Ochrona przeciwporażeniowa w sieci o układzie zasilania IT
![Rys. Droga prądu zwarciowego w układzie zasilania IT [11] (a) oraz układzie zasilania IU (b), przy podwójnym zwarciu](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/202302/droga-pradu-zwarciowego-uklad-it-rysglowny.jpg)
Rys. Droga prądu zwarciowego w układzie zasilania IT [11] (a) oraz układzie zasilania IU (b), przy podwójnym zwarciu
Układ zasilania IT znajduje zastosowanie w podziemiach kopalń, przemyśle chemicznym oraz wszędzie tam, gdzie wymaga się zwiększonej pewności zasilania z jednoczesną minimalizacją zagrożeń pożarowych. Jest stosowany na wszystkich jednostkach latających i pływających. Problematyka ochrony przeciwporażeniowej w układzie IT wymaga zrozumienia istoty stosowania oraz specyfiki pracy tego układu.
Zobacz także
prof. dr hab. inż. Stanisław Czapp Zasady projektowania ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach niskiego napięcia z fotowoltaicznymi źródłami energii
Podstawowe zasady ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach niskiego napięcia są podane w normach PN-EN 61140:2016-07 [1] oraz PN-HD 60364-4-41:2017-09 [2].
Podstawowe zasady ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach niskiego napięcia są podane w normach PN-EN 61140:2016-07 [1] oraz PN-HD 60364-4-41:2017-09 [2].
prof. dr hab. inż. Stanisław Czapp Ochrona przeciwporażeniowa i działanie wyłączników różnicowoprądowych w instalacjach prądu stałego (część 2.)
Poprawna detekcja prądu ziemnozwarciowego (różnicowego) przez zabezpieczenie różnicowoprądowe jest możliwa tylko wtedy, gdy jest ono właściwie dobrane z punktu widzenia spodziewanego kształtu tego prądu....
Poprawna detekcja prądu ziemnozwarciowego (różnicowego) przez zabezpieczenie różnicowoprądowe jest możliwa tylko wtedy, gdy jest ono właściwie dobrane z punktu widzenia spodziewanego kształtu tego prądu. W tabeli 1. podano podział zabezpieczeń różnicowoprądowych ze względu na zdolność wykrywania określonego kształtu przebiegu prądu różnicowego.
prof. dr hab. inż. Stanisław Czapp Ochrona przeciwporażeniowa i działanie wyłączników różnicowoprądowych w instalacjach prądu stałego (część 1.)
Obwody prądu stałego w instalacji niskiego napięcia do niedawna stanowiły niemal wyłącznie końcowe jej odcinki pomiędzy prostownikiem a odbiornikiem. W ostatnich latach zauważa się jednak wykorzystanie...
Obwody prądu stałego w instalacji niskiego napięcia do niedawna stanowiły niemal wyłącznie końcowe jej odcinki pomiędzy prostownikiem a odbiornikiem. W ostatnich latach zauważa się jednak wykorzystanie na szerszą skalę odnawialnych źródeł energii, w szczególności fotowoltaicznych, a to przyczynia się do większego zainteresowania instalacjami prądu stałego, również w kontekście rozdziału energii. Instalacje DC w budynkach ułatwiają integrację odnawialnych źródeł i magazynów energii oraz mogą służyć...
W układzie zasilania IT żadna część czynna nie jest uziemiona. Powoduje to, że układ ten charakteryzuje się najmniejszymi prądami zwarć doziemnych, jakie wystąpią w przypadku uszkodzenia izolacji podstawowej spośród wszystkich układów zasilania nn. Dla pojedynczego zwarcia z ziemią prąd zwarciowy zamyka się przez pojemności nieuszkodzonych przewodów fazowych względem ziemi oraz przewodu ochronnego PE, w obrębie galwanicznie połączonej sieci. Wartość prądu zwarciowego nie zależy od miejsca wystąpienia doziemienia, a od konfiguracji sieci występującej w chwili wystąpienia zwarcia. Drogę przepływu prądu zwarciowego dla pierwszego zwarcia przedstawia rysunek 1.
