#3 Konstancin Referaty

SYMPOZJUM

„Ci g o i jako zasilania”

Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r.

z cyklu „Polskie Partnerstwo Jako ci Zasilania” zorganizowane w ramach „Europejskiego Programu Leonardo da Vinci”

jako forma realizacji projektu „Edukacyjny Program Jako ci Zasilania Leonardo”

Leonardo Power Quality Initiative

ORGANIZATORZY:

REJON ENERGETYCZNY JEZIORNA ZAK ADU ENEREGETYCZNEGO WARSZAWA – TEREN S.A.

CENTRALNY O RODEK SZKOLENIA I WYDAWNICTW STOWARZYSZENIA ELEKTRYKÓW POLSKICH

POLSKIE CENTRUM PROMOCJI MIEDZI S.A.

KOMITET NAUKOWY:

Przewodnicz cy:

prof. dr hab. in . Zbigniew Hanzelka Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

Sekretarz naukowy:

mgr in . Antoni Lisowski COSiW i KAE SEP

prof. dr hab. in . Antoni Dmowski Politechnika Warszawska

prof. dr hab. in . Zdobys aw Flisowski Politechnika Warszawska

prof. dr hab. in . Andrzej Sowa Politechnika Bia ostocka

dr in . Tomasz Kowalak Urz d Regulacji Energetyki

dr in . Marek oboda Politechnika Warszawska

dr in . Andrzej Wójciak Politechnika Warszawska

mgr in . Micha Ramczykowski Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A.

mgr in . Roman Targosz Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A.

Sympozjum „Ci g o i jako zasilania”

Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r.

zorganizowano pod patronatem

Centrum Promocji Jako ci i Efektywnego U ytkowania Energii Elektrycznej (JUEE), AGH Kraków

CENTRALNY O RODEK SZKOLENIA I WYDAWNICTW STOWARZYSZENIA ELEKTRYKÓW POLSKICH Warszawa 2003 ISBN 83-89008-27-0

Redakcja, opracowanie graficzne i sk ad: Monika Wolska Centralny O rodek Szkolenia i Wydawnictw Stowarzyszenia Elektryków Polskich

SPIS TRE CI

1. mgr in . R. Targosz

Koszty z ej jako ci energii jako uzasadnienie Europejskiej Inicjatywy Jako ci Zasilania „Leonardo Power Quality Initiative”....................................7

2. prof. dr hab. in . A. Dmowski

Uk ady gwarantowanego zasilania o podwy szonych wska nikach energetycznych......................................................................................................13

3. dr in . T. Kowalak

Ci g o zasilania – zadaniem dostawcy energii.................................................27

4. dr in . A. Wójciak

Wymiarowanie przewodu neutralnego................................................................33

5. mgr in . A. Boczkowski

Problemy wymiarowania i koordynacji zabezpiecze w instalacjach elektrycznych.................................................................................39

6. prof. dr hab. in . Z. Flisowski

Przepi cia: przyczyny, skutki i sposoby ich ograniczania.................................. 45

7. prof. dr hab. in . A. Sowa

Uziemienia i po czenia wyrównawcze w ochronie odgromowej i przeciwprzepi ciowej............................................................................................57

8. prof. dr hab. in . Z. Flisowski, mgr in . A. Pytlak, mgr in . H. wi tek

Koordynacja zagadnie ochrony przepi ciowej i kompatybilno ci elektromagnetycznej..............................................................63

9. dr in . M. oboda

Systemy uziemiaj ce w rozwi zaniach praktycznych........................................71

10. mgr in . A. Lisowski

Nowatorstwo do praktyki instalacyjnej...............................................................77

„Ci g o i jako zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

7

Koszty z ej jako ci energii jako uzasadnienieEuropejskiej Inicjatywy Jako ci ZasilaniaPolskiego Partnerstwa Jako ci Zasilania

LEONARDO

mgr in . Roman Targosz Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A.

NOWE SYSTEMOWE PODEJ CIE DO WIEDZY NA TEMAT JAKO CI ZASILANIA Inicjatywa wspierana przez Komisj Europejsk , Europejski Instytut Miedzi, obj ta Polskim

Partnerstwem Jako ci Zasilania

1. Co nas sk oni o do zainicjowania dzia a w sferze jako ci zasilania w ramach programu LEONARDO?

Koszty niskiej jako ci zasilania coraz cz ciej staj si spraw najwa niejszej wagi dla

przemys u i firm us ugowych. Oko o 50% budynków do wiadcza powa nych problemów z jako ci

zasilania. Praktycznie aden budynek nie jest zasilany idealnie. Niska jako zasilania kosztuje

przemys europejski dziesi tki miliardów euro rocznie.

2. Co to jest Inicjatywa LPQI?

Inicjatywa programu Leonardo dotycz ca Jako ci Zasilania jest programem edukacyjnym

przeznaczonym dla osób i instytucji decyduj cych o zastosowaniu ró nych technologii w dziedzinie

instalacji elektrycznych. Dzi ki temu programowi mog one rozpozna , zdiagnozowa i oceni

problemy zwi zane z jako ci zasilania oraz kompatybilno ci elektromagnetyczn , wyst puj ce

w instalacjach niskiego napi cia.

3. Jakie s narz dzia LPQI?

Poradnik Jako ci Zasilania, unikalne ród o informacji publikowane w cz ciach w sumie

obejmuj ce ponad 40 zeszytów. Cz ci wst pne poradnika s dost pne w sieci

internetowej.


8

Stron internetow www.lpqi.org z mo liwo ci nauki korespondencyjnej, tj. wyk adami

po wi conymi poszczególnym zagadnieniom, prezentacje ze slajdami oraz bibliotek , a

tak e poradnik w formie odpowiedzi na najcz ciej zadawane pytania (FAQ), forum

dyskusyjne i porady specjalistów *

Programy seminaryjne omawiaj ce podstawowe zagadnienia i daj ce dobry start

w program nauczania korespondencyjnego.

Program umo liwiaj cy uzyskanie certyfikatu po uko czeniu kursu korespondencyjnego

i zdaniu testu *.

4. Definicja jako ci energii:

„ Zbiór warunków, które umo liwiaj funkcjonowanie systemów elektrycznych zgodnie z ich

przeznaczeniem bez widocznej utraty cech funkcjonalnych i trwa o ci”.

C. Sankaran

W ród warunków, o których mowa w definicji jest znajomo zagadnie , które definiuj

systemy elektryczne.

Pomimo wysi ków zmierzaj cych do poprawy jako ci energii ze strony jej dostawców,

poprawy odporno ci i emisyjno ci urz dze , lepszych rozwi za w zakresie technik pomiarowych

i wreszcie rozwi za redukuj cych lub zapobiegaj cych skutkom zaburze , problemy zwi zane

z jako ci energii nie nikn a wr cz eskaluj . Przyczyn takiego stanu rzeczy jest oczywi cie

rosn ca liczba obci e stwarzaj cych takie problemy ale w nie mniejszym stopniu nie optymalne

rozwi zywanie problemów jako ci energii wi ce si z brakiem dostatecznej wiedzy na ten temat.

Wiedz o jako ci energii mo na scharakteryzowa nast puj co:

– luka edukacyjna dla doros ych,

– niedostatek praktycznych, niekomercyjnych i obiektywnych róde wiedzy o jako ci

energii,

– brak platformy komunikacyjnej dla praktyków, specjalistów a z drugiej strony

poszukuj cych rozwi za w dziedzinie jako ci energii.

Reasumuj c; problemy tej natury s stosunkowo nowe. Wiedza na ich temat, cho bogata

nie zosta a dot d we w a ciwy sposób upowszechniona. LEONARDO ma t luk uzupe ni .

5. Poradnik jako ci zasilania

1.1. Wst p.

1.2. Poradnik samodzielnej oceny jako ci zasilania.

2.1. Koszty niskiej jako ci zasilania.

3.1. Przyczyny powstawania i skutki dzia ania.

3.2.2. Rzeczywista warto skuteczna - jedyny prawdziwy wyznacznik.

3.3.3. Filtry aktywne.

4.1. Odporno , Pewno , Redundancja Zasilania.

5.1. Zapad y napi cia – Wprowadzenie.

5.1.3. Wprowadzenie do asymetrii.

* efekty te, jak i projekt s rozwijane etapami i wi kszo z nich b dzie w pe ni dost pna w 2003 i 2004 roku.


9

5.2.1. Obs uga zapobiegawcza - Klucz do jako ci zasilania.

5.3.2 Zapobieganie zapadom napi cia.

6.1 Systemowe Podej cie do Uziemienia.

Nowy pakiet poradnika – 6 cz ci od maja 2003 w j zyku angielskim – sukcesywnie t umaczonych na j zyk polski

Filtry pasywnePoradnik w zakresie korzystania z filtracji pasywnej; jak usuwa lub redukowa harmoniczne

pr du w instalacji elektrycznej.

Wymiarowanie przewodu neutralnegoZwi z y poradnik na temat praktyk w zakresie wymiarowania przewodu neutralnego. Mocno

osadzony w normach mi dzynarodowych oraz praktykach spotykanych w innych krajach.

Raczej wyja niaj cy ni warunkuj cy.

Niezawodno zasilania – informacje podstawowe


10

Projektowanie systemów zasilania to kompromis mi dzy interesami u ytkowników –

niezawodno i jako energii elektrycznej a interesami dostawców energii – mo liwy do

realizacji poziom kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych. Pewna elastyczno

w dostosowywaniu do siebie obu interesów jest dopuszczalna nie mo e si jednak opiera na

lekcewa eniu pewnego niekwestionowanego minimum zarówno po stronie wyposa enia

systemu a tym bardziej zasad jego eksploatacji.

Odporna na zaburzenia konstrukcja budynku o przewa aj cych obci eniach z zakresu technologii informatycznej Budynek o wysokim nasyceniu technologi IT w Mediolanie zosta poddany ca kowitej

wymianie instalacji dla rozwi zania problemów jako ci energii. Wszystkie odbiory zosta y

podzielone na 3 kategorie: normalne (49%), preferencyjne (13%), uprzywilejowane (38%).

Ka dej kategorii jest przyporz dkowany inny poziom jako ci energii. Studium wzbogacone

o analiz ekonomiczn .

Studium przypadku – zapady napi cia w sektorze produkcji dzianiny Zapady napi cia mog katastrofalnie wp ywa na niektóre procesy produkcyjne.

Ich zapobieganiu mog s u y rozwi zania sieciowe i te w systemie zasilania odbiorcy.

Analiza przypadku wymienia rozwi zania i analizuje pod wzgl dem ekonomicznym.

Systemy uziemieG ówne definicje i parametry. W asno ci uziomów. Rodzaje systemów w zale no ci od

funkcji. Typowe rozwi zania. Metody pomiaru parametrów systemów uziemiaj cych.

6. Strona internetowa

W 11 wersjach j zykowych. cznie ponad 10.000 stron. Cz ogólna i cz z obszarem

rezerwowanym – absolutnie bezp atna.

http://www.lpqi.org


11

7. Koszty jako ci energii

Koszty jako ci energii sta y u podstaw inicjatywy edukacyjnej Leonardo. 8 czerwca 2000 r.

odby a si w Brukseli konferencja, na której sformu owano wniosek, e koszty zwi zane z jako ci

energii maj oddzia ywanie na tyle powszechne i na tak miar , e potrzebna jest inicjatywa

edukacyjna, która uruchomi praktyczne poradnictwo dla rodowiska, które do wiadcza takich

problemów i nie potrafi sobie z nimi w optymalny sposób poradzi .

Oblicza si , e problemy zwi zane z jako ci zasilania kosztuj przemys i handel

europejski oko o 100 miliardów euro rocznie, gdy tymczasem nak ady na rodki zapobiegaj ce

powstawaniu tych problemów s mniejsze ni 5% tych kosztów. Powstaje zasadnicze pytanie: „Ile

pieni dzy nale y zainwestowa w dzia ania zapobiegawcze, aby zminimalizowa ryzyko awarii?",

Odpowied na to pytanie zale y od charakteru prowadzonej dzia alno ci. Po pierwsze trzeba

zrozumie natur problemu i oceni jak dany problem wp ywa na dzia alno firmy oraz jakie mog

by potencjalne straty.

Rodzaje kosztów

Istnieje kilka podzia ów kosztów. Z perspektywy u ytkownika najbardziej oczywisty to

podzia na koszty wewn trzne i zewn trzne. Bardziej ogólny podzia kosztów wygl da

nast puj co:

Zaburzenia a koszty

Oddzia ywanie ró nych zaburze i odkszta ce pr dów i napi nie jest jednakowe. Cz sto

powoduje przemijaj ce ale dokuczliwe problemy. Nieraz doprowadza do natychmiastowej awarii,

w innych przypadkach efekty si kumuluj i awaria nast puje pó niej a jej nast pstwa s

powa niejsze.

• Harmoniczne – skrócenie czasu eksploatacji do 75% projektowanej trwa o ci.

• Zaburzenia ci g o ci zasilania.

• Straty bezpo rednie si gaj ce w niektórych przypadkach 4.000.000 €.

• Straty po rednie wynikaj ce z przestoju – utracone korzy ci.

• Zmiany napi cia zasilaj cego.

•Koszty odleg e utraty przychodu

•Koszty utraty rynku i odtworzenia •Ewakuacja

•Zwi zane z produkcj

•Zwi zane z bezpiecze stwem osób i mienia

•Zwi zane ze stratami

•Niedogodno ci zwi zane z transportem

•Strata czasu na wypoczynek

•Pogorszenie warunków bytowania

•Nara enie zdrowia lub strach

SPO ECZNEGOSPODARCZE

BEZPO REDNIE

PO REDNIE


12

• Niestabilno procesów przemys owych, przedwczesne zu ycie urz dze

(równie w efekcie niesymetrii), migotanie wiat a.

Ró ne kryteria oceny strat

Przy ocenie potencjalnych zagro e nale y bra pod uwag wiele czynników, cz sto

ignorowanych, które w momencie awarii mog decydowa o jej skutkach:

• Koszt urz dze .

• Spodziewany okres eksploatacji urz dzenia.

• Wra liwo urz dze .

• Koszty personelu.

• Przestój z powodu uszkodze mechanicznych.

• Przestój z powodu naprawy (w tym odtworzenia danych steruj cych procesem).

• Koszt zmarnowanego surowca.

• Utracone przychody.

• Koszty odleg e utraty przychodu.

• Koszt utraty udzia u w rynku.

• Koszt utraty marki.

Ryzyko ze strony problemów jako ci zasilania jest bardzo powa ne nawet dla sektorów nie

korzystaj cych z wysokorozwini tych technologii, poniewa nara a i takie sektory na du e straty

finansowe. Z drugiej strony zapobieganie powstawaniu takich problemów jest stosunkowo tanie

i obejmuje ró ne dzia ania od zastosowania prostych i sprawdzonych regu projektowych po

instalowanie szeroko dost pnych urz dze , systemów i rozwi za jako ci energii. Projekt Leonardo

takie regu y projektowe i dzia ania prezentuje.

8. Wnioski

Jako energii to obszar bardzo szeroki, którego ranga ci gle wzrasta, obejmuj cy

kilkana cie, a mo e kilkadziesi t szeroko zarysowanych problemów, dla których mo na wymieni

jeszcze wi ksz liczb rozwi za . Tak wa ne jest zatem systemowe podej cie do jako ci energii

i kompleksowo ci tego zjawiska:

- poprzez wnikliw analiz i zrozumienie jego istoty w ka dym jednym przypadku,

- przez szeroko rozumian edukacj i uwra liwienie na zjawisko, aby w konsekwencji

doprowadzi do si gania do optymalnych rozwi za jako ci energii,

Oferowany przez Polskie Partnerstwo Jako ci Zasilania cykl seminaryjny jest jednym z wa nych

elementów systemowego podej cia do jako ci energii. Cykl seminaryjny zosta podzielony na

nast puj ce cz ci:

- Odkszta cenie napi i pr dów.

- Pewno i jako zasilania.

- Zaburzenia w napi ciu (wahania + zapady + asymetria).

- Kompatybilno elektromagnetyczna, systemy uziemie .

Nasz intencj jest, aby seminaria stanowi y wst p do korzystania z LEONARDO.

Zapraszamy do korzystania z projektu.


13

Uk ady gwarantowanego zasilania o podwy szonych wska nikach energetycznych

prof. dr hab. in . Antoni Dmowski Instytut Elektroenergetyki Politechniki Warszawskiej

1. Wst p

Wiele odbiorników energii elektrycznej wymaga zasilania energi elektryczn

o odpowiedniej jako ci. Pod poj ciem odpowiednia jako zasilania rozumiane jest tu zasilania

odbiornika sta ym co do warto ci napi ciem skutecznym. Napi cie to musi by pozbawione

sk adowych wysokich cz stotliwo ci, które mog zak óca prac zasilanych odbiorników.

W szczególno ci dotyczy to odbiorników elektronicznych opartych o technik cyfrow . Dodatkowo

znaczna cz w/w odbiorników wymaga zasilania napi ciem ze sta cz stotliwo ci . Jednak

w ostatnim czasie pojawi a si nowa grupa odbiorników, które ze wzgl dów technologicznych

musz by zasilane bezprzerwowo regulowanym napi ciem przemiennym z regulowan

cz stotliwo ci . T grup odbiorników tworz ró nego rodzaju uk ady nap dowe z silnikami

indukcyjnymi. W dalszej cz ci referatu dla celów porz dkowych UPS ze sta ym co do warto ci

skutecznym napi ciem wyj ciowym i sta cz stotliwo ci b dzie oznaczany symbolem UPS

z indeksem c – UPSc. UPS z regulowanym napi ciem wyj ciowym i regulowan cz stotliwo ci

b dzie oznaczany symbolem UPS z indeksem N –UPSN. W odniesieniu do uk adów UPSc mog

by stosowane dwie podstawowe technologie wykonania. Pierwsza polega na tym, e odbiornik jest

zasilany z wyj cia falownika DC/AC. Falownik DC/AC jest zasilany z prostownika sieciowego do

wyj cia którego do czona jest równolegle bateria. Bateria ta zasila falownik przy zaniku napi cia

w sieci energetycznej. Drugim rozwi zaniem jest uk ad, w którym transformator wyj ciowy UPS-a

i odbiornik jest zasilany przez regulator napi cia przemiennego z sieci energetycznej. Do

dodatkowego uzwojenia tego transformatora jest do czony falownik z bateri chemiczn . Falownik

ten dostarcza napi cia wyj ciowego UPS przy zaniku napi cia w zasilaj cej sieci

elektroenergetycznej. W czasie obecno ci napi cia w sieci elektroenergetycznej przez diody

zwrotne falownika jest adowana bateria. Uk ad opisywany wy ej nie mo e by stosowany

w uk adzie UPSN. Ze wzgl du na ograniczone ramy referatu uk ad ten nie b dzie dalej opisywany.

Dodatkowymi wa nymi parametrami ka dego uk adu UPS s :

sposób oddzia ywania na sie zasilaj c ,

sprawno energetyczna uk adu,

zachowanie si w przypadku przeci enia i zwarcia zacisków wyj ciowych UPS,

na wymienione wy ej parametry UPS-u ma zasadniczy wp yw konstrukcja

poszczególnych podzespo ów (obwodów) sk adowych UPS-u. Problemy te zostan

opisane w dalszej cz ci referatu.


14

2. Rola poszczególnych podzespo ów

Rysunek nr 1 Przedstawia schemat blokowy UPSc. Natomiast rysunek nr 2 przedstawia

schemat UPSn.

Rys. 1 Schemat blokowy uk adu UPSc.

Rys 2 Schemat uk adu UPSN.

W sk ad obu uk adów wchodz :

- Tr – Transformator zasilaj cy (niekoniecznie dla UPSc)

- EMI – Filtry zak óce radioelektronicznych

- P – prostownik g ówny

- PB – Prostownik do adowania baterii (B)

- B – Bateria chemiczna – akumulator

- LC – Filtr obwodu po rednicz cego

- Do – Dioda odcinaj ca

- DC/AC – Falownik zmieniaj cy napi cie sta e na napi cie przemienne

- PS – Uk ad obej ciowy UPS-u

- UN – Uk ad nadzoru


15

2.1 Filtry EMI

Filtry EMI spe niaj podwójn rol :

po pierwsze chroni sam UPS od zak óce pochodz cych od strony sieci zasilaj cej, od strony

odbiornika i od strony uk adów steruj cych (np. po czenie UPS-u z zasilanym przez niego

komputerem),

po drugie ograniczaj zak ócenia generowane przez UPS.

2.2 Prostownik g ówny: filtr obwodu po rednicz cego LC i dioda Do

Prostownik g ówny za po rednictwem filtru LC zasila falownik DC/AC.

Napi cia wyj ciowe prostownika g ównego powinno by o par procent wi ksze ni

napi cie baterii w celu ograniczenia wp ywu pulsacji wyst puj cych w obwodzie po rednicz cym

wywo anych prac falownika. Dioda Do odcina wp yw napi cia Up-w obwodzie po rednicz cym

na bateri chemiczn B.

2.3 Rola baterii chemicznej B

Bateria chemiczna zasila obwód po rednicz cy (falownik DC/AC). W przypadku zaniku

napi cia w przemiennopr dowej sieci zasilaj cej lub w przypadku awarii prostownika g ównego.

2.4 Falownik DC/AC w uk adzie UPSc

Jedno lub trójfazowy falownik DC/AC jest podstawowym blokiem UPSc. Zadaniem

falownika jest zasilanie sta ym co do warto ci napi ciem o sta ej cz stotliwo ci wybranej grupy

odbiorników. Wstanie ustalonym falownik jest zasilany bezpo rednio z sieci przez prostownik

g ówny P. W stanach awaryjnych falownik jest zasilany z akumulatora (baterii chemicznej).

2.5 Falownik DC/AC w uk adzie UPSN

Trójfazowy falownik DC/AC jest podstawowym blokiem uk adu UPSN [8,9]. W stanie

ustalonym zasila on silnik asynchroniczny regulowanym napi ciem i regulowan cz stotliwo ci ,

co umo liwia:

- regulacj pr dko ci obrotowej silnika umo liwiaj c automatyczn regulacj np: w funkcji

ci nienia, przep ywu, wydajno ci pompowanego czynnika itp.,

- p ynny rozruch silnika,

- ograniczenie pr du rozruchu silnika i mocy falownika w stosunku do uk adu UPSc z którego

jest zasilany ten sam silnik.

Zalety zasilania silnika z uk adu UPSN w stosunku do uk adu UPSc wyja nia rysunek 3.


16

Rys. 3 Charakterystyki momentu rozwijanego przez silnik dla przypadku zasilania

z uk adu UPSc, krzywe A, 5. Krzywe 1-5 charakterystyki dla uk adu UPSN.

2.6 Prostownik pomocniczy PB

Prostownik pomocniczy PB aduje bateri [1] wed ug okre lonej charakterystyki I.U.

Utrzymuje tak e sta e i kompensowane termicznie napi cie baterii w przypadku pracy buforowej

baterii.

2.7 Prze cznik statyczny – PS

Rol prze cznika statycznego PS jest zasilanie odbiornika bezpo rednio z sieci lub z innego

UPS-u w przypadku awarii tego pierwszego.

2.8 Uk ad nadzoru – UN

Nowoczesne systemy UPSc i UPSN powinny by wyposa one w mikroprocesorowy system

nadzoru i zarz dzania. System ten powinien w sposób ci g y nadzorowa prac poszczególnych

cz UPS-u. Blokiem, który wymaga szczegó owego nadzoru jest bateria chemiczna (akumulator)

System nadzoru musi mie mo liwo informowania g ównego odbiornika (np. komputera) o stanie

na adowania baterii [1,2].


17

3. Przyk adowe realizacje poszczególnych elementów systemu UPS

3.1 Prostownik g ówny P

Rysunki 4a i 5a przedstawiaj schematy ideowe nie sterowanych prostowników u ywanych

w systemach zasilania UPS. Rysunki nr 4a i 5b przedstawiaj przyk adowe przebiegi pr dów

i napi w uk adach prostowników.

Du a pulsacja napi cia wyprostowanego i impulsowy pobór pr du przez prostownik

jednofazowy jest przyczyn ograniczenia stosowania go w UPS-ach o mocach wyj ciowych

mniejszych ni 1kVA.

Rys. 4 Jednofazowy przetwornik sieciowy zasilaj cy falownik DC/AC, a-schemat, b-przebiegi.

