Zastosowanie zespołów prądotwórczych do awaryjnego zasilania sieci elektroenergetycznej nn (część 4.)
Ocena skuteczności samoczynnego wyłączania w instalacjach zasilanych przez zespół prądotwórczy
Pomiar napięcia dotykowego
Pomiar impedancji pętli zwarcia w instalacji zasilanej przez zespół prądotwórczy jest trudny do praktycznego wykonania z uwagi na zmieniającą się w czasie zwarcia reaktancję generatora i brak dostępnych na rynku przyrządów pomiarowych pozwalających na wykonanie takiego pomiaru. Oszacowanie skuteczności samoczynnego wyłączenia zabezpieczeń w instalacji zasilanej przez zespół prądotwórczy jest możliwe na drodze obliczeniowej i ma charakter przybliżony.
Zobacz także
Impakt SA Nowa rodzina zasilaczy PowerWalker UPS VFI EVS 5 kVA z magazynami energii
Seria PowerWalker VFI EVS to nowa generacja zasilaczy UPS, oferująca długi czas podtrzymania dzięki zastosowaniu baterii LiFePO4 o 40% mniejszej masie i wymiarach w odniesieniu do klasycznych baterii kwasowo-ołowiowych....
Seria PowerWalker VFI EVS to nowa generacja zasilaczy UPS, oferująca długi czas podtrzymania dzięki zastosowaniu baterii LiFePO4 o 40% mniejszej masie i wymiarach w odniesieniu do klasycznych baterii kwasowo-ołowiowych. Zastosowana topologia podwójnej konwersji (VFI-SS-311) gwarantuje najwyższy poziom bezpieczeństwa, a wyspecjalizowane układy utrzymują współczynnik mocy PF na poziomie > 0.99. Oczywiście zależy on od podłączonych urządzeń odbiorczych. Wszelkie informacje o stanie UPS widoczne są na...
Riello Delta Power Sp. z o.o. Projekt przygotowania zespołów prądotwórczych na potrzeby funkcjonowania nowych bloków gazowo-parowych w elektrowni
Firma Riello Delta Power Sp. z o.o. na przełomie lat 2022 i 2023 zrealizowała projekt zabudowy, produkcji, dostarczenia i instalacji dwóch zespołów prądotwórczych na potrzeby funkcjonowania nowych bloków...
Firma Riello Delta Power Sp. z o.o. na przełomie lat 2022 i 2023 zrealizowała projekt zabudowy, produkcji, dostarczenia i instalacji dwóch zespołów prądotwórczych na potrzeby funkcjonowania nowych bloków gazowo-parowych w jednej z kluczowych dla polskiego systemu energetycznego elektrowni w Polsce północno-zachodniej.
mgr inż. Dariusz Zgorzalski, EVER Sp. z o.o. Wybrane aspekty wymagań zasilaczy stosowanych do urządzeń przeciwpożarowych – na przykładzie zasilacza do napędów bram napowietrzających UZS-230V-1kW-1F firmy EVER
W poprzednich częściach dowiodłem, że zasilacze do bram napowietrzających stanowią istotny element systemu wentylacji pożarowej, od strony formalnej muszą posiadać świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB, a...
W poprzednich częściach dowiodłem, że zasilacze do bram napowietrzających stanowią istotny element systemu wentylacji pożarowej, od strony formalnej muszą posiadać świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB, a stosowanie niecertyfikowanych UPSów niesie za sobą ryzyko istotnych konsekwencji. Podkreśliłem, że świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB jest warunkiem koniecznym, ale nie wystarczającym. Kompatybilność funkcjonalna, elektryczna i mechaniczna całego systemu jest podstawą do tego, aby urządzenia działały...
W celu wyznaczenia impedancji pętli zwarciowej należy:
– obliczyć Xk1G:
– obliczyć rezystancję uzwojeń generatora:
gdzie:
Xk1G – reaktancja generatora zespołu prądotwórczego dla zwarć jednofazowych, w [Ω],
n – krotność prądu znamionowego generatora zespołu prądotwórczego utrzymywana przez określony czas przy zwarciu na zaciskach genera tora, w [-],
Un – napięcie znamionowe generatora zespołu prądotwórczego, w [kV],
Sn – moc znamionowa zespołu prądotwórczego, w [MVA],
RkG – rezystancja uzwojeń generatora ZP, w [Ω],
– obliczyć rezystancję kabla zasilania awaryjnego na odcinku ZP–SZR sieć/ZP (rys. 1.):
gdzie:
L – długość linii zasilania awaryjnego łączącej zespół prądotwórczy z układem automatyki SZR sieć/ZP, w [m],
γ – konduktywność przewodu, w [m/(Ω mm2)] przyjmowana jako: 55 [m/(Ω mm2)] – dla Cu oraz jako 35 [m/(Ω mm2)] – dla Al,
SL– przekrój przewodu fazowego, w [mm2],
SPE – przekrój przewodu PE lub PEN, w [m2],
– obliczyć reaktancję kabla zasilania awaryjnego na odcinku ZP–SZR sieć/ZP (rys. 2.):
gdzie:
L – długość linii zasilania awaryjnego łączącej ZP z układem automatyki SZR sieć/ZP, w [m],
XL – reaktancja przewodu fazowego, w [Ω],
LPE – długość przewodu PE lub PEN, w [m],
XPE – reaktancja przewodu PE lub PEN, w [Ω],
x – jednostkowa reaktancja, przyjmowana dla kabli nn jako 0,08, w [Ω/km].
