Analiza porównawcza metod pomiarowych
odwracania biegunowości, dudnieniowej i selektywnej częstotliwościowej do oceny systemów uziemienia
Rys. 1. Wpływ zakłóceń na pomiary systemu uziemień
Rozdzielnice wysokiego napięcia pełnią funkcję węzłów w sieciach przesyłowych i dystrybucyjnych, dlatego są tak istotne dla zapewnienia wysokiej jakości zasilania. Większość tych urządzeń ma konstrukcję izolowaną powietrzem, zgodnie z normą DIN VDE 0101. Od ponad 40 lat możliwe jest również wykonywanie rozdzielnic WN w izolacji gazowej, w zamkniętych obudowach metalowych, zgodnie z normą DIN VDE 62271 – część 203 (konstrukcja kompaktowa) oraz produkcja rozdzielnic o konstrukcji modułowej, znanych jako rozdzielnice w technologii mieszanej (MTS), zgodnie z normą DIN VDE 62271 – część 205 (konstrukcja kombinowana lub hybrydowa – hybrid IS).
Zobacz także
dr inż. Andrzej Szafraniec Analiza elektromagnetycznych procesów nieustalonych w liniach elektroenergetycznych wysokiego napięcia
Projektowanie układów przesyłania energii elektrycznej wymaga uwzględnienia awaryjnych trybów pracy. Najniebezpieczniejszymi i najczęściej występującymi awaryjnymi trybami pracy elementów układów zasilania...
Projektowanie układów przesyłania energii elektrycznej wymaga uwzględnienia awaryjnych trybów pracy. Najniebezpieczniejszymi i najczęściej występującymi awaryjnymi trybami pracy elementów układów zasilania energią elektryczną są tryby pracy w stanach zwarcia. Wymienione stany prowadzą do uszkodzenia, a czasem nawet całkowitego zniszczenia obiektów przez prądy zwarciowe, które występują w miejscu uszkodzenia linii. Aby uniknąć tych konsekwencji, konieczne jest, aby urządzenia automatyki oraz zabezpieczenia...
dr inż. Andrzej Książkiewicz - Astat Sp. z o.o. Stacjonarny analizator PQI-DA Smart – niezawodne narzędzie do monitorowania i rejestracji zakłóceń w sieciach elektroenergetycznych
Współczesne sieci elektroenergetyczne – zarówno publiczne, jak i przemysłowe – stawiają czoła rosnącym wyzwaniom związanym z jakością energii elektrycznej. Dynamiczny rozwój odnawialnych źródeł energii,...
Współczesne sieci elektroenergetyczne – zarówno publiczne, jak i przemysłowe – stawiają czoła rosnącym wyzwaniom związanym z jakością energii elektrycznej. Dynamiczny rozwój odnawialnych źródeł energii, elektromobilności oraz urządzeń energoelektronicznych powoduje wzrost zjawisk zakłócających, takich jak poziom harmonicznych, asymetria napięć, migotanie światła czy wahania napięcia. W odpowiedzi na te wyzwania firma A. Eberle proponuje stacjonarny analizator PQI-DA Smart – urządzenie, które przeobraża...
dr hab. inż. Andrzej Ł. Chojnacki Modele matematyczne funkcji niezawodnościowych napowietrznych linii dystrybucyjnych 110 kV, SN oraz nn
Problem niezawodności urządzeń elektroenergetycznych jest bardzo ważny ze względu na pewność dostaw energii elektrycznej do znacznej grupy jej odbiorców. W wielu przypadkach przerwy w dostawie energii...
Problem niezawodności urządzeń elektroenergetycznych jest bardzo ważny ze względu na pewność dostaw energii elektrycznej do znacznej grupy jej odbiorców. W wielu przypadkach przerwy w dostawie energii stwarzają realne zagrożenie dla życia lub zdrowia ludzkiego, np. w przypadku osób korzystających z profesjonalnej aparatury medycznej podtrzymującej życie. Stałe więc nadzorowanie pracy sieci elektroenergetycznych oraz analiza awarii w nich występujących są konieczne, aby ustalić metody właściwej eksploatacji...
