Wybrane problemy ochrony przed porażeniami w stacjach SN/nn zasilających sieci w układzie TN – cz. II

Stacje SN/nn bez rozdzielonych uziemień

W tym punkcie omówiony zostanie przypadek najczęściej występujący w Polsce – stacja zasila sieć w sys­temie TN i ma wspólne uziemienie dla stron SN i nn.

Szczegółowe zadania i wynikające z nich wymagania dla takich uziemień są następujące:

1. Zadanie: Napięcie na przewodzie PE (PEN) podczas zwarcia doziemne­go w sieci nn poprzez część przewo­dzącą niepołączoną z tym przewodem (np. w przypadku zerwania przewodu fazowego i opadnięcia na grunt) nie może przekroczyć 50 V W celu zre­alizowania tego zadania powinno być spełnione wymaganie, że wypadkowa rezystancja wszystkich uziomów sie­ci nn (np. sztucznego przy stacji, jej fundamentów, dodatkowych uziemień na trasie linii, uziemień u odbiorców) oznaczona jako R_B ma spełniać waru­nek:

R_B/R_E ≤ 50 v/(U_O – 50 V)                 (4)

gdzie: R_E – minimalna rezystancja styku z ziemią [Ω] części przewodzą­cych obcych niepołączonych z prze­wodem ochronnym , przez które może nastąpić zwarcie między przewodemfazowym a ziemią; U_o – nominalne na­pięcie sieci względem ziemi [V].

W normie [8] się podaje, że można przyjąć R_E = 10 Ω, wówczas dla sieci 0,4 kV otrzymuje się warunek

R_B ≤ 2,78 [Ω]

Warto zajrzeć do publikacji [8], aby rozszerzyć wiedzę o tym zagadnieniu (genezie i ocenie). Zaznacza się, że we współczesnych sieciach warunek (4) bardzo rzadko decyduje o rezy­stancji R_B. Jeśli jednak decyduje, to warto oszacować R_E, aby zwiększyć wymagane maksymalne R_B. Może to być wykonane wg warunku:

R_E = 0,228 ρ_E [Ω]                      (5)

gdzie: ρ_E – rezystywność gruntu, naj­mniejsza na trasie linii [Ωm].

Z tego warunku wynika pośrednio zalecenie, aby linii napowietrznych o przewodach gołych lub nie w pełni izolowanych nie przeprowadzać nad zbiornikami i szerszymi ciekami wod­nymi.

Rys. 2 Dopuszczalne napięcie zakłóceniowe wg [7]

2. Zadanie: Podczas zwarcia doziem­nego napięcie zakłóceniowe przeno­szone do sieci nn nie powinno prze­kroczyć wartości dopuszczalnej, praktycznie warunek dotyczy napięcia uziomowego. Uzyskuje się to, realizu­jąc warunek:

R_B ≤ U_F/I_E                                (6)

gdzie: U_F – dopuszczalne napięcie za­kłóceniowe określone na podstawie rys. 2 [6] lub rys. 3 [7].

Podano dwie krzywe, ponieważ obec­nie w wykazie norm powołanych jest jeszcze norma [7], z której pochodzi wykres na rys. 2. Jeśli zostanie prze­tłumaczona norma [6] (obecnie jest dostępna w języku oryginału i przez PKN uznana za aktualną) i wprowa­dzona do norm powołanych, to należy skorzystać z wykresu na rys. 3. Na temat, które normy stosować – w ję­zyku oryginału aktualne wg PKN czy normy powołane w języku polskim, już przez PKN wycofane – ciągle się dys­kutuje. Artykuł ściśle techniczny nie jest dobrym miejscem do prowadze­nia tej dyskusji.

Rys. 3 Dopuszczalne napięcie zakłóceniowe wg [6]

3. Zadanie: Napięcia dotykowe rażeniowe podczas zwarcia doziemnego w stacji SN/nn nie powinny przekro­czyć wartości dopuszczalnych poka­zanych na rys. 4.

Przy okazji można się zastanawiać, czy wykresy na rys. 3 i 4, mimo że przedstawiają różne wielkości do­puszczalne, są takie same, a niewiel­kie różnice wynikają z niedokładności rysowania w normach, czy są jednak różne. Różnicę w zasadzie widać tylko dla czasu 0,01 s, którego osiąg­nięcie jest nierealne, szczególnie w sieciach SN.

