#3 Konstancin Referaty

SYMPOZJUM „CiągáoĞü i jakoĞü zasilania” Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r.

z cyklu „Polskie Partnerstwo JakoĞci Zasilania” zorganizowane w ramach „Europejskiego Programu Leonardo da Vinci” jako forma realizacji projektu „Edukacyjny Program JakoĞci Zasilania Leonardo”

Leonardo Power Quality Initiative

ORGANIZATORZY:

REJON ENERGETYCZNY JEZIORNA ZAKàADU ENEREGETYCZNEGO WARSZAWA – TEREN S.A.

CENTRALNY OĝRODEK SZKOLENIA I WYDAWNICTW STOWARZYSZENIA ELEKTRYKÓW POLSKICH

POLSKIE CENTRUM PROMOCJI MIEDZI S.A.

KOMITET NAUKOWY:

Przewodniczący: prof. dr hab. inĪ. Zbigniew Hanzelka

Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

Sekretarz naukowy: mgr inĪ. Antoni Lisowski

COSiW i KAE SEP

prof. dr hab. inĪ. Antoni Dmowski

Politechnika Warszawska

prof. dr hab. inĪ. Zdobysáaw Flisowski

Politechnika Warszawska

prof. dr hab. inĪ. Andrzej Sowa

Politechnika Biaáostocka

dr inĪ. Tomasz Kowalak

Urząd Regulacji Energetyki

dr inĪ. Marek àoboda

Politechnika Warszawska

dr inĪ. Andrzej Wójciak

Politechnika Warszawska

mgr inĪ. Michaá Ramczykowski

Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A.

mgr inĪ. Roman Targosz

Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A.

Sympozjum „CiągáoĞü i jakoĞü zasilania” Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r.

zorganizowano pod patronatem Centrum Promocji JakoĞci i Efektywnego UĪytkowania Energii Elektrycznej (JUEE), AGH Kraków

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

Redakcja, opracowanie graficzne i skáad: Monika Wolska Centralny OĞrodek Szkolenia i Wydawnictw Stowarzyszenia Elektryków Polskich

SPIS TREĝCI

1. mgr inĪ. R. Targosz Koszty záej jakoĞci energii jako uzasadnienie Europejskiej Inicjatywy JakoĞci Zasilania „Leonardo Power Quality Initiative”....................................7

2. prof. dr hab. inĪ. A. Dmowski Ukáady gwarantowanego zasilania o podwyĪszonych wskaĨnikach energetycznych......................................................................................................13

3. dr inĪ. T. Kowalak CiągáoĞü zasilania – zadaniem dostawcy energii.................................................27

4. dr inĪ. A. Wójciak Wymiarowanie przewodu neutralnego................................................................33

5. mgr inĪ. A. Boczkowski Problemy wymiarowania i koordynacji zabezpieczeĔ w instalacjach elektrycznych.................................................................................39

6. prof. dr hab. inĪ. Z. Flisowski PrzepiĊcia: przyczyny, skutki i sposoby ich ograniczania..................................45

7. prof. dr hab. inĪ. A. Sowa Uziemienia i poáączenia wyrównawcze w ochronie odgromowej i przeciwprzepiĊciowej............................................................................................57

8. prof. dr hab. inĪ. Z. Flisowski, mgr inĪ. A. Pytlak, mgr inĪ. H. ĝwiątek Koordynacja zagadnieĔ ochrony przepiĊciowej i kompatybilnoĞci elektromagnetycznej..............................................................63

9. dr inĪ. M. àoboda Systemy uziemiające w rozwiązaniach praktycznych........................................71

10. mgr inĪ. A. Lisowski Nowatorstwo do praktyki instalacyjnej...............................................................77

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Koszty záej jakoĞci energii jako uzasadnienie Europejskiej Inicjatywy JakoĞci Zasilania Polskiego Partnerstwa JakoĞci Zasilania LEONARDO mgr inĪ. Roman Targosz Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. NOWE SYSTEMOWE PODEJĝCIE DO WIEDZY NA TEMAT JAKOĝCI ZASILANIA Inicjatywa wspierana przez KomisjĊ Europejską, Europejski Instytut Miedzi, objĊta Polskim Partnerstwem JakoĞci Zasilania 1. Co nas skáoniáo do zainicjowania dziaáaĔ w sferze jakoĞci zasilania w ramach programu LEONARDO? Koszty niskiej jakoĞci zasilania coraz czĊĞciej stają siĊ sprawą najwaĪniejszej wagi dla przemysáu i firm usáugowych. Okoáo 50% budynków doĞwiadcza powaĪnych problemów z jakoĞcią zasilania. Praktycznie Īaden budynek nie jest zasilany idealnie. Niska jakoĞü zasilania kosztuje przemysá europejski dziesiątki miliardów euro rocznie. 2. Co to jest Inicjatywa LPQI? Inicjatywa programu Leonardo dotycząca JakoĞci Zasilania jest programem edukacyjnym przeznaczonym dla osób i instytucji decydujących o zastosowaniu róĪnych technologii w dziedzinie instalacji elektrycznych. DziĊki temu programowi mogą one rozpoznaü, zdiagnozowaü i oceniü problemy związane z jakoĞcią zasilania oraz kompatybilnoĞcią elektromagnetyczną, wystĊpujące w instalacjach niskiego napiĊcia. 3. Jakie są narzĊdzia LPQI? ¾Poradnik JakoĞci Zasilania, unikalne Ĩródáo informacji publikowane w czĊĞciach w sumie obejmujące ponad 40 zeszytów. CzĊĞci wstĊpne poradnika są dostĊpne w sieci internetowej. 7

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

¾StronĊ internetową www.lpqi.org z moĪliwoĞcią nauki korespondencyjnej, tj. wykáadami poĞwiĊconymi poszczególnym zagadnieniom, prezentacje ze slajdami oraz bibliotekĊ, a takĪe poradnik w formie odpowiedzi na najczĊĞciej zadawane pytania (FAQ), forum dyskusyjne i porady specjalistów * ¾Programy seminaryjne omawiające podstawowe zagadnienia i dające dobry start w program nauczania korespondencyjnego. ¾Program umoĪliwiający uzyskanie certyfikatu po ukoĔczeniu kursu korespondencyjnego i zdaniu testu *.

4. Definicja jakoĞci energii: „ Zbiór warunków, które umoĪliwiają funkcjonowanie systemów elektrycznych zgodnie z ich przeznaczeniem bez widocznej utraty cech funkcjonalnych i trwaáoĞci”. C. Sankaran WĞród warunków, o których mowa w definicji jest znajomoĞü zagadnieĔ, które definiują systemy elektryczne. Pomimo wysiáków zmierzających do poprawy jakoĞci energii ze strony jej dostawców, poprawy odpornoĞci i emisyjnoĞci urządzeĔ, lepszych rozwiązaĔ w zakresie technik pomiarowych i wreszcie rozwiązaĔ redukujących lub zapobiegających skutkom zaburzeĔ, problemy związane z jakoĞcią energii nie nikną a wrĊcz eskalują. Przyczyną takiego stanu rzeczy jest oczywiĞcie rosnąca liczba obciąĪeĔ stwarzających takie problemy ale w nie mniejszym stopniu nie optymalne rozwiązywanie problemów jakoĞci energii wiąĪące siĊ z brakiem dostatecznej wiedzy na ten temat. WiedzĊ o jakoĞci energii moĪna scharakteryzowaü nastĊpująco: – luka edukacyjna dla dorosáych, – niedostatek praktycznych, niekomercyjnych i obiektywnych Ĩródeá wiedzy o jakoĞci energii, – brak platformy komunikacyjnej dla praktyków, specjalistów a z drugiej strony poszukujących rozwiązaĔ w dziedzinie jakoĞci energii. Reasumując; problemy tej natury są stosunkowo nowe. Wiedza na ich temat, choü bogata nie zostaáa dotąd we wáaĞciwy sposób upowszechniona. LEONARDO ma tĊ lukĊ uzupeániü.

5. Poradnik jakoĞci zasilania 1.1. 1.2. 2.1. 3.1. 3.2.2. 3.3.3. 4.1. 5.1. 5.1.3.

*

8

WstĊp. Poradnik samodzielnej oceny jakoĞci zasilania. Koszty niskiej jakoĞci zasilania. Przyczyny powstawania i skutki dziaáania. Rzeczywista wartoĞü skuteczna - jedyny prawdziwy wyznacznik. Filtry aktywne. OdpornoĞü, PewnoĞü, Redundancja Zasilania. Zapadáy napiĊcia – Wprowadzenie. Wprowadzenie do asymetrii.

efekty te, jak i projekt są rozwijane etapami i wiĊkszoĞü z nich bĊdzie w peáni dostĊpna w 2003 i 2004 roku.

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

5.2.1. Obsáuga zapobiegawcza - Klucz do jakoĞci zasilania. 5.3.2 Zapobieganie zapadom napiĊcia. 6.1 Systemowe PodejĞcie do Uziemienia.

Nowy pakiet poradnika – 6 czĊĞci od maja 2003 w jĊzyku angielskim – sukcesywnie táumaczonych na jĊzyk polski x

x

x

Filtry pasywne Poradnik w zakresie korzystania z filtracji pasywnej; jak usuwaü lub redukowaü harmoniczne prądu w instalacji elektrycznej. Wymiarowanie przewodu neutralnego ZwiĊzáy poradnik na temat praktyk w zakresie wymiarowania przewodu neutralnego. Mocno osadzony w normach miĊdzynarodowych oraz praktykach spotykanych w innych krajach. Raczej wyjaĞniający niĪ warunkujący. NiezawodnoĞü zasilania – informacje podstawowe 9

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

x

x

x

6.

Projektowanie systemów zasilania to kompromis miĊdzy interesami uĪytkowników – niezawodnoĞü i jakoĞü energii elektrycznej a interesami dostawców energii – moĪliwy do realizacji poziom kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych. Pewna elastycznoĞü w dostosowywaniu do siebie obu interesów jest dopuszczalna nie moĪe siĊ jednak opieraü na lekcewaĪeniu pewnego niekwestionowanego minimum zarówno po stronie wyposaĪenia systemu a tym bardziej zasad jego eksploatacji. Odporna na zaburzenia konstrukcja budynku o przewaĪających obciąĪeniach z zakresu technologii informatycznej Budynek o wysokim nasyceniu technologią IT w Mediolanie zostaá poddany caákowitej wymianie instalacji dla rozwiązania problemów jakoĞci energii. Wszystkie odbiory zostaáy podzielone na 3 kategorie: normalne (49%), preferencyjne (13%), uprzywilejowane (38%). KaĪdej kategorii jest przyporządkowany inny poziom jakoĞci energii. Studium wzbogacone o analizĊ ekonomiczną. Studium przypadku – zapady napiĊcia w sektorze produkcji dzianiny Zapady napiĊcia mogą katastrofalnie wpáywaü na niektóre procesy produkcyjne. Ich zapobieganiu mogą sáuĪyü rozwiązania sieciowe i te w systemie zasilania odbiorcy. Analiza przypadku wymienia rozwiązania i analizuje pod wzglĊdem ekonomicznym. Systemy uziemieĔ Gáówne definicje i parametry. WáasnoĞci uziomów. Rodzaje systemów w zaleĪnoĞci od funkcji. Typowe rozwiązania. Metody pomiaru parametrów systemów uziemiających.

Strona internetowa

W 11 wersjach jĊzykowych. àącznie ponad 10.000 stron. CzĊĞü ogólna i czĊĞü z obszarem rezerwowanym – absolutnie bezpáatna.

http://www.lpqi.org

10

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

7. Koszty jakoĞci energii Koszty jakoĞci energii staáy u podstaw inicjatywy edukacyjnej Leonardo. 8 czerwca 2000 r. odbyáa siĊ w Brukseli konferencja, na której sformuáowano wniosek, Īe koszty związane z jakoĞcią energii mają oddziaáywanie na tyle powszechne i na taką miarĊ, Īe potrzebna jest inicjatywa edukacyjna, która uruchomi praktyczne poradnictwo dla Ğrodowiska, które doĞwiadcza takich problemów i nie potrafi sobie z nimi w optymalny sposób poradziü. Oblicza siĊ, Īe problemy związane z jakoĞcią zasilania kosztują przemysá i handel europejski okoáo 100 miliardów euro rocznie, gdy tymczasem nakáady na Ğrodki zapobiegające powstawaniu tych problemów są mniejsze niĪ 5% tych kosztów. Powstaje zasadnicze pytanie: „Ile pieniĊdzy naleĪy zainwestowaü w dziaáania zapobiegawcze, aby zminimalizowaü ryzyko awarii?", OdpowiedĨ na to pytanie zaleĪy od charakteru prowadzonej dziaáalnoĞci. Po pierwsze trzeba zrozumieü naturĊ problemu i oceniü jak dany problem wpáywa na dziaáalnoĞü firmy oraz jakie mogą byü potencjalne straty. Rodzaje kosztów Istnieje kilka podziaáów kosztów. Z perspektywy uĪytkownika najbardziej oczywisty to podziaá na koszty wewnĊtrzne i zewnĊtrzne. Bardziej ogólny podziaá kosztów wygląda nastĊpująco: BEZPOĝREDNIE

•NiedogodnoĞci związane z transportem

•Związane z produkcją •Strata czasu na wypoczynek •Związane z bezpieczeĔstwem osób i mienia •Pogorszenie warunków bytowania •Związane ze stratami •NaraĪenie zdrowia lub strach GOSPODARCZE

SPOàECZNE POĝREDNIE

•Koszty odlegáe utraty przychodu •Koszty utraty rynku i odtworzenia

•Ewakuacja

Zaburzenia a koszty Oddziaáywanie róĪnych zaburzeĔ i odksztaáceĔ prądów i napiĊü nie jest jednakowe. CzĊsto powoduje przemijające ale dokuczliwe problemy. Nieraz doprowadza do natychmiastowej awarii, w innych przypadkach efekty siĊ kumulują i awaria nastĊpuje póĨniej a jej nastĊpstwa są powaĪniejsze. • Harmoniczne – skrócenie czasu eksploatacji do 75% projektowanej trwaáoĞci. • Zaburzenia ciągáoĞci zasilania. • Straty bezpoĞrednie siĊgające w niektórych przypadkach 4.000.000 €. • Straty poĞrednie wynikające z przestoju – utracone korzyĞci. • Zmiany napiĊcia zasilającego. 11

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

•

NiestabilnoĞü procesów przemysáowych, przedwczesne zuĪycie urządzeĔ (równieĪ w efekcie niesymetrii), migotanie Ğwiatáa.

RóĪne kryteria oceny strat Przy ocenie potencjalnych zagroĪeĔ naleĪy braü pod uwagĊ wiele czynników, czĊsto ignorowanych, które w momencie awarii mogą decydowaü o jej skutkach: • Koszt urządzeĔ. • Spodziewany okres eksploatacji urządzenia. • WraĪliwoĞü urządzeĔ. • Koszty personelu. • Przestój z powodu uszkodzeĔ mechanicznych. • Przestój z powodu naprawy (w tym odtworzenia danych sterujących procesem). • Koszt zmarnowanego surowca. • Utracone przychody. • Koszty odlegáe utraty przychodu. • Koszt utraty udziaáu w rynku. • Koszt utraty marki. Ryzyko ze strony problemów jakoĞci zasilania jest bardzo powaĪne nawet dla sektorów nie korzystających z wysokorozwiniĊtych technologii, poniewaĪ naraĪa i takie sektory na duĪe straty finansowe. Z drugiej strony zapobieganie powstawaniu takich problemów jest stosunkowo tanie i obejmuje róĪne dziaáania od zastosowania prostych i sprawdzonych reguá projektowych po instalowanie szeroko dostĊpnych urządzeĔ, systemów i rozwiązaĔ jakoĞci energii. Projekt Leonardo takie reguáy projektowe i dziaáania prezentuje.

8. Wnioski JakoĞü energii to obszar bardzo szeroki, którego ranga ciągle wzrasta, obejmujący kilkanaĞcie, a moĪe kilkadziesiąt szeroko zarysowanych problemów, dla których moĪna wymieniü jeszcze wiĊkszą liczbĊ rozwiązaĔ. Tak waĪne jest zatem systemowe podejĞcie do jakoĞci energii i kompleksowoĞci tego zjawiska: - poprzez wnikliwą analizĊ i zrozumienie jego istoty w kaĪdym jednym przypadku, - przez szeroko rozumianą edukacjĊ i uwraĪliwienie na zjawisko, aby w konsekwencji doprowadziü do siĊgania do optymalnych rozwiązaĔ jakoĞci energii, Oferowany przez Polskie Partnerstwo JakoĞci Zasilania cykl seminaryjny jest jednym z waĪnych elementów systemowego podejĞcia do jakoĞci energii. Cykl seminaryjny zostaá podzielony na nastĊpujące czĊĞci: Odksztaácenie napiĊü i prądów. PewnoĞü i jakoĞü zasilania. Zaburzenia w napiĊciu (wahania + zapady + asymetria). KompatybilnoĞü elektromagnetyczna, systemy uziemieĔ. Naszą intencją jest, aby seminaria stanowiáy wstĊp do korzystania z LEONARDO. Zapraszamy do korzystania z projektu.

12

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Ukáady gwarantowanego zasilania o podwyĪszonych wskaĨnikach energetycznych prof. dr hab. inĪ. Antoni Dmowski Instytut Elektroenergetyki Politechniki Warszawskiej

1. WstĊp Wiele odbiorników energii elektrycznej wymaga zasilania energią elektryczną o odpowiedniej jakoĞci. Pod pojĊciem odpowiednia jakoĞü zasilania rozumiane jest tu zasilania odbiornika staáym co do wartoĞci napiĊciem skutecznym. NapiĊcie to musi byü pozbawione skáadowych wysokich czĊstotliwoĞci, które mogą zakáócaü pracĊ zasilanych odbiorników. W szczególnoĞci dotyczy to odbiorników elektronicznych opartych o technikĊ cyfrową. Dodatkowo znaczna czĊĞü w/w odbiorników wymaga zasilania napiĊciem ze staáą czĊstotliwoĞcią. Jednak w ostatnim czasie pojawiáa siĊ nowa grupa odbiorników, które ze wzglĊdów technologicznych muszą byü zasilane bezprzerwowo regulowanym napiĊciem przemiennym z regulowaną czĊstotliwoĞcią. Tą grupĊ odbiorników tworzą róĪnego rodzaju ukáady napĊdowe z silnikami indukcyjnymi. W dalszej czĊĞci referatu dla celów porządkowych UPS ze staáym co do wartoĞci skutecznym napiĊciem wyjĞciowym i staáą czĊstotliwoĞcią bĊdzie oznaczany symbolem UPS z indeksem c – UPSc. UPS z regulowanym napiĊciem wyjĞciowym i regulowaną czĊstotliwoĞcią bĊdzie oznaczany symbolem UPS z indeksem N –UPSN. W odniesieniu do ukáadów UPSc mogą byü stosowane dwie podstawowe technologie wykonania. Pierwsza polega na tym, Īe odbiornik jest zasilany z wyjĞcia falownika DC/AC. Falownik DC/AC jest zasilany z prostownika sieciowego do wyjĞcia którego doáączona jest równolegle bateria. Bateria ta zasila falownik przy zaniku napiĊcia w sieci energetycznej. Drugim rozwiązaniem jest ukáad, w którym transformator wyjĞciowy UPS-a i odbiornik jest zasilany przez regulator napiĊcia przemiennego z sieci energetycznej. Do dodatkowego uzwojenia tego transformatora jest doáączony falownik z baterią chemiczną. Falownik ten dostarcza napiĊcia wyjĞciowego UPS przy zaniku napiĊcia w zasilającej sieci elektroenergetycznej. W czasie obecnoĞci napiĊcia w sieci elektroenergetycznej przez diody zwrotne falownika jest áadowana bateria. Ukáad opisywany wyĪej nie moĪe byü stosowany w ukáadzie UPSN. Ze wzglĊdu na ograniczone ramy referatu ukáad ten nie bĊdzie dalej opisywany. Dodatkowymi waĪnymi parametrami kaĪdego ukáadu UPS są: x x x x

sposób oddziaáywania na sieü zasilającą, sprawnoĞü energetyczna ukáadu, zachowanie siĊ w przypadku przeciąĪenia i zwarcia zacisków wyjĞciowych UPS, na wymienione wyĪej parametry UPS-u ma zasadniczy wpáyw konstrukcja poszczególnych podzespoáów (obwodów) skáadowych UPS-u. Problemy te zostaną opisane w dalszej czĊĞci referatu.

13

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

2.

Rola poszczególnych podzespoáów

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

Rys. 1 Schemat blokowy ukáadu UPSc.

Rys 2 Schemat ukáadu UPSN.

W skáad obu ukáadów wchodzą: -

14

Tr – Transformator zasilający (niekoniecznie dla UPSc) EMI – Filtry zakáóceĔ radioelektronicznych P – prostownik gáówny PB – Prostownik do áadowania baterii (B) B – Bateria chemiczna – akumulator LC – Filtr obwodu poĞredniczącego Do – Dioda odcinająca DC/AC – Falownik zmieniający napiĊcie staáe na napiĊcie przemienne PS – Ukáad obejĞciowy UPS-u UN – Ukáad nadzoru

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

2.1 Filtry EMI Filtry EMI speániają podwójną rolĊ: x po pierwsze chronią sam UPS od zakáóceĔ pochodzących od strony sieci zasilającej, od strony odbiornika i od strony ukáadów sterujących (np. poáączenie UPS-u z zasilanym przez niego komputerem), x po drugie ograniczają zakáócenia generowane przez UPS.

2.2 Prostownik gáówny: filtr obwodu poĞredniczącego LC i dioda Do Prostownik gáówny za poĞrednictwem filtru LC zasila falownik DC/AC. NapiĊcia wyjĞciowe prostownika gáównego powinno byü o parĊ procent wiĊksze niĪ napiĊcie baterii w celu ograniczenia wpáywu pulsacji wystĊpujących w obwodzie poĞredniczącym wywoáanych pracą falownika. Dioda Do odcina wpáyw napiĊcia Up-w obwodzie poĞredniczącym na bateriĊ chemiczną B.

2.3 Rola baterii chemicznej B Bateria chemiczna zasila obwód poĞredniczący (falownik DC/AC). W przypadku zaniku napiĊcia w przemiennoprądowej sieci zasilającej lub w przypadku awarii prostownika gáównego.

2.4 Falownik DC/AC w ukáadzie UPSc Jedno lub trójfazowy falownik DC/AC jest podstawowym blokiem UPSc. Zadaniem falownika jest zasilanie staáym co do wartoĞci napiĊciem o staáej czĊstotliwoĞci wybranej grupy odbiorników. Wstanie ustalonym falownik jest zasilany bezpoĞrednio z sieci przez prostownik gáówny P. W stanach awaryjnych falownik jest zasilany z akumulatora (baterii chemicznej).

2.5 Falownik DC/AC w ukáadzie UPSN Trójfazowy falownik DC/AC jest podstawowym blokiem ukáadu UPSN [8,9]. W stanie ustalonym zasila on silnik asynchroniczny regulowanym napiĊciem i regulowaną czĊstotliwoĞcią, co umoĪliwia: - regulacjĊ prĊdkoĞci obrotowej silnika umoĪliwiając automatyczną regulacjĊ np: w funkcji ciĞnienia, przepáywu, wydajnoĞci pompowanego czynnika itp., - páynny rozruch silnika, - ograniczenie prądu rozruchu silnika i mocy falownika w stosunku do ukáadu UPSc z którego jest zasilany ten sam silnik. Zalety zasilania silnika z ukáadu UPSN w stosunku do ukáadu UPSc wyjaĞnia rysunek 3.

15

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Rys. 3 Charakterystyki momentu rozwijanego przez silnik dla przypadku zasilania z ukáadu UPSc, krzywe A, 5. Krzywe 1-5 charakterystyki dla ukáadu UPSN.

2.6 Prostownik pomocniczy PB Prostownik pomocniczy PB áaduje bateriĊ [1] wedáug okreĞlonej charakterystyki I.U. Utrzymuje takĪe staáe i kompensowane termicznie napiĊcie baterii w przypadku pracy buforowej baterii.

2.7 Przeáącznik statyczny – PS Rolą przeáącznika statycznego PS jest zasilanie odbiornika bezpoĞrednio z sieci lub z innego UPS-u w przypadku awarii tego pierwszego.

2.8 Ukáad nadzoru – UN Nowoczesne systemy UPSc i UPSN powinny byü wyposaĪone w mikroprocesorowy system nadzoru i zarządzania. System ten powinien w sposób ciągáy nadzorowaü pracĊ poszczególnych czĊĞü UPS-u. Blokiem, który wymaga szczegóáowego nadzoru jest bateria chemiczna (akumulator) System nadzoru musi mieü moĪliwoĞü informowania gáównego odbiornika (np. komputera) o stanie naáadowania baterii [1,2].

16

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

3. Przykáadowe realizacje poszczególnych elementów systemu UPS 3.1 Prostownik gáówny P Rysunki 4a i 5a przedstawiają schematy ideowe nie sterowanych prostowników uĪywanych w systemach zasilania UPS. Rysunki nr 4a i 5b przedstawiają przykáadowe przebiegi prądów i napiĊü w ukáadach prostowników. DuĪa pulsacja napiĊcia wyprostowanego i impulsowy pobór prądu przez prostownik jednofazowy jest przyczyną ograniczenia stosowania go w UPS-ach o mocach wyjĞciowych mniejszych niĪ 1kVA.

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

Rys.

5

Prostownik trójfazowy niesterowany wraz z przebiegami czasowymi napiĊcia Up w obwodzie poĞredniczącym oraz prądu ls pobieranego z sieci zasilającej w ukáadzie prostownika.

