Andrzej Cholewa

Politechnika Śląska

Wydział Górnictwa i Geologii

Katedra Elektryfikacji

i Automatyzacji Górnictwa

Uwagi do postanowień normy PN-G-42042 dotyczącej zabezpieczeń zwarciowych i przeciążeniowych kopalnianych sieci elektroenergetycznych

1. Wstęp

Zapewnienie bezpieczeństwa w podziemnych zakładach górniczych jest bardzo trudne, ze względu na wielość, różnorodność oraz dużą intensywność zagrożeń, a także podatność środowiska na te zagrożenia. Występujące w zakładach górniczych zagrożenia wynikają z przyczyn naturalnych oraz z działalności człowieka w środowisku górniczym. Do tej drugiej grupy zagrożeń należą zagrożenia elektryczne. Zagrożenia elektryczne mogą prowadzić m.in. do takich nieszczęśliwych wypadków, jak pożary, wybuchy, porażenia prądem elektrycznym. Aby zapewnić bezpieczeństwo, w tym bezpieczeństwo elektryczne, w podziemnych zakładach górniczych stosowane są różnorakie środki organizacyjne i techniczne. W zapewnieniu bezpieczeństwa użytkowania energii elektrycznej istotne znaczenie mają właściwe przepisy. Dobre przepisy wymuszają wysoki poziom projektowania, budowy i użytkowania urządzeń elektrycznych górniczych. Wysoka jakość przepisów może być zapewniona m.in. wtedy, gdy są one opracowywane i uzgadniane przez wszystkich zainteresowanych. Obowiązek przestrzegania przepisów bezpośrednio związanych z bezpieczeństwem wymuszony jest zwykle przepisami prawa.

Do norm praktycznie w całości związanych z bezpieczeństwem użytkowania energii elektrycznej w podziemiach kopalń należy norma PN-G-42042 [12]. Jest to oczywiste, ponieważ przedmiotem tej normy są zabezpieczenia elektroenergetyczne zwarciowe i przeciążeniowe, a więc urządzenia mające zapewnić bezpieczeństwo. W niniejszym referacie krótko przedstawiono genezę normy PN-G-42042 oraz omówiono wybrane jej postanowienia. Normy PN-G-42042 dotyczy również inny referat [2] zamieszczony w materiałach VIII KKEG.

2. Uwagi o wybranych postanowieniach normy PN-G-42042

Pierwowzorem normy PN-G-42042 była norma branżowa BN-91/0462-12 [13]. Projekt normy BN-91/0462-12 opracowany został w Katedrze Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa Pol. Śl. Projekt ten był wynikiem prac studialnych i doświadczalnych [5,6]. Głównym celem tych prac było uporządkowanie i sprecyzowanie rozproszonych wówczas przepisów, zawierających wymagania odnośnie do zabezpieczeń elektroenergetycznych zwarciowych i przeciążeniowych oraz przystosowanie tych przepisów do wymogów formalnych dokumentu, jakim jest norma. W ramach tych prac dokonano krytycznej oceny przepisów krajowych i zagranicznych dotyczących zabezpieczeń zwarciowych i przeciążeniowych sieci niskiego i średniego napięcia. Porównano różne stosowane zasady doboru nastaw tych zabezpieczeń, w tym zasady obliczania minimalnych prądów zwarciowych. Przeanalizowano warunki pracy zabezpieczeń w istniejących sieciach kopalnianych, m.in. rozpatrzono przebiegi prądów rozruchowych jedno i wielosilnikowych napędów maszyn górniczych. Przeprowadzono także, w ograniczonym zakresie, badania skuteczności działania zabezpieczeń zwarciowych sieci i odbiorników kopalnianych. W zwarciowni wykonano badania zabezpieczeń w modelu fizycznym kopalnianej sieci niskonapięciowej.

