielkość (odpowiednio: składową kolejności zerowej prądu lub napięcia) nastawionej wartości rozruchowej. Pobudzenie zabezpieczenia ziemnoarciowego kierunkowego następuje po przekroczeniu wartości rozruchowej prądu przy jednoczesnym stwierdzeniu, iŝ kierunek przepływu prądu odpowiada doziemieniu w strefie chronionej przez zabezpieczenie. Dodatkowo, w przypadku zabezpieczeń mierzących składową kolejności zerowej napięcia, konieczne jest aby wartość U przekroczyła nastawialną lub nienastawialną, zaleŝnie od typu zabezpieczenia - wartość rozruchową. Pewną hybrydą są tu przekaźniki typu UPZ, które pracują jako kierunkowe przy napięciu U większym od wartości rozruchowej, natomiast jako niekierunkowe przy wartościach niŝszych lub przy braku napięcia na wejściu składowej kolejności zerowej napięcia. 3. Zasady doboru nastawień zabezpieczeń ziemnoarciowych. Granice dopuszczalnych wartości nastawczych prądów rozruchowych zabezpieczeń ziemnoarciowych określa norma PN-G-4244:2, zgodnie z którą nastawienie prądowe zabezpieczenia ziemnoarciowego kierunkowego powinno spełnić nierówność: 3

4 naliza moŝliwości zadziałania zabezpieczeń ziemnoarciowych w sytuacji... c cx nast (1) kc natomiast nastawienie zabezpieczenia zerowoprądowego układ nierówności: c cx knz cx nast (2) kc gdzie: nast nastawienie prądowe przekaźnika ziemnoarciowego; c pojemnościowy prąd ziemnoarciowy sieci elektroenergetycznej obliczony przy załoŝeniu doziemienia metalicznego przy ściśle sinusoidalnym wymuszeniu napięciowym o częstotliwości sieciowej; cx pojemnościowy prąd ziemnoarciowy własny zabezpieczanego odpływu sieciowego obliczony przy załoŝeniu doziemienia metalicznego przy ściśle sinusoidalnym wymuszeniu napięciowym o częstotliwości sieciowej; k c 2 współczynnik czułości; k nz 4 współczynnik niezawodności. NaleŜy zaznaczyć Ŝe wartości c oraz cx wyznaczane są dla przypadku doziemienia bezpośredniego, czyli dla zerowej impedancji przejścia w miejscu doziemienia. Ponadto norma powyŝsza wymaga, aby zabezpieczenia zerowomocowe działały prawidłowo przy składowej kolejności zerowej napięcia zawierającej się w przedziale od 3 do 11 V. Wartości progowe napięcia U dla wybranych przekaźników ziemnoarciowych kierunkowych spotykanych w kopalnianych sieci 6 kv zestawiono w Tabeli 1. Tabela 1. Wartości progowe lub zakresy nastawcze składowej zerowej napięcia w wybranych przekaźnikach zabezpieczeniowych. Lp Typ przekaźnika Wartość progowa Uwagi (zakres nastawczy) składowej zerowej napięcia 1 ZSG-6M 25V - 2 UPZ 12M; UPZ 12M/B 3V-1% PoniŜej wartości progowej przekaźnik przechodzi do pracy niekierunkowej 3 RTEst 12; RTEst 13,2U N ±15% - 4 RTEst 5 15V - 5 RZZ 2B (1±1; 2±1,5; 3±2)V - 6 MUPSZ 21G 15%U N - 7 multimuz2, (4 1)V - megamuz, ecomuz2 8 SEPM 1+ (2 8)%U N - 9 MiCOM P125/126/127 (,6 26)V - 4

5 H. Klein Dla przekaźników z nastawialną wartością U, w praktyce stosuje się nastawienia zawarte w przedziale od kilkunastu do 2V. Jest to podyktowane ograniczoną dokładnością istniejących filtrów składowej zerowej napięcia. 4. Warunki działania zabezpieczeń ziemnoarciowych podczas doziemień rezystancyjnych. Schemat zastępczy sieci doziemionej przedstawiono na Rys. 3. W dalszych roaŝaniach moŝna bez znaczącego uszczerbku dla ich dokładności przyjąć Ŝe impedancja organizmu ludzkiego ma charakter rezystancyjny, a ponadto Ŝe fazowe admitancje doziemne sieci (poza miejscem doziemienia) mają charakter symetryczny. U UB UC ld YCx= (1/RCx+j CCx) YBx= (1/RBx+j CBx) Yx= (1/Rx+j Cx) Y= 1/R=G YCz= (1/RCz+j CCz) YBz= (1/RBz+j CBz) Yz= (1/Rz+j Cz) Rys. 3. Schemat zastępczy sieci T. Zespolone wartości składowej kolejności zerowej napięcia, pojemnościowego prądu ziemnoarciowego oraz składowej kolejności zerowej prądu w miejscu zainstalowania zabezpieczenia ziemnoarciowego w czasie doziemienia metalicznego (bezpośredniego) opisane są zaleŝnościami: składowa kolejności zerowej napięcia: V ( R = ) = U ; (3) prąd ziemnoarciowy w miejscu doziemienia: Z ( R = ) = 3U Y 3 jωc U ; (4) s 5

