ENERGOPROJEKT KRAKÓW SA
UKŁADY UZIOMOWE ISTNIEJACYCH STACJI ELEKTROENERGETYCZNYCH Kazimierz GAJOS Jarosław SADOWSKI
Streszczenie: W artykule przedstawiono propozycje wykonania Raportu uziemienia dla istniejących stacji elektroenergetycznych wysokiego napięcia, zgodnie wymaganiami stawianymi, przez aktualna Norma PN-EN 50522:2011 która ukazała się w kwietniu 2011 roku. "Uziemienie instalacji elektroenergetycznych prądu przemiennego o napięciu wyższym od 1 kv" Norma ta dotyczy projektowania oraz sprawdzania stanu instalacji a także prezentuje zasady oceny instalacji uziemiającej w stacjach z punktu widzenia ochrony przeciwporażeniowej, odgromowej i przeciwprzepięciowej. Jako przykład praktyczny, w artykule przedstawiono kolejność obliczeń i końcowych analiz dla jednej z krajowych stacji 220\110 kv rozbudowywanej o nowa rozdzielnie napowietrzna 400kv. Obliczenia przeprowadzono w oparciu o normę PN-EN 50522:2011 przy wykorzystaniu pakietu oprogramowania inżynierskiego CDEGS (Current Distribution, Electromagnetic Fields, Grounding and Soil Structure Analysis). Oprogramowanie CDEGS (Current Distribution, Electromagnetic Fields, Grounding and Soil Structure Analysis) jest zestawem zintegrowanych narzędzi przeznaczonych do dokładnej analizy problemów związanych z projektowaniem systemów uziemień.
1. Stan istniejący stacji: Stacja elektroenergetyczna 220/110 k w stanie sprzed rozbudowy posiadała uziemienie w formie uziomu kratowego, wykonane bednarką stalową ocynkowaną o wymiarach 30x4 mm, ułożone na głębokości 0,8 m. Stacja została wybudowana w latach 80-tych ubiegłego stulecia.
2. Stan projektowany (wyjściowy do obliczeń) W ramach zadania na terenie istniejącej stacji 220/110 kv wybudowana zostanie nowa rozdzielnia napowietrzna 400 kv. Wykonana zostanie ona na powiększonym pod rozbudowę terenie stacji. W związku z powyższym zaprojektowana zostanie na tym terenie nowa siatka uziemiająca. Istniejące ogrodzenie stacji zostanie wymienione na nowe. Linia ogrodzenia na terenie rozdzielni 110 kv zostanie przesunięta powiększając teren rozdzielni 110 kv jak i całej stacji. W stanie wyjściowym zamodelowano uziemienie wyrównawcze ogrodzenia po jego przesunięciu. Istniejąca krata uziemiająca oraz zaprojektowana na terenie rozdzielni 400 kv krata uziemiająca stanowi stan wyjściowy do obliczeń. Obliczenia mają na celu zweryfikowanie poprawności funkcjonowania projektowanej kraty uziemiającej (wraz z istniejącą częścią).
3. Założenia: Zaprojektowano siatkę uziemiającą z wykorzystaniem bednarki stalowej ocynkowanej. Głębokość ułożenia kraty uziemiającej wynosi 0,8m Zostanie wykonane nowe ogrodzenie stacji Wartość prądu zwarciowego dla części projektowanej aparatury 400 kv przyjęto na poziomie I k =50 ka Czas trwania zwarcia do obliczeń dopuszczalnego napięcia dotyku przyjęto równy t f = 0,4 s.
4 Obliczenia 4.1 Pomiary rezystywności gruntu w terenie W celu określenia modelu geoelektrycznego gruntu, w pobliżu stacji elektroenergetycznej 220/110 kv przeprowadzono pomiary rezystywności gruntu. Pomiary rezystywności gruntu przeprowadzono metodą Wennera przy użyciu miernika typu MRU-101 firmy Sonel
Na rysunku nr 1 pokazano miejsce przeprowadzenia pomiarów rezystywności (Lokalizacja 2) Rysunek nr 1
4.2 Wyniki pomiarów Rozstaw elektrod [m] Rezystywność gruntu [Ωm] 1 425 3 246 6 93 10 100 15 108 Na podstawie wprowadzonych powyższych pomiarów do modułu obliczeniowego RESAP (CDEGS) wyznaczono 2-warstwowy model geoelektryczny gruntu.
