1. No category

UNIVERZA V LJUBLJANI
FAKULTETA ZA ELEKTORTEHNIKO
Aljaž Špelko
PRENAPETOSTNA ZAŠČITA
Seminar pri predmetu Razdelilna in industrijska omrežja
Magistrski študij
Elektroenergetika
Mentor: prof. dr. Grega Bizjak
Ljubljana, 2015
Razdelilna in industrijska omrežja
Prenapetostna zaščita
1.
Uvod...............................................................................................................................3
2.
Vzroki za prenapetost .....................................................................................................4
2.1 Atmosferske razelektritve .............................................................................................4
2.1.1 Pogoji za nastanek strele ........................................................................................4
2.1.2 Nastanek strele .......................................................................................................5
2.1.3 Vrste strel...............................................................................................................6
2.1.4 Določanje ogroženosti pred udarom strele ..............................................................6
2.2 Stikalne manipulacije ....................................................................................................7
3.
Kategorizacija prenapetosti .............................................................................................8
3.1 Zunanje prenapetosti .....................................................................................................8
3.2 Notranje prenapetosti ....................................................................................................9
3.3 Prenapetostni glede na časovni potek ............................................................................9
4.
Zaščita pred prenapetostjo ............................................................................................. 10
4.1 Koordinacija izolacije ................................................................................................. 10
4.1.1 Vrste izolacije ......................................................................................................11
4.1.2 Zdržnost izolacije ................................................................................................. 11
4.1.3 Postopek koordinacije izolacije ............................................................................ 12
4.1.4 Prenapetostni odvodnik ........................................................................................ 13
4.2 Nizkonapetostne instalacije ......................................................................................... 13
4.2.1 Strelovodna zaščita .............................................................................................. 13
4.2.2 Zaščitne cone (LPZ) ............................................................................................. 15
4.2.3
Namestitev SPD .............................................................................................. 15
4.2.4
Ozemljitev....................................................................................................... 16
5.
Zaključek ...................................................................................................................... 17
6.
Vprašanja...................................................................................................................... 17
7.
Viri ............................................................................................................................... 18
2
Razdelilna in industrijska omrežja
Prenapetostna zaščita
1. Uvod
Prenapetosti so napetostni sunki ali valovanja, ki se prištejejo nazivnim vrednostnim.
Prenapetost je takrat kadar, napetost preseže dovoljeno napetost za napravo ali omrežje.
Prenapetosti so lahko različnih oblik in nam lahko poškodujejo napravo zato potrebujemo
prenapetostno zaščito. S prenapetostno zaščito varujemo različne elektroenergetske elemente
in tudi na nizkonapetostnem omrežju varujemo dele električne opreme. Zaščito moramo
postaviti na pravo lokacijo, da se zagotovi dobro delovanje, ker drugače lahko ne odvede vse
elektrine.
3
Razdelilna in industrijska omrežja
Prenapetostna zaščita
2. Vzroki za prenapetost
Za prenapetost imamo lahko različne vzroke. Prvi vzrok, ki je tudi najbolj poznan je
atmosferska razelektritev (udar strele). Ker imajo veliko energijo v kratkem času so lahko tudi
škodljive v indirektnem udaru. Tokovi, ki stečejo pri streli se merijo v kilo amperih.
Vzroke za prenapetost delimo na:
-
atmosferske razelektritve,
-
stikalne manipulacije,
-
enopolni kratek stik (med fazo in zemljo ali med fazo in nevtralnim vodnikom).
2.1 Atmosferske razelektritve
V znamenitem poskusu z zmajem pred približno 200 leti je Benjamin Franklin pokazal, da je
strela električni pojav. Z njegovimi poskusi smo pridobili izjemno pomembno pridobitev in to
je strelovod. Strelovod je glavni ukrep za zaščito ljudi ali naprav pred strelo in do danes se ni
bistveno spremenil. S strelo so se ukvarjali tudi drugi veliki umi elektrotehnike kot so Tesla,
Berger in drugi. V naprej ne moramo vedeti, kje bo strela »udarila«, ampak imamo samo
pogostost atmosferskih razelektritev za neko področje.
2.1.1 Pogoji za nastanek strele
Za nastanek strele morajo biti izpolnjeni trije pogoji. To so vlaga, kondenzacijska jedla in
toplota. V tipičnem nevihtnem oblaku se zaradi termičnega strujanja vlažnega zraka začnejo
pozitivno nabiti delci kopičiti v zgornjem delu, negativni pa v spodnjem delu oblaka. Večina
strel nastane znotraj oblaka in le majhno število strel se usmeri proti zemlji in med njimi
mnogo strel sploh ne konča, ker niso izpolnjeni vsi trije pogoji.
