MATERIAŁY SZKOLENIOWE
mgr inż. Sławomir SAMEK
Energoprojekt Kraków SA
Dział Projektowania Stacji
WYSOKIEGO NAPIĘCIA
WPROWADZONE NORMĄ
PN-E-05115
„INSTALACJE ELEKTROENERGETYCZNE PRĄDU PRZEMIENNEGO
O NAPIĘCIU WYŻSZYM OD 1 kV”
KRAKÓW, maj 2005 r.
W dniu 12. 8. 2002 r. została ustanowiona przez PKN norma PN-E-05115:2002 „Instalacje elektroenergetyczne prądu przemiennego o napięciu wyższym od 1 kV”. Fakt ten stanowi zakończenie „ery PBUE”, których wymagania w zakresie rozdziału III Stacje i rozdzielnie elektroenergetyczne były u nas stosowane od 1962 r., a zatem przez 40 lat. Przepisy te były już w dużej mierze przestarzałe, a w ostatnich latach stały się także formalnie nieaktualne. Nieco inaczej przedstawiała się historia rozdziału VII, obejmującego ochronę przeciwporażeniową w urządzeniach elektroenergetycznych o napięciu wyższym niż 1 kV, który został zastąpiony obowiązującym przez kilka lat Rozporządzeniem Ministra Przemysłu z dnia 8.10.1990 r. i które utraciło również swoją ważność formalną.
Norma PN-E-05115:2002 jest oficjalnym i wiernym tłumaczeniem europejskiego dokumentu harmonizacyjnego HD 637 S1:1999.
Norma jest dość obszerna, zawiera ponad 150 stron, i dlatego nie może być w całości przedstawiona szczegółowo. Przedstawiono ogólnie zawartość całej normy a szczególną uwagę zwrócono na istotne różnice w stosunku do dotychczas stosowanych Przepisów Budowy Urządzeń Elektrycznych.
Przedmiotem normy są instalacje elektroenergetyczne o napięciu wyższym od 1 kV a zatem Wysokiego Napięcia (WN). Termin instalacje elektroenergetyczne obejmuje następujące obiekty:
§ stacja (zamknięty obszar ruchu elektrycznego, w którym znajdują się rozdzielnie, transformatory, itd.),
§ elektrownia (część elektryczna zawierająca generatory, transformatory blokowe, rozdzielnie potrzeb własnych itd.),
§ układ elektroenergetyczny zakładu przemysłowego (GPZ, sieć zakładowa WN, stacje WN/nn).
W skład instalacji wchodzą urządzenia takie jak: aparatura łączeniowa, transformatory, generatory, silniki WN, wyposażenie sterowania, instalacje uziemiające, linie wewnętrzne, budynki i ogrodzenia itp.
Zespół tłumaczący normę przyjął termin „instalacja” dla wysokiego napięcia, który był dawniej stosowany tylko dla niskiego napięcia. W oparciu o Prawo energetyczne wprowadzono zestaw określeń:
§ „urządzenia” - urządzenia techniczne stosowane w procesach energetycznych,
§ „instalacje” - urządzenia z układami połączeń między nimi,
§ „sieci” - instalacje połączone i współpracujące ze sobą, służące do przesyłania i dystrybucji.
Europejski Dokument Harmonizujący HD 637 S1:1999, którego omawiana norma jest polską wersją, nie jest jeszcze normą europejską EN.
Jest to pierwszy etap ujednolicenia w skali europejskiej wymagań odnoszących się do instalacji elektroenergetycznych o napięciu wyższym od 1 kV. Ujednolicenie to nie jest łatwe, gdyż różne kraje Europy miały dotąd różne przepisy, różną tradycję techniczna, a czasem także mają inne warunki zewnętrzne. Dlatego dokument HD w niektórych punktach jest sformułowany kompromisowo lub wariantowo a także zawiera zalegalizowane dla określonych krajów odstępstwa od ogólnie przyjętych ustaleń (załączniki S i T).
Wszystkie kraje europejskie mają pewne trudności z dostosowaniem do ujednoliconych wymagań ustalonych w HD. Jednakże wspólna gospodarka całej Europy, rozwój techniki w dziedzinie elektroenergetyki oraz ścisłe powiązanie systemów el. en. krajów europejskich stwarzają konieczność unifikacji wymagań dla urządzeń i instalacji. Norma polska stanowi jeden z wielu odcinków stanowiących „wejście do Unii Europejskiej”.
