Ochrona przeciwporażeniowa w instalacjach przemysłowych SN i WN – część 2

Ochrona przeciwporażeniowa w instalacjach przemysłowych SN i WN – część 2

Ochrona przeciwporażeniowa w instalacjach przemysłowych SN i WN – część 2

Porażeniom elektrycznym w urządzeniach o napięciu znamionowym wyższym niż 1 kV zapobiega się przez zastosowanie środków ochrony przeciwporażeniowej omówionym w poprzednim numerze i w tym tekście.

Środki ochrony przy dotyku pośrednim (ochrona przy uszkodzeniu)

Norma PN-E 05115 nakazuje dla ochrony przy uszkodzeniu w instalacjach elektroenergetycznych wysokiego napięcia stosować uziemienie ochronne.

Norma stanowi, iż na terenach instalacji elektroenergetycznych, z uziomem należy łączyć wszystkie części przewodzące dostępne. W przypadkach specjalnych mogą być tworzone strefy wyizolowane. Części przewodzące obce należy uziemiać wtedy, gdy mogą stwarzać zagrożenie, np. w wyniku występowania łuku elektrycznego, sprzężenia elektrycznego lub indukcyjnego.

Uziemienie jest w urządzeniach wysokiego napięcia najbardziej trwałym, skutecznym i tanim środkiem ochrony. Uziom na terenie obiektu elektroenergetycznego powinien być wykorzystywany do wielu celów i może pełnić wiele funkcji.

Inne środki ochrony przy uszkodzeniu mogą jedynie wspomagać działania ochronne uziemienia.

W urządzeniach wysokiego napięcia stosuje się następujące uzupełniające środki ochrony podstawowej (przed dotykiem bezpośrednim):

  • wykonanie uziomu wyrównawczego w postaci uziomu otokowego lub gęstej kraty zagłębionej na niewielką głębokość pod rozpatrywanym stanowiskiem,

  • pokrycie stanowiska warstwą izolacyjną powoduje zwiększenie rezystancji przejścia od stóp do ziemi, co zwiększa rezystancję wypadkową obwodu rażeniowego,

  • wykonanie stanowiska przewodzącego w postaci metalowej płyty lub kraty połączonych z dostępnymi częściami przewodzącymi,

  • zastosowanie nieprzewodzących przegród, co uniemożliwia dotknięcie części czynnych,

  • zastosowanie wstawek izolacyjnych dla zapobiegania przenoszeniu się potencjałów.

Środki uzupełniające oznacza się literą M.

Środki uzupełniające M 1

Na zewnątrz budynków rozdzielni wnętrzowych:

  • wykonanie ścian z materiałów nieprzewodzących bez uziemionych części metalowych (środek M 1.1),

  • wyrównanie potencjałów przez zastosowanie uziomu poziomego na głębokości 0,5 m, w odległości ok. 1 m (środek M 1.2),

  • zastosowanie izolowanego stanowiska o szerokości od 1,5 m (środek M 1.3), izolację stanowiska uznaje się za wystarczającą, jeżeli jest to:

  • warstwa tłucznia o grubości od 100 mm,

  • warstwa asfaltu na żwirze,

  • mata izolacyjna 1 × 1 m o grubości od 2,5 mm lub izolacja równoważna.

Środki uzupełniające M 2

Na zewnątrz ogrodzeń rozdzielni napowietrznych:

  • zastosowanie ogrodzenia rozdzielni z materiału izolacyjnego (środek M 2.1),

  • zastosowanie uziomu poziomego na głębokości 0,5 m, w odległości ok. 1 m (środek M 2.2),

  • zastosowanie na zewnątrz ogrodzenia izolowanego stanowiska i wykonanie oddzielnego uziemienia ogrodzenia lub połączenia go z uziomem rozdzielni (środek M 2.3),

  • wykonanie na terenie przylegającym do bramy rozdzielni, galwanicznie połączonej z uziomem rozdzielni, wyrównania potencjałów lub izolowanego stanowiska (środek M 2.4).