Postawione zadanie jest zrealizo­wane, jeśli napięcie uziomowe U_E nieprzekracza podwójnej wartości naj­większego dopuszczal nego napięcia dotykowego rażeniowego podanego na rys. 4 [3, 4], czyli

R_B ≤ 2U_Tp /I_E                           (7)

Ponieważ zawsze: 2U_Tp > U_F

(tak dla U_F wg normy [6], jak i wg normy [7]) warunek (7) jest zawsze łagodniejszy od warunku (6) i można go w praktyce nie sprawdzać. Jeśli ze względów formalnych w protokole trzeba udowodnić, że napięcia doty­kowe rażeniowe nie są przekroczone, można bez problemu to obliczyć, ale i tak ten warunek nie będzie nigdy de­cydował o wymaganej wartości R_B.

Rys. 4 Dopuszczalne napięcie dotykowe rażeniowe [3]

4. Zadanie: W przypadku przerwania przewodu PEN na trasie linii dodat­kowe uziemienia powinny umożliwić zamknięcie obwodu dla prądu zwar­ciowego. Ma w tym pomóc m.in. uzie­mienie punktu neutralnego transfor­matora SN/nn, który jest pierwszą częścią rezerwowego obwodu reali­zującego ten cel. Wartość rezystan­cji uziemienia przy źródle, czyli przy samym transformatorze, nie jest podana w żadnej normie PN czy EN. Jednak wszyscy specjaliści są zgodni, że takie uziemienie powinno być. Wy­maganie dla niego jest opisane w [8] i przedstawia dwie możliwości:

Rezystancja R_BN, obliczona jako wy­padkowa rezystancja uziomu stacji i tych uziemień, których rezystan­cja nie przekracza 30 Ω (każdego uziemienia należącego do operatora sieci], znajdujących się wraz z uzie­mionym przewodem na obszarze koła o średnicy 200 m obejmującego sta­cję zasilającą sieć spełniała warunek:

R_BN ≤ 5 Ω

jeżeli rezystywność gruntu jest więk­sza lub równa 500 Ωm, to wartość 5 Ω można zastąpić wartością:

ρ_min/100

gdzie ρ_min oznacza najmniejszą zmie­rzoną zastępczą wartość rezystywności gruntu, w którym będą umiesz­czone uziomy.

Przy braku uziemień przewodów PEN (PE) o rezystancji nieprzekraczającej 30 Ω w obszarze koła o średnicy 200 m, powyższe wymagania powinna spełniać rezystancja uziomu punktu neutralnego sieci niskiego napięcia zasilanej ze stacii [podkreślenie auto­ra). Dobrą nazwą dla tego uziemienia może być „uziom przy stacji” i ozna­czenie R_BNS.

Wymaganie opisane związane z kołem średnicy 200 m jest nazywane cza­sem żartobliwie analizą kółkową.

Autor jest wyraźnym zwolennikiem stosowania podkreślonego wymaga­nia, które jest nieco ostrzejsze od analizy kółkowej, ale znacznie prost­sze do sprawdzenia podczas pomia­rów – bez uwarunkowania, że tylko „przy braku uziemień”. Biorąc pod uwagę, że norma SEP obecnie nie jest w żaden sposób umocowana prawnie, jest to całkowicie dopuszczalne. Rozwiązanie związane z analizą kół­kową jest potrzebne, ale tylko w sta­cjach SN, gdzie zastosowano rozdzie­lenie uziemień strony SN i nn. Wspomnieć trzeba, że uziom przy stacji o rezystancji 10 Ω jest i tak potrzebny z punktu widzenia ochrony przepięciowej, zmniejszenie jego rezy­stancji do 5 Ω nie jest już takie trud­ne. Norma [8] przewiduje złagodzenie wymagania „5 Ω” przy rezystywnościach gruntu większych od 500 Ωm, ale autor nie jest jego zwolennikiem. Wyjątkiem mogą być stacje w terenie skalistym lub bardzo piaszczystym i odwodnionym.

Druga część obwodu rezerwowego dla prądu zwarciowego jest rozpro­szona i jest utworzona przez uziomy wzdłuż i na końcu linii oraz przy wprowadzeniu przewodu PEN (PE) do każ­dego budynku lub obiektu.

5. Zadanie: Zapewnienie właściwego działania środkom ochrony przepię­ciowej. Wymaganie to sprowadza się do tego, aby rezystancja uziemienia przy stacji R_BNS nie była większa niż 10 Ω.

