Jaká jsou největší bezpečnostní rizika spojená se zemními proudy v sítích IT? Tento článek je první ze tří částí odborné práce Ing. Bernarda Lukáše zaměřené na ochranu vedení v těchto izolovaných rozvodných soustavách. Druhá část se věnuje ověřování a směrování (fázování) zemních směrových ochran a třetí část obsahuje závěrečná doporučení a přehled výhod metody fázování směrových zemních ochran. Text se v úvodní části zabývá vznikem zemních proudů a možnostmi jejich kompenzace pomocí zhášecí tlumivky.

1. Ochrana vedení v sítích IT proti účinkům zemních proudů

1.1 Popis problému

V izolovaných rozvodných soustavách – systém IT, kde nejsou fáze ani střed (uzel) výkonového zdroje uzemněny přímo ani přes nízkou impedanci, nenastává při poruchových stavech, tj. při spojení jedné fáze se zemí, zkrat, ale vzniká zemní proud, který může být příčinou vzniku nebezpečných stavů.                 

Zemní proud způsobuje v síti přepětí, elektrické výboje a jiskření, je příčinou opalování vodičů a jejich izolace. Není-li rychle vypnut, může být zdrojem požárů a v sítích vn i následných zkratů. 

Mají-li zemniče ochranné zemnicí soustavy elektrického zařízení v takto provozované poruchové síti vn vyšší zemní odpor, může být ohrožena i bezpečnost ochrany proti úrazu elektrickým proudem. Místo zemního spojení může být i potenciálním zdrojem iniciace výbušné směsi v nebezpečných prostorech (např. v dolech s výskytem plynů), zejména vznikne-li toto spojení v místě, které nelze chránit nevýbušným závěrem, tedy na kabelovém vedení.

Obr. 1. Vektorový diagram nulové složky proudu a napětí při kovovém zemním spojení fáze L3 v izolovaných nekompenzovaných sítích IT

Hodnota zemního poruchového proudu je dána především napětím sítě a příčnou admitancí, kterou tvoří kapacita fázových vodičů proti zemi a v zanedbatelné míře (u kabelových sítí) i svodový odpor. Mezifázovou kapacitu CS, činný odpor vedení a indukčnost (zejména u kabelů) lze zanedbat, protože mají na velikost zemních poruchových proudů minimální vliv.

Je nutné podotknout, že zemní poruchový proud protékající poškozenou fází do místa poruchy (spojení se zemí), není stejný jako nabíjecí proud vyvolaný mezifázovými a fázovými kapacitami nepoškozeného vedení.

Obr. 2. Průběh snímaných zemních proudů pro napájení zemních směrových ochran nekompenzované a kompenzované kabelové sítě IT 6 kV

Informativní přehled zemních poruchových proudů, fázových zemních kapacit a kapacitních odporů proti zemi u kabelových nekompenzovaných sítí IT je v tab. 1. Fázová zemní kapacita kabelů je závislá na konstrukci, izolaci a průřezu příslušného kabelu. Celkový poruchový (ustálený) zemní proud I0C celé sítě IT (obr. 1) napájené ze samostatného zdroje (transformátoru) je dán pro:

• dvoufázovou síť IT: I0C = 2UfωC = 2Uf·314·C = Us·314·C (A; V, F)
• třífázovou síť IT: I0C = 3UfωC = 3Uf·314·C = √3·Us·314·C (A; V, F)

kde:

• Uf je fázové napětí,
• Us sdružené napětí,
• C celková fázová zemní kapacita provozované sítě ve faradech (je-li použita jednotka mikrofarad, výrazy se vynásobí číslem 10⁻⁶),
• ω kruhová frekvence 2πf (pro f = 50 Hz je ω = 314).

Je zřejmé, že ohmický svod sítě, který představuje její izolační stav, je v porovnání se svodovými odpory zemních kapacit téměř zanedbatelný (hodnota XC v tab. 1), lze ho proto pro stanovení velikosti zemního proudu v kabelových sítích zanedbat.

Obr. 3. Příklad ochrany vývodů sítí vn systému IT při jednofázovém zemním spojení v prostorech s nebezpečím výbuchu nebo v rozsáhlých sítích s požadavkem na rychlé vypnutí vadného úseku sítě

1.2 Vliv kompenzace sítí IT zhášecí tlumivkou

Bezpečnostní riziko z poruchového zemního proudu I0C lze snížit zejména u volných vedení kompenzováním sítě IT zhášecí tlumivkou (Petersonovou cívkou). Ta při správném vyladění může výrazně snížit hodnotu proudu I0C, a tím omezit jeho destrukční účinky. Například při vzniku obloukového výboje na izolátoru poklesne v takto kompenzované síti IT zemní proud na hodnotu, která je pro hoření obloukového výboje již nedostatečná – oblouk zanikne, a tím i poruchový stav sítě.

U kabelových sítí IT, zejména v prostorech s nebezpečím výbuchu nebo požáru, je situace složitější. Kompenzováním sice lze snížit například riziko požáru, avšak vlivem průrazu izolace kabelu ani při zmenšení zemního proudu na minimum samočinně nezanikne porucha – izolace zůstane i nadále vadná a nebezpečné jiskření s propalováním pokračuje.

Pokud detekuje zemní ochrana nebo proudový chránič, je proud reziduální (zbytkový). Jeho hodnota je jiná, většinou menší než celkový zemní proud I0C, a závisí na místě jeho snímání v síti. Platí zásada, že reziduální zemní poruchový proud i0 pro zemní ochrany (i proudové chrániče) je největší (přibližně stejný jako celkový zemní proud I0C), je-li snímán na koncovém vývodu s poruchou zemního spojení, a klesá směrem k napájecímu zdroji (viz obr. 1 a obr. 2; v obr. 2 je červeně označený průběh pro nekompenzované sítě).

Tab. 1. Informativní hodnoty parametrů izolovaných sítí IT

1.3 Požadavek na připojování zemních směrových ochran

U směrových zemních ochran (netýká se proudových chráničů) je pro jejich bezchybnou funkci klíčová správná vektorová orientace reziduální složky zemního proudu i0 a nulové složky napětí u0 (viz obr. 3), která je snímána z otevřeného trojúhelníku měřicího transformátoru napětí (MTN). Nerespektování této podmínky vede k chybné funkci zemních ochran nebo k nežádoucímu vypínání vývodů, kde zemní spojení nenastalo. Správné připojení nulové složky napětí U0 a reziduální složky zemního proudu I0 (i0) k zemní i směrové ochraně je uvedeno v části 2 tohoto příspěvku.

Ing. Bernard Lukáš, Q-ELEKTRIK a.s.