Rysunek nr 2 wyznaczony przez program geoelektryczny model gruntu
Pomiary rezystywności przeprowadzono na terenie leśnym, gdzie warstwy wierzchnie stanowią piaski. W związku z tym, że w bezpośrednim sąsiedztwie oraz na terenie stacji wierzchnie warstwy gruntu są inne, należy je uwzględnić. Składają się one z gruntów organicznych o grubości 0,3-0,8 m (dane pozyskane z wierceń geologicznych). Dla potrzeb obliczeń przyjęto więc do modelu warstwę wierzchnią o grubości ~0,4 m i rezystywności ~ 100 m. Poniżej skorygowany model geoelektryczny gruntu przedstawia się następująco: Warstwa Rezystywność [ m] Gubość warstwy [m] 1 100 0,4 2 485 1,1 3 91
4.3 Krata uziemiająca konfiguracja Przy użyciu modułu CDEGS MALZ opracowany został komputerowy model istniejącej i projektowanej kraty uziemiającej na stacji 220(400)/110 kv. Rozmieszczenie kraty uziemiającej w stanie wyjściowym do obliczeń pokazano na rysunku nr.3. Kolorem zielonym oznaczono istniejące ciągi uziemiające, kolorem czerwonym nowe ciągi uziemiające układane w ramach aktualnej rozbudowy. Wprowadzono również modyfikacji do części istniejącej które zostały przedstawione kolorem niebieskim.
Rysunek 3 rozmieszczenie kraty uziemiającej na SE 220(400)/110 kv
Rysunek 4. rozmieszczenie kraty uziemiającej na SE 220(400)/110 kv stan po modyfikacji na fragmencie mapy satelitarnej
Po zamodelowaniu układu uziemiającego stacji, w programie CDEGS wyznaczono jego impedancję zastępczą. Impedancja kraty uziemiającej istniejącej w polaczeniu z nowa krata uziemiająca wynosi 0,228. Elementy systemu Proponowany układ kraty uziemiającej Impedancja zastępcza kraty uziemiającej [ ] Metoda wyznaczania 0,228< 3.21 CDEGS - MALZ
4.5 Prąd płynący przez rezystancję uziemienia uziomu kratowego I RS W związku z brakiem danych ze strony Inwestora w zakresie wartości prądu płynącego przez rezystancję uziemienia uziomu kratowego I RS oszacowano jego wartość zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 50522:2011. Schemat dla wyznaczenia prądu I RS zgodnie z normą pokazany został na rysunku 5.
Rysunek 5 Przykład prądów, napięć i rezystancji występujących w przypadku doziemienia w stacji transformatorowej i z punktem neutralnym uziemionym przez małą impedancję
I F = 3I 0 + I N I E = r E I F I N 3I 0 I N I F I E I RS r E U E = I E Z E Z E = 1 1 1 + n R ES Z Trzykrotna wartość prądu składowej zerowej linii W przypadku równych impedancji uziemienia przewodów odgromowych/fundamentów wież linii napowietrznych Prąd płynący przez uziemiony punkt neutralny transformatora Prąd doziemienia Prąd uziomowy (nie może być mierzony bezpośrednio) Prąd płynący przez rezystancję uziemienia uziomu kratowego Współczynnik redukcyjny linii napowietrznej R ES Rezystancja uziemienia uziomu kratowego R ET Rezystancja uziemienia słupa linii napowietrznej Z Impedancja układu (przewód odgromowy/stopy fundamentowe wieży) linii napowietrznej przy założeniu, że jest nieskończona Z E Impedancja uziemienia U E Napięcie uziomowe n Liczba linii napowietrznych odchodzących od stacji elektroenergetycznej (tu: n=2) Wartość prądu I RS została oszacowana poniżej wg następujących założeń. Założenia: n 9 (3 linie 400 kv docelowo+1 rezerwa liniowa 400 kv i 5 linii 110 kv) I F 50kA ( proj. prąd zwarciowy dla rozdz. 400 kv) I 0 ( uproszczenie, najgorszy przypadek) N r 0,6 (dla linii napowietrznych) e R 0, 227 (wyznaczone w programie CDEGS MALZ) ES Wynik: I RS 12, 5kA - wartość wejściowa do programu CDEGS MALZ
Uwaga: Zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 50522: ocena instalacji uziemiającej ze względu na dopuszczalne napięcia uziomowe, dotykowe spodziewane, dotykowe rażeniowe powinna być dokonana zgodnie z algorytmem przedstawionym na rysunku 5.w,w normy - strona 26. Obok algorytm w formie oryginalnej wg: PN-EN 50522.
