Dobór mocy zespołu prądotwórczego (część 2)
Projektowanie ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach elektrycznych zasilanych z generatora zespołu prądotwórczego
Rys. 4. Pomiar napięcia dotykowego
J. Wiatr
W drugiej części artykułu publikowanego w nr. 9/2013 skupimy się na zasadach projektowania ochrony przeciwporażeniowej oraz jej ocenie w istniejących układach zasilania awaryjnego.
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...
Zasady projektowania ochrony przeciwporażeniowej
Spośród trzech układów sieci: TT, IT i TN (TN-C; TN-C-S i TN-S), do zasilania obiektów budowlanych najbardziej nadaje się układ TN-S lub TN-C-S. Układ IT może być stosowany tylko w ograniczonym zakresie (np. blok operacyjny lub OIOM w szpitalu) po spełnieniu określonych warunków.
Warunek samoczynnego wyłączenia w sieci TN należy uznać za spełniony, jeżeli:
W praktyce korzysta się z innej postaci tego wzoru:
gdzie:
Zs – impedancja pętli zwarciowej obejmującej źródło zasilania, przewód roboczy, aż do punktu zwarcia i przewód ochronny między punktem zwarcia a źródłem, w [W],
Ia – prąd powodujący samoczynne zadziałanie urządzenia wyłączającego, w czasie zależnym od napięcia znamionowego Uo podanego w tabeli 1.,
RkG – rezystancja uzwojeń generatora (), w [W],
Xk1G – reaktancja generatora dla zwarć jednofazowych, w [W],
RL – rezystancja kabla zasilającego oraz przewodów instalacji odbiorczej, w [W],
XL – reaktancja kabla zasilającego oraz przewodów instalacji odbiorczej, w [W],
Uo – napięcie pomiędzy przewodem fazowym a uziemionym przewodem ochronnym (PE) lub ochronno-neutralnym (PEN), w [V],
UnG – napięcie znamionowe generatora zespołu prądotwórczego, w [kV],
SnG – moc znamionowa generatora zespołu prądotwórczego, w [MVA].
Jak zagwarantować zasilanie w energię elektryczną budynku w każdym momencie? Jak uniknąć awarii? |
Dowiesz się podczas konferencji "Zespołu prądotwórcze i zasilacze UPS w systemach zasilania budynków w energię elektryczną". Kolejna edycja już 2016 roku. |
SPRAWDŹ >> |
Uwagi:
- Dłuższe czasy wyłączenia mogą być dopuszczone w sieciach rozdzielczych oraz elektrowniach i w sieciach przesyłowych systemów.
- Krótsze czasy wyłączenia mogą być wymagane dla specjalnych instalacji lub lokalizacji objętych arkuszami normy PN-IEC (HD) 60364 grupy 700.
- Dla układu sieci IT samoczynne wyłączenie zasilania nie jest zwykle wymagane po pojawieniu się pojedynczego zwarcia z ziemią.
- Maksymalne czasy wyłączenia podane w tabeli 7. powinny być stosowane do obwodów odbiorczych o prądzie znamionowym nieprzekraczającym 32 A.
- Jeżeli w układzie sieci TT wyłączenie jest realizowane przez zabezpieczenia nadprądowe, a połączenia wyrównawcze ochronne są przyłączone do części przewodzących obcych znajdujących się w instalacji, to mogą być stosowane maksymalne czasy wyłączenia przewidywane dla układu sieci TN.
- W układach sieci TN czas wyłączenia nieprzekraczający 5 s jest dopuszczony w obwodach rozdzielczych i w obwodach niewymienionych w pkt 4.
- W układach sieci TT czas wyłączenia nieprzekraczający 1 s jest dopuszczony w obwodach rozdzielczych i w obwodach niewymienionych w pkt 4.
- Jeżeli samoczynne wyłączenie zasilania nie może być uzyskane we właściwym czasie, to powinny być zastosowane dodatkowe połączenia wyrównawcze ochronne.
W normie PN-HD 60364-4-481:1994 podane są maksymalne czasy wyłączenia dla warunków środowiskowych o zwiększonym zagrożeniu. Dotyczą one specjalnych instalacji lub lokalizacji objętych arkuszami normy PN-IEC (HD) 60364 grupy 700. Czasy te podano w tabeli 2.
