Wybrane problemy eksploatacyjne ograniczników przepięć Marek OLESZ

Transkrypt

1 Wybrane problemy eksploatacyjne ograniczników przepięć Marek OLESZ Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki

2 Problemy Jakość wyrobu Dobór ogranicznika Instalacja Eksploatacja

3 zakłócenie zewnętrzne Definicja i podział zakłóceń Urządzenie generator - transformator - linia przesyłowa zakłócenie wewnętrzne - odbiornik - zakłócenie parametrów jakość energii elektrycznej lub problemy EMC - zakłócenie pracy urządzenia

4 Wewnętrzne Zewnętrzne Rodzaj przepięć Przyczyna Wsp. przepięć k p ziemnozwar- trwałe zwarcie ciowe z ziemią wolnozmienne nagłe zdjęcie (dorywcze) dynamiczne 1,1-1,5 obciążenia ferrorezonansowe ferrorezonansowe itp. czynności manewrowe szybkozmienne łączeniowe (łączeniowe) przerywane awaryjne zwarcie z ziemią 2-4 urządzenie pioruna bezpośrednie w urządzenie lub piorunowe konstrukcję oddziaływanie >5 indukowane indukcyjne kanału pioruna

5 Przyczyny przepięć w instalacjach nn 1. Wyładowania atmosferyczne 3. Emisyjność urządzenia - czynniki zewnętrzne spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi Stacja elektroenergetyczna SN/nn odbiornik nn - czynniki wewnętrzne związane z obsługą urządzeń elektrycznych (czynności łączeniowe) 2. Operacje łączeniowe i stany awaryjne odbiornik nn czynniki wewnętrzne związane z uszkodzeniem instalacji lub odbiornika (zwarcia, brak filtrów i ograniczników przepięć w urządzeniach energoelektronicznych); przenikanie zakłóceń ochrona przeciwprzepięciowa

6 Sieć 110 kv - amplituda

7 Rozkład dobowy w sieci 15 kv dla 320 dni stacyjnych

8 SN 15 kv 320 dni

9 Przepięcia ziemnozwarciowe w sieci 15 kv U f [V] faza L1 faza L2 faza L czas [ms]

10 Odbicia fali koniec otwarty U 1, i 1 Z W Z W U 2, i 2 i s U s 2U 1 z i s U s w z w = U U s i i 1 U 1 = U 2 t i s = 0 t i 2

11 U 1, i 1 Odbicia fali koniec otwarty Z W Z W U 2, i 2 i s U s 2U 1 i s z U s w U z w = U s v U 2 v U 1 x przebiegi w funkcji i i 1 i s = 0 x drogi i 2

12 Przykład -0,5i p z 0,5i p z linię napowietrzna z=300 Ω piorun o prądzie wyładowczym i p =30 ka Napięcie szczytowe fali wynosi: U 1 =0,5i p z=4500 kv Linia 750 kv wytrzymałość do 2 MV Linia 30 kv na słupie drewnianym 4 MV

13 u(t) Tłumienie fali - straty energii na ciepło i 2 R wydzielane na rezystancjach R, 1/G, dla udarów prądowych naskórkowość na skutek sił elektrodynam. R ud >>R st mniejsza amplituda i stromość napięcia -ulot elektryczny silna jonizacja powietrza - oszacowanie amplitudy przepięcia w odległości x od uderzenia współczynnik k=0,0001 (małe U 0 ) 0,00043 (duże U 0 ) U0 1+ ku U x = 0 x U 0 =1000 kv x=5 km U(5 km)=(1000kv/ (1+0, km) = 450 kv t [µs]

14 Przykład rzeczywistego tłumienia przepięcia w linii

15 Koordynacja izolacji

16 Narażenia eksploatacyjne izolacji czynniki środowiskowe, klimatyczne, temperatura oddziaływania elektryczne napięcie pracy ciągłej, przepięcia dorywcze przepięcia łączeniowe oddziaływania mechaniczne przepięcia piorunowe