– obliczyć impedancję obwodu zwarciowego na odcinku ZP–SZR sieć/ZP, w [Ω]:
– zmierzyć impedancję obwodu zwarcia przy zasilaniu z SEE w szafie SZR sieć/ZP: Zk1SEE, w [Ω] (rys. 3.),
– zmierzyć impedancję obwodu zwarcia w każdym n-tym punkcie (n-tym urządzeniu) instalacji podlegającym badaniu przy zasilaniu z SEE: Zk1nSEE, w [Ω] (rys. 1.),
– obliczyć różnice wyników pomiarów odejmując od siebie impedancję obwodu zwarciowego zmierzoną w poszczególnych n-tych punktach instalacji podlegających badaniu i impedancję obwodu zwarcia w szafie SZR sieć/ZP:
– do otrzymanych wyników dodać obliczoną wartość Zk1A:
gdzie:
Zkln – oszacowana impedancja obwodu zwarciowego w n-tym punkcie instalacji zasilanej z ZP, w [Ω],
ΔZklnSEE – impedancja obwodu zwarciowego na odcinku SZR sieć/ZP – n-ty punkt pomiarowy badanej instalacji, w [Ω],
– obliczyć prąd zwarcia jednofazowego dla każdego badanego punktu instalacji:
gdzie:
U0 – napięcie pomiędzy przewodem fazowym a ziemią (uziemionym przewodem PEN (PE)), w [V], Współczynnik 0,8 we wzorze (7) został przyjęty ze względu mało precyzyjne oszacowanie impedancji zwarcia na odcinku ZP SZR sieć/ZP. Wzór ten został wielokrotnie potwierdzony w praktyce.
Warunkiem skutecznej ochrony przeciwporażeniowej przy uszkodzeniu przez samoczynne wyłączenie jest spełnienie następującego warunku:
gdzie:
IklnZP – spodziewany prąd zwarcia jednofazowego w n-tym punkcie badanej instalacji, w [A],
Ia – prąd zabezpieczenia, przy którym nastąpi jego zadziałanie w czasie określonym przez PN-HD 60364-4-41:2009, w [A].
Natomiast gdy obwody odbiorcze w instalacji są zabezpieczone wyłącznikami różnicowoprądowymi, należy spełnić następujący warunek:
gdzie:
UL – napięcie dotykowe dopuszczalne długotrwale zgodnie z PN-HD 60364- 4-41:2009, w [V],
IΔn – znamionowy prąd różnicowy wyłącznika różnicowoprądowego, w [A],
RB – rezystancja uziemienia punktu neutralnego generatora ZP, w [Ω].
Pomocnym w wykonywaniu oceny samoczynnego wyłączenia w instalacjach zasilanych z ZP może być rysunek 1.
Należy zauważyć, że zwarcie przy zasilaniu z ZP jest niegroźne dla linii zasilania awaryjnego z uwagi na to, że prąd zwarcia w krótkim czasie uzyskuje wartość mniejszą od wartości prądów znamionowych generatora. W instalacji odbiorczej problem ten podlega indywidualnej ocenie i zależy od przekroju zastosowanych zabezpieczeń. Natomiast pojawienie się napięcia na obudowie odbiornika lub obudowie automatyki SZR sieć/ZP lub rozdzielnicy głównej budynku stwarza zagrożenie dla użytkowników, przez co konieczna jest ocena stanu bezpieczeństwa użytkowanych urządzeń elektrycznych przy zasilaniu zarówno z SEE, jak i z ZP.
Problem oceny bezpieczeństwa użytkowania urządzeń elektrycznych przy zasilaniu z ZP jest nagminnie pomijany przez projektantów oraz osoby wykonujące pomiary ochronne i eksploatacyjne.