Slika 1:Naboj v nevihtnem oblaku
4
Razdelilna in industrijska omrežja
Prenapetostna zaščita
2.1.2 Nastanek strele
Za nastanek strele mora biti električno polje približno nad 10 kV//cm (podatek velja za trdnost
zraka pomešanega z vodnimi kapljicami). Ko je polje večje nad to kritično vrednostjo pride
do ionizacije zraka. Strela večinoma začne nastajati v zraki, ker je znotraj oblaka večinoma
močnejše kot pri zemlji. Leader, ki nastane iz streamerja zaradi visoke električne poljske
jakosti, se začne iz spodnjega dela oblaka hitro širiti proti zemlji. Na svoji poti ionizira zrak in
s tem ustvari negativno nabit kanal. Dolžina leaderja ni vedno eneka in je v razponu od 5 do
10 m. hitrost leaderja je manjša od svetlobne in jo ocenimo na 0,1 % svetlobne hitrosti.
Slika 2: Potek nastanka strele
Medtem ko se leader bliža tlom, se začne iz tal dvigovati povezovalni leader. Ko se dotakneta
steče tok reda velikosti kilo amperi, običajno od 1 do 200 kA. Temperatura znotraj kanala
znaša nekaj 1000 K. Grom, ki ga slišimo, je posledica hitrega širjenja zraka, kar pa povzroči
zvočni val.
V prevodnem kanalu je padec napetosti približno 60 V/cm in hitrost širjenja je 1/10 svetlobne
hitrosti. Na začetku približno prvih 500 µs je tok največji in nato upade na relativno nizko
vrednost 1 kA, ki traja nekaj milisekund. V oblaku se lahko oblikuje novi leader, ki se proti
zemlji širi hitreje, ker že ima vroč ioniziran zrak in ko se dotakne zemlje steče tok povratnega
udara.
5
Razdelilna in industrijska omrežja
Prenapetostna zaščita
2.1.3 Vrste strel
Strele delimo na različne kriterije. Najprej jih delimo po lokaciji in sicer znotraj oblaka, med
oblaki in med oblakom in zemljo. Nato strele med oblakom in zemljo razdelimo na pozitivne
in negativne. Negativne iz oblaka odvedejo negativni naboj in teh strel je približno 90 % strel
med oblakom in zemljo. Strele med oblakom in zemljo lahko razdelimo na padajoče in
dvigajoče.
Slika 3: Vrste strel
2.1.4 Določanje ogroženosti pred udarom strele
Kje bo strela udarila ne moremo vedeti, lahko pa gledamo pogostost strel za določeno
območje s pomočjo beleženj, opazovanj ali meritev, ki jih razdelimo v tri skupine:
-
Meteorološka opazovanja
-
Merjenje števila atmosferskih razelektritev in
-
Sistem za lociranje atmosferskih razelektritev
6
Razdelilna in industrijska omrežja
Prenapetostna zaščita
Strelo, ko udari, pa lahko povemo kje je udarila. V Sloveniji imamo sistem SCALAR, ki nam
locira mesto, kjer je strela udarila. Na sistem se lahko naročimo in lahko gledamo ali je
udarila strela v naše objekte. Meteorološka opazovanja so tista, ki od opazovalca zahteva, da
zapiše ali je v tistem dnevu slišal grmenje. Če je bilo slišati grmenje je bil tisto nevihtni dan.
Na podlagi večletnih opazovanjem in primerno gosto mrežo opazovalnic je bilo mogoče
podati keravnični nivo. Krivulje, ki so povezovale območja z istim številom nevihtnih dni, so
rekli izokeravnične krivulje. Na spodnji sliki lahko vidimo za časovno obdobje 1955-1975 za
Slovenijo izokeravnično karto.
Slika 4: Izokeravnična karta Slovenije za obdobje 1955-1975
Za določitev mesta udara strele uporabljamo 3 načine in sicer smerni način, časovna metoda
in kombinirana metoda.
2.2 Stikalne manipulacije
Vsak tokokrog je sestavljen iz upornosti, kapacitivnosti in induktivnosti, zato so nagnjeni k
nihanju. Ko naredimo hipne spremembe toka ob vklopu ali izklopu se nam pojavijo bolj ali
manj dušena nihanja. To pa nam sproži spremembo stanja in tako dobimo prenapetosti. Slika
5prikazuje različne stikalne manipulacije, ki so nagnjena prenapetostim.
