6.2. ZWARCIA W OBWODACH ENERGOELEKTRYCZNYCH

Transkrypt

1 6. Nadrądowa, odnaięciowa i nadnaięciowa ochrona urządzeń elektrycznych ZWARCA W OBWODACH ENERGOELEKTRYCZNYCH Pojęcie zwarcia elektrycznego jest owszechnie znane i intuicyjne rozumiane, toteż używano go w tym i orzednich rozdziałach, nie wchodząc w kwestie formalne. Przyszła ora, by wyełnić tę lukę - odać definicje i klasyfikacje. Zwarcie w obwodzie elektrycznym określa się ogólnie jako zakłócenie sowodowane utratą własności izolacyjnych układu, olegające na zetknięciu się unktów obwodu, które w czasie normalnej racy mają różne otencjały. Rozróżnia się rzy tym zwarcia bezimedancyjne, zwarcia rzez łuk elektryczny oraz rzez rzedmioty o bardzo małej imedancji. Na skutek zwarcia może ołynąć duży rąd, wystąić naięcie wyższe od naięcia roboczego (rzeięcie) oraz ojawić się naięcie stwarzające niebezieczeństwo dla ludzi i zwierząt. Łuk elektryczny, owstający często rzy zwarciu, może sowodować ożar. Prąd rzy zwarciu może być wielokrotnie większy lub wielokrotnie mniejszy niż rzy normalnym obciążeniu urządzenia zasilającego, może mieć też wartość zbliżoną do wartości wystęującej rzy obciążeniu. Zależy to od układu i rodzaju zwarcia. Zwarcia doziemne w sieciach z unktem neutralnym uziemionym bezośrednio dają duże rądy, a w sieciach z unktem neutralnym izolowanym bądź niemającym bezośredniego uziemienia - małe. Natomiast w rzyadku tzw. zwarć dalekich w sieciach trakcyjnych, wartość rądu nie różni się rawie od największego rądu obciążenia. Odróżnienie zwarcia od normalnego obciążenia nie może się więc oierać wyłącznie na wartości rądu. Ograniczenie skutków zwarć olega na ograniczeniu: - czasu rzeływu rądów zwarciowych (szybkie wyłączanie rzez wyłączniki samoczynne i bezieczniki), - wartości rądów zwarciowych i naięć owrotnych (sekcjonowanie sieci i dołączanie dławików rzeciwzwarciowych). Modelem obwodu zwarciowego jest obwód nierozgałęziony (ętla zwarciowa), w którym wystęuje źródło naięcia e(t) oraz elementy asywne R i L (rys. 6.18a). Przyjmując, że wartości R i L są niezmienne w czasie, można wyznaczyć analitycznie rzebiegi rądu zwarciowego i z. Przy naięciu stałym e(t) = E otrzymuje się zależność a rzy naięciu rzemiennym = E ( ω t +ψ ) gdzie ω L ϕ = arctg. R R E t = L iz 1 e R, (6.14) e m sin - R E t m L i ( ) ( ) z = sin ω t + ψ ϕ e sin ψ ϕ 2 2, (6.15) R + ( ω L) Rzeczywiste rzebiegi rądu zwarciowego w sieci odbiegają, szczególnie w oczątkowym okresie, od owyższych zależności teoretycznych, co okazano na rysunkach 6.18b i 6.18c. Powodem tej niezgodności jest złożony charakter rocesów, jakie rzebiegają w źródle i sieci zasilającej o zaistnieniu zwarcia w danym unkcie rozdzielczym bądź odbiorczym.

2 192 Zasady energoelektryki Rys Wielkości i rzebiegi charakteryzujące obwód zwarciowy nieobciążony wstęnie rądem roboczym: a) schemat obwodu, b) rzebieg teoretyczny l i rzeczywisty 2 rądu zwarciowego w obwodzie rądu stałego, c) jw. - w obwodzie rądu rzemiennego, w rzyadku gdy składowa nieokresowa ma największą dodatnią wartość; - rąd oczątkowy, ust - rąd ustalony, i u - rąd udarowy Łuk elektryczny, który może wystęować w obwodzie zwarciowym, komlikuje wyznaczenie rzebiegu czasowego rądu. W raktycznych obliczeniach, których celem jest dobór aaratów, wływu naięcia łuku się nie uwzględnia. W sieciach trójfazowych mogą wystąić różne rzyadki zwarć, których rzykłady rzedstawione są na rysunku Najczęściej zdarzają się zwarcia jednofazowe (około 65% liczby wszystkich zwarć), dosyć często - dwufazowe doziemne (20%), rzadko - dwufazowe (10%) i trójfazowe (5%).

3 6. Nadrądowa, odnaięciowa i nadnaięciowa ochrona urządzeń elektrycznych 193 Rys Przykłady zwarć w sieciach trójfazowych: 1 - trójfazowe, 2 - dwufazowe, 3 - jednofazowe dozerowe, 4 - jednofazowe doziemne, 5 - dwufazowe doziemne jednomiejscowe, 6 - dwufazowe doziemne dwumiejscowe Przy wyznaczaniu rądów zwarciowych w sieciach trójfazowych korzysta się z metody składowych symetrycznych. Polega ona na tym, że niesymetryczny układ naięć lub rądów trójfazowych zostaje rozłożony na trzy układy symetryczne, tzn. jest sumą układów symetrycznych: zgodnej, rzeciwnej i zerowej kolejności faz. Każdej ze składowych naięć i rądów symetrycznych odowiadają określone, na ogół różne co do wartości, imedancje obwodu zwarciowego: zgodna Z 1, rzeciwna Z 2 i zerowa Z 0. Rozwiązanie obwodu, rzy zastosowaniu metody składowych symetrycznych, wymaga naisania rądowych i naięciowych równań dla wielkości obwodowych oraz naięciowych równań wybranej fazy dla wszystkich trzech składowych symetrycznych, a nastęnie - zredukowania równań do jednej zmiennej (rądu zwarciowego). Za wskazy odstawowe składowych symetrycznych naięć źródłowych (E 1, E 2, E 0 ), naięć odbiornikowych (U 1, U 2, U 0 ) oraz rądów ( 1, 2, 0 ) rzyjmuje się zazwyczaj wskazy odowiadające fazie A. Korzystając z oeratora obrotu a = e + j 2/3 π można naisać odowiednie wzory na wielkości obwodowe i ich składowe. Naięcie źródłowe uważa się za symetryczne, tzn. jego składowe: rzeciwne i zerowe - za równe 0 (rzy czym j 0 ). Rys Zwarcie trójfazowe

