Metodika identifikace zemních proudů v soustavách vn a způsoby jejích omezení

Transkript

1 Metodika identifikace zemních proudů v soustavách vn a způsoby jejích omezení ng. Mečislav Hudeczek Ph.D. HDEZEK SEVE s. r. o. Albrechtice. ÚVOD Základem pro bezpečné provozování elektrické sítě je výpočet zkratových proudů při jednopólovém dvojpólovém a třípólovém spojení se zemi a na základě znalosti hodnot zkratových proudů nastavení příslušné ochrany tak aby vypínala ve velmi krátkých časech a s požadovanou selektivitou vypnutí poškozeného místa. rčení a nastavení příslušných ochran v sítích TN tak aby chránily před nebezpečným dotykovým napětím neživých částí elektrického zařízení a taktéž proti tepelným a dynamickým účinkům zkratových proudů je velmi dobře zvládnuté v technické praxi a taktéž ve většině případů realizované na základě výpočtů. V sítích T a to nad 000 V jsou problémy zkratových proudů dvoufázových a třífázových perfektně zvládnuty. Problém nastává u jednopólového zemního spojení a to u všech druhů možných spojení uzlu transformátoru proti zemi. V technické praxi rozlišujeme podle způsobu spojení uzlu transformátoru se zemí níže uvedené soustavy: Soustava s izolovaným nulovým bodem Soustava s přímo uzemněným nulovým bodem Soustava s nepřímo uzemněným nulovým bodem a to přes tlumivku Soustava s nepřímo uzemněným nulovým bodem a to přes odpor Soustava s nepřímo uzemněným nulovým bodem a to přes Bauchův transformátor. Poruchové spojení jednotlivých elektrických sítí bude posuzováno s těchto hledisek: Stanovení cesty toku poruchového proudu při jednopólovém zemním spojení včetně dvojpólového a třípólového Stanovení hodnoty poruchového proudu rčení místa a omezení hodnoty poruchového proudu Ochrana před nebezpečným dotykovým napětím Ochrana před tepelnými a dynamickými účinky poruchových proudů. Úkolem toho referátu je poukázat na jednotlivé druhy soustav členěných dle způsobu spojení uzlu transformátoru se zemí a stanovit u všech jejich výhody a nevýhody při poruchovém zemním spojení.. SOSTAVA S ZOOVANÝM NOVÝM BODEM Soustava s izolovaným nulovým bodem je charakterizována tím že nulový bod napájecího transformátoru je odizolovaný od zemně. Veškeré neživé části elektrických zařízení jsou přímo uzemněny do země nebo je veden společný uzemňovací vodič na který jsou vodivě spojeny veškeré neživé části elektrické soustavy a samotný uzemňovací vodič je uzemněn v jednom nebo více místech. V různých prostředích jsou nařízeny různé hodnoty odporu uzemnění. Totéž platí o trvalé kontrole izolačního stavu elektrické sítě a jejího vypnutí při poklesu izolačního stavu pod určitou mez. Vypnutí dvojpólových a třípólových spojení z hlediska času odpojení poškozeného místa je také závislé na prostředí a napětí.. Stanovení cesty toku poruchového proudu při jednopólovém zemním spojení včetně dvojpólového a třípólového v izolované soustavě Na obrázku č.. je nakreslená symetrická izolovaná soustava v ustáleném stavu. Každý s krajních vadičů má vůči zemi kapacitu a odpory které charakterizují izolační stav soustavy. Při této konfiguraci symetrii a dobrém izolačním stavu sítě netečou vůči zemi téměř žádné proudy. Na obrázku č.. je izolovaná soustav a při jednopólovém zemním spojení ve fázi. Tok proudu v soustavě je označen čárkovaně - červeně a taktéž modrými šipkami. Poruchový kapacitní proud teče do místa jednopólového spojení se zemi dále dvěma nepoškozenými fázemi a do zdroje transformátoru a následně poškozeným fázovým vodičem do místa spojení. Tím je uzavřen proudový obvod a lze dále

2 vyšetřovat působení poruchového proudu. SOSTAVA 6000 V 50Hz T SOSTAVA 6000 V 50Hz T Obrázek č..: Symetrická izolovaná soustava v ustáleném stavu Obrázek č..: Jednopólové zemní spojení v symetrické izolované soustavě. Stanovení hodnoty poruchového proudu v izolované soustavě Zemním proudem se rozumí proud který prochází místem zemního spojení při uzemnění vodiče jedné fáze elektrické soustavy s izolovanou nulou. Opět je nutné rozlišovat mezi souměrným a nesouměrným uspořádáním vodičů vedení. = 0 a pro potenciál uzlu 0 rovnice 0 = f Náboje jednotlivých vodičů při zemním spojení jsou pak určeny fázory SOSTAVA 6000 V 50Hz T 0 k k k f k k k 0 0 f f Obrázek č..: Symetrická izolovaná soustava při jednopólovém zemním spojení Obrázek č..4: Fázový diagram při jednopólovém zemním spojení Souměrné uspořádání vodičů u třívodičového kabelu nebo krouceného vrchního vedení vykazuje pouze dvě různé dílčí kapacity k a k (obr...). O napěťovém systému zdroje předpokládáme že je souměrný (obr..4.). Spojí-li se fáze se zemí bude její potenciál roven nule takže napětí ostatních dvou zdravých fází proti zemi stoupne na hodnotu napětí sdruženého. Pro fázory kapacitních proudů a jejich součet platí vztah Σ = jω Σ Q ck k= k k= = 0 ( ) + k ( ) = ( k + k ) k Q + = k + k = = f f = k + k ( ) + k ( ) = ( k + k ) k Q = k + k ( ) + k ( ) = ( k + k ) + k Q + ( ) + k ( ) = k ( ) = k + k Q + a pro zdroj v zemi platí rovnice Q 0 = ( Q + Q + Q ) = k( + ) = k( f + f f ) = kf Pro fázory kapacitních proudů a jejich součet platí vztah Σ ck = jωσ Q k= k= k = 0

