dr inż. Andrzej Juszczyk Zabezpieczenia ziemnozwarciowe. Zagadnienia ogólne.
AREVA T&D sp. z o.o. e-mail: [e-mail]
Zabezpieczenia ziemnozwarciowe w sieciach SN
Ze względu na kryteria działania zabezpieczenia ziemnozwarciowe można podzielić na następujące typy:
- zabezpieczenia nadprądowe
- zabezpieczenia kierunkowe
- zabezpieczenia admitancyjne
Najnowszymi zabezpieczeniami w powyższej grupie są zabezpieczenia admitancyjne, które zostały opracowane
do eliminacji zwarć doziemnych dla najmniej korzystnego sposobu uziemienia punktu gwiazdowego sieci 
uziemienia poprzez cewkę Petersena. W tym sposobie uziemienia kryteria kierunkowe i mocowe nie są w stanie
w pełni selektywnie eliminować zwarcia doziemne.
Zabezpieczenia admitancyjne znalazły zastosowanie również w sieci izolowanej oraz uziemionej przez rezystor.
Decydujący wpływ na wybór oraz skuteczność działania zabezpieczeń ziemnozwarciowych ma rodzaj
uziemienia punktu gwiazdowego sieci.
1. Sposoby uziemienia punktu gwiazdowego sieci SN:
 izolowany punkt gwiazdowy
 sieć kompensowana
 punkt gwiazdowy sieci uziemiony przez rezystor
 mieszany układ: rezystor + cewka Petersena
1.2 Cechy i własności rodzajów typu sieci:
Zalety sieci izolowanej:
 brak dodatkowej aparatury związanej z lokalizacją zwarć doziemnych
 stosunkowo dobra lokalizacja zwarć doziemnych przez zabezpieczenia kierunkowe
 mała wrażliwość na zwarcia oporowe
Wady sieci izolowanej:
 duży współczynnik przepięć podczas doziemień (3.5-4.5)
 duża tendencja do zwarć z łukiem przerywanym,
duże prądy zwarć doziemnych (konieczność działania na wyłącz)
Zalety sieci kompensownej:
 średnia wrażliwość na zwarcia oporowe
 możliwość pracy przy doziemieniu (prądy doziemne ograniczane są przez kompensację)
 brak konieczności uzyskania niskiej wartości uziemień w sieci,
 mniejsza tendencja do zwarć z łukiem przerywanym,
1/111
Wady sieci kompensowanej:
 konieczność stosowania dodatkowej aparatury związanej
z lokalizacją zwarć doziemnych (wymuszanie)
 średni współczynnik przepięć podczas doziemień (poniżej 3)
 bardzo zła lokalizacja zwarć doziemnych przez zabezpieczenia kierunkowe,
Zalety sieci uziemionej przez rezystor:
 mały współczynnik przepięć podczas doziemień (poniżej 2.5)
 mniejsza tendencja do zwarć z łukiem przerywanym,
 dość dobra lokalizacja zwarć doziemnych przez zabezpieczenia kierunkowe,
Wady sieci uziemionej przez rezystor:
 duża wrażliwość na zwarcia oporowe,
 konieczność uzyskania niskiej wartości uziemień w sieci,
 konieczność stosowania dodatkowej aparatury związanej
z lokalizacją zwarć doziemnych (rezystor)
 brak możliwości pracy przy doziemieniu
 brak możliwości pracy awaryjnej z innymi typami sieci.
2. Punkt gwiazdowy sieci uziemiony przez cewkę Petersena.
Przy takim sposobie uziemienia sieci, prąd pojemnościowy, będący z
ródłem prądu ziemnozwarciowego jest
kompensowany poprzez cewkę Petersena. Przy idealnej kompensacji prąd doziemny w linii doziemionej
równa się zero. W związku z tym przy takim sposobie uziemienia dodatkowo wymusza się przepływ prądu
czynnego, poprzez załączenie na stałe, lub na określony czas rezystora, przyłączonego do punktu
gwiazdowego sieci. Prąd czynny wymuszany przez rezystor jest z
ródłem informacji o doziemieniu w linii.