4 194 Zasady energoelektryki Najrostszy rzyadek obliczeniowy stanowi zwarcie trójfazowe (rys. 6.20), rzy którym - wobec symetrii obciążenia - wystęuje tylko składowa zgodna 1 rądu zwarciowego z, tzn. E f =. (6.16) Z z 1 = gdzie E f - naięcie źródłowe fazowe. 1 W rzyadku zwarcia trójfazowego równania obwodowe wyrażają się nastęującymi zależnościami: 2 A = 1, B = a 1, C = a 1, (6.17) oraz U U = U = 0 lub U U = U = 0. (6.18) AB Z zależności (6.18) wynika, że = BC CA A = B C U = U = U 0. (6.19) = Równania naięciowe fazy A dla składowych symetrycznych - w rzyadku zwarcia trójfazowego, rzy zasilaniu symetrycznym - mają ostać: czyli E 1 = E A = E f = Z 0 = Z 0 = Z Po odstawieniu (6.19) do (6.20) otrzymuje się U + U + U (6.20) E f = Z = 0, 0. (6.20) 1 1 1, 2 0 = E f =, (6.21) Z 1 a więc wartość skuteczna rądu jest wyrażona wzorem (6.16), co świadczy o orawności użytej do obliczeń metody składowych symetrycznych. Z zależności (6.15) wynika, że w rądzie zwarciowym obwodu jednofazowego można wyróżnić rąd okresowy i rąd nieokresowy. Metoda składowych symetrycznych służy do wyznaczania rądu okresowego w obwodzie trójfazowym, a ściślej - wartości skutecznej rądu okresowego w chwili owstania zwarcia, nazywanej rądem oczątkowym. Wartość skuteczna rądu okresowego maleje - w czasie od l do kilku sekund - od oczątkowej wartości do ewnej ustalonej wartości ust. Wartość oczątkowa rądu nieokresowego zależy od chwili wystąienia zwarcia, ale - zgodnie z (6.15) - nie może rzekroczyć maksymalnej wartości rądu okresowego w chwili owstania zwarcia. Od wartości oczątkowej rądu nieokresowego zależy rzede wszystkim największa wartość chwilowa rądu zwarciowego, którą nazywamy rądem udarowym i u. Szybkość zaniku rądu nieokresowego zależy od wartości stosunku R / X obwodu zwarciowego. Przy różnych rodzajach zwarć w obwodzie trójfazowym (rys. 6.19) uzyskuje się różne zależności na rąd oczątkowy, w raktyce korzysta się jednak ze wzorów o tej samej ostaci i różnych arametrach. Składowa zgodna rądu oczątkowego 1 = 3 k U Z 1 ns + Z, (6.22)

5 6. Nadrądowa, odnaięciowa i nadnaięciowa ochrona urządzeń elektrycznych 195 a rąd oczątkowy = m, (6.23) 1 gdzie: U ns - naięcie znamionowe sieci, k - wsółczynnik o wartości 1,1 1,2, Z; m - imedancja dodatkowa oraz wsółczynnik liczbowy, zależne od rodzaju zwarcia, n. rzy zwarciu trójfazowym, zgodnie z (6.21): Z = 0, m = 1 ; rzy zwarciu jednofazowym: Z = Z 2 + Z 0, m = 3. Prąd oczątkowy określa warunki zwarciowe w określonym miejscu sieci trójfazowej. Korzystając ze wzorów i wykresów odanych w PN-74/E-05002, na odstawie wartości wyznacza się nastęujące arametry rądu zwarciowego: rąd udarowy i u, rąd wyłączeniowy symetryczny ws oraz niesymetryczny wns, rąd zastęczy t z -sekundowy tz. Z rądem oczątkowym zwarcia trójfazowego związana jest obliczeniowa wielkość nazywana mocą zwarciową S = 3 U. (6.24) z ns Wartości S z są odawane rzez energetykę zawodową dla scharakteryzowania warunków zwarciowych w ważniejszych unktach sieci elektroenergetycznej. Umożliwia to obliczanie wartości imedancji (dla składowej symetrycznej zgodnej) zastęczych obwodów zwarciowych - od zastęczych źródeł do miejsc o danych mocach zwarciowych - wg zależności 2 k U ns Z1 =, (6.25) S z która wynika z (6.22), (6.23) i (6.24). Wartości S z odawane są dla unktów zasilanych wysokim naięciem, toteż uwzględniając małe wartości stosunku R / X sieci wysokonaięciowych, do obliczenia rądu rzy zwarciu, które wystęuje w dalszej części sieci, z reguły rzyjmuje się, że imedancja odcinka sieci od zastęczego generatora do miejsca o danej mocy zwarciowej ma charakter czysto reaktancyjny Z1 X 1. (6.26) Rys Komensacja ojemnościowego rądu ziemnozwarciowego za omocą tzw. dławika gaszącego: a) schemat, b) wykres wskazowy Prądy ziemnozwarciowe, które wystęują rzy zwarciach jednej fazy z ziemią, mogą mieć duże albo małe wartości w zależności od tego, czy unkt zerowy transformatora jest bezośrednio (skutecznie) uziemiony, czy też jest od ziemi izolowany (ewentualnie ołączony

6 196 Zasady energoelektryki z ziemią rzez dławik o dużej reaktancji, służący do komensacji ojemnościowego rądu zwarcia). Ze względu na cielne i dynamiczne skutki rądu zwarciowego, zwarcia jednofazowe o dużym rądzie ziemnozwarciowym muszą być szybko wyłączane, odobnie jak zwarcia jednofazowe dozerowe, zwarcia dwufazowe oraz trójfazowe. Zwarcia jednofazowe o małym rądzie ziemnozwarciowym, z którymi mamy do czynienia w sieciach średnich naięć, mogą być groźne dla izolacji urządzeń, ze względu na wystęowanie rzeięć rzejściowych rzy łuku rzerywanym, osiągających raktycznie krotności rzędu 2,5 3 naięcia fazowego (teoretycznie można się sodziewać nawet 4,5). Dołączenia dławika do komensacji ojemnościowego rądu zwarciowego (rys. 6.21) owoduje ograniczenie rądu w miejscu zwarcia r do wartości bliskiej zeru PARAMETRY ZWARCOWE APARATÓW ENERGOELEKTRYCZNYCH Konstrukcję każdego aaratu energoelektrycznego cechuje m.in. określona wytrzymałość na dynamiczne oraz cielne działanie rądów zwarciowych (obciążalność zwarciowa elektrodynamiczna i obciążalność zwarciowa cielna krótkotrwała). Łączniki zdolne do załączania rądów zwarciowych (niektóre rodzaje rozłączników, wyłączniki) cechuje rzy tym określona zwarciowa zdolność załączania, zaś aaraty zdolne do wyłączania rądów zwarciowych (wyłączniki, bezieczniki toikowe) - określona zwarciowa zdolność wyłączania. W rzyadku wyłączników określa się rzeważnie zwarciową zdolność łączenia, wyznaczaną w trakcie róby tyu (odwzorowującej racę łączeniową w warunkach eksloatacyjnych), w określonym szeregu łączeń, n. W - t - ZW - t - ZW (W - wyłączenie, t - określony czas rzerwy bezrądowej, ZW - załączenie i natychmiastowe wyłączenie). Wyłączenie rądu rzez beziecznik toikowy jest równoważne zniszczeniu części tego aaratu, toteż nie określa się jego obciążalności zwarciowych - elektrodynamicznej oraz cielnej krótkotrwałej - a jedynie zwarciową zdolność wyłączania. Wyłączniki ograniczające i zwykłe bezieczniki toikowe zmniejszają narażenie innych aaratów na działanie rądu zwarciowego rzez ograniczenie jego narastania i szybkie wyłączenie, w wyniku czego nie osiąga on wartości chwilowej większej od rądu ograniczonego i ogr. W zabezieczeniach zwarciowych diod i tyrystorów używa się bezieczników bardzo szybkich (czas rzedłukowy rzędu kilku ms), o tak dobranym arametrze rzeciążeniowym i 2 dt (całka Joule'a), aby energia wydzielona rzez rąd zwarciowy w chronionych elementach nie rzekroczyła granicznej wartości, owyżej której mogłoby dojść do ich zniszczenia. Obciążalność zwarciową elektrodynamiczną określa znamionowy rąd szczytowy aaratu i nsz. W rzyadku wyłączników rądu rzemiennego - i nsz nie może być mniejszy od rądu udarowego i u (wyznaczonego wg PN/E), tzn. insz i u, (6.27) a w rzyadku wyłączników rądu stałego - od wartości ustalonej sodziewanego rądu zwarciowego u, tzn. insz u. (6.28)

