projektowanie układów uziomów dla linii wn i najwyższych ... · szkic przykładowego układu...

dr inż. M. Zielenkiewicz

Centrum Ochrony przed Przepięciami i Zakłóceniami

Elektromagnetycznymi w Białymstoku

Projektowanie układów uziomówdla linii WN i najwyższych napięćw aspekcie utrzymania wysokiego poziomu ich trwałości

SŁOWA KLUCZOWE: projektowanie linii elektroenergetycznych WN i NN, układy uziomów, trwałość uziomów

1. Przeznaczenie uziomów linii napięć 110 -400 kV i główne wymagania PSE

2. Trwałość układu uziomów stacji3. Wykorzystanie posadowień słupów na uziomy a trwałość układów

uziomów słupów WN I NN4. Problemy z doborem odpowiednich materiałów na uziomy5. Dobór przekroju przewodów uziemiających6. Sezonowe zmiany rezystywności gruntu7. Podsumowanie

Projektowanie układów uziomów dla linii WN i NN w aspekcie utrzymania wysokiego poziomu ich trwałości

Linie wysokich napięć (WN - 110 kV i 60 kV) i linie najwyższych napięć (NN - -750 kV, 400 kV i 220 kV) z oczywistych powodów wymagają stosowania skutecznych środków zabezpieczeń służących nie tylko zapewnieniu ich nieprzerwanego funkcjonowania, ale również mających za zadanie ochronę przed porażeniem ludzi znajdujących się w ich pobliżu.

Przeznaczenie uziomów linii napięć 110 -400 kV i główne wymagania PSE

czy to nie aby zbyt wysoka impedancja (najczęściej określana jako rezystancja) układów uziomów linii ma właśnie znaczący wkład w skalę uszkodzeń.

RE

U = 1,5 MV

RE = 15 Ω

I = 100 kA

UN = 110 kV


Trwałość układu uziomów

pojęcie trwałości uziomów należy przede wszystkim powiązać ze zdolnością wszystkich elementów układu uziomów - w całym okresie ich eksploatacji - do przewodzenia prądów zwarciowych i udarowych (piorunowych), o wartościach przyjętych do obliczeń na etapie projektowania a wynikających z miejsca lokalizacji uziomu w sieci elektroenergetycznej oraz spodziewanego poziomu zagrożenia piorunowego, bez zmiany wymaganych parametrów elektrycznych i mechanicznych w czasie.


Odporność korozyjna układu uziomów powinna być przy tym tak dobrana, że w zaplanowanym okresie eksploatacji nie powinno być możliwe zmniejszenie przekroju przewodników układu uziomu do wartości, przy których zostanie ograniczona ich zdolność przewodzenia prądu.


Wykorzystanie naturalnych uziomów zawsze wspomaga uzyskanie odpowiednich wartości rezystancji uziemienia układu uziomów i przyczynia się do zmniejszenia kosztów ich budowy.

Również w odniesieniu do układów uziomów linii WN i NN w standardowych specyfikacjach [3] i [4] zapisano wymaganie wykorzystania uziomów naturalnych w postaci fundamentów słupów i ich konstrukcji wsporczych oraz zakopanych części słupów uzupełnianych uziomami sztucznymi.

Wykorzystanie posadowień słupów na uziomy a trwałość układów uziomów słupów WN I NN

Skorzystajmy z definicji zaproponowanej przez E.Musiała [7], słusznie przyjmując, że

„uziom fundamentowy stanowią elementy metalowe zalane betonem w fundamencie budowli, mającym niezawodną styczność elektryczną z otaczającym gruntem”.

I właśnie ta niezawodna styczność z gruntem, a także stabilne warunki temperaturowe i wilgotnościowe żelbetowej konstrukcji umieszczonej w gruncie, przekładające się na niezmienność jej parametrów elektrycznych w czasie a zatem i na trwałość układu uziomów, to podstawowe przyczyny, dla których zdecydowano się na wykorzystanie zbrojonych stalą fundamentów na uziomy.