Rys. 5 Prostownik trójfazowy niesterowany wraz z przebiegami czasowymi napi cia

Up w obwodzie po rednicz cym oraz pr du ls pobieranego z sieci zasilaj cej

w uk adzie prostownika.


18

W przypadku prostownika trójfazowego pulsacje napi cia wyprostowanego s znacznie

mniejsze, oraz wspó czynnik mocy jest bli szy jedno ci ni w uk adzie jednofazowym. Umo liwia

to stosowanie prostowników trójfazowych przy znacznie wi kszych mocach UPS. Rysunki 6 i 7

przedstawiaj uk ady prostowników sterowanych, w których opisane wady prostowników

diodowych s znacznie ograniczone. Rysunek 6 przedstawia przebieg pr dów pobieranych przez

sterowany jednofazowy prostownik z sieci zasilaj cej. Rysunek 7 przedstawia schemat

trójfazowego prostownika z sinusoidalnym pr dem pobieranym z sieci zasilaj cej. Uk ad

prostownika mo e pracowa w po czeniu w gwiazd lub trójk t.

Rys. 6 Uproszczony schemat blokowy prostownika o sinusoidalnym pr dzie

wej ciowym z modulatorem PWM oraz pó fala pr du d awika i sie

w uk adzie z modulatorem PWM.

Rys. 7 Trójfazowy prostownik o sinusoidalnym pr dzie wej ciowym.


19

Generalnie mo na stwierdzi , e prostowniki z sinusoidalnym pr dem wej ciowym maj

znacznie mniejsze negatywne oddzia ywanie na sie zasilaj c ni prostowniki diodowe.

Dodatkowo ze wzgl du na mniejsze warto ci skuteczne pr dów (szczególnie dla uk adów

jednofazowych) maj wi ksze sprawno ci energetyczne ni uk ady niesterowane. W przypadku

niemo liwo ci stosowania uk adów z prostownikami z sinusoidalnym pr dem wej ciowym

(prostowniki sterowane) dla UPSc o mocach od 1 do 3 KW lepszym rozwi zaniem od strony

zasilania jest zasilanie trójfazowe ni jednofazowe. W uk adzie trójfazowym nie p ynie pr d

w przewodzie neutralnym (zerowym).

4. Bateria chemiczna-prostownik PB

Bateria chemiczna jest bardzo wa nym elementem sk adowym systemu UPS. Od jej

w a ciwego dzia ania w podstawowym stopniu zale y zdolno wykonywania postawionych przed

UPS-em celów. Najcz ciej stosowanymi (zintegrowanymi) z UPS-ami s baterie z elektrolitem

sta ym (Baterie elowe, lub AGM). Baterie te musz by eksploatowane zgodnie z wymaganiami

EUROBAT. Do najwa niejszych wymaga EUROBAT nale :

sta o napi cia buforowania >1%,

adowanie baterii wed ug charakterystyki IU,

ma e zawarto ci „pulsacji” w pr dzie adowania i napi ciu buforowania 2,5% warto ci

nominalnych,

kompensacja termiczna napi cia buforowania,

ochrona baterii przed g bokim roz adowaniem itp.

Rysunek 8 przedstawia przebiegi pr du i napi cia w czasie cyklu pracy baterii.

Prostownik bateryjny PB powinien spe nia wymagania EUROBAT.

Rys. 8 Cykl pracy baterii (dla jednego ogniwa).

5. Falowniki DC/AC w uk adach UPSc

Rysunki 9a,b,c przedstawiaj schematy trzech wersji jednofazowych falowników

przetwarzaj cych napi cia sta e na napi cia przemienne (DC-AC). W przypadku uk adu, którego


20

schemat jest na rysunku 9a kszta towanie fali napi cia odbywa si w cz ci przetwornicy DC/DC.

Nast pnie przez mostkowy komutator tranzystorowy napi cie to jest zamienione na napi cie

przemienne. W przypadku zasilania odbiornika o wspó czynniku mocy ró nym od jedno ci w cza

si do pracy kompensator mocy biernej. Powoduje to, e uk ad komutatora prze cza przy przej ciu

fali napi cia i pr du przez zero. Rysunki 9b i 9c przestawiaj schematy dwu falowników DC/AC,

które mog by sterowane przy u yciu modulacji PWM. Przedstawione na rysunkach 5a,b,c

transformatory zapewniaj galwaniczn izolacj mi dzy obwodem zasilania i obwodem wyj cia

falownika. Umo liwia to zastosowanie uk adu obej ciowego.

Rys. 9 Schematy trzech wersji falowników DC/AC dla uk adu UPSc.


21

5.1 Uk ady sterowania falowników DC/AC stosowanych w uk adach UPSc

W uk adach falownika DC/AC stosowane s najcz ciej dwie metody formowania napi cia

wyj ciowego. Pierwsz z nich jest metoda PWM, drug metoda regulacji dwustanowej (pr du lub

napi cia kondensatora filtru wyj ciowego) [2,5]. W przypadku uk adu falownika z modulacj PWM

(schemat rys. 9) sprawno energetyczn falownika mo na zwi kszy 0,2-3% usuwaj c

transformator i podnosz c napi cie baterii do ~350 DC. Rozwi zanie takie jest mo liwe jednak do

zasilania niektórych odbiorników np: zasilaczy taktowanych, o wietlenia awaryjnego itp.

W przypadku zasilania ma ych odbiorników indukcyjnych bez transformatora wyj ciowego (cewki

styczników przeka ników itp.). mo e nast pi podmagnesowanie rdzeni w wyniku asymetrii

napi cia wyj ciowego z falownika. Dodatkowo w przypadku zasilania kilku odbiorników mog

wyst pi problemy ze sprawnie dzia aj c instalacj zabezpiecze pora eniowych.

5.2 Uproszczone uk ady UPSc

Wzrastaj ca niezawodno uk adów energoelektronicznych powoduje, e pojawiaj si

uproszczone rozwi zania elektroniczne uk adów UPSc, których schematy nie odpowiadaj

schematowi blokowemu przedstawionemu na rysunku 1.

Wymienione wy ej konstrukcje s pozbawione pewnych cz ci sk adowych uk adu

podstawowego UPSc (rys.1) [10].

Rysunek 10 przedstawia schemat uproszczony wersji UPSc, [6,7] która jest pozbawiona np:

uk adu obej ciowego (PS, rysunek nr 1) lub bateria chemiczna (B rysunek nr 1) jest po czona

galwanicznie z obwodami zasilania odbiornika. Przedstawiony na schemacie 10 schemat UPSc

z punktu widzenia kosztów wytwarzania jest ta szy ni uk ad wed ug schematu rys. nr 1. Jednak ze

wzgl du na obni on pewno dzia ania mo e by stosowany tylko w wybranych przypadkach.

Rys. 10 Uproszczona wersja UPS w/g L.6.

6. Uk ad obej ciowy

Uk ady UPSN s wyposa one tylko w mechaniczne uk ady obej ciowe. Umo liwiaj one

zasilanie bezpo rednio z sieci zasilaj cej. Uk ady UPSc s wyposa one w elektroniczne lub

mechaniczne uk ady obej ciowe.

Rysunek 11 przedstawia schemat blokowy elektronicznego uk adu obej ciowego UPSc.

Dzia anie elektronicznego uk adu obej ciowego jest mo liwe w przypadku kiedy:

- Napi cie wyj ciowe falownika jest w fazie z napi ciem sieci przemiennopr dowej i ma

podobn warto amplitudy.

- Konstrukcja falownika umo liwia zastosowanie uk adu obej ciowego (odpowiednia

galwaniczna separacja mi dzy wej ciem i wyj ciem UPS-u).

Rysunki 11b,c wyja niaj dzia anie uk adu obej ciowego. Rysunek 12 przedstawia schemat

blokowy uk adu synchronizacji napi cia wyj ciowego falownika z napi ciem sieci zasilaj cej.


22

a)

b)

c)

Rys. 11 a-uk ad obej ciowy, b i c przebiegi wyja niaj ce dzia anie uk adu obej ciowego.


23

Rys. 12 Schemat blokowy uk adu synchronizacje napi cia wyj ciowego falownika z napi ciem sieci.

7. Zwarcia i przeci enia w uk adach wyj ciowych UPSc

W obwodach elektrycznych zasilanych przez UPSc podobnie jak w innych obwodach

zasilanych z sieci mog wyst pi stany przeci enia i zwarcia. Rysunek 13 przedstawia przypadek

przeci enia UPSc-u przez odbiornik nie liniowy (prostownik obci ony odbiornikiem RC).

Dostarczona przez UPSc-a moc w tym przypadku ma warto znacznie ni sz ni moc nominalna.

Warto maksymalna pr du znacznie przekracza warto nominaln pr du wyj ciowego UPSc-u.

Rysunek 14 przedstawia przypadek przeci enia UPSc-u w funkcji czasu. Je li czas przeci enia

jest dosy d ugi wy czenie UPSc-u nast pi w wyniku przekroczenia dopuszczalnej temperatury

elementów UPSc-u. Rysunki 15 i 16 przedstawiaj zachowanie si UPSc-u w przypadku

krótkotrwa ego (20-50ms) i d ugotrwa ego zwarcia w obwodach zasilanych przez UPSc-a.

W przypadku zwarcia krótkotrwa ego po jego ust pieniu napi cie wyj ciowe UPS-u powinno

wróci do warto ci nominalnej w sposób natychmiastowy. Je li zwarcie trwa o d ugo (np. 3 sek.)

powrót napi cia wyj ciowego UPS-u mo e nast pi jak przedstawiono na rysunku 16 (mi kki

start).

Rys. 13 Obci enie nieliniowe UPS.


24

Rys. 14 Przypadek przeci enia UPSc w funkcji czasu.

Rys. 15 Przypadek dwóch krótkotrwa ych zwar na wyj ciu UPSc.

Rys. 16 Zwarcie d ugotrwa e wyj cia UPS.


25

8. Stany zak óceniowe w uk adach UPSN

W uk adach rezerwowego zasilania typu UPSN w stanie normalnej pracy silnika falownik

jest zasilany przez prostownik P z sieci zasilaj cej. W przypadku zaniku napi cia sieci falownik

DC/AC zostaje automatycznie zasilany z baterii. [9]

Rysunek 16 przedstawia przypadek przej cia zasilania falownika z napi cia sieci na napi cie

baterii. Rysunek 17 przedstawia zachowanie si uk adu w przypadku powrotu napi cia sieci. W obu

przypadkach nie wida adnego zak ócenia w pracy silnika. W uk adach UPSN w czasie rozruchu

lub zwarcia w silniku pr d ograniczony jest zwykle do warto ci 1,5 x In (In-pr d nominalny).

Rys. 17 Przypadek przej cia zasilania uk adu z sieci na zasilanie bateryjne w UPSN.

Rys. 18 Przypadek przej cia zasilania z baterii na sie .


26

9. Wnioski

1. Przez przyj cie odpowiedniej konstrukcji obwodów wej ciowych (UPS) mo na znacznie

ograniczy negatywne oddzia ywanie na sie zasilaj c .

2. Je li UPSc jednofazowy od strony wyj cia (ma a moc) nie jest wyposa ony w prostownik z

sinusoidalnym pr dem wej ciowym to zawsze lepsze jest zasilanie trójfazowe ni jednofazowe.

3. Podzespo em, który musi by poddany „szczególnej trosce” w czasie eksploatacji UPS jest

bateria.

4. W zastosowaniach przemys owych UPS (zasilanie ze wspólnej sieci wielu odbiorników) zawsze

jest korzystne stosowanie na wyj ciu falownika transformatora szczególnie ze wzgl du na

realizacj uk adu ochrony pora eniowej.

10. Literatura

[1] EUROBAT – Varta the Battery experts –D-W-5800 Hagen 1 January 1992.

[2] A. Dmowski – „Energoelektroniczne uk ady zasilania pr dem sta ym w telekomunikacji

i energetyce” – WNT – Warszawa 1998.

[3] Spiralski i inni – „Zak ócenia w aparaturze elektronicznej” – Radioelektronik” Sp. z o.o.

Warszawa 1995.

[4] Spiazei G. i inni – Implimentation of Single –phase boots power factor correction circuits in

three-phase applications” IECON 4 5-9.09.1994.

[5] A. Niedzia kowski – „Wytwarzanie napi cia o sta ej cz stotliwo ci i amplitudzie w uk adzie

z generatorem o zmiennej pr dko ci” – Praca doktorska PW 1998-99.

[6] K. Hirachi, J. Yoshitsugu, K.Nishimura, A. Chibani and M. Nakaoka „Switched-Mode PFC

Rectifier with High-Frequency Transformer Link for High-Power Density Single Phase UPS”

Intelec `93.

[7] A. Dmowski, H.van der Broeck- Realisirung eines Wechselsspanungsstabilistor mit hilfe

eines 3-Pulswechselrichters. „etz. Archiw” RFN, zeszyt 1 rok 1988.

[8] H. Tunia, B. Winiarski – Energoelektronika” WNT Warszawa 1994.

[9] Materia y Techniczno-Informacyjne firmy APS z Warszawy.

[10] R. Krishan and S. Srinivasen Topologies for Uninterruptible Power Supplies 9/93 IEEE.


27

Ci g o zasilania – zadaniem dostawcy energii

dr in . Tomasz Kowalak Departament Taryf

Urz d Regulacji Energetyki

Ci g o zasilania jest podstawowym (cho nie jedynym) parametrem charakteryzuj cym

jako obs ugi odbiorców energii elektrycznej. Wynika to bezpo rednio ze skali kosztów b d cych

konsekwencj niedostarczenia energii, ponoszonych przez odbiorców w rezultacie przerw

w zasilaniu – zw aszcza przerw niezapowiedzianych, których skutków nie mo na ograniczy

dzia aniami dostosowawczymi. Waga tego problemu ro nie z rozwojem automatyki,

komputeryzacji, ogólnie z post pem technologii zaawansowanych, wra liwych na zak ócenia

w ci g o ci dostaw energii. Dodatkowo zaostrzaj go ewentualne, niepo dane skutki uboczne

regulacji. Naturalne monopole sieciowe, jakimi s spó ki dystrybucyjne, s bowiem poddane

regulacji bod cowej, której fundamentalnym narz dziem jest ograniczanie przychodów

przedsi biorstwa do poziomu uzasadnionego w ocenie Regulatora. Jako obs ugi odbiorców musi

wi c by monitorowana ze wzgl du na zagro enie, e przedsi biorstwo, ograniczaj c wydatki,

doprowadzi do obni enia jej poziomu. Z drugiej strony przedsi biorstwa sieciowe staj do

bezpo redniej konkurencji, bowiem odbiorcy – na etapie analizy warunków lokalizacji swoich

nowych przedsi wzi – zaczynaj coraz uwa niej ledzi nie tylko koszty zaopatrzenia w energi

ale tak e ryzyka jej niedostarczenia.

Analiz problemu, z konieczno ci bardzo skrótow , przeprowadzono poni ej wed ug

nast puj cego schematu: klasyfikacja przerw wed ug przyczyn i d ugo ci trwania – oczekiwania

odbiorców i mo liwo ci techniczno-ekonomiczne ich spe nienia – aktualne regulacje prawne w tym

zakresie – kierunki racjonalnych rozwi za prawnych i technicznych. Analiz , ze wzgl dów

oczywistych, przeprowadzono z pozycji organu ustawowo zobligowanego do równowa enia

interesów odbiorców i dostawców.

1. Klasyfikacja zjawiska

Nale y odnotowa , e definicje poszczególnych poj przedstawione poni ej zosta y

zaproponowane przez autora na u ytek niniejszego tekstu. Jest to próba „sfotografowania”

rzeczywisto ci tak jaka jest, dokonana po to, by dopiero w dalszej cz ci tekstu skonfrontowa j

z odzwierciedleniem tej rzeczywisto ci zawartym w przepisach prawa.

Definicja przerwy w zasilaniu:

alternatywnie:

spadek napi cia zasilania w miejscu dostarczania do zera (w praktyce do warto ci bliskiej

zera), (zanik napi cia) lub,

obni enie warto ci napi cia w miejscu dostarczania poni ej poziomu u ytecznego dla odbiorcy

(zapad napi cia).

Klasyfikacja przerw w zasilaniu ze wzgl du na d ugo trwania:

mikroprzerwy – o czasie trwania do 3 sekund, spowodowane dzia aniem automatyki ruchowej,

realizowanym w celu usuni cia zak óce przemijaj cych (np. zadzia anie SPZ w wyniku przepi

piorunowych, SZR),


28

przerwy krótkie – o czasie trwania do 3 minut – spowodowane usuwaniem zak óce

przemijaj cych oraz zmianami uk adu pracy sieci podejmowanymi w celu ograniczenia zasi gu

skutków trwa ych uszkodze ,

przerwy d ugie – o czasie trwania d u szym ni 3 minuty, spowodowane konieczno ci usuwania

skutków uszkodze trwa ych, ew. realizacj prac planowych,

przerwy katastrofalne – o czasie trwania d u szym ni 24 godziny, spowodowane konieczno ci

odbudowy sieci po wyst pieniu si y wy szej (np. kl ski ywio owej).

Klasyfikacja przerw w zasilaniu ze wzgl du na tryb powiadomienia odbiorcy:

przerwy planowe – kiedy dostawca wype ni postanowienia umowy reguluj ce tryb uprzedzenia

odbiorcy o przewidywanym terminie i d ugo ci przerwy,

przerwy awaryjne – wszystkie przerwy, o których wyst pieniu odbiorca nie zosta uprzedzony w

trybie uregulowanym w umowie, zarówno b d ce wynikiem zak óce , jak i prac zaplanowanych

przez dostawc – ale w warunkach zaniedbania trybu uprzedzenia odbiorcy.

Nale y odnotowa , e w praktyce wszystkie mikroprzerwy i przerwy krótkie s przerwami

awaryjnymi. Pozosta e mog , (ale nie musz ) by przerwami planowymi.

2. Oczekiwania odbiorców

W zale no ci od skali zagro enia widzianego przez odbiorc jako rezultat przerwy

w zasilaniu mo na wyró ni nast puj ce zakresy wra liwo ci odbiorcy na zanik napi cia:

A) Mo liwo zak ócenia procesu technologicznego z powodu:

a) Mikroprzerwy,

b) krótkiej przerwy.

B) Mo liwo zak ócenia sterowania procesem technologicznym z powodu mikroprzerwy.

C) Mo liwo zak ócenia pracy systemów podtrzymania napi cia w systemach monitoringu

i sterowania z powodu:

a) krótkiej przerwy,

b) d ugiej przerwy.

D) Konieczno zatrzymania procesu technologicznego skutkiem przerwy d ugiej lub

katastrofalnej.

Ka dy z ww. rodzajów zagro e wymaga ze strony odbiorcy zastosowania odmiennej

strategii przeciwdzia ania im, ew. niwelowania ich skutków. Wybór tej strategii silnie zale y od

realnych, ekonomicznie uzasadnionych mo liwo ci technicznych, zarówno po stronie odbiorcy jak

i dostawcy.

3. Mo liwo ci dostawców

Analiza zdolno ci przeciwdzia ania przerwom w zasilaniu w zale no ci od d ugo ci ich

trwania prowadzi do wniosku, e najtrudniejszym - z punktu widzenia przedsi biorstwa

energetycznego jest zakres przerw najkrótszych (mikroprzerw i przerw krótkich) i najd u szych

(przerw katastrofalnych). Przy czym liczba tych pierwszych jest wysoka i w praktyce wymyka si

statystykom, drugie za nosz znamiona skutków dzia ania si y wy szej. Technologia prac pod

napi ciem i odpowiednia konfiguracja uk adów sieciowych pozwalaj natomiast w znacznym

stopniu ograniczy ryzyko wyst pienia przerw d ugich.


29

4. Aktualne ramy prawne i okre lone prawem konsekwencje dla dostawcy

Zagadnienie ci g o ci dostaw energii elektrycznej jest przedmiotem nast puj cych aktów

prawnych i normalizacyjnych :

Ustawy z dnia 10 kwietnia 1997 r. – Prawo energetyczne (Dz. U. Nr 54, poz. 348 ze zm.),

zwanej dalej „ustaw – prawo energetyczne”.

Rozporz dzenia Ministra Gospodarki z dnia 25 wrze nia 2000 r. w sprawie

szczegó owych warunków przy czenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych,

obrotu energi elektryczn , wiadczenia us ug przesy owych, ruchu sieciowego i

eksploatacji sieci oraz standardów jako ciowych obs ugi odbiorców (Dz. U. Nr 85, poz.

957), zwanego dalej „rozporz dzeniem przy czeniowym”.

Rozporz dzenia Ministra Gospodarki z dnia 14 grudnia 2000 r. w sprawie szczegó owych

zasad kszta towania i kalkulacji taryf oraz zasad rozlicze w obrocie energi elektryczn

(Dz. U. z 2001 r. Nr 1, poz. 7), zwanego dalej „rozporz dzeniem taryfowym”.

Normy PN-EN 50160 Parametry napi cia zasilaj cego w publicznych sieciach

rozdzielczych, zwana dalej „norm PN-EN 50160”.

Normy PN-EN ISO 9001:2001.

Zgodnie z aktualnym stanem prawnym obowi zki dostawcy w zakresie ci g o ci zasilania

odbiorcy okre la umowa sprzeda y energii elektrycznej lub umowa o wiadczenie us ug

przesy owych. W przypadku braku takich ustale dostawca energii elektrycznej zobowi zany jest

do przestrzegania w tym zakresie standardów zapisanych w § 33 rozporz dzenia przy czeniowego,

który nak ada na dostawc obowi zki w zakresie:

1. przyjmowania przez ca dob zg osze i reklamacji od odbiorców,

2. bezzw ocznego usuwania zak óce w dostarczaniu energii elektrycznej,

spowodowanych nieprawid ow prac sieci,

3. udzielania odbiorcom, na ich danie, informacji o przewidywanym terminie

wznowienia dostarczania energii elektrycznej przerwanego z powodu awarii w sieci,

4. powiadamiania odbiorców, z co najmniej pi ciodniowym wyprzedzeniem, o terminach

i czasie planowanych przerw w dostarczaniu energii elektrycznej, w formie:

a) og osze prasowych, komunikatów radiowych lub telewizyjnych lub w inny sposób

zwyczajowo przyj ty na danym terenie - odbiorców zasilanych z sieci o napi ciu

znamionowym nie wy szym ni 1 kV,

b) indywidualnych zawiadomie pisemnych, telefonicznych lub za pomoc innego

rodka telekomunikacji - odbiorców zasilanych z sieci o napi ciu znamionowym

wy szym ni 1 kV,

5. odp atnego podj cia stosownych czynno ci w sieci, w celu umo liwienia bezpiecznego

wykonania przez odbiorc lub inny podmiot prac w obszarze oddzia ywania tej sieci,

6. udzielania upustów, w wysoko ci okre lonej w taryfach, za niedotrzymanie ci g o ci

dostaw energii elektrycznej, o których mowa w § 32 rozporz dzenia przy czeniowego.

Za niedotrzymanie standardów ci g o ci dostaw energii elektrycznej dostawca ponosi

konsekwencje finansowe w postaci op at na rzecz odbiorcy. Wysoko tych op at równie mo e

by ustalona w umowie sprzeda y energii elektrycznej lub w umowie o wiadczenie us ug

przesy owych lub w przypadku braku takich ustale na podstawie aktualnie obowi zuj cej taryfy

dla energii elektrycznej. Op aty zawarte w taryfie wylicza si w oparciu o przeci tne miesi czne

wynagrodzenie w sektorze przedsi biorstw w roku kalendarzowym poprzedzaj cym rok

wprowadzenia nowej taryfy przyjmowane na podstawie obwieszczenia Prezesa G ównego Urz du


30

Statystycznego og aszane w Monitorze Polskim ( za 2002 r. wynios o ono 2277,43 z ).