17

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

W przypadku prostownika trójfazowego pulsacje napiĊcia wyprostowanego są znacznie mniejsze, oraz wspóáczynnik mocy jest bliĪszy jednoĞci niĪ w ukáadzie jednofazowym. UmoĪliwia to stosowanie prostowników trójfazowych przy znacznie wiĊkszych mocach UPS. Rysunki 6 i 7 przedstawiają ukáady prostowników sterowanych, w których opisane wady prostowników diodowych są znacznie ograniczone. Rysunek 6 przedstawia przebieg prądów pobieranych przez sterowany jednofazowy prostownik z sieci zasilającej. Rysunek 7 przedstawia schemat trójfazowego prostownika z sinusoidalnym prądem pobieranym z sieci zasilającej. Ukáad prostownika moĪe pracowaü w poáączeniu w gwiazdĊ lub trójkąt.

Rys. 6

Uproszczony schemat blokowy prostownika o wejĞciowym z modulatorem PWM oraz póáfala w ukáadzie z modulatorem PWM.

sinusoidalnym prądu dáawika

Rys. 7 Trójfazowy prostownik o sinusoidalnym prądzie wejĞciowym.

18

prądzie i sieü

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Generalnie moĪna stwierdziü, Īe prostowniki z sinusoidalnym prądem wejĞciowym mają znacznie mniejsze negatywne oddziaáywanie na sieü zasilającą niĪ prostowniki diodowe. Dodatkowo ze wzglĊdu na mniejsze wartoĞci skuteczne prądów (szczególnie dla ukáadów jednofazowych) mają wiĊksze sprawnoĞci energetyczne niĪ ukáady niesterowane. W przypadku niemoĪliwoĞci stosowania ukáadów z prostownikami z sinusoidalnym prądem wejĞciowym (prostowniki sterowane) dla UPSc o mocach od 1 do 3 KW lepszym rozwiązaniem od strony zasilania jest zasilanie trójfazowe niĪ jednofazowe. W ukáadzie trójfazowym nie páynie prąd w przewodzie neutralnym (zerowym).

4. Bateria chemiczna-prostownik PB Bateria chemiczna jest bardzo waĪnym elementem skáadowym systemu UPS. Od jej wáaĞciwego dziaáania w podstawowym stopniu zaleĪy zdolnoĞü wykonywania postawionych przed UPS-em celów. NajczĊĞciej stosowanymi (zintegrowanymi) z UPS-ami są baterie z elektrolitem staáym (Baterie Īelowe, lub AGM). Baterie te muszą byü eksploatowane zgodnie z wymaganiami EUROBAT. Do najwaĪniejszych wymagaĔ EUROBAT naleĪą: x staáoĞü napiĊcia buforowania >1%, x áadowanie baterii wedáug charakterystyki IU, x maáe zawartoĞci „pulsacji” w prądzie áadowania i napiĊciu buforowania t 2,5% wartoĞci nominalnych, x kompensacja termiczna napiĊcia buforowania, x ochrona baterii przed gáĊbokim rozáadowaniem itp. Rysunek 8 przedstawia przebiegi prądu i napiĊcia w czasie cyklu pracy baterii. Prostownik bateryjny PB powinien speániaü wymagania EUROBAT.

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

5. Falowniki DC/AC w ukáadach UPSc Rysunki 9a,b,c przedstawiają schematy trzech wersji jednofazowych falowników przetwarzających napiĊcia staáe na napiĊcia przemienne (DC-AC). W przypadku ukáadu, którego 19

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

schemat jest na rysunku 9a ksztaátowanie fali napiĊcia odbywa siĊ w czĊĞci przetwornicy DC/DC. NastĊpnie przez mostkowy komutator tranzystorowy napiĊcie to jest zamienione na napiĊcie przemienne. W przypadku zasilania odbiornika o wspóáczynniku mocy róĪnym od jednoĞci wáącza siĊ do pracy kompensator mocy biernej. Powoduje to, Īe ukáad komutatora przeáącza przy przejĞciu fali napiĊcia i prądu przez zero. Rysunki 9b i 9c przestawiają schematy dwu falowników DC/AC, które mogą byü sterowane przy uĪyciu modulacji PWM. Przedstawione na rysunkach 5a,b,c transformatory zapewniają galwaniczną izolacjĊ miĊdzy obwodem zasilania i obwodem wyjĞcia falownika. UmoĪliwia to zastosowanie ukáadu obejĞciowego.

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

20

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

5.1 Ukáady sterowania falowników DC/AC stosowanych w ukáadach UPSc W ukáadach falownika DC/AC stosowane są najczĊĞciej dwie metody formowania napiĊcia wyjĞciowego. Pierwszą z nich jest metoda PWM, drugą metoda regulacji dwustanowej (prądu lub napiĊcia kondensatora filtru wyjĞciowego) [2,5]. W przypadku ukáadu falownika z modulacją PWM (schemat rys. 9) sprawnoĞü energetyczną falownika moĪna zwiĊkszyü 0,2-3% usuwając transformator i podnosząc napiĊcie baterii do ~350 DC. Rozwiązanie takie jest moĪliwe jednak do zasilania niektórych odbiorników np: zasilaczy taktowanych, oĞwietlenia awaryjnego itp. W przypadku zasilania maáych odbiorników indukcyjnych bez transformatora wyjĞciowego (cewki styczników przekaĨników itp.). moĪe nastąpiü podmagnesowanie rdzeni w wyniku asymetrii napiĊcia wyjĞciowego z falownika. Dodatkowo w przypadku zasilania kilku odbiorników mogą wystąpiü problemy ze sprawnie dziaáającą instalacją zabezpieczeĔ poraĪeniowych. 5.2 Uproszczone ukáady UPSc Wzrastająca niezawodnoĞü ukáadów energoelektronicznych powoduje, Īe pojawiają siĊ uproszczone rozwiązania elektroniczne ukáadów UPSc, których schematy nie odpowiadają schematowi blokowemu przedstawionemu na rysunku 1. Wymienione wyĪej konstrukcje są pozbawione pewnych czĊĞci skáadowych ukáadu podstawowego UPSc (rys.1) [10]. Rysunek 10 przedstawia schemat uproszczony wersji UPSc, [6,7] która jest pozbawiona np: ukáadu obejĞciowego (PS, rysunek nr 1) lub bateria chemiczna (B rysunek nr 1) jest poáączona galwanicznie z obwodami zasilania odbiornika. Przedstawiony na schemacie 10 schemat UPSc z punktu widzenia kosztów wytwarzania jest taĔszy niĪ ukáad wedáug schematu rys. nr 1. Jednak ze wzglĊdu na obniĪoną pewnoĞü dziaáania moĪe byü stosowany tylko w wybranych przypadkach.

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

6. Ukáad obejĞciowy Ukáady UPSN są wyposaĪone tylko w mechaniczne ukáady obejĞciowe. UmoĪliwiają one zasilanie bezpoĞrednio z sieci zasilającej. Ukáady UPSc są wyposaĪone w elektroniczne lub mechaniczne ukáady obejĞciowe. Rysunek 11 przedstawia schemat blokowy elektronicznego ukáadu obejĞciowego UPSc. Dziaáanie elektronicznego ukáadu obejĞciowego jest moĪliwe w przypadku kiedy: - NapiĊcie wyjĞciowe falownika jest w fazie z napiĊciem sieci przemiennoprądowej i ma podobną wartoĞü amplitudy. - Konstrukcja falownika umoĪliwia zastosowanie ukáadu obejĞciowego (odpowiednia galwaniczna separacja miĊdzy wejĞciem i wyjĞciem UPS-u). Rysunki 11b,c wyjaĞniają dziaáanie ukáadu obejĞciowego. Rysunek 12 przedstawia schemat blokowy ukáadu synchronizacji napiĊcia wyjĞciowego falownika z napiĊciem sieci zasilającej.

21

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

a)

b)

c)

Rys. 11 a-ukáad obejĞciowy, b i c przebiegi wyjaĞniające dziaáanie ukáadu obejĞciowego.

22

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Rys. 12 Schemat blokowy ukáadu synchronizacje napiĊcia wyjĞciowego falownika z napiĊciem sieci.

7. Zwarcia i przeciąĪenia w ukáadach wyjĞciowych UPSc W obwodach elektrycznych zasilanych przez UPSc podobnie jak w innych obwodach zasilanych z sieci mogą wystąpiü stany przeciąĪenia i zwarcia. Rysunek 13 przedstawia przypadek przeciąĪenia UPSc-u przez odbiornik nie liniowy (prostownik obciąĪony odbiornikiem RC). Dostarczona przez UPSc-a moc w tym przypadku ma wartoĞü znacznie niĪszą niĪ moc nominalna. WartoĞü maksymalna prądu znacznie przekracza wartoĞü nominalną prądu wyjĞciowego UPSc-u. Rysunek 14 przedstawia przypadek przeciąĪenia UPSc-u w funkcji czasu. JeĞli czas przeciąĪenia jest dosyü dáugi wyáączenie UPSc-u nastąpi w wyniku przekroczenia dopuszczalnej temperatury elementów UPSc-u. Rysunki 15 i 16 przedstawiają zachowanie siĊ UPSc-u w przypadku krótkotrwaáego (20-50ms) i dáugotrwaáego zwarcia w obwodach zasilanych przez UPSc-a. W przypadku zwarcia krótkotrwaáego po jego ustąpieniu napiĊcie wyjĞciowe UPS-u powinno wróciü do wartoĞci nominalnej w sposób natychmiastowy. JeĞli zwarcie trwaáo dáugo (np. 3 sek.) powrót napiĊcia wyjĞciowego UPS-u moĪe nastąpiü jak przedstawiono na rysunku 16 (miĊkki start).

Rys. 13 ObciąĪenie nieliniowe UPS.

23

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Rys. 14 Przypadek przeciąĪenia UPSc w funkcji czasu.

Rys. 15 Przypadek dwóch krótkotrwaáych zwarü na wyjĞciu UPSc.

Rys. 16 Zwarcie dáugotrwaáe wyjĞcia UPS.

24

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

8. Stany zakáóceniowe w ukáadach UPSN W ukáadach rezerwowego zasilania typu UPSN w stanie normalnej pracy silnika falownik jest zasilany przez prostownik P z sieci zasilającej. W przypadku zaniku napiĊcia sieci falownik DC/AC zostaje automatycznie zasilany z baterii. [9] Rysunek 16 przedstawia przypadek przejĞcia zasilania falownika z napiĊcia sieci na napiĊcie baterii. Rysunek 17 przedstawia zachowanie siĊ ukáadu w przypadku powrotu napiĊcia sieci. W obu przypadkach nie widaü Īadnego zakáócenia w pracy silnika. W ukáadach UPSN w czasie rozruchu lub zwarcia w silniku prąd ograniczony jest zwykle do wartoĞci 1,5 x In (In-prąd nominalny).

Rys. 17 Przypadek przejĞcia zasilania ukáadu z sieci na zasilanie bateryjne w UPSN.

Rys. 18 Przypadek przejĞcia zasilania z baterii na sieü.

25

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

9. Wnioski 1. Przez przyjĊcie odpowiedniej konstrukcji obwodów wejĞciowych (UPS) moĪna znacznie ograniczyü negatywne oddziaáywanie na sieü zasilającą. 2. JeĞli UPSc jednofazowy od strony wyjĞcia (maáa moc) nie jest wyposaĪony w prostownik z sinusoidalnym prądem wejĞciowym to zawsze lepsze jest zasilanie trójfazowe niĪ jednofazowe. 3. Podzespoáem, który musi byü poddany „szczególnej trosce” w czasie eksploatacji UPS jest bateria. 4. W zastosowaniach przemysáowych UPS (zasilanie ze wspólnej sieci wielu odbiorników) zawsze jest korzystne stosowanie na wyjĞciu falownika transformatora szczególnie ze wzglĊdu na realizacjĊ ukáadu ochrony poraĪeniowej.

10. Literatura [1] [2]

EUROBAT – Varta the Battery experts –D-W-5800 Hagen 1 January 1992. A. Dmowski – „Energoelektroniczne ukáady zasilania prądem staáym w telekomunikacji i energetyce” – WNT – Warszawa 1998. [3] Spiralski i inni – „Zakáócenia 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. Niedziaákowski – „Wytwarzanie napiĊcia o staáej czĊstotliwoĞci i amplitudzie w ukáadzie z generatorem o zmiennej prĊdkoĞci” – 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] Materiaáy Techniczno-Informacyjne firmy APS z Warszawy. [10] R. Krishan and S. Srinivasen Topologies for Uninterruptible Power Supplies 9/93 IEEE.

26

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

CiągáoĞü zasilania – zadaniem dostawcy energii dr inĪ. Tomasz Kowalak Departament Taryf Urząd Regulacji Energetyki

CiągáoĞü zasilania jest podstawowym (choü nie jedynym) parametrem charakteryzującym jakoĞü obsáugi odbiorców energii elektrycznej. Wynika to bezpoĞrednio ze skali kosztów bĊdących konsekwencją niedostarczenia energii, ponoszonych przez odbiorców w rezultacie przerw w zasilaniu – zwáaszcza przerw niezapowiedzianych, których skutków nie moĪna ograniczyü dziaáaniami dostosowawczymi. Waga tego problemu roĞnie z rozwojem automatyki, komputeryzacji, ogólnie z postĊpem technologii zaawansowanych, wraĪliwych na zakáócenia w ciągáoĞci dostaw energii. Dodatkowo zaostrzają go ewentualne, niepoĪądane skutki uboczne regulacji. Naturalne monopole sieciowe, jakimi są spóáki dystrybucyjne, są bowiem poddane regulacji bodĨcowej, której fundamentalnym narzĊdziem jest ograniczanie przychodów przedsiĊbiorstwa do poziomu uzasadnionego w ocenie Regulatora. JakoĞü obsáugi odbiorców musi wiĊc byü monitorowana ze wzglĊdu na zagroĪenie, Īe przedsiĊbiorstwo, ograniczając wydatki, doprowadzi do obniĪenia jej poziomu. Z drugiej strony przedsiĊbiorstwa sieciowe stają do bezpoĞredniej konkurencji, bowiem odbiorcy – na etapie analizy warunków lokalizacji swoich nowych przedsiĊwziĊü – zaczynają coraz uwaĪniej Ğledziü nie tylko koszty zaopatrzenia w energiĊ ale takĪe ryzyka jej niedostarczenia. AnalizĊ problemu, z koniecznoĞci bardzo skrótową, przeprowadzono poniĪej wedáug nastĊpującego schematu: klasyfikacja przerw wedáug przyczyn i dáugoĞci trwania – oczekiwania odbiorców i moĪliwoĞci techniczno-ekonomiczne ich speánienia – aktualne regulacje prawne w tym zakresie – kierunki racjonalnych rozwiązaĔ prawnych i technicznych. AnalizĊ, ze wzglĊdów oczywistych, przeprowadzono z pozycji organu ustawowo zobligowanego do równowaĪenia interesów odbiorców i dostawców. 1. Klasyfikacja zjawiska NaleĪy odnotowaü, Īe definicje poszczególnych pojĊü przedstawione poniĪej zostaáy zaproponowane przez autora na uĪytek niniejszego tekstu. Jest to próba „sfotografowania” rzeczywistoĞci taką jaka jest, dokonana po to, by dopiero w dalszej czĊĞci tekstu skonfrontowaü ją z odzwierciedleniem tej rzeczywistoĞci zawartym w przepisach prawa. Definicja przerwy w zasilaniu: alternatywnie: ™spadek napiĊcia zasilania w miejscu dostarczania do zera (w praktyce do wartoĞci bliskiej zera), (zanik napiĊcia) lub, ™obniĪenie wartoĞci napiĊcia w miejscu dostarczania poniĪej poziomu uĪytecznego dla odbiorcy (zapad napiĊcia). Klasyfikacja przerw w zasilaniu ze wzglĊdu na dáugoĞü trwania: mikroprzerwy – o czasie trwania do 3 sekund, spowodowane dziaáaniem automatyki ruchowej, realizowanym w celu usuniĊcia zakáóceĔ przemijających (np. zadziaáanie SPZ w wyniku przepiĊü piorunowych, SZR), 27

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

przerwy krótkie – o czasie trwania do 3 minut – spowodowane usuwaniem zakáóceĔ przemijających oraz zmianami ukáadu pracy sieci podejmowanymi w celu ograniczenia zasiĊgu skutków trwaáych uszkodzeĔ, przerwy dáugie – o czasie trwania dáuĪszym niĪ 3 minuty, spowodowane koniecznoĞcią usuwania skutków uszkodzeĔ trwaáych, ew. realizacją prac planowych, przerwy katastrofalne – o czasie trwania dáuĪszym niĪ 24 godziny, spowodowane koniecznoĞcią odbudowy sieci po wystąpieniu siáy wyĪszej (np. klĊski Īywioáowej). Klasyfikacja przerw w zasilaniu ze wzglĊdu na tryb powiadomienia odbiorcy: przerwy planowe – kiedy dostawca wypeániá postanowienia umowy regulujące tryb uprzedzenia odbiorcy o przewidywanym terminie i dáugoĞci przerwy, przerwy awaryjne – wszystkie przerwy, o których wystąpieniu odbiorca nie zostaá uprzedzony w trybie uregulowanym w umowie, zarówno bĊdące wynikiem zakáóceĔ, jak i prac zaplanowanych przez dostawcĊ – ale w warunkach zaniedbania trybu uprzedzenia odbiorcy. NaleĪy odnotowaü, Īe w praktyce wszystkie mikroprzerwy i przerwy krótkie są przerwami awaryjnymi. Pozostaáe mogą, (ale nie muszą) byü przerwami planowymi.

2. Oczekiwania odbiorców W zaleĪnoĞci od skali zagroĪenia widzianego przez odbiorcĊ jako rezultat przerwy w zasilaniu moĪna wyróĪniü nastĊpujące zakresy wraĪliwoĞci odbiorcy na zanik napiĊcia: A) MoĪliwoĞü zakáócenia procesu technologicznego z powodu: a) Mikroprzerwy, b) krótkiej przerwy. B) MoĪliwoĞü zakáócenia sterowania procesem technologicznym z powodu mikroprzerwy. C) MoĪliwoĞü zakáócenia pracy systemów podtrzymania napiĊcia w systemach monitoringu i sterowania z powodu: a) krótkiej przerwy, b) dáugiej przerwy. D) KoniecznoĞü zatrzymania procesu technologicznego skutkiem przerwy dáugiej lub katastrofalnej. KaĪdy z ww. rodzajów zagroĪeĔ wymaga ze strony odbiorcy zastosowania odmiennej strategii przeciwdziaáania im, ew. niwelowania ich skutków. Wybór tej strategii silnie zaleĪy od realnych, ekonomicznie uzasadnionych moĪliwoĞci technicznych, zarówno po stronie odbiorcy jak i dostawcy.

3. MoĪliwoĞci dostawców Analiza zdolnoĞci przeciwdziaáania przerwom w zasilaniu w zaleĪnoĞci od dáugoĞci ich trwania prowadzi do wniosku, Īe najtrudniejszym - z punktu widzenia przedsiĊbiorstwa energetycznego jest zakres przerw najkrótszych (mikroprzerw i przerw krótkich) i najdáuĪszych (przerw katastrofalnych). Przy czym liczba tych pierwszych jest wysoka i w praktyce wymyka siĊ statystykom, drugie zaĞ noszą znamiona skutków dziaáania siáy wyĪszej. Technologia prac pod napiĊciem i odpowiednia konfiguracja ukáadów sieciowych pozwalają natomiast w znacznym stopniu ograniczyü ryzyko wystąpienia przerw dáugich.

28

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

4. Aktualne ramy prawne i okreĞlone prawem konsekwencje dla dostawcy

Zagadnienie ciągáoĞci dostaw energii elektrycznej jest przedmiotem nastĊpujących aktów prawnych i normalizacyjnych : x Ustawy z dnia 10 kwietnia 1997 r. – Prawo energetyczne (Dz. U. Nr 54, poz. 348 ze zm.), zwanej dalej „ustawą – prawo energetyczne”. x Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 25 wrzeĞnia 2000 r. w sprawie szczegóáowych warunków przyáączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, obrotu energią elektryczną, Ğwiadczenia usáug przesyáowych, ruchu sieciowego i eksploatacji sieci oraz standardów jakoĞciowych obsáugi odbiorców (Dz. U. Nr 85, poz. 957), zwanego dalej „rozporządzeniem przyáączeniowym”. x Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 14 grudnia 2000 r. w sprawie szczegóáowych zasad ksztaátowania i kalkulacji taryf oraz zasad rozliczeĔ w obrocie energią elektryczną (Dz. U. z 2001 r. Nr 1, poz. 7), zwanego dalej „rozporządzeniem taryfowym”. x Normy PN-EN 50160 Parametry napiĊcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych, zwana dalej „normą PN-EN 50160”. x Normy PN-EN ISO 9001:2001. Zgodnie z aktualnym stanem prawnym obowiązki dostawcy w zakresie ciągáoĞci zasilania odbiorcy okreĞla umowa sprzedaĪy energii elektrycznej lub umowa o Ğwiadczenie usáug przesyáowych. W przypadku braku takich ustaleĔ dostawca energii elektrycznej zobowiązany jest do przestrzegania w tym zakresie standardów zapisanych w § 33 rozporządzenia przyáączeniowego, który nakáada na dostawcĊ obowiązki w zakresie: 1. przyjmowania przez caáą dobĊ zgáoszeĔ i reklamacji od odbiorców, 2. bezzwáocznego usuwania zakáóceĔ w dostarczaniu energii elektrycznej, spowodowanych nieprawidáową pracą sieci, 3. udzielania odbiorcom, na ich Īądanie, informacji o przewidywanym terminie wznowienia dostarczania energii elektrycznej przerwanego z powodu awarii w sieci, 4. powiadamiania odbiorców, z co najmniej piĊciodniowym wyprzedzeniem, o terminach i czasie planowanych przerw w dostarczaniu energii elektrycznej, w formie: a) ogáoszeĔ prasowych, komunikatów radiowych lub telewizyjnych lub w inny sposób zwyczajowo przyjĊty na danym terenie - odbiorców zasilanych z sieci o napiĊciu znamionowym nie wyĪszym niĪ 1 kV, b) indywidualnych zawiadomieĔ pisemnych, telefonicznych lub za pomocą innego Ğrodka telekomunikacji - odbiorców zasilanych z sieci o napiĊciu znamionowym wyĪszym niĪ 1 kV, 5. odpáatnego podjĊcia stosownych czynnoĞci w sieci, w celu umoĪliwienia bezpiecznego wykonania przez odbiorcĊ lub inny podmiot prac w obszarze oddziaáywania tej sieci, 6. udzielania upustów, w wysokoĞci okreĞlonej w taryfach, za niedotrzymanie ciągáoĞci dostaw energii elektrycznej, o których mowa w § 32 rozporządzenia przyáączeniowego. Za niedotrzymanie standardów ciągáoĞci dostaw energii elektrycznej dostawca ponosi konsekwencje finansowe w postaci opáat na rzecz odbiorcy. WysokoĞü tych opáat równieĪ moĪe byü ustalona w umowie sprzedaĪy energii elektrycznej lub w umowie o Ğwiadczenie usáug przesyáowych lub w przypadku braku takich ustaleĔ na podstawie aktualnie obowiązującej taryfy dla energii elektrycznej. Opáaty zawarte w taryfie wylicza siĊ w oparciu o przeciĊtne miesiĊczne wynagrodzenie w sektorze przedsiĊbiorstw w roku kalendarzowym poprzedzającym rok wprowadzenia nowej taryfy przyjmowane na podstawie obwieszczenia Prezesa Gáównego UrzĊdu 29

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Statystycznego ogáaszane w Monitorze Polskim ( za 2002 r. wyniosáo ono 2277,43 zá). Przykáadowe opáaty dla roku taryfowego 2003/2004 zaprezentowano w poniĪszej tabeli: a) b) c) d)

e)

za nie przyjĊcie zgáoszeĔ lub reklamacji od odbiorcy za nieuzasadnioną zwáokĊ w usuwaniu zakáóceĔ w dostarczaniu energii elektrycznej, spowodowanych nieprawidáową pracą sieci za odmowĊ udzielenia odbiorcom, na ich Īądanie, informacji o przewidywanym terminie wznowienia dostarczania energii elektrycznej, przerwanego z powodu awarii sieci za nie powiadomienie, z co najmniej piĊciodniowym wyprzedzeniem o terminach i czasie planowanych przerw w dostawie energii elektrycznej, w formie ogáoszeĔ prasowych, komunikatów radiowych lub telewizyjnych, wzglĊdnie w inny sposób przyjĊty na danym terenie odbiorców zasilanych z sieci o napiĊciu znamionowym nie wyĪszym niĪ 1kV za nie powiadomienie w formie indywidualnych zawiadomieĔ pisemnych, telefonicznych lub za pomocą innego Ğrodka telekomunikacji, z co najmniej piĊciodniowym wyprzedzeniem, o terminach i czasie planowanych przerw w dostawie energii elektrycznej odbiorców zasilanych z sieci o napiĊciu znamionowym wyĪszym niĪ 1kV

