POMIAR PRĄDÓW I NAPIĘĆ W SIECI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA PRZY ZWARCIACH 1-FAZOWYCH Z ZIEMIĄ

Ćwiczenie S 4 POMIAR PRĄDÓW I NAPIĘĆ W SIECI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA PRZY ZWARCIACH 1-FAZOWYCH Z ZIEMIĄ 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest pomiar napięć i prądów przy zwarciach Jednofazowych z ziemią, w sieci średniego napięcia o punkcie zerowym izolowanym oraz uziemionym przez cewkę kompensacyjne lub rezystancję. 2. Program ćwiczenia 2.1. Opis stanowiska pomiarowego 2.1.1. Uwagi ogólne Pomiar prądów i napięć w sieci średniego napięcia przy zwarciach 1-fazowych z ziemią Rys. 1. Widok płyty czołowej stanowiska pomiarowego - 1 -

jest dokonywany na stanowisku laboratoryjnym, która składa się z modelu układu sieciowego odwzorowującego w skali fragment rzeczywistej sieci średniego napięcia oraz zespołu urządzeń niezbędnych do przeprowadzenia pomiarów. Widok płyty czołowej stanowiska, przedstawiony jest na rys.1. Na płycie czołowej znajduje się schemat układu sieciowego, sterowniki i przełączniki za pomoce, których można dokonać odpowiednie pomiary, oraz zaciski, do których przyłącza się przyrządy pomiarowa i odbiorniki stanowiące obciążenie. 2.1.2. Opis fragmentu sieci rzeczywistej. Elektroenergetyczne sieci średnich napięć pracuję jako sieci promieniowe, zasilane z transformatora WN/SN i połączeniu uzwojeń Yd11, a więc z transformatorów nie posiadających po stronie średniego napięcia dostępnego punktu gwiazdowego. Punkt gwiazdowy jest natomiast dostępny w transformatorach potrzeb własnych, które instalowane są w stacjach elektroenergetycznych w celu zasilania obwodów nn. w tych stacjach. Transformatory te pracują w układzie połączeń Yz. W niniejszym ćwiczeniu zamodelowano fragment elektroenergetycznej sieci średniego napięcia, który składa się z transformatora zasilającego 110/15kV, układ połączeń Yd10, transformatora potrzeb własnych 15/0,4 kv oraz 3 promieniowych kablowych (rys. 1.) o napięciu znamionowym 15 kv i następujących parametrach: Linia L 1-3x95 HAKFtA, l 1 = 17 km Linia L 2-3x95 HAKFtA, l 2 = 6 km Linia L 3-3x70 HAKFtA, l 3 = 12 km Punkt gwiazdowy sieci (tzn. punkt gwiazdowy transformatora potrzeb własnych) może być uziemiony przez cewkę kompensacyjną o regulowanej indukcyjności, bądź przez rezystor o maksymalnej wartości równej 547 Ω. Sieć może również pracować z izolowanym punktem gwiazdowym. Zwarcie doziemne fazy R na końcu L 1 lub L 2 można dokonać bezoporowo lub za pomocą rezystancji przejścia o maksymalnej wartości 180 Ω. - 2 -

2.1.3. Opis modelu sieci średniego napięcia. Model sieci średniego napięcia opisanej w p. 2.1.2. jest modelem 3-fazowym Poszczególne elementy sieci zostały zamodelowane w sposób następujący: A. Transformator Transformator potrzeb własnych oraz transformator zasilający nie odwzoruje w skali transformatorów rzeczywistych. Transformatory te wykonane są w sposób następujący: transformator potrzeb własnych - na rdzeniu nawinięto tylko uzwojenie pierwotne połączone w gwiazdę z wyprowadzonym punktem zerowym. Uzwojenie wtórnego nie nawinięto, ponieważ nie posiada ono istotnego znaczenia przy przeprowadzanych pomiarach. Napięcie znamionowe transformatora wynosi 50 V. transformator zasilający - wykonano go w układzie połączeń Yd11, napięcie znamionowe 380/50 V B. Linie L 1, L 2, L 3 Linie L 1, L 2, L 3 odwzorowane są w modelu za pomocą elementów R, L, C wg następujących skali: skala rezystancji i reaktancji C R,X = 0,033 skala pojemności C c = 30,3 Parametry poszczególnych elementów w modelu zostały obliczone wg wzoru: X m = C x X (1) gdzie: C x - skala wielkości X X - wartość odpowiedniej wielkości w układzie rzeczywistym Linie L 1 i L 3 oraz faza R L 1 zostały zamodelowane w postaci jednego czwórnika typu Γ o elementach R, L, C, a fazy S i T L 1 składają się w modelu z 3 czwórników typu Γ połączonych szeregowo. Schemat modelu L 2 i L 3 jest przedstawiony na rys. 2. a schemat modelu L 1 na rys. 3. Na rysunkach tych umieszczono również miejsce pomiaru prądu płynącego w poszczególnych liniach oznaczona symbolem amperomierza. - 3 -

