Ochrana při poruše rozvodných elektrických zařízení nad AC 1000 V - ochrana před nebezpečným dotykem neživých částí

6.3.6.5

Ochrana při poruše rozvodných elektrických zařízení nad AC 1000 V – ochrana před nebezpečným dotykem neživých částí

Ing. Vítězslav Šťastný, CSc. a kolektiv

Soubor opatření a způsoby ochrany před dotykem neživých částí elektrických zařízení nad AC 1000 V zajišťující ochranu před úrazem elektrickým proudem v případě poruchy zařízení stanovovaly (kromě dalšího) dříve platné technické normy ČSN 34 1010 z 06/1965, ČSN 33 2010 (návrh) z 07/1987 a ČSN 33 2000-4-41 z ledna 1966 a tři postupně vydávané podnikové normy energetiky PNE 33 0000-1.

Ze současných platných norem řeší uvedenou problematiku ČSN 33 2000-4-41 z února 2000 (vč. vydaných Změn 1 a 2 a Opravy 1), přičemž platnost této normy končí k 31. 1. 2009, a nově aktualizovaná PNE 33 0000-1, ed. 4, Ochrana před úrazem elektrickým proudem v distribučních soustavách a přenosové soustavě, platná od 1. 1. 2008.

ČSN 33 2000-4-41 , ed. 2, Elektrické instalace nízkého napětí – Část 4-41: Ochranná opatření pro zajištění bezpečnosti – Ochrana před úrazem elektrickým proudem ze srpna 2007 problematiku elektrických instalací nad AC 1000 V neobsahuje, a ochranu při poruše zařízení nad AC 1000 V tudíž neřeší.

Z uvedeného je možno odvodit, že již počátkem roku 2009 zůstane PNE 33 0000-1, ed. 4, jedinou platnou technickou normou komplexně řešící i opatření ochrany před úrazem elektrickým proudem při poruše rozvodných zařízení nad AC 1000 V.

PNE 33 0000-1, ed. 4, Ochrana před úrazem elektrickým proudem v distribučních soustavách a přenosové soustavě

Poslední, 4. vydání podnikové normy energetiky PNE 33 0000-1, platné od 1. 1. 2008, vychází z třetího vydání z roku 2003, které současně nahrazuje, dále ze zkušeností s používáním normy a nových aplikací vydaných norem ČSN 33 2000-4-41 , ed. 2, ČSN 33 2000-5-54 , ed. 2, a ČSN 33 2000-6 . Je základní bezpečnostní normou pro navrhování a provoz rozvodných zařízení distribučních soustav a přenosové soustavy. Tvoří ucelený soubor z hlediska ochrany před úrazem elektrickým proudem zařízení nn, vn, vvn, zvn a může být v přiměřené míře použita i pro průmyslové a komunální rozvodné sítě AC do 1000 V i nad 1000 V. Norma neřeší požadavky na sítě DC s napětím do 1500 V a nad 1500 V.

Dále uvedený text tohoto pojednání je zaměřen na problematiku způsobu ochrany neživých částí (na ochranu před nepřímým dotykem), na kterých mohou vzniknout při poruše rozvodných zařízení nad AC 1000 V nebezpečná napětí.

Neživé části rozvodného elektrického zařízení nad AC 1000 V jsou všechny neživé vodivé části zařízení a přístrojů, které mohou při poruše izolace nebo zásahem oblouku přijít do styku s živými částmi zařízení.

