PROJEKTIRANJE, PRORAČUN I MJERENJA UZEMLJIVAČA SREDNJENAPONSKIH TS (Predavanje 11)
Sarajevo, decembar 2013. god.
Red. prof.
dr Alija Muharemović, dipl.ing.el. dipl.ing.el.
1
1. OSNOVNI POJMOVI O UZEMLJENJU, VRSTE UZEMLJENJA I OSNOVNE KARAKTERISTIKE UZEMLJIVA ČA Pod uzemljavanjem se podrazumijeva ostvarivanje vodljive veze između dijelova elektroenergetskih postrojenja i zemlje. Ostvarivanje ove veze posti že se ukopavanjem u zemlju metalnih vodi ča različitih oblika i dimenzija i njihovim povezivanjem sa dijelovima postrojenja. Osnovni elementi svakog uzemljenja su uzemljivač, to jest vodi č ( jedan ili i li više) položen u zemlju i sa njom je u neposrednom kontaktu i zemljovod koji povezuje dio postrojenja (koje treba uzemljiti) sa uzemljivačem. Uzemljenje u postrojenju ima zadatak da
zaštiti ljude od opasnih napona dodira i koraka, odvede struju atmosferskih pražnjenja u zemlju,
vodi radnu struju i osigurava radne karakteristike strujnog kola.
S obzirom na ulogu uzemljenja razlikuju se radno, zaštitno i gromobransko uzemljenje. Najpotpunije definicije vrsta uzemljenja date su u standardu IEC 60364 60364 – 5 – 54AMD1:2000. 54AMD1:2000. Radno uzemljenje je uzemljenje dijela pogonskog strujnog kruga kojim se osigurava željena
funkcija i radne karakteristike strujnog kola. Radno uzemljenje može da bude direktno, ako je izvedeno neposrednim vezivanjem za sistem uzemljenja (ne sadrži nikakav drugi otpor osim impedanse uzemljenja) ili indirektno, ako se izvodi vezivanjem za sistem uzemljenja preko dodatnih impedansi (aktivne otpornosti, induktivne otpornosti ili njihovih kombinacija). Gromobransko uzemljenje je
uzemljenje gromobranske instalacije koja služi za odvođenje struje atmosferskog pražnjenja u tlo. Gromobransko uzemljenje ograničava napon na koji dolazi gromobranska instalacija kako bi se spriječili povratni preskoci s tih instalacija na radne strujne krugove i metalne objekte.
Zaštitno uzemljenje je uzemljenje metalnih djelova koji ne pripadaju strujnom krugu niti su posredno u električnom kontaktu sa njim, ali u slučaju kvara mogu da dođu pod napon. Zaštitno uzemljenje smanjuje ovaj napon, kao i potencijalne razlike dodira i koraka kojima mogu da budu izloženi ljudi i na taj način ih štiti. štit i. Ukoliko se isto uzemljenje koristi i kao radno i kao zaštitno uzemljenje govori se o združenom uzemljenju. Uzemljivači, kao glavni dio uzemljenja, mogu biti izvedeni od različitih r azličitih materijala, kao što su bakar, pocinčani čelik ili različite kombinacije tih materijala, međusobno ili sa drugim metalima. Prema obliku materijala i osobinama uzemljivači se mogu podijeliti na: trakaste uzemljivače, uzemljivače okruglog punog presjeka ili u obliku užeta, cijevne uzemljivače, uzeml jivače jivače od profilnog profilnog metala,
armature u betonu,
ostale ukopane metalne instalacije (cjevovodi i slično).
Po načinu izvođenja uzemljivači se mogu podijeliti na: horizontalne (površinske) uzemljivače koji su sastavljeni od horizontalno položenih vodiča koji su ukopani u tlo na manjoj dubini. Horizontalni uzemljivači mogu biti mrežasti, zrakasti, u vidu prstenova ili kombinacija ovih oblika, 2
vertikalne (dubinske) uzemljivače koji su sastavljeni od jednog ili više štapnih uzemljivača okomito položenih u odnosu na tlo na većim dubinama i međusobno povezani. Mogu da budu cijevastog, okruglog ili nekog nekog drugog oblika, i
kose uzemljivače koji su u osnovi štapni uzemljivači položeni pod uglom u odnosu na tlo i obično služe za oblikovanje potencijala.
U nastavku su date osnovne definicije pojmova i elemenata uzemljenja. Prilikom definiranja I EEE pojmova i elemenata korišteni su „ IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding IEEE Std 80 – 2000 - Revision of Earthing Calculation to IEEE Std. 80/1986“, “Pravilnik o tehničkim normativima za zaštitu niskonaponskih mreža i pripadajućih TS“, “Električna postrojenja nazivnih izmjeničnih napona iznad 1 kV“ kV“ (Standard CENELEC-a HD 637 S1: 1999) . Uzemljiti znači realizirati električki dobru vodljivu vezu između metalnog dijela zemlje.
pos trojenja i
je skup međusobno električki dobro vidljivo povezanih pojedinačnih uzemljivača, zemljovoda i sabirnih zemljovoda. Uzemljivači su metalni dijelovi, koji se nalaze u zemlji i realiziraju električnu vodljivu vezu uzemljenih dijelova postrojenja sa zemljom, kao i neizolirani vodiči, koji služe za spajanje postrojenja sa zemljom, zemljom, na dijelu u kome kome su položeni položeni u zemlju. Uzemljenje
Otpornost rasprostiranja uzemljivača je otpornost između uzemljivača i referentne zemlje odnosno definira se kao kol ičnik potencijalne razlike između ivice uzemljivača i referentne
zemlje i struje kroz uzemljivač, koja pravi tu potencijalnu razliku. Otpornost rasprostiranja pojedinačnog uzemljivača najjednostavnije se definira prema slici 1.13. Otpornost uzemljenja je z bir otpornosti rasprostiranja rasprostiranja uzemljivača i otpornosti zemljovoda.
Temeljni uzemljivač je uzemljivač od pocinčane pocinčane trake ili okruglog željeza, željeza, koji se ugrađuje ugrađuje u sloj betona u temelju objekta (zgrade); armirano- betonska konstrukcija objekta može i sama da se koristi kao temeljni uzemljivač pod uvjetom da su elementi ove konstrukcije međusobno galvanski povezani.
Porast potencijala uzemljivača je maksimalni napon uzemljivača transformatorske stanice, eferentne zemlje. koji se može dostići između tačaka uzemljivača uzemljivača i daleke d aleke r eferentne Napon uzemljivača je razlika potencijala uzemljivača uzemljivača i referentne referentne zemlje. Potencijalni lijevak je površinska raspodjela potencijala oko uzemljivača prikazana dijagramom. Potencijalna razlika dodira (E d d) je potencijalna razlika koja postoj i
između uzemljenih uređaja i stajališta, a koja može da se premosti dodirom. Pri dodiru, strujno kolo se zatvara preko ruke i stopala čovjeka, pri čemu su čovjekova stopala udaljena 1 (m) od uzemljenog uređaja. Napon dodira (U d d) je dio potencijalne razlik e dodira kojoj je izložen čovj ek pri dodiru. Napon dodira niži je od potencijalne razlike dodira za pad napona na prelaznoj otpornosti kontakta stopalo/zemlja i proračunava se prema izrazu: U d
E d
1 1,5 103 s
,
3
gdje je ρs specifični otpor nasutog sloja (ili
osnovnog sloja) zemlje. Previsok (opasan) napon dodira je onaj koji je viši od dozvoljenog napona dodira dodira.. Potencijalna razlika koraka (E k ) je ona potencijalna razlika koja se na površini zemlje k premosti korakom dužine 1 (m). Napon koraka (U k ) k
je dio potencijalne razlike kojoj je izložen čovjek kada prekorači potencijalnu razliku. razliku. Napon koraka je niži od potencijalne razlike koraka za padove napona napona na prelaznim otpornostima otpornostima stopala/zemlja i proračuna proračunava se prema izrazu: U k
E k
1 6 103 s
4
2. PRORAČUN UZEMLJIVA ČA ELEKTROENERGETSKIH OBJEKATA 2.1. POSTUPCI PROJEKT I RANJA – PRORA Č U NA 2.1.1. Kriteriji za projektiranje - prora čun
Uzemljivački sistem svakog elektroenergetskog objekta treba ispuniti dva osnovna cilja u normalnom pogonskom stanju i pri nastanku kvara. To su: prvo, da omogući odvođenje struje kvara u zemlju a da se pri tom ne ugrozi rad ili oprema postrojenja, i drugo, da se osigura da osoblje u blizini uzemljenih objekata ne bude izloženo opasnom električnom udaru.
Postupak projektiranja uzemljivača temelji se na postizanju sigurnosti od opasnih napona dodira i koraka unutar elektroenergetskog postrojenja i neposredno izvan, u okolišu ogr ade postrojenja. Kako je napon okca mreže najnepovoljniji mogući napon dodira unutar postrojenja, koristi se kao osnovna veličina u postupku projektiranja. Naponi koraka su manje opasni nego naponi dodira. Ako je, međutim, sigurnost unutar postrojenja postignuta primjenom visokootpornog površinskog sloja (npr. nasutog tucanika), onda izvan ograde na području na kojem takav sloj ne postoji, naponi koraka mogu biti opasni. Svakako, nakon što se uzemljivač isprojektira tako da stvara napone dodira unutar dozvoljenih vrijednosti, potrebno je provjeriti i napone koraka.
