ochrona przeci wporażeni owa
ochrona przeci wporażeni owa
wpływ wielokrotnych
uziemień przewodu PEN
na poziom napięć uszkodzenia w niskonapięciowych
sieciach rozdzielczych typu TN
dr inż. Janusz Konieczny, prof. PWr dr hab. inż. Zbigniew Wróblewski Politechnika Wrocławska
Ochrona przeciwporażeniowa to ciągle aktualny temat podejmowany w literaturze spe-
cjalistycznej, w czasopismach i na konferencjach naukowo-technicznych. Poruszane kwe-
stie to głównie ewolucja polskich aktów normalizacyjnych precyzujących warunki sku-
teczności i zakres stosowania poszczególnych środków ochrony, wynikające z nich wytycz-
ne realizacji samoczynnego wyłączania zasilania w wymaganym czasie oraz silnie z tym
związana rola uziemień ochronno-roboczych i połączeń wyrównawczych.
odstawę do dyskusji stanowią naj- kiego stanu rzeczy przyczynia się przede W 1991 r. mocy prawnej nabrało rozpo- ślenia odpowiednich przepisów moż-
Pczęściej propozycje aktualizacji za- wszystkim: zły stan techniczny sieci, in- rządzenie MP z 1990 r. [2]. W tym sa- na korzystać z wymagań unieważnio-
leceń normalizacyjnych przygotowy- stalacji elektrycznych i zasilanych z nich mym roku zaczęto opracowywać nor- nego rozporządzenia z 1990 r. Tymcza-
wane przez IEC, dyktowane rozwojem urządzeń, trudne warunki środowisko- mę PN/E-05009 [5], której większość ar- sowe rozwiązania były nie w pełni za-
wiedzy technicznej i zmianami re- we użytkowania urządzeń elektrycz- kuszy uznano za obligatoryjne od 1994 r. dawalające, gdyż nie wszystkie wyma-
aliów ekonomiczno-technicznych. nych, niski poziom świadomości tech- W 1995 r. unieważniono rozporządzenie gania stawiane ochronie przeciwpora-
Problem dostatecznie szybkiego wy- nicznej użytkowników urządzeń elek- z 1990 r., a od lipca 2000 r. zamiast nor- żeniowej w instalacjach są właściwe dla
łączania zwarć i zagrożenia porażenio- trycznych i nieznajomość podstawo- my PN/E-05009 wprowadzono normę sieci rozdzielczych.
wego mogącego wynikać z zastosowa- wych zasad bezpiecznej eksploatacji. PN-IEC 60364 [6]. Ponieważ obie te nor- W ostatnim czasie aktualizację te-
nia niewłaściwych kryteriów dotyczy my dotyczyły tylko instalacji elektrycz- matu przedstawiono w normach opra-
zwłaszcza niskonapięciowych sieci roz- uregulowania nych w obiektach budowlanych i od- cowanych przez SEP. Pierwsza z nich
dzielczych, a w szczególności długich biorników zasilanych z tych instalacji, N SEP-E-001 [8] dotyczy linii na-
normalizacyjne
linii zasilanych często z transformato- od kwietnia 1995 r. zabrakło wytycznych powietrznych i jest kompilacją po-
rów niewielkiej mocy i prowadzonych Zmiany przepisów ochrony prze- ochrony przeciwporażeniowej w sieciach stanowień zawartych w rozporządze-
przewodami o małych przekrojach po- ciwporażeniowej w Polsce na prze- rozdzielczych o napięciu do 1 kV. niu MP z 1990 r. oraz w publikacjach
przecznych. Taką grupę obiektów sta- strzeni ostatnich kilkudziesięciu lat Przy projektowaniu i budowie na- IEC (gł. PN-IEC 60364) i CENELEC
nowią w Polsce napowietrzne sieci roz- skutkowały okresowymi brakami jed- powietrznych linii elektroenergetycz- (gł. HD 637-S1 [11] i PN-E-05115 [7]) [13].
dzielcze o układzie typu TN, zasilające noznacznych wymagań odnośnie li- nych prądu przemiennego o napięciu W roku 2003 w odniesieniu do li-
instalacje odbiorców indywidualnych nii elektroenergetycznych (zarówno do 400 kV z przewodami gołymi w Pol- nii napowietrznych z przewoda-
i drobnych odbiorców przemysłowych niskiego, jak i wysokiego napięcia). sce przez cały czas stosowano nor- mi izolowanymi opracowano normę
na terenach wiejskich. Spotykane realia Do końca 1990 r. zakres ochrony mę PN-E-05100-1 [4], natomiast w od- N SEP-E-003 [9], a w roku 2004 nor-
konfiguracyjne mogą w nich skutkować przeciwporażeniowej w instalacjach niesieniu do linii kablowych normę mę N SEP-E-004 [10], dotyczącą linii ka-
brakiem skuteczności ochrony przeciw- i urządzeniach elektrycznych o napię- PN-76/E-05125 [3]. Wobec braku wyma- blowych.
