Ochrona przeciwporażeniowa w sieciach SN

Transkrypt

1 Ochrona przeciwporażeniowa w sieciach SN Doc. dr inż. Witold Hoppel Wrzesień-październik 2012 r. Prosi się o uszanowanie praw autorskich. 1

2 1. PN-HD : Instalacje niskiego napięcia. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym. Listopad a) PN-IEC : Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona zapewniająca bezpieczeństwo. Ochrona przed skutkami przepięć. Ochrona instalacji niskiego napięcia przed przejściowymi przepięciami i uszkodzeniami przy doziemieniach w sieciach wysokiego napięcia (wycofana). b) PN-HD : Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona zapewniająca bezpieczeństwo. Ochrona przed skutkami przepięć. Ochrona instalacji niskiego napięcia przed przepięciami dorywczymi powstającymi wskutek zwarć doziemnych w układach po stronie wysokiego i niskiego napięcia. (w języku oryginału) 3. PN-E 05115: Instalacje elektroenergetyczne o napięciu nominalnym powyżej 1 kv prądu przemiennego (wycofana). 4 a) PN-EN 50522: 2011 Uziemienie instalacji elektroenergetycznych prądu przemiennego o napieciu wyższym niż 1 kv. (oryg.) b) PN-EN :2011 Instalacje elektroenergetyczne prądu przemiennego o napięciu wyższym niż 1 kv. (oryg.) 5. PN-EN 50423:2007 Elektroenergetyczne linie napowietrzne prądu przemiennego powyżej 1 do 45 kv włącznie. 6. PN-EN Elektroenergetyczne linie napowietrzne prądu przemiennego powyżej 45 kv 2

3 7. Prenorma SEP-E-0001: Sieci elektroenergetyczne niskiego napięcia. Ochrona przeciwporażeniowa. COSiW SEP. Warszawa., Autorzy: L.Danielski, W.Jabłoński. Aktualnie nowelizowana. 8. PN-IEC Międzynarodowy słownik terminologiczny elektryki. Uziemienia i ochrona przeciwporażeniowa. 9. Rozporządzenie Min. Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (z późniejszymi zmianami) 10. PN-E : Elektroenergetyczne linie napowietrzne. Projektowanie i budowa. Linie prądu przemiennego z przewodami roboczymi gołymi (nieważna) 11. PN-EN : Przekładniki. Przekładniki prądowe. 12. Rozporządzenie Min. Przemysłu z dnia 8 października 1990 r w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać urządzenia elektryczne w zakresie ochrony przeciwporażeniowej (dawno nieważne). 13. Wytyczne projektowania i doboru uziemień ochronnych słupów napowietrznych linii SN w sieciach z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor. Energolinia, sp. z o.o., Autorzy: Nowicki R., Olejniczak Cz., Wilk J. 3

4 14. Kosztaluk R.: Ochrona ludzi od porażeń napięciem dotykowym w instalacjach wysokiego napięcia. Projekt nowelizacji przepisów. Opublikowane w Przepisach Budowy Urządzeń Elektroenergetycznych, Wydawnictwa Przemysłowe WEMA, Warszawa, 1997 r. 15. Komentarz do normy PN-IEC 60364, Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych, tom I. COSiW SEP, zespół autorski: Gąsowski H., Jabłoński W., Niestępski S., Wolski A. 16. Arciszewski J. Komorowska I.: Ochrona sieci elektroenergetycznych od przepięć. Wskazówki wykonawcze. PTPiREE, Poznań, marzec 1999 r. 4

5 Zapis z ustawy Prawo budowlane: Art.5. pkt.1:obiekt budowlany należy projektować, budować i użytkować i utrzymywać zgodnie z przepisami, w tym techniczno-budowlanymi, obowiązującymi Polskimi Normami oraz zasadami wiedzy technicznej, w sposób zapewniający [...]: - bezpieczeństwo użytkowania. [...] W marcu 2003 r. ten fragment Prawa budowlanego został zmieniony w następujący sposób: Obiekt budowlany wraz ze związanymi z nim urządzeniami budowlanymi należy [...] projektować i budować w sposób określony w przepisach, w tym techniczno-budowlanych oraz zgodnie z zasadami wiedzy technicznej. Zmiana tego zapisu wiąże się z ustawą z 12 września 2002 r. zgodną z prawem europejskim, gdzie jest sformułowanie o dobrowolności stosowania norm. Zwrócić uwagę należy na normy sharmonizowane z tzw. dyrektywami europejskimi. 5

