Pytanie 15

W zależności od sposobu połączenia punktu zerowego transformatora potrzeb własnych sieć średniego napięcia dzieli się na :

- sieć o izolowanym punkcie zerowym( nieskompensowana )

- sieć z punktem zerowym uziemionym przez reaktancję

( skompensowana )

- sieć z punktem zerowym trwale uziemionym przez

rezystancję

2.2. Sieć o izolowanym punkcie zerowym

Rys 2.2.1 Schemat fragmentu sieci o izolowanym punkcie neutralnym w przypadku zwarcia doziemnego pełnego bezpośredniego jednej z faz

Z izolowanym punktem zerowym pracują sieci elektroenergetyczne ŚN o natężeniu prądu zwarcia doziemnego nie przekraczającym granicznych wartości prądów pojemnościowych , przy których łuk w miejscu zwarcia doziemnego może zgasnąć samoistnie likwidując niebezpieczeństwo porażenia .

Wartość tego prądu nie może przekroczyć :

1.W sieci kablowej i kablowo-napowietrznej ( o znacznej przewadze linii kablowych ) 50 A bez względu na napięcie znamionowe sieci .

W sieci napowietrznej lub napowietrzno kablowej w zależności od napięcia znamionowego sieci odpowiednio:

UN	kV	3-6	10	15-20	30-40	60
IZ 1f	A	30	20	15	10	5

Tabela 2.2.1 Graniczne wartości pojemnościowego prądu podczas zwarcia z ziemią dla sieci napowietrznej lub napowietrzno - kablowej

Wartość prądu w warunkach zwarcia jednofazowego w sieci z izolowanym punktem zerowym zależy od od przewodności poprzecznej przewodów linii i jest rzędu kilku do kilkudziesięciu amperów . Charakter prądu zwarciowego jest praeie pojemnościowy .Obwód zwarciowy składa się głównie z poprzecznych reaktancji pojemnościowych linii .W skutek nieznacznej upływności linii występuje niewielka składowa czynna prądu zwarciowego .Wartość prądu zwarciowego zależy zatem od napięcia linii , długości i w pewnym stopniu od warunków atmosferycznych , w zależności od których zmieniają się admitancje przewodów linii względem ziemi. Zwarcia jednofazowe z ziemią bywają trwałe lub przemijające .Zwarcia trwałe występują wskutek połączenia metalicznego fazy linni z ziemią lub połączenie za pośrednictwem łuku . Zwarcie przemijające charakteryzuje się powstaniem krótkotrwałego połączenia fazy z ziemią .Zwarcia przemijające występują zwykle w liniach napowietrznych o małych prądach pojemnościowych lub w sieciach skompensowanych .Przyczyną zwarć jednofazowych z ziemią w liniach napowietrznych są przeważnie przepięcia atmosferyczne .Przyczyną zwarć mogą być przeskoki na izolatorach lub przebicia izolatorów .W liniach kablowych , przeciążenia , przepięcia łączeniowe , wady izolacji .Najgroźniejsze jednak w skutkach jest jednak cieplne działanie prądu zwarciowego .W liniach napowietrznych działanie łuku może spowodować stopienie przewodów i zniszczenie izolatorów . W liniach kablowych łuk niszczy izolację i żyły kabla , a zwarcie jednofazowe przechodzi najczęściej w międzyfazowe .

a)

b)

Rys 2.2.2 Rozpływ prądów ziemnozwarciowych w sieci z izolowanym punktem zerowym : a) pojedyńcza linia promieniowa , b) Układ linii promieniowych przyłączonych do wspólnych szyn zbiorczych ( charakterystyczna zmiana kierunku przepływu prądu w linii doziemionej .

Pojemność fazy doziemionej „A” jest równa zeru . W fazach zdrowych „B i C” tej samej linii oraz linii pozostałych płyną prądy w kierunku do miejsca zwarcia , są to prądy 3I₀ poszczególnych linii .

