15 Prenapetostna zaščita
Transcription
15 Prenapetostna zaščita
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