Spróbujmy ocenić, w jakim zasadnym jest wykorzystanie posadowień słupów linii WN i NN jako naturalnych uziomów. Jeśli przyjmiemy, że rezystancja uziomu fundamentowego wyraża się następującą empiryczną zależnością [8]

R=0,2 ρ/ V [Ω]gdzie: ρ – lokalna rezystywność gruntu, [Ω m], V – to objętość fundamentu, [m 3],

to dla celów projektowych możemy zgrubnie oszacować, jaką spodziewaną rezystancję będzie miała na przykład stopa fundamentowa o znanych wymiarach geometrycznych.



Tabela 1. Szacunkowe wartości rezystancji stopy fundamentowej typu T 310-65 wgruntach o różnych rezystywnościach

R, Ω

ρ, Ωm50 100 150 200 250 300 500 1000 3500

V = 1,16 m3 9,53 19,06 28,59 38,12 47,65 57,17 95,29 190,58 667,04

wyraźnie podkreślają konieczność wykorzystania fundamentów słupów

to niestety brak w nich szczegółowych rozwiązań w tym zakresie

• Taki stan w rezultacie przekłada się na wysoki poziom zwątpienia co do stopnia spełnienia wymagań tych specyfikacji w odniesieniu do uziomu fundamentowego w aktualnie opracowywanych rozwiązaniach projektowych



Szkic przykładowego układu uziomów stalowego słupa linii ([3],[4]):

1 – uziom otokowy, 2 – uziom pionowy, 3 – jeden z 4 przewodów uziemiających, 4 - rozłączny zacisk kontrolno-pomiarowy zlokalizowany na konstrukcji słupa

Trwałość i warunki eksploatacji układów uziomów stacji elektroenergetycznych SN/nn

A AKTUALNE ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE


Znaczenie wartości rezystywności gruntuw projektowaniu uziemień

Trwałość i warunki eksploatacji układów uziomów


Biorąc pod uwagę liczne uwarunkowania środowiskowe mające bezpośredni wpływna trwałość układu uziomów należy zawsze pamiętać, że zarówno obliczanierezystancji układu uziomów jak też projektowanie konstrukcji uziomu może byćprzeprowadzane przy ograniczonym poziomie dokładności. Warto przy tej okazjizwrócić uwagę na podstawowy fakt, że rezystancja dowolnego układu uziomów jestproporcjonalna do wartości rezystywności gruntu, jaki go otacza

~ · gdzie:

K – współczynnik konstrukcyjny uwzględniający takie parametry jak: długość, głębokośćpogrążenia, pole zajmowanej powierzchni, wymiary poprzeczne przewodów uziomowychρ – lokalna rezystywność gruntu.


Podstawowe wzory na rezystancję uziemieniaR prostych układów uziemiających

Norma Uziom poziomy otokowego Uziom pionowy

PN-EN 60364-5-54 2

PN-EN 50522

ln

2

2ln

4

Oznaczenia: ρE – rezystywność gruntu, [Ωm]L – długość bednarki otoku, [m]D = L/π – średnica otoku, [m]d – średnica przewodu okrągłego lub połowa

szerokości bednarki uziomu, [m]

ρE – rezystywność gruntu, [Ωm]L – długość uziomu pionowego (głębokość

pogrążenia uziomu), [m]d – średnica uziomu pionowego, [m]


Znaczenie wartości rezystywności gruntu w projektowaniu uziemień

Rezystancja pionowego uziomu w zależności od jego długości i rezystywności gruntu

L

d

L d R, Ω*mm mm 10 50 100 200 300 400 500 700 800 1 000 1 500 3 000 10 000

1,50

16,0

R

Ω

5,97 29,85 59,71 119,41 179,12 238,83 298,54 417,95 477,66 597,07 895,61 1 791,22 5 970,73

3,00 3,35 16,77 33,53 67,06 100,59 134,12 167,65 234,72 268,25 335,31 502,96 1 005,93 3 353,09

4,50 2,38 11,89 23,79 47,58 71,36 95,15 118,94 166,52 190,30 237,88 356,82 713,64 2 378,80

