Ochrona przeciwporażeniowa w instalacjach elektrycznych nn zasilanych ze źródeł awaryjnych

Ochrona przeciwporażeniowa w instalacjach elektrycznych nn zasilanych ze źródeł awaryjnych mgr inż. Julian Wiatr CK i E EP 1. miana reaktancji generatora zespołu prądotwórczego espół 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 [] 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. tan 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.tan 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. jawisko to prowadzi do gwałtownego wzrostu reaktancji generatora, która dla generatorów nn wynosi (00 300)% 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. 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 iłach brojnych. akupywane 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.: normowane charakterystyki: a) zmienności reaktancji zwarciowej generatora k 1G * 100% f(tk ) ; b)zmienności prądu zwarciowego generatora, przy zwarciu na jego zaciskach k1g * 100% f T k [1] gdzie: - znamionowa reaktancja generatora (wartość w stanie statycznym), w [ ] k1g - reaktancja generatora dla zwarć jednofazowych, [ ] - prąd znamionowy generatora, w [A] k1g - prąd zwarcia jednofazowego dla zwarć na zaciskach generatora, w [A] T k czas trwania zwarcia, w [s]

W nowoczesnych zespołach prądotwórczych, producent zapewnia (wskutek działania układów automatyki) utrzymanie prądu zwarciowego na zaciskach generatora o wartości 3* n przez 10 s (dłuższe utrzymywanie takiego stanu grozi zniszczeniem izolacji uzwojeń). Dzięki czemu do obliczeń skuteczności samoczynnego wyłączenia można przyjmować wartość reaktancji zwarciowej generatora k1g (na jego zaciskach ) wyliczoną ze wzoru (1): k1g 0,33 0,33 gdzie: napięcie znamionowe generatora zespołu prądotwórczego, w [kv], moc znamionowa generatora zespołu prądotwórczego, w [MVA]. (1) Wynika to z następującego rozumowania: 0 0, 3 3 3 zatem, jeżeli podczas zwarć na zaciskach generatora " 0 k 3 k1g 3 3 1 3 0,33 waga: W ogólnym przypadku, przy założeniu " k n można zapisać wzór na reaktancję generatora dla zwarć jednofazowych jako: k1g (gdzie n krotność prądu znamionowego n utrzymywana podczas zwarć na zaciskach generatora, podawana przez producenta P 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. estawienie impedancji transformatora i generatora o tej samej mocy [3] Moc transformatora lub generatora espołu prądotwórczego, w [kva] 100 160 50 400 500 mpedancja transformatora na jego zaciskach, w [ ] 0,07 0,045 0,08 0,018 0,014 Reaktancja generatora na jego zaciskach przyjmowana dla obliczania skuteczności samoczynnego wyłączenia (rezystancja uzwojeń stanowi zaledwie 0,03* i może zostać pominięta w obliczeniach praktycznych), w [ ] 0,58 0,330 0,11 0,13 0,106 3

Porównując dane przedstawione w tabeli 1 widać jak duże rozbieżności występują w wartościach impedancji zwarciowych obydwu źródeł ( k 1G / 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. naczna 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. chemat jednofazowego obwodu zwarcia w instalacji zasilającej z zespołu prądotwórczego [3].. Odmienność warunków zasilania z zespołu prądotwórczego w odniesieniu do ystemu Elektroenergetycznego ystem Elektroenergetyczny (EE) jest zasilany przez kilkadziesiąt generatorów przyłączonych za pośrednictwem transformatorów blokowych do sieci elektroenergetycznych WN pracujących w systemie zamkniętym. Moc zwarciowa EE w uproszczeniu jest określana jako nieskończona. Wartość jej w różnych punktach sieci przyłączonych do EE posiada wartości skończone ale wartości ich są dość duże. Przeciętnie wartość mocy zwarciowej odniesiona do sieci N kształtuje się na poziomie (150 50) MVA. espół 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. Tabela. estawienie mocy zwarciowych wybranych generatorów w zależności od ich mocy znamionowej Moc zespołu prądotwórczego [kva] 100 00 500 1000 000 6000 Moc zwarciowa na zaciskach generatora [MVA] 1,0,0 5,0 10,0 0,0 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 EE 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 EE oraz generatora zespołu prądotwórczego 3. asady projektowania ochrony przeciwporażeniowej pośród trzech układów sieci: TT, T i TN (TN-C; TN-C- i TN-), przy zasilaniu obiektów budowlanych najbardziej nadaje się układ TN- lub TN-C-. kład T może być stosowany tylko w ograniczonym zakresie (blok operacyjny lub OOM w szpitalu po spełnieniu określonych warunków). Warunek samoczynnego wyłączenia w sieci TN, należy uznać za spełniony, jeżeli: a o () 5