Niezależnie od stosowanej konstrukcji rozdzielnicy, podstacje elektroenergetyczne mają stosunkowo duże rozmiary. Dotyczy to również systemów uziemienia, które z reguły projektowane są jako siatki uziemiające o szerokości oczek około 10×10 m. Po wykonaniu systemu uziemienia należy, zgodnie z normą DIN VDE 0101, udowodnić, że jego projekt był zarówno właściwy, jak i prawidłowo wykonany. Dowody te opierają się na pomiarach i mogą obejmować określenie impedancji uziemienia, napięcia dotykowego rażeniowego i krokowego w istotnych punktach stacji.
Pierwszym krokiem podczas badania rozległych systemów uziemienia jest określenie impedancji uziemienia za pomocą dostępnych technik pomiarowych, przy czym najczęściej stosowana jest metoda prądowo-napięciowa. Polega ona na przyłożeniu elektrod źródła napięcia zmiennego pomiędzy badanym systemem uziemienia a przeciwległym elementem uziemiającym, oddalonym o co najmniej 5 km – wskutek czego następuje wymuszenie w mierzonym systemie uziemienia przepływu prądu probierczego. Powoduje to, że na badanym systemie uziemień dochodzi do pojawienia się mierzalnej straty napięcia. Zgodnie z normą DIN VDE 0101, wybrany prąd probierczy powinien być w miarę możliwości na tyle duży, aby mierzone napięcia (napięcia uziemienia i dotykowe w stosunku do prądu probierczego) były wyższe niż obecne napięcia zewnętrzne lub zakłócające. Z reguły można to zagwarantować przy prądach probierczych o wartości 50 A i więcej.
Podczas prób wyznaczania napięć uziomowych mierzone wartości mogą być niedokładne z powodu występowania napięć zakłócających, na przykład oddziaływania pola elektromagnetycznego na obwód prądu probierczego (rys. 1.).
Rys. 1. Wpływ zakłóceń na pomiary systemu uziemień
Rys. 2. Eliminacja zakłóceń za pomocą metody odwrotnej polaryzacji
Na podstawie otrzymanych wielkości wektorowych dla trzech opisanych przypadków (rys. 2.) wyznaczana jest wartość szukanego napięcia Uuz. z wyeliminowanym sygnałem zakłóceń, które jest spowodowane wyłącznie wymuszonym prądem, a nie sprzężeniem od zakłóceń Uzakł..
Przy tej metodzie można stosować konwencjonalne multimetry do pomiaru wartości skutecznej (RMS) napięcia i prądu, bez związku z kątami.
Metoda dudnieniowa (BM)
Podobnie jak w przypadku metody PRM, w pierwszej kolejności dokonywany jest pomiar napięcia zakłócenia Uzakł.. Następnie za pomocą zespołu prądotwórczego wymusza się przepływ prądu testowego o częstotliwości nieco innej niż częstotliwość znamionowa (50 Hz). Przy stałym wymuszeniu sygnału, superpozycja zakłóceń Uzakł. i straty napięcia Utest (powodowanej wymuszonym prądem testu) umożliwia określenie napięcia pomiarowego, uwzględniając eliminację zakłóceń (rys. 3.).
Rys. 3. Przykład eliminacji napięcia zakłóceń z pomiarów dla metody dudnieniowej
Napięcie i prąd mierzone są za pomocą konwencjonalnych multimetrów, tak jak w przypadku metody odwrócenia polaryzacji. „Dudnienie” powoduje, że wartości napięcia i prądu wahają się między wartością minimalną Umin a maksymalną Umax (rys. 3.).