3 c SOSTAVA 6000 V 50Hz T c k c c 0 c 0 c c c c 0 c k c 0 c k k c 0 k c k c 0 c 0 k k k c 0 c 0 k c 0 c 0 k c c Obrázek č..5.: Kapacitní proudy Obrázek č..6.: Fázory kapacitních proudů Pro kapacitní poměry na vedení se zemním spojením lze kreslit kapacitní schéma (obr..5.) v němž platí pro jednotlivé kapacitní proudy (obr..6.) rovnice c = c0 + c c c = c0 + c c c c0 = = c c0 c ck c0 c0 c0 = k= 0 takže jejich součet = + 0 = + čili c0 c0 c0 = jωk + = jωk přičemž c0 c0 c0 = jωk + = jωk Takže zemní proud c0 ( ) 0 Jak je zřejmé že fázor zemního proudu předbíhá o 90 o fázor napětí uzemněné fáze a má hodnotu rovnou trojnásobku nabíjecího proudu vedení. Nabíjecí výkon vedení s izolovanou nulou je při jednopólovém zemním (kovovém) spojení dán celkovou kapacitou vedení které je připojeno na sdružené napětí s tj. P c = s ( c0 + c0 + c + c + c kde však c 0 c0 = ω k s c + c + c = ω k s při normálním (bezporuchovém) chodu soustavy. Při zemním spojení je tedy nabíjecí výkon vedení větší. = takže nabíjecí výkon P ( k + k ) c = ω kdežto s. rčení místa a omezení hodnoty poruchového proudu v izolované soustavě.. rčení místa poruchového proudu pomocí nulové napěťové složky 0 v izolované soustavě Pro určení vzniku zemního spojení bez bližšího určení místa postačí v podstatě napěťová ochrana která měří napětí uzlu proti zemi. V normálním provozu je napětí uzlu proti zemi téměř nulové. Jakmile vznikne zemní spojení např. na vedení ve fázi objeví se mezi uzlem a zemí napětí 0 které je úměrné vzdálenosti x zemního spojení od uzlu měřeno směrem ke svorkám (obr..7). Ochrana měří napětí 0 přes přístrojový transformátor napětí umístěný v uzlu. Pokud není k dispozici přístrojový transformátor napětí dále jen PTN v uzlu je možné měřit napětí 0 na otevřeném trojúhelníku přístrojových transformátorů napětí (obr..8). zel vstupní hvězdy těchto transformátorů musí být uzemněn s transformátorem kde strana VN tvoří nedílný celek. Použití napěťové ochrany postačí tam kde je nutné vypnout celou postiženou síť a není možné ji odpojením postižené části udržet dále v chodu. Jde např. o alternátor který pracuje v bloku V nulovém napětí se

4 objevuje řada vyšších harmonických které nepříznivě ovlivňují funkci napěťové ochrany zvláště při citlivém seřízení kdy k dispozici přístrojový transformátor napětí dále jen PTN v uzlu je možné měřit napětí 0 na otevřeném trojúhelníku přístrojových transformátorů napětí (obr..8). zel vstupní hvězdy těchto transformátorů musí být uzemněn. ω N = πf N Pro určení selektivity místa zemního spojení rozlišujeme dva případy. SOSTAVA 6000 V 50Hz T SOSTAVA 6000 V 50Hz T x 0 Obrázek..7 Napětí uzlu při zemním spojení Obrázek..8 Připojení ochrany na otevřený trojúhelník Použití napěťové ochrany postačí tam kde je nutné vypnout celou postiženou síť a není možné ji odpojením postižené části udržet dále v chodu. Jde např. o alternátor který pracuje v bloku s trans-formátorem kde strana VN tvoří nedílný celek. V nulovém napětí se objevuje řada vyšších harmonických které nepříznivě ovlivňují funkci napěťové ochrany zvláště při citlivém seřízení kdy požadujeme zachytit zemní spojení i v okolí uzlu kdy napětí 0 je malé. Proto jsou konstruovány tak že nejsou citlivé na vyšší harmonické... rčení místa poruchového proudu pomocí nulové napěťové složky 0 a nulové proudové složky 0 selektivní určení místa zemního spojení v izolované soustavě Pro selektivní určení místa zemního spojení je nutno vypočítat nejprve zemní kapacitní proudy chráněného vývodu V a okolní připojené sítě S S V = ω N = ω N OS OV N N kde S je kapacitní proud sítě V kapacitní proud vývodu OV kapacita jedné fáze nezatíženého vývodu N jmenovité fázové napětí ωa jmenovitá úhlová frekvence OS kapacita jedné fáze nezatížené sítě... Případ kdy kapacitní proud sítě je podstatně větší než proud chráněného vývod v izolované soustavě Je-li kapacitní proud sítě větší než kapacitní proud vývodu S >> V je vhodné použit ochranu podle obr..9. Při zemním spojení na vývodu prochází v místě ochrany nulová složka kapacitního proudu sítě S. Při zemním spojení v síti jde z vedení nulová složka kapacitního proudu V. Proudová ochrana 0 > je nařízena mezi tyto dva proudy tj. V < < S. Pouhá úroveň proudů v obou případech postačí k selektivitě a bzpečného určení místa poruchy. Nulovou složku zemního proudu 0 pro napojení zemní ochrany získáme z průvlekového transformátoru proudu nebo v krajním případě z tzv. Holmgreenový skupiny tří paralelně zapojených přístrojových transformátorů proudu dále PTP. Zapojení do uzlu běžných PTP se nedoporučuje neboť vzniká příliš velká chyba převodu PTP a ohrožuje funkci ochrany.