7
Razdelilna in industrijska omrežja
Prenapetostna zaščita
Slika 5: Različne stikalne manipulacije
3. Kategorizacija prenapetosti
Prenapetosti glede izvora delimo na notranje in zunanje prenapetosti. Zunanje prenapetosti so
najpogosteje zaradi atmosferskih razelektritev. Lahko direktno udarijo v naše naprave ali pa
udari v neposredni bližini in se zaradi induktivne povezave ali zaradi velikega dviga
potenciala zemlje v našem tokokrogu pojavijo atmosferske prenapetosti. Prenapetosti, ki
nastanejo zaradi stikalnih manipulacij, na primer izklop kratkega stika. Te prenapetosti so
notranjega izvora in zato jih uvrščamo med notranje prenapetosti.
3.1 Zunanje prenapetosti
V daljnovod največkrat udari v zaščitni vodnik, saj je temu namenjen, da zaščiti fazne
vodnike. Zaščitni vodnik preko stebra odvede potencial v zemljo, zato mora biti steber dobro
ozemljen, ker ozemljilna upornost najbolj vpliva. Včasih tudi vpliva valovna impedanca
stebra. Lahko se tudi zgodi, da je prenapetost tako velika, da prebije na fazni vodnik.
8
Razdelilna in industrijska omrežja
Prenapetostna zaščita
Slika 6: Primer daljnovodnega stebra
3.2 Notranje prenapetosti
Notranje prenapetosti delimo na stikalne in časne prenapetosti. Stikalne prenapetosti so
udarnega vala in sledijo dvojni eksponencialni krivulji in se merijo v milisekundah. Časne
najpogosteje nastanejo kot kombinacija zemeljski stik in razbremenitev (odklop). Trajajo
nekaj sekund. Izjema je lahko Ferantijev pojav, ki lahko traja dlje časa.
Enopolni kratek stik z zemljo nam dvigne v sosednjih fazah na medfazno napetost in to je
večja za faktor
.
3.3 Prenapetostni glede na časovni potek
Na čas trajanja ločimo časne, prehodne in kombinirane prenapetosti. Časne prenapetosti
trajajo dlje časa in so omrežne frekvence, včasih pa je tudi nekajkrat nižja ali višja od
omrežne frekvence. Prehodne prenapetosti so kratkotrajne nekaj milisekund ali manj. Lahko
so izmenične ali ne, običajno so zelo dušene. Prehodne prenapetosti delimo glede na čas
trajanja. Čas trajanja je viden tabeli 1. Prehodne prenapetosti se delijo na prenapetosti s
položnim čelom ali prenapetosti s strmim čelom.
9
Razdelilna in industrijska omrežja
Prenapetostna zaščita
Tabela 1: Prenapetosti glede na časovni potek
4. Zaščita pred prenapetostjo
4.1 Koordinacija izolacije
Izolacijo moramo pravilno izbrati glede na napetost, ki jo imamo v omrežju. Pravilno
usklajevanje izolacije imenujemo koordinacija izolacije. Iskati moramo stopnjo izolacije, ki je
optimalna za dano omrežje s tehnološkega in ekonomskega stališča. Upoštevati moramo pri
optimizacijo tudi stroške okvare. Višja stopnja izolacije je boljša za omrežje, ampak s tem
pridejo tudi višji stroški.
Slika 7: Optimizacija stopnje izolacije
10
Razdelilna in industrijska omrežja
Prenapetostna zaščita
Slika 7 prikazuje izbiro optimalne rešitve glede na stroške izpada in stroške za izolacijo. Za
vsako omrežje se naredi take izračune, da nebi sistem omrežja preplačali ali pa imeli preslabo
in bi imeli veliko okvar.
4.1.1 Vrste izolacije
Lastnosti izolacije vplivajo na postopek koordinacije izolacije. Pri tem pa ločimo več vrst
izolacije:
-
zunanja izolacija,
-
notranja izolacija,
-
samoobnovljiva izolacija,
-
nesamoobnovljiva izolacija.
Zunanja izolacija je tista, ki je podvržena dielektričnim obremenitvam ter vplivom iz
atmosfere in ostalim zunanjim vplivom. Pomembno je tudi ali je v zaprtem prostoru, ki je
zaščiten pred vremenskimi vplivi ali je na prostem. Notranja izolacija so notranji trdni, tekoči
ali plinasti deli izolacije opreme, ki so zaščiteni pred vplivi iz atmosfere in ostalimi vplivi.
Samoobnovljiva izolacija je tista, ki se po razelektritvi (preskoku) popolnoma obnovi
izolacijske lastnosti, nasprotna njej je nesamoobnovljiva, ki lahko v celoti izgubi ali pa samo
delno obnovi izolacijske lastnosti.