Przyk adowe op aty dla roku taryfowego 2003/2004 zaprezentowano w poni szej tabeli:

a) za nie przyj cie zg osze lub reklamacji od odbiorcy 15,18 z ,

b) za nieuzasadnion zw ok w usuwaniu zak óce w dostarczaniu energii elektrycznej,

spowodowanych nieprawid ow prac sieci 75,91 z ,

c) za odmow udzielenia odbiorcom, na ich danie, informacji o przewidywanym terminie

wznowienia dostarczania energii elektrycznej, przerwanego z powodu awarii sieci 7,59 z ,

d) za nie powiadomienie, z co najmniej pi ciodniowym wyprzedzeniem o terminach i czasie

planowanych przerw w dostawie energii elektrycznej, w formie og osze prasowych,

komunikatów radiowych lub telewizyjnych, wzgl dnie w inny sposób przyj ty na danym terenie

odbiorców zasilanych z sieci o napi ciu znamionowym nie wy szym ni 1kV 15,18 z ,

e) za nie powiadomienie w formie indywidualnych zawiadomie pisemnych, telefonicznych lub za

pomoc innego rodka telekomunikacji, z co najmniej pi ciodniowym wyprzedzeniem, o

terminach i czasie planowanych przerw w dostawie energii elektrycznej odbiorców zasilanych z

sieci o napi ciu znamionowym wy szym ni 1kV 151,83 z ,

W przypadku braku okre lenia w umowie sprzeda y standardów ci g o ci dostaw energii

elektrycznej dostawc obowi zuje zapis § 32 rozporz dzenia przy czeniowego. Zgodnie z tym

zapisem czny czas trwania w ci gu roku wy cze awaryjnych, liczony dla poszczególnych

wy cze od zg oszenia przez odbiorc braku zasilania do jego przywrócenia, dla grup

przy czeniowych IV i V nie mo e przekroczy :

a) 72 godzin - w okresie do dnia 31 grudnia 2002 r.,

b) 60 godzin - w okresie od dnia 1 stycznia 2003 r. do dnia 31 grudnia 2004 r.,

c) 48 godzin - w okresie od dnia 1 stycznia 2005 r.

Czas trwania jednorazowej przerwy w dostarczaniu energii elektrycznej dla grup

przy czeniowych IV i V nie mo e przekroczy :

a) 48 godzin - w okresie do dnia 31 grudnia 2002 r.,

b) 36 godzin - w okresie od dnia 1 stycznia 2003 r. do dnia 31 grudnia 2004 r.,

c) 24 godzin - w okresie od dnia 1 stycznia 2005 r.

Dla grup przy czeniowych I-III i VI dopuszczalny czny czas trwania w ci gu roku

wy cze awaryjnych oraz czas trwania jednorazowych przerw, okre la umowa sprzeda y lub

umowa przesy owa.

W przypadku niedotrzymania standardów zwi zanych z niezawodno ci dostawy i jako ci

dostarczanej energii elektrycznej dostawca ponosi konsekwencje finansowe w postaci bonifikaty

i upustu dla odbiorcy. Za ka d nie dostarczon jednostk energii elektrycznej odbiorcy przys uguje

bonifikata w wysoko ci pi ciokrotno ci ceny energii elektrycznej za okres, w którym wyst pi a

przerwa; ilo nie dostarczonej energii elektrycznej w dniu, w którym mia a miejsce przerwa, ustala

si na podstawie poboru energii w odpowiednim dniu poprzedniego tygodnia, z uwzgl dnieniem

czasu dopuszczalnych przerw okre lonych w umowie.

Zwraca uwag , e przepisy obowi zuj cego prawa w niezwykle u omny sposób reguluj

zagadnienie przerw w zasilaniu.

Po pierwsze: poza jak kolwiek regulacj pozostawiono zagadnienie d ugo ci trwania przerw

planowych. Pod warunkiem stosownego uprzedzenia odbiorcy lokalny monopolista móg by

w praktyce bezkarnie zaprzesta obs ugi okre lonych grup odbiorców przy czonych do jego sieci.

Teoretycznie móg by to by realny scenariusz „samoobrony” przedsi biorstwa przed

konieczno ci obs ugi odbiorców deficytowych.

Po drugie: domy la si mo na, ze poza regulacj pozostawiono tak e mikroprzerwy

i przerwy krótkie. Bowiem czas pomi dzy zg oszeniem braku zasilania i jego przywróceniem


31

w odniesieniu do przerw o czasie trwania do trzech minut w wi kszo ci przypadków przybiera by

warto ujemn . Podobnie abstrakcyjne by oby oczekiwanie pi ciodniowego wyprzedzenia

w przypadku powiadamiania o mikroprzerwach.

Tym samym uzasadnione staje si przypuszczenie, e uwaga ustawodawcy skupiona by a

wy cznie na przerwach d ugich. Stopniowe ograniczenie dopuszczalnego czasu trwania

jednorazowej przerwy awaryjnej wskazuje wyra nie, e, zgodnie z intencja ustawodawcy, dopiero

wyst pienie przerwy katastrofalnej musi by odbiorcy odpowiednio skompensowane – tak jakby

przerwy krótsze by y mniej dotkliwe w skutkach.

Przywo ane powy ej przepisy rozporz dzenia przy czeniowego oraz rozporz dzenia

taryfowego nie zamykaj stronom kontraktu na dostaw energii elektrycznej drogi do

indywidualnego kszta towania standardów jako ciowych energii elektrycznej zgodnych ze

specyficznymi wymaganiami w tym zakresie. W umowie sprzeda y energii elektrycznej w zakresie

niezawodno ci dostawy energii elektrycznej strony mog wykorzysta definicje i ustalenia normyPN-EN 50160 - Parametry napi cia zasilaj cego w publicznych sieciach rozdzielczych. Norma ta

jest oficjalnym t umaczeniem angielskiej wersji normy europejskiej EN 50160:1994 i od roku 1998

ma status Polskiej Normy. Jej przedmiotem s mi dzy innymi definicje z zakresu ci g o ci dostaw

energii elektrycznej. W normie PN-EN 50160 przerwy w zasilaniu, zdefiniowane jako stany,

w których napi cie w z czu sieci elektroenergetycznej jest mniejsze ni 1 % deklarowanego

napi cia zasilaj cego, s sklasyfikowane w sposób nast puj cy:

1. planowe, gdy odbiorcy s wcze niej poinformowani, a ich celem jest wykonanie

zaplanowanych prac w sieciach rozdzielczych,

2. przypadkowe, spowodowane np. trwa ymi lub przemijaj cymi zwarciami, zwi zanymi g ównie

ze zdarzeniami zewn trznymi, uszkodzeniami urz dze lub zak óceniami ich pracy.

Przypadkowe przerwy norma PN-EN 50160 klasyfikuje jako:

- d ugie przerwy (d u sze ni trzy minuty), spowodowane trwa ym uszkodzeniem,

- krótkie przerwy (do trzech minut), spowodowane uszkodzeniem przemijaj cym.

Ponadto norma PN-EN 50160 podaje warto ci odniesienia (brak takich warto ci

odniesienia w rozporz dzeniu przy czeniowym):

- roczna liczba krótkich przerw w zasilaniu mie ci si w przedziale od kilkudziesi ciu do

kilkuset. Czas trwania oko o 70 % krótkich przerw w zasilaniu mo e by mniejszy ni jedna

sekunda,

- roczna cz sto wyst powania przypadkowych d ugich przerw w zasilaniu, trwaj cych

d u ej ni trzy minuty, mo e by mniejsza ni 10 lub mo e zbli a si do 50 w zale no ci

od konfiguracji i struktury sieci, skutków dzia ania osób trzecich oraz warunków

atmosferycznych na danym obszarze.

Jak wida przedmiotowa norma w znacznie lepszym stopniu odzwierciedla specyfik

zagadnienia, stanowi c tym samym lepsz podstaw do kszta towania stosunków umownych

pomi dzy dostawca i odbiorc .

Nale y przy tym podkre li , e zgodnie z rozporz dzeniem Ministra Gospodarki z dnia

14 wrze nia 1999 r. w sprawie obowi zku stosowania niektórych Polskich Norm (Dz. U. Nr 80,

poz. 911 ze zm.) norma PN-EN 50160 nie jest norm przewidzian do obowi zkowego

stosowania. W zwi zku z tym aby wspomniana norma sta a si skuteczn podstaw ukszta towania

tych stosunków musi by przytoczona w ca o ci lub w cz ci w kontrakcie zawartym pomi dzy

indywidualnym odbiorc a dostawc energii elektrycznej.

Dodatkowym sposobem skutecznie wspomagaj cy realizacj zada w zakresie ci g o ci

zasilania jest wdro enie u dostawcy energii elektrycznej, zgodnego z polsk norm PN-EN ISO 9001:2001, Systemu Zarz dzania Jako ci w zakresie zakupu, przetwarzania, przesy ania i

sprzeda y energii elektrycznej. Ci g e doskonalenie procedur takiego Systemu sprzyja


32

optymalnemu spe nieniu potrzeb i oczekiwa odbiorcy energii elektrycznej oraz nadaje ramy

czasowe wyznaczonym celom w zakresie ci g o ci dostaw energii elektrycznej.

Norma PN-EN ISO 9001:2001 okre la techniczne i inne kryteria, które mog by podstaw

ustale zawartych w umowach stron. Raporty uzyskane w ramach procedur dotycz cych

odpowiednich procesów np. procesu Technicznej Obs ugi Klienta lub procesu Obs ugi Reklamacji

pozwalaj oceni , czy wyznaczone cele z zakresu ci g o ci zasilania s realizowane w a ciwie.

Ponadto zmniejszaj ilo skarg zwi zanych z tym zagadnieniem kierowanych do Powiatowych

Rzeczników Konsumentów lub do Rzecznika Odbiorców Paliw i Energii Urz du Regulacji

Energetyki.

5. Kierunki racjonalnych rozwi za

Oczywistym oczekiwaniem wszystkich odbiorców jest dostawa bezprzerwowa. Jednak

trzeba rozró ni skutki, jakie u ró nych odbiorców generuj przerwy ró nej d ugo ci. Generalnie

nawet wielodniowa przerwa w dostawie do domku letniskowego – w okresie kiedy nie jest

u ytkowany – przechodzi niezauwa ona, natomiast nawet kilkusekundowy zanik napi cia

zasilaj cego ci g technologiczny do wyci gania tafli szklanych powoduje dyskwalifikacj znacznej

cz ci produktu. Na odr bn analiz zas uguj skutki zaników napi cia zasilaj cego

skomputeryzowane uk ady sterowania ci gami technologicznymi. Ocenia si , e straty z powodu

niedostarczenia energii elektrycznej w pa stwach UE si gaj rocznie kwoty 10 mld euro.

Dzia ania dostawców podejmowane celem zabezpieczenia odbiorców przed ryzykiem

poniesienia skutków niedostarczenia energii te stanowi ród o kosztów, w sposób naturalny

przenoszonych na odbiorców. Z uwagi na zró nicowanie wra liwo ci odbiorców na ró ne formy

potencjalnych zak óce szczególnego znaczenia nabiera wi c problem ograniczania ich

wzajemnego subsydiowania, tj. nie przenoszenia na wszystkich odbiorców skutków dzia a

niezb dnych z punktu widzenia jedynie niektórych. Tym samym tytu owa teza nie powinna mie

charakteru normy absolutnie obowi zuj cej - przeciwnie, zasadne jest pytanie o racjonalne granice

tego obowi zku.

Rozwi zanie tej „kwadratury ko a” wymaga przede wszystkim uporz dkowania zasad

obowi zuj cego prawa.

W pierwszej kolejno ci nale y uszczegó owi podstawy prawne kszta towania „ceny

jako ci” dostarczanej energii, b d ca przedmiotem rozporz dze „przy czeniowego”

i „taryfowego”. Bowiem wybiórcze bonifikowanie wybranych jedynie przejawów przerw

w zasilaniu utrudnia kszta towanie racjonalnych zachowa zarówno dostawców jak i odbiorców.

Bezwzgl dnego uregulowania wymaga równie status przerw planowych, których

dopuszczalna liczba i czas trwania powinny podlega regulacji analogicznej jak przerw awaryjnych.

Ponadto, niezb dnym wydaje si dost p do informacji, których przygotowanie i publikacja

powinna by obowi zkiem dostawców, wynikaj cym z przepisów prawa.

Podstaw do oceny poziomu zagro enia mikroprzerwami – niezb dnej dla odbiorców

podejmuj cych dzia ania celem zabezpieczenia si przed ich skutkami – powinna by obowi zkowa

publikacja przez dostawców aktualnych statystyk takich zdarze .

Podobnie, na podstawie publicznie dost pnych statystyk, odbiorca powinien mie

mo liwo oceny poziomu zagro enia przerwami d ugimi i katastrofalnymi, których skutki mog

by kompensowane poprzez system ubezpiecze lub stosown rozbudow uk adów sieciowych

b d w asnych róde rezerwowych.


33

Wymiarowanie przewodu neutralnego

dr in . Andrzej Wójciak Politechnika Warszawska

Wydzia Elektryczny

Streszczenie. Wraz z rozwojem elektroniki u ytkowej przybywa odbiorników energii elektrycznej

o charakterystykach nieliniowych. Zmienia to warunki obci enia przewodów sieci

elektroenergetycznej. W systemach trójfazowych utrudniona jest kompensacja pr dów. Poni ej

przedstawione b d przyczyny i skutki tych zjawisk, które sk aniaj do zmiany pogl dów na

wymiarowanie przewodów. W szczególno ci dotyczy to przewodu neutralnego.

1. Odbiorniki liniowe i nieliniowe

Odbiorniki liniowe charakteryzuj si sta warto ci oporu widzianego od strony sieci

zasilaj cej. Przyk adami odbiorników liniowych s : arówka, bojler (por. rys. 1), kuchnia

elektryczna, piecyk olejowy, silnik elektryczny, elazko itp. Pobieraj one z sieci pr dy

sinusoidalne.

Rys. 1 Napi cie i pr d bojlera.

Charakterystyka pr dowo-napi ciowa takiego odbiornika ma posta odcinka linii prostej,

ko a lub elipsy. Dla odbiorników typu R jest to linia prosta, której nachylenie jest miar oporu.

Rys. 2 Charakterystyka i=f(u) bojlera.

W przypadku odbiornika nieliniowego opór widziany od strony sieci zasilaj cej zmienia si

w ci gu jednego okresu. Przyk adami odbiorników nieliniowych s : wietlówka zwyk a lub

kompaktowa, prostownik buforowy, prostownik do adowania akumulatora telefonu komórkowego


34

lub wiertarki przeno nej, ciemniacz, komputer PC, telewizor itp. Pobieraj one z sieci pr dy

niesinusoidalne - odkszta cone. Cz sto s to pr dy o charakterze impulsowym.

Rys. 3 Napi cie i pr d prostownika buforowego.

Rys. 4 Charakterystyka i=f(u) prostownika buforowego.

Rys. 5 Napi cie i pr d komputera PC.

Rys. 6 Charakterystyka i=f(u) komputera PC.

Charakterystyka pr dowo-napi ciowa odbiornika nieliniowego ma posta linii nieregularnej.


35

2. Obci enie przewodów przez pr dy odkszta cone

Pr d, który p ynie jedynie przez cz pó okresu, nie ma kszta tu sinusoidalnego lecz

nabiera cech impulsu (rys.7).Jest to pr d odkszta cony. Zak adaj c równo przenoszonych

adunków (albo inaczej jednakowe warto ci tzw. redniej wyprostowanej) zauwa ymy, e im

w sze s impulsy pr du w ka dym pó okresie, tym wi ksz musz mie amplitud . Na przyk ad na

rysunku 7 pr d I2 (odkszta cony) ma amplitud dwa razy wi ksz ni pr d I1 (sinusoidalny).

Rys. 7 Pr d sinusoidalny i pr d impulsowy.

Przy przep ywie pr du przez przewody wyst puj spadki chwilowej warto ci napi cia oraz

straty mocy. Zak adaj c w przybli eniu sta warto oporu zast pczego sieci mo na przyj , e

spadki napi cia s proporcjonalne do chwilowych warto ci nat enia pr du. Spadki napi cia

powoduj zniekszta cenia napi cia zasilaj cego inne odbiorniki przy czone do tej samej sieci.

Straty mocy s proporcjonalne do drugiej pot gi nat enia pr du (rys. 8). W naszym przyk adzie

amplituda strat (P2) powodowanych przez pr d odkszta cony jest 4-rokrotnie wi ksza ni amplituda

strat (P1) powodowanych przez pr d sinusoidalny. Nawet uwzgl dniaj c krótszy czas

wyst powania strat stwierdzamy, e ich warto skuteczna (P2rms) jest znacznie wi ksza ni

(P1rms) przy równowa nym pr dzie sinusoidalnym.

Rys. 8 Porównanie mocy strat.

Energia strat przekszta ca si w ciep o i powoduje nagrzewanie si przewodów. Wobec tego

pr dy odkszta cone powoduj silniejsze nagrzewanie si przewodów ni pr dy sinusoidalne.

Ró nica jest tym wi ksza, im bardziej „impulsowy” jest charakter pr du odkszta conego.


36

3. Kompensacja w systemie trójfazowym

W systemie trójfazowym, przy równomiernym rozk adzie obci e liniowych, pr d p yn cy

w jednym przewodzie fazowym zamyka si przez pozosta e przewody fazowe. Nast puje pe na

kompensacja pr dów fazowych i nat enie pr du w przewodzie neutralnym jest równe zeru. Przy

nierównomiernym rozk adzie obci e liniowych kompensacja nie jest pe na i w przewodzie

neutralnym p ynie dodatkowa sk adowa pr du. W niekorzystnym przypadku nat enie tego pr du

mo e by równe nat eniu w przewodzie fazowym.

Przy obci eniu sieci odbiornikami nieliniowymi warunki s zupe nie odmienne. Na

przyk ad przy zasilaniu komputerów impulsowe pr dy fazowe (rys. 9) nie mog si zamyka przez

pozosta e fazy, poniewa w tym samym czasie pr d w nich nie p ynie.

Rys. 9 Pr dy w przewodach fazowych przy obci eniu sieci komputerami.

Kompensacja pr dów fazowych nie wyst puje. Drog powrotn dla wszystkich impulsów

pr dów fazowych stanowi tylko przewód neutralny (rys. 10). Jest on zatem 3-krotnie bardziej

obci ony ni przewody fazowe, nawet przy równomiernym rozk adzie obci e na wszystkie fazy.

Rys. 10 Pr d w przewodzie neutralnym przy obci eniu komputerami.

Podobn sytuacj powoduje stosowanie lamp o wietleniowych zaopatrzonych w

ciemniacze. K ty w czenia ciemniaczy s ustawiane zale nie od woli u ytkowników.

Niezale nie od tego ciemniacze s sterowane fazowo i zwykle pobieraj z sieci pr dy odkszta cone

(rys. 11).


37

Rys. 11 Pr dy w przewodach fazowych przy stosowaniu ciemniaczy.

W takim przypadku kompensacja jest utrudniona i nat enie pr du w przewodzie

neutralnym bywa cz sto ok. 1,5-krotnie wi ksze ni w przewodach fazowych (por. rys. 12).

Rys. 12 Pr d w przewodzie neutralnym przy stosowaniu ciemniaczy.

Przy sprawdzaniu obci enia przewodów przez pomiary, trzeba pami ta o tym, e

popularne tanie mierniki cyfrowe podaj zwykle prawid owe warto ci skuteczne tylko przy pr dach

sinusoidalnych. W przypadku pr du odkszta conego nale y u ywa znacznie dro szych przyrz dów

podaj cych tzw. prawdziw warto skuteczn (True-RMS).

4. Podsumowanie

Mamy ju w sieci wiele rodzajów odbiorników nieliniowych. Wszystkie oddzia uj na sie

negatywnie. Jest ich te coraz wi cej. Tej tendencji ilo ciowego wzrostu nie da si zahamowa .

B dzie wi c wzrasta o obci enie sieci pr dami odkszta conymi.

Negatywnym skutkom tego obci enia trzeba przeciwdzia a przystosowuj c sie do nowej

sytuacji. Oznacza to potrzeb zwi kszania przekroju przewodów. Dotyczy to przewodów fazowych,

lecz w jeszcze wi kszym stopniu przewodów neutralnych.

5. Literatura

[1] Faßbinder St.: „Netzstörungen durch passive und aktive Bauelemente (Zak ócenia w sieci

wprowadzane przez elementy bierne i czynne)”, VDE Verlag, Offenbach, 2001.

[2] PN-IEC 60364-5-523 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i monta

wyposa enia elektrycznego. Obci alno pr dowa d ugotrwa a przewodów.

[3] Siemek St.: Instalacje elektryczne do zasilania urz dze elektronicznych. COSiW SEP 2002.


38


39

Problemy wymiarowania i koordynacjizabezpiecze w instalacjach elektrycznych

mgr in . Andrzej Boczkowski Stowarzyszenie Elektryków Polskich

Sekcja Instalacji i Urz dze Elektrycznych

Przewody cz ce odbiorniki energii elektrycznej z ród em zasilania powinny by

zabezpieczone przed skutkami przeci e i zwar przez urz dzenia zabezpieczaj ce, samoczynnie

wy czaj ce zasilanie w przypadku przeci enia lub zwarcia.

Rozró nia si trzy rodzaje urz dze zabezpieczaj cych:

urz dzenia zabezpieczaj ce jednocze nie przed pr dem przeci eniowym i przed pr dem

zwarciowym (zabezpieczenia przeci eniowo-zwarciowe). Tego rodzaju urz dzeniami

mog by :

wy czniki wyposa one w wyzwalacze przeci eniowe termobimetalowe i wyzwalacze

zwarciowe elektromagnetyczne,

wy czniki wspó pracuj ce z bezpiecznikami topikowymi,

bezpieczniki topikowe ogólnego przeznaczenia z pe nozakresow charakterystyk

wy czania,

wy czniki wyposa one w wyzwalacze przeci eniowe i dobezpieczeniowe wk adki

topikowe.

urz dzenia zabezpieczaj ce tylko przed pr dem przeci eniowym (zabezpieczenia

przeci eniowe). Tego rodzaju urz dzeniami mog by :

wy czniki wyposa one w wyzwalacze przeci eniowe termobimetalowe,


wy czania,

urz dzenia zabezpieczaj ce tylko przed pr dem zwarciowym (zabezpieczenia zwarciowe).

Tego rodzaju urz dzeniami mog by :

wy czniki wyposa one w wyzwalacze zwarciowe elektromagnetyczne,


wy czania,

wk adki topikowe dobezpieczeniowe z niepe nozakresow charakterystyk wy czania.

Zabezpieczenia przeci eniowe

Zabezpieczenia przeci eniowe powinny by tak dobrane, aby wy czenie zasilania

(przerwanie pr du przeci eniowego) nast pi o zanim wyst pi niebezpiecze stwo uszkodzenia

izolacji, po cze , zacisków lub otoczenia na skutek nadmiernego wzrostu temperatury.

Zabezpieczenie przeci eniowe przewodów powinno spe nia nast puj ce warunki:

znB III

z2 I45,1I

gdzie:

IB pr d obliczeniowy w obwodzie elektrycznym (pr d obci enie przewodów),

Iz obci alno pr dowa d ugotrwa a przewodu,


40

In pr d znamionowy urz dze zabezpieczaj cych (lub nastawiony pr d urz dze

zabezpieczaj cych),

I2 pr d zadzia ania urz dze zabezpieczaj cych.

Pr d zadzia ania urz dze zabezpieczaj cych I2 nale y okre la jako krotno pr du

znamionowego In wy cznika lub bezpiecznika wed ug zale no ci:

n22 IkI

gdzie:

k2 wspó czynnik krotno ci pr du powoduj cego zadzia anie urz dzenia

zabezpieczaj cego przyjmowany jako równy:

1,6 2,1 dla wk adek bezpiecznikowych,

1,45 dla wy czników nadpr dowych o charakterystyce B, C i D.

Mniejsza warto wspó czynnika k2 dla wy czników w stosunku do bezpieczników oznacza, e

wy czniki maj lepiej dopasowane charakterystyki czasowo-pr dowe do zabezpieczania

przewodów przed przeci eniem, co pozwala na stosowanie przewodów o mniejszej obci alno ci

pr dowej d ugotrwa ej, a wi c o mniejszym przekroju, przy zabezpieczaniu ich wy cznikami

nadpr dowymi.

Zabezpieczenia przeci eniowe powinny by zainstalowane przed punktem, w którym

nast puje:

- zmiana przekroju przewodów na mniejszy,

- zmiana rodzaju przewodów na przewody o mniejszej obci alno ci pr dowej

d ugotrwa ej,

- zmiana sposobu u o enia przewodów lub budowy instalacji, pogarszaj ca warunki

ch odzenia.

