w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 1 - 2 / 2 0 0 5

o c h r o n a p r z e c i w p o r a ż e n i o w a

wpływ wielokrotnych
uziemień przewodu PEN

na poziom napięć uszkodzenia w niskonapięciowych
sieciach rozdzielczych typu TN

dr inż. Janusz Konieczny, prof. PWr dr hab. inż. Zbigniew Wróblewski – Politechnika Wrocławska

Ochrona przeciwporażeniowa to ciągle aktualny temat podejmowany w literaturze spe-
cjalistycznej, w czasopismach i na konferencjach naukowo-technicznych. Poruszane kwe-
stie to głównie ewolucja polskich aktów normalizacyjnych precyzujących warunki sku-
teczności i zakres stosowania poszczególnych środków ochrony, wynikające z nich wytycz-
ne realizacji samoczynnego wyłączania zasilania w wymaganym czasie oraz silnie z tym
związana rola uziemień ochronno-roboczych i połączeń wyrównawczych.

60

o c h r o n a p r z e c i w p o r a ż e n i o w a

P

odstawę do dyskusji stanowią naj-
częściej propozycje aktualizacji za-

leceń normalizacyjnych przygotowy-
wane przez IEC, dyktowane rozwojem
wiedzy technicznej i zmianami re-
aliów ekonomiczno-technicznych.

Problem dostatecznie szybkiego wy-

łączania zwarć i zagrożenia porażenio-
wego mogącego wynikać z zastosowa-
nia niewłaściwych kryteriów dotyczy
zwłaszcza niskonapięciowych sieci roz-
dzielczych, a w szczególności długich
linii zasilanych często z transformato-
rów niewielkiej mocy i prowadzonych
przewodami o małych przekrojach po-
przecznych. Taką grupę obiektów sta-
nowią w Polsce napowietrzne sieci roz-
dzielcze o układzie typu TN, zasilające
instalacje odbiorców indywidualnych
i drobnych odbiorców przemysłowych
na terenach wiejskich. Spotykane realia
konfiguracyjne mogą w nich skutkować
brakiem skuteczności ochrony przeciw-
porażeniowej w rezultacie przekrocze-
nia wymaganego czasu wyłączania za-
silania, w szczególności podczas zwarć
zaistniałych na krańcach linii. Problem
dotyczy znacznej grupy obiektów, gdyż
w Polsce jest około 57 tys. miejscowości
wiejskich, a około 70 % powiatów moż-
na w całości zakwalifikować jako obsza-
ry wiejskie. Odzwierciedleniem zagroże-
nia jest wskaźnik śmiertelnych wypad-
ków, który na wsi jest niemal dwukrot-
nie większy niż w mieście [12]. Do ta-

kiego stanu rzeczy przyczynia się przede
wszystkim: zły stan techniczny sieci, in-
stalacji elektrycznych i zasilanych z nich
urządzeń, trudne warunki środowisko-
we użytkowania urządzeń elektrycz-
nych, niski poziom świadomości tech-
nicznej użytkowników urządzeń elek-
trycznych i nieznajomość podstawo-
wych zasad bezpiecznej eksploatacji.

uregulowania
normalizacyjne

Zmiany przepisów ochrony prze-

ciwporażeniowej w Polsce na prze-
strzeni ostatnich kilkudziesięciu lat
skutkowały okresowymi brakami jed-
noznacznych wymagań odnośnie li-
nii elektroenergetycznych (zarówno
niskiego, jak i wysokiego napięcia).

Do końca 1990 r. zakres ochrony

przeciwporażeniowej w instalacjach
i urządzeniach elektrycznych o napię-
ciu do 1 kV regulowany był zarządze-
niem MGiE oraz MBiPMB z 1968 r. [1].