Zgodnie z przewidzianą ówcześnie procedurą opracowywania norm projekt normy BN-91/0462-12 został poddany ankietyzacji. W ramach przeprowadzonej ankiety otrzymano kilkanaście wypowiedzi, w większości zawierających liczne uwagi merytoryczne wraz propozycjami zmian postanowień zawartych w projekcie normy. Odbyło się kilka posiedzeń komisji normalizacyjnej, na których omawiano trzy kolejne wersje projektu normy. W wielu przypadkach ostateczne postanowienia normy były wynikiem kompromisu. Przedmiotem kontrowersji była m.in. celowość zamieszczenia w normie obszernego dodatku zawierającego zasady doboru nastaw zabezpieczeń. Ostatecznie zasady te zostały umieszczone poza główną (obowiązującą) częścią normy w "Informacjach dodatkowych". Przedstawione zasady doboru nie miały tym samym charakteru obligatoryjnego. Norma branżowa BN-91/0462-12 została ustanowiona przez Ministra Przemysłu i Handlu w sierpniu 1991 r. jako obowiązująca od stycznia 1992 r.

W zdecydowanej większości w normie BN-91/0462-12 znalazły się przepisy niezmienione pod względem merytorycznym, które wcześniej zamieszczone były w takich zbiorach, jak "Rozporządzenie..." [8], "Szczegółowe przepisy..." [11] oraz "Przepisy budowy urządzeń elektrycznych" [10]. Niektóre szczegółowe wymagania, wcześniej istniejące, zmieniono na podstawie wyników wspomnianych prac [5,6], poprzedzających opracowanie projektu normy. W czasie kilkuletniego obowiązywania normy nie były zgłaszane do niej istotne zastrzeżenia.

Ponieważ  w ustawie o normalizacji z 1993 r. przewidziano tylko jeden rodzaj norm, tj Polskie Normy, w planie Normalizacyjnej Komisji Problemowej nr 164 ds. bezpieczeństwa w górnictwie  przewidziano przekwalifikowanie wybranych norm branżowych w Polskie Normy. W tej grupie znalazła się również norma BN-91/0462-12. Zmiana rodzaju normy stała się okazją do jej nowelizacji. Ustanowienie normy PN-G-42042 poprzedziła również jej ankietyzacja. Norma PN-G-42042 została ustanowiona przez PKN 7 stycznia 1998 r. i wprowadzona w całości do obowiązkowego stosowania [9].

Ostatecznie nowo ustanowiona norma nie różni się istotnie  co do wymagań i zaleceń od normy BN-91/0462-12. Wprowadzone zmiany dotyczą współczynnika czułości zabezpieczenia zwarciowego rezerwowego linii stosowanych w pomieszczeniach niebezpiecznych (zamiast 1,2 przyjęto 1,3), wprowadzono także wartość współczynnika czułości zabezpieczeń przekaźnikowych dla silników o napięciu znamionowym powyżej 1 kV równą 2.

Norma PN-G-42042 składa się z dwóch rozdziałów, załącznika normatywnego ("Obliczanie prądów zwarciowych do doboru nastaw zabezpieczeń zwarciowych") oraz załącznika informacyjnego ("Zalecane zasady doboru nastawień prądowych i czasowych zabezpieczeń nadprądowych przekaźnikowych oraz prądów znamionowych wkładek topikowych bezpieczników"). Załącznik normatywny, tak jak część zasadnicza normy, zawiera wymagania. Nie zawiera natomiast wymagań załącznik informacyjny (załącznik informacyjny nie powinien zawierać wymagań). Dlatego w treści załącznika informacyjnego nie ma charakterystycznych dla wymagań sformułowań takich, jak powinien, należy itp.

Postanowienia normy PN-G-42042 stosuje się przy projektowaniu i eksploatacji w podziemnych wyrobiskach zakładów górniczych urządzeń i sieci elektroenergetycznych prądu przemiennego o izolowanym punkcie neutralnym o napięciu znamionowym do 10 kV i częstotliwości znamionowej 50 Hz.