Wypadkową tych prądów jest prąd zerowy I_{z 1f} równy:

I_zf=3I_oA+3I_oB+3I_oC-3I_oA=3I_oB+3I_oC [2.2.1]

Wartość prądu zwarcia 1 - fazowego w miejscu doziemienia jest znacznie mniejsza niż w przypadku zwarć międzyfazowych . Wartość tego prądu zależy od rodzaju i długości powiązanych ze sobą galwanicznie linii elektroenergetycznych oraz rezystancji przejścia w miejscu doziemienia. W przypadku doziemienia jednej fazy napięcia międzyprzewodowe nie ulegają zmianie , natomiast wzrasta o √3 poziom napięcia między zdrowymi fazami a ziemią . Występuje więc przepięcie ustalone trwające do chwili ustąpienia lub likwidacji doziemienia

Wartość prądu ziemnozwarciowego może być obliczona z orientacyjnego wzoru

I_Z1f=U_N(0.1l_k+0.003l_N) [2.2.2]

gdzie:

I_Z1f - Prąd zwarcia doziemnego [ A ]

U_N - napięcie znamionowe sieci elektroenergetycznej [ kV]

l_k - ogólna długość połączonych elektrycznie linii kablowych [ km ]

l_N - ogólna długość połączonych elektrycznie linii napowietrznych [ km ]

Rys .2.2.3 Wykres wektorowy prądów i napięć fazowych linii , przyłączonych do sieci o izolowanym punkcie zerowym , dla przypadków : a) stan przedzwarciowy , b) stan zwarcia fazy „A” z ziemią

Prąd zwarciowy równy jest potrójnej składowej zerowej ma charakter pojemnościowy i wyprzedza w fazie o kąt 90⁰ napięcie źródłowe , czyli jest opóźniony w fazie o kąt 90⁰ względem napięcia zerowego .

Jednofazowym zwarciom z ziemią w sieci z izolowanym punktem zerowym za pośrednictwem łuku towarzyszą przepięcia ziemnozwarciowe , są one przede wszystkim przyczyną uszkodzenia izolacji linii , transformatorów i innych urządzeń . Przyczyną przepięć ziemnozwarciowych jest zjawisko przerywania się łuku i jego ponownego zapalania , w przeciągu kolejnych półokresów sinusoid prądu i napięcia .Łuk gaśnie w chwili przechodzenia sinusoidy prądu przez zero i zapala się ponownie przy odpowiednim wzroście wartości chwilowej napięcia. Przepięcia mogą osiągnąć 4.5-krotną wartość napięcia fazowego . Przepięcia mogą spowodować nie tylko uszkodzenia izolacji linii ale również izolacji transformatorów lub aparatów elektrycznych .

Sieć z punktem zerowym uziemionym przez reaktancję .

W sieci elektroenergetycznej , w której prąd zwarcia doziemnego przekracza wartości podane w punkcie 2.2. Dopuszczalne wartości w celu zmniejszenia zagrożenia porażeniowego kompensuje się prąd o charakterze pojemnościowym prądem indukcyjnym .Wartość reaktancji powinna być tak dobrana aby zapewnić podczas jednofazowego zwarcia doziemnego kompensację składowej podstawowej pojemnościowego prądu zwarciowego. Stopień kompensacji powinien być taki aby zapewnił samoczynne wygaśnięcie łuku w powietrzu. Kompensacja powinna zapewnić ograniczenie do bezpiecznych wartości napięć rażenia w miejscu zwarcia.

Rys 2.3.1 Wykres wektorowy prądów i napięć przy doziemieniu fazy A z dokładną kompensacją .

Do kompensacji prądu ziemnozwarciowego najczęściej stosowane są: dławiki olejowe zwane cewkami Petersena lub dławikami gaszącymi , specjalne transformatory gaszące Baucha lub Reithoffera .Urządzenia te przyłącza się do punktu zerowego transformatora potrzeb własnych ŚN/nn .Transformatory potrzeb własnych mają najczęściej grupę połączeń Zy5 . Uzwojenia transformatora potrzeb własnych połączone są w gwiazdę i wykonane na napięcie 380/220 V i wykorzystuje do zasilania urządzeń potrzeb własnych . Do dostrojenia wartości reaktancji indukcyjnej do pojemności sieci kompensowanej stosowana jest płynna lub skokowa regulacji zaczepów dławika

Rys.2.3.2.Rozpływ składowej zerowej prądu ziemnozwarciowego w sieci promieniowej w przypadku kompensacji dokładnej za pomocą dławika .