porażeniowej w rezultacie przekrocze- ciu do 1 kV regulowany był zarządze- gań dotyczących ochrony przeciwpora- Jak już wspomniano, dyskusyjną
nia wymaganego czasu wyłączania za- niem MGiE oraz MBiPMB z 1968 r. [1]. żeniowej ustalono, że do chwili okre- kwestią jest określenie dopuszczalne-
silania, w szczególności podczas zwarć
Miejsce Obszar sieci [% całości] o napięciach U >50 V
F
zaistniałych na krańcach linii. Problem
zwarcia
s = s s PEN L PEN L
dotyczy znacznej grupy obiektów, gdyż
40 % 60 % 80 % 100 % 40 % 60 % 80 % 100 %
w Polsce jest około 57 tys. miejscowości
Konfiguracja
wiejskich, a około 70 % powiatów moż- a) 70 55 45 35 75 65 55 45
b) 65 50 35 30 73 55 45 40
na w całości zakwalifikować jako obsza-
c) 4 0 25 15 30 53 40 28
ry wiejskie. Odzwierciedleniem zagroże-
d) 6 3 0 5 12 27 36 18
nia jest wskaznik śmiertelnych wypad-
Uwaga: a - d przypadki konfiguracji układu jak na rys. 1 (opis w tekście)
ków, który na wsi jest niemal dwukrot-
nie większy niż w mieście [12]. Do ta- Tab. 1 Procentowy udział układu objętego napięciem U > 50 V przy zwarciach w kolejnych punktach układu
F
www. el ektro. i nfo. pl nr 1-2/ 2005
60
go czasu wyłączania zwarć w polskich typu TN) oraz trudność zapewnienia
sieciach rozdzielczych niskiego napię- wymaganej rzetelności obliczeń (z po-
cia. Przyjmowany czas 5 s [1] nie za- wodu niekompletnej znajomości pa-
wsze bywa zbieżny z czasem zadziała- rametrów układu).
nia zabezpieczeń nadprądowych. We- O maksymalnych wartościach na-
dług normy N SEP-E-001 dopuszcza się pięć uszkodzenia (a tym samym
przekroczenie czasu 5 s przy zwarciach napięć dotykowych i dotykowych
metalicznych, jeśli urządzeniami zabez- spodziewanych) w sieciach typu TN
pieczającymi są bezpieczniki i spełnio- w znacznym stopniu decyduje udział
ne są dwa wymagania: prąd wyłączają- części ochronnej (przypadającej na
cy I jest równy co najmniej dwukrotnej przewód PEN) w całkowitej wartości
a
wartości prądu znamionowego wkładki impedancji pętli zwarcia. Wpływa na
bezpiecznikowej, a także, gdy w obiek- to głównie:
tach budowlanych wykonane zostały stosunek przekrojów poprzecz-
główne połączenia wyrównawcze. nych przewodów fazowych i prze-
Przy powyższej wartości prądu wodu PEN,
zwarciowego czas wyłączania może wzajemne zależności pomiędzy
wynieść nawet kilkadziesiąt minut, wymiarowaniem przewodów li-
co przy niekorzystnej konfiguracji sie- nii, mocą transformatora zasilają-
ci rozdzielczej i braku połączeń wy- cego oraz wypadkową rezystancją
równawczych może być niebezpiecz- uziemień przewodu PEN,
ne w aspekcie ochrony przeciwpora-
rozmieszczenie i dobór rezystan-
żeniowej [14], gdyż w zasadzie zezwa- cji uziemień ochronno-roboczych
la się na długotrwałą pracę sieci z nie- przewodu PEN.
wyłączonym zwarciem. Zjawisko wy- O ile pierwszy czynnik jest dość
noszenia potencjału charakterystycz- oczywisty, to nie zawsze zwraca się
ne dla układu TN [14] sprawia, że za- należytą uwagę na czynniki kolejne.