Ponieważ mierzona jest wartość dla zakłóceń i wymuszonego prądu, obie zmienne poddawane są dodawaniu wektorów, zgodnie z metodą PRM. Wektor zakłóceń Uzakł. jest przedstawiany jako okrąg, ponieważ odchylenie częstotliwości powoduje stałe zmiany kąta. W ten sposób powstaje wartość minimalna Umin i maksymalna Umax. Napięcie Uuz., wywołane przez prąd probierczy, jest równoważne średniej z Umin i Umax:
Metoda selektywna częstotliwościowo (FSM)
W przypadku metody FSM prąd testowy jest wymuszany za pomocą statycznej przetwornicy częstotliwości z częstotliwością inną (±20 Hz) niż częstotliwość znamionowa (50 Hz). W pierwszej kolejności wymuszany jest sygnał prądowy o częstotliwości 30 Hz, kolejno powtórne wymuszenie dla 70 Hz (rys. 4a). Napięcie i prąd są rejestrowane przy częstotliwości próbkowania 1 kHz, a następnie filtrowane cyfrowo przy częstotliwości wymuszanego sygnału.
Rys. 4. a) Eliminacja zakłóceń z metodą selektywną częstotliwościowo, b) charakterystyka filtru pasmowo przepustowego urządzenia CPC 100
Na rysunku 3b przedstawiono charakterystykę rzeczywistego filtru cyfrowego w urządzeniu CPC 100. Przy odchyleniu zaledwie 10 Hz od częstotliwości nominalnej, związana z tym składowa zakłóceń jest tłumiona o współczynnik –54 dB = 0,002. W rezultacie, zakłócenia poniżej i powyżej częstotliwości testowej są skutecznie tłumione i dlatego nie mają znaczącego wpływu na pomiar, nawet jeśli stosowane prądy są mniejsze niż te związane z konwencjonalnymi metodami testowymi.
Na rysunku 5. przedstawiono przykład wyników pomiarów impedancji uziemienia dla danego punktu pomiarowego przy częstotliwościach 30, 70, 90, 110 i 130 Hz. Wyznaczona impedancja podzielona jest na składową rzeczywistą (R – rezystancja) i urojoną (jX – reaktancja). Wartości rezystancji i reaktancji dla danego zakresu częstotliwości wykazują zależność liniową (rys. 5.), szczególnie w wąskim zakresie zmian częstotliwości, tj. 20 Hz. W związku z tym wartości wyznaczone przy częstotliwości innej niż nominalna (50 Hz) nie mogą być traktowane jako ostateczne wyniki.
Rys. 5. Interpolacja liniowa składowych impedancji R+jX dla częstotliwości 50 Hza
Jednak wykorzystując zależność matematyczną interpolacji liniowej do wyników cząstkowych przy częstotliwości 30 i 70 Hz, możliwe jest precyzyjne przybliżenie wartości szukanych dla częstotliwości 50 Hz (rys. 5.).
Dokonując pomiarów wielkości zespolonych napięcia i prądu, można wyznaczyć impedancję zespoloną dla każdej częstotliwości z osobna (n = 30, 70, 90, 10, 130 Hz):
Następnie na bazie wyników pomiarów Rn+jXn (dla n = 30 i 70 Hz) oblicza się wartość Zuz.50Hz:
Teoretyczne porównanie metod pomiarowych: zakłócenia przy częstotliwościach innych niż częstotliwość sieciowa
Widmo częstotliwości na rysunku 6. odpowiada napięciu pomiędzy dwiema sondami pomiarowymi wbitymi w glebę w odległości 2 m od siebie, w bezpośrednim sąsiedztwie mierzonego uziemienia. Można zauważyć, że składowe zakłócenia występują nie tylko przy częstotliwości 50 Hz. Zakłócenia o podobnej amplitudzie występują również przy częstotliwości 16,7 Hz, która jest spowodowana przez system kolejowy.