Wymagania i zalecenia normy poprzedzono definicjami 15 terminów z zakresu zabezpieczeń elektroenergetycznych. Dobór terminów i podawane w normach przedmiotowych i czynnościowych definicje pojęć budzą zwykle kontrowersje nie mniejsze niż same wymagania. Tak też było w przypadku prac nad projektem normy BN-91/0462-12, a później PN-G-42042. W normach przedmiotowych i czynnościowych celowe jest podawanie tylko tych terminów (definicji), które są niezbędne dla właściwego i jednoznacznego zrozumienia postanowień danej normy. W normach terminologicznych nie było uporządkowanej terminologii dotyczącej zabezpieczeń elektroenergetycznych (terminologia taka była w zakresie elementów zabezpieczeń, głównie przekaźników). Dlatego uznano za celowe poprzedzić postanowienia normy PN-G-42042 kilkunastoma niezbędnymi definicjami terminów. Ostateczna liczba zamieszczonych w normie terminów i treść definicji wyniknęła z dyskusji (w ramach ankietyzacji) nad projektem normy. Kryterium oceny poprawności definicji podanych w normach przedmiotowych i czynnościowych powinna stanowić przydatność do właściwego, jednoznacznego interpretowania postanowień (wymagań) normy. Podane w normie terminy i ich definicje powinny zwiększać komunikatywność wyrażenia poszczególnych wymagań. Chodzi o to, by każdy korzystający z normy rozumiał użyte w niej terminy dokładnie tak samo. Oczywiste jest, że w pierwszej kolejności autorzy projektów norm powinni stosować terminologię wynikającą z postanowień krajowych i międzynarodowych organizacji opracowujących słownictwo techniczne. Wyrazem tych postanowień są normy terminologiczne lub mające charakter norm słowniki terminologiczne (np. Międzynarodowy Słownik Elektrotechniczny - International Electrotechnical Vocabulary opracowywany przez IEC)). Jednak w wielu przypadkach takich norm terminologicznych nie ma. Zdarza się także, że podane w słownikach terminologicznych definicje niektórych terminów są nieodpowiednie dla opracowywanej normy i trzeba je zmodyfikować. Terminy inaczej określone (zdefiniowane) mają wtedy zastosowanie ograniczone do danej normy. Tworząc lub modyfikując definicje terminów na użytek określonej normy trzeba pamiętać o tym, że dążenie do większej ścisłości bardzo często utrudnia wyrażanie się i zmniejsza zrozumiałość. Dlatego też nie należy być w takich przypadkach bardziej ścisłym niż wymaga tego sytuacja. Trzeba także pamiętać, że normy przedmiotowe bądź czynnościowe nie mogą być uważane za autorytatywne źródło prawidłowej terminologii. Norma może prawnie obowiązywać tylko w zakresie wymagań technicznych, a nie co do użytego w niej słownictwa.

W drugim rozdziale normy PN-G-42042 zatytułowanym "Wymagania" podano:

·         wymagania i zalecenia ogólne dla zabezpieczeń zwarciowych i przeciążeniowych,

·      wymagania odnośnie do rodzaju i zakresu stosowania zabezpieczeń dla poszczególnych elementów sieci elektroenergetycznej i odbiorników, tj. transformatorów,  linii elektroenergetycznych, silników, baterii kondensatorów,

·         zasady doboru zabezpieczeń i miejsca ich instalowania

·         wymagania co do czasów zadziałania zabezpieczeń, ich wybiórczości i czułości.

W części normy PN-G-42042, zawierającej wymagania i zalecenia ogólne, są m.in. przepisy dotyczące zabezpieczeń zwarciowych dwustopniowych oraz zabezpieczeń rezerwowych.

W celu skrócenia czasu wyłączania zwarć norma PN-G-42042 zaleca stosować zabezpieczenia zwarciowe dwustopniowe -  tj. odpowiednio skoordynowane zabezpieczenie  nadprądowe zwłoczne i zabezpieczenie nadprądowe bezzwłoczne - gdy strefa zabezpieczana przez zabezpieczenie bezzwłoczne stanowi co najmniej 50% strefy zabezpieczanej przez zabezpieczenie zwłoczne.

