Politechnika Śląska w Gliwicach

Wydział Elektryczny

Laboratorium z przedmiotu:

Bezpieczeństwo użytkowania urządzeń elektrycznych

Temat: Wyznaczenie impedancji pętli zwarcia w sieci TN 0,4 kV metodą obliczeniową.

Sekcja E22:

Patryk Kuźma

Marcin Mucha

Marcin Spannbauer

Łukasz Gawron

Arkadiusz Szatanik

Wojciech Wolny

Dawid Śpiewak

Dariusz Wandas

Karol Piątek

Filip Skoczylas

Gliwice 14.04.2014

1. Wstęp teoretyczny:

Zerowanie – jest jednym ze środków ochrony przeciwporażeniowej dodatkowej, polegającym na połączeniu części przewodzących dostępnych z uziemionym przewodem ochronnym PE lub przewodem ochronno – neutralnym PEN i powodującym w warunkach zakłóceniowych samoczynne odłączenie zasilania. Może być stosowane w urządzeniach prądu przemiennego o napięciu znamionowym nie przekraczającym 500 V i o układzie sieciowym TN, mającym punkt neutralny bezpośrednio uziemiony, a części przewodzące dostępne odbiorników mogą być połączone z tym punktem:

• przewodem ochronnym PE (układ TN - S),

• przewodem ochronno – neutralnym PEN (układ TN - C),

• w części układu przewodem ochronnym PE, a w części układu przewodem ochronno – neutralnym (układ TN - C - S),

Impedancja pętli zwarcia to impedancja mierzona pomiędzy zaciskami zasilającymi odbiornik. Może ona być mierzona pomiędzy dwoma fazami, pomiędzy fazą a przewodem neutralnym lub pomiędzy fazą a przewodem ekranującym. Wartość impedancji pętli zwarcia oraz napięcie znamionowe instalacji określają prąd zwarcia, tj. prąd który popłynie po zwarciu zacisków zasilających. Celem takiego pomiaru jest określenie, czy moc wyłączeniowa wyłącznika jest większa niż moc wyliczona z prądu zwarcia.

Pętla zwarcia - W momencie pojawienia się na elementach przewodzących które są połączone z przewodem ochronnym sieci niebezpiecznego napięcia dotykowego, spowodowanego metalicznym zwarciem z przewodem fazowym sieci, nastąpi przepływ prądu w obwodzie faza - przewód ochronny, zwanego prądem zwarciowym. Przepływ tego prądu spowoduje zadziałanie wyłącznika nadmiarowo-prądowego i wyłączenie zasilania- drogę tego prądu można nazwać pętlą zwarcia.

Rys.1 Przykładowy przebieg pętli zwarcia w układzie sieci TN-S.

Impedancja, Z – wielkość charakteryzująca zależność między natężeniem prądu
i napięciem w obwodach prądu zmiennego. Impedancja jest uogólnieniem oporu elektrycznego, charakteryzującego tę zależność w obwodach prądu stałego.

Warunkiem, który należy spełnić, aby uznać stopień ochrony określonego urządzenia za wystarczający jest to, aby elementy dostępne nie pozostawały zbyt długo pod wpływem niebezpiecznego napięcia dotykowego. Zabezpieczenie musi zadziałać w czasie dostatecznie krótkim, którego wartość określają normy. Warunek poprawnego zabezpieczenia można opisać wzorem:

Z_s • I_A≤ U₀ (1)

gdzie:

• Z_S - impedancja pętli zwarcia,

• I_A - prąd powodujący zadziałanie zabezpieczenia nadmiarowo-prądowego
  w wymaganym czasie,

• U_O - napięcie znamionowe sieci względem ziemi.

Sieć TN – mający jeden punkt bezpośrednio uziemiony, a części przewodzące dostępne (np. metalowe obudowy odbiorników) przyłączone są do tego punktu za pomocą przewodów ochronnych. W zależności od związku przewodu neutralnego z przewodem ochronnym wyróżnia się układy:

• TN - S – z oddzielnym przewodem ochronnym PE w całym układzie sieci. Przewód ten służy wyłącznie do ochrony urządzeń, nie można włączać go w jakikolwiek obwód prądowy, służy do tego oddzielny przewód neutralny N.

Rys.2 Schemat sieci trójfazowej typu TN-S

• TN-C – w którym w całym układzie sieci funkcje przewodu ochronnego PE, jak i funkcje przewodu neutralnego N pełni jeden wspólny przewód ochronno-neutralny PEN.

Rys.3 Schemat sieci trójfazowej typu TN-C

• TN-C-S – w którym tylko w części układu sieci funkcję przewodu neutralnego N oraz funkcję przewodu ochronnego PE pełni jeden wspólny przewód PEN.

Rys.4 Schemat sieci trójfazowej typu TN-C-S

Oznaczenia na schematach:

• L₁, L₂, L₃ – przewody fazowe,

• N – przewód neutralny,

• PE – przewód ochronny,

• PEN – przewód ochronno-neutralny.