Rys. 6. Istotne składowe częstotliwości dla napięcia w gruncie
Na rysunku 7a przedstawiono widmo częstotliwości dla metody odwracania biegunowości w warunkach zakłóceń (rys. 6.). Pomiar wartości skutecznej sygnału RMS uwzględnia sygnały o innej częstotliwości, w tym również 16,7 Hz. Jednak wykres wektorowy na rysunku 2. dotyczy tylko częstotliwości nominalnej 50 Hz. W związku z tym teoretycznie niemożliwe jest stłumienie składowych przy 16,7 Hz. Metoda odwrócenia polaryzacji wymaga zatem prądów probierczych o wartości od 50 do 150 A, aby zagwarantować odpowiedni stosunek sygnału do zakłóceń.
Rys. 7. Widmo częstotliwości sygnału pomiarowego dla metody: a) PRM, b) BM
Na rysunku 7b przedstawiono widmo częstotliwości dla metody odwrócenia polaryzacji w tych warunkach. Pomiar RMS uwzględnia również zakłócenia przy 16,7 Hz. Z teorii metody PRM wykres wektorowy na rysunku 2. dotyczy tylko częstotliwości nominalnej 50 Hz. W związku z tym teoretycznie niemożliwe jest stłumienie składowych przy 16,7 Hz. Metoda PRM wymaga zatem prądów probierczych o znaczących wartościach, w zakresie od 50 do 150 A, aby zagwarantować odpowiedni stosunek sygnału do zakłóceń.
Podobnie jak w przypadku metody PRM, również dla BM teoretycznie niemożliwe jest stłumienie zakłóceń przy 16,7 Hz. Widoczne na multimetrze „dudnienie” odnosi się tylko do częstotliwości nominalnej. Zakłócenia przy 16,7 Hz będą więc stale zwiększać mierzoną wartość. Z tego powodu, podobnie jak w przypadku metody odwrócenia biegunowości, metoda BM wymaga również stosunkowo dużych prądów testowych dla skutecznego tłumienia zakłóceń.
Możliwe jest – przy użyciu filtrów cyfrowych stosowanych w metodzie FSM i przy założeniu, że wybrano odpowiednią częstotliwość testową – tłumienie zakłóceń o częstotliwościach innych niż częstotliwość sieciowa (rys. 8.). Nawet przy częstotliwości testowej 30 Hz możliwe jest uzyskanie skutecznego tłumienia źródeł zakłóceń o częstotliwości 16,7 Hz.
Rys. 8. Widmo częstotliwości sygnału pomiarowego dla metody FSM
Zakłócenia sporadyczne (zmienne)
Metody PRM i BM wymagają, aby napięcia zewnętrzne i zakłócające pozostawały stałe. Wymóg ten nie dotyczy metody FSM, ponieważ zmienna zakłócenia jest eliminowana poprzez proces pomiarowy, a nie obliczeniowy. Zakłócenia przy 16,7 Hz mogą się zmieniać w ciągu sekundy w pobliżu linii kolejowych wykorzystujących tę częstotliwość.
Częstotliwość sygnału probierczego
Metody PRM i BM wykorzystują prąd testowy identyczny lub zbliżony do częstotliwości sieciowej. Dzięki temu wymagane wartości są pobierane bezpośrednio z danych pomiarowych i nie muszą być już przeliczane. W przypadku metody FSM typowo stosowane częstotliwości odbiegają od częstotliwości sieciowej o ±20 Hz. Rysunek 5. ilustruje, jak impedancja dla punktu pomiarowego zmienia się wraz z częstotliwością. Pewien rodzaj zależności od częstotliwości wyraźnie istnieje, co oznacza, że wartość oparta na częstotliwości sieciowej może być określona poprzez interpolację liniową. Można bezpiecznie założyć, że interpolacja liniowa ma zastosowanie w tym zakresie częstotliwości, ponieważ impedancja wykazuje liniowy wzór w stosunku do częstotliwości.
