Ocena zagrożenia porażeniowego w rejonie rozdzielni i stacji wysokiego napięcia, szczególnie o napięciu od 110 kV wzwyż

Autorzy:

mgr inż. Jan Sikorski, inż. Stefan Szpak

ZPBE Energopomiar-Elektryka Gliwice

Niniejsza publikacja jest modyfikacją artykułu zamieszczonego w Biuletynie Naukowo - Technicznym Zakładów Pomiarowo - Badawczych Energetyki ENERGOPOMIAR, nr 2 (196), stanowiącym wkładkę do czasopisma ENERGETYKA, nr 10, 2001 r., strona 620(42) – 623(45).

W artykule zamieszczonym w czasopiśmie ENERGETYKA, na stronie 622(44), w prawej kolumnie tekstu, błędnie został wydrukowany pierwszy od góry wzór, na obliczanie napięcia U. W niniejszej publikacji wzór ten jest podany prawidłowo.

WSTĘP

Zmiany jakie nastąpiły w ostatnich latach w polskiej gospodarce, w tym również w polskiej energetyce, doprowadziły do dużej samodzielności poszczególnych jednostek gospodarczych. Kierownictwa tych jednostek mają obecnie dużą swobodę w kierowaniu działalnością gospodarczą swoich zakładów, starając się osiągnąć możliwie najlepsze wyniki ekonomiczne. Nie powinny one jednak zapominać o tym, że urządzenia, w kierowanych przez nich zakła-dach, w tym urządzenia elektryczne, nie mogą stwarzać zagrożenia ani dla własnych pracowników, ani też dla osób postronnych. Takiego zagrożenia nie mogą więc stwarzać m.in. rozdzielnie i stacje elektroenergetyczne wysokiego napięcia (WN).
Wśród zagrożeń jakie mogą stwarzać rozdzielnie i stacje wysokiego napięcia szczególnie groźnym jest zagrożenie ludzi porażeniem prądem elektrycznym oraz zagrożenie izolacji takich urządzeń jak linie telekomunikacyjne wprowadzone na teren stacji, co w dalszej konsekwencji może również doprowadzić do zagrożenia ludzi porażeniem prądem elektrycznym. 
Na polskim rynku znajduje się liczne grono osób (firm) oferujących usługi w zakresie badań zagrożenia porażeniowego stwarzanego przez urządzenia WN. Z ich usług korzysta wiele zakładów przemysłowych, elektrownie, elektrociepłownie itp. Niektóre zakłady przeprowadzają takie pomiary siłami własnych grup pomiarowych. Z naszej znajomości rynku usług wynika jednak, że tylko nieliczni wykonawcy przeprowadzają tego typu badania z dostateczną dla praktyki dokładnością.
W publikacji zwrócona została uwaga na czynniki, które powinny zostać uwzględnione przy pomiarach zagrożenia porażeniowego wynikającego z występowania napięć uziomowych i napięć rażeniowych dotykowych (krokowych) w rejonie rozdzielni i stacji wysokiego napięcia, tj. przy pomiarach zagrożenia porażeniowego w przypadku dotyku pośredniego.

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA POZIOM ZAGROŻENIA PORAŻENIOWEGO LUDZI

Zagrożenie porażeniowe ludzi, zarówno znajdujących się na obszarze rozdzielni lub stacji WN, jak też znajdujących się poza tymi obiektami, napięciami rażeniowymi wynika z tego, że podczas zwarć w sieciach elektroenergetycznych z udziałem ziemi prąd spływający do ziemi z uziomu obiektu elektroenergetycznego (prąd uziomowy) wywołuje na tym uziomie napięcie uziomowe. Wartość tego napięcia uzależniona jest od wartości prądu uziomowego i wypadkowej rezystancji uziomu obiektu elektroenergetycznego. 
Wartości napięć rażeniowych dotykowych (i krokowych), stwarzających bezpośrednie zagrożenie dla ludzi, zależą od wartości napięć uziomowych, a więc również od prądu uziomowego i rezystancji uziomu, a ponadto od:

przy czym poziom tego zagrożenia zależy też od czasu trwania zwarcia.