7 6. Nadrądowa, odnaięciowa i nadnaięciowa ochrona urządzeń elektrycznych 197 Jeśli w obwodzie zwarciowym nie wystęuje ograniczanie rądu rzez wyłączniki lub bezieczniki, to i nsz każdego aaratu, znajdującego się w tym obwodzie, musi sełniać jeden z odanych wyżej warunków (stosownie do rodzaju rądu). Jeśli wyłącznik lub beziecznik ogranicza rąd w obwodzie zwarciowym, to i nsz ozostałych aaratów musi sełniać warunek i 1, 5 (6.29) nsz i ogr (wsółczynnik 1,5 uwzględnia rozrzut charakterystyk aaratu ograniczającego). Obciążalność zwarciową cielną krótkotrwałą określa znamionowy rąd krótkotrwały (n-sekundowy) aaratu cn. Przeważnie czas trwania zwarcia t z nie jest równy czasowi, rzy jakim roducent rzerowadza zwarciowe róby cielne (sotyka się różne wartości n, rzeważnie całkowite, równe l lub 3 s, a wyjątkowo 0,6 s). Prąd cielny t z - sekundowy tz (w obwodzie rzemiennorądowym - wyznaczany wg PN/E) rzelicza się na zastęczy rąd n - sekundowy tn. Dobierany aarat musi sełniać warunek cn tn. Z obliczeniem wartości tn jest jednak ewien roblem. Czyniąc założenie o braku wymiany cieła z otoczeniem (albo równoważne: o stałej 2 2 intensywności rzenikania cieła do otoczenia), otrzymuje się równość tn n = tz t z. W rzeczywistości, ta sama ilość cieła, ale wydzielona w różnym czasie, nie daje tego samego efektu cielnego, tzn. im zwarcie trwa dłużej, tym większa część wydzielonego cieła rzenika do otoczenia, a tym mniejsza odlega akumulacji. Z orównania cieła zakumulowanego (ten sam efekt cielny) wynika więc zależność a z niej 2 tn n C n = t C, (6.30) t 2 tz C z z z z tn = tz, (6.31) n Cn gdzie: C n, C z - stosunki cieła zakumulowanego do całkowitego, wydzielonego rzez rądy zastęcze: n-sekundowy tn oraz t z -sekundowy tz, rzy czym: C n > C z gdy n < t z oraz C n < C z gdy n > t z, C z n C z n lub inaczej: < 1 i < 1 gdy n < t z ; > 1 i > 1 C C n t z n t z gdy n > t z. Podstawę doboru aaratu na ostawie obliczeń stanowi zależność cn tn. Tak więc, biorąc od uwagę kierunki odanych wyżej nierówności, tylko w rzyadku n < t z otrzymuje się jednoznaczny warunek (z zaasem bezieczeństwa) t z cn tz. (6.32) n W rzeciwnym razie ( n > t z ) trzeba ostarać się o dodatkowe informacje. Zwarciową zdolność załączania określa znamionowy zwarciowy rąd załączalny łącznika i nz (rzy znamionowym naięciu łączeniowym), równy na ogół znamionowemu rądowi szczytowemu i nsz. Zwarciową zdolność wyłączania określa znamionowy zwarciowy rąd wyłączalny wyłącznika lub beziecznika toikowego nw (rzy znamionowym naięciu łączeniowym) oraz - w rzyadku bezieczników charakterystyka rądów ograniczonych i ogr = f ( n, ) lub arametr rzeciążeniowy i 2 dt.

8 198 Zasady energoelektryki Znamionowy zwarciowy rąd wyłączalny zwykłego wyłącznika nie może być mniejszy od wyznaczonego (wg PN/E, w miejscu zainstalowania wyłącznika): - rądu wyłączeniowego symetrycznego ws, tzn. nw ws, (6.33) jeśli czas własny wyłącznika (od chwili owstania zwarcia do chwili rozdzielenia się styków) t 0,1 s, ww - rądu wyłączeniowego niesymetrycznego wns, tzn. jeśli t < 0,1 s. ww nw wns, (6.34) Znamionowy zwarciowy rąd wyłączalny wyłącznika ograniczającego lub beziecznika toikowego nie może być mniejszy od: - rądu oczątkowego w obwodzie rzemiennorądowym, (6.35) nw - wartości ustalonej rądu sodziewanego u w obwodzie stałorądowym nw u. (6.36) Zwarciowa zdolność łączeniowa wyłącznika odnosi się do racy w szeregu łączeń ze znamionowym zwarciowym rądem wyłączalnym (rzy wyłączeniach) i ze znamionowym zwarciowym rądem załączalnym (rzy załączeniach) ZABEZPECZENA PRZECĄŻENOWE, ZWARCOWE ZANKOWE W OBWODACH ODBORCZYCH NSKEGO NAPĘCA Wystąienie rądu, który może wywołać w urządzeniu nieożądany efekt, o ile nie zostanie wyłączony w odowiednim czasie, określa się ogólnie jako rzetężenie. Zwykle jest to rąd większy od rądu rzy znamionowym obciążeniu. Ze względu na charakter oraz stwarzane zagrożenia dla urządzeń niskiego naięcia i ich otoczenia, dzieli się rzetężenia na rzeciążenia i zwarcia. W wyadku rzeciążenia grozi urządzeniu nadmierne nagrzanie o dłuższym czasie; rzy zwarciu trzeba liczyć się z szybkim nagrzaniem i z dynamicznym działaniem rądu oraz możliwością owstania łuku elektrycznego (ze wszystkimi tego konsekwencjami). Do ochrony urządzeń odbiorczych, rzewodów i samych aaratów energoelektrycznych rzed skutkami rzetężeń stosuje się zabezieczenia zwarciowe (bezzwłoczne) oraz rzeciążeniowe (zwłoczne). Zabezieczenie zwarciowe owinno działać natychmiast, gdy wartość rądu rzekroczy najwyższą sodziewaną wartość rądu roboczego (rądu rzy rozruchu lub hamowaniu silnika, rądu w chwili włączenia urządzenia oświetleniowego lub grzejnego). Jest to z reguły wartość co najwyżej kilka- kilkunastokrotnie większa od rądu znamionowego urządzenia.

9 6. Nadrądowa, odnaięciowa i nadnaięciowa ochrona urządzeń elektrycznych 199 Zabezieczenia rzeciążeniowe owinno działać ze zwłoką, zależną od stonia narażenia cielnego, jakie stwarza wystęujące rzetężenie. Niezwykle istotną srawą jest właściwy dobór charakterystyk rądowo-czasowych t - zabezieczeń rzeciążeniowych (rys. 6.22) do rzebiegów cielnych w najbardziej wrażliwych na wzrost temeratury miejscach urządzeń. Charakterystyka t - aaratu zabezieczającego urządzenie owinna w całym zakresie obciążenia leżeć oniżej analogicznej charakterystyki urządzenia. Rys Zabezieczenia rzeciążeniowe: a) charakterystyki t - aaratu wstęnie nie nagrzanego Z ( zimny ) i wstęnie nagrzanego C ( cieły ) rądem o znamionowej lub nastawionej wartości nt, b) wykresy czasowe ukazujące zależności między rądami 1 i 2 nagrzewania aaratu zimnego Z1 i Z2 (temeratura oczątkowa ϑ 0 ) oraz ciełego C1 i C2 (temeratura oczątkowa ϑ nt ), a czasami osiągania rzezeń temeratury rogowej (zadziałania) ϑ ; rzyjęto model ciała jednorodnego o stałej czasowej τ oraz roorcjonalność wydzielanej mocy cielnej do kwadratu rądu Jeśli obniżenie (zaad lub zanik) naięcia, a nastęnie jego owrót, mogą owodować zagrożenie osób lub urządzeń, stosuje się odowiednie środki ostrożności. Do tego rodzaju środków należy zabezieczenie zanikowe silników, które uniemożliwia samoczynny rozruch silnika o owrocie naięcia. Nie wolno stosować zabezieczeń zwarciowych ani rzeciążeniowych w obwodach wzbudzenia silników rądu stałego, onieważ stwarza to groźbę rozbiegania (gwałtownego wzrostu rędkości). Zabezieczenia zwarciowe, rzeciążeniowe i zanikowe owinny owodować samoczynne wyłączenie z racy (odłączenie od źródła zasilania) uszkodzonego lub zagrożonego urządzenia. Funkcję tę sełniają nastęujące aaraty i elementy zabezieczeniowe: bezieczniki toikowe i ograniczniki rądu, wyzwalacze lub rzekaźniki elektromagnetyczne i cielne oraz czujniki temeratury. Wyzwalacze i rzekaźniki zabezieczeń zwarciowych i zanikowych działają na zasadzie rzyciągania zwory elektromagnesu, zaś rzeciążeniowych - na zasadzie różnej rozszerzalności cielnej warstw aska bimetalu. Czujniki temeratury wykonuje się jako termistorowe lub ferrytowe. Ze względu na duży koszt, są one stosowane wyłącznie wtedy, gdy rzekaźniki i wyzwalacze nie zaewniają dostatecznej ochrony urządzenia rzed rzegrzaniem, co zachodzi w rzyadku silników racujących w zmiennych warunkach chłodzenia, n. w systemie racy rzerywanej, silników wielobiegowych, it. Wyzwalacze

