Politechnika ÅšlÄ…ska w Gliwicach
Wydział Elektryczny
Laboratorium z przedmiotu:
Bezpieczeństwo użytkowania urządzeń
elektrycznych
Temat: Wyznaczenie impedancji pętli zwarcia w sieci
TN 0,4 kV metodÄ… obliczeniowÄ….
Sekcja E22:
Patryk Kuz
ma
Marcin Mucha
Marcin Spannbauer
A
ukasz Gawron
Arkadiusz Szatanik
Wojciech Wolny
Dawid Åšpiewak
Dariusz Wandas
Karol PiÄ…tek
Filip Skoczylas
Gliwice 14.04.2014
1
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 powodujÄ…cym 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:
·ð przewodem ochronnym PE (ukÅ‚ad TN - S),
·ð przewodem ochronno  neutralnym PEN (ukÅ‚ad TN - C),
·ð w części ukÅ‚adu przewodem ochronnym PE, a w części ukÅ‚adu 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.
2
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:
5ØÜ5Ø,Ü " 5ØÜ5ØÜ d" 5ØÜ5ØÎß (1)
gdzie:
·ð ZS - impedancja pÄ™tli zwarcia,
·ð IA - prÄ…d powodujÄ…cy zadziaÅ‚anie zabezpieczenia nadmiarowo-prÄ…dowego
w wymaganym czasie,
·ð UO - napiÄ™cie znamionowe sieci wzglÄ™dem 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:
·ð TN - S  z oddzielnym przewodem ochronnym PE w caÅ‚ym ukÅ‚adzie 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
·ð TN-C  w którym w caÅ‚ym ukÅ‚adzie sieci funkcje przewodu ochronnego PE, jak i funkcje
przewodu neutralnego N pełni jeden wspólny przewód ochronno-neutralny PEN.
3
Rys.3 Schemat sieci trójfazowej typu TN-C
·ð TN-C-S  w którym tylko w części ukÅ‚adu sieci funkcjÄ™ przewodu neutralnego N oraz
funkcję przewodu ochronnego PE pełni jeden wspólny przewód PEN.
Rys.4 Schemat sieci trójfazowej typu TN-C-S
4
Oznaczenia na schematach:
·ð L1, L2, L3  przewody fazowe,
·ð N  przewód neutralny,
·ð PE  przewód ochronny,
·ð 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
5
·ð 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 Ia = 130 A.
StÄ…d otrzymujemy:
230
ZS=230 = = 1,77 &! - w tym przypadku wyłączenie nastąpi przy impedancji minimum
5Ø<Ü5ØNÜ 130
1,77 &!.
·ð WyÅ‚Ä…cznik 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 " IN = 80 A
StÄ…d otrzymujemy:
230
ZS = 5"16 = 2,88 &! - w tym przypadku wyłączenie nastąpi przy impedancji minimum 2,88 &!.
·ð WyÅ‚Ä…cznik różnicowoprÄ…dowy 30 mA:
230
ZS= 0,03 = 7666 &! - w tym przypadku wyłączenie nastąpi przy impedancji minimum 7666&!.
b) Obliczenie impedancji pętli zwarcia metodą obliczeniową dla naszego laboratorium:
Rys.7 Schemat do pomiaru impedancji pętli zwarcia
gdzie:
·ð T  Transformator 6kV/0,4kV
·ð L1  Linia pierwsza  przewód aluminiowy o dÅ‚ugoÅ›ci 100 metrów i przekroju
4x50 mm2,
·ð L2  Linia druga - przewód aluminiowy o dÅ‚ugoÅ›ci 80 metrów i przekroju 4x6 mm2,
·ð L3 - Linia trzecia (laboratorium)  przewód aluminiowy o dÅ‚ugoÅ›ci 30 metrów i
przekroju 4x2,5 mm2,
·ð BiT 16 A  Bezpiecznik z wkÅ‚adkÄ… topikowÄ… szybkÄ… o prÄ…dzie znamionowym 16 A.
6
Rys. 8 Schemat zastępczy do pomiaru impedancji pętli zwarcia naszego laboratorium
Dane:
6 5ØXÜ5ØIÜ
·ð 5ØGÜ = 0,4 5ØXÜ5ØIÜ  górne i dolne napiÄ™cie transformatora,
·ð 5ØCÜ5ØXÜ5Ø_Ü5ØGÜ = 1 % - straty obciażeniowe transformatora,
·ð 5ØHÜ5ØXÜ5Ø_Ü5ØGÜ = 5 % - napiÄ™cie zwarcia transformatora,
·ð 5ØFÜ5Ø_Ü5ØGÜ = 500 5ØXÜ5ØIÜ5Ø4Ü - moc pozorna transormatora,
&!
·ð 5ØeÜ2 = 0,1  reaktancja jednostkowa,
5ØXÜ5ØZÜ
5Ø@Ü5ØFÜ
·ð 5ØþÞ = 33 - konduktywność aluminium,
5ØZÜ
·ð 5ØHÜ5Ø_Ü5ØGÜ = 400 5ØIÜ - napiÄ™cie dolne transformatora.
Wzory:
·ð 5ØMÜobl = 5ØEÜ2 + 5ØKÜ2 - impedancja obliczeniowa,
·ð 5ØMÜ5Ø`Ü = 1,25 " 5ØMÜobl - impedancja rzeczywista,
5ØYÜ
·ð 5ØEÜ = 5ØþÞ "5Ø`Ü  rezystancja żyÅ‚ fazowych,
·ð 5ØeÜ = 5ØeÜ2 " 5ØYÜ  reaktancja poszczególnych przewodów,
2
·ð 5ØMÜ5ØGÜ = 5ØHÜ5ØXÜ5Ø_Ü5ØGÜ " 5ØHÜ5Ø_Ü5ØGÜ  impedancja transformatora,
100 5ØFÜ5Ø_Ü5ØGÜ
·ð 5ØKÜ5ØGÜ = 5ØMÜ5ØGÜ2 - 5ØEÜ5ØGÜ2  reaktancja transformatora,
2
·ð 5ØEÜ5ØGÜ = 5ØCÜ5ØXÜ5Ø_Ü5ØGÜ " 5ØHÜ5Ø_Ü5ØGÜ  rezystancja transformatora,
100 5ØFÜ5Ø_Ü5ØGÜ
5ØHÜ0
·ð 5Ø<Ü5ØgÜ = 1,25 " 5ØMÜ0 - prÄ…d zwarciowy,
·ð 5ØEÜ = 5ØEÜ5ØGÜ + 2(5ØEÜ5Ø?Ü1 + 5ØEÜ5Ø?Ü2 + 5ØEÜ5Ø?Ü3)  rezystancja obwodu zwarciowego,
·ð 5ØeÜ = 5ØeÜ5ØGÜ + 2(5ØeÜ5Ø?Ü1 + 5ØeÜ5Ø?Ü2 + 5ØeÜ5Ø?Ü3)  reaktancja obwodu zwarciowego.
Obliczenia (metoda analityczna):
Transformator:
5% 4002 5 160000 800000
5ØMÜ5ØGÜ = " = " = = 0,016 &!
100% 500000 100 500000 50000000
1% 4002 1 160000 160000
5ØEÜ5ØGÜ = " = " = = 0,0032 &!
100% 500000 100 500000 50000000
5ØKÜ5ØGÜ = 0,0162 - 0,00322 = 256 " 10-6 - 1024 " 10-8 = 0,016 &!
7
Linia L1:
5ØKÜ5Ø?Ü1 = 0,0001 " 100 = 0,01 ©
100
5ØEÜ5Ø?Ü1 =
H" 0,06 ©
33 " 50
Linia L2:
5ØKÜ5Ø?Ü2 = 0,0001 " 80 = 0,008 ©
80
5ØEÜ5Ø?Ü2 = H" 0,4 ©
33 " 6
Linia L3:
5ØKÜ5Ø?Ü3 = 0,0001 " 30 = 0,003 ©
30
5ØEÜ5Ø?Ü3 =
H" 0,36 ©
33 " 2,5
Rezystancja, reaktancja i impedancja obwodu zwarciowego:
5ØEÜ = 0,0032 + 2 0,06 + 0,4 + 0,36 = 1,6432 &!
5ØKÜ = 0,016 + 2 0,01 + 0,008 + 0,003 = 0,058 &!
5ØMÜobl = 1,64322 - 0,0582 = 2,70347024 H" 1,64 &!
5ØMÜs = 1,25 " 1.64 = 2,05 &!
PrÄ…d zwarciowy:
230
5Ø<Ü5ØgÜ H"
H" 116,9 5Ø4Ü
1,25 " 1,64
Korzystając z zależności: (1) widzimy, że:
Zs = 2,05 &!
U0 = 230 V
IA = 2,5 " 16 A = 40 A
2,05 &! " 80 A d" 230 V
164 V d" 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 :
·ð 16 A  zerowanie jest skuteczne,
·ð 20 A  zerowanie jest skuteczne,
·ð 25 A  zerowanie jest skuteczne,
·ð 32 A  zerowanie jest skuteczne,
·ð 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.
8
4. Wnioski:
·ð Wykonanie ćwiczenia pozwoliÅ‚o na poznanie głównych zagadnieÅ„ z zakresu ochrony
przeciwporażeniowej oraz zapoznanie się ze sposobami wyznaczania impedancji pętli
zwarcia.
·ð Z dokonanych przez nas obliczeÅ„ wynika, że wyÅ‚Ä…cznik różnicowoprÄ…dowy wymusza
impedancjÄ™ rzÄ™du 7,6 k©, która pozwala na wyÅ‚Ä…czenie zasilania w dopuszczalnym
czasie. Dzięki temu, staje się on najbardziej uniwersalnym i skutecznym środkiem
ochrony przeciwporażeniowej.
·ð Z przeprowadzonego badania bezpiecznika typu GL wynika, że posiada on najniższÄ…
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.
·ð WyÅ‚Ä…czniki instalacyjne B znalazÅ‚y zastosowanie do ochrony odbiorników o maÅ‚ych
mocach poborowych. Przeznaczone są głównie w domowych i przemysłowych
instalacjach elektrycznych.
·ð Możemy zauważyć, że obliczenia dokonane przez nas sÄ… zbliżone do wyliczonych na
programie w laboratorium.
·ð Możemy zaobserwować , ze wyÅ‚Ä…cznik różnicowoprÄ…dowy jest najbardziej czuÅ‚y i
zadziała najszybciej bo do jego zadziałania potrzebna jest najmniejsza wartość prądu.
·ð Widzimy także, że im mniejsza impedancja tym wymuszany jest wiÄ™kszy prÄ…d
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:
9