W normie PN-G-42042 zawarte jest wymaganie odnośnie do rezerwowania zabezpieczeń zwarciowych (głównie do tzw. rezerwowania zdalnego) w sieciach o napięciu wyższym od 1 kV. Intencją autorów projektu normy było zwrócenie większej uwagi na tę cechę (zdolność) zabezpieczeń. Zabezpieczenie zwarciowe zwłoczne podstawowe powinno być tak dobrane, aby mogło być jednocześnie zabezpieczeniem rezerwowym dla zabezpieczenia następnego w kierunku od źródła zasilania. Ponieważ w sieciach dołowych ze względu na parametry stosowanych w nich urządzeń (stosunkowo duże impedancje zastępcze transformatorów SN/nn) w wielu przypadkach wymagania tego nie można spełnić, w normie dopuszczono, by strefa zabezpieczana przez zabezpieczenie rezerwowe była krótsza niż wynika to z miejsca zainstalowania kolejnego zabezpieczenia zwarciowego. W przypadku zabezpieczeń już istniejących często wystarczy zmiana nastawy prądowej (w przedziale nastaw dopuszczalnych), by spełnione było wymaganie co do rezerwowania kolejnego zabezpieczenia. Podobnie sformułowane wymagania co do rezerwowania zabezpieczeń zwarciowych jest w przepisach [10]. W przepisach elektrycznych górniczych wcześniej takiego wymagania nie było.

W normie PN-G-42042  podano także wymagania, jakie powinny spełniać prądy znamionowe bezpieczników stosowanych jako zabezpieczenie przeciążeniowe. Wymagania zawarte w normie (tablica 2) oparto na dotychczasowych wymaganiach zawartych w [11, 10] oraz na dodatkowej analizie warunków działania bezpieczników. Ogólnie skutkiem przyjętych w normie PN-G-42042 wymagań, zmienionych w porównaniu wymaganiami z [11], jest konieczność stosowania wkładek topikowych o mniejszych prądach znamionowych do zabezpieczenia przewodów o określonej obciążalności długotrwałej. Bezpieczniki topikowe nie są dobrym zabezpieczeniem przeciążeniowym przewodów elektroenergetycznych i odbiorników. Szerokie uzasadnienie tego stwierdzenia można znaleźć m.in. w [4]. W kopalnianych sieciach elektroenergetycznych niskonapięciowych zakres stosowania bezpieczników topikowych jako zabezpieczeń przeciążeniowych jest niewielki.

Jednym z istotnych wymagań normy PN-G-42042 jest wymaganie odnośnie do wartości współczynników czułości zabezpieczeń zwarciowych nadmiarowoprądowych. Według [7] czułość zabezpieczenia jest to zdolność zabezpieczenia do reagowania na zmianę wielkości pomiarowych wyrażona współczynnikiem czułości. Współczynnik czułości w przypadku zabezpieczenia nadmiarowego jest to stosunek najmniejszej wartości pomiarowej występującej przy zwarciu metalicznym na końcu zabezpieczanej strefy do wartości nastawionej w zabezpieczeniu. W przepisach formułowane są wymagania co do minimalnej wartości współczynnika czułości. W poradnikach do projektowania zaleca się zwykle tak dobierać nastawy zabezpieczeń zwarciowych, by rzeczywiste wartości współczynnika czułości były jak największe.

W normie PN-G-42042 wymagane minimalne współczynniki czułości zróżnicowano w zależności od rodzaju zabezpieczenia (podstawowe, rezerwowe) oraz stopnia niebezpieczeństwa wybuchu pomieszczenia, w którym znajdują się urządzenia (linie, odbiorniki) tworzące zabezpieczany obwód. Przyjęto (tablica 3 [12]) następujące wartości: 1,3 dla zabezpieczeń podstawowych w pomieszczeniach bezpiecznych i 1,2 dla zabezpieczeń rezerwowych w tych pomieszczeniach, 1,5 dla zabezpieczeń podstawowych w pomieszczeniach niebezpiecznych ze względu na wybuch metanu oraz 1,3 dla zabezpieczeń rezerwowych w tych pomieszczeniach. Zawarte w normie PN-G-42042 wymagania co do minimalnych wartości współczynników czułości zabezpieczeń zwarciowych podstawowych są takie same, jak w "Szczegółowych przepisach..." [11].

W normie niemieckiej [14] jest wymaganie, aby nastawa zabezpieczenia zwarciowego nadprądowego nie była wyższa od 0,8 wartości minimalnego prądu zwarciowego (prądu do doboru nastaw zabezpieczeń wyznaczonego według podanych w normie zasad). Odpowiada to wartości współczynnika czułości 1,25.

