ZESPOŁY PRĄDOTWÓRCZE W UKŁADACH AWARYJNEGO ZASILANIA OBIEKTÓW BUDOWLANYCH

ZESPOŁY PRĄDOTWÓRCZE W UKŁADACH AWARYJNEGO ZASILANIA OBIEKTÓW BUDOWLANYCH

SERIA: ZESZYTY DLA ELEKTRYKÓW NR 3 Julian Wiatr ZESPOŁY PRĄDOTWÓRCZE W UKŁADACH AWARYJNEGO ZASILANIA OBIEKTÓW BUDOWLANYCH OCHRONA PRZECIWPORAŻENIOWA ORAZ WSPÓŁPRACA ZESPOŁU Z SIECIĄ ELEKTROENERGETYCZNĄ

Recenzenci: mgr inż. Andrzej Boczkowski CKIiUE SEP inż. Maria Korona Wojskowe Biuro Studiów Projektów Budowlanych i Lotniskowych w Warszawie mgr inż. Witold Zdunek prezes Oddziału Warszawskiego SPE Kierownik projektu Michał Grodzki Redakcja techniczna Agencja Reklamowa MEDIUM Korekta Anna Kuziemska Wszelkie prawa zastrzeżone Copyright by Dom Wydawniczy MEDIUM Copyright by Julian Wiatr ISBN 978-83-919132-6-0 Wydawca i rozpowszechnianie Dom Wydawniczy MEDIUM 04-112 Warszawa, ul. Karczewska 18 Sprzedaż: księgarnia wysyłkowa www.ksiegarniatechniczna.com.pl Skład i łamanie Agencja Reklamowa MEDIUM www.agencjamedium.pl Warszawa 2009, Wydanie II Pod patronatem miesięcznika

mojej Matce

zespoły prądotwórcze w układach awaryjnego zasilania obiektów budowlanych SPIS TREŚCI 1. Wstęp............................................................................ 9 2. Zjawiska fizyczne występujące w generatorze podczas zwarć................................. 10 3. Wyznaczanie parametrów zwarciowych generatora dla celów ochrony przeciwporażeniowej........ 12 4. Obliczanie zwarć jednofazowych i ocena skuteczności ochrony przeciwporażeniowej przez samoczynne wyłączenie w instalacjach projektowanych. Wymagania dotyczące uziemiania zespołu prądotwórczego............................................................. 14 5. Układy współpracy zespołu prądotwórczego z siecią elektroenergetyczną....................... 20 6. Wymagania dotyczące instalowania zespołów prądotwóczych................................ 22 6.1. Warunki przyłączania........................................................... 22 6.2. Warunki zabudowy............................................................. 22 6.3. Projekt budowlany instalacji...................................................... 22 6.4. Instrukcja ruchu i eksploatacji zespołu prądotwórczego (współpracy z siecią energetyki zawodowej).................................................................... 23 6.5. Odbiór techniczny.............................................................. 24 7. Ocena skuteczności samoczynnego wyłączenia w eksploatowanych instalacjach zasilanych z zespołu prądotwórczego............................................................ 25 8. Badania zespołu prądotwórczego...................................................... 28 8.1. Pomiar rezystancji izolacji........................................................ 28 8.2. Pomiar prądu upływu............................................................ 30 8.3. Pomiar rezystancji przejścia pomiędzy dostępnymi częściami metalowymi.................. 30 8.4. Pomiar rezystancji uziemienia..................................................... 31 8.5. Pozostałe pomiary.............................................................. 32 ZAŁĄCZNIK Przykładowa instrukcja współpracy zespołu prądotwórczego z siecią elektroenergetyczną zakładu energetycznego............................................................. 34 DODATKI Dodatek 1.: Dobór mocy zespołu prądotwórczego.......................................... 43 Dodatek 2.: Przykładowe układy zasilania awaryjnego...................................... 69 Dodatek 3.: Zasady instalowania przeciwpożarowego wyłącznika prądu........................ 73 Dodatek 4.: Uzgadnianie projektu budowlanego pod względem przeciwpożarowym............... 77 Dodatek 5.: Projektowanie i badanie ochrony przeciwporażeniowej przez samoczynne wyłączenie zasilania w obwodach o układzie zasilania TN, zasilanych przez UPS-y............... 79 Literatura........................................................................... 82 PROJEKT Uproszczony projekt zasilania awaryjnego pomp pożarowych................................ 84 www.elektro.info.pl 7