15,18 zá, 75,91 zá, 7,59 zá,

15,18 zá,

151,83 zá,

W przypadku braku okreĞlenia w umowie sprzedaĪy standardów ciągáoĞci dostaw energii elektrycznej dostawcĊ obowiązuje zapis § 32 rozporządzenia przyáączeniowego. Zgodnie z tym zapisem áączny czas trwania w ciągu roku wyáączeĔ awaryjnych, liczony dla poszczególnych wyáączeĔ od zgáoszenia przez odbiorcĊ braku zasilania do jego przywrócenia, dla grup przyáączeniowych IV i V nie moĪe przekroczyü: 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 przyáączeniowych IV i V nie moĪe przekroczyü: 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 przyáączeniowych I-III i VI dopuszczalny áączny czas trwania w ciągu roku wyáączeĔ awaryjnych oraz czas trwania jednorazowych przerw, okreĞla umowa sprzedaĪy lub umowa przesyáowa. W przypadku niedotrzymania standardów związanych z niezawodnoĞcią dostawy i jakoĞcią dostarczanej energii elektrycznej dostawca ponosi konsekwencje finansowe w postaci bonifikaty i upustu dla odbiorcy. Za kaĪdą nie dostarczoną jednostkĊ energii elektrycznej odbiorcy przysáuguje bonifikata w wysokoĞci piĊciokrotnoĞci ceny energii elektrycznej za okres, w którym wystąpiáa przerwa; iloĞü nie dostarczonej energii elektrycznej w dniu, w którym miaáa miejsce przerwa, ustala siĊ na podstawie poboru energii w odpowiednim dniu poprzedniego tygodnia, z uwzglĊdnieniem czasu dopuszczalnych przerw okreĞlonych w umowie. Zwraca uwagĊ, Īe przepisy obowiązującego prawa w niezwykle uáomny sposób regulują zagadnienie przerw w zasilaniu. Po pierwsze: poza jakąkolwiek regulacją pozostawiono zagadnienie dáugoĞci trwania przerw planowych. Pod warunkiem stosownego uprzedzenia odbiorcy lokalny monopolista mógáby w praktyce bezkarnie zaprzestaü obsáugi okreĞlonych grup odbiorców przyáączonych do jego sieci. Teoretycznie mógáby to byü realny scenariusz „samoobrony” przedsiĊbiorstwa przed koniecznoĞcią obsáugi odbiorców deficytowych. Po drugie: domyĞlaü siĊ moĪna, ze poza regulacją pozostawiono takĪe mikroprzerwy i przerwy krótkie. Bowiem czas pomiĊdzy zgáoszeniem braku zasilania i jego przywróceniem 30

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

w odniesieniu do przerw o czasie trwania do trzech minut w wiĊkszoĞci przypadków przybieraáby wartoĞü ujemną. Podobnie abstrakcyjne byáoby oczekiwanie piĊciodniowego wyprzedzenia w przypadku powiadamiania o mikroprzerwach. Tym samym uzasadnione staje siĊ przypuszczenie, Īe uwaga ustawodawcy skupiona byáa wyáącznie na przerwach dáugich. Stopniowe ograniczenie dopuszczalnego czasu trwania jednorazowej przerwy awaryjnej wskazuje wyraĨnie, Īe, zgodnie z intencja ustawodawcy, dopiero wystąpienie przerwy katastrofalnej musi byü odbiorcy odpowiednio skompensowane – tak jakby przerwy krótsze byáy mniej dotkliwe w skutkach. Przywoáane powyĪej przepisy rozporządzenia przyáączeniowego oraz rozporządzenia taryfowego nie zamykają stronom kontraktu na dostawĊ energii elektrycznej drogi do indywidualnego ksztaátowania standardów jakoĞciowych energii elektrycznej zgodnych ze specyficznymi wymaganiami w tym zakresie. W umowie sprzedaĪy energii elektrycznej w zakresie niezawodnoĞci dostawy energii elektrycznej strony mogą wykorzystaü definicje i ustalenia normy PN-EN 50160 - Parametry napiĊcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych. Norma ta jest oficjalnym táumaczeniem angielskiej wersji normy europejskiej EN 50160:1994 i od roku 1998 ma status Polskiej Normy. Jej przedmiotem są miĊdzy innymi definicje z zakresu ciągáoĞci dostaw energii elektrycznej. W normie PN-EN 50160 przerwy w zasilaniu, zdefiniowane jako stany, w których napiĊcie w záączu sieci elektroenergetycznej jest mniejsze niĪ 1 % deklarowanego napiĊcia zasilającego, są sklasyfikowane w sposób nastĊpujący: 1. planowe, gdy odbiorcy są wczeĞniej poinformowani, a ich celem jest wykonanie zaplanowanych prac w sieciach rozdzielczych, 2. przypadkowe, spowodowane np. trwaáymi lub przemijającymi zwarciami, związanymi gáównie ze zdarzeniami zewnĊtrznymi, uszkodzeniami urządzeĔ lub zakáóceniami ich pracy. Przypadkowe przerwy norma PN-EN 50160 klasyfikuje jako: - dáugie przerwy (dáuĪsze niĪ trzy minuty), spowodowane trwaáym uszkodzeniem, - krótkie przerwy (do trzech minut), spowodowane uszkodzeniem przemijającym. Ponadto norma PN-EN 50160 podaje wartoĞci odniesienia (brak takich wartoĞci odniesienia w rozporządzeniu przyáączeniowym): - roczna liczba krótkich przerw w zasilaniu mieĞci siĊ w przedziale od kilkudziesiĊciu do kilkuset. Czas trwania okoáo 70 % krótkich przerw w zasilaniu moĪe byü mniejszy niĪ jedna sekunda, - roczna czĊstoĞü wystĊpowania przypadkowych dáugich przerw w zasilaniu, trwających dáuĪej niĪ trzy minuty, moĪe byü mniejsza niĪ 10 lub moĪe zbliĪaü siĊ do 50 w zaleĪnoĞci od konfiguracji i struktury sieci, skutków dziaáania osób trzecich oraz warunków atmosferycznych na danym obszarze. Jak widaü przedmiotowa norma w znacznie lepszym stopniu odzwierciedla specyfikĊ zagadnienia, stanowiąc tym samym lepszą podstawĊ do ksztaátowania stosunków umownych pomiĊdzy dostawca i odbiorcą. NaleĪy przy tym podkreĞliü, Īe zgodnie z rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 14 wrzeĞnia 1999 r. w sprawie obowiązku stosowania niektórych Polskich Norm (Dz. U. Nr 80, poz. 911 ze zm.) norma PN-EN 50160 nie jest normą przewidzianą do obowiązkowego stosowania. W związku z tym aby wspomniana norma staáa siĊ skuteczną podstawą uksztaátowania tych stosunków musi byü przytoczona w caáoĞci lub w czĊĞci w kontrakcie zawartym pomiĊdzy indywidualnym odbiorcą a dostawcą energii elektrycznej. Dodatkowym sposobem skutecznie wspomagający realizacjĊ zadaĔ w zakresie ciągáoĞci zasilania jest wdroĪenie u dostawcy energii elektrycznej, zgodnego z polską normą PN-EN ISO 9001:2001, Systemu Zarządzania JakoĞcią w zakresie zakupu, przetwarzania, przesyáania i sprzedaĪy energii elektrycznej. Ciągáe doskonalenie procedur takiego Systemu sprzyja

31

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

optymalnemu speánieniu potrzeb i oczekiwaĔ odbiorcy energii elektrycznej oraz nadaje ramy czasowe wyznaczonym celom w zakresie ciągáoĞci dostaw energii elektrycznej. Norma PN-EN ISO 9001:2001 okreĞla techniczne i inne kryteria, które mogą byü podstawą ustaleĔ zawartych w umowach stron. Raporty uzyskane w ramach procedur dotyczących odpowiednich procesów np. procesu Technicznej Obsáugi Klienta lub procesu Obsáugi Reklamacji pozwalają oceniü, czy wyznaczone cele z zakresu ciągáoĞci zasilania są realizowane wáaĞciwie. Ponadto zmniejszają iloĞü skarg związanych z tym zagadnieniem kierowanych do Powiatowych Rzeczników Konsumentów lub do Rzecznika Odbiorców Paliw i Energii UrzĊdu Regulacji Energetyki. 5. Kierunki racjonalnych rozwiązaĔ Oczywistym oczekiwaniem wszystkich odbiorców jest dostawa bezprzerwowa. Jednak trzeba rozróĪniü skutki, jakie u róĪnych odbiorców generują przerwy róĪnej dáugoĞci. Generalnie nawet wielodniowa przerwa w dostawie do domku letniskowego – w okresie kiedy nie jest uĪytkowany – przechodzi niezauwaĪona, natomiast nawet kilkusekundowy zanik napiĊcia zasilającego ciąg technologiczny do wyciągania tafli szklanych powoduje dyskwalifikacjĊ znacznej czĊĞci produktu. Na odrĊbną analizĊ zasáugują skutki zaników napiĊcia zasilającego skomputeryzowane ukáady sterowania ciągami technologicznymi. Ocenia siĊ, Īe straty z powodu niedostarczenia energii elektrycznej w paĔstwach UE siĊgają rocznie kwoty 10 mld euro. Dziaáania dostawców podejmowane celem zabezpieczenia odbiorców przed ryzykiem poniesienia skutków niedostarczenia energii teĪ stanowią Ĩródáo kosztów, w sposób naturalny przenoszonych na odbiorców. Z uwagi na zróĪnicowanie wraĪliwoĞci odbiorców na róĪne formy potencjalnych zakáóceĔ szczególnego znaczenia nabiera wiĊc problem ograniczania ich wzajemnego subsydiowania, tj. nie przenoszenia na wszystkich odbiorców skutków dziaáaĔ niezbĊdnych z punktu widzenia jedynie niektórych. Tym samym tytuáowa teza nie powinna mieü charakteru normy absolutnie obowiązującej - przeciwnie, zasadne jest pytanie o racjonalne granice tego obowiązku. Rozwiązanie tej „kwadratury koáa” wymaga przede wszystkim uporządkowania zasad obowiązującego prawa. W pierwszej kolejnoĞci naleĪy uszczegóáowiü podstawy prawne ksztaátowania „ceny jakoĞci” dostarczanej energii, bĊdąca przedmiotem rozporządzeĔ „przyáączeniowego” i „taryfowego”. Bowiem wybiórcze bonifikowanie wybranych jedynie przejawów przerw w zasilaniu utrudnia ksztaátowanie racjonalnych zachowaĔ zarówno dostawców jak i odbiorców. BezwzglĊdnego uregulowania wymaga równieĪ status przerw planowych, których dopuszczalna liczba i czas trwania powinny podlegaü regulacji analogicznej jak przerw awaryjnych. Ponadto, niezbĊdnym wydaje siĊ dostĊp do informacji, których przygotowanie i publikacja powinna byü obowiązkiem dostawców, wynikającym z przepisów prawa. Podstawą do oceny poziomu zagroĪenia mikroprzerwami – niezbĊdnej dla odbiorców podejmujących dziaáania celem zabezpieczenia siĊ przed ich skutkami – powinna byü obowiązkowa publikacja przez dostawców aktualnych statystyk takich zdarzeĔ. Podobnie, na podstawie publicznie dostĊpnych statystyk, odbiorca powinien mieü moĪliwoĞü oceny poziomu zagroĪenia przerwami dáugimi i katastrofalnymi, których skutki mogą byü kompensowane poprzez system ubezpieczeĔ lub stosowną rozbudową ukáadów sieciowych bądĨ wáasnych Ĩródeá rezerwowych.

32

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Wymiarowanie przewodu neutralnego dr inĪ. Andrzej Wójciak Politechnika Warszawska Wydziaá Elektryczny

Streszczenie. Wraz z rozwojem elektroniki uĪytkowej przybywa odbiorników energii elektrycznej o charakterystykach nieliniowych. Zmienia to warunki obciąĪenia przewodów sieci elektroenergetycznej. W systemach trójfazowych utrudniona jest kompensacja prądów. PoniĪej przedstawione bĊdą przyczyny i skutki tych zjawisk, które skáaniają do zmiany poglądów na wymiarowanie przewodów. W szczególnoĞci dotyczy to przewodu neutralnego. 1. Odbiorniki liniowe i nieliniowe Odbiorniki liniowe charakteryzują siĊ staáą wartoĞcią oporu widzianego od strony sieci zasilającej. Przykáadami odbiorników liniowych są: Īarówka, bojler (por. rys. 1), kuchnia elektryczna, piecyk olejowy, silnik elektryczny, Īelazko itp. Pobierają one z sieci prądy sinusoidalne.

Rys. 1 NapiĊcie i prąd bojlera.

Charakterystyka prądowo-napiĊciowa takiego odbiornika ma postaü odcinka linii prostej, koáa lub elipsy. Dla odbiorników typu R jest to linia prosta, której nachylenie jest miarą oporu.

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

W przypadku odbiornika nieliniowego opór widziany od strony sieci zasilającej zmienia siĊ w ciągu jednego okresu. Przykáadami odbiorników nieliniowych są: Ğwietlówka zwykáa lub kompaktowa, prostownik buforowy, prostownik do áadowania akumulatora telefonu komórkowego

33

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

lub wiertarki przenoĞnej, Ğciemniacz, komputer PC, telewizor itp. Pobierają one z sieci prądy niesinusoidalne - odksztaácone. CzĊsto są to prądy o charakterze impulsowym.

Rys. 3 NapiĊcie i prąd prostownika buforowego.

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

Rys. 5 NapiĊcie i prąd komputera PC.

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

Charakterystyka prądowo-napiĊciowa odbiornika nieliniowego ma postaü linii nieregularnej.

34

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

2. ObciąĪenie przewodów przez prądy odksztaácone Prąd, który páynie jedynie przez czĊĞü póáokresu, nie ma ksztaátu sinusoidalnego lecz nabiera cech impulsu (rys.7).Jest to prąd odksztaácony. Zakáadając równoĞü przenoszonych áadunków (albo inaczej jednakowe wartoĞci tzw. Ğredniej wyprostowanej) zauwaĪymy, Īe im wĊĪsze są impulsy prądu w kaĪdym póáokresie, tym wiĊkszą muszą mieü amplitudĊ. Na przykáad na rysunku 7 prąd I2 (odksztaácony) ma amplitudĊ dwa razy wiĊkszą niĪ prąd I1 (sinusoidalny).

Rys. 7 Prąd sinusoidalny i prąd impulsowy.

Przy przepáywie prądu przez przewody wystĊpują spadki chwilowej wartoĞci napiĊcia oraz straty mocy. Zakáadając w przybliĪeniu staáą wartoĞü oporu zastĊpczego sieci moĪna przyjąü, Īe spadki napiĊcia są proporcjonalne do chwilowych wartoĞci natĊĪenia prądu. Spadki napiĊcia powodują znieksztaácenia napiĊcia zasilającego inne odbiorniki przyáączone do tej samej sieci. Straty mocy są proporcjonalne do drugiej potĊgi natĊĪenia prądu (rys. 8). W naszym przykáadzie amplituda strat (P2) powodowanych przez prąd odksztaácony jest 4-rokrotnie wiĊksza niĪ amplituda strat (P1) powodowanych przez prąd sinusoidalny. Nawet uwzglĊdniając krótszy czas wystĊpowania strat stwierdzamy, Īe ich wartoĞü skuteczna (P2rms) jest znacznie wiĊksza niĪ (P1rms) przy równowaĪnym prądzie sinusoidalnym.

Rys. 8 Porównanie mocy strat.

Energia strat przeksztaáca siĊ w ciepáo i powoduje nagrzewanie siĊ przewodów. Wobec tego prądy odksztaácone powodują silniejsze nagrzewanie siĊ przewodów niĪ prądy sinusoidalne. RóĪnica jest tym wiĊksza, im bardziej „impulsowy” jest charakter prądu odksztaáconego. 35

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

3. Kompensacja w systemie trójfazowym W systemie trójfazowym, przy równomiernym rozkáadzie obciąĪeĔ liniowych, prąd páynący w jednym przewodzie fazowym zamyka siĊ przez pozostaáe przewody fazowe. NastĊpuje peána kompensacja prądów fazowych i natĊĪenie prądu w przewodzie neutralnym jest równe zeru. Przy nierównomiernym rozkáadzie obciąĪeĔ liniowych kompensacja nie jest peána i w przewodzie neutralnym páynie dodatkowa skáadowa prądu. W niekorzystnym przypadku natĊĪenie tego prądu moĪe byü równe natĊĪeniu w przewodzie fazowym. Przy obciąĪeniu sieci odbiornikami nieliniowymi warunki są zupeánie odmienne. Na przykáad przy zasilaniu komputerów impulsowe prądy fazowe (rys. 9) nie mogą siĊ zamykaü przez pozostaáe fazy, poniewaĪ w tym samym czasie prąd w nich nie páynie.

Rys. 9 Prądy w przewodach fazowych przy obciąĪeniu sieci komputerami.

Kompensacja prądów fazowych nie wystĊpuje. DrogĊ powrotną dla wszystkich impulsów prądów fazowych stanowi tylko przewód neutralny (rys. 10). Jest on zatem 3-krotnie bardziej obciąĪony niĪ przewody fazowe, nawet przy równomiernym rozkáadzie obciąĪeĔ na wszystkie fazy.

Rys. 10 Prąd w przewodzie neutralnym przy obciąĪeniu komputerami.

Podobną sytuacjĊ powoduje stosowanie lamp oĞwietleniowych zaopatrzonych w Ğciemniacze. Kąty wáączenia Ğciemniaczy są ustawiane zaleĪnie od woli uĪytkowników. NiezaleĪnie od tego Ğciemniacze są sterowane fazowo i zwykle pobierają z sieci prądy odksztaácone (rys. 11).

36

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Rys. 11 Prądy w przewodach fazowych przy stosowaniu Ğciemniaczy.

W takim przypadku kompensacja jest utrudniona i natĊĪenie prądu w przewodzie neutralnym bywa czĊsto ok. 1,5-krotnie wiĊksze niĪ w przewodach fazowych (por. rys. 12).

Rys. 12 Prąd w przewodzie neutralnym przy stosowaniu Ğciemniaczy.

Przy sprawdzaniu obciąĪenia przewodów przez pomiary, trzeba pamiĊtaü o tym, Īe popularne tanie mierniki cyfrowe podają zwykle prawidáowe wartoĞci skuteczne tylko przy prądach sinusoidalnych. W przypadku prądu odksztaáconego naleĪy uĪywaü znacznie droĪszych przyrządów podających tzw. prawdziwą wartoĞü skuteczną (True-RMS).

4. Podsumowanie Mamy juĪ w sieci wiele rodzajów odbiorników nieliniowych. Wszystkie oddziaáują na sieü negatywnie. Jest ich teĪ coraz wiĊcej. Tej tendencji iloĞciowego wzrostu nie da siĊ zahamowaü. BĊdzie wiĊc wzrastaáo obciąĪenie sieci prądami odksztaáconymi. Negatywnym skutkom tego obciąĪenia trzeba przeciwdziaáaü przystosowując sieü do nowej sytuacji. Oznacza to potrzebĊ zwiĊkszania przekroju przewodów. Dotyczy to przewodów fazowych, lecz w jeszcze wiĊkszym stopniu przewodów neutralnych.

5. Literatura [1] [2] [3]

Faßbinder St.: „Netzstörungen durch passive und aktive Bauelemente (Zakáócenia w sieci wprowadzane przez elementy bierne i czynne)”, VDE Verlag, Offenbach, 2001. PN-IEC 60364-5-523 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaĪ wyposaĪenia elektrycznego. ObciąĪalnoĞü prądowa dáugotrwaáa przewodów. Siemek St.: Instalacje elektryczne do zasilania urządzeĔ elektronicznych. COSiW SEP 2002.

37

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

38

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Problemy wymiarowania i koordynacji zabezpieczeĔ w instalacjach elektrycznych mgr inĪ. Andrzej Boczkowski Stowarzyszenie Elektryków Polskich Sekcja Instalacji i UrządzeĔ Elektrycznych Przewody áączące odbiorniki energii elektrycznej z Ĩródáem zasilania powinny byü zabezpieczone przed skutkami przeciąĪeĔ i zwarü przez urządzenia zabezpieczające, samoczynnie wyáączające zasilanie w przypadku przeciąĪenia lub zwarcia. RozróĪnia siĊ trzy rodzaje urządzeĔ zabezpieczających: ƒurządzenia zabezpieczające jednoczeĞnie przed prądem przeciąĪeniowym i przed prądem zwarciowym (zabezpieczenia przeciąĪeniowo-zwarciowe). Tego rodzaju urządzeniami mogą byü:  wyáączniki wyposaĪone w wyzwalacze przeciąĪeniowe termobimetalowe i wyzwalacze zwarciowe elektromagnetyczne,  wyáączniki wspóápracujące z bezpiecznikami topikowymi,  bezpieczniki topikowe ogólnego przeznaczenia z peánozakresową charakterystyką wyáączania,  wyáączniki wyposaĪone w wyzwalacze przeciąĪeniowe i dobezpieczeniowe wkáadki topikowe. ƒurządzenia zabezpieczające tylko przed prądem przeciąĪeniowym (zabezpieczenia przeciąĪeniowe). Tego rodzaju urządzeniami mogą byü:  wyáączniki wyposaĪone w wyzwalacze przeciąĪeniowe termobimetalowe,  bezpieczniki topikowe ogólnego przeznaczenia z peánozakresową charakterystyką wyáączania, ƒurządzenia zabezpieczające tylko przed prądem zwarciowym (zabezpieczenia zwarciowe). Tego rodzaju urządzeniami mogą byü:  wyáączniki wyposaĪone w wyzwalacze zwarciowe elektromagnetyczne,  bezpieczniki topikowe ogólnego przeznaczenia z peánozakresową charakterystyką wyáączania,  wkáadki topikowe dobezpieczeniowe z niepeánozakresową charakterystyką wyáączania.

Zabezpieczenia przeciąĪeniowe Zabezpieczenia przeciąĪeniowe powinny byü tak dobrane, aby wyáączenie zasilania (przerwanie prądu przeciąĪeniowego) nastąpiáo zanim wystąpi niebezpieczeĔstwo uszkodzenia izolacji, poáączeĔ, zacisków lub otoczenia na skutek nadmiernego wzrostu temperatury. Zabezpieczenie przeciąĪeniowe przewodów powinno speániaü nastĊpujące warunki: IB d In d I z I 2 d 1,45 I z gdzie: IB  prąd obliczeniowy w obwodzie elektrycznym (prąd obciąĪenie przewodów), Iz  obciąĪalnoĞü prądowa dáugotrwaáa przewodu,

39

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

In

 prąd znamionowy urządzeĔ zabezpieczających (lub nastawiony prąd urządzeĔ zabezpieczających), I2  prąd zadziaáania urządzeĔ zabezpieczających. Prąd zadziaáania urządzeĔ zabezpieczających I2 naleĪy okreĞlaü jako krotnoĞü prądu znamionowego In wyáącznika lub bezpiecznika wedáug zaleĪnoĞci: I 2 k2 I n gdzie: k2  wspóáczynnik krotnoĞci prądu powodującego zadziaáanie urządzenia zabezpieczającego przyjmowany jako równy:  1,6 y 2,1 dla wkáadek bezpiecznikowych,  1,45 dla wyáączników nadprądowych o charakterystyce B, C i D. Mniejsza wartoĞü wspóáczynnika k2 dla wyáączników w stosunku do bezpieczników oznacza, Īe wyáączniki mają lepiej dopasowane charakterystyki czasowo-prądowe do zabezpieczania przewodów przed przeciąĪeniem, co pozwala na stosowanie przewodów o mniejszej obciąĪalnoĞci prądowej dáugotrwaáej, a wiĊc o mniejszym przekroju, przy zabezpieczaniu ich wyáącznikami nadprądowymi. Zabezpieczenia przeciąĪeniowe powinny byü zainstalowane przed punktem, w którym nastĊpuje: - zmiana przekroju przewodów na mniejszy, - zmiana rodzaju przewodów na przewody o mniejszej obciąĪalnoĞci prądowej dáugotrwaáej, - zmiana sposobu uáoĪenia przewodów lub budowy instalacji, pogarszająca warunki cháodzenia. Zabezpieczenia przed prądem przeciąĪeniowym nie są wymagane w nastĊpujących przypadkach: - przewody znajdujące siĊ za miejscem zmniejszenia obciąĪalnoĞci prądowej dáugotrwaáej (zmiana przekroju, rodzaju, sposobu uáoĪenia przewodów lub budowy instalacji) przewodów są skutecznie zabezpieczone od strony zasilania przed prądem przeciąĪeniowym, - w przewodach nie przewiduje siĊ wystĊpowania prądów przeciąĪeniowych, a przewody te nie mają Īadnych rozgaáĊzieĔ, przyáączonych gniazd wtyczkowych i są skutecznie zabezpieczone przed zwarciami, - w miejscach zmiany przekroju, rodzaju, sposobu uáoĪenia przewodów lub budowy instalacji powodujących zmniejszenie obciąĪalnoĞci prądowej dáugotrwaáej przewodów, jeĪeli dáugoĞü przewodów nie przekracza 3 m i nie mają one rozgaáĊzieĔ, przyáączonych gniazd wtyczkowych i nie znajdują siĊ w pobliĪu materiaáów áatwopalnych, a wykonanie instalacji ogranicza do minimum powstanie zwarcia.

Zabezpieczenia zwarciowe Zabezpieczenia zwarciowe powinny byü tak dobrane, aby wyáączenie zasilania (przerwanie prądu zwarciowego) nastąpiáo zanim wystąpi niebezpieczeĔstwo uszkodzeĔ cieplnych i mechanicznych w przewodach lub ich poáączeniach. Przewidywana (spodziewana) wartoĞü prądu zwarciowego w miejscu instalowania zabezpieczeĔ powinna byü okreĞlona metodami obliczeniowymi lub za pomocą pomiarów.