6 Zapisy z ustawy Prawo budowlane z 2006 r.: Art.5. ust. 1: Obiekt budowlany wraz ze związanymi z nim urządzeniami budowlanymi należy [ ] projektować i budować w sposób określony w przepisach, w tym techniczno-budowlanych, oraz zgodnie z zasadami wiedzy technicznej, zapewniając: bezpieczeństwo użytkowania, Warunki bezpieczeństwa i higieny pracy. Art.5. ust. 2: Obiekt budowlany należy użytkować w sposób zgodny z jego przeznaczeniem i wymaganiami środowiska oraz utrzymywać w należytym stanie technicznym [ ] w szczególności z wymaganiami podanymi w w ust.1. Art.62. Obiekty powinny być w czasie ich użytkowania poddawane [ ] okresowej kontroli, co najmniej raz na 5 lat, polegającej na sprawdzeniu stanu technicznego [ ], kontrolą tą powinno być objęte również sprawdzanie instalacji elektrycznej i piorunochronnej w zakresie stanu połączeń, osprzętu, zabezpieczeń i środków od porażeń [..] oraz uziemień instalacji i aparatów. 6

7 Pierwotne kryteria bezpieczeństwa przy rażeniu człowieka na drodze lewa ręka stopy prądem przemiennym o częstotliwości Hz Rysunek pochodzi z publikacji E. Musiała. Wykonany na podstawie raportu IEC. 7

8 Część czynna przewód lub inna część przewodząca, przeznaczona do pracy pod napięciem w normalnych warunkach wraz z przewodem neutralnym lecz z wyłączeniem przewodu PEN. Cześć przewodząca dostępna część przewodząca urządzenia elektrycznego, która w warunkach normalnej pracy nie jest pod napięciem, ale może na niej pojawić się napięcie podczas uszkodzenia (np. obudowa pralki, konstrukcje wsporcze). Część przewodząca obca część przewodząca nie będąca częścią instalacji elektrycznje, która może się znaleźć pod określonym potencjałem, zazwyczaj pod potencjałem ziemi Dotyk bezpośredni dotknięcie przez człowieka lub zwierzę części czynnych. Dotyk pośredni dotknięcie przez człowieka części przewodzących dostępnych, które znalazły się pod napięciem w wyniku uszkodzenia izolacji. 8

9 Środki ochrony: -organizacyjne, -techniczne. Techniczne środki ochrony dzieli się na: a) ochrona przed dotykiem bezpośrednim (podstawowa), b) ochrona przy dotyku pośrednim (przy uszkodzeniu, dodatkowa). Terminy podane powyżej w normach ulegają ciągłym zmianom bez uzasadnienia merytorycznego. Dodatkowo nazewnictwo jest inne w urządzeniech do i powyżej 1 kv. Prawidłowo jest też: ochrona przed porażeniem a nie ochrona przeciwporażeniowa. Wykładowca traktuje te terminy wymiennie, zwarcając tylko uwagę, które są aktualne. 9

10 Dodatkowa ochrona przeciwporażeniowa (ochrona przy dotyku pośrednim) opiera się w dużej części na teorii prawdopodobieństwa np. w odniesieniu do: - dopuszczalnych prądów rażeniowych, - impedancji ciała człowieka, - występowania rezystancji dodatkowych, - jednoczesności wystąpienia niekorzystnych zdarzeń: zwarcia doziemnego, dotyku części przewodzących dostępnych, prawdłowości działania zabezpieczeń ziemnozwarciowych. NIE MA URZĄDZEŃ ELEKTRYCZNYCH w 100 % BEZPIECZNYCH W KAŻDEJ SYTUACJI. 10