5 SOSTAVA 6000 V 50Hz T SOSTAVA 6000 V 50Hz T Obrázek č..9: Zemní ochrana sítě s izolovaným nulovým bodem se zemním proudem S V Obrázek č..0.: Zemní ochrana sítě s izolovaným nulovým bodem se zemním proudem S V... Případ kdy kapacitní proud sítě je porovnatelným s proudem chráněného vývodu v izolované soustavě Pokud výpočet zemních proudů ukáže že pouhá velikost zemního proudu není dostatečným kritériem pro určení místa zemního spojení kdy kapacitní proud sítě je právě stejný jak kapacitní proud vývodu ( S V ) je nutné zemní ochranu napojit podle obr..0. Ochrana je založena na tom že při zemním spojení na vývodu je síť napájena kapacitním proudem z vývodu a naopak. Je zvykem tuto směrovou ochranu nazývat jalovou ochranou.ve skutečnosti kapacitní proud při zemním spojení má účinky proudu činného a jde v podstatě o měření činného výkonu při jednopólovém zemním spojení. Ochrana zjišťuje směr toku energie v poškozeném obvodě a působí jen při zemním spojení uvnitř vývodu. Nulová složka proudu je měřena buď Holmgreenovu skupinou nebo průvlekovým PTP. Ochrana nesmí být zapojena do uzlu běžných PTP... Omezení hodnoty poruchového proudu v izolované soustavě Je-li soustava izolována pak potenciál jednotlivých fází není určen přibližnou hodnotou fázových napětí ale závisí na svodech a kapacitách odpovídajících vodičů vzhledem k zemi. Při jednofázovém zemním spojení bude mít tato fáze potenciál rovný potenciálu země a obě zbývající Pokud poruchový proud nepřekročí nastavenou mez nadproudové ochrany může být síť zachována v provozu bez obtíží. Obtíže nastávají je-li poruchový proud vyšší než mez stability oblouku tj. asi A. Nedostatkem sítě s izolovanou nulou je to že zemní spojení je zdrojem přepětí které může ohrozit zařízení sítě zejména stroje. Zemní spojení může nastat mechanicky přerušováním a zapalováním oblouku o různých dobách trvání. Mimo to ovšem dochází k periodicky a pravidelně se opakujícím zapalováním a zhášení oblouku v každé půlperiodě základního napětí. Toto zapalování a zhášení působí nabíjení a vybíjení kapacit sítě vyvolává vznik opakovaných přepětí kombinovaných s jevy postupných vln a vede často k opalování kontaktů vypínačů a transformátorů a k průrazu izolace strojů. V tabulce č..[] jsou uvedena přepětí při různém spojení sítí a taktéž při různém průchodu proudu nulou fáze budou mít potenciál rovnající se sdruženému napětí popř.. Poněvadž je neutrála izolována nepovede zde zemní spojení ke zkratu a soustava může pokračovat v provozu neboť izolační hladina odpovídá velikosti sdruženého napětí. Z tohoto hlediska by se sítě s izolovanou nulou zdály být spolehlivějším než sítě uzemněné. Ve skutečnosti však tyto sítě mají určitou nevýhodu. S ohledem na přepěťové jevy v soustavě s izolovaným nulovým bodem nutno dbát na to aby nedocházelo k jednopólovým zemním spojením a taktéž kapacitní proudy aby byly malé. Zabránit provozu sítě při jednopólovém zemním spojení lze jednoduchým způsobem tak že bude funkční hlídač izolace který kontinuálně síť kontroluje a při poklesu na minimální povolenou mez musí být slabé místo nalezeno a opraveno. Dalším způsobem omezení přepětí je to že síť rozdělíme na více zdrojů a tím kapacitní proudy budou značně menší a bude zbráněno vzniku přepětí. Podmínkou pro druhou variantu je možnost napojení na více transformátorů. Ve většině případů to není technicky možné. Tabulka č...: Přepětí při různém spojení sítě a různém časovém průchodu proudu Přerušení zemního zkratu V nule proudu 50 Hz V první nule přechodového proudu Útlum (f) zel: izolovaný (f) zel: uzemněný přes zemní tlumivku (f) zel: přímo uzemněný (f)