Przy uziemieniu punktu zerowego sieci przez reaktancję indukcyjną obowiązują następujące zasady :

1.Urządzenia gaszące powinny być zainstalowane w punktach węzłowych kompensowanej sieci , najlepiej w stacjach transformatorowo - rozdzielczych i zestrojone w ten sposób aby w przyjętym układzie sieci , pojemnościowy prąd zwarcia nie przekraczał wartości 200A

W sieci o ziemnozwarciowym prądzie pojemnościowym większym niż 60 A zalecane jest stosowanie co najmniej dwóch dławików gaszących .

W sieci w której wartość pojemnościowego prądu ziemnozwarciowego przekracza 120 A i zainstalowane jest kilka urządzeń gaszących zaleca się stosować kilka urządzeń gaszących .

Niezależnie od poziomu napięci znamionowego sieci prąd resztkowy nie powinien przekraczać 30A

Rozstrojenie s sieci kompensowanej powinno być utrzymywane w granicach

5% do +5% wyłączając z tej reguły któtkotrwałe stany przejściowe.

W sieciach o dużej asymetrii pojemnościowej zaleca się utrzymywać wartość rozstrojenia sieci s w granicach od +5% do 15%

czyli:

[2.3.1]

gdzie :

s - współczynnik rozstrojenia sieci

I_L - całkowity prąd indukcyjny urządzeń

kompensacyjnych przyłączonych do sieci

I_C - sumaryczny pojemnościowy prąd zwarcia

doziemnego sieci

Rys . 2.3.3. Wykres wektorowy prądów przy zwarciu doziemnym w sieci ze skompensowanym punktem neutralnym.

W praktyce jednak , nie jest stosowana dokładna kompensacja , gdyż przy dokładnym dostrojeniu następuje zwiększenie asymetrii napięć . Wynika to z różnych pojemności poszczególnych przewodów sieci elektroenergetycznej względem ziemi . Nadmierne rozstrojenie sieci ( przekompensowanie ) pogarsza warunki gaszenia łuku prądu ziemnozwarciowego . W sieci z punktem zerowym uziemionym przez reaktancję podobnie jak w sieci z izolowanym punktem neutralnym , w przypadku doziemienia jednej fazy w pozostałych fazach ustalają się napięcia względem ziemi o wartości napięcia międzyprzewodowego .W tym układzie sieci przepięcia występują dość rzadko i osiągają dużo mniejsze wartości .

Dzięki kompensacji nie dopuszcza się do powstawania zwarć łukowych oraz unika się towarzyszących im przepięć .Dzięki kompensacji pojemnościowego prądu zwarciowego , wpływającego do ziemi w miejscu zwarcia , przez odpowiedni prąd indukcyjny łuk w miejscu zwarcia gaśnie natychmiast. Szybkie zgaszenie łuku zapobiega przejściu zwarcia jednofazowego w zwarcie międzyfazowe.

.Sieć z punktem zerowym uziemionym przez rezystancję.

Wzrost mocy rozdzielczej spowodowany jest zwiększaniem się zapotrzebowania na energię elektryczną. W aglomeracjach miejskich i konieczne jest stosowanie zasilania odbiorców liniami kablowymi .Konsekwencją takiej konfiguracji sieci jest bardzo znaczny wzrost doziemnego prądu pojemnościowego .Jeśli uwzględnimy także duże zagęszczenie ludności na terenach miejskich , to stwierdzimy ,że każde nieselektywne wyłączenie doziemienia będzie powodowało poważne zagrożenie porażeniowe. Aby poprawić wyżej wymienione zagrożenia oraz uprościć zabezpieczenia ziemnozwarciowe włącza się między punkt zerowy sieci i ziemię wysokonapięciowy rezystor uziemiający . Jednak włączenie w punkt zerowy rezystora powoduje z reguły wzrost napięć uziomowych ŚN/nn i utrudnia uzyskanie właściwej ochrony przeciwporażeniowej . Napięcia uziomowe wywołane prądami ziemnozwarciowymi , które w rozpatrywanych sieciach przyjmują wartości w zakresie od 100Ado 500A .Jednym ze sposobów ograniczenia zagrożeń wywołanych tymi napięciami jest stosowanie selektywnych i szybkich zabezpieczeń .Zabezpieczenia te skracają czs przepływu prądów zwarciowych i pozwalają uzyskać właściwą ochronę przed porażeniem prądem elektrycznym.

