Pr¹dy zwarciowe i skutki zwaræ Przepiêcia

Transkrypt

1 Pr¹dy zwarciowe i skutki zwaræ Przepiêcia

2

3

4

5 Istnieją znane z praktyki i literatury następujące specjalne środki techniczne do ograniczenia prądów zwarciowych w sieciach elektroenergetycznych: a) dławiki przeciwzwarciowe, b) transformatory i autotransformatory z podwyższonym napięciem zwarcia, c) sprzęgła rezonansowe, d) sprzęgła prądu stałego, e) sprzęgła kriogeniczne, f) specjalne układy transformatorowe,

6 Dławiki przeciwzwarciowe to od dawna stosowane urządzenia do ograniczania prądów zwarciowych przede wszystkim w sieciach średnich napięć. Są to dławiki powietrzne, jednofazowe, których uzwojenia zalane są betonem lub żywicą epoksydową w celu zwiększenia wytrzymałości tych uzwojeń na działanie dynamiczne prądu zwarciowego. W sieci 110 kv są czynione obecnie próby półtechniczne nad zastosowaniem dławików do ograniczania prądów zwarciowych. Duża impedancja dławika powietrznego w stanie normalnym wywołuje dodatkowe duże spadki napięć i straty mocy. Niekorzystny jest też wpływ dławików na przepięcia nieustalone powstające przy wyłączaniu prądów zwarciowych (napięcia powrotne). Jest to istotna wada w przypadku instalowania dławików sieciach 110 kv i wyższych napięć. Ze względu na sposób instalowania dławików rozróżnia się: a) dławiki liniowe instalowane w polach odpływowych (liniowych) b) dławiki szynowe - instalowane w szynach zbiorczych

7 Dławiki liniowe w sieciach średnich napięć instaluje się w tych rozdzielniach, gdzie ich brak spowodowałby takie powiększanie przekroju linii, że byłoby to nieopłacalne. Praktycznie takie warunki występują tylko w przypadku linii kablowych, w rozdzielniach gdzie generator jest bezpośrednio dołączony do szyn zbiorczych. W stanie pracy normalnej przez dławik liniowy płynie pełny prąd roboczy, co powoduje, że jego reaktancja nie może być zbyt duża. Dla tego rodzaju dławików reaktancje dobiera się zwykle w przedziale 3 % 6 %. Dławiki szynowe stosuje się wtedy, gdy ze względu eksploatacyjnych lub systemowych wymagana jest praca równoległa źródeł dołączanych do szyn zbiorczych stacji, a jednocześnie moc zwarciowa przekracza wartości dopuszczalne. W przypadku zwarcia dławik szynowy stanowi dodatkową reaktancję w schemacie zastępczym obwodu zwarciowego. W szynach stosowane są zazwyczaj dławiki o dużej reaktancji 6 % - 10 %, a nawet 15 % albowiem w warunkach pracy normalnej przez dławiki szynowe nie przepływają na ogół prądy robocze. Dławiki zwarciowe buduje się przeważnie jako jednofazowe i łączy w specjalne zestawy trójfazowe. Oprócz dławików pojedynczych stosuje się także dławiki podwójne, służące do ograniczania prądu zwarciowego w dwóch liniach elektroenergetycznych o zbliżonym prądzie obciążenia. Dzięki sprzężeniu indukcyjnemu obydwóch uzwojeń dławika, spadki napięcia na każdym z nich w czasie normalnej pracy tych dwóch linii w znacznym stopniu nawzajem się kompensują. W ten sposób zostaje istotnie ograniczona jedna z wad dławika, którą jest niepożądany spadek napięcia na jego reaktancji w czasie normalnej pracy. Efekt ten nie występuje wówczas, gdy jest obciążona tylko jedna linia lub gdy prądy płynące w obydwu gałęziach są bardzo różne, np. w przypadkach zwarcia w jednej linii. Dławiki buduje się jako powietrzne, bezrdzeniowe. Zapewnia to stałą wartość indukcyjności (reaktancji) niezależnie od wartości przepływającego prądu.

