Impedancja pętli zwarcia - jak wygląda pomiar i wzór?

Impedancja pętli zwarcia, zgodnie z obowiązującymi w Polsce przepisami (Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane, tekst jednolity: Dz. U. z 2023 r. poz. 682), stanowi jeden z parametrów, jakie należy zmierzyć podczas wykonywania obligatoryjnej kontroli okresowej budynku. Zgodnie ze wspomnianą ustawą, obiekty budowlane powinny być w czasie ich użytkowania poddawane przez zarządcę lub właściciela okresowej (co najmniej raz na 5 lat) kontroli w zakresie stanu technicznego i przydatności do użytkowania. W zakres tej ustawowo nakazanej kontroli wchodzi wiele pomiarów, a jednym z ważniejszych jest badanie instalacji elektrycznej pod kątem stanu sprawności zabezpieczeń i środków ochrony od porażeń. Pomiar impedancji pętli zwarcia pozwala sprawdzić prawidłowość doboru zabezpieczeń i skuteczność ich działania.

Impedancja pętli zwarcia - co to jest?

Z technicznego punktu widzenia impedancja pętli zwarcia (IPZ) jest sumą rezystancji przewodów zastosowanych w danej instalacji oraz impedancji uzwojeń transformatora zasilającego. Co istotne, wartość IPZ obejmuje źródło, przewód liniowy (do miejsca, w którym nastąpiło zwarcie), przewód uziemiający, przewód ochronny dostępnych części przewodzących, a także uziom danej instalacji oraz uziom źródła. Wartość impedancji pętli zwarcia oraz napięcie znamionowe instalacji pozwalają na określenie spodziewanego prądu zwarciowego.

Impedancja pętli zwarcia - podstawowe pojęcia

We wzorach na obliczanie pętli zwarcia stosowane są różnego rodzaju symbole i określenia, które mogą nie być do końca zrozumiałe dla osób niebędących zawodowymi elektrykami. Aby przybliżyć ich znaczenie, przytaczamy je poniżej wraz z wyjaśnieniem, co oznaczają:

• In - prąd znamionowy (nominalny) zabezpieczenia, przepływający przez nie w trakcie normalnego użytkowania; wartość podawana w amperach (A)
• Ia - prąd wyłączeniowy; najniższa wartość prądu przepływającego przez uszkodzony obwód, która doprowadzi do samoczynnego wyłączenia zasilania w pożądanym czasie, zgodnie z obowiązującymi normami
• k - krotność, czyli mnożnik, który należy zastosować podczas obliczania prądu wyłączającego
• U0 - napięcie znamionowe danej sieci w odniesieniu do ziemi
• Zs - maksymalna dopuszczalna impedancja pętli zwarcia, przy której zostanie spełniony warunek samoczynnego zadziałania zastosowanego zabezpieczenia
• Zz - impedancja zmierzona, czyli faktyczna wartość IPZ w punkcie pomiarowym

Wykonując pomiar IPZ miernikiem, można natknąć się na wyświetlaczach także na następujące symbole:

• R - rezystancja
• Xl - reaktancja cewki transformatora

Po co wyznaczana jest impedancja pętli zwarcia?

Wartość, jaką przyjmuje impedancja pętli zwarcia w danej sieci (w punkcie, w którym dokonywany jest pomiar), stanowi podstawę do stwierdzenia, czy zastosowane w konkretnym przypadku zabezpieczenia zwarciowe zostały dobrane prawidłowo i czy zadziałają, odłączając uszkodzony układ w pożądanym czasie.
Obliczanie impedancji pętli zwarcia
Zanim przejdziemy do wzorów na obliczanie impedancji pętli zwarcia, należy pamiętać o obliczeniu wartości prądu wyłączającego (Ia). Jego wartość zależy bezpośrednio od charakterystyki zastosowanego zabezpieczenia i wylicza się ją ze wzoru: Ia = In * k

Poniżej podane zostały krotności dla poszczególnych charakterystyk zgodnie z obowiązującymi normami (PN-HD 60364)

• bezpiecznik typ B: k = 5
• bezpiecznik typ C: k = 10
• bezpiecznik typ D: k = 20

W zależności od układu sieci, podstawowy wzór pozwalający na obliczenie impedancji pętli zwarcia jest inny.