Nowa Polska Norma nie wprowadza generalnej rewolucji do krajowej praktyki projektowej, występuje jednakże wiele zmian szczegółowych. Na najważniejsze zmiany zwrócona tu będzie uwaga. Wprowadzone zostały niektóre nowe wymagania nie występujące w starych przepisach, jak np. instalowanie rozdzielnic gazowych, ochrona obwodów wtórnych od zakłóceń występujących w instalacjach WN itp.
Problemem może być wariantowość niektórych wymagań normy. Wariantowe przykładowo są: poziom izolacji, poziom ochrony przed bezpośrednim uderzeniem pioruna, a także zakres uwzględnienia dodatkowych rezystancji w obwodzie rażeniowym (decydujący dla projektowania instalacji uziemiającej). W przeszłości w projektowaniu występowały na ogół jednoznaczne ustalenia norm, przepisów i wytycznych. Wariantowość wymaga podjęcia decyzji przez projektanta i użytkownika instalacji (inwestora), a zatem powiększa zakres uzgodnień pomiędzy użytkownikiem a projektantem. Trzeba zaznaczyć, że decentralizacja i prywatyzacja energetyki zwiększają zróżnicowanie przyjmowanych ustaleń.
Dotychczasowe PBUE także nie ustalały wszystkich szczegółów, konieczne były Wskazówki wykonawcze, Wytyczne projektowania lub instrukcje projektowe. W obecnej sytuacji istnienie takich dokumentów, uściślających wymagania ujęte w PN-E-05115 jest potrzebne jeszcze w większym stopniu.
Pewnym ułatwieniem dla użytkownika normy będzie „Komentarz do postanowień PN-E-05115” wydany ostatnio przez COSIW SEP.
Projekt normy europejskiej, na wcześniejszym etapie prac, został przekazany przez CENELEC w 1996 r. do IEC, która prowadzi prace nad przygotowaniem tejże normy jako normy międzynarodowej (światowej). Ostatnio, w październiku 2002 r., została wydana część pierwsza tej normy IEC 61936-1 „Power installations exceeding 1 kV a.c. Common rules” (Instalacje el.en. WN Wymagania ogólne). Zamierzane jest wydanie części 2, dotyczącej instalacji w sieciach przesyłowych i rozdzielczych oraz części 3, obejmującej elektrownie i instalacje w zakładach przemysłowych. Norma IEC jako całość będzie wprowadzona jako norma europejska EN a następnie jako nowa norma PN, zastępująca omawianą normę.
Warto zauważyć, że w normie IEC 61936 wprowadzono istotne korekty merytoryczne i redakcyjne w stosunku do HD, a już prowadzone są prace nad nowelizacją tej normy. Można mieć pewność, że omawiana obecnie norma PN-E-05115 nie będzie stosowana przez 40 lat.
Należy podkreślić, że w obecnym układzie organizacyjnym nasza normalizacja jest ściśle związana z normalizacją europejską i międzynarodową. Zapewnia to wysoką jakość naszych norm.
Norma PN-E-05115 ma bardzo czytelną i logiczną strukturę. Norma zawiera następujące rozdziały:
1. Zakres normy i normy powołane
2. Definicje (terminologia)
3. Wymagania podstawowe
4. Izolacja
5. Urządzenia
6. Instalacje
7. Środki bezpieczeństwa
8. Instalacje pomocnicze i systemy sterowania
9. Instalacje uziemiające
10. Przegląd i badania odbiorcze
oraz 15 załączników (A-G i J-Q) dotyczących instalacji uziemiających.
Ponadto w normie zamieszczono dwa załączniki S i T (50 stron), które zawierają odstępstwa zalegalizowane dla poszczególnych krajów. Zamieszczone w załączniku S odchylenia wynikają z niezgodności w 8 krajach przepisów prawnych i norm z tekstem HD 637 S1. W załączniku T podano dla 9 krajów odstępstwa wynikające w zasadzie ze szczególnych warunków występujących w tych krajach (HD przyjęto ogółem dla 19 krajów). Załączniki S i T w Polsce mają znaczenie tylko informacyjne i mogą służyć dla krytycznej analizy wymagań ustalonych w normie albo mogą być wykorzystane w przypadku ewentualnego polskiego eksportu dla Zachodniej Europy. Dla polskiego użytkownika normy te dwa załączniki są nieistotne.