2.1 Przyczyny złej selektywności zabezpieczeń
Przyczynami złego działania dotychczasowych kryteriów ziemnozwarciowych w sieci uziemionej poprzez
cewkę Petersena, są:
- algorytmy pomiarowe, które nie uwzględniają dużej zawartości harmonicznych w prądzie
ziemnozwarciowym, oraz przebiegów nieustalonych związanych z ładowaniem się pojemności faz
zdrowych, oraz rozładowanie się pojemności fazy doziemionej. Prądy związane ze stanami nieustalonymi
mogą osiągać, w zależności od parametrów sieci, wartości rzędu kiloamperów, i częstotliwości rzędu kilku
kiloherców.
- Błędy kątowe filtrów składowej zerowej, wynikające z klasy przekładników, oraz wpływu stanów
nieustalonych (nasycanie się rdzenia) i zwarć łukowych na dodatkowe błędy kątowe filtru składowej
zerowej.
- Zwarcia z łukiem przerywanym, które podczas kolejnych zapłonów generują stany nieustalone, oraz
powodują odwzbudzanie się, w tradycyjnych zabezpieczeniach, członów czasowych zabezpieczenia
ziemnozwarciowego.
- Zwarcia oporowe.
- Zła kierunkowość w obwodach wtórnych napięcia składowej zerowej oraz filtru składowej zerowej.
2.2 Stosowane kryteria ziemnozwarciowe dla tego typu sieci:
- zabezpieczenie nadprądowe kierunkowe czynnomocowe,
- Zabezpieczenie admitancyjne Go konduktancyjne bezkierunkowe
- Zabezpieczenie admitancyjne Yo bezkierunkowe
2/111
Cechy i własności kryteriów:
- Zabezpieczenie nadprądowe kierunkowe czynnomocowe:
 kąt maksymalnej czułości: 0�
 wyłączenia towarzyszące - zła selektywność
 należy odstroić się od uchybów prądowych przy zwarciu metalicznym,
 mniej wrażliwe na zwarcia oporowe
 trudniejsza lokalizacja przy zwarciach łukowych
 konieczność fazowania obwodów pomiarowych I0 i U0
- Zabezpieczenie admitancyjne Go konduktancyjne bezkierunkowe
 zabezpieczenie podstawowe
 wysoka nastawa przy bardzo dużej czułości działania ograniczonej jedynie progiem Uo
 należy odstroić się od uchybów,
 nie wrażliwe na zwarcia oporowe
 skuteczna lokalizacja przy zwarciach łukowych
 brak konieczności fazowania obwodów pomiarowych I0 i U0
- Zabezpieczenie admitancyjne Yo bezkierunkowe
 zabezpieczenie rezerwowe
 należy odstroić się od pojemności własnej linii,
 nie wrażliwe na zwarcia oporowe
 proste obliczeniowo i skuteczne kryterium
 działa w przypadku przekompensowania lub susceptancji pojemnościowej własnej mniejszej od
admitancji wymuszanej przez rezystor
2.3 Zabezpieczenie admitancyjne Go> w sieci kompensowanej
W celu ograniczenia wpływu powyższych zjawisk na selektywność działania zabezpieczeń
ziemnozwarciowych opracowano nowe kryterium ziemnozwarciowe: Go.
Podstawowym kryterium dla tej sieci jest kryterium konduktancyjne.
Zabezpieczenie konduktancyjne ( i  tej linii) reaguje na wartość konduktancji zerowej G , która jest określona
0i
zależnością:
3 �" I0
G0i = �" cos� (1)
0
3 �"U0
Warunek zadziałania tego zabezpieczenia opisują nierówności:
G e" G (2)
0i 0 r
oraz
U e" U , (3)
0 0 PR
Nastawa : U powinna być tak dobrana, ażeby próg rozruchowy był odstrojony od naturalnego napięcia
0 PR
asymetrii pojemnościowej sieci
3/111
Dla prawidłowego doboru G powinny być spełnione następujące warunki:
0 r
I + I Ń
Cz i � F F Uo
G e" �" (4)
0 r
3 �"U Ń
F S F Io
oraz:
I Ń
1
Cz R F Uo
G d" �" �" (5)
0 r
k 3 �"U Ń
b F S F Io
oraz
U e" U (6)
0 PR 0 NP
gdzie:
G - konduktancja rozruchowa, nastawiona na przekaz
niku,
0 r
I - pierwotna wartość składowej czynnej prądu ziemnozwarciowego własnego i-tego odpływu (prąd
Cz i
wynikający z upływności i-tej linii);
I - pierwotna wartość prądu uchybowego o charakterze czynnym filtru składowej zerowej prądu,
� F
wygenerowana podczas przepływu prądu pojemnościowego własnego całego zabezpieczanego ciągu liniowego
(Największy wpływ na prąd uchybowy mają uchyby kątowe filtru składowej zerowej).
