4.0. IZNOŠENJE OPASNIH POTENCIJALA IZ ELEKTROENERGETSKOG POSTROJENJA

4.1 PROBLEMI OD IZNESENIH POTENCIJALA SA UZEMLJIVAČA 4.1.0 Preneseni (izneseni) potencijal je potencijal uzemljivačkog sustava izazvan strujom prema zemlji koji se preko spojenog vodiča (npr. metalni omotač kabela) prenosi u područje maloga ili nikakvog potencijala prema referentnoj zemlji. To dovodi do razlike potencijala između vodiča i njegove okoline. Fenomen iznošenja potencijala je jedan od popratnih efekata protjecanja struje jednopolnog kratkog spoja u elektroenergetskom postrojenju. Za vrijeme nastanka kvara u postrojenju može se pojaviti opasnost od iznošenja potencijala iz područja uzemljivača u vanjski prostor. Iznošenje potencijala može se ostvariti vodičima kao što su komunikacijski i signalni krugovi, niskonaponski neutralni vodiči, vodovodne instalacije, cjevovodi, željeznički kolosijeci, metalne ograde itd. Pri tome se u pravilu javlja opasnost od previsokog napona dodira. Često su moguće vrlo visoke potencijalne razlike, čime ovaj problem dobiva na značaju. Potencijalne razlike zbog iznesenog potencijala mogu biti istog iznosa ili čak premašiti napon uzemljivača zbog toga što inducirani naponi na neoklopljenim komunikacijskim krugovima, neutralnim vodičima, cjevovodima i si. mogu izneseni potencijal podići iznad napona uzemljivača. Često je nepraktično, a ponekad i nemoguće dimenzionirati uzemljivač tako da napon dodira zbog iznesenog potencijala bude ispod dozvoljene vrijednosti. Rizici od iznesenih potencijala najefikasnije se izbjegavaju primjenom postupaka izoliranja, te jasnim označavanjem opasnosti na takvim dijelovima kao da se radi o "živim" vodičima. 4.1.1 Komunikacijski krugovi Za komunikacijske krugove razvijeni su postupci i uređaji zaštite koji uključuju zaštitna sredstva i izolacijske transformatore u cilju zaštite osoblja i krajnje komunikacijske opreme. Pri tome je bitno naglasiti značaj izoliranja od slučajnog kontakta bilo koje vrste uređaja i njegovog ožičenja, koji mogu poprimiti visoke napone u odnosu na lokalno tlo, što se često previđa. Uvođenjem optičkih kabela u cilju izoliranja komunikacijskih terminala unutar postrojenja od udaljenih terminala, može se eliminirati iznošenje visokih potencijala. Pogotovo treba razmotriti mogućnost uvođenja optičkih kabela kad se konvencionalnim postupcima ne može utjecati na izneseni potencijal. 4.1.2 Željeznički kolosijeci Željeznički kolosijeci koji ulaze u krug postrojenja, kada su namjerno ili na neki drugi način povezani s uzemljivačem postrojenja, mogu uzrokovati opasnost u nekoj udaljenoj točki zbog prenošenja napona uzemljivača u tu tračku za vrijeme kvara. Slično, ako su negdje izvan kruga postrojenja uzemljeni, može nastati opasnost zbog unesenog potencijala u krug postrojenja. Opasnost od iznošenja/unošenja potencijala putem željezničkih kolosijeka može se eliminirati postavljanjem izolacijskih umetaka u tračnice na mjestima gdje one izlaze izvan kruga postrojenja. Osim na tim mjestima, potrebno je još postaviti izolacijske umetke dalje na tračnicama, kako bi se izbjeglo premoštavanje izolacijskih umetaka metalnim vozilima na tračnicama ili preko samog tla, odnosno kako bi se spriječila moguća opasnost zbog potencijalne razlike na samom izolacijskom umetku. Izolacijski umeci moraju imati mogućnost podnošenja potencijalne razlike između udaljene zemlje i potencijala koji se iznosi do umetka. 4.1.3 Niskonaponski neutralni vodiči Ako niskonaponsko napajanje ili sekundarni krugovi opslužuju opremu u području izvan kruga postrojenja, a imaju neutralne tačke spojene na uzemljenje postrojenja, mogu se pojaviti problemi s iznošenjem potencijala. Naime, pri nastanku kvara u postrojenju poraste potencijal