(3) ( k1g ) (R kg R ) W praktyce korzysta się z innej postaci tego wzoru: k1 0,8 0 (4) gdzie: s impedancja pętli zwarciowej obejmującej źródło zasilania, przewód roboczy, aż do punktu zwarcia i przewód ochronny miedzy punktem zwarcia a źródłem, w [ ] a prąd powodujący samoczynne zadziałanie urządzenia wyłączającego, w czasie zależnym od napięcia znamionowego o podanego w tabeli 3. R kg - rezystancja uzwojeń generatora ( RkG 0,03 ), w [ ] k1g reaktancja generatora dla zwarć jednofazowych, (wg wzoru 1) w [ ] R rezystancja kabla zasilającego oraz przewodów instalacji odbiorczej, w [ ] reaktancja kabla zasilającego oraz przewodów instalacji odbiorczej, w [ ] o napięcie pomiędzy przewodem fazowym a uziemionym przewodem ochronnym (PE) lub ochronno-neutralnym (PEN), w [V] Tabela 3: Maksymalne czasy wyłączenia dla normalnych warunków środowiskowych kład sieci 50 V< o 10 V s 10 V< o 30 V s 30 V< o 400 V s o > 400 V s a.c. d.c. a.c. d.c. a.c. d.c. a.c. d.c. TN 0,8 Wyłączenie może być 0,4 5 0, 0,4 0,1 0,1 TT 0,3 wymagane z innych przyczyn niż ochrona przeciwporażeniowa 0, 0,4 0,07 0, 0,04 0,1 o - nominalne napięcie a.c. lub d.c. przewodu liniowego względem ziemi wagi: 1. Dłuższe czasy wyłączenia mogą być dopuszczone w sieciach rozdzielczych oraz elektrowniach i w sieciach przesyłowych systemów.. Krótsze czasy wyłączenia mogą być wymagane dla specjalnych instalacji lub lokalizacji objętych arkuszami normy PN-EC (HD) 60364 grupy 700. 3. Dla układu sieci T 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 3 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-EC (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 o Dla napięcia dotykowego dopuszczalnego długotrwale 5 V ; 60 V = V s 10 0,35 30 0,0 77 0,0 400 0,05 480 0,05 580 0,0 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 0 A, które są przewidziane do powszechnego użytkowania i do obsługiwania przez osoby niewykwalifikowane, oraz - w obwodach zasilających urządzenia ruchome o prądzie znamionowym nieprzekraczającym 3 A, używane na zewnątrz. waga: Dla przekrojów przewodu Cu 50 mm lub Cu 70 mm Al., reaktancja może zostać w obliczeniach pominięta. Czas ten może być dłuższy od podanego w tabeli 3, ale nie może przekraczać 5 s: 1) w obwodach rozdzielczych, ) 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 PE między rozdzielnicą i punktem, w którym przewód ochrony jest przyłączony do głównej szyny uziemiającej nie przekracza wartości określonej wzorem: 50 (5) PE - 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/n, należy uwzględnić wzrost obwodu zwarciowego powodowany występowaniem transformatora nn/n oraz transformatora N/nN. Jednokreskowy schemat obwodu zwarciowego w takim przypadku przedstawia rys.5. o 8

Rys. 5: Jednokreskowy schemat obwodu zwarciowego dla układu zasilania awaryjnego z przyłączonym zespołem prądotwórczym do linii N Obliczone parametry tak zaprojektowanego obwodu należy przeliczyć na napięcie 0,4 kv zgodnie z zasadami obowiązującymi przy obliczaniu zwarć: - transformator nn/n: nt1 kt uk nt - transformator N/nN (6) kt u k - linia N: nt nt (7) R x ' R 400 ( ) N (8) 9