U - próg rozruchowy napięciowy ustawiony w przekaz
niku poniżej którego kryterium admitancyjne jest
0 PR
blokowane.
ICzR - pierwotna wartość prądu czynnego wymuszanego przez dodatkowy rezystor włączony w punkt
gwiazdowy sieci.
Ń - przekładnia filtru składowej zerowej napięcia
F Uo
Ń - przekładnia filtru składowej zerowej prądu dla i-tego odpływu.
F Io
kb - współczynnik bezpieczeństwa, gdzie: kb e"1,5
U - naturalne napięcie niesymetrii pojemnościowej sieci (największa wartość napięcia punktu zerowego sieci
0 NP
względem ziemi podczas normalnej pracy sieci)
4/111
Charakterystyki rozruchowe zabezpieczenia konduktancyjnego:
Charakterystyki rozruchowe zabezpieczenia konduktancyjnego mogą być kierunkowe lub
bezkierunkowe. Podstawową opcją jest charakterystyka bezkierunkowa. W przypadku, gdy wybrana jest opcja
bezkierunkowa nie ma potrzeby fazować obwodów prądowych i napięciowych.
Charakterystyka rozruchowa przekaz
nika konduktancyjnego Go dla opcji bezkierunkowej:
jBo
Obszar Obszar
braku braku
Obszar Obszar
działania działania
działania działania
Go
Obszar Obszar Obszar Obszar
działania braku braku działania
działania działania
Charakterystyka rozruchowa przekaz
nika konduktancyjnego Go dla opcji
kierunkowej:
jBo
Obszar Obszar
braku braku
Obszar
działania działania
działania
Go
Obszar Obszar Obszar
braku braku działania
działania działania
5/111
Nastawa zabezpieczenia konduktancyjnego:
Zgodnie z równaniem (5) dla przekładni Ń d" 120 /1 [A / A] , prądu czynnego wymuszanego
F Io
przez rezystor ICzR e" 15A , współczynniku bezpieczeństwa kb = 1.5 nastawa G = 0.8 [mS]
0 r
Nastawa G = 0.8 [mS] jest w większości przypadków bezpieczną nastawą z punktu widzenia równana (4)
0 r
dla przekładnika Ferrantiego, stąd nawet przy wymuszaniu przez rezystor większych wartości prądu czynnego 
nastawa ta może pozostać niezmieniona ( jest to nastawa fabryczna). Dla układu Holgreena najczęściej
wystarczającą nastawą jest 2mS, jednak w tym przypadku należy sprawdzić warunek czułości równanie (5),
gdyż przy takim filtrze składowej zerowej przekładnia prądowa może zmieniać się w bardzo szerokim zakresie.
W przypadku nie spełnienia równania (4) należy wybrać jedną z trzech dróg:
- zwiększyć nastawę G , sprawdzając warunek czułości (równanie (5)),
0 r
- wybrać opcję zabezpieczenia konduktancyjnego jako zabezpieczenie kierunkowe,
- wprowadzić w menu korekcję uchybu kątowego filtru składowej zerowej. Zbyt duża wartość korekcji
kątowej może spowodować, w opcji bezkierunkowej zadziałania kryterium na skutek ujemnej wartości
G0 , spowodowanej uchybem kątowym, wynikającym z korekcji kątowej.
Zwarcia z łukiem przerywanym:
Algorytmy zabezpieczenia skonstruowano tak, aby mogły działać selektywnie podczas zwarć z łukiem
przerywanym.