Rys. 1. Prądy pojedynczego zwarcia pomiędzy przewodem fazowym uziemionym a przewodem PE w układzie zasilania IT [4]
W układzie zasilania IT części przewodzące powinny być uziemione: indywidualnie, grupowo lub zbiorowo (rys. 2.). W układzie IT punkt neutralny transformatora zasilającego może zostać uziemiony przez impedancję o wartości (1–2) kΩ. Takie rozwiązanie jest stosowane w celu umożliwienia zwiększenia wartości prądów zwarciowych oraz uniknięcia powstania oscylacji lub uniemożliwienia niekontrolowanego wzrostu napięcia w przewodach czynnych względem ziemi (rysunek 3a).
Rys. 2. Sposoby uziemiania części przewodzących dostępnych w układzie zasilania IT [4]
Rys. 3. Bezpiecznik iskiernikowy zainstalowany w sieci o układzie zasilania IT [1]: a) lokalizacja b) budowa, gdzie: 1 – warstwa izolacyjna ulatniająca się pod wpływem wydzielania energii przy zwarciu, 2 – strefa zapłonu przy przepięciu o małej energii, 3 – obudowa izolacyjna
W przypadku zastosowania uziemienia w układzie zasilania IT, prąd zwarcia doziemnego musi pozostać na tyle mały, by nie pobudzić żadnego zabezpieczenia występującego w obwodzie zwarciowym. Uziemienie takie wyposaża się w bezpiecznik iskiernikowy, którego budowę przedstawia rysunek 3b. W przypadku zasilania przez transformator SN/nn, bezpiecznik iskiernikowy ma za zadanie ograniczanie przepięć, jakie mogą powstać w przypadku zwarcia pomiędzy uzwojeniami SN oraz nn. Układ zasilania IT podczas zwarć gwarantuje, że energia wydzielana przez prądy zwarciowe charakteryzuje się małą mocą. Skutkuje to minimalizacją zagrożeń pożarowych.
Prąd pojedynczego zwarcia jest na tyle mały, że nie powoduje pobudzenia zabezpieczeń, przez co przy pojedynczym zwarciu zostaje zachowana ciągłość zasilania. Jednak w przypadku powstania drugiego zwarcia, w zależności od sposobu uziemienia odbiorników przyłączonych (rys. 2.) do wspólnego źródła zasilania, układ ten samoczynnie przekształca się w układ zasilania TN lub układ TT. W celu uniknięcia zgorzeń, pierwsze zwarcie powinno zostać zasygnalizowane i szybko usunięte. W tym celu po stronie nn stosuje się Układ Kontroli Stanu Izolacji UKSI (ang. IMD – insulation monitoring devire, czyli urządzenie do monitorowania stanu izolacji doziemnej), przyłączony w miejscu przedstawionym na rysunku 4.
Rys. 4. Miejsce przyłączenia UKSI oraz jego główne elementy składowe [1], gdzie: 1 – źródło napięcia stałego, 2 – miernik izolacji kontrolowanego obwodu zasilania, 3 – przekaźnik uruchamiający sygnalizację, 4 – rezystor ograniczający, 5 – dławik blokujący, 6 – kondensator blokujący składową stałą
Warunkiem poprawnych wskazań UKSI jest występowanie jednego układu w jednym układzie zasilania IT galwanicznie połączonym. Ponadto w przypadku układu zasilania zawierającego przekształtniki energoelektronicze, monitoringiem należy objąć układ wyjściowy przekształtnika oraz wszystkie przewody czynne przekształtnika. Na rysunku 5. został przedstawiony poprawny oraz niepoprawny układ zasilania wyposażony w UKSI. Na rysunku 5b został zobrazowany przypadek, gdzie prąd pomiarowy dzieli się na dwa prądy o wartości równej połowie mierzonego prądu pomiarowego, co skutkuje błędnymi wskazaniami.