W obwodach ac powinna być zastosowana ochrona uzupełniająca za pomocą urządzeń ochronnych różnicowoprądowych o znamionowym prądzie różnicowym nieprzekraczającym 30 mA dla następujących przypadków:
- obwody gniazd wtyczkowych o prądzie znamionowym nieprzekraczającym 20 A, które są przewidziane do powszechnego użytkowania i do obsługiwania przez osoby niewykwalifikowane, oraz
- obwody zasilające urządzenia ruchome o prądzie znamionowym nieprzekraczającym 32 A, używane na zewnątrz.
UWAGADla przekrojów przewodu SCu £ 50 mm2 lub SAl £ 70 mm2 Al, reaktancja może zostać w obliczeniach pominięta. |
Czas ten może być dłuższy od podanego w tabeli 1., ale nie może przekraczać 5 s:
1) w obwodach rozdzielczych,
2) w obwodach zasilających jedynie urządzenia stacjonarne, jeżeli inne obwody odbiorcze, dla których czas wyłączenia został podany w tabeli 1., są przyłączone do rozdzielnicy lub do obwodu rozdzielczego w sposób spełniający jeden z poniższych warunków:
- impedancja przewodu ochronnego ZPE między rozdzielnicą i punktem, w którym przewód ochrony jest przyłączony do głównej szyny uziemiającej, nie przekracza wartości określonej wzorem:
- w rozdzielnicy znajdują się połączenia wyrównawcze przyłączone do tych samych części przewodzących obcych, co połączenia wyrównawcze.
Jeżeli uzyskanie wymaganych czasów wyłączeń jest niemożliwe przy zastosowaniu urządzeń ochronnych przetężeniowych, należy wykonać połączenia wyrównawcze dodatkowe. Alternatywnie ochrona powinna być zapewniona za pomocą urządzenia ochronnego różnicowoprądowego.
Przy zasilaniu z zespołu prądotwórczego uzyskanie skutecznej ochrony przeciwporażeniowej przy zastosowaniu tylko urządzeń przetężeniowych może być nieskuteczne. Konieczne zatem wydaje się zastosowanie urządzeń różnicowoprądowych w instalacji odbiorczej. Do instalacji zasilającej gniazda przeznaczone do zasilania odbiorników ręcznych należy stosować wyłączniki różnicowoprądowe o znamionowym prądzie różnicowym nie większym niż 30 mA. Rezystancja uziemienia punktu neutralnego generatora zespołu prądotwórczego nie może być wyższa niż 5 W.
W przypadku braku uziemienia punktu neutralnego generatora zespołu prądotwórczego wektory napięć fazowych mogą się rozjeżdżać wskutek asymetrii obciążenia i w konsekwencji prowadzić do wzrostu napięcia w fazach niedociążonych. Wzrost napięcia w fazie niedociążonej może skutkować uszkodzeniem zasilanych odbiorników.
W przypadku przyłączenia zespołu prądotwórczego poprzez transformator nn/SN, należy uwzględnić wzrost obwodu zwarciowego powodowany występowaniem transformatora nn/SN oraz transformatora SN/nn. Jednokreskowy schemat obwodu zwarciowego w takim przypadku przedstawia rysunek 1.
Obliczone parametry tak zaprojektowanego obwodu należy przeliczyć na napięcie 0,4 kV zgodnie z zasadami opisanymi w części poświęconej obliczaniu zwarć:
Transformator SN/nn:
Linia SN:
Wówczas impedancja obwodu zwarciowego zostanie wyrażona następującym wzorem:
Dalsze obliczenia należy prowadzić zgodnie z wcześniej opisanymi zasadami.
W praktyce impedancja linii SN przeliczona na napięcie 0,4 kV nie wnosi istotnych zmian do wartości impedancji obwodu zwarciowego. Największe znaczenie mają długości linii nn. Dlatego w przypadku przesyłu energii elektrycznej z generatora zespołu prądotwórczego nn należy dążyć do minimalizacji długości odcinków linii nn.