W 1991 r. mocy prawnej nabrało rozpo-
rządzenie MP z 1990 r. [2]. W tym sa-
mym roku zaczęto opracowywać nor-
mę PN / E-05009 [5], której większość ar-
kuszy uznano za obligatoryjne od 1994 r.
W 1995 r. unieważniono rozporządzenie
z 1990 r., a od lipca 2000 r. zamiast nor-
my PN / E-05009 wprowadzono normę
PN-IEC 60364 [6]. Ponieważ obie te nor-
my dotyczyły tylko instalacji elektrycz-
nych w obiektach budowlanych i od-
biorników zasilanych z tych instalacji,
od kwietnia 1995 r. zabrakło wytycznych
ochrony przeciwporażeniowej w sieciach
rozdzielczych o napięciu do 1 kV.

Przy projektowaniu i budowie na-

powietrznych linii elektroenergetycz-
nych prądu przemiennego o napięciu
do 400 kV z przewodami gołymi w Pol-
sce przez cały czas stosowano nor-
mę PN-E-05100-1 [4], natomiast w od-
niesieniu do linii kablowych – normę
PN-76 / E-05125 [3]. Wobec braku wyma-
gań dotyczących ochrony przeciwpora-
żeniowej ustalono, że do chwili okre-

ślenia odpowiednich przepisów moż-
na korzystać z wymagań unieważnio-
nego rozporządzenia z 1990 r. Tymcza-
sowe rozwiązania były nie w pełni za-
dawalające, gdyż nie wszystkie wyma-
gania stawiane ochronie przeciwpora-
żeniowej w instalacjach są właściwe dla
sieci rozdzielczych.

W ostatnim czasie aktualizację te-

matu przedstawiono w normach opra-
cowanych przez SEP. Pierwsza z nich
– N SEP-E-001 [8] – dotyczy linii na-
powietrznych i jest kompilacją po-
stanowień zawartych w rozporządze-
niu MP z 1990 r. oraz w publikacjach
IEC (gł. PN-IEC 60364) i CENELEC
(gł. HD 637-S1 [11] i PN-E-05115 [7]) [13].
W roku 2003 w odniesieniu do li-
nii napowietrznych z przewoda-
mi izolowanymi opracowano normę
N SEP-E-003 [9], a w roku 2004 – nor-
mę N SEP-E-004 [10], dotyczącą linii ka-
blowych.

Jak już wspomniano, dyskusyjną

kwestią jest określenie dopuszczalne-

Miejsce
zwarcia

Konfiguracja

Obszar sieci [% całości] o napięciach U

F

>

50 V

s

PEN

= s

L

s

PEN

<

s

L

40 %

60 %

80 %

100 %

40 %

60 %

80 %

100 %

a)

70

55

45

35

75

65

55

45

b)

65

50

35

30

73

55

45

40

c)

4

0

25

15

30

53

40

28

d)

6

3

0

5

12

27

36

18

Uwaga: a - d – przypadki konfiguracji układu jak na rys. 1 (opis w tekście)

Tab. 1 Procentowy udział układu objętego napięciem U

F

>

50 V przy zwarciach w kolejnych punktach układu

E.I_01_02_2005.indb 60

E.I_01_02_2005.indb 60

2005-01-13 15:11:55

2005-01-13 15:11:55

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 1 - 2 / 2 0 0 5

61

go czasu wyłączania zwarć w polskich
sieciach rozdzielczych niskiego napię-
cia. Przyjmowany czas 5 s [1] nie za-
wsze bywa zbieżny z czasem zadziała-
nia zabezpieczeń nadprądowych. We-
dług normy N SEP-E-001 dopuszcza się
przekroczenie czasu 5 s przy zwarciach
metalicznych, jeśli urządzeniami zabez-
pieczającymi są bezpieczniki i spełnio-
ne są dwa wymagania: prąd wyłączają-
cy I

a

jest równy co najmniej dwukrotnej

wartości prądu znamionowego wkładki
bezpiecznikowej, a także, gdy w obiek-
tach budowlanych wykonane zostały
główne połączenia wyrównawcze.