- 4.1 - -

uzemljivača postrojenja pa se dijelom ili u cijelosti može pojaviti u udaljenom području kao opasna potencijalna razlika između ovog uzemljenog vodiča i okolnog tla; osim toga ako su u tom udaljenom području predviđena također neka uzemljavanja, tok struje kvara kroz njih može. pod neželjenim uvjetima, stvoriti opasne potencijalne razlike u području udaljenom od postrojenja. Da bi se izbjegli ovi problemi, niskonaponski neutralni vodiči mogu se izolirati od zemlje u krugu postrojenja, vodeći pri tom računa da se pri tome ne uspori reagiranje niskonaponske zaštite. Ako je niskonaponski neutralni vodič izoliran od uzemljivača postrojenja, treba onda obratiti pažnju da preko njega ne dođe do unošenja niskog potencijala u krug postrojenja. To nas navodi da neutralni vodič unutar i u blizini kruga postrojenja tretiramo kao "živi" vodič. On treba biti izoliran od sistema uzemljivača postrojenja odgovarajućom izolacijom koja će podnijeti maksimalni porast napona uzemljivača pri nastanku kvara, te postavljen tako da se minimiziran opasnost od njegovog dodira. 4.1.4 Prijenosna oprema koja se napaja iz postrojenja Potrebno je imati na umu da se slične situacije mogu pojaviti u slučajevima kad se prijenosna rudarska, iskopna ili transportna oprema te prijenosni alati koji se električki napajaju iz postrojenja koriste izvan kruga postrojenja. Takva oprema je često napajana privremenim kabelskim vodovima. Ako je neutralni vodič ili uzemljenje takve opreme spojeno na uzemljenje postrojenja, mogu se pojaviti previsoki izneseni potencijali. U takvim slučajevima uputno je napojne krugove izolirati od uzemljivača postrojenja, uzemljiti neutralne vodiče i opremu na mjestu rada, te provjeriti da je struja kvara na takvom lokalnom uzemljenju ograničena, tako da ne stvara opasne razlike potencijala. 4.1.5 Cjevovodi Cjevovodi trebaju uvijek biti povezani na sistem uzemljenja postrojenja, poželjno na više mjesta kako bi se spriječile opasnosti unutar kruga postrojenja. Isto vrijedi i za druge vodljive objekte kao što su ekrani ili plaštevi kabela koji su u izravnom kontaktu sa zemljom. Ako su ovakve metalne strukture velike, one mogu značajno doprinijeti smanjenju otpornosti rasprostiranja uzemljivača. Zbog toga što su cjevovodi sastavni dio sistema uzemljenja, ekvipotencijalne linije na površini zemlje bit će izobličene u vanjskom području u koje izlaze cjevovodi. Udaljenost na koju će biti iznesen potencijal određena je propagacijskom konstantom i karakterističnom impedancijom cjevovoda. Propagacijska konstanta i karakteristična impedancija ovise o fizikalnim svojstvima cjevovoda, njegovom vanjskom zaštitom i karakteristikama tla kojim cjevovod prolazi. Ako je poželjno da se ograniče potencijali samo na područje unutar kruga postrojenja, mogu se u cjevovod umetnuti izolacijski umeci. Izolacijski umeci trebaju biti dovoljne dužine da se izbjegne njihovo premoštavanje okolnim tlom i trebaju biti sposobni da izdrže potencijalnu razliku između udaljene zemlje i potencijala prenesenog do tog spoja. 4.1.6 Pomoćne zgrade Ovisno o okolnostima, pomoćne zgrade mogu biti dio uzemljenja postrojenja ili kao zasebne instalacije. Ako su te zgrade i postrojenje relativno blizu i posebno ako su direktno povezane sa postrojenjem, npr. preko vodovoda, kabelskih ekrana, telefonskih linija i si., onda takve zgrade i njihov neposredni okoliš treba smatrati dijelom postrojenja. Kao takve, one trebaju biti uzemljene primjenjujući pri tom iste kriterije sigurnosti kao za uzemljenje postrojenja. Ako zgrade nisu blizu i ako nema vodljivih veza između njih i postrojenja, onda se mogu smatrati kao zasebne cjeline sa svojim vlastitim lokalnim uzemljenjem. Ako su električki napajane iz postrojenja, moraju imati vlastiti distributivni transformator takvog tipa da se omogući odgovarajuća izoliranost od iznošenja potencijala iz postrojenja. U tom slučaju neutralna točka sekundara treba biti spojena samo na lokalno uzemljenje pomoćnih zgrada.

- 4.2 - -

4.2. ODREĐIVANJE IZNESENOG POTENCIJALA MJERENJEM Metalne cijevi vodovoda, parovoda, željezničke šine i metalne obloge kabela jake i slabe struje povezane su sa uzemljivačima unutar kruga razvodnih postrojenja visokog napona, transformatorskih stanica, elektrana i sličnih objekata i time poboljšavaju ukupni prijelazni otpor uzemljenja uzemljivača, ali je loše to da pri zemljospoju, kada uzemljivača dolazi na visok potencijal, mogu iznesti taj visoki potencijale izvan kruga postrojenja i dovesti u opasnost živote ljudi i životinja. .

Slika 4.1. Određivanje iznesenog potencijala izvan kruga V.N. postrojenja

Veličina iznesenog potencijala opada sa odstojanjem od objekta, a intenzitet pada potencijala za-visi od specifičnog otpora tla, odnosno odvodnosti zemlje; što je odvodnosti zemlje bolja, potencijal brže pada i obratno. Ovo je osobito izraženo kod željezničkih pruga, gdje daljina kod koje će potencijal pasti na nulu zavisi od izvedbe gornjeg stroja pruge tj. o vrsti pragova, da li su betonski ili drveni. Ljeti, kada vladaju suše, a pragovi su od drveta, tada željeznička pruga može iznijeti visoki potencijal vrlo daleko. Sprečavanje iznošenja potencijala postiže se ugradnjom izolacionih umetaka u šine željeznice. Praktično određivanje iznesenog potencijala se vrši na sljedeći način: pripreme se uvjeti kao kod mjerenja uzemljenja, pa se kako je to prikazano na slici 4.1, vrši mjerenje visina potencijala na pojedinim točkama (1, 2, 3. . .). Voltmetrom (V) izmjerene veličine potencijala unose se grafički na poprečni presjek i formiraju ekvipotencijalne linije. Tako se dobiva kriva koja prikazuje karakteristiku pada potencijala duž metalnih konstrukcija van kruga visokonaponskog postrojenja. Pri ovim mjerenjima jedan kraj voltmetra je uvijek vezan na nulti potencijal (tj. na dovoljno udaljenu referentnu točku od uzemljivača na kojoj je potencijal ravan nuli), tako da pokazivanje na voltmetru daje veličinu

iznesenog napona..

Slika 4.2 Grafički prikaz promjene iznesenog potencijala. a) u zemlji

b) na površini iznad konstrukcija

Kriva U = f (l), prema slici 4.2, dobijemo upisivanjem očitanih veličina napona sa voltmetra za odgovarajuće rastojanja od uzemljivača (m). Na slici, kriva „a“ prikazuje pad napona (tj. promjena potencijala) na nekom provodniku u zemlji, dok kriva „b“ prikazuje promjenu napona na površini zemlje iznad tih konstrukcija. Na dijagramu vidimo da se potencijali krivih „a“ i „b“ na nekoj udaljenoj točki izjednačuju. Veličine potencijale možemo umjesto u apsolutnim vrijednostima u (V) izraziti u relativnim vrijednostima tj. u (%) prema maksimalno mogućim veličinama (u slučaju zemljospoja) na uzemljivačima.