Rys. 5. Lokalizacja UKSI (IMD) w układzie IT o dwóch liniach rozdzielczych [1]: a) poprawna; b) niepoprawna
Podobny problem występuje w przypadku sieci wyposażonej w układ automatyki SZR, zawierającej dwa transformatory zasilające (rys. 6.). W takim przypadku każda sekcja musi posiadać własny UKSI z blokadą, tak by przy zasilaniu wszystkich odbiorników objąć kontrolą całość z jednego układu UKSI przyłączonego do transformatora zasilającego wszystkie odbiorniki.
Rys. 6. Układ uniemożliwiający przyłączenie dwóch UKSI (IMD) przy zasilaniu całej sieci z jednego transformatora [1]
W przypadku powstania pierwszego doziemienia, prądy zwarciowe są za małe do pobudzenia zabezpieczeń. Skutkuje to pozostawaniem pod napięciem części przewodzących uszkodzonego odbiornika. Dla zwiększenia ochrony należy w takim przypadku spełnić następujący warunek określony wzorem:
gdzie:
RA – rezystancja uziemienia ochronnego, w [Ω],
Id – prąd zwarcia doziemnego, w [A],
UL – napięcie dotykowe dopuszczalne w określonych warunkach środowiskowych, w [V].
Sytuacja diametralnie zmienia się przy podwójnym zwarciu (rys. 7.).
Rys. 7. Obwód zwarcia w układzie zasilania IT przy dwumiejscowym doziemieniu [4]
Wówczas, w zależności od sposobu uziemienia, układ zasilania przechodzi w układ zasilania TN lub TT. Powinno wtedy zadziałać jedno z zabezpieczeń występujących w obwodzie zwarcia. W instalacji zasilającej N obwodów rozdzielczych lub odbiorczych, galwanicznie połączonych, liczbę kombinacji możliwych zwarć dwumiejscowych można wyznaczyć ze wzoru:
W przypadku rozległych sieci możliwa do wystąpienia liczba zwarć dwumiejscowych jest bardzo duża i skutkuje dużymi trudnościami w ocenie wystąpienia najgorszych warunków, które należy rozpatrzeć na etapie projektowania. Przykładową pętlę zwarcia dwumiejscowego w rozległej sieci o układzie zasilania IT przedstawia rysunek 8.
Rys. 8. Przykładowa pętla zwarcia dwumiejscowego w sieci o układzie zasilania IT [1]
Zgodnie z wymaganiami normy PN-HD 60364-4-41:2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym, oraz jej nowszej wersji z 2017 roku, nie określa się wymagań w zakresie czasów samoczynnego wyłączenia w układzie zasilania IT (tab. 1.).
Tab. 1. Wymagane czasy samoczynnego wyłączenia zasilania zgodnie z wymaganiami normy PN-HD 60364-4-41 [2]
Zadaniem projektanta jest określenie układu zasilania, w który przejdzie samoczynnie układ IT w przypadku wystąpienia podwójnego doziemienia.
W celu uniknięcia trudności pojawiających się przy określaniu najgorszych spodziewanych warunków zwarciowych, jakie mogą wystąpić w rozległej sieci zasilającej o układzie zasilania IT, wprowadzono dwukrotne zaostrzenie warunku samoczynnego wyłączenia w układzie objętym zwarciem dwumiejscowym, określone za pomocą wzorów (3) oraz (4) [2, 3]:
dla obwodu bez przewodu neutralnego:
dla obwodu z przewodem neutralnym:
gdzie:
Un – napięcie pomiędzy przewodami fazowymi, w [V],
U0 – napięcie pomiędzy przewodem fazowym a przewodem neutralnym, w [V],
Zs – impedancja pętli zwarcia L-PE-L, w [Ω],
Zs’ – impedancja pętli zwarcia L-PE-N, w [Ω].