Důležité související technické normy pro provedení ochrany neživých částí zařízení nad AC 1000 V:

• ČSN 33 3201 Elektrické instalace nad AC 1 kV

• ČSN EN 50341-1 (33 3300) Elektrická venkovní vedení s napětím nad AC 45 kV – Část 1 : Všeobecné požadavky – Společné specifikace

• ČSN EN 50341-3 (33 3300) Elektrická venkovní vedení s napětím nad AC 45 kV – Část 3 : Soubor Národních normativních aspektů – Změna 2

• ČSN EN 50423-3 (33 3301) Elektrická venkovní vedení s napětím nad AC 1 kV do AC 45 kV včetně – Část 3 : Soubor Národních normativních aspektů

• PNE 33 0000-2, ed. 3, Stanovení základních charakteristik vnějších vlivů působících na rozvodná zařízení distribuční a přenosové soustavy

• PNE 33 0000-4, ed. 2, Příklady výpočtů uzemňovacích soustav v DS a PS dodavatele elektřiny

• PNE 33 0000-8 Navrhování a umisťování svodičů přepětí v distribučních sítích nad 1 kV do 45 kV

• PNE 33 3301 Elektrická venkovní vedení s napětím nad 1 kV AC do 45 kV včetně

Dovolená dotyková napětí U_TP pro omezené trvání průtoku proudu u elektrických zařízení nad AC 1000 V

Z hlediska nebezpečí úrazu elektřinou je rozhodující proud, který prochází lidským tělem. Proto prostředky ochrany před úrazem elektrickým proudem u rozvodných elektrických zařízení musí splňovat některou z uvedených podmínek:

• trvale zamezit přístup k živým i neživým částem při provozu elektrického zařízení s napětím vyšším než je mezní hodnota bezpečného napětí;

• omezit proud protékající lidským tělem při dotyku s neživými částmi elektrických zařízení na úroveň, která není nebezpečná;

• omezit dobu, po kterou při dotyku s neživými částmi elektrických zařízení protéká proud lidským tělem tak, aby nenastaly nebezpečné patofyziologické účinky u zasažených osob.

Mezní proud protékající lidským tělem lze však těžko udávat – pro praxi je výhodnější vycházet z dotykových napětí. Mezní hodnoty napětí, které jsou z hlediska dotyku ještě bezpečné, se volí pro dané zařízení podle prostoru, ve kterém je zařízení umístěno, a času trvání poruch zařízení.

Dovolené dotykové napětí U_TP (napětí na lidském těle) pro omezené trvání průtoku proudu u elektrických zařízení nad AC 1000 V na neživých částech zařízení je odvislé od možnosti velikosti úrazu v konkrétním prostoru a čase trvání poruch. PNE 33 0000-1, ed. 4, vychází při stanovení velikosti hodnot U_TP ze stejného principu jak pro elektrické stanice, tak pro vedení vn, vvn a zvn. Každá zemní porucha je odpojována automaticky nebo ručně. Neomezeně trvající dotyková napětí jako následek zemních poruch tudíž nevznikají.

Pro kroková napětí (napětí v blízkosti neživých částí) PNE 33 000, ed. 4, povolené hodnoty nestanovuje. Vychází přitom z ČSN 33 3201 a ČSN EN 50341-1 , ze kterých vyplývá, že dovolené hodnoty krokových napětí jsou vyšší než povolená dotyková napětí a proto, pokud uzemňovací soustava splňuje požadavky na dotyková napětí, lze předpokládat, že se obecně nevyskytnou žádná nebezpečná kroková napětí.

Dovolená dotyková napětí U_TP pro elektrické stanice

Meze dotykových napětí proti zemi jsou dány následujícím obrázkem č. 1. Křivka představuje napětí, která se mohou objevit na lidském těle při dotyku holou rukou proti bosé noze. Při stanovení křivky nebyly uvažovány žádné přídavné odpory. Výpočty, které berou v úvahu přídavné odpory (např. obuvi a vysoce odporových povrchových materiálů), představují křivky na obrázku č. 2.

Obr. 1 Dovolená dotyková napětí U_TP pro omezené trvání průtoku:

(Při trvání průtoku proudu delším než 10 s pro U_TP lze použít 75 V.)

Z průběhu křivky na obrázku 1 byly odvozeny základní hodnoty dotykového napětí U_TP pro elektrické stanice, které jsou uvedeny v tabulce 1. U druhu rozvodného zařízení pod bodem a) tabulky nelze vyloučit dotyk zařízení holou rukou proti bosé noze. U rozvodného zařízení pod bodem b) tabulky lze rozumně předpokládat, že osoby pohybující se v prostorách zařízení jsou obuty – viz křivky na obrázku 2.