11 Miejsca powstawania zagrożenia porażeniowego spowodowanego zwarciami doziemnymi w liniach napowietrznych: 1. Na słupach: - bez uziomów ochronnych, zagrożenie duże, zadziałanie EAZ bardzo prawdopodobne, ale nie pewne w 100 %, - z uziomami ochronnymi, zagrożenie małe, zadziałanie EAZ pewne. 2. Na trasie linii opadnięcie przewodu na grunt, zagrożenie duże, zadziałanie EAZ tylko z pewnym prawdopodobieństwem zależnym m. in. od rezystancji przejścia. 3. W stacjach SN/nN zagrożenie napięciami dotykowymi przy stacji oraz przenoszenie potencjałów do sieci nn. Silna zależność zagrożenia od wielu czynników, np. wartości prądu ziemnozwarciowego. Zadziałanie EAZ pewne. Przyjmuje się przy tym techniczną sprawność zabezpieczeń podstawowych. Jeśli jest zwarcie w linii z przerwą od strony zasilania nie działają żadne zabezpieczenia ziemnozwarciowe, najgorszy w praktyce przypadek. 11

12 Zwarcie z przerwą od strony odbioru 12

13 Miejsca powstawania zagrożenia porażeniowego spowodowanego doziemieniami w kablowej sieci SN: 1. Trasa linii praktycznie bez zagrożenia, możliwe niewielkie napięcia krokowe lub powstanie potencjału w stacji SN/nN, sytuacji takich nie uwzględnia się. Dość pewne działanie zabezpieczeń ziemnozwarciowych, tylko w pewnych wyjątkowych sytuacjach wątpliwe. 2. Stacja SN/nn zagrożenie napięciami dotykowymi przy budynku stacji oraz przenoszenie potencjałów do sieci nn. Zagrożenie występuje, ale przeważnie mieści się w dopuszczalnych granicach. Pewne działanie zabezpieczeń ziemnozwarciowych. 13

14 Przy naruszeniu ochrony podstawowej (czyli dotknięcia części czynnych), porażenia mają fatalne skutki, jeśli nawet działają zabezpieczenia. Nie jest znany przypadek porażenia przy dotyku pośrednim, nawet przy nieprawidłowej dodatkowej ochronie porażeniowej, jeśli zabezpieczenia ziemnozwarciowe działały na wyłączenie. Największe zagrożenie porażeniem powstaje, jeśli nie działają zabezpieczenia ziemnozwarciowe Ostatnie stwierdzenie ostatnio znalazło odbicie w normach. 14

15 Ochrona przed dotykiem bezpośrednim: Środki, które chronią osoby prezd skutkami zbliżenia do części czynnych lub tych części, które mogą przenosić napięcia niebezpieczne, grożące porażeniem elektrycznym (sięganie strefy niebezpiecznej) Ochrona podstawowa za pomocą: obudowy, przegrody (ściany, drzwi, osłony np. siatka o wysokości przynajmniej 180 cm), przeszkody (ściany i drzwi niższe niż 180 cm, łańcuchy, poręcze), umieszczenie poza zasięgiem (nie ręki, jak jest na niskim napięciu). 15

16 Ochrona przy dotyku pośrednim (dawniej: dodatkowa, na niskim napiąciu: przy uszkodzeniu) Ochrona osób przed niebezpieczeństwem, które może pojawić się w warunkach zakłóceniowych przy zetknięciu się z częściami przewodzącymi dostępnymi urządzeń elektrycznych lub częściami przewodzącymi obcymi. Stosuje się tylko uziemienie ochronne. Upełnieniem mogą być uznane środki M. 16