Transformator nn/SN należy lokalizować w pobliżu zespołu prądotwórczego, podobnie transformator SN/nn należy instalować w pobliżu rozdzielnicy głównej objętej systemem zasilania awaryjnego. Należy również pamiętać, że w tym przypadku wszelkie zmiany impedancji generatora będą odzwierciedlane na dolnych zaciskach transformatora, dlatego niedopuszczalnym jest odniesienie obliczeń zwarciowych do dolnych zacisków transformatora jak czyni się to w przypadku zasilania z Systemu Elektroenergetycznego.
W przypadku, gdy spełnienie warunku samoczynnego wyłączenia w instalacji zasilanej z zespołu prądotwórczego jest niemożliwe, należy przeprowadzić ocenę skuteczności ochrony przeciwporażeniowej przy uszkodzeniu (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).
Sprawdzenie to można wykonać przez obliczenie spodziewanych wartości napięć dotykowych, jakie wystąpią na objętych ochroną częściach przewodzących dostępnych. Największa spodziewana wartość napięcia dotykowego UST będzie równa:
Zależność określona wzorem (11) wynika bezpośrednio z rysunku 2.
Zgodnie z wymaganiami określonymi w PN-HD 60364-4-41 uważa się, że ochrona jest skuteczna, jeżeli napięcie dotykowe UST jest mniejsze od dopuszczalnego długotrwale w danych warunkach środowiskowych, czyli:
gdzie:
Ia – prąd wyłączający głównego urządzenia zabezpieczającego w zespole prądotwórczym, w czasie określonym w tabeli 1., w [A],
ZPE – wartość impedancji przewodu ochronnego PE między rozpatrywaną częścią przewodzącą dostępną a głównym połączeniem wyrównawczym, w [W],
UL – dopuszczalna długotrwale w danych warunkach środowiskowych wartość napięcia dotykowego, w [V].
Jeżeli określony wzorem warunek nie może zostać spełniony, to należy wykonać połączenie wyrównawcze dodatkowe (miejscowe), łączące części przewodzące jednocześnie dostępne. Skuteczność wykonanego połączenia wyrównawczego dodatkowego sprawdza się przez obliczenie spodziewanej wartości napięcia dotykowego zgodnie ze wzorem (PN-HD 60364 4-41):
gdzie:
Ia – prąd wyłączający urządzenia zabezpieczającego (w obwodzie zasilania zespołu prądotwórczego lub urządzenia odbiorczego) w czasie określonym w tabeli 1., w [A],
RPE – wartość rezystancji przewodu połączenia wyrównawczego miejscowego PE pomiędzy częściami przewodzącymi dostępnymi jednocześnie, w [W],
UL – dopuszczalna długotrwale w danych warunkach środowiskowych wartość napięcia dotykowego, w [V].
Wartość rezystancji RPE należy ustalić na drodze obliczeniowej zgodnie ze wzorem:
gdzie:
l – długość przewodu wyrównawczego, w [m],
g – przewodność elektryczna materiału żyły przewodu wyrównawczego, w [m/(W · mm2)],
S – przekrój żyły przewodu wyrównawczego, w [mm2].
Prowadzi to przy znanych odległościach części przewodzących jednocześnie dostępnych do określenia następującego warunku dotyczącego minimalnego przekroju przewodu wyrównawczego, przy określonej wartości napięcia dopuszczalnego długotrwale (UL):
Ocena skuteczności samoczynnego wyłączania w instalacjach zasilanych przez zespół prądotwórczy
Pomiar impedancji pętli zwarcia w instalacji zasilanej przez ZP 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.
W celu wyznaczenia impedancji pętli zwarciowej należy:
Obliczyć Xk1G:
Obliczyć rezystancję uzwojeń generatora:
gdzie:
Xk1G – reaktancja generatora zespołu prądotwórczego dla zwarć jednofazowych, w [W],
n – krotność prądu znamionowego generatora ZP utrzymywana przez określony czas przy zwarciu na zaciskach generatora,
UnG – napięcie znamionowe generatora zespołu prądotwórczego, w [kV],
SnG – moc znamionowa zespołu prądotwórczego, w [MVA],
RkG – rezystancja uzwojeń generatora ZP, w [W].
