W rozdzielnicach prądu stałego często widać dwa woltomierze: jeden mierzy napięcie bieguna dodatniego względem ziemi, drugi napięcie bieguna ujemnego względem ziemi. Przy normalnej pracy wskazania są podobne. Gdy jeden biegun zaczyna zbliżać się do potencjału ziemi, pojawia się asymetria.
Na pierwszy rzut oka wygląda to jak kontrola izolacji. W praktyce jest to tylko kontrola rozkładu napięć względem ziemi.
To rozróżnienie ma znaczenie w izolowanych układach prądu stałego, czyli w sieciach IT DC. Takie układy pracują między innymi w rozdzielnicach prądu stałego, układach napięcia gwarantowanego, obwodach sterowania, zabezpieczeń i automatyki. Ich zadaniem jest utrzymanie zasilania nawet wtedy, gdy pojawi się pierwsze uszkodzenie izolacji. Ten sam obszar pojawia się przy zasilaniu gwarantowanym obwodów wtórnych rozdzielnic elektroenergetycznych.
Problem zaczyna się wtedy, gdy woltomierze są traktowane jak pełnoprawna kontrola stanu izolacji. Nie mierzą rezystancji izolacji. Pokazują tylko, czy napięcia biegunów względem ziemi rozłożyły się symetrycznie czy niesymetrycznie.
Sieć TN i sieć IT DC: inna reakcja na doziemienie
W sieci TN źródło ma trwałe połączenie z ziemią. Przy doziemieniu powinno nastąpić samoczynne wyłączenie zasilania. To prosty mechanizm ochrony. Uszkodzenie izolacji prowadzi do przepływu prądu uszkodzeniowego, a zabezpieczenie powinno wyłączyć obwód.
W sieci IT DC źródło jest odseparowane od ziemi. W typowym układzie DC mamy biegun dodatni i ujemny, ale żaden z nich nie jest normalnie połączony z ziemią. Odbiornik nadal dostaje napięcie między biegunami, mimo że żaden biegun nie ma stałego potencjału względem ziemi.
Przy pierwszym doziemieniu jeden biegun przyjmuje potencjał zbliżony do ziemi. Drugi biegun zmienia swoje napięcie względem ziemi tak, aby napięcie między biegunami nadal zasilało odbiory. Dlatego pierwsze doziemienie w sieci IT DC zwykle nie wyłącza zasilania.
To jest podstawowa zaleta takiego układu. Obwody zabezpieczeń, sterowania lub automatyki mogą dalej pracować, a obsługa dostaje czas na lokalizację uszkodzenia. W praktyce dotyczy to także automatyki SZR, zabezpieczeń i sygnalizacji, czyli obszarów opisanych szerzej przy rodzajach automatyk w rozdzielnicach elektroenergetycznych.
Ten czas nie oznacza zgody na ignorowanie alarmu. Pierwsze doziemienie jest stanem awaryjnym. Trzeba je znaleźć i usunąć tak szybko, jak to praktycznie możliwe.
Co dzieje się przy pierwszym doziemieniu?
Pierwsze doziemienie oznacza spadek rezystancji izolacji jednego bieguna względem ziemi. Prąd takiego doziemienia jest zwykle niewielki, bo ogranicza go impedancja sieci IT DC względem ziemi. W praktyce wchodzą tu pojemności doziemne kabli, rezystancje upływu i elementy podłączone między sieć a ziemię.
Przy pojedynczym doziemieniu woltomierze często pokażą wyraźną zmianę. Jeżeli doziemiony zostanie biegun dodatni, jego napięcie względem ziemi spadnie, a napięcie bieguna ujemnego względem ziemi wzrośnie. Napięcie między biegunami zostanie zachowane, więc odbiornik dalej pracuje.
W uproszczeniu wygląda to tak:
| Stan sieci IT DC | Co widać w instalacji | Typowa reakcja |
|---|---|---|
| Brak uszkodzenia izolacji | Napięcia biegunów względem ziemi są podobne | Normalna praca |
| Pierwsze doziemienie jednego bieguna | Jeden biegun przyjmuje potencjał zbliżony do ziemi | Alarm i lokalizacja uszkodzenia |
| Drugie doziemienie na innym biegunie | Może powstać obwód zwarciowy | Zadziałanie zabezpieczeń |
Woltomierze dobrze pokazują ten pierwszy, niesymetryczny przypadek. To jednak nie znaczy, że kontrolują izolację.