17 Napięcie uziomowe (U E ) jest napięciem występującycm podczas doziemienia pomiędzy układem uziomowym a ziemią odniesienia. Napięcie dotykowe rażeniowe (U T ) jest częścią napięcia uziomowego wywołanego doziemieniem, która może pojawić się na ciele człowieka zakładając, że prąd przepływa przez ciało człowieka na drodze ręka-stopy (pozioma odległość do części dotykanej1 m)(pratycznie: spadek napięcia na rezystancji 1 k ) Napięcie dotykowe spodziewane (U ST ) to napięcie, które pojawia się podczas doziemienia między częściami przewodzącymi a ziemią, gdy części te nie są dotykane (praktycznie różnica potencjałów). Napięcie krokowe rażeniowe (U S ) 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 czlowieka na drodze stopa-stopa. 17

18 18

19 Napięcie dotykowe rażeniowe w V Całkowita rezystancja ciała człowieka w Ω

20 20

21 Źródło: Publikacja E. Musiała 21

22 Tytuł normy PN-EN-50341: Elektroenergetyczne linie napowietrzne prądu przemiennego powyżej 45 kv. wskazuje, że dotyczy ona linii o napięciu powyżej 45 kv, jednakże należy przypuszczać, że zapisy dotyczące układów uziemiających w przygotowywanej normie będą takie same dla linii do i powyżej 45 kv. W zakresie definicji pojęć z zakresu ochrony przeciwporażeniowej można opierać się na zapisach normy 05115, która nie dotyczy linii. Wg normy PN-EN słup to konstrukcja podtrzymująca przewody elektroenergetycznych linii napowietrznych. Trzeba uściślić, że pojęcie słup oznacza konstrukcję wsporczą, na której poza izolatorami nie ma innej aparatury, szczególnie łączeniowej. Jeśli na konstrukcji wsporczej jest aparatura łączeniowa np. odłącznik, to już jest stacja elektroenergetyczna i podlega normie (zmienionej). 22

23 Wg PN-EN projektowany układ uziemiający powinien spełniać następujące warunki: a) Zapewnić wytrzymałość mechaniczną i odporność na korozję. b) Wytrzymać pod względem termicznym największy prąd doziemny. c) Nie dopuścić do pogorszenia właściwości lub uszkodzenia urządzeń. d) Zapewnić bezpieczeństwo ludzi poprzez ograniczenie wartości napięć pojawiających się podczas doziemień na częściach uziemionych. e) Zapewnić określoną niezawodność linii. Układ uziemiający jest to lokalnie ograniczony system elektryczny połączonych elektrycznie uziomów, przewodów uziemiających i przewodów wyrównawczych (lub części metalowych spełniających te same funkcje, na przykład fundamentów słupów, zbrojeń, metalowych powłok kabli). 23

24 24

25 Słupy betonowe w liniach SN z punktu widzenia ochrony przeciwporażeniowej należy traktować, jako słupy wykonane z materiału nie izolacyjnego, czyli podlegające ocenie napięć dotykowych rażeniowych (autor nie ma tutaj najmiejszych wątpliwości). K. Wołkowiński [1972] podaje, że rezystywność betonu w zależności od składu, wilgotności, temperatury i wieku, waha się w granicach od 20 do 1000 *m, czyli jest porównywalna z rezystywnościami gruntów. W książce nie są uwzględnione obecne technologie wykonywania słupów, przy czym w okresie pisania książki były już stosowane słupy strunobetonowe. Podaje też, że rezystywność betonu nasycona roztworami gruntowymi jest rzędu 300 *m. Fragment punktu normy PN-EN PL.2 o treści W przypadku słupów drewnianych lub wykonanych z innych materiałów nie przewodzących (n.p. betonu zbrojonego o odpowiedniej grubości zewnętrznej warstwy betonu) [...] traktować należy jako nadzwyczaj niewłaściwy. 25