Należy podkreślić, że norma nie dotyczy linii napowietrznych i kablowych budowanych pomiędzy oddzielnymi instalacjami. Nie dotyczy również instalacji dla górnictwa podziemnego, instalacji morskich, urządzeń medycznych itd.
Można tu dodać, że niektóre załączniki mają charakter szczegółowych wytycznych projektowania, a nie ogólnej normy. Przykładem może być załącznik K1, w którym zestawiono rezystywność różnych rodzajów gruntu. Takie załączniki zostały pominięte w normie IEC 61936.
W normie zamieszczono listę powołanych norm (ponad 60 pozycji). Taka duża ich liczba wynika z faktu, że w projektowaniu i budowie instalacji elektroenergetycznych należy uwzględnić wymagania wielu różnych instalowanych urządzeń oraz wiele różnych wymagań stawianych całej instalacji. Zestawione są normy EN, dokumenty HD, normy IEC itp. Odpowiedniki polskie tych dokumentów podane są w załączniku krajowym NA.
Szczególną uwagę należy zwrócić na normę PN-EN 50110-1:2001 „Eksploatacja urządzeń elektrycznych” część pierwsza. Zawiera ona zasady, które odnoszą się także do instalacji i urządzeń WN. Trzeba wyjaśnić, że druga część normy zawiera tylko zestawienie przepisów obowiązujących w poszczególnych krajach europejskich. Dla krajowego użytkownika norm jest praktycznie bezwartościowa. W Polsce obowiązuje w tym zakresie Rozporządzenie Ministra Gospodarki w dnia 17.09.1999 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy urządzeniach i instalacjach energetycznych.
Rozdział zawiera następujące podrozdziały: definicje ogólne, instalacje, rodzaje instalacji, ochrona przeciwporażeniowa, odstępy, sterowanie i zabezpieczenia oraz uziemienia. Zamieszczono ponad 80 terminów i ich definicje. Polskie terminy są zgodne z pozycjami odpowiednich części Międzynarodowego Słownika Terminologicznego Elektryki IEV. Poniżej zwrócono uwagę na niektóre terminy odbiegające od słownictwa stosowanego w PBUE.
Wprowadzone zostało rozróżnienie dwóch terminów: „napięcie nominalne” i „napięcie znamionowe”. Pierwszy stanowi tylko nazwę a drugi parametr ściśle określający dane urządzenie. I tak mamy przykładowo napięcie nominalne sieci (rozdzielni) 110 kV. Natomiast napięcie znamionowe zainstalowanych tam aparatów (najwyższe napięcie urządzenia Um) wynosi 123 kV, znamionowa przekładnia transformatora 115 ±10% /15,75 kV a napięcie znamionowe ogranicznika przepięć 96 kV. W dokumencie HD wprowadzono dla sieci 400 kV nazwę: napięcie nominalne 380 kV. Zmienia to nazwę a nie wpływa na parametry urządzeń.
Rozróżnia się wg IEV 605, instalacje napowietrzne i wnętrzowe dwóch rodzajów: „otwarte” (tradycyjne) i „osłonięte” (termin powszechnie używany). Szczególnym przypadkiem rozdzielni osłoniętej jest „rozdzielnia gazowa”. Zgodnie z tekstem angielskim HD oraz zgodnie z IEV 195 wprowadzono kilka terminów stosowanych już w instalacjach nn jak: „część czynna” (może być pod napięciem albo w stanie beznapięciowym), „dotyk bezpośredni” (kontakt elektryczny z częściami czynnymi) oraz „dotyk pośredni” (kontakt z częściami przewodzącymi, które w stanie zakłócenia znalazły się pod napięciem).
Wprowadzono trzy terminy: „obudowa”, „przeszkoda” (np. barierka, łańcuch, linka) i „przegroda” (np. ścianka, blacha, osłona siatkowa spełniająca określone wymagania). Obudowa daje pełną ochronę przed dotykiem bezpośrednim z dowolnej strony. Przegroda stanowi ochronę ze wszystkich ogólnie dostępnych stron a przeszkoda tylko przed niezamierzonym dotykiem bezpośrednim a nie chroni przed dotykiem bezpośrednim spowodowanym działaniem rozmyślnym.