8 Zastosowanie rdzeni ferromagnetycznych uzależniłoby indukcyjność dławika od wartości przepływającego prądu. Indukcyjność byłaby duża przy prądzie roboczym o wartościach zbliżonych do prądu znamionowego. Przy prądzie zwarciowym - ze względu na nasycenie rdzeni i zmniejszenie przenikalności magnetycznej - zmniejszałaby się również indukcyjność (reaktancja) cewki. Dławik zwarciowy jest cewką indukcyjną wytwarzającą w normalnych warunkach pracy silne przemienne pole magnetyczne. Jeżeli w strefie występowania tego pola znajdują się urządzenia lub elementy konstrukcyjne wykonane z materiałów ferromagnetycznych, lub metalowe konstrukcje tworzące zamknięte pętle (ramy), to wystąpią w nich dodatkowe straty mocy i energii, powodowane histerezą magnetyczną oraz prądami wirowymi. Aby ograniczyć te zjawiska, elementy ferromagnetyczne powinny pozostawać w odpowiedniej odległości od dławika tak aby natężenie pola magnetycznego nie było większe niż 20 A/cm. Rola dławików zwarciowych: Dławiki zwarciowe instaluje się w sieciach elektroenergetycznych średnich napięć celem zwiększenia impedancji (reaktancji) obwodów zwarciowych. Dławiki są budowane na napięcie znamionowe 6, 10, 15, 20 i 30 kv oraz prąd znamionowy (ciągły) od 100 do 4000 A. Znamionowa reaktancja dławików wynosi 4, 6, 8, 10 i 15%. Dzięki temu osiąga się: ograniczenie prądu zwarciowego, utrzymanie napięcia na szynach zbiorczych na ustalonym poziomie przy zwarciach w liniach (za dławikiem).

9 Dławiki zwarciowe są urządzeniami o znacznych masach i wymiarach. W czasie pracy normalnej na dławikach występują dodatkowe spadki napięcia i straty mocy. Z tych względów decyzje o zainstalowaniu dławików muszą być szczególnie uzasadnione. Dobór dławików polega na ustaleniu następujących cech i parametrów: typu i rodzaju konstrukcji, napięcia znamionowego (Um powinno być równe lub wyższe niż napięcie znamionowe sieci) prądu znamionowego (Im powinien być większy niż prąd roboczy (obliczeniowy) przepływający długotrwale) reaktancji znamionowej względnej (Xj wyznacza się na podstawie mocy zwarciowej występującej w miejscu zainstalowania dławika oraz pożądanej mocy zwarcia za dławikiem) cieplnej i dynamicznej wytrzymałości zwarciowej. Podstawowymi parametrami dławika są: napięcie znamionowe, prąd znamionowy, reaktancja znamionowa

10

11

12 Wyłączniki ograniczające W wyłącznikach ograniczających następuje wtrącanie w obwód zwarciowy dużych rezystancji zaraz po powstaniu zwarcia: a) Łuku powstającego między rozchodzącymi się stykami wyłącznika zwanego wyłącznikiem ograniczającym. Są tu dwa podstawowe rozwiązania: 1) styki rozchodzą się pod wpływem sił elektrodynamicznych prądu zwarciowego tzw. odrzutu elektrodynamicznego styków, 2) styki rozchodzą się pod wpływem działania elektromagnesów otwierających styki przez cewki, w których płynie prąd zwarciowy. b) Łuku powstającego w specjalnych ogranicznikach działających na zasadzie bezpiecznika lecz nie wyłączającego prąd zwarciowy. Prąd zwarciowy jest wyłączany za pomocą wyłącznika. Jest to tzw. wyłącznik dobezpieczony. Po wyłączeniu ogranicznik trzeba wymienić choć znane są już układy samoregenerujące się. Poniżej zostanie omówione inny sposób ograniczania wielkości zwarciowych poprzez bardzo szybkie wyłączanie prądu zwarciowego, wyłączenie przed wystąpieniem prądu zwarciowego udarowego. Jedno z takich rozwiązań nazywane ogranicznikiem typu Is oferowane jest obecnie przez firmę ABB Calor Emag. Budowę tego typu ogranicznika pokazano na rys.

13 Budowa ogranicznika typu Is, gdzie: 1 - podstawa ogranicznika, 2 izolator, 3 przewodząca główka izolatora, 4 styki główne, 5 element wybuchowy, 6 wskaźnik styków głównych, 7 przewód przewodzący impuls wywołujący wybuch materiału wybuchowego, 8 transformator impulsowy, 9 bezpiecznik, 10 obudowa bezpiecznika, 11 rączka elementu uwalniającego wkładkę ogranicznika, 12 obudowa styku głównego.

14 W stanie pracy normalnej prąd płynie przez styki główne ogranicznika (4) a nie przez bezpiecznik (9) co wynika z wartości rezystancji obu dróg prądu. Bezpiecznik posiada element przewodzący o małym przekroju. W momencie zwarcia układ pomiarowy wykrywa bardzo szybko, w czasie ok. 2 4 ms stan zwarcia. Takie szybkie wykrywanie zwarcia jest możliwe jedynie poprzez analizę nachylenia krzywej prądu analizy pochodnej prądu po czasie. Po wykryciu stanu zwarcia układ pomiarowy przesyła impuls do transformatora impulsowego (8) za pomocą którego dociera on do materiału wybuchowego (5) umieszczonego pomiędzy stykami głównymi. Materiał ten wybuchając rozrywa styki główne gasząc łuk palący się pomiędzy nimi. Cały prąd zaczyna płynąć przez bezpiecznik powodując jego szybkie przepalenie. Taki ogranicznik powoduje, że prąd zwarciowy jest wyłączony w czasie krótszym niż występuje prąd zwarciowy udarowy. Przebieg prądu zwarciowego i prądu po zadziałaniu ogranicznika pokazano na rys.

