Pomiary impedancji pętli zwarciowej na farmach fotowoltaicznych w sieciach IT przy napięciach do 900 V AC (część 1.)
Schemat systemu instalacji PV z transformatorem w układzie IT. Punkt neutralny transformatora jest uziemiony przez iskiernik; rys. W. Siergiej, W. Dekiert, R. Pawłowski
Dynamiczny rozwój sektora odnawialnych źródeł energii, zwłaszcza fotowoltaiki, znacznie zwiększył liczbę dużych instalacji PV. Inwestycje w farmy fotowoltaiczne, mimo okresowych wahań w branży energetycznej, utrzymują się na wysokim poziomie. Równocześnie rośnie zapotrzebowanie na precyzyjną diagnostykę parametrów eksploatacyjnych instalacji, w tym na pomiary impedancji pętli zwarciowej (ZS). Parametr ten stanowi podstawowy element weryfikacji poprawności działania systemów zabezpieczeń przeciwporażeniowych i zwarciowych oraz zgodności systemu PV z założeniami projektowymi.
Zobacz także
VOLT Polska Sp. z o.o. Inteligentna instalacja – fundament nowoczesnego prosumenta
Produkcja energii z odnawialnych źródeł to dziś standard, jednak jej charakter pozostaje niestabilny – zależny od pogody, pory dnia i sezonu. Odpowiednio zaprojektowana instalacja prosumencka może jednak...
Produkcja energii z odnawialnych źródeł to dziś standard, jednak jej charakter pozostaje niestabilny – zależny od pogody, pory dnia i sezonu. Odpowiednio zaprojektowana instalacja prosumencka może jednak skutecznie zniwelować te ograniczenia, zapewniając użytkownikowi realną kontrolę nad zużyciem energii, większą niezależność od rynku energii oraz ciągłość zasilania, nawet w sytuacjach awaryjnych.
VOLT Polska Sp. z o.o. Mądry prosument z inteligentną instalacją
Energia z OZE, przy wszystkich swoich zaletach, jest zmienna i nieprzewidywalna. Stworzenie w pełni sprawnej budynkowej elektrowni prosumenckiej – zapewniającej faktyczną niezależność od wahających się...
Energia z OZE, przy wszystkich swoich zaletach, jest zmienna i nieprzewidywalna. Stworzenie w pełni sprawnej budynkowej elektrowni prosumenckiej – zapewniającej faktyczną niezależność od wahających się cen energii elektrycznej oraz samowystarczalność energetyczną i spełnienie celów środowiskowych (np. zmniejszenie emisji CO2) czy ciągłość dostaw energii – jest jednak możliwe!
Weidmüller Rozwiązania fotowoltaiczne Weidmüller: najwyższa jakość i bezpieczeństwo
Wśród wielu produktów do systemów fotowoltaicznych, oferowanych przez firmę Weidmüller, przedstawiamy dwa innowacyjne rozwiązania, dzięki którym instalacja PV będzie działać efektywnie przez długie lata.
Wśród wielu produktów do systemów fotowoltaicznych, oferowanych przez firmę Weidmüller, przedstawiamy dwa innowacyjne rozwiązania, dzięki którym instalacja PV będzie działać efektywnie przez długie lata.
W artykule:
|
Pomiary impedancji pętli zwarciowej na farmach fotowoltaicznych, w szczególności tych farmach, które pracują w układzie sieci IT, napotykają jednak liczne trudności, wynikające ze specyfiki pracy takich instalacji, takie jak:
- obecność inwerterów, które mogą zakłócać klasyczne metody pomiarowe,
- zmienność warunków generacji energii, wynikająca z dynamiki poziomu nasłonecznienia, co wpływa na stabilność wyników pomiarów,
- duże odległości oraz długie ciągi linii kablowych, charakterystyczne dla farm PV o powierzchni liczonej w hektarach i mocy nawet kilkuset MWp (na instalację generującą 1 MWp przypada ok. 1,5 ha terenu),
- stosowanie układu sieci IT, w którym impedancja pętli zwarciowej oraz sposób uziemienia mają kluczowe znaczenie dla skuteczności ochrony przeciwporażeniowej,
- rzeczywiste napięcie za inwerterem, przekraczające 800 V AC, co zawęża ofertę specjalistycznych urządzeń pomiarowych.