17 Różnice w wytrzymałości elektrycznej powietrze SN duże odstępy powietrze izolacja stała zakłócenia robocze

18 Koordynacja izolacji narażenia napięciowe izolacji wytrzymałość napięciowa izolacji KORDYNACJA IZOLACJI środki ochrony przeciwprzepięciowej

19 Podejście deterministyczne Margines izolacyjny M k = wytrzymałość poziom ochrony U p [kv] nakłady PI PO bezpieczeństwo 0 1,2/50 µs 250/2500 µs 50 Hz czas [t p ]

20 Napięcie nominalne sieci U n wartość skuteczna [kv] Minimalne odstępy w powietrzu, zakres napięciowy A (1 kv < U m < 52 kv) Najwyższe napięcie urządzeń U m (wartość skuteczna) [kv] Znamionowe wytrzymywane napięcie krótkotrwałe częstotliwości sieciowej wart. skutecz. [kv] Znamionowe wytrzymywane napięcie udarowe piorunowe 1,2/50µs (wartość szczytowa) [kv] Minimalny odstęp doziemny i międzyfazowy (N) instalacje wnętrzowe [mm] napowietrzne [mm] 3 3, , ) 17, ) 41, grupa A - mniejsze wartości dla linii kablowych, większe dla napowietrznych

21 Przykład koordynacji izolacji U m =17,5 najwyższe napięcie urządzenia Znamionowe napięcie wytrzymywane krótkotrwałe 38 kv Znamionowe wytrzymywane napięcie udarowe piorunowe 75/95 kv U pl U ps k z U m /1,73 U m

22 Napięcie nominalne sieci U n wartość skuteczna [kv] zakres napięciowy B (52 kv < U m < 245 kv) Najwyższe napięcie urządzeń U m (wartość skuteczna) [kv] Znamionowe wytrzymywane napięcie krótkotrwałe częstotliwości sieciowej wart. skutecz. [kv] Znamionowe wytrzymywane napięcie udarowe piorunowe 1,2/50µs (wartość szczytowa) [kv] Minimalny odstęp doziemny i międzyfazowy (N) [mm] 45 1) ) 72, ) 82, ' ) ) ) ) ) ) ) )

23 Napięcie nominal ne sieci U n wartość skuteczna kv Najwyższe napięcie urządzeń U m (wartość skuteczna) kv Minimalne odstępy w powietrzu, zakres napięciowy C ( U m > 300 kv) Znamionowe wytrzymywane napięcie udarowe łączeniowe doziemne 250/2500 µs kv Przewód konstrukcja mm Minimalny odstęp doziemny pręt- -konstrukcja (N) mm Znamionowe wytrzymywane napięcie udarowe łączeniowe międzyfazowe 250/2500 ps kv przewód- -przewód równo legły mm Minimal odstęp międzyfaz Pręt przewód (N) mm (400) (2400) X 0 /X 1 <3 (2) R 0 /x 1 <1 (0,5) lub (niższe wartości)

24 Dobór ograniczników W czasie doboru należy brać pod uwagę trzy podstawowe czynniki: charakterystykę sieci, charakterystykę urządzeń chronionych i warunki pracy ogranicznika w miejscu zainstalowania. Miejsce w którym zostanie zainstalowany ogranicznik charakteryzuje: najwyższe napięcie sieci U m, częstotliwość napięcia, wielkość spodziewanego prądu zwarciowego w miejscu zainstalowania wpływająca na dobór wytrzymałości zwarciowej ogranicznika i przekroje przewodów przyłączeniowych, współczynnik zwarcia doziemnego i czas jego trwania, amplituda i czas trwania przepięć dorywczych.