Przy powyższej wartości prądu

zwarciowego czas wyłączania może
wynieść nawet kilkadziesiąt minut,
co przy niekorzystnej konfiguracji sie-
ci rozdzielczej i braku połączeń wy-
równawczych może być niebezpiecz-
ne w aspekcie ochrony przeciwpora-
żeniowej [14], gdyż w zasadzie zezwa-
la się na długotrwałą pracę sieci z nie-
wyłączonym zwarciem. Zjawisko wy-
noszenia potencjału charakterystycz-
ne dla układu TN [14] sprawia, że za-
grożenie porażeniowe jest propago-
wane z miejsca uszkodzenia na cały
obszar sieci – przy zwarciu jednofa-
zowym zaistniałym w linii zasilają-
cej lub w instalacji odbiorczej, napię-
cie uszkodzenia U

F

(jak również na-

pięcie dotykowe spodziewane U

TP

będące częścią napięcia uszkodzenia
i bezpośrednio zagrażające użytkow-
nikom) pojawia się we wszystkich in-
stalacjach o układzie TN zasilanych
z danej sieci.

wpływ czynników
konfiguracyjnych na
maksymalne wartości
napięć uszkodzenia
w obrębie sieci rozdzielczej
niskiego napięcia

W dostępnych publikacjach zagad-

nienie wynoszenia napięć uszkodze-
nia z miejsca zwarcia na obszar sie-
ci bywa poruszane najczęściej tyl-
ko w aspekcie teoretycznym. Moż-
na przypuszczać, że powodem tego
jest uciążliwość badań w obiektach
rzeczywistych (z racji specyfiki sieci

typu TN) oraz trudność zapewnienia
wymaganej rzetelności obliczeń (z po-
wodu niekompletnej znajomości pa-
rametrów układu).

O maksymalnych wartościach na-

pięć uszkodzenia (a tym samym –
napięć dotykowych i dotykowych
spodziewanych) w sieciach typu TN
w znacznym stopniu decyduje udział
części ochronnej (przypadającej na
przewód PEN) w całkowitej wartości
impedancji pętli zwarcia. Wpływa na
to głównie:

stosunek przekrojów poprzecz-

nych przewodów fazowych i prze-
wodu PEN,

wzajemne zależności pomiędzy

wymiarowaniem przewodów li-
nii, mocą transformatora zasilają-
cego oraz wypadkową rezystancją
uziemień przewodu PEN,

rozmieszczenie i dobór rezystan-

cji uziemień ochronno-roboczych
przewodu PEN.
O ile pierwszy czynnik jest dość

oczywisty, to nie zawsze zwraca się
należytą uwagę na czynniki kolejne.
Często nie zauważa się, że wartość
impedancji przewodu PEN pomię-
dzy potencjalnym miejscem zwar-
cia a punktem neutralnym układu
może zostać znacznie zmniejszona
za sprawą równoległej drogi powrot-
nej dla prądu zwarciowego, jaką sta-
nowi drabinkowe połączenie tego
przewodu z ziemią. Stopień tych
zmian w układach rzeczywistych
uwarunkowany jest liczbą uziemień
i ich rezystancją, a także sposobem
rozmieszczenia uziemień w obrębie
układu – zwłaszcza uziemień o ma-
łej wartości rezystancji. Intuicyjnie
założyć można, że osiągnięte rezul-
taty będą mniej lub bardziej istotne
w skali układu w zależności od prze-
kroju poprzecznego przewodu PEN
– lepszych efektów można się spo-
dziewać w układach o małym prze-
kroju przewodu PEN.

W ilościowym określeniu obniżenia

maksymalnych wartości napięć uszko-
dzenia powodowanego wymienionymi
czynnikami pozwoliły analizy wyko-
nane za pomocą opracowanego progra-
mu komputerowego bazującego na za-

E.I_01_02_2005.indb 61

E.I_01_02_2005.indb 61

2005-01-13 15:11:57

2005-01-13 15:11:57

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 1 - 2 / 2 0 0 5

o c h r o n a p r z e c i w p o r a ż e n i o w a

leżnościach analitycznych (zawężone
do praktycznie spotykanych realiów
konfiguracji układów), a także badania

weryfikacyjne w reprezentatywnych
obiektach rzeczywistych [15]. W obli-
czeniach uwzględniono statystyczny

rozdzielczy obwód niskiego napięcia,
z możliwością zasilania jednej lub kil-
ku linii ze stacji transformatorowej.