Drugie doziemienie nie jest już tym samym stanem
Sieć IT DC może pracować z pierwszym doziemieniem tylko pod warunkiem, że uszkodzenie zostanie wykryte i usunięte. Jeżeli pojawi się kolejne doziemienie na drugim biegunie, układ może utworzyć obwód zwarciowy.
W sieci uziemionej punkt odniesienia jest znany. W sieci IT DC miejsca uszkodzeń mogą być dowolne. Jedno doziemienie może pojawić się w polu rozdzielnicy, drugie na końcu długiej trasy kablowej. Mogą też wystąpić blisko siebie. Impedancja pętli zwarcia będzie wtedy inna.
To trzeba uwzględnić w projekcie zabezpieczeń. Sieć IT DC daje ciągłość pracy przy pierwszym uszkodzeniu, ale nie zwalnia z analizy drugiego doziemienia.
Dlaczego woltomierze nie są kontrolą izolacji?
Woltomierze w rozdzielnicy prądu stałego mierzą zwykle:
- napięcie bieguna dodatniego względem ziemi,
- napięcie bieguna ujemnego względem ziemi.
Na tej podstawie można ocenić asymetrię napięć. Jeżeli jeden biegun zbliża się do ziemi, wskazania się rozjeżdżają. Jeżeli oba wskazania są podobne, układ wygląda na symetryczny.
Problem polega na tym, że symetria napięć nie oznacza dobrej izolacji.
| Układ pomiarowy | Co pokazuje | Czego nie pokazuje |
|---|---|---|
| Woltomierze biegunów względem ziemi | Asymetrię napięć względem ziemi | Całkowitej rezystancji izolacji |
| Przekaźnik kontroli izolacji IMD | Rezystancję izolacji sieci IT DC względem ziemi | Nie zastępuje lokalizacji uszkodzenia |
Woltomierze mogą być przydatnym wskaźnikiem eksploatacyjnym. Nie są jednak urządzeniem do monitorowania stanu izolacji w rozumieniu kontroli rezystancji izolacji.
Symetryczne pogorszenie izolacji: przypadek, którego woltomierze mogą nie pokazać
Symetryczne pogorszenie izolacji obu biegunów względem ziemi oznacza, że rezystancja izolacji spada podobnie na plusie i minusie. Wtedy rozkład napięć względem ziemi może nadal wyglądać poprawnie.
W takim przypadku wskazania woltomierzy zaczynają się niewiele różnić, mimo że stan izolacji sieci pogarsza się.
Praktyczny przykład: kabel leży w kanale kablowym, do którego dostaje się woda po roztopach albo po intensywnym deszczu. Wiele żył może mieć pogorszoną izolację w podobnym stopniu. Z punktu widzenia dwóch woltomierzy układ nadal może wyglądać symetrycznie.
Drugi przykład dotyczy rozbudowanych układów prądu stałego w elektrowniach, elektrociepłowniach albo dużych zakładach przemysłowych. W jednym miejscu pogarsza się izolacja przewodu dodatniego, w innym przewodu ujemnego, dalej znowu dodatniego i ujemnego. Centralny pomiar napięć względem ziemi może widzieć stan niemal zrównoważony.
To jest powód, dla którego asymetria napięć nie może być jedyną podstawą oceny stanu izolacji.
Co mówi o tym PN-EN 61557-8?
PN-EN 61557-8 nie traktuje urządzeń opartych wyłącznie na asymetrii napięć jako urządzeń do monitorowania stanu izolacji.
Oznacza to, że układ oparty wyłącznie na woltomierzach albo na przekaźniku reagującym tylko na asymetrię napięć nie spełnia funkcji IMD.
Konsekwencja jest praktyczna. Jeżeli sieć IT DC nie ma właściwego urządzenia do monitorowania stanu izolacji, obsługa nie ma pewnej informacji o pogorszeniu izolacji. Wtedy traci się jedną z najważniejszych zalet sieci IT DC: kontrolowaną pracę po pierwszym doziemieniu.
Jak działa przekaźnik kontroli izolacji IMD?