Zabezpieczenia przed pr dem przeci eniowym nie s wymagane w nast puj cych

przypadkach:

- przewody znajduj ce si za miejscem zmniejszenia obci alno ci pr dowej d ugotrwa ej

(zmiana przekroju, rodzaju, sposobu u o enia przewodów lub budowy instalacji)

przewodów s skutecznie zabezpieczone od strony zasilania przed pr dem

przeci eniowym,

- w przewodach nie przewiduje si wyst powania pr dów przeci eniowych, a przewody te

nie maj adnych rozga zie , przy czonych gniazd wtyczkowych i s skutecznie

zabezpieczone przed zwarciami,

- w miejscach zmiany przekroju, rodzaju, sposobu u o enia przewodów lub budowy

instalacji powoduj cych zmniejszenie obci alno ci pr dowej d ugotrwa ej przewodów,

je eli d ugo przewodów nie przekracza 3 m i nie maj one rozga zie , przy czonych

gniazd wtyczkowych i nie znajduj si w pobli u materia ów atwopalnych, a wykonanie

instalacji ogranicza do minimum powstanie zwarcia.

Zabezpieczenia zwarciowe

Zabezpieczenia zwarciowe powinny by tak dobrane, aby wy czenie zasilania (przerwanie

pr du zwarciowego) nast pi o zanim wyst pi niebezpiecze stwo uszkodze cieplnych i

mechanicznych w przewodach lub ich po czeniach.

Przewidywana (spodziewana) warto pr du zwarciowego w miejscu instalowania

zabezpiecze powinna by okre lona metodami obliczeniowymi lub za pomoc pomiarów.


41

Zabezpieczenie zwarciowe powinno mie zdolno do przerywania pr du zwarciowego

o warto ci wi kszej od przewidywanego (spodziewanego) pr du zwarciowego.

Dopuszcza si , aby ta zdolno by a mniejsza, ale tylko w tym przypadku gdy:

- od strony zasilania znajduje si inne zabezpieczenie zwarciowe, o wystarczaj cej

zdolno ci przerywania pr du zwarciowego,

- przewody i urz dzenia za tym zabezpieczeniem wytrzymuj przep yw przewidywanego

(spodziewanego) pr du zwarciowego bez uszkodze (energia przenoszona przez

urz dzenia zabezpieczaj ce, powinna by mniejsza od energii, jak mog wytrzyma bez

uszkodzenia urz dzenia i przewody znajduj ce si za danym urz dzeniem

zabezpieczaj cym, patrz c od strony zasilania).

Czas przep ywu pr du zwarciowego powinien by taki, aby temperatura przewodów nie

przekroczy a warto ci dopuszczalnej temperatury granicznej, jak mog osi gn przewody przy

zwarciu. Dla pr dów zwarciowych o czasie trwania nie przekraczaj cym 5 s, czas potrzebny do

podwy szenia temperatury przewodu od temperatury dopuszczalnej d ugotrwale do temperatury

granicznej dopuszczalnej przy zwarciu, mo na w przybli eniu obliczy ze wzoru:

2)I

Sk(t

gdzie:

t czas w sekundach,

S przekrój przewodu w mm2,

I warto skuteczna pr du zwarciowego w A,

k wspó czynnik o warto ci:

135 dla przewodów Cu z izolacj z gumy, butylenu, polietylenu

usieciowanego lub etylenu-propylenu,

115 dla przewodów Cu z izolacj z PVC,

87 dla przewodów Al z izolacj z gumy, butylenu, polietylenu usieciowanego

lub etylenu-propylenu,

74 dla przewodów Al z izolacj z PVC.

W przypadku bardzo krótkich czasów, mniejszych od 0,1 s, przy których du e znaczenie ma

sk adowa nieokresowa oraz dla urz dze ograniczaj cych warto pr du, iloczyn k2s2 powinien

mie warto wi ksz od warto ci energii I2t , któr wed ug producenta mo e przenie urz dzenie

zabezpieczaj ce.

Zabezpieczenia zwarciowe powinny by zainstalowane przed punktem, w którym nast puje:

- zmiana przekroju przewodów na mniejszy,

- zmiana rodzaju przewodów na przewody o mniejszej obci alno ci pr dowej

d ugotrwa ej,

- zmiana sposobu u o enia przewodów lub budowy instalacji, pogarszaj ca warunki

ch odzenia.

Dopuszcza si inne usytuowanie zabezpiecze zwarciowych w dwu nast puj cych

przypadkach:

- gdy przewody znajduj ce si za miejscem obni enia obci alno ci pr dowej d ugotrwa ej

s skutecznie chronione przez inne, usytuowanie bli ej zasilania, zabezpieczenie

zwarciowe,

- gdy po zmianie przekroju przewodów spe nione s trzy nast puj ce warunki:

odcinek oprzewodowania o mniejszym przekroju ma d ugo nie przekraczaj c 3 m,

odcinek jest wykonany w sposób ograniczaj cy do minimum powstanie zwarcia (np.

przez dodatkowe zabezpieczenie przewodów przed wp ywami zewn trznymi),

odcinek nie znajduje si w pobli u materia ów atwopalnych.


42

Zabezpieczenia przeci eniowo-zwarciowe

Zabezpieczenia przeci eniowo-zwarciowe mog by wykonane dwoma sposobami:

przez wspólne urz dzenie. Je eli zabezpieczenie przed pr dem przeci eniowym ma zdolno

przerywania przep ywu pr du o warto ci nie mniejszej od warto ci spodziewanego pr du

zwarciowego, mog cego wyst pi w miejscu wymaganego zainstalowania zabezpieczenia

zwarciowego, to mo e by ono traktowane jako zabezpieczenie przed pr dem zwarciowym

przewodów znajduj cych si za tym zabezpieczeniem, patrz c od strony zasilania,

przez osobne urz dzenia. Wymagania dotycz ce zabezpiecze przeci eniowych i zabezpiecze

zwarciowych powinny mie tak skoordynowane charakterystyki, aby energia przenoszona przez

zabezpieczenie zwarciowe, by a nie wi ksza od energii, któr mo e bez uszkodzenia przenie

zabezpieczenie przeci eniowe.

Zabezpieczenia przewodów fazowych

Zabezpieczenie przed pr dem przet eniowym powinno by stosowane we wszystkich

przewodach fazowych i w zasadzie powinno przerywa pr d tylko w przewodzie, w którym

przet enie wyst pi o.

Przerywanie pr du we wszystkich fazach jest wymagane w przypadkach, gdy przerwa pr du

w jednym przewodzie mo e spowodowa powstanie zagro enia, np. w przypadku silników

trójfazowych.

Zabezpieczenie przewodu neutralnego N w uk adzie sieci TT i TN

Je eli przekrój przewodu neutralnego N jest co najmniej równy lub równowa ny

przekrojowi przewodów fazowych, nie wymaga si stosowania w tym przewodzie zabezpiecze

przet eniowych i wyposa ania go w urz dzenia do przerywania przep ywu pr du.

Je eli przekrój przewodu neutralnego N jest mniejszy ni przekrój przewodów fazowych,

wymagane jest zastosowanie w tym przewodzie zabezpieczenia przet eniowego, odpowiedniego

do jego przekroju. W przewodzie neutralnym mo na nie stosowa zabezpiecze przet eniowych,

je eli s spe nione dwa warunki:

- przewód neutralny jest zabezpieczony przed pr dem zwarciowym przez zabezpieczenia

usytuowane w przewodach fazowych,

- najwi ksza warto pr du w przewodzie neutralnym przewidywana w normalnych

warunkach pracy, jest wyra nie mniejsza od obci alno ci pr dowej d ugotrwa ej dla tego

przewodu.

Roz czanie i za czanie przewodu neutralnego

Je eli przewiduje si roz czanie i za czanie przewodu neutralnego, to roz czanie

przewodu neutralnego nie powinno nast powa wcze niej ni przewodów fazowych, a za czanie

przewodu neutralnego powinno nast powa jednocze nie lub wcze niej ni przewodów fazowych.


43

Selektywno (wybiórczo ) zabezpiecze

Urz dzenia zabezpieczaj ce powinny dzia a w sposób selektywny (wybiórczy), to znaczy

w przypadku zak óce wywo uj cych przet enie powinno dzia a tylko jedno zabezpieczenie,

zainstalowane najbli ej miejsca uszkodzenia w kierunku ród a zasilania. Dzia anie

zabezpieczenia powinno spowodowa wy czenie uszkodzonego odbiornika lub obwodu,

zachowuj c ci g o zasilania odbiorników i obwodów nieuszkodzonych.

Zabezpieczenia przet eniowe dzia aj selektywnie (wybiórczo), je eli ich pasmowe

charakterystyki czasowo-pr dowe nie przecinaj si ani nie maj wspólnych obszarów dzia ania.

Literatura

[1] Boczkowski A., Siemek S., Wiaderek B.: Nowoczesne elementy zabezpiecze i rodki

ochrony przeciwpora eniowej. Wskazówki do projektowania i monta u. Warszawa COBR

„Elektromonta ” 1992.

[2] G sowski H., Jab o ski W., Niest pski S., Wolski A.: Komentarz do normy PN-IEC 60364

„Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych”. Tom 1. Warszawa, COSIW SEP, 2001.

[3] Markiewicz H.: Instalacje elektryczne. Wydanie IV. Warszawa, WNT 2002.

[4] Instalacje elektryczne i teletechniczne. Poradnik montera i in yniera elektryka. Warszawa,

Verlag Dashöfer.

[5] Modernizacja instalacji elektrycznych w budownictwie mieszkaniowym. Wytyczne

projektowania. Wroc aw, PCPM 2002.

[6] PN-IEC 60364-4-43:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla

zapewnienia bezpiecze stwa. Ochrona przed pr dem przet eniowym.


zapewnienia bezpiecze stwa. Stosowanie rodków ochrony zapewniaj cych bezpiecze stwo.

rodki ochrony przed pr dem przet eniowym.

[8] PN-IEC 60364-5-523:2001 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych.

Dobór i monta wyposa enia elektrycznego. Obci alno pr dowa d ugotrwa a przewodów.

[9] N SEP-E-002 Norma SEP. Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Instalacje

elektryczne w budynkach mieszkalnych. Podstawy planowania.

[10] Rozporz dzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002r., w sprawie warunków

technicznych, jakim powinny odpowiada budynki i ich usytuowanie (Dz. U. nr 75

z 2002r., poz. 690).


44


45

Przepi cia: przyczyny, skutki i sposoby ich ograniczania

prof. dr hab. in . Zdobys aw Flisowski Politechnika Warszawska

1. Rodzaje i skutki wyst powania przepi

Przepi cie Upm jest to przej ciowy wzrost napi cia w urz dzeniu elektrycznym ponad jego

najwy sze napi cie robocze Urm. Miar przepi jest wspó czynnik

rm

pmp

U

Uk (1.1)

Zagro enie przepi ciowe to mo liwo uszkodzenia lub zak ócenia pracy urz dzenia w

rodowisku elektromagnetycznym pochodzenia zewn trznego lub wewn trznego.

Przepi cia zewn trzne to: przepi cia atmosferyczne bezpo rednie i indukowane (LEMP –

lightning electromagnetic impulse) [12], przepi cia powodowane przez wybuchy nuklearne (NEMP

- nuclear electromagnetic impulse) i przez elektryczno statyczn .

Przepi cia wewn trzne to: przepi cia dorywcze (wolnozmienne), a w tym ziemnozwarciowe

trwa e, dynamiczne i rezonansowe, oraz przepi cia czeniowe (szybkozmienne), a w tym

manewrowe (wy czanie pr dów zwarciowych i pojemno ciowych oraz ma ych pr dów

indukcyjnych) i awaryjne (ziemnozwarciowe z ukiem przerywanym).

Przepi cia mog powodowa uszkodzenie izolacji linii, stacji i urz dze elektrycznych

w cznie z po arami i pora eniami oraz mog wywo ywa zak ócenia w pracy urz dze

elektrycznych i elektronicznych w cznie z awaryjnym ich wy czeniem. Skutki te zale od

warto ci szczytowej, cz sto ci wyst powania i czasu trwania przepi , od rodzaju i charakteru

obiektu oraz od odporno ci na przepi cia jego urz dze .

Do najgro niejszych, a wiec i najistotniejszych nale przepi cia atmosferyczne

bezpo rednie - z uwagi na ich warto , przepi cia atmosferyczne indukowane - z uwagi na ich

cz sto i przepi cia dorywcze - z uwagi na ich czas trwania.

Na oddzia ywanie przepi s nara one linie i stacje elektroenergetyczne, linie i urz dzenia

telekomunikacyjne i informatyczne, instalacje i urz dzenia wewn trzne oraz napowietrzne

urz dzenia techniczne i technologiczne. Bezpo rednim skutkiem ich nara e mo e by uszkodzenie

urz dze z izolacj nie regeneruj c si , zak ócenie pracy urz dze z izolacj samoregeneruj c si

i czasowe lub d ugotrwa e wy czenie urz dze z pracy. Statystyka awarii urz dze technicznych

ujawnia, e ponad 20 % to szkody przepi ciowe, g ównie atmosferyczne, a gros z nich to szkody

powodowane wy adowaniami pobliskimi (275 razy cz ciej ni bezpo rednimi) [13]. Przepi cia

mog by indukowane nawet z kilkunastu km. Np. przy odleg o ci 14 km i pr dzie 60 kA, napi cie

indukowane mo e mie poziom 1 kV. Na 180 wy adowa , oddalonych do 10 km, 12 powodowa o

napi cie wi ksze ni 0,5 kV.

W referacie rozwa a si przyczyny i mechanizmy powstawania najistotniejszych przepi

oraz wybrane metody i rodki ochrony przepi ciowej urz dze . Ze wzgl du na ograniczon

obj to referatu zasadnicz uwag zwrócono na urz dzenia wysokiego napi cia, chocia szereg

zagadnie dotyczy równie urz dze niskiego napi cia.


46

2. Przepi cia piorunowe

O warto ci i przebiegu przepi piorunowych decyduj parametry wy adowania

piorunowego [5], [11], [12] i rozpatrywanego uk adu urz dze . W analizie przepi rozpatruje si

ró ne przypadki wy adowa bezpo rednich w lini (przepi cia bezpo rednie) i przypadek

wy adowa pobliskich (przepi cia indukowane w liniach lub p tlach instalacji).

Przepi cia bezpo rednie w liniach. W zale no ci od uk adu i miejsca trafienia piorunu o pr dzie

IL wyró nia si :

- trafienie w lini z jednym przewodem,

- trafienie w jeden z dwu przewodów równoleg ych,

- trafienie w wierzcho ek s upa bez przewodu odgromowego,

- trafienie w wierzcho ek s upa z przewodem odgromowym.

W pierwszym przypadku otrzymuje si napi cie

LIZ5,0U (2.1)

Z – impedancja falowa linii. Przyk ad: Z = 400 i IL = 30 kA, U = 6 MV (wytrzyma o izolacji

jest znacznie mniejsza).

W drugim przypadku przy h >> a i wspó czynniku sprz enia przewodów

rlnh2ln

alnh2ln

Z

Zk

1

12 (2.2)

otrzymuje si

r

alnI30U L12 (2.3)

h – wysoko trafionego przewodu, r – promie trafionego przewodu, Z1 – jego impedancja, a –

odst p mi dzy przewodami, Z12 - impedancja wzajemna obu przewodów.

W trzecim przypadku, do chwili przeskoku, napi cie wierzcho ka s upa

dt

diLIRU

p

spsW (2.4)

a po przeskoku odwrotnym

L1L

s1

s1 IZ2,0IZ2Z

ZZU (2.5)

Z1 – impedancja falowa przewodu, ZS – impedancja falowa s upa.

W czwartym przypadku nast puje podzia pr du

IL = IS + 2 I1 (2.6)

p

s1

1s I

Z2Z

ZI oraz p

s1

s1 I

Z2Z

ZI (2.7)

IS – pr d w s upie, I1 – pr d w przewodzie odgromowym. W praktyce, Is = 0,6Ip oraz I1 = 0,2Ip.

Napi cie wierzcho ka s upa (liczone metod eliminacji impedancji falowej, bez uwzgl dniania

obecno ci s siednich s upów) wyra a si zale no ci

max

ssssw

dt

diLIRU (2.8)


47

a napi cie na izolacji

max

ssss

'2

'112

dt

diLIR)k1(UUU (2.9)

k - wspó czynnik sprz enia (2.2); Rs, Ls - rezystancja uziemienia i indukcyjno s upa;

Ls = Zsls/v; is = 0,6 iL; v - pr dko fali w s upie, ls - jego d ugo .

Warto Rs > Rkrytycznej oznacza przeskok odwrotny.

Przepi cia indukowane w liniach. Ich ród em s wy adowaniach wyst puj ce w odleg o ci

d > 3h (rys. 2.1a). Oblicza si je wychodz c z potencja ów opó nionych:

a) skalarnego w p. P: dza

)c/at(q

4

1

o

(2.10)

b) wektorowego w p. P: dza

)c/at(i

4A o (2.11)

przy czym: q - liniowa g sto adunku, i = qv - pr d w kanale, c - pr dko fali w powietrzu, v -

pr dko fali w kanale, o i o - przenikalno ci;

hP

d

Z

d)

U

IL

Ez

U

z

dz

321

0

123

Ex

x

y

K

U

0 21 3 4 5

t

[ s]

b)

0 1 2 3Umax

0

Rys. 2.1 Oddzia ywanie kana u wy adowania K na lini

a) szkic sytuacyjny b) napi cie indukowane u = f(t) w p. 0, 1, 2, 3.

Sk adowa pionowa nat enia pola elektrycznego pod lini wynika ze wzoru:

t

A

zEz (2.12)

d

I30

d4

I

d

IZE L

o

oLLz (2.13)

St d napi cie indukowane

d

hI30hEU L

z (2.14)

W bardziej dok adnej analizie przepi indukowanych stosuje si zale no

u(x,t) = ui(x,t) + ux(x,t) (2.15)

w której: ui(x,t) - napi cie wymuszone przez sk adow Ez(x,h,t); ux(x,t) - napi cie zwi zane

z reakcj linii - sk adow Ex(x,h,t). W punkcie 0 (rys. 2.1a) napi cie u osi ga warto :


48

)dlnkdlnkkexp(ik)d(U 5510pumax (2.16)

przy czym:

6,0

4u

h

41033,3)8,0T(1875,01

10

hk (2.17)

2

tT

3f

;)/2ln(

td ; T

2exp ; k0, k1 i k5 = f(tf, td) (2.18)

tf - czas trwania czo a, td - czas do pó szczytu na grzbiecie, T, - sta e czasowe czo a i grzbietu fali,

- wspó czynnik korekcji amplitudy fali. Warto ci liczbowe podano w tabl. 2.1

Tablica 2.1 Warto ci liczbowe parametrów wyst puj cych w zale no ciach (2.16) (2.18).

L.p. tf [ s] td [ s] T [ s] [ s] k0 k1 k5

1 0,50 20,78 0,047 28,854 5,558 -0,909 -7,334E-05

2 5,01 27,52 1,540 28,854 2,412 -0,284 -9,986 E-05

3 0,50 100,75 0,021 144,270 5,397 -0,868 8,461 E-05

4 5,00 107,51 0,664 144,270 3,614 -0,502 -9,176 E-05

Zale no u = f(t), przy tf = 5 s jest zilustrowana na rys. 2.1b. Natomiast zale no Umax = f(d),

wg wzoru (2.16), przy IL = 1 kA, h = 8 m, tf = 5 s i tf = 0,5 s oraz wg wzoru (2.14) zosta a

zilustrowana na rys. 2.2.

200

10

5

1

0,5

0,3

20 50 100 500 1000

1

2

3

kV

U max

md

Rys. 2.2 Zale no Umax = f(d), przy h = 8 m, ip = 1 kA: 1 - tf = 0,5 s, 2 - tf = 5 s, 3 – Umax wg wzoru (2.14).

Najwi ksza warto Umax wyst puje najbli ej kana u piorunu (p. 0). Warto ci w innych

punktach s efektem propagacji fali. Ze wzrostem tf maleje Umax. Wyd u enie czasu do pó szczytu

td z 27 s do 63 s zwi ksza napi cie o ok. 10 - 20 %. Zmniejszenie h z 8 do 6 m redukuje napi cie

o ok. 10 - 20 %.


49

Przepi cia indukowane w p tlach instalacji wewn trznych (rys. 2. 3).

K

idi/dt l

r

a b

Rys. 2.3 Uk ad kana u K i p tli b l.

Przy za o eniu niesko czenie d ugiego kana u relacje s proste. Maj one posta

dt

diMU (2.19)

a

balM ln2,0 (2.20)

Kana mo na traktowa z niewielkim b dem jako niesko czenie d ugi, je eli przewy sza on

p tl nie mniej ni 25 m. W przypadku ograniczonej d ugo ci kana u i bardziej skomplikowanych

p tli, a tak e przy uderzeniu piorunu w urz dzenie piorunochronne, niezb dna jest modyfikacja

wzoru (2.20) i stosowanie programów komputerowych.

3. Przepi cia wewn trzne

Jak ju wspomniano, do najbardziej istotnych nale przepi cia dorywcze

ziemnozwarciowe. W uk adach najwy szych napi znaczenia nabieraj te przepi cia czeniowe,

których przyk adem mog by przepi cia powstaj ce przy wy czaniu nieobci onych

transformatorów (ma ych pr dów indukcyjnych).

Przepi cia dorywcze. Warto ich (rys. 3.1a) zale y od skuteczno ci uziemienia punktu

neutralnego sieci [1], a w tym od parametrów obwodu dla sk adowych: R0, X0, X1 (rys. 3.1b), tj. od

wspó czynnika zwarcia doziemnego kz (lub wspó czynnika uziemienia sieci ku).

2

4

6

0

2 4 60 8

8

kz=1 ,7R0/X1kz=1 ,6

kz=1 ,4

kz=1 ,5

X0/X1

R1/X1=0,5

kz=1 ,5

kz=1 ,3kz=1 ,2

1 f Tl

a) b)

t

ULz

UL0

Rys. 3.1 Charakterystyka: a) napi cia przed i po zwarciu, b) zale no kz = f(R0, X1, X0).

Zale no ci te maj posta

LLuLozLz UkUkU (3.1)


50

3kk uz (3.2)

przy czym: ULz - napi cie fazy zdrowej podczas zwarcia, ULo - napi cie tej samej fazie przed

zwarciem, ULL = 3 ULo - napi cie mi dzyfazowe przed zwarciem.

Przyk ad:gdy R0/X1 < 2 i X0/X1 < 3, a R1/X1 = 1, to kz < 1,3 i ku < 0,75. Przy braku skutecznego

uziemienia sieci ku = 1, a kz = 1,73

Przepi cia czeniowe. Przy czeniu obwodów interesuj ce s napi cia powrotne na

cznikach. Przy wy czaniu transformatorów nieobci onych (rys. 3.2a) nast puje przerwanie

pr du z wyprzedzeniem o k t (rys. 3.2b) jego przej cia przez zero. W chwili przerwania pr du

jego warto i = Imsin przy napi ciu u = Umcos .

Rys. 3.2 Obraz: a) transformatora, b) przebiegu pr du, c) przebiegi napi cia powrotnego.

Po przerwaniu pr du sk adowa napi cia od strony transformatora (rys. 3.3a) ma warto

22m

22m

T

Tm0'1 cosUsinI

C

LU (3.3)

Uwzgl dniaj c sk adow od strony zasilania otrzymuje si napi cia powrotne:

tT

T

TmTm

m0'110'11

Te)tsinC

LsinItcoscosU(

)tcos(U)t(U)t(U)t(U

(3.4)

T

TT

R2

L;

TT

TCL

1 i warunek wy czenia transformatora:

dt

dU

dt

dU z'11 ,

przy czym Uz – wytrzyma o powrotna przerwy po ukowej.

4. Ograniczanie przepi

Zagro enie przepi ciowe urz dze elektrycznych i elektroenergetycznych zale y od ich

odporno ci na przepi cia i od poziomu wyst puj cych przepi . Zbyt du e zagro enie mo na

zredukowa do dopuszczalnego poziomu, stosuj c odpowiednie rodki ochrony. Mo na je podzieli

na rodki zapobiegaj ce powstawaniu przepi i rodki s u ce ich ograniczaniu.

Podobnie jak skutki oddzia ywania przepi tak i rodki ich ograniczania zale od rodzaju

chronionych urz dze i od rodzaju oddzia uj cych na nie przepi . W ród chronionych urz dze

nale y wyró ni linie i stacje elektroenergetyczne z ich urz dzeniami i wyposa eniem kontrolno-

pomiarowym oraz instalacje elektryczne i urz dzenia elektroniczne obiektów budowlanych

z wprowadzanymi liniami.