W artykule omówiono specyfikę pomiarów impedancji pętli zwarciowej w układach IT na farmach fotowoltaicznych, metodykę prowadzenia pomiarów oraz interpretację uzyskanych wyników w systemach o napięciach sięgających 900 V AC.
Czy wykonywać pomiary impedancji pętli zwarciowej w sieciach IT na farmach PV?
W środowisku specjalistów z branży pomiarów elektrycznych często pojawiają się wątpliwości dotyczące zasadności wykonywania pomiaru impedancji pętli zwarciowej (ZS) w instalacjach fotowoltaicznych pracujących w układzie sieci IT. Kolejnym zagadnieniem jest kwestia wiarygodności uzyskanych wyników w obecności inwerterów, które mogą wpływać na stabilność pomiarów. Dodatkowe kłopoty sprawiają również inne wspomniane we wstępie problemy.
Odpowiedź na postawione pytanie jest jednoznaczna: tak, pomiar impedancji pętli zwarciowej jest konieczny i powinien zostać wykonany w sposób kompleksowy. Co więcej, nie należy ograniczać się do pojedynczego pomiaru, lecz wykonać ich kilka w różnych symulowanych, możliwych do wystąpienia przypadkach, aby uzyskać pełny obraz parametrów sieci oraz skuteczności zastosowanych zabezpieczeń.
Podstawą do przeprowadzenia ww. badań są obowiązujące normy, w tym:
- PN-HD 60364-6 – określająca wymagania dotyczące badań odbiorczych i okresowych instalacji elektrycznych,
- PN-HD 60364-7-712 Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania,
- PN-HD 60-364-4-41 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem prądem elektrycznym.
- PN-EN 62446 – odnosząca się do wymagań w zakresie badań, inspekcji i testowania systemów fotowoltaicznych.
Spełnienie wymogów powyższych norm jest kluczowe zarówno z punktu widzenia bezpieczeństwa instalacji, jak i w kontekście weryfikacji zgodności badanego systemu z założeniami projektowymi. W dalszej części artykułu omówione zostaną szczegółowe aspekty wykonywania pomiarów impedancji w sieciach IT na farmach fotowoltaicznych.
Układ sieci IT
Układ sieci IT występuje tam, gdzie wymagane jest zapewnienie maksymalnego bezpieczeństwa personelu i wysokiej niezawodności zasilania – również w przypadku sytuacji awaryjnych, które przy zastosowaniu układu sieci TN bądź TT doprowadziłyby do zadziałania wyłączników nadprądowych.
W sieci IT szczególne znaczenie ma specyfika jej konfiguracji, czyli fakt, że wszystkie części czynne (L1, L2, L3 oraz – jeżeli występuje – N) są izolowane od ziemi lub połączone z nią przez dużą impedancję (np. iskiernik lub rezystor o wartości 1500 Ω), a części przewodzące dostępne są bezpośrednio uziemione.
Aby zapewnić skuteczne działanie układu IT, części przewodzące dostępne muszą być odpowiednio uziemione. Można to zrealizować na kilka sposobów: indywidualnie, grupowo lub zbiorowo.
Ochrona odsłoniętych części przewodzących prąd jest realizowana przez połączenie tych części z uziemieniem (rys. 1. i rys. 2.).
Rys. 1. Schemat systemu instalacji PV z transformatorem w układzie IT. Punkt neutralny transformatora jest uziemiony przez iskiernik;
rys. W. Siergiej, W. Dekiert, R. Pawłowski
Rys. 2. Możliwe układy pracy sieci IT wg normy IEC 60364-1: a) układ IT 1-fazowy z punktem neutralnym transformatora uziemionym przez dużą impedancję Z, b) układ IT 3-fazowy bez przewodu neutralnego,
z punktem neutralnym transformatora uziemionym przez iskiernik,
c) układ IT 3-fazowy z przewodem neutralnym, z punktem neutralnym transformatora uziemionym przez dużą impedancję Z; rys. W. Siergiej, W. Dekiert, R. Pawłowski
Monitorowanie stanu pracy sieci IT
W systemach IT mogą być stosowane następujące urządzenia monitorujące i ochronne:
- IMD – urządzenia monitorujące izolację (w Polsce: UKSI),
- RCM – urządzenia monitorujące prąd różnicowy,
- IFLS – systemy lokalizacji zwarcia izolacji,
- OCPD – urządzenia chroniące przed przetężeniem,
- RCD – urządzenia zabezpieczające przed prądem różnicowym.