Przekaźnik kontroli izolacji z aktywnym sygnałem pomiarowym wprowadza sygnał pomiarowy do sieci IT DC i na tej podstawie wyznacza rezystancję izolacji względem ziemi.
Nie opiera się tylko na tym, czy plus i minus mają podobne napięcie względem ziemi. Sprawdza rezystancję między monitorowaną siecią a ziemią.
Przykładowy przekaźnik kontroli izolacji mierzy rezystancję izolacji w sposób ciągły i porównuje wynik z nastawami alarmowymi. Dla układu prądu stałego mogą to być dwa progi: ostrzeżenie i alarm.
| Próg ostrzeżenia | 70 kOhm |
| Próg alarmu | 23 kOhm |
| Zakres nastaw przykładowego przekaźnika | 1 kOhm do 10 MOhm |
Te wartości nie są uniwersalną nastawą dla każdej rozdzielnicy prądu stałego. Pokazują zasadę działania: urządzenie pracuje na progach rezystancji izolacji, a nie na samym porównaniu napięć.
Dlaczego pojemność doziemna ma znaczenie?
Dobór IMD nie kończy się na napięciu znamionowym i zakresie rezystancji. Dochodzi jeszcze jeden parametr: pojemność doziemna sieci.
W małym układzie kolejne pomiary mogą następować szybko. Po dołączeniu większej pojemności doziemnej pomiar wyraźnie zwalnia.
W realnych układach prądu stałego pojemność doziemną zwiększają:
- długie trasy kablowe,
- kolejne odpływy,
- odbiorniki z filtrami przeciwzakłóceniowymi,
- układy energoelektroniczne,
- rozbudowane obwody sterowania i sygnalizacji.
Przekaźnik kontroli izolacji musi być dobrany tak, aby poprawnie mierzył rezystancję izolacji także przy największej pojemności doziemnej, jaka może wystąpić w instalacji. Zbyt duża pojemność może spowolnić pomiar. Może też utrudnić odróżnienie zjawisk pojemnościowych od rzeczywistego pogorszenia rezystancji izolacji.
Zakłócenia w układach zasilania nie kończą się na zaniku napięcia. Wpływ na pracę automatyki mają także przepięcia, szumy, odkształcenia harmoniczne i zakłócenia impulsowe. Szerzej opisałem to w artykule o 8 rodzajach zakłóceń sieciowych.
Składowe stałe i zakłócenia pomiaru
Układy prądu stałego rzadko pracują w idealnych warunkach laboratoryjnych. W rozdzielnicach pojawiają się przekształtniki, prostowniki, filtry i układy energoelektroniczne.
Jednym z problemów są składowe stałe, które mogą pojawić się także po stronie AC, jeżeli doziemienie wystąpi za prostownikiem. Wtedy informacja o uszkodzeniu może przenosić się przez układ w sposób, który zakłóca pomiar.
Dobry przekaźnik kontroli izolacji powinien poprawnie reagować w takich warunkach. Przydatna jest też informacja o kierunku uszkodzenia: w stronę plusa albo minusa. To ułatwia późniejszą lokalizację doziemienia.
Co naprawdę mierzy IMD?
IMD mierzy rezystancję między całą monitorowaną siecią IT DC a ziemią. Nie mierzy tylko jednego kabla ani jednego odbiornika. W układach z bateriami stacyjnymi trzeba patrzeć na cały system: rozdzielnicę prądu stałego, zasilacze buforowe, baterię, odpływy i obwody pomocnicze. Podobny kontekst pojawia się przy doborze pojemności baterii akumulatorów oraz przy napięciu końcowym baterii w systemach DC.
Na wynik wpływają:
- kable,
- odbiorniki,
- lampki sygnalizacyjne,
- układy pomiarowe,
- złączki,
- woltomierze podłączone między sieć a ziemię.
Wpływ samych woltomierzy na wynik pomiaru rezystancji izolacji może wyglądać tak:
| Stan układu | Odczyt rezystancji izolacji |
|---|---|
| Mała instalacja bez dodatkowego woltomierza | powyżej 20 MOhm |
| Po dołączeniu jednego woltomierza | 24 kOhm |
| Po dołączeniu drugiego woltomierza | 12 kOhm |
Mechanizm wynika z równoległego łączenia rezystancji. Każde urządzenie dołączone między sieć IT DC a ziemię dokłada własną rezystancję. Dwa elementy o podobnej rezystancji dają mniejszą rezystancję wypadkową widzianą przez IMD.