26 Wpływ otuliny betonowej o grubości 20 mm na rezystancję uziemienia uziomu pionowego wg [1] 26

27 PROPOZYCJA AUTORA Za słupy w miejscach często uczęszczanych uważa się znajdujące się: a) na terenach kąpielisk, boisk, placów zabaw, podwórek, chodników, parkingów, ogrodów, ogrodzonych terenów przykościelnych, cmentarzy, terenów magazynowych i przemysłowych lub przeznaczonych do innej działalności gospodarczej, b) w odległości mniejszej niż 10 m od wejść do budynków mieszkalnych i niemieszkalnych oraz do miejsc podanych w pkt.a, c) znajdujące się bliżej niż 3 m od skraju wszelkich dróg publicznych, chodników i ścieżek oraz innych, jeśli prowadzą do budynków mieszkalnych lub innych, do których orientacyjnie mogą docierać ludzie przynajmniej raz w tygodniu, d) znajdujące się na ścieżkach dla pieszych i w odległości do 3 m od nich, jeśli ścieżki te są umieszczone na mapach lub planach, e) nie uważa się za drogi ścieżek leśnych nie dopuszczonych do publicznego ruchu drogowego, nawet jeśli znajdują się na mapach. Przykłady miejsc nie zaliczanych do uczęszczanych: pola, sady (nawet opłotowane), lasy, ścieżki prowadzące wyłącznie na pola, ścieżki leśne, drogi wyłącznie do stacji telefonii komórkowej i elektrowni wiatrowych czy innych obiektów rzadko obsługiwanych. 27

28 Jeśli poprzecznik słupa wykonany jest z materiału przewodzącego powinien być połączony galwanicznie ze zbrojeniem słupa lub innym elementem umożliwiającym spływ prądu ziemnozwarciowego w kierunku ziemi. Bez galwanicznego połączenia szacuje się rezystancję przejścia w granicach od 300 do 1200, co w połączeniu z rezystancją uziemienia może uniemożliwić działanie zabezpieczeń ziemnozwarciowych. Cel połączenia: Górny zacisk uziemiający 1. Zmniejszenie rezystancji przejścia podczas zwarcia doziemnego w celu umożliwienia działania zabezpieczeniom ziemnozwarciowym. 2. Ograniczenie ilości ciepła wydzielanego podczas zwarcia doziemnego w przypadku braku działania zabezpieczeń. 28

29 Dolny zacisk uziemiający. Służy do przyłączenia uziomu dodatkowego, a dalej do połączenia go ze zbrojeniem i poprzecznikiem. Propozycje stosowania pokryw ochronnych na tych zaciskach są żenujące, bo dlaczego wprowadzać jakieś elementy ochronne, jeśli słup nie podlega ocenie napięć dotykowych rażeniowych? Te napięcia rażeniowe wystąpią, ale prawdopodobieństwo porażenia jest ze względu na umiejscowienie słupa prawie żadne. Skuteczność pokryw ochronnych jest bardzo wątpliwa, ponieważ beton z punktu widzenia ochrony przeciwporażeniowej jest materiałem przewodzącym. (szczególnie mokry np. podczas deszczu) 29

30 Problem: przejście na drodze: poprzecznik beton zbrojenie beton grunt Norma PN-EN 12843:2008 Prefabrykaty z betonu - Maszty i słupy Jeśli jest to istotne, w słupie może być umieszczone wewnętrzne uziemienie z odpowiednimi końcówkami. Jako przewód uziemiający można wykorzystywać zbrojenie. Jednocześnie jest zgodna opinia fachowców, że strun nie należy wykorzystywać do tego celu. 30

31 Wybrane zapisy normy PN-E-05115: 1. Przyjmując czas doziemienia, zakłada się poprawne działanie zabezpieczeń ziemnozwarciowych. Oznacza to, że dla analizy zagrożenia bierze się pod uwagę nastawy zabezpieczeń podstawowych, a nie rezerwowych. 2. ((Było) Tak jak w dotychczasowych przepisach w obliczeniach dotyczących zagrożenia porażeniowego nie bierze się pod uwagę podwójnych zwarć doziemnych. Ich parametry mają jednak wpływ na obliczenia cieplne uziomów. Wynika to z tablicy 5 w rozdziale 9. (Jest) W sieciach, gdzie nie ma automatycznego wyłączania zwarć doziemnych, należy rozpatrzyć możliwość powstawania doziemnych zwarć podwójnych. 3. Każde doziemienie jest wyłączane automatycznie lub ręcznie. Tak więc w wyniku doziemienia, napięcia dotykowe nie występują długotrwale lub nieskończenie długo. Można ten zapis interpretować jako zakaz świadomej pracy sieci z niewyłączonym doziemieniem. Natomiast nie ma obowiązku stosowania zabezpieczeń działających na wyłączenie. 31