Tab. 1 Dovolená dotyková napětí U_TP pro elektrické stanice:

Meze dotykových napětí v různých místech

Obrázek 2 ukazuje meze dotykových napětí, které se mohou objevit na lidském těle v různých typických lokalitách. Křivky U_D2, U_D3 a U_D4 ukazují působení progresivně rostoucích doplňkových odporů na meze dotykových napětí – na rozdíl od napětí U_D, které působí jako napěťový zdroj v obvodu, ve kterém se dotýká osoba neživých částí zařízení při poruše, s hodnotou napětí zaručující bezpečnost osoby používající známé doplňkové odpory, tj. obuv, izolační materiál na povrch stanoviště.

Křivky na obrázku 2 platí pro:

křivka U_D1 : R _a = 0 Ω (příklad 1),

křivka U_D2 : R _a = 1 750 Ω, R _a1 = 1 000, r _E = 500 Ω·m (příklad 2),

křivka U_D3 : R _a = 4 000 Ω, R _a1 = 1 000, r _E = 2 000 Ω·m (příklad 3),

křivka U_D4 : R _a = 7 000 Ω, R _a1 = 1 000, r _E = 4 000 Ω·m (příklad 4).

R _a = doplňkový odpor; R _a1 = odpor obuvi (1000 Ω odpovídá průměrné hodnotě pro staré a vlhké boty); ρ _E = rezistivita půdy v povrchové vrstvě.

Popis typických míst, odpovídajících výše uvedeným příkladům 1 až 4 a křivkám U_D1 až U_D4 na obrázku 2:

• Příklad 1. Křivka U_D1.

  Místa, jako jsou hřiště, plavecké bazény, kempy, rekreační plochy a podobná místa, kde se mohou shromažďovat lidé s bosýma nohama. Uvažuje se pouze odpor lidského těla bez jakýchkoliv doplňkových odporů.

• Příklad 2. Křivka U_D2.

  Místa, kde se může rozumně předpokládat, že lidé jsou obuti, jako jsou chodníky veřejných cest, parkoviště apod. Je uvažován doplňkový odpor 1750 V.

• Příklad 3. Křivka U_D3.

  Místa, kde se může rozumně předpokládat, že lidé jsou obuti a rezistivita půdy je vysoká, např. 2000 V?m. Bere se v úvahu doplňkový odpor 4000 V.

• Příklad 4. Křivka U_D4.

  Místa, kde se může rozumně předpokládat, že lidé jsou obuti a rezistivita půdy je velmi vysoká, např. 4000 V?m. Bere se v úvahu doplňkový odpor 7000 V.

Obr. 2 Příklady mezí dotykových napětí (rozdílu napětí U_D) jako funkce doby trvání poruchového proudu t_F :

Popisy typických míst podle příkladů 1 až 4 a křivek U_D1 až U_D4 na obrázku 2 se staly podkladem pro stanovení hodnot dovolených dotykových napětí U_TP pro venkovní vedení vn, které jsou uvedeny v tabulce 2.

Tab. 2 Dovolená dotyková napětí U_TP pro venkovní vedení vn:

Odlehlá místa ve smyslu ČSN EN 50341-3 a ČSN EN 50423-3

Odlehlými místy – okolí podpěrných bodů, kde se lidé vyskytují zřídka (nejsou často navštěvována lidmi) – se rozumí:

1. místa v nezastavěných prostorách (např. pole) ve vzdálenosti větší než 10 m od okraje dálnic, silnic a místních komunikací,

2. místa dále než 50 m od soustředěné občanské a bytové zástavby,

3. místa dále než 25 m od jednotlivých osamělých budov a továrních objektů mimo soustředěnou zástavbu,

4. místa dále než 50 m od okraje volných rekreačních a sportovních ploch mimo soustředěnou zástavbu (např. od areálu zdraví, jednoduchých hřišť, parkových ploch apod.),

5. polní a lesní cesty.