10 200 Zasady energoelektryki lub rzekaźniki elektromagnetyczne (elektromagnesowe) i cielne (termobimetalowe), a czasami również ograniczniki rądu (działające odobnie do bezieczników toikowych), wchodzą w skład wyłączników samoczynnych (rys. 6.23). Rys Charakterystyki t - wyłącznika dobezieczonego, składająca się z fragmentów charakterystyk: 1 - wyzwalacza (rzekaźnika) termicznego o rądzie nastawienia m ; 2 - wyzwalacza elektromagnesowego o rądzie nastawienia ne i czasie własnym t 0e ; 3 - ogranicznika rądu, niewyłączającego samodzielnie rądów większych od rądu wyłączalnego wn, lecz srowadzającego je do tej wartości w czasie równym t 0e (óźniej - rzy rozchodzeniu się styków - ograniczenie rądu jest kontynuowane) Falowniki racujące w zasilaczach UPS (rys. 5.21) zabeziecza się rzed rzeciążeniem elektronicznie. Przykładową charakterystykę - t tego zabezieczenia okazano na rys % / n 300 B C A 40 ms 200 ms 10 s 10 min t Rys Charakterystyka zabezieczenia rzeciążeniowego falownika w zasilaczu UPS, obejmująca strefy związane z trybem jego racy: A - raca w trybie normalnym, B - raca w trybie obejściowym, a jeśli jest on niedostęny - kontynuacja racy w trybie normalnym, C - raca w trybie obejściowym, a jeśli jest on niedostęny - wyłączenie Styczniki montuje się często na wsólnej odstawie lub we wsólnej obudowie z rzekaźnikami termobimetalowymi. Na rysunku 6.25 okazano układ sterowania i zabezieczeń silnika indukcyjnego (schematy rozwinięte okazane na rys. 5.23). Zabezieczenie odnaięciowe silnika stanowi cewka stycznika w ołączeniu szeregowym z zestykiem omocniczym, a zabezieczenie zwarciowe - bezieczniki.

11 6. Nadrądowa, odnaięciowa i nadnaięciowa ochrona urządzeń elektrycznych Realizacja zabezieczeń silnika indukcyjnego, sterowanego za omocą stycznika elektromagnesowego: l - zabezieczenie zwarciowe, 2 - zabezieczenie rzeciążeniowe, 3 - zabezieczenie zanikowe Wszystkie obwody odbiorcze owinny mieć zabezieczenia zwarciowe. Mogą to być zabezieczenia wsólne dla gru odbiorów, ale tak dobrane, aby w rzyadku zwarcia wystęującego w jednym odbiorze zadziałało zabezieczenie zwarciowe całej gruy. Zabezieczenia zwarciowe umieszcza się na oczątku zabezieczanego obwodu odbiorczego. Zabezieczeniami zwarciowymi silników i innych urządzeń są wyzwalacze i rzekaźniki elektromagnesowe, bezieczniki toikowe lub ograniczniki rądu. Nastawienie wyzwalaczy (rzekaźników) e owinno być o 20% większe od największej wartości rądu rozruchowego rm : 1, 2. (6.37) e rm Prąd znamionowy wkładki beziecznikowej bn, zabezieczającej silnik o rądzie znamionowym n i największej wartości rądu rozruchowego rm, wyznacza się z zależności: i gdzie [ 1,4; 3,0] rm bn. (6.38) α bn n. (6.39) α - wsółczynnik rozruchowy, zależny od rodzaju ( ciężkości ) i częstości rozruchów oraz tyu wkładki toikowej. Prąd znamionowy wkładki toikowej bn, zabezieczającej urządzenia inne niż silniki o rądzie znamionowym n, wyznacza się z zależności (6.39). Bardzo szybkiego działania wymaga się od zabezieczeń zwarciowych w obwodach zasilanych z rzekształtników energoelektrycznych. Z tego względu, rzy doborze bezieczników toikowych, nie korzysta się z charakterystyk t, tylko z danych ozwalających określić wartość imulsu i 2 dt w czasie rzedłukowym i łukowym.

12 202 Zasady energoelektryki Zabezieczenia rzeciążeniowe silników stanowią najczęściej wyzwalacze lub rzekaźniki termobimetalowe. Można je umieszczać między silnikiem a źródłem zasilania - w dowolnym miejscu obwodu. Nastawienie wyzwalaczy (rzekaźników) rzy racy ciągłej silnika nie owinno rzekraczać o więcej niż 10% jego rądu znamionowego. W zasadzie każdy silnik elektryczny owinien mieć zabezieczenie rzeciążeniowe, lecz douszcza się odstęstwa w nastęujących rzyadkach: - rzy silnikach o rądzie znamionowym mniejszym od 4 A, - rzy silnikach o mocy nie rzekraczającej 10 kw, do racy ciągłej, naędzających urządzenia o małych rawdoodobieństwie rzeciążeń mechanicznych (omy odśrodkowe, wentylatory, it.), - rzy silnikach stanowiących zesół z własnym transformatorem, który ma swoje zabezieczenie rzeciążeniowe, - rzy silnikach do racy rzerywanej, gdy zabezieczenie rzeciążeniowe za omocą wyzwalaczy lub rzekaźników nie sełniają swojej roli, zabezieczenie zaś czujnikami temeratury nie jest gosodarczo uzasadnione. Przekroje rzewodów (kabli) w obwodach odbiorczych muszą być tak dobrane od względem cielnym, aby - rzy normalnych rądach roboczych - temeratury żył rzewodzących nie rzekroczyły temeratury douszczalnej długotrwale, której odowiada obciążalność długotrwała rzewodów dd. Wyzwalacze (rzekaźniki) termiczne ustawia się na wartości rądu (0,8 1,1) dd, rzy czym wartość 0,8 dd dotyczy miejsc niebeziecznych od względem wybuchowym. Zabezieczenie rzeciążeniowe rzewodów stosujemy zazwyczaj jednocześnie z zabezieczeniem rzeciążeniowym odbiornika, używając do tego celu jednego aaratu. Zdarza się jednak, że rzewody zasilające wymagają ochrony rzed rzeciążeniem, a odbiorniki - nie. Szczególnym rzyadkiem tego rodzaju jest obwód z beziecznikami toikowymi jako zabezieczeniem zwarciowym rzewodów i odbiornika oraz zabezieczeniem rzeciążeniowym rzewodów. Temeratura rzewodów rzy rzealeniu wkładki toikowej osiąga wartość najwyższą, gdy rąd, który je wywoła, jest w rzybliżeniu równy górnemu rądowi robierczemu beziecznika g, rzy czym g = (l,9 1,6) bn, odowiednio do wartości rądów znamionowych bn = A. Bezieczniki toikowe stanowią więc zabezieczenie rzeciążeniowe (i zwarciowe) rzewodów o obciążalności długotrwałej dd, jeśli a tylko zabezieczenie zwarciowe rzewodów, jeśli g dd, (6.40) bn dd. (6.41) Tak więc, obciążalność rzewodów zabezieczonych beziecznikami może być w ełni wykorzystana tylko wtedy, gdy bezieczniki stanowią wyłącznie zabezieczenie zwarciowe. Zgodnie z rzeisami, wartość stosunku bn : dd zależy od tzw. gruy rzewodów (instalacji), określanej na odstawie warunków użytkowania instalacji, tyu odbioru oraz wystęujących narażeń na rzeciążenia. Przykładowo, w gruie 3, dotyczącej rzewodów ułożonych na stałe w instalacjach użytkowanych w warunkach rzemysłowych, rądowi bn = 25 A odowiada minimalna obciążalność długotrwała rzewodów = 20 A, albo na odwrót - rądowi dd = 20 A odowiada rąd największej douszczalnej dd min wkładki bn = 25 A. max