Przyjęcie takiego warunku gwarantuje, że co najmniej jedno z zabezpieczeń dokona samoczynnego wyłączenia w wymaganym czasie, przy przepływie prądu o wartości nie mniejszej od prądu wyłączającego zasilanie Ia w czasie określonym przez normę [2] oraz [3]. W układzie zasilania IT z przewodem neutralnym pojawiają się zagrożenia polegające na niepełnobiegunowym wyłączeniu zwarcia dwumiejscowego. Stan spowodowany niepełnobiegunowym wyłączeniem zwarcia dwumiejscowego w układzie zasilania IT z przewodem neutralnym przedstawia rysunek 9.
Rys. 9. Następstwa niepełnobiegunowego wyłączenia dwumiejscowego zwarcia w układzie zasilania IT z przewodem neutralnym: a) zwarcie N-PE skutkujące małym prądem, nielokalizowane i nieusunięte, b) zwarcie L2-PE w odbiorniku 2., c) przepala się wkładka bezpiecznikowa o mniejszym prądzie znamionowym w odbiorniku 1., który nadal pozostaje pod napięciem [1]
W celu uniknięcia zagrożeń przedstawionych na rysunku 9., kontrolą realizowaną przez UKSI należy objąć także przewód neutralny oraz zabezpieczać przewód neutralny w taki sposób, aby przy wykryciu przeciążenia był on przerywany razem z przewodami fazowymi. Zatem nie należy stosować w układzie zasilania IT z przewodem neutralnym bezpieczników topikowych. Należy stosować wyłączniki nadprądowe, zapewniające pełnobiegunowe wyłączenie w przewodzie fazowym oraz w przewodzie neutralnym. Pomocny może być wyłącznik różnicowoprądowy o znamionowym prądzie różnicowym nie większym od 20% dopuszczalnego prądu obciążenia długotrwałego przewodu neutralnego. Na rysunku 10. został przedstawiony układ zasilania IT z wyłącznikami różnicowoprądowymi, gdzie przy wystąpieniu podwójnego doziemienia zostanie wyłączony jeden z uszkodzonych obwodów, pozostawiając drugi pod napięciem.
Rys. 10. Obwód zwarcia przy podwójnym doziemieniu w układzie zasilania IT z wyłącznikami różnicowoprądowymi [11]
Układ zasilania IT znajduje zastosowanie w tymczasowych sieciach elektroenergetycznych rozwijanych przez jednostki ochrony przeciwpożarowej w czasie akcji ratowniczo-gaśniczych, gdzie używa się elektronarzędzi, dla których asymetria napięcia nie stanowi zagrożenia. Ze względu na ekstremalne warunki, czyli pożar, oraz dynamikę rozwoju sytuacji, uziemianie zespołu prądotwórczego stanowiącego źródło zasilania byłoby rozwiązaniem niewłaściwym.
Dlatego przy budowie tego typu sieci elektroenergetycznych należy wykorzystywać układ zasilania IU (I – części czynne izolowane; U – części przewodzące połączone z nieuziemionym przewodem wyrównawczym PBU), przedstawiony na rysunku 11., który nie wymaga uziemienia. Układ ten nie jest objęty normalizacją krajową, a jego zastosowania są niepowszechne. Z uwagi na brak krajowych wymagań w tym zakresie, pomocne okazały się normy niemieckie:
DIN 14686:2010-05 Feuerwehrwesen-Schaltschränke für fest eingebaute Stromerzeuger (Generatorsätze) ≥ 12 kVA für den Einsatz Feuerwehrfahrzugen [6], DIN 14686:2007-02 Feuerwehrwesen-Fest eingebaute Stromerzeugerkleiner 12 kVA für den Einsatz Feurewehrfahrzugen [7].