4.6 Napięcie uziomowe U E (EPR) (V) Wyznaczono wartość napięcia uziomowego w programie CDEGS MALZ. Zwarcie na stacji 400 kv [ka] ~12,5 Rezystancja uziemienia uziomu kratowego R ES [ ] ~0,227* Napięcie uziomowe U E [V] ~2854
Rozkład potencjału na powierzchni terenu stacji SE 220(400) /110 kv w rzucie izometrycznym
4.7 Dopuszczalne napięcie dotyku UTp (V) W celu oceny bezpieczeństwa zaprojektowanego układu uziomowego wyznaczono na podstawie załącznika B normy PN EN 50522 wartość dopuszczalną napięcia dotykowego jakie może pojawić się na terenie stacji elektroenergetycznej. Przy założeniach jak w tabeli B.2 załącznika B normy PN EN 50522 oraz: t F = 0,4 s ρ S = 100 m (rezystywność wierzchniej warstwy gruntu) R F1 = 2000 (rezystancja obuwia). U TP = 910 V wyznaczono wartość graniczną U TP
4.8 Analiza obliczeń i określenie bezpieczeństwa systemu Zgodnie z w.w Algorytmem systemu projektowanie uziemień stacyjnych, należy w pierwszej kolejności porównać obliczona wartość Napięcia uziomowego U E z dopuszczalnym napięcie dotyku UTp
W tablicy 5 normy PN EN 50522 przedstawiono zakres stosowania uzupełniających środków ochrony M. I tak dla przypadku przedstawionego w n.n artykule, środki te są jak niżej: Na zewnętrznych ścianach i ogrodzeniach otaczających instalacje - środki ujęte jako M1 lub M2 Na terenie instalacji napowietrznych - środki ujęte jako M4.2 Poniżej przestawiono szczegółowe wymagania uzupełniających środków ochrony: M1 - Określone uznane środki uzupełniające na zewnątrz budynków instalacji wnętrzowych. W przypadku w całości rozdzielni napowietrznych środki wymienione jako M1 nie występują. M 2 - Określone uznane środki uzupełniające przy zewnętrznych ogrodzeniach instalacji napowietrznych. W tym: M2.1 - Zastosowanie ogrodzenia z materiału nieprzewodzącego lub siatki drucianej pokrytej tworzywem sztucznym (również z gołymi przewodzącymi słupkami). M2.2 - W przypadku ogrodzenia wykonanego z materiału przewodzącego, zastosowanie sterowania potencjałem za pomocą połączonego z ogrodzeniem uziomu poziomego ułożonego na zewnątrz ogrodzenia w odległości około 1 m i na głębokości nie większej niż 0,5 m. Alternatywnym rozwiązaniem jest połączenie ogrodzenia z uziomem stacji. Zgodnie z w.w zaleceniami zastosowano w całości środki uzupełniające ochrony ujęte w M2.2.
4.9 Napięcia dotykowe U T Bazując zasadniczo na postanowieniach normy PN EN 505220, w konkretnym przypadku, ujętym w niniejszym artykule, nie ma potrzeby obliczania napiec dotykowych. Chcąc jednak pokazać możliwości obliczeniowe pakietu oprogramowania CDEGC, dokonano obliczeń tych napiec i ich analizę. Rozkład napięć dotykowych względem powierzchni terenu na obszarze stacji elektroenergetycznej 220(400)/110 kv oraz w jej otoczeniu wyznaczono z wykorzystaniem programu CDEGS MALZ. Wyniki obliczeń pokazano na rysunkach dla stanu wyjściowego i dla stanu po modyfikacji kraty. W następnej kolejności dla celów porównawczych pokazano również wykresy napięcia krokowego i rozkładu potencjału.
Wykresy stan wyjściowy Rysunek nr 6 rozkład napięcia dotykowego względem najbliższych przewodów uziemiających
Rysunek nr 8 rozkład napięcia dotykowego (obliczany w obszarze do 1m od przewodów uziemiających)
Wykresy stan po modyfikacji kraty Rysunek nr 9 rozkład napięcia dotykowego
Analiza wyników i wnioski
Dzięki dokonanej analizie w programie CDEGS udało się zidentyfikować dodatkowe obszary w obszarze istniejącej kraty uziemiającej wymagające modyfikacji. W związku z powyższym należy stwierdzić, że program CDEGS jest przydatnym narzędziem wsparcia projektanta w procesie analizy i wyboru optymalnego rozwiązania w procesie projektowym systemów uziemiających. Wydaje się bardzo celowym posiadanie przez Zakłady Energetyczne podobnych Raportów uziemień dla własnych stacji. Pozwoli to na własną ocenę stanu bezpieczeństwa obiektów z punktu widzenia ochrony przeciwporażeniowej zatem bezpieczeństwa personelu obsługującego. Znajomość wartości napięcia uziomowego pozwoli również uniknąć wpływu wysokiego potencjału na urządzenia telekomunikacyjne i elektroniczne. Wykonując Raporty uziemień, Zakłady będą w posiadaniu własnej biblioteki modeli uziomowych stacji. Pozwoli to w przypadku, ich rozbudowy,na szybkie i szczegółowe wykonanie rozbudowy i uzyskanie wyników poprawy ich stanu.
Stosowanie oprogramowania inżynierskiego CDEGS (Current Distribution, Electromagnetic Fields, Grounding and Soil Structure Analysis), jest powszechne w Kanadzie, Stanach Zjednoczonych i szeregu krajow europejskich. Brytyjska NGC ( National Grid) a także Lokalne Zakłady Energetyczne, są w posiadaniu własnych archiwów Raportów uziemień i jest to powszechna praktyka i wymóg w stosunku do kontraktorów wchodzących w proces inwestycyjny przy budowie nowych stacji lub ich rozbudowie.
Wykonanie kompletnego raportu wraz z pomiarami rezystywności gruntu oraz zamodelowaniem istniejącego systemu uziemiającego, a także analizę uziemień można zlecać bezpośrednio do: BIURO STUDIÓW I PROJEKTÓW ENERGETYCZNYCH ENERGOPROJEKT KRAKÓW SA ul. Mazowiecka 21, 30 019 Kraków
Dziękuję za uwagę