6 naliza moŝliwości zadziałania zabezpieczeń ziemnoarciowych w sytuacji... gdzie: składowa kolejności zerowej prądu mierzona w miejscu zainstalowania zabezpieczenia ziemnoarciowego: = ω C ) U (5) ld ( R ) = 3U ( Y Y x ) 3 j ( Cs x U wektor napięcia fazowego fazy doziemionej; Y fazowa zespolona admitancja doziemna sieci elektroenergetycznej; Y x fazowa zespolona admitancja doziemna odcinka sieci elektroenergetycznej kontrolowanej przez rozpatrywane zabezpieczenie ziemnoarciowe; C s fazowa pojemność doziemna sieci elektroenergetycznej; C x - fazowa pojemność doziemna odcinka sieci elektroenergetycznej kontrolowanej przez rozpatrywane zabezpieczenie ziemnoarciowe; Zmienność wartości wielkości ziemnoarciowych przy doziemieniu niemetalicznym (rezystancyjnym), w zaleŝności od wartości rezystancji w miejscu doziemienia dla sieci izolowanej opisują równania: składowa kolejności zerowej napięcia: V U = 3YR U jωc R s ; (6) + 1 składowa kolejności zerowej napięcia na wyjściu filtra składowej zerowej napięcia: V V V = 3 3 ; (7) η 6 3 wt = u prąd ziemnoarciowy w miejscu doziemienia: z 3U = 3YR Y 3 jωcsu ; (8) jωc R + 1 składowa kolejności zerowej prądu mierzona w miejscu zainstalowania zabezpieczenia ziemnoarciowego: ld s 3U ( Y Y x ) 3 jωu ( C = 3YR jωc R moc czynna wydzielana na rezystancji doziemienia: s 2 P = R ; z s C x ) ; (9) + 1 6

7 H. Klein gdzie: R rezystancja doziemienia; z moduł prądu ziemnoarciowego z NaleŜy rócić uwagę, Ŝe istnienie rezystancji doziemienia wprowadza do równań opisujących składową kolejności zerowej napięcia i prądu identyczny współczynnik proporcjonalności: (3YR+1), wobec czego rezystancja ta nie ma wpływu na wzajemne przesunięcie fazowe tych wielkości. 5. Wpływ rezystancji w miejscu doziemienia na wartości wielkości kryterialnych zabezpieczeń ziemnoarciowych. Dla zilustrowania zmian wartości kryterialnych w zaleŝności od rezystancji doziemienia, reprezentującej organizm człowieka, wykonano obliczenia dla następujących parametrów sieci i odpływu, na którym załoŝono doziemienie: c =2; cx =5. Dopuszczalne wartości nastawienia zabezpieczenia ziemnoarciowego w takim przypadku powinny spełniać warunki, odpowiednio: c cx zabezpieczenie kierunkowe: nast = 7, 5 (1); k zabezpieczenie zerowoprądowe: c cx knz cx = 2 nast = 7, 5 (11). k c Układ nierówności (11) jest układem sprzecznym, zatem w rozpatrywanym przypadku moŝliwe jest jedynie zastosowanie zabezpieczenia kierunkowego. Przyjęto Ŝe nastawienie prądowe tego zabezpieczenia wynosi r = 2,. Zastosowanie zabezpieczenia zerowoprądowego dla odpływu o załoŝonej wartości prądu ziemnoarciowego własnego byłoby moŝliwe przy zasileniu rozpatrywanego pola z sieci o całkowitym prądzie ziemnoarciowym nie mniejszym od 45. Wobec spodziewanego zakresu rezystancji, jakie moŝe przyjmować organizm człowieka, wykonano obliczenia zmian wartości kryterialnych dla zakresu 25Ω.. Na Rys. 4 przedstawiono zmienność składowej zerowej napięcia V wt, prądu ziemnoarciowego w miejscu doziemienia z i prądu mierzonego przez zabezpieczenie ziemnoarciowe old. Dodatkowo zilustrowano na wykresie wartość nastawienia prądowego zabezpieczenia r. Biorąc pod uwagę wymagania stawiane zabezpieczeniu przez normę [2], warunek przez nią postawiony, tj. U 3%U n spełniony będzie w analizowanym c 7