13 6. Nadrądowa, odnaięciowa i nadnaięciowa ochrona urządzeń elektrycznych 203 Odorność na narażenie cielne rzewodów (kabli) rzy zwarciach jest określona rzez jednosekundową obciążalność 1 mm 2 rzekroju żyły rzewodzącej. Przy właściwym doborze rzekroju sełniona jest zależność (6.32) dla gęstości rądu k j w czasie n = l s : k j S tz. (6.42) t gdzie: tz - zastęczy rąd cielny t z -sekundowy, w A, k j - obciążalność cielna l-sekundowa, w A s 0,5 / mm 2, S - rzekrój rzewodu, w mm 2, t z - czas trwania zwarcia, w s. z 4.5. NAPĘCE ZNAMONOWE NAPĘCE ROBOCZE, PRZEPĘCA, OCHRONA PRZEPĘCOWA ODGROMOWA Charakterystyczne właściwości urządzenia elektrycznego lub sieci elektrycznej (elektroenergetycznej), bądź części składowej urządzenia lub sieci, odnoszą się do ustalonej wartości naięcia, którą nazywa się naięciem znamionowym tego obiektu lub elementu. Naięcie znamionowe jest ojęciem umownym: obliczeniowym - w rzyadku urządzeń, klasyfikacyjnym - w rzyadku sieci i jej wyosażenia. Pod określonym warunkami i w ograniczonym zakresie można zmieniać naięcie znamionowe obiektu, dokonując rzy tym odowiednich zmian jego innych arametrów znamionowych. Taka możliwość znajduje odbicie w owszechnie używanej definicji, wg której naięcie znamionowe to wartość naięcia, na jaką dane urządzenie (albo jego część) zbudowano i jaką je (ją) oznaczono. Ze względu na własności izolacyjne urządzenia elektrycznego (albo jego części), określa się też jego (jej) naięcie znamionowe izolacji, równe naięciu znamionowemu lub od niego wyższe. Naięcie, wystęujące w czasie normalnej racy urządzenia, nazywa się naięciem roboczym (w rzyadku łączników - naięciem łączeniowym). Naięcie robocze (łączeniowe) może być mniejsze lub większe od naięcia znamionowego, lecz ze względu na właściwości urządzenia - musi mieścić się między najniższym i najwyższym naięciem roboczym, a gdy najniższe naięcie robocze nie jest określone - nie może rzekraczać najwyższego naięcia roboczego (łączeniowego). Naięciu znamionowemu większości urządzeń energoelektrycznych rzyisane są określone wartości najwyższego naięcia roboczego i znamionowych naięć robierczych izolacji (rzemiennych i udarowych). Każde naięcie wyższe od najwyższego naięcia roboczego (łączeniowego) nazywa się rzeięciem. Przeięcia stwarzają zagrożenie dla izolacji urządzeń. Ze względu na źródło owstawania, rzeięcia dzielą się na wewnętrzne i zewnętrzne. Przeięcia wewnętrzne są owodowane różnymi zmianami łączeniowymi oraz aleniem się łuku rzy zwarciach doziemnych. Omówione wcześniej rzeięcia, wystęujące w układach rzedstawionych na rysunkach: 6.7, 6.9, 6.11 i 6.15, są rzykładami rzeięć wystęujących rzy zmianach łączeniowych. Ponowne załony łuku elektrycznego między rozchodzącymi się stykami w układzie z rys. 6.9 (rzebiegi naięcia u w i rądu i w na rys. 6.l0b)

14 204 Zasady energoelektryki ograniczają wysokość rzeięcia. Powtarzające się załony łuku rzy zwarciu doziemnym, jakie n. mogłyby owstawać w układzie z rys bez dołączonego tam dławika gaszącego, wywołują natomiast szybkozmienne, wysokie rzeięcia rzejściowe. Przeięcia wewnętrzne dzielą się na krótkotrwałe i długotrwałe, szybkozmienne i wolnozmienne, zaś te ostatnie - na sinusoidalne i odkształcone. Przeięcia zewnętrzne ochodzą rzede wszystkim od wyładowań atmosferycznych. Przeięcia ochodzenia atmosferycznego stanowią największe zagrożenie dla izolacji urządzeń. Nazywa się je atmosferycznymi lub iorunowymi i rozróżnia: - rzeięcia bezośrednie, tj. wywoływane bezośrednimi uderzeniami iorunów w linie lub stacje naowietrzne, - rzeięcia indukowane, tj. wywoływane rzenikaniem do obwodu głównego, na drodze elektromagnetycznej, części energii wyładowań atmosferycznych, związanej z uderzeniami iorunów w obiekty ołożone w obliżu linii lub stacji naowietrznych, albo w elementy linii i stacji, osłaniające je rzed bezośrednimi uderzeniami iorunów. Ochrona od rzeięć atmosferycznych nosi nazwę ochrony odgromowej. Stawia się rzed nią nastęujące dwa zadania - żądając sełnienia jednego z nich, ewentualnie obu jednocześnie, jeśli sełnienie ierwszego nie zaewnia ochrony w ełni skutecznej: - osłaniania rzewodów roboczych linii lub aaratów i budynków stacji elektroenergetycznych rzed bezośrednimi uderzeniami iorunów, oraz niedouszczania do tzw. rzeskoków odwrotnych albo iskier wtórnych (z elementów zbierających i odrowadzających rądy ioruna do ziemi - do rzewodów roboczych lub do rzedmiotów rzewodzących, które nie należą do obwodu głównego), - łagodzenia skutków uderzeń iorunów lub niedouszczenia do uszkodzenia obiektów z tego owodu. Ochronę linii i stacji elektroenergetycznych rzed bezośrednimi uderzeniami iorunów zaewniają tzw. zwody iorunowe (jak łącznie określa się: rzewody odgromowe, zwody ionowe i zwody oziome) wraz ze stalowymi elementami konstrukcji słuów i rzewodami, noszącymi nazwy: odrowadzających i uziemiających, oraz uziomami. Przewody robocze linii elektroenergetycznych chroni się umieszczając nad nimi rzewody odgromowe, które są uziemione na każdym słuie (bezośrednio lub rzez iskiernik). Stacje elektroenergetyczne chronione są za omocą uziemionych zwodów ionowych lub oziomych. Zwody ionowe to stalowe ręty lub rury, mocowane do konstrukcji wsorczych stacji lub umieszczane na secjalnych, stalowych masztach. Zwody oziome to rzewody zawieszone nad obiektami stacji, odobnie jak rzewody odgromowe nad rzewodami roboczymi linii. Zwody iorunowe wytwarzają wokół siebie strefę osłonową, dającą ochronę rzed bezośrednimi uderzeniami iorunów. W rzewodach i urządzeniach znajdujących się w strefie osłonowej raktycznie mogą się ojawiać tylko rzeięcia atmosferyczne indukowane lub rzeskoki odwrotne. Przeięcia atmosferyczne indukowane są oczywiście dużo mniej groźne od rzeięć wywoływanych bezośrednimi uderzeniami iorunów. Przeskoki odwrotne (od uziemionych elementów do rzewodów roboczych) wystęują wtedy, gdy naięcie na imedancji słua stalowego linii lub stalowej konstrukcji wsorczej zwodów stacji, i na ich uziemieniach - owstające od rądu ioruna - rzekracza wytrzymałość izolatorów.