Rys. 2.4.1. Punkt zerowy transformatora uziemiony

przez rezystor wysokonapięciowy

Rys.2.4.2. Wykresy napięć i prądów dla sieci z punktem zerowym uziemionym przez rezystor wysokonapięciowy a) stan pracy normalnej , b) stan doziemienia

W sieci z punktem zerowym uziemionym przez rezystancję , wartości napięć względem ziemi przy zwarciach doziemnych wynoszą od kilkudziesięciu woltów do napięcia międzyprzewodowego w zależności od rezystancji rezystora uziemiającego przyłączonego do punktu zerowego sieci .

Rezystor uziemiający dobiera się tak aby wartość prądu przepływającego w czasie doziemienia nie przekraczała 500A . Wartość rezystancji rezystora uziemiającego oblicza się ze wzoru:

[2.4.1]

gdzie:

R_r - rezystancja rezystora uziemiającego

Z - impedancja obwodu pętli zwarciowej

X_T - reaktancja uzwojenia transformatora

R_T- rezystancja uzwojenia transformatora

impedancja:

[2.4.2]

gdzie:

U_N - napięcie znamionowe sieci

I_f - prąd zwarcia jednofazowego

Prąd zwarcia doziemnego powinien być na tyle duży, aby zapewnił prawidłowe działanie zabezpieczeń i ograniczyć przepięcia .Jednak na tyle mały , by nie stanowił zagrożenia porażeniowego dla ludzi.

Dlatego też powinien być spełniony warunek:

[2.4.3]

co odpowiada warunkowi:

[2.4.4]

gdzie:

C_o - pojemność doziemna jednej fazy sieci

I_R - składowa czynna prądu ziemnozwarciowego sieci

I_C - składowa pojemnościowa prądu zwarciowego sieci

Spełnienie tego warunku gwarantuje tłumienie nieustalonych przepięć ziemnozwarciowych.

2.5.Wpływ sposobu uziemienia punktu zerowego sieci średniego napięcia na zagrożenie porażeniowe ludzi

Zagrożenie porażeniowe ludzi jest jednym z czynników decydujących o sposobie uziemienia punktu zerowego sieci średnich napięć .Występuje ono w skutek przepływu prądów zwarciowych przez uziemienia podczas zakłóceń .Zagrożenie porażeniowe , związane z przepływem ustalonego prądu zwarcia jednej fazy z ziemia ,zależy od sposobu uziemienia pz. O bezpieczeństwie ludzi i zwierząt decyduje napięcie rażenia Ur występujące w czasie zwarcia . Prawdopodobieństwo porażeń Pr jest funkcją napięcia uziomowego Uz=IzZw i czasu zwarcia Tz .Sposób uziemienia pz wpływa na wartość prądu Iz i czasu tz a więc i na zagrożenie porażeniowe .

Ze względu na możliwość wystąpienia i zakres zagrożeń porażeniowych sieci sń można podzielić na dwie grupy:

- Sieci kablowe znajdujące się na obszarze objętym siecią ekwipotencjalizującą

E współpracujących ze sobą uziemień sztucznych i naturalnych

- Sieci mieszane napowietrzno - kablowe i terenowe których część lub większość urządzeń znajduje się poza obszarem sieci E

