Technologie

System pomiaru napięć rażeniowych z obrazowaniem bezpieczeństwa instalacji uziemiających i funkcją inteligentnej predykcji STE-1

Wstęp

Powszechnie wykorzystywana energia elektryczna wymaga złożonego systemu jej dostarczania do odbiorców. W takim systemie znajduje się wiele miejsc, w których może wystąpić awaria: od elektrowni, poprzez linie przesyłowe i GPZ, po linie i stacje średniego napięcia. Spośród stanów niepożądanych zdecydowanie najniebezpieczniejsze są zwarcia: powodują one powstanie prądów ziemnozwarciowych o wartości uzależnionej od parametrów sieci i rezystancji uziemienia, w której takie uszkodzenie wystąpiło. Osoby lub zwierzęta, znajdujące się w bezpośredniej bliskości takiego miejsca, ryzykują zetknięcie się z napięciem rażenia lub napięciem krokowym, co może stanowić bezpośrednie zagrożenie zdrowia lub życia. Powoduje to konieczność kontroli i badań w celu określenia poziomu niebezpieczeństwa.

Spodziewane napięcie dotykowe oraz dotykowe rażeniowe

Na rys. 1 przedstawiony jest stan uszkodzenia, gdzie przez uziemione elementy metalowe (np. podstacji lub konstrukcję słupa) zamyka się prąd uszkodzeniowy.

Rys. 1. Rozkład potencjałów wokół metalowej konstrukcji
na skutek przepływu prądu uszkodzeniowego
UR – Napięcie dotykowe rażeniowe
UK – Napięcie krokowe
IU – Prąd uszkodzeniowy
RE – Rezystancja uziemienia elementów przewodzących IU

W prezentowanym przypadku zjawiskiem niebezpiecznym jest różnica potencjałów występująca pomiędzy poszczególnymi punktami, które mogą być dotknięte jednocześnie przez człowieka na drodze noga-noga, ręka-noga lub ręka-ręka.

  • Różnica potencjałów między elementem metalowym a ziemią to spodziewane napięcie dotykowe.
  • Napięcie odkładające się na impedancji ciała człowieka to napięcie rażeniowe.
  • Napięcie pomiędzy nogami osoby zbliżającej się do obiektu (krok w granicach ok. 80 cm…1 m) to napięcie krokowe.

Rozkład powstających potencjałów jest zbliżony kształtem do stożka, a obszar jego oddziaływania zależy od prądu doziemnego Iu, rezystancji uziemienia RE oraz od budowy systemu uziemiającego, jego układu geometrycznego i fizycznych rozmiarów.

W warunkach normalnej eksploatacji w celu zbadania, czy poziomy wymienionych napięć nie będą przekraczały wartości dopuszczalnych, w przypadku wystąpienia uszkodzeń wymusza się prąd pomiarowy. Jest on generowany w obwodzie badanego obiektu, mianowicie między punktem uziemienia a pomocniczą sondą prądową, umieszczoną w odpowiedniej odległości od miejsca pomiaru. Badanie polega na zmierzeniu napięcia pomiędzy metalową konstrukcją a ziemią, a więc miejscami, które mogą zostać jednocześnie dotknięte przez człowieka lub zwierzę.

W skład układu pomiarowego wchodzi woltomierz odpowiedniej klasy oraz sondy pomiarowe. Aby zmierzyć napięcie rażeniowe, do obwodu woltomierza dołączamy impedancję 1 kΩ, symulującą impedancję ciała ludzkiego. Do wymuszania prądu stosowane są transformatory potrzeb własnych lub specjalne wymuszalniki prądowe.

Na rynku dostępne są rozwiązania, które mogą być wykorzystane do tego typu pomiarów. Ich wspólną cechą jest to, że zwracają wyłącznie wartości mierzonych napięć. Niektóre narzędzia pozwalają również na mierzenie rezystancji uziemienia. Uzyskiwane w ten sposób wartości dotyczą jednak ściśle określonych warunków środowiskowych (temperatura, wilgotność, rezystywność gruntu).

Nowe rozwiązanie w tym zakresie oferuje system STE-1 firmy SONEL S.A. Cechuje się wygodnym sposobem obrazowania i dokumentowania pomiarów oraz predykcją zmian mierzonych parametrów ze względu na zmiany właściwości przewodzących gruntu.

System do pomiaru napięć rażeniowych i krokowych STE-1

Firma SONEL S.A w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014-2020, współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego, zaprojektowała zestaw umożliwiający przeprowadzenie kompleksowych badań w opisanym wyżej zakresie. System składa się z dwóch głównych elementów: miernika STE-1M oraz zadajnika prądowego STE-1Z, które komunikują się ze sobą dwustronnie w systemie LoRa. W ramach rozwijania systemu STE trwają prace nad inteligentnym oprogramowaniem, które w przyszłości będzie przewidywać możliwe zmiany w czasie zmierzonych parametrów.

Zadaniem zadajnika STE-1Z jest wymuszanie dużego prądu pomiarowego przy napięciu do 400 V. STE-1Z może być wykorzystywany nie tylko podczas pomiarów napięć rażeniowych i krokowych, ale również do kontroli rezystancji uziemienia jako źródło prądowe o bardzo dużej mocy. Pozwala to na badanie uziemień wszędzie tam, gdzie ze względu na wysoką rezystywność gruntu byłoby to utrudnione lub wręcz niemożliwe do wykonania, gdyby bazować na przyrządach klasycznych. Należy podkreślić, że dzięki nowoczesnym rozwiązaniom technicznym udało się obniżyć wagę zadajnika do kilkunastu kilogramów (ok. 15 kg), co stanowi znaczne udogodnienie w warunkach terenowych.

Miernik STE-1M umożliwia pomiar zarówno spodziewanych napięć dotykowych, dotykowych rażeniowych oraz krokowych, jak i kontrolę rezystancji uziemienia metodą:

  • trójprzewodową,
  • czteroprzewodową,
  • trójprzewodową z cęgami i cewką Rogowskiego z zaimplementowaną metodą pomiaru słupów kratowych.

Ponadto jako jeden z niewielu przyrządów na świecie umożliwia pomiar rezystywności gruntu aż trzema metodami: Wennera, Schlumbergera oraz dipolową. STE-1M pracuje w zestawie z STE-1Z, jak również całkowicie autonomicznie. Posiada wbudowany GPS. Tak szeroki zakres diagnostyczny miernika stwarza nowe możliwości w ocenianiu bezpieczeństwa eksploatacji urządzeń elektroenergetycznych; możliwości dotąd niedostępne w obszarze przewidywania stopnia zmian zagrożenia porażeniem. Zwłaszcza gdy w ramy działania urządzenia włączy się tomografię elektrooporową.

Sposoby wykonywania badań napięć rażenia oraz ich metodyka są powszechnie znane. W niewielkim stopniu mogą się różnić – decyduje o tym zastosowany sprzęt pomiarowy. Dlatego warto przede wszystkim przedstawić sposób, w jaki zebrane dane mogą poprawić skuteczność oceny zagrożeń, oraz sposób ich prezentacji.

System prezentacji pomiarów

W rozległych systemach zasilania pomiary napięć rażeniowych i krokowych oraz rezystancji uziemienia dostarczają wielu danych, które w formie tabelarycznej przedstawiają pewien stan faktyczny. Trudno jednak sobie wyobrazić, jak to koresponduje z rzeczywistym układem topograficznym w miejscach przeprowadzonych badań. Obecne rozwiązania techniczne, zastosowane również w mierniku STE-1, skutkują przedstawieniem tych danych w formie obrazowej, co daje również możliwość na systematyzowanie i inwentaryzowanie infrastruktury energoelektrycznej. Każde badanie kończące się zapisem do pamięci jest skorelowane z pozycją GPS. Oprogramowanie STE wykorzystuje te informacje do prezentacji wyników (rys. 2).

Na rysunku 2 przedstawiony jest przykład prezentacji danych z pomiaru rezystancji uziemienia. Widać tu pozycję samego badanego obiektu (słup) oraz układ pomiarowy. Ten sposób może zapobiegać nieporozumieniom pojawiającym się podczas kontroli, gdy zespół sprawdzający w inny sposób rozmieści sondy pomocnicze (dotyczy niewłaściwych odległości lub kierunku rozmieszczenia sond).

Podobnie możemy obrazować dane z pomiarów napięć rażeniowych. Korzyści wynikające z takiego sposobu dokumentowania danych są niewątpliwie nie do przecenienia. Analogicznie przedstawiane są równie pozostałe dane – oczywiście z dostępem do  wszystkich informacji składowych (poszczególne pomiary, współrzędne GPS).

Niemniej tym, co wyróżnia system STE-1, jest możliwość przewidywania zmian mierzonych parametrów w czasie, które to zmiany są uzależnione m.in. od sezonowych zmian rezystywności gruntu.

Predykcja i obrazowanie napięć rażeniowych i krokowych

Jak już wcześniej zaznaczono, poziom zagrożenia spowodowany napięciami rażeniowymi będzie wynikał bezpośrednio z wartości prądu uszkodzeniowego, pojawiającego się w badanym obwodzie. Wartość ta jest determinowana rezystancją uziemienia danego obiektu. Rozkład napięć to również wynik konstrukcji uziemienia, jego rozmiarów, sposobu pogrążenia itp.

Najważniejszym czynnikiem decydującym o rezystancji uziemienia jest rezystywność gruntu. Zmienia się ona w zależności od ilości elektrolitu w gruncie, co z kolei wynika głównie z wpływu czynników atmosferycznych. Na rys. 3 przedstawiono wyniki prowadzonych w 2018 oraz 2019 roku badań zmienności rezystywności gruntu w czasie.

Rys. 3. Rozkład rezystywności gruntu w trzech warstwach. Od góry: 80 cm, ok. 4,5 m i 10 m
Rys. 4. Rozkład napięć krokowych wokół słupa kratowego w rastrze 1 m

Wyniki badań, mimo prowadzenia ich dla jednej, określonej budowy geologicznej gruntu, pozwalają na wyciągnięcie wniosku, iż największe spodziewane zmiany dotyczą uziemień ułożonych/pogrążonych na małych głębokościach (uziemienie otokowe, uziemienie pionowe pojedyncze).

Po tym, jak użytkownik wprowadzi do systemu odpowiednie dane (rezystywność gruntu, budowa systemu uziomowego, stan gruntu), STE-1 stosując odpowiednie algorytmy predykcji będzie przewidywał maksymalne i minimalne wartości rezystancji uziemienia, napięcia rażeniowego i krokowego dla badanego obiektu. Algorytm uwzględnia różnorodne właściwości wielu rodzajów gleb i miejsc występowania napięć rażeniowych. Będzie on udoskonalany wraz ze zwiększaniem się zasobów próbek i danych. Właśnie z tego powodu oprogramowanie zostanie udostępnione dopiero po zebraniu wystarczającej ilości danych niezbędnych do predykcji.

Wynikiem badań i predykcji będzie raport jak na rys. 4.

Po tym, jak użytkownik uzupełni dane, prezentacja z rys. 4 zostanie wzbogacona o przewidywane wartości maksymalne i minimalne napięć. Istnieje wszakże pełna dowolność, w jakim zakresie wykorzystać system STE-1 – pomiarowiec nie jest w żaden sposób zmuszany do wykonywania kompletu badań. Jednak w takim przypadku program będzie jedynie obrazował wyniki bez predykcji.

Roman Domański
SONEL S.A.

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top