grożenie porażeniowe jest propago- Często nie zauważa się, że wartość
wane z miejsca uszkodzenia na cały impedancji przewodu PEN pomię-
obszar sieci przy zwarciu jednofa- dzy potencjalnym miejscem zwar-
zowym zaistniałym w linii zasilają- cia a punktem neutralnym układu
cej lub w instalacji odbiorczej, napię- może zostać znacznie zmniejszona
cie uszkodzenia U (jak również na- za sprawą równoległej drogi powrot-
F
pięcie dotykowe spodziewane U nej dla prądu zwarciowego, jaką sta-
TP
będące częścią napięcia uszkodzenia nowi drabinkowe połączenie tego
i bezpośrednio zagrażające użytkow- przewodu z ziemią. Stopień tych
nikom) pojawia się we wszystkich in- zmian w układach rzeczywistych
stalacjach o układzie TN zasilanych uwarunkowany jest liczbą uziemień
z danej sieci. i ich rezystancją, a także sposobem
rozmieszczenia uziemień w obrębie
wpływ czynników układu zwłaszcza uziemień o ma-
łej wartości rezystancji. Intuicyjnie
konfiguracyjnych na
założyć można, że osiągnięte rezul-
maksymalne wartości
taty będą mniej lub bardziej istotne
napięć uszkodzenia
w skali układu w zależności od prze-
w obrębie sieci rozdzielczej
kroju poprzecznego przewodu PEN
niskiego napięcia
lepszych efektów można się spo-
W dostępnych publikacjach zagad- dziewać w układach o małym prze-
nienie wynoszenia napięć uszkodze- kroju przewodu PEN.
nia z miejsca zwarcia na obszar sie- W ilościowym określeniu obniżenia
ci bywa poruszane najczęściej tyl- maksymalnych wartości napięć uszko-
ko w aspekcie teoretycznym. Moż- dzenia powodowanego wymienionymi
na przypuszczać, że powodem tego czynnikami pozwoliły analizy wyko-
jest uciążliwość badań w obiektach nane za pomocą opracowanego progra-
rzeczywistych (z racji specyfiki sieci mu komputerowego bazującego na za-
nr 1-2/ 2005 www. el ektro. i nfo. pl
61
ochrona przeci wporażeni owa
Charakterystyczną cechą anali-
a)
zowanych układów jest obniżenie
wypadkowej rezystancji uziemienia
punktu neutralnego sieci. W przy-
padku zasilania jednego obwodu
ze stacji transformatorowej, spowo-
dowane jest to koncentracją instala-
cji odbiorczych (a tym samym uzie-
mień w złączach lub w samych insta-
b)
lacjach) w początkowej części ukła-
du. Przy zasilaniu większej liczby
obwodów faktem, że na wypadko-
wą rezystancję punktu neutralnego
składają się uziemienia w pozosta-
łych liniach.
Na rysunku 1 przedstawiono przy-
kładowe wyniki obliczeń dla ukła-
du o małym przekroju przewodów
c)
i niewielkiej mocy transformatora.
Kolejne przypadki (a - d) uwzględ-
niają coraz większą, jednakże prak-
tycznie możliwą do realizacji, licz-
bę uziemień: a) R = 5 &! w punk-
B
cie neutralnym oraz R = 30 &! na
B
trasie linii w odstępach 500 m, b)
j.w.+uziemienia R = 30 &! w miej-
B
d)
scach odgałęzień linii, c) j.w.+uzie-
mienia R = 30 &! w złączach insta-
B
lacji odbiorczych, d) j.w.+uziemie-
nia dodatkowe R = 15 &! w insta-
B
lacjach odbiorczych.