40

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Zabezpieczenie zwarciowe powinno mieü zdolnoĞü do przerywania prądu zwarciowego o wartoĞci wiĊkszej od przewidywanego (spodziewanego) prądu zwarciowego. Dopuszcza siĊ, aby ta zdolnoĞü byáa mniejsza, ale tylko w tym przypadku gdy: - od strony zasilania znajduje siĊ inne zabezpieczenie zwarciowe, o wystarczającej zdolnoĞci przerywania prądu zwarciowego, - przewody i urządzenia za tym zabezpieczeniem wytrzymują przepáyw przewidywanego (spodziewanego) prądu zwarciowego bez uszkodzeĔ (energia przenoszona przez urządzenia zabezpieczające, powinna byü mniejsza od energii, jaką mogą wytrzymaü bez uszkodzenia urządzenia i przewody znajdujące siĊ za danym urządzeniem zabezpieczającym, patrząc od strony zasilania). Czas przepáywu prądu zwarciowego powinien byü taki, aby temperatura przewodów nie przekroczyáa wartoĞci dopuszczalnej temperatury granicznej, jaką mogą osiągnąü przewody przy zwarciu. Dla prądów zwarciowych o czasie trwania nie przekraczającym 5 s, czas potrzebny do podwyĪszenia temperatury przewodu od temperatury dopuszczalnej dáugotrwale do temperatury granicznej dopuszczalnej przy zwarciu, moĪna w przybliĪeniu obliczyü ze wzoru: S t ( k ˜ )2 I gdzie: t  czas w sekundach, S  przekrój przewodu w mm2, I  wartoĞü skuteczna prądu zwarciowego w A, k  wspóáczynnik o wartoĞci:  135 dla przewodów Cu z izolacją z gumy, butylenu, polietylenu usieciowanego lub etylenu-propylenu,  115 dla przewodów Cu z izolacją z PVC,  87 dla przewodów Al z izolacją z gumy, butylenu, polietylenu usieciowanego lub etylenu-propylenu,  74 dla przewodów Al z izolacją z PVC. W przypadku bardzo krótkich czasów, mniejszych od 0,1 s, przy których duĪe znaczenie ma skáadowa nieokresowa oraz dla urządzeĔ ograniczających wartoĞü prądu, iloczyn k2s2 powinien mieü wartoĞü wiĊkszą od wartoĞci energii I2t , którą wedáug producenta moĪe przenieĞü urządzenie zabezpieczające. Zabezpieczenia zwarciowe powinny byü zainstalowane przed punktem, w którym nastĊpuje: - zmiana przekroju przewodów na mniejszy, - zmiana rodzaju przewodów na przewody o mniejszej obciąĪalnoĞci prądowej dáugotrwaáej, - zmiana sposobu uáoĪenia przewodów lub budowy instalacji, pogarszająca warunki cháodzenia. Dopuszcza siĊ inne usytuowanie zabezpieczeĔ zwarciowych w dwu nastĊpujących przypadkach: - gdy przewody znajdujące siĊ za miejscem obniĪenia obciąĪalnoĞci prądowej dáugotrwaáej są skutecznie chronione przez inne, usytuowanie bliĪej zasilania, zabezpieczenie zwarciowe, - gdy po zmianie przekroju przewodów speánione są trzy nastĊpujące warunki:  odcinek oprzewodowania o mniejszym przekroju ma dáugoĞü nie przekraczającą 3 m,  odcinek jest wykonany w sposób ograniczający do minimum powstanie zwarcia (np. przez dodatkowe zabezpieczenie przewodów przed wpáywami zewnĊtrznymi),  odcinek nie znajduje siĊ w pobliĪu materiaáów áatwopalnych.

41

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Zabezpieczenia przeciąĪeniowo-zwarciowe Zabezpieczenia przeciąĪeniowo-zwarciowe mogą byü wykonane dwoma sposobami: ƒprzez wspólne urządzenie. JeĪeli zabezpieczenie przed prądem przeciąĪeniowym ma zdolnoĞü przerywania przepáywu prądu o wartoĞci nie mniejszej od wartoĞci spodziewanego prądu zwarciowego, mogącego wystąpiü w miejscu wymaganego zainstalowania zabezpieczenia zwarciowego, to moĪe byü ono traktowane jako zabezpieczenie przed prądem zwarciowym przewodów znajdujących siĊ za tym zabezpieczeniem, patrząc od strony zasilania, ƒprzez osobne urządzenia. Wymagania dotyczące zabezpieczeĔ przeciąĪeniowych i zabezpieczeĔ zwarciowych powinny mieü tak skoordynowane charakterystyki, aby energia przenoszona przez zabezpieczenie zwarciowe, byáa nie wiĊksza od energii, którą moĪe bez uszkodzenia przenieĞü zabezpieczenie przeciąĪeniowe.

Zabezpieczenia przewodów fazowych Zabezpieczenie przed prądem przetĊĪeniowym powinno byü stosowane we wszystkich przewodach fazowych i w zasadzie powinno przerywaü prąd tylko w przewodzie, w którym przetĊĪenie wystąpiáo. Przerywanie prądu we wszystkich fazach jest wymagane w przypadkach, gdy przerwa prądu w jednym przewodzie moĪe spowodowaü powstanie zagroĪenia, np. w przypadku silników trójfazowych.

Zabezpieczenie przewodu neutralnego N w ukáadzie sieci TT i TN JeĪeli przekrój przewodu neutralnego N jest co najmniej równy lub równowaĪny przekrojowi przewodów fazowych, nie wymaga siĊ stosowania w tym przewodzie zabezpieczeĔ przetĊĪeniowych i wyposaĪania go w urządzenia do przerywania przepáywu prądu. JeĪeli przekrój przewodu neutralnego N jest mniejszy niĪ przekrój przewodów fazowych, wymagane jest zastosowanie w tym przewodzie zabezpieczenia przetĊĪeniowego, odpowiedniego do jego przekroju. W przewodzie neutralnym moĪna nie stosowaü zabezpieczeĔ przetĊĪeniowych, jeĪeli są speánione dwa warunki: - przewód neutralny jest zabezpieczony przed prądem zwarciowym przez zabezpieczenia usytuowane w przewodach fazowych, - najwiĊksza wartoĞü prądu w przewodzie neutralnym przewidywana w normalnych warunkach pracy, jest wyraĨnie mniejsza od obciąĪalnoĞci prądowej dáugotrwaáej dla tego przewodu.

Rozáączanie i zaáączanie przewodu neutralnego JeĪeli przewiduje siĊ rozáączanie i zaáączanie przewodu neutralnego, to rozáączanie przewodu neutralnego nie powinno nastĊpowaü wczeĞniej niĪ przewodów fazowych, a zaáączanie przewodu neutralnego powinno nastĊpowaü jednoczeĞnie lub wczeĞniej niĪ przewodów fazowych.

42

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

SelektywnoĞü (wybiórczoĞü) zabezpieczeĔ Urządzenia zabezpieczające powinny dziaáaü w sposób selektywny (wybiórczy), to znaczy w przypadku zakáóceĔ wywoáujących przetĊĪenie powinno dziaáaü tylko jedno zabezpieczenie, zainstalowane najbliĪej miejsca uszkodzenia w kierunku Ĩródáa zasilania. Dziaáanie zabezpieczenia powinno spowodowaü wyáączenie uszkodzonego odbiornika lub obwodu, zachowując ciągáoĞü zasilania odbiorników i obwodów nieuszkodzonych. Zabezpieczenia przetĊĪeniowe dziaáają selektywnie (wybiórczo), jeĪeli ich pasmowe charakterystyki czasowo-prądowe nie przecinają siĊ ani nie mają wspólnych obszarów dziaáania.

Literatura [1]

Boczkowski A., Siemek S., Wiaderek B.: Nowoczesne elementy zabezpieczeĔ i Ğrodki ochrony przeciwporaĪeniowej. Wskazówki do projektowania i montaĪu. Warszawa COBR „ElektromontaĪ” 1992.

[2]

Gąsowski H., JabáoĔski W., NiestĊpski 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 inĪyniera elektryka. Warszawa, Verlag Dashöfer.

[5]

Modernizacja instalacji elektrycznych w budownictwie mieszkaniowym. Wytyczne projektowania. Wrocáaw, PCPM 2002.

[6]

PN-IEC 60364-4-43:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeĔstwa. Ochrona przed prądem przetĊĪeniowym.

[7]

PN-IEC 60364-4-473:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeĔstwa. Stosowanie Ğrodków ochrony zapewniających bezpieczeĔstwo. ĝrodki ochrony przed prądem przetĊĪeniowym.

[8]

PN-IEC 60364-5-523:2001 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaĪ wyposaĪenia elektrycznego. ObciąĪalnoĞü prądowa dáugotrwaáa przewodów.

[9]

N SEP-E-002 Norma SEP. Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Instalacje elektryczne w budynkach mieszkalnych. Podstawy planowania.

[10] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002r., w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadaü budynki i ich usytuowanie (Dz. U. nr 75 z 2002r., poz. 690).

43

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

44

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

PrzepiĊcia: przyczyny, skutki i sposoby ich ograniczania prof. dr hab. inĪ. Zdobysáaw Flisowski Politechnika Warszawska

1. Rodzaje i skutki wystĊpowania przepiĊü PrzepiĊcie Upm jest to przejĞciowy wzrost napiĊcia w urządzeniu elektrycznym ponad jego najwyĪsze napiĊcie robocze Urm. Miarą przepiĊü jest wspóáczynnik U pm kp (1.1) U rm ZagroĪenie przepiĊciowe to moĪliwoĞü uszkodzenia lub zakáócenia pracy urządzenia w Ğrodowisku elektromagnetycznym pochodzenia zewnĊtrznego lub wewnĊtrznego. PrzepiĊcia zewnĊtrzne to: przepiĊcia atmosferyczne bezpoĞrednie i indukowane (LEMP – lightning electromagnetic impulse) [12], przepiĊcia powodowane przez wybuchy nuklearne (NEMP - nuclear electromagnetic impulse) i przez elektrycznoĞü statyczną. PrzepiĊcia wewnĊtrzne to: przepiĊcia dorywcze (wolnozmienne), a w tym ziemnozwarciowe trwaáe, dynamiczne i rezonansowe, oraz przepiĊcia áączeniowe (szybkozmienne), a w tym manewrowe (wyáączanie prądów zwarciowych i pojemnoĞciowych oraz maáych prądów indukcyjnych) i awaryjne (ziemnozwarciowe z áukiem przerywanym). PrzepiĊcia mogą powodowaü uszkodzenie izolacji linii, stacji i urządzeĔ elektrycznych wáącznie z poĪarami i poraĪeniami oraz mogą wywoáywaü zakáócenia w pracy urządzeĔ elektrycznych i elektronicznych wáącznie z awaryjnym ich wyáączeniem. Skutki te zaleĪą od wartoĞci szczytowej, czĊstoĞci wystĊpowania i czasu trwania przepiĊü, od rodzaju i charakteru obiektu oraz od odpornoĞci na przepiĊcia jego urządzeĔ. Do najgroĨniejszych, a wiec i najistotniejszych naleĪą przepiĊcia atmosferyczne bezpoĞrednie - z uwagi na ich wartoĞü, przepiĊcia atmosferyczne indukowane - z uwagi na ich czĊstoĞü i przepiĊcia dorywcze - z uwagi na ich czas trwania. Na oddziaáywanie przepiĊü są naraĪone linie i stacje elektroenergetyczne, linie i urządzenia telekomunikacyjne i informatyczne, instalacje i urządzenia wewnĊtrzne oraz napowietrzne urządzenia techniczne i technologiczne. BezpoĞrednim skutkiem ich naraĪeĔ moĪe byü uszkodzenie urządzeĔ z izolacją nie regenerującą siĊ, zakáócenie pracy urządzeĔ z izolacją samoregenerującą siĊ i czasowe lub dáugotrwaáe wyáączenie urządzeĔ z pracy. Statystyka awarii urządzeĔ technicznych ujawnia, Īe ponad 20 % to szkody przepiĊciowe, gáównie atmosferyczne, a gros z nich to szkody powodowane wyáadowaniami pobliskimi (275 razy czĊĞciej niĪ bezpoĞrednimi) [13]. PrzepiĊcia mogą byü indukowane nawet z kilkunastu km. Np. przy odlegáoĞci 14 km i prądzie 60 kA, napiĊcie indukowane moĪe mieü poziom 1 kV. Na 180 wyáadowaĔ, oddalonych do 10 km, 12 powodowaáo napiĊcie wiĊksze niĪ 0,5 kV. W referacie rozwaĪa siĊ przyczyny i mechanizmy powstawania najistotniejszych przepiĊü oraz wybrane metody i Ğrodki ochrony przepiĊciowej urządzeĔ. Ze wzglĊdu na ograniczoną objĊtoĞü referatu zasadniczą uwagĊ zwrócono na urządzenia wysokiego napiĊcia, chociaĪ szereg zagadnieĔ dotyczy równieĪ urządzeĔ niskiego napiĊcia.

45

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

2. PrzepiĊcia piorunowe O wartoĞci i przebiegu przepiĊü piorunowych decydują parametry wyáadowania piorunowego [5], [11], [12] i rozpatrywanego ukáadu urządzeĔ. W analizie przepiĊü rozpatruje siĊ róĪne przypadki wyáadowaĔ bezpoĞrednich w liniĊ (przepiĊcia bezpoĞrednie) i przypadek wyáadowaĔ pobliskich (przepiĊcia indukowane w liniach lub pĊtlach instalacji). PrzepiĊcia bezpoĞrednie w liniach. W zaleĪnoĞci od ukáadu i miejsca trafienia piorunu o prądzie IL wyróĪnia siĊ: - trafienie w liniĊ z jednym przewodem, - trafienie w jeden z dwu przewodów równolegáych, - trafienie w wierzchoáek sáupa bez przewodu odgromowego, - trafienie w wierzchoáek sáupa z przewodem odgromowym. W pierwszym przypadku otrzymuje siĊ napiĊcie U 0 ,5 Z I L (2.1) Z – impedancja falowa linii. Przykáad: Z = 400 : i IL = 30 kA, U = 6 MV (wytrzymaáoĞü izolacji jest znacznie mniejsza). W drugim przypadku przy h >> a i wspóáczynniku sprzĊĪenia przewodów Z 12 ln 2 h  ln a k (2.2) Z 1 ln 2 h  ln r otrzymuje siĊ

U 12 30I L ln

a r

(2.3)

h – wysokoĞü trafionego przewodu, r – promieĔ trafionego przewodu, Z1 – jego impedancja, a – odstĊp miĊdzy przewodami, Z12 - impedancja wzajemna obu przewodów. W trzecim przypadku, do chwili przeskoku, napiĊcie wierzchoáka sáupa

UW

Rs I p  Ls

di p

(2.4)

dt

a po przeskoku odwrotnym

U

Z 1Z s I L |0 ,2Z1 I L Z1  2 Z s

(2.5)

Z1 – impedancja falowa przewodu, ZS – impedancja falowa sáupa. W czwartym przypadku nastĊpuje podziaá prądu

IL = IS + 2 I1 Is

Z1 Ip Z1  2Z s

oraz

(2.6)

I1

Zs Ip Z1  2 Z s

(2.7)

IS – prąd w sáupie, I1 – prąd w przewodzie odgromowym. W praktyce, Is = 0,6Ip oraz I1 = 0,2Ip. NapiĊcie wierzchoáka sáupa (liczone metodą eliminacji impedancji falowej, bez uwzglĊdniania obecnoĞci sąsiednich sáupów) wyraĪa siĊ zaleĪnoĞcią Uw

46

§ di · Rs I s  Ls ¨ s ¸ © dt ¹ max

(2.8)

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

a napiĊcie na izolacji ª § di · º ( 1  k )« Rs I s  Ls ¨ s ¸ » © dt ¹ max ¼ ¬

U 1'  U 2'

U 12

(2.9)

k - wspóáczynnik sprzĊĪenia (2.2); Rs, Ls - rezystancja uziemienia i indukcyjnoĞü sáupa; Ls = Zsls/v; is = 0,6 iL; v - prĊdkoĞü fali w sáupie, ls - jego dáugoĞü. WartoĞü Rs > Rkrytycznej oznacza przeskok odwrotny. PrzepiĊcia indukowane w liniach. Ich Ĩródáem są wyáadowaniach wystĊpujące w odlegáoĞci d > 3h (rys. 2.1a). Oblicza siĊ je wychodząc z potencjaáów opóĨnionych:

q( t  a / c ) dz a

1

a) skalarnego w p. P:

M

4SH o ³

b) wektorowego w p. P:

A

P o i( t  a / c ) dz 4S ³ a

(2.10) (2.11)

przy czym: q - liniowa gĊstoĞü áadunku, i = qv - prąd w kanale, c - prĊdkoĞü fali w powietrzu, v prĊdkoĞü fali w kanale, Ho i Po - przenikalnoĞci; d)

b) IL

z U

K 3

2 d

dz

1 P

U

U

0 Ez 1

2

0

Umax

Z

1

2

3

3 h

Ex

x

0

t 0

y

1

2

3

4

5

[Ps]

Rys. 2.1 Oddziaáywanie kanaáu wyáadowania K na liniĊ a) szkic sytuacyjny b) napiĊcie indukowane u = f(t) w p. 0, 1, 2, 3.

Skáadowa pionowa natĊĪenia pola elektrycznego pod linią wynika ze wzoru:

wM wA  wz wt

Ez



Ez

Z IL d

IL 4Sd

(2.12)

Po Ho

30 I L d

(2.13)

Stąd napiĊcie indukowane

U

Ez h

30 I L h d

(2.14)

W bardziej dokáadnej analizie przepiĊü indukowanych stosuje siĊ zaleĪnoĞü

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

(2.15)

w której: ui(x,t) - napiĊcie wymuszone przez skáadową Ez(x,h,t); ux(x,t) - napiĊcie związane z reakcją linii - skáadową Ex(x,h,t). W punkcie 0 (rys. 2.1a) napiĊcie u osiąga wartoĞü:

47

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

U max ( d ) ku i p exp( k0  k1  ln d  k5 ln 5 d )

(2.16)

przy czym:

ku

T

t 3f 2W

; W|

h ª 4 º 1  0 ,1875( T  0 ,8 )  3,33 ˜ 10 4 0 ,6 W » « 10 ¬ h ¼

(2.17)

§ T· exp¨¨  2 ¸¸ ; k0, k1 i k5 = f(tf, td) W ¹ ©

(2.18)

td ;K ln( 2 / K )

tf - czas trwania czoáa, td - czas do póászczytu na grzbiecie, T, W - staáe czasowe czoáa i grzbietu fali, K - wspóáczynnik korekcji amplitudy fali. WartoĞci liczbowe podano w tabl. 2.1 Tablica 2.1 WartoĞci liczbowe parametrów wystĊpujących w zaleĪnoĞciach (2.16) y (2.18). L.p.

tf [Ps]

td [Ps]

T [Ps]

W [Ps]

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

ZaleĪnoĞü u = f(t), przy tf = 5 Ps jest zilustrowana na rys. 2.1b. Natomiast zaleĪnoĞü Umax = f(d), wg wzoru (2.16), przy IL = 1 kA, h = 8 m, tf = 5 Ps i tf = 0,5 Ps oraz wg wzoru (2.14) zostaáa zilustrowana na rys. 2.2.

200 kV 10 1 U max

5 2

3

1 0,5 0,3 20

50

100

500 d

1000

m

Rys. 2.2 ZaleĪnoĞü Umax = f(d), przy h = 8 m, ip = 1 kA: 1 - tf = 0,5 Ps, 2 - tf = 5 Ps, 3 – Umax wg wzoru (2.14).

NajwiĊksza wartoĞü Umax wystĊpuje najbliĪej kanaáu piorunu (p. 0). WartoĞci w innych punktach są efektem propagacji fali. Ze wzrostem tf maleje Umax. WydáuĪenie czasu do póászczytu td z 27 Ps do 63 Ps zwiĊksza napiĊcie o ok. 10 - 20 %. Zmniejszenie h z 8 do 6 m redukuje napiĊcie o ok. 10 - 20 %.

48

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

PrzepiĊcia indukowane w pĊtlach instalacji wewnĊtrznych (rys. 2. 3).

b

a K i

di/dt

l

r

Rys. 2.3 Ukáad kanaáu K i pĊtli b u l.

Przy zaáoĪeniu nieskoĔczenie dáugiego kanaáu relacje są proste. Mają one postaü

U

M

di dt

(2.19)

ab (2.20) a Kanaá moĪna traktowaü z niewielkim báĊdem jako nieskoĔczenie dáugi, jeĪeli przewyĪsza on pĊtlĊ nie mniej niĪ 25 m. W przypadku ograniczonej dáugoĞci kanaáu i bardziej skomplikowanych pĊtli, a takĪe przy uderzeniu piorunu w urządzenie piorunochronne, niezbĊdna jest modyfikacja wzoru (2.20) i stosowanie programów komputerowych. M

0,2l ln

3. PrzepiĊcia wewnĊtrzne

Jak juĪ wspomniano, do najbardziej istotnych naleĪą przepiĊcia dorywcze ziemnozwarciowe. W ukáadach najwyĪszych napiĊü znaczenia nabierają teĪ przepiĊcia áączeniowe, których przykáadem mogą byü przepiĊcia powstające przy wyáączaniu nieobciąĪonych transformatorów (maáych prądów indukcyjnych). PrzepiĊcia dorywcze. WartoĞü ich (rys. 3.1a) zaleĪy od skutecznoĞci uziemienia punktu neutralnego sieci [1], a w tym od parametrów obwodu dla skáadowych: R0, X0, X1 (rys. 3.1b), tj. od wspóáczynnika zwarcia doziemnego kz (lub wspóáczynnika uziemienia sieci ku). a)

b) 8 R0/X1 6

ULz UL0 t

kz=1 ,7

kz=1 ,5

4

kz=1 ,4

2 1 f

R1 /X1 =0,5

kz=1 ,6

kz=1 ,2

Tl

kz=1 ,5

kz=1 ,3

0 0

2

4

6

X0/X1

8

Rys. 3.1 Charakterystyka: a) napiĊcia przed i po zwarciu, b) zaleĪnoĞü kz = f(R0, X1, X0).

ZaleĪnoĞci te mają postaü U Lz

k zU Lo kuU LL

(3.1)

49

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

kz

ku 3

(3.2)

przy czym: ULz - napiĊcie fazy zdrowej podczas zwarcia, ULo - napiĊcie tej samej fazie przed zwarciem, ULL = 3 ULo - napiĊcie miĊdzyfazowe przed zwarciem. Przykáad: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 PrzepiĊcia áączeniowe. Przy áączeniu obwodów interesujące są napiĊcia powrotne na áącznikach. Przy wyáączaniu transformatorów nieobciąĪonych (rys. 3.2a) nastĊpuje przerwanie prądu z wyprzedzeniem o kąt\ (rys. 3.2b) jego przejĞcia przez zero. W chwili przerwania prądu jego wartoĞü i = Imsin\ przy napiĊciu u = Umcos\.

Rys. 3.2 Obraz: a) transformatora, b) przebiegu prądu, c) przebiegi napiĊcia powrotnego.

Po przerwaniu prądu skáadowa napiĊcia od strony transformatora (rys. 3.3a) ma wartoĞü

U 1' 0 m

LT 2 I m sin 2 \  U m2 cos 2 \ CT

(3.3)

UwzglĊdniając skáadową od strony zasilania otrzymuje siĊ napiĊcia powrotne: U 11' ( t ) U 10 ( t )  U 1' 0 ( t ) U m cos( Zt  \ )   ( U m cos\ cos ZT t  I m sin\

D

ZT LT 2 RT

;

ZT

LT sin ZT t )e DZT t CT

(3.4)

1 dU 11' dU z i warunek wyáączenia transformatora:  , dt dt LT CT

przy czym Uz – wytrzymaáoĞü powrotna przerwy poáukowej. 4. Ograniczanie przepiĊü

ZagroĪenie przepiĊciowe urządzeĔ elektrycznych i elektroenergetycznych zaleĪy od ich odpornoĞci na przepiĊcia i od poziomu wystĊpujących przepiĊü. Zbyt duĪe zagroĪenie moĪna zredukowaü do dopuszczalnego poziomu, stosując odpowiednie Ğrodki ochrony. MoĪna je podzieliü na Ğrodki zapobiegające powstawaniu przepiĊü i Ğrodki sáuĪące ich ograniczaniu. Podobnie jak skutki oddziaáywania przepiĊü tak i Ğrodki ich ograniczania zaleĪą od rodzaju chronionych urządzeĔ i od rodzaju oddziaáujących na nie przepiĊü. WĞród chronionych urządzeĔ naleĪy wyróĪniü linie i stacje elektroenergetyczne z ich urządzeniami i wyposaĪeniem kontrolnopomiarowym oraz instalacje elektryczne i urządzenia elektroniczne obiektów budowlanych z wprowadzanymi liniami.