Już dyskusja nad projektem normy BN-91/0462-12 ujawniła różne zdania co do przepisowych wartości współczynników czułości. W dyskusji tej sugerowano m.in. zmniejszenie zaproponowanych w projekcie normy wartości współczynników czułości i nie różnicowanie ich w zależności od stopnia niebezpieczeństwa wybuchu pomieszczeń (uzasadnienie takiego poglądu podane jest w [3]). Jednak wyniki przeprowadzonych wstępnych badań skuteczności działania zabezpieczeń zwarciowych [5,6] przeczyły takim sugestiom. Podczas badań zwarciowych modelu fizycznego kopalnianej sieci niskonapięciowej, w połowie przypadków zwarć dwufazowych dokonywanych na końcu strefy zabezpieczanej przez zabezpieczenie z przekaźnikiem PSN stwierdzono niezadziałanie przekaźnika i utrzymywanie się zwarcia łukowego. W tych przypadkach, w których przekaźnik zadziałał, czas zadziałania był znacznie dłuższy (ok. 180 ms)  niż przy zwarciach metalicznych w tym samym miejscu modelu (ok. 40 ms). Przebiegi prądów podczas zwarć dwufazowych łukowych były odkształcone, a ich wartości maksymalne były ok. 1,5 raza mniejsze od wartości  podczas zwarć dwufazowych w tym samym miejscu. Należy tu zaznaczyć, że we wszystkich przypadkach nastawa prądowa przekaźnika była dobrana tak, że współczynnik czułości wynosił 1,5.

Na to, że podany w normie PN-G-42042 współczynnik czułości zabezpieczeń zwarciowych nadprądowych dla pomieszczeń bezpiecznych pod względem wybuchowym ma za małą wartość wskazuje się  także w [1].

Wprowadzając w normie  PN-G-42042 wymaganie, by współczynnik czułości zabezpieczenia zwarciowego nadprądowego silników o napięciu znamionowym wyższym od 1 kV był nie mniejszy od 2 kierowano się tym, że takie samo wymaganie jest w [10]

W normie PN-G-42042 podano wymagania (tablica 4 [12]) odnośnie do ilorazu minimalnego prądu zwarciowego (Izmin) do prądu znamionowego wkładki topikowej (Inb). Odpowiednia duża wartość tego ilorazu  ma zapewnić krótki czas wyłączania prądów zwarciowych. Np. w normie [14] przyjęto, że czas wyłączania zwarcia przez bezpiecznik w pomieszczeniach niebezpiecznych nie powinien być dłuższy od 0,1 s.

Przyjęte w normie PN-G-42042 wartości ilorazu Izmin/Inb wyznaczone na podstawie analizy charakterystyk czasowo-prądowych bezpieczników dają przeciętny czasu wyłączania zwarcia 1 s dla bezpieczników użytkowanych w pomieszczeniach bezpiecznych pod względem wybuchowym oraz krótszy od 0,5 s dla bezpieczników użytkowanych w pomieszczeniach niebezpiecznych. Przyjęcie wymagania, by czas wyłączania zwarcia w pomieszczeniach niebezpiecznych był nie dłuższy od 0,1 s (jak w [14]) wiązałoby się z wymaganiem jeszcze większej wartości ilorazu Izmin/Inb. Na przykład z charakterystyk czasowo-prądowych wkładek topikowych WT/T wynika, że iloraz Izmin/Inb. musiałby wtedy wynosić ok. 12 dla wkładki topikowej o prądzie Inb = 10 A, ok. 17 - dla wkładki o prądzie Inb =  63 A oraz  ok. 20 dla wkładki o prądzie Inb =  400 A [6]. Narzucenie tak dużych wartości ilorazu Izmin/Inb. znacznie ograniczyłoby możliwości stosowania bezpieczników topikowych jako zabezpieczeń zwarciowych.

W załączniku A (normatywnym) przedstawiono zasady obliczenia prądów zwarciowych do doboru nastaw zabezpieczeń zwarciowych. Problemom związanym ze stosowaniem tych zasad poświęcony jest referat [2].

W załączniku B (informacyjnym) przedstawiono zalecane zasady doboru nastaw zabezpieczeń zwarciowych i przeciążeniowych. Zgodnie z podaną wczesnej informacją zasady te nie mają charakteru obowiązującego (nie są wymaganiami).