Charakterystyczną cechą anali-

zowanych układów jest obniżenie
wypadkowej rezystancji uziemienia
punktu neutralnego sieci. W przy-
padku zasilania jednego obwodu
ze stacji transformatorowej, spowo-
dowane jest to koncentracją instala-
cji odbiorczych (a tym samym uzie-
mień w złączach lub w samych insta-
lacjach) w początkowej części ukła-
du. Przy zasilaniu większej liczby
obwodów – faktem, że na wypadko-
wą rezystancję punktu neutralnego
składają się uziemienia w pozosta-
łych liniach.

Na rysunku 1 przedstawiono przy-

kładowe wyniki obliczeń dla ukła-
du o małym przekroju przewodów
i niewielkiej mocy transformatora.
Kolejne przypadki (a - d) uwzględ-
niają coraz większą, jednakże prak-
tycznie możliwą do realizacji, licz-
bę uziemień: a) R

B

= 5

Ω w punk-

cie neutralnym oraz R

B

= 30

Ω na

trasie linii w odstępach 500 m, b)
j.w.

+uziemienia R

B

= 30

Ω w miej-

scach odgałęzień linii, c) j.w.

+uzie-

mienia R

B

= 30

Ω w złączach insta-

lacji odbiorczych, d) j.w.

+uziemie-

nia dodatkowe R

B

= 15

Ω w insta-

lacjach odbiorczych.

Chociaż wartości napięć uszko-

dzenia zależą w znacznym stopniu
od lokalizacji miejsca zwarcia, jedna
zasada pozostaje niezmienna nie-
zależnie od konfiguracji układu:
im zwarcie bliżej początku układu,
tym mniejsza wartość U

F

w miej-

scu zwarcia (rys. 1). Przyczynia się
do tego większa liczba uziemień za
miejscem zwarcia, które to uzie-

62

Rys. 2 Histogramy napięć uszkodzenia w miejscu zwarcia modelowego układu obliczeniowego przy zwarciu na końcu układu oraz dopasowane gęstości prawdopodobień-

stwa rozkładów teoretycznych: a) s

PEN

<

s

L

, b) s

PEN

= s

L

, c) s

PEN

>

s

L

a)

b)

c)

a)

b)

c)

d)

Rys. 1 Wartości napięć uszkodzenia przy zwarciach w kolejnych punktach sieci (wg legendy) w układzie o s

PEN

= s

L

(lewa ko-

lumna) oraz s

PEN

<

s

L

(prawa kolumna). Przypadki a - d – opis w tekście

E.I_01_02_2005.indb 62

E.I_01_02_2005.indb 62

2005-01-13 15:11:58

2005-01-13 15:11:58

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 1 - 2 / 2 0 0 5

63

mienia obniżają wypadkową rezy-
stancję tego punktu względem zie-
mi. Jest to szczególnie zauważalne
w układach z wieloma uziemienia-
mi, zwłaszcza przy małej ich rezy-
stancji wypadkowej.

Sytuacji tej towarzyszy nieste-

ty zwiększenie wartości napięcia
uszkodzenia w punkcie neutralnym
układu (rys. 1). Istotne jest jednak,
że napięciem tym zagrożony jest tyl-
ko ten punkt oraz – w zmniejszają-
cym się stopniu – początkowa część
układu (w przypadku zasilania jed-
nej linii ze stacji transformatorowej).
Napięciem w miejscu zwarcia zagro-
żone jest natomiast nie tylko to miej-
sce, ale również dalsza część obwodu
(pomijając najczęściej niewielki spa-
dek napięcia na przewodzie PEN).
Szacunkowy obszar objęty zagroże-
niem porażeniowym przedstawio-
no w tabeli 1.

W przypadku zasilania dwóch

lub większej liczby linii rozdziel-
czych punkt neutralny układu sta-
je się znacznie „stabilniejszy” pod
względem poziomu napięć uszko-
dzenia. Mało prawdopodobne jest
przekroczenie w tym punkcie war-
tości U

F

= 50 V, co „chroni” pozo-

stałe linie przed propagacją zagro-
żenia z linii, w której nastąpiło
uszkodzenie. Pożądane byłoby, aby
każda z linii cechowała się zbliżo-
ną wartością wypadkowej rezystan-
cji uziemień (szczególnie w liniach
najdłuższych), by nie powodować
powiększania istniejącej już różnicy
wypadkowej rezystancji względem
ziemi punktu neutralnego i krań-
ców linii.

Przewymiarowanie przekroju

poprzecznego przewodu PEN o je-
den stopień względem przekro-
ju przewodów fazowych (rzadko
stosowane w układach rzeczywi-
stych) przynosi korzystne efekty
w krótkich liniach o małym prze-
kroju przewodów. Obniżenie war-
tości napięć U

F

może wynosić nie-

mal 20 % w odniesieniu do jedna-
kowego i przeszło 40 % w porów-
naniu do zredukowanego przekro-
ju przewodu PEN.

Badania przeprowadzone w obiek-

tach rzeczywistych (zbieżne z wyni-
kami obliczeń) wykazały, że napię-
cia uszkodzenia w większości punk-
tów pomiarowych nie przekraczały
wartości U

F

= 30 V. Tylko przy zwar-

ciach na krańcach linii osiągały po-
ziom 55 - 80 V w miejscu zwarcia,
za miejscem zwarcia oraz w maksy-
malnej odległości 50 - 200 m przed
tym miejscem (zależnie od liczby li-
nii zasilanych ze stacji). Jednocze-
śnie napięcia uszkodzenia w punk-
cie neutralnym sieci podczas zwarć
w innych miejscach były w większo-
ści przypadków niewielkie, co nie-
wątpliwie należy uznać za stan ko-
rzystny, gdyż zagrożenie porażenio-
we nie jest przenoszone do pozosta-
łych linii.

Zmierzone napięcia dotykowe U

T

w żadnym miejscu nie przekracza-
ły wartości 50 V. Jedynie na stano-
wiskach o niekorzystnych parame-
trach (np. przy przewodzących fu-
trynach drzwi, przewodzących ele-
mentach konstrukcyjnych, na sta-
nowiskach celowo zwilżonych pod-
czas pomiarów) były zbliżone do
tej wartości.

poziom napięć uszkodzenia
w sieciach rozdzielczych
niskiego napięcia w ujęciu
statystycznym

Seryjne obliczenia dla zadanego za-

kresu zmienności parametrów konfi-
guracyjnych, umożliwiły statystyczną
ocenę poziomu napięć uszkodzenia
wobec potencjalnie spotykanych wa-
riantów konfiguracji sieci [15].

W analizach uwzględniono przy-

padki wynikające ze zmian lokaliza-
cji uziemień przewodu PEN i warto-
ści ich rezystancji oraz z wymiarowa-
nia przewodów i mocy transformato-
ra zasilającego. Rozpatrzono układy
o niewielkiej bądź znacznej odległo-
ści pierwszego uziemienia od źródła
zasilania, różnych kombinacjach roz-
mieszczenia kolejnych uziemień i róż-
nej zależności pomiędzy częścią fazo-
wą a ochronną pętli zwarcia. Na ry-
sunku 2

pokazano wyniki dotyczące

najmniej korzystnej sytuacji – zwarcia
na końcu układu.

Wykonane analizy dowiodły, że

wartości napięć uszkodzenia we
wszystkich punktach układu są zgod-
ne z teoretycznym rozkładem typu
gamma, na początku układu i w miej-
scu zwarcia wykazują ponadto zgod-
ność z rozkładem typu Rayleigh’a,
a w okolicach środka układu – z roz-
kładem wykładniczym.

Uzyskane wyniki potwierdzi-

ły wyniki teoretycznych rozwa-
żań o poziomie napięć uszkodze-
nia w poszczególnych miejscach
sieci. Podczas zwarć na końcu ukła-
du oczekiwana wartość średnia (mo-
dalna) napięcia w tym miejscu wy-
nosi w przybliżeniu: 62, 48, 41 V –
dla kolejnych przypadków przekroju
przewodu PEN zmniejszonego, jed-
nakowego i zwiększonego w porów-
naniu do przekroju przewodów fa-
zowych. W okolicy środka układu
wartości napięć wynoszą odpowied-
nio: 22, 17 i 14 V

*

. W miejscu zwarcia

i w punkcie neutralnym układu na-
pięcie uszkodzenia przekracza war-
tość 50 V w około 60, 46 i 37 % możli-
wych przypadków, a w okolicy środ-
ka układu tylko w około 14, 4 i 1 %

*

.

Przy skrajnie niekorzystnej konfigu-
racji uziemień napięcie uszkodzenia
w miejscu zwarcia lub w punkcie
neutralnym może osiągać wartości:
niemal 150, 110 i 90 V

*

, a w okolicy

środka układu: 80, 60 i 50 V

*

.

Jako wyznacznik największych

spodziewanych wartości napięć
uszkodzenia w kolejnych punktach
układu obliczeniowego można przy-
jąć kwantyl 95 %. W 95 % przypad-
ków konfiguracji układu napięcia
uszkodzenia w miejscu zwarcia lub
w punkcie neutralnym układu nie
przekroczą wartości 124, 93 i 78 V

*

.

Analogicznie – w okolicy środka
układu kwanty P95 przyjmuje war-
tości odpowiednio: 60, 45 i 40 V

*

.

Częste uziemianie przewodu

PEN przynosi dobre efekty w ukła-
dach o małym przekroju przewodu
PEN oraz jest szczególnie korzyst-
ne w układach o zredukowanym
przekroju przewodu PEN. W ukła-

dzie z dużą liczbą uziemień nastę-
puje znaczne obniżenie impedan-
cji części ochronnej pętli zwarcia,
co znacznie zmniejsza poziom na-
pięć uszkodzenia. Uwidacznia się to
głównie w liniach o małym przekro-
ju przewodów, zasilanych z trans-
formatorów małej mocy i nasila
wraz ze wzrostem długości linii.
Na przykład, podczas zwarcia na
końcu układu napięcie uszkodze-
nia przy minimalnej liczbie uzie-
mień (wyłącznie uziemień na trasie
linii) może osiągać w tym miejscu
niemal 120 V, natomiast przy uzie-
mieniach wykonanych w złączach
instalacji i uziemieniach dodatko-
wych w samych instalacjach odbior-
czych następuje obniżenie wartości
napięcia poniżej 80 V. Przy jedna-
kowych przekrojach L i PEN warto-
ści te wynoszą odpowiednio: około
85 V i poniżej 60 V (rys. 1).

wnioski

Dla osiągnięcia najlepszego roz-

kładu wartości napięć uszkodzenia
w skali całego układu istotne jest
możliwie równomierne rozłożenie
uziemień, zwłaszcza uziemień o ma-
łej wartości rezystancji. Brak uzie-
mień w końcowej części obwodu
(bądź nadmierna ich rezystancja) gro-
zi znacznym wzrostem wartości na-
pięć uszkodzenia w miejscu zwarcia
i jego okolicy podczas zwarć w koń-
cowej części układu. Dlatego należy
zwracać szczególną uwagę na reali-
zację tego wymogu, zawartego w po-
stanowieniach dawnych i obecnych
aktów normalizacyjnych. Wzrost ilo-
ści uziemień prowadzi do znacznego
zmniejszenia obszaru sieci objętego
napięciami uszkodzenia o nadmier-
nej wartości Obszar ten może zostać
zmniejszony nawet do 5 - 10 % cało-
ści układu – zależnie od lokalizacji
miejsca zwarcia (tab. 1).
*)

- dla kolejnych przypadków przekro-

jów przewodów: s

PEN

< s

L

, s

PEN

= s

L

oraz

s

PEN

>s

L

.

Od redakcji:

Literatura do artykułu

dostępna na www.elektro.info.pl.

E.I_01_02_2005.indb 63

E.I_01_02_2005.indb 63

2005-01-13 15:11:59

2005-01-13 15:11:59