32 PN-EN W przypadku słupów drewnianych lub wykonanych z innych materiałów nieprzewodzących, bądź też słupów bez jakichkolwiek części przewodzących uziemionych, doziemienia nie są praktycznie możliwe i nie stawia się wymagań dotyczących uziemienia. 2. Szczególnemu sprawdzaniu podlegają słupy w miejscach, które są ogólnie dostępne dla ludzi i gdzie można się spodziewać, że ludzie będą przebywać przez stosunkowo długi czas (kilka godzin na dzień) kilka tygodni w roku, lub że ludzie będą przebywać przez krótki czas, ale bardzo często (wiele razy na dzień) na przykład w pobliżu obszarów zamieszkanych lub placów zabaw. Nie odnosi się to do miejsc, w których ludzie przebywają sporadycznie, takich jak lasy, tereny niezabudowane, itp. 3. W przypadku słupów usytuowanych w miejscach, które nie są ogólnie dostępne, lub w których ludzie przebywają tylko sporadycznie, nie ma potrzeby wykonywania sprawdzania napięć dotykowych rażeniowych pod warunkiem, że linia jest wyposażona w zabezpieczenia wyłączające ją automatycznie. Jeżeli można założyć, że ludzie przebywają sporadycznie, to prawdopodobieństwo jednoczesnego wystąpienia doziemienia, które jest wyłączane automatycznie, można uważać za pomijalnie ma małe, zaś projekt układu uziemiającego za zadowalający. 32

33 33

34 U D1 Ra= 0 (przykład 1), U D2 Ra= 1750, Ra1 =1000, E =500 *m (przykład 2), U D3 Ra= 4000, Ra1 =1000, E =2000 m (przykład 3), U D4 Ra= 7000, Ra1 =1000, E =4000 *m (przykład 4). Objaśnienia: Ra- rezystancja dodatkowa (Ra= Ra1 + Ra2), Ra1 - rezystancja, na przykład obuwia, Ra2 rezystancja ziemi w miejscu, w którym może stać człowiek, E - rezystywność gruntu. 34

35 Dla rezystywności gruntu 100 Ωm i czasu 5 s wg rys. 4.2 U D (krzywa U D1 )wynosi około 85 V. Stąd otrzymuje się wartość wymaganej rezystancji uziemienia słupa R I 2U E E D R E 2U I E D czyli 3,4 Ω. Dla zobrazowania tego wymogu korzystając z bardzo uproszczonego wzoru na rezystancję pojedynczego uziomu pionowego: R E 2 l ln 4l d w można łatwo dojść do wniosku, że przy jednolitym gruncie o rezystywności 100 Ωm potrzebne jest pogrążenie pręta o średnicy 20 mm i długości rzędu 42 m! To samo wyliczenie dla innych rezystywności daje następujące wyniki: ρ=50 Ωm (krzywa U D1 ), R E <3,4 Ω, l>19 m, ρ=500 Ωm (krzywa U D2 ), R E <7,2 Ω, l>110 m. 35

36 W normie podano również, że w sieciach z izolowanym punktem neutralnym lub skompensowanych, w których napięcia dotykowe rażeniowe są większe od największych wartości dopuszczalnych, mogą być zastosowane następujące środki w celu zapewnienia, że długotrwałe doziemienie na słupie jest mało prawdopodobne, lub że czas trwania doziemienia jest krótki: - zastosowanie izolatorów długopniowych lub rdzeniowych, - zastosowanie izolatorów, których właściwości izolacyjne można sprawdzić przez oględziny (na przykład szklane izolatory kołpakowe), - użycie urządzeń do wykrywania doziemień i wyłączania linii, jeżeli pojawi się doziemienie (uwaga autora: to jest po prostu zabezpieczenie ziemnozwarciowe działające na wyłączenie). 36

37 37

38 Ochrona przeciwporażeniowa w sieciach SN 38