zespoły prądotwórcze w układach awaryjnego zasilania obiektów budowlanych 1. Wstęp W wielu obiektach budowlanych konieczne jest projektowanie układów zasilających o zwiększonej pewności dostaw energii elektrycznej. Do obiektów takich należy zaliczyć banki, centra przetwarzania informacji, szpitale, komendy policji, straż pożarną, obiekty łączności, kompleksy wojskowe itp. Niejednokrotnie zastosowanie zasilania dwustronnego z sieci elektroenergetycznej jest niewystarczające i należy instalować dodatkowe źródło energii w postaci zespołu prądotwórczego. Rozwiązanie takie jest poprawne pod warunkiem spełnienia podstawowych zasad współpracy zespołu prądotwórczego z siecią elektroenergetyczną oraz zachowania ochrony przeciwporażeniowej w zasilanych odbiornikach energii elektrycznej, przy zasilaniu z sieci elektroenergetycznej oraz zespołu prądotwórczego (ZP). Doświadczenie wyniesione przez autora z prowadzonych kontroli w różnych obiektach wojskowych podczas pracy w Wojskowej Inspekcji Gospodarki Energetycznej pozwala wyciągnąć wniosek, że właściciele lub zarządcy budynków instalują zespoły prądotwórcze bez uzgodnienia z właścicielem sieci elektroenergetycznej oraz bez sprawdzenia warunków zasilania odbiorników z awaryjnego źródła zasilania, którym jest ZP. Często instalowany zespół prądotwórczy nie pokrywa zapotrzebowanej mocy przez odbiorniki oraz nie spełnia podstawowych zasad ochrony przeciwporażeniowej. Z Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 roku w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (DzU nr 93/2007, poz. 623) [18] wynika, że zespół prądotwórczy należy uznać za urządzenie przyłączane do sieci pomimo że znajduje się ono w majątku użytkownika oraz jest instalowane za układem pomiarowym. Właściciel publicznej sieci elektroenergetycznej musi posiadać informacje o przyłączonych zespołach prądotwórczych oraz mieć pełną gwarancję zabezpieczenia przed wstecznym podaniem napięcia z pracującego ZP do wyłączonej spod napięcia sieci elektroenergetycznej. Nieprawidłowo wykonany układ współpracy z siecią elektroenergetyczną stwarza zagrożenie dla ludzi pracujących na linii wyłączonej spod napięcia wskutek podania napięcia ze źródła awaryjnego (ZP). Jeżeli zespół prądotwórczy będzie pracować na publiczną sieć elektroenergetyczną nn, nie tylko zasila tę sieć, ale również sieć SN. Przyłączenie pracującego zespołu prądotwórczego do elektroenergetycznej linii nn spowoduje, że na górnych zaciskach transformatora pojawi się napięcie o wartości stanowiącej iloczyn napięcia nominalnego generatora i przekładni transformatora. Obowiązek zachowania skutecznej ochrony przeciwporażeniowej wynika z Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późniejszymi zmianami; ostatnia DzU nr 109/2004, poz. 1156) [19]. Rozporządzenie to wprowadziło również obowiązek stosowania niektórych norm, wśród których została wymieniona norma PN-IEC 60364 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych [5]. Zeszyt 41. tej normy dotyczy ochrony przeciwporażeniowej, natomiast zeszyt 61. badań odbiorczych. Norma ta określa również wymagania w zakresie ochrony przeciwporażeniowej oraz precyzuje zasady prowadzenia badań odbiorczych, ale nie określa bliżej źródła zasilania. Ponieważ system elektroenergetyczny (SEE) stanowi podstawowe źródło zasilania, które nie ma nic wspólnego z autonomicznym źródłem zasilania, jakim jest generator zespołu prądotwórczego (ZP), należy domniemać o konieczności spełnienia wymagań określonych w normach dla dwóch źródeł niezależnie: sieci elektroenergetycznej (SEE), zespołu prądotwórczego (ZP). Eksploatację zespołu prądotwórczego należy prowadzić na podstawie uzgodnionej instrukcji współpracy z siecią elektroenergetyczną. Przykładowa instrukcja współpracy została zamieszczona na końcu opracowania. Uzupełnieniem publikacji jest uproszczony projekt zasilania awaryjnego pomp pożarowych oraz zasady projektowania i badania ochrony przeciwporażeniowej przez samoczynne wyłączenie w obwodach zasilanych przez UPS (Dodatek 5.). www.elektro.info.pl 9

