Pomiary impedancji pętli zwarciowej na farmach fotowoltaicznych w sieciach IT przy napięciach do 900 V AC

Pomiar impedancji pętli zwarciowej na farmach fotowoltaicznych w układach IT przy napięciach do 900 V AC to jedno z największych wyzwań współczesnej diagnostyki instalacji PV. Wysokie napięcia, specyfika sieci IT, obecność inwerterów i rozległość instalacji wymagają nie tylko specjalistycznego sprzętu, ale także wiedzy, doświadczenia i precyzyjnie zaplanowanej metodyki pomiarowej. Jak bezpiecznie i skutecznie wykonać takie pomiary? Jakie normy trzeba spełnić i na co szczególnie uważać?

Wstęp

Dynamiczny rozwój sektora odnawialnych źródeł energii, w tym w szczególności fotowoltaiki, znacząco zwiększył liczbę dużych instalacji PV. Inwestycje w farmy fotowoltaiczne, mimo okresowych wahań w branży energetycznej, utrzymują się na wysokim poziomie. Równocześnie rośnie zapotrzebowanie na precyzyjną diagnostykę parametrów eksploatacyjnych instalacji, w tym na pomiary impedancji pętli zwarciowej (Z_S). Parametr ten stanowi podstawowy element weryfikacji poprawności działania systemów zabezpieczeń przeciwporażeniowych i zwarciowych oraz zgodności systemu PV z założeniami projektowymi.

Pomiary impedancji pętli zwarciowej na farmach fotowoltaicznych - a w szczególności tych farmach, które pracują w układzie sieci IT - napotykają jednak liczne trudności wynikające ze specyfiki pracy takich instalacji, takie jak:

• obecność inwerterów, które mogą zakłócać klasyczne metody pomiarowe,

• zmienność warunków generacji energii, wynikająca z dynamiki poziomu nasłonecznienia, co wpływa na stabilność wyników pomiarów,

• duże odległości oraz długie ciągi linii kablowych, charakterystyczne dla farm PV o powierzchni liczonej hektarach i mocy nawet kilkuset MWp (na instalację generującą 1 MWp przypada ok. 1,5 ha terenu),

• stosowanie układu sieci IT, w którym impedancja pętli zwarciowej oraz sposób uziemienia mają kluczowe znaczenie dla skuteczności ochrony przeciwporażeniowej,

• rzeczywiste napięcie za inwerterem przekraczające 800 V AC, co zawęża ofertę dedykowanych urządzeń pomiarowych.

W niniejszym artykule omówiono specyfikę pomiarów impedancji pętli zwarciowej w układach IT na farmach fotowoltaicznych, metodykę prowadzenia pomiarów oraz interpretację uzyskanych wyników w systemach o napięciach sięgających 900 V AC.

Czy wykonywać pomiary impedancji pętli zwarciowej w sieciach IT na farmach PV?

W środowisku specjalistów z branży pomiarów elektrycznych często pojawiają się wątpliwości dotyczące zasadności wykonywania pomiaru impedancji pętli zwarciowej (Z_S) w instalacjach fotowoltaicznych pracujących w układzie sieci IT. Kolejnym zagadnieniem jest kwestia wiarygodności uzyskanych wyników w obecności inwerterów, które mogą wpływać na stabilność pomiarów. Dodatkowe kłopoty sprawiają również inne wspomniane we wstępie problemy.

Odpowiedź na postawione pytanie jest jednoznaczna: tak, pomiar impedancji pętli zwarciowej jest konieczny i powinien zostać wykonany w sposób kompleksowy. Co więcej, nie należy ograniczać się do pojedynczego pomiaru, lecz wykonać ich kilka w różnych symulowanych, możliwych do wystąpienia przypadkach, aby uzyskać pełny obraz parametrów sieci oraz skuteczności zastosowanych zabezpieczeń.

Podstawą do przeprowadzenia ww. badań są obowiązujące normy, w tym:

• PN-HD 60364-6 – określająca wymagania dotyczące badań odbiorczych i okresowych instalacji elektrycznych,
• PN-HD 60364-7-712 – Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania
• PN-HD 60-364-4-41 – Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem prądem elektrycznym.
• PN-EN 62446 – odnosząca się do wymagań w zakresie badań, inspekcji i testowania systemów fotowoltaicznych. 

Spełnienie wymogów powyższych norm jest kluczowe zarówno z punktu widzenia bezpieczeństwa instalacji, jak i w kontekście weryfikacji zgodności badanego systemu z założeniami projektowymi. W dalszej części artykułu omówione zostaną szczegółowe aspekty wykonywania pomiarów impedancji w sieciach IT na farmach fotowoltaicznych.