25 Dobór ograniczników Urządzenie chronione - określa się poprzez napięcie probiercze izolacji, rodzaj i sposób podłączenia do sieci, długość odcinków kablowych oraz przewodów łączących ogranicznik z urządzeniem. Warunki środowiskowe w miejscu zainstalowania temperatura, strefa zabrudzeniowa, pozycja pracy, obciążenia mechaniczne, odstępy minimalne i przegrody. np. sieć napowietrzno kablowa U n =15 kv, U m =17,5 kv min. napięcie trwałej pracy U c wynika z przepięć dorywczych: zwarcia doziemne k z =1,7 dławik k z = 1,4 rezystor U m 17,5 U rp = kz = 1,7 = 17,2kV 3 1,73 sk (14) U U wl pl = 95kV U wl = 1,3 m = 73kV m

26 odporność ogranicznika na przepięcia dorywcze U TOV - charakterystyka T=U TOV /U c w funkcji czasu przepięcia, zależna od wstępnego obciążenia energią a) bez obciążenia 1,5 1,4 1,3 1,2 T [U/U c ] b a 1,1 1 t [s] 0,

27 piorunowy poziom ochrony U pl =U wl /m l (znormalizowane nap. wytrzymywane/margines bezpieczeństwa piorunowy Dobór napięcia U c faza ziemia SIEĆ Z IZOLOWANYM PUNKTEM ZEROWYM LUB SIEĆ Z KOMPENSACJĄ PRĄDU ZIEMNOZWARCIOWEGO zwarcie jednofazowe napięcie do U m w długim czasie U U c m SIEĆ Z IZOLOWANYM PUNKTEM ZEROWYM ORAZ Z SAMOCZYNNYM WYŁĄCZANIEM ZWARĆ DOZIEMNYCH U C zależy od czasu trwania doziemienia t (wtedy w fazach zdrowych U m ). U c U - czas T maleje to niższe U c, koszt oraz poziom ochrony T m

28 Dobór napięcia U c faza - ziemia SIEĆ ZE SKUTECZNIE UZIEMIONYM PUNKTEM ZEROWYM LUB PRZEZ MAŁĄ REZYSTANCJĘ Jeżeli współczynnik zwarcia doziemnego k Z 1,4 to uważa się, że sieć ma skutecznie uziemiony punkt zerowy. W innym przypadku musimy znać k z. Wówczas U c wynosi: U c U m T 3 k Z W żadnym jednak przypadku U C nie może być mniejsze niż poziom wyznaczony przez U c / 3 Jeżeli zwarcie doziemne jest wyłączane przed upływem 3 sekund, to w sieci ze skutecznie uziemionym punktem zerowym można stosować wzór: U c U m 1, 05 3

29 Przykład koordynacji izolacji U pl U ps U n

30 UDAROWO: Koordynacyjny poziom izolacji U K - najwyższy dopuszczalny poziom napięcia na urządzeniach chronionych Dla sieci SN zaleca się 15%-owy współczynnik bezpieczeństwa, czyli U K =U I / 1,15 wytyczne PTPiREE U c /U r min. 17,5/22 kv, napięcie obniżone 65 kv Znamionowy prąd wyładowczy 5 (s. rozdzielcze) lub 10 ka (s. zasilające) Zdolność pochłaniania energii 1,5 kj/kvu r, droga upływu

31 Napięcie znamionowe sieci U n [kv] Najwyższe napięcie sieci U s [kv] Napięcie trwałej pracy ogranicznika U c [kv] 77 (86) 154 (163) 267 (267) Napięcie znamionowe ogranicznika U r [kv] 96 (108) 192 (204) 336 (342) Graniczny prąd wyładowczy [ka] 100 Znamionowy prąd wyładowczy 8/20 µs In [ka] 10 Prąd wyładowczy łączeniowy 30/60 µs [ka] Piorunowy poziom ochrony U pl [kv] Łączeniowy poziom ochrony U ps [kv] Wytrzymałość zwarciowa [ka] 40 Klasa rozładowania linii 2 3 Zdolność pochłaniania energii odniesiona do napięcia znamionowego ogranicznika Ur nie mniejsza niż [kj/kv] 2 4 6,5 Największe, dopuszczalne odległości ograniczników przepięć od zacisków chronionego uzwojenia transformatora mierzone wzdłuż przewodów łączących [m]