Relativna veličina iznesenog potencijala izražena u postotcima u odnosu na maksimalnu iznosi:

- 4.3 - -

%100.max

.max% U

UUu mj−

= (4.01)

Sprečavanje prenošenja mogućeg visokog potencijala sa tračnica elektrificirane željeznice na neelektrificirane industrijske i sporedne kolosijeke a time i na industrijske pogone vrlo osjetljivih proizvodnih tehnologija, vrši se ugradnjom izolacionih šinskih „sastava“. Ove „izolacione sastave“ treba postaviti iza skretnice koje odvajaju elektrificirani od neelektrificiranog dijela tračnica.

Ugrađeni „sastavi“ sprečavaju protok povratne struje el.vuče, kao i drugih struja, u neelektrificirani dio pruge.

Sl. 4.3 prikaz izolacionog umetak za šine S45, i izgled spoja šina preko izolacionog umetka.

Ovakve izolacione kombinacije treba ugraditi na prijelazu između svih izvora opasnosti (elektrana, transformatorskih stanica, elektrificirane pruge i sličnih pogona) i slobodnog prostora povezanih željezničkom industrijskom prugom. Broj „izolacionih sastava“ i mjesto ugradnje treba odrediti sukladno prostoru i ostalim uvjetima (dužina kompozicije, vrsta zemlje itd.). Na ovaj način se onemogućava stvaranje potencijalnih razlika opasnih po život ljudi, otklanja mogući izvor požara i eksplozije.

Na slici 4.3 je prikazan izolacioni umetak od permalija (ranije se gradio od sustamita) za šine S45, a na istoj slici se vidi izgled spoja šina preko izolacionog umetka.

- 4.4 - -

4.3. KABELI U SUSTAVU UZEMLJENJA I IZNESENI POTENCIJALA IZ POSTROJENJA

U narednom izlaganju ćemo obraditi problem iznošenja potencijala iz elektroenergetskog objekta, izložiti suštinu problema i opisati mjere za sprječavanje iznošenja potencijal i nastanka nedopuštenih vrijednosti iznesenog potencijala. Nadzemni i podzemni vodovi mogu značajno da utječu na karakteristike uzemljivačkog sustava. Tako kabeli sa neizoliranim metalnim omotačem mogu značajan dio struje zemljospoja odvesti preko metalnih plašteva ili ekrana u zemlju, čime smanjuju struju koja preko uzemljivača odlazi u tlo, a tako da se smanjuju i naponi dodira i koraka. Međutim preko plašteva tj. ekrana kabeli mogu da iznesu povišeni potencijal uzemljivača iz postrojenja u kome je nastao kvar, što može uvećati opasnosti od električnog udara. Zato je potrebito izračunati i procijeniti veličine iznesenih potencijala i njime uzrokovane napone dodira i koraka sa stajališta otklanjanja opasnosti po život ljudi, sukladno s propisima. Pojava iznošenja potencijala je posljedica protjecanja struje jednopolnog kvara vodičima elektroenergetskog post rojenja i njihovog utjecaja na druge vodiče i vodove kao i na metalne elemente konstrukcije i sl. Potencijal može biti iznesen van postrojenja putem: srednje naponskih i niskonaponskih vodova i kabela, komunikacijskih vodova, cjevovoda tračnica i raznih metalnih konstrukcija, koje izlaze van okvira postrojenja u prostor tvornice i okolnih naselja. U cilju određivanja stvarnog stupnja opasnosti od iznesenih potencijala, potrebito je poznavati za pojedina mjesta veličinu potencijala, koja se sastoji od zbroja konduktivne i induktivne komponente struje zemljospoja. 4.4 IZNESENI POTENCIJAL U slučaju zemljospoja u postrojenju, na njegovom uzemljivaču će se uspostaviti potencijal- napon uzemljivača. Ovaj napon će se prenijeti preko ekrana (metalnih plašteva ) kabela, koji polaze iz postrojenja ka susjednim objektima. U slučaju zemljospoja na kraju voda, njime će teći trostruka nulta struja koja se u izvorno postrojenje vrača dijelom dijelom preko plašta, a dijelom kroz zemlju jer se plašt ponaša kao uzemljivač.

oI3

Na svakom dijelu voda u plaštu kabela uslijed magnetske sprege inducira se e.m.s. 0mm I3ZE ⋅−= (4.1)

pri čemu je: -međusobna impedanca vodiča za povratni put struje kroz zemlju. mZZamjenska električna shema je prikazana na sl. 4.4a i ona se može zamijeniti električnom shemom sa strujnim izvorom kao na sl. 4.4b

eZ -je vlastita impedanca kabelskog plašta. Jednakost naponskog i strujnog izvora možemo iskazati preko relacije:

Ze

(1-r)3I0

ZeEm

Sl. 4.4a Električna shema plašta na jediničnoj dužini Sl. 4.4b Zamjenska električna shema sa

strujnim izvorom

- 4.5 - -

e

m

ZZ1r −= (4.2)

ovdje je: -vlastita impedanca metalnog plašta eZ -međusobna impedanca vodiča i metalnog plašta kabela. mZ

Jedan dio struje koji protječe kroz plašt, koja je rezultat elektromagnetne indukcije od faznih vodiča, ne odvodi se u tlo preko plašta nego preko uzemljenja plašta na krajevima kabela i iznosi

( ) 0I3r1 ⋅− . (4.3) 4.4.1 Kabeli sa neizoliranim metalnim plaštem Kabel sa neizoliranim metalnim plaštem provodi struju duž omotača-plašta i uz to se još ponaša i kao uzemljivač odvodeći u tlo dio struje zemljospoja.

Sl. 4.5

Ovakav kabel možemo predstaviti sa koncentriranim elementima:

I1

zdl

Z2U1

I2

U2

n

zdl zdl

ydl ydl ydl

Sl. 4.6

lzZe ⋅= , jxrz += , apa rRr += , ak xXx += (4.4) ovdje su:

1

appa R

1R1R

−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= -ekvivalentna otpornost plašta i armature, (4.5)

FE

FeFea q

lR ρ= -otpor aramature, ovdje su dužina, a Fel TTFe dbnq ⋅⋅= -presjek željezne trake

armature, T

aFeldlδ

π ⋅⋅= , ovdje su: -srednji promjer zavojnice koju čine trake, ad Tδ -korak

uvijanja trake, -broj traka, -širina trake, -debljina trake. Slijedi da je: n Tb Td

ldbn

dRT

2T

aFea ⋅

⋅⋅⋅⋅

=ξπ

ρ , (4.6)

- 4.6 - -

ovdje je: 75,0b

T

T ≈=δ

ξ (4.7)

pR -otpor plašta kabela. Admitansa ima praktično konduktivni karakter i može se smatrati jednaka odvodnosti

vodoravno položenog uzemljivača.

y

[ ]kmS

DH1ln

10gy3

⋅⋅

⋅=≈ρ

π . (4.8)

ovdje je: H -dubina ukopavanja kabela, -vanjski promjer vodljivog plašta, l -ukupna dužina kabela između objekata i b .

Da

Na shemu se mogu primijeniti opće jednačene voda sa raspodijeljenim parametrima, pa se može načiniti veza između napona i struja na kraju plašta kabela.

( ) ( )γγ ⋅⋅⋅+⋅⋅⋅= lshZIllchUU 221 (4.9)

( ) ( γγ ⋅⋅+⋅⋅= lchIlshZ

UI 22

2 ) (4.9a)

ovdje je: yz ⋅=γ -konstanta prostiranja, yzZ = -karakteristična impedansa.

Sada možemo napisati koeficijent iznošenja potencijala preko plašta:

( ) ( )γγ ⋅⋅+⋅==

lshZZlch

1UUk

2

1

2i (4.10)

Impedanca uzemljenja kabela mjerena na kraju u postrojenju “1“ jednaka je:

( ) ( )

( ) ( )γγ

γγ

⋅+⋅

⋅+⋅==

lchZZlsh

lshZZlch

ZI

UZ

2

2

1

1U (4.11)

Prethodna dva izraza možemo pojednostaviti, tako da se granična dužina od koje se kabel smatra

dugim može odrediti izrazom: ε1lnla d =⋅ , ovdje je: realni dio kompleksne konstante a γ .

α⋅= ga , pri čemu je: [ ]zRe=α , nakon sređivanja dobijemo jednačenu za određivanje

dužine od koje se kabel smatra dugim: dl

BAlln

l

d

2d =+

, ovdje su: HD1lnA = ,

2

2

1lnlB ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅

=επα

ρ , tako na pr. za

05,0=ε je 271,0Bαρ

= , kako je: ( rz212 +=α ) dobijemo da je:

rz42,1B

+=

ρ

Za rješavanje ove jednačene postoje dijagrami sl. 4.7 za određivanje dužine za duge kabele.

( B,Afld = )

Kod dugih kabela je koeficijent iznošenja potencijala:

2

al

i

ZZ1

e2k+

≈−

(4.12)

i ZZU ≈ (4.13)

- 4.7 - -

Ova relacija omogućava dobru orijentacionu analizu utjecaja specifične otpornosti tala i uzdužne impedance plašta kabela na impedancu uzemljenja Impedance dva duga kabela jednakih uzdužnih impedaci, jednakih promjera i dubine ukopavanja, ako su položeni u tlo sa različitim specifičnim otporima stajat će u omjeru:

2

1

2U

1U

ZZ

ρρ

= (4.14)

dok će impedance uzemljenja kabela sa različitim uzdužnim impedancama, položeni u tlo jednakih specifičnih otpornosti stajati u omjeru:

2

1

2U

1U

ZZ

ZZ

= (4.15)

101 102 103 104 105 106

A=1A=2

A=3

A=4

B, C (m2)

l (m

)

101

102

103

104

l (km)32,51,5 210,50

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 ki

R2= 1 (? )

r=0,7 (? /km)x=2 (? /km) ?=100 (? m)

R2= 3 (? )

R2=100 (? )

R2=10 (? )

R2=0,5 (? )

0,25

Sl. 4.8 Sl. 4.9 Koeficijent iznošenja potencijala po dužini

Granična dužina kabela kod koje se može smatrati kratkim u proračunima uzemljenja određuje se analogno uz uvjet: , εγ 2l 2

k2 =⋅

pa je: CAlln

l

K

2K =+

, ovdje su:z

2C⋅⋅

=π

ρε , pa je za: 05,0=ε koliko se

može usvojiti u praktičnim procjenama: z

0318,0C ρ=

Za rješavanje ove jednačene postoje dijagrami za određivanje dužine za kratke kabele.

( C,AflK = )

Kod kratkih kabela je koeficijent iznošenja potencijala:

22

i

Zlz1

1

lZZ1

1k⋅

+=

⋅⋅+≈

γ (4.16)

i lgZ1

lzZZ2

2U ⋅⋅+

⋅+≈ (4.19)

Na slici 4.8 je prikazana ovisnost koeficijenta iznošenja potencijala u ovisnosti od dužine kabela između postrojenja, za raziđite otpornosti uzemljenja vanjskog postrojenja “2“

ik

- 4.8 - -

Tako na pr. pri Ω5,0R2 = što odgovara gradskim uvjetima, izneseni potencijal brzo opada sa dužinom kabela, pa za

m500l ≈ izneseni potencijal opada već za 25% na uzemljenju postrojenja u kome se desio zemljospoj. Na sl.4.9 je prikazana ovisnost impedance

od dužine kabela za iste uvjete kao na sl. 4.8, vidimo da poslije impedanca

se praktički ustaljuje na svojoj graničnoj veličini za duge kabela.

UZm500l ≈

UZ

U prosječnim uvjetima odvođenja struje, kod , kabeli se ponašaju kao kratki do dužine

m15090 ÷ , što pokazuje da se pri proračunima utjecaja kabela kao uzemljivača na ovim

dužinama kabeli mogu obuhvatiti kao obični vodoravni uzemljivači, bez uvažavanja uzdužnih padova napona.

l (km)32,51,5 210,50

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 ki

R2= 1 (? )

r=0,7 (? /km)x=2 (? /km) ?=100 (? m)

R2= 3 (? )

R2=100 (? )

R2=10 (? )

R2=0,5 (? )0,25

Sl. 4.9

4.4.2. Kabeli sa izoliranim vanjskim plaštem Kabeli sa izoliranim metalnim plaštem ne djeluju izravno kao uzemljivači, nego posredno, povezujući međusobno uzemljivače objekata (SN TS) između kojih su položeni. Na slici 4.10 prikazan je kabelski vod sa izoliranim metalnim plaštem, koji izlazi iz TS VN/SN/NN i napaja nekoliko TS SN/NN. U slučaju zemljospoja u izvornoj VN TS, na njenom uzemljenu će se pojavit napon U OU U= prema referentnoj zemlji pa će kroz plašt promatranog kabela poteći struja ka uzemljenjima SN TS. Na ovim uzemljenjima će se pojavit napon prema referentnoj zemlji, koji nazivamo iznesenim naponom (potencijalom) i imati će najveću veličinu kod SN TS koja je najbliža izvornoj VN TS, a zatim postepeno opada duž kabelskog voda, ovisno o dužini dionica i otpora uzemljenja.

OI

Ovakav kabel možemo predstaviti zamjenskom shemom sa koncentriranim elementima:

U U0 k

Referentna zemlja

TS VN/SN TS SN/NN TS SN/NN TS SN/NN

I0

1 n-1 n

Sl. 4.10

UO

I1Io

Z1

Z2U1

Z1

Z2Un-1

Z1

In-2 In-1

Z2 Un

1 n-1 n

Sl. 4.11 - 4.9 - -

Redni elementi u shemi sl. 4.11 predstavljaju impedancu plašta kabela na dionicama

između susjednih TS SN. Ova impedanca se može napisati kao: lzZ1 ⋅= , jxrz += , ovdje je: l -prosječna dužina kabela između dvije TS, z -uzdužna impedanaca plašta kabela po jedinici dužine.

2Z - je impedanca uzemljenja TS SN. n -broj je broj TS SN duž kabela Kabeli za ovakvu namjenu obično nemaju čeličnu armaturu, tako da se izrazi u (4.4) pojednostavljuju. Opći izraz za kabelski vod kao četveropol možemo napisati kao:

( ) ( )gnshZIgnchUU nn0 ⋅⋅⋅+⋅⋅= (4.18)

( ) ( gnchIgnshZ

UI nn

0 ⋅⋅+⋅⋅= ) (4.18a)

Za komponente , četveropola možemo napisat da su: 1Z 2Z

2

111 Z

Z1A += , i 112 ZA = (4.19)

tako da su: ⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅++=

2

2

1

2

1

2

1

ZZ

ZZ

2ZZ

1lng (4.20)

1ZZ2

z

ZZ

ZZ2

ZZ

1

2

22

2

2

2

1

1

+⋅−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅

= (4.21)

Obzirom da je u ovom slučaju: (4.22) 0In =jednačene (4.18) mogu se pojednostaviti. Impedanca uzemljenja kojom je obuhvaćen i utjecaj kabela, kod proračuna uzemljenja VN postrojenja, sada obzirom na (4.18) i (4.22) jednaka je:

( gncthZIUZ

O

OU ⋅⋅== ) (4.23)

Napon na uzemljenju k-te TS SN gledano od napojne TS VN, može se odrediti ako primijenimo prvu jednačenu u (4.18) na k-tu TS SN. Tako se za

kU0In = dobiva:

(4.24) ( ) gknchUU nk ⋅−⋅=Pa je prema definiciji koeficijent iznošenja potencijala za promatranu k-tu TS SN jednak:

0

ki U

Uk =

ili s obzirom na izraze (4.18), (4.22) i (4.24) je:

( )( )ngch

gknchki

−= (4.25)

Predstava o redu veličine razmatranih parametara može se u praktičnim uvjetima dobiti iz dijagrama na sl. 4.12 i sl. 4.13 Na sl. 4.12 je prikazana ovisnost omjera impedancae uzemljenja kabela prema impedanci uzemljenja TS SN o broju stanica “n“ TS SN.

- 4.10 - -

Na sl. 4.13 je prikazana su veličine koeficijenta iznošenja potencijala kod pojedinih TS SN za različit broj „n“ stanica TS SN.

ik

Ovdje je uzeto da je -impedanca uzemljenja TS SN čisto aktivna otpornost, a da ima

jednak realni i imaginarni dio, što približno odgovara stvarnosti. Omjer

2Z 1Z

1,0ZZ

2

1 = može se

smatrati karakterističnim za mreže van naseljenih područja sa pretežito zračnom mrežom, dok za gradska područja i industrijske mreže koje imaju niske veličine otpora uzemljenja TS SN

omjer je:

2Z

1ZZ

2

1 =

2 4 6 7 6 4 2

0,6

0,8

1,0

0,4

0,2

0,6

0,8

1,0

0,4

0,2

0,92

0,67

n=1

n=2

n=3

n=5

n=7

n=7

n=1

n=2n=3 n=5

k k

ki(k)

0,1ZZ

2

1 = 1,0ZZ

2

1 =

ki(k)

TS u slijedu od 1 do k=n

1 1

0,32

0,64

0,6

0,4

0,2

0,3

1

0,1

0,5

3 5 7 9

0,220

0,5980,1

ZZ

2

1 =

1,0ZZ

2

1 =

n

2

U

ZZ

Sl. 4.12 Sl. 4.13

Vidimo na sl. 4.12 da za 1,0ZZ

2

1 = veličina koeficijenta u izvjesnoj mjeri ovisi o rednom

broju “k“ TS SN (tj. ako ih ima „n“ tada da li je ona 1. 2. 3….k ….n, krajnja kada je k=n.

)k(ik

Na pr. koeficijent iznošenja potencijala na prvoj TS , ako se samo ova napaja kabelskim vodom iznosi , a u slučaju kada se na vodu nalazi pet TS, tada je koeficijent

, a to znači za oko 40% manji, a će se ovaj utjecaj odraziti i na drugu i treću TS.

)k(ik92,0k )1(1 =

67,0k )5(1 =

Kada je 1ZZ

2

1 = izneseni potencijal opada mnogo brže nego u prethodnom slučaju.

Pri tome kada je broj TS SN krive za se praktično podudaraju, to pokazuje da ukupan broj TS SN malo utječe na raspodjelu potencijala duž voda jer nakon već na prvoj dionici je koeficijent opao na . Znatno nepovoljnija situacija je kada imamo samo jednu dionicu koja napaja samo jednu TS SN tada je koeficijent

2n ≥ )k(ik

32,0k )2(1 =

64,0k )1(1 = dva puta veći.

Krive na sl.4.13 pokazuju da omjer 2

U

ZZ dostiže svoju graničnu veličinu kada je , već kad

imamo dvije ili tri TS SN u nizu na vodu. Ovo ukazuje na to da se u praktičnim proračunima impedanca uzemljenja može odrediti kao:

→∝n

( ) ZngcthlimZZ nU =⋅≈ →∝ (4.26)

- 4.11 - -

Primjer 4.1: Tako na pr za kabel sa polietilenskom izolacijom i bakrenim plaštem presjeka 25 mm2 , vanjskog promjera 31 mm, ρ=60 Ωm imati će:

m7235060658De =⋅= i reaktancu m675,0

031,02723log1445,0x Ω=⋅

= ,

za r=0,755 Ω/km i l=500 m biti će: impedanca kabelskog plašta Ω

O8,41j1 e52,05,0)675,0j755,0(Z ⋅=⋅+=

Ako je otpor uzemljenja TS SN jednak : Ω4Z 2= tada dobivamo da ukupna impedanca

sustava uzemljenja iznosi: ΩO

O

7,19j

8,41j1

2

2U e99,0

e51,042

4

1ZZ2

ZZ ⋅=

⋅⋅

=+

=

4.4.3. Koeficijent iznesenog potencijala ik Kod zemljospoja u postrojenju, na njegovom uzemljivaču se uspostavlja potencijal uzemljivača i on će preko ekrana (metalnog plašta ) kabela biti iznesen van VN postrojenja ka susjednim objektima. Ekvivalentna shema za metalni ekran kabela sa izolacionim vanjskim omotačem je na sl. 4.14

Na kraju kabela koji je vezan na uzemljivač izvornog postrojenja, uspostavlja se napon prema referentnoj zemlji.

aU

YbUb Ya Ua

Zab

Sl. 4.14 Shema za proračun iznesenog potencijala

Tada će na drugom kraju kabela uspostavlja se napon: bbabab YUZUU ⋅⋅−= , (4.27) Pri čemu su:

abZ - impedanca plašta kabela

bY - admitansa koja je jednaka U

a RY 1

+ i uključuje i admitansu uzemljena postrojenja na

drugom kraju ako ga ima. Impedanca uzemljenja voda koja određuje kolika će se struja odvoditi preko voda kod zemljospoja u postrojenju na kraju a, izračunava se temeljem ekvivalentne sheme iz izraza:

abbaba

baba ZYYYY

YZ1Z⋅⋅++

⋅+= (4.28)

Iz izraza možemo odrediti relativni iznijeti potencijal, i iskazati ga kao koeficijent k iznijetog potencijala, tj kao omjer napona na kraju i napona na početku voda:

bbabab YUZUU ⋅⋅−=

bU aU

baba

bi YZ1

1UU

k⋅+

== , (4.29)

koji se dobije iz ekvivalentne sheme strujnog kola. Vlastita impedanca

- 4.12 - -

6.6. Proračun iznesenog potencija Na uzemljivaču postrojenja, u kome je nastao jednopolni kratak spoj, javlja se potencijal koji se ekranima kablova, uzemljivačkom elektrodom položenom uz kabl, te zaštitnim užadima dalekovoda prenosi van postrojenja (na uzemljivače stupova, na uzemljivače susjednih postrojenja).

UU

Vrijednost iznesenog potencijala moguće je odrediti ako poznajemo sljedeće ujecajne veličine:

• -struju dozemnog spoja kroz sistem uzemljenja, UI• -faktor iznošenja potencijala, k• -impedansu sistema uzemljenja. eZ

Izneseni naponi dodira zavisit će i o:

• -faktoru izjednačenosti potencijala, df• -prijelaznom otporu na mjestu stajanja okarakteriziranog veličinom koji će u proračunu, a zavisno o

situaciji, smanjiti također izneseni napon dodira

dS

d

ddi S

EU =

Izneseni dodirni napon se izračunava prema:

U3d

Ud

ddi U

105,11kfU

SkfU ⋅

⋅⋅+⋅

=⋅⋅

= −ρ

UU - napon na uzemljivaču (V) Za kabele sa izoliranim metalnim plaštem faktor iznošenja potencijala je definiran kao:

( )( )gnch

gknchk⋅⋅−

=

n - ukupan broj raspona k - broj TS SN/NN računato od napojnog kraja kabla

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅++=

2

XXX ZZ

ZZ2

ZZ1lng

Z - impedansa plašta kabla na dionici između susjednih TS SN/NN

XZ - impedansa uzemljenja TS SN/NN Impedance kablova u sistemu uzemljenja Primjer: Impedansa plašta kabla 10 kV, tipa XHE 49-A 1x150/25 mm2 može se odrediti kao:

( ) ljxrjzZ ⋅+=⋅= l - prosječna dužina kabla između dvije TS

jxrz += - podužna impedanca plašta

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⋅=⋅=km

716,025

100179,0q

10r3

u

3

Cu2Ωρ

- 4.13 - -

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

⋅⋅=⋅

⋅= − km

4412,01025,20

566log1445,0rD

ln2

x 3K

e0 Ωπμω

- srednji poluprečnik plašta (m), Kr

eD - dubina prodiranja struje u zemlju (m),

Cuρ - specifična električna otpornost provodnog dijela zaštitnog užeta

Uq - površina vodljivog dijela presjeka užeta (mm2)

( ) ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡+=km

4412,0j716,0z Ω

( ) ( ) [ ]Ω8162,0j326,185,14412,0j716,0Z 1k +=⋅+=

( ) ( ) [ ]Ω8162,0j326,185,14412,0j716,0Z 2k +=⋅+= -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Otpor Fe-Zn trake položene uz 10 kV kabele Otpor Fe-Zn trake dimenzija 25x4 mm, jediničnog otpora , položene u tlo specifičnog otpora ρ = 37 Ωm iznosi:

3102 −⋅

[ ]Ω⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⋅⋅⋅=

z

uuztrake r

rlcthrrR

zr - otpor odvođenja po jedinici dužine i za tanke vodiče ukopane u tlo iznosi

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⋅=⋅=

m6,66378,18,1rz

Ωρ

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡⋅= −

m102r 3

uΩ

Za ekvivalent najdužeg kabla 10 kV vrijedi:

[ ]Ω3649,06,66

1021850cth1026,66R3

3.1trake =⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅⋅⋅⋅⋅=

−−

[ ]Ω3649,06,66

1021850cth1026,66R3

3.2trake =⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅⋅⋅⋅⋅=

−−

[ ]Ω3649,06,66

1021850cth1026,66R3

3.3trake =⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅⋅⋅⋅⋅=

−−

Granična utjecajna dužina iznosi:

[ ]m547102

6,663rr

3l 3u

zg =

⋅⋅=⋅= −

i na ovoj dužini trake otpor postiže konačnu vrijednost.

- 4.14 - -

Izneseni potencijal na naponskom nivou 10 kV - Izneseni dodirni napon u TS 10/0,4 kV udaljenoj približno l=300 m od TS 220/10 kV br.1 iznosi:

)V(15,207105005,11

93,03,0U105,11

kfU

Skf

U 3U3d

Ud

ddi =

⋅⋅+⋅

=⋅⋅⋅+

⋅=⋅

⋅= −−ρ

Izneseni dodirni napon dva kabelska odvoda koji se završavaju na udaljenost l=200 m od postrojenja 220/10 kV je:

)V(2,218105005,11

98,03,0U105,11

kfU

Skf

U 3U3d

Ud

ddi =

⋅⋅+⋅

=⋅⋅⋅+

⋅=⋅

⋅= −−ρ

------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4.4.4. Zaštita od iznošenja potencijala U nastavku se govori o problemima zaštite od iznošenja potencijala iz TS 110/10(20) kV. Ista logika se može primijeniti i na ostale TS sa nižim naponskim nivoima. Treba naglasiti da nema opasnosti od iznošenja potencijala iz TS 110/10(20) kV ako TS napaja razgranatu mrežu 10(20) kV izvedenu kabelima sa provodnim plaštem i ako je ispunjen bar jedan od slijedeća dva uvjeta, da:

1. TS 110/10(20) kV radi u kabelskoj mreži 110 kV, 2. zemljospoj na sabirnicama 110 kV isključuje se najkasnije za 0,15 s.

Nije dozvoljeno prekidanje metalnih plašteva i ubacivanje izolacijskih umetaka energetskih kabela 35 kV, 20 kV i 10 kV tipa NPO 13-A, IPZO 13 i sl. Metalne vodovodne cijevi galvanski se razdvajaju od uzemljivača TS 110/10(20) kV umetanjem cijevi od izolacijskog materijala na mjestu uvođenja u TS (izolirajući monoblokovi ili izolirajuće prirubnice). Zbog velikih struja zemljospoja u mreži 110 kV, postoji opasnost pojave visokih potencijala na uzemljivačima nekih TS 110/10(20) kV. Ovi potencijali mogu da se prenesu preko metalnih plašteva, električnih zaštita i/ili armature energetskih kabela 10(20) kV do TS 10(20)/0.4 kV u NN mrežu i dalje preko neutralnog provodnika u instalacije potrošača izazivajući napone dodira koji bi u nekim slučajevima mogli da budu viši od dozvoljenih napona dodira.

Pri zemljospoju na 110 kV-noj strani TS 110/10(20) kV na sistemu uzemljenja u prvoj TS10/0.4 kV pojaviti će se napon:

eKiUiUI ZIrkUkU ⋅⋅⋅=⋅= (4.30) ovdje su:

UIU - izneseni-prenesen napon iz VN TS u prvu TS10/0,4 (kV)

ik - koeficijent iznošenja potencijala

UU - napon na sustavu uzemljenja VN TS u (V) r - redukcijski faktor napojnog voda VN

KI - ukupna struja zemljospoja na sabirnicama VN postrojenja u (A),

eZ - ukupna otpornost (impedanca) sustava uzemljenja VN postrojenja u (Ω). Nije potrebno poduzimanje posebnih mjera zaštite od iznošenja potencijala iz VN postrojenja ako napon sustava uzemljenja u prvoj TS 10(20)/0,4 kV iznosi: UIU

- 4.15 - -

)(300 VUUI ≤ -ako se zemljospoj na sabirnicama VN postrojenja isključuje za 0,5 (s) djelovanjem drugog stupnja distantne zaštite ( Udoz =150 V, kd =2);

)(1000 VUUI ≤ -ako se zemljospoj na sabirnicama VN postrojenja isključuje za 0,5 (s) djelovanjem zaštite sabirnica VN postrojenja ( Udoz =500 V, kd =2).

Koeficijent određuje se na slijedeći način: ik

a) Ako se veza TS 10(20)/0,4 kV sa VN postr. izvodi kabelom sa provodnim plaštem (NPO13-A i sl.), koeficijent iznošenja potencijala u ovisnosti od dužine kabelskog voda 10(20) kV i za nekoliko vrijednosti specifične električne otpornosti tla koje su karakteristične za gradski konzum dobiva se prema dijagramu na slijedećoj slici.

ik

Za dužine kabelskog voda manje od 200 m koeficijent iznošenja potencijala ima vrijednost kao i za dužinu 200 m jer se tada TS 10(20)/0,4 kV praktično nalazi unutar potencijalnog lijevka izvorne TS VN/10(20) kV.

Slika 4.15. Iznošenje potencijala preko plašta kabela IPO 13-A (koeficijent iznošenja potencijala ki u funkciji dužine kabela). Tablica 4.1

Broj TS na vodu TSn 1 2 >2

ik urbanizirano naselje, TN system, [ ]Ω≈ 5,0ZR 0.74 0.49 0.41 ik urbanizirano naselje, [ ]Ω≈ 0,1ZR 0.85 0.65 0.55

[ ]Ω≈ 0,4ZR 0.95 0.9 0.8 ik van gradski konzum,

b) Ako se veza TS 10(20)/0,4 kV sa VN TS/10(20) kV izvodi kabelom 10(20) kV sa

neprovodnim plaštem, koeficijent u ovisnosti od broja TS TS X/0,4 kV koje su priključene na isti kabelski vod, u TS koja je najbliža izvornoj TS ima vrijednosti koje su dane u slijedećoj tablici.

ik TSn

U tablici izraz “urbanizirano naselje” podrazumijeva da TS X/0,4 kV imaju relativno male vrijednosti otpornosti uzemljenja, na par. Ω≈ 5,0ZR u slučaju da je na širokom prostoru

- 4.16 - -

primijenjen TN sistem napajanja odnosno Ω≈1ZR kod malih vrijednosti specifične električne otpornosti tla i sl. Ako napon na uzemljenju TS 10(20)/0.4 kV prelazi vrijednosti prethodno definirane mora se uključiti jedna ili više slijedećih mjera:

a) proračunom, analizom i/ili mjerenjima dokazati da su naponi dodira, koji se javljaju u TS10(20)/0,4 kV, kod izloženih objekata NN mreže i u instalacijama niskog napona niži od dozvoljenih napona dodira;

b) potrebno je snižavati napon na sistemu uzemljenja TS 110/10(20) kV;

c) potrebno je smanjivati vrijeme trajanja zemljospoja u mreži VN (ugraditi zaštitu sabirnica

u na VN strani postrojenjima u TS VN/10(20) kV, podesiti drugi stupanj distantne zaštite na 0,4 s i sl.);

d) poduzeti i ostale dodatne zaštitne mjere. Snižavanje napona na uzemljenju TS VN/10(20) kV može se postići primjenom jedne ili kombinacijom više mjera kao: a) smanjivanje struje zemljospoja u mreži VN koje se postiže izborom najpovoljnije

konfiguracije mreže i zabranom trajnog rada mreže u zatvorenom prstenu. Smanjivanje bi moglo da se postigne i ubacivanjem impedance za ograničenje struje zemljospoja ako su ispunjeni ostali uvjeti za tu mjeru. Ove mjere su sistemske i mogu da se sprovedu samo na nivou elektroprivrede kao cjeline. Efekt smanjivanja struje zemljospoja sa smanjivanjem uzemljenih neutralnih točaka 110 kV energetskih transformatora 110/X kV je mali pa se ova mjera ne koristi u distributivnim mrežama;

b) smanjivanje dijela struje zemljospoja kroz uzemljivač TS, koje se postiže smanjivanjem

redukcijskih faktora napojnih vodova primjenom zaštitnog provodnika od bolje provodnog materijala na najmanje 5-6 raspona od TS;

c) smanjivanje impedance sustava uzemljenja TS, na pr. dodavanjem vertikalnih uzemljivača. Dopunske mjere zaštitne, mogu se primijeniti pojedinačno ili kao kombinacija više mjera: a) u kabelski rov, uz kabel sa neprovodnim plaštem (XHP 48-A i sl) koji povezuje

TS110/10(20) kV sa prvom TS 10(20)/0,4 kV na nekoliko pravaca polaže se bakarno uže najmanjeg presjeka 35 mm2 ;

b) objekti (zgrade) koji se napajaju iz TS 10(20)/0,4 kV koje su direktno vezane na

TS110/10(20) kV imaju svoj uzemljivač (po mogućnosti temeljni uzemljivač) i sprovedene mjere izjednačenja potencijala a niskonaponski razvodni ormari i KPK su po mogućnosti od izolacijskih materijala ili se nalaze na asfaltiranom prostoru. Kod metalnih stupova javne rasvjete koji se nalaze na neasfaltiranom prostoru i kod kojih je primijenjen TN sistem napajanja izvedeno je oblikovanje potencijala;

c) izuzetno je dozvoljeno da se u TS 110/10(20) kV izoliraju električne zaštite kabela sa

neprovodnim plaštem (XHP 48-A, SKS XHE 48/O-A i sl). Pri tome se mora uzeti u obzir da redukcijski faktor voda 10(20) kV postaje r=1 umjesto r=0.5 što znači da sustav uzemljenja svih TS 10(20)/0,4 kV koje su priključene na taj vod treba da se dimenzionira na dvostruko veću vrijednost struje zemljospoja, i da izostaje efekt smanjenja ukupne otpornosti (impedanse) sustava uzemljenja TS zbog prekida galvanske veze uzemljivača susjednih TS.

- 4.17 - -