Standardem w sieciach o układzie IT jest stosowanie urządzenia stale kontrolującego stan izolacji względem ziemi – IMD (ang. Insulation Monitoring Device), w Polsce często określanego jako UKSI (Układ Kontroli Stanu Izolacji). IMD wykrywa spadek rezystancji izolacji i sygnalizuje awarię (np. poprzez alarm wizualny i/lub dźwiękowy), nie powoduje jednak natychmiastowego wyłączenia zasilania, co pozwala na dalszą pracę systemu (utrzymanie ciągłości zasilania) i usunięcie usterki bez przestoju. Jednakże brak reakcji na pierwsze zwarcie może w skrajnych przypadkach prowadzić do drugiego zwarcia, które skutkuje zwarciem międzyfazowym i wymusza odłączenie zasilania przez zabezpieczenia nadprądowe.
Dzięki IMD układ IT zapewnia wysoką ciągłość zasilania, jednak wymaga regularnej kontroli i szybkiej reakcji na pierwsze zwarcie, aby zapobiec poważniejszej awarii.
Więcej informacji o budowie i funkcjonowaniu sieci IT znajduje się w literaturze branżowej, np. w publikacji „Ochrona przeciwporażeniowa w sieci o układzie zasilania IT” autorstwa mgr. inż. Juliana Wiatra.
Wpływ specyfiki układu IT na pomiary impedancji pętli zwarciowej
Cechy układu IT mają kluczowe znaczenie dla metodyki pomiarów impedancji pętli zwarciowej w instalacjach fotowoltaicznych. W przeciwieństwie do układów TN, gdzie zwarcie przewodu fazowego z (a) dostępną częścią przewodzącą lub z (b) przewodem ochronnym obwodu/urządzenia skutkuje dużymi wartościami prądów zwarciowych, w sieci IT pierwsze zwarcie do części przewodzących dostępnych powoduje jedynie przepływ niewielkich prądów pojemnościowych (zwykle o wartości kilku miliamperów).
Tu należy się słowo wyjaśnienia. Prąd pojemnościowy to prąd wynikający z pojemności kabli (pozostałych dwóch nieuszkodzonych przewodów fazowych) oraz urządzeń odbiorczych względem ziemi. W układzie IT punkt neutralny transformatora nie jest bezpośrednio uziemiony, więc podczas pojedynczego zwarcia (np. fazy do ziemi) prąd zwarciowy nie jest ograniczony przez impedancję uziemienia, lecz zależy głównie od pojemności linii do ziemi. Z tego względu tradycyjne metody pomiarowe mogą nie dostarczać wiarygodnych wyników, a interpretacja uzyskanych wartości wymaga dogłębnej analizy konfiguracji sieci w momencie testu.
Jednocześnie należy podkreślić, że zwarcie w obwodzie niekoniecznie musi być metalicznym zwarciem fazy z ziemią; norma PN-HD 60364-4-41 mówi w tym przypadku o zwarciu z częścią przewodzącą dostępną. W artykule pojęcia „zwarcie do ziemi” i „zwarcie doziemne” będą odnosiły się do znaczenia przytoczonego w normie. Warto dodać, że w literaturze branżowej często spotyka się pojęcia „pierwszego” i „drugiego doziemienia”, jednak w artykule posługiwać się będziemy nomenklaturą przyjętą w powyżej wskazanej normie.
Pierwsze zwarcie w obwodzie
Pojedyncze zwarcie w obwodzie nie powoduje dużych prądów zwarciowych, gdyż te zamykają się przez pojemności pozostałych przewodów fazowych względem ziemi oraz przez przewód ochronny PE, tworząc zamknięty obwód wewnątrz galwanicznie połączonej sieci. Wartość tego prądu nie zależy od miejsca powstania zwarcia, lecz od aktualnej konfiguracji całej instalacji.