50

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Podstawowym zabiegiem sáuĪącym optymalnej ochronie urządzeĔ jest skoordynowanie ich odpornoĞci na róĪne rodzaje przepiĊü ze statystycznymi lub racjonalnie ograniczonymi naraĪeniami przepiĊciowymi [8]. Co celów koordynacji urządzeĔ wysokonapiĊciowych są stosowane standardowe rodzaje napiĊü i przepiĊü (tablica 4.1) [2], [3]. Tablica 4.1 Standardowe rodzaje napiĊü i przepiĊü. NapiĊcie pracy ciągáej

PrzepiĊcia dorywcze

Udary o áagodnym czole 1,0

0,5 0,3

f Tl

50 Hz

1 f Tl

50 Hz, Tl = 60 s

Impulsy o bardzo stromym czole

1,0 0,9

0,5 1

Udary o stromym czole

Tp T2

1 f2

1f1

Tf

T1

Tl

T2

250/2500 Ps

1,2/50 Ps

Tf<100ns Tld3ms

Poziom izolacji dla poszczególnych rodzajów przepiĊü dobiera siĊ w zaleĪnoĞci od zakresu napiĊciowego urządzeĔ. Jak pokazano w tablicy 4.2, wyróĪnia siĊ dwa zakresy napiĊciowe. Tablica 4.2 Znormalizowane poziomy izolacji wg EN 60071-1 [2]. a) zakres I (1 kV < Um d 245 kV) NajwyĪsze napiĊcie NapiĊcie wytrzymywane dorywcze, wyposaĪenia Um czĊstotliwoĞci sieciowej kVsk kVsk 3,6 10 7,2 20 12 28 17,5 38 36 70 123 (185); 230 245 (275); (325); 360; 395; 460 b) zakres II (Um > 245 kV) NajwyĪsze napiĊcie NapiĊcie wytrzymywane udarowe áączeniowe na wyposaĪenia Um izolacji WzdáuĪnej fazowej miĊdzyfazowej w kVsk kV kV stosunku do fazowej 850 850 1,6 420 950 950 1,5 950 1050 1,5 1175 130 1,7 762 1175 1425 1,7 1175 1550 1,6

NapiĊcie wytrzymywane udarowe piorunowe kV 20; 40 40; 60 60; 75; 95 75; 95 145; 170 450; 550 (650); (750); 850; 950; 1050 NapiĊcie wytrzymywane udarowe piorunowe kV 1050; 1175 1175; 1300 1300; 1425 1675; 1800 1800; 1950 1950;2100

W zaleĪnoĞci od zakresu napiĊciowego izolacji są dobierane zestawy róĪnego rodzaju napiĊü wytrzymywanych. W pierwszym zakresie jest to zestaw záoĪony z napiĊü odwzorowujących przepiĊcia dorywcze i piorunowe, w drugim zaĞ - przepiĊcia áączeniowe i piorunowe [2], [4]. Procedura koordynacyjna polega na wyznaczeniu czterech napiĊü standardowych i na doborze Ğrodków ochrony i ich parametrów. NapiĊciami standardowymi są:

51

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

napiĊcie (przepiĊcie) reprezentatywne Urp, charakteryzujące typowe naraĪenia elektryczne izolacji; x napiĊcia koordynacyjne Ucw, które izolacja powinna wytrzymywaü przez caáy okres eksploatacji, przy uwzglĊdnieniu naraĪeĔ Urp; x napiĊcia probiercze Urw, które izolacja powinna wytrzymaü podczas prób laboratoryjnych; x znamionowy poziom izolacji Uw - zestaw znormalizowanych napiĊü probierczych skojarzonych z najwyĪszym napiĊciem urządzeĔ Um. NajwaĪniejsza czynnoĞü dotyczy oceny i wyboru napiĊü koordynacyjnych Ucw. SáuĪą do tego dwie podstawowe metody: metoda deterministyczna i metoda statystyczna (peána i uproszczona) [4], [8]. x

W metodzie deterministycznej wykorzystuje siĊ kompromis pomiĊdzy naraĪeniem izolacji (najwyĪszą spodziewaną wartoĞcią Urp) a jej wytrzymaáoĞcią (wartoĞcią Ucw). WielkoĞci te wiąĪe ze sobą wspóáczynnik koordynacyjny Kc, pozwalający uwzglĊdniü niepewnoĞci w ich ocenie, wg prostej zaleĪnoĞci Ucw = Kc Urp (4.1) W przypadku przepiĊü dorywczych Kc = 1, a w przypadku przepiĊü áączeniowych Kc = f(Ups/U2%) = 1,0 – 1,1, przy czym: Ups – poziom ochrony (uciĊcie rozkáadu przepiĊü), U2% - 2% kwantyl przepiĊü. W przypadku przepiĊü piorunowych Kc = 1,15 dla Un = 3 – 30 kV oraz Kc = 1,25 dla Un = >30 kV, przy czym zamiast napiĊcia reprezentatywnego Urp przyjmuje siĊ poziom ochrony Upl [[9], [10]. W metodzie statystycznej peánej okreĞla siĊ ryzyko uszkodzenia izolacji, wg zaleĪnoĞci f

R

³ f ( U ) P( U ) dU

(4.2)

0

w której: f(U) – funkcja gĊstoĞci rozkáadu przepiĊü (zwykle rozkáad log-normalny lub Weibulla); P(U) – dystrybuanta napiĊü przebicia izolacji (zwykle rozkáad normalny). Interpretacja graficzna zaleĪnoĞci (4.2) jest pokazana na rys. 4.1. f(U ) P (U ) P (U ) f(U ) R

U W 10%

U S 2%

U

Rys. 4.1 Ryzyko przeskoku R (pole zacienione).

Tolerowana wartoĞü ryzyka jest przyjmowana zwykle na poziomie RT = 10-3, ale moĪe byü w zaleĪnoĞci od potrzeb - modyfikowana. Na przykáad w warunkach polskich przyjmuje siĊ obecnie, Īe roczne ryzyko uszkodzeĔ izolacji urządzeĔ powinno zawieraü siĊ w granicach 0,001/rok d R d 0,004/rok. W przypadku R > RT naleĪy zwiĊkszyü wytrzymaáoĞü izolacji, przesunąü w prawo krzywą P(U) na rys. 4.1, albo ograniczyü wartoĞü przepiĊü. W metodzie statystycznej uproszczonej wyznacza siĊ ryzyko R uszkodzenia izolacji w zaleĪnoĞci od statystycznego przepiĊcia US, okreĞlonego na podstawie funkcji f(U), i statystycznej wytrzymaáoĞci UW , okreĞlonej na podstawie dystrybuanty P(U).

52

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Statystyczne przepiĊcie US jest przyjmowane zwykle na poziomie 2 % kwantyla gĊstoĞci przepiĊü (prawdopodobieĔstwo, Īe osiągnie ono wartoĞü wiĊkszą niĪ US, wynosi 2 %), co odpowiada zaleĪnoĞci US = U50 + 2,054 Vs (4.3) a)

10

0

10

-1

b) 10

R

0

R

10

US

= 3,5 = 2,5 = 1,5

10

-2

10

-3

10

-4

10

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

US

-1

= 3,5 = 2,5 = 1,5

-2

10

-3

10

-4

0,4

0,6

0,8

1,2

1,0

KC

KC

Rys. 4.2 ZaleĪnoĞü R od KC: a) przy przepiĊciach w jednej fazie, b) w odniesieniu do jednego zdarzenia przepiĊciowego.

Statystyczne napiĊcie wytrzymywane UW jest okreĞlone jako 90 % wytrzymaáoĞü izolacji (prawdopodobieĔstwo, Īe izolacja ulegnie uszkodzeniu wynosi 10 %), co odpowiada zaleĪnoĞci UW = U50 - 1,28 Vw (4.4) WartoĞci te moĪna oczywiĞcie - poprzez ich rozkáady - wprowadziü do wzoru (4.2) w celu wyznaczenia ryzyka R, przy czym ryzyko to uzaleĪnia siĊ od wspóáczynnika koordynacyjnego (rys. 4.2) UW (4.5) Kc US NapiĊcia standardowe odnoszące siĊ do koordynacji izolacji sieci krajowych, ustalone na podstawie podanych powyĪej zasad, przedstawiono w tablicy 4.3 [5], [6]. Tablica 4.3 NapiĊcia koordynacji izolacji w polach liniowych napowietrznych stacji: 15 kV, 110 kV, 220 kV i 400 kV. L.p.

Rodzaj

1

NapiĊcie znamionowe Un

2

NajwyĪsze napiĊcie sieci Us

NapiĊcie lub przepiĊcie Jednostka kVsk

WartoĞü

15

110

220

400

17,5

123

245

420

17,5

99,4

183

315

20

172

319

546

a) NapiĊcie i przepiĊcia reprezentatywne Urp 3

dorywcze

4 5 6 7

faza-ziemia miĊdzy fazami

o áagodnym czole

kVsk

faza-ziemia miĊdzy fazami

kVm

43

0,82 Upl

63

1,64 Upl, Upl

o stromym czole

b) napiĊcia i przepiĊcia koordynacyjne Ucw 8

dorywcze

9 10 11

faza-ziemia miĊdzy fazami

o áagodnym czole

faza-ziemia miĊdzy fazami

kVsk kVm

17,5

99,4

183

315

20

172

319

546

43

0,90 Upl,

63

1,64 Upl,

53

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________ 12

o stromym czole

1,15 Upl

1,25 Upl

c) Wymagane napiĊcie wytrzymywane Urw 13

dorywcze

14 15 16 17

faza-ziemia miĊdzy fazami

o áagodnym czole

kVsk

faza-ziemia miĊdzy fazami

kVm

o stromym czole

20,8

118

204

352

24

204

355

609

51

1,19 Ucw

75

1,19 Ucw

1,36 Upl

1,45 Upl

d) Znamionowy poziom izolacji, znormalizowane napiĊcie wytrzymywane Uw 18

dorywcze 50 Hz

19

udarowe áączeniowe

20

udarowe piorunowe

kVsk kVm

38

230

395

-

-

-

-

a) 950, b) 1425

75, 95

550

950

1300

Uwagi: Upl - poziom ochrony (napiĊcie obniĪone) odgromnika przy znamionowym prądzie wyáadowczym In o ksztaácie 8/20 Ps; a) - izolacja faza-ziemia i wzdáuĪna, b) - izolacja miĊdzyfazowa.

Jak áatwo stwierdziü, w poz. 3 – 7 tablicy 4.3 podano napiĊcia i przepiĊcia reprezentatywne Urp, a w poz. 8 – 12 - napiĊcia i przepiĊcia koordynacyjne Ucw. Przy wyznaczaniu wartoĞci wymaganego napiĊcia wytrzymywanego (laboratoryjnego) Urw (poz. 13 – 17) uwzglĊdniono: normalne warunki atmosferyczne, starzenie siĊ izolacji, rozrzut wáasnoĞci urządzeĔ i inne niepewnoĞci. Znormalizowane napiĊcia wytrzymywane Uw wybrano z tablicy 4.2 na podstawie napiĊü Urw i zestawiono w poz. 18 – 20 Tablicy 4.3. Dobór ograniczników przepiĊü jest uzaleĪniony od ich parametrów i warunków pracy [6], [7]. Do podstawowych parametrów naleĪą: napiĊcie pracy ciągáej Uc, napiĊcie znamionowe Ur, znamionowy prąd wyáadowczy In, poziom ochrony i wytrzymaáoĞü przy zabrudzeniach [8]. O warunkach pracy ograniczników decydują gáównie: najwyĪsze napiĊcie sieci US, sposób uziemienia punktu neutralnego sieci, czas trwania zwarcia faza-ziemia, rozlegáoĞü sieci, miejsce zainstalowania ogranicznika, wáaĞciwoĞci aparatury áączeniowej. Relacje miĊdzy dwoma podstawowymi parametrami ograniczników tlenkowo-metalowych powinny byü nastĊpujące: U c # 0 ,8 U r lub U r 1,25 U c (4.6a) Przy automatycznej eliminacji zwarü powinno byü kUS lub U r t 1,25 k U s 3 (4.7a) Uc t 3 przy czym k - wspóáczynnik wpáywu harmonicznych i innych czynników (k t 1,2 - zwarcia eliminowane automatycznie, k t 1,4 - zwarcia eliminowane po czasie t = 10 s, k = 1,73 - zwarcia trwaáe), Us - wartoĞü skuteczna najwyĪszego napiĊcia sieci. Bez automatycznej eliminacji zwarü (przy doziemieniu dáugotrwaáym) U c t U s oraz U r t 1,25 U s (4.8a) NapiĊcie Ur zaleĪy od spodziewanych przepiĊü dorywczych UT, a te od sposobu uziemienia punktu neutralnego. W sieciach o napiĊciu do 30 kV UT U S (4.9) Czas trwania UT moĪe wynosiü od 1 s do kilku godzin (przy kompensacji). W sieciach Un t 110 kV przepiĊcia UT zaleĪą od kz (Tablica 4.4). UT k z U s 3 (4.10) 54

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

1 2 3

Tablica 4.4 WartoĞci kz w sieciach 110 kV, 220 kV i 400 kV kVsk 110 220 NapiĊcie znamionowe sieci Un NajwyĪsze napiĊcie sieci Us kVsk 123 245 Wspóáczynnik kz*) 1,4 1,3

440 420 1,3

Uwaga*) w rozdzielniach elektrowni naleĪy zwiĊkszyü podane wartoĞci kz o 0,1.

Charakterystyka napiĊciowo-czasowa wytrzymaáoĞci ogranicznika przy przepiĊciach dorywczych UWT = f(t) powinna przebiegaü w caáym zakresie czasu nad charakterystyką spodziewanych przepiĊü dorywczych UT = f(t). Wg IEC 60099-5 przepiĊcie dorywcze UT o czasie trwania w granicach 0,1 s < tT < 100 s ma wartoĞü równowaĪną, trwającą 10 s, równą U eq U T 0 ,1tT 0 ,02 (4.11) Przykáad, gdy tT = 1s, to Ueq = 0,95 UT. NapiĊcie znamionowe powinno speániaü warunek Ur t Ueq (4.12) 0 ,02 Stąd U r t U T 0 ,1tT (4.13) a przy uwzglĊdnieniu zaleĪnoĞci (4.10) kU U r t z s 0 ,1tT 0 ,02 (4.14) 3 przy czym wartoĞü kz wg Tablicy 4.4. WartoĞci napiĊü znamionowych i napiĊü pracy ciągáej ograniczników przepiĊü, skoordynowane z wartoĞciami najwyĪszych napiĊü roboczych sieci w zakresie od 3 kV - 30 kV, zestawiono w Tabl.4.5. WartoĞci pozostaáych parametrów powinny byü nastĊpujące: znamionowy prąd wyáadowczy 8/20 Ps: In = 10 kA lub In = 5 kA; zdolnoĞü pocháaniania energii - nie mniejsza niĪ 2 kJ na 1 kV napiĊcia Ur; wytrzymaáoĞü na udary prostokątne 2000 Ps - próba prądem t 250 A; wytrzymaáoĞü zwarciowa - zaleĪna od spodziewanego prądu zwarcia i wreszcie droga upáywu izolacji powinna byü dostosowana do warunków zabrudzeniowych. Lp 1 2 3 4 5

Tablica 4.5 Zalecane wartoĞci parametrów ograniczników do sieci 3 kV - 30 kV. Nazwa WartoĞü skuteczna napiĊcia [kV] NapiĊcie znamionowe sieci Un 3 6 10 15 20 NajwyĪsze napiĊcie sieci Us 3,6 7,2 12 17,5 24 Uc 3,2 4,8 8,0 12,8 16,8 Automatyczna eliminacja zwarcia Ur 4 6 10 16 21 Uc 3,2 6,4 9,6 14,4 19,2 Eliminacja zwarcia po tT= 10 s Ur 4 8 12 18 24 Uc 4,0 7,2 12 17,6 24 Nieograniczony czas zwarcia Ur 5 9 15 22 30

Analogiczne zestawienie skoordynowanych wartoĞci napiĊü instalowanych w sieciach 110 kV, 220 kV i 400 kV podano w Tablicy 4.6.

dla

30 36 24 28,8 28,8 36 36 45

ograniczników

Tablica 4.6 Zalecane wartoĞci parametrów odgromników do sieci 110 kV, 220 kV i 400 kV. 110 220 400 1 NapiĊcie znamionowe sieci Un kVsk 2 NajwyĪsze napiĊcie sieci Us kVsk 123 245 420 3 Wspóáczynnik kz nie mniejszy niĪ 1,4 1,5* 1,3 1,4* 1,3 1,4* 4 NapiĊcie pracy ciągáej Uc** kVsk 77 86 154 163 259 275 5 NapiĊcie znamionowe Ur kVsk 96 108* 192 204* 324 342* tyczy wspóáczynnika zwarcia kz i napiĊcia Ur odgromników transformator- generator a wyáącznikiem powodującym zrzut obciąĪenia generatora; ** tolerancja podanych wartoĞci napiĊcia Uc wynosi r 2 %.

55

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

WartoĞci pozostaáych parametrów powinny byü nastĊpujące: znamionowy prąd wyáadowczy o ksztaácie 8/20 Ps powinien mieü wartoĞü In = 10 kA; zdolnoĞü pocháaniania energii nie powinna byü mniejsza niĪ 2,5 kJ na 1 kV napiĊcia Ur; wytrzymaáoĞü na udary prostokątne 2000 Ps - próba prądem t 450 A; wytrzymaáoĞü zwarciowa powinna byü dostosowana do spodziewanego prądu zwarcia, a droga upáywu izolacji - do warunków zabrudzeniowych. Warto tu nadmieniü, Īe instalowanie ograniczników przepiĊü o parametrach niĪszych niĪ zalecane w tablicach 4.5 i 4.6 moĪe powodowaü znaczną ich awaryjnoĞü.

5. Podsumowanie i wnioski

W podsumowaniu rozwaĪaĔ na temat przyczyn i skutków powstawania przepiĊü oraz moĪliwych do wystąpienia i zredukowanych ich poziomów moĪna stwierdziü, Īe: x najgroĨniejsze i najbardziej czĊste przepiĊcia powstają pod wpáywem bezpoĞrednich i pobliskich wyáadowaĔ piorunowych oraz trwaáych i przerywanych zwarü doziemnych; x brak redukcji poziomu przepiĊü w urządzeniach elektrycznych moĪe byü przyczyną czĊstych awarii lub zakáóceĔ pracy, które mogą byü przyczyną znacznych strat i poraĪeĔ; x najbardziej racjonalną drogą do redukcji szkód przepiĊciowych w urządzeniach wysokonapiĊciowych jest koordynacja ich izolacji z prawidáowym doborem urządzeĔ do ograniczania przepiĊü.

Literatura

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]

[10] [11] [12] [13]

56

Anderson E.: PrzepiĊcia wewnĊtrzne w sieciach Ğrednich napiĊü i ich ograniczanie. Komitet Elektrotechniki PAN, seria: PostĊpy techniki wysokich napiĊü, zeszyt 22. Warszawa, 1997. EN 60071-1. Insulation co-ordination. Part 1: Definitions, principles and rules. CENELEC, 1995. EN 60071-2. Insulation co-ordination. Part 2: Application Guide. CENELEC, 1997. Flisowski Z., Kosztaluk R.: Wspóáczesne metody koordynacji izolacji. Przegląd Elektrotechniczny, Z. 2, 1998. Flisowski Z.: Technika wysokich napiĊü. WNT Warszawa 1999. Wyd. IV. IEC 99-4, 1993: Surge arresters. Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c. systems. IEC 99-5, 1996: Surge arresters. Part 5: Selection and application recommendations. Kosztaluk R., Flisowski Z.: Koordynacja izolacji polskich sieci wysokich napiĊü. Przegląd Elektrotechniczny Z. 2, 1998. Kosztaluk R., Mikulski J.: Wskazówki koordynacji izolacji i ochrony od przepiĊü sieci o napiĊciu znamionowym do 110 kV. Projekt 2 poprawiony. Instytut Energetyki, Warszawa, styczeĔ 1998. Kosztaluk R., Mikulski J.: Wskazówki koordynacji izolacji i ochrony od przepiĊü sieci przesyáowych. Projekt 1, Instytut Energetyki, Warszawa, listopad 1997. PN-IEC 61024-1-1: Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. CzĊĞü 1: Ogólne zasady, Sekcja 1 – Przewodnik A: Wybór poziomów ochrony dla urządzenia piorunochronnego. PN-IEC 61312-1: Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. CzĊĞü 1: Ogólne zasady. Statistik zum Tätigkeitsbereich 1991. Brandverhütungsstelle für Oberösterreich, Linz 1992.

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Uziemienia i poáączenia wyrównawcze w ochronie odgromowej i przeciwprzepiĊciowej prof. dr hab. inĪ. Andrzej Sowa Politechnika Biaáostocka www.ochrona.net.pl 1. WstĊp

Zadaniem urządzenia piorunochronnego jest bezpieczne odprowadzenie do ziemi prądu piorunowego bez powodowania zagroĪenia dla ludzi i urządzeĔ technicznych [6,7]. Poprawne zaprojektowanie i wykonanie urządzenia piorunochronnego nie zapobiega jednak gwaátownemu skokowi potencjaáów, jaki nastĊpuje wewnątrz obiektu podczas bezpoĞredniego wyáadowania piorunowego. W typowym przypadku, w przewodach odprowadzających mogą popáynąü prądy o wartoĞciach szczytowych od kilkunastu do kilkudziesiĊciu kA, i wywoáaü skoki potencjaáów elementów uziemionych dochodzące do znacznych wartoĞci ( kilkadziesiąt - kilkaset kV lub nawet wyĪsze). OchronĊ przed tego rodzaju zagroĪeniem zapewnia wyrównywanie potencjaáów wszelkich instalacji przewodzących wprowadzanych do obiektu oraz instalacji uáoĪonych wewnątrz tego obiektu. 2. Uziemienia

Ogólna definicja [1] okreĞla uziemienie jako „urządzenie zapewniające poáączenie elektryczne czĊĞci uziemianej (czĊĞci czynnej, czĊĞci przewodzącej dostĊpnej, czĊĞci obcej) z ziemią”. Uziemienie jest to równieĪ nazwa ogólna poáączenia czĊĞci uziemianej z ziemią. Techniczne rozwiązania tego poáączenia okreĞlane są jako „instalacja uziemiająca” w skáad której wchodzą [1]: uziom, przewód uziemiający, szyna uziemiajaca, zacisk probierczy i przewód ochronny. W przypadku ochrony odgromowej [7], uziemienie jest to „czeĞü urządzenia piorunochronnego przeznaczona do odprowadzania do ziemi i rozpraszania w niej prądu piorunowego”. Do celów ochrony odgromowej i przepiĊciowej naleĪy w pierwszej kolejnoĞci wykorzystaü uziomy naturalne obiektu. Poáączenia uziomów naturalnych z przewodami uziomowymi powinny byü wykonane w sposób trwaáy za pomocą spawania lub zgrzewania. JeĞli wykonanie takich poáączeĔ jest niemoĪliwe lub utrudnione dopuszczalne jest wykorzystanie obejm lub uchwytów mających zacisk lub zaciski zabezpieczone przed rozluĨnieniem siĊ. Przy budowie nowych obiektów zalecane jest wykorzystywanie uziomów fundamentowych. Uziomy sztuczne naleĪy stosowaü tylko w przypadkach obiektów, w których nie ma moĪliwoĞci wykorzystania uziomów naturalnych lub ich wykorzystanie jest niecelowe. Ukáad uziomowy powinien równieĪ zapewniü zredukowanie do bezpiecznych wartoĞci róĪnice potencjaáów pomiĊdzy poszczególnymi punktami uziomu oraz podáączonymi do niego instalacjami i urządzeniami. Speánienie tego ostatniego warunku wymaga stosowania poáączeĔ o moĪliwie najmniejszych wartoĞciach impedancji pomiĊdzy uziomem a szyną lub pierĞcieniem wyrównywania potencjaáów lub urządzeniami, jeĞli są poáączone bezpoĞrednio z uziomem. 3. Ogólne zasady wyrównywania potencjaáów

W normach dotyczących ochrony odgromowej [6,7] stwierdzono, Īe wszelkie instalacje przewodzące wprowadzane do obiektu oraz instalacje przebiegające wewnątrz obiektu naleĪy objąü ekwipotencjalizacją. EkwipotencjalizacjĊ naleĪy wykonaü za pomocą poáączeĔ wyrównawczych bezpoĞrednich lub ochronnikowych. 57

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Norma PN-IEC 61024-1 [7] traktuje poáączenie wyrównawcze jako najwaĪniejszy Ğrodek ochrony przed zagroĪeniem Īycia w chronionej przestrzeni. Ekwipotencjalizacja jest osiągalna za pomocą przewodów wyrównawczych lub ograniczników przepiĊü, áączących urządzenie piorunochronne, konstrukcjĊ metalową obiektu, metalowe instalacje, zewnĊtrzne czĊĞci przewodzące oraz elektryczne i telekomunikacyjne instalacje w obrĊbie chronionej przestrzeni . Poáączenie wyrównawcze instalacji elektrycznych i telekomunikacyjnych powinny byü wykonane moĪliwie najbliĪej punktów wejĞciowych do obiektu. Wszystkie przewody linii powinny byü poáączone bezpoĞrednio lub poĞrednio. Przewody pod napiĊciem powinny byü poáączone z urządzeniem piorunochronnym wyáącznie za pomocą ograniczników przepiĊü. W ukáadzie TN przewody PE lub PEN powinny byü poáączone bezpoĞrednio z urządzeniem piorunochronnym. Szczegóáowe informacje dotyczące ograniczników przepiĊü przeznaczonych do montaĪu w instalacji elektrycznej znajdują siĊ w normie PN-IEC 61312-1[9], w której stwierdzono m.in., Īe: „poáączenia z szynami wyrównawczymi powinny byü wykonane za pomocą przewodów i zacisków, a gdzie to jest konieczne za pomocą urządzeĔ ochrony przepiĊciowej (SPD)”. Instalacje naleĪy poáączyü z szyną wyrównywania potencjaáów w miejscu leĪącym moĪliwie najbliĪej miejsca ich wprowadzania do obiektu budowlanego. Optymalnym rozwiązaniem jest zastosowanie gáównej szyny wyrównywania potencjaáów, do której doáączane są wszelkiego rodzaju instalacje przewodzące wprowadzane w jednym miejscu do obiektu budowlanego. Przykáadowy ukáad poáączeĔ w takim przypadku przedstawiono na rys.1. BezpoĞrednio do szyny wyrównującej potencjaá najczĊĞciej bezpoĞrednio doáączone są:

x telekomunikacyjne,

pomocnicze pomiarowe elektrody uziemiające,

i

x ekrany

lub przewodzące elementy konstrukcyjne linii transmisji sygnaáów

x ekrany kabli telekomunikacyjnych, x przewody PEN lub PE sieci elektroenergetycznej,

x ekrany przewodów antenowych, x przewodzące

rury instalacji wodnokanalizacyjnej, gazowej, centralnego

Przewód uziemiający

Rys. 1 Przykáad wyrównywania potencjaáów instalacji przewodzących dochodzących do obiektu budowlanego.

JeĪeli instalacje zewnĊtrzne, linie zasilające, telekomunikacyjne i sygnaáowe nie mogą wchodziü do obiektu w jednym punkcie i wymagane jest zastosowanie kilku szyn wyrównawczych, to powinny byü wzajemnie poáączone moĪliwie najkrótszymi przewodami. Uzyskanie moĪliwie najkrótszych poáączeĔ z uziomem wymaga zainstalowania pierĞcienia lub szyny wyrównawczej w suterenie obiektu. PierĞcienie wyrównawcze powinny obiegaü dookoáa od wewnątrz caáy budynek po jego Ğcianach zewnĊtrznych.