5,00 2,17 10,87 21,74 43,49 65,23 86,98 108,72 152,21 173,96 217,45 326,17 652,34 2 174,46

5,50 2,00 10,02 20,04 40,09 60,13 80,17 100,22 140,31 160,35 200,44 300,65 601,31 2 004,36

6,00 1,86 9,30 18,60 37,21 55,81 74,42 93,02 130,23 148,83 186,04 279,06 558,12 1 860,41

7,50 1,54 7,68 15,36 30,71 46,07 61,43 76,78 107,50 122,85 153,57 230,35 460,70 1 535,68

9,00 1,31 6,56 13,12 26,24 39,36 52,48 65,60 91,84 104,96 131,20 196,80 393,59 1 311,98

10,50 1,15 5,74 11,48 22,96 34,44 45,92 57,40 80,35 91,83 114,79 172,19 344,37 1 147,92

12,00 1,02 5,11 10,22 20,44 30,66 40,89 51,11 71,55 81,77 102,21 153,32 306,64 1 022,14

13,50 0,92 4,61 9,22 18,45 27,67 36,90 46,12 64,57 73,80 92,25 138,37 276,74 922,45

15,00 0,84 4,21 8,41 16,83 25,24 33,66 42,07 58,90 67,31 84,14 126,21 252,42 841,39

16,50 0,77 3,87 7,74 15,48 23,22 30,96 38,70 54,19 61,93 77,41 116,11 232,23 774,09

18,00 0,72 3,59 7,17 14,35 21,52 28,69 35,86 50,21 57,38 71,73 107,59 215,18 717,28

19,50 0,67 3,34 6,69 13,37 20,06 26,75 33,43 46,80 53,49 66,86 100,29 200,59 668,63

21,00 0,63 3,13 6,26 12,53 18,79 25,06 31,32 43,85 50,12 62,65 93,97 187,95 626,49

22,50 0,59 2,95 5,90 11,79 17,69 23,58 29,48 41,27 47,17 58,96 88,44 176,88 589,60

24,00 0,56 2,79 5,57 11,14 16,71 22,28 27,85 38,99 44,56 55,70 83,56 167,11 557,03

25,50 0,53 2,64 5,28 10,56 15,84 21,12 26,40 36,96 42,24 52,81 79,21 158,42 528,05

27,00 0,50 2,51 5,02 10,04 15,06 20,08 25,10 35,15 40,17 50,21 75,31 150,63 502,08

28,50 0,48 2,39 4,79 9,57 14,36 19,15 23,93 33,51 38,29 47,87 71,80 143,60 478,68

30,00 0,46 2,29 4,57 9,15 13,72 18,30 22,87 32,02 36,60 45,75 68,62 137,24 457,47

R = ρ

2 Π L(ln

8 L

d-1)


Zmienność czynników środowiskowych mających bezpośredni wpływ na rezystywność gruntu nie może być uwzględnia z odpowiednio dużą dokładnością, jeżeli stosujemy bardzo ekonomiczne założenia projektowe. Pomijając znane, niemerytoryczne problemy pomiarowez określeniem wartości rezystywności gruntu na potrzeby projektowe(o tym zagadnieniu więcej informacji można znaleźć w [9]) warto skupić się na czynnikach sezonowych, które mogą diametralnie wzburzyć przyjęte założenia projektowe.


[9] Zielenkiewicz M.: Archaiczne podejście do układu uziomów w energetyce - czas na profesjonalizm. Wiadomości Elektrotechniczne, R. 84, nr 9, 2016, s.31-38 oraz INPE, Nr 204 (Rok XXII) wrzesień 2016 r., s. 3-22

Oczywiście chodzi tu przede wszystkim o takie podstawowe parametry, jak temperatura i wilgotność gruntu, które z uwagi na lokalizację Polski w określonej strefie klimatycznej muszą być brane pod uwagę przy projektowaniu układów uziomów, a póki co nie są.





Sezonowość

Problemyz uziomami poziomymi

6

4 6 8 10 12 2 4 MIESIĄC

8

10

20

R, Ω

Zmiany w skali roku wartości rezystancji wypadkowej instalacji uziemiającej

5 10 15 20 250

500

1000

1500

2000

ρ = ϕ (w)

ρ, Ω×m

%

Wpływ wilgotności


Znaczenie wartości rezystywnościgruntu w projektowaniu uziemień


Przykładowe wartości rezystywności gruntówwg PN-EN 50522:2011

Rodzaj gruntuRezystywność gruntu

ρE, Ωm

grunt bagienny 5 – 40

ił, glina, czarnoziem 20 – 200

piasek 200 – 2500

żwir 2000 – 3000

zwietrzałe skały poniżej 1000

piaskowiec 2000 – 3000

morena powyżej 30 000

granit powyżej 50 000

Znaczenie wartościrezystywności gruntuw projektowaniu uziemień


ρ = ϕ ( T )

0-5-10-15-20 5 10 15 20

1000

2000

3000

4000

ρ, Ω×m

ºC

Wpływ temperatury





Minimalna głębokość pogrążania uziomów w grunciehz określona na podstawie mapy stref przemarzania

gruntu w Polsce

wg PN-B-03020:1981: Grunty budowlane -Posadowienie bezpośrednie budowli - Obliczenia

statyczne i projektowanie

Klimat Polski - ciepły umiarkowany przejściowy, zróżnicowany pomiędzy klimatem umiarkowanym oceanicznym na zachodzie kraju a klimatem umiarkowanym kontynentalnym na wschodzie



a > hz

zimą T ≤ 0 °C

uziom poziomyuziom

pionowy

strefa przemarzania

Pogrążanie uziomów w gruncie poniżej głębokości jego przemarzania hz

0,00 m

hz = - (0,8 ÷ 1,4) m


A jak się zachowa zimą uziom poziomy słupa pogrążony w gruncie na głębokość mniejszą niż lokalna wartość głębokości przemarzania ?

Należy zawsze pamiętać, iż:

w związku z tym, żerezystancja uziomu jest liniowo zależna od rezystywności gruntu i, przykładowo, dla uziomu poziomego wynosi odpowiednio:

2

⇒ α, gdzie α

const

ln

⇒ β, gdzie β

ln

const

to kilkukrotny wzrost rezystywności gruntu zimową porą spowoduje analogiczny wzrost rezystancji uziomu słupa. Skutkuje to oczywistym przekroczeniem wartości napięć rażeniowych.





Trudno się zgodzić, analizując faktyczne głębokości przemarzania gruntu w Polsce, aby tak płytkie pogrążanie uziomu miało w warunkach klimatycznych naszego kraju jakiekolwiek logiczne uzasadnienie, poza tym przypadkiem, gdy taki uziom jest projektowany dla wysterowania potencjałów na powierzchni gruntu.



Wydaje się oczywistym, że trzeba jednoznacznie założyć na etapie projektowania, że dla uniknięcia znacznych sezonowych zmian rezystancji wypadkowej układu uziomów konieczne jest pogrążenie poniżej głębokości przemarzania gruntu tej części konstrukcji uziomu, która zapewni stabilność wymaganej rezystancji także w okresie zimowym.



Bo przecież zimą zależy nam również na bezpieczeństwie życia ludzkiegoi zapewnieniu ciągłości dostaw energii elektrycznej.

Przyjęcie takich założeń uniezależni nas również w znacznym stopniu od wpływu wilgotności na rezystywność gruntu, której rosnąca zawartość w glebie w okresach deszczowych korzystnie zmniejsza rezystancję uziomów (niestety, jednocześnie przyczynia się do ich szybszej korozji), a w okresach suchych może prowadzić do przekroczenia wymaganej wartości rezystancji uziemienia.

Aktualne Standardowe Specyfikacje Techniczne uziomów linii NN dopuszczają stosowanie na uziomy sztuczne następujących materiałów: miedzi, stali miedziowanej lub stali cynkowanej. Dodatkowo zaznaczono, iż:

a) uziomy pionowe powinny być wykonane z rur miedzianych, prętów miedzianych lub prętów stalowych miedziowanych;

b) uziomy poziome (w tym otokowe) oraz przewody uziemiające powinny być wykonane z taśm miedzianych, taśm stalowych miedziowanych lub taśm stalowych cynkowanych.

Problemy z doborem odpowiednich materiałów na uziomy


MATERIAŁ UZIOMÓW A ICH TRWAŁOŚĆ

Z uwagi na doskonałą przewodność elektryczną miedź jest interesującym materiałem do stosowania również w układach uziomów.

Jednak o szerszym zastosowaniu tego materiału na uziomy zdecydowała przede wszystkim wysoka odporność miedzi na korozję ziemną, z uwagi na fakt, że miedź jest katodą w stosunku do większości innych metali pogrążonych w jej pobliżu w gruncie.



Od czasu, kiedy na początku XX wieku metalurg John Ferreol Monnot jako pierwszy opracował skuteczny proces wytwarzania stali miedziowanych pojawił się materiał znacznie tańszy od miedzi, który z powodzeniem znalazł powszechne zastosowanie w układach uziomów.

Materiał ten określany jako CCS (ang. Copper Clad Steel) jest kompozytem materiału przewodzącego zawierającego niskowęglową stal otoczoną miedzią.

Najczęściej jest wykorzystywany wszędzie tam, gdzie oprócz dostatecznie dobrej przewodności elektrycznej potrzebna jest wysoka wytrzymałość mechaniczna przewodu.



W rozwiązaniach zalecanych w normach, odnoszących się do uziomów, spotyka się stal miedziowaną elektrolitycznie [PN-EN 50522:2011, PN-EN 62305-3:2011] oraz stal pokrywaną miedzią w sposób mechaniczny (platerowaną) [PN-EN 50522:2011].

Najbardziej konkurencyjny cenowo dla zastosowania na uziomy okazał się proces elektrolitycznego pokrywania stali miedzią, gdyż gwarantuje on otrzymanie bardzo stabilnej jednakowej grubości warstwy miedzi wzdłuż długości stalowego pręta przy jednoczesnym zachowaniu bardzo wysokich parametrów mechanicznych i korozyjnych.

Trwałość i warunki eksploatacji układów uziomów w systemach elektroenergetycznych

Różnica potencjałów między stalą w betonie a stalą lub stalą ocynkowaną w gruncie ~ 1 VPN-EN 62305-3

GSW

przewody LPS

uziom

fundamentowy

uziom

zewnętrzny

złącze

kontrolne

stal goła w betonie

-0,1 … -0,3 V

Kpolaryzacja katodowa

kierunek prądu+

–

Fe/Znstal ocynkowana w gruncie-

-0,7 … -1,0 V

Apolaryzacja anodowa

–+Schemat zastępczy


MATERIAŁ UZIOMÓW A ICH TRWAŁOŚĆTaki właśnie kompozyt stali i elektrolitycznie naniesionej warstwy miedzi rozpowszechnił się w świecie w układach uziomów, a w Polsce w ostatnich ponad 20 latach w postaci prętów stalowych pokrytych warstwą miedzi o grubości powłoki co najmniej 250 μm, stosowanych zazwyczaj na uziomy pionowo pogrążane w gruncie oraz drutów i taśm stalowych pokrytych cieńszą warstwą miedzi, o grubości powłoki co najmniej 70 μm, przeznaczanych na uziomy lub przewody uziomowe (łączące oddzielne uziomy) układane poziomo.



warstwa Cumin . 250 μm

warstwa Cumin . 70 μm



Stal ocynkowana –materiał powszechnie stosowany obecnie w Polsce na uziomy. W innych krajach spotykamy całkowicie odmiennie ukształtowane tradycje:

W Przewodniku po bezpieczeństwie w uziemianiu stacji

elektroenergetycznych na prąd zmienny (IEEE Std 80-2013 [5]) wydawanym przez The Institute of Electrical and ElectronicEngineers odnośnie stosowania stali ocynkowanej, ale i stali nierdzewnej, znajduje się zapis o tym, że materiały te mogą być stosowane na uziomy wszędzie tam, gdzie warunki glebowe mogą być szkodliwe dla miedzi. Kontekst jest oczywisty: wpierw stosujemy materiały zawierające miedź, a tam, gdzie z jakichś powodów tego nie można zrobić – stal ocynkowaną lub nierdzewną. Uważa się jednocześnie, że stosowanie stali ocynkowanej i stali nierdzewnej w połączeniu z ochroną katodową jest typowym rozwiązaniem dla stalowych układów uziomów [8].


MATERIAŁ UZIOMÓW A ICH TRWAŁOŚĆW codziennej rzeczywistości

trwałość uziomów ze stali ocynkowanej (StZn) ocenia się maksymalnie na kilkanaście lat,a trwałość uziomów miedziowanych (StCu) elektrolitycznie - na 30-40 lat w zależności od grubości powłoki miedzi 250 - 330 μm i większej.

Stal miedziowana jest najbardziej popularnym materiałem stosowanym w układach uziomów a zwłaszcza, gdy problemem staje się kradzież przewodników miedzianych.



Z tej krótkiej analizy materiałów stosowanych na uziomy jednoznacznie wynika, że największą trwałość mają uziomy wykonane z miedzi, jednak z uwagi na wysoką cenę tego metalu oraz jego małą stosunkowo wytrzymałość mechaniczną (szczególnie przy pogrążaniu w gruncie elementów pionowych), w naszych warunkach ekonomicznych najbardziej optymalnym materiałem na uziomy aktualnie wydaje się stal z miedzianą powłoką ochronną.

Wyniki obserwacji wskaźników niezawodnościowych układów uziomów stacji SN/nn

OBCIĄŻALNOŚĆ PRĄDOWA

[5] IEEE Std 80-2013: IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding[6] PN-EN 50522:2011: Uziemienie instalacji elektroenergetycznych prądu przemiennego o napięciu wyższym od 1 kV[7] PN-EN 62305-3:2011: Ochrona odgromowa. Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia

Wyniki obserwacji wskaźników niezawodnościowych układów uziomów stacji SN/nn

OBCIĄŻALNOŚĆ PRĄDOWA

!

Θ # $

Θ% # $

gdzie:A - powierzchnia przekroju porzecznego, [mm²] I - wartość skuteczna prądu, [A]t f - czas prądu zwarcia , [s]K - stała zależna od materiału komponentu przenoszącego prąd; Tabela D.1

dostarcza wartości dla typowych materiałów Zakładając początkową temperaturę 20 ° C

ß - odwrotność współczynnika temperaturowego oporu elementu przenoszącego prąd w temperaturze 0 ° C (patrz tabela D.1)

&i - temperatura początkowa, °[ C]. Wartości można pobrać z IEC 60287-3-1. Jeśli w tabelach narodowych nie określono żadnej wartości, należy przyjąć temperaturę 20 ° C jako temperaturę gruntu na głębokości 1 m.

&f - temperatura końcowa, °[ C].

wg PN-EN 50522:2011:


KLASYCZNA DEFINICJA TRWAŁOŚCI UZIOMU


INNE CZYNNIKI MAJĄCE WPŁYW NA TRWAŁOŚĆ

Dla zrozumienia faktycznych przyczyn i skutków uszkodzeń układów uziomów warto również rozważyć jak w rzeczywistości wygląda problem trwałości układu uziomów stacji SN/nn związany z aktualnym podejściem do projektowania, wykonawstwa i eksploatacji układów uziomów w tych obiektach.

Szeroko opisane, niepokojące doniesienia na ten temat można znaleźć w publikacji „Archaiczne podejście do układów uziomowychw energetyce − czas na profesjonalizm” .

WNIOSKI KOŃCOWE

Projektowanie układów uziomów dla linii WN i NN w aspekcie utrzymania wysokiego poziomu ich trwałości

projektowanie układów uziomów dla linii wn i najwyższych ... · szkic przykładowego układu...

Documents