Dovolená dotyková napětí U_TP pro venkovní vedení vvn a zvn:

Postupuje se podle ČSN EN 50341-1 a ČSN EN 50341-3 , Změna 2

Měření dotykových napětí

Měření dotykových napětí (měřicí metody jsou uvedeny v PNE 33 0000-1, ed. 4) se požaduje:

• v elektrických stanicích s napětím 110 kV a vyšším (vvn, zvn),

• v průmyslových závodech, na jejichž území je vybudována elektrická stanice s napětím 110 kV a vyšším (vvn, zvn),

• v ostatních elektrických zařízeních vvn (zvn), pokud jsou tam předepsány hodnoty dotykových napětí a nelze je prokázat jiným způsobem – např. výpočtem,

• v případech doporučených PNE 33 0000-1, ed. 4.

Opatření pro dodržení mezních hodnot dovolených dotykových napětí

• Zpracovaný návrh uzemňovací soustavy vycházející ze zásad norem ČSN 33 3201 (pro elektrické stanice) a ČSN EN 50341-1 (pro venkovní vedení), zásad zapracovaných v PNE 33 0000-1, ed. 4, části 5.

• Kontrola provedených uzemnění v místě realizace a dokumentace uzemňovacích soustav. Pro každou uzemňovací soustavu musí být k dispozici situační plán, který obsahuje materiály a umístění zemničů včetně hloubek jejich uložení. Pokud jsou k dosažení dovolených dotykových napětí potřebná uznávaná zvláštní opatření (viz ČSN 33 3201 , normativní příloha D), musí být tato zahrnuta v projektu a popsána v dokumentaci.

• Pravidelná údržba uzemňovacích soustav v rámci Řádu preventivní údržby.

Případy, kdy lze od kontroly hodnot dotykových napětí upustit – venkovní vedení vn, vvn, zvn

Základní předpoklad – rychlé automatické vypínání poruchy od zdroje – odpojení od zdroje je hlavní ochranou v čase do 1 s, záložní ochranou do 5 s při současném splnění následujících (alespoň jednoho) opatření:

• místa často navštěvovaná lidmi – povrch terénu v okolí podpěrného bodu je izolován trvanlivou izolační vrstvou do vzdálenosti 1,5 m od kovové konstrukce (např. z živičné směsi o minimální tloušťce 10 cm), zemniče nesmějí přesahovat okraj této vrstvy.

  Nebo je-li provedeno ohrazení podpěrného bodu nevodivým plotem, případně plastem pokrytým drátěným plotem i s holými vodivými sloupky;

• místa odlehlá, která nejsou často navštěvována lidmi – nezasahují-li uložené zemniče do vzdálenosti větší než 15 m od přístupných částí podpěrného bodu.

  U venkovních vedení vn – za rovnocenné opatření se považuje zřízení ekvipotenciálních kruhů (pro řízení rozložení potenciálu okolo stožáru) nebo použití neprůrazných izolátorů, konzol z izolujícího materiálu (odizolování stožáru).

V případech, kdy lze od kontroly hodnot dotykových napětí upustit, nelze však pominout požadavky na uzemňování pro ochranu před účinky blesku – viz ČSN EN 50341-3 – Změna 2, ČSN EN 50423-3 a PNE 33 0000-8.

Případy, kdy se vznik nebezpečných dotykových napětí nepředpokládá

U elektrických zařízení v oblastech se souvislou zástavbou napájených z kabelové sítě vn kabely s vodivými, oboustranně uzemněnými plášti o celkové délce nad 1 km (viz ČSN 33 3201 , příloha K a PNE 33 0000-4, ed. 2) a s maximálním proudem zemního spojení nebo jednofázového zkratu do 1500 A se vznik nebezpečných dotykových napětí rozsahu této sítě nepředpokládá a není třeba je kontrolovat (celková uzemňovací soustava).