W obszarze objętym siecią ekwipotencjalną występują znikome wartości Zw i Ru i warunki bezpieczeństwa są zachowane niezależnie od wartości prądu Iz ( Napięcie Uz nie przekracza kilkudziesięciu woltów ) Inna sytuacja występuje przy urządzeniach śn nie powiązanych z siecią E w związku z niekorzystnym rozkładem potencjałów wokół wykorzystywanych uziemień ,którymi są przeważnie proste uziomy stacji śn/nn lub słupów linii .Napięcia rażenia stanowią tu znaczną część napięcia uziomowego Uz a niekiedy są mu równe .Napięcia te mogą się pojawiać nie tylko na przy urządzeniach śn ale i przy urządzeniach nn zasilanych ze stacji śn/nn .Dodatkowe problemy stwarzają liczne , a trudno wykrywalne zwarcia rezystancyjne. Uwzględniając wspomniane czynniki , wpływ sposobu uziemienia pz na zagrożenie porażeniowe w omawianej strefie można scharakteryzować następująco :

- W sieciach skompensowanych przy zwarciach metalicznych nie stanowią zagrożenia , natomiast zwarcia rezystancyjne które mogą się utrzymywać długotrwale powodują duże zagrożenie wynikające ze znacznych wartości Uz.

-W sieciach skompensowanych z wymuszaniem składowej czynnej prądu nie występuje zagrożenie porażeniowe pod warunkiem wymuszenia prądu nie wyższego niż 40A .Przy wyższym prądzie zagrożenie wzrasta.

- W sieciach izolowanych występuje znaczne zagrożenie porażeniowe które potęguje się przy występowaniu zwarć rezystancyjnych ze względu na możliwość niezadziałania zabezpieczeń ziemnozwarciowych .

- W sieciach z pz uziemionym przez rezystor występują większe prądy Iz niż przy innych sposobach uziemienia pz. Stwarzają możliwość występowania niebezpiecznych napięć rażenia wynikających z dużych wartości Uz których oddziaływanie może przenosić się na instalacje nn .W razie wystąpienia jednak niebezpieczeństwa porażeń zwłaszcza przy urządzeniach nn ,można zastosować jedno ze znanych rozwiązań technicznych . Korzystne i zalecane jest oddzielenie uziemień roboczych instalacji nn od uziemień stacji śn/nn . Zwarcia rezystancyjne również stwarzają zagrożenie porażeniowe , gdyż mimo silnego tłumienia prądu Iz przez rezystancję przejścia napięcie Uz osiąga znaczną wartość .Zagrożenie porażeniowe podczas takich zwarć jest jednak łagodzone dzięki ich krótkotrwałości .

Niebezpieczeństwo porażeń podczas zwarć podwójnych z ziemią

W sieciach ŚN oprócz zwarć pojedynczych doziemnych występują również podwójne zwarcia z udziałem ziemi . Zwarcia podwójne doziemne stwarzają niebezpieczeństwo porażeń ze względu na duże wartości prądów I_Z2 , płynących między zwarciami pojedynczymi z ziemią .Wartość tych prądów zależy od zależy od odległości w których wystąpiły zwarcia , a przy niewielkim oddaleniu prądy te mogą osiągać nawet 85 % prądu zwarciowego trójfazowego . Niezależnie od sposobu uziemienia punktu zerowego zagrożenie porażeniowe przy zwarciach podwójnych jest znacznie większe niż przy pojedynczych. Prawdopodobieństwo wystąpienia zwarć podwójnych zależy od długości przyłączonych linii do danej sieci oraz od czasu trwania zwarć . Możliwość występowania zwarć podwójnych zależy od sposobu uziemienia punktu zerowego . W sieciach skompensowanych oraz z izolowanym punktem zerowym występuje większe niebezpieczeństwo występowania zwarć podwójnych spowodowane opóźnieniem w wyłączaniu zwarć pojedynczych . W sieciach uziemionych przez rezystor występuje znacznie mniejsze prawdopodobieństwo powstawania zwarć podwójnych , spowodowane szybkim wyłączaniem zwarć jednofazowych i skutecznym wykrywaniem zwarć rezystancyjnych .

Zagrożenie porażeniowe spowodowane przepływem nieustalonych prądów zwarciowych.