Chociaż wartości napięć uszko-
dzenia zależą w znacznym stopniu
od lokalizacji miejsca zwarcia, jedna
zasada pozostaje niezmienna nie-
zależnie od konfiguracji układu:
Rys. 1 Wartości napięć uszkodzenia przy zwarciach w kolejnych punktach sieci (wg legendy) w układzie o s = s (lewa ko-
PEN L
im zwarcie bliżej początku układu,
lumna) oraz s PEN L
tym mniejsza wartość U w miej-
F
leżnościach analitycznych (zawężone weryfikacyjne w reprezentatywnych rozdzielczy obwód niskiego napięcia, scu zwarcia (rys. 1). Przyczynia się
do praktycznie spotykanych realiów obiektach rzeczywistych [15]. W obli- z możliwością zasilania jednej lub kil- do tego większa liczba uziemień za
konfiguracji układów), a także badania czeniach uwzględniono statystyczny ku linii ze stacji transformatorowej. miejscem zwarcia, które to uzie-
a) b) c)
Rys. 2 Histogramy napięć uszkodzenia w miejscu zwarcia modelowego układu obliczeniowego przy zwarciu na końcu układu oraz dopasowane gęstości prawdopodobień-
stwa rozkładów teoretycznych: a) s s
PEN L PEN L PEN L
www. el ektro. i nfo. pl nr 1-2/ 2005
62
mienia obniżają wypadkową rezy- Badania przeprowadzone w obiek- najmniej korzystnej sytuacji zwarcia dzie z dużą liczbą uziemień nastę-
stancję tego punktu względem zie- tach rzeczywistych (zbieżne z wyni- na końcu układu. puje znaczne obniżenie impedan-
mi. Jest to szczególnie zauważalne kami obliczeń) wykazały, że napię- Wykonane analizy dowiodły, że cji części ochronnej pętli zwarcia,
w układach z wieloma uziemienia- cia uszkodzenia w większości punk- wartości napięć uszkodzenia we co znacznie zmniejsza poziom na-
mi, zwłaszcza przy małej ich rezy- tów pomiarowych nie przekraczały wszystkich punktach układu są zgod- pięć uszkodzenia. Uwidacznia się to
stancji wypadkowej. wartości U = 30 V. Tylko przy zwar- ne z teoretycznym rozkładem typu głównie w liniach o małym przekro-
F
Sytuacji tej towarzyszy nieste- ciach na krańcach linii osiągały po- gamma, na początku układu i w miej- ju przewodów, zasilanych z trans-
ty zwiększenie wartości napięcia ziom 55 - 80 V w miejscu zwarcia, scu zwarcia wykazują ponadto zgod- formatorów małej mocy i nasila
uszkodzenia w punkcie neutralnym za miejscem zwarcia oraz w maksy- ność z rozkładem typu Rayleigh a, wraz ze wzrostem długości linii.
układu (rys. 1). Istotne jest jednak, malnej odległości 50 - 200 m przed a w okolicach środka układu z roz- Na przykład, podczas zwarcia na
że napięciem tym zagrożony jest tyl- tym miejscem (zależnie od liczby li- kładem wykładniczym. końcu układu napięcie uszkodze-
ko ten punkt oraz w zmniejszają- nii zasilanych ze stacji). Jednocze- Uzyskane wyniki potwierdzi- nia przy minimalnej liczbie uzie-
cym się stopniu początkowa część śnie napięcia uszkodzenia w punk- ły wyniki teoretycznych rozwa- mień (wyłącznie uziemień na trasie
układu (w przypadku zasilania jed- cie neutralnym sieci podczas zwarć żań o poziomie napięć uszkodze- linii) może osiągać w tym miejscu
nej linii ze stacji transformatorowej). w innych miejscach były w większo- nia w poszczególnych miejscach niemal 120 V, natomiast przy uzie-
Napięciem w miejscu zwarcia zagro- ści przypadków niewielkie, co nie- sieci. Podczas zwarć na końcu ukła- mieniach wykonanych w złączach
żone jest natomiast nie tylko to miej- wątpliwie należy uznać za stan ko- du oczekiwana wartość średnia (mo- instalacji i uziemieniach dodatko-
sce, ale również dalsza część obwodu rzystny, gdyż zagrożenie porażenio- dalna) napięcia w tym miejscu wy- wych w samych instalacjach odbior-
(pomijając najczęściej niewielki spa- we nie jest przenoszone do pozosta- nosi w przybliżeniu: 62, 48, 41 V czych następuje obniżenie wartości
dek napięcia na przewodzie PEN). łych linii. dla kolejnych przypadków przekroju napięcia poniżej 80 V. Przy jedna-
Szacunkowy obszar objęty zagroże- Zmierzone napięcia dotykowe U przewodu PEN zmniejszonego, jed- kowych przekrojach L i PEN warto-
T
niem porażeniowym przedstawio- w żadnym miejscu nie przekracza- nakowego i zwiększonego w porów- ści te wynoszą odpowiednio: około
no w tabeli 1. ły wartości 50 V. Jedynie na stano- naniu do przekroju przewodów fa- 85 V i poniżej 60 V (rys. 1).