6 .4 Ochrana před nebezpečným dotykovým napětím v izolované soustavě Základní definice ochrany před nebezpečným dotykem v sítích s izolovaným nulovým bodem je :. Při jednopólovém zemním spojení nedojde k vytvoření nebezpečného dotykového napětí. Omezí vznik dvojpólového zemního spojení. Při dvojpólovém zemním spojení dojde k vypnutí izolačně vadné části sítě..4. Při jednopólovém zemním spojení v izolované soustavě nedojde k vytvoření nebezpečného dotykového napětí Na obrázku. je zobrazená izolovaná soustava která je charakterizována tím že nulový bod napájecího transformátoru je odizolovaný od zemně. Veškeré neživé části elektrických zařízení jsou přímo uzemněny do země nebo je veden společný uzemňovací vodič na který jsou vodivě spojeny veškeré neživé části elektrické soustavy a samotný uzemňovací vodič je uzemněn v jednom nebo více místech. V různých prostředích jsou nařízeny různé hodnoty odporu uzemnění. Dále se předpokládá že kapacitní proud celé sítě napojené na jeden zdroj je dostatečné malý a taktéž odpor uzemnění splňuje veškeré podmínky nařízení norem a orgánů Státního odborného dozoru a je malý. Těmi dvěma podmínkami je splněno to že nevznikne úbytek napětí na neživých částech elektrického zařízení větší než je dovolený. Při splnění výše uvedených podmínek soustava je bezpečná a také může být provozována s jednopólovým zemním spojení po dobu pokud nedojde k nadměrnému oteplení především asynchronních elektro-motorů které při jednopólovém zemním spojení pracují s výkonem menším o / a taktéž je více namáhána jejích izolace s hlediska průrazu proti zemi. Síť může být provozována s jednopólovým zemním spojení pokud pro určité prostory a prostředí to není zakázáno. Z analýzy této soustavy lze konstatovat že pokud je dobře provedeno uzemnění neživých částí elektrických zařízení s potřebným malým odporem soustava je velice bezpečná protože při zemním spojení nedochází k vytvoření úbytku napětí většího než bezpečného. SOSTAVA 6000 V 50Hz T Obrázek č...: Jednopólové zemní spojení v soustavě s izolovanou nulou Tento úkaz nastane v případě nesplnění základních technických podmínek ochrany..4. Omezení vzniku dvojpólového zemního spojení v izolované soustavě Soustava s izolovaným nulovým bodem při jednopólovém zemním spojení se jeví jako bezpečná se všech hledisek a pokud to není zakázané může být provozována i při jednopólovém zemním spojení. V případě vzniku zemního spojení v dalším vodiči jiné fáze dojde ke zkratu který z hlediska ochrany neživých části proti nebezpečnému dotykovému dále z hlediska tepelných a dynamických účinků samotného dvojpólového spojení proti zemi a taktéž působení na prostředí ve kterém vznikne není bezpečný a musí být neprodleně v nejkratším technicky možném čase vypnut. Aby se předešlo kovovým jednopólovým spojení se zemí a taktéž aby se omezil vznik dvojpólového zemního