Dokumenty normatywne
Załącznik L.4 do normy DIN EN 50522 (VDE 01012):2011-11 opisuje metody eliminacji sygnału zakłóceń z pomiarów. W przykładach użytych do zilustrowania tego zagadnienia zastosowano metody PRM i BM. Metoda FSM w obecnej wersji normy nie jest ujęta. Należy podkreślić, że metoda selektywna częstotliwościowo jest dopuszczalna; nie ma wymogu pokazywania wszystkich dopuszczalnych metod dla celów ilustracyjnych. Zalecany minimalny prąd testowy: 50 A.
Zależności kątowe w wynikach pomiarów
Ponieważ konwencjonalne multimetry są stosowane w metodach PRM i BM do pomiaru prądu i napięcia, niemożliwe jest w tym kontekście ustalenie zależności kątowej między napięciem i prądem. Można to jednak zrobić przy metodzie FSM z urządzeniem CPC 100 firmy OMICRON electronics GmbH.
Analiza porównawcza wyników pomiarów różnych metod
W celu wykazania równoważności metod PRM, BM i FSM wykonano szereg pomiarów, aby porównać uzyskane wyniki. W szczególności zmierzono i porównano w każdym przypadku spadek potencjału wokół systemu uziemienia oraz napięcia dotykowe w wyznaczonych punktach wewnątrz i na zewnątrz systemu. Dołożono wszelkich starań, aby pomiary były wykonywane w tych samych warunkach – dla ułatwienia odniesienia.
Pomiary wykonano różnymi metodami, kolejno po sobie w tym samym dniu.
Lokalizacja sondy prądowej była niezmienna dla wszystkich metod.
Uwzględniono taką samą wartość współczynnika redukcji.
Pomiary napięć dotykowych (rażeniowych) były dokonywane dla każdej metody z osobna.
Lokalizacja płyty nożnej i sondy do pomiaru napięcia mogły się nieznacznie różnić.
Napięcie dotykowe (rażeniowe) było odniesione do tego samego prądu zwarcia i współczynnika redukcji.
Studium przypadku 1: pomiar uziemienia w terenie zabudowanym (PRM – FSM)
Na rysunkach 9a i 9b przedstawiono rozkład spadku napięcia dla dwóch różnych systemów uziemienia w obszarze zabudowanym. Wartości impedancji uziemienia, co jest typowe dla systemów zlokalizowanych w terenie zabudowanym, mieszczą się w zakresie jednocyfrowych wartości mΩ.
Rys. 9. Wyniki pomiarów impedancji uziemienia Z = f(L) metodami PRM I FSM dla dwóch różnych systemów: a) system 1, b) system 2 w obszarze zabudowanym
Rysunek 9a pokazuje, że zaobserwowano niemalże identyczne wyniki dla punktów pomiarowych znajdujących się blisko systemu uziemienia. Wraz ze wzrostem odległości wyniki dla metody PRM stają się większe w porównaniu z wynikami metody FSM. Wyniki dla impedancji uziemienia (ostatni punkt) różnią się o współczynnik 2,18.
Podobnie niewielkie odchylenia między dwoma pomiarami dla punktów położonych blisko siebie zaobserwowano dla systemu uziemienia 2 (rys. 9b). Punkt pomiarowy „500 m” z nieznanych przyczyn nie zachowuje tego wzorca. Wyniki dla impedancji gruntu (ostatni punkt) różnią się o współczynnik 1,25.
Wykonano również porównawcze pomiary napięcia dotykowego (rażeniowego) w układzie związanym z rysunkiem 8a. Wartości napięć dotykowych (rys. 10.) odnoszą się do maksymalnego prądu zwarcia doziemnego 436 A. Dopuszczalne napięcie dotykowe w tym przypadku wynosi 80 V. Wyniki są bardzo podobne, biorąc pod uwagę, że oba sprawdzenia napięcia dotykowego zostały wykonane niezależnie od siebie.