Środki uzupełniające M 3

W rozdzielniach wnętrzowych:

  • wyrównanie potencjałów przez wykonanie w fundamentach budynku kratowego układu uziomowego o oczkach do 10 m lub zastosowanie metalowych siatek budowlanych o odpowiedniej obciążalności prądowej, połączonych z uziomem stacji w 2 miejscach (środek M 3.1),

  • wykonanie stanowisk metalowych i połączenie ich z uziomem rozdzielni i częściami przewodzącymi (środek M 3.2),

  • wykonanie izolowanego stanowiska i połączeń wyrównawczych części dostępnych (środek M 3.3),

Środki uzupełniające M 4

W rozdzielniach napowietrznych:

  • wyrównanie potencjałów przez:

  • wykonanie uziomu poziomego na głębokości 0,2 m, w odległości ok. 1 m od obsługiwanego urządzenia połączonego z dostępnymi częściami przewodzącymi, lub

  • wykonanie stanowiska metalowego połączonego z dostępnymi częściami przewodzącymi, lub

  • wykonanie izolowanego stanowiska (środek M 4.1).


Środki ochrony w linach napowietrznych

W elektroenergetycznych liniach napowietrznych wysokiego napięcia, podobnie jak w instalacjach elektroenergetycznych, głównym środkiem ochrony przy uszkodzeniu jest uziemienie. W praktyce w liniach stosuje się tylko jeden środek uzupełniający wymieniony w normie PN-E 05115, którym jest uziemienie wyrównawcze (otoki ułożone na niewielkiej głębokości).

Norma PN-EN 50341-1 postanawia, że w sieciach z izolowanym punktem neutralnym lub w sieciach skompensowanych, w których napięcia dotykowe są wyższe od dopuszczalnych mogą być zastosowane środki zmniejszające prawdopodobieństwo wystąpienia napięć dotykowych lub skracające czas trwania doziemienia. Do takich środków zaliczono:

  • zastosowanie izolatorów długopniowych lub izolatorów rdzeniowych,

  • zastosowanie izolatorów, których właściwości izolacyjne można sprawdzić przez oględziny (np. szklane izolatory kołpakowe),

  • użycie urządzeń do wykrywania doziemień i wyłączania linii, jeżeli pojawi się doziemienie.

Uzupełniające środki ochrony podstawowej

W urządzeniach wysokiego napięcia stosuje się następujące uzupełniające środki ochrony podstawowej (ochrony przed dotykiem bezpośrednim):

  • wykonanie uziomu wyrównawczego w postaci uziomu otokowego lub gęstej kraty zagłębionej na niewielką głębokość pod rozpatrywanym stanowiskiem,

  • pokrycie stanowiska warstwą izolacyjną powoduje zwiększenie rezystancji przejścia od stóp do ziemi, co zwiększa rezystancje wypadkową obwodu rażeniowego,

  • wykonanie stanowiska przewodzącego w postaci metalowej płyty lub kraty połączonych z dostępnymi częściami przewodzącymi,

  • zastosowanie nieprzewodzących przegród, co uniemożliwia dotknięcie części czynnych,

  • zastosowanie wstawek izolacyjnych dla zapobiegania przenoszeniu się potencjałów.

Zasady realizacji ochrony przy uszkodzeniu

W przypadkach, w których należy się liczyć z pojawieniem niebezpiecznych napięć dotykowych rażeniowych UT, ich ograniczenie, czyli zastosowanie ochrony przed dotykiem pośrednim, można realizować na wiele sposobów. Możliwości te łatwo wykazać, analizując obwód rażeniowy przy rażeniu na drodze ręka-dwie stopy (przedstawiony na rysunku 4.2.c).

Napięcie rażeniowe dotykowe UT z definicji wynosi: UT = IB × RT (1)

Gdzie: IB – prąd rażeniowy, RT – rezystancja ciała człowieka przy dotyku

Napięcie dotykowe UST jest równe: UST = IB × (Rr + RT + 0,5 Rn) (2)

Gdzie: Rr – rezystancja przejścia między ręką i częścią dotykaną.

Rn – rezystancja przejścia między jedną stopą a stanowiskiem,

IB, RT jak we wzorze (1).

Wyznaczając ze wzoru (2) prąd IB i podstawiając go do wzoru (1), otrzymuje się:

Gdzie: UE – napięcie uziomowe,

  • αST – współczynnik dotykowy (ST = UST / UE),

  • αT – współczynnik rażeniowy dotykowy (T = UT / UST),

  • RE – rezystancja uziemienia,

  • IE – prąd uziomowy.

Sposoby ograniczania napięć dotykowych rażeniowych w instalacjach elektroenergetycznych wysokiego napięcia

Napięcia dotykowe rażeniowe UT można zmniejszyć przez:

  • zmniejszenie wartości RE,

  • zmniejszenie wartości IE,

  • zmniejszenie wartości αST,

  • zmniejszenie wartości αT.