Zwiększenie współczynnika bezpieczeństwa kb , powoduje zwiększenie odporności na zaniki składowej zerowej
podczas zwarć z łukiem przerywanym.
Zwarcia oporowe a uchyby kątowe filtru składowej zerowej:
Nastawa G = 0.8 [mS] oznacza, że przy zwarciu metalicznym, w przypadku, gdy przekładnia
0 r
napięciowa dla składowej zerowej napięcia jest tak dobrana, iż po stronie wtórnej napięcie 3Uo wynosi 100V,
zabezpieczenie konduktancyjne zadziała przy prądzie składowej czynnej równemu 80mA po stronie wtórnej
filtru składowej zerowej prądu. Jest to wysoka nastawa zapewniająca odstrojenie się od prądów uchybowych
filtrów składowej zerowej prądu. W przypadku gdy zwarcie oporowe obniży napięcie do poziomu 10V po
stronie wtórnej filtru składowej zerowej napięcia - zabezpieczenie konduktancyjne zadziała przy prądzie
składowej czynnej równemu 8mA po stronie wtórnej filtru składowej zerowej prądu, zapewniając wysoką
czułość działania dla zwarć oporowych.
Czułość działania ograniczona jest więc jedynie progiem rozruchowym napięciowym dla składowej
zerowej (równanie (3)). Typowa nastawa dla sieci uziemionej przez cewkę Petersena wynosi po stronie wtórnej
filtru składowej napięcia: U = 5V . Bardzo częstymi zwarciami na liniach napowietrznych w Zakładach
0 PR
Energetycznych są zwarcia z napięciem ok. 10V.
2.4 Zabezpieczenie admitancyjne Yo> w sieci kompensowanej
Dodatkowo przy uziemieniu sieci poprzez cewkę Petersena, można ustawić dodatkowe rezerwowe
kryterium ziemnozwarciowe  kryterium admitancyjne Y .
0
Kryterium to pełni funkcję rezerwową w przypadku uszkodzenia się rezystora uziemiającego, a ma
szansę działać w przypadku przekompensowania lub niedokompensowania sieci poprzez cewkę Petersena.
Zabezpieczenie admitancyjne ( i  tej linii) reaguje na wartość admitancji zerowej Y , która jest określona
0i
zależnością:
I0
Y0i = (7)
U0
Warunek zadziałania tego zabezpieczenia opisują nierówności:
6/111
Y e" Y oraz U e" U , (8, 9)
0i 0 r 0 0 PR
Nastawa : U powinna być tak dobrana, ażeby próg rozruchowy był odstrojony od naturalnego napięcia
0 PR
asymetrii pojemnościowej sieci
Dla prawidłowego doboru Y powinny być spełnione następujące warunki:
0 r
I Ń
CW i F Uo
Y e" k �" �" (10)
0 r b
3 �"U Ń
F S F Io
oraz
U e" U (11)
0 PR 0 NP
gdzie:
Y - admitancja rozruchowa, nastawiona na przekaz
niku,
0 r
I - pierwotna wartość prądu ziemnozwarciowego własnego i-tego odpływu (prąd wynikający z upływności
CW i
oraz pojemności i-tej linii),
kb = 2 - współczynnik bezpieczeństwa
pozostałe parametry jak w kryterium konduktancyjnym.
Charakterystyka rozruchowa zabezpieczenia admitancyjnego jest
bezkierunkowa
jBo
Obszar Obszar
działania działania
Obszar Obszar
braku braku
działania działania
Go
Obszar Obszar
braku braku
działania działania
Obszar
Obszar
działania
działania
3. Punkt gwiazdowy sieci uziemiony przez rezystor.
Przy takim sposobie uziemienia sieci, prąd pojemnościowy, będący z
ródłem prądu ziemnozwarciowego jest
powiększony o składową czynną wprowadzaną przez rezystor uziemiający.
Przy takim sposobie uziemienia możliwe jest zastosowanie takich samych kryteriów co przy cewce
Petersena:
- Go>
- Yo>
- zabezpieczenie nadprądowe Io>.