6. Zadanie: Dopuszczalne przepię­cie dla wyposażenia instalacji niskie­go napięcia nie powinno przekroczyć przy czasie wyłączenia  ≤ 5 s wartości U₀ + 1200 V

Sprowadza się to do wymagania, aby

                     (8)

Nie zwraca się uwagi na tę zależność, ponieważ otrzymany warunek jest za­wsze łagodniejszy niż wynikający z za­leżności (4), a przy spotykanych cza­sach działania zabezpieczeń także (6). Przejrzenie wymienionych warunków daje dwa ogólniejsze wnioski:

• wymagana dopuszczalna rezystan­cja R_B powinna spełniać warunki (4) i (6), przy czym przeważnie decydu­je ten drugi,
• wymagana rezystancja uziomu przy stacji R_BNS powinna być mniejsza od 5 Ω.

Rys. 5 Przykład wykonania stacji SN/nn z rozdzielonymi uziemieniami

Stacja SN/nn z rozdzielonymi uziemieniami

Celem zabiegu jest uniknięcie obo­wiązku stosowania wzoru (6), który przy większych (czasem już od np. 200 A) prądach ziemnozwarciowych ustanawia warunki, które trudno zrealizować w niektórych stacjach zasilanych liniami napowietrznymi zasilających sieci z niewielką liczbą odbiorców i ewentualnie dodatko­wo położonych na terenach o dużej rezystywności gruntu (np. powyżej 500 Ωm).

W takich stacjach zamiast warunku (6) dla uziemienia ochronnego strony SN obowiązuje zależność:

R_E ≤ 2U_Tp/I_E                              (9)

Otrzymana wartość jest dwukrotnie większa od uzyskanej ze wzoru (6), jeśli projekt jest wykonany wg normy [5], i około dwa razy większa, jeśli jest wykonywany wg normy [6].

Uziemienie dla strony nn przy stacji musi mieć rezystancję nie większą od 10 Ω z punktu widzenia ochro­ny od przepięć i powinien być speł­niony warunek opisany w punkcie d zawierający analizę kółkową. Uzie­mienie wykonane dla celów ochrony przepięciowej nie może być połączo­ne z uziemieniami przewodu PEN. Z kolei uziemienia przewodu PEN muszą być odpowiednio oddalone od wszystkich uziomów połączonych ze stroną SN stacji – wystarczy odległość 20 m. Mogą to być od­powiednio usytuowane słupy linii nn lub złącza kablowe przy zasilanych budynkach lub obiektach. Przykład wykonania takiego rozdzielenia poka­zany jest na rys. 5.

Sugeruje się, aby to rozwiązanie po­zostawić tylko dla stacji SN/nn za­silanych liniami napowietrznymi SN zasilającymi niewielkie sieci nn z ogra­niczoną (np. 20) liczbą odbiorców, które w realnej perspektywie czaso­wej nie będą połączone z innymi sie­ciami nn. Przykładem tego są stacje zasilające osiedla leśne, które składa­ją się z kilku, kilkunastu zabudowań. Absolutnie nie należy stosować roz­dzielenia uziemień w stacjach na te­renie zespolonej instalacji uziemiają­cej, chociaż tego zakazu nie zawiera żadna z norm.

Stacje i linie na terenach zespolonej instalacji uziemiającej (ZIU)

Jest to temat ciągle niedopraco­wany w normach, które właściwie poprzestają na ogólnikowych stwier­dzeniach, szczególnie jeśli chodzi o definicję tego pojęcia oraz zakwa­lifikowanie centrów miast i większych zakładów przemysłowych jako terenu ZIU. Trudniej już o określenie kryte­riów przynależności stacji SN/nn do ZIU. Także literatura nie wnosi oczy­wistych wyjaśnień.

Natomiast nie ma wątpliwości, że wszelkie pomiary rezystancji uzie­mień, w tym stacji SN/nn, na tere­nach ZIU są obarczone ogromnymi błędami, jeśli uda się wystraczająco pogrążyć uziomy pomocnicze. Głów­ną przyczyną błędów jest brak moż­liwości znalezienia strefy potencjału zerowego między uziomem badanym a uziomem pomocniczym prądowym. Istnieje także pewna wątpliwość for­malna, chociaż „czuje się”, że za­grożenie, o którym mowa dalej, nie występuje. Jeśli określona instalacja uziemiająca jest częścią ZIU, to zwal­nia się ją z badania skuteczności do­datkowej ochrony od porażeń. Zwolnienie odnosi się do konieczności sprawdzania napięć dotykowych rażeniowych i jest zawarte w normach
[3, 4], które dotyczą instalacji elek­troenergetycznych o napięciu powy­żej 1 kV, czyli w odniesieniu do niniej­szego artykułu uziemienia ochronnego dla stacji SN/nn, położonych na tere­nie ZIU. Ostatnie analizy wykazują, że kwalifikacja terenu jako ZIU jest zależna od wartości prądu ziemno­zwarciowego, chociaż nie wynika to z norm. Zauważa się, że raczej się nie uwzględnia korzyści wynikających z ZIU dla stacji o górnym napięciu 110 kV