Podczas wykonywania pomiarów skuteczności samoczynnego wyłączenia w instalacji posiadającej możliwość awaryjnego zasilania z ZP należy pamiętać, że posiada ona możliwość zasilania z dwóch różnych źródeł:
- systemu elektroenergetycznego (SEE), którego parametry zwarciowe są stabilne, a pomiar przy użyciu miernika obwodu zwarciowego jest wystarczający dla oceny bezpieczeństwa,
- zespołu prądotwórczego (ZP), którego parametry zwarciowe ulegają zmianie wraz z upływem czasu zwarcia, przez co pomiar skuteczności samoczynnego wyłączenia jest niewykonalny i należy przeprowadzić ocenę bezpieczeństwa na drodze analitycznej.
Wynikiem przeprowadzonych pomiarów powinny być sporządzone dwa osobne protokoły z pomiarów skuteczności samoczynnego wyłączenia przy zasilaniu z:
- systemu elektroenergetycznego,
- zespołu prądotwórczego.
Na każdym protokole należy zamieścić wyniki pomiarów wraz z oceną stanu bezpieczeństwa. Brak oceny stanu bezpieczeństwa w instalacji wyposażonej w awaryjne źródło zasilania w postaci ZP powoduje, że przeprowadzone badania instalacji nie odzwierciedlają pełnego stanu bezpieczeństwa eksploatowanej instalacji i zasilanych z niej urządzeń elektrycznych. W myśl obowiązującego Prawa budowlanego stanowi to istotne naruszenie obowiązujących przepisów.
W przypadku, gdy ocena samoczynnego wyłączania daje negatywny wynik, należy sprawdzić wartości spodziewanych napięć dotykowych UST. Zasadę pomiaru napięcia dotykowego wyjaśnia rysunek 2.
Ocenę skuteczności ochrony przez połączenie wyrównawcze należy ocenić z wykorzystaniem wzoru:
gdzie:
USTo – znamionowa wartość napięcia dotykowego przy przepływie prądu probierczego Io, w [V],
Io – prąd probierczy, w [A],
Ia – prąd, przy którym nastąpi zadziałanie zabezpieczenia w czasie zgodnym z wymaganiami normy PN-HD 60364-4-41:2009, w [A],
Ul – napięcie dotykowe dopuszczalne długotrwałe w określonych warunkach środowiskowych, zgodne z PN-HD 60364-4-41:2009, w [V].
Projektowanie i badanie ochrony przeciwporażeniowej przez samoczynne wyłączenie zasilania w obwodach o układzie zasilania TN, zasilanych przez UPS
Ochronę przeciwporażeniową w obwodach zasilających zasilacze UPS lub przemienniki częstotliwości przez samoczynne wyłączenie o układach zasilania TN, należy projektować zgodnie z ogólnymi zasadami określonymi w normie PN-HD 60364-4-41:2009.
Każdy obwód na początku musi posiadać zabezpieczenia zwarciowe w postaci wyłącznika nadprądowego lub bezpiecznika topikowego. Prąd znamionowy bezpieczników lub prądy nastawcze członu zwarciowego wyłączników muszą zostać dobrane z uwzględnieniem różnych stanów roboczych oraz odkształcenia prądu tak, aby w normalnych warunkach pracy urządzenia nie następowało przerwanie zasilania.
Ochronę przeciwporażeniową tych urządzeń należy uznać za skuteczną, jeżeli spełniony jest warunek określony wzorem (13) lub (14). Zasilacze UPS oraz niskonapięciowe przemienniki częstotliwości przy jednofazowym zwarciu na wyjściu lub w instalacji odbiorczej przez nie zasilanej nie wprowadzają asymetrii prądów wejściowych, co skutkuje niemożliwością wyłączenia zasilania w fazie objętej zwarciem. Przyczyną tego stanu jest falownik, który symetryzuje obciążenie w takt komutacji aktywnych elementów przekształtnika, co skutkuje cyklicznym załączaniem na zwarcie wszystkich trzech faz.
Przekształtniki zasilaczy UPS oraz przemienników częstotliwości ze względu na konieczność ochrony przed uszkodzeniem prądem zwarciowym elementów aktywnych są wyposażane w układ automatyki ograniczający prąd wyjściowy do wartości nie większej niż 2,5 · In (gdzie: In – prąd znamionowy). Ograniczenie prądu zwarciowego powoduje trudności w uzyskaniu skutecznego samoczynnego wyłączenia zasilania na wejściu przekształtnika, nawet gdy jest on urządzeniem jednofazowym.
Działanie automatyki ograniczającej prąd zwarciowy nie powoduje przerwania galwanicznego obwodu zasilającego, przez co nie może być traktowane jako samoczynne wyłączenie zasilania. W większości przypadków wzrost prądów wyjściowych w tych urządzeniach skutkuje przełączeniem zasilania na bypass wewnętrzny i ominięciem przekształtnika, jednak podczas projektowania ochrony przeciwporażeniowej przez samoczynne wyłączenie tego stanu nie należy brać pod uwagę, chociażby ze względu na możliwość uszkodzenia toru obejściowego.