KRYTERIA OCENY ZAGROŻENIA PORAŻENIOWEGO

Wymagania w zakresie ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach WN zawiera norma PN-E-05115:sierpień 2002 [3]. Ocena zagrożenia porażeniowego spodziewanego w rejonie obiektów elektroenergetycznych WN, a wynikającego z dotyku pośredniego, polega na wyznaczeniu napięć rażeniowych mogących wystąpić zarówno na obszarze tych obiektów, jak też w ich sąsiedztwie, a następnie porównaniu tych napięć z napięciami uznawanymi za dopuszczalne. Zgodnie z [3] wymaganym jest wyznaczenie wartości przewidywanych napięć dotykowych rażeniowych, natomiast nie jest koniecznym określanie napięć krokowych rażeniowych. Dopuszczalne napięcia dotykowe rażeniowe ( U_Tp ) dla różnych czasów doziemienia ( t_F ), tj. dla różnych czasów występowania tego napięcia, zawiera tablica C.3 normy [3].
Z formalnego punktu widzenia dopuszczalne napięcia dotykowe rażeniowe wg [3] powinny być zachowane dla obiektów nowych, obecnie oddawanych do eksploatacji. Dla obiektów wprowadzonych do eksploatacji przed datą ustanowienia normy [3] wystarczającym jest spełnienie wymagań [1].

CHARAKTERYSTYKA STOSOWANYCH METOD POMIAROWYCH

Najczęściej stosowaną metodą pomiaru napięcia uziomowego oraz napięć rażeniowych jest metoda techniczna polegająca na pomiarach podczas wymuszenia przepływu prądu pomiarowego w obwodzie: uziom badany – pomiarowy uziom pomocniczy (norma [3] nazywa tę metodę „metodą wielkoprądową”). Prąd pomiarowy, modelujący rzeczywiste zwarcie z udziałem ziemi, o wartości rzędu 40 – 100 A, wymuszany jest napięciem 220 V lub 380 V, najczęściej przy wykorzystaniu znajdującego się na badanym obiekcie transformatora o dolnym napięciu 0,4 kV. Podczas przepływu prądu pomiarowego wykonywane są pomiary napięcia uziomowego badanego uziomu, napięcia dotykowe spodziewane (U_ST), napięcia dotykowe rażeniowe (U_T)¹⁾ oraz inne napięcia, np. naprężające izolację kabli teletechnicznych, mogące stanowić zagrożenie dla ludzi i urządzeń jak też pomiary prądów obciążających wybrane elementy, np. powłoki kabli teletechnicznych.
Prądy i napięcia, zmierzone podczas przepływu prądu pomiarowego, przeliczane są na warunki rzeczywistego zwarcia w sieci elektroenergetycznej, podczas którego prąd uziomowy jest na ogół wielokrotnie większy niż prąd pomiarowy.
Oprócz opisanej powyżej metody technicznej, nazywanej w ubiegłym okresie metodą małoprądową, Energopomiar wykonywał również pomiary [4]: metodą techniczną średnioprądową, przy której prąd pomiarowy wymuszany był napięciem 6 – 15 kV, co pozwalało na uzyskiwanie prądów pomiarowych rzędu kilkuset amperów,
metodą zwarciową, polegającą na pomiarach napięć i prądów przyrządami rejestrującymi, podczas rzeczywistych zwarć w sieci elektroenergetycznej (podczas takich pomiarów prądy zwarcia w sieciach 110 - 220 kV ograniczane były do kilku kA), ale obecnie nie są one wykonywane.²⁾

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA DOKŁADNOŚĆ POMIARÓW

Na dokładność pomiarów wpływ mają przede wszystkim:

Pomiarowy obwód prądowy i miejsce modelowania zwarcia

Pomiarowy obwód prądowy powinien zapewniać rozpływ prądu pomiarowego zbliżony do rozpływu prądu zwarcia z udziałem ziemi w warunkach zwarcia rzeczywistego. Do wykonania prądowego obwodu pomiarowego wykorzystuje się najczęściej jedną z linii zasilających obiekt elektroenergetyczny, a pomocniczy uziom prądowy stanowi uziemienie rozdzielni (stacji) po drugiej stronie tej linii.
W przypadku niezbyt rozległych obiektów, takich jak stacje 110 kV/SN (SN - średnie napięcie), z rozdzielniami 110 kV pracującymi w układzie H, taki obwód zapewnia rozpływ prądu pomiarowego zbliżony do rozpływu prądu rzeczywistego zwarcia w urządzeniu elektroenergetycznym, odpływającego z uziemienia badanego obiektu elektroenergetycznego do uziemionych punktów neutralnych transformatorów mocy usytuowanych poza badanym obiektem elektroenergetycznym. 
Przy badaniach rozległych obiektów elektroenergetycznych (stacje 220/110 kV, 400/110 kV itp., posiadające rozmiary kilku, a nawet kilkunastu hektarów) koniecznym jest uwzględnienie nie tylko generowania podczas zwarć napięć rażeniowych przez prądy płynące od miejsca zwarcia do punktów neutralnych transformatorów (autotransformatorów) zlokalizowanych poza obszarem badanego obiektu elektroenergetycznego, ale również generowanie tych napięć przez prądy płynące od miejsca zwarcia do uziemionych na stacji punktów neutralnych uzwojeń 110 kV (220 kV, 400 kV). W tym celu wykonuje się dodatkowe pomiary napięć rażeniowych dotykowych przy wymuszeniu prądów pomiarowych pomiędzy stanowiskami pomiaru tych napięć, a stanowiskami transformatorów (autotransformatorów) usytuowanych na badanym obiekcie elektroenergetycznym.
Miejsce wpływu prądu zwarcia rzeczywistego lub prądu pomiarowego do badanego uziemienia ma wpływ na kształtowanie się rozkładu napięcia uziomowego elementów tego układu, a tym samym napięć rażeniowych w poszczególnych obszarach uziemienia obiektu. Ponieważ największe napięcia rażeniowe występują w bezpośrednim sąsiedztwie miejsca spływu prądu do uziemienia obiektu elektroenergetycznego, pomiary tych napięć na poszczególnych urządzeniach rozdzielni (stacji) WN wymagają modelowania zwarcia w obszarze, w którym dokonywane są pomiary. Celem badań zagrożenia porażeniowego jest bowiem określenie największych napięć rażeniowych, mogących wystąpić podczas eksploatacji badanej stacji elektroenergetycznej. Potrzeba zmieniania miejsca modelowania zwarcia na terenie stacji elektroenergetycznej dotyczy wszystkich stacji, ale szczególnie dotyczy to stacji rozległych, których podstawowy uziom stanowią uziomy fundamentowe żelbetowe wraz z uziomem kratowym poziomym o dużych rozmiarach oczek. W takich przypadkach zamodelowanie zwarcia w odległości kilku – kilkunastu metrów od miejsca wykonywania pomiaru napięcia dotykowego rażeniowego powoduje, że mierzone napięcie rażeniowe jest niższe od kilku do kilkudziesięciu procent od napięcia jakie generowałby prąd wpływający do uziemienia na badanym stanowisku pomiarowym. Pomiary napięć rażeniowych prowadzone w większych odległościach od miejsca modelowanego zwarcia praktycznie w ogóle nie odzwierciedlają napięć jakich można się spodziewać w sąsiedztwie miejsca zwarcia i nie mogą one stanowić podstawy do prawidłowej oceny poziomu zagrożenia porażeniowego.