Nastawa Go> może być tak samo nastawiona jak dla sieci kompensowanej, jednak w tym przypadku można
zastosować większy współczynnik bezpieczeństwa. Podobnie w przypadku Yo>.
Oba kryteria są bardzo ważne w przypadku występowania zwarć oporowych, i z łukiem przerywanym.
7/111
Ze względu na tłumienie asymetrii pojemnościowej na skutek dołączonego rezystora, poziom progu
rozruchowego napięciowego może zostać obniżony  w stosunku do sieci kompensowanej. Typową nastawą
jest U = 2V .
0 PR
Dodatkowo zaleca się zastosowanie zabezpieczenia nadprądowego bezkierunkowego Io>. Zabezpieczenie to
musi być odstrojone od prądów pojemnościowych własnych linii. Zabezpieczenie to mało czułe na zwarcia
oporowe, stanowi rezerwę zabezpieczeń admitancyjnych w przypadku awarii w obwodach wtórnych Uo (np.
przepalenie się bezpiecznika po stronie wtórnej filtru składowej zerowej napięcia).
4. Izolowany punkt gwiazdowy sieci.
Przy takim sposobie uziemienia sieci, prąd pojemnościowy w linii uszkodzonej jest równy sumie prądów
pojemnościowych własnych linii zdrowych.
4.1 Przyczyny złej selektywności zabezpieczeń w sieci izolowanej
Przyczynami złego działania dotychczasowych kryteriów ziemnozwarciowych w sieci izolowanej, są:
- algorytmy pomiarowe, które nie uwzględniają dużej zawartości harmonicznych w prądzie
ziemnozwarciowym, oraz przebiegów nieustalonych związanych z ładowaniem się pojemności faz
zdrowych, oraz rozładowanie się pojemności fazy doziemionej. Prądy związane ze stanami nieustalonymi
mogą osiągać, w zależności od parametrów sieci, wartości rzędu kiloamperów, i częstotliwości rzędu kilku
kiloherców.
- Błędy kątowe filtrów składowej zerowej, wynikające z wpływu stanów nieustalonych (nasycanie się
rdzenia) i zwarć łukowych na dodatkowe błędy kątowe filtru składowej zerowej.
- Zwarcia z łukiem przerywanym, które podczas kolejnych zapłonów generują stany nieustalone, oraz
powodują odwzbudzanie się, w tradycyjnych zabezpieczeniach, członów czasowych zabezpieczenia
ziemnozwarciowego.
- Zwarcia oporowe.
- Zła kierunkowość w obwodach wtórnych napięcia składowej zerowej oraz filtru składowej zerowej.
- Zły montaż przekładników Ferrantiego
4.2 Kryteria zabezpieczeniowe
Przy takim sposobie uziemienia możliwe jest zastosowanie następujących kryteriów:
- Bo> - podstawowe kryterium admitancyjne - kierunkowe zabezpieczenie susceptancyjne,
- Yo> - rezerwowe kryterium admitancyjne - bezkierunkowe zabezpieczenie admitancyjne,
- Kierunkowe biernomocowe,
- Nadprądowe Io> bezkierunkowe
4.3 Cechy i własności kryteriów:
- Zabezpieczenie nadprądowe Io> bezkierunkowe
 konieczność odstrojenia się od prądów pojemności własnej linii
 wrażliwość na zwarcia oporowe
 proste obliczeniowo i skuteczne kryterium
 sens stosowania gdy Icw< (1/3" ŁIc)
- Yo> - bezkierunkowe zabezpieczenie admitancyjne,
 należy odstroić się od pojemności własnej linii,
 nie wrażliwe na zwarcia oporowe
 proste obliczeniowo i skuteczne kryterium
 sens stosowania gdy Icw< (1/3" ŁIc)
8/111
- Kierunkowe biernomocowe,
 kąt maksymalnej czułości: 90�
 należy odstroić się od uchybów prądowych przy zwarciu metalicznym,
 mniej wrażliwe na zwarcia oporowe
 trudniejsza lokalizacja przy zwarciach łukowych
 konieczność fazowania obwodów pomiarowych I0 i U0
- Bo> - kierunkowe zabezpieczenie susceptancyjne,
 kąt maksymalnej czułości: 90�
 należy odstroić się od uchybów,
 nie wrażliwe na zwarcia oporowe
 skuteczna lokalizacja przy zwarciach łukowych
 konieczność fazowania obwodów pomiarowych I0 i U0
4.4 Zabezpieczenie kierunkowe biernomocowe
Podstawowym kryterium stosowanym przy tego typu sieci jest kryterium kierunkowe biernomocowe
I _ biern = 3 �" I0 �" sin �
0r 0
Warunek zadziałania tego zabezpieczenia opisują nierówności:
I _ biern e" I _ biern (12)
0i 0r
oraz
U e" U , (13)
0 0 PR
Nastawa powinna być większa od możliwych uchybów związanych ze zwarciami łukowymi, uchybami filtrów
składowej zerowej, itp.