3. Uwagi końcowe

W normie PN-G-42042 w porównaniu z normą BN-91/0462-12 nie zostały wprowadzone istotne zmiany. Zdecydowana większość wymagań i zaleceń normy  PN-G-42042 nie budzi zastrzeżeń jej użytkowników. Świadczą o tym opinie zebrane podczas przeprowadzonej ankietyzacji projektu normy.  Kontrowersje co do przyjętych w normie minimalnych wartości współczynników czułości zabezpieczeń zwarciowych nadprądowych powinny być rozstrzygnięte na podstawie wyników odpowiednich badań teoretycznych i doświadczalnych.

Litertura

1.       Berger Z., Dworaczek J., Nowak A.: Doświadczenia i uwagi o eksploatowanych zabezpieczeniach kopalnianych silników SN. Mechanizacja i Automatyzacja  Górnictwa 1999, nr 10.

2.       Cholewa A., Gawor P.: O obliczaniu prądów zwarciowych w kopalnianych sieciach elektroenergetycznych. Materiały VIII Krajowej Konferencji Elektryki Górniczej. Szczyrk, 2000 r.

3.       Jedziniak K.: Wybrane aspekty doboru nastawień zabezpieczeń zwarciowych w górniczych sieciach elektroenergetycznych do 1 kV. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 1981, nr 9.

4.       Markiewicz H.: Bezpieczeństwo w elektroenergetyce. Warszawa, WNT 1999.

5.       Praca zbiorowa: Badania parametrów i skuteczności działania ochrony nadmiarowoprądowej sieci kopalnianej oraz określenie zasad doboru, nastawień i instalowania. Etap I Prace studialne i analiza obowiązujących przepisów, norm krajowych i zagranicznych oraz wstępne badania zwarciowe w zakresie ochrony nadmiarowoprądowe kopalnianych sieci elektroenergetycznych.  Praca naukowo-badawcza NB-470/RG-1/87 wykonana w Instytucie Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa Politechniki Śląskiej. Gliwice marzec 1988, (niepublikowana).

6.       Praca zbiorowa: Badania parametrów i skuteczności działania ochrony nadmiarowoprądowe sieci kopalnianej oraz określenie zasad doboru, nastawień i instalowania. Etap II. Określenie zasad doboru, nastawień i instalowania zabezpieczeń nadmiarowoprądowych kopalnianych sieci elektroenergetycznych. Praca naukowo-badawcza NB-470/RG-1/87 wykonana w Instytucie Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa Politechniki Śląskiej. Gliwice listopad, 1988 (niepublikowana).

7.       Słownik terminologiczny w zakresie wytwarzania, przesyłania i rozdzielania energii elektrycznej. Oracowanie Polskiego Komitetu Terminologii Elektrycznej SEP. Wydaw. Centrum Informatyki, Warszawa 1990.

8.       Rozporządzenie Prezesa Rady Ministrów z 1 sierpnia 1969 r. w sprawie przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy oraz bezpieczeństwa pożarowego w podziemnych zakładach górniczych (Dz.U. nr 24 z 1969 r. poz. 176).

9.       Rozporządzenie Ministra Gospodarki z 14 września 1999 r. w sprawie wprowadzenia obowiązku stosowania niektórych Polskich Norm (Dz.U. nr 80 poz.911)

10.   Przepisy budowy urządzeń elektroenergetycznych. Warszawa, Wydaw. WEMA, 1988.

11.   Szczegółowe przepisy prowadzenia ruchu i gospodarki złożem w podziemnych zakładach górniczych wydobywających węgiel kamienny i brunatny. MGiE, Katowice 1984.

12.   PN-G-42042: 1998.  Środki ochronne i zabezpieczające w elektroenergetyce kopalnianej. Zabezpieczenia zwarciowe i przeciążeniowe. Wymagania i zasady doboru.

13.   BN-91/0462-12. Sieci i urządzenia elektroenergetyczne górnicze. Zabezpieczenia zwarciowe i przeciążeniowe. Ogólne wymagania i zasady doboru.

14.   DIN VDE 0118 Teil 2/09.90. Errichten elektrischer Anlagen in Bergbau unter Tage. Zusatzfestlegungen für Starkstromanlagen.