A A A Z mr Z ms Z mt R S T C 0R C 0S C 0T Rys. 2. Schemat modeli L 2 i L 3 A Z mr R A 1 / 3 Z ms A 1 / 3 Z 1 ms / 3 Z ms A A S A 1 / 3 Z mt A 1 / 3 Z mt A 1 / 3 Z mt A T 1 / 3 C0S 1 / 3 C0T 1 / 3 C0S 1 / 3 C0T 1 / 3 C0S 1 / 3 C0T C0R Rys. 3. Schemat modelu L 1 C. Pozostałe elementy sieci średniego napięcia Rezystancję uziemiającą R z oraz rezystancję przejścia R p wykonano w modelu wg takiej samej skali jak oporność. Mają one następujące parametry: rezystancja uziemiającą R z - wykonana w postaci opornika którego wartość można zmienić od 0 6,4 Ω co 1,6 Ω za pomoce odpowiedniego przełączenia zacieków, oznaczonych symbolem R z na płycie czołowej, rezystancja przejścia R p - wartość jej mężna zmieniać od 0 18 Ω co 2 Ω, za pomocą pokrętła oznaczonego symbolem R p. Dławik za pomocą, którego można kompensować prąd zwarciowy został wykonany w sposób umożliwiający zmianę jego indukcyjności poprzez zmianę szerokości jego szczeliny powietrznej. Umożliwia to uzyskanie różnych wartości współczynnika kompensacji sieci K k, gdzie: - 4 -

I L K K = (2) IC Przy czym: I L - prąd płynący przez cewkę kompensacyjną I C - prąd zwarciowy sieci Uwaga: Ponieważ transformatory występujące w modelu nie odwzorowują w skali transformatorów rzeczywistych, wobec tego prądy i napięcia pomierzone na modelu można przeliczać na odpowiednie prądy i napięcia w sieci rzeczywistej w skali prądowej C i = 0,1 i skali napięciowej C u = 0,0033 (za pomocą wzoru (1)) tylko w układzie z izolowanym punktem zerowym. Wszystkie skale związane są ze sobą następującymi wzorami: C Cu Ci = ; Cc = ; przyjęto Cf 1 (3) C C C C R, X = i f u f 2.2. Wykonanie pomiarów 2.2.1. Pomiar prądów i napięć w układzie w stanie normalnym pracy a) Pomiar przy nieobciążonej L 1. Załączyć sterownik St5, St3, St2, St1. Dokonać pomiaru: 1. napięcia na szynach stacji zasilającej za pomocą woltomierza przyłączonego do zacisków "U" oraz przełącznika P v oraz pomiaru napięcia na końcach L 1 2. prądu płynącego w Linii L 1 na jej początku, w 1 / 3 i 2 / 3 jej długości oraz na końcu w fazach R, S i T za pomocą amperomierza przyłączonego do zacisków "I L1 " oraz przełącznika P J1 i P 4 3. prądu płynącego w liniach L 2 i L 3 za pomoce amperomierzy przyłączonych do zacisków "I L2 " i "I L3 " oraz przełączników P J2 i P J3. b) Pomiar przy obciążonej L 1. Do zacisków R, S i T L 1 dołączyć 3-fazowy odbiornik rezystancyjny o prądzie 1,7A Wykonać pomiary tak jak w punkcie poprzednim, pomijając pomiar prądów w fazach S i T L 1. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 1. - 5 -

Tabela 1. Pomiar padów i napięć w stanie normalnej pracy T R U n I L1 I L2 I L3 [V] [A] [A] [A] 1 / 3 2 / 3 2.2.2. Pomiar prądów i napięć w układzie z izolowanym punktem zerowym przy zwarciu doziemnym fazy R L 1 a) Pomiar przy nieobciążonej L 1 i rezystancji przejścia R p =0 Ustawić przełącznik P w pozycji pionowej. Załączyć sterowniki St6, St3, St2, St1 i St5. Wykonać pomiary jak w punkcie 2.2.1.b, mierząc dodatkowo prąd w punktach zwarcia amperomierzem przyłączonym do zacisków "I Z ". Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 2 wg wzoru tabeli 1, dodając kolumnę J Z [A]. b) Pomiar przy obciążonej L 1 i rezystancji przejścia R p =0 Do zacisków R, S, T L 1 dołączyć odbiornik 3-fazowy rezystancyjny o I n = 1,7A Wykonać