• Dla sieci w układzie TN: Zs ≤ U0/Ia
• Dla sieci w układzie TT: Zs * Ia≤ U0
• Dla sieci w układzie IT: 2Ia Zs ≤ U0

Należy pamiętać, że podane powyżej wzory pozwalają obliczyć, jaka maksymalna impedancja pętli zwarcia dopuszczalna jest dla danego układu sieci i konkretnych zabezpieczeń.

Impedancja pętli zwarcia - pomiar

Pomiary impedancji pętli zwarcia wykonuje się dedykowanymi miernikami, które (w zależności od typu urządzenia i producenta) mogą dostarczać również innych informacji na temat danej sieci i zastosowanych zabezpieczeń. Najczęściej nowoczesne mierniki wykonują pomiary metodą techniczną, poprzez wywołanie sztucznego zwarcia bez wyłączania zabezpieczeń danej sieci. Wykonywane są wtedy dwa pomiary: pierwszy przed wysłaniem impulsu zwarciowego, a drugi po wygenerowaniu takiego impulsu.

Warto podkreślić, że przy pomiarze impedancji pętli zwarcia pomiędzy przewodem fazowym a przewodem neutralnym (lub ochronnym), pomiary obejmują jedną cewkę transformatora. Przy pomiarze pomiędzy fazami mierzy się dwie cewki transformatora, więc uzyskany wynik będzie zwykle nieco wyższy.

Jaka jest dopuszczalna impedancja pętli zwarcia?

Maksymalna dopuszczalna impedancja pętli zwarcia jest różna dla różnych układów sieci, napięć znamionowych i rodzajów oraz charakterystyk zastosowanych zabezpieczeń. Co ważne, obowiązujące normy stanowią, że błąd pomiaru dla impedancji prądu zwarcia nie może przekraczać 30%.
Dla przykładu, wyliczona na podstawie podanych powyżej wzorów dopuszczalna impedancja zwarciowa sieci w układzie TN, której napięcie znamionowe wynosi 230V i w której zastosowano zabezpieczenie nadprądowe typu B10, wyniesie 4,6 oma. W tej samej sieci, ale z zabezpieczeniem nadprądowym B16, maksymalna dopuszczalna wartość impedancji to 287 oma.
Kiedy należy mierzyć wartość impedancji pętli zwarcia?

Poza wspomnianymi na początku artykułu okresowymi badaniami kontrolnymi (obligatoryjnymi ze względu na obowiązujące przepisy prawa), pomiar impedancji pętli zwarcia powinien zostać wykonany także w następujących sytuacjach:

1. Przed oddaniem budynku do użytkowania
Impedancja zwarcia powinna być sprawdzona, gdy wszystkie prace związane z montażem instalacji elektrycznej w danym obiekcie zostały już zakończone. Na tym etapie wykonanie pomiarów IPZ pozwoli jednoznacznie stwierdzić, że instalacja ułożona w obiekcie spełnia obowiązujące wymagania bezpieczeństwa.

2. Po wprowadzeniu istotnych zmian w istniejącej instalacji
Każda zmiana w istniejącej instalacji powoduje zmiany parametrów jej pracy, zatem po zakończeniu modyfikacji lub remontu danej instalacji, konieczne jest wykonanie pomiarów impedancji pętli zwarcia nie tylko w przebudowanych czy dodanych częściach, ale również w pozostałych częściach instalacji. Dzięki temu można zweryfikować prawidłowość działania nowych obwodów oraz ich kompatybilność z pozostałymi elementami całej instalacji.

3. Po awarii instalacji
Przeprowadzenie pomiarów i obliczenie impedancji pętli zwarcia po zaistniałej awarii może być pomocne w rozpoznaniu źródła problemu - identyfikacja nieprawidłowo działającej części instalacji pozwala zaoszczędzić czas, sprawniej wykonać naprawy i ograniczyć ich zakres wyłącznie do uszkodzonych obwodów.