Rys. 10. Wyniki pomiarów napięcia dotykowego (rażeniowego) metodami PRM i FSM dla dwóch różnych systemów uziemienia 1 w obszarze zabudowanym
Studium przypadku 2: pomiar uziemienia w obszarze otwartym
Na rysunku 11a przedstawiono rozkład impedancji systemu uziemienia 3, zlokalizowanego na obszarze wiejskim (otwartym). Wyniki pomiarów metod PRM i FSM są ze sobą zbieżne i wskazują na wartość impedancji uziemienia dla PRM = 25,7 mΩ oraz FSM = 25,6 mΩ.
Rys. 11. Wyniki pomiarów impedancji uziemienia Z = f(L) metodami PRM i BM dla dwóch różnych systemów: a) system 3, b) system 4 w obszarze wiejskim
W przypadku systemu uziemienia 4 (rys. 11b) poziomy impedancji uziemienia wyznaczone dla metody BM i FSM różnią się o współczynnik 1,08 na odległości 350 m. Gwałtowne obniżenie impedancji na odcinku 75 m można przypisać wpływowi znacząco różnej rezystywności gruntu w tym miejscu, zlokalizowanym wzdłuż odcinka pomiarowego.
Wykonano również porównawcze pomiary napięcia dotykowego (rażeniowego) w układzie związanym z rysunkiem 11b. Wartości napięć dotykowych (rys. 12.) odnoszą się do maksymalnego prądu zwarcia doziemnego 1061 A. Dopuszczalne napięcie dotykowe w tym przypadku wynosi 80 V. Wyniki są bardzo podobne, biorąc pod uwagę, że oba sprawdzenia napięcia dotykowego zostały wykonane niezależnie od siebie.
Rys. 12. Wyniki pomiarów napięcia dotykowego (rażeniowego) metodami PRM i BM dla dwóch różnych systemów: a) systemu 3, b) systemu 4 w obszarze wiejskim
Podsumowanie
Przedstawione przypadki pomiarowe dla czterech różnych systemów uziemień, z wykorzystaniem różnych metod, wskazują na różnice wyników pomiarów impedancji uziemienia:
- największe dla systemów zlokalizowanych w obszarach zabudowanych,
- najmniejsze dla systemów w obszarach otwartych, np. wiejskich.
Wyniki pomiarów napięcia dotykowego (rażeniowego) dla obu przedstawionych przypadków (rys. 10. i 12.) są ze sobą zbieżne w przypadku metod PRM, BM I FSM.
Pomiary z wykorzystaniem CPC 100 i CP CU1 stanowią wiarygodną alternatywę dla konwencjonalnych metod badawczych, tj. PRM i BM. Niewielka masa całkowita, wynosząca około 70 kg, zapewnia dużą elastyczność. Zautomatyzowane przetwarzanie danych i możliwość tworzenia raportów z badań znacznie ułatwiają przeprowadzanie testów.
Na rysunku 6. składowa zakłóceń przy częstotliwości 16,7 Hz jest bardzo zbliżona do składowej 50 Hz. Należy przyjąć, że wpływ zakłóceń przy 16,7 Hz jest jeszcze bardziej wyraźny w bezpośrednim sąsiedztwie urządzeń kolejowych. Interesujące byłoby zatem wykonanie pomiarów porównujących metodę FSM z metodami konwencjonalnymi (PRM i BM) w tym właśnie środowisku.
Szczególne podziękowania należą się DNV GL oraz firmom AMW Anlagen-Montagen Werder i E.dis za przygotowanie danych pomiarowych – bez nich niniejsza praca nie byłaby możliwa.
Literatura
- R. Bräunlich, Messtechnische Untersuchung von Erdungsanlagen in Hochspannungsschaltanlagen [A Measurement-based Investigation into Grounding Systems in Highvoltage Switchgear], OMICRON User Meeting 2005, Friedrichshafen.
- EN 61936-1:2011: Power Installations with a Rated AC Voltage above 1 kV.
- EN 50522:2011: Grounding of Power Installations with a Rated A Voltage above 1 kV.