32 Ograniczniki przepięć - budowa - właściwości - dobór

33 Charakterystyka prądowo-napięciowa warystora obszar nasycenia mniejsza rezystancja zakres przewodzenia tunelowanie Charakterystyka I(U) warystora w obszarze prądu upływowego U c napięcie trwałej pracy U n napięcie znamion owe obszar przedprzebiciowy (emisja termoelektronowa Schotky ego)

34 Ogranicznik U c =18 kv Ogranicznik U c =18 kv Ogranicznik U c =275 V

35 Budowa wewnętrzna

36 Liczba punktów przewodzenia w funkcji amplitudy prądu - faza bogata w tlenek bizmutu lub spinel antymonowocynkowy jest słabo przewodząca (około 20% objętości)

37 Skład chemiczny i produkcja Tlenek Bi 2 O 3 Sb 2 O 3 Co 2 O 3 Co 3 O 4 Cr 2 O 3 NiO MnO 2 MnO ZnO Typ A [%] Typ B [%] 1,0 1,0 0,5-0,4 0,8-0,5 95,8 0,5 2,5-0,5 0,5 0,5 0,5-95,0 - ważenie składników - mielenie - dokładnie wymieszanie na mokro w młynie z cyrkonowymi kulami przez h - homogenizacja w zawiesinie wodnej - wysuszenie i przesianie składników - formowanie przez prasowanie - zagęszczanie ziarnistego granulatu, proszku lub innego materiału ceramicznego za pomocą działania jednokierunkowych lub wielokierunkowych sił zewnętrznych w sztywnych formach, najczęściej stalowych (stopień zagęszczenia kształtek do 60% gęstości teoretycznej), dokładne wymiary i kształt przy odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej w stanie surowym.

38 Proces technologiczny - wstępne wygrzewanie - 90 h w 450 o C stwierdzono wzrost jednorodności morfologii próbki i zanik (po spieczeniu) dużych porów - spiekanie właściwe - przemiana proszku w materiał polikrystaliczny będąca wynikiem procesów bez fazy ciekłej i w jej obecności Materiał spieku zależy od: - rodzaj atmosfery, - temperatura i jej przebieg w czasie - wzrostu ziaren (liniowy w układzie liniowologarytmicznym) zachodzi efektywnie już w temperaturze 900 o C, publikacje wskazują na początek spiekania w t = 700 o C, - t = o C zachodzi wtórny wzrost porowatości, - t > 1300 o C zaobserwowano, iż rozmiary ziaren tlenku cynku przy powierzchni próbki są znacznie większe w porównaniu z ziarnami wewnątrz próbki (wzrost ciśnienia cząsteczek tlenu uwięzionego w zamkniętych porach wewnątrz próbki efekt to spadek ilości międzywęzłowych jonów cynku i zahamowanie wzrostu ziaren, - czystość materiałów - do nadmiernego wzrostu pojedynczych ziaren w spieku mogą się również przyczyniać śladowe domieszki.

39 Do czego dążymy? - niski prąd upływowy i straty mocy (jednorodność warstw na granicach ziaren i jednakowy rozmiar ziaren) - niskie napięcie obniżone (równomierność domieszek zmniejszających rezystancję w funkcji U - stabilność przy dużych udarach prądowych (brak zmian I R ) - zdolność absorbcji energii na poziomie 5,3 kj/kv przy granicznym udarze prądowym i 2,6 kj/kv przy długotrwałym - mały rozrzut charakterystyk i(u) stara metoda do 10%, nowa 2% - nie ma potrzeby sortowania