58

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

W budynkach nie posiadających podziemnych kondygnacji pierĞcieĔ lub szyna wyrównywania potencjaáów powinna byü zamocowana moĪliwie najniĪej, nie niĪej jednak niĪ 300 mm nad poziomem ziemi. PierĞcieĔ wyrównywania potencjaáów powinien byü: - wykonany z nieizolowanego przewodu stalowego ocynkowanego lub miedzianego w postaci linki, prĊta okrągáego, taĞmy lub szyny o przekroju co najmniej 120 mm2 - w przypadku stali i 50 mm2 w przypadku miedzi [1, 10], - mocowany do wsporników stalowych na wewnĊtrznej stronie Ğciany, w dolnej kondygnacji budynku, w miejscach áatwych do kontroli i obserwacji i chroniących przed uszkodzeniem mechanicznym, - umieszczany w rurach z PCV lub ceramicznych. przy przechodzeniu przez Ğciany. Przewód miedziany naleĪy zamocowaü na wspornikach stalowych mających podkáadki izolacyjne chroniące przed korozją. PierĞcienia wyrównywania potencjaáów nie naleĪy prowadziü przez akumulatorownie i inne pomieszczenia, w których jest on naraĪony na dziaáanie czynników chemicznych. 3.1. Instalacje przewodzące, na których nie wystĊpuje trwale potencjaá elektryczny

Poáączenia szyny wyrównywania potencjaáów z poszczególnymi elementami przewodzących instalacji powinny byü wykonane w sposób trwaáy np. za pomocą obejm lub uchwytów posiadających zacisk lub zaciski zabezpieczone przed rozluĨnianiem. Minimalne przekroje poprzeczne przewodów áączących poszczególne urządzenia, systemy lub elementy z szyną / pierĞcieniem wyrównawczym zaleĪą od wielkoĞci prądu, który moĪe w nich wystąpiü. Zalecane wartoĞci przekrojów poprzecznych róĪnorodnych przewodów zestawiono w tabl. 1. Tablica 1. Przekroje poprzeczne przewodów stosowanych do poáączeĔ z szyną / pierĞcieniem wyrównawczym. Rodzaj przewodu przepáyw znacznej czĊĞci prądu przepáyw nieznacznej czĊĞci prądu piorunowego piorunowego Przewód miedziany 16 mm2 6 mm2 2 Przewód aluminiowy 25 mm 10 mm2 Przewód stalowy 50 mm2 16 mm2

W wyjątkowych przypadkach moĪe zaistnieü koniecznoĞü wydzielenia czĊĞci instalacji przewodzącej lub systemu uziomowego i ich izolowanie od elementów poáączonych z gáówną szyną wyrównawczą. Nawet w takich przypadkach naleĪy dąĪyü do ograniczania róĪnic potencjaáów jakie mogą wystąpiü w obiekcie budowlanym. Rozwiązaniem jest stosowanie iskierników áączących izolowane instalacje. 3.2. Instalacje elektryczne i linie przesyáu sygnaáów

W instalacji elektrycznej do wyrównywania róĪnic potencjaáów wywoáanych przez prądy piorunowe wykorzystywane są ograniczniki przepiĊü, które powinny speániü wymagania próby klasy I [11]. Ograniczniki speániające wymagania tej próby, w dalszej czĊĞci niniejszego artykuáu nazywane ogranicznikami klasy I, zapewniają ochronĊ przed bezpoĞrednim dziaáaniem czĊĞci prądu piorunowego. Ukáady ograniczników naleĪy instalowaü w pobliĪu miejsca wprowadzania instalacji elektrycznej do obiektu budowlanego (np. szafka obok záącza, záącze, rozdzielnica gáówna) za gáównym zabezpieczeniami zasilania obiektu. W zaleĪnoĞci od systemu sieci naleĪy zastosowaü jeden z ukáadów poáączeĔ ograniczników przedstawionych w tablicy 2. Dobierając przewody do poáączenia ograniczników klasy I z przewodami fazowymi, neutralnym oraz szyną wyrównywania potencjaáów naleĪy uwzglĊdniü zjawiska termiczne i dynamiczne wywoáywane przez przepáyw prądu udarowego o wartoĞci szczytowej dochodzącej do 100 kA i ksztaácie 59

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

10/350 – odwzorowującego czĊĞü prądu piorunowego. Wskazane jest równieĪ dostosowanie przekrojów przewodów do wartoĞci bezpieczników znajdujących siĊ przed odgromnikami. Przewody stosowane do poáączeĔ odgromników powinny byü moĪliwie najkrótsze gdyĪ zapobiega to powstawaniu spadków napiĊü na ich indukcyjnoĞciach przy przepáywie prądów udarowych. Tablica 2. Ukáady poáączeĔ ograniczników przepiĊü klasy I w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym. System sieci TN L1

L1

L2 L3

Wh

L2 L3

Wh

N

N PE

PE 1

1

3

TN-C-S

3

4

2

1 - záącze instalacji elektrycznej 2 - gáówna szyna uziemiająca 3 – ograniczniki klasy I 4 – przewód uziemiający

TN-S

4

2

1 - záącze instalacji elektrycznej 2 - gáówna szyna uziemiająca 3 – ograniczniki klasy I 4 – przewód uziemiający

System sieci TT L1 Wh

L1

L2 L3

Wh

N

L2 L3 N

1

1

TT

3

3

TT 2

1 - záącze instalacji elektrycznej 2 - gáówna szyna uziemiająca 3 – ograniczniki klasy I

3a

1 - záącze instalacji elektrycznej 2 - gáówna szyna uziemiająca 3 – ograniczniki klasy I 3a – ogranicznik N-PE

2

System sieci IT L1

Wh

L1

L2 L3

Wh

L2 L3 N

1

1

3

3

IT 2

1 - záącze instalacji elektrycznej 2 - gáówna szyna uziemiająca 3 – ograniczniki klasy I

IT 2

1 - záącze instalacji elektrycznej 2 - gáówna szyna uziemiająca 3 – ograniczniki klasy I

Pozostaáe instalacje niskonapiĊciowe wchodzące do budynku np. przewody telekomunikacyjne, antenowe, linie przesyáu sygnaáów naleĪy równieĪ poáączyü z gáówną szyną wyrównywania potencjaáów bezpoĞrednio (np. ekrany kabli) lub za pomocą elementów ograniczających róĪnice potencjaáów. W powyĪszych instalacjach do ochrony podstawowej przed dziaáaniem czĊĞci prądu piorunowego wykorzystywane są najczĊĞciej odgromniki gazowane dwu- lub trój- elektrodowe. W zaleĪnoĞci od iloĞci przewodów oraz ukáadu poáączeĔ moĪna zastosowaü jeden ze sposobów ochrony przedstawiony na rys. 2. 60

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

przewód nieekranowany

Dwuelektrodowe odgromniki gazowane

przewód ekranowany

przewód ekranowany

Dwuelektrodowe odgromniki gazowane

Dwuelektrodowe odgromniki gazowane Szyna wyrównawcza

Szyna wyrównawcza

Szyna wyrównawcza

Rys. 2 Typowe ukáady poáączeĔ odgromników gazowanych tworzących ochronĊ przed dziaáaniem czĊĞci prądu piorunowego (udary o ksztaácie 10/350): a) przewody niekranowane, b) przewody ekranowane – ekran poáączony z lokalnym systemem wyrównywania potencjaáów, c) przewody ekranowane – ekran izolowany od lokalnego systemu wyrównywania potencjaáów.

W zaleĪnoĞci od rozmieszczenia urządzeĔ w obiekcie budowlanym oraz ich odpornoĞci udarowej moĪe zaistnieü potrzeba stosowania wielostopniowych ukáadów ograniczających w miejscu wprowadzania przewodów do obiektu budowlanego. W takich przypadkach stosowane są najczĊĞciej róĪnorodne poáączenia odgromników gazowanych z diodami zabezpieczającymi lub warystorami. 3.3. Wyrównywanie potencjaáów wewnątrz obiektów budowlanych

Podstawowym zadaniem ukáadów wyrównywania potencjaáów jest wyeliminowanie róĪnic potencjaáów pomiĊdzy uziomami lub uziemionymi punktami wewnątrz obiektu budowlanego oraz, w niektórych przypadkach, na zewnątrz obiektu. W obiektach budowlanych do wyrównywania potencjaáów wykorzystywane są pierĞcienie lub szyny wyrównawcze. Przykáadowe rozwiązanie poáączeĔ wyrównawczych w obiekcie budowlanym przedstawiono na rys. 3. Zwody

Instalacja piorunochronna Siatka wyrównywania potencjaáów Rozdzielnica piĊtrowa

U

Przewody odprowadzające

U Rozdzielnica piĊtrowa

U Urządzenie techniczne

Metalowe kanaáy kablowe Rozdzielnica gáówna

Gáówna szyna wyrównawcza

Uziom fundamentowy

Rys. 3 System wyrównywania potencjaáów w obiekcie budowlanym.

Poáączenia wyrównawcze elementów metalowych systemów elektronicznych powinny tworzyü obwody o konfiguracji oczkowej lub gwiazdowej (rys.4.), przy czym zalecany jest ukáad wielooczkowy.

61

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Sieü gwiazdową na ogóá stosuje siĊ dla niewielkich systemów elektronicznych, jeĞli wszystkie instalacje i kable wchodzą do systemu w jednym punkcie.

Rys. 4 Konfiguracje gwiazdowa i oczkowa poáączeĔ urządzeĔ oraz ich sposoby poáączenia z systemem wyrównywania potencjaáów

W takim przypadku wszystkie linie i kable biegnące pomiĊdzy urządzeniami powinny byü ukáadane równolegle do instalacji wyrównywania potencjaáu (odzwierciedlając jej konfiguracjĊ gwiazdową) w celu unikniĊcia tworzenia pĊtli indukcyjnych. Sieü gwiazdowa zapewnia skuteczną ochronĊ przed páynącymi w ziemi prądami wyáadowaĔ atmosferycznych. Sieü oczkową stosuje siĊ dla systemów duĪych, rozlegáych i otwartych, w których miĊdzy poszczególnymi urządzeniami biegną liczne przewody i kable oraz instalacje i kable wchodzą do systemu w kilku punktach. Utworzona sieü wyrównywania potencjaáów zapewnia maáą impedancjĊ takĪe dla wielkiej czĊstotliwoĞci, a ponadto liczne zwarte pĊtle – oka sieci redukują wypadkowe pole magnetyczne w sąsiedztwie systemu telekomunikacyjnego. W záoĪonych systemach moĪna wykorzystaü obie konfiguracje sieci wyrównywania potencjaáu. 4. Podsumowanie

Przedstawione podstawowe zasady uziemienia i ograniczania róĪnic potencjaáów pomiĊdzy instalacjami dochodzącymi do obiektów budowlanych zapewniają równieĪ podstawowy stopieĔ ochrony przed wszelkiego rodzaju przepiĊciami, jakie mogą wystąpiü w tych instalacjach. Kolejnym etapem kompleksowe ochrony odgromowej jest dobór kolejnych stopni ograniczających przepiĊcia. Ich rozmieszczenie oraz parametry techniczne uzaleĪnione są od poziomów odpornoĞci udarowej chronionych urządzeĔ. 5. Literatura [1]

JabáoĔski W., Lejdy B., Lenartowicz R.: Uziemianie, uziomy, poáączenia wyrównawcze. Wskazówki do projektowania i montaĪu. Warszawa 2000. [2] Hasse P., Wiesinger J.: EMV Blitz – Schutzzonnen Konzept. Pflaum Verlag 1994. [3] Flisowski Zd.: Trendy rozwojowe ochrony odgromowej budowli. CzĊĞü 1. Wyáadowanie piorunowe jako Ĩródáo zagroĪenia. PWN 1986. [4] Vogt D.: Potentialgleich, Fundamenterder, Korrosionsgefährdung. VDE-Schriftenreihe Normen verständlich. [5] Sowa A.: Ochrona odgromowa i przeciwprzepiĊciowa. 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. CzĊĞü 1-2. Zasady ogólne. Przewodnik B – Projektowanie, montaĪ, konserwacja i sprawdzanie urządzeĔ 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. Urządzenia ograniczające przepiĊcia doáączone do sieci rozdzielczych niskiego napiĊcia. Wymagania techniczne i metody badaĔ.

62

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Koordynacja zagadnieĔ ochrony przepiĊciowej i kompatybilnoĞci elektromagnetycznej prof. dr hab. inĪ. Zdobysáaw Flisowski1 mgr inĪ. Andrzej Pytlak2 mgr inĪ. Henryk ĝwiątek2

1. Wprowadzenie PrzepiĊcia w obiektach budowlanych mogą powodowaü: x poraĪenie czáowieka podczas jednoczesnego dotyku róĪnych dostĊpnych czĊĞci przewodzących bĊdących w zasiĊgu rĊki; x uszkodzenie izolacji wyposaĪenia elektrycznego instalacji i urządzeĔ; x wadliwe funkcjonowanie urządzeĔ elektronicznych i energoelektronicznych. W zaleĪnoĞci od poziomu przepiĊcia, wadliwe funkcjonowanie sprzĊtu elektronicznego moĪe wpáywaü na: x przejĞciowe zakáócenie; x wyáączenie urządzenia lub ukáadu; x trwaáe uszkodzenie; x wadliwe zaáączenie lub wyáączenie urządzenia sterowanego, co moĪe prowadziü do powaĪnego zagroĪenia pracy czáowieka. OdpornoĞü urządzeĔ elektronicznych i energoelektronicznych na zakáócenia przenoszone przewodami sieci zasilającej lub odbierane elektromagnetycznie (na drodze sprzĊĪeĔ indukcyjnych lub pojemnoĞciowych) ze Ğrodowiska jest zagadnieniem objĊtym kompatybilnoĞcią elektromagnetyczną. W wiĊkszoĞci przypadków urządzenia te w obiektach budowlanych są zasilane z ukáadu sieciowego typu TN, w których eliminacja przepiĊü istotnie zaleĪy od sposobu prowadzenia przewodów w instalacji i sposobu wykonania uziomów [1]. W wyniku bliskiego prowadzenia przewodów sieciowych L1, L2, L3, N, PE poziom przepiĊü o czĊstotliwoĞci sieciowej oraz przepiĊü udarowych jest najmniejszy. 2. Ogólne wytyczne ochrony przed przepiĊciami atmosferycznymi

Ochrona urządzeĔ i instalacji od przepiĊü atmosferycznych jest uzaleĪniona od istniejących warunków powstawania i ograniczania przepiĊü na które to warunki skáadają siĊ takie czynniki jak: x aktywnoĞü burzowa; x sposób zasilania instalacji (linia kablowa, linia napowietrzna); x typ ukáadu sieciowego (TN, TT, IT); x miejsce zainstalowania transformatora i jego parametry techniczne; (sposób ekranowania uzwojeĔ oraz przekáadnia miĊdzy w.n. a n.n.); x liczby zwodów odprowadzających prąd pioruna z budynku; x obecnoĞü, rodzaj i parametry ograniczników przepiĊcia na wejĞciu budynku i wewnątrz urządzenia; x sposób prowadzenia instalacji ochronnej w budynkach; 1 2

Politechnika Warszawska, Instytut Wielkich Mocy i Wysokich NapiĊü Instytut Elektrotechniki Warszawa-MiĊdzylesie

63

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

x liczba wewnĊtrznych linii w budynkach i ich dáugoĞü; x sposób wykonania uziemieĔ (roboczego, odgromowego, ochronnego niskiego napiĊcia). Potrzeba stosowania ochrony urządzeĔ i instalacji zaleĪy od: x kosztu przyáączonego do sieci urządzenia; x kosztów elementów ochrony przepiĊciowej; x zwiĊkszenia bezpieczeĔstwa na dodatkowe zagroĪenia (np. wybuchem lub poĪarem); x eliminacji zakáóceĔ przepiĊciowych powodujących zaburzenia w funkcjonowaniu urządzeĔ elektronicznych lub energoelektronicznych. Wedáug postanowieĔ normy PN-IEC 60364-4-443 [2] stosowanie ochrony od przepiĊü w warunkach krajowych (poza terenami podgórskimi) nie jest wymagana: jeĪeli jest maáa liczba dni burzowych (poniĪej 25/rok), zasilanie liniami kablowymi i stosunkowo maáa liczba wyáadowaĔ na km2. Inne opracowania normalizacyjne wskazują jednak na celowoĞü stosowania ochrony przepiĊciowej za pomocą ograniczników przepiĊciowych. W rozporządzeniu Ministra Infrastruktury [3] wprowadzono obligatoryjnoĞü stosowania we wspóáczesnych obiektach ochrony instalacji i zainstalowanych urządzeĔ przed przepiĊciami. W instalacjach zasilających urządzenia elektroniczne i energoelektroniczne stosowanie ochrony przepiĊciowej jest bardziej záoĪone poniewaĪ z jednej strony jest wiĊksza ich wraĪliwoĞü na uszkodzenia, zaĞ z drugiej są one wyposaĪone w dáawiki sieciowe i filtry od zakáóceĔ radioelektrycznych, które w pewnym stopniu táumią przepiĊcia udarowe. Producenci tych filtrów nie deklarują ich táumiennoĞci. UwaĪa siĊ, Īe urządzenia elektroniczne sterujące procesami technologicznymi, których záe zadziaáanie moĪe zagroziü bezpieczeĔstwu czáowieka, powinny mieü dodatkową ochronĊ przepiĊciową. 3. PrzepiĊcia symetryczne i asymetryczne

W sieciach typu TN wyróĪniü moĪna dwa rodzaje przepiĊü: asymetryczne (common mode overvoltage) i symetryczne (differential mode overvoltage) a) PrzepiĊcia symetryczne

WewnĊtrzne áączeniowe, powstające przy

Atmosferyczne BezpoĞdernie

Indukowane

wyáączaniu transformatora bez obciąĪeĔ

áączeniu baterii kondensatorów

áączeniu obwodów zasilających

procesach komutacyjnych przeksztatnika

b) PrzepiĊcia asymetryczne wewnĊtrzne dorywcze w sieci WN lub nn

bezposrednie przenoszone z sieci

Rys. 1 Rodzaje przepiĊü: a) symetrycznych, b) asymetrycznych

atmosferyczne bezpoĞrednie przenoszone z LPS

indukowane przez pioruny pobliskie

indukowane przez prąd w LPS

PrzepiĊcia asymetryczne wystĊpują miĊdzy punktem neutralnym transformatora, do którego jest podáączony przewód N i PE, a ziemią odniesienia. PrzepiĊcia te powstają jeĪeli w instalacji elektrycznej obiektu budowlanego jest wspólny uziom[4]: x roboczy transformatora, x odgromowy, x wysokiego napiĊcia, x ochronny niskiego napiĊcia. W stanach awarii (wyáadowania piorunowego lub przebicia izolacji po stronie wysokiego napiĊcia) na przewodzie ochronnym PE powstaje napiĊcie Uo wzglĊdem ziemi odniesienia, które

64

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

przenosi siĊ na caáą instalacjĊ ochronną, jeĪeli obiekt budowlany jest objĊty poáączeniami wyrównawczymi. PrzepiĊcia asymetryczne nie naprĊĪają izolacji czĊĞci czynnie przewodzących prąd wzglĊdem uziemionej obudowy, jeĪeli przewody fazowe są prowadzone razem z przewodami neutralnym i przewodem ochronnym PE. Na rys. 2 przedstawiono sposób powstawania skáadowej asymetrycznej napiĊcia Uz podczas wyáadowania atmosferycznego lub zwarcia obwodu w.n. do obudowy. i 1 B2

B1 A

3

iz 2

4

PE

Iw R

L1, L2, L3 , PEN

5

PE

2

Rys. 2 Ukáad zasilania obiektów B1 i B2, w którym mogą wystąpiü przepiĊcia atmosferyczne lub dorywcze po stronie górnej, 1 – urządzenie piorunochronne (LPS), 2 – szyna wyrównawcza, 3 - rozdzielnica w stacji B1, 4 – rozdzielnica w obiekcie B2, 5 – wspólny uziom, 6 – ziemia odniesienia, PE – przewód ochronny.

Uz

6

Na rys. 3 zilustrowano zjawisko indukowania skáadowej asymetrycznej udarowego przepiĊcia w obwodach sieci niskiego napiĊcia. ip

2 i SI

2 SP

2

2

1

L1 L2 L3 PEN

Rys. 3 Ukáad ilustrujący zjawisko indukowania siĊ przepiĊü ze sprzĊĪeniami indukcyjnymi i pojemnoĞciowymi; 1 – rozdzielnica gáówna; 2 – rozdzielnice piĊtrowe; SI, SP – symbole sprzĊĪenia indukcyjnego i pojemnoĞciowego miedzy instalacją odgromowa i elektryczną; ip – prąd pioruna; i – czĊĞciowy prąd pioruna.

PrzepiĊcia udarowe indukowane lub powstające z przepáywu prądu przez wspólny uziom zaleĪą od: wartoĞci prądu wyáadowania i jego stromoĞci oraz od reaktancji przewodów sieciowych (L1, L2 L3), neutralnego N i ochronnego PE. IndukcyjnoĞü przewodu ochronnego zaleĪy od jego ksztaátu i wynosi ok. 1PH/m dla przewodu okrągáego oraz 0,5 PH/m dla bednarki. W celu minimalizacji udarowych asymetrycznych przepiĊü naleĪy dąĪyü do ograniczenia prądu wyáadowania i prowadzenia przewodów moĪliwie blisko siebie tak aby róĪnice udarowego napiĊcia miĊdzy przewodami wiodącymi prąd a przewodem ochronnym poáączonym z obudową urządzeĔ byáa najmniejsza. PrzepiĊcia asymetryczne o czĊstotliwoĞci sieciowej w ukáadach sieciowych typu TN praktycznie nie powinny naprĊĪaü izolacji miĊdzy przewodami wiodącymi prąd a uziemioną obudową[4]. Poáączenia wyrównawcze powinny utrzymywaü staáą wartoĞü skáadowej asymetrycznej przepiĊcia w caáym obiekcie budowlanym zarówno w stanie statycznym (przy doziemieniu w instalacji wysokiego napiĊcia) jak i w stanie dynamicznym podczas wyáadowania atmosferycznego. Poáączenia wyrównawcze wewnątrz budynku powinny byü poáączone z instalacją urządzenia piorunochronnego. PrzepiĊcia symetryczne wystĊpują miĊdzy przewodami linii zasilającej (L1, L2, L3, N). Są one gáównie powodowane przepiĊciami áączeniowymi generowanymi w urządzeniach i instalacji, oraz w sieci zasilającej. W wiĊkszoĞci przypadków najwiĊksze przepiĊcia symetryczne wystĊpują przy odáączeniu transformatora zasilającego wyáączanego podczas

65

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

biegu jaáowego. PrzepiĊcia symetryczne pochodzenia atmosferycznego w sieci zasilającej zaleĪą od odlegáoĞci wyáadowania od obiektu budowlanego. Przyjmuje siĊ, Īe symetryczne przepiĊcia atmosferyczne są mniejsze niĪ przepiĊcia asymetryczne, poniewaĪ przepiĊcia atmosferyczne miĊdzy przewodami linii zasilającej wyrównują siĊ w wyniku sprzĊĪeĔ elektromagnetycznych miĊdzy poszczególnymi przewodami. Na rys. 4 podano sposób táumienia skáadowej symetrycznej napiĊcia w napowietrznej linii podczas wyáadowania atmosferycznego. Wewnątrz budynku táumienie to jest bardziej intensywne, poniewaĪ Īyáy poszczególnych przewodów lub kabli są prowadzone w niewielkiej odlegáoĞci miĊdzy sobą. 1 L1 L2 L3 N

Rys. 4 Wyáadowania piorunowe: 1 - trafiające w liniĊ niskiego napiĊcia i 2 - obok lini L1, L2, L3, N, PE 2

4. OdpornoĞü izolacji urządzeĔ na przepiĊcia atmosferyczne

W celu standaryzacji odpornoĞci przepiĊciowej instalacji w obiektach budowlanych i urządzeĔ do niej przyáączonych w normach PN-IEC 664-1 [5] i PN-IEC 60364-4-443 [2] przyjĊto cztery kategorie przepiĊü, z którymi naleĪy siĊ liczyü w obiektach budowlanych. OdpornoĞü na przepiĊcia odbiorników energii zaleĪy od miejsca zainstalowania, sposobu táumienia przepiĊü (ogranicznikami przepiĊciowymi lub filtrami przepiĊciowymi) oraz od wymaganej niezawodnoĞci. OdpornoĞü izolacji podstawowej w instalacji i odbiornikach wzglĊdem uziemionej obudowy wynika z rys. 5 oraz z tablicy 1. przypadek B i 15 kV

przypadek A i 230/400 V

WartoĞci przepieü 6 kV

4 kV

2,5 kV

1,5 kV

Rys. 5 Podziaá instalacji wg kategorii przepiĊü.

kategoria IV

kat. III

kat. II

kat. I

W ogólnym przypadku izolacja funkcjonalna (miĊdzyprzewodowa) w odbiornikach energii w stosunku do izolacji podstawowej jest obniĪana o jedną kategoriĊ [6]. Podobnie obwody wewnĊtrzne urządzeĔ zasilane z obwodu wtórnego transformatora zainstalowanego w urządzeniu są projektowane na obniĪoną kategoriĊ przepiĊciową. Sposób doboru kategorii przepiĊciowej do prostownika zasilanego z sieci rozdzielczej przedstawiono na rys. 6. Zastosowanie na wejĞciu urządzenia podáączonego do instalacji, ogranicznika przepiĊciowego obniĪa kategoriĊ przepiĊciową. PrzepiĊcia áączeniowe symetryczne – jak juĪ wspomniano - powstają w wyniku skokowej zmiany prądu w obwodzie podczas jego zaáączania lub wyáączania, a w szczególnoĞci, podczas: wyáączania nieobciąĪonych transformatorów (maáych prądów indukcyjnych), dziaáania aparatury rozdzielczej (np. przepalenia siĊ bezpiecznika), áączenia baterii kondensatorów do poprawy cosM i procesów komutacyjnych przeksztaátnika. PrzepiĊcia te mają zwykle mniejszą wartoĞü niĪ przepiĊcia piorunowe, ale w niektórych przypadkach mogą one zagraĪaü izolacji miĊdzyprzewodowej i powodowaü przebicia struktury zaworów póáprzewodnikowych, co wskazuje na koniecznoĞü stosowania odpowiednich Ğrodków ochrony, a wĞród nich warystorowych urządzeĔ do ograniczania przepiĊü. Obok nich w praktyce znajdują równieĪ zastosowanie filtry pokazane na 66

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

rys. 7a i 7b. Filtry te oprócz ograniczania przepiĊü áagodzą równieĪ stromoĞü ich narastania, co ma istotne znaczenie w ukáadach sterowania urządzeĔ energoelektronicznych. Tablica 1. Charakterystyka przepiĊü w instalacji na napiĊcie 230/400 V. Kategoria przepiĊü Poziom wytrzymaáoĞci udarowej Miejsce urządzenia w instalacji

I

II

III

IV

1,5 kV

2,5 kV

4,0 kV

6.0 kV

Urządzenie instalacji staáej o specjalnych wymaganiach niezawodnoĞciowych àączniki instalacji staáej, Przyrządy przenoĞne i urządzenia inne podobne (przeksztaátniki) odbiorniki domowe przemysáowe staáe Warystory i filtry Warystory i indukcyjno indukcyjnoĞci pojemnoĞciowe redukujące wartoĞü redukujące stromoĞü i przepiĊü do poziomu 2,5 wartoĞü przepiĊü. kV

Urządzenie zasilane Urządzenie zasilane z z chronionych instalacji staáej obwodów

Przykáady urządzeĔ

Chronione obwody (aparatura) elektroniczne

ĝrodki ochrony od przepiĊü

Filtry szeregowe ograniczające przepiĊcia o maáej energii przed odbiornikiem

a2

b1 O

Liczniki energii, pierwotne zabezpieczenia nadprądowe Iskierniki ograniczające przepiĊcia do poziomu 4 kV i odcinające przenoszoną energiĊ

Rys. 6 Klasyfikacja doboru izolacji w przeksztaátniku; a1 – izolacja miĊdzyprzewodowa funkcjonalna (II kategoria przepiĊü), a2 - izolacja miĊdzyprzewodowa obwodów wtórnych (I kategoria przepiĊü), b1 – izolacja podstawowa I klasy ochronnoĞci lub podwójna II klasy ochronnoĞci (III kategoria przepiĊü), b2 izolacja podstawowa (II kategorii przepiĊü), O – obudowa przeksztaátnika.

b1 a1

Urządzenia w záączu lub przed záączem

b2

a)

b) L1

L1

L

U L2

U L2

L3

L3

PEN

PEN C R1

R C

R C

C

R

R2

Rys. 7 Ukáad ochrony przeksztaátnika od przepiĊü za pomocą filtru: a) pojemnoĞciowo – rezystancyjnego, b) filtru prostownikowego.