W sieciach śn należy uwzględnić zagrożenia spowodowane przepływem prądów nieustalonych podczas zwarć jednej fazy z ziemią . W czasie takich zwarć występują wielokrotne zapłony łuku którym towarzyszą nieustalone przebiegi prądowe związane z rozładowaniem pojemności fazy doziemionej oraz doładowaniem pojemności zdrowych faz . Zwarcia jednej fazy z ziemią w obszarze objętym siecią ekwipotencjalną charakteryzują się małymi rezystancjami przejścia R_p , nie sprzyja to tłumieniu przebiegów nieustalonych . W sieci nie objętej siatką E , gdzie występują dużo większe wartości rezystancji uziemień występuje tłumienie składowych nieustalonych , ale nie na tyle skutecznie aby ograniczyć napięcia uziomowe U_z .

Podsumowując wpływ sposobu uziemienia punktu zerowego sieci średniego napięcia na zagrożenie porażeniowe można stwierdzić :

- Zwarcia podwójne mogą powodować znacznie większe zagrożenie porażeniowe niż zwarcia jednofazowe

- Największe zagrożenie powodują zwarcia w sieci kompensowanej i izolowanej , najmniejsze zaś w sieci uziemionej przez rezystor.

- Prądy nieustalone stanowią znacznie większe zagrożenie porażeniowe niż prądy ustalone .

- Uwzględniając zagrożenia spowodowane prądami ziemnozwarciowymi zarówno ustalonymi jak i nieustalonymi a także zwarcia jednej i dwóch faz z ziemią należy stwierdzić ,że najbezpieczniejszym jest trwałe uziemienie punktu zerowego sieci ŚN przez rezystor .

Dobór zabezpieczeń:

Zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne :

Wartość prądu rozruchowego zabezpieczenia nadprądowego zwłocznego dobiera się na podstawie dwóch warunków :

Niepobudzanie zabezpieczenia przez prądy obciążeniowe.

Zapewnienie należytej czułości zabezpieczenia.

Prąd rozruchowy przekażnika powinien spełniać warunek:

gdzie:

I_r - wartość prądu największego obciążenia linii po stronie pierwotnej'

k_b - współczynnik bezpieczeństwa,

k_s - współczynnik schematu

k_p - współczynnik powrotu

kr - współczynnik samorozruchu silników asynchronicznych

n_i - przekładnia znamionowa przekładników prądowych

Miarą pewności działania zabezpieczenia nadprądowego zwłocznego przy zwarciu metalicznym na końcu chronionej strefy jest wartość współczynnika czułości działania tego zabezpieczenia .

gdzie:

I_{z min} - najmniejsza wartość prądu zwarciowego w przypadku zwarcia metalicznego na końcu zabezpieczanego odcinka

k_c - nie powinien być mniejszy od:

1,5 dla zabezpieczenia podstawowego

1,2 dla zabezpieczenia rezerwowego

Zabezpieczenie nadprądowe bezzwłoczne

Prąd rozruchowy przekaźnika powinien spełniać warunek:

gdzie:

k_p - współczynnik bezpieczeństwa

I_{z max} największy prąd zwarciowy przy zwarciu na szynach w stacji B

k_b 1,3-1,6

Celowość stosowania zabezpieczenia nadprądowego bezzwłocznego jest uzasadniona ekonomicznie , jeśli dlugość strefy objętej tym zabezpieczeniem wynosi nie mniej niż 20% zabezpieczanego odcinka

Zabezpieczenia od zwarć doziemnych

Dobór:

Prąd rozruchowy powinien spełniać warunek:

czułość oblicza się ze wzoru:

Prąd rozruchowy zabezpieczenia składającego się z układu Holmgreena

współczynnik czułości oblicza się ze wzoru:

gdzie:

I_zc- całkowity pojemnościowy prąd ziemnozwarciowy w sieci

I_w - pojemnościowy prąd własny zabezpieczanej linii

k_b - 1,5-2,0 a dla bezzwłocznych k_b- 3-4

I_u - pierwotny prąd uchybowy układu Holmgreena określany I_u =0.02 I_ni

I_ni - znamionowy prąd pierwotny przekładników .

---