40 Przykład produkcji Apator mielenie prasowanie spiekanie z stabilizowaniem w temperaturze około 1200 o C

41 Przykład produkcji Apator - odpowiedni skład chemiczny w [%mol] np.. Bi 2 O 3 1, Sb 2 O 3-1, - Co 2 O 3 0,5, MnO 0,5, Cr 2 O 3 0,4, NiO 0,8, ZnO 95,8 - mielenie - suszenie, -opcja B (mieszanie wodnego roztworu ZnO z roztworem dodatków + alkohol poliwinylowy) pokrycie ziaren ZnO nie ma potrzeby mielenia i granulowania, wypalanie w niższej T (nie odparowuje Bi 2 O 3 ) - granulowanie (1000 o C), - prasowanie, - spiekanie z stabilizowaniem w temperaturze około 1200 o C, - naniesienie elektrod i zabezpieczenie przed wilgocią.

42 Kontrola pojedynczych warystorów - PN EN : 2008, Elementy niskonapięciowych urządzeń do ograniczania przepięć. Część 331: Wymagania dla warystorów z tlenków metali (MOV) 200 sztuk z partii produkcji badania: -napięcie referencyjne przy I ref =1 ma, -napięcie obniżone przy znamionowym prądzie wyładowczym, -próba przyspieszonego starzenia (1000 h, 115 o C, 1,1 U c maksymalna dopuszczalna zmiana prądu upływu < 120%. gotowy wyrób

43 Kontrola gotowego wyrobu - PN EN : 2006, Niskonapięciowe urządzenia do ograniczania przepięć. Część 11: Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Wymagania i próby - każda sztuka wyrobu ( w normie N 1/3 ) - napięcie trwałej pracy ogranicznika, - przy przejściu napięcia przez zero - udar prądowy 8/20 µs/µs, I n - pomiar napięcia obniżonego, 10 I n [ka] U o [kv] 1,4 9 8 In Uo 1, ,8 0,6 3 0, , t [µs] Olesz,: Kontrola jakości ograniczników... 2

44 Kontrola gotowego wyrobu - PN EN : 2006, Niskonapięciowe urządzenia do ograniczania przepięć. Część 11: Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Wymagania i próby - każda sztuka wyrobu ( w normie N 1/3 ) - po próbie prądem wyładowczym: - przy napięciu przemiennym U c - pomiar składowej czynnej prądu upływowego

45 Kontrola gotowego wyrobu - kryterium - PN EN : 2006, Niskonapięciowe urządzenia do ograniczania przepięć. Część 11: Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Wymagania i próby - przekroczenie krytycznego napięcia obniżonego (> U p ) lub prądu upływowego (>120 µa) I R [µa] I[µA] próbka nr nr udaru 60 nr próbki

46 Parametry i charakterystyki ograniczników przepięć

47 - prąd upływowy, Parametry prądowe - wartość szczytową pojedynczego udaru prądowego I tm - wartość szczytową wielokrotnego udaru prądowego, - wskaźnik wartości szczytowej wielokrotnego udaru prądowego w zależności od czasu trwania udaru. Przy większych przeciążeniach zmiana U ref >10% (degradacja krążka) ,1 I [µa] - ( Φs - β E) 2 k BTw J = AT e s 263K 293K 323K 373K 293 po Tw= U [V] J s gęstość prądu [A/cm 2 ], A stała 120 [A/cm 2 K 2 ], T w temperatura warystora [K], Φ S wysokość bariery potencjału na granicach między ziarnami ZnO [ev], β stała [evcm 1/2 V 1/2 ], E natężenie pola elektr. [V/cm], k B stała Boltzmanna 8, [ev/k].