15 6. Nadrądowa, odnaięciowa i nadnaięciowa ochrona urządzeń elektrycznych 205 Prądy iorunów oraz ochodzące od nich rądy i naięcia w liniach elektroenergetycznych, a także niektóre z krótkotrwałych rzeięć wewnętrznych, rzedstawiane są na wykresach w zależności od czasu jako tzw. udary rądowe bądź naięciowe. Rys Udar naięciowy; U m - wartość szczytowa, T 1 - czas trwania czoła, T 2 - czas do ółszczytu Na rysunku 6.26 okazano rzykładowy udar naięciowy i objaśniono rzyjęty normatywnie sosób wyznaczania jego arametrów. Udar składa się z czoła - od oczątku 0 do wierzchołka W, i grzbietu - od wierzchołka W do zaniku. Udar charakteryzowany jest umownie rzez swą wartość szczytową (naięciowy - rzez U m ; rądowy - rzez m ), czas trwania czoła T 1 i czas do ółszczytu T 2. Przyjęcie czasów umownych T 1 i T 2, zamiast rzeczywistych t 1 i t 2, wynika z trudności dokładnego wyznaczania unktów 0 i W na oscylogramach, oraz z faktu, że w rzyadku niektórych urządzeń zagrożenie stwarzane rzez udar nie zależy w istotny sosób od czasu trwania czoła, tylko od jego stromości, tj. szybkości narastania naięcia (rądu) na czole. Udary rądu głównego wyładowania ioruna charakteryzują wartości szczytowe rzędu ka, czasy trwania czoła 1 10 µs, czasy do ółszczytu µs. Gdyby, rzyjmując bardzo wysoką wytrzymałość izolacji rzewodów roboczych linii, nie zastosowano ochrony odgromowej, to rzy bezośrednim uderzeniu ioruna w rzewód roboczy mogłoby w nim wystąić naięcie względem ziemi lub innych rzewodów rzędu kilku MV. O takiej wytrzymałości izolacji linii nie może być oczywiście mowy, toteż rzy bezośrednim uderzeniu ioruna w niechroniony rzewód roboczy musi wystąić rzebicie - jeśli nie do ziemi (rzy słabym iorunie, uderzającym w rzewody rowadzone na słuach drewnianych, rzebicie do ziemi nie zawsze się zdarza), to na ewno do ozostałych rzewodów. Wystęuje wtedy, orócz rzeięć, międzyfazowe zwarcie łukowe obwodu roboczego. Analiza różnego rodzaju rzeięć ozwala określać rawdoodobne zagrożenie izolacji urządzeń na rzebicie i stosować odowiednie środki ich ochrony. Przeięcia długotrwałe rzedstawiane są jako rzebiegi ustalone w obwodach o elementach skuionych; rzeięcia krótkotrwałe w liniach o znacznej długości - jako sumy fal wędrownych (bieżących) w liniach długich. Wygodnie jest się rzy tym osługiwać modelem linii bez stratnej.

16 206 Zasady energoelektryki Między wartościami wsółbieżnych fal naięcia i rądu: - rzemieszczającymi się w jedną stronę linii długiej bezstratnej u' = u' ( x v t), i' = i' ( x v t), - i w drugą jej stronę u " = u" ( x + v t), i " = i" ( x + v t), zachodzą nastęujące zależności: u' = Z i', (6.43a) c rzy czym: u' = Z i", (6.43b) v = c L 1 0 C 0 = ε c r µ r, (6.44) L Z c = =, (6.45) C 0 1 = v L0 0 v C0 gdzie: x - droga, t - czas, v - rędkość rozchodzenia się fali, c - rędkość światła, L 0 - indukcyjność jednostkowa (na jednostkę długości) linii, C 0 - ojemność jednostkowa (na jednostkę długości) linii, ε r - rzenikalność elektryczna względna środowiska otaczającego rzewody, µ r - rzenikalność magnetyczna względna środowiska otaczającego rzewody, Z c - imedancja falowa linii. Minus o rawej stronie wyrażenia (6.43b) wynika ze zgodnego z drogą strzałkowania rądu. medancja falowa układu 1 rzewód ziemia linii naowietrznej wysokiego naięcia wynosi ok. 500 Ω, zaś układu 3 rzewody ziemia - ok. 250 Ω. Kanał głównego wyładowania ioruna można traktować jako linię długą o imedancji falowej rzędu Ω. Warstwa ziemi, w której rozływa się rąd ioruna, jest rzedstawiana jako imedancja skuiona o wartości wielokrotnie mniejszej od imedancji falowej kanału ioruna. Pierwotne fale rzeięciowe rozchodzą się w obie strony linii od miejsca uderzenia ioruna lub wystąienia krótkotrwałego rzeięcia wewnętrznego (rys. 6.27). Zależności z tym związane mają nastęujące ostaci: i' ( x u' ( x 1, t) = i"( x, t) i ( t), (6.46) 2 = 1, t) = Z c i'( x, t) Z c i ( t), (6.47) 2 = 1 u" ( x, t) = Z c i"( x, t) = Z c i ( t), (6.48) 2

17 6. Nadrądowa, odnaięciowa i nadnaięciowa ochrona urządzeń elektrycznych 207 i ( x, t) = i' ( x, t) + i"( x, t) = 0, (6.49) u ( x, t) = u' ( x, t) + u"( x, t) u ( t), (6.50) = Rys Wykresy fal udarowych rądu i naięcia jako funkcji drogi x, w danej chwili t, o obu stronach linii od miejsca x uderzenia ioruna Fale wędrowne naięcia i rądu ulegają w rzeczywistych liniach tłumieniu i odkształceniu (rys. 6.28). Efekty te w liniach bezstratnych nie wystęują. Rys lustracja tłumienia i odkształcenia udaru naięciowego u(t) w linii wysokiego naięcia, o rzebyciu drogi x od źródła

18 208 Zasady energoelektryki Wartości naięcia oraz rądu w danym miejscu linii długiej, w danej chwili, są równe sumom wartości fal naięcia bądź rądu, docierających do tegoż miejsca, w tejże chwili, z jednej i drugiej strony linii. Jeśli fala wędrowna dociera do unktu, w którym zmieniają się warunki jej roagacji (zmienia się imedancja falowa linii; wystęuje rzerwa, zwarcie, rozgałęzienie; dołączone są jakieś elementy skuione), to w tym unkcie tworzą się fale określane jako rzeuszczone i odbite. W szczególnych rzyadkach: rzerw i zwarć, są tylko fale odbite. Zobrazowano to w sosób modelowy (linia bezstratna, rostokątne fale ierwotne) na rysunku Rys Fale ierwotne rostokątne, ciągłe (u 1, i 1 ), fale rzeuszczone (u 2, i 2 ), i fale odbite (u 2, i 2 ), w linii długiej - w chwilę o dotarciu fal ierwotnych do unktu A, gdzie: a) wzrasta imedancja falowa Z 2 > Z 1 albo wystęuje rzerwa, b) maleje imedancja falowa Z 2 < Z 1 albo wystęuje zwarcie, c) wystęuje rozgałęzienie albo jest dołączona rezystancja R (rzy Z 2 > Z 1 ), d) jest dołączona ojemność orzeczna C albo indukcyjność odłużna L (rzy Z 2 > Z 1 )