Wówczas impedancja obwodu zwarciowego zostanie wyrażona następującym wzorem: k1 G 1nN ktnn / N N ktn / nn nn. (9) Dalsze obliczenia należy prowadzić zgodnie z wcześniej opisanymi zasadami. W praktyce impedancja linii N 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/n należy lokalizować w pobliżu zespołu prądotwórczego podobnie transformator N/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 a wystąpiłoby na częściach przewodzących dostępnych napięcie dotykowe o wartości nie przekraczającej napięcia dotykowego, dopuszczalnego długotrwale w danych warunkach środowiskowych ( ). prawdzenie to można wykonać przez obliczenie spodziewanych wartości napięć dotykowych, jakie wystąpią na objętych ochroną częściach przewodzących dostępnych Największa spodziewana wartość napięcia dotykowego T będzie równa: (10) T a PE ależność określona wzorem (6) wynika bezpośrednio z rys. 6. Rys. 6: Napięcie dotykowe na obudowie uszkodzonego odbiornika przy zwarciu jednofazowymz ziemią [1] ( k prąd zwarciowy; R kg rezystancja uzwojenia generatora; k1g reaktancja generatora przyjmowana do obliczania zwarć jednofazowych; R p rezystancja przewodów zasilających odbiornik; p - reaktancja przewodów zasilających odbiornik; R PE rezystancja przewodu ochronnego; PE reaktancja przewodu ochronnego; F zabezpieczenie; G główna szyna uziemiająca; R B rezystancja uziemienia generatora zespołu prądotwórczego) 10

godnie z wymaganiami określonymi w PN HD 60364-4-41 uważa się, że ochrona jest skuteczna, jeżeli napięcie dotykowe T jest mniejsze od dopuszczalnego długotrwale w danych warunkach środowiskowych, czyli: (11) T a PE gdzie: a prąd wyłączający głównego urządzenia zabezpieczającego w zespole prądotwórczym, w czasie określonym w tabeli 3, w [A] PE wartość impedancji przewodu ochronnego PE między rozpatrywaną częścią przewodzącą dostępną a głównym połączeniem wyrównawczym, w [ ] 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. kuteczność wykonanego połączenia wyrównawczego dodatkowego sprawdza się przez obliczenie spodziewanej wartości napięcia dotykowego zgodnie ze wzorem (PN HD 60364 4-41): R (1) T gdzie: a prąd wyłączający urządzenia zabezpieczającego (w obwodzie zasilania zespołu prądotwórczego lub urządzenia odbiorczego) w czasie określonym w tabeli 3, w [A] R PE wartość rezystancji przewodu połączenia wyrównawczego miejscowego PE pomiędzy częściami przewodzącymi dostępnymi jednocześnie, w [ ] dopuszczalna długotrwale w danych warunkach środowiskowych wartość napięcia dotykowego, w [V]. Wartość rezystancji R PE należy ustalić na drodze obliczeniowej zgodnie ze wzorem: R gdzie: długość przewodu wyrównawczego, w [m] γ przewodność elektryczna materiału żyły przewodu wyrównawczego, w [ m/( mm ) przekrój żyły przewodu wyrównawczego, w [mm ]. Prowadzi to przy znanych odległościach części przewodzących jednocześnie dostępnych do określenia następującego warunku dotyczącego minimalnego przekroju przewodu wyrównawczego, przy określonej wartości napięcia dopuszczalnego długotrwale ( ): ] a (14) a PE (13) 11

iteratura: 1. J. Wiatr; M. Orzechowski Poradnik projektanta elektryka DW Medium 008. R. Kacejko; J. Machowski warcia w systemach elektroenergetycznych WNT 001 3. Ochrona przeciwporażeniowa w warunkach polowych MON nż. 349/7 4. Praca zbiorowa pod redakcją J. Wiatr Poradnik Projektanta systemów zasilania awaryjnego i gwarantowanego EATON POWER QATY 008 5. Wieloarkuszowa norma PN-EC 60364 nstalacje elektryczne w obiektach budowlanych 6. J. Wiatr; M. Miegoń asilacze P i baterie akumulatorów w układach zasilania gwarantowanego DW Medium 008 7.. Danielski; R. acirka Badanie ochrony przeciwporażeniowej w obiektach z przemiennikami częstotliwości Elektro.info nr 1/005 8. J. Wiatr espoły prądotwórcze w układach zasilania awaryjnego DW Medium 008 1