Układ sieci IT

Układ sieci IT występuje tam, gdzie wymagane jest zapewnienie maksymalnego bezpieczeństwa personelu i wysokiej niezawodności zasilania - również w przypadku sytuacji awaryjnych, które w przypadku zastosowania układu sieci TN bądź TT doprowadziłyby do zadziałania wyłączników nadprądowych.

W sieci IT szczególne znaczenie ma specyfika jej konfiguracji, czyli fakt, że wszystkie części czynne (L1, L2, L3 oraz - jeżeli występuje - N) są izolowane od ziemi lub połączone z nią przez dużą impedancję (np. iskiernik lub rezystor o wartości 1500 Ω), a części przewodzące dostępne są bezpośrednio uziemione.

 

Rys. 1. Schemat systemu instalacji PV z transformatorem w układzie IT. Punkt neutralny transformatora jest uziemiony przez iskiernik

 

Rys. 2. Możliwe układy pracy sieci IT wg normy IEC 60364-1: 
a) układ IT 1-fazowy z punktem neutralnym transformatora uziemionym przez dużą impedancję Z
b) układ IT 3-fazowy bez przewodu neutralnego, z punktem neutralnym transformatora uziemionym przez iskiernik
c) układ IT 3-fazowy z przewodem neutralnym, z punktem neutralnym transformatora uziemionym przez dużą impedancję Z

 

Aby zapewnić skuteczne działanie układu IT, części przewodzące dostępne muszą być odpowiednio uziemione. Można to zrealizować na kilka sposobów: indywidualnie, grupowo lub zbiorowo.

 

Rys. 3. Możliwe sposoby wykonania uziemień ochronnych w instalacji fotowoltaicznej:
a) uziemienia indywidualne, b) uziemienia grupowe, c) uziemienie zbiorowe

 

Ochrona odsłoniętych części przewodzących prąd jest realizowana przez połączenie tych części z uziemieniem - patrz Rys. 1 i Rys. 2.

Monitorowanie stanu pracy sieci IT

W systemach IT mogą być stosowane następujące urządzenia monitorujące i ochronne:

• IMD - urządzenia monitorujące izolację (w Polsce: UKSI),
• RCM - urządzenia monitorujące prąd różnicowy,
• IFLS - systemy lokalizacji zwarcia izolacji, 
• OCPD - urządzenia chroniące przed przetężeniem,
• RCD - urządzenia zabezpieczające przed prądem różnicowym.

Standardem w sieciach o układzie IT jest stosowanie urządzenia stale kontrolującego stan izolacji względem ziemi – IMD (ang. Insulation Monitoring Device), w Polsce często określanego jako UKSI (Układ Kontroli Stanu Izolacji). IMD wykrywa spadek rezystancji izolacji i sygnalizuje awarię (np. poprzez alarm wizualny i/lub dźwiękowy), nie powoduje jednak natychmiastowego wyłączenia zasilania, co pozwala na dalszą pracę systemu (utrzymanie ciągłości zasilania) i usunięcie usterki bez przestoju. 

Jednakże brak reakcji na pierwsze zwarcie może w skrajnych przypadkach prowadzić do drugiego zwarcia, które skutkuje zwarciem międzyfazowym i wymusza odłączenie zasilania przez zabezpieczenia nadprądowe.

Dzięki IMD układ IT zapewnia wysoką ciągłość zasilania, jednak wymaga regularnej kontroli i szybkiej reakcji na pierwsze zwarcie, aby zapobiec poważniejszej awarii.

Więcej informacji o budowie i funkcjonowaniu sieci IT znajduje się w literaturze branżowej, np. w publikacji „Ochrona przeciwporażeniowa w sieci o układzie zasilania IT” autorstwa mgr. inż. Juliana Wiatra.

Wpływ specyfiki układu IT na pomiary impedancji pętli zwarciowej

Cechy układu IT mają kluczowe znaczenie dla metodyki pomiarów impedancji pętli zwarciowej w instalacjach fotowoltaicznych. W przeciwieństwie do układów TN, gdzie zwarcie przewodu fazowego z (a) dostępną częścią przewodzącą lub z (b) przewodem ochronnym obwodu/urządzenia skutkuje dużymi wartościami prądów zwarciowych, w sieci IT pierwsze zwarcie do części przewodzących dostępnych powoduje jedynie przepływ niewielkich prądów pojemnościowych (zwykle o wartości kilku miliamperów). 

Tu należy się słowo wyjaśnienia. Prąd pojemnościowy to prąd wynikający z pojemności kabli (pozostałych dwóch sprawnych linii) oraz urządzeń odbiorczych względem ziemi. W układzie IT punkt neutralny transformatora nie jest bezpośrednio uziemiony, więc podczas pojedynczego zwarcia (np. fazy do ziemi) prąd zwarciowy nie jest ograniczony przez impedancję uziemienia, lecz zależy głównie od pojemności linii do ziemi. Z tego względu tradycyjne metody pomiarowe mogą nie dostarczać wiarygodnych wyników, a interpretacja uzyskanych wartości wymaga dogłębnej analizy konfiguracji sieci w momencie testu.