19 6. Nadrądowa, odnaięciowa i nadnaięciowa ochrona urządzeń elektrycznych 209 Przed rzystąieniem do omawiania urządzeń ochronnych trzeba oruszyć arę sraw związanych z wytrzymałością izolacji rzy różnego rodzaju narażeniach. Jeśli rzeięcia nie są duże, to się ich nie ogranicza, tylko odwyższa odowiednio wytrzymałość elektryczną izolacji. W ten sosób jest zaewniana ochrona urządzeń rzed długotrwałymi rzeięciami wewnętrznymi. Przy wyższych rzeięciach, rzekraczających wytrzymałość istniejącej izolacji, stosuje się ochronę rzeięciową za omocą aaratów nazywanych ochronnikami. Według rzyjętych zasad koordynacji izolacji (jej oziomu znamionowego i oziomu zaewnionej ochrony), w sieciach o naięciu znamionowym do 220 kv stosuje się ochronę od rzeięć atmosferycznych, natomiast w sieciach o naięciu znamionowym wyższym od 220 kv - ochronę od rzeięć wewnętrznych. Wytrzymałość izolacji urządzeń jest oddawana w laboratoriach długotrwałym i krótkotrwałym róbom naięciowym. Próby długotrwałe izolacji urządzeń wykonuje się naięciem rzemiennym; czas rzyłożenia naięcia robierczego oraz jego krotność względem naięcia znamionowego są rzy tym różne dla różnych urządzeń. Na rzykład izolatory oddaje się róbie naięciem rzemiennym w czasie 1 lub 5 min. Do określania wytrzymałości izolacji na naięcia udarowe ochodzenia atmosferycznego (wyznaczania charakterystyk udarowych) używa się tzw. krótkich udarów naięciowych - o znormalizowanych wartościach czasów T 1 i T 2, równych 1,2 i 50 µs.. Wytrzymałość izolacji na rzeięcia wewnętrzne w sieciach najwyższych naięć bada się używając tzw. długich udarów naięciowych - o wartościach T 1 rzędu 0,02 2 ms i T 2 rzędu 1 10 ms. Czas trwania udaru jest ważny rzede wszystkim ze względu na cieło wydzielające się w łuku elektrycznym ochronnika. Przeięcia wewnętrzne są niższe od atmosferycznych, ale trwają dłużej, stąd konieczność badań z udarami długimi. Rys Charakterystyki udarowe: a) zasada tworzenia charakterystyki udarowej, b) orównanie charakterystyk - izolacji urządzenia elektrycznego A; ochronnika B zaewniającego ochronę A tylko w zakresie rzeięć mniejszych od u gr i czasów większych od t gr ; ochronnika C zaewniającego ełną ochronę A

20 210 Zasady energoelektryki Charakterystyki udarowe urządzeń (chronionych oraz zaewniających ochronę) rzedstawiają zależność największego naięcia dorowadzonego do izolacji u m (naięcie ucięcia lub wartość szczytowa udaru U m ) i czasu do rzeskoku t - dla udarów naięciowych o różnych wartościach szczytowych U m, rzy tych samych arametrach czasowych T 1 i T 2. Na rysunku 6.30 rzedstawiono ideę tworzenia charakterystyki udarowej i objaśniono zasadę ochrony rzeięciowej. Chodzi ogólnie o to, by naięcie w urządzeniu chronionym nie mogło w żadnej chwili rzekroczyć naięcia rzebicia. Ochronę izolacji rzed rzeięciami zaewniają ochronniki. Obniżają one naięcie między linią i ziemią do oziomu beziecznego, odrowadzając - orzez łuk elektryczny na iskiernikach - ładunek fali rzeięciowej z rzewodów roboczych do ziemi (rys. 6.31a). Ze względu na konstrukcję, ochronniki dzielą się na: iskierniki ochronne, odgromniki wydmuchowe i odgromniki zaworowe (rys. 6.31b). Termin odgromnik zaworowy został zastąiony w ramach normalizacji terminem ogranicznik rzeięć i w literaturze wystęują teraz obie te nazwy równolegle. skiernik ochronny nie ma urządzeń do gaszenia łuku, nie rzerywa więc rądu nastęczego, tzn. rądu zwarcia, który łynie od wływem naięcia roboczego o stłumieniu fali rzeięciowej. Aby rzerwać ten rąd, musi zadziałać wyłącznik liniowy, co na jakiś czas ozbawia zasilania część odbiorców. Z tego owodu w ochronie rzeięciowej linii lub stacji traktuje się iskierniki jako elementy zastęcze. Rys Ochronniki: a) rzyłączenie ochronnika do linii; L - linia naowietrzna, W - wyłącznik liniowy, O - ochronnik. U - urządzenie elektryczne (schemat zastęczy izolacji chronionej), b) symbole ochronników; l - iskiernik ochronny, 2 - odgromnik wydmuchowy, 3 - odgromnik zaworowy (ogranicznik rzeięć), c) charakterystyki udarowe i rądowo-naięciowe ochronników jw.; t - czas do rzeskoku, u m - największe naięcie do rzeskoku, i wm - szczytowa wartość rądu wyładowczego, u 0 - szczytowa wartość naięcia ochronnika rzy rądzie wyładowczym bliskim i wm

21 6. Nadrądowa, odnaięciowa i nadnaięciowa ochrona urządzeń elektrycznych 211 Odgromniki ograniczają rzeięcia i rzerywają rąd nastęczy. Odrowadzenie ładunku fali rzeięciowej odbywa się orzez łuk elektryczny na iskiernikach będących elementami odgromników. Zadanie zgaszenia tego łuku rzy rądzie nastęczym soczywa na innych elementach. W odgromniku wydmuchowym elementem tym jest rura z materiału gazującego, wewnątrz której znajdują się elektrody iskiernika wewnętrznego (jest jeszcze iskiernik zewnętrzny, zaewniający rzerwę w czasie normalnej racy). Gaz, który się wydziela od wływem cieła łuku elektrycznego rzy rądzie nastęczym, wytwarza duże ciśnienie w komorze, ochłania cieło i jest samorzutnie wydmuchiwany do otoczenia. W ten sosób łuk elektryczny zostaje zgaszony. Główne części odgromnika zaworowego (ogranicznika rzeięć) to: iskiernik wielokrotny i oorniki nieliniowe. Nieliniowe oorniki robocze (łytki zmiennooorowe), ołączone szeregowo z iskiernikami, służą do ograniczenia wartości rądu nastęczego, co rowadzi do zgaszenia łuku. Nieliniowe oorniki sterujące, które bocznikują iskierniki, służą o wyrównania naięć, wystęujących na nich rzy rądzie nastęczym. Przez odowiednie ukształtowanie szczelin iskierników można uzyskać łuk wirujący (odgromnik z łukiem wirującym), a rzez umieszczenie cewek, włączonych do obwodu głównego i zbocznikowanych oornikami nieliniowymi - tzw. magnetyczny wydmuch łuku (iskiernik aktywny). Dzięki łytkom zmiennooorowym i sterowaniu łukiem iskierników, uzyskuje się korzystne kształty charakterystyk: załonowej i rądowo-naięciowej (rys. 6.31c). Jak dotąd, odgromniki zaworowe są najdoskonalszym aaratem rzeciwrzeięciowym. ch stosowanie jest jednak ograniczone ze względu na wartości douszczalnego rądu udarowego (obciążalność udarową) i wysoką cenę. Rys Ochrona rzeięciowa linii naowietrznej LN i stacji transformatorowo-rozdzielczej STR średniego naięcia: a) rzewody odgromowe PO na odejściu rzy STR, b) linia kablowa LK zasilająca bezośrednio STR (jeśli LK ma długość co najmniej 2 km, to odgromnik l nie jest konieczny), c) dławik rzeciwrzeięciowy D zastęujący odejście chronione