4.1.2 Zdržnost izolacije
Po standardu IEC 60071 so najvišje napetosti opreme Um v dva območja in sicer območje I je
nad 1 kV do vključno 245 kV in območje II nad 245 kV. Napetost Um je običajno 10 % višja
od nazivne vrednosti. Izbrati moramo ustrezen standardizirani izolacijski nivo, to pomeni, da
mora za določene prenapetosti izolacija zdržati. Za definiranje izolacijskih nivojev
uporabljamo tri standardne zdržne napetosti:
-
standardna kratkotrajna (enominutna) zdržna napetost U50Hz (časne prenapetosti)
-
standardna atmosferska zdržna udarna napetost U1,2/50 (prenapetosti s strmim čelom)
-
standardna stikalna zdržna udarna napetost U250/2500 (prenapetosti s položnim čelom)
11
Razdelilna in industrijska omrežja
Prenapetostna zaščita
Na distribucijskem omrežju, ki je območje I uporabljamo dve standardni zdržni napetosti in to
sta kratkotrajna napetost in atmosferska udarna napetost. Za visoko napetosti, ki je pa
območje II pa se namesto kratkotrajne zdržne napetosti, uporablja stikalna zdržna udarna
napetost.
Zdržna napetost je določena kot konvencionalna zdržna napetost ali statična zdržna napetost.
konvencionalna zdržna napetost je, da ne prepusti nobenega preskopa. Domneva se, da
ustreza 100 % zdržni napetosti. Statična zdržna napetost pa dopušča nekaj preskokov in se
domneva, da ustreza 90 % zdržni verjetnosti.
4.1.3 Postopek koordinacije izolacije
Na začetku moramo analizirati sistem, da dobimo vhodne podatke o prenapetostih, ki jih
potrebujemo pri optimizaciji. Na koncu postopka koordinacije izolacije dobimo potreben
standardni izolacijski nivo, ki nam da pravilno izbiro standardnih zdržnih napetosti, katerim
morajo ustrezati izolacija naprav.
Slika 8: Potek koordinacije izolacije
12
Razdelilna in industrijska omrežja
Prenapetostna zaščita
4.1.4 Prenapetostni odvodnik
V današnjih časih se največkrat pojavljajo ZnO in SiC prenapetostni odvodniki. V preteklosti
so se uporabljali drugi na primer kot so zaščitna iskrišča, cevni odvnik. Odvodniki imajo zelo
nelinearno karakteristiko, pri normalnem obratovanje ne prevajajo in imajo veliko upornost,
ko pa pride do prenapetosti pa začnejo prevajati in imajo nizko upornost in tako porežejo
prenapetost.
Slika 9: Karakteristika odvodnika
Prenapetostni odvodnik testiramo za tri različna stanja. Naredimo preizkus napetosti
delovanja (reagiranja) ob točno določeni strmini čela udarne napetosti, napetosti delovanja na
temenu standardnega udara 1,2/50 in napetosti na sponkah ob odvajanju nazivnega odvodnega
toka 8/20.
4.2 Nizkonapetostne instalacije
Pri nizkonapetostnih inštalacijah zaščitimo opremo in stavbe pred atmosferskimi
razelektritvami. Ščitimo jih tako pred direktnimi in indirektnimi udari. Meritve za strelovodno
inštalacije se mora izvajati na 2 ali 4 leta odvisno od nivoja zaščite.
4.2.1 Strelovodna zaščita
Imamo več vrst strelovodne zaščite. Lahko jo zaščitimo z lovilnimi palicami, napetih žic med
lovilnimi palicami in mrežo vodnikov. Pri načrtovanju uporabljamo 3 metode, ki se glasijo
metoda kotaleče se krogle, metoda mreže in metoda zaščitnega kota. za zaščito objektov se
uporabljajo 4 različni nivoji, ki se za njih uporabljajo drugačne vrednosti zaščite. Vodnik, ki
je uporabljen za strelovod, lahko ima različen presek glede na material. Za baker je minimalni
presek 10 mm2 in za aluminij 16 mm2.
13
Razdelilna in industrijska omrežja
Prenapetostna zaščita
Tabela 2: Razredi strelovodne zaščite
Spodnja slika 10 prikazuje primer strelovoda objekta, kako ga zavarujemo z mrežo in zaščitno
palico.
Slika 10: Strelovodna zaščite objekta
Slika 11: Model kotaleče se krogle
Na sliki 11 se vidi, kako se računalniško simulira model kotaleče krogle.