Rys. 11. Schemat polowej linii elektroenergetycznej wykonanej w układzie IU [11]
Na rysunku 12. został przedstawiony obwód zwarcia przy podwójnym doziemieniu w układzie IT oraz układzie IU.
Rys. 12. Droga prądu zwarciowego w układzie zasilania IT [11] (a) oraz układzie zasilania IU (b), przy podwójnymzwarciu
W układzie zasilania IU, podobnie jak w układzie zasilania IT, występuje Układ Kontroli Stanu Izolacji (UKSI; ang. IMD – insulation monitoring devire, czyli urządzenie do monitorowania stanu izolacji doziemnej). UKSI kontroluje stan izolacji całej instalacji tymczasowej i steruje podnapięciowym wyłącznikiem, który powoduje rozłączenie zasilania w przypadku zmniejszenia się rezystancji izolacji poniżej zadanego progu. Musi on posiadać dwustopniowe nastawienie:
- pierwszy próg uruchamiający sygnalizację optyczną i akustyczną w przypadku uzyskania przez zasilaną sieć połową rezystancji izolacji o wartości 150 Ω/V, czyli pojawienia się prądów doziemnych o wartości około 6 mA; w przypadku zadziałania sygnalizacji akustycznej może ona zostać wyłączona, podczas gdy sygnalizacja akustyczna pozostaje nadal aktywna;
- drugi próg powodujący odłączenie zasilania od zasilanej sieci polowej w przypadku uzyskania przez zasilaną sieć polową rezystancji izolacji o wartości 100 Ω/V, czyli pojawienia się prądów doziemnych o wartości 10 mA, które stanowią gaśnicę samouwolnienia się w przypadku rażenia – samoczynne wyłączenie zasilania powinno nastąpić wówczas w czasie nie dłuższym od 1 s.
Na rysunku 13. przedstawiono przykładowy schemat zasilania instalacji tymczasowej, budowanej w czasie akcji ratowniczo-gaśniczej, zasilanej z generatora zespołu prądotwórczego w układzie zasilania IU.
Rys. 13. Przykładowy schemat zasilania instalacji tymczasowej rozwijanej podczas akcji ratowniczo-gaśniczej (UKSI musi gwarantować pomiar ciągłości przewodu PBU) [11]
Kable stanowiące element polowej sieci elektroenergetycznej (instalacji tymczasowej), rozwijanej w warunkach akcji ratowniczo-gaśniczej lub akcji ratowniczej, powinny mieć budowę co najmniej taką jak przewody oponowe typu H07RN-F o napięciu U0/U = 450/750 V, w których opona wykonana jest z niepalnego kauczuku neoprenowego, a żyły przewodzące są giętkie. Znacznie lepiej do tego celu nadają się przewody górnicze posiadające oponę olejoodporną i jednocześnie niepalną.
Z uwagi na przyjętą metodykę zasilania, zasadne wydaje się stosowanie przewodów spełniających przedstawione wymagania, ale wykonanych w taki sposób, aby oplot bezpośrednio pod powłoką zewnętrzną przewodu stanowił żyłę PBU.
Przykłady budowy przewodów możliwych do stosowania w instalacjach tymczasowych przedstawia rysunek 14. Najkorzystniejszą budowę ze względu na warunki eksploatacji ma przewód przedstawiony na rysunku 14a, podczas gdy przewód przedstawiony na rysunku 14c jest powszechnie dostępny na rynku. Bardzo istotnym warunkiem zachowania bezpieczeństwa jest zakaz stosowania przewodów gołych jako przewodu PBU.
Rys. 14. Przykład budowy przewodu stosowanego do budowy polowych sieci elektroenergetycznych stosowanych w jednostkach ochrony przeciwpożarowej [11]
Pomimo wielu zalet układu zasilania IT oraz układu zasilania IU, należy zwrócić uwagę, że nie nadają się one do zasilania wojskowych systemów dowodzenia rozwijanych w warunkach polowych ze względu na spodziewaną asymetrię napięć w poszczególnych fazach zasilających i na brak możliwości zapewnienia symetrycznego obciążenia.