Aby zapewnić skuteczną ochronę przeciwporażeniową w układzie IT przy pierwszym zwarciu w obwodzie, należy spełnić warunek:
gdzie:
Ra – suma rezystancji uziemienia i przewodu ochronnego dla odsłoniętych części przewodzących, w [Ω],
Ik1 – prąd zwarciowy pierwszego zwarcia, w [A], uwzględniający prądy upływowe i impedancję uziemienia.
Jeśli odsłonięte elementy przewodzące są prawidłowo uziemione, to pierwsze zwarcie w obwodzie nie stwarza zagrożenia porażeniowego, dlatego uszkodzony obwód nie zostaje natychmiast odłączony (zachodzi jedynie sygnalizacja tego stanu przez IMD/UKSI).
Sieć w układzie IT w warunkach pierwszego zwarcia w obwodzie może przypominać sieć TN lub TT, w zależności od sposobu uziemienia jej elementów (rys. 3.).
Rys. 3. Możliwe sposoby wykonania uziemień ochronnych w instalacji fotowoltaicznej: a) uziemienia indywidualne, b) uziemienia grupowe,
c) uziemienie zbiorowe; rys. W. Siergiej, W. Dekiert, R. Pawłowski
Rys. 4. Praca sieci IT: a) w normalnych warunkach, b) przy pierwszym zwarciu w obwodzie; rys. W. Siergiej, W. Dekiert, R. Pawłowski
- TT – gdy uziemienie dla poszczególnych urządzeń jest realizowane indywidualnie lub grupowo (rys. 3a, rys. 3b). Przykład przekształcenia pokazano na rysunku 5a.
- TN – gdy wszystkie urządzenia są połączone wspólnym systemem uziemiającym (rys. 3c). Przykład przekształcenia pokazano na rysunku 5b.
Rys. 5. Przekształcenie sieci IT wskutek pierwszego zwarcia:
a) w system TT (uziemienia indywidualne lub grupowe – rys. 3a i 3b),
b) w system TN (uziemienie zbiorowe – rys. 3c); rys. W. Siergiej,
W. Dekiert, R. Pawłowski
Dla prawidłowego określenia wymaganego czasu dla samoczynnego wyłączenia zasilania, zgodnie z wymaganiami normy PN-HD 60364-4-41, projektant instalacji PV powinien określić, w jaki układ przekształci się sieć IT po pierwszym zwarciu w obwodzie.
Rys. 6. Prąd zwarciowy w systemie IT o uziemieniu zbiorowym podczas podwójnego zwarcia: a) dwa zwarcia: L3-GND (#1), L1-GND (#2), b) zwarcie L3-GND (#1) i zwarcie międzyfazowe L1-L2 (#2);
rys. W. Siergiej, W. Dekiert, R. Pawłowski
Zgodnie z powyższą normą, dla obwodów końcowych o prądzie nieprzekraczającym:
- 63 A dla obwodów zasilających wyposażonych co najmniej w jedno gniazdo wtyczkowe,
- 32 A dla obwodów zasilających tylko podłączone na stałe urządzenia elektryczne
maksymalny czas wyłączenia podano w tabeli 1.
Tab. 1. Wymagane czasy samoczynnego wyłączenia zasilania, zgodnie z wymaganiami normy
PN-HD 60364-4-41 dla gniazd o prądzie znamionowym ≤ 63 A i odbiorników zainstalowanych na stałe o prądzie znamionowym ≤ 32 A
Z tej samej normy wynika, że dla układów TN i TT z obwodami końcowymi o prądzie przekraczającym powyższe wartości należy stosować czas wyłączenia nieprzekraczający:
- 5 sekund dla sieci TN,
- 1 sekundy dla sieci TT.
Dużą farmę fotowoltaiczną (moc 1 MWp) traktujemy jako system, w którym prądy w obwodach zasilających przekraczają 63 A, a więc przyjmujemy dla niej maksymalny czas wyłączenia
1 sekundę lub 5 sekund.
Drugie zwarcie w obwodzie
Drugie zwarcie w obwodzie, w przeciwieństwie do pierwszego, prowadzi do powstania klasycznej pętli zwarciowej, generując znacznie wyższy prąd zwarciowy. Dlatego też pomiar impedancji pętli zwarciowej w sieci IT wymaga analizy różnych scenariuszy, uwzględniających różne konfiguracje uziemienia i możliwe stany zwarcia.