4.5 Zabezpieczenie kierunkowe admitancyjne Bo (susceptancyjne)
Podstawowym kryterium admitancyjnym dla tej sieci jest kryterium susceptancyjne Bo>.
Zabezpieczenie konduktancyjne ( i  tej linii) reaguje na wartość konduktancji zerowej B , która jest określona
0i
zależnością:
3 �" I0
B0i = �" sin� (14)
0
3 �"U0
Ze względu na kierunkowy charakter kryterium - Bo> odstrojone powinno być jedynie od uchybów filtru
składowej zerowej.
Warunek zadziałania tego zabezpieczenia opisują nierówności:
B e" B (15)
0i 0r
oraz
U e" U , (16)
0 0 PR
Nastawa : U powinna być tak dobrana, ażeby próg rozruchowy był odstrojony od naturalnego napięcia
0 PR
asymetrii pojemnościowej sieci
9/111
Dla prawidłowego doboru B powinny być spełnione następujące warunki:
0 r
I Ń
� bF F Uo
B e" �" (17)
0r
3 �"U Ń
F S F Io
oraz:
I Ń
1
o s F Uo
B d" �" �" (18)
0 r
k 3 �"U Ń
b F S F Io
oraz
I
o MIN
B e"
0 r
U
O PR
oraz
U e" U (19)
0 PR 0 NP
gdzie:
B - susceptancja rozruchowa, nastawiona na przekaz
niku,
0 r
I - pierwotna wartość prądu ziemnozwarciowego widziana przez filtr składowej zerowej w i-tym odpływie;
o s
I - pierwotna wartość prądu uchybowego o charakterze biernym filtru składowej zerowej prądu,
� bF
wygenerowana podczas przepływu prądu pojemnościowego własnego całego zabezpieczanego ciągu liniowego
(Największy wpływ na prąd uchybowy mają uchyby kątowe filtru składowej zerowej).
U - próg rozruchowy napięciowy ustawiony w przekaz
niku poniżej którego kryterium admitancyjne jest
0 PR
blokowane.
I - minimalny prąd ziemnozwarciowy dla przekaz
nika: dla przekładnika Ferrantiego  3mA, dla układu
o MIN
Holmgreena  25mA (prąd na zaciskach przekaz
nika).
Ń - przekładnia filtru składowej zerowej napięcia
F Uo
Ń - przekładnia filtru składowej zerowej prądu dla i-tego odpływu.
F Io
kb - współczynnik bezpieczeństwa, gdzie: kb e" 3
U - naturalne napięcie niesymetrii pojemnościowej sieci (największa wartość napięcia punktu zerowego sieci
0 NP
względem ziemi podczas normalnej pracy sieci)
Charakterystyki rozruchowe zabezpieczenia susceptancyjnego:
jBo
Obszar Obszar
działania działania
Obszar braku działania Obszar braku działania
Go
Obszar braku działania Obszar braku działania
10/111
4.6 Zabezpieczenie admitancyjne Yo> w sieci izolowanej.
Kryterium Yo> należy nastawiać jak dla sieci z cewką Petersena, jednak kryterium to ma sens działania w
przypadku spełnienia nierówności:
I Ń
1
o F Uo
�" (20)
Y d" �"
0 r
3 3 �"U Ń
F S F Io
gdzie:
Io - prąd pojemnościowy całej sieci.
11/111