obliczyć rezystancję 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],
g – konduktywoność przewodu, w [m/(W mm2)], przyjmowana jako: 55 [m/(W mm2)] – dla Cu oraz jako 35 [m/(W mm2)] – dla Al,
S – przekrój przewodu, w [mm2],
SPE – przekrój przewodu PE lub PEN, w [m2],
Obliczyć reaktancję kabla zasilana awaryjnego na odcinku ZP – SZR sieć/ZP (rys. 3.):
gdzie:
l – długość linii zasilania awaryjnego łączącej ZP z układem automatyki SZR sieć/ZP, w [m],
XL1 – reaktancja przewodu, w [W],
lPE – długość przewodu PE lub PEN, w [m],
xPE – reaktancja przewodu PE lub PEN, w [W],
x – jednostkowa reaktancja, przyjmowana dla kabli nn jako 0,08, w [W/km].
UWAGADla przewodów Al przekroju S £ 70 mm2 lub przewodów Cu o przekroju S £ 50 mm2, reaktancja w obliczeniach praktycznych może zostać pominięta. |
Obliczyć impedancję obwodu zwarciowego na odcinku ZP-SZR sieć/ZP, w [W]:
- zmierzyć impedancję obwodu zwarcia przy zasilaniu z SEE w szafie SZR sieć/ZP: Zk1SEE, w [W] (rys. 2.),
- zmierzyć impedancję obwodu zwarcia w każdym n-tym punkcie (n-tym urządzeniu) instalacji podlegającym badaniu przy zasilaniu z SEE: Zk1nSEE, w [W] (rys. 3.),
- obliczyć różnicę wyników pomiarów odejmując od siebie impedancję obwodu zwarciowego zmierzoną w poszczególnych n-tych punktach instalacji podlegających badaniu i impedancji obwodu zwarcia w szafie SZR sieć/ZP:
Do otrzymanych wyników dodać obliczoną wartość Zk1A:
gdzie:
Z’k1n – oszacowana impedancja obwodu zwarciowego w n-tym punkcie instalacji zasilanej z ZP, w [W],
DZk2nSEE – impedancja obwodu zwarciowego na odcinku SZR sieć/ZP – n-ty punkt pomiarowy badanej instalacji, w [W].
Obliczyć prąd zwarcia jednofazowego dla każdego badanego punktu instalacji:
gdzie:
U0 – napięcie pomiędzy przewodem fazowym a ziemią (uziemionym przewodem PEN (PE)), w [V].
Uwaga! Współczynnik 0,8 we wzorze (23) został przyjęty ze względu na 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:
Ik1nZP – 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, w [A].
UWAGAW przypadku niespełnienia warunku (24), należy wykonać miejscowe połączenia wyrównawcze oraz obliczyć wartość napięcia dotykowego UST zgodnie ze wzorem (12). W takim przypadku ochronę należy uznać za skuteczną, jeśli spełniony jest warunek określony wzorem (13). |
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, w [V],
IDn – znamionowy prąd różnicowy wyłącznika różnicowoprądowego, w [A],
RB – rezystancja uziemienia punktu neutralnego generatora ZP, w [W].
Pomocnym w wykonywaniu oceny samoczynnego wyłączenia w instalacjach zasilanych z ZP może być rysunek 3.
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 oraz 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; pomiar przy użyciu miernika obwodu zwarciowego jest wystarczający dla oceny bezpieczeństwa,
- zespołu prądotwórczego (ZP), którego parametry zwarciowe ulegają zmianie 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 badanie instalacji nie odzwierciedla 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 4.
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].
Literatura
- PN-ISO 8528-5 Zespoły prądotwórcze napędzane silnikiem spalinowym tłokowym. Zespoły prądotwórcze.
- T. Sutkowski, Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną. Urządzenia i układy, SCOiW SEP 2007.
- J. Wiatr, M. Orzechowski, Poradnik projektanta elektryka, wyd. 5, DW MEDIUM, Warszawa 2012.
- J. Wiatr, Zespoły prądotwórcze w układach zasilania awaryjnego, DW MEDIUM, Warszawa 2008.
- R. Kacejko, J. Machowski, Zwarcia w systemach elektroenergetycznych, WNT, Warszawa 2001.
- Ochrona przeciwporażeniowa w warunkach polowych – MON Inż. 349/72.
- Praca zbiorowa, red. J. Wiatr, 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, Warszawa 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 1988.