51

Podstawowym zabiegiem s u cym optymalnej ochronie urz dze jest skoordynowanie ich

odporno ci na ró ne rodzaje przepi ze statystycznymi lub racjonalnie ograniczonymi nara eniami

przepi ciowymi [8]. Co celów koordynacji urz dze wysokonapi ciowych s stosowane

standardowe rodzaje napi i przepi (tablica 4.1) [2], [3].

Tablica 4.1 Standardowe rodzaje napi i przepi .

Napi cie pracy

ci g ejPrzepi cia dorywcze

Udary o agodnym

czole

Udary o stromym

czole

Impulsy o bardzo

stromym czole

1 f

T l

50 Hz

1 f

Tl

50 Hz, Tl = 60 s

Tp

T2

1,0

0,5

250/2500 s

T

T2

1,0

0,5

1

0,9

0,3

1,2/50 s

T

T

f

l

1 f21f1

Tf<100ns Tl 3ms

Poziom izolacji dla poszczególnych rodzajów przepi dobiera si w zale no ci od zakresu

napi ciowego urz dze . Jak pokazano w tablicy 4.2, wyró nia si dwa zakresy napi ciowe.

Tablica 4.2 Znormalizowane poziomy izolacji wg EN 60071-1 [2].

a) zakres I (1 kV < Um 245 kV)Najwy sze napi cie

wyposa enia Um

Napi cie wytrzymywane dorywcze,

cz stotliwo ci sieciowej

Napi cie wytrzymywane

udarowe piorunowe

kVsk kVsk kV

3,6 10 20; 40

7,2 20 40; 60

12 28 60; 75; 95

17,5 38 75; 95

36 70 145; 170

123 (185); 230 450; 550

245 (275); (325); 360; 395; 460 (650); (750); 850; 950; 1050

b) zakres II (Um > 245 kV) Napi cie wytrzymywane udarowe czeniowe na

izolacji

Najwy sze napi cie

wyposa enia Um

kVskWzd u nej

kV

fazowej

kV

mi dzyfazowej w

stosunku do fazowej

Napi cie wytrzymywane

udarowe piorunowe

kV

420

850

950

950

850

950

1050

1,6

1,5

1,5

1050; 1175

1175; 1300

1300; 1425

762

1175

1175

1175

130

1425

1550

1,7

1,7

1,6

1675; 1800

1800; 1950

1950;2100

W zale no ci od zakresu napi ciowego izolacji s dobierane zestawy ró nego rodzaju

napi wytrzymywanych. W pierwszym zakresie jest to zestaw z o ony z napi odwzorowuj cych

przepi cia dorywcze i piorunowe, w drugim za - przepi cia czeniowe i piorunowe [2], [4].

Procedura koordynacyjna polega na wyznaczeniu czterech napi standardowych i na doborze

rodków ochrony i ich parametrów.

Napi ciami standardowymi s :


52

napi cie (przepi cie) reprezentatywne Urp, charakteryzuj ce typowe nara enia elektryczne

izolacji;

napi cia koordynacyjne Ucw, które izolacja powinna wytrzymywa przez ca y okres eksploatacji,

przy uwzgl dnieniu nara e Urp;

napi cia probiercze Urw, które izolacja powinna wytrzyma podczas prób laboratoryjnych;

znamionowy poziom izolacji Uw - zestaw znormalizowanych napi probierczych skojarzonych

z najwy szym napi ciem urz dze Um.

Najwa niejsza czynno dotyczy oceny i wyboru napi koordynacyjnych Ucw. S u do tego dwie

podstawowe metody: metoda deterministyczna i metoda statystyczna (pe na i uproszczona) [4], [8].

W metodzie deterministycznej wykorzystuje si kompromis pomi dzy nara eniem izolacji

(najwy sz spodziewan warto ci Urp) a jej wytrzyma o ci (warto ci Ucw). Wielko ci te wi e

ze sob wspó czynnik koordynacyjny Kc, pozwalaj cy uwzgl dni niepewno ci w ich ocenie, wg

prostej zale no ci

Ucw = Kc Urp (4.1)

W przypadku przepi dorywczych Kc = 1, a w przypadku przepi czeniowych Kc =

f(Ups/U2%) = 1,0 – 1,1, przy czym: Ups – poziom ochrony (uci cie rozk adu przepi ), U2% - 2%

kwantyl przepi . W przypadku przepi piorunowych Kc = 1,15 dla Un = 3 – 30 kV oraz Kc = 1,25

dla Un = >30 kV, przy czym zamiast napi cia reprezentatywnego Urp przyjmuje si poziom ochrony

Upl [[9], [10].

W metodzie statystycznej pe nej okre la si ryzyko uszkodzenia izolacji, wg zale no ci

0

dU)U(P)U(fR (4.2)

w której: f(U) – funkcja g sto ci rozk adu przepi (zwykle rozk ad log-normalny lub Weibulla);

P(U) – dystrybuanta napi przebicia izolacji (zwykle rozk ad normalny).

Interpretacja graficzna zale no ci (4.2) jest pokazana na rys. 4.1.

f(U )

U U W 10%

P(U)

R

S2%

f(U) P(U )

U

Rys. 4.1 Ryzyko przeskoku R (pole zacienione).

Tolerowana warto ryzyka jest przyjmowana zwykle na poziomie RT = 10-3

, ale mo e by -

w zale no ci od potrzeb - modyfikowana. Na przyk ad w warunkach polskich przyjmuje si

obecnie, e roczne ryzyko uszkodze izolacji urz dze powinno zawiera si w granicach

0,001/rok R 0,004/rok. W przypadku R > RT nale y zwi kszy wytrzyma o izolacji,

przesun w prawo krzyw P(U) na rys. 4.1, albo ograniczy warto przepi .

W metodzie statystycznej uproszczonej wyznacza si ryzyko R uszkodzenia izolacji w

zale no ci od statystycznego przepi cia US, okre lonego na podstawie funkcji f(U), i statystycznej

wytrzyma o ci UW , okre lonej na podstawie dystrybuanty P(U).


53

Statystyczne przepi cie US jest przyjmowane zwykle na poziomie 2 % kwantyla g sto ci przepi

(prawdopodobie stwo, e osi gnie ono warto wi ksz ni US, wynosi 2 %), co odpowiada

zale no ci

US = U50 + 2,054 s (4.3)

R

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

10-1

-210

10-3

K C

10 0

10-4

U S = 3,5

= 2,5

= 1,5

R

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

10-1

-210

10-3

K C

10 0

10-4

US = 3,5

= 2,5= 1,5

a) b)

Rys. 4.2 Zale no R od KC: a) przy przepi ciach w jednej fazie, b) w odniesieniu do jednego zdarzenia

przepi ciowego.

Statystyczne napi cie wytrzymywane UW jest okre lone jako 90 % wytrzyma o izolacji

(prawdopodobie stwo, e izolacja ulegnie uszkodzeniu wynosi 10 %), co odpowiada zale no ci

UW = U50 - 1,28 w (4.4)

Warto ci te mo na oczywi cie - poprzez ich rozk ady - wprowadzi do wzoru (4.2) w celu

wyznaczenia ryzyka R, przy czym ryzyko to uzale nia si od wspó czynnika koordynacyjnego (rys.

4.2)

S

Wc

U

UK (4.5)

Napi cia standardowe odnosz ce si do koordynacji izolacji sieci krajowych, ustalone na podstawie

podanych powy ej zasad, przedstawiono w tablicy 4.3 [5], [6].

Tablica 4.3 Napi cia koordynacji izolacji w polach liniowych napowietrznych stacji:

15 kV, 110 kV, 220 kV i 400 kV.

Napi cie lub przepi cieL.p.

Rodzaj Jednostka Warto

1 Napi cie znamionowe Unn 15 110 220 400

2 Najwy sze napi cie sieci Us

kVsk

17,5 123 245 420

a) Napi cie i przepi cia reprezentatywne Urp

3 faza-ziemia 17,5 99,4 183 315

4dorywcze

mi dzy fazami kVsk

20 172 319 546

5 faza-ziemia 43 0,82 Upl

6o agodnym czole

mi dzy fazami 63 1,64 Upl,

7 o stromym czole

kVm

Upl

b) napi cia i przepi cia koordynacyjne Ucw

8 faza-ziemia 17,5 99,4 183 315

9dorywcze

mi dzy fazami kVsk

20 172 319 546

10 faza-ziemia 43 0,90 Upl,

11o agodnym czole

mi dzy fazami

kVm

63 1,64 Upl,


54

12 o stromym czole 1,15 Upl 1,25 Upl

c) Wymagane napi cie wytrzymywane Urw

13 faza-ziemia 20,8 118 204 352

14dorywcze

mi dzy fazami kVsk

24 204 355 609

15 faza-ziemia 51 1,19 Ucw

16o agodnym czole

mi dzy fazami 75 1,19 Ucw

17 o stromym czole

kVm

1,36 Upl 1,45 Upl

d) Znamionowy poziom izolacji, znormalizowane napi cie wytrzymywane Uw

18 dorywcze 50 Hz kVsk 38 230 395 -

19 udarowe czeniowe - - - a) 950, b) 1425

20 udarowe piorunowe kVm

75, 95 550 950 1300

Uwagi: Upl - poziom ochrony (napi cie obni one) odgromnika przy znamionowym pr dzie wy adowczym

In o kszta cie 8/20 s; a) - izolacja faza-ziemia i wzd u na, b) - izolacja mi dzyfazowa.

Jak atwo stwierdzi , w poz. 3 – 7 tablicy 4.3 podano napi cia i przepi cia reprezentatywne

Urp, a w poz. 8 – 12 - napi cia i przepi cia koordynacyjne Ucw. Przy wyznaczaniu warto ci

wymaganego napi cia wytrzymywanego (laboratoryjnego) Urw (poz. 13 – 17) uwzgl dniono:

normalne warunki atmosferyczne, starzenie si izolacji, rozrzut w asno ci urz dze i inne

niepewno ci. Znormalizowane napi cia wytrzymywane Uw wybrano z tablicy 4.2 na podstawie

napi Urw i zestawiono w poz. 18 – 20 Tablicy 4.3.

Dobór ograniczników przepi jest uzale niony od ich parametrów i warunków pracy [6],

[7]. Do podstawowych parametrów nale : napi cie pracy ci g ej Uc, napi cie znamionowe Ur,

znamionowy pr d wy adowczy In, poziom ochrony i wytrzyma o przy zabrudzeniach [8]. O

warunkach pracy ograniczników decyduj g ównie: najwy sze napi cie sieci US, sposób uziemienia

punktu neutralnego sieci, czas trwania zwarcia faza-ziemia, rozleg o sieci, miejsce zainstalowania

ogranicznika, w a ciwo ci aparatury czeniowej.

Relacje mi dzy dwoma podstawowymi parametrami ograniczników tlenkowo-metalowych

powinny by nast puj ce:

rc U8,0U lub cr U25,1U (4.6a)

Przy automatycznej eliminacji zwar powinno by

3

UkU S

c lub 3Uk25,1U sr (4.7a)

przy czym k - wspó czynnik wp ywu harmonicznych i innych czynników (k 1,2 - zwarcia

eliminowane automatycznie, k 1,4 - zwarcia eliminowane po czasie t = 10 s, k = 1,73 - zwarcia

trwa e), Us - warto skuteczna najwy szego napi cia sieci.

Bez automatycznej eliminacji zwar (przy doziemieniu d ugotrwa ym)

sc UU oraz sr U25,1U (4.8a)

Napi cie Ur zale y od spodziewanych przepi dorywczych UT, a te od sposobu uziemienia punktu

neutralnego. W sieciach o napi ciu do 30 kV

ST UU (4.9)

Czas trwania UT mo e wynosi od 1 s do kilku godzin (przy kompensacji).

W sieciach Un 110 kV przepi cia UT zale od kz (Tablica 4.4).

3UkU szT (4.10)


55

Tablica 4.4 Warto ci kz w sieciach 110 kV, 220 kV i 400 kV

1 Napi cie znamionowe sieci Un kVsk 110 220 440

2 Najwy sze napi cie sieci Us kVsk 123 245 420

3 Wspó czynnik kz*) - 1,4 1,3 1,3

Uwaga*) w rozdzielniach elektrowni nale y zwi kszy podane warto ci kz o 0,1.

Charakterystyka napi ciowo-czasowa wytrzyma o ci ogranicznika przy przepi ciach

dorywczych UWT = f(t) powinna przebiega w ca ym zakresie czasu nad charakterystyk

spodziewanych przepi dorywczych UT = f(t).

Wg IEC 60099-5 przepi cie dorywcze UT o czasie trwania w granicach 0,1 s < tT < 100 s ma

warto równowa n , trwaj c 10 s, równ02,0

TTeq t1,0UU (4.11)

Przyk ad, gdy tT = 1s, to Ueq = 0,95 UT.

Napi cie znamionowe powinno spe nia warunek

Ur Ueq

(4.12)

St d02,0

TTr t1,0UU (4.13)

a przy uwzgl dnieniu zale no ci (4.10)

02,0T

szr t1,0

3

UkU (4.14)

przy czym warto kz wg Tablicy 4.4.

Warto ci napi znamionowych i napi pracy ci g ej ograniczników przepi ,

skoordynowane z warto ciami najwy szych napi roboczych sieci w zakresie od 3 kV - 30 kV,

zestawiono w Tabl.4.5. Warto ci pozosta ych parametrów powinny by nast puj ce: znamionowy

pr d wy adowczy 8/20 s: In = 10 kA lub In = 5 kA; zdolno poch aniania energii - nie mniejsza

ni 2 kJ na 1 kV napi cia Ur; wytrzyma o na udary prostok tne 2000 s - próba pr dem 250 A;

wytrzyma o zwarciowa - zale na od spodziewanego pr du zwarcia i wreszcie droga up ywu

izolacji powinna by dostosowana do warunków zabrudzeniowych.

Tablica 4.5 Zalecane warto ci parametrów ograniczników do sieci 3 kV - 30 kV.

Lp Nazwa Warto skuteczna napi cia [kV]

1 Napi cie znamionowe sieci Un 3 6 10 15 20 30

2 Najwy sze napi cie sieci Us 3,6 7,2 12 17,5 24 36

Uc 3,2 4,8 8,0 12,8 16,8 24 3 Automatyczna eliminacja zwarcia

Ur 4 6 10 16 21 28,8

Uc 3,2 6,4 9,6 14,4 19,2 28,8 4 Eliminacja zwarcia po tT= 10 s

Ur 4 8 12 18 24 36

Uc 4,0 7,2 12 17,6 24 36 5 Nieograniczony czas zwarcia

Ur 5 9 15 22 30 45

Analogiczne zestawienie skoordynowanych warto ci napi dla ograniczników

instalowanych w sieciach 110 kV, 220 kV i 400 kV podano w Tablicy 4.6.

Tablica 4.6 Zalecane warto ci parametrów odgromników do sieci 110 kV, 220 kV i 400 kV.

1 Napi cie znamionowe sieci Un kVsk 110 220 400

2 Najwy sze napi cie sieci Us kVsk 123 245 420

3 Wspó czynnik kz nie mniejszy ni 1,4 1,5* 1,3 1,4* 1,3 1,4*

4 Napi cie pracy ci g ej Uc** kVsk 77 86 154 163 259 275

5 Napi cie znamionowe Ur kVsk 96 108* 192 204* 324 342*

tyczy wspó czynnika zwarcia kz i napi cia Ur odgromników transformator- generator a wy cznikiem

powoduj cym zrzut obci enia generatora; ** tolerancja podanych warto ci napi cia Uc wynosi 2 %.


56

Warto ci pozosta ych parametrów powinny by nast puj ce: znamionowy pr d wy adowczy

o kszta cie 8/20 s powinien mie warto In = 10 kA; zdolno poch aniania energii nie powinna

by mniejsza ni 2,5 kJ na 1 kV napi cia Ur; wytrzyma o na udary prostok tne 2000 s - próba

pr dem 450 A; wytrzyma o zwarciowa powinna by dostosowana do spodziewanego pr du

zwarcia, a droga up ywu izolacji - do warunków zabrudzeniowych.

Warto tu nadmieni , e instalowanie ograniczników przepi o parametrach ni szych ni zalecane

w tablicach 4.5 i 4.6 mo e powodowa znaczn ich awaryjno .

5. Podsumowanie i wnioski

W podsumowaniu rozwa a na temat przyczyn i skutków powstawania przepi oraz

mo liwych do wyst pienia i zredukowanych ich poziomów mo na stwierdzi , e:

najgro niejsze i najbardziej cz ste przepi cia powstaj pod wp ywem bezpo rednich i pobliskich

wy adowa piorunowych oraz trwa ych i przerywanych zwar doziemnych;

brak redukcji poziomu przepi w urz dzeniach elektrycznych mo e by przyczyn cz stych

awarii lub zak óce pracy, które mog by przyczyn znacznych strat i pora e ;

najbardziej racjonaln drog do redukcji szkód przepi ciowych w urz dzeniach

wysokonapi ciowych jest koordynacja ich izolacji z prawid owym doborem urz dze do

ograniczania przepi .

Literatura

[1] Anderson E.: Przepi cia wewn trzne w sieciach rednich napi i ich ograniczanie. Komitet

Elektrotechniki PAN, seria: Post py techniki wysokich napi , zeszyt 22. Warszawa, 1997.

[2] EN 60071-1. Insulation co-ordination. Part 1: Definitions, principles and rules. CENELEC,

1995.

[3] EN 60071-2. Insulation co-ordination. Part 2: Application Guide. CENELEC, 1997.

[4] Flisowski Z., Kosztaluk R.: Wspó czesne metody koordynacji izolacji. Przegl d

Elektrotechniczny, Z. 2, 1998.

[5] Flisowski Z.: Technika wysokich napi . WNT Warszawa 1999. Wyd. IV.

[6] IEC 99-4, 1993: Surge arresters. Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c.

systems.

[7] IEC 99-5, 1996: Surge arresters. Part 5: Selection and application recommendations.

[8] Kosztaluk R., Flisowski Z.: Koordynacja izolacji polskich sieci wysokich napi . Przegl d

Elektrotechniczny Z. 2, 1998.

[9] Kosztaluk R., Mikulski J.: Wskazówki koordynacji izolacji i ochrony od przepi sieci o

napi ciu znamionowym do 110 kV. Projekt 2 poprawiony. Instytut Energetyki, Warszawa,

stycze 1998.

[10] Kosztaluk R., Mikulski J.: Wskazówki koordynacji izolacji i ochrony od przepi sieci

przesy owych. Projekt 1, Instytut Energetyki, Warszawa, listopad 1997.

[11] PN-IEC 61024-1-1: Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Cz 1: Ogólne zasady,

Sekcja 1 – Przewodnik A: Wybór poziomów ochrony dla urz dzenia piorunochronnego.

[12] PN-IEC 61312-1: Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Cz 1:

Ogólne zasady.

[13] Statistik zum Tätigkeitsbereich 1991. Brandverhütungsstelle für Oberösterreich, Linz 1992.


57

Uziemienia i po czenia wyrównawcze w ochronie odgromowej i przeciwprzepi ciowej

prof. dr hab. in . Andrzej Sowa Politechnika Bia ostocka

www.ochrona.net.pl

1. Wst p

Zadaniem urz dzenia piorunochronnego jest bezpieczne odprowadzenie do ziemi pr du

piorunowego bez powodowania zagro enia dla ludzi i urz dze technicznych [6,7]. Poprawne

zaprojektowanie i wykonanie urz dzenia piorunochronnego nie zapobiega jednak gwa townemu skokowi

potencja ów, jaki nast puje wewn trz obiektu podczas bezpo redniego wy adowania piorunowego.

W typowym przypadku, w przewodach odprowadzaj cych mog pop yn pr dy o warto ciach

szczytowych od kilkunastu do kilkudziesi ciu kA, i wywo a skoki potencja ów elementów uziemionych

dochodz ce do znacznych warto ci ( kilkadziesi t - kilkaset kV lub nawet wy sze).

Ochron przed tego rodzaju zagro eniem zapewnia wyrównywanie potencja ów wszelkich instalacji

przewodz cych wprowadzanych do obiektu oraz instalacji u o onych wewn trz tego obiektu.

2. Uziemienia

Ogólna definicja [1] okre la uziemienie jako „urz dzenie zapewniaj ce po czenie elektryczne

cz ci uziemianej (cz ci czynnej, cz ci przewodz cej dost pnej, cz ci obcej) z ziemi ”. Uziemienie

jest to równie nazwa ogólna po czenia cz ci uziemianej z ziemi . Techniczne rozwi zania tego

po czenia okre lane s jako „instalacja uziemiaj ca” w sk ad której wchodz [1]: uziom, przewód

uziemiaj cy, szyna uziemiajaca, zacisk probierczy i przewód ochronny.

W przypadku ochrony odgromowej [7], uziemienie jest to „cze urz dzenia

piorunochronnego przeznaczona do odprowadzania do ziemi i rozpraszania w niej pr du

piorunowego”.

Do celów ochrony odgromowej i przepi ciowej nale y w pierwszej kolejno ci wykorzysta

uziomy naturalne obiektu. Po czenia uziomów naturalnych z przewodami uziomowymi powinny by

wykonane w sposób trwa y za pomoc spawania lub zgrzewania. Je li wykonanie takich po cze jest

niemo liwe lub utrudnione dopuszczalne jest wykorzystanie obejm lub uchwytów maj cych zacisk lub

zaciski zabezpieczone przed rozlu nieniem si .

Przy budowie nowych obiektów zalecane jest wykorzystywanie uziomów fundamentowych.

Uziomy sztuczne nale y stosowa tylko w przypadkach obiektów, w których nie ma mo liwo ci

wykorzystania uziomów naturalnych lub ich wykorzystanie jest niecelowe.

Uk ad uziomowy powinien równie zapewni zredukowanie do bezpiecznych warto ci ró nice

potencja ów pomi dzy poszczególnymi punktami uziomu oraz pod czonymi do niego instalacjami

i urz dzeniami. Spe nienie tego ostatniego warunku wymaga stosowania po cze o mo liwie

najmniejszych warto ciach impedancji pomi dzy uziomem a szyn lub pier cieniem wyrównywania

potencja ów lub urz dzeniami, je li s po czone bezpo rednio z uziomem.

3. Ogólne zasady wyrównywania potencja ów

W normach dotycz cych ochrony odgromowej [6,7] stwierdzono, e wszelkie instalacje

przewodz ce wprowadzane do obiektu oraz instalacje przebiegaj ce wewn trz obiektu nale y obj

ekwipotencjalizacj . Ekwipotencjalizacj nale y wykona za pomoc po cze wyrównawczych

bezpo rednich lub ochronnikowych.


58

Norma PN-IEC 61024-1 [7] traktuje po czenie wyrównawcze jako najwa niejszy rodek

ochrony przed zagro eniem ycia w chronionej przestrzeni.

Ekwipotencjalizacja jest osi galna za pomoc przewodów wyrównawczych lub ograniczni-

ków przepi , cz cych urz dzenie piorunochronne, konstrukcj metalow obiektu, metalowe in-

stalacje, zewn trzne cz ci przewodz ce oraz elektryczne i telekomunikacyjne instalacje w obr bie

chronionej przestrzeni .

Po czenie wyrównawcze instalacji elektrycznych i telekomunikacyjnych powinny by wyko-

nane mo liwie najbli ej punktów wej ciowych do obiektu. Wszystkie przewody linii powinny by

po czone bezpo rednio lub po rednio.

Przewody pod napi ciem powinny by po czone z urz dzeniem piorunochronnym wy cznie za po-

moc ograniczników przepi . W uk adzie TN przewody PE lub PEN powinny by po czone

bezpo rednio z urz dzeniem piorunochronnym.

Szczegó owe informacje dotycz ce ograniczników przepi przeznaczonych do monta u w

instalacji elektrycznej znajduj si w normie PN-IEC 61312-1[9], w której stwierdzono m.in., e:

„po czenia z szynami wyrównawczymi powinny by wykonane za pomoc przewodów i zacisków,

a gdzie to jest konieczne za pomoc urz dze ochrony przepi ciowej (SPD)”.

Instalacje nale y po czy z szyn wyrównywania potencja ów w miejscu le cym mo liwie

najbli ej miejsca ich wprowadzania do obiektu budowlanego.

Optymalnym rozwi zaniem jest zastosowanie g ównej szyny wyrównywania potencja ów, do

której do czane s wszelkiego rodzaju instalacje przewodz ce wprowadzane w jednym miejscu do

obiektu budowlanego. Przyk adowy uk ad po cze w takim przypadku przedstawiono na rys.1.