2. Przebieg ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było poznanie głównych zagadnień z zakresu ochrony przeciwporażeniowej oraz zapoznanie się ze sposobami wyznaczania impedancji pętli zwarcia.

3. Przebieg ćwiczenia:

a) Omówienie warunku samoczynnego wyłączenia zasilania dla 3 typów zabezpieczeń:

Rys.5 Układ samoczynnego szybkiego wyłączenia zasilania za pomocą bezpieczników (1), wyłącznika (2) i wyłącznika różnicowoprądowego(3).

Rys. 6 Charakterystyki czasowo – prądowe bezpieczników typu gL

• Bezpiecznik typu gL 16 A:

W przypadku bezpieczników typu gL (Rys. 5 (1)) o prądzie znamionowym 16 A
z charakterystyk czasowo – prądowych tych bezpieczników (Rys. 6) wyznacza się wartości prądów samoczynnego zadziałania, dla czasu 0,4 s prąd wynosi I_a = 130 A.

Stąd otrzymujemy:

Z_S=$\frac{230}{\text{Ia}} = \frac{230}{130} = 1,77$ Ω - w tym przypadku wyłączenie nastąpi przy impedancji minimum 1, 77 Ω.

• Wyłącznik samoczynny 16 A:

W przypadku zainstalowania w obwodzie chronionym wyłącznika samoczynnego (Rys. 5 (2)) o charakterystyce czasowo – prądowej typu B prąd samoczynnego zadziałania wynosi: 5 ∙ I_N = 80 A

Stąd otrzymujemy:

Z_S = $\frac{230}{5*16} = 2,88\ $Ω - w tym przypadku wyłączenie nastąpi przy impedancji minimum 2, 88 Ω.

• Wyłącznik różnicowoprądowy 30 mA:

Z_S= $\frac{230}{0,03} = 7666$ Ω - w tym przypadku wyłączenie nastąpi przy impedancji minimum 7666Ω.

b) Obliczenie impedancji pętli zwarcia metodą obliczeniową dla naszego laboratorium:

Rys.7 Schemat do pomiaru impedancji pętli zwarcia

gdzie:

• T – Transformator 6kV/0,4kV

• L₁ –Linia pierwsza – przewód aluminiowy o długości 100 metrów i przekroju 4x50 mm²,

• L₂ – Linia druga - przewód aluminiowy o długości 80 metrów i przekroju 4x6 mm²,

• L₃ - Linia trzecia (laboratorium) – przewód aluminiowy o długości 30 metrów i przekroju 4x2,5 mm²,

• BiT 16 A – Bezpiecznik z wkładką topikową szybką o prądzie znamionowym 16 A.

Rys. 8 Schemat zastępczy do pomiaru impedancji pętli zwarcia naszego laboratorium

Dane:

• $T = \ \frac{6\ \text{kV}}{0,4\ \text{kV}}$ – górne i dolne napięcie transformatora,

• P_krT = 1 % - straty obciażeniowe transformatora,

• U_krT = 5 % - napięcie zwarcia transformatora,

• S_rT = 500 kVA - moc pozorna transormatora,

• $x^{'} = 0,1\ \frac{\mathrm{\Omega}}{\text{km}}\ $– reaktancja jednostkowa,

• $\gamma = 33\ \frac{\text{MS}}{m}$ - konduktywność aluminium,

• U_rT = 400 V - napięcie dolne transformatora.

Wzory:

• Z_obl$\ = \ \sqrt{R^{2} + \ X^{2}}$ - impedancja obliczeniowa,

• Z_s = 1, 25 • Z_obl - impedancja rzeczywista,

• $R = \ \frac{l}{\gamma\ \bullet s}$ – rezystancja żył fazowych,

• x =  x^′  • l – reaktancja poszczególnych przewodów,

• $Z_{T} = \ \frac{U_{\text{krT}}}{100}\ \bullet \ \frac{{U_{\text{rT}}}^{2}}{S_{\text{rT}}}$ – impedancja transformatora,

• $X_{T} = \ \sqrt{{Z_{T}}^{2} - \ {R_{T}}^{2}}$ – reaktancja transformatora,

• $R_{T} = \ \frac{P_{\text{krT}}}{100}\ \bullet \ \frac{{U_{\text{rT}}}^{2}}{S_{\text{rT}}}$ – rezystancja transformatora,

• $I_{z} = \ \frac{U_{0}}{1,25\ \bullet \ Z_{0}}$ - prąd zwarciowy,

• R =  R_T +  2(R_L1 +  R_L2 +  R_L3) – rezystancja obwodu zwarciowego,

• x = x_T +  2(x_L1 +  x_L2 +  x_L3) – reaktancja obwodu zwarciowego.