Normy [5, 6] dotyczące instala­cji o napięciu do 1 kV nie zawierają zwolnienia ze sprawdzania napięcia zakłóceniowego U_F przenoszonego do odbiorców, jeśli stacja SN/nn leży na terenie ZIU. Jednakże napięcie to u odbiorców nie wywołuje zagrożenia porażeniowego samo w sobie, ale przez wytworzenie napięć dotykowych (rzadziej krokowych). Jeśli założyć, że wszystkie instalacje są ze sobą po­łączone w budynku lub na zewnątrz, bo taka jest właściwość ZIU, to na pewno zapewnione są właściwe na­pięcia rażeniowe. Przy tym trzeba pamiętać, że w instalacjach nn nie bada się napięć dotykowych rażeniowych w oparciu o krzywą na rys. 4, ale ograniczenie dotyczy napięcia na przewodzie ochronnym PE (lub PEN). Można się zastanawiać, jakie pomia­ry wykonywać dla uziemień stacji znajdujących się na terenach ZIU. Obecnie najczęściej poprzestaje się na pomiarze rezystancji uziemienia, aby uczynić zadość przepisom, jednak pomiar ten jest obarczony ogromny­mi błędami. Sprawa pomiarów w sta­cjach na terenie ZIU ciągle jest dys­kusyjna – może trzeba sprawdzić, czy uziom danej stacji SN/nn jest połą­czony z uziomami, które na pewno nie są częściami urządzeń czy instalacji elektrycznych, np. hydrantami (jeśli wodociąg jest przewodzący). For­malnie te zagadnienia nie są nigdzie uregulowane, mimo to nie są znane przypadki porażeń z powodu dotyku pośredniego na terenach, które moż­na uznać za ZIU.

Jeszcze jedna uwaga: wobec po­wszechnego stosowania nieprzewodzących tworzyw sztucznych w sie­ciach gazowych i wodociągowych następuje rozpad siatki uziomów naturalnych na terenach miast. Ze­spolone instalacje uziemiające tworzą obecnie przewodzące pozostałości tych sieci i urządzenia elektroenerge­tyczne. Dlatego warto byłoby się za­stanowić, jak utrzymać ciągłość ZIU.

Wątpliwości

Na koniec artykułu kilka spraw dysku­syjnych, które trapią autora przy jego zainteresowaniu tematyką ochrony przed porażeniem.

Pierwsza sprawa to sposób pomiaru wypadkowej rezystancji uziemie­nia oznaczanej jako Rg. Większość instrukcji załączanych do mierników wspomina o odległości uziomu po­mocniczego prądowego od uziomubadanej stacji SN/nn równej 40 m, a uziomu napięciowego w połowie tej odległości czy lepiej wg aktualnej wie­dzy – 62%. Rzadko, ale zauważa się wyrażanie tych odległości w relacji do największego poziomego rozmiaru uzio mu. Rb jest rezystancją, w której się uwzględnia uziemienia na trasie linii nn i u odbiorców, czyli rozłożone na dużej odległości. Jak powinny być rozmieszczone uziomy pomocnicze w takiej sytuacji?

Drugie zagadnienie to liczba prze­wodów uziemiających w stacjach SN/nn. Studiowanie teorii pomiarów wskazuje, że z tego punktu widzenia korzystny jest jeden wspólny prze­wód uziemiający, co umożliwia pomiar nawet metodą jednocęgową. U nas powszechne jest, że są przynajmniej dwa przewody uziemiające – niebieski powiązany z szyną N i żółto-zielony uziemiający szynę PE. Dopiero pod powierzchnią gruntu są przyłączone do wspólnego uziomu. A normy mó­wią o „wspólnej instalacji uziemia­jącej”, a nie o „wspólnym uziomie”. Gdyby wykonywać instalację uziemia­jącą wspólną dla obu funkcji, byłaby ona łączona w wielu miejscach, więc pewniejsza. Uzasadnienie, że stacja jest przygotowywana do rozdzielenia uziemień, jest nierozsądne, bo takie rozwiązanie jest nadzwyczaj rzadkie. Lepsze uzasadnienie jest, jeśli tłuma­czenie jest związane z rezerwowa­niem połączenia. Jednak przeważnie odpowiedź brzmi: bo tak jest w stan­dardzie lub warunkach technicznych, bez uzasadnienia merytorycznego. Trzeci problem to stosowane współ­czynniki sezonowych zmian rezystywności gruntu. Ich wartości uznawane wprost za dogmat, prze­pisywane we wszelkich instrukcjach i materiałach szkoleniowych, podał prof. K. Wołkowiński, zaznaczając, że mają charakter tymczasowy. Oparte są na badaniach uczonych radzieckich z lat 1950-1958 w jednym rodzaju gruntu. Żadna norma PN czy EN na­wet nie wspomina o konieczności ich wprowadzania, przy czym może się to wiązać z różnymi charakterystykami gruntów w poszczególnych krajach UE. Problem ten będzie tematem za­interesowania jednego z najbliższych artykułów autora.