22 212 Zasady energoelektryki Linie naowietrzne o naięciu znamionowym 110 kv i wyższym (WN i NN) są chronione rzed bezośrednimi uderzeniami iorunów rzewodami odgromowymi na całej swej długości. W liniach o naięciu niższym od 110 kv nie stosuje się rzewodów odgromowych, oza tzw. odejściami, czyli odcinkami o długości m rzylegającymi do stacji (rys. 6.32a) lub kabla, a zatem douszcza się możliwość uderzeń iorunów w rzewody robocze. W liniach o naięciu kv (SN), rzewody te chroni się odgromnikami wydmuchowymi, lub zastęczo iskiernikami, umieszczanymi na wybranych słuach (wyższych niż rzeciętne lub ograniczających dłuższe niż rzeciętne rzęsła). W miejscu ołączenia linii naowietrznej z kablem instaluje się: rzy WN i NN - odgromniki zaworowe; rzy SN - odgromniki wydmuchowe lub iskierniki. Ochronę stacji elektroenergetycznych (naowietrznych i wnętrzowych) rzed bezośrednimi uderzeniami iorunów stosuje się rzy górnym naięciu znamionowym 15 kv i wyższym, z transformatorami o łącznej mocy 1600 kva i większej. Od rzeięć rzenoszonych liniami chroni się urządzenia stacyjne: na odejściu - odgromnikami wydmuchowymi lub iskiernikami, w stacji - odgromnikami zaworowymi, instalowanymi jak najbliżej chronionych urządzeń (rys. 6.32). Dla złagodzenia stromości czoła udarów naięciowych, które mogą docierać - wrost z linii - do uzwojeń transformatorów lub maszyn elektrycznych, instaluje się kondensatory i dławiki ochronne (rys. 6.33). W ewnym stoniu zadanie kondensatorów rzeciwrzeięciowych sełniają baterie kondensatorów do komensacji mocy biernej oraz ojemności kabli. Rys Przykład ochrony rzeięciowej maszyny M z zastosowaniem odgromników oraz: dławika D, odcinka linii kablowej LK i kondensatora C skierniki są używane jako ochrona izolatorów rzed skutkami łuku elektrycznego. Elektrody tych iskierników mają odowiedni kształt, dzięki czemu łuk ali się w beziecznej odległości od owierzchni izolatorów. Do ochrony od rzeięć atmosferycznych w sieciach naowietrznych o naięciu znamionowym do 1 kv (nn) używa się odgromników zaworowych (ograniczników rzeięć). Wymagane jest, by w takich sieciach były one rozmieszczone dość gęsto, konkretnie - by odległość między sąsiednimi komletami odgromników nie rzekraczała 500 m i by były one instalowane m.in. w obliżu większych skuisk oraz na rzyłączach dużych odbiorców. Jeśli nie ma ewności, że środki ochrony rzeięciowej, użyte w sieci nn, zabezieczają w wystarczającym stoniu instalacje elektroenergetyczne odbiorców rzed rzeięciami atmosferycznymi, to trzeba stosować dodatkowe urządzenia do ochrony rzeięciowej. Do instalacji elektroenergetycznych nie owinny dostawać się z sieci udary naięciowe o zbyt dużej wartości szczytowej lub zbyt stromym czole, bo grozi to zniszczeniem racujących tam urządzeń.

23 6. Nadrądowa, odnaięciowa i nadnaięciowa ochrona urządzeń elektrycznych 213 Decyzję o tym, czy stosować ochronę rzeięciową w instalacji nn, czy też nie, a jeśli tak - to w jakim zakresie, odejmuje się na odstawie oceny wystęowania zagrożeń oraz właściwości: sieci zasilającej, instalacji i dołączonych do niej urządzeń. Zasadnicze znaczenie ma oziom rzeięć rzejściowych, wystęujących na oczątku (rzyłączu) instalacji, oraz wytrzymałość udarowa sieci rozdzielczych i obwodów odbiorczych. Ze względu na sodziewany oziom rzeięć rzejściowych i wymaganą wytrzymałość izolacji rzewodów i urządzeń, rozróżnia się cztery kategorie i odowiadające im cztery oziomy rzeięć. Kategoria V dotyczy instalacji rozdzielczych i odbiorczych oraz urządzeń będących ich częścią, narażonych bezośrednio na rzeięcia atmosferyczne i łączeniowe, kat. - instalacji i urządzeń tego samego rodzaju, narażonych na rzeięcia atmosferyczne częściowo stłumione (zredukowane), kat. - urządzeń odbiorczych, narażonych na rzeięcia łączeniowe i rzeięcia atmosferyczne zredukowane, kat. - urządzeń secjalnie chronionych (oziom rzeięć jest kontrolowany). Sodziewane oziomy rzeięć rzejściowych w ww. kolejności kategorii, dla sieci trójfazowej o naięciu znamionowym 230/400 V, wynoszą: 6 kv, 4 kv, 2,5 kv i 1,5 kv. Sodziewany oziom rzeięć rzejściowych na oczątku instalacji zależy od sosobu jej zasilania z sieci nn i rozmieszczenia w niej odgromników, a także od częstości wyładowań atmosferycznych (liczby dni burzowych w roku). Nie wymaga się dodatkowej ochrony od rzeięć atmosferycznych na oczątku instalacji elektroenergetycznej, jeśli liczba dni burzowych w roku nie rzekracza 25. Przyjmuje się, że dostateczne tłumienie rzeięć atmosferycznych zaewnia zasilanie instalacji kablem o długości co najmniej 150 m, ułożonym w ziemi. Wymaga się, by odgromniki umieszczone na oczątku instalacji, które tłumią rzeięcia oziomu V lub, ograniczały je do oziomu. Jeśli nie udaje się ograniczyć rzeięć na oczątku instalacji do oziomu niezagrażającego zasilanym z niej urządzeniom, a rzerwy w ich racy są douszczalne, to można stosować szybkodziałające wyłączniki rzeięciowe, umieszczane razem z zabezieczeniami rzetężeniowymi obwodów lub urządzeń. Najmniej odorne na rzeięcia są urządzenia elektroniczne i maszyny elektryczne. Są to równocześnie urządzenia najdroższe sośród najczęściej sotykanych urządzeń niskonaięciowych. Czasem dołącza się więc dodatkowe elementy, tłumiące rzeięcia rzy tych urządzeniach, co ma tę zaletę, że ochrona dotyczy nie tylko rzeięć ochodzących z sieci elektroenergetycznej, ale również rzeięć owstających w instalacji. Rys Elementy i układy do tłumienia rzeięć wystęujących w instalacji: a) rezystor nieliniowy (warystor), b) tłumik RC, c) tłumik RC z rostownikiem (C - kondensator elektrolityczny, R, - rezystor rozładowczy)

24 214 Zasady energoelektryki Urządzenia tłumiące rzeięcia mogą być wbudowywane w urządzenia lub dołączane w odowiednich miejscach instalacji. Przy urządzeniach elektronicznych, zasilanych z instalacji, a zasilających inne układy i urządzenia, należy się liczyć z koniecznością tłumienia rzeięć zarówno na ich wejściu, jak i wyjściu. Do tłumienia rzeięć na wejściu bądź wyjściu urządzeń energoelektronicznych używa się rezystorów nieliniowych (warystorów) oraz tzw. tłumików R C czyli układów złożonych z rezystancji i ojemności, czasem też z diod. Strukturę tych układów ukazuje rys Dobierając układ tłumiący rzeięcia w instalacji zasilającej bądź obciążającej urządzenie energoelektroniczne, bierze się od uwagę nastęujące arametry imulsów rzeięciowych: wartości szczytowe, stromości narastania, energię oraz częstości wystęowania. Uzyskanie tych danych jest szczególnie ważne w rzyadku instalacji rzemysłowych zasilających tzw. odbiory niesokojne (o gwałtownie zmieniającym się rądzie).