Przewód uziemiaj cy

Rys. 1 Przyk ad wyrównywania potencja ów instalacji przewodz cych dochodz cych do obiektu budowlanego.

Je eli instalacje zewn trzne, linie zasilaj ce, telekomunikacyjne i sygna owe nie mog

wchodzi do obiektu w jednym punkcie i wymagane jest zastosowanie kilku szyn wyrównawczych, to

powinny by wzajemnie po czone mo liwie najkrótszymi przewodami.

Uzyskanie mo liwie najkrótszych po cze z uziomem wymaga zainstalowania pier cienia lub

szyny wyrównawczej w suterenie obiektu. Pier cienie wyrównawcze powinny obiega dooko a od

wewn trz ca y budynek po jego cianach zewn trznych.

Bezpo rednio do szyny wyrównuj cej

potencja najcz ciej bezpo rednio do czone

s :

telekomunikacyjne, pomocnicze i

pomiarowe elektrody uziemiaj ce,

ekrany lub przewodz ce elementy

konstrukcyjne linii transmisji sygna ów

ekrany kabli telekomunikacyjnych,

przewody PEN lub PE sieci elek-

troenergetycznej,

ekrany przewodów antenowych,

przewodz ce rury instalacji wod-

nokanalizacyjnej, gazowej, centralnego


59

W budynkach nie posiadaj cych podziemnych kondygnacji pier cie lub szyna wyrównywania

potencja ów powinna by zamocowana mo liwie najni ej, nie ni ej jednak ni 300 mm nad poziomem

ziemi.

Pier cie wyrównywania potencja ów powinien by :

- wykonany z nieizolowanego przewodu stalowego ocynkowanego lub miedzianego w postaci linki,

pr ta okr g ego, ta my lub szyny o przekroju co najmniej 120 mm2 - w przypadku stali i 50 mm2

w przypadku miedzi [1, 10],

- mocowany do wsporników stalowych na wewn trznej stronie ciany, w dolnej kondygnacji

budynku, w miejscach atwych do kontroli i obserwacji i chroni cych przed uszkodzeniem

mechanicznym,

- umieszczany w rurach z PCV lub ceramicznych. przy przechodzeniu przez ciany.

Przewód miedziany nale y zamocowa na wspornikach stalowych maj cych podk adki

izolacyjne chroni ce przed korozj . Pier cienia wyrównywania potencja ów nie nale y prowadzi przez

akumulatorownie i inne pomieszczenia, w których jest on nara ony na dzia anie czynników

chemicznych.

3.1. Instalacje przewodz ce, na których nie wyst puje trwale potencja elektryczny

Po czenia szyny wyrównywania potencja ów z poszczególnymi elementami przewodz cych

instalacji powinny by wykonane w sposób trwa y np. za pomoc obejm lub uchwytów posiadaj cych

zacisk lub zaciski zabezpieczone przed rozlu nianiem.

Minimalne przekroje poprzeczne przewodów cz cych poszczególne urz dzenia, systemy lub

elementy z szyn / pier cieniem wyrównawczym zale od wielko ci pr du, który mo e w nich

wyst pi . Zalecane warto ci przekrojów poprzecznych ró norodnych przewodów zestawiono w tabl. 1.

Tablica 1. Przekroje poprzeczne przewodów stosowanych do po cze z szyn / pier cieniem wyrównawczym.

Rodzaj przewodu przep yw znacznej cz ci pr du

piorunowego

przep yw nieznacznej cz ci pr du

piorunowego

Przewód miedziany 16 mm2 6 mm2

Przewód aluminiowy 25 mm2 10 mm2

Przewód stalowy 50 mm2 16 mm2

W wyj tkowych przypadkach mo e zaistnie konieczno wydzielenia cz ci instalacji

przewodz cej lub systemu uziomowego i ich izolowanie od elementów po czonych z g ówn szyn

wyrównawcz . Nawet w takich przypadkach nale y d y do ograniczania ró nic potencja ów jakie

mog wyst pi w obiekcie budowlanym. Rozwi zaniem jest stosowanie iskierników cz cych

izolowane instalacje.

3.2. Instalacje elektryczne i linie przesy u sygna ów

W instalacji elektrycznej do wyrównywania ró nic potencja ów wywo anych przez pr dy

piorunowe wykorzystywane s ograniczniki przepi , które powinny spe ni wymagania próby

klasy I [11]. Ograniczniki spe niaj ce wymagania tej próby, w dalszej cz ci niniejszego artyku u

nazywane ogranicznikami klasy I, zapewniaj ochron przed bezpo rednim dzia aniem cz ci pr du

piorunowego. Uk ady ograniczników nale y instalowa w pobli u miejsca wprowadzania instalacji

elektrycznej do obiektu budowlanego (np. szafka obok z cza, z cze, rozdzielnica g ówna) za

g ównym zabezpieczeniami zasilania obiektu. W zale no ci od systemu sieci nale y zastosowa

jeden z uk adów po cze ograniczników przedstawionych w tablicy 2.

Dobieraj c przewody do po czenia ograniczników klasy I z przewodami fazowymi, neutralnym

oraz szyn wyrównywania potencja ów nale y uwzgl dni zjawiska termiczne i dynamiczne

wywo ywane przez przep yw pr du udarowego o warto ci szczytowej dochodz cej do 100 kA i kszta cie


60

10/350 – odwzorowuj cego cz pr du piorunowego. Wskazane jest równie dostosowanie przekrojów

przewodów do warto ci bezpieczników znajduj cych si przed odgromnikami. Przewody stosowane do

po cze odgromników powinny by mo liwie najkrótsze gdy zapobiega to powstawaniu spadków

napi na ich indukcyjno ciach przy przep ywie pr dów udarowych.

Tablica 2. Uk ady po cze ograniczników przepi klasy I w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym.

System sieci TN

1

4

3

1 - z cze instalacji elektrycznej

2 - g ówna szyna uziemiaj ca

3 – ograniczniki klasy I

4 – przewód uziemiaj cy

TN-C-S

Wh

L1

L2

L3

N

PE

2

1

4

3




4 – przewód uziemiaj cy

TN-S

Wh

L1

L2

L3

N

PE

2

System sieci TT

1

3




TT

Wh

L1

L2

L3

N

2

1

3




3a – ogranicznik N-PE

TT

Wh

L1

L2

L3

N

2

3a

System sieci IT

1

3




IT

Wh

L1

L2

L3

2

1

3




IT

Wh

L1

L2

L3

N

2

Pozosta e instalacje niskonapi ciowe wchodz ce do budynku np. przewody telekomunikacyjne,

antenowe, linie przesy u sygna ów nale y równie po czy z g ówn szyn wyrównywania

potencja ów bezpo rednio (np. ekrany kabli) lub za pomoc elementów ograniczaj cych ró nice

potencja ów.

W powy szych instalacjach do ochrony podstawowej przed dzia aniem cz ci pr du piorunowego

wykorzystywane s najcz ciej odgromniki gazowane dwu- lub trój- elektrodowe. W zale no ci od

ilo ci przewodów oraz uk adu po cze mo na zastosowa jeden ze sposobów ochrony

przedstawiony na rys. 2.


61

Szyna

wyrównawcza

przewód

nieekranowany

Dwuelektrodoweodgromniki

gazowane

Szyna

wyrównawcza

przewód

ekranowany


gazowane

Szyna

wyrównawcza

przewód

ekranowany


gazowane

Rys. 2 Typowe uk ady po cze odgromników gazowanych tworz cych ochron przed dzia aniem cz ci pr du

piorunowego (udary o kszta cie 10/350):

a) przewody niekranowane,

b) przewody ekranowane – ekran po czony z lokalnym systemem wyrównywania potencja ów,

c) przewody ekranowane – ekran izolowany od lokalnego systemu wyrównywania potencja ów.

W zale no ci od rozmieszczenia urz dze w obiekcie budowlanym oraz ich odporno ci

udarowej mo e zaistnie potrzeba stosowania wielostopniowych uk adów ograniczaj cych w miejscu

wprowadzania przewodów do obiektu budowlanego. W takich przypadkach stosowane s najcz ciej

ró norodne po czenia odgromników gazowanych z diodami zabezpieczaj cymi lub warystorami.

3.3. Wyrównywanie potencja ów wewn trz obiektów budowlanych

Podstawowym zadaniem uk adów wyrównywania potencja ów jest wyeliminowanie ró nic

potencja ów pomi dzy uziomami lub uziemionymi punktami wewn trz obiektu budowlanego oraz,

w niektórych przypadkach, na zewn trz obiektu.

W obiektach budowlanych do wyrównywania potencja ów wykorzystywane s pier cienie

lub szyny wyrównawcze. Przyk adowe rozwi zanie po cze wyrównawczych w obiekcie

budowlanym przedstawiono na rys. 3.

Uziom fundamentowy

Rozdzielnica

pi trowa

G ówna szyna

wyrównawcza

Instalacja

piorunochronna

U U

U

Urz dzenie

techniczneMetalowe kana y

kablowe

U

Siatka wyrównywania

potencja ów

Zwody

Przewody odprowadzaj ce

Rozdzielnica

pi trowa

Rozdzielnica

g ówna

Rys. 3 System wyrównywania potencja ów w obiekcie budowlanym.

Po czenia wyrównawcze elementów metalowych systemów elektronicznych powinny tworzy

obwody o konfiguracji oczkowej lub gwiazdowej (rys.4.), przy czym zalecany jest uk ad wielooczkowy.


62

Sie gwiazdow na ogó stosuje si dla niewielkich systemów elektronicznych, je li wszystkie instalacje i

kable wchodz do systemu w jednym punkcie.

Rys. 4 Konfiguracje gwiazdowa i oczkowa po cze urz dze oraz ich sposoby po czenia z systemem wyrównywania

potencja ów

W takim przypadku wszystkie linie i kable biegn ce pomi dzy urz dzeniami powinny by

uk adane równolegle do instalacji wyrównywania potencja u (odzwierciedlaj c jej konfiguracj

gwiazdow ) w celu unikni cia tworzenia p tli indukcyjnych. Sie gwiazdowa zapewnia skuteczn

ochron przed p yn cymi w ziemi pr dami wy adowa atmosferycznych.

Sie oczkow stosuje si dla systemów du ych, rozleg ych i otwartych, w których mi dzy

poszczególnymi urz dzeniami biegn liczne przewody i kable oraz instalacje i kable wchodz do

systemu w kilku punktach. Utworzona sie wyrównywania potencja ów zapewnia ma impedancj

tak e dla wielkiej cz stotliwo ci, a ponadto liczne zwarte p tle – oka sieci redukuj wypadkowe

pole magnetyczne w s siedztwie systemu telekomunikacyjnego. W z o onych systemach mo na

wykorzysta obie konfiguracje sieci wyrównywania potencja u.

4. Podsumowanie

Przedstawione podstawowe zasady uziemienia i ograniczania ró nic potencja ów pomi dzy

instalacjami dochodz cymi do obiektów budowlanych zapewniaj równie podstawowy stopie

ochrony przed wszelkiego rodzaju przepi ciami, jakie mog wyst pi w tych instalacjach. Kolejnym

etapem kompleksowe ochrony odgromowej jest dobór kolejnych stopni ograniczaj cych przepi cia. Ich

rozmieszczenie oraz parametry techniczne uzale nione s od poziomów odporno ci udarowej

chronionych urz dze .

5. Literatura

[1] Jab o ski W., Lejdy B., Lenartowicz R.: Uziemianie, uziomy, po czenia wyrównawcze. Wskazówki

do projektowania i monta u. Warszawa 2000.

[2] Hasse P., Wiesinger J.: EMV Blitz – Schutzzonnen Konzept. Pflaum Verlag 1994.

[3] Flisowski Zd.: Trendy rozwojowe ochrony odgromowej budowli. Cz 1. Wy adowanie piorunowe jako

ród o zagro enia. PWN 1986.

[4] Vogt D.: Potentialgleich, Fundamenterder, Korrosionsgefährdung. VDE-Schriftenreihe Normen

verständlich.

[5] Sowa A.: Ochrona odgromowa i przeciwprzepi ciowa. Kielce 1998.

[6] PN-86/E-05003/01. Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Wymagania ogólne.

[7] PN-IEC 61024-1:2001. Ochrona odgromowa obiektów budowanych. Zasady ogólne.

[8] PN-IEC 61024-1-2:2002. Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Cz 1-2. Zasady ogólne.

Przewodnik B – Projektowanie, monta , konserwacja i sprawdzanie urz dze piorunochronnych.

[9] PN-IEC 61312-1:2001. Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Zasady ogólne.

[10] ZN-96/TP S.A. - 037. Telekomunikacyjne sieci miejscowe. Systemy uziemiania obiektów

telekomunikacyjnych. Wymagania i badania.

[11] PN-IEC 61643-1. Urz dzenia ograniczaj ce przepi cia do czone do sieci rozdzielczych niskiego

napi cia. Wymagania techniczne i metody bada .


63

Koordynacja zagadnie ochrony przepi ciowej i kompatybilno cielektromagnetycznej

prof. dr hab. in . Zdobys aw Flisowski1

mgr in . Andrzej Pytlak2

mgr in . Henryk wi tek2

1. Wprowadzenie Przepi cia w obiektach budowlanych mog powodowa :

pora enie cz owieka podczas jednoczesnego dotyku ró nych dost pnych cz ci

przewodz cych b d cych w zasi gu r ki;

uszkodzenie izolacji wyposa enia elektrycznego instalacji i urz dze ;

wadliwe funkcjonowanie urz dze elektronicznych i energoelektronicznych.

W zale no ci od poziomu przepi cia, wadliwe funkcjonowanie sprz tu elektronicznego

mo e wp ywa na:

przej ciowe zak ócenie;

wy czenie urz dzenia lub uk adu;

trwa e uszkodzenie;

wadliwe za czenie lub wy czenie urz dzenia sterowanego, co mo e prowadzi do

powa nego zagro enia pracy cz owieka.

Odporno urz dze elektronicznych i energoelektronicznych na zak ócenia przenoszone

przewodami sieci zasilaj cej lub odbierane elektromagnetycznie (na drodze sprz e indukcyjnych

lub pojemno ciowych) ze rodowiska jest zagadnieniem obj tym kompatybilno ci

elektromagnetyczn .

W wi kszo ci przypadków urz dzenia te w obiektach budowlanych s zasilane z uk adu

sieciowego typu TN, w których eliminacja przepi istotnie zale y od sposobu prowadzenia

przewodów w instalacji i sposobu wykonania uziomów [1].

W wyniku bliskiego prowadzenia przewodów sieciowych L1, L2, L3, N, PE poziom

przepi o cz stotliwo ci sieciowej oraz przepi udarowych jest najmniejszy.

2. Ogólne wytyczne ochrony przed przepi ciami atmosferycznymi

Ochrona urz dze i instalacji od przepi atmosferycznych jest uzale niona od istniej cych

warunków powstawania i ograniczania przepi na które to warunki sk adaj si takie czynniki jak:

aktywno burzowa;

sposób zasilania instalacji (linia kablowa, linia napowietrzna);

typ uk adu sieciowego (TN, TT, IT);

miejsce zainstalowania transformatora i jego parametry techniczne; (sposób ekranowania

uzwoje oraz przek adnia mi dzy w.n. a n.n.);

liczby zwodów odprowadzaj cych pr d pioruna z budynku;

obecno , rodzaj i parametry ograniczników przepi cia na wej ciu budynku i wewn trz

urz dzenia;

sposób prowadzenia instalacji ochronnej w budynkach;

1Politechnika Warszawska, Instytut Wielkich Mocy i Wysokich Napi

2 Instytut Elektrotechniki Warszawa-Mi dzylesie


64

liczba wewn trznych linii w budynkach i ich d ugo ;

sposób wykonania uziemie (roboczego, odgromowego, ochronnego niskiego napi cia).

Potrzeba stosowania ochrony urz dze i instalacji zale y od:

kosztu przy czonego do sieci urz dzenia;

kosztów elementów ochrony przepi ciowej;

zwi kszenia bezpiecze stwa na dodatkowe zagro enia (np. wybuchem lub po arem);

eliminacji zak óce przepi ciowych powoduj cych zaburzenia w funkcjonowaniu urz dze

elektronicznych lub energoelektronicznych.

Wed ug postanowie normy PN-IEC 60364-4-443 [2] stosowanie ochrony od przepi

w warunkach krajowych (poza terenami podgórskimi) nie jest wymagana: je eli jest ma a liczba dni

burzowych (poni ej 25/rok), zasilanie liniami kablowymi i stosunkowo ma a liczba wy adowa na

km2. Inne opracowania normalizacyjne wskazuj jednak na celowo stosowania ochrony

przepi ciowej za pomoc ograniczników przepi ciowych. W rozporz dzeniu Ministra

Infrastruktury [3] wprowadzono obligatoryjno stosowania we wspó czesnych obiektach ochrony

instalacji i zainstalowanych urz dze przed przepi ciami. W instalacjach zasilaj cych urz dzenia

elektroniczne i energoelektroniczne stosowanie ochrony przepi ciowej jest bardziej z o one

poniewa z jednej strony jest wi ksza ich wra liwo na uszkodzenia, za z drugiej s one

wyposa one w d awiki sieciowe i filtry od zak óce radioelektrycznych, które w pewnym stopniu

t umi przepi cia udarowe. Producenci tych filtrów nie deklaruj ich t umienno ci. Uwa a si , e

urz dzenia elektroniczne steruj ce procesami technologicznymi, których z e zadzia anie mo e

zagrozi bezpiecze stwu cz owieka, powinny mie dodatkow ochron przepi ciow .

3. Przepi cia symetryczne i asymetryczne

W sieciach typu TN wyró ni mo na dwa rodzaje przepi : asymetryczne (common mode

overvoltage) i symetryczne (differential mode overvoltage)

Przepi cia symetryczne

Atmosferyczne czeniu

baterii kon-densatorów

czeniu obwodów

zasilaj cych

procesach komutacyjnych przeksztatnika Indukowane

Wewn trzne czeniowe, powstaj ce przy

wy czaniu transformatora bez obci eBezpo dernie

a)

Przepi cia asymetryczne

dorywcze w sieci WN lub nn

atmosferyczne

bezposrednie przenoszone

z sieci

bezpo rednie przenoszone

z LPS

indukowane przez pr d w

LPS

indukowane przez pioruny

pobliskie

wewn trzne

b)

Rys. 1 Rodzaje przepi :

a) symetrycznych,

b) asymetrycznych

Przepi cia asymetryczne wyst puj mi dzy punktem neutralnym transformatora, do

którego jest pod czony przewód N i PE, a ziemi odniesienia. Przepi cia te powstaj je eli w

instalacji elektrycznej obiektu budowlanego jest wspólny uziom[4]:

roboczy transformatora,

odgromowy,

wysokiego napi cia,

ochronny niskiego napi cia.

W stanach awarii (wy adowania piorunowego lub przebicia izolacji po stronie wysokiego

napi cia) na przewodzie ochronnym PE powstaje napi cie Uo wzgl dem ziemi odniesienia, które


65

przenosi si na ca instalacj ochronn , je eli obiekt budowlany jest obj ty po czeniami

wyrównawczymi.

Przepi cia asymetryczne nie napr aj izolacji cz ci czynnie przewodz cych pr d

wzgl dem uziemionej obudowy, je eli przewody fazowe s prowadzone razem z przewodami

neutralnym i przewodem ochronnym PE.

Na rys. 2 przedstawiono sposób powstawania sk adowej asymetrycznej napi cia Uz podczas

wy adowania atmosferycznego lub zwarcia obwodu w.n. do obudowy.

L1, L2, L3 , PEN

i

B1

6

5

3

2

1

B2

4

PE

PE2

UzRIw

i z

A

Rys. 2 Uk ad zasilania obiektów B1 i B2, w

którym mog wyst pi przepi cia atmosferyczne

lub dorywcze po stronie górnej, 1 – urz dzenie

piorunochronne (LPS), 2 – szyna wyrównawcza,

3 - rozdzielnica w stacji B1, 4 – rozdzielnica w

obiekcie B2, 5 – wspólny uziom, 6 – ziemia

odniesienia, PE – przewód ochronny.

Na rys. 3 zilustrowano zjawisko indukowania sk adowej asymetrycznej udarowego

przepi cia w obwodach sieci niskiego napi cia.ip

L1

PEN

2

2

2

2

SI

1

L2 L3

i

SP

Rys. 3 Uk ad ilustruj cy zjawisko indukowania si przepi ze sprz eniami

indukcyjnymi i pojemno ciowymi; 1 – rozdzielnica g ówna; 2 – rozdzielnice

pi trowe; SI, SP – symbole sprz enia indukcyjnego i pojemno ciowego miedzy

instalacj odgromowa i elektryczn ; ip – pr d pioruna; i – cz ciowy pr d pioruna.

Przepi cia udarowe indukowane lub powstaj ce z przep ywu pr du przez wspólny uziom

zale od: warto ci pr du wy adowania i jego stromo ci oraz od reaktancji przewodów sieciowych

(L1, L2 L3), neutralnego N i ochronnego PE. Indukcyjno przewodu ochronnego zale y od jego

kszta tu i wynosi ok. 1 H/m dla przewodu okr g ego oraz 0,5 H/m dla bednarki. W celu

minimalizacji udarowych asymetrycznych przepi nale y d y do ograniczenia pr du

wy adowania i prowadzenia przewodów mo liwie blisko siebie tak aby ró nice udarowego

napi cia mi dzy przewodami wiod cymi pr d a przewodem ochronnym po czonym z obudow

urz dze by a najmniejsza.

Przepi cia asymetryczne o cz stotliwo ci sieciowej w uk adach sieciowych typu TN

praktycznie nie powinny napr a izolacji mi dzy przewodami wiod cymi pr d a uziemion

obudow [4]. Po czenia wyrównawcze powinny utrzymywa sta warto sk adowej

asymetrycznej przepi cia w ca ym obiekcie budowlanym zarówno w stanie statycznym (przy

doziemieniu w instalacji wysokiego napi cia) jak i w stanie dynamicznym podczas wy adowania

atmosferycznego. Po czenia wyrównawcze wewn trz budynku powinny by po czone z

instalacj urz dzenia piorunochronnego.

Przepi cia symetryczne wyst puj mi dzy przewodami linii zasilaj cej (L1, L2, L3,

N). S one g ównie powodowane przepi ciami czeniowymi generowanymi w urz dzeniach

i instalacji, oraz w sieci zasilaj cej. W wi kszo ci przypadków najwi ksze przepi cia

symetryczne wyst puj przy od czeniu transformatora zasilaj cego wy czanego podczas


66

biegu ja owego. Przepi cia symetryczne pochodzenia atmosferycznego w sieci zasilaj cej

zale od odleg o ci wy adowania od obiektu budowlanego.

Przyjmuje si , e symetryczne przepi cia atmosferyczne s mniejsze ni przepi cia

asymetryczne, poniewa przepi cia atmosferyczne mi dzy przewodami linii zasilaj cej wyrównuj

si w wyniku sprz e elektromagnetycznych mi dzy poszczególnymi przewodami. Na rys. 4

podano sposób t umienia sk adowej symetrycznej napi cia w napowietrznej linii podczas

wy adowania atmosferycznego. Wewn trz budynku t umienie to jest bardziej intensywne,

poniewa y y poszczególnych przewodów lub kabli s prowadzone w niewielkiej odleg o ci

mi dzy sob .1

L1, L2, L3, N, PE

2

L1L2

L3N

Rys. 4 Wy adowania piorunowe: 1 - trafiaj ce w lini

niskiego napi cia i 2 - obok lini

4. Odporno izolacji urz dze na przepi cia atmosferyczne

W celu standaryzacji odporno ci przepi ciowej instalacji w obiektach budowlanych

i urz dze do niej przy czonych w normach PN-IEC 664-1 [5] i PN-IEC 60364-4-443 [2] przyj to

cztery kategorie przepi , z którymi nale y si liczy w obiektach budowlanych.

Odporno na przepi cia odbiorników energii zale y od miejsca zainstalowania, sposobu

t umienia przepi (ogranicznikami przepi ciowymi lub filtrami przepi ciowymi) oraz od

wymaganej niezawodno ci. Odporno izolacji podstawowej w instalacji i odbiornikach wzgl dem

uziemionej obudowy wynika z rys. 5 oraz z tablicy 1.

i

kategoria IV

15 kV

kat. III kat. II kat. I

6 kV 4 kV 2,5 kV 1,5 kV

i230/400 V

Warto ci przepieprzypadek B

przypadek A

Rys. 5 Podzia instalacji wg kategorii przepi .