Należy zwrócić szczególną uwagę na nowe pojęcie „zespolona instalacja uziemiająca”. Ten przypadek występuje przy połączeniu wzajemnym kilku blisko położonych instalacji uziemiających. Ma to miejsce np. w gęsto zabudowanych terenach miejskich lub w wielkich zakładach przemysłowych.
W normie występują dwa pokrewne terminy: „rozdzielnia” i „rozdzielnica”. Rozdzielnia jest to instalacja usytuowana na obszarze ruchu elektrycznego, połączona z siecią i eksploatowana, a w skład jej wchodzą aparaty rozdzielcze, przewody, konstrukcje, wyposażenie pomocnicze itp. Natomiast rozdzielnica jest to urządzenie, wyrób fabryczny przeznaczony do zainstalowania na stacji.
W rozdziale zostały zamieszczone, sformułowane w ogólny sposób, podstawowe wymagania stawiane urządzeniom i instalacjom. Są one ujęte w kolejnych podrozdziałach.
Wymagania elektryczne: sposoby uziemienia punktu neutralnego, wymagania napięciowe oraz dotyczące prądu w normalnych warunkach pracy i prądu zwarciowego, częstotliwość znamionowa, ulot i zakłócenia radioelektryczne.
W normie przeoczono (zgodnie z HD) uziemienie punktu neutralnego przez rezystor. Przypadek ten został uwzględniony w IEC 61936-1.
Wśród wymagań elektrycznych nie uwzględniono także spraw dotyczących pola elektrycznego i magnetycznego. Są one brane pod uwagę w nowelizacji tekstu IEC 61936.
Wymagania mechaniczne: podano ogólnie obliczeniowe przypadki obciążenia normalnego oraz wyjątkowego; określono bliżej poszczególne przypadki, możliwe przykładowe kombinacje obciążeń normalnych: naciągiem, sadzią i wiatrem oraz obciążenia wyjątkowe: siły łączeniowe, siły w przewodach przy zwarciu i siły występujące przy zerwaniu przewodu. Zwrócono uwagę na zagrożenie drganiowe. Podano ogólne zasady wymiarowania konstrukcji wsporczych.
Warunki klimatyczne i środowiskowe: podano je dla instalacji wnętrzowych i napowietrznych w zakresie temperatury otoczenia, wilgotności i opadów, promieniowania słonecznego oraz zabrudzenia. Te ostatnie odnoszą się w szczególności do izolatorów zainstalowanych napowietrznie.
Wymagania specjalne: obejmują one instalacje usytuowane na wysokościach ponad 1000 m n.p.m. (dopuszczalne prądy, odstępy izolacyjne), zagrożenia ze strony małych zwierząt i mikroorganizmów, poziomu hałasu (odwołanie do norm krajowych i ISO). Podano także wymagania dotyczące urządzeń i instalacji dla terenów gdzie występuje zagrożenie sejsmiczne.
Konkretyzacja wymagań ogólnych podanych w rozdziale 3 przeprowadzana jest w różny sposób. Pewne wymagania szczegółowe są określone w innych rozdziałach normy PN-E-05115 (np. odstępy izolacyjne w rozdziale 4), w innych normach (np. obciążenie sadzią w PN-E-05100-1), lub w rozporządzeniach administracyjnych (np. Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z dnia 13.5.1998 r. w sprawie poziomów hałasu w środowisku). Mogą one być ustalone także we wskazówkach lub wytycznych projektowania albo na drodze uzgodnień z użytkownikiem instalacji. Te ostatnie uzgodnienia poszerzają zakres negocjacji pomiędzy inwestorem i projektantem w stosunku do dotychczasowej praktyki. Wreszcie wymagania podstawowe stawiają przed projektantem i wykonawcą instalacji zadania, które maja oni zrealizować zgodnie z zasadami wiedzy technicznej.
Rozdział 3 nie wprowadza ważnych zmian do zasad przyjętych w obecnej praktyce projektowania, natomiast daje przejrzysty i czytelny ich obraz.
Ustalenia dotyczące koordynacji i izolacji opierają się na normach europejskich (zgodnych z IEC), wydanych w Polsce jako PN-EN 600711:1999 oraz PN-EN 60071-2:2000. W dokumencie HD wprowadzono jednakże pewne odstępstwa w oparciu o praktykę europejską. Wymagania są ujęte w pięciu podrozdziałach.