Wnioski

Tekst ma charakter informacji dla projektantów i osób eksploatujących stacje SN/nn zasilające najbardziej w Polsce rozpowszechnione sieci w układzie TN.

Uziemienia w takich stacjach mogą być wykonywane jako wspólne dla strony SN i nn lub oddzielne. Ten drugi wariant należy stosować tylko wyjątkowo, w miejscach gdzie trud­no zapewnić wymagane rezystan­cje uziemień ze względu na bardzo duże rezystywności gruntu i niewiel­ką liczbę odbiorców. Wskazane jest, aby sieć nn zasilana z takiej sta­cji była oddalona od sieci zasilanych ze stacji z uziemieniami wspólnymi, chociaż zalecenie to wynika tylko ze względów praktycznych, a nie me­rytorycznych.

Kryteria pierwotne dla stacji SN/nn są oparte na wartościach różnych napięć dopuszczalnych: dotykowych rażeniowych, zakłóceniowych przeno­szonych do sieci nn i przewodu PEN/ PE względem ziemi. Ze względów praktycznych sprowadza się je do dopuszczalnych maksymalnych rezy­stancji uziemień, co zostało pokazane w artykule.

Wyrażone w niektórych miejscach wątpliwości odnośnie do niektórych zagadnień szczegółowych nie powo­dują jednak, że nasze sieci są nie­bezpieczne. Obecnie obserwuje się w zakładach dystrybucyjnych aż nad­mierną ostrożność w zakresie zapew­nienia właściwej ochrony od porażeń.

Na koniec pesymistyczny wniosek oparty na współczesnej definicji ochrony od porażeń: Jest to zespół środków zmniejszających ryzyko po­rażenia. Tylko zmniejszający, a nie uniemożliwiający porażenie. Można znaleźć przypadki z niesamowitym zbiegiem okoliczności, które dopro­wadziły do nieszczęśliwego wypadku. Nie ma sieci i urządzeń elektrycznych bezpiecznych w stu procentach.

dr inż. Witold Hoppel

emerytowany docent Instytutu Elektroenergetyki Politechniki Poznańskiej

Literatura

1. W. Hoppel, Poszukiwanie najlepszej de­finicji pojęcia „napięcie dotykowe rażeniowe”, „Wiadomości Elektrotechnicz­ne” nr 1/2018.
2. W. Hoppel, Sieci średnich napięć. Auto­matyka zabezpieczeniowa i ochrona od porażeń, PWN, Warszawa 2017.
3. PN-EN 50522:2011 Uziemienie insta­lacji elektroenergetycznych prądu prze­miennego o napięciu wyższym niż 1 kV.
4. PN-E-05115 Instalacje elektroenerge­tyczne prądu przemiennego o napięciu wyższym od 1 kV.
5. PN-HD 60364-4-41:2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochro­na przed porażeniem elektrycznym.
6. PN-HD 60364-4-442:2012 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona instalacji niskiego napięcia przed przepię­ciami dorywczymi i powstającymi wskutek zwarć doziemnych w układach po stronie wysokiego i niskiego napięcia [oryg.].
7. PN-IEC 60364-4-442:1999 Insta­lacje elektryczne w obiektach bu­dowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed prze­pięciami. Ochrona instalacji niskiego napięcia przed przejściowymi przepię­ciami i uszkodzeniami przy doziemieniach w sieciach wysokiego napięcia.
8. SEP N SEP-E-001 Sieci elektroener­getyczne niskiego napięcia. Ochrona przed porażeniem elektrycznym, War­szawa 2013.