5. Oddziaáywanie przepiĊü na obwody regulacji i sterowania

Zwykle obwody regulacji i sterowania w ukáadach energoelektronicznych posiadają (ze wzglĊdów bezpieczeĔstwa), jeden punkt metalicznie poáączony z zaciskiem ochronnym PE w urządzeniu. W tych przypadkach skáadowa asymetryczna przepiĊcia podczas wyáadowania atmosferycznego nie naprĊĪa izolacji miĊdzy pierwotnym obwodem poáączonym z siecią, a 67

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

obwodem wtórnym zasilanym z transformatora regulacyjnego. JeĪeli obwód elektroniki OE w tych ukáadach jest poáączony z uziomem funkcjonalnym dla uzyskania tzw. „czystej ziemi”, to przy wyáadowaniu atmosferycznym (rys.8) powstaje miĊdzy obudową urządzenia (i zaciskiem ochronnym PE), a ziemią odniesienia, napiĊcie uzaleĪnione od spadku napiĊcia na rezystorze uziemienia R. NapiĊcie to wynika z przepáywu prądu wyáadowania piorunowego i uzyskuje bardzo duĪą wartoĞü, która moĪe spowodowaü przebicie izolacji transformatora obwodów regulacji. Stosowanie uziomu ochronnego i funkcjonalnego w urządzeniach elektronicznych jest wiĊc niekorzystne i wymaga instalowania ograniczników napiĊcia miĊdzy uziomami ochronnym i funkcjonalnym. Podobne naraĪenie izolacji wystĊpuje w ukáadach sieciowych typu TT, w których jest wspólny uziom dla instalacji odgromowej, wysokiego napiĊcia i roboczy niskiego napiĊcia oraz oddzielny uziom ochronny dla odbiorników niskiego napiĊcia. W tych ukáadach wystąpi skáadowa asymetryczna podczas wyáadowania atmosferycznego. W sieciowych ukáadach typu TT konieczne jest wiĊc stosowanie ograniczników przepiĊü, które zabezpieczają ludzi i urządzenia przed przepiĊciami asymetrycznymi pochodzenia atmosferycznego. PD IP L1 L2

OG

L3 N C1

OE UP

R PE

UE =UP

Rys. 8 PrzepiĊcia asymetryczne UE miĊdzy przewodami L1, L2, L3 a obwodami elektroniki poáączonymi z uziomem funkcjonalnym; IP – prąd piorunowy, UP, – napiĊcia asymetryczne piorunowe (Up = Ip R, ), R – rezystancja uziemienia, C1 – pojemnoĞü miĊdzyuzwojeniowa transformatora.

RF VF = 0

6. KompatybilnoĞü elektromagnetyczna

Zgodnie z Dyrektywą Unii (89/336/EEC) problem kompatybilnoĞci elektromagnetycznej dotyczy zwáaszcza urządzeĔ elektronicznych i energoelektronicznych. KompatybilnoĞü elektromagnetyczna tych urządzeĔ naleĪy rozpatrywaü w kategorii odpornoĞci na przepiĊcia pochodzące z sieci zasilającej w zakresie funkcjonowania oraz bezpieczeĔstwa funkcjonalnego. Normalnie przyjmuje siĊ, Īe odpornoĞü izolacji podstawowej (wzglĊdem obudowy) na uszkodzenia powinna byü dopasowana do III kategorii przepiĊciowej [5] jeĪeli urządzenie to nie posiada elementów táumiących przepiĊcia wewnątrz urządzenia lub w sieci zasilającej, oraz dopasowana do II kategorii przepiĊciowej jeĪeli urządzenie to jest wyposaĪone w elementy ochrony przepiĊciowej. Oprócz odpornoĞci tych urządzeĔ na uszkodzenia, rozpatruje siĊ równieĪ zagadnienie wpáywu przepiĊü udarowych i szybkich przebiegów przejĞciowych (tzw, „burst”) na prawidáowe funkcjonowanie urządzeĔ elektronicznych i energoelektronicznych zgodnie z warunkami technicznymi. Przy czym odpornoĞü funkcjonalna moĪe byü wymagana inna dla obwodów gáównych urządzeĔ elektronicznych lub energoelektronicznych, a inna dla obwodów regulacji sterowania, oraz monitoringu. Dla przykáadu w tabl. 2 przedstawiono przykáadowo podstawowe parametry odpornoĞci na przepiĊcia urządzeĔ energoelektronicznych adresowanych do ukáadów napĊdowych instalowanych w Ğrodowisku przemysáowym [7]. OdpornoĞü ta dotyczy funkcjonowania ukáadu, przy czym podczas wystąpienia tego poziomu przepiĊü sieciowych mogą wystąpiü usterki nie stanowiące o istocie dziaáania tych ukáadów. Ukáady energoelektroniczne, których niewáaĞciwe funkcjonowanie moĪe spowodowaü zagroĪenie mechaniczne (np. przypadkowe wáączenie silnika zasilającego maszynĊ) wymaga zwykle wiĊkszej odpornoĞci na przepiĊcia. Obecnie w ramach opracowywanej normy (IEC 6180068

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

5-2) zostaną okreĞlone poziomy przepiĊü, które ukáady elektroniczne powinny „tolerowaü” i nie powodowaü báĊdnych zadziaáaĔ. Prawdopodobnie w tych ukáadach konieczne bĊdzie stosowanie specjalnego systemu táumiącego przepiĊcia sieciowe. Tablica 2. Minimalne wymagania dotyczące odpornoĞci ukáadów napĊdowych mocy na przepiĊcia, a zastosowanych w Ğrodowisku przemysáowym Przyáącza Zjawisko Podstawowa norma Poziomy przepiĊü dotycząca badaĔ Przyáącza zasilania Szybkie przebiegi IEC 61000-4-4 2kV/5kHz przejĞciowe sprzĊĪenie bezpoĞrednie Przyáącza zasilania Udar napiĊciowoIEC 61000-4-5 1 kV prądowy 2 kV SprzĊgi zasilania oraz Szybkie przebiegi IEC 61000-4-4 2kV/5kHz przyáącza linii pomiaroprzejĞciowe pojemnoĞciowa klamra wych i linii sterujących sprzĊgająca

7. Wnioski

1. Ochrona przepiĊciowa instalacji i urządzeĔ zwáaszcza elektronicznych i energoelektronicznych jest potrzebna nie tylko ze wzglĊdu na ochronĊ izolacji przed uszkodzeniami, lecz równieĪ ze wzglĊdu na funkcjonowanie tych urządzeĔ w warunkach przepiĊü, jak równieĪ funkcjonowanie w sposób nie stwarzający zagroĪeĔ mechanicznych. 2. W sieci zasilającej wystĊpują przepiĊcia asymetryczne spowodowane wyáadowaniami atmosferycznymi lub zwarciami do ziemi obwodu po stronie wysokiego napiĊcia, które naprĊĪają izolacjĊ wzglĊdem ziemi. 3. W sieci zasilającej wystĊpują przepiĊcia symetryczne, gáównie áączeniowe naprĊĪające izolacjĊ miĊdzyprzewodową. 4. W celu eliminacji przepiĊü asymetrycznych w sieci TN naleĪy prowadziü przewody L1, L2, L3 N i PE moĪliwie blisko siebie, aby zminimalizowaü przepiĊcia miĊdzy przewodami a obudową urządzenia. 5. Urządzenia elektroniczne i energoelektroniczne chronione przepiĊciowo są dopasowywane do II klasy przepiĊciowej wg PN-IEC 664-1 zaĞ niechronione przepiĊciowo do III klasy przepiĊciowej. 6. Nie zaleca siĊ stosowania uziemienia funkcjonalnego obwodów regulacji i sterowania, poniewaĪ przepiĊcie asymetryczne miĊdzy uziomami moĪe uszkodziü izolacjĊ podczas wyáadowania atmosferycznego. 7. Ukáady elektroniczne i energoelektroniczne powinny byü tak zabezpieczone, aby funkcjonowaáy prawidáowo podczas wystąpienia w sieci zasilającej przepiĊü udarowych i szybkich przebiegów przejĞciowych.

Literatura

[1] [2]

IEC 61000-5-2:1997 Electromagnetic compatibility (EMC). Part 5: Installation and mitigation quidelines – Section 2: Earthing and cabling. PN-IEC 60364-4-443 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeĔstwa. Ochrona przed przepiĊciami. Ochrona przed przepiĊciami atmosferycznymi i áączeniowymi.

69

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

[3]

[4]

[5] [6] [7]

70

Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadaü budynki i ich usytuowanie. Dz. U. z dnia 15 czerwca 2002 r. Nr 75, poz. 690. § 53. 2, § 183.1.10. PN-IEC 60364-4-442:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeĔstwa. Ochrona przed przepiĊciami. Ochrona instalacji niskiego napiĊcia przed przejĞciowymi przepiĊciami i uszkodzeniami przy doziemieniach w sieciach wysokiego napiĊcia. PN-IEC 664 - 1: 1998 Koordynacja izolacji urządzeĔ elektrycznych w ukáadach niskonapiĊciowych. CzĊĞü 1: Zasady, wymagania i badania. EN 50178: 1997. Electronic equipment for use in power installations. PN-EN 61800-3/A11:2000 Elektryczne ukáady napĊdowe o regulowanej prĊdkoĞci. KompatybilnoĞü elektromagnetyczna (EMC) z uwzglĊdnieniem specjalnych metod badaĔ.

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Systemy uziemiające w rozwiązaniach praktycznych dr inĪ. Marek àoboda Politechnika Warszawska Wprowadzenie

Za idealne uziemienie uwaĪa siĊ powierzchniĊ ekwipotencjalną, którą moĪe byü powierzchnia ziemi lub páyta metalowa o duĪych wymiarach powodująca, Īe róĪnica potencjaáów miĊdzy dowolnym punktem tej powierzchni oraz wszystkimi uziemianymi, czyli doáączanymi do niej instalacjami oraz urządzeniami bĊdzie równa zeru. Przy przepáywie prądu przez uziemienie oraz podczas jego rozproszenia w gruncie (w ziemi) róĪnice potencjaáów mogą byü równe zeru jedynie w przypadku, gdy impedancja na drodze przepáywu prądu jest równa zero. W warunkach rzeczywistych uzyskanie dobrych parametrów uziemienia jest dąĪeniem do uzyskania jak najmniejszej wartoĞci tej impedancji, która praktycznie zawsze ma wartoĞü znacznie wiĊkszą od zera. WartoĞci impedancji uziemienia, lub czĊsto wymaganej w praktyce wartoĞci rezystancji uziemienia, są związane gáównie z rodzajem i konfiguracją ukáadu uziemiającego, w tym uziomów, z rodzajem oraz rezystywnoĞcią gruntu, a takĪe z parametrami prądu przewodzonego przez system uziemiający, czyli z amplitudą, czĊstotliwoĞcią, lub ze stromoĞcią narastania prądu uziomowego. Wymagania stawiane systemom uziemiającym dotyczą przede wszystkim najwiĊkszych dopuszczalnych wartoĞci rezystancji (rzadziej impedancji) uziemienia, decydujących o spadkach napiĊcia na uziemieniu. Wymagania te, w zaleĪnoĞci od funkcji, jakie speánia system uziemiający, dotyczą: - zapewnienia ochrony przed poraĪeniem elektrycznym wskutek wystąpienia napiĊü raĪeniowych, krokowych lub dotykowych, - zagwarantowania poprawnego funkcjonowania urządzeĔ, instalacji i systemów elektrycznych, telekomunikacyjnych lub informatycznych, - zapewnienia skutecznej ochrony odgromowej obiektów budowlanych i ich wyposaĪenia technicznego, naraĪonego na przepiĊcia związane z rozpáywem prądu piorunowego, - redukcji wpáywu oddziaáywania prądów zakáóceniowych, szczególnie prądów wysokiej czĊstotliwoĞci generowanych przez urządzenia poáączone z systemem uziemiającym (tzw. szumów) na pracĊ urządzeĔ automatyki, urządzeĔ telekomunikacyjnych, informatycznych, itp. Z punktu widzenia szeroko pojĊtej tematyki kompatybilnoĞci elektromagnetycznej instalacji i urządzeĔ zasilanych energią elektryczną a takĪe jakoĞci zasilania, preferowany jest jeden wspólny system uziemiający, który speánia jednoczeĞnie funkcjĊ uziemienia roboczego, uziemienia ochronnego a takĪe uziemienia instalacji piorunochronnej. Przykáad wyidealizowanego systemu uziemiającego jest przedstawiony na rys. 1. Ukáad uziemiający tworzy swoisty rodzaj „dzielnika napiĊcia”, w którym poáączenia okreĞlonych urządzeĔ lub instalacji za pomocą przewodów uziemiających lub wyrównawczych byáyby przeznaczone wyáącznie dla okreĞlonych rodzajów prądów wpáywających do uziomów, róĪniących siĊ ksztaátem, czĊstotliwoĞcią oraz amplitudą. Jednak w rzeczywistych warunkach poszczególne prądy spáywające do uziomu mogą páynąü w sposób nie zawsze kontrolowany, poprzez przewody uziemiające oraz przewody wyrównawcze, zaprojektowane i wykonywane dla róĪnych instalacji elektrycznych lub urządzeĔ, od miejsca ich przyáączenia aĪ do umieszczonego w gruncie uziomu.

71

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Rys. 1 WyobraĪenie idealnego ukáadu uziemiającego - rodzaju dzielnika z dedykowanymi odprowadzeniami dla róĪnych rodzajów prądów wpáywających do uziomu.

Parametry elektryczne ukáadu uziemiającego mają zdecydowanie róĪniące siĊ wartoĞci, zaleĪne od rodzaju i charakteru prądu odprowadzanego do gruntu, zwáaszcza dla prądów wielkich czĊstotliwoĞci lub prądów doziemnych wyáadowaĔ piorunowych. 1. Charakterystyka systemów uziemiających

W dowolnym systemie uziemiającym znajdującym siĊ w obiekcie budowlanym moĪna wyróĪniü jego elementy skáadowe, zilustrowane na rys. 2, które w istotnym stopniu wpáywają na efektywnoĞü funkcji realizowanych przez system uziemiający. Są to:

5 4

6

10 9 8 7

11

z w

2

3 1

2

Rys. 2 Szkic systemu uziemiającego w obiekcie budowlanym: 1- ukáad uziomów, 2- przewody uziemiające, 3 – gáówna szyna uziemiająca, 4 - szyna wyrównawcza (ekwipotencjalizacyjna), 5 przewody ochronne (PE), 6 – prze-wody wyrównawcze, 7 – poáączenie wyrównawcze z instalacją wodocią-gową, 8 - poáączenie wyrównawcze z instalacją gazową, 9,10,11 - poáączenia wyrównawcze instalacji telekomunikacyjnej, zasilającej, informatycznej realizowane za pomocą ograniczników przepiĊü.

1. Konfiguracja uziomów, czyli ukáad elektrod umieszczonych w gruncie w celu rozproszenia prądu. Charakterystycznym parametrem okreĞlającym elektryczne cechy systemu uziemiającego jest rezystancja uziemienia uziomu, bĊdąca przede wszystkim rezystancją objĊtoĞci gruntu na obszarze pomiĊdzy uziomem a dowolnym punktem wierzchniej warstwy gruntu, czyli tzw. ziemią odniesienia, której potencjaá nie ulega zmianom pod wpáywem prądu rozpraszanego przez uziom Jest ona wyznaczana w sposób obliczeniowy lub poprzez pomiary i okreĞla elektryczne parametry uziomu podczas przewodzenia, wáaĞciwe dla przewodzenia prądów staáych, lub prądów przemiennych o czĊstotliwoĞci sieciowej. WartoĞü rezystancji uziemienia uziomu jest przede wszystkim uzaleĪniona od rodzaju i rezystywnoĞci gruntu, w którym jest umieszczony uziom oraz od ksztaátu i wymiarów samego uziomu (rys.3).W przypadku prądów wysokich czĊstotliwoĞci naleĪy oszacowaü impedancjĊ uziemienia a w przypadku prądów piorunowych tzw. udarową rezystancjĊ lub impedancjĊ uziemienia, które mogą w znacznym stopniu róĪniü siĊ od rezystancji statycznej uziemienia. 72

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

a)

b)

Rys. 3 Elementy uziemienia wpáywające na wartoĞü rezystancji uziemienia (a) i porównanie rezystancji udarowej uziomu Ru podczas przewodzenia prądu udarowego Im z jego rezystancją statyczną Rs (b), dla: A – uziomu pionowego umieszczonego w gruncie gliniastym, B – uziomu pionowego umieszczonego w gruncie gliniasto-kamienistym ze Īwirem, C – uziomu pionowego umieszczonego w gruncie piaszczystym.

2. Maksymalny spadek napiĊcia na uziomie oraz rozkáad napiĊcia na powierzchni ziemi w otoczeniu uziomów. WiąĪe siĊ to z moĪliwoĞcią powstania niebezpiecznego potencjaáu na uziemionych elementach instalacji lub urządzeĔ w obiekcie przy przepáywie prądu przez uziemienie. RóĪnice potencjaáu w otoczeniu uziomu mogą stanowiü zagroĪenie dla ludzi, spowodowane napiĊciem dotykowym lub krokowym (rys. 4). Natomiast w przypadku impedancyjnych lub udarowych spadków napiĊcia naleĪy liczyü siĊ z wystąpieniem napiĊü zakáócających pracĊ urządzeĔ telekomunikacyjnych lub informatycznych oraz przewodzonymi przepiĊciami piorunowymi naraĪającymi izolacjĊ instalacji zasilających lub telekomunikacyjnych lub informatycznych. Rys. 4 Rozkáad potencjaáu na powierzchni ziemi stwarzający zagroĪenie poraĪeniowe w otoczeniu uziemionego obiektu na terenie stacji elektroenergetycznej: 1 – uziom, 2 – rozkáad potencjaáu przy braku otokowych uziomów wyrównawczych, 3 – rozkáad potencjaáu w przypadku umieszczenia uziomów wyrównawczych w gruncie na zróĪnicowanej gáĊbokoĞci (sterowanie potencjaáem), Uu – napiĊcie wzglĊdem ziemi odniesienia, Iz – prąd zwarcia doziemnego.

3. Szyna uziemiająca (szyna poáączeĔ wyrównawczych) bĊdąca miejscem poáączeĔ poszczególnych przewodów áączących okreĞlone urządzenia i instalacje z uziomem. Bardzo istotne jest miejsce lokalizacji szyny w danym obiekcie oraz sposób wykonania jej poáączenia z uziomem, zapewniający trwaáoĞü i maáą rezystancjĊ poáączeĔ przewodów uziemiających i wyrównawczych z szyną uziemiającą lub wyrównawczą. 4. Liczba, wymiary oraz sposób prowadzenia przewodów uziemiających, które mają zasadnicze znaczenie zarówno dla zapewnienia bezpieczeĔstwa ludzi, czyli ograniczenia skutków poraĪenia prądem elektrycznym, jak i zapewnienia funkcjonalnoĞci zarówno urządzeĔ odbiorczych zasilanych z sieci o okreĞlonej konfiguracji (np. instalacji wykonywanych w systemie TN-S a zasilanych z sieci TN-C). 5. Konfiguracja sieci poáączeĔ wyrównawczych bezpoĞrednich, które mają za zadanie odprowadzanie do ziemi prądów upáywu, prądów zakáóceniowych wysokiej czĊstotliwoĞci 73

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

(np. prądów zakáóceĔ radiotelekomunikacyjnych lub prądów szumów generowanych przez systemy komputerowe) lub czĊĞciowych prądów piorunowych. W wielu przypadkach jest niezbĊdne stosowanie tzw. powierzchni potencjaáu odniesienia, czyli lokalnych powierzchni ekwipotencjalnych (siatek ekwipotencjalnych), pokrywających caáe pomieszczenia, w których instalowane są urządzenia szczególnie wraĪliwe na prądy zakáóceniowe wysokiej czĊstotliwoĞci a) b) (LPZ 0)

2

mc

ats

(LPZ 0)

(LPZ 1)

ecp

mc

PE

fe kl. II

mc

mc

mc

fe kl. I L, N

lbb

1

SPDs met

ec

ec

SPDs bb ec

mc

dcs

mc

dcs

PE fe kl. I L, N

ecp

bc el

1

SPDs met ec

ec

dcs

lbb

erp

il ets

L, N

bc

mc

ecp

mp

PE

fe kl. II

mc

ecp

PE

bc el

mc

sbc

ecp mc

mc

bc

mbc dcs

2

L, N

ats

(LPZ 1)

ecp

il

SPDs bb ec

mp ets

Rys. 5 Ukáad uziemieĔ (1) oraz ukáad poáączeĔ wyrównawczych (2) w obiekcie budowlanym z instalacją piorunochronną: a) konfiguracja oczkowa, b) konfiguracja promieniowa. Oznaczenia: ats – zwód, bb – szyna wyrównawcza, bc - przewód wyrównawczy, dcs – przewód odprowadzający; ec – przewód uziemiający, ecp – czĊĞü przewodząca obca, el –wprowadzane linie elektryczne, erp – uziemieniowy punkt odniesienia, ets – ukáad uziomowy, fe – urządzenie elektryczne staáe (klasa I lub II), il - linie informatyczne, lbb - lokalna szyna wyrównawcza, mbc konfiguracja oczkowa, mc – urządzenie metalowe, met - gáówna szyna wyrównawcza (zacisk uziemiający), mp – rura metalowa, sbc - konfiguracja promieniowa, SPDs – ograniczniki przepiĊü, LPZ 0, 1 – strefy ochronne w obiekcie.

Wymagania stawiane poszczególnym rodzajom uziemieĔ: roboczym (funkcjonalnym), ochronnym lub odgromowym czĊsto w istotny sposób róĪnią siĊ od siebie. MoĪe powstaü pytanie czy poszczególne rodzaje uziemieĔ i przewodów uziemiających powinno áączyü ze sobą oraz w jaki sposób je projektowaü i wykonywaü, aby kaĪda z wymaganych funkcji systemu uziemiającego byáa speániona efektywnie i zgodnie z przepisami. Obecnie nie ma wątpliwoĞci, Īe wszystkie wymagania dla poszczególnych rodzajów uziemieĔ moĪe efektywnie speániü jeden wspólny zintegrowany system uziemieniowy, jednakĪe pod warunkiem wáaĞciwego jego zaprojektowania i wykonania. Z punktu widzenia kompatybilnoĞci elektromagnetycznej oraz ochrony od przepiĊü piorunowych, w obiektach budowlanych wyposaĪonych we wraĪliwe urządzenia techniczne (np. elektroniczne lub informatyczne) są preferowane konfiguracje ukáadu uziemiającego przedstawione na rys. 5. 2. Wybrane aspekty praktyczne 2.1. Ocena rezystancji lub impedancji uziemienia

Obliczenia rezystancji uziemienia wykonywane są na podstawie bardziej lub mniej uproszczonych zaleĪnoĞci, które w ogólnym przypadku wynikają z matematycznego opisu odwzorowania uziomów w oĞrodku przewodzącym, jakim jest grunt, lub z doĞwiadczeĔ empirycznych. NiezaleĪnie od stosowanych zaleĪnoĞci, na wynik obliczenia wartoĞci rezystancji statycznej uziemienia decydujący wpáyw ma wartoĞü rezystywnoĞci gruntu U, która moĪe byü poprawnie okreĞlona jedynie w sposób eksperymentalny – najczĊĞciej na podstawie pomiarów sondowania geoelektrycznego gruntu metodą czteroelektrodową Wennera (rys. 6a).WartoĞci

74

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

rezystywnoĞci gruntu U w duĪym stopniu podlegają zmianom sezonowym w przede wszystkim wskutek zmian wilgotnoĞci gruntu (rys.6b), a takĪe jego temperatury. Pomiary rezystywnoĞci gruntu naleĪy wykonywaü na danym terenie wielokrotnie przy róĪnych odstĊpach elektrod pomiarowych, zwracając szczególna uwagĊ na interpretacjĊ uzyskanych wyników zwáaszcza na terenie uzbrojonym lub wówczas, gdy wystĊpuje wielowarstwowa struktura gruntu.