Wybór poziomu izolacji. Dla stosowanych napięć nominalnych sieci podane są w tablicy 1 wg PN-EN 60071-1 znormalizowane wartości najwyższego napięcia urządzeń Um oraz odpowiadające im znamionowe wytrzymywane napięcia udarowe piorunowe (Lightning Impulse Withstand Voltage, LIWV) i wytrzymywane napięcia udarowe łączeniowe (Switching Impulse Withstand Voltage, SIWV), definiujące poziom izolacji. Zwykle dla określonego napięcia Um wprowadzono kilka znormalizowanych napięć wytrzymywanych, a zatem zachodzi potrzeba wybrania dla instalacji jednej z tych wariantowych wartości, czyli wyboru poziomu izolacji. Zalecenia w tym względzie są podane w normie. Istotnym elementem tego wyboru jest sposób uziemiania punktu neutralnego sieci. Dla potrzeb krajowych pomocne są Wskazówki wydane przez PSE SA i PTPiRE.
Sprawdzenie wartości wytrzymywanych. Wymagana wytrzymałość elektryczna urządzeń powinna być potwierdzona w badaniach elektrycznych (atest).
Nie są one jednak konieczne, w przypadku instalacji, jeżeli zachowane są minimalne odstępy w powietrzu, podane w normie. Budowa instalacji w oparciu o minimalne odstępy jest powszechną praktyką, gdyż przeprowadzanie badań elektrycznych dużych instalacji zwykle nie jest technicznie możliwe, a zawsze kosztowne.
Minimalne odstępy od części czynnych. Zostały one określone dla instalacji el. en. wg PN-EN 60071-2. Dla napięć nominalnych sieci od 3 kV do 220 kV w zależności od przyjętej znormalizowanej wartości LIWV, przy założeniu niekorzystnego układu elektrod i odnoszą się zarówno do izolacji międzyfazowej i doziemnej. Dla wyższych napięć nominalnych sieci minimalne odstępy uzależnione na ogół od przyjętych znormalizowanych wartości SIWV i są różne dla izolacji doziemnej i międzyfazowej oraz podane dla dwóch wariantów konfiguracji elektrod, korzystnego i niekorzystnego. W niektórych, nielicznych przypadkach wymiarujące są przepięcia piorunowe. Nie uwzględniono ich w PN-E-05115 (zgodnie z HD), ale zostały wprowadzone w IEC 61936-1. Zalecone odstępy zestawiono w tablicy 2.
Minimalne odstępy w powietrzu od części czynnych stanowią podstawowy składnik odległości bezpiecznych dla obsługi instalacji, omówionych w rozdziale 6. Człowiek znajduje się na potencjale ziemi, a stąd miarodajne są odstępy doziemne; względy bezpieczeństwa wymagają założenia niekorzystnego układu elektrod. te odstępy oznaczono literą N.
Należy zwrócić uwagę na odstęp dla napięcia nominalnego 110 kV: w PN-E-05115 w oparciu o opinie Instytutu Energetyki dopuszczono generalne stosowanie odstępu 900 mm, podczas gdy wg HD 637 S1 odstęp o tej wartości stosowany jest tylko w rzadko występujących specjalnych przypadkach.
Wartości LIWV i SIWV podane w tablicy wybrano z wartości podanych w normie w oparciu o Zasady ochrony od przepięć i koordynacja izolacji wydane przez PSE SA, w 2001 r. Dla napięcia 220 kV podano dodatkowo wariant ostrzejszy.
Minimalne odstępy między częściami w warunkach szczególnych. Dla tych warunków zaliczono odstępy przy wychyle pod wpływem sił zwarciowych, pod wpływem wiatru i w innych przypadkach specjalnych. Przykładowe przypadki:
opozycja faz 120%
wychył zwarciowy 50%
wychył wiatrowy 75%
Przebadane strefy przyłączenia. Zwykle odstępy doziemne i międzyfazowe w produkowanych urządzeniach (aparatach) są mniejsze od minimalnych odstępów podanych w normie. Wobec tego odstępy w strefie przyłączenia przewodów do tych urządzeń powinny być sprawdzone podczas badań wytrzymałości elektrycznej urządzeń.
1 kV < Um £ 245 kV
Najwyższe napięcie
urządzenia Um
kV (skut.)
Znormalizowane krótkotrwałe wytrzymywane napięcie o częstotliwości sieciowej
kV (skut,)
Znormalizowane wytrzymywane napięcie udarowe piorunowe
kV (max)
7,2
20
40
60
17,5
38
k_pawelko1969