To ważna obserwacja projektowa. Woltomierz nie jest tylko wskaźnikiem na elewacji szafy, jeżeli jego obwód ma połączenie z monitorowaną siecią i ziemią. Może wpływać na wynik pomiaru izolacji.
Metoda woltomierzowa: gdzie pomaga, a gdzie zawodzi?
Metoda woltomierzowa pomaga zauważyć doziemienie jednego bieguna. Jeżeli biegun dodatni jest przyciągany do ziemi, napięcie dodatniego względem ziemi spada, a napięcie ujemnego względem ziemi rośnie. Analogicznie będzie przy doziemieniu bieguna ujemnego.
Ta metoda zawodzi przy pogorszeniu symetrycznym. Jeżeli rezystancja izolacji spada podobnie na obu biegunach, wskazania woltomierzy mogą nadal wyglądać poprawnie.
Najprostsze rozróżnienie:
| Sytuacja | Woltomierze | IMD |
|---|---|---|
| Doziemienie jednego bieguna | Zwykle pokażą asymetrię | Wykryje spadek rezystancji |
| Podobne pogorszenie izolacji obu biegunów | Mogą nie wywołać alarmu | Wykryje spadek rezystancji |
| Duża pojemność doziemna | Nie ocenia poprawnie stanu izolacji | Wymaga dobrania urządzenia do pojemności sieci |
| Elementy pomocnicze podłączone do ziemi | Mogą zaburzać obraz napięć | Wliczają się do rezystancji widzianej przez IMD |
Woltomierze pokazują asymetrię. IMD kontroluje rezystancję izolacji. To są dwa różne sygnały diagnostyczne.
Co sprawdzić w projekcie lub podczas przeglądu?
Przy rozdzielnicy prądu stałego zacząłbym od dokumentacji. Trzeba zobaczyć, czy układ rzeczywiście pracuje jako IT DC i czy ma przekaźnik kontroli izolacji z aktywnym sygnałem pomiarowym. Same woltomierze na elewacji szafy nie wystarczają, jeżeli w dokumentacji są opisane jako kontrola stanu izolacji.
Drugi punkt to nastawy IMD. W projekcie albo DTR powinny być podane progi ostrzeżenia i alarmu rezystancji izolacji. Trzeba też sprawdzić, czy przekaźnik jest dobrany do napięcia sieci oraz pojemności doziemnej kabli, odpływów i filtrów. W rozbudowanych układach prądu stałego to nie jest parametr poboczny, bo wpływa na czas i pewność pomiaru.
Osobno trzeba przejrzeć elementy dołączone między sieć a ziemię: lampki, układy pomiarowe, woltomierze i inne obwody pomocnicze. Każdy z nich wnosi własną rezystancję i może obniżać wartość widzianą przez IMD.
Na końcu zostaje reakcja obsługi. Pierwszy alarm izolacji powinien uruchomić lokalizację uszkodzenia, a nie odruchowe wyłączenie rozdzielnicy. Drugi temat to zabezpieczenia przy drugim doziemieniu na innym biegunie. Tu trzeba sprawdzić warunki zadziałania zabezpieczeń i impedancję pętli zwarcia dla możliwych miejsc uszkodzeń.
Woltomierze i IMD w jednym zdaniu
Woltomierze w rozdzielnicy prądu stałego mogą pokazać asymetrię napięć względem ziemi. Przekaźnik kontroli izolacji mierzy rezystancję izolacji sieci IT DC względem ziemi.
Pierwsze doziemienie w sieci IT DC oznacza lokalizację uszkodzenia, a nie odruchowe wyłączenie całego układu. Drugie doziemienie na innym biegunie może już utworzyć obwód zwarciowy, więc zabezpieczenia muszą być dobrane z uwzględnieniem takiego przypadku.
Temat kontroli izolacji sieci IT DC, doboru przekaźników IMD, pojemności doziemnej i zachowania układów napięcia gwarantowanego będzie częścią kursu Układy Napięcia Gwarantowanego w Przemyśle. Dobór architektury takich układów łączy się też z wymaganiami, które opisałem w artykule o standardach UPS w energetyce i przemyśle procesowym.