Jednocześnie należy podkreślić, że zwarcie w obwodzie niekoniecznie musi być metalicznym zwarciem fazy z ziemią; norma PN-HD 60364-4-41 mówi w tym przypadku o zwarciu z częścią przewodzącą dostępną. W niniejszym artykule pojęcia „zwarcie do ziemi” i „zwarcie doziemne” będą odnosiły się do znaczenia przytoczonego w normie. Warto dodać, że w literaturze branżowej często spotyka się pojęcia „pierwszego” i „drugiego doziemienia”, jednak w artykule posługiwać się będziemy nomenklaturą przyjętą w powyżej wskazanej normie.

 

Rys. 4. Praca sieci IT a) w normalnych warunkach, b) przy pierwszym zwarciu w obwodzie 

 

Pierwsze zwarcie w obwodzie 

Pojedyncze zwarcie w obwodzie nie powoduje dużych prądów zwarciowych, gdyż te zamykają się przez pojemności pozostałych przewodów fazowych względem ziemi oraz przez przewód ochronny PE, tworząc zamknięty obwód wewnątrz galwanicznie połączonej sieci. Wartość tego prądu nie zależy od miejsca powstania zwarcia, lecz od aktualnej konfiguracji całej instalacji.

Aby zapewnić skuteczną ochronę przeciwporażeniową w układzie IT przy pierwszym zwarciu w obwodzie, należy spełnić warunek:

R_a·I_k1 ≤ 50 V AC
R_a·I_k1 ≤ 120 V DC

gdzie:

• R_a – suma rezystancji uziemienia i przewodu ochronnego dla odsłoniętych części przewodzących [Ω],
• I_k1 – prąd zwarciowy pierwszego zwarcia [A], uwzględniający prądy upływowe i impedancję uziemienia.

Jeśli odsłonięte elementy przewodzące są prawidłowo uziemione, to pierwsze zwarcie w obwodzie nie stwarza zagrożenia porażeniowego, dlatego uszkodzony obwód nie zostaje natychmiast odłączony (zachodzi jedynie sygnalizacja tego stanu przez IMD/UKSI).
Sieć w układzie IT w warunkach pierwszego zwarcia w obwodzie może przypominać sieć TN lub TT w zależności od sposobu uziemienia jej elementów (patrz Rys. 3).

• TT – gdy uziemienie dla poszczególnych urządzeń jest realizowane indywidualnie lub grupowo - Rys. 3a, Rys. 3b. Zob. przykład przekształcenia na Rys. 5a.
• TN – gdy wszystkie urządzenia są połączone wspólnym systemem uziemiającym – Rys. 3c. Zob. przykład przekształcenia na Rys. 5b.

 

Rys. 5. Przekształcenie sieci IT wskutek pierwszego zwarcia: 
a) w system TT (uziemienia indywidualne lub grupowe – por. - Rys. 3a, Rys. 3b), b) w system TN (uziemienie zbiorowe – por Rys. 3c)

 

Dla prawidłowego określenia wymaganego czasu dla samoczynnego wyłączenia zasilania, zgodnie z wymaganiami normy PN-HD 60364-4-41 projektant instalacji PV powinien określić, w jaki układ przekształci się sieć IT po pierwszym zwarciu w obwodzie.

Zgodnie z powyższą normą, dla obwodów końcowych o prądzie nieprzekraczającym:

• 63 A dla obwodów zasilających wyposażonych co najmniej w jedno gniazdo wtyczkowe,
• 32 A dla obwodów zasilających tylko podłączone na stałe urządzenia elektryczne 

maksymalny czas wyłączenia podaje Tab. 1. Z tej samej normy wynika, że dla układów TN i TT z obwodami końcowymi o prądzie przekraczającym powyższe wartości stosować należy czas wyłączenia nieprzekraczający:

• 5 sekund dla sieci TN,
• 1 sekundy dla sieci TT.

Dużą farmę fotowoltaiczną (moc 1 MWp) traktujemy jako system, w którym prądy w obwodach zasilających przekraczają 63 A, a więc przyjmujemy dla niej maksymalny czas wyłączenia 1 sekundę lub 5 sekund.

 

Tab. 1. Wymagane czasy samoczynnego wyłączenia zasilania zgodnie z wymaganiami normy PN-HD 60364-4-41 dla gniazd o prądzie znamionowym ≤63 A i odbiorników zainstalowanych na stałe o prądzie znamionowym ≤32 A

Układ sieci	50 V < U0 ≤ 120 V [s] - AC	50 V < U0 ≤ 120 V [s] - DC	120 V < U0 ≤ 230 V [s] - AC	120 V < U0 ≤ 230 V [s] - DC	230 V < U0 ≤ 400 V [s] - AC	230 V < U0 ≤ 400 V [s] - DC	U0 > 400 V [s] - AC	U0 > 400 V [s] - DC
TN	0,8	Uwaga 1*)	0,4	5 lub 1**)	0,2	0,4	0,1	0,1
TT	0,3	Uwaga 1*)	0,2	0,4	0,07	0,2	0,04	0,1

U₀ – nominalne napięcie AC lub DC przewodu liniowego względem ziemi

*) Uwaga 1. Wyłączenie może być wymagane z innych przyczyn niż ochrona przeciwporażeniowa

 

**) Czas wyłączenia wynoszący 1 s określa nowsza norma PN-HD 60364-4-41:2017-09

Drugie zwarcie w obwodzie

Drugie zwarcie w obwodzie, w przeciwieństwie do pierwszego, prowadzi do powstania klasycznej pętli zwarciowej, generując znacznie wyższy prąd zwarciowy. Dlatego też pomiar impedancji pętli zwarciowej w sieci IT wymaga analizy różnych scenariuszy, uwzględniających różne konfiguracje uziemienia i możliwe stany zwarcia.

 

Rys. 6. Prąd zwarciowy w systemie IT o uziemieniu zbiorowym podczas podwójnego zwarcia: 
a) dwa zwarcia: L3-GND (#1), L1-GND (#2), b) zwarcie L3-GND (#1) i zwarcie międzyfazowe L1-L2 (#2)

 

Drugie zwarcie w sieci IT rozpatrywanej jako system TN

Jeśli wszystkie części przewodzące w systemie są podłączone do wspólnego przewodu ochronnego (Rys. 3c), to podczas drugiego zwarcia w obwodzie prąd zwarciowy zależy od impedancji pętli zwarciowej. Należy bezwzględnie przyjąć najgorszy z możliwych scenariuszy, tj. jednoczesne wystąpienie dwóch zwarć, które mogą mieć miejsce w różnych obwodach. Przykładem może być sytuacja, w której zwarcie jednej z faz z częścią przewodzącą dostępną nastąpi przy inwerterze skrajnie oddalonym od transformatora, a zwarcie innej fazy przy innym inwerterze (również istotnie oddalonym od transformatora), przy czym prąd zwarciowy dla tych dwóch zwarć płynie w większości przez inne odcinki połączeń wyrównawczych. Mowa tu o wersji układu z pojedynczym przewodem wyrównawczym, przedstawionej na Rys. 3c. W tej konfiguracji długość toru zwarciowego zwiększy się dwukrotnie (dlatego w obu wzorach wartość 2 znajduje się w mianowniku).

Układy IT występują z przewodem neutralnym (patrz Rys. 2), jednak częściej spotyka się systemy bez przewodu neutralnego. Należy rozpatrzyć oba te przypadki, stosując odpowiednie wzory.

Układ IT bez przewodu neutralnego
Z_S ≤ U / (2·I_a)

Układ IT z przewodem neutralnym
Z’_S ≤ U₀ / (2·I_a)

gdzie:

Z_S, Z’_S - impedancja pętli zwarciowej składającej się z przewodu fazowego i przewodu ochronnego (Z_L+Z_PE),
U₀ - napięcie nominalne pomiędzy fazą a przewodem neutralnym (U_L-N),
U - napięcie nominalne pomiędzy fazami (U_L-L),
I_a - prąd powodujący zadziałanie zabezpieczenia w odpowiednim czasie zgodnie z wymogami dla sieci TN (patrz akapit Pierwsze zwarcie w obwodzie niniejszego artykułu).

Drugie zwarcie w obwodzie w sieci IT rozpatrywanej jako system TT

Jeżeli w sieci IT narażone części przewodzące są połączone z uziemieniem indywidualnie lub grupowo (Rys. 3a, Rys. 3b), to wówczas należy ją potraktować jako układ, który zostanie przekształcony w system TT. Do realizacji samoczynnego wyłączenia zasilania, niezależnie od zastosowanych zabezpieczeń (czy to nadprądowych, czy różnicowoprądowych) musi być spełniony następujący warunek ochrony przeciwporażeniowej:

R_a ≤ U_L / I_a

gdzie: 

R_a – rezystancja uziomu oraz przewodów ochronnych,
U_L – dopuszczalne napięcie dotykowe (50 V standardowo, 25 V lub 12 V w warunkach zwiększonego zagrożenia),
I_a – prąd powodujący samoczynne zadziałanie zastosowanego zabezpieczenia w wymaganym czasie dla sieci TT (patrz akapit Pierwsze zwarcie w obwodzie niniejszego artykułu). 

Procedura pomiarowa

Po zapoznaniu się z dokumentacją projektową (schematy są zazwyczaj dostępne w stacji transformatorowej) i uzyskaniu wszystkich niezbędnych informacji można przystąpić do pomiarów.

Tylko czy na pewno? Czy dysponujemy odpowiednim miernikiem, sprzętem ochrony osobistej oraz narzędziami, które umożliwią nam bezpieczne wykonanie badań? 

W dużych instalacjach PV (ok. 1 MWp) standardem są inwertery o napięciu pracy 1500 V DC / 800 V AC. Należy jednak zauważyć, że w rzeczywistych warunkach pracy napięcie strony AC może przekraczać 850 V, co nie jest niczym nadzwyczajnym. Obecnie tylko jeden miernik dostępny na rynku jest w stanie dokonać pomiarów impedancji pętli zwarciowej w tak specjalnych warunkach – jest to Sonel MZC-340-PV. Został on zaprojektowany do pracy przy napięciu do 900 V AC i, co ma kluczowe znaczenie, spełnia wymagania kategorii pomiarowej CAT IV 1000 V. 

Uwaga: Kategoria pomiarowa miernika to nie wszystko! Odpowiednią kategorię muszą mieć również akcesoria wykorzystywane w pomiarach, ponieważ w sytuacji, gdy produkt współpracuje z innymi przyrządami lub akcesoriami, stosuje się najniższą kategorię pomiarową połączonych urządzeń. W przypadku Sonel MZC-340-PV nie jest to problem: dedykowane do niego akcesoria również mają kategorię CAT IV 1000 V.

Ponadto będzie nam również potrzebne wyposażenie ochrony osobistej jak rękawice dielektryczne, kask z przyłbicą, wskaźnik obecności napięcia i uziemiacz (zalecany przekrój przewodu zwierającego ≥35 mm2). 

Uwaga: Choć z praktycznego punktu widzenia łatwiejszym rozwiązaniem mogłoby być zastosowanie uziemiacza do podstaw bezpiecznikowych, łączników listwowych oraz rozłączników bezpiecznikowych, nie jest to zalecane. Wynika to z konieczności pozostawienia wkładki bezpiecznikowej w obwodzie podczas załączania uziemionej linii, co może stwarzać ryzyko powstania pętli zwarciowej w przypadku wcześniejszego uszkodzenia innej fazy niż ta, którą uziemiamy (wykonamy pierwsze zwarcie w obwodzie). 

Pomiary Z_S między poszczególnymi fazami

Po wyłączeniu wybranego inwertera, przyrządem Sonel MZC-340-PV wykonujemy pomiary na parach faz: L1-L2, L1-L3 oraz L2-L3. Każdy wynik zapisujemy do pamięci miernika. Mierząc za pomocą krokodylków należy dopilnować, by ich szczęki ściśle przylegały do zacisków śrubowych. W przypadku braku możliwości wpięcia się krokodylkami (dość częsty problem) należy zastosować sondy ostrzowe, pewnie dociskając je do zacisków śrubowych poszczególnych faz.

 

         

Rys. 7. Zdjęcia przedstawiające sposób podłączenia do wybranego obwodu przez wykorzystanie krokodylków (po lewej) lub sond ostrzowych (po prawej)

 

Rys. 8. Pomiar pętli zwarciowej dla pomiarów w fazach: a) L1-L2, b) L1-L3, c) L2-L3, d) zapisane wyniki

 

Pomiary Z_S przy inwerterze i zwarciu linii w stacji transformatorowej (przypadek podwójnego zwarcia w obwodzie)

Tak jak w przypadku pomiarów międzyfazowych, wyłączamy inwerter. Na drugim końcu badanej linii, w stacji transformatorowej, odłączamy linię przychodzącą od tego inwertera - w tym celu rozłączamy rozłącznik bezpiecznikowy listwowy. Alternatywnie wyłączamy spod napięcia całą stację. Przy użyciu wskaźnika napięcia należy upewnić się, że w badanym obwodzie brak jest napięcia (czyli: czy wyłączyliśmy właściwą linię). Uziemiacz zapinamy najpierw na potencjał ziemi (np. uziemienie ochronne stacji), a następnie do fazy świeżo rozłączonej linii (np. L3). W ten sposób symulujemy zwarcie w obwodzie na tej linii.

 

Rys. 9. Schemat czynności przygotowujących obiekt do pomiaru:
1. Wyłączenie obwodu przez rozłącznik bezpiecznikowy listowy. 2. Zapięcie uziemiacza na przewód PE stacji. 3. Uziemienie linii L3. 4. Możliwe, choć niezalecane, podpięcie uziemienia do V-klemy fazy L3. 5. Ponowne załączenie obwodu

 

Ze względów bezpieczeństwa nie zalecamy zakładania uziemiacza na szyny wyłączników kompaktowych (czyli pomiędzy transformator a rozłączniki bezpiecznikowe listwowe) lub na jeden z odczepów niskiego napięcia transformatora. Z tego samego powodu odradzamy mostkowanie iskiernika transformatora. 

 

Rys. 10. Sposoby zasymulowania zwarcia w obwodzie: a) na wyjściu rozłącznika listwowego (bezpieczny), b) na szynie wyłącznika kompaktowego (niebezpieczny), c) mostek na iskierniku (niebezpieczny)

 

Po wykonaniu pierwszego zwarcia w obwodzie możemy załączyć zasilanie za pomocą uprzednio rozłączonego rozłącznika bezpiecznikowego listwowego. Alternatywnie, w przypadku wcześniejszego całkowitego wyłączenia stacji, zdalnie załączamy wyłącznik kompaktowy. Inwertera nie włączamy!

Przy inwerterze jeden z przewodów pomiarowych miernika Sonel MZC-340-PV - ten zakończony krokodylkiem - podłączamy do metalowej konstrukcji wsporczej paneli PV, zapewniając bezpośrednie połączenie z uziemieniem (bednarką). Drugi przewód pomiarowy podłączamy do fazy L1 (zmierzone napięcie: 847 V AC). Innymi słowy: w układzie, w którym na fazie L3 zasymulowano pierwsze zwarcie w obwodzie na zaciskach inwertera ustanawiamy punkt drugiego zwarcia w obwodzie (miernik wywołuje kontrolowane zwarcie) jak na Rys. 6a. Otrzymany wynik zapisujemy do pamięci miernika jako L1-PE.

Bez odłączania przewodu z krokodylkiem od uziemienia (PE), drugi przewód przepinamy z fazy L1 na fazę L2, po czym uruchamiamy kolejny pomiar. Uzyskany wynik zapisujemy do pamięci miernika z adnotacją „L2-PE”.      

Rys. 11. Zdalne pomiary za pomocą miernika Sonel MZC-340-PV

 

Analogiczne czynności łączeniowe i pomiarowe przeprowadzamy dla pozostałych faz danej linii wybranego inwertera. W stacji, po odłączeniu zasilania, przewód uziemiający przepinamy z fazy L3 na fazę L2, aby zasymulować teraz zwarcie w obwodzie tej drugiej. Następnie załączamy zasilanie i przy inwerterze wykonujemy pomiary impedancji pętli zwarciowej dla L1-PE oraz L3-PE, a uzyskane wartości zapisujemy do pamięci miernika.

Następnie, po ponownym odłączeniu w stacji zasilania, uziemiacz przepinamy na fazę L1. Po załączeniu zasilania wykonujemy pomiary impedancji pętli zwarciowej dla L2-PE oraz L3-PE i oczywiście zapisujemy wyniki.

Po zakończeniu pomiarów instalacja powinna zostać przywrócona do pierwotnego stanu. Należy upewnić się, że wszystkie przewody i zaciski (w tym V-klemy), jeśli były odkręcane, zostały ponownie zamocowane z momentem dokręcenia zgodnym z wartościami określonymi w dokumentacji technicznej. Do tego celu należy użyć klucza dynamometrycznego.

Omówienie wyników pomiarowych

W celu oceny skuteczności ochrony przeciwporażeniowej oraz selektywności zabezpieczeń przeanalizujemy uzyskane wyniki pomiarów na przykładzie impedancji pętli zwarciowej dla połączenia L1-PE przy uziemionej fazie L3. Zakładamy, że pomiary międzyfazowe (np. L1-L2) nie wymagają dodatkowej interpretacji, jednak w razie potrzeby możliwe jest przygotowanie szczegółowej analizy dla wybranej kombinacji połączeń.

Zmierzone parametry dla L1-PE

• Impedancja pętli zwarciowej: ZS=170,8 mΩ

Ocena zabezpieczenia na podstawie charakterystyki czasowo-prądowej

Aby zweryfikować skuteczność ochrony nadprądowej, konieczne jest odniesienie się do charakterystyki zastosowanego zabezpieczenia. W tym przypadku wykorzystano:

• Rodzaj zabezpieczenia: Ultra Quick NH1 M1 gS 200A 800V AC
• Producent: ETI Ultra Quick NH1 M1 gS 200A 800V AC (str. 121). 

Rys. 12. Charakterystyki czasowo-prądowe wkładek bezpiecznikowych ETI Ultra Quick NH1 M1 gS 800 V AC

 

• Na podstawie dokumentacji projektowej badanej instalacji stwierdzamy, że układ sieci IT przy drugim zwarciu w obwodzie stanie się układem sieci TN (wszystkie konstrukcje wsporcze paneli wraz z inwerterami połączone są do wspólnego uziemienia PE zbiorczego i stacji transformatorowej – patrz Rys. 3c, Rys. 4b).
• Przyjmując kryteria dla badanego systemu o napięciu nominalnym 800 V AC wymagany maksymalny czas wyłączenia w sieci TN wynosi 5 s.

Weryfikacja warunku samoczynnego wyłączenia zasilania

Aby zapewnić skuteczność ochrony przeciwporażeniowej w układzie IT, należy sprawdzić, czy zmierzona impedancja pętli zwarciowej Z_S spełnia kryterium wyłączenia instalacji w czasie nieprzekraczającym 5 s.

Obliczenie maksymalnej dopuszczalnej impedancji pętli zwarciowej

Zgodnie z definicją, zmierzona impedancja pętli zwarciowej Z_S nie może przekraczać wartości granicznej Z_Smax, a zatem:

Z_S ≤ Z_Smax
Z_Smax = U₀/(2·I_a)
Zs≤ U₀/(2·I_a)

 

gdzie:

• U₀ – nominalne napięcie fazowe względem ziemi. W ramach drugiego zwarcia napięcie międzyfazowe sieci IT staje się omawianym przykładzie napięciem fazowym dla sieci TN, do której został tu przekształcony rozpatrywany system (np. dla sieci IT o nominalnym napięciu międzyfazowym 800 V należy podstawić do podanego wzoru właśnie to napięcie, czyli 800 V). 
• I_a – prąd wyłączający zabezpieczenie w czasie maks. 5 s (877 A dla zastosowanego bezpiecznika).

Porównanie z rzeczywistą wartością impedancji pętli zwarciowej

Zmierzona wartość Z_S: 170,8 mΩ

Wartość graniczna Z_Smax:

Z_Smax = U₀/(2·I_a) = 800 V / (2*877 A) = 800 V / 1754 A = 456,1 mΩ

Ponieważ Z_S ≤ Z_Smax:

170,8 mΩ ≤ 456,1 mΩ

…a zatem warunek samoczynnego wyłączenia zasilania jest spełniony.

Wniosek

Zmierzona impedancja pętli zwarciowej spełnia wymagania dla skutecznego samoczynnego wyłączenia zasilania w wymaganym maksymalnym czasie 5 s przy zastosowaniu zabezpieczenia NH1 M1 gS 200 A.

Podsumowanie i zalecenia dotyczące pomiarów impedancji pętli zwarciowej w sieci IT na farmach PV

Pomiar impedancji pętli zwarciowej w układach IT na farmach fotowoltaicznych o napięciu przekraczającym 800 V wymaga szczególnej ostrożności, zastosowania odpowiedniego sprzętu pomiarowego oraz ściśle określonych procedur zapewniających bezpieczeństwo osób wykonujących pomiary. Nieprzestrzeganie zasad może prowadzić do porażenia prądem lub poważnych uszkodzeń instalacji.

Zalecenia bezpieczeństwa i dobre praktyki pomiarowe

Pomiary muszą być wykonywane przez co najmniej dwie osoby, które posiadają odpowiednie uprawnienia (SEP E+D lub inne wydawane przez krajowe organizacje techniczne branży elektrycznej), przeszkolenie oraz doświadczenie w pracy z sieciami w układzie IT.

• Przed przystąpieniem do pracy należy przeanalizować ewentualne scenariusze awaryjne oraz omówić zasady postępowania w sytuacji zagrożenia.
• Przed rozpoczęciem pomiarów konieczne jest zapoznanie się z dokumentacją techniczną farmy PV, w tym ze schematami elektrycznymi, układem uziemień oraz typem zabezpieczeń.
• Należy wcześniej opracować i zatwierdzić plan czynności łączeniowych, aby uniknąć niekontrolowanych przełączeń, które mogłyby spowodować zwarcie lub zagrożenie dla personelu (prace poprowadzić tak, by nie wyłączać całej farmy).
• Bezwzględnie stosować certyfikowany sprzęt ochronny do pracy pod napięciem, w tym:
  - rękawice elektroizolacyjne (dostosowane do napięcia roboczego),
  - kask ochronny,
  - obuwie elektroizolacyjne,
  - odzież trudnopalną,
  - osłony i maty elektroizolacyjne w strefie pracy.
• Do pomiarów impedancji pętli zwarciowej w sieciach IT, w których napięcie międzyfazowe może przekroczyć 800 V (np. w sieciach IT o napięciu nominalnym 800 V), należy bezwzględnie stosować miernik w kategorii CAT IV 1000 V, ponieważ w czasie wyżej opisanych pomiarów napięcie międzyfazowe sieci IT staje się napięciem względem ziemi. Obecnie jedynym przyrządem spełniającym ten wymóg jest miernik Sonel MZC-340-PV. Inne przyrządy (np. Metrel Eurotest XC MI 3152, Chauvin Arnoux C.A 6117, Sonel MZC-330S) nie mogą być stosowane, ponieważ mają kategorię CAT IV 600 V, a więc mogą być stosowane przy pomiarach w sieciach IT o napięciu do 600 V.

Na zakończenie warto również wskazać trudności związane z realizacją zadań pomiarowych w kontekście zapisów REN (Rasjonell Elektrisk Nettvirksomhet – organizacja zajmująca się standardami i wytycznymi dla sektora energetycznego w Norwegii) oraz wymagań dotyczących pomiaru impedancji pętli zwarciowej w sieciach IT, zwłaszcza w obiektach przemysłowych, infrastrukturze elektroenergetycznej czy specjalistycznych instalacjach, takich jak farmy rybne. Zagadnienie to jest szczególnie trudne w kontekście napięcia 1000 V, które znajduje się na granicy napięcia niskiego (nN) i średniego (SN).

Zgodnie z RENblad 9116, wskazuje się na konieczność monitorowania izolacji (zwarcia w obwodzie mogą pozostawać niewykryte przez dłuższy czas - do 4 tygodni) oraz stosowania odpowiednich zabezpieczeń. Z kolei RENblad 4002 LS Nett nakłada wymagania dotyczące zapewnienia zasilania o napięciu 1000 V w układach sieci IT. Takie napięcie wiąże się z dodatkowymi wyzwaniami dla elektryków wykonujących pomiary impedancji pętli zwarciowej, zwłaszcza z uwagi na specyficzne wymagania normy dotyczącej ochrony przed porażeniem elektrycznym.

Pomiar impedancji pętli zwarciowej w tych warunkach jest trudny, ponieważ przy napięciu 1000 V, będącym na granicy niskiego i średniego napięcia, trzeba uwzględniać specyficzne wymagania dotyczące bezpieczeństwa. Zbyt wysoka wartość impedancji pętli zwarciowej może spowodować, że system ochrony nie zadziała w odpowiednim czasie, co może stwarzać zagrożenie porażeniem elektrycznym o skutkach dużo gorszych niż w przypadku sieci o napięciu niższym. Dodatkowo w takich instalacjach konieczne jest zapewnienie odpowiedniej ochrony uzupełniającej, co stawia dodatkowe wymagania osobom wykonującym pomiary.

Z tego powodu pomiar Z_S w instalacjach o napięciu 1000 V wymaga szczególnej precyzji i staranności, aby zapewnić pełne bezpieczeństwo użytkowników oraz zgodność z wymaganiami norm ochrony przed porażeniem elektrycznym.

Rekomendowane artykuły i materiały źródłowe

• https://www.elektro.info.pl/artykul/ochrona-przeciwporazeniowa/157042,ochrona-przeciwporazeniowa-w-sieci-o-ukladzie-zasilania-it
• PN-HD 60364-6
• PN-HD 60364-4-41
• PN-HD 60364-4-41:2017-09
• PN-EN 62446
• Dokumentacja techniczna miernika Sonel MZC-340-PV
• Materiały branżowe i publikacje dot. pomiarów w sieciach IT:
  - Pomiar impedancji pętli zwarciowej w instalacjach fotowoltaicznych dużych mocy z magazynowaniem energii
  - Pomiary impedancji pętli zwarciowej na farmach fotowoltaicznych
  - Ochrona przeciwporażeniowa w sieci o układzie zasilania IT
  - Pomiar impedancji pętli zwarciowej w sieci IT na farmie fotowoltaicznej i przy napięciu 800 V: https://www.youtube.com/watch?v=YrJR7udyHMg
  - Pomiar impedancji pętli zwarciowej przy doziemieniu w stacji transformatorowej instalacji PV: https://www.youtube.com/watch?v=0sYoykiI9rs
  - Wiatr J., Ochrona przeciwporażeniowa w sieci o układzie zasilania IT: https://elektroenergetyka.pl/upload/file/2020/04/wiatr_kwiecien_2020.pdf
  - Eaton-engineering-guide-2023-pl.pdf – Ochrona przed porażeniem prądem elektrycznym – System IT

Autorzy:
mgr inż. Wojciech Siergiej, mgr inż. Witold Dekiert, mgr inż. Robert Pawłowski
Sonel S.A.