ČSN 33 2000-5-54 čl. NA.15.3: "U společné uzemňovací soustavy větší než 10 000 mą tvořené vzájemně propojenými náhodnými i strojenými zemniči se zemní odpor neměří“.

Způsoby ochrany neživých částí elektrických rozvodných zařízení nad AC 1000 V

Základní podstatou ochrany (ochranných opatření) je spojení neživých částí se zemí (ochrana zemněním, jejíž podmínky a provedení se liší podle typu sítě) a zajištění vypnutí poškozeného úseku (poruchy) vedení.

Stanovení prostor z hlediska působení vnějších vlivů na konkrétní druhy rozvodných zařízení obsahuje PNE 33 0000-2, ed. 3, platná od 1. 10. 2006 v příloze 1 a 2:

• Příloha 1 – vyhodnocení vnějších vlivů na rozvodná zařízení umístěná ve vnitřních prostorech,

• Příloha 2 – vyhodnocení vnějších vlivů na rozvodná zařízení umístěná ve venkovním prostoru a prostorách pod přístřeškem.

 NahoruRozdělení ochran

Ochrana neživých částí může být vytvořena:

• zemněním v sítích, kde není přímo uzemněný střed (uzel) (sítě IT),

• zemněním s rychlým vypnutím v sítích s přímo uzemněným středem (uzlem) (sítě TT(r)),

• zemněním s rychlým vypnutím v sítích, kde není přímo uzemněn střed (uzel) (sítě IT(r)),

• pospojováním (k uvedení na stejný potenciál) ¹,

• izolací,

• zábranou.

 NahoruProvedení ochran

Podstatou ochrany je spojení neživých částí se zemí, kterým se zabrání vzniku nebezpečného dotykového napětí na těchto částech.

Ochrana zemněním v sítích, kde není přímo uzemněný střed zdroje (uzel)

Při ochraně zemněním nesmí napětí U_TP na chráněné neživé části trvale překročit hodnoty v tabulce č. 1.

 NahoruOchrana v sítích IT

V sítích IT se připouští spojení fázového vodiče se zemí přes velkou impedanci (např. měřicí transformátory napětí), které nevyvolá zemní spojení.

1. V sítích s kompenzací zemních kapacitních proudů, kde se uzel přechodně odporově uzemňuje, je dovolená doba tohoto přechodného uzemnění maximálně 5 s a nejvyšší dovolený přídavný proud místem poruchy v důsledku přechodného uzemnění je 300 A.

2. V sítích, v nichž při dvojitém zemním spojení je zajištěno rychlé vypnutí, se uzemnění a uzemňovací přívod nedimenzuje na proudy vyvolané těmito poruchami.

Rovněž se uzemňovací přívod nedimenzuje na rozsah sítě přechodně zvětšený na dobu nezbytně nutných provozních manipulací (např. spojování kompenzovaných sítí, sítě uzemněné přes omezující impedanci, popř. jejich kombinace).

1. c) Odpor uzemnění R_E (mimo zařízení v souvislé zástavbě s kabely vn) musí být:

Velikost kapacitních proudů vedení lze určit výpočtem např. podle přílohy č. 5 – 7 nebo je možno jej určit z nastavení tlumivky v napájecí elektrické stanici, kdy kapacitní proud sítě odpovídá nastavenému proudu zhášecí tlumivky ve vyladěném stavu sítě.

Materiál a minimální rozměry uzemňovacích přívodů a zemničů se volí podle tabulky 10 a příloh A a B ČSN 33 3201 .

Nelze-li z technických nebo ekonomických důvodů při ochraně zemněním vyhovět požadavku c), použije se tohoto dalšího opatření:

• může-li při poruše vzniknout na chráněné neživé části napětí vyšší, než je dovolené dotykové napětí, ale nejvýše 2 x U_TP, stačí, izoluje-li se místo do…