zespoły prądotwórcze w układach awaryjnego zasilania obiektów budowlanych 2. Zjawiska fizyczne występujące w generatorze podczas zwarć Zespół prądotwórczy w stosunku do systemu elektroenergetycznego jest tzw. 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). Problem zmiany impedancji obwodu zwarciowego na zaciskach generatora zespołu wyjaśniają rysunki 2.1. i 2.2. Na rysunku 2.1. został przedstawiony rozpływ strumieni magnetycznych w warunkach normalnej pracy generatora. b A ϕ f d γ = ωt c 1 a 2 ω a 1 a ϕ fl B b 2 F D a 1 c 2 q C c Rysunek 2.1. Schematyczny przekrój przez maszynę synchroniczną i rozpływ strumieni magnetycznych podczas normalnej pracy, gdzie: ϕ f strumień wzbudzenia, ϕ fl strumień rozproszenia uzwojenia wzbudzenia, F uzwojenie wzbudzenia, a 1, a 2, b 1, b 2, c 1, c 2 początki i końce uzwojeń poszczególnych faz, D klatka tłumiąca, A, B, C uzwojenia poszczególnych faz, d, q osie wirnika, γ = ωt kąt położenia osi d wirnika względem osi uzwojenia fazy A [1] W chwili wystąpienia zwarcia zmianie ulega rozpływ strumieni magnetycznych w generatorze zespołu prądotwórczego. W początkowej fazie zwarcia, nazywanej stanem podprzejściowym, wskutek działania klatki tłumiącej, strumień główny wytwarzany przez prąd zwarciowy płynący w uzwojeniu stojana jest wypychany poza wirnik (rys. 2.2a). W stanie tym reaktancja generatora charakteryzuje się małą wartością, wynoszącą przeciętnie 10 15% wartości reaktancji generatora w stanie statycznym. Stan ten trwa bardzo krótko ze względu na małą wartość elektromagnetycznej stałej czasowej, wynoszącej dla generatorów nn średnio 0,01 s [6]. Działanie klatki tłumiącej, ze względu na małą wartość jej rezystancji, szybko ustaje, co skutkuje powolnym wchodzeniem strumienia głównego w wirnik (rys. 2.2b). Stan ten, nazywany stanem przejściowym, charakteryzuje wzrost reaktancji generatora, która dla generatorów nn wynosi średnio 30 40% wartości reaktancji statycznej generatora. Generator w krótkim czasie przechodzi w stan ustalony zwarcia, co objawia się dalszym wzrostem reaktancji obwodu zwarciowego. W stanie ustalonym zwarcia (rys. 2.2c) strumień główny oraz strumień wzbudzenia zamykają się przez wirnik generatora. Ponieważ kierunki tych strumieni są przeciwne, strumień wypadkowy ulega silnemu zmniejszeniu. Zjawisko to prowadzi do gwałtownego wzrostu reaktancji generatora, która dla generatorów nn wynosi 200 300% wartości reaktancji statycznej generatora [1]. W obecnie konstruowanych zespołach prądotwórczych instalowany jest regulator prądu wzbudzenia, wyposażony w układ forsowania. Podczas zwarcia pozwala on 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 termicznej izolacji uzwojeń generatora. Wydłużenie tego czasu może skutkować zniszczeniem izolacji uzwojeń generatora. 10 www.elektro.info.pl

Niedostępne w wersji demonstracyjnej. Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki w serwisie