Obliczenia (metoda analityczna):

Transformator:

$$Z_{T} = \ \frac{5\%}{100\%}\ \bullet \ \frac{400^{2}}{500000} = \ \frac{5}{100}\ \bullet \ \frac{160000}{500000} = \ \frac{800000}{50000000} = 0,016\ \mathrm{\Omega}$$

$$R_{T} = \ \frac{1\%}{100\%}\ \bullet \ \frac{400^{2}}{500000} = \ \frac{1}{100}\ \bullet \ \frac{160000}{500000} = \ \frac{160000}{50000000} = 0,0032\ \mathrm{\Omega}$$

$$X_{T} = \ \sqrt{{0,016}^{2} - \ {0,0032}^{2}} = \ \sqrt{256\ \bullet \ 10^{- 6} - \ 1024\ \bullet \ 10^{- 8}} = 0,016\ \mathrm{\Omega}$$

Linia L₁:

X_L1 = 0, 0001  • 100 = 0, 01 Ω 

$$R_{L1} = \ \frac{100}{33\ \bullet 50}\ \approx 0,06\ \Omega$$

Linia L₂:

X_L2 = 0, 0001  • 80 = 0, 008 Ω 

$$R_{L2} = \ \frac{80}{33\ \bullet 6}\ \approx 0,4\ \Omega$$

Linia L₃:

X_L3 = 0, 0001  • 30 = 0, 003 Ω 

$$R_{L3} = \ \frac{30}{33\ \bullet 2,5}\ \approx 0,36\ \Omega$$

Rezystancja, reaktancja i impedancja obwodu zwarciowego:

R =  0, 0032 + 2(0,06+0,4+0,36) =  1, 6432 Ω 

X =  0, 016 + 2(0,01+0,008+0,003) =  0, 058 Ω

Z_obl$\ = \ \sqrt{{1,6432}^{2} - \ {0,058}^{2}} = \ \sqrt{2,70347024}\ \approx 1,64\ \mathrm{\Omega}$

Z_s = 1,25 •1.64 = 2,05 Ω

Prąd zwarciowy:

$$I_{z}\ \approx \ \frac{230}{1,25\ \bullet 1,64}\ \approx 116,9\ A$$

Korzystając z zależności: (1) widzimy, że:

Z_s = 2,05 Ω

U₀ = 230 V

I_A = 2, 5  • 16 A = 40 A

2, 05 Ω  •  80 A  ≤  230 V

164 V  ≤ 230 V 

Zatem zerowanie jest skuteczne.

c) Obliczenia wykonane w programie komputerowym „zerowanie”. Print Screen w załączniku.

Korzystając z programu „zerowanie” sprawdzaliśmy do jakiej maksymalnej wartości bezpiecznika zerowanie będzie skuteczne :

• 16 A – zerowanie jest skuteczne,

• 20 A – zerowanie jest skuteczne,

• 25 A – zerowanie jest skuteczne,

• 32 A – zerowanie jest skuteczne,

• 40 A – zerowanie nie jest skuteczne.

Z obliczeń programu wynika, że zerowanie będzie skuteczne do 155 metrów długości kabla czwartego tzn. przedłużacza podłączonego do gniazdka w laboratorium.

4. Wnioski:

• Wykonanie ćwiczenia pozwoliło na poznanie głównych zagadnień z zakresu ochrony przeciwporażeniowej oraz zapoznanie się ze sposobami wyznaczania impedancji pętli zwarcia.

• Z dokonanych przez nas obliczeń wynika, że wyłącznik różnicowoprądowy wymusza impedancję rzędu 7,6 kΩ, która pozwala na wyłączenie zasilania w dopuszczalnym czasie. Dzięki temu, staje się on najbardziej uniwersalnym i skutecznym środkiem ochrony przeciwporażeniowej.

• Z przeprowadzonego badania bezpiecznika typu GL wynika, że posiada on najniższą wartość impedancji pośród rozważanych przez nas zabezpieczeń. Nie jest on najlepszym rozwiązaniem ochrony człowieka przed porażeniem, ponieważ do zadziałania w dopuszczalnym czasie musi przepłynąć prąd o dużej wartości.

• Wyłączniki instalacyjne B znalazły zastosowanie do ochrony odbiorników o małych mocach poborowych. Przeznaczone są głównie w domowych i przemysłowych instalacjach elektrycznych.

• Możemy zauważyć, że obliczenia dokonane przez nas są zbliżone do wyliczonych na programie w laboratorium.

• Możemy zaobserwować , ze wyłącznik różnicowoprądowy jest najbardziej czuły i zadziała najszybciej bo do jego zadziałania potrzebna jest najmniejsza wartość prądu.

• Widzimy także, że im mniejsza impedancja tym wymuszany jest większy prąd potrzebny do zadziałania wyłącznika. Warto również dodać, iż wszystkie te wyłączniki powinny zadziałać w czasie nie dłuższym niż 0,4s dla urządzeń I klasy ochronności od momentu powstania zwarcia w sieci.

5. Załącznik: