ochrona przeci wporażeni owa
ochrona przeci wporażeni owa
ochrona przeciwporażeniowa
w gospodarstwach rolnych
i ogrodniczych
zasilanych z agregatów prądotwórczych
mgr inż. Zdzisław Strzeżysz  WIGE Warszawa, mgr inż. Julian Wiatr
nstalacje odbiorcze w gospodar- dynkach gospodarstw wiejskich, co
Istwach rolnych i ogrodniczych na- powoduje teraz konieczność moder-
leży projektować zgodnie z zalecenia- nizacji tych sieci w celu przystosowa-
mi normy PN-IEC 60364-7-705 Insta- nia ich do rzeczywistych obciążeń.
lacje elektryczne w obiektach budow- MajÄ…c na uwadze rodzaj zabudowy
lanych. Instalacje elektryczne w go- wiejskiej, zasilanie poszczególnych
spodarstwach rolniczych i ogrodni- budynków jest realizowane w ukła-
czych. Wymagania normy sÄ… bardzo dzie magistralnym. Dyslokacja sta-
ostre i zachowanie ich przy zasilaniu cji transformatorowych SN/ nN jest
z sieci jest dość trudne do zrealizo- uzależniona od stopnia zurbanizowa-
wania. Podczas zasilania z agregatu nia terenu i na ogół rzadka. Wszyst-
mogą pojawić się dodatkowe proble- ko to powoduje, że wykonanie zasi-
my z zachowaniem skutecznej ochro- lania dwustronnego, które umożliwi-
ny przeciwporażeniowej przez samo- łoby zapewnienie ciągłości zasilania
czynne wyłączenie. Zagadnienia dla gospodarstw hodowlanych lub
Rys. 3 Charakterystyka prądu zwarciowego w funkcji czasu dla różnych typów
agregatów (impedancja zewnętrzna bliska zeru): 1) PAD-30-3 / 400,
ochrony przeciwporażeniowej w go- ogrodniczych stwarza wiele trudno-
2) PAD-16-3 / 400, 3) PAD-8-3 / 400, PAB-4-3 / 400 [3]
spodarstwach rolnych i ogrodniczych ści zarówno technicznych, jak też eko-
były już wielokrotnie omawiane nomicznych. Zasilanie jednostronne w dostawie energii elektrycznej z sys- getycznej oraz bez sprawdzenia wa-
przez dr. inż. Lecha Danielskiego w przypadku gospodarstw hodowla- temu elektroenergetycznego. runków zasilania odbiorników z awa-
i dr. inż. Witolda Jabłońskiego z Poli- nych ma zbyt małą niezawodność, Rozwiązanie takie jest popraw- ryjnego z
ródła zasilania (często insta-
techniki Wrocławskiej, autorzy ogra- a każda przerwa w dostawie energii ne pod warunkiem spełnienia pod- lowany zespół spalinowo-elektryczny
niczyli się jednak tylko do zagadnień elektrycznej z systemu elektroenerge- stawowych zasad współpracy zespo- nie pokrywa zapotrzebowanej mocy
właściwej współpracy agregatu z sie- tycznego stwarza zagrożenie powsta- łu spalinowo-elektrycznego z siecią przez odbiorniki).
cią elektroenergetyki oraz ochrony nia dużych strat, na które narażony elektroenergetyczną oraz zachowania
przeciwporażeniowej na styku agre- jest właściciel gospodarstwa hodow- ochrony przeciwporażeniowej w za- ochrona
gatu z Rozdzielnicą Główną Niskiego lanego lub ogrodniczego. silanych odbiornikach energii elek-
przeciwporażeniowa
Napięcia. W celu poprawienia istniejących trycznej, zarówno przy zasilaniu z sie-
Elektroenergetyczne sieci niskie- warunków zasilania w wielu gospo- ci elektroenergetycznej, jak i zespołu Zespół spalinowo-elektryczny
go napięcia na terenach wiejskich darstwach hodowlanych oraz ogrod- spalinowo-elektrycznego. (agregat) w stosunku do systemu
w większości przypadków zostały niczych (uprawa w szklarniach) stosu- Praktyka pokazuje, że właściciele elektroenergetycznego jest z
ródłem
wybudowane w okresie powszech- je siÄ™, jako awaryjne z
ródło zasilania, gospodarstw instalują zespoły spa-  miękkim , w którym impedancja
nej elektryfikacji wsi, gdy przewidy- zespoły spalinowo-elektryczne, które linowo-elektryczne bez uzgodnie- obwodu zwarciowego ulega szybkim
wało się niewielkie obciążenie w bu- są uruchamiane w przypadku przerw nia z właścicielem sieci elektroener- zmianom w czasie zwarcia. Problem
zmiany impedancji obwodu zwarcio-
wego na zaciskach generatora zespo-
łu wyjaśnia rysunek 1 i 2. Zmiana
rozkładu strumienia magnetycznego
stojana zachodzÄ…ca w czasie trwania
zwarcia powoduje, że strumienie ma-
gnetyczne stojana oraz wzbudzenia
w stanie ustalonym zwarcia skiero-
Rys. 1 Schematyczny przekrój przez Rys. 2 Przebiegi wypychanego poza wirnik strumienia stojana w czasie zwarcia:
maszynę synchroniczną [1] a) stan podprzejściowy, b) stan przejściowy, c) stan ustalony zwarcia [2]
wane sÄ… w kierunkach przeciwnych.
www. el ektro. i nfo. pl nr 4/ 2005
52
Reaktancja generatora na jego zaciskach
Impedancja
przyjmowana dla obliczania skuteczności
transformatora
Moc samoczynnego wyłączenia (rezystancja
na jego
transformatora uzwojeÅ„ stanowi zaledwie 0,03Å"X
G
zaciskach
lub generatora i może zostać pominięta
Z =U
KT Kr
w obliczeniach praktycznych)
(U2 / S )
n n
X =0,33 (U2 / S )
k1G n n
[kVA] [&!][&!]
100 0,072 0,528
160 0,045 0,330
250 0,028 0,211
400 0,018 0,132
500 0,014 0,106
Tab. 1 Zestawienie impedancji transformatora i generatora o tej samej mocy [11]
wzbudzenia (x =4,5 %; x =35 %;
d d
U [V] Czas wyłączenia [s]
o
x =300 %): X =1,6 &!; I" =3211,3 A;
d G k 120 0,8
230 0,4
I =412,88 A; I =48,17 A wartość usta-
k k
277 0,4
lonÄ… prÄ…d zwarciowy uzyskuje bardzo
400 0,2
szybko, wskutek czego spełnienie wa- >400 0,1
runku samoczynnego wyłączenia jest Tab. 2 Maksymalne czasy wyłączenia
Rys. 4 Unormowane charakterystyki generatora z układem regulacji prądu wzbu-
w układzie TN [8]
praktycznie niemożliwe. Przy zasto-
dzenia: a) zmienności reaktancji zwarciowej generatora:
Xk1G
Å"100% = f(Tk ) sowaniu zwarciowego regulatora prÄ…- deÅ‚ (transformator zachowuje prak-
XnG
b) zmienności prądu zwarciowego generatora przy zwarciu na jego zaciskach:
du wzbudzenia, przez 10 s impedancja tycznie stałą wartość impedancji
Ik1G
Å"100% = f Tk
( )
na jego zaciskach wyniesie 0,33Å"X , zwarciowej w czasie trwania zwar-
InG nG
natomiast prąd zwarcia jednofazowe- cia). W przypadku, gdy zespół spa-
Strumień wzbudzenia ulega osłabie- moczynnego wyłączenia można przyj- go (konieczny dla oceny samoczynne- linowo-elektryczny jest oddalony
niu, co jest jednoznaczne ze wzrostem mować wartość reaktancji zwarciowej go wyłączenia) wyniesie: o kilkanaście metrów od zasilanej
reaktancji zwarciowej generatora. Po- generatora X (na jego zaciskach) rozdzielnicy, wartość impedancji ob-
k1G
0,8Å"U0 0,8Å"230
Ik1 = = = 384,48 A
nieważ strumień magnetyczny stoja- wyliczoną ze wzoru: wodu zwarciowego w dalszym ciągu
Xk1G 0,528
na przechodzi przez drogę o zmienia- rośnie i powoduje dalsze zmniejsza-
U2
nG
jÄ…cej siÄ™ opornoÅ›ci magnetycznej, ge- Xk1G = 0,33Å" XnG = 0,33Å"
przy I =144,34 A i nastawie wy- nie się prądów zwarciowych. Znaczna
n
SnG
nerator stanowi z
ródło o zmiennej re- łącznika głównego wynoszącej wartość reaktancji obwodu zwarcio-
aktancji obwodu zwarciowego (reak- Wynika to z nastÄ™pujÄ…cego rozu- 2Å"I =288,68 A, zapewni samoczynne wego zasilanego przez generator ze-
n
tancja uzwojenia zależy od oporności mowania: wyłączenie w wymaganym czasie. społu spalinowo-elektrycznego może
magnetycznej drogi strumienia, która Częstym błędem popełnianym być powodem nieskutecznej ochro-
U2
w generatorze w czasie zwarcia ulega przez mniej doświadczonych projek- ny przeciwporażeniowej w instala-
nG
ZG H" XG = =
3 Å"InG Å"UnG
zmianie) [1]. tantów jest przyjmowanie impedan- cji, w której zastosowano samoczyn-
Zmiany te powodują trudności cji zwarciowej generatora na podsta- ne wyłączenie. Obwód zwarciowy dla
3 Å"U0 U0
= =
w zachowaniu warunku samoczyn- wie impedancji transformatora o mo- potrzeb ochrony przeciwporażenio-
3 Å"InG InG
nego wyłączenia zasilania. Problemy cy równej mocy generatora zespołu wej przedstawia rysunek 5.
U0 = const ;Ik1G = 3Å"InG Ò! Xk1G =
1
te uwypuklają się szczególnie w ze- spalinowo-elektycznego. Dla porów-
U0
= = 0,33Å" Xk1G
społach starego typu, wycofywanych nania tych wartości w tabeli 1 zostały układy sieci
3Å"InG
z eksploatacji w Siłach Zbrojnych. przedstawione impedancje wybranych
 praca agregatu
Przebiegi prądów zwarciowych na za- gdzie: transformatorów oraz generatorów.
ciskach generatora w wybranych ze- U  napięcie znamionowe genera- Porównując dane przedstawione Spośród trzech układów sieci: TT,
nG
społach wycofywanych z wojska zo- tora zespołu spalinowo-elektryczne- w tabeli 1 widać, jak duże rozbież- IT i TN (TN-C; TN-C-S i TN-S), do za-
stały przedstawione na rysunku 3. go, w [kV], ności występują w wartościach im- silania obiektów budowlanych najbar-
W nowoczesnych zespołach spa- S  moc znamionowa generatora pedancji zwarciowych obydwu z
ró- dziej nadaje się układ TN-S lub TN-C-S.
nG
linowo-elektrycznych producent za- zespołu spalinowo-elektrycznego,
pewnia (wskutek działania ukła- w [MVA].
dów automatyki) utrzymanie prądu Na rysunku 3 przedstawiono
zwarciowego na zaciskach generato- uproszczone charakterystyki zmien-
ra o wartoÅ›ci 3Å"I przez 10 s (warto- noÅ›ci reaktancji zwarciowej w genera-
n
ści te stanowią górną granicę przekro- torze oraz zmienności prądu zwarcio-
czenia, które spowoduje przegrzanie wego na zaciskach generatora.
izolacji uzwojeń generatora). Z tego Dla generatora o mocy S=100 kVA
Rys. 5 Schemat jednofazowego obwodu zwarcia w instalacji zasilanej z agregatu [7]
względu do obliczeń skuteczności sa- bez regulacji zwarciowej prądu
nr 4/ 2005 www. el ektro. i nfo. pl
53
 ochrona przeci wporażeni owa
należy stosować wyłączniki różni- nie ppoż. zaleca się również stosowa-
cowoprądowe o czułości nie więk- nie wyłącznika różnicowoprądowego
szej niż 30 mA. o czułości nie większej niż 300 mA
W gospodarstwach rolnych wy- (w wielu publikacjach jest podawa-
budowanych przed 1990 rokiem wy- na wartość 500 mA  jest to wartość
stępuje instalacja w układzie TN-C, nieprawidłowa; badania prowadzone
która eliminuje możliwość zasto- przez dr. inż. Ryszarda Chybowskie-
sowania wyłączników różnicowo- go w SGSP wykazały, że prąd upływu
prądowych w celu poprawy istnie- o wartości powyżej 300 mA może spo-
jącego stanu bezpieczeństwa w in- wodować zapłon kurzu osiadającego
stalacji elektrycznej. W takich go- na przewodach).
spodarstwach, w przypadku ko- W układzie sieci TN, dla ochrony
nieczności zainstalowania awa- od porażeń stosuje się połączenie
ryjnego z
ródła zasilania w postaci części przewodzących dostępnych
Rys. 6 Uziemienia ochronne w sieci TN [12]
zespołu spalinowo-elektrycznego, z przewodem ochronnym PE lub
Układ IT może być stosowany tylko
w obwodach zasilających jedy- może okazać się konieczna przebu- ochronno-neutralnym PEN. W sie-
w ograniczonym zakresie (np. blok nie urzÄ…dzenia stacjonarne, je- dowa instalacji odbiorczej i wyko- ciach tych wymaga siÄ™ uziemienia
operacyjny lub OIOM w szpitalu itp.). żeli inne obwody odbiorcze (dla nania jej w systemie TN-C-S, który punktu neutralnego transformatora
Warunek samoczynnego wyłączenia których czas wyłączenia poda- umożliwia instalowanie wyłączni- (generatora) oraz przewodu ochron-
w sieci TN należy uznać za spełnio- ny w tabeli 2) są przyłączone do ków różnicowoprądowych. Popra- no-neutralnego. Sieć elektroenerge-
ny, jeżeli: rozdzielnicy lub do obwodu roz- wienie warunków ochrony prze- tyczna w układzie TN musi speł-
dzielczego w sposób spełniają- ciwporażeniowej w instalacji zasi- niać wymagania przedstawione na
Uo
ZS d"
cy jeden z poniższych warunków: lanej z generatora zespołu spalino- rysunku 6 (w przypadku sieci kablo-
Ia
a) impedancja przewodu ochronne- wo-elektrycznego nie zwalnia z za- wych należy uziemić przewody PEN
ZS = (Xk1G + XL + XPE)2 +(RL + RPE)2
go ZPE między rozdzielnicą i punk- pewnienia warunków ochrony po- w każdym złączu).
gdzie: tem, w którym przewód ochrony żarowej w eksploatowanej instala- W przypadku uziemienia punk-
Z  impedancja pętli zwarciowej jest przyłączony do głównej szyny cji. Należy pamiętać o zachowaniu tu neutralnego generatora można
s
obejmujÄ…cej z
ródło zasilania, prze- uziemiającej, nie przekracza warto- warunku długotrwałej obciążalno- przyjmować warunki jak dla trans-
wód roboczy (aż do punktu zwarcia) ści określonej wzorem: ści i przeciążalności prądowej prze- formatora (rys. 5) pod warunkiem,
i przewód ochronny miedzy punktem wodów, która wyraża się następują- że zasilanych jest z niego kilka osob-
50
ZPE d" ZS Å"
zwarcia a z
ródłem, cymi wzorami: nych budynków posiadających osob-
Uo
I  prąd powodujący samoczynne za- ne uziemienia w złączach. W innym
a
IB d" In d" IZ
działanie urządzenia wyłączającego, b) w rozdzielnicy znajdują się po- przypadku rezystancja uziemienia
k2 Å"In
w czasie zależnym od napięcia zna- łączenia wyrównawcze przyłączo- punktu neutralnego generatora
IZ e"
145
,
mionowego U podanego w tabeli 2, ne do tych samych części prze- R d"5 &!. Rozdział przewodu PEN
o BG
X  reaktancja przewodu fazowego wodzących obcych, co połączenia gdzie: na przewód N oraz PE należy wy-
L
linii zasilającej, wyrównawcze. I  prąd obciążenia obwodu, w [A], konać w złączu, w którym zgodnie
B
R  rezystancja przewodu fazowego Jeżeli uzyskanie wymaganych cza- I  prąd znamionowy zabezpiecze- z wymaganiami ZE instalowany jest
L n
linii zasilającej, sów wyłączeń jest niemożliwe przy nia obwodu, w [A], licznik zużytej energii elektrycznej.
X  reaktancja przewodu ochron- zastosowaniu urządzeń ochronnych I  wymagana minimalna długotrwa- W przypadku, gdy w budynku ist-
PE (PEN) z
nego lub ochronno-neutralnego zależ- przetężeniowych, należy wykonać ła obciążalność przewodu zabezpie- nieje punkt rozdziału przewodów PE
nie od typu sieci TN-C lub TN-C, połączenia wyrównawcze dodatko- czanego obwodu, w [A], i N, należy go uziemić. Natomiast,
R  rezystancja przewodu we. Alternatywnie ochrona powinna k  współczynnik krotności prądu gdy budynek wznoszony jest od pod-
PE (PEN) 2
ochronnego lub ochronno-neutral- być zapewniona za pomocą urządze- znamionowego zabezpieczenia za- staw i projekt przewiduje uziemie-
nego zależnie od typu sieci TN-C lub nia ochronnego różnicowoprądowe- pewniający jego zadziałanie w okre- nie fundamentowe, przewody PE
TN-C, go [8]. Przy zasilaniu z agregatu uzy- ślonym czasie przyjmowany jako: należy uziemić przez Główną Szy-
R w generatorach nN może w obli- skanie skutecznej ochrony przeciw- 1,6  1,9 dla bezpieczników topiko- nę Uziemiającą (GSU) zainstalowa-
k1G
czeniach zostać pominięty ze względu porażeniowej przy zastosowaniu tyl- wych, 1,45 dla wyłączników instala- ną w budynku [11]. Przedstawio-
na stosunek:R /X = 0,03 (w dokład- ko urządzeń przetężeniowych może cyjnych bez względu na typ ich cha- ne wymagania dotyczą tylko zasi-
G G
nych obliczeniach należy uwzględnić być nieskuteczne. Konieczne zatem rakterystyki. lania obiektów stacjonarnych. Za-
wartość R . wydaje się zastosowanie urządzeń Niespełnienie tego warunku spo- silanie urządzeń polowych podlega
G
Czas ten może być dłuższy od po- różnicowoprądowych w instala- woduje nagrzewanie się kabli lub odmiennym przepisom i przedsta-
danego w tabeli 2, ale nie może prze- cji odbiorczej. W instalacji zasilają- przewodów do wartości niedopusz- wionych wymagań nie należy utoż-
kraczać 5 s: cej gniazda, które przeznaczone są czalnej, która może zainicjować za- samiać z zasilaniem elektroenerge-
w obwodach rozdzielczych, do zasilania odbiorników ręcznych, palenie się izolacji. Jako zabezpiecze- tycznych urządzeń polowych.
www. el ektro. i nfo. pl nr 4/ 2005
54
Rys. 7 Ręczny przełącznik sieć / agregat Rys. 8 Układ automatyki SZR sieć/agregat
układy współpracy
Przekroje przewodów należy dobie- W przypadku zastosowania ukła- rządów pomiarowych pozwalających
agregatu z siecią rać tak, by został zachowany warunek du automatyki SZR sieć/ agregat na- na wykonanie takiego pomiaru. Osza-
samoczynnego wyłączenia z PN-IEC leży również opracować program pra- cowanie skuteczności samoczynnego
elektroenergetycznÄ…
60364-4-41 oraz PN-IEC 60364-4-43 cy tej automatyki. Przykładowe roz- wyłączenia zabezpieczeń w instalacji
Niemniej ważnym zagadnieniem (wzór: 2, 4, 5). wiązanie układu automatyki SZR oraz zasilanej przez agregat prądotwórczy
jest zapewnienie właściwej współpra- Dokonując doboru aparatów elek- program jego pracy przedstawiają ry- jest możliwe w obliczeniach i ma cha-
cy agregatu z siecią elektroenergetycz- trycznych, zarówno w układzie SZR, sunki 9 i 10 (www.elektro.info.pl). rakter przybliżony. Częstym błędem
ną. Agregat stanowi w tym przypadku jak i ręcznego przełącznika, należy Układy współpracy agregatu z siecią popełnianym przez osoby wykonują-
z
ródło awaryjne, które nie może dostar- uwzględnić największe wartości prą- elektroenergetyczną należy zawsze ce pomiary jest pomiar skuteczności
czać energii do sieci elektroenergetycz- dów zwarciowych obliczone osobno do instalować za układem pomiarowym samoczynnego wyłączenia w odbior-
nej. Powoduje to konieczność projekto- zasilania z sieci elektroenergetycznej ze względu na to, że agregat stanowi nikach zasilanych z agregatu za po-
wania układów uniemożliwiających pra- oraz agregatu [4]. Oznacza to koniecz- własność użytkownika. mocą powszechnych mierników im-
cę równoległą z
ródeł lub wsteczne poda- ność wyznaczenia prądów zwarć syme- pedancji pętli zwarciowej. Miernik
nie napięcia do sieci, podczas gdy została trycznych oraz prądów udarowych dla badania agregatów taki wymusza przepływ niewielkiego
ona wyłączona. W przypadku agregatów każdego z
ródła osobno. Należy rów- prądu zwarciowego o wartości 5-40 A
uruchamianych ręcznie należy stosować nież pamiętać, że podstawą opraco- Do podstawowych badań stoso- (w zależności od typu miernika).
ręczne przełączniki (rys. 7). wania projektu zasilania awaryjnego wanych przy ocenie bezpieczeństwa Taka wartość prądu pomiaro-
Natomiast zespoły wyposażone są warunki techniczne  wpinki agre- elektrycznego agregatów prądotwór- wego jest zadowalająca przy zasila-
w układy samorozruchu i samozatrzy- gatu wydane przez zakład energetycz- czych należy zaliczyć następujące po- niu ze z
ródła o niezmiennych para-
mania należy wyposażyć w układy au- ny, na terenie którego będzie instalo- miary: metrach (system elektroenergetycz-
tomatyki SZR z blokadÄ… mechanicznÄ… wany agregat. rezystancji izolacji, ny), natomiast przy pomiarze obwo-

i elektryczną. Przykład takiego układu Natomiast eksploatacja agregatu
wytrzymałości elektrycznej izolacji, du zwarciowego ze z
ródła o zmien-
został przedstawiony na rysunku 8. może być prowadzona przez osoby prądu upływu, nych parametrach wyniki pomia-

W przypadku agregatów wyposa- posiadające świadectwa kwalifikacyj-
czasu i progu działania zabezpie- ru uzyskane przy pomiarze przyrzą-
żonych w automatykę samorozruchu ne grupy I, obejmujące swoim zakre- czeń, dami powszechnie stosowanymi są
i samozatrzymania należy pamiętać, sem agregaty niskiego napięcia o mo-
rezystancji przejścia pomiędzy do- nie do przyjęcia. Popełniany błąd
że część układów automatyki zain- cy równej lub większej niż zainsta- stępnymi częściami metalicznymi, może wynosić nawet 800 %. Pozosta-
stalowana jest w zespole i w przy- lowany zespół spalinowo-elektrycz- rezystancji uziemienia, łe pomiary omówiono szczegółowo

padku pozostawania zespołu w wa- ny (dotyczy tylko agregatów o mo- impedancji pętli zwarcia. w [4] i w artykule zostały pominięte.

runkach gotowości do pracy wyma- cy większej niż 50 kW  eksploatacja
Artykuł powstał na podstawie
ga ona zasilania z sieci elektroenerge- agregatów o mocy do 50 kW nie wy- wyznaczenie impedancji
referatu wygłoszonego przez auto-
tycznej (grzałki, detektor zaniku faz maga świadectw kwalifikacyjnych).
pętli zwarcia
rów na II Ogólnopolskiej Konfe-
itp.). Obwody te należy zabezpieczyć Eksploatację należy prowadzić na
rencji Elektroenergetyka na Tere-
od przeciążeń, przepięć oraz porażeń podstawie instrukcji współpracy ru- Pomiar impedancji pętli zwarcia nach Wiejskich, która odbyła się
w dniach 23-25 listopada 2004 r.
i wykonać w układzie TN-S. Ze wzglę- chowej agregatu z siecią elektroener- jest trudny do praktycznego wyko-
w Jachrance koło Warszawy.
du na pewność zasilania nie należy getyczną, którą należy uzgodnić w za- nania z uwagi na zmieniającą się
do ich zabezpieczania stosować wy- kładzie energetycznym wydającym w czasie zwarcia reaktancję genera- Od redakcji: Literatura do artyku-
łączników różnicowoprądowych. warunki  wpinki . tora i brak dostępnych na rynku przy- łu na www.elektro.info.pl.
nr 4/ 2005 www. el ektro. i nfo. pl
55