PRAKTIČNI ISPITNI RAD S USMENIM OBRAZLOŽENJEM
UVOD Uzemljivač Uzemljivač je metalni predmet ukopan u zemlju zemlju i koji preko zemljovodnog provodnika uspostavlja čvrstu mehaničku vezu zaštićenog prijemnika, nultog provodnika ili zaštićenog prekidača i geološkog provodnika. Da bi se moglo početi sa postavljanjem uzemljenja te sa utvrđivanjem njegove efikasnosti potrebno je prethodno uraditi proračun otpora rasprostiranja uzemljivača, što će biti obrađeno u narednom izlaganju. Još će biti obrađena i kompenzacija reaktivne snage i popravka faktora snage.
1 Tema: Proračun otpora rasprostiranja, kompenzacija kompenzacija reaktivne snage i efikasnost uzemljenja.
PRAKTIČNI ISPITNI RAD S USMENIM OBRAZLOŽENJEM
1. PRORAČUN OTPORA UZEMLJIVAČA
RASPROSTIRANJA
KOD
Proračun uzemljivača se sastoji u odabiranju tipa uzemljivača i u proračunskom određivanju broja uzemljivača ili dužine trake, kako bi se zadovoljio uslov da otpor uzemljenja bude manji od neke zadate vrijednosti. Otpor uzemljenja čine tri na red vezana otpora: otpor zemljovoda, prelazni otpor između uzemljivača i zemlje i otpor rasprostiranja. Kako je sopstveni otpor zemljovoda mali, a prelazni otpor kod dobro izvedenog uzemljenja neznatan, ova dva otpora se zanemaruju i kod proračuna se uvijek uzima samo otpor rasprostiranja. To je otpor zemlje između uzemljivača i referentne zemlje i zavisi od specifičnog otpora tla. U tehničkim propisima se navode podatci da kod zemlje sa specifičnim otporom od 100 Ωm treba računati približno sa sljedećim otporima rasprostiranja: Za traku dužine
10 m 25 m 50 m 100 m
20 Ω 10 Ω 5Ω 3Ω
Ako specifični otpor tla nije 100 Ωm, navedene vrijednosti treba pomnožimti koeficijentom f= 0,01. ρ1, gdje je ρ1 – stvarno izmjeren ili procijenjeni specifični otpor tla. Kod štapnih uzemljivača, ako je specifični otpor tla 100 Ωm, treba očekivati sljedeće otpore rasprostiranja: Za cijev dugu
1m 2m 3m 5m
70 Ω 40 Ω 30 Ω 20 Ω
I kod primjene štapnih uzemljivača, vrijednosti iz gornje tablice treba množiti koeficijentom f , ako se specifični otpor tla razlikuje od 100 Ωm. Za pločaste uzemljivače primjenjuje se u pomenutom slučaju isti koeficijent, s tim što se kod specifičnog otpora tla od 100 Ωm računa sa otporima rasprostiranja: 2 Tema: Proračun otpora rasprostiranja, kompenzacija reaktivne snage i efikasnost uzemljenja.
PRAKTIČNI ISPITNI RAD S USMENIM OBRAZLOŽENJEM
Za ploču
0,5 x 1 m 1 x 1m
35 Ω 25 Ω
Za određivanje otpora rasprostiranja pojedinih tipova uzemljivača koriste se odgovarajuće formule. Tehnički propisi dozvoljavaju da se ova računica izvodi po približnim formulama i zato su u narednom tekstu, pored tačnih, date i nešto uproštene formule koje za rad u svakodnevnoj praksi na projektovanju daju dovoljno tačne rezultate. Otpor rasprostiranja pločastog uzemljivača
formuli: R
R
=
=
ρ
4⋅a
D ⋅ 1 + + D , ili po približnoj formuli: 5h e
4 ⋅ De
ρ
izračunava se po
e
, uz uslov da je a=b (vidi sliku 1.)
ρ – specifični otpor zemlje (Ωm); h – dubina ukopavanja ploče (m); De - 2 ⋅ a ⋅ b / π ekvivalentni prečnik ploče (m); a – širina ploče (m); b – dužina ploče (m).
Slika 1.
obliku kvadrata površine 1 m2 položena je u zemlju na dubinu od 1,5 m. Specifični otpor tla je 100 Ω. Odredi otpor rasprostiranja. Primjer : Ploča u
R
=
R=
100 4 ⋅1,12 ρ
4⋅a
=
1,12 = 25 ,2Ω, ⋅ 1 + 5 ⋅1,5 +1,12
100 4 ⋅1
ili približno:
= 25Ω
Otpor rasprostiranja kod cijevnog uzemljivača
izračunava se po
formuli: 3 Tema: Proračun otpora rasprostiranja, kompenzacija reaktivne snage i efikasnost uzemljenja.
PRAKTIČNI ISPITNI RAD S USMENIM OBRAZLOŽENJEM
R = 0,366 ⋅
ρ
L
⋅ log
3⋅ L α
, približno
R= ρ / l (vidi sliku 2.)
L – dužina cijevi (m); h – dubina ukopavanja (m) h = t + L / 2 d – prečnik cijevi (m); ρ – specifični otpor zemlje (Ωm).
Slika 2.
Odredi otpor rasprostiranja cijevi dužine 3 m, prečnika 6 cm, položene u zemlju specifičnog otpora 100 Ω. Primjer:
R= 0,366 . 100/3 . log 3 . 3/0,06= 26,5 Ω, ili približno: R= ρ / l = 100/3 = 33 Ω
Ukupan otpor rasprostiranja uzemljivača urađenog od više štapnih uzemljivača (slika 3.) izračunava se po formuli: Rn
=
1 R η
⋅
n
,
Slika 3.
Rn – ukupan otpor n sondi (Ω); R – otpor jedne sonde (Ω); 4 Tema: Proračun otpora rasprostiranja, kompenzacija reaktivne snage i efikasnost uzemljenja.
PRAKTIČNI ISPITNI RAD S USMENIM OBRAZLOŽENJEM
n – broj sondi; η – koeficijet međusobnog uticaja cijevi; 1/η – stepen iskorištenja, određuje se iz tablice 1. Tablica 1. Broj cijevi 4
6
10
20
40
60
100
0,76 0,8
0,7 0,76
0,65 0,7
0,6 0,65
0,55 0,64
0,52 0,63
n
l= 2. L l= 3 . L
0,8 0,85
Odredi otpor rasprostiranja šest cijevi; rastojanje između
Primjer:
cijevi je 6 m. Rn
=
1 R η
⋅
n
= 0,76 ⋅
26 ,5 6
Ω
Otpor rasprostiranja trakastog uzemljivača (slika 4.), određuje se po
formuli: R
= 0,366 ⋅
ρ
l
⋅ log
l 2 2dh
,
ili približno:R= 2 . 3ρ / L, gdje je:
L – ukupna dužina trake (m); d – širina trake; h – dubina ukopavanja; ρ – specifični otpor zemlje (Ωm).
Slika 4. Primjer:
Odredi otpor rasprostiranja trake dužine 100 m, ρ=100 Ω,
d=1 cm. R
= 0,366 ⋅
100 100
⋅ log
100 2 2 ⋅1,1
= 2,09 Ω
1.1. TEMELJNI UZEMLJIVAČ 5 Tema: Proračun otpora rasprostiranja, kompenzacija reaktivne snage i efikasnost uzemljenja.
PRAKTIČNI ISPITNI RAD S USMENIM OBRAZLOŽENJEM
Otpor rasprostiranja temeljenog uzemljivača proračunava se po formuli: R
=
ρ
2D
ρ – specifični otpor zemljišta; D – prečnik kruga koji ima istu površinu kao površina objekta. Kao primjer uzet ćemo zgradu oblika i dimenzija prikazanih na slici 5. Zgrada zauzima površinu: P = 21 . 6 + 6 . 7 = 168 m2 Prečnik kruga iste površine je: D
=
4 P π
=
4 ⋅168 3,14
= 14 ,6m
Otpor rasprostiranja temljenog uzemljivača, uz pretpostavku da je ρ=100 Ωm, bio bi: R
=
ρ
2D
=
100 2 ⋅14 ,6
= 3,42 Ω
Proračun se izvodi samo ako se temljeni uzemljivač koristi i kao uzemljivač gromobranske instalacije i tada treba da bude ispunjen uslov: R ≤ 20 Ω
Slika 5.
1.2. PRORAČUN UDARNOG OTPORA RASPROSTIRANJA 6 Tema: Proračun otpora rasprostiranja, kompenzacija reaktivne snage i efikasnost uzemljenja.
PRAKTIČNI ISPITNI RAD S USMENIM OBRAZLOŽENJEM
Otpor rasprostiranja Rr definisan je kao otpor zemlje između uzemljivača i referentne zemlje. Udarni otpor rasprostiranja Ru je otpor koji se suprostavlja udarnoj struji strujnog čela pri prolazu kroz uzemljivač. Prilikom proračuna udarnog otpora rasprostiranja posmatra se direktno električno atmosfersko udarno pražnjenje (grom), prouzrokovano razlikom između električnog potencijala atmosferskog elektriciteta i zemlje odnosno objekta na zemlji. Udarni otpor rasprostiranja Ru određuje se približno sa potrebnim stepenom tačnosti, iz dimenzija uzemljivača i njegovog otpora rasprostiranja Rr . Za nerazgranati horizontalni uzemljivač priključen na njegovom kraju važi približna formula: Ru= k . Rr
Vrijednost koeficijenta k zavisi od dužine uzemljivača l (m), specifičnog otpora zemlje ρ (Ωm) i određuje se iz tablice 2. Za pojedinačne vertikalne uzemljivače i grupe vertikalnih uzemljivača, kod kojih je međusobni razmak pojedinih uzemljivača manji od 5 m, uzima se da je k =1. Tablica 2. Vrijednost koeficijenta k Dužina Specifični otpor zemlje ρ (Ωm) uzemljivača 50 100 150 200 (m) Do 20 2,0 1,0 Preko 20 do 30 3,0 1,5 1,0 Preko 30 do 40 4,0 2,0 1,3 1,0 Preko 40 do 50 5,0 2,5 1,7 1,3
250 1,0
Prema tehničkim propisima o gromobranima, ovako izračunat udarni otpor rasprostiranja na tlu, sa specifičnim otporom manjim od 250 Ωm, mora biti manji od 20 Ω da bi uzemljenje bilo efikasno.
7 Tema: Proračun otpora rasprostiranja, kompenzacija reaktivne snage i efikasnost uzemljenja.
PRAKTIČNI ISPITNI RAD S USMENIM OBRAZLOŽENJEM
2. PROVJERA EFIKASNOSTI UZEMLJENJA 2.1. ZAŠTITNO UZEMLJENJE Efikasnost zaštite od previsokog napona dodira, izvedene posebnim uzemljivačem, provjerava se određivanjem maksimalne vrijednosti otpora rasprostiranja pogonskog uzemljivača: R ≤ 65 / I , gdje je: u
m
Ru – otpor pogonskog uzemljivača (Ω); Im = K . In – maksimalna struja isključenja štićenog prijemnika odnosno dijela uređaja u mreži koji se napaja iz iste transformatorske stanice; In – nazivna struja osigurača, odnosno podešena struja okidača zaštitnog prekidača; k – koeficijent (od 1,25 do 5) koji ima vrijednost: 1,25 – za zaštitne prekidače, 2,5 – za strujne krugove zaštićene prekidačima čiji okidač reaguje na struje kratkog spoja, 3,5 – za strujne krugove zaštićene tromim topljivim umetkom do 50 A, 5 – za strujne krugove zaštićene tromim topljivim umetcima preko 50 A.
Efikasnost zaštite od previsokog napona dodira izvedena zajedničkim uzemljivačem provjerava se pomoću formula: RP
≤ U Z ⋅ I i
gdje je: Rp – otpor petlje (Ω); Uz – napon prema zemlji (V); Ii – struja isključenja.
2.2. NULOVANJE Zaštita nulovanjem od opasnog napona dodira provjerava se na osnovu obrazca: 8 Tema: Proračun otpora rasprostiranja, kompenzacija reaktivne snage i efikasnost uzemljenja.
PRAKTIČNI ISPITNI RAD S USMENIM OBRAZLOŽENJEM
Z u
≤
U f K ⋅ I n
gdje je: Zu (=) Ω – ukupan otpor petlje kroz koju se zatvara strujni krug struje greške; Uf (=) V – fazni napon; In (=) A – nazivne struje oštećenog prijemnika; K – koeficijent koji se određuje.
Otpor petlje kratkog spoja (slika 6.) sačinjavaju sljedeći otpori: otpor faze transformatora Z T ; otpor faznog provodnika Z v2; otpor nultog provodnika Z v1 i prelazni otpor na mjestu gdje je došlo do proboja izolacije. Otpor transformatora odnosno otpor faze transformatora, kroz koji teče struja greške, izračunava se po obrazcu: Z T
=
R2
+
X 2
, gdje je:
ZT – impedansa faze transformatora; RT – omski otpor transformatora; XT – induktivni otpor transformatora (Ω)
Slika 6.
2.3. ZAŠTITNI STRUJNI PREKIDAČ Zaštitni strujni prekidač se upotrebljava u oblastima gdje se teško postiže mali otpor uzemljenja. Da bi zaštita sa ZS prekidačem bila ispravna, prijemnik mora biti uzemljen, ali taj otpor uzemljenja može biti mnogo veći nego kod drugih vidova zaštite. Otpor uzemljenja štićenih dijelova prijemnika mora biti manje od vrijednosti otpora dobivene obrascem: 9 Tema: Proračun otpora rasprostiranja, kompenzacija reaktivne snage i efikasnost uzemljenja.
PRAKTIČNI ISPITNI RAD S USMENIM OBRAZLOŽENJEM
RU
≤
65 , I i
gdje je: Ru – otpor uzemljenja štićenog prijemnika odnosno dijela izolacije (Ω); Ii – struja pri kojoj ZS prekidač isključuje (A).
Ta struja za standardni prekidač iznosi 0,3 A, pa je: RU
=
65 I i
=
65 0,3
= 216 Ω,
a to je vrijednost otpora uzemljenja koje se može postići skromnim sredstvima.
2.4. PROVJERA NAPONA KORAKA I DODIRA Prema važećim tehničkim propisima, prstenasti uzemljivač treba tako dimenzionirati da pri naponu koraka U k i napona dodira U d struja kroz tijelo čovjeka I č ne pređe vrijednost od 40 mA. Dužina provodnika prstenastog uzemljivača, da se ostane u granicama propisanog napona koraka, određuje se po formuli: L= 0,15 . ρ . I z /U k (m), gdje je:
ρ – specifični otpor tla (Ωm); Uk – dozvoljen napon koraka (125 V); Iz – struja zemljospoja mjerodavna za dimenzioniranje (A).
Ako je transformatorska stanica sa nadzemnim vodovima, tada je Iz=1000 A. Ako je transformatorska stanica samo sa kablovskim vodovima, onda se uzemljivač dimenzionira na struju zemljospoja od 400 A. Dozvoljena struja koraka provjerava se prema jednačini: I k
= 0,15 ⋅ ρ ⋅
I z
( 3000 + 6 ⋅ ρ ) ⋅ L
≤ 0,04 ili 40 mA
k
Minimalna dužina trakastog prstenastog uzemljivača, potrebna da napon koraka bude manji od dozvoljenog, izračunava se po formuli: Ld = 0,8 . ρ . I z / U d (m) Ud – dozvoljen napon dodira (125 V) 10 Tema: Proračun otpora rasprostiranja, kompenzacija reaktivne snage i efikasnost uzemljenja.
PRAKTIČNI ISPITNI RAD S USMENIM OBRAZLOŽENJEM
Dozvoljena struja dodira provjerava se prema jednačini: I d
=
U d
( 3000 + 1,50)
≤ 0,04
A ili 40 mA
Ako je struja koraka ili dodira veća od dozvoljene, treba povećati dužinu uzemljivača Ld. 3. PRORAČUN
KOMPENZACIJE REAKTIVNE SNAGE, POPRAVKA FAKTORA SNAGE (cosφ)
Iz dijagrama prikazanog na slici 7 vidimo da je odnos između aktivne, reaktivne i prividne snage određen jednačinom:
P 2
=
2
P g
+
2
P s
, i da je
cosφ= P s / P
Slika 7.
Kosinus ugla φ je fazni pomjeraj između struje i napona i naziva se faktor snage. Induktivni prijemnici troše, pored aktivne energije, i reaktivnu energiju, te zato rade sa cos φ manjim od 1. Popravka cos φ se izvodi vezivanjem kondenzatora paralelno sa prijemnicima. Ova popravka – kompenzacija može se izvesti na više načina: pojedinačna kompenzacija je kompenzacija samo jednog motora ili nekog drugog prijemnika; grupna kompenzacija je kompenzacija grupe prijemnika sa zajedničkom baterijom kondenzatora; centralna kompenzacija je kompenzacija svih prijemnika jednog pogona s jednom baterijom kondenzatora i automatskom regulacijom. Snaga kondenzatora potrebna za kompenzaciju reaktivne snage Pqc određuje se prema snazi prijemnika i prema vrijednosti cos φ koja se želi dobiti poslije kompenzacije (slika 8). 11 Tema: Proračun otpora rasprostiranja, kompenzacija reaktivne snage i efikasnost uzemljenja.
PRAKTIČNI ISPITNI RAD S USMENIM OBRAZLOŽENJEM
P qc
= P qcl − P qc 2 = P qc ⋅
( tg ϕ 1 − tg ϕ 2 )
Slika 8.
Reaktivna snaga koju treba kompenzovati određuje se tako što se od reaktivne snage prijemnika pri maksimalnom opterećenju bez kompenzacije oduzme reaktivna snaga koju prijemnik uzima iz mreže pri cos φ koji se želi postići. Reaktivna snaga pri maksimalnom opterećenju određuje se po formuli: P qm
= k ⋅ P s / γ 1 ⋅ tg ϕ 1
k – koeficijent opterećenja motora (0,9); Ps – nazivna aktivna snaga motora; γ1 – stepen iskorištenja motora (0,8 – 0,94). Reaktivna snaga koju treba kompenzovati: P qc
=
P qm cosϕ 1
− P qm cosϕ = k ⋅ P s / η ⋅ 2
( tg ϕ 1 − tg ϕ 2 )
Primjer :
Odredi snagu kondenzatora za popravku faktora snage motora od 110 kW. Pri nazivnom opterećenju motor radi sa cos φ=0,86, a cos φ treba kompenzovati do 0,95. Početni uslovi su: cos φ1=0,86; željeni cos φ2=0,95; P=110 kW; k=0,9; γ1= 0,91. Snaga kompenzatora će biti: P qc= 0,9 . 110/0,91 . (0,57-0,32) = 26,6 kVAr
Za cos φ1= 0,86 biti će tg φ1= 0,57; Za cos φ2= 0,95 biti će tg φ2= 0,35. 12 Tema: Proračun otpora rasprostiranja, kompenzacija reaktivne snage i efikasnost uzemljenja.
PRAKTIČNI ISPITNI RAD S USMENIM OBRAZLOŽENJEM
Snaga kondenzatorske baterije (kVAr) potrebna za kompenzaciju 1 kW opterećenja sa postojećeg cos φ na željeni cos φ može se odrediti iz tablice 3. U našem primjeru koeficijent je 0,26, pa je: P qc= 0,9 . 110/0,91 . 0,26 = 28 kVAr
Dobiva se praktično isti rezultat. Tablica 3.
13 Tema: Proračun otpora rasprostiranja, kompenzacija reaktivne snage i efikasnost uzemljenja.
PRAKTIČNI ISPITNI RAD S USMENIM OBRAZLOŽENJEM
ZAKLJUČAK Zemlja je u električnom pogledu poluprovodnik, tj. povećavanjem jačine struje njen se aktivni otpor smanjuje. Temperaturni sačinilac geološkog provodnika je negativan, zbog čega se smanjuje otpor zemlje pri nepromijenjenoj vlažnosti a povećanoj temperaturi. Za utvrđivanje vrijednosti otpora zemlje potrebno je znati njen specifični otpor ρ. Specifični otpor zemlje posmatra se u Ωm (ommetrima), a to je električni otpor koji ima zemlja između dvije elektrode površine po 1,0 m2 međusobno udaljene 1,0 m. Vrijednost specifičnog otpora zemlje zavisi o mnogih činilaca: sastava zemlje, sabijenosti dijelova zemlje, od količine vlage i od temperature i dr. Uzemljač kao cjelina sa zemljovodnim i geološkim provodnikom ima otpor koji se sastoji od otpora zemljovodnog provodnika, otpora samog uzemljača, prelaznog otpora i otpora širenja struje u zemlji. Prva dva otpora su zanemarljiva prema vrijednostima druga dva otpora, zbog čega ih nismo navodili u proračunima. Napon koraka je onaj napon koji na naponskom lijevku na zemlji obuhvaćaju čovječje noge. Napon koraka je sve veći što je korak bliži uzemljenju i što je kriva lijevka strmija. Napon dodira je razlika potencijala koja se uspostavi između rukovaoca i zemlje kada ovaj dodirne provodljivi dio prijemnika koji je pod naponom. Iz prethodnog izlaganja uvidjeli smo značaj kompenzacije reaktivne snage koja izaziva gubitke i veće troškove. Veoma je praktično potrebno snagu kondenzatora izračunati na osnovu potrošene aktivne energije i na osnovu potrošene reaktivne energije. Možemo još istaći da je najbolja i najpovoljnija kompenzacija kombinovanjem sva tri načina kompenzacije reaktivne energije tj. grupne, pojedinačne i centralne.
14 Tema: Proračun otpora rasprostiranja, kompenzacija reaktivne snage i efikasnost uzemljenja.