W ogólnym przypadku izolacja funkcjonalna (mi dzyprzewodowa) w odbiornikach energii

w stosunku do izolacji podstawowej jest obni ana o jedn kategori [6]. Podobnie obwody

wewn trzne urz dze zasilane z obwodu wtórnego transformatora zainstalowanego w urz dzeniu

s projektowane na obni on kategori przepi ciow . Sposób doboru kategorii przepi ciowej do

prostownika zasilanego z sieci rozdzielczej przedstawiono na rys. 6.

Zastosowanie na wej ciu urz dzenia pod czonego do instalacji, ogranicznika

przepi ciowego obni a kategori przepi ciow .

Przepi cia czeniowe symetryczne – jak ju wspomniano - powstaj w wyniku skokowej

zmiany pr du w obwodzie podczas jego za czania lub wy czania, a w szczególno ci, podczas:

wy czania nieobci onych transformatorów (ma ych pr dów indukcyjnych), dzia ania aparatury

rozdzielczej (np. przepalenia si bezpiecznika), czenia baterii kondensatorów do poprawy cos

i procesów komutacyjnych przekszta tnika. Przepi cia te maj zwykle mniejsz warto ni

przepi cia piorunowe, ale w niektórych przypadkach mog one zagra a izolacji

mi dzyprzewodowej i powodowa przebicia struktury zaworów pó przewodnikowych, co wskazuje

na konieczno stosowania odpowiednich rodków ochrony, a w ród nich warystorowych urz dze

do ograniczania przepi . Obok nich w praktyce znajduj równie zastosowanie filtry pokazane na


67

rys. 7a i 7b. Filtry te oprócz ograniczania przepi agodz równie stromo ich narastania, co ma

istotne znaczenie w uk adach sterowania urz dze energoelektronicznych.

Tablica 1. Charakterystyka przepi w instalacji na napi cie 230/400 V.

Kategoria

przepiI II III IV

Poziom

wytrzyma o ci

udarowej

1,5 kV 2,5 kV 4,0 kV 6.0 kV

Miejsce

urz dzenia w

instalacji

Urz dzenie zasilane

z chronionych

obwodów

Urz dzenie zasilane z

instalacji sta ej

Urz dzenie instalacji

sta ej o specjalnych

wymaganiach

niezawodno ciowych

Urz dzenia w z czu

lub przed z czem

Przyk ady

urz dze

Chronione obwody

(aparatura)

elektroniczne

Przyrz dy przeno ne i

inne podobne

odbiorniki domowe

czniki instalacji sta ej,

urz dzenia

(przekszta tniki)

przemys owe sta e

Liczniki energii,

pierwotne

zabezpieczenia

nadpr dowe

rodki

ochrony od

przepi

Filtry szeregowe

ograniczaj ce

przepi cia o ma ej

energii przed

odbiornikiem

Warystory i filtry

indukcyjno

pojemno ciowe

redukuj ce stromo i

warto przepi .

Warystory i

indukcyjno ci

redukuj ce warto

przepi do poziomu 2,5

kV

Iskierniki

ograniczaj ce prze-

pi cia do poziomu

4 kV i odcinaj ce

przenoszon energi

b1

b1

b2

a1 a2

O

Rys. 6 Klasyfikacja doboru izolacji w przekszta tniku; a1 –

izolacja mi dzyprzewodowa funkcjonalna (II kategoria przepi ),

a2 - izolacja mi dzyprzewodowa obwodów wtórnych (I kategoria

przepi ), b1 – izolacja podstawowa I klasy ochronno ci lub

podwójna II klasy ochronno ci (III kategoria przepi ), b2 -

izolacja podstawowa (II kategorii przepi ), O – obudowa

przekszta tnika.

L1

U L2

L3

PEN

RR

C R

C

C

a)

L1

U L2

L3

PEN

R1

C R2

L

b)

Rys. 7 Uk ad ochrony przekszta tnika od przepi za pomoc filtru:

a) pojemno ciowo – rezystancyjnego, b) filtru prostownikowego.

5. Oddzia ywanie przepi na obwody regulacji i sterowania

Zwykle obwody regulacji i sterowania w uk adach energoelektronicznych posiadaj (ze

wzgl dów bezpiecze stwa), jeden punkt metalicznie po czony z zaciskiem ochronnym PE w

urz dzeniu. W tych przypadkach sk adowa asymetryczna przepi cia podczas wy adowania

atmosferycznego nie napr a izolacji mi dzy pierwotnym obwodem po czonym z sieci , a


68

obwodem wtórnym zasilanym z transformatora regulacyjnego. Je eli obwód elektroniki OE w tych

uk adach jest po czony z uziomem funkcjonalnym dla uzyskania tzw. „czystej ziemi”, to przy

wy adowaniu atmosferycznym (rys.8) powstaje mi dzy obudow urz dzenia (i zaciskiem

ochronnym PE), a ziemi odniesienia, napi cie uzale nione od spadku napi cia na rezystorze

uziemienia R. Napi cie to wynika z przep ywu pr du wy adowania piorunowego i uzyskuje bardzo

du warto , która mo e spowodowa przebicie izolacji transformatora obwodów regulacji.

Stosowanie uziomu ochronnego i funkcjonalnego w urz dzeniach elektronicznych jest wi c

niekorzystne i wymaga instalowania ograniczników napi cia mi dzy uziomami ochronnym

i funkcjonalnym.

Podobne nara enie izolacji wyst puje w uk adach sieciowych typu TT, w których jest

wspólny uziom dla instalacji odgromowej, wysokiego napi cia i roboczy niskiego napi cia oraz

oddzielny uziom ochronny dla odbiorników niskiego napi cia. W tych uk adach wyst pi sk adowa

asymetryczna podczas wy adowania atmosferycznego. W sieciowych uk adach typu TT konieczne

jest wi c stosowanie ograniczników przepi , które zabezpieczaj ludzi i urz dzenia przed

przepi ciami asymetrycznymi pochodzenia atmosferycznego.

L1

L2

N

R

PD

L3

PE

OE

OG

UE =UP

UP

VF = 0

RF

C1

IP

Rys. 8 Przepi cia asymetryczne UE mi dzy przewodami

L1, L2, L3 a obwodami elektroniki po czonymi z

uziomem funkcjonalnym;

IP – pr d piorunowy, UP, – napi cia asymetryczne

piorunowe (Up = Ip R, ), R – rezystancja uziemienia, C1 –

pojemno mi dzyuzwojeniowa transformatora.

6. Kompatybilno elektromagnetyczna

Zgodnie z Dyrektyw Unii (89/336/EEC) problem kompatybilno ci elektromagnetycznej

dotyczy zw aszcza urz dze elektronicznych i energoelektronicznych.

Kompatybilno elektromagnetyczna tych urz dze nale y rozpatrywa w kategorii

odporno ci na przepi cia pochodz ce z sieci zasilaj cej w zakresie funkcjonowania oraz

bezpiecze stwa funkcjonalnego. Normalnie przyjmuje si , e odporno izolacji podstawowej

(wzgl dem obudowy) na uszkodzenia powinna by dopasowana do III kategorii przepi ciowej [5]

je eli urz dzenie to nie posiada elementów t umi cych przepi cia wewn trz urz dzenia lub w sieci

zasilaj cej, oraz dopasowana do II kategorii przepi ciowej je eli urz dzenie to jest wyposa one w

elementy ochrony przepi ciowej. Oprócz odporno ci tych urz dze na uszkodzenia, rozpatruje si

równie zagadnienie wp ywu przepi udarowych i szybkich przebiegów przej ciowych (tzw,

„burst”) na prawid owe funkcjonowanie urz dze elektronicznych i energoelektronicznych

zgodnie z warunkami technicznymi. Przy czym odporno funkcjonalna mo e by wymagana inna

dla obwodów g ównych urz dze elektronicznych lub energoelektronicznych, a inna dla obwodów

regulacji sterowania, oraz monitoringu. Dla przyk adu w tabl. 2 przedstawiono przyk adowo

podstawowe parametry odporno ci na przepi cia urz dze energoelektronicznych adresowanych

do uk adów nap dowych instalowanych w rodowisku przemys owym [7]. Odporno ta dotyczy

funkcjonowania uk adu, przy czym podczas wyst pienia tego poziomu przepi sieciowych mog

wyst pi usterki nie stanowi ce o istocie dzia ania tych uk adów.

Uk ady energoelektroniczne, których niew a ciwe funkcjonowanie mo e spowodowa

zagro enie mechaniczne (np. przypadkowe w czenie silnika zasilaj cego maszyn ) wymaga

zwykle wi kszej odporno ci na przepi cia. Obecnie w ramach opracowywanej normy (IEC 61800-


69

5-2) zostan okre lone poziomy przepi , które uk ady elektroniczne powinny „tolerowa ” i nie

powodowa b dnych zadzia a . Prawdopodobnie w tych uk adach konieczne b dzie stosowanie

specjalnego systemu t umi cego przepi cia sieciowe.

Tablica 2. Minimalne wymagania dotycz ce odporno ci uk adów nap dowych mocy na przepi cia,

a zastosowanych w rodowisku przemys owym

Przy cza Zjawisko Podstawowa norma

dotycz ca bada

Poziomy przepi

Przy cza zasilania Szybkie przebiegi

przej ciowe

IEC 61000-4-4 2kV/5kHz

sprz enie bezpo rednie

Przy cza zasilania Udar napi ciowo-

pr dowy

IEC 61000-4-5 1 kV

2 kV

Sprz gi zasilania oraz

przy cza linii pomiaro-

wych i linii steruj cych

Szybkie przebiegi

przej ciowe

IEC 61000-4-4 2kV/5kHz

pojemno ciowa klamra

sprz gaj ca

7. Wnioski

1. Ochrona przepi ciowa instalacji i urz dze zw aszcza elektronicznych i energoelektronicznych

jest potrzebna nie tylko ze wzgl du na ochron izolacji przed uszkodzeniami, lecz równie ze

wzgl du na funkcjonowanie tych urz dze w warunkach przepi , jak równie funkcjonowanie

w sposób nie stwarzaj cy zagro e mechanicznych.

2. W sieci zasilaj cej wyst puj przepi cia asymetryczne spowodowane wy adowaniami

atmosferycznymi lub zwarciami do ziemi obwodu po stronie wysokiego napi cia, które

napr aj izolacj wzgl dem ziemi.

3. W sieci zasilaj cej wyst puj przepi cia symetryczne, g ównie czeniowe napr aj ce izolacj

mi dzyprzewodow .

4. W celu eliminacji przepi asymetrycznych w sieci TN nale y prowadzi przewody L1, L2, L3

N i PE mo liwie blisko siebie, aby zminimalizowa przepi cia mi dzy przewodami a obudow

urz dzenia.

5. Urz dzenia elektroniczne i energoelektroniczne chronione przepi ciowo s dopasowywane do

II klasy przepi ciowej wg PN-IEC 664-1 za niechronione przepi ciowo do III klasy

przepi ciowej.

6. Nie zaleca si stosowania uziemienia funkcjonalnego obwodów regulacji i sterowania,

poniewa przepi cie asymetryczne mi dzy uziomami mo e uszkodzi izolacj podczas

wy adowania atmosferycznego.

7. Uk ady elektroniczne i energoelektroniczne powinny by tak zabezpieczone, aby

funkcjonowa y prawid owo podczas wyst pienia w sieci zasilaj cej przepi udarowych

i szybkich przebiegów przej ciowych.

Literatura

[1] IEC 61000-5-2:1997 Electromagnetic compatibility (EMC). Part 5: Installation and

mitigation quidelines – Section 2: Earthing and cabling.

[2] PN-IEC 60364-4-443 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla

zapewnienia bezpiecze stwa. Ochrona przed przepi ciami. Ochrona przed przepi ciami

atmosferycznymi i czeniowymi.


70

[3] Rozporz dzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków

technicznych, jakim powinny odpowiada budynki i ich usytuowanie. Dz. U. z dnia 15

czerwca 2002 r. Nr 75, poz. 690. § 53. 2, § 183.1.10.


zapewnienia bezpiecze stwa. Ochrona przed przepi ciami. Ochrona instalacji niskiego

napi cia przed przej ciowymi przepi ciami i uszkodzeniami przy doziemieniach w sieciach

wysokiego napi cia.

[5] PN-IEC 664 - 1: 1998 Koordynacja izolacji urz dze elektrycznych w uk adach

niskonapi ciowych. Cz 1: Zasady, wymagania i badania.

[6] EN 50178: 1997. Electronic equipment for use in power installations.

[7] PN-EN 61800-3/A11:2000 Elektryczne uk ady nap dowe o regulowanej pr dko ci.

Kompatybilno elektromagnetyczna (EMC) z uwzgl dnieniem specjalnych metod bada .


71

Systemy uziemiaj ce w rozwi zaniach praktycznych

dr in . Marek obodaPolitechnika Warszawska

Wprowadzenie

Za idealne uziemienie uwa a si powierzchni ekwipotencjaln , któr mo e by

powierzchnia ziemi lub p yta metalowa o du ych wymiarach powoduj ca, e ró nica potencja ów

mi dzy dowolnym punktem tej powierzchni oraz wszystkimi uziemianymi, czyli do czanymi do

niej instalacjami oraz urz dzeniami b dzie równa zeru. Przy przep ywie pr du przez uziemienie

oraz podczas jego rozproszenia w gruncie (w ziemi) ró nice potencja ów mog by równe zeru

jedynie w przypadku, gdy impedancja na drodze przep ywu pr du jest równa zero. W warunkach

rzeczywistych uzyskanie dobrych parametrów uziemienia jest d eniem do uzyskania jak

najmniejszej warto ci tej impedancji, która praktycznie zawsze ma warto znacznie wi ksz od

zera. Warto ci impedancji uziemienia, lub cz sto wymaganej w praktyce warto ci rezystancji

uziemienia, s zwi zane g ównie z rodzajem i konfiguracj uk adu uziemiaj cego, w tym uziomów,

z rodzajem oraz rezystywno ci gruntu, a tak e z parametrami pr du przewodzonego przez system

uziemiaj cy, czyli z amplitud , cz stotliwo ci , lub ze stromo ci narastania pr du uziomowego.

Wymagania stawiane systemom uziemiaj cym dotycz przede wszystkim najwi kszych

dopuszczalnych warto ci rezystancji (rzadziej impedancji) uziemienia, decyduj cych o spadkach

napi cia na uziemieniu. Wymagania te, w zale no ci od funkcji, jakie spe nia system uziemiaj cy,

dotycz :

- zapewnienia ochrony przed pora eniem elektrycznym wskutek wyst pienia napi

ra eniowych, krokowych lub dotykowych,

- zagwarantowania poprawnego funkcjonowania urz dze , instalacji i systemów elektrycznych,

telekomunikacyjnych lub informatycznych,

- zapewnienia skutecznej ochrony odgromowej obiektów budowlanych i ich wyposa enia

technicznego, nara onego na przepi cia zwi zane z rozp ywem pr du piorunowego,

- redukcji wp ywu oddzia ywania pr dów zak óceniowych, szczególnie pr dów wysokiej

cz stotliwo ci generowanych przez urz dzenia po czone z systemem uziemiaj cym (tzw.

szumów) na prac urz dze automatyki, urz dze telekomunikacyjnych, informatycznych, itp.

Z punktu widzenia szeroko poj tej tematyki kompatybilno ci elektromagnetycznej instalacji

i urz dze zasilanych energi elektryczn a tak e jako ci zasilania, preferowany jest jeden wspólny

system uziemiaj cy, który spe nia jednocze nie funkcj uziemienia roboczego, uziemienia

ochronnego a tak e uziemienia instalacji piorunochronnej.

Przyk ad wyidealizowanego systemu uziemiaj cego jest przedstawiony na rys. 1. Uk ad

uziemiaj cy tworzy swoisty rodzaj „dzielnika napi cia”, w którym po czenia okre lonych

urz dze lub instalacji za pomoc przewodów uziemiaj cych lub wyrównawczych by yby

przeznaczone wy cznie dla okre lonych rodzajów pr dów wp ywaj cych do uziomów, ró ni cych

si kszta tem, cz stotliwo ci oraz amplitud . Jednak w rzeczywistych warunkach poszczególne

pr dy sp ywaj ce do uziomu mog p yn w sposób nie zawsze kontrolowany, poprzez przewody

uziemiaj ce oraz przewody wyrównawcze, zaprojektowane i wykonywane dla ró nych instalacji

elektrycznych lub urz dze , od miejsca ich przy czenia a do umieszczonego w gruncie uziomu.


72

Rys. 1 Wyobra enie idealnego

uk adu uziemiaj cego - rodzaju

dzielnika z dedykowanymi

odprowadzeniami dla ró nych

rodzajów pr dów wp ywaj cych

do uziomu.

Parametry elektryczne uk adu uziemiaj cego maj zdecydowanie ró ni ce si warto ci,

zale ne od rodzaju i charakteru pr du odprowadzanego do gruntu, zw aszcza dla pr dów wielkich

cz stotliwo ci lub pr dów doziemnych wy adowa piorunowych.

1. Charakterystyka systemów uziemiaj cych

W dowolnym systemie uziemiaj cym znajduj cym si w obiekcie budowlanym mo na

wyró ni jego elementy sk adowe, zilustrowane na rys. 2, które w istotnym stopniu wp ywaj na

efektywno funkcji realizowanych przez system uziemiaj cy. S to:

4

5

6

3

z

10

1198

7

21

w

2

Rys. 2 Szkic systemu uziemiaj cego w

obiekcie budowlanym: 1- uk ad uziomów,

2- przewody uziemiaj ce, 3 – g ówna

szyna uziemiaj ca, 4 - szyna

wyrównawcza (ekwipotencjalizacyjna), 5 -

przewody ochronne (PE), 6 – prze-wody

wyrównawcze, 7 – po czenie

wyrównawcze z instalacj wodoci -gow ,

8 - po czenie wyrównawcze z instalacj

gazow , 9,10,11 - po czenia

wyrównawcze instalacji telekomunika-

cyjnej, zasilaj cej, informatycznej

realizowane za pomoc ograniczników

przepi .

1. Konfiguracja uziomów, czyli uk ad elektrod umieszczonych w gruncie w celu rozproszenia

pr du. Charakterystycznym parametrem okre laj cym elektryczne cechy systemu uziemiaj cego

jest rezystancja uziemienia uziomu, b d ca przede wszystkim rezystancj obj to ci gruntu na

obszarze pomi dzy uziomem a dowolnym punktem wierzchniej warstwy gruntu, czyli tzw. ziemi

odniesienia, której potencja nie ulega zmianom pod wp ywem pr du rozpraszanego przez uziom

Jest ona wyznaczana w sposób obliczeniowy lub poprzez pomiary i okre la elektryczne parametry

uziomu podczas przewodzenia, w a ciwe dla przewodzenia pr dów sta ych, lub pr dów

przemiennych o cz stotliwo ci sieciowej. Warto rezystancji uziemienia uziomu jest przede

wszystkim uzale niona od rodzaju i rezystywno ci gruntu, w którym jest umieszczony uziom oraz

od kszta tu i wymiarów samego uziomu (rys.3).W przypadku pr dów wysokich cz stotliwo ci

nale y oszacowa impedancj uziemienia a w przypadku pr dów piorunowych tzw. udarow

rezystancj lub impedancj uziemienia, które mog w znacznym stopniu ró ni si od rezystancji

statycznej uziemienia.


73

a) b)

Rys. 3 Elementy uziemienia wp ywaj ce na warto rezystancji uziemienia (a) i porównanie rezystancji udarowej

uziomu Ru podczas przewodzenia pr du udarowego Im z jego rezystancj statyczn Rs (b), dla: A – uziomu pionowego

umieszczonego w gruncie gliniastym, B – uziomu pionowego umieszczonego w gruncie gliniasto-kamienistym ze

wirem, C – uziomu pionowego umieszczonego w gruncie piaszczystym.

2. Maksymalny spadek napi cia na uziomie oraz rozk ad napi cia na powierzchni ziemi w

otoczeniu uziomów. Wi e si to z mo liwo ci powstania niebezpiecznego potencja u na

uziemionych elementach instalacji lub urz dze w obiekcie przy przep ywie pr du przez

uziemienie. Ró nice potencja u w otoczeniu uziomu mog stanowi zagro enie dla ludzi,

spowodowane napi ciem dotykowym lub krokowym (rys. 4). Natomiast w przypadku

impedancyjnych lub udarowych spadków napi cia nale y liczy si z wyst pieniem napi

zak ócaj cych prac urz dze telekomunikacyjnych lub informatycznych oraz przewodzonymi

przepi ciami piorunowymi nara aj cymi izolacj instalacji zasilaj cych lub telekomunikacyjnych

lub informatycznych.

Rys. 4 Rozk ad potencja u na powierzchni ziemi

stwarzaj cy zagro enie pora eniowe w otoczeniu

uziemionego obiektu na terenie stacji

elektroenergetycznej: 1 – uziom, 2 – rozk ad

potencja u przy braku otokowych uziomów

wyrównawczych, 3 – rozk ad potencja u w

przypadku umieszczenia uziomów

wyrównawczych w gruncie na zró nicowanej

g boko ci (sterowanie potencja em), Uu –

napi cie wzgl dem ziemi odniesienia, Iz – pr d

zwarcia doziemnego.

3. Szyna uziemiaj ca (szyna po cze wyrównawczych) b d ca miejscem po cze poszczególnych

przewodów cz cych okre lone urz dzenia i instalacje z uziomem. Bardzo istotne jest miejsce

lokalizacji szyny w danym obiekcie oraz sposób wykonania jej po czenia z uziomem,

zapewniaj cy trwa o i ma rezystancj po cze przewodów uziemiaj cych i wyrównawczych

z szyn uziemiaj c lub wyrównawcz .

4. Liczba, wymiary oraz sposób prowadzenia przewodów uziemiaj cych, które maj zasadnicze

znaczenie zarówno dla zapewnienia bezpiecze stwa ludzi, czyli ograniczenia skutków pora enia

pr dem elektrycznym, jak i zapewnienia funkcjonalno ci zarówno urz dze odbiorczych zasilanych

z sieci o okre lonej konfiguracji (np. instalacji wykonywanych w systemie TN-S a zasilanych z

sieci TN-C).

5. Konfiguracja sieci po cze wyrównawczych bezpo rednich, które maj za zadanie

odprowadzanie do ziemi pr dów up ywu, pr dów zak óceniowych wysokiej cz stotliwo ci


74

(np. pr dów zak óce radiotelekomunikacyjnych lub pr dów szumów generowanych przez systemy

komputerowe) lub cz ciowych pr dów piorunowych. W wielu przypadkach jest niezb dne

stosowanie tzw. powierzchni potencja u odniesienia, czyli lokalnych powierzchni

ekwipotencjalnych (siatek ekwipotencjalnych), pokrywaj cych ca e pomieszczenia, w których

instalowane s urz dzenia szczególnie wra liwe na pr dy zak óceniowe wysokiej cz stotliwo ci

a) b)

fe

kl. II

fe

kl. I

SPDs SPDs

lbb

bb

mc

ecp

ecp

dcs dcs mc mc mc

mc mc

il

mp

ec

el

met

L, N

mbc ecp

ats (LPZ 0)

PE

L, N

PE

bc

(LPZ 1)

ets ec

bc

ec

1

2 fe

kl. II

fe

kl. I

SPDs SPDs

lbb

bb

mc

ecp

ecp

dcs

dcs mc mc mc

mc mc

il

mp

ec

el

met

L, N

sbc ecp

ats (LPZ 0)

erp

PE

L, N

PE

bc

(LPZ 1)

ets ec

bc

ec

1

2

Rys. 5 Uk ad uziemie (1) oraz uk ad po cze wyrównawczych (2) w obiekcie budowlanym z instalacj

piorunochronn : a) konfiguracja oczkowa, b) konfiguracja promieniowa. Oznaczenia: ats – zwód, bb – szyna

wyrównawcza, bc - przewód wyrównawczy, dcs – przewód odprowadzaj cy; ec – przewód uziemiaj cy, ecp – cz

przewodz ca obca, el –wprowadzane linie elektryczne, erp – uziemieniowy punkt odniesienia, ets – uk ad uziomowy,

fe – urz dzenie elektryczne sta e (klasa I lub II), il - linie informatyczne, lbb - lokalna szyna wyrównawcza, mbc -

konfiguracja oczkowa, mc – urz dzenie metalowe, met - g ówna szyna wyrównawcza (zacisk uziemiaj cy), mp – rura

metalowa, sbc - konfiguracja promieniowa, SPDs – ograniczniki przepi , LPZ 0, 1 – strefy ochronne w obiekcie.