W związku tym za kryterium ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach zasilanych przez UPS lub przemiennik częstotliwości należy przyjąć ograniczenie napięcia dotykowego UST do wartości dopuszczalnej długotrwale UL, przyjmowanej w zależności od warunków środowiskowych. Ochronę przeciwporażeniową w takim przypadku należy uznać za skuteczną, jeżeli zostanie spełniony warunek określony wzorem (14).
Przy pomiarze impedancji pętli zwarcia w obwodach zasilanych poprzez zasilacz UPS proponuje się wykonanie oceny skuteczności ochrony przeciwporażeniowej przed dotykiem pośrednim przez sprawdzenie, czy w czasie zwarcia doziemnego o prądzie zwarciowym równym Ia wystąpiłoby na częściach przewodzących dostępnych napięcie dotykowe o wartości nieprzekraczającej napięcia dotykowego, dopuszczalnego długotrwale w danych warunkach środowiskowych (UL).
Badanie stanu ochrony przeciwporażeniowej dla tak przyjętych zasad wykonuje się przez obliczenie spodziewanych wartości napięć dotykowych, jakie wystąpią na objętych ochroną częściach przewodzących dostępnych jednocześnie podczas metalicznego zwarcia doziemnego. W celu dokonania obliczeń, należy wykonać pomiar impedancji pętli zwarcia z pominięciem (przez zamostkowanie zacisków wejściowych i wyjściowych jednej z faz) przemiennika częstotliwości, zgodnie ze schematami przedstawionymi na rysunku 3., rysunku 4., rysunku 5. i rysunku 6. przy równoczesnym przerwaniu ciągłości przewodów pozostałych faz i przewodu neutralnego. Po wykonaniu pomiaru impedancji pętli zwarcia należy obliczyć impedancję przewodu PE, przyjmując ją jako równą 0,5 zmierzonej impedancji ZS.
Największa spodziewana wartość napięcia dotykowego UST będzie równa:
Wartość ta została obliczona z bardzo dużym zapasem bezpieczeństwa. Zgodnie z normą PN-HD 60364-4-41:2009 uważa się, że ochrona jest skuteczna, jeżeli napięcie dotykowe UST jest mniejsze od dopuszczalnego długotrwale w danych warunkach środowiskowych napięcia dotykowego:
gdzie:
Ia – prąd wyłączający urządzenia zabezpieczającego (w obwodzie zasilania UPS-a lub urządzenia odbiorczego) w czasie określonym przez PN-HD60364-4-41:2009, w [A],
ZPE – wartość impedancji (rezystancji) przewodu ochronnego PE między rozpatrywaną częścią przewodzącą dostępną a głównym połączeniem wyrównawczym, w [Ω],
UL – dopuszczalna długotrwale w danych warunkach środowiskowych wartość napięcia dotykowego, w [V].
W celu spełnienia warunku wyrażonego wzorem (13) należy spełnić poniższy warunek:
Przy prądzie Ik1 < Ia, napięcie dotykowe UST nie przekroczy dopuszczalnej długotrwale wartości napięcia UL. Natomiast w przypadku, gdzie Ik1 ≥ Ia, nastąpi samoczynne wyłączenie zasilania.
Literatura
- PN-ISO 8528-5 Zespoły prądotwórcze. Zespoły prądotwórcze zasilane silnikiem tłokowym.
- T. Sutkowski, Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną. Urządzenia i układy, COSiW SEP, Warszawa 2007.
- J. Wiatr, M. Orzechowski, Poradnik projektanta elektryka, DW Medium 2008.
- Materiały szkoleniowe firmy Fast Group.
- J. Wiatr, Zespoły prądotwórcze w układach zasilania awaryjnego, DW Medium 2008.
- R. Kacejko, J. Machowski, Zwarcia w systemach elektroenergetycznych, WNT, Warszawa 2001.
- Ochrona przeciwporażeniowa w warunkach polowych, MON Inż. 349/72.
- Praca zbiorowa pod redakcją J. Wiatra, Poradnik projektanta systemów zasilania awaryjnego i gwarantowanego, Eaton Power Quality, Warszawa 2008.
- A. Sowa, Kompleksowa ochrona odgromowa i przepięciowa, COSiW SEP, Warszawa 2006.
- Wieloarkuszowa norma PN-IEC 60364 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych.
- J. Wiatr, M. Miegoń, Zasilacze UPS i baterie akumulatorów w układach zasilania gwarantowanego, DW Medium 2008.
- Katalogi firmy SDMO.
- L. Danielski, R. Zacirka, Badanie ochrony przeciwporażeniowej w obiektach z przemiennikami częstotliwości, „elektro.info” nr 12/2005.
- R. Matla, Gospodarka elektroenergetyczna, OW PW, Warszawa 1988.