Rys. 6a Szkic ukáadu do pomiaru rezystywnoĞci gruntu metodą Wennera (a) oraz zmiany rezystywnoĞci gruntu U w zaleĪnoĞci od wilgotnoĞci gruntu.

2.2 TrwaáoĞü systemu uziemiającego

TrwaáoĞü systemu uziemiającego przyjmowana jest w zaáoĪeniach projektowych na okres nie mniejszy niĪ 20-30 lat. Decyduje o niej najczĊĞciej odpornoĞü na korozjĊ poszczególnych czĊĞci uziemienia, zwáaszcza tych, które w sposób bezpoĞredni są naraĪone na oddziaáywanie zewnĊtrznych czynników atmosferycznych, czyli uziomów oraz przewodów uziemiających oraz ich poáączeĔ. Znajdujące siĊ w gruncie uziomy, mogą byü degradowane wskutek korozji elektrochemicznej (zwanej korozją ziemną) spowodowanej obecnoĞcią ogniw galwanicznych, tworzących siĊ przy zetkniĊciu metalu z roztworami wodnymi skáadników gruntu a jej kinetyka zaleĪy przede wszystkim od skáadu chemicznego gruntu. DuĪe zagroĪenie korozyjne metalowych konstrukcji podziemnych, w tym uziomów stanowią prądy báądzące (korozja elektrolityczna). SzybkoĞü korozji elektrolitycznej zaleĪy gáównie od natĊĪenia zewnĊtrznych prądów báądzących. Aby zminimalizowaü wpáyw korozji a tym samym wydáuĪyü czas eksploatacji uziemieĔ naleĪy: - stosowaü powáoki antykorozyjne materiaáów stalowych przez ich pomiedziowanie lub ocynkowanie na gorąco, - unikaü styku materiaáów róĪniących siĊ potencjaáem elektrochemicznym, gdzie produkty korozji naturalnej wybijane z materiaáu katody (np. miedĨ) mogáyby powlekaü galwanicznie materiaá anody (np. stal), - zapewniü opowiednio duĪy przekrój powierzchni przekroju uziomu, przewodów uziemiających i poáączeniowych, - zabepieczyü styki poáączeĔ przed wilgocią poprzez ich zaizolowanie lub stosowanie trwaáych poáączeĔ metali za pomoca spawania egzotermicznego (rys. 7).

75

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________ Rys. 7 Widok poáączenia wykonanego techniką spawania egzotermicznego (ang. thermowelding) okrągáego uziomu stalowego pomiedziowanego z bednarką stalową ocynkowaną (poprzecznik) po badaniach prądami udarowymi o amplitudzie ok. 100kA.

2.3 Pomiary powykonawcze lub kontrolne rezystancji uziemienia

Weryfikacja poprawnoĞci wykonania ukáadu uziemieĔ oraz kontrola jego stanu po okreĞlonym czasie eksploatacji jest dokonywana poprzez pomiary rezystancji uziemienia ukáadu uziomów oraz elektrycznego sprawdzenia ciągáoĞci przewodów ochronnych i wyrównawczych, w odstĊpach czasów wymaganych przy okresowych kontrolach stanu technicznego danego rodzaju instalacji. Pomiar rezystancji uziemienia uziomów jest wykonywany metodą techniczną przy uĪyciu Ĩródáa prądu przemiennego, lub przy uĪyciu mierników zasilanych bateryjnie. Wykonuje siĊ go w ukáadzie pomiarowym przedstawionym na rys.8. Bardzo istotnym jest wielokrotne powtarzanie pomiarów przy róĪnych odstĊpach miedzy elektrodami pomiarowymi, a takĪe uzyskanie powtarzalnych wyników przy róĪnych kierunkach umieszczania elektrod pomiarowych. CzĊsto wykonanie poprawnego pomiaru rezystancji uziemienia jest utrudnione lub technicznie niemoĪliwe, zwáaszcza na obszarach przemysáowych lub zabudowanych, gdzie wystĊpuje wiele metalowych instalacji podziemnych, nie zawsze poáączonych z systemem uziemiającym.

Rys. 8 Szkic usytuowania elektrod pomiarowych oraz podstawowe zasady wykonywania pomiaru rezystancji uziemienia ukáadu uziomowego.

3. Uwagi koĔcowe Podstawowymi czynnikami decydującymi o zasadach projektowania i wykonania systemów uziemiających są: - wymagana, na ogóá maáa, wartoĞü rezystancji uziemienia oraz dopuszczalnych wartoĞci napiĊü raĪeniowych dotykowych i krokowych, - techniczne moĪliwoĞci wykonania uziomów o okreĞlonym ksztaácie i konfiguracji na danym terenie, - trwaáoĞü i niezawodnoĞü uziemienia przez zaáoĪony czas jego eksploatacji, - jakoĞü uĪytych materiaáów i koszty budowy uziemienia. 76

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Nowatorstwo do praktyki instalacyjnej mgr inĪ. Antoni Lisowski Przewodniczący TC 70 PKN Rzeczoznawca SEP Truizmem jest stwierdzenie, iĪ początek XXI wieku m.in. znamienny jest tym, Īe coraz bardziej znaczący udziaá w obciąĪeniu instalacji elektrycznych (w tym domowych) mają nowe rodzaje odbiorników: odbiorniki elektroniczne (czytaj: nieliniowe). Wprowadzają one nową jakoĞü w obciąĪaniu tych instalacji. Tym nowym sytuacjom i wyzwaniom trzeba wyjĞü naprzeciw. Powoduje to koniecznoĞü zadoĞüuczynienia w procesie projektowania, wykonywania i eksploatacji przedmiotowych instalacji takĪe stawianym nowym wymaganiom. W konsekwencji od osób dozoru (D) oraz eksploatacji (E) wymagaü trzeba odpowiednio aktualnej ĞwiadomoĞci, wiedzy i umiejĊtnoĞci. WáaĞciwym momentem egzekwowania i sprawdzania tego są egzaminy kwalifikacyjne na D oraz E. Wychodząc naprzeciw takiemu wyzwaniu Centralny OĞrodek Szkolenia i Wydawnictw Stowarzyszenia Elektryków Polskich przygotowuje odpowiednie materiaáy poĪyteczne w tej mierze zarówno dla egzaminatorów jak i dla egzaminowanych. Dalej podajĊ przykáady pytaĔ, o które m.in. powinna zostaü rozszerzona paleta dociekaĔ czáonków komisji egzaminacyjnych przy sprawdzaniu posiadania przez egzaminowanego wymaganych kwalifikacji. Są to pytania mojego autorstwa w stosunku do kandydatów ubiegających siĊ o stwierdzenie kwalifikacji D lub E w zakresie grupy I rodzaju urządzeĔ, pozycja 2: urządzenia, instalacje i sieci elektroenergetyczne o napiĊciu nie wyĪszym niĪ 1 kV. Są one skorelowane z materiaáem pozwalającym sformuáowaü wáaĞciwą odpowiedĨ. Zakres opanowania tego materiaáu ocenia egzaminator odpowiednio do wymagaĔ stawianych egzaminowanemu. Na D trzeba wykazaü siĊ opanowaniem ponad 70 % podanego materiaáu, a na E wystarczy efekt dwukrotnego uwaĪnego przeczytania go ze zrozumieniem.

PRZYKàAD PIERWSZY Czy w przewodzie neutralnym N symetrycznie obciąĪonego ukáadu trójfazowego prąd IN moĪe osiągnąü wartoĞü wiĊkszą od najwiĊkszej wartoĞci prądu fazowego If, tzn. czy IN > If ? A jeĪeli tak, to w jakich warunkach ?

Odpowiedzi na te pytania są waĪne przede wszystkim z uwagi na dobór przekroju przewodu neutralnego. Dotychczasowe uwarunkowania obciąĪeniowe instalacji trójfazowych, typowe dla pierwszej poáowy XX wieku, cechowaáy siĊ obciąĪeniami o charakterze liniowym. Oznaczaáo to, Īe sinusoidalne napiĊcie zasilające powodowaáo przepáyw niesinusoidalnego prądu obciąĪenia. To z kolei przy symetrycznym obciąĪeniu faz powodowaáo, Īe ich suma stanowiąca prąd przewodu neutralnego sprowadzaáa siĊ do zera  prąd w przewodzie neutralnym nie páynąá. PoniewaĪ z tego wzglĊdu dąĪono do obciąĪania faz w miarĊ jak najbardziej symetrycznie, osiągając relatywnie znacząco maáe obciąĪenie przewodu neutralnego, dlatego fakt ten generowaá i uzasadniaá potrzebĊ niskiego wymiarowania jego przekroju. Początkowo w instalacjach i sieciach korzystano z zasady stosowania przekroju przewodu neutralnego równego poáowie przekroju przewodu fazowego (SN = ½ Sf ). W miarĊ jak 77

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

sieci i instalacje mnoĪyáy siĊ, a zapewnienie warunku obciąĪenia prawie symetrycznego w eksploatacji stawaáo siĊ coraz trudniejsze, aĪ w koĔcu przestawaáo byü przestrzegane, przyjĊto zasadĊ, Īe SN ma byü jedynie o stopieĔ gradacji przekrojów przewodów mniejszy od Sf. W ostatnich dekadach lat XX wieku coraz czĊĞciej zdarzaáo siĊ stosowanie tych samych przekrojów dla przewodów neutralnych co i fazowych (nie tylko ze wzglĊdu na wymagania ochrony przeciwporaĪeniowej). Wiek XXI znamienny staje siĊ powszechnym wystĊpowaniem odbiorników elektronicznych w obciąĪeniu instalacji elektrycznych, a nieraz jest to obciąĪenie dominujące. ObciąĪenie takie jest obciąĪeniem nieliniowym, co naleĪy rozumieü, Īe sinusoidalne napiĊcie zasilające powoduje przepáyw niesinusoidalnego prądu, tzn. prądu o przebiegu czasowym nie stanowiącym sinusoidy i dlatego nazywanym powszechnie prądem odksztaáconym lub niesinusoidalnym. W takim przypadku nawet w peáni symetryczne obciąĪenie poszczególnych faz ukáadu trójfazowego nie wyzerowuje wartoĞci prądu w przewodzie neutralnym. Wobec tego wymaga to zastanowienia siĊ jakich wartoĞci prądów moĪna siĊ spodziewaü w nieliniowo obciąĪonych instalacjach elektrycznych ? Zacznijmy od, zaskakującego jak na dotychczasowe wyobraĪenia, stwierdzenia, Īe w przewodzie neutralnym N symetrycznie obciąĪonego ukáadu trójfazowego prąd IN moĪe osiągnąü wartoĞü wiĊkszą od najwiĊkszej wartoĞci prądu fazowego If, tzn. moĪe byü IN > If. Innymi sáowy odpowiedĨ na pierwsze pytanie okazuje siĊ twierdząca. Na drugie pytanie odpowiedĨ jest nastĊpująca. Do takich sytuacji moĪe dochodziü w przypadkach trójfazowych obciąĪeĔ nieliniowych. Przykáadem efektu takiego obciąĪenia moĪe byü przebieg prądu zasilania komputera PC, który miĊdzy innymi przedstawiono na niĪej zamieszczonym rysunku. Podobny przebieg ma wiĊkszoĞü zasilaczy ukáadów elektronicznych. Jest to typowy

przebieg prądu zasilania ukáadu prostowniczego z obciąĪeniem rezystancyjno – pojemnoĞciowym (pojemnoĞü wygáadzająca). W przybliĪeniu moĪna go utoĪsamiü z prądem o przebiegu: Ip = 0,6.(sin x – sin 3x) dla 1/3 S d x d 2/3 S oraz (1/3 +1)S C (2/3 + 1)S, który jest bardzo podobny (patrz wyĪej zamieszczony rysunek)

78

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

Przebieg ten, dla przedziaáu 0 d x d 2S moĪna zapisaü ogólną relacją: Ip =A.(sin x – B.sin 3x) = A1.sin x – A3.sin 3x + 6A2.n+1.sin[(2n + 1)x + M] gdzie n t 2, A jest amplitudą przebiegu If, B jest stosunkiem A3 do A1, A1 jest amplitudą pierwszej harmonicznej If, A3 jest amplitudą trzeciej harmonicznej If. Przy pominiĊciu wyĪszych harmonicznych, poczynając od piątej (wáącznie, n .t 2), otrzymujemy, Īe A1 = A, zaĞ A3 = AB. Teraz moĪemy dla przykáadu zapytaü: dla jakiej wartoĞci B prąd w przewodzie neutralnym IN, przy symetrycznym nieliniowym obciąĪeniu trójfazowym, bĊdzie dwukrotnie i wiĊcej przekraczaá wartoĞü prądu fazowego, tzn. IN t 2.If ? W celu uzyskania odpowiedzi korzystamy z narzuconego warunku oraz bierzemy pod uwagĊ, Īe: IN = 3.A3, zaĞ

If

2

A1  A 3

2

Mamy kolejno: 9.A32 t 4(A12 + A32) 9.A2.B2 t 4.A2. +4.A2.B2 B t 0,4 5

otrzymując odpowiedĨ, Īe prąd w przewodzie neutralnym IN, przy symetrycznym nieliniowym obciąĪeniu trójfazowym, bĊdzie dwukrotnie i wiĊcej przekraczaá wartoĞü prądu fazowego, tzn. IN t 2.If , jeĪeli B t 0,9. W realnych przypadkach zawartoĞü trzeciej harmonicznej w prądzie komputera wynosi 93 % pierwszej harmonicznej (A3 : A1 = 0,9 … 0,95), a w stosunku do wartoĞci skutecznej prądu komputera stanowi 68 % (A3 : If = 0,6 … 0,7). Oznacza to, Īe przy zaniedbaniu wyĪszych harmonicznych powyĪej piątej wáącznie IN § 2. If, a ich uwzglĊdnienie powoduje, Īe w rzeczywistoĞci IN = (0,6 … 0,7), I f § —3. I f. NaleĪy teĪ pamiĊtaü, Īe IN moĪe róĪniü siĊ od If czĊstotliwoĞcią; w prezentowanym przypadku czĊstotliwoĞü IN wynosi 150 Hz. Zachodzi zatem potrzeba zachowania szczególnej przezornoĞci przy zbyt pochopnym uleganiu przestarzaáej zasadzie, Īe przekrój przewodu neutralnego moĪe byü (?) o stopieĔ mniejszy od przekroju przewodu fazowego (skrajnego).

PRZYKàAD DRUGI Zagadnienia jakoĞci prądu elektrycznego (energii elektrycznej, w tym jego odksztaácenia) nabierają ostatnio coraz wiĊkszego znaczenia. Dlaczego ? A skoro tak jest, to zaprezentuj swą wiedzĊ o waĪnym w tej sferze zjawisku elektrycznych przebiegów odksztaáconych, np. wyjaĞniając (z uzasadnieniem) czy suma udziaáów procentowych poszczególnych harmonicznych (w tym i pierwszej) prądu (np. odbiornika nieliniowego, powiedzmy komputera) moĪe przekraczaü 100 % ?

OdpowiedĨ na pierwsze pytanie wynika z nastĊpujących przesáanek. Ostatnie dziesiĊciolecia przyniosáy znaczący rozwój przeksztaátników póáprzewodnikowych i energoelektroniki (zarówno przemysáowej jak i maáej, komunalnej). Znalazáo to implementacjĊ w zasilaczach urządzeĔ 79

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

elektronicznych, napĊdach elektrycznych, odbiornikach z zakresu AGD, itp. DziĞ pobierane prądy czĊsto nie są sinusoidalne. To spowodowaáo obciąĪanie sieci wyĪszymi harmonicznymi, a w nastĊpstwie odksztaácanie krzywej napiĊcia sieciowego. Zasilanie szeregu urządzeĔ napiĊciem niesinusoidalnym niekorzystnie wpáywa na ich pracĊ. Coraz gwaátowniej nabierają znaczenia sprawy ochrony ukáadu zasilającego przed odksztaáconymi prądami, ochrony ukáadów odbiorczych przed zasilaniem odksztaáconym napiĊciem i ochrony instalacji odbiorczych przed skutkami koniecznoĞci uĪytkowania obok siebie odbiorników liniowych i nieliniowych. Stan taki rodzi zarówno problemy w sferze regulacji prawnych jak i wymagaĔ technicznych. Dlatego istotna staáa siĊ potrzeba posiadania pogáĊbionych wiadomoĞci o wáaĞciwoĞciach wyĪszych harmonicznych i ich konsekwencjach. OdpowiedĨ na drugie pytanie jest twierdząca, tzn. czy suma poszczególnych udziaáów procentowych poszczególnych harmonicznych (w tym i pierwszej) przebiegu odksztaáconego moĪe przekraczaü 100 %. Np. Prąd pobierany przez komputer ma ksztaát jak prz4edstawiono na niĪej zamieszczonym rysunku.

If

2

2

2

2

2

2

2

2

I1  I3  I5  I7  I9  I11  I13  I15  I17

2

I1 1  0,902 2  0,705 2  0,475 2  0,246 2  0,09 2  0,09 2 ),128 2  0,115 2

1,626 ˜ I1

Skáada siĊ on z harmonicznych nieparzystych, gáównie od 3 do 17. Ustalony ich udziaá procentowy podano w tabliczce i zaprezentowano na niĪej podanym wykresie.

Skáadowa harmoniczna Udziaá procentowy

I1

I3

I5

I7

I9

I11

I13

I15

I17

100 %

90,2 %

70,5 %

47,5 %

24,6 %

9%

9%

12,8 %

11,5 %

Udziaá pierwszej harmonicznej w wartoĞci skutecznej If = 61,5 %; udziaá wartoĞci skutecznej wyĪszych harmonicznych (bez pierwszej) Iwh = 48,6 %, gdyĪ: 80

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________ 2

2

2

2

2

2

2

I3  I5  I7  I9  I11  I13  I15  I17

I wh

2

I1 ˜ 0,902 2  0,705 2  0,476 2  0,246 2  0,09 2  0,09 2  0,128 2  0,115 2 I1 If

k1

I1 1,626˜ I1

0,615

61,5% ,

k wh

0,791˜ I1 1,626˜ I1

Iwh If

0,486

0,791˜ I1 ; 48,6%

Zatem suma tych udziaáów wynosi 110,1 % i w sposób oczywisty jest wiĊksza od 100 %. Dzieje siĊ tak dlatego, Īe suma udziaáów jest rozumiana jako zwykáa suma arytmetyczna (liniowa). Tymczasem wartoĞü skuteczna prądu odksztaáconego jest szczególną sumą nieliniową poszczególnych skáadowych harmonicznych (sumą pitagorejską wyĪszego rzĊdu, sumą kwadratów poszczególnych, nieraz licznych, skáadników). W ten sposób przedstawiony na rysunku przybliĪony przebieg prądu komputera ip, mający równe udziaáy pierwszej i trzeciej harmonicznej po 0,6, ma amplitudĊ o wartoĞci 1,2 oraz wartoĞü skuteczną Jak widaü suma udziaáów procentowych wyĪszych harmonicznych w rozpatrywanym przypadku przybliĪenia ksztaátu prądu komputerowego (wynosi 141 %) i wykazuje, Īe moĪe przekraczaü 2

I1  I 3

Ip a zatem

I1 Ip

k1

2

I1 ˜ 1  1

I1 1,41 ˜ I1

I1 ˜

1,41 ˜ I1

2

I3 Ip

0,705

k3

,

70,5 %

.

100%. Wynika to z faktu, Īe udziaáy procentowe skáadników przywykliĞmy odnosiü do caáoĞci i sumowaü je arytmetycznie. Tymczasem wartoĞü wielkoĞci wynikowej jest specyficzną sumą nieliniową skáadowych harmonicznych (sumą kwadratów wartoĞci skáadników, sumą wedáug Prawa Pitagorasa). Skutkuje to zjawiskiem, Īe wzglĊdnie duĪe zmiany skáadników niewiele zmieniają wartoĞü wynikową jako caáoĞü, która jest bazą odniesienia do okreĞlania udziaáów procentowych. Oznacza to, Īe przy znacznym wzroĞcie procentowym skáadników caáoĞü wzrasta wolniej niĪ wartoĞü sumy skáadników, co powoduje relatywne zmniejszanie siĊ bazy procentowej czyli wiĊkszy wzrost sumy udziaáów niĪ wywoáany nim wzrost caáoĞci. Jakie praktyczne spostrzeĪenia z tych rozwaĪaĔ warto zapamiĊtaü? OtóĪ warto zauwaĪyü, Īe wzglĊdnie duĪe zmiany skáadowej powodują stosunkowo maáe zmiany wartoĞci wynikowej. Innymi sáowy duĪe zmiany wartoĞci skáadowej harmonicznej prawie nie powodują zmiany wartoĞci prądu jako caáoĞci. Analogicznie pominiĊcie szeregu skáadowych harmonicznych nie powoduje proporcjonalnego báĊdu w oszacowaniu wartoĞci caáoĞci. Dokumentuje to przykáad prądu komputera If. Przeanalizujmy jaki wpáyw na wartoĞü skuteczną If ma pominiĊcie harmonicznych od 5 do 17 ? WartoĞü skuteczna pomijanych harmonicznych wynosi: Widaü, Īe pominiĊcie 56 % udziaáu wprowadziáo uchyb (báąd) tylko 17 %. 2

I1 ˜

0 , 705

2

zatem :

 0 , 475

2

2

k 5 - 17

2

 0 , 246

0,91 ˜ I1 1,626 ˜ I1

2

uchyb

G

2

2

2

 0 , 0 , 09 2  0 , 09 2  0 ,128

I5 - 17 If I1  I 3

p

zatem

2

I5  I7  I9  I11  I13  I15  I17

I5 - 17

I f - Ip If

2

˜ 100 %

0,56

I 1 ˜ 1  0 , 902

2

2

 0 ,115

56 %

2

2

0,91 ˜ I1

.

- 1,35 ˜ I 1

1,626 ˜ I 1 - 1,35 ˜ I 1 ˜ 100 % 1, 626 ˜ I 1

17,0 % 81

„CiągáoĞü i jakoĞü zasilania”, Konstancin-Jeziorna, 30 czerwca 2003 r. _____________________________________________________________________________________

(1)

(2)

(3)

(4)

WNIOSKI RozwaĪając spodziewane obciąĪenia przewodów w instalacjach elektrycznych trzeba liczyü siĊ nawet przy obciąĪeniach symetrycznych ze znaczącym obciąĪeniem, w stosunku do obciąĪenia faz, przewodu neutralnego; a co dopiero w przypadku obciąĪeĔ niesymetrycznych ! Przewód neutralny w instalacjach elektrycznych nieraz moĪe byü obciąĪony bardziej niĪ fazowy. Prąd przewodu neutralnego jest mocno odksztaácony, gdyĪ zawiera przede wszystkim trzecią harmoniczną, która stanowi sumĊ trzecich harmonicznych (i wszystkich o wielokrotnoĞci krotnoĞci trzy) obciąĪeĔ fazowych i zaleĪy od udziaáu w nich obciąĪeĔ nieliniowych (elektronicznych). Jego pierwsza harmoniczna jest wprawdzie sumą, ale geometryczną (w sensie wektorowym), pierwszych harmonicznych prądów fazowych i zaleĪy od niesymetrii obciąĪenia.. Znane są juĪ coraz czĊstsze przypadki uszkadzania siĊ przewodu neutralnego [1]. Statystyczny przyrost takich uszkodzeĔ jest wywoáany nieliniowymi obciąĪeniami instalacji elektrycznych projektowanych i wykonanych wedáug dotychczasowych praktyk. Ale pojawiáy siĊ one teĪ w instalacjach , gdzie oprzewodowanie cechuje siĊ jednakowymi przekrojami przewodów fazowych i neutralnych. Oprócz obciąĪenia nieliniowego przyczyną moĪe tu byü záa jakoĞü zasilania: nadmiernie odksztaácone napiĊcie zasilające w wyniku wystĊpowania w sąsiedztwie odbiorników nieliniowych. Praktycy powinni zrewidowaü swą ĞwiadomoĞü i wiedzĊ w odniesieniu do: ¾ wymiarowania przewodu neutralnego, ¾ do kontroli obciąĪeĔ przewodu neutralnego i ¾ do moĪliwej przyczyny jego przeciąĪeĔ oraz uszkodzeĔ.

LITERATURA

[1]

82

Krzysztof GAJEK, Paweá ĝCIBIOREK: „WystĊpowanie wyĪszych harmonicznych w sieci Zakáadu Energetycznego àÓDħ–TEREN S.A.”543, materiaáy seminarium nt. ZABURZENIA W NAPIĉCIU ZASILAJĄCYM, zorganizowanego w ramach Polskiego Partnerstwa JakoĞci Zasilania przez Europejski Program Leonardo da Vinci, àódĨ, 9 czerwca 2003 r., str. 97 … 100.