14
Razdelilna in industrijska omrežja
Prenapetostna zaščita
4.2.2 Zaščitne cone (LPZ)
Ta sistem nam ščiti elektronske naprave pred elektromagnetnim udarom, ki ga povzročijo
razelektritve strel.
Slika 12: Zaščitne cone v sklasu s SIST EN 62305-4
Na sliki 12 vidimo, da imamo v stavbi različne zaščitne cone. Na sliki tudi vidimo, da v
nizkonapetostnih inštalacijah se uporablja odvodnik z udarnim impulzom 10/350 µs. Med
posameznimi conami je treba narediti ustrezno izenačitev potenciala.
4.2.3 Namestitev SPD
Za ustrezno zaščito moramo vzdolž inštalacije namesti ustrezne prenapetostne odvodnike.
Imamo tri tipe odvodnikov. Prvi odvodnik, ki mu tudi rečemo energijski odvodnik, odvede
večino energije in je lahko na meji LPZ 0A - LPZ 1, lahko pa tudi v priključni omarici. Drugi
tip odvodnika, ki odvede še preostalo energijo je lahko na meji LPZ 1 - LPZ2 ali pa v
razdelilni omari. Med prvim in drugim tipom odvodnika mora biti dovolj dolga razdalja (15
m) ali pa je potrebno vmes dati dušilko. Tretji tip odvodnika je nameščen pred elektronsko
napravo in samo še malo zgladi napetost in tudi med tipom dva in tri mora biti vsaj 5 m
dolžine.
15
Razdelilna in industrijska omrežja
Prenapetostna zaščita
Slika 13: SPD zaščita med tipom 1 in 2
Slika 14: SPD zaščita med tipom 2 in 3
4.2.4 Ozemljitev
Ozemljitev mora biti izvesti dobro in ozemljilna upornost ne sme presegati 10 Ω, če pa je
specifična upornost tal večja kot 250 Ωm, pa mora biti 4 % od izmerjene specifične upornosti
tal. Podatek je vzet iz tehnične smernice TSG-m-003:2013, kar se lahko kasneje spremeni, ker
vedno velja zadnja izdana tehnična smernica.
16
Razdelilna in industrijska omrežja
Prenapetostna zaščita
5. Zaključek
Ugotovili smo, da s prenapetostmi imamo dosti opravka, tako na srednjem napetostnem
omrežju kot na nizkonapetostnem omrežju. Za zaščito daljnovodov uporabljamo
prenapetostne odvodnike. Za transformatorske postaje, stikališča in razne objekte imamo
največkrat opravka z atmosferskimi razelektritvami, zato postavimo strelovodno zaščito pred
direktnim udarom strele. Lahko pa se tudi zaščiti pred indirektnim udarom, kot je na primer
elektromagnetni impulz. V hišah imamo običajno samo prenapetostno zaščito tipa 3 (SPD),
kar nam ne nudi zaščite, ker potrebujemo pred njim še tip 1 in tip 2. Za popolno zaščito
potrebujemo vse tri tipe.
6. Vprašanja
1. Kateri so vzroki za prenapetost?
Poznamo tri vzroke za prenapetost in to so stikalne manipulacije, enopolni kratek stik in
atmosferske razelektritve.
2. Kateri tip strele med oblakom in zemljo se največkrat pojavi?
Največkrat se pojavi tip strele proti zemlji in sicer v 90 % je tip 1 negativna oblika strele.
3. Katere prenapetosti poznamo glede na časovni potek?
Na časovni potek poznamo 3 vrste prenapetosti in sicer časne, udarne s strmim in udarne s
položnim čelom.
Za domačo nalogo preverite doma kako imate prenapetostno zaščito ali imate samo tip 3
(SPD) ali imate vse tri tipe ali sploh nimate zaščite. Preverite tudi ali imate izvedeno
strelovodno zaščito in opravljene meritve na njej.
17
Razdelilna in industrijska omrežja
Prenapetostna zaščita
7. Viri
1. B. Žitnik, D. Ogrizek, M. Babuder, M. Vidmar, P. Kaube. Sistemi zaščite pred strelo
in pred prenapetostmi. Elektrotehniška zveza Slovenije. 2013
2. M. Babuder. Visoka napetostna tehnika. Univerza v Ljubljani, 2004
3. Tehnična smernica TSG-N-002:2013. 2013. Ljubljana, Ministrstvo za infrastrukturo in
prostor
4. Tehnična smernica TSG-N-003:2013. 2013. Ljubljana, Ministrstvo za infrastrukturo in
prostor
5. T. A. Short. Electric power distribution handbook. 2004, USA, CRC Press
18