Wymagania stawiane poszczególnym rodzajom uziemie : roboczym (funkcjonalnym),

ochronnym lub odgromowym cz sto w istotny sposób ró ni si od siebie. Mo e powsta pytanie

czy poszczególne rodzaje uziemie i przewodów uziemiaj cych powinno czy ze sob oraz w jaki

sposób je projektowa i wykonywa , aby ka da z wymaganych funkcji systemu uziemiaj cego by a

spe niona efektywnie i zgodnie z przepisami.

Obecnie nie ma w tpliwo ci, e wszystkie wymagania dla poszczególnych rodzajów

uziemie mo e efektywnie spe ni jeden wspólny zintegrowany system uziemieniowy, jednak e

pod warunkiem w a ciwego jego zaprojektowania i wykonania. Z punktu widzenia kompatybilno ci

elektromagnetycznej oraz ochrony od przepi piorunowych, w obiektach budowlanych

wyposa onych we wra liwe urz dzenia techniczne (np. elektroniczne lub informatyczne) s

preferowane konfiguracje uk adu uziemiaj cego przedstawione na rys. 5.

2. Wybrane aspekty praktyczne

2.1. Ocena rezystancji lub impedancji uziemienia

Obliczenia rezystancji uziemienia wykonywane s na podstawie bardziej lub mniej

uproszczonych zale no ci, które w ogólnym przypadku wynikaj z matematycznego opisu

odwzorowania uziomów w o rodku przewodz cym, jakim jest grunt, lub z do wiadcze

empirycznych. Niezale nie od stosowanych zale no ci, na wynik obliczenia warto ci rezystancji

statycznej uziemienia decyduj cy wp yw ma warto rezystywno ci gruntu , która mo e by

poprawnie okre lona jedynie w sposób eksperymentalny – najcz ciej na podstawie pomiarów

sondowania geoelektrycznego gruntu metod czteroelektrodow Wennera (rys. 6a).Warto ci


75

rezystywno ci gruntu w du ym stopniu podlegaj zmianom sezonowym w przede wszystkim

wskutek zmian wilgotno ci gruntu (rys.6b), a tak e jego temperatury. Pomiary rezystywno ci

gruntu nale y wykonywa na danym terenie wielokrotnie przy ró nych odst pach elektrod

pomiarowych, zwracaj c szczególna uwag na interpretacj uzyskanych wyników zw aszcza na

terenie uzbrojonym lub wówczas, gdy wyst puje wielowarstwowa struktura gruntu.

Rys. 6a Szkic uk adu do pomiaru rezystywno ci gruntu metod Wennera (a) oraz zmiany rezystywno ci

gruntu w zale no ci od wilgotno ci gruntu.

2.2 Trwa o systemu uziemiaj cego

Trwa o systemu uziemiaj cego przyjmowana jest w za o eniach projektowych na okres

nie mniejszy ni 20-30 lat. Decyduje o niej najcz ciej odporno na korozj poszczególnych cz ci

uziemienia, zw aszcza tych, które w sposób bezpo redni s nara one na oddzia ywanie

zewn trznych czynników atmosferycznych, czyli uziomów oraz przewodów uziemiaj cych oraz ich

po cze . Znajduj ce si w gruncie uziomy, mog by degradowane wskutek korozji

elektrochemicznej (zwanej korozj ziemn ) spowodowanej obecno ci ogniw galwanicznych,

tworz cych si przy zetkni ciu metalu z roztworami wodnymi sk adników gruntu a jej kinetyka

zale y przede wszystkim od sk adu chemicznego gruntu. Du e zagro enie korozyjne metalowych

konstrukcji podziemnych, w tym uziomów stanowi pr dy b dz ce (korozja elektrolityczna).

Szybko korozji elektrolitycznej zale y g ównie od nat enia zewn trznych pr dów b dz cych.

Aby zminimalizowa wp yw korozji a tym samym wyd u y czas eksploatacji uziemie

nale y:

- stosowa pow oki antykorozyjne materia ów stalowych przez ich pomiedziowanie lub

ocynkowanie na gor co,

- unika styku materia ów ró ni cych si potencja em elektrochemicznym, gdzie produkty

korozji naturalnej wybijane z materia u katody (np. mied ) mog yby powleka galwanicznie

materia anody (np. stal),

- zapewni opowiednio du y przekrój powierzchni przekroju uziomu, przewodów uziemiaj cych

i po czeniowych,

- zabepieczy styki po cze przed wilgoci poprzez ich zaizolowanie lub stosowanie

trwa ych po cze metali za pomoca spawania egzotermicznego (rys. 7).


76

Rys. 7 Widok po czenia wykonanego

technik spawania egzotermicznego (ang.

thermowelding) okr g ego uziomu

stalowego pomiedziowanego z bednark

stalow ocynkowan (poprzecznik) po

badaniach pr dami udarowymi o

amplitudzie ok. 100kA.

2.3 Pomiary powykonawcze lub kontrolne rezystancji uziemienia

Weryfikacja poprawno ci wykonania uk adu uziemie oraz kontrola jego stanu po

okre lonym czasie eksploatacji jest dokonywana poprzez pomiary rezystancji uziemienia uk adu

uziomów oraz elektrycznego sprawdzenia ci g o ci przewodów ochronnych i wyrównawczych, w

odst pach czasów wymaganych przy okresowych kontrolach stanu technicznego danego rodzaju

instalacji.

Pomiar rezystancji uziemienia uziomów jest wykonywany metod techniczn przy u yciu

ród a pr du przemiennego, lub przy u yciu mierników zasilanych bateryjnie. Wykonuje si go w

uk adzie pomiarowym przedstawionym na rys.8. Bardzo istotnym jest wielokrotne powtarzanie

pomiarów przy ró nych odst pach miedzy elektrodami pomiarowymi, a tak e uzyskanie

powtarzalnych wyników przy ró nych kierunkach umieszczania elektrod pomiarowych. Cz sto

wykonanie poprawnego pomiaru rezystancji uziemienia jest utrudnione lub technicznie niemo liwe,

zw aszcza na obszarach przemys owych lub zabudowanych, gdzie wyst puje wiele metalowych

instalacji podziemnych, nie zawsze po czonych z systemem uziemiaj cym.

Rys. 8 Szkic usytuowania

elektrod pomiarowych

oraz podstawowe zasady

wykonywania pomiaru

rezystancji uziemienia

uk adu uziomowego.

3. Uwagi ko cowePodstawowymi czynnikami decyduj cymi o zasadach projektowania i wykonania systemów

uziemiaj cych s :

- wymagana, na ogó ma a, warto rezystancji uziemienia oraz dopuszczalnych warto ci napi

ra eniowych dotykowych i krokowych,

- techniczne mo liwo ci wykonania uziomów o okre lonym kszta cie i konfiguracji na danym

terenie,

- trwa o i niezawodno uziemienia przez za o ony czas jego eksploatacji,

- jako u ytych materia ów i koszty budowy uziemienia.


77

Nowatorstwo do praktyki instalacyjnej

mgr in . Antoni Lisowski Przewodnicz cy TC 70 PKN

Rzeczoznawca SEP

Truizmem jest stwierdzenie, i pocz tek XXI wieku m.in. znamienny jest tym, e coraz

bardziej znacz cy udzia w obci eniu instalacji elektrycznych (w tym domowych) maj nowe

rodzaje odbiorników: odbiorniki elektroniczne (czytaj: nieliniowe). Wprowadzaj one now jako

w obci aniu tych instalacji. Tym nowym sytuacjom i wyzwaniom trzeba wyj naprzeciw.

Powoduje to konieczno zado uczynienia w procesie projektowania, wykonywania i eksploatacji

przedmiotowych instalacji tak e stawianym nowym wymaganiom. W konsekwencji od osób dozoru

(D) oraz eksploatacji (E) wymaga trzeba odpowiednio aktualnej wiadomo ci, wiedzy

i umiej tno ci. W a ciwym momentem egzekwowania i sprawdzania tego s egzaminy

kwalifikacyjne na D oraz E.

Wychodz c naprzeciw takiemu wyzwaniu Centralny O rodek Szkolenia i Wydawnictw

Stowarzyszenia Elektryków Polskich przygotowuje odpowiednie materia y po yteczne w tej mierze

zarówno dla egzaminatorów jak i dla egzaminowanych. Dalej podaj przyk ady pyta , o które m.in.

powinna zosta rozszerzona paleta docieka cz onków komisji egzaminacyjnych przy sprawdzaniu

posiadania przez egzaminowanego wymaganych kwalifikacji. S to pytania mojego autorstwa w

stosunku do kandydatów ubiegaj cych si o stwierdzenie kwalifikacji D lub E w zakresie grupy I

rodzaju urz dze , pozycja 2: urz dzenia, instalacje i sieci elektroenergetyczne o napi ciu nie

wy szym ni 1 kV. S one skorelowane z materia em pozwalaj cym sformu owa w a ciw

odpowied . Zakres opanowania tego materia u ocenia egzaminator odpowiednio do wymaga

stawianych egzaminowanemu. Na D trzeba wykaza si opanowaniem ponad 70 % podanego

materia u, a na E wystarczy efekt dwukrotnego uwa nego przeczytania go ze zrozumieniem.

PRZYK AD PIERWSZY

Czy w przewodzie neutralnym N symetrycznie obci onego uk adu trójfazowego pr dIN mo e osi gn warto wi ksz od najwi kszej warto ci pr du fazowego If, tzn. czy IN > If ? A je eli tak, to w jakich warunkach ?

Odpowiedzi na te pytania s wa ne przede wszystkim z uwagi na dobór przekroju przewodu

neutralnego. Dotychczasowe uwarunkowania obci eniowe instalacji trójfazowych, typowe dla

pierwszej po owy XX wieku, cechowa y si obci eniami o charakterze liniowym. Oznacza o to, e

sinusoidalne napi cie zasilaj ce powodowa o przep yw niesinusoidalnego pr du obci enia. To

z kolei przy symetrycznym obci eniu faz powodowa o, e ich suma stanowi ca pr d przewodu

neutralnego sprowadza a si do zera pr d w przewodzie neutralnym nie p yn . Poniewa z tego

wzgl du d ono do obci ania faz w miar jak najbardziej symetrycznie, osi gaj c relatywnie

znacz co ma e obci enie przewodu neutralnego, dlatego fakt ten generowa i uzasadnia potrzeb

niskiego wymiarowania jego przekroju.

Pocz tkowo w instalacjach i sieciach korzystano z zasady stosowania przekroju

przewodu neutralnego równego po owie przekroju przewodu fazowego (SN = ½ Sf ). W miar jak


78

sieci i instalacje mno y y si , a zapewnienie warunku obci enia prawie symetrycznego w

eksploatacji stawa o si coraz trudniejsze, a w ko cu przestawa o by przestrzegane, przyj to

zasad , e SN ma by jedynie o stopie gradacji przekrojów przewodów mniejszy od Sf.

W ostatnich dekadach lat XX wieku coraz cz ciej zdarza o si stosowanie tych samych przekrojów

dla przewodów neutralnych co i fazowych (nie tylko ze wzgl du na wymagania ochrony

przeciwpora eniowej). Wiek XXI znamienny staje si powszechnym wyst powaniem

odbiorników elektronicznych w obci eniu instalacji elektrycznych, a nieraz jest to obci enie

dominuj ce. Obci enie takie jest obci eniem nieliniowym, co nale y rozumie , e sinusoidalne

napi cie zasilaj ce powoduje przep yw niesinusoidalnego pr du, tzn. pr du o przebiegu czasowym

nie stanowi cym sinusoidy i dlatego nazywanym powszechnie pr dem odkszta conym lub

niesinusoidalnym. W takim przypadku nawet w pe ni symetryczne obci enie poszczególnych faz

uk adu trójfazowego nie wyzerowuje warto ci pr du w przewodzie neutralnym. Wobec tego

wymaga to zastanowienia si jakich warto ci pr dów mo na si spodziewa w nieliniowo

obci onych instalacjach elektrycznych ?

Zacznijmy od, zaskakuj cego jak na dotychczasowe wyobra enia, stwierdzenia, e

w przewodzie neutralnym N symetrycznie obci onego uk adu trójfazowego pr d IN mo eosi gn warto wi ksz od najwi kszej warto ci pr du fazowego If, tzn. mo e by IN > If.Innymi s owy odpowied na pierwsze pytanie okazuje si twierdz ca.

Na drugie pytanie odpowied jest nast puj ca. Do takich sytuacji mo e dochodzi w

przypadkach trójfazowych obci e nieliniowych. Przyk adem efektu takiego obci enia mo e

by przebieg pr du zasilania komputera PC, który mi dzy innymi przedstawiono na ni ej

zamieszczonym rysunku.

Podobny przebieg ma wi kszo zasilaczy uk adów elektronicznych. Jest to typowy

przebieg pr du zasilania uk adu prostowniczego z obci eniem rezystancyjno – pojemno ciowym

(pojemno wyg adzaj ca). W przybli eniu mo na go uto sami z pr dem o przebiegu:

Ip = 0,6.(sin x – sin 3x)

dla 1/3 x 2/3 oraz (1/3 +1) C (2/3 + 1) , który jest bardzo podobny (patrz wy ej

zamieszczony rysunek)


79

Przebieg ten, dla przedzia u 0 x 2 mo na zapisa ogóln relacj :

Ip =A.(sin x – B.sin 3x) = A1.sin x – A3.sin 3x + A2.n+1.sin[(2n + 1)x + ]

gdzie n 2, A jest amplitud przebiegu If, B jest stosunkiem A3 do A1, A1 jest amplitud

pierwszej harmonicznej If, A3 jest amplitud trzeciej harmonicznej If. Przy pomini ciu wy szych

harmonicznych, poczynaj c od pi tej (w cznie, n . 2), otrzymujemy, e A1 = A, za A3 = AB.

Teraz mo emy dla przyk adu zapyta : dla jakiej warto ci B pr d w przewodzie neutralnym IN, przy

symetrycznym nieliniowym obci eniu trójfazowym, b dzie dwukrotnie i wi cej przekracza

warto pr du fazowego, tzn. IN 2.If ?

W celu uzyskania odpowiedzi korzystamy z narzuconego warunku oraz bierzemy pod uwag , e:

IN = 3.A3, za

Mamy kolejno:

9.A32

4(A12

+ A32)

9.A2.B

2 4.A

2. +4.A

2.B

2

54,0B

otrzymuj c odpowied , e pr d w przewodzie neutralnym IN, przy symetrycznym nieliniowym

obci eniu trójfazowym, b dzie dwukrotnie i wi cej przekracza warto pr du fazowego, tzn.

IN 2.If , je eli B 0,9.

W realnych przypadkach zawarto trzeciej harmonicznej w pr dzie komputera wynosi 93

% pierwszej harmonicznej (A3 : A1 = 0,9 … 0,95), a w stosunku do warto ci skutecznej pr du

komputera stanowi 68 % (A3 : If = 0,6 … 0,7). Oznacza to, e przy zaniedbaniu wy szych

harmonicznych powy ej pi tej w cznie IN 2. If, a ich uwzgl dnienie powoduje, e w

rzeczywisto ci IN = (0,6 … 0,7), I f 3. I f. Nale y te pami ta , e IN mo e ró ni si od If

cz stotliwo ci ; w prezentowanym przypadku cz stotliwo IN wynosi 150 Hz.

Zachodzi zatem potrzeba zachowania szczególnej przezorno ci przy zbyt pochopnym

uleganiu przestarza ej zasadzie, e przekrój przewodu neutralnego mo e by (?) o stopie mniejszy

od przekroju przewodu fazowego (skrajnego).

PRZYK AD DRUGI

Zagadnienia jako ci pr du elektrycznego (energii elektrycznej, w tym jego odkszta cenia) nabieraj ostatnio coraz wi kszego znaczenia. Dlaczego ? A skoro tak jest, to zaprezentuj sw wiedz o wa nym w tej sferze zjawisku elektrycznych przebiegów odkszta conych, np. wyja niaj c (z uzasadnieniem) czy suma udzia ów procentowych poszczególnych harmonicznych (w tym i pierwszej) pr du (np. odbiornika nieliniowego, powiedzmy komputera) mo e przekracza 100 % ?

Odpowied na pierwsze pytanie wynika z nast puj cych przes anek. Ostatnie dziesi ciolecia

przynios y znacz cy rozwój przekszta tników pó przewodnikowych i energoelektroniki (zarówno

przemys owej jak i ma ej, komunalnej). Znalaz o to implementacj w zasilaczach urz dze

22

31f AAI


80

elektronicznych, nap dach elektrycznych, odbiornikach z zakresu AGD, itp. Dzi pobierane pr dy

cz sto nie s sinusoidalne. To spowodowa o obci anie sieci wy szymi harmonicznymi, a

w nast pstwie odkszta canie krzywej napi cia sieciowego. Zasilanie szeregu urz dze napi ciem

niesinusoidalnym niekorzystnie wp ywa na ich prac . Coraz gwa towniej nabieraj znaczenia

sprawy ochrony uk adu zasilaj cego przed odkszta conymi pr dami, ochrony uk adów odbiorczych

przed zasilaniem odkszta conym napi ciem i ochrony instalacji odbiorczych przed skutkami

konieczno ci u ytkowania obok siebie odbiorników liniowych i nieliniowych. Stan taki rodzi

zarówno problemy w sferze regulacji prawnych jak i wymaga technicznych. Dlatego istotna sta a

si potrzeba posiadania pog bionych wiadomo ci o w a ciwo ciach wy szych harmonicznych i ich

konsekwencjach.

Odpowied na drugie pytanie jest twierdz ca, tzn. czy suma poszczególnych udzia ów

procentowych poszczególnych harmonicznych (w tym i pierwszej) przebiegu odkszta conego mo e

przekracza 100 %. Np. Pr d pobierany przez komputer ma kszta t jak prz4edstawiono na ni ej

zamieszczonym rysunku.

Sk ada si on z harmonicznych nieparzystych, g ównie od 3 do 17. Ustalony ich udzia

procentowy podano w tabliczce i zaprezentowano na ni ej podanym wykresie.

Sk adowa

harmoniczna I1 I3 I5 I7 I9 I11 I13 I15 I17

Udzia

procentowy 100 % 90,2 % 70,5 % 47,5 % 24,6 % 9 % 9 % 12,8 % 11,5 %

Udzia pierwszej harmonicznej w warto ci skutecznej If = 61,5 %; udzia warto ci

skutecznej wy szych harmonicznych (bez pierwszej) Iwh = 48,6 %, gdy :

11

1715131197531f

I1,626I

IIIIIIIIII

22222222

222222222

115,0128),09,009,0246,0475,0705,0902,01


81

Zatem suma tych udzia ów wynosi 110,1 % i w sposób oczywisty jest wi ksza od 100 %.

Dzieje si tak dlatego, e suma udzia ów jest rozumiana jako zwyk a suma arytmetyczna

(liniowa). Tymczasem warto skuteczna pr du odkszta conego jest szczególn sum nieliniow

poszczególnych sk adowych harmonicznych (sum pitagorejsk wy szego rz du, sum kwadratów

poszczególnych, nieraz licznych, sk adników). W ten sposób przedstawiony na rysunku

przybli ony przebieg pr du komputera ip, maj cy równe udzia y pierwszej i trzeciej harmonicznej

po 0,6, ma amplitud o warto ci 1,2 oraz warto skuteczn

Jak wida suma udzia ów procentowych wy szych harmonicznych w rozpatrywanym przypadku

przybli enia kszta tu pr du komputerowego (wynosi 141 %) i wykazuje, e mo e przekracza

100%.

Wynika to z faktu, e udzia y procentowe sk adników przywykli my odnosi do ca o ci i

sumowa je arytmetycznie. Tymczasem warto wielko ci wynikowej jest specyficzn sum

nieliniow sk adowych harmonicznych (sum kwadratów warto ci sk adników, sum wed ug Prawa

Pitagorasa). Skutkuje to zjawiskiem, e wzgl dnie du e zmiany sk adników niewiele zmieniaj

warto wynikow jako ca o , która jest baz odniesienia do okre lania udzia ów procentowych.

Oznacza to, e przy znacznym wzro cie procentowym sk adników ca o wzrasta wolniej ni

warto sumy sk adników, co powoduje relatywne zmniejszanie si bazy procentowej czyli wi kszy

wzrost sumy udzia ów ni wywo any nim wzrost ca o ci.

Jakie praktyczne spostrze enia z tych rozwa a warto zapami ta ? Otó warto zauwa y , e

wzgl dnie du e zmiany sk adowej powoduj stosunkowo ma e zmiany warto ci wynikowej. Innymi

s owy du e zmiany warto ci sk adowej harmonicznej prawie nie powoduj zmiany warto ci pr du

jako ca o ci. Analogicznie pomini cie szeregu sk adowych harmonicznych nie powoduje

proporcjonalnego b du w oszacowaniu warto ci ca o ci. Dokumentuje to przyk ad pr du

komputera If. Przeanalizujmy jaki wp yw na warto skuteczn If ma pomini cie harmonicznych od

5 do 17 ? Warto skuteczna pomijanych harmonicznych wynosi:

Wida , e pomini cie 56 % udzia u wprowadzi o uchyb (b d) tylko 17 %.

%48,60,486I1,626

I0,791

I

Ik,%61,50,615

I1,626

I

I

Ik

1

1

f

whwh

1

1

f

11

;115,0128,009,009,0246,0476,0705,0902,0 22222222

22222222

11

171513119753wh

I0,791I

IIIIIIIII

.%70,5kI

I0,705

I1,41

I

I

Ikzatema

,I1,41IIIII

3

p

3

1

1

p

11

11131p 21122

.%560,56I1,626

I0,91

I

Ik:zatem

I0,91I

IIIIIIII

1

1

f

17-517-5

11

1715131197517-5

2222222

2222222

115,0128,009,009,0,0246,0475,0705,0

%17,0%100I

I1,35-I1,626

I

I-Iuchybzatem

I1,35-III

1

11

f

pf

1131p

626,1%100

902,01 222


82

W N I O S K I (1) Rozwa aj c spodziewane obci enia przewodów w instalacjach elektrycznych trzeba

liczy si nawet przy obci eniach symetrycznych ze znacz cym obci eniem, w stosunku

do obci enia faz, przewodu neutralnego; a co dopiero w przypadku obci e

niesymetrycznych !

(2) Przewód neutralny w instalacjach elektrycznych nieraz mo e by obci ony bardziej ni

fazowy. Pr d przewodu neutralnego jest mocno odkszta cony, gdy zawiera przede

wszystkim trzeci harmoniczn , która stanowi sum trzecich harmonicznych (i wszystkich

o wielokrotno ci krotno ci trzy) obci e fazowych i zale y od udzia u w nich obci e

nieliniowych (elektronicznych). Jego pierwsza harmoniczna jest wprawdzie sum , ale

geometryczn (w sensie wektorowym), pierwszych harmonicznych pr dów fazowych i

zale y od niesymetrii obci enia..

(3) Znane s ju coraz cz stsze przypadki uszkadzania si przewodu neutralnego [1].

Statystyczny przyrost takich uszkodze jest wywo any nieliniowymi obci eniami

instalacji elektrycznych projektowanych i wykonanych wed ug dotychczasowych praktyk.

Ale pojawi y si one te w instalacjach , gdzie oprzewodowanie cechuje si jednakowymi

przekrojami przewodów fazowych i neutralnych. Oprócz obci enia nieliniowego

przyczyn mo e tu by z a jako zasilania: nadmiernie odkszta cone napi cie zasilaj ce w

wyniku wyst powania w s siedztwie odbiorników nieliniowych.

(4) Praktycy powinni zrewidowa sw wiadomo i wiedz w odniesieniu do:

wymiarowania przewodu neutralnego,

do kontroli obci e przewodu neutralnego i

do mo liwej przyczyny jego przeci e oraz uszkodze .

L I T E R A T U R A

[1] Krzysztof GAJEK, Pawe CIBIOREK: „Wyst powanie wy szych harmonicznych w sieci Zak adu Energetycznego ÓD –TEREN S.A.”543, materia y seminarium nt.

ZABURZENIA W NAPI CIU ZASILAJ CYM, zorganizowanego w ramach Polskiego

Partnerstwa Jako ci Zasilania przez Europejski Program Leonardo da Vinci, ód ,

9 czerwca 2003 r., str. 97 … 100.

Documents

#3 Konstancin Referaty