W układzie zasilania IT doziemienie jednej fazy skutkuje pojawianiem się na fazach nieuszkodzonych napięcia międzyfazowego, co symbolicznie przedstawia rysunek 15. Podobnie w układzie zasilania IU, w którym punktem odniesienia jest nieuziemiony przewód PBU, będzie się jednak pojawiało napięcie UN, którego wektor będzie się układał w zależności od asymetrii obciążenia poszczególnych faz.
Rys. 15. Skutki doziemienia jednej z faz w układzie zasilania IT [11]
Skutkowało to będzie zmiennością wartości napięć fazowych, które – w zależności od wartości napięcia UN oraz położenia kątowego jego wektora – będą uzyskiwać różne wartości w stosunku do wartości znamionowych. Obrazuje to rysunek 16. W celu zapewnienia pełnego bezpieczeństwa, izolacja przyłączanych odbiorników do instalacji tymczasowej musi posiadać izolację odporną na zwiększone wartości napięcia do wartości napięcia międzyfazowego. Dla uniknięcia tego niekorzystnego zjawiska optymalnym rozwiązaniem jest stosowanie wyłącznie odbiorników trójfazowych symetrycznych.
Rys. 16. Zobrazowanie zmienności napięć fazowych przy asymetrycznym zasilaniu w układzie IU – przykładowy rozkład wektorów napięć [11]
Ponieważ w układzie IU przewód wyrównawczy PBU łączy wszystkie zasilane odbiorniki, przy podwójnym zwarciu obwód zwarcia łudząco przypomina obwód zwarcia, jaki występuje w układzie zasilania TN. Stosunkowo łatwo można w tym przypadku spełnić warunek samoczynnego wyłączenia w co najmniej jednym obwodzie objętym zwarciem.
Literatura
- E. Musiał, Ochrona przeciwporażeniowa w sieciach i instalacjach niskiego napięcia w świetle aktualnych przepisów i norm. Współdziałanie dwóch różnych układów, w tym TN i TT – materiały szkoleniowe
- P-KOIIB.
- PN-HD 60364-4-41:2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym.
- PN-HD 60364-4-41:2017-09 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym.
- J. Wiatr, M. Orzechowski, Poradnik projektanta elektryka, wydanie VI, Grupa MEDIUM 2021.
- J. Wiatr, M. Orzechowski, Poradnik projektanta elektryka, Grupa MEDIUM, Warszawa 2021.
- J. Wiatr, Ochrona przeciwporażeniowa w sieciach i instalacjach niskiego napięcia, materiały szkoleniowe MOIIB.
- DIN 14686:2010-05 Feuerwehrwesen-Schaltschränke für fest eingebaute Stromerzeuger (Generatorsätze) ≥ 12 kVA für den Einsatz Feuerwehrfahrzugen
- DIN 14686:2007-02 Feuerwehrwesen-Fest eingebaute Stromerzeugerkleiner 12 kVA für den Einsatz Feurewehrfahrzugen.
- J. Wiatr, Zespoły prądotwórcze w układach zasilania awaryjnego budynków, DW MEDIUM 2010.
- J. Wiatr, Elektryczne instalacje tymczasowe rozwijane przez jednostki ochrony przeciwpożarowej w czasie akcji ratowniczo-gaśniczej, materiały konferencyjne ELSAF 2017.
- N SEP-E 001 Sieci elektroenergetyczne niskiego napięcia. Ochrona przeciwporażeniowa.
- PN-HD 60364-4-442:2002 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-442: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona instalacji niskiego napięcia.
- N SEP-E 004 Elektroenergetyczne linie kablowe. Projektowanie i budowa.
- W. Hoppel, R. Marciniak, Uziemienia w sieciach elektroenergetycznych, WNT 2020.