8 naliza moŝliwości zadziałania zabezpieczeń ziemnoarciowych w sytuacji... z old r Vwt old<=r dla R>=128W; Vwt<=2V dla R>=846W; Vwt<=3V dla R>=55W; [ ] 5 U [V ] R [ohm] Rys. 4. ZaleŜność kryterialnych wielkości ziemnoarciowych od rezystancji doziemienia R. z prąd ziemnoarciowy w miejscu doziemienia; old składowa zerowa prądu mierzona w polu rozdzielczym zasilającym doziemienie; r -nastawienie zabezpieczenia ziemnoarciowego. przykładzie dla rezystancji R 55Ω. Wartość rozruchowa prądu zerowego natomiast jest osiągana dla wartości rezystancji R 128Ω. Zatem graniczne wartości wielkości kryterialnych poalające na zadziałanie zabezpieczenia (przy współczynniku czułości równym 1) wystąpią, jeŝeli rezystancja doziemienia nie przekroczy 128Ω. Dla wartości wyŝszych zadziałanie nie nastąpi. Z uwagi na spotykane obraŝenia przy tego rodzaju poraŝeniach, interesujące są wartości mocy wydzielonej na rezystancji doziemienia w funkcji zmian jej wartości. lustruje to Rys. 5. Warto zauwaŝyć, Ŝe dla wymienionej uprzednio rezystancji 128Ω, warunkującej działanie rozpatrywanego zabezpieczenia, wydzielać się będzie na niej moc o wartości 9,2 kw. Przykład zilustrowany rysunkami 4 i 5 dotyczy sieci jak na warunki kopalniane niezbyt rozległej ( c =2). Jest to dość typowy przykład sieci t. powierzchniowej wydzielonej na potrzeby głównych maszyn zakładu górniczego, takich jak wentylatory głównego przewietrzania i przetwornice maszyn wyciągowych. 8

9 H. Klein P=f(R) P [W] R [ohm] Rys. 5. ZaleŜność mocy P wydzielonej na rezystancji doziemienia R od wartości tej rezystancji z old r Vwt [] U [V] z(r=)=c Rys. 6. ZaleŜność kryterialnych wielkości ziemnoarciowych od prądu ziemnoarciowego całkowitego sieci cs przy stałej rezystancji doziemienia R =5Ω Oznaczenia jak na Rys. 4 9

10 naliza moŝliwości zadziałania zabezpieczeń ziemnoarciowych w sytuacji... W sieciach bardziej rozległych w czasie doziemienia rezystancyjnego o określonej wartości rezystancji doziemienia, wraz ze wzrostem wartości c rośnie co oczywiste - wartość prądu old mierzonego przez zabezpieczenie, ale maleje wartość składowej zerowej napięcia. ZaleŜność tę dla rezystancji doziemienia R =5Ω i prądzie udziału cx =5, dla zmieniających się wartości c przedstawiono na Rys. 6. Dla rozpatrywanego przykładu, zabezpieczenie ziemnoarciowe kierunkowe o granicznej wartości składowej zerowej napięcia 3V traci zdolność działania dla c =21,8, a dla granicznej wartości składowej zerowej napięcia 2V 33,9. 6. Podsumowanie. Przedstawione uprzednio roaŝania uprawniają do sformułowania następujących wniosków: W warunkach dotyku bezpośredniego, w obwód ziemnoarciowy zostaje wtrącona rezystancja ciała osoby poraŝonej. Wartość tej rezystancji zaleŝy od szeregu czynników i nie jest najczęściej moŝliwa do jednoznacznego ustalenia. Wystąpienie warunków niezbędnych do zadziałania zabezpieczenia ziemnoarciowego w polu rozdzielczym zasilającym doziemiony odcinek sieci zaleŝy od rezystancji doziemienia, całkowitego prądu ziemnoarciowego sieci, prądu udziału i nastawień zabezpieczenia. Wartości, jakie moŝe przyjmować rezystancja ciała ludzkiego, częstokroć mogą powodować, iŝ zabezpieczenia ziemnoarciowe nie będą miały warunków do zadziałania podczas dotyku bezpośredniego. Wzrost wartości całkowitego prądu ziemnoarciowego sieci, przy określonej rezystancji doziemienia, korzystnie wpływa na prądowe kryterium zadziałania zabezpieczenia, natomiast niekorzystnie na kryterium napięciowe. Mimo braku warunków do zadziałania zabezpieczenia przy określonej rezystancji doziemienia, moc która moŝe się na niej wydzielić w pełni uzasadnia rozległe obraŝenia termiczne które na ogół są stwierdzane. Jednym z podstawowych problemów w ustalaniu przebiegu zdarzenia są niepewne informacje na temat rzeczywistego zadziałania lub braku zadziałania zabezpieczeń ziemnoarciowych w róŝnych punktach sieci. Wydaje się być zasadnym dąŝenie do wyposaŝania sieci w centralne rejestratory zakłóceń, skonfigurowanych tak, aby rejestracje były inicjowane jak największą liczbą zakłóceń [3]. 1

11 H. Klein 7. Literatura. 1. Raport techniczny EC nr Skutki działania prądu na ludzi i ierzęta domowe. 2. PN-G-4244:2 Środki ochronne i zabezpieczające w elektroenergetyce kopalnianej. Zabezpieczenia ziemnoarciowe. Wymagania i zasady doboru. 3. Klein H. Nieprawidłowe sekwencje działania elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej problemy w ustalaniu przyczyn WUG nr 7(167)/28. 11