7 spojení jsou v soustavách s izolovaným nulovým bodem instalovány hlídače izolačního stavu. zolována síť s hlídačem izolačního stavu je zobrazená na obrázku č... egenda: svodové odpory Z stejnosměrný zdroj MA miliampérmetr G registrační zařízení kondenzátor vazební tlumivka ochranný vodič krajní vodiče. SOSTAVA 6000 V 50Hz T Hlídač izolace MA G Z Obrázek č...: Princip měření izolačního stavu sítě VN kontinuálním hlídačem Hlídač izolačního stavu sítí je zařízení sloužící ke kontinuálnímu měření a registraci izolačního odporu sítí VN a k signalizaci nebo vypínání při poklesu izolačního stavu pod nastavenou mez. Zařízení pracuje na principu injektáže stejnosměrného proudu do střídavé sítě VN a měří trvale za provozu sítě ohmickou hodnotu izolačního svodu. Princip zařízení je na obr. č... Vysokonapěťová rozvodná síť napájená se síťového transformátoru má proti zemi svodové odpory. Zdroj pomocného stejnosměrného napětí Z je spojen jedním pólem na zem a druhým přes miliampérmetr MA omezovací odpor a tlumivku na fázi rozvodného systému a přes vinutí síťového transformátoru na fáze a. Jednotlivé fáze jsou propojeny přes svodové odpory na zem. Proud tekoucí do země a přes svodové odpory spět do stejnosměrného zdroje v hlídači izolačního stavu je měřený miliampérmetrem MA a je úměrný paralelně spojeným odporům. Kondenzátor a vazební tlumivka tvoří vazební člen zařízení tj. tvoří frekvenčně závislý dělič napětí. Střídavé napětí 50 Hz se rozloží na tlumivku a kondenzátor v poměru impedance jednotlivých prvků takže při vhodné velikosti a je střídavé napětí na kondenzátoru nepatrné a neohrozí správnou funkci měrného zařízení. Provoz hlídače izolačního stavu je podmíněn tím že síť VN není na žádném místě galvanicky spojena se zemí. V běžné praxe bývá v rozvodné sítí VN jedna nebo několik měřicích kobek a v těchto bývají převážně použity měřící transformátory napětí jednopólově izolované je jejich společný uzel uzemněn. Toto galvanické spojení VN sítě se zemí musí být zrušeno. Aby bylo vyhověno bezpečnostním předpisům je nutno buďto vyměnit jednopólově izolované měřící transformátory napětí za dvoupólově izolované a jejich uzel nezemnit nebo provést úpravu jednopólově izolovaných měřících transformátorů napětí tak že původně uzemněné konce primárního vinutí se odpojí od kostry spojí se do společného uzlu a uzemní přes kondenzátor. Při vhodné velikosti kondenzátoru je uzel transformátorů pro střídavou složku 50 Hz uzemněn přes malou impedanci kondenzátorů a nevzniká tudíž mezi ním a přímo zemněnou kostrou měřícího transformátorů žádné nebezpečné napětí. Pro stejnosměrnou složku je však obvod od země galvanicky oddělen..5 Vypnutí izolačně vadné části sítě při dvojpólovém zemním spojení Dojde li v síti s izolovaným nulovým bodem k dvojpólovému zemnímu spojení dojde k odpojení izolačně vadné části pomoci jisticích prvků zařazených do sítě která napájí spotřebiče. Dvojpólové zemní spojení je uvedeno na obrázku č.:.. VN obvodů a to především v prostředí s nebezpečím výbuchu musí být každý koncový spotřebič (elektromotor transformátor atd.) jištěn z hlediska tepelných a dynamických účinků zkratových proudů a ochrana musí být nastavená s rezervou 5 % na dvojfázový zkrat kee na konci vedení. sítě NN koncový obvod musí obsahovat pojistku jejíž hodnota musí být čtyři krát menší v prostředí s nebezpečím výbuchu metanu a deset krát menší v ostatních prostorech než je dvojfázový zkrat kee na konci jištěného vývodu při 5 % rezervě dvojfázového zkratového proudu. Při dodržení těchto podmínek je zaručeno bezpečné odpojení poškozené části elektrického obvodu bez nebezpečí z hlediska nebezpečného dotykového napětí a taktéž z hlediska tepelných a dynamických

8 účinků zkratových proudů. SOSTAVA 6000 V 50Hz T Obrázek č...: Dvojpólové zemní spojení v síti s izolovaným nulovým bodem Tento úkaz nastane v případě nesplnění základních technických podmínek ochrany..6 Jednopólové zemní spojení v soustavě s uzemněným nulovým bodem.6. Stanovení cesty toku poruchového proudu při jednopólovém zemním spojení v soustavě s uzemněným nulovým bodem Účely jednopólového zemního spojení v soustavě s uzemněným nulovým bodem požívány pro ochranu před nebezpečným dotykovým napětím neživých částí především v sítích NN. Jsou zde uvedeny proto že ostatní níže uvedené ochrany pracují z části na principu ochrany nulováním vyjma zapojení přes Bauchův transformátor. Na obrázku č.. je zobrazená síť s přímo uzemněným nulovým bodem. Na obrázku č..4 je zobrazen tok poruchového proudu při jednopólovém zemním spojení..6. Stanovení hodnoty poruchového proudu Poruchový proud při jednopólovém zemním spojení v soustavách s nízkoimpedančním uzemněním nulového bodu (pravě kovové spojení počítá se také oblouk) musí být vypočítán jako jednofázový zkrat k. Metodiky výpočtu jsou předmětem norem a dalších nařízení. Praxe ukazuje že jednofázové zkraty na straně NN a to především u soustavy TN 0/400 V se běžně nepočítají. Nutnost výpočtu jednofázového zkratu spočívá kromě proudových a dynamických účinků zkratových proudů především pro zjištění parametrů o nezávadné funkčnosti ochrany proti nebezpečnému dotykovému napětí neživých části elektrického zařízení..6. Omezení hodnoty poruchového proudu Omezovacích prvků poruchového proudu v soustavách TN je značné množství. Od pojistek všeho druhu jističů až po proudové a napěťové chrániče. pojistek a jističů čas vypnutí závisí na hodnotě poruchového proudu a časových možnostech daného přístroje. chráničů je hodnota proudu a čas vypnutí stanovená taxativně. Doposud řáden přístroj nepřekonal vlastnosti pojistek které z hlediska schopností omezení zkratových proudů nebyly překonány..6.4 Ochrana před nebezpečným dotykovým napětím Při dotyku fáze proti zemi vzroste napětí nulového vodiče a není-li izolován může dojít k úrazu. Napětí nulového vodiče je na různých místech vedení různé vzhledem k uzlu transformátoru na rozdíl od spojení fáze se zemí kdy napětí nulového vodiče proti zemi je všude stejné. Jeho velikost je určena poměrem odporu fáze k odporu nulového vodiče. Dotykové napětí nulového vodiče závisí hlavně na tom jak je uzemněn. Je-li nulový vodič uzemněn jen v uzlu transformátoru pak bude platit

9 f = Z kde Z je impedance proudového obvodu mezi uzlem a stykem fáze s nulovým vodičem který se skládá z činných a indukčních odporů transformátoru a vedení. ndukční odpory vedení a transformátoru však obvykle zanedbáváme. Při zkratu mezi fází a nulovým vodičem vzniká tak na proudovém okruhu úbytek napětí f ( ) = + f n kde n je úbytek napětí v nulovém vodiči a zároveň napětí proti zemi. Toto napětí je největší v místě zkratu a klesá směrem k uzlu. d = = n f f n + n zemněním uzlu neprochází žádný proud a proto je uzel bez napětí. Dotykové napětí bude tím menší čím menší je odpor nulového vodiče v poměru k celkovému obvodu proudového okruhu. Při stejných odporech nulového a fázového vodiče bude úbytek v obou vodičích stejný. Napětí nulového vodiče v místě dotyku je pak /. Má-li být dotykové napětí nejvýše 50 V pak nulový vodič musí být přibližně (0-50) / 50= 4 x silnější než fáze. Takové dimenzování by ovšem bylo nehospodárné a proto se průřezy jak fází tak i nulového vodiče volí obvykle stejné čemuž odpovídá příliš vysoké dotykové napětí a je třeba aby v tomto případě došlo k odpojení místa poruchy v dostatečně krátkém čase. Dobře navržený rozvod má na konci vedení proud 0 x větší od přiřazené pojistky..6.5 Ochrana před tepelnými a dynamickými účinky poruchových proudů Ochrana před tepelnými a dynamickými účinky poruchových proudů je stejná jak je uvedeno v odstavci....7 Jednopólové zemní spojení v soustavě s nepřímo uzemněným nulovým bodem přes tlumivku.7. Stanovení cesty toku poruchového proudu při jednopólovém zemním spojení.7. Stanovení hodnoty poruchového proudu Proud procházející dvěma kapacitami zdravých fází e a e ( e = e = ) je roven ω a je opožděn o π / za napětím. Jestliže zanedbáme ohmické a indukční úbytky napětí s výjimkou indukčnosti tlumivky pak nulový uzel bude mít proti zemi napětí a proud procházející tlumivkou do země bude roven T SOSTAVA 6000 V 50Hz T T SOSTAVA 6000 V 50Hz T e e e Obrázek č..4 Kompenzovaná síť tlumivkou Obrázek č..5 Jednopólové zemní spojení v sítí kompenzované tlumivkou π / ω a bude opožděn proti napětí a tj. bude mít obrácený smysl než kapacitní proudy ω u. Aby se N jalové a kapacitní proudy vyrovnaly což vede k podmínce i = 0 je třeba aby byla rovnost mezi oběma proudy podle vztahu = ω ω N Odkud = ω což znamená že indukčnost tlumivky je v rezonanci s dílčí kapacitou tří vodičů sítě vzhledem k zemi. Ve skutečnosti však různé indukčnosti jako rozptylové indukčnosti transformátorů generátorů a vedení

10 spolupůsobí na indukčnost tlumivky a je možno k nim poměrně snadno přihlédnout přitom budeme i dále zanedbávat činný odpor. Budiž v indukčnost jedné větve zahrnující indukčnost generátoru rozptyl transformátoru i indukčnost vedení. Proudy jednotlivých větví budou a proud procházející tlumivkou. Předpokládejme dále že = = e a že k uhašení oblouku je třeba splnit podmínku + + = 0. Poněvadž proud ve větvi bude nulový a fáze bude mít nulový potenciál a vzroste potenciál uzlu na fázové napětí. Ve zbývajících dvou fázích a v tlumivce budou platit vztahy = jωv j ω = jωv j ω = jω Řešením těchto tří rovnic dostaneme v = ω Z toho vyplývá že indukčnost zhášecí cívky je třeba zmenšit o jednu třetinu indukčnosti jedné větve. Tato oprava je však poměrně malá. Kromě toho různé činné odpory vedení zemního spojení a tlumivky nedovolují aby proud v místě dotyku vodiče se zemí byl přesně roven nule. Tato okolnost však nepůsobí obtíže neboť zbytkový proud je nižší než 40 až 50 A a snadno se tedy zháší. Stejně tak malá asymetrie kapacit e a e jakož i nepřesnost regulace indukčností v mezích 0 až 5 % neohrožuje uhašení oblouku []. Skutečný proud v místě poruchy je vzhledem k ostatním impedancím velký řádově 000x větší než impedance obvodu a 00x větší než impedance tlumivky takže činný proud je velmi malý a jalový proud je až 4 % proudu jmenovitého a asi % proudu místa poruchy při účinném uzemnění uzlu []..7. Omezení hodnoty poruchového proudu Princip omezení hodnoty poruchového proudu je ten že tlumivka zapojená mezi uzel a zem se seřídí tak aby jalový proud procházející touto cívkou se nevracel přes kapacity zdravých fází potlačil zkratový proud na nulu a aby tak došlo k úplnému uhašení oblouku..7.4 Ochrana před nebezpečným dotykovým napětím Podle zkušeností zaručuje Petersonova tlumivka s vhodnou regulací např. o rozsahu 0 až 5 % kapacity sítě dokonalé zhášení elektrického oblouku a dovoluje provoz vedení při spojení se zemí po dobu na kterou je dimenzována např. dvě hodiny. Jednou z výhod Petersonovy tlumivky je okolnost že snižuje počet vypnutí sítě a tedy počet funkcí vypínače. To prodlužuje jeho životnost. Mimoto není třeba počítat s opětným zapínáním. Použití Petersonovy cívky však nesnižuje podstatně nebezpečí dotyku neboť již proud 0 A v obvodu zahrnujícím lidské srdce vede obvykle ke smrti. kabelových sítí se velmi málo vyskytují přechodné poruchy a proto se původně počítalo s použitím Petersonových tlumivek pouze u venkovních sítí. Brzy se však ukázalo že zkraty 00 až 00 A v kabelových sítích s izolovanou nulou vedou k velkým přepětím a ke vzniku simultánních zkratů. Přikročilo se proto k účinnému uzemňování uzlu. Avšak i při sebekratším trvání zkratu docházelo v tomto případě následkem velkých proudů k vážným poruchám jako k prorážení olověného pláště k porušení spojů k prorážení vodovodů a plynovodů atd. Četná poškození olověného pláště vedla k rychlému stárnutí kabelové sítě. Proto se dnes i v kabelových sítích používá kompenzace pomocí Petersonovy tlumivky. Jejím použitím bylo umožněno pokračovat v provozu při zemním spojení a potlačit přepětí při provozu s izolovanou nulou a nadproudy při účinném uzemnění uzlu. Poruchové proudy kabelové sítě o délce 900 km kabelů při napětí 0 kv nepřekračují 0 A. Principiálně se pokračuje v provozu po neomezeně dlouhou dobu až se najde porucha []..7.5 Ochrana před tepelnými a dynamickými účinky poruchových proudů Ochrana před tepelnými a dynamickými účinky poruchových proudů je stejná jak je uvedeno v odstavci...

11 .8 Jednopólové zemní spojení v soustavě s nepřímo uzemněným nulovým bodem přes odpor.8. Stanovení cesty toku poruchového proudu při jednopólovém zemním spojení esta toku poruchového proudu při jednopólovém zemním spojení v síti nepřímo uzemněné přes činný odpor je složitější než v ostatních případech. Tok proudu je zobrazen na obrázku č..7. Proud od místa poruchy blesk pokračuje dvěma směry a to: Přes kapacity sítě zdravých fází do cívek transformátoru a na místo poruch červené šipky Dále k činnému odporu a přes poškozenou fázi k místu poruchy modré šipky Odporem N také tečou kapacitní proudy z ostatních vývodů žluté šipky..8. Stanovení hodnoty poruchového proudu Pro síť s jednopólovou poruchou zobrazenou na obr..6 platí náhradní schéma na obrázku č..7 ze kterého lze určit poruchový proud i jednotlivé fázové proudy. sítí s odporově uzemněným uzlem není možné zanedbávat odpory obloukových poruch a kapacity vedení. Mnohdy však je možné zanedbat reaktance některých jejich částí případně sousledné impedance. Pro proud poruchy platí vztah f p = Z + Z 0 + kde f fázové napětí sítě Z výsledná sousledná složková impedance sítě vztažená k místu poruchy Z 0 výsledná nulová složková impedance sítě vztažená k místu poruchy p přechodový odpor poruchy Ve většině případů však můžeme vycházet ze zjednodušených náhradních schémat a vztahů. Proud postiženou fází sestává z poruchového proudu p proudu zátěže zátl a vlastního kapacitního proudu. proudu zátěže lze u odporově uzemněných sítí vn předpokládat že se při jednopólové poruše v podstatě nemění (Z sdr se taktéž prakticky nemění). = + + P zátl p.8. Omezení hodnoty poruchového proudu Poruchový proud omezuje a snižuje zařazení odporu vhodné velikosti mezi uzel sítě a zem. Při jeho zařazení jsou proudy jednopólových poruch omezovány na takové hodnoty které jsou postačující pro činnost jednoduchých ochran a které jsou přitom přípustné s ohledem na hospodárné dimenzování uzemnění v síti a další účinky zkratových proudů. Vzhledem k velikosti těchto proudů je nutné jejich rychlé vypínání. Provoz se zemní poruchou jako u kompenzovaných sítí není možný. Zařazením činného odporu do uzlu sítě dochází k lepšímu tlumení přechodných jevů a spínacích přepětí hlavně při vzniku zemních poruch. Společně s rychlým vypínáním všech zemních poruch se zařazení odporníku projevuje tak příznivě že u těchto sítí prakticky nedochází k vícenásobným poruchám a přerušovanému zemnímu spojení. Největší část poruch je vypínána jako jednopólové poruchy s proudy které se svou velikostí blíží proudům provozním.

12 Z ot Z v Z 0v zat S S zat T T zat Σ e e e N p por S S T Σ T e e e Obrázek č..6.:poruchové proudy při jednopólovém zemním spojení v soustavě uzemněné přes odpor Z v p Z t Z v p Z c N Z zát Z ot p Z ov Z c 0příp Obrázek č.:.7 Náhradní schéma sítě s poruchou.8.4 Ochrana před nebezpečným dotykovým napětím Pro ochranu před nebezpečným dotykovým napětím platí stejné podmínky jak u sítě s přímo uzemněným nulovým bodem. V podstatě jde o vypínání jednofázových zkratů s rozlišením směru poruchy a vlivu kapacitního proudu soustavy. Velikost a účinek dotykového napětí závisí na odporech uzemnění a taktéž na rychlosti odpojení vadné části elektrické sítě..8.5 Ochrana před tepelnými a dynamickými účinky poruchových proudů Ochrana před tepelnými a dynamickými účinky poruchových proudů je stejná jak je uvedeno v odstavci....9 Jednopólové zemní spojení v soustavě s nepřímo uzemněným nulovým bodem přes Bauchův transformátor Bauchův zhášecí transformátor je na obr..8. Skládá se z primárního vinutí spojeného do hvězdy a připojeného paralelně k vývodům generátoru a ze sekundárního vinutí spojeného do trojúhelníka který se uzavírá přes vloženou regulovatelnou indukčnost N. Označíme-li poměr závitů primárního a sekundárního vinutí m=n /n vidíme že se Bauchův transformátor chová jako Petersonova cívka připojená k transformátoru s převodem m/.

13 Podmínkou uhašení oblouku je že = 0. N Proud v sekundárním vinutí zhášecího transformátoru je tedy roven proudu který by procházel Petersonovou cívkou napájenou proudem transformátoru o poměru m/. Bauchův transformátor plní stejnou funkci jako Petersonova cívka. Jeho výhodou je že zkratové proudy neprocházejí vinutím generátoru a že u něho nehrozí takové nebezpečí rezonance jako u Petersonovy cívky. Oproti tomu je nepoměrně nákladnější zejména u vyšších napětí. To je hlavní důvod proč se jeho používání v praxi nerozšířilo..0 Krokové napětí krokové a dotykové napětí Zkratové proudy které probíhají zemí způsobují úbytky napětí podél zemnicích odporů stanic zařízení a stožárů venkovních vedení. Tím se vytvářejí v okolí zemničů úbytky napětí které mohou dosáhnout velikosti až několik kv. Průběh rozložení potenciálu kolem zemniče je znázorněn na obr.9. Kráčí-li v blízkosti zemniče člověk nebo zvíře může vzniknout mezi jeho nohama takový potenciální rozdíl že může projít tělem dostatečně velký proud a tím dojít k úrazu elektrickým proudem. Obdobný případ může nastat při dotyku kostry uzemněného zařízení člověkem. Mluvíme proto o krokovém a dotykovém napětí jejich nejvyšší přípustné meze jsou uvedeny v příslušných normách. Omezení potenciálních spádů kolem zemnících elektrod na zcela bezpečnou mez naráží na ekonomické potíže. Je však možné je upravit tak aby průběh potenciálního spádu ϕ byl dostatečně plochý a snížila se pravděpodobnost nebezpečného krokového a dotykového napětí na dovolenou mez. Toho lze dosáhnout usměrněným rozložením potenciálního spádu. Toho lze dosáhnout usměrněným rozložením potenciálního spádu. SOSTAVA 6000 V 50Hz T N N Obrázek č..8.: Zhášecí transformátor ST ST ϕ SS E eferenční zem(v dostatečné vzdálenosti E E TST E TSTE Bez rozložení potenciálu S rozložením potenciálu Kabel s celistvým pláštěm po celé délce izolovaný ale na obou koncích holý. Plášť je v rozvodně spojen se zemí. Obr..9 - Krokové a dotykové napětí egenda: E S S S E SS ST Zemnič Zemniče pro rozložení potenciálu připojeného na zemnič E Nárůst potenciálu zemniče Zdrojové krokové napětí Zdrojové napětí pro dotyk

14 TST TSTE ϕ Zavlečené zdrojové napětí pro dotyk není-li plášť uzemněn na vzdáleném konci Zavlečené zdrojové napětí pro dotyk je-li plášť také uzemněn na vzdáleném konci Potenciál povrchu země Napětí v okolí zemničů se zmenšuje se zvětšeným počtem zemních elektrod tj. zmenšením proudu procházejícího elektrodou uložením elektrod ve větší hloubce izolováním zemního svodu a vhodným uspořádáním elektrod tak by napětí v zemi ubývalo pozvolna a stejnoměrně jako rozvedením potenciálu a mřížovými zemními sítěmi. iteratura.eiss a kol. Teoretická elektroenergetika SNT Praha 977.eiss a kol. Teoretická elektroenergetika SNT Praha 979 M.Hudeczek J.Niezgoda Jednopólové zemní spojení v sítích s izolovaným nulovým bodem a jeho kontrola Důl májk.p. Karviná 988