Warunki wilgotnościowe na stanowisku pomiaru napięć rażeniowych

Napięcie rażeniowe zdefiniowane jest w [3] jako część napięcia uziomowego, wywołanego zwarciem doziemnym, która może pojawić się na ciele człowieka zakładając, że prąd przepływa przez ciało człowieka na drodze ręka – stopy (pozioma odległość od części dotykanej 1 m). Przy wyznaczaniu napięcia dotykowego rażeniowego przyjmuje się, że rezystancja ciała człowieka wynosi 1 kΩ.
Napięcie dotykowe rażeniowe zależy zarówno od napięcia dotykowego spodziewanego występującego w danym miejscu (wg [3] „napięcie dotykowe spodziewane” jest to napięcie, „...które pojawia się podczas doziemienia między częściami przewodzącymi a ziemią, gdy części te nie są dotykane...”), jak również od dodatkowych rezystancji, w tym rezystancji górnej warstwy gruntu na rozpatrywanym stanowisku. Pomiary napięć rażeniowych powinny więc być wyznaczone dla warunków mokrej powierzchni stanowiska, jeżeli takie warunki będą mogły wystąpić w czasie eksploatacji. Oszacowania wartości napięć dotykowych rażeniowych można też dokonać wykonując pomiary napięć dotykowych spodziewanych, które to pomiary można przeprowadzić nawet przy suchej powierzchni stanowiska pomiarowego.

Potencjał własny badanego uziemienia

Zarówno mierzone napięcie uziomowe, jak również mierzone napięcia dotykowe i napięcia dotykowe rażeniowe mogą być obarczone błędem na skutek m.in. spływu do ziemi prądów z uziemionych na obiekcie punktów neutralnych uzwojeń WN transformatorów (autotransformatorów), wynikających z niezrównoważenia obciążenia faz sieci elektroenergetycznej. Najczęściej stosowanym sposobem eliminacji błędu wynikającego z występujących zakłóceń jest metoda odwracania biegunowości napięcia wymuszającego przepływ prądu pomiarowego. Polega ona na pomiarze: napięcia U₁ – przed odwróceniem fazy napięcia zasilającego,
napięcia U₂ – po odwróceniu fazy napięcia zasilającego,
napięcia U₀ – tj. napięcia zakłócającego, przy wyłączonym prądzie pomiarowym, a następnie obliczeniu napięcia wywołanego wyłącznie prądem pomiarowym, ze wzoru:
U = [ ( U₁² + U₂² ) / 2 - U₀² ]^1/2

Przeliczanie zmierzonych napięć i prądów na warunki rzeczywistego zwarcia

Prawidłowe przeliczenie wyników pomiarów napięć uziomowych oraz napięć dotykowych rażeniowych i krokowych na poziom mocy zwarciowej występujący aktualnie, lub przewidywany docelowo dla rozpatrywanego obiektu elektroenergetycznego, jest najtrudniejszą i najbardziej dyskusyjną sprawą przy badaniach rozległych układów uziemiających. Współczynnik przeliczeniowy „k”, przez który należy przemnożyć zmierzone napięcia uziomowe i napięcia rażeniowe dotykowe w celu określenia tych napięć spodziewanych podczas rzeczywistego zwarcia z udziałem ziemi, wyznacza się według ogólnego wzoru [1]:
k = I_uz / I_up 
gdzie:
I_uz – przewidywany prąd uziomowy podczas przepływu największego spodziewanego prądu jednofazowego zwarcia doziemnego,
I_up – prąd uziomowy wymuszony podczas pomiarów.
Przy zastosowaniu oznaczeńwg [3], powyższy wzór ma postać:
k = I_E / I_EM
gdzie:
IE odpowiada I_UZ, natomiast I_EM odpowiada I_UP
Prąd uziomowy zdefiniowany jest jako [1] część prądu jednofazowego zwarcia doziemnego, spływająca z uziomu bezpośrednio do ziemi lub jako [3] prąd płynący do ziemi przez impedancję układu uziomowego. Należy zwrócić uwagę na to, że przeważnie układ uziomowy badanego obiektu elektroenergetycznego jest powiązany z innym układem uziomowym, np. zakładu przemysłowego, przy którym, lub na którym to terenie usytuowany jest badany obiekt elektroenergetyczny.
Dla określenia prądu I_EM [3] podaje zależność:
I_EM = r x I_M
gdzie: 
r – jest współczynnikiem redukcyjnym przewodów odgromowych linii elektroenergetycznej wykorzystanej do wykonania pomiarowego obwodu prądowego,
I_M – jest prądem płynącym w pomiarowym obwodzie prądowym.
natomiast dla obliczenia prądu Iuz podana jest zależność:
I_E = Σ ( r_i x 3I₀,i ) 
gdzie r_i oraz 3I₀,i oznacza odpowiednio: współczynnik redukcyjny oraz składową zerową prądu zwarciowego płynącego w przewodach fazowych linii dochodzących do obiektu elektroenergetycznego. Przy obliczeniach prądu I_E powinno się również uwzględniać kable, którymi zasilane jest miejsce zwarcia (i ich współczynniki redukcyjne).
Jeżeli współczynniki redukcyjne przewodów odgromowych wszystkich linii napowietrznych odchodzących z obiektu elektroenergetycznego są do siebie zbliżone, prąd I_E można wyznaczyć z zależności [3]:
I_E = r x Σ ( 3I₀ )
gdzie Σ( 3I₀ ) jest sumą prądów płynących wszystkimi przewodami fazowymi do obiektu elektroenergetycznego, przy czym podane jest [3] dodatkowe wyjaśnienie, że dla doziemienia w stacji, Σ( 3I₀ ) "jest różnicą pomiędzy prądem doziemienia i prądem płynącym przez punkt neutralny transformatora" (usytuowanego na stacji – uwaga Autorów).
W powyższych zaleceniach obliczania prądu uziomowego dla warunków zwarciowych przyjęte jest więc założenie, że prądy płynące pomiędzy miejscem zwarcia w obiekcie elektroenergetycznym, a uziemionymi punktami gwiazdowymi transformatorów i/lub autotransformatorów WN zlokalizowanych w tym obiekcie, zamykają się wyłącznie przez metalowe elementy układu uziomowego obiektu, nie wywołując napięć rażeniowych/dotykowych w tym obiekcie.
Tak jednak nie jest. Pomiary wykonywane przez Energopomiar-Elektryka wykazują, że prądy płynące od miejsca zwarcia do punktów neutralnych transformatorów i/lub autotransformato-rów WN zlokalizowanych w dużym obiekcie, do których należy zaliczyć większość stacji elektroenergetycznych o górnym napięciu od 220 kV wzwyż oraz niektóre duże rozdzielnie 110 kV, wywołują znaczące napięcia dotykowe rażeniowe. Wielkość tych napięć uzależniona jest od usytuowania miejsca zwarcia w stosunku do lokalizacji na stacji transformatora (auto-transformatora) WN. W przypadkach wystąpienia zwarcia w odległości kilkudziesięciu metrów od transformatora (autrotransformatora) WN napięcia rażeniowe dotykowe wywołane prądem zamykającym się pomiędzy miejscem zwarcia, a transformatorem (autrotransformatorem) mogą osiągać wartości rzędu 70 – 90 procent wartości napięć jakie wywołałby prąd o takiej samej wartości płynący od miejsca zwarcia do punktów neutralnych transformatorów (autotransformatorów) WN zlokalizowanych w sieci elektroenergetycznej poza badanym obiektem. Do chwili obecnej jednak nikt poza Energopomiarem-Elektryką nie uwzględnia w prowadzonych badaniach opisanego powyżej wpływu, na wartość napięć rażeniowych, udziałów w prądzie zwarcia punktów neutralnych usytuowanych na stacji transformatorów (autotransformatorów), co prowadzi do wyznaczania zaniżonych napięć rażeniowych dotykowych w stosunku do napięć jakie rzeczywiście wystąpią podczas zwarcia doziemnego. 
Sprawą wzbudzającą kontrowersje jest też sprawa zalecanego przez [3] (a wcześniej również przez [1] i [2]) określania zagrożenia porażeniowego w sieciach WN wyłącznie dla przypadków jednofazowych zwarć z ziemią niezależnie od tego, czy sieć elektryczna pracuje z punktem neutralnym uziemionym, czy też z punktem neutralnym izolowanym. W sieciach o napięciu od 110 kV wzwyż, pracu-jących z uziemionym bezpośrednio punktem neutralnym, sprawa jest jednoznaczna. Do przeliczeń należy oczywiście przyjmować prąd jednofazowego zwarcia z ziemią. W przypadku jednak sieci SN, pracujących z izolowanym punktem neutralnym, zwarcia doziemne często przekształcają się w zwarcia dwumiejscowe (zwarcia dwufazowe poprzez ziemię), podczas których prądy uziomowe badanego układu uziomowego, a tym samym napięcia rażeniowe mogą być setki, a nawet tysiące razy większe od napięć podczas jednofazowych zwarć z ziemią. Zagadnienie to przedstawili Autorzy w [5], a w [6] opisane są przypadki tragicznych porażeń ludzi w sieciach SN, pomimo stwierdzonego pomiarowo, w oparciu o obowiązujące kryteria oceny, braku zagrożenia porażeniowego podczas jednofazowych zwarć z ziemią.
Poprawne podejście do wyznaczania napięć rażeniowych spodziewanych w rejonie urządzeń o napięciu znamionowym powyżej 1 kV, w tym w rejonie urządzeń SN, zawiera [7].

ZAKOŃCZENIE

Poprawne przeprowadzenie badań zagrożenia porażeniowego spodziewanego w rejonie obiektów WN zależy nie tylko od znajomości dostępnych pozycji literaturowych i znajomości obowiązujących w ubiegłym okresie czasu lub/i proponowanych wymagań w zakresie ochrony przed porażeniem prądem elektrycznym, ale w dużej mierze od posiadanego doświadczenia zespołu specjalistów prowadzących terenowe pomiary w tym zakresie.

LITERATURA

1. Rozporządzenie Ministra Przemysłu z dnia 8 października 1990 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać urządzenia elektroenergetyczne w zakresie ochrony przeciwporażeniowej, którego załącznik 2 zawiera „Warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać urządzenia elektroenergetyczne o napięciu znamionowym wyższym niż 1 kV w zakresie ochrony przeciwporażeniowej dodatkowej”. Dziennik Ustaw nr 81 z dnia 26.11.1990 r. (rozporządzenie anulowane z dniem 1 kwietnia 1995 r.).
2. Kosztaluk R.: Ochrona ludzi od porażeń napięciem dotykowym w instalacjach wysokiego napięcia. Projekt przepisów. Przepisy Budowy Urządzeń Elektroenergetycznych, wydanie IV, Wydawnictwa Przemysłowe WEMA, Warszawa, 1997.
3. PN-E-05115:sierpień 2002 - Instalacje elektroenergetyczne prądu przemiennego o napięciu wyższym od 1 kV.
4. Sikorski J., Szpak S. – Badania układów uziemiających w urządzeniach elektroener-getycznych o napięciu powyżej 1 kV. Energetyka, 1977, nr 4, str. 170.
5. Sikorski J., Szpak S. – Zagrożenie porażeniowe w zakładach przemysłowych podczas zwarć w urządzeniach zasilanych z sieci elektroenergetycznych o napięciu wyższym niż 1 kV. Energetyka, 1999, nr 11, str. 592.
6. Celebrowskij J.W.: Dwa wypadki porażeń elektrycznych w sieciach elektroenergetycznych średnich napięć. Materiały XI Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej – Bezpieczeństwo Elektryczne, t. I, Wrocław, 1997.
7. PN-E-04700:1998 - Urządzenia i układy elektryczne w obiektach elektroenergetycznych. Wytyczne przeprowadzania pomontażowych badań odbiorczych.

PRZYPISY
¹⁾ Nazwy i oznaczenia według [3].
²⁾ Nazwy: metoda średnioprądowa i metoda zwarciowa były nazwami potocznymi, powszechnie stosowanymi.