Drugie zwarcie w sieci IT rozpatrywanej jako system TN
Jeśli wszystkie części przewodzące w systemie są podłączone do wspólnego przewodu ochronnego (rys. 3c), to podczas drugiego zwarcia w obwodzie prąd zwarciowy zależy od impedancji pętli zwarciowej. Należy bezwzględnie przyjąć najgorszy z możliwych scenariuszy, tj. jednoczesne wystąpienie dwóch zwarć, które mogą mieć miejsce w różnych obwodach. Przykładem może być sytuacja, w której zwarcie jednej z faz z częścią przewodzącą dostępną nastąpi przy inwerterze skrajnie oddalonym od transformatora, a zwarcie innej fazy przy innym inwerterze (również istotnie oddalonym od transformatora), przy czym prąd zwarciowy dla tych dwóch zwarć płynie w większości przez inne odcinki połączeń wyrównawczych. Mowa tu o wersji układu z pojedynczym przewodem wyrównawczym, przedstawionej na rysunku 3c. W tej konfiguracji długość toru zwarciowego zwiększy się dwukrotnie (dlatego w obu wzorach wartość 2 znajduje się w mianowniku).
Układy IT występują z przewodem neutralnym (rys. 2.), jednak częściej spotyka się systemy bez przewodu neutralnego. Należy rozpatrzyć oba te przypadki, stosując odpowiednie wzory.
Układ IT bez przewodu neutralnego
Układ IT z przewodem neutralnym
gdzie:
ZS, Z’S – impedancja pętli zwarciowej składającej się z przewodu fazowego i przewodu ochronnego (ZL+ZPE),
U0 – napięcie nominalne pomiędzy fazą a przewodem neutralnym (UL-N),
U – napięcie nominalne pomiędzy fazami (UL-L),
Ia – prąd powodujący zadziałanie zabezpieczenia w odpowiednim czasie, zgodnie z wymogami dla sieci TN (więcej na ten temat w części poświęconej pierwszemu zwarciu w obwodzie).
Drugie zwarcie w obwodzie w sieci IT rozpatrywanej jako system TT
Jeżeli w sieci IT narażone części przewodzące są połączone z uziemieniem indywidualnie lub grupowo (rys. 3a, rys. 3b), to wówczas należy ją potraktować jako układ, który zostanie przekształcony w system TT. Do realizacji samoczynnego wyłączenia zasilania, niezależnie od zastosowanych zabezpieczeń (czy to nadprądowych, czy różnicowoprądowych), musi być spełniony następujący warunek ochrony przeciwporażeniowej:
gdzie:
Ra – rezystancja uziomu oraz przewodów ochronnych,
UL – dopuszczalne napięcie dotykowe (50 V standardowo, 25 V lub 12 V w warunkach zwiększonego zagrożenia),
Ia – prąd powodujący samoczynne zadziałanie zastosowanego zabezpieczenia w wymaganym czasie dla sieci TT (więcej na ten temat w części poświęconej pierwszemu zwarciu w obwodzie).
Ciąg dalszy artykułu – w „elektro.info” nr 9/2025
Rekomendowane artykuły i materiały źródłowe:
- J. Wiatr, Ochrona przeciwporażeniowa w sieci o układzie zasilania IT, „elektro.info” nr 3/2020
- PN-HD 60364-6
- PN-HD 60364-4-41
- PN-HD 60364-4-41:2017 –09
- PN-EN 62446
- Dokumentacja techniczna miernika Sonel MZC-340-PV
- Materiały branżowe i publikacje dotyczące pomiarów w sieciach IT:
- Pomiar impedancji pętli zwarciowej w instalacjach fotowoltaicznych dużych mocy z magazynowaniem energii
- Pomiary impedancji pętli zwarciowej na farmach fotowoltaicznych
- Ochrona przeciwporażeniowa w sieci o układzie zasilania IT
- Pomiar impedancji pętli zwarciowej w sieci IT na farmie fotowoltaicznej i przy napięciu 800 V
- Pomiar impedancji pętli zwarciowej przy doziemieniu w stacji transformatorowej instalacji PV
- Eaton-engineering-guide-2023-pl.pdf – Ochrona przed porażeniem prądem elektrycznym – System IT.