48 Udary prądowe powtarzalne Napięcie pracy [V] Średnica [mm] niepowleczonego krążka warystora 1 impuls 2 impulsy Wartość szczytowa prądu [A] Liczba udarów prądowych o kształcie 8/20 µs

49 u [kv] Wydzielana energia i temperatura U c =8,4 kv U 1 =8,3 kv U 2 =11 kv i [A] t [ o C] t=160 ms E = 32kJ I max =80 A

50 Efekty przepięć piorunowych w ceramice ZnO: maksimum współczynnika stratności wzrost temperatury, właściwości przewodzących wzrost prądów upływu, polaryzacyjnych zmiana wielkości ziaren przesunięcie charakterystyki U (I) energetyka zawodowa brak badań degradacji ograniczników SN i nn

51 Prąd upływowy w diagnostyce warystorów składowa rezystancyjna ( µa), składowa pojemnościowa

52 Diagnostyka ograniczników tlenkowych PN-EN :1999. Ograniczniki przepięć - Zalecenia wyboru i stosowania Liczniki zadziałań, iskierniki wskaźnikowe, odczyt prądu ciągłego PN-EN :1999/A1:2004. Ograniczniki przepięć - Zalecenia wyboru i stosowania Zastosowanie urządzeń sygnalizujących stan degradacji (odłączniki), analiza temperatury, harmonicznych prądu upływu, strat mocy czynnej PN EN :20, Niskonapięciowe urządzenia do ograniczania przepięć, Część 11 Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Wymagania i próby.

53 Metoda analizy harmonicznych bez odłączania z sieci Urządzenia wskaźnikowe - wskaźniki uszkodzeń, - odłączniki, - liczniki zadziałań Wykorzystanie kamery termowizyjnej Metoda pomiaru prądu upływu - określenie składowej czynnej (EXCOUNT II, LCM1) lub mocy strat w ograniczniku

54 Analiza składowej czynnej prądu upływowego P = P 1 T - metoda kompensacyjna polegająca na wygenerowaniu składowej pojemnościowej i odjęciu jej od sygnału prądu upływu, - określenie wartości chwilowej prądu dla wartości szczytowej napięcia, - metoda zmodyfikowanego przesunięcia prądu, - algorytmy z przyrządów do pomiaru jakości energii elektrycznej. = T 0 u( t) i( t) dt = U U n 0I 0 + k = 1 I U k I k PF = U cosφ I R ,028-0,023-0,018-0,013-0,008-0,003 0,002 0,007 0,012-0, U=15 kv U(R=50 ohm) 0,04 0,03 0,02 0,01 0-0,02-0,03-0,04

55 Wpływ temperatury I [µa] ,1 263K U [V] K = U U T = U T (1mA ) U U T T 0 (1mA ) T T 0 0 (1mA ) I T ( U ) = k ( U 0 c T T c I )

56 Wyniki pomiarów k T [-] 2,5 2 producent A, 275 V producent B, 280 V 1,5 1 0, T [K] Grupa A Grupa B 8 próbek 10 próbek U c =275 V U c =280 V, 1 kv, 3 kv

57 Wpływ gabarytów ogranicznika producenta B 3 k T [-] 2,5 2 3 kv 1 kv 280 V 1,5 1 0, T [K] wysokość warystora - dla U c = 280 V 3,5 mm, 1 kv 8 mm i dla 3 kv 25 mm

58 Porównanie pomiarów prądu upływowego przy napięciu przemiennym k T [-] 2 1,8 1,6 1,4 I I I r 3h r(mo) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, T[K]

59 Porównanie pomiarów prądu upływowego przy napięciu przemiennym k t [-] 2 Ir I3h 1,5 Idc producent A Idc producent B 0,28 V 1 Idc producent B 3 kv 0, T[K]

60 WNIOSKI Charakterystyki korekcyjne wpływu temperatury dla ograniczników pochodzących od różnych producentów są inne. Cechą serii ograniczników może być zarówno znaczny rozrzut wartości prądu upływowego, jak i inne uśrednione wartości współczynnika k T. Analiza ograniczników o różnych napięciach trwałej pracy tego samego producenta wskazuje na istotne różnice w przebiegu charakterystyk korekcyjnych. Przy niższych napięciach U C współczynniki korekcyjne osiągają wyższe wartości, co może mieć związek z łatwiejszym nagrzewaniem mniejszej objętościowo struktury warystora w czasie przepływu prądów upływowych.

61 Dziękuję za uwagę