15 Przepięcia w instalacji elektrycznej Każde urządzenie elektryczne funkcjonuje dobrze tylko wtedy, kiedy jest zasilane prądem o wartości określonej przez producenta. Przy zbyt małej wartości prądu urządzenie nie działa. Wartość zbyt duża to ryzyko poważnego uszkodzenia, a nawet całkowitego zniszczenia urządzeń. Zbyt duży prąd Urządzenia elektryczne przystosowane sa do pracy w domowej instalacji elektrycznej, w której wartość napięcia powinna wynosić 230V. Czy w takim razie zagrożenie, że wartość napięcia w sieci wzrośnie do wartości niebezpiecznej jest realne? Niestety tak. W sieci elektrycznej zdarzają się bowiem tzw. przepięcia, czyli nagłe i krótkotrwałe skoki napięcia (wartość jest nawet kilkadziesiąt razy większa niż napięcie znamionowe w sieci). Ze względu na źródła w sieci domowej wyróżnić można przepięcia wewnętrzne i atmosferyczne. Przepięcia wewnętrzne to przepięcia powstałe w samej instalacji elektrycznej w wyniku rożnych zjawisk prądowych. przełączania w obwodzie, stany awaryjne, zmiany konfiguracji połączeń pomiędzy elementami systemu: - łączeniowe - występujące podczas wyłączania i ponownego włączania nieobciążonych linii oraz podczas automatycznej likwidacji zwać; - dorywcze - powodowane nagłymi zmianami obciążenia lub niezanikającymi zwarciami; - zwarciowe - występujące podczas zwarć doziemnych w sieci;

16 Przepięcia atmosferyczne związane są z wyładowaniami atmosferycznymi, czyli z pojawieniem się prądu piorunowego o bardzo wysokiej wartości napięcia. Trzeba pamiętać, że niebezpieczne jest uderzenie nie tylko bezpośrednie. Można wyróżnić następujące przepięcia atmosferyczne: - powodowane bezpośrednim uderzeniem pioruna w sieci elektryczne; - powodowane uderzeniem w bliskim sąsiedztwie obwodów elektrycznych; - powodowane wyładowaniami w chmurach i między chmurami; - powodowane odległymi wyładowaniami. Okazuje się, że nie tylko bezpośrednie uderzenie pioruna powoduje przepięcie w sieci. Jakiekolwiek wyładowania w pobliżu naszej instalacji, a nawet w dalszych odległościach (za to oddziałujące na sieć energetyczną, do której jesteśmy podłączeni) mogą spowodować przepięcia w instalacji. Jest to związane przede wszystkim ze zjawiskami elektromagnetycznymi.

17 Niebezpieczeństwo Większość urządzeń elektrycznych użytku domowego zaprojektowana jest na wytrzymałość udarową izolacji o wartości 1,5 kv. Przepięcia, zależnie od źródła, znacznie przewyższają ta wartość. Szczególnie mało odporne na gwałtowne skoki napięcia w sieci s. wszelkie obwody elektroniczne (urządzeń AGD, komputerów, urządzeń radiowych i telewizyjnych, urządzeń telekomunikacyjnych). Jeśli więc w niechronionej instalacji pojawi się przepięcie, urządzenia domowe zagrożone są w najlepszym przypadku uszkodzeniem. Dotyczy to przede wszystkim najprostszych urządzeń elektrycznych, które nie mają złożonych obwodów elektronicznych. Stosunkowo bezpieczny jest sprzęt AGD. Niestety, im jest on nowocześniejszy, tym bardziej delikatny. Związane jest to z elektroniką, która steruje prawidłowym funkcjonowaniem sprzętu. Najbardziej zagrożone są wszelkie systemy telekomunikacyjne: linie telefoniczne, odbiorniki radiowe i telewizyjne, sieci komputerowe i elektroniczne. Oprócz niebezpieczeństwa uszkodzenia kosztownego sprzętu, pojawia się ryzyko utraty ważnych danych. Dlatego wszelkie sieci elektroniczne, które steruja praca ważnych urządzeń (np. aparatura kontrolnopomiarowa czy urządzenia stosowane w służbie zdrowia) wymagają starannie zaprojektowanych systemów ochrony przed przepięciami.

18

19

20

21

22

23

24

25

26 Odgromniki zaworowe

27 Materiały dydaktyczne do zajęć z Instalacji Elektrycznych i Elektroenergetyki w zawodzie Technik Elektryk. Do wykorzystania przez uczniów Śl.TZN Literatura: W. Kotlarski, J. Grad "Aparaty i urządzenia elektryczne" WSiP Warszawa 1999 W. Musiał "Instalacje i urządzia elektro-energetyczne" WSiP Warszawa 1998