W przypadku zasilania dwóch wiskach o niekorzystnych parame- zowych. W okolicy środka układu
lub większej liczby linii rozdziel- trach (np. przy przewodzących fu- wartości napięć wynoszą odpowied- wnioski
czych punkt neutralny układu sta- trynach drzwi, przewodzących ele- nio: 22, 17 i 14 V*. W miejscu zwarcia
je się znacznie stabilniejszy pod mentach konstrukcyjnych, na sta- i w punkcie neutralnym układu na- Dla osiągnięcia najlepszego roz-
względem poziomu napięć uszko- nowiskach celowo zwilżonych pod- pięcie uszkodzenia przekracza war- kładu wartości napięć uszkodzenia
dzenia. Mało prawdopodobne jest czas pomiarów) były zbliżone do tość 50 V w około 60, 46 i 37 % możli- w skali całego układu istotne jest
przekroczenie w tym punkcie war- tej wartości. wych przypadków, a w okolicy środ- możliwie równomierne rozłożenie
tości U = 50 V, co chroni pozo- ka układu tylko w około 14, 4 i 1 %*. uziemień, zwłaszcza uziemień o ma-
F
stałe linie przed propagacją zagro- poziom napięć uszkodzenia Przy skrajnie niekorzystnej konfigu- łej wartości rezystancji. Brak uzie-
żenia z linii, w której nastąpiło racji uziemień napięcie uszkodzenia mień w końcowej części obwodu
w sieciach rozdzielczych
uszkodzenie. Pożądane byłoby, aby w miejscu zwarcia lub w punkcie (bądz nadmierna ich rezystancja) gro-
niskiego napięcia w ujęciu
każda z linii cechowała się zbliżo- neutralnym może osiągać wartości: zi znacznym wzrostem wartości na-
statystycznym
ną wartością wypadkowej rezystan- niemal 150, 110 i 90 V*, a w okolicy pięć uszkodzenia w miejscu zwarcia
cji uziemień (szczególnie w liniach Seryjne obliczenia dla zadanego za- środka układu: 80, 60 i 50 V*. i jego okolicy podczas zwarć w koń-
najdłuższych), by nie powodować kresu zmienności parametrów konfi- Jako wyznacznik największych cowej części układu. Dlatego należy
powiększania istniejącej już różnicy guracyjnych, umożliwiły statystyczną spodziewanych wartości napięć zwracać szczególną uwagę na reali-
wypadkowej rezystancji względem ocenę poziomu napięć uszkodzenia uszkodzenia w kolejnych punktach zację tego wymogu, zawartego w po-
ziemi punktu neutralnego i krań- wobec potencjalnie spotykanych wa- układu obliczeniowego można przy- stanowieniach dawnych i obecnych
ców linii. riantów konfiguracji sieci [15]. jąć kwantyl 95 %. W 95 % przypad- aktów normalizacyjnych. Wzrost ilo-
Przewymiarowanie przekroju W analizach uwzględniono przy- ków konfiguracji układu napięcia ści uziemień prowadzi do znacznego
poprzecznego przewodu PEN o je- padki wynikające ze zmian lokaliza- uszkodzenia w miejscu zwarcia lub zmniejszenia obszaru sieci objętego
den stopień względem przekro- cji uziemień przewodu PEN i warto- w punkcie neutralnym układu nie napięciami uszkodzenia o nadmier-
ju przewodów fazowych (rzadko ści ich rezystancji oraz z wymiarowa- przekroczą wartości 124, 93 i 78 V*. nej wartości Obszar ten może zostać
stosowane w układach rzeczywi- nia przewodów i mocy transformato- Analogicznie w okolicy środka zmniejszony nawet do 5 - 10 % cało-
stych) przynosi korzystne efekty ra zasilającego. Rozpatrzono układy układu kwanty P95 przyjmuje war- ści układu zależnie od lokalizacji
w krótkich liniach o małym prze- o niewielkiej bądz znacznej odległo- tości odpowiednio: 60, 45 i 40 V*. miejsca zwarcia (tab. 1).
kroju przewodów. Obniżenie war- ści pierwszego uziemienia od zródła Częste uziemianie przewodu *) - dla kolejnych przypadków przekro-
tości napięć U może wynosić nie- zasilania, różnych kombinacjach roz- PEN przynosi dobre efekty w ukła- jów przewodów: s < s , s = s oraz
F PEN L PEN L
mal 20 % w odniesieniu do jedna- mieszczenia kolejnych uziemień i róż- dach o małym przekroju przewodu s >s .
PEN L
kowego i przeszło 40 % w porów- nej zależności pomiędzy częścią fazo- PEN oraz jest szczególnie korzyst-
naniu do zredukowanego przekro- wą a ochronną pętli zwarcia. Na ry- ne w układach o zredukowanym Od redakcji: Literatura do artykułu
ju przewodu PEN. sunku 2 pokazano wyniki dotyczące przekroju przewodu PEN. W ukła- dostępna na www.elektro.info.pl.
nr 1-2/ 2005 www. el ektro. i nfo. pl
63