Zmniejszenie rezystancji RE oraz prądu IE prowadzi do zmniejszenia wartości napięcia UE. W praktyce zmniejszenie UE jest możliwe tylko przez zmniejszenie RE, gdyż wartość IE wynika z zastosowanego układu sieci elektroenergetycznej i jego parametrów, które są dobierane z innych powodów. Ograniczenie napięcia UT przez zmniejszenie RE nie zawsze jest możliwe ze względu na trudności techniczne i koszty wykonania uziomów o bardzo małej rezystancji. Na rys 8. przedstawiono zależność napięcia dotykowego UST i krokowego USS od rezystancji uziomu RE (stałe αST, αT i IE) dla dwóch wartości RE.

Zwykle ten sposób ograniczenia napięć stosuje się wtedy, gdy prąd uziomowy jest niewielki, tj. w urządzeniach niskiego napięcia i w urządzeniach średniego napięcia. W urządzeniach o napięciach 110 kV i wyższych zadowalające ograniczenia RE przeważnie nie jest możliwe.

Gdyby nie wykonano uziemienia (RE = ∞), potencjał konstrukcji byłby prawie równy napięciu liniowemu, napięcie stanowiska byłoby równe napięciu ziemi odniesienia, a napięcie dotykowe UST – równe napięciu konstrukcji. W przypadku gdy uziemienie będzie miało rezystancję RE1, napięcie UST zmniejszy się w stosunku do wcześniej rozpatrywanego, ponieważ obniży się potencjał części uziemionej i podwyższy się potencjał stanowiska.

Ograniczenie UT do wartości dopuszczalnej poprzez zmniejszenie współczynnika dotyku αST lub αT (sterowanie rozkładem potencjałów na powierzchni gruntu celem podniesienia tych potencjałów, to jest zbliżenia ich do potencjałów uziemianej konstrukcji) to sposób, który może być skuteczny przy niewielkich nakładach finansowych, szczególnie tam, gdzie IE jest duże.

Rys. 8. Zależność napięcia UST i USS od rezystancji uziomu RE ; a) szkic sytuacyjny; b) rozkład potencjałów i napięcie dotykowe

Na rys. 9. przedstawiono szkic sytuacyjny i rozkład potencjałów na powierzchni gruntu w przypadku, gdy w pobliżu konstrukcji, na której może pojawić się napięcie, ułożono płytę metalową.

W takim przypadku napięcie dotykowe będzie równe zero (zmniejszenie współczynnika dotykowego ST do 0). Jest to sytuacja najkorzystniejsza dla ochrony przy uszkodzeniu. Niebezpieczne może być jedynie napięcie krokowe USS poza płytą, ale w praktyce nie jest to duże zagrożenie.

Rys. 9. Rozkład potencjałów na płycie metalowej i w jej pobliżu: a) szkic sytuacyjny, b) rozkład potencjałów

Uziemienie w postaci blach nie jest korzystne ze względów praktycznych i ekonomicznych, nie mówiąc o zagrożeniu działaniami amatorów metalu. W miejscach wydzielonych do celów elektroenergetycznych zamiast płyty metalowej można na stanowisku ułożyć siatkę metalową na niewielkiej głębokości (30 do 40 cm). Takie uziomy nazywane są uziomami wyrównawczymi.

Płyta metalowa ułożona na powierzchni gruntu ma zwykle dużą rezystancję. Nie może ona zastępować uziomu, który pełniąc wiele funkcji, powinien mieć stosunkowo niewielka rezystancję. Płyta powinna być stosowana łącznie z uziomem.

Zastosowanie uziomu poziomego kratowego pozwala na uzyskanie efektu niewiele gorszego od tego, jaki daje płyta metalowa ułożona na powierzchni gruntu, a może być rozwiązaniem znacznie tańszym i niestwarzającym zagrożenia kradzieży. W rozpatrywanym przypadku można równocześnie zmniejszyć RE, zużycie materiału, zagrożenie mechanicznego uszkodzenia metalu oraz wpływ sezonowych zmian rezystywności gruntu na RE.

Uziom w postaci otoku umieszczonego na niewielkiej głębokości może być jako bardzo skuteczne uziemienie ochronne słupa linii średniego napięcia, stacji słupowej lub stacji wieżowej średniego napięcia.

Zmniejszenie napięcia rażeniowego dotykowego UT przez zmniejszenie αT można realizować przez zwiększenie rezystancji przejścia Rr lub Rn. Zwiększenie tych rezystancji można uzyskać, pokrywając części, które mogą być dotykane ręką lub stopami, warstwami izolacyjnymi. Trudności w ograniczeniu napięć rażeniowych tą metoda polegają na tym, że urządzenia wysokiego napięcia są instalowane na zewnątrz, w niesprzyjających warunkach atmosferycznych, które poważnie zmniejszają izolacyjność tych warstw (opady deszczu, śniegu).

Celem ograniczania możliwości porażenia w wyniku napięcia wyniesionego z terenu obiektu elektrycznego można przerwać ciągłość elektryczną części przenoszących napięcie przez zastosowanie np. wstawek izolacyjnych odpowiedniej wytrzymałości elektrycznej i mechanicznej.

Dla utrudnienia dostępu do miejsc, na których istnieje zagrożenie porażenia, można te miejsca oddzielić przeszkodami lub ogrodzić.

Wykonywanie uziemień

Do celów uziemienia należy wykorzystywać uziomy naturalne (jeśli nie ma przeciwwskazań) oraz uziomy sztuczne poziome (ograniczenie napięć dotykowych i krokowych) lub sztuczne pionowe (gdy uziomy poziome nie zapewniają wymaganej rezystancji uziemienia lub napięcia uziomowego).

Sztuczne uziomy poziome są szczególnie korzystne przy sterowaniu rozkładem potencjału na powierzchni gruntu. Poziome uziomy sztuczne, z wyjątkiem uziomów wyrównawczych, powinny być układane na głębokości 0,5 do 1 m.

Uziomy poziome powinny być układane na dnie rowu i zaleca się, aby:

  • uziom był otoczony lekko ubitym gruntem,

  • uziom nie stykał się z bezpośrednio z kamieniami i żwirem,

  • grunt rodzimy agresywny w stosunku do metalu uziomu powinien być zastąpiony zasypką dobrze przewodzącą i nieagresywną.

Uziomy sztuczne pionowe są szczególnie skuteczne przy obniżaniu rezystancji uziemienia, gdy wierzchnia warstwa gruntu ma dużą rezystywność, a warstwy głębsze mniejszą.

Ze względu na wzajemne oddziaływanie uziomów, zmniejszające ich skuteczność, uziomy pionowe powinno się umieszczać na obwodzie uziomu kratowego w odległościach nie mniejszych od ich długości. Umieszczanie dodatkowych uziomów pionowych wewnątrz kraty może wynikać z braku możliwości powiększenia terenu pod uziom kratowy oraz niewystarczającego efektu uziomów pionowych umieszczonych na obwodzie kraty uziomowej.

Uziomy pionowe są zalecane do uziemiania ograniczników przepięć, pionowych zwodów instalacji piorunochronnej i punktów neutralnych transformatorów, czyli uziemień o małej rezystancji udarowej.

Wykonywanie uziemień ochronnych

Uziemienia ochronne i uzupełniające środki ochrony powinny być tak wykonane, aby w przewidywanym czasie eksploatacji, przy uwzględnieniu zmiennych warunków klimatycznych i atmosferycznych:

1) zastosowane środki ochrony i parametry układu uziomowego (konfiguracja, głębokość zanurzenia w gruncie) zapewniały napięcia dotykowe rażeniowe UT poniżej wartości dopuszczalnych UTp ,

2) wymiary elementów uziemienia gwarantowały podczas zwarć ograniczenie temperatury do wartości dopuszczalnych dla zastosowanych materiałów,

3) materiały i wymiary elementów uziemienia oraz uzupełniających środków ochrony zapewniały wymaganą trwałość i odporność na uszkodzenia, a także odporność na korozję.

Inne metody osiągania bezpieczeństwa porażeniowego

Innymi metodami osiągnięcia bezpieczeństwa porażeniowego są:

  • niedopuszczanie do powstania zwarcia doziemnego,

  • ograniczanie napięć wynoszonych poza tereny, na których wykonane są uziemienia ochronne,

  • utrudnianie dostępu do części miejsc, na których mogą pojawić się napięcia dotykowe i krokowe o dużych wartościach.

Aby nie dopuścić do powstania zwarcia doziemnego, najprościej jest zastosować dodatkową izolację części czynnych, która wraz z izolacją roboczą zmniejsza prawdopodobieństwo przebicia obu izolacji.

Autor: mgr inż. Fryderyk Łasak Zakład Badań Elektrycznych „El-Fred”, specjalista do spraw pomiarów