Kod pravilnih uzemljivačkih mreža, napon okca mreže se povećava od centra prema uglu mreže. Iznos tog porasta ovisi o veličini mreže, broju i lokaciji vertikalnih uzemljivačkih sondi, razmaku između vodiča mreže, poluprečniku vodiča i dubini ukopavanja te o specifičnom otporu tla. Računarska analiza načinjena za tri tipične uzemljivačke mreže prikazana je u Tabeli 2.1. U Tabeli 2.1. s E m označen je napon okca mreže. Tabela 2.1. Tipičan omjer potencijala okca na uglu i u centru mreže
Mreža br. Veličina mreže (broj okca x broj okca)
E m ugao / E m centar
1
10 x 10
2,71
2
20 x 20
5,55
3
30 x 30
8,85
Sve analizirane mreže su simetrične, pravilne kvadratne mreže bez verti kalnih sondi. Potencijal okca u uglu računat je u odnosu na potencijal u središtu tog okca. Zapravo je najviši potencijal okca neznatno pomaknut iz središta okca prema središtu mreže, ali je po iznosu neznatno viši od potencijala u središtu okca. Kako se vidi iz Tabele 2.1. potencijal okca na uglu u pravilu je znatno viši
od potencijala okca u centru mreže. To uvijek vrijedi, osim u slučaju nesimetričnih mreža, mreža s vertikalnim sondama smještenim blizu vanjskog oboda mreže te u slučaju mreža s izrazito nejednolikim razmakom između vodiča. 2.1.2. Ključni parametri za projektiranje
koji imaju značajan utjecaj na projektiranje uzemljivačke mreže , su: maksimalna struja kroz uzemljivač, trajanje kvara, karakteristike tla (specifični otpor), s pecifični otpor površinskog visokootpornog sloja i geometrija mreže. Bitni parametri,
5
Geometrija mreže opisana je s nekoliko parametara od kojih su , na iznos potencijala okca, mreže najutjecajniji slijedeći: veličina uzemljivačkog sistema, razmak između vodiča i dubina uko pavanja. Manji utjecaj imaju presjek uzemljivačkog vodiča i debljina površinskog sloja tla. Geometrija mreže određena je tehničkim i ekonomskim kriterijima. Tehnički kriteriji zahtijevaju mrežu dovoljne gustoće kako bi bili zadovoljeni propisi, a ekonomski kriteriji minimalnu cijenu izvedbe takvog uzemljivača. Uobičajeni razmaci između uzemljivačkih vodiča su 2 do 15 m, s dubinom ukopavanja 0,5 do 1,5 m (tipično 0,8 m ili 1 m). Za tipične uzemljivačke vodiče, njihov presjek ima neznatan utjecaj na parametre uzemljivača. Ključni geometrijski faktor koji određuje otpornost rasprostiranja uzemljivača jeste površina uzemljivača; što je površina veća, to je manja otpornost rasprostiranja, niži potencijal uzemljivača i niži napon okca mreže. Otpornost rasprostiran ja uzemljivača i gradijenti otporu tla. Stoga, treba pažljivo, primi jenjujući
potencijala izravno ovise o specifičnom odgovarajuću mjernu metodu, izmjeriti specifični otpor tla. Za slučaj jednoslojnog modela tla izvedene su i mogu se primjeniti pojednostavnjene relacije za izračunavanje parametara uzemljivača. Tlo se može nadomjestiti jednoslojnim tlom ako su razlike između dva krajnja (najveći i najmanji) mjerna podataka o specifičnom otporu tla manja od 30 %. U tom slučaju se može uzeti da je specifični o tpor jednoslojnog modela tla srednja vrijednost mjerenja. Kad je mjerenjem ustanovljen dvoslojni
model tla i ako je uzemljivački sistem u gornjem sloju, onda se uzimanjem jednoslojnog modela tla specifičnog otpora prvog sloja dobiju za otpornost rasprostir anja, napone dodira i napone koraka više vrijednosti nego što su stvarne, što je na strani sigurnosti. Tanki površinski sloj nasutog tucanika smanjuje struju kroz tijelo budući da predstavlja dodatni otpor u ekvivalentnom otporu tijela. 2.1.3. Postupak projektiranja
Postupak projektiranja sastoji se od slijedećih koraka: 1. Podaci o objektu : površina i specifični električni otpor tla Preko lokacijskog plana dobiju se podaci o površini gdje se polaže uzemljivač. Treba sprovesti mjerenje specifičnog otpora tla kako bi se odredio odgovarajući model tla ( jednoslojni ili dvoslojni).
Određivanje dimenzija vodiča uzemljivača Dimenzije vodiča određuju se iz termičkog proračuna na temelju podataka o maksimalno očekivanoj struji kvara koja će teći kroz pojedine vodiče uzemljivača i podataka o vremenu isključenja. 3. Definiranje dozvoljenih vrijednosti napona dodira i napona koraka uzimajući u obzir korekcije zbog otpora tijela i prijelaznog otpora na stajalištu (vidi dio 1. ) 4. Preliminarno projektiranje uzemljivača Uzemljivač se treba sastojati od okvira koji okružuje površinu cijelog kruga postrojenja i odgovarajućih poprečnih vodiča smještenih tako da se omogući pogodan pristup za uzemljenje opreme. Početno određivanje razmaka između vodiča i pozicije vertikalnih sondi treba se temeljiti na struji kroz uzemljivač i površini uzemljivača. 5. Određivanje otpornosti rasprostiranja preliminarnog projektnog rješenja primjenom odgovarajućih analitičkih relacija. Za konačno rješenje potrebno je primjeniti numerički proračun na računalu, pogotovo ako je model tla dvoslojni i ako su upotrijebljene 2.
vertikalne sonde. 6.
Određivanje dijela struje kvara koja teče kroz uzemljivač 6
Proračun potencijala uzemljivača Ako je potencijal uzemljivača (u odnosu na daleku zemlju) izračunat na temelju preli minarnog rješenja niži od dozvoljenog napona dodira, nisu potrebne dalje analize. Mogu se još samo dodati uzemljivački vodiči potrebni za spajanje opreme na uzemljivač. Svi naredni koraci se preskaču i ide se direktno na detaljno projektiranje dato u korak u (12). 8. Proračun potencijala okca i napona koraka može se sprovesti bilo približnim analitičkim postupcima, bilo tačnijim numeričkim proračunima. 9. Ako je izračunati potencijal okca ispod dozvoljene vrijednosti napona dodira, može se ići dalje prema konačnom rješenju, tj. na korak (10). Ako to nije slučaj, preliminarno rješenje 7.
treba popraviti u koraku (11) i vratiti se u procesu projektiranja na korak (5). 10. Ako
je napon koraka ispod dozvoljene vrijednosti može se ići dalje prema konačnom rješenju, tj. na korak (12). Ako to nije slučaj, preliminarno rješenje treba popraviti u koraku (11) i vratiti se u procesu projektiranja na korak (5).
11. Modificiranje rješenja Na ovaj korak, koji vraća rješenje prema početku , dolazi se ukoliko su napon dodira ili napon koraka i znad dozvoljenih vrijednosti. Modificiranje rješenja vrši se smanjenjem
razmaka između vodiča, dodavanjem vertikalnih sondi i sl. 12. Detaljno projektiranje
Nakon što su postignute dozvoljene vrijednosti za napon dodira i napon koraka, može postojati još potreba za dodavanjem vodiča ili sondi: npr. vodiče tr eba dodati da se omogući uzemljavanje opreme, a vertikalne sonde za uzemljenje odvodnika prenapona, neutralne tačke transformatora i sl. Postupak projektiranja prikazan je na blok dijagramu na slici 2.1.
7
Podaci o objektu Korak (1)
Odredjivanje dimenzija vodica
Korak (2)
Definiranje dozvoljenih napona dodira i koraka E dd i Ekd
Korak (3)
Preliminarno projektovanje Korak (4)
Proracun otpornosti rasprostiranja
Korak (11)
Modificiranje rješenja
Korak (5)
Odredjivanje struje kvara kroz uzemljivac
Korak (6)
Korak (7) Potencijal uzemljivaca < Edd
Proracun napona okca i napona koraka
Korak (8)
NE Napon okca < Edd
Korak (9)
DA NE
Korak (10) Napon koraka < Ekd DA
Slika 3.1.
Detaljno projektovanje
Korak (12)
8
2.1.4. Proračun maksimalnih vrijednosti napona koraka i
potencijala okaca Za proračun parametara uzemljivača mogu se koristiti numerički postupci i računarski programi koji daju vrlo tačne rezultate. Međutim, u mnogim slučajev ima mogu se primjeniti jednostavni analitički postupci, koji ne zahtijevaju računarsku analizu. Osim toga, ovakvi postupci mogu poslužiti za preliminarno projektiranje uzemljivača. Potencijal okca mreže u odnosu na daleku zemlju i napon koraka mogu se odr editi primjenom slijedećih relacija: E m K m K i E k K k K i
I G L
(2.1.)
I G
,
L
(2.2.)
E – potencijal okca mreže, m
gdje su:
E k – napon koraka,
ρ – specifični ot por jednoslojnog modela tla, K – geometrijski faktori, m i K k K i – korekcijski faktor, I G – ukupna struja kroz uzemljivač, L – ukupna duljina uzemljivačkih vodiča. Veličina vodiča.
zapravo predstavlja srednju gustoću struje po jedinici duljine uzemljivačkih
I G /L
Potencijal okca mreže Faktor K m koji
obuhvata nejednolikost strujne gustoće po vanjskim i unutarnjim dijelovima uzemljivačke mreže računa se iz: 2 1 D 2 8 D 2h h K ii K m ln ln , 2 16hd 8 Dd 4d K h 2n 1
gdje su:
(2.3.)
K i i = 1, za mreže sa vertikalnim
sondama postavljenim duž vanjskog ruba mreže, ili za mreže sa vertikalnim sondama na uglovima, kao i za mreže sa vertikalnim sondama postavljenim duž vanjskog ruba i bilo gdje unutar mreže,
K ii
1
2n
2
za mreže bez vertikalnih sondi ili za mreže s nekoliko n
vertikalnih sondi od kojih nijedna nije smještena u uglovima ili na vanjskom obodu, K h 1 h
h0
h – dubina ukopavanja uzemljivačkih vodiča (m), h – referentna dubina ukopavanja (iznosa 1 m), 0 D – razmak između paralelnih vodiča mreže (m), n – broj paralelnih vodiča u jednom smjeru, d – promjer uzemljivačkih vodiča (m).
Korekcijski faktor K i uzima u obzir geometriju mreže i računa se kao: 9
K i 0,656 0,172n
(2.4.)
Ako se sa L c označi
ukupna duljina uzemljivačkih vodiča mreže a sa L r ukupna duljina vertikalnih sondi, tada se za uzemljivačke mreže s vertikalnim sondama koristi slijedeći izraz za potencijal okca mreže: E m
K m K i I G
Lc 1,15 Lr
(2.5.)
Za mreže bez vertikalnih sondi odnosno sa samo nekoliko sondi lociranih unutar mreže, ali daleko od njenog vanjskog ruba, potencijal okca mreže računa se prema formuli : E m
K m K i I G
Lc Lr
(2.6.)
Napon koraka
U relaciju za izračunavanje napona koraka: E k K k K i
I G L
uvrštava se: L = L c + L r za
mreže bez vertikalnih sondi odnosno sa samo par sondi u središtu daleko od vanjskog ruba mreže, L = L c + 1,15L r za mreže s vertikalnim sondama pretežno raspoređenim duž vanjskog ruba mreže. U pojednostavljenom razmatranju
može se uzeti da se maks imalni napon koraka očekuje izvan vanjskog ruba mreže na udaljenosti koja je jednaka dubini ukopavanja mreže. Za uobičajene dubine ukopavanja 0,25 m < h < 2,5 m faktor K k je: K k
11 1 1 n 2 1 0 , 5 2h D h D
,
(2.7.)
a za dubine manje od 0,25 m: K k
11 1 1 W 2h D h D
,
(2.8.)
gdje je W :
W
1 2
1
1
3
4
1 n 1
ili za n ≥ 6:
W
1 2n 1
lnn 1 0,423
2.1.5. Određivanje minimalne duljine uzemljivačkih vodiča
Za preliminarno određivanje duljine uzemljivačkih vodiča koje su potrebne da se maksimalni napon dodira unutar kruga postrojenja održi unutar dozvoljenih vrijednosti, mogu se koristiti sli jedeće relacije: - za E m < E d50: 10
L
K m K i I G t s 116 0,174C s (h s , K ) s
(2.9.)
(2.10.)
- za E m < E d70:
L
K m K i I G t s 157 0,235C s (h s , K ) s
U gornjim relacijama su: t s – vrijeme trajanje strujnog udara (s),
ρs – specifični otpor visokootpornog površinskog nasutog sloja (Ωm), E – dozvoljeni napon dodira za tijelo težine 50 kg (V), d50 E – dozvoljeni na pon dodira za tijelo težine 75 kg (V). d75 Faktor snižavanja napona dodira i koraka računa se prema formuli: 1 K n C s 1 2 2 0,96 n 1 2 nh s 1 b
C s ,
zbog prisustva površinskog nasutog sloja ,
,
(2.11.)
gdje su: h s – debljina površinskog sloja (m),
– ekvivalentni polumjer stopala (obično se uzima 0,08 m). b Faktor K iz (3.11) je: K
s s
(2.12.)
Kad su specifični otpor tla i ukupna struja uzemljivača veoma mali, duljina uzemljivačkih vodiča, koja je dobijena opisanim načinom može biti premala za ispravno spajanje sve opreme koja treba biti uzemljena. U tom slučaju broj uzemljivačkih vodiča treba povećati, bez obzira što to ne zahtijevaju razlozi sigurnosti. Ako se primjenom prethodno opisanog postupka dobije prevelika du ljina uzemljivačkih vodiča koja nije ekonomski opravdana, potrebno je sprovesti poboljšanje projektnog rješenja. 2.1.6. Poboljšanje preliminarnog projektnog rje šenja
Ako proračuni primjenjeni u preliminarnom projektiranju indiciraju mogućnost da se pojave opasne potencijalne razlike u postrojenju, moguće je primjeniti neka od slijedećih poboljšanja:
Smanjenje ukupne otpornosti uzemljivača rezultiraće smanjivanjem potencijala uzemljivača, te time i iznos iznešenog potencijala. Najefikasniji način da se sman ji otpornost uzemljivača je povećanje površine uzemljivača. Ako je raspoloživi prostor ograničen, mogu se upotrijebiti duboke vertikalne sonde. Smanjenje otpornosti rasprostiranja može ali ne mora primjetno smanjiti lokalne gradijente potencijala;
Poboljšanja u gradijentima potencijala. Primjenom manjeg razmaka između vodiča uzemljivačke mreže, smanjuju se potencijalne razlike unutar postrojenja. Mnogo teže 11
može biti riješavanje velikih gradijenata potencijala na rubu uzemljivača, pogotovo za male uzemljivače u tlu visokog specifičnog otpora. Međutim, obično je moguće, ukopavanjem uzemljivačkih vodiča koji pripadaju vanjskom rubu uzemljivača izvan linije ograde postrojenja, postići to da strmi gradijenti potencijala neposredno uz vanjski rub uzemljivačke mreže ne doprinose povećanom naponu dodira. Druga efikasna i ekonomična metoda za ublažavanje gradijenata potencijala na vanjskim rubovima uzemljivača je da se na njima poveća gustoća vertikalnih sondi. Slijedeća mogućnost je ukopavanje više paralelnih vodiča oko vanjskog ruba postrojenja pri čemu se dubine ukopavanja s udaljenošću od postrojenja povećavaju;
Usmjeravanje većeg procenta struje kvara na druge putove, npr. povezivanjem gromobranskih užadi prijenosnih linija ili smanjenjem otpornosti rasprostiranj a uzemljivača stupova u neposrednoj blizini postrojenja. U vezi s posl ijednjim, treba biti oprezan, jer se mogu pogoršati gradijenti potencijala u blizini stup ova;
Ograničavanje struje kvara koja odlazi kroz uzemljivač na nižu vrijednost. Time se proporcionalno snižava potencijal uzemljivača kao i iznosi svih potencijalnih razlika;
Sprječavanje pristupa ograničenim područjima na kojima je nepraktično eliminirati mogućnost pojave previsokih potencijalnih razlika za vrijeme kvara. 2.1.7. Ograničenja pojednostavljenih relacija za potencijal okca i napon koraka
Za pojednostavljivanje u izvođenju analitičkih relacija za potencijal okca i napon koraka načinjeno je nekoliko pretpostavki. Ove pretpostavke mogu utjecati na netačnost rezultata u nekim slučajevima. Uključivanje korekcijskih faktora praktički je eliminiralo netačnost (unutar određenih opsega promjene različitih parametara) za većinu uzemljivača koji se susreću u praksi. Kod primjene ovih relacija na kvadratne ili pravougaone mreže koje imaju isti broj vodiča u oba smjera preporučuje se uvažavanje slijedećih ograničenja: n ≤ 25 0,25 m ≤ h ≤ 2,5 m d < 0,25 h
D > 2,5 m
Osim toga, za pravilne pravougaone mreže s jednolikim razmakom između vodiča, kod određivanja potencijala okca u relacijama (3.3 .) i (3.4.) iznos n treba uzeti kao geometrijsku sredinu broja vodiča u pojedinim smjerovima n A i n B : n
n A n B
za proračun E m
Kod određivan ja napona koraka u relacijama (2.4.), (2.7.) i (2.8.) za iznos vrijednost između broja vodiča u pojedinim smjerovima n A i n B : n max n A , n B
(2.13.) n treba
za proračun E k
uzeti višu (2.14)
2.1.8. Primjer prora čuna
Za ilustraciju primjene opisanih postupaka prikazan je primjer proračuna koji je preuzet iz "An American National Standard Std 80- 1986". Proračun je prilagođen važećim standardima
za SAD, ali je ilustrativan za opis postupka projektiranja uzemljivača. Proračun uzemljivača načinjen je za primjer sa slijedećim ulaznim podacima: Trajanje kvara:
t f = 0,5 s
12
Impedancija struje kvara:
Z 1 = 4,0 + j 10,0 Ω
Impedansa struje kvara:
Z 0 = 10,0 + j 40,0 Ω
Faktor raspodjele struje:
S f = 0,6
Linijski napon:
U l = 115000 V
Specifični otpor tla: Specifični otpor nasutog tucanika (vlažan):
ρ = 400 Ωm ρs = 2500 Ωm
Debljina nasutog tucanika:
h s = 0,1 m
Dubina ukopavanja:
h = 0,5 m
Raspoloživa površina: A = 63 x 84 m Impedanse str uje kvara i faktor raspodjele struje određeni su za najnepovoljniji slučaj uključujući predvidiva proširenja elektroenergetskog sistema u narednih 25 godina. Zbog toga nije potrebno uključivati dodatni faktor sigurnosti C p koji se odnosi na širenje sistema . Nadalje, pretpostavljeno je da se sistem neće štititi prekidačima s ponovnim uklapanjem, tako da su vremena trajanja kvara t f i strujnog udara t s jednaka. Na temelju postupka opisanog u 2.1.3. i datog na dijagramu na slici 2.1. sprovode se
proračuni. Varijanta 1 - Kvadratna mreža bez vertikalnih sondi
Korak 1: Podaci o objektu
Premda je raspoloživa površina za uzemljivač 63 x 84 m (5292 m 2) za početno projektno rješenje može se za početak pretpostaviti da će uzemljivačka mreža dimenzija 70 x 70 m bez vertikalnih sondi biti zadovoljavajuća. Dakle, površina uzemljivača je A = 4900 m2. Izmjerena srednja vrijednost specifičnog otpora tla ρ = 400 Ωm uzima se za specifični otpor homogenog modela tla.
Korak 2: Dimenzije vodiča uzemljivača Zanemarujući otpornost rasprostiranja uzemljivača, struja kvara I f ≈ 3I 0 je: 3 I 0
3U f 2 Z 1 Z 0
3
3 I 0
(2.15.)
115000
3 ; 3 I 0 3180 A 24,0 j10,0 10,0 j 40,0
Struja kroz uzemljivač određuje se prema relaciji: I G C p D f I g
(2.16.)
gdje su: C p - korekcijski faktor predviđanja povećanja struje kvara u toku životnog vijeka postrojenja; ako nema povećanja C p =1, D – faktor opadanja struje, f
I g – simetrična efektivna vrijednost struje kroz uzemljivač. Faktor raspodjele struje S f definira se kao omjer dijela struje kvara koja teče kroz uzemljivač
i ukupne simetrične struje kvara:
S f
I g 3 I 0
(2.17.)
Kod određivanja dimenzija vodiča, faktor raspodjele st ruje se ne uzima u obzir. 13
Asimetrična struja kvara uključuje subtranzijentne, tranzijentne i stacionarne izmjenične komponente, te također istosmjernu komponentu koja vremenom eksponencijalno opada. To se uzima u obzir preko faktora opadanja struje D f koji je dat u ovisnosti o trajanju kvara u Tabeli 2.2.
Tabela 2.2. Tipične vrijednosti za D f Trajanje kvara t f (s) Perioda (60 Hz) Faktor opadanja D f 0,008
½
1,65
0,1
6
1,25
0,25
15
1,1
0,5 ili više
30 ili više
1,0
Slika 2.2. Nomogram za određivanje presjeka uzemljivačkog vodiča Kako je trajanje kvara 0,5 s faktor smanjenja struje prema Tabeli 2.2. je D f =1 i asimetrična
struja kvara je, također, 3180 A. Ova struja određuje minimalni promjer uzemljivačkih vodiča. Neka se pretpostavi da će za uzemljivačke vodiče biti upotrijebljeno bakreno uže. Prema nomogramu na slici 2.2. određuje se minimalni jedinični presjek: za vrijeme isključenja od 0,5 s, za tvrdo vučeni bakar jedinični je presjek oko 2,55 mm 2/kA što za struju od 3,18 kA daje presjek od 8,1 mm2. Odgovarajući promjer je 3,2 mm. Obzirom na mehanička naprezanja i robusnost treba uzeti vodič većeg promjera, npr. d = 10 mm, presjeka 78,5 mm 2 Korak 3. Definiranje dozvoljenih vrijednosti napona dodira i napona koraka
14
Faktor K prema (2.12.) je: K
s s
400 2500 400 2500
0,72
Faktor snižavanja napona dodira i napona koraka C s može se računati prema (2 .11) ili uzeti iz dijagrama datog na slici 2.3. Iz dijagrama slijedi da je C s=0,63.
Slika 2.3. Faktor snižavanja napona dodira i napona koraka C s
Napon koraka i napon dodira, ovisno o težini ljudskog tijela (50 kg ili 75 kg), korigirani zbog prisustva nasutog površinskog sloja, određuju se prema slijedećim relacijama: 0,1161000 6C s s E k 50 E k 75 E d 50 E d 75
t s 0,1571000 6C s s t s
(2.18.)
(2.18.a)
0,1161000 1,5C s s t s 0,1571000 1,5C s s t s
(2.19.) ,
(2.19.a)
gdje je t s vrijeme strujnog udara (u ovom primjeru jednako vremenu trajanja kvara t f ).
Pretpostavljajući da će se unutar kruga postrojenja nalaziti osobe teže od 75 kg, dozvoljeni naponi dodira i naponi koraka prema (2.18.a) i (2.19.a) su: 0,1571000 6 0,63 2500 E k 75 2320V 0,5
E d 75
0,1571000 1,5 0,63 2500 0,5
746 V
Korak 4: Preliminarno projektiranje uzemljivača Neka se pretpostavi preliminarni oblik uzemljivačke mreže dimenzija 70 x 70 m jednolike gustoće, s 10 x 10 okaca, s 11 x 11 vodiča, bez verti kalnih sondi prema slici 2.4. 15
Razmak između vodiča je D = 7 m i dubina ukopavanja h = 0,5 m. Ukupna duljina uzemljivačkih vodiča je L = 2 x 11 x 7 = 1540 m.
Slika 2.4. Kvadratna mreža bez vertikalnih sondi
Korak 5. Određivanje otpornosti rasprostiranja preliminarnog projektnog rješenja Otpornost rasprostiranja odr eđuje se iz dijagrama na slici 2.5. Na slici 2 .5. na apscisi je dat br oj okaca mreže, a na ordinati je iznos otpornosti rasprostiranja podijeljen sa specifičnim otporom tla i pomnožen s 1000. Za mrežu 70 x 70 m s 10 okaca po jednoj strani prema slici 2.5. dobije se da je otpornost rasprostiranja: 400 0,67 2,68 2,7 R g 1000
Za proračun prelazne otpornosti uzemljivača ukopanog u jednoslojnom tlu, može
se koristiti i
slijedeća relacija: 1 1 1 R g 1 L 20 A 20 1 h A
(2.20.)
Primjenom ove relacije dobije se za prelaznu otpornost rasprostiranja 2,78 Ω.
16
Slika 2.5. Prelazna
otpornost rasprostiranja za kvadratne mreže; dubina ukopavanja 0,5 m sa uzemljivačima od vodiča promjera 1 cm
Korak 6: Određivanje dijela struje kvara koja teče kroz uzemljivač Maksimalna struja kvara ko ja teče kroz uzemljivač prema (2.16.) i (2.17.) je: I G C p D f I g C p D f S f 3 I 0 1 1 0,6 3180 1908 A
Korak 7: Proračun potencijala uzemljivača Potencijal uzemljivača je: uz
I G R g 1908 2,7 5152 V
Potencijal uzemljivača daleko premašuje dozvoljenu vrijednost napona dodira od 746 V izračunatu u koraku 3. Stoga su potrebna dalja izračunavanja.
Korak 8: Proračun potencijala okca Potencijal okca odr eđuje se iz dijagrama na slici 2.6. Na slici 2 .6. na apscisi je dat broj okaca
mreže, a na ordinati je iznos potencijala okaca na uglovima izraženi u procentima vrijednosti potencijala uzemljivača.
17
Slika 2.6. Potencijal okca na uglu za kvadratne mreže; dubina ukopavanja 0,5 m ;
uzemljivački vodiči promjera 1 cm Sa slike se očita da je potencijal okca na uglu oko 20 % potencijala uzemljivača, tj. oko 1030 V. Proračun za vrijedno st potencijala prema relaciji (2.6.) daje iznos od 1125 V, pri čemu su K i = 2,55, K ii = 0,57 i K m = 0,89.
Korak 9: Modificiranje rješenja Kako potencijal okca na uglu premašuje dozvoljeni napon dodira od 746 V, treba pristupiti modificiranju rješenja. Varijanta 2 - Kvadratna mreža s vertikalnim sondama
Snižavanje napona dodira na iznos ispod dozvoljene vrijednosti, moguće je postići na dva načina: - snižavanjem potencijala uzemljivača, - modificiranjem oblika uzemljivača tako da se snizi maksimalni napon dodira. U obadva postupka željeni ciljevi mogu se postići -
razmaka među vodičima, ukupne duljine uzemljivačkih vodiča,
-
dubine ukopavanja,
-
dodavanjem vertikalnih sondi, itd.
-
slijedećim promjenama:
U ovom primjeru, početno projektno rješenje prvo će se modificirati dodav anjem ukupno 20 vertikalnih sondi po obodu uzemljivačke mreže, sv aka duljine 7,5 m, prema slici 2.7. Sonde su označene zacrnjenim tačkama. 18
Slika 2.7. Kvadratna mreža s 20 vertikalnih sondi duljine 7,5 m
Korak 5’. Određivanje otpornosti rasprostiranja (predhodni koraci iz predhodnog primjera su isti).
Primjenom jednadžbe (3.20.) uz
2
A = 4900 m i L = 1540 + 20 x 7,5 = 1690 m, dobije se
otpornost rasprostiranja:
1 1 1 2,75 R g 400 1 1690 20 4900 20 1 0 , 5 4900 koja se neznatno razlikuje u odnosu na pro računsku vrijednost u varijanti (1).
Korak 7’: Proračun novog potencijala uzemljivača Sada je potencijal uzemljivača :
uz
I G R g 1908 2,75 5247 V 746 V
Potencijal uzemljivača daleko premašuje dozvoljenu vrijednost napona dodira od 746 V. Stoga su potrebna dalja izračunavanja.
Korak 8’: Proračun potencijala okca Potencijal okca se računa prema (2.5.). Faktor K m se računa prema (2 .3.), pri čemu je faktor K ii =1 za mreže sa sondama postavljenim po vanjskom obodu mreže: 2 1 72 7 2 0,5 0,5 1 8 K m ln ln 0,77 2 16 0,5 0,01 8 7 0,01 4 0,01 1 0,5 2 11 1
Faktor K i se računa prema (2.4): K i 0,656 0,172 11 2,55
Potencijal okca, prema (2.5), je: E m
400 0,77 2,55 1908 1540 1,15 150
875 V
19
Korak 9’: Modificiranje rješenja Iako je proračunati potencijal okca na uglu niži nego u varijanti (1), još uvijek je viši od dozvoljenog napona dodira od 746 V. Primjena većeg broja duljih vertikalnih sondi možda dovede do odgovarajućeg rješenja. Približan iznos potrebnog povećanja duljine uzemljivačkih vodiča može se odrediti iz omjera 874 prema 746: 874 L 11690 290 m 300 m 746
Željeni efekt dobije se ako se poveća duljina vertikalnih sondi sa 7,5 m na 15 m, te umjesto 20 postavi 36 vertikalnih sondi, uglavnom na obodu mreže. Tada bi bio potencijal okca: E m
400 0,77 2,55 1908 1540 1,15 540
693 V 746 V
Varijanta 3 - Pravougaona mreža s vertikalnim sondama
U ovoj varijanti promjeniće se i oblik uzemljivačke mreže. Kako je raspoloživa površina samo 8 % veća od površine uzemljivača iz prethodne dvije varijante, većina zaključaka iz prethodnih varijanti može se primjeniti na novu uzemljivačku mrežu koja pokriva cijelu raspoloživu površinu 63 x 84 m.
Slika 2.8. Pravou gaona mreža s 38 vertikalnih sondi duljine 10 m
Neka se odabere ponovno razmak između uzemljivačkih vodiča D = 7 m za pravougaonu mrežu 63 x 84 m, tako da je broj vodiča 10 x 13, odnosno broj okaca mreže 9 x 12. Ukupna duljina vodiča mreže je 13 x 63 + 10 x 84 = 1659 m. Neka se pretpostavi da će se postaviti 38 vertikalnih sondi duljine po 10 m, tako da je ukupna duljina uzemljivačkih vodiča L = 1659 + 380 = 2039 m. U zemljivač je prikazan na slici 2 .8.
Korak 5’’. Određivanje prelazne otpornosti rasprostiran ja Primjenom jednadžbe (2.20.) uz A = 5292 m 2 i L = 2039 m, dobije se otpornost rasprostiranja: 1 1 1 2,62 R g 400 1 2039 20 5292 20 1 0 , 5 5292 20
Koja je manja nego proračunska vrijednost u varijanti (2).
Korak 7’’: Proračun novog potencijala uzemljivača Potencijal uzemljivača je: uz
I G R g 1908 2,62 4999 V 746 V
Potencijal uzemljivača daleko premašuje dozvoljenu vrijednost napona dodira. Stoga su potrebna dalja izračunavanja.
Korak 8’’: Proračun potencijala okca Potencijal okca se računa prema (2 .5.). Prvo treba odrediti nadomjesni broj p aralelnih vodiča mreže prema (2.13.): n 1310 11,4 11
Nadomjesni broj paralelnih vodiča približno je jednak broju paralelnih vodiča iz prethodne varijante. Kako su veličine D , d i h ostale nepromijenjene, iste su vrijednosti za faktor K m = 0,77 i faktor K i =2,55 kao u varijanti (2). Potencijal okca prema (2.5.) je: E m
400 0,77 2,55 1908 1659 1,15 380
715 V
Korak 9’’: Proračun napona dodira Potencijal okca niži je od dozvoljenog napona dodira, pa i napon dodira zadovoljava. Korak 10’’: Proračun napona koraka Napon k oraka se prvi put računa. Napon koraka se računa preko ( 2.2). Prvo treba odrediti nadomjesni broj paralelnih vodiča mreže p rema (2.14.): n max10,13 13 Faktor K i se računa preko jednačine (2.4): K i 0,656 0,172 13 2,89
Faktor K k se računa preko jednačine (2.7): K k
1
1
1
1
1 0,5 2 0,5 7 0,5 7
132
0,41
Napon koraka prema (2.2) je: E k 400 0,41 2,89
1908 2039
443 V
Napon koraka je znatno ispod dozvoljene vrijednosti od 2320 V. Korak 12: Detaljno projektiranje
Postignuto je projektno rješenje koje zadovoljava zahtjeve sigurnosti. Sad se riješenje može doraditi dodavanjem vodiča za uzemljenje opreme i vertikalnih sondi za uzemljenje odvodnika prenapona, neutralne tačke transformatora i sl. Primjena računarske analize
Primjena računarske analize neophodna je u slijedećim slučajevima: 21
-
jedan ili više geometrijskih parametara je izvan navedenih limita; model tla je dvoslojni;
nesimetričnost mreže onemogućava predviđanje mjesta najvišeg napona dodira, itd.
22
3. TERENSKA MJERENJA INSTALIRANIH UZEMLJIVA ČA Sistem uzemljenja u elektroenergetici (VN i SN prenosnim sistemima i postrojenjima,
distributivnim objektima i NN instalaciji) obezbjeđuje zaštitu od atmosferskih pražnjenja, zaštitu od struje kvara kao i normalan rad relejne zaštite. Kako bi ova funkcija bila zadovoljena i sigurna u svakom trenutku neophodno je stalno kontrolirati stanje sistema uzemljenja. Kontrola stanja se najefikasnije sprovodi obavljanjem adekvatnih mjerenja. Mjerodavan parametar, koji se provjerava mjeren jem, je prelazni otpor uzemljivača. Ovaj prelazni otpor (otpor rasprostiranja) treba da bude dovoljno mali kako bi bezprijekorno
funkcionirala zaštita automatskim isključenjem. Otpor uzemljivača je količnik napona na uzemljivaču i struje, koja odlazi u zemlju sa uzemljivača. 3.1.
M ETODE M JERENJA PREL AZNOG OTPORA UZEMLJIVA Č A
Mjerenje otpornosti uzemljivača, neovisno od naponskog nivoa postrojenja, realizira se jednom od slijedećih metoda: U – I metoda (sa svojim specifičnostima)
mosne metode
kompenzacione metode.
Ukoliko se radi o manjim uzemljivačima mjerenje se svodi na jednostavnu U – I metodu. Međutim, ukoliko se radi o visokonaponskim uzemljivačima velikih dimenzija, U – I metoda se u izvjesnom smislu modificira.
Sva mjerenja se obavljaju sa izmjeničnom strujom. Treba voditi računa o mogućoj eventualnoj smetn ji iz postrojenja nazivnih industrijskih frekvencija. Kod mjernih uređaja, koji imaju sopstveni izvor napajanja (MEGGER), mjerni napon mora imati frekvenciju koja se razlikuje za najmanje 5 (Hz) od cjelobrojnika nazivne frekvencije ispitivanog objekta i mora se nalaziti u području od 70 (Hz) od 140 (Hz).
3.2.
TA Č K ASTI UZEML JIVA Č U H OM OGENOJ ZEML JI
Može se govoriti o idealnom slučaju kada je zemlja homogena, a uzemljivač se može smatrati tačkastim izvorom. Uzemljivač se može smatrati tačkastim izvorom u sluča ju kada mu se dimenzije mogu zanemariti u odnosu na udaljenost pomoćnih elektroda kroz koje se zatvara struja izvora. Metoda mjerenja svodi se na kla sičnu U – I metodu. Na slici 3.4a. prikazan je slučaj kada su i uzemljivač i pomoćne elektrod e u istoj liniji, a na slici 3.4 b. slučaj, koji je u urbanim sredinama mnogo češći, kada uzemljivač i pomoćne elektrode nisu u jednoj liniji.
23
Behrendova metoda mjerenja
Za praktičnu upotrebu, kod mjerenja otpora rasprostiranja manjih uzemljivača, koristi se shema kompenzacionog mosta na slici 3.1. I
I1 R 1 R
N E1
E2
A
S
U
C
a
HE
D
a
B
a
Slika 3.1. Način spajanja mjernog uređaja za mjerenje prelaznog otpora Wennerovoj metodi
uzemljivača po
Sa mjernim instrumentom, datim na slici 3.1 .,
može se mjeriti i specifični električni otpor zemlje. Ako se mjeri specifični električni otpor zemlje uključene su sve četiri elektrode, ali ako se želi mjeriti otpor uzemljenja koriste se dvije elektrode prema slici 3.2. Sa slike 3.1. vidi se da mjerna struja I , iz izvora izmjenične struje, ide kroz primar transfor matora i dvije elektrode: A i B. Pri tome, u zatvorenom kolu sekundara transformatora postoji struja I 1 koja je u nekom određenom odnosu sa strujom primara I . Znači, struja I 1 je proporcionalna struji I . Kod istog broja namotaja primara i sekundara, kroz otpor R teče ista struja kao i kroz primar. Podešavanjem klizača postiže se da kroz nul– indikator ne prolazi struja. Ako se mjeri otpor uzemljenja kleme, E 1 i E 2 su kratko spojene. U slučaju ravnoteže, pad napona U 1 na dijelu klizne žice R, jednak je padu napona U 2 između uzemljivača i sonde
pomoćnog uzemljenja, pa je:
I R A I 1 R1
R A
I 1 I
R1 k R1
(3.1.)
Ovaj instrument posjeduje vlastiti strujni izvor čija se frekvencija razlikuje od industrijske frekvencije.
Kod mjerenja otpora rasprostiranja uzemljivača poslije direktnog prespajanja stezaljki E 1 i E 2, koristi se sistem sa tri elektrode pri čemu se mjerna struja zatvara preko uzemljivača R A i pomoćnog uzemljenja B, a mjeri se napon između uzemljivača i mj erne sonde. 24
I
E1
E2
S
HE
R A 20 m 40 m
U
a b X/L 0
0,5
1,0
Slika 3.2. Na dijagramu (slika 3.2.), kriva a predstavlja raspodjelu potencijala
u slučaju kada su vrijednosti otpora rasprostiranja uzemljivača i pomoćnog uzemljivača približno iste. U tom slučaju, mjernu elektrodu treba postaviti na polovinu rastojanja. Obično je češći drugi slučaj (kriva b), kada je otpor rasprostiranja pomoćnog uzemljivača veći od otpora rasprostiranja uzemljivača, koji se mjeri. Tada mjernu elektrodu treba postavljati bliže uzemljivaču, koji se mjeri.
Ako se mjerna sonda postavi u zonu nultog potencijala, instrument će izmjeriti otpor rasprostiranja eksperimentalnog objekta: R
U A I
(3.2.)
Ako se mjerna sonda ne postavi tačno u zonu nultog potencijala nego u neku tačku u kojoj postoji potencijalna razlika u odnosu na beskonačno udaljenu zemlju U X , tada će instrument izmjeriti otpor: R
U A U X I
(3.3.)
Iz relacija (3.2.) i (3.3.) dobije se:
U A U X U A
R X R
U X U A
1
R X R
(3.4.)
Na taj način dobije se relativna potencijalna razlika koraka između tačaka x 1 i x 2 : 25
U X 1 U A
U X 2 U A
R X 2 R X 1 R
(3.5.)
Kod korištenja ove metode mjerenja prelazni otpori pomoćnih elektroda ne unose greške kod mjerenja. Kod velikih prelaznih otpora, u najgorem slučaju, može se desiti da je osjetljivost galvanometra nedovoljna za indikaciju nule. Dubina zemlje, na kojoj se zatv ara izmjenična mjerna struja, o visi od frekvencije. 3.2.1. Položaj naponsk e elektrode
Da bi se analizirao optimalan položaj naponske elektrode treba analizirati sliku 3.3. A
V r
M
R A
T2
T1 x
x
,
D Slika 3.3. Mjerenje otpora uzemljivača
Odabere se tačka M, koja je nejednako udaljena od uzemljivača elektrode T1 (udaljenost x’ ). Potencijal tačke M od ove dvije elektrode jednak je: U
I
2 x
I
2 x ,
R ) i strujne A (udaljenost x
I 1
1 , E 2 x x
(3.6.)
U ovom slučaju nema brojne razlike između potencijala i napona. Iz jednačine (3.6.) vidi se da je potencijal tačke M jednak nula, ako su rastojanj a x i x’ jednaka i ako se radi o homogenoj zemlji između elektroda. Analogno jednačini (3.6.), potencijal na površini uzemljivačke elektrode ( x = r i x’ = D) je: U
I 1
1 2 r D
(3.7.)
Odavde se može pisati da je sopstveni prelazni otpor uzemljivača jednak: R '
r 1 2 r D
(3.8.)
26
Ova jednačina razlikuje se od jednačine (3 .2.) za član ( r /D ), koji se često zanemaruje (sa određenim procentom greške), pa se dobije:
R '
2 r
(3.9.)
Odnos člana ( r /D ) je izuzetno važan, kada se uzimaju u obzir dimenzije uzemljivača. Ako se radi o tačkastim uzemljivačima ovaj član se zanemaruje. Ali ako se radi o uzemljivačima VN postrojenja, npr. dimenzija 200 x 200 (m) (ekvivalentni poluprečnik r = 75 (m)), da bi se npr. napravila greška u mjerenju od 25 (%) strujnu elektrodu treba udaljiti najmanje 300 (m). Ukoliko se radi o tačkastom uzemljivaču, teorijski, naponsku elektrodu treba postaviti na polovinu rasto janja uzemljivač – strujna elektroda. Međutim, obzirom da je tlo uglavnom nehomogeno, dimenzije uzemljivača i pomoćnih elektroda nisu iste. Interval, gdje je potencijal zemlje nula, nije tačka i obično predstavlja polovinu ukupnog rastojanja uzemljivač (ko ji se mjeri) – pomoćna (strujna) elektroda. Ostala polovina ovog rastojanja otpada na potencijalne lijevke obje elektrode. Tako, po nekim
autorima (V. Celebrovski), najmanja greška se pravi kod mjerenja otpora rasprostiranja uzemljivača, ako su zadovoljeni odnosi rastojanja elektroda: 1
1
1
, y z x gdje su vrijednosti x, y, z rastojanja sa slike 3.4a. i slike 3.4.b. tj. :
(3.10.)
x – rastojanje između uzemljivača i
naponske elektrode, y – rastojanje između naponske i strujne elek trode, z – rastojanje između uzemljivača i strujne elektrode. Jednačinu (3.10.) prikladnije je pisati u obliku: y
x z x z
(3.11)
Ovaj odnos važi za sheme na slici 3.4a. i 3.4b. Ako
se posmatra slučaj na slici 3 .4b. (koji je dosta čest i primjenljiv u urbanim sredinama, jednaka (x = z ), odnosno ugao gdje je raspoloživi prostor ograničen) i ako su rastojanja x i z o između pravaca R A – T 2 i R A – T 1 jednak 30 , može se pisati: y
x 2
z 2
(3.12)
Normalno je da elektrode, naponska i strujna, mogu međusobno zamijeniti uloge. Može se doći i do relacije da je y z x , koja, ako se uvrsti u jednačinu (6 .10.) daje: 1 z x
1
1
z x
, odnosno x 2 x z z 2 0
(3.13.)
Rješavajući jednačinu (3.13.) dobije se: 2
z x z 2 0,5 z 1,25 z 2 0,618 z 2 2 z
(3.14)
Iz ove jednačine se vidi da mjesto postavljanja naponske elektrode nije tačno na polovini rastojanja uzemljivač – strujna elektroda nego je naponska elektroda udaljena više od polovine navedenog rastojanja. 27
U realnim uvjetima, dimenzije uzemljivača i karakteristike zemlje između uzemljivača i pomoćnih elektroda nisu jednoznačno određene, pa se u tom slučaju mora pažljivo odabrati svaka lokacija elektrode.
I
G
R
A z 1
3
2
V x
y
R A
T2
T1
I
I
Slika 3.4a.
T2 x
y V R A A
I
R
G Z
T1 I
Slika 3.4 b
Pri ovom mjerenju pomoćna elektroda T1 mora biti toliko udaljena od uzemljivača R A , čija se prelazna otpornost mjeri, da im se potencijalni lijevci ne preklapaju, a mjerna elektroda T2
mora se nalaziti između oba potencijalna lijevka u području nultog potencijala.
Na slici 3.4a. i slici 3.4 b. potencijalna i strujna).
korišten je sopstveni izvor napajanja i dvije elektrode (naponska –
28
Na slici 3.5. mjeri se prelazni otpor uzemljivača sa izvorom napajanja iz mreže niskog napona (TT i TN sistemi) sa jednom mjernom elektrodom T 2, a druga elektroda je uzemljeno
zvjezdište izvora napajanja.
L1 L2 L3 N
visokoomski otpor
A V
x
R A
R B
T2
u praksi cca 50 - 100 m Slika 3.5. U – I metoda sa mrežnim naponom kao izvorom
napajanja
U ovom slučaju mora biti ispunjen zahtjev da je razmak x (između pomoćne elektrode T 2 i uzemljivača R A ) takav da se potencijalni lijevci uzemljivača zvjezdišta mreže R A i R B ne preklapaju. Struja prolazi preko promjenlj ivog
predotpora i kroz uzemljivač koji se mjeri. Vrijednost struje mjeri se ampermetrom A. Istovremeno se mjeri pad napona na uzemljivaču, pomoću visokoomskog voltmetra u odnosu na sondu koja se postavlja u referentnu zemlju. Tada je, po Omovom zakonu, otp or uzemljivača: R A
U I
(3.15.)
Kod ovog mjerenja nije potrebno poznavati vrijednost predotpora. U praksi se koriste obično vrijednosti između 20 i 1000 (). Često se zaboravlja da pad napona postoji ne samo na uzemljivaču ko ji se mjeri. Struja, koja ide kroz zemlju do zvjezdišta TS, pravi također , pad napona na uzemljenju zvjezdišta R B , koji dalje podiže potencijal nultog voda. Na primjer, sa ispitnom strujom od 10 (A) i pogonskim uzemljenjem od 20 ( ) dobije se napon nultog voda od 200 (V).
29
L1 L2 L3 N A Imj
Napon pogonskog uzemljivača U = RB Imj
Napon uzemljivača koji se mjeri U = RA Imj
R
R B
R A
Slika 3.6. Na slici 3.6.se ne uzima u obzir dio struje koji prolazi kroz voltmetar jer je relativno mali.
Kod mjerenja, na ovaj način, može se dogoditi da voltmetar pokaže napon i bez ispitne struje. Taj napon je proizvod lutajućih struja. Da bi se utjecaj otpora uzemljenja sonde uspješno eliminirao treba koristiti visokoomski voltmetar. Vrijednost prelaznog otpora npr. jedne mjerne sonde, pobijene u zemlju do dubine napr imjer 0,5 (m) kreće se između 500 i 1000 ( ). U najvećem broju slučajeva, mjerni opseg je do 30 (V). Ako je karakteristični otpor instrumenta R k = 330 (/V), unutarnji otpor instrumenta bi bio 9.900 ( ). Ako je otpor mjerne sonde npr. 800 ( ) on bi činio gotovo 10% otpora u ovom spoju. Ali, ako je unutarnji otpor voltmetra npr. 20 (k /V) tada otpor od 800 () u odnosu na 600 (k ) ne predstavlja značajnu ulogu.
3.2.2. Povećanje tačnosti mjerenja u nehomogenoj zemlji
Veoma često se mjerenja vrše u nehomogenim višeslojnim zemljama što podrazumijeva različite vrijednosti specifičnog otpora tla na različitim mjestima i na različitim dubinama. Neka se pretpostavi manja vrijednost specifičnog električnog otpora površinskog sloja zemlje, u odnosu na sloj koji se nalazi dublje i neka je ova razlika velika. Ovo je veoma čest slučaj u planinskim predjelima, gdje je površinski sloj (do 1 m) zemlja, a ispod je kamenito tlo. U ovom slučaju, da bi se dobio horizontalni dio krive potencijala (ili otpora) između uzemljivača i strujne elektrode, mora se strujna elektroda odmaknuti i preko 100 (m). Ovakva velika rastojanja zahtijevaju velike dužine spojnih vodiča što može dodatno usložniti proceduru mjerenja. Otežano dobijanje horizontalnog dijela potencijalne krive rezultira greškama mjerenja otpora rasprostiranja uzemljivača. U ovom slučaju može se raditi o greškama mjerenja i do 20%. Da bi se ova greška svela na što manju vrijednost, kriva potencijala (ili otpora) snima se dva ili tri puta u jednom smjeru i to sa različitim rastojanjima pomoćne strujne elektrode. Metod ovog mjerenja dat je u nastavku teksta. Kod prvog snimanja dijagrama pomoćna strujna elektroda postavlja se na rastojanje z = 20 – 30 (m) od uzemljivača, koji se mjeri. Potencijalna (naponska) elektroda pomj era se sa . korakom 2 – 3 (m) tj. po 0,1 z. Dobijene vrijednosti nanose se kao tačka u koordinatnom sistemu R = f (x/z) (slika 3.7).
30
Vidi se da se na horizontalnu osu nanose odnosi ( x/y ) i to od vrijednosti 0,1 pa dalje. Ovo
dalje znači da se potencijalna elektroda postavlja u slijedeće tačke udaljene od uzemljivača npr. 3, 6, 9,…, 30 (m) za što je x/z = 0,1; 0,2; … 1,0. Potom, potencijalna elektroda se pomjera iza strujne elektrode za što je x/z = 1,1… 1,5. Na vertikalnoj osi nanose se izmjerene vrijednosti otpora uzemljivača. Analiza tako dobijenog dijagrama može tačno odrediti da li je dovoljno tačno mjerenje koje je vršeno. Ukoliko važi odnos: R0.6 R0.4 R0.5
0,1 ,
(3.16.)
onda je vjerovatni otpor rasprostiranja uzemljivača vrijednos t R , koja odgovara odnosu 0,5 što znači da se potencijalna elektroda postavlja na polovinu rastojanja.
= x/z
R( ) 13 12 3 11 10 9 8 2
7 6
1
5 x/z 4
0,1
0,3
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
1,4
1,5
Slika 3.7. Snimanje dijagrama R=f (x/z)
U konkretnom slučaju ovaj odnos je: 7,5 4,8 6,0
0,5 0,1
(3.17.)
Ovo znači da treba praviti novo mjerenje ali sa drugom razdaljinom z. U drugom slučaju je = 40 – 50 (m). Potencijalna kriva se pomjera sa korakom 4 – 5 (m), tj. sa korakom, koji je z 0,1 z. Neka je korak 5 (m), što znači da s e potencijalna elektroda postavlja na udaljenostima od centra uzemljivača x = 5, 10… , 50 tako da se imaju odnosi x/z = 0,1; 0,2; … ; 1,0. Potom se potencijalna elektroda pomjera dalje od strujne elektrode tj. x = 55, … , 75 (m), to jest x/z 31
= 1,1; …; 1,5. Za sve ove vrijednosti udaljenosti x potencijalne elektrode, odnosno za odnose snimaju se vrijednosti R i tako se dobije dijagram 2. Ova dva dijagrama se sjeku u jednoj x/z
tački, koja približno tačno određuje vrijednost otpora rasprostiranja uzemljivača. Ukoliko se radi o izuzetno nehomogenoj zemlji dijagrami se neće presjeći. U tom slučaju radi se na drugi način. Prvi slijedeći način koji se može probati jeste da se strujna elektroda pomjeri na još veću udaljenost, npr. 70 – 100 (m). Dijagram se snima po istom principu kao i prethodni. Ukoliko postoji presjek drugog i trećeg dijagrama, vjerovatni otpor uzemljivača je taj presjek. Ukoliko ne postoji presjek, strujna elektroda se postavlja na rastojanje 40- 50 (m). U tom slučaju se potencijalna elektroda postavlja na rastojanja npr. 55, 60, 65, 70 (m), to jest dobijaju se odnosi na vertikalnu osu nanose se vrijednosti R x/z = 1,1; … ; 1,5. Za sve vrijednosti x/z 1.1. , …, R1.5. Približno tačna vrijednost otpora uzemljivača (sa 20% moguće greške) može se uze ti vrijednost R = 1.4. l .4. tj. za x/z U konkretnom primjeru na slici 3.7., dijagrami 1. i 2. sijeku se pri otporu 9,8 ( ). Otpor pri = 1.4 je 10.2 ( ). Kao što se vidi, ove vrijednosti se malo razlikuju. x/z
Znači, može se zaključiti da je, u slučaju snimanja dijagrama 1. i 2. vrlo teško naći ravni dio potencijalne krive, a vrijednosti R 0.5 međusobno su bitno različite i znatno su niže od realne vrijednosti otpora R = 10 ( ). Ovdje je bitno još napomenuti slučaj kada x raste, a vrijednost otpora R opada. Radi se o prisustvu podzemnih metalnih objekata u neposrednoj blizini.
3.3.
SPECIFI Č N E SH EM E M JERENJA PRELAZNOG
OTPORA UZEMLJIVAČA Na slici 3.8. dat je primjer mjerenja (određivanja) impedanse uzemljivača sa sopstvenim izvorom jake struje. Metoda mjerenja sa sopstvenim izvorom napajanja (agregatom) posebno
je primjenjiva za mjerenja impedanse velikih uzemljivačkih sistema. Izmjenični napon industrijske frekvence se dovodi između uzemljivačkog sistema i pomoćne udaljene elektrode dok se izmjenična struja I M “injektira” u uzemljivački sistem. Zemljovodi i kabelski omotači sa ulogom uzemljenja spojeni su na uzemljivački sistem i ne smiju biti odspojeni od instrumenta.
32
Slika 3.8. Praktična shema mjerenja Oznake na slici 6.8. su:
– ispitna struja (generalno su samo moduli napona i struje određeni), I EM – struja kroz zemlju za vrijeme mjerenja (ne može se direktno mjeriti), r E – redukcioni faktor linije do udaljene uzemljivačke elektrode, R ES – otpor mrežastog uzemljivača, R ET – otpor uzemljenja stupa, U EM – povećanje potencijala za vrijeme mjerenja, U STM – izvor napona dodira za vrijeme mjerenja. I M
Prema propisu HD 637 S1:1999 (propis CENELEC-a – Evropski komitet za standardizaciju u elektrotehnici) mjerenje otpora uzemljivača može se realizirati na različite načine. Dimenzije
uzemljivača i stepen interakcije određuju mogućnost primjene pojedine metode mjerenja. Prema navedenom propisu, kada se koristi, metoda pada napona sa uzemljivačkim tasterom tj. metoda sa potencijalnom i strujnom elektrodom, potencijalna elektroda treba biti udaljena od
uzemljivača 2,5 x veličina uzemljivača, ali ne manje od 20 (m). Strujna (pomoćna) elektroda treba biti udaljena najmanje 4 x veličina uzemljivača, ali ne manje od 40 (m). Modul impedanse dobije se kao: Z E
U EM I mj r
,
gdje su: U EM – izmjerena vrijednost napona između uzemljivačkog sistema i
(3.18.)
sonde
postavljene u referentnoj zemlji (potencijal nula) (V), I mj – izmjerena ispitna struja u (A), r – redukcioni faktor voda (linije)
do pomoćne udaljene uzemljivačke elektrode. 33
Ovaj faktor se može ili izmjeriti ili proračunati. Za vazdušne vodove bez zemljovoda i kabele bez omotača ili oklopa uzima se da je r = 1. Zemljovod, ako je spojen na uzemljivač ili pomoćnu daleku zemlju, mora se uzeti u proračun. Ukoliko kabel ima mali otpor metalnog omotača, koji je uzemljen sa obje strane, najveći dio ispitne struje vraća se omotačem. Ako ima izolirajući omotač (što je uvijek slučaj) oko plašta, plašt je pogodan za razdvajanje uzemljivača od njega. Međutim, kabeli koji imaju funkciju uzemljivačke elektrode, ne smiju prekidati kontinuitet plašta. Rastojanje između ispitivanog uzemljivača i daleke pomoćne elektrode, ako je moguće, ne treba biti manje od 5 (km). Ispitna struja bi trebala da bude oko 50 (A). Unutarnji otpor
voltmetra treba da bude najmanje 10 puta veći od otpora sonde. Za manje uzemljivačke sisteme rastojanja mogu biti manja. Moguću interferenciju i ometajući napon treba uklonit i. Određivanje porasta potencijala uzemljivača Povećanje potencijala uzemljivača U E dobije se kao: U E Z E I E , gdje su:
Z E I E
(3.19.)
– impedansa uzemljenja, koja se izmjeri kao u prethodnom postupku ili se proračuna, – struja kroz uzemljenje (ne može se direktno mjeriti).
Struja kroz uzemljenje tokom mjerenja je:
I EM r I M
(3.20.)
Impedansa je: Z E
U EM I EM
(3.21.)
Jednačina (6.19.) postaje: U E Z E I E U EM
I E r I M
(3.22.)
Za zemljospoj u trofaznom sistemu i slične zemljovode redukcioni faktor vazdušnog voda iz TS, struja se može o drediti kao: I E r gdje je:
3 I
0
,
(3.23.)
– redukcioni faktor zemljovoda, 3 I 0 – vektor zbira struja faznih provodnika pripadajuće TS. r
Za grešku u TS postoji razlika između struje zemljospoja i struje neutralne tačke. Tipične vrijednosti redukcionog faktora vazdušnih vodova i kab el a (za 50 H z) Zemljovodi VN vodova (110 kV)
Čelik 50 – 70 (mm2)
r = 0,98
ACSR 44/32 (mm 2)
r = 0,77
ACSR 300/50 (mm 2)
r = 0,61
Papirno izolirani kabeli (10 i 20 kV) 34
Cu 95(mm2) / 1.2 (mm)
olovni omotač Al 95 (mm 2) / 1.2 (mm) aluminijski omotač
r = 0,20 – 0,60 r = 0,20 – 0,30
XLPE kabeli (10 i 20 kV) Cu 95 (mm2) / 16 (mm2) bakarni ekran
r = 0,50 – 0,60
Jednožilni kabel i (110 kV) Cu 300 (mm 2) / 2.2 (mm ) aluminijski omotač
3.4.
r = 0,37
M JERENJE RASPODJELE POTENCI JALA OKO UZEMLJIVA Č A
Najbolju potvrdu ispravnosti uzemljenja
daje mjerenje
raspodjele
potencijala
oko
uzemljivača. U slučaju velike razlike između proračunskih i izmjerenih vrijednosti otpora uzemljenja, ili ukoliko postoji sumnja u ispravnost uzemljenja neophodno je izvršiti mjerenje raspodjele potencijala.
Ovo se naročito odnosi na slučajeve kada je proračunata vrijednost otpora uzemljenja blizu granice tolerancije, a dalje poboljšanje karakteristika uzemljivača je teško izvodljivo ili je skupo.
Mjerenjem raspodjele potencijala određuju se najopasnija područja gdje se javlja veoma veliki napon koraka, odnosno područja gdje se trebaju eventualno primjeniti dodatne mjere za povećanje sigurnosti. Kak o se u uzemljivačkim sistemima mogu pojaviti vrlo velike struje zemljospoja, koje imaju za posli jedicu velike napone uzemljivača čak i ako su ovi sa m alim otporom, treba prekontrolirati cijeli teren i okolinu na kojoj su postavljeni pojedini dijelovi uzeml jivača. Mjerenja se izvode uvijek sa manjom strujom od struje zemljospoja, tako da se pri mjerenju
dobijaju znatno niži naponi nego u slučaju zemljospoja. Zbog toga je sondu teško postaviti na dovoljno velikom rastojanju od dalekovoda da bi se dobili pri m jerenju i znatno niži naponi nego što je to slučaj pri pojavi struje zemljospoja. Zato treba izmjerenu vrijednost, obzirom na računski dobijenu struju zemljospoja, preračunati na stvarne vrijednosti pomoću relacije: U STV U M
I Z I M
,
(3.24.)
gdje su:
– napon u proizvoljnoj tačci pri struji zemljospoja I Z , U STV U M – napon u istoj tačci za slučaj mjerenja strujom I M . Za praksu je važniji podatak koliki je napon u pojedinim tačkama oko uzemljivača u poređenju sa naponom uzemljivača, jer te relativne vrijednosti daju neposrednu sliku o opasnm područjima. Zato se rezultati mjerenja u pojedinim tačkama obično ne izražavaju u voltima, nego u procentima napona uzemljivača : U M % gdje je U ZM – napon uzemljivača
U M U ZM
100 ,
(3.25.)
za slučaj struje mjerenja I M .
Ako je poznat napon uzemljivača pri mjernoj struji, mjerna struja i struja zemljospoja, onda se napon u proizvoljnoj tačci, pri struji zemljospoja, određuje pomoću formule: 35
U STV
U M % 100
I M RUZ
I Z I M
U M % 100
RUZ I Z
(3.26.)
Raspodjela potencijala u okolini uzemljivača najčešće se mjeri voltmetrom, kao što je prikazano na slici 3.9. Između ispitivanog i pomoćnog uzemljivača priključuje se izmjenični napon čija se vrijednost podesi tako da struja kroz uzemljivač bude dovoljno velika da na otporu rasprostiranja uzemljivača stvori dovoljno veliki pad napona, da bi se mogao izmjeriti voltmetrom. Ta struja obično iznosi oko 100 A. G
A
V
UZ
UZM
MJ
PU
UV
UM
L
Slika 3.9. UZ – uzemljivač oko kojeg se
određuje raspodjela potencijala
PU – pomoćni uzemljivač M J – mjerna sonda koja se pomjera u
tačke gdje se određuje potencijal
Kada se struja u kolu podesi na potrebnu jačinu, između ispitivanog uzemljivača i pojedinih tačaka oko uzemljivača mjeri se napon U V , na osnovi kojeg se određuje napon u mjernoj tački U M kao:
U M U ZM U V
(3.27.)
Na osnovi relacije 3.25. dobije se:
U M %
U M U ZM
100
U ZM U V U ZM
100
(3.28.)
može se vršiti i neposredno ako se jedna pomoć na sonda postavi dovoljno daleko od uzemljivača (izvan područja zatvaranja struje), a napon mjeri između te sonde i mjerne sonde koja se pomjera iz tačke u tačku. Ovakav način mjerenja je manje podesan zbog veće udaljenosti pomoćne sonde, a najčešće se ras pored potencijala snima samo u blizini uzemljivača. Mjerenje napona U M
Unutarnji otpor voltmetra, upotrijebljenog za mjerenje, treba da bude dovoljno veliki tako da
se otpor rasprostiranja naponske sonde može zanemariti. Poželjno je da otpor voltmetra bude 36
bar stotinu puta
veći od otpora rasprostiranja sonde. Kako se pri određivanju raspodjele potencijala napon treba mjeriti u velikom broju tačaka, praktično je neizvodljivo postaviti u svakoj tački sondu tako duboko u zemlju kao pri mjerenju otpora rasprostiranja uzemljivača, jer bi se mjerenje veoma sporo odvijalo. Zbog toga je otpor sonde vrlo veliki i može da dostigne vrijednost i nekoliko hiljada oma.
Ako u mjerenju učestvuju dvije osobe, što pretpostavlja upotrebu dvije sonde koje se naizmjenično uključuju, onda se ono može ubrzati, jer u tom slučaju dok se na jednoj sondi obavlja mjerenje, druga se pomjera na sli jedeće mjerno mjesto. Mjerne tačke treba odrediti po određenom sistemu kako bi se kasnije moglo obaviti ucrtavanje ekvipotencijalnih krivih u plan zemljišta. Pri mjerenju raspodjele potencijala trebalo bi se kretati od određene polazne tačke pravolinijski u različitim smjerovima, pri tome bilježeći napon između uzemljivača i sonde u odabranim mjernim tačkama. Na osnovi izvršenih mjerenja potrebno je napraviti sliku ekvipotencijalnih krivih uzemljivača. Prema gustoći ekvipotencijalnih krivih, može se vidjeti gdje su nagibi naponskog lijevka najveći, dakle gdje su najopasnija područja. Ekvipotencijalne krive obično se ucrtavaju u procentualnim vrijednostima napona uzemljivača, koji se uzima 100 %. U ovisnosti od veličine dimenzija površine na kojoj treba mjeriti raspodjelu potencijala, potrebno je i predvidjeti opremu za ekipu koja vrši mjerenja. Dakle, potrebno je predvi djeti dovoljnu dužinu izolirajućeg vodiča, koji po mogućnosti treba da bude na kalemu koji je pogodan za nošenje na leđima, tako da se za vrijeme hodanja može odmotavati i namotavati. U prvih 200 (m) mjerne tačke treba gusto postaviti, na primjer svakih 20 (m), a dalje svakih 50 (m). Prema prvoj g ruboj ocjeni koja se dobije na taj način, treba obaviti mjerenja i u međusmjerovima, koji se biraju na najopasnijem području. Pri odabiru smjerova, treba obratiti pažnju na eventualne metalne vodove, koji prolaze kroz područje uzemljivača (vodovodne cijevi, kabeli i slično), a koji utječu u velikoj mjeri na raspored potencijala. Za brže obavljanje posla , preporučuje se prije početka mjerenja, označavanje smjerova kočevima u tačkama gdje će se vršiti mjerenje. Slično kao i kod mjerenja otpora rasprostiranja uzemljivača, i kod mjerenja raspodjele potencijala javljaju se greške usljed utjecaja stranih struja, kao i usljed induktivnih utjecaja mjerne struje. Ovakve utjecaje treba otkloniti jednom od pogodnih metoda kao što su npr.:
metoda titranja,
metoda promjene polariteta,
vektorsko mjerenje,
blokiranje istosmjernih struja.
Metoda titranja zasniva se na upotrebi naponskog izvora čija je frekvencija različita od mrežne za nekoliko desetaka Hz. Naponi izazvani ispitnom strujom geometrijski se zbrajaju sa eventualnim naponom smetnje U S čiji se iznos i fazni pomak mogu smatrati konstantnim za dovoljno kratak mjerni ciklus. Zbog asinhrone superpozicije napona kazaljka voltmetra se pomjera između maksimalne i minimalne vrijednosti U 1 i U 2 . Za napon izazvan ispitnom strujom tada vrijede relacije:
37
U U U
U 1 U 2
za 2 U S U 1
2 U 1 U 2
za 2 U S U 1
2 U 1
(3.29.)
za 2 U S U 1
2
Metoda promjene polariteta zasniva se na upotrebi naponskog izvora mrežne frekvencije čiji se fazni pomak može promjeniti za 180 0 nakon bezstrujne pauze. Napon se mjeri prije promjene polariteta (U 1 ) i poslije promjene polariteta ( U 2 ). Napon smetnji U S mjeri se kod isključene ispitne struje. Na osnov i vektorskog odnosa dobije se vrijednost stvarnog napona U kao: U 1 U 2 2
U
2
2 2 U S
(3.30.)
Kako utjecaji stranih struja nisu konstantni, mjerenja se moraju obavljati brzo, jedno za drugim.
Znatno je teže odrediti napone kao rezultat smetnji zbog induktivnih utjecaja mjerne struje, koji mogu da budu viso ki ako je dovod do sonde položen paralelno sa dovodom do pomoćnog uzemljivača. U tom slučaju napon raste srazmjerno sa rastojanjem između sonde i mjerenog uzemljivača. Otpor rasprostiranja uzemljivača je najvećim djelom omskog karaktera pa je pad napona na njemu u fazi sa strujom, dok je indukovni napon zbog mjerne struje u dovodu pomaknut za cca 900 .
Zato mjerne vodove treba voditi, po mogućnosti okomito u odnosu na vod prema pomoćnom uzemljivaču. Ako se to ne može ostvariti iz prostornih razloga, udio napona koji u mjernom vodu inducira ispitna struja može se ukloniti mjeračem vektora (vektor voltmetrom). Vektor voltmetar je dvokanalni mjerni instrument koji može da mjeri pojedinačne amplitude dva priključena napona i faznu razliku između njih. Ako naponi smetnje pokazuju visoke udjele istosmjernog napona, mož e se upotrijebiti voltmetar kod kojeg se istosmjerni napon blokira.
se u cijelom području oko uzemljivača izmjeri potencijal i nacrtaju ekvipotencijalne krive na planu zemljišta ima se dovoljno pregledna slika o tome gdje mogu napon dodira i Kada
napon koraka da dostignu visoku, opasnu vrijednost i gdje su potrebna dodatna mjerenja napona dodira i napona koraka. Napon dodira U d i napon koraka U k mjeri se na isti način kao i mjerenje raspodjele potencijala oko zemljivača. Između mjerenog i pomoćnog uzemlj ivača priključi se dovoljno viso ki
izmjenični napon kako bi između oba uzemljivača tekla dovoljno velika struja (cca 100 A), a zatim se sa voltmetrom velikog unutarnjeg otpora mjere naponi.
Napon dodira mjeri se između pojedinih dostupnih vodljivih dijelova postrojenja i tla. Radi mjerenja napona dodira na rastojanju 1 m od dostupnih vodljivih dijelova, postavlja se mjerna elektroda za simulaciju stopala koja mora imati površinu od 400 (cm 2) i nalijegati na tlo sa minimalnom silom od 500 (N). Umjesto mjerne elektrode, kao zamjena, može se koristiti
mjerna sonda zabijena u zemlju najmanje 20 (cm) duboko. U slučaju betona ili suhog tla mjerna sonda se mora postaviti na mokru krpu ili na sloj vode. Šiljasta elektroda za simulaciju ruke mora moći pouzdano probiti prevlaku boje, ali ne i izolaciju. Jedna stezaljka voltmetra spoji se sa mjernom elektrodom za simulaciju ruke na dostupni vodljivi dio, a druga stezaljka spoji se sa mjernom elektrodom za simulaciju noge na tlu. 38
Napon dodira mora se odrediti uz uzimanje u obzir otpora ljudskog tijela od 1000 ( ). Mjerenje se vrši pomoću voltmetra minimalnog unutarnjeg otpora od 1000 ( ). Ukoliko se
mjerenje vrši pomoću voltmetra velikog unutarnjeg otpora, paralelno sa voltmetrom se priključi otpornik od 1000 () koji simulira otpor čovječijeg tijela. Napon koraka mjeri se između dvije tačke na tlu, takođe r, na rastojanju 1(m). Elektrode za simulaciju nogu moraju imati istu površinu i silu nalijeganja na tlo kao u slučaju mjerenja napona dodira. Napon dodira i napon korak a treba mjeriti na cijelom području transformatorske stanice, a i na
području svih metalnih vodova koji prolaze kroz područje uzemljivača, a koji mogu da prenesu potencijal izvan njihovog područja. 3.5.
NADZOR I KONTROLA U ZEM LJI VA Č K I H SI STEM A
Uzemljenje odgovara svojoj namjeni samo onda ako su parametri uzemljenja i pri najnepovoljnijim uvjetima, na primjer u vrijeme velike suše, unutar dozvoljenih granica koje su određene propisima. Kako je ranije rečeno, sistem uzemljenja mora zadovoljiti osnovna četiri zahtjeva: -osigurati mehaničku čvrstoću i otpornost na koroziju, -osigurati toplotno podno šenje najveće struje kvara (koja se obi čno određuje proračunom), -izbjeći štetu za imovinu i opremu, i -osigurati bezbjednost ljudi s obzirom na napone koji se na sistemu uzemljenja javljaju pri
najvećim strujama zemljospoja. Pri izradi projektne dokumentacije međunarodni propisi zaht ijevaju obavezno mjerenje specifičnog električnog otpora tla za postrojenja nazivnog napona iznad 110 kV. Za postrojenja nazivnog napona nižeg od 110 kV mjerenja specifičnog električnog otpora nisu obavezna, ali su poželjna. Nakon instaliranja uzemlivača, a prije puštanja u pogon, potrebno je kontrolirati njegove parametre, kako bi se provjerilo da li su postignute projektirane vrijednosti.
Isto tako, u toku ekspolatacije potrebno je periodično vršiti mjerenja i kontrolu uzemljivačkog sistema kako bi se provjerila njihova ispravnost.
Prema međunarodnim standardima uzemljeni objekti, s obzirom na svoje osobine, mogu se podijeliti u sli jedeće skupine: 1.Postrojenja
nazivnog napona 110 kV i višeg. Ta su postrojenja raspoređena u skupine prema osobinama uzemljivačkog sistema na ovaj način: 1.1. Uzemljivač postrojenja izrađen je od vodiča koji
je od pocinčanog čelika,
Uzemljivač postr ojenja izrađen je od bakrenih vodiča ili vodiča od drugih metala prevučenih slojem bakra, 1.2.
39
Iz postrojenja izlaze dva ili više kabela koji služe kao uzemljivači ( odnosno izlaze dvije ili više uzemljivačke trake položene uz kabele s plastičnim plaštem ), a čiji je ukupni otpor rasprostiranja najmanje dva puta manji od otpora rasprostiranja uzemljivača postrojenja. 1.3.
2. Postrojenja nazivnog napona nižeg od 110
kV . Ona su raspoređena u sl i jedeće skupine:
2.1. Uzemljivač postrojenja izrađen od vodiča koji je
od pocinčanog čelika,
Uzemljivač postr ojenja izrađen je od bakrenih vodiča ili vodiča od drugih metala prevučenih slojem bakra, 2.2.
Iz postrojenja izlaze dva ili više kabela koji služe kao uzemljivači ( odn osno izlaze dvije ili više uzemljivačke trake položene uz kabele s plastičnim plaštem ), a čiji je ukupni otpor rasprostiranja najmanje dva puta manji od otpora rasprostiranja uzemljivača postrojenja. 2.3.
3. Stupovi nadzemnih vodova raspoređeni su u 3.1. Stupovi se nalaze u prostoru za
dvije s kupine:
kampiranje ili na području kupališta,
3.2. Stupne transformatorske stanice i stupovi koji
nose posebnu električnu opremu.
U tabeli 3.1. navedene su obavezne vrste mjerenja i pregledi koji se izvode kod uzemljenih objekata u toku eksplo atacije, prema važećim međunarodnim propisima.
različitih
Tabela 3.1. Obavezna mjerenja i pregledi
Prije puštanja u pogon Objekt
Objekti iz tačke 1.1. Objekti iz tačke 1.2. Objekti iz tačke 1.3. Objekti iz tačke 2.1. Objekti iz tačke 2.2. Objekti iz tačke 2.3. Objekti iz tačke 3.1. Objekti iz tačke 3.2.
ili poslije radova na sistemu uzemljenja Vrste mjerenja P Z U U D + + + + + + + + + + + + + + + + + – + + – + + +
U toku eksploatacije Vrste mjerenja P Z U + + + + + – + + + + + – + – + +
U D
Periodičnost
+ +
5 10 5 5 10 5 5 5
– + +
– + +
Značenja oznaka u tabeli su: + obavezno – nije obavezno P – vizuelni pregled – mjerenje impedanse uzemljenja Z U U – mjerenje napona dodira D Napomena: mjerenje napona dodira U D za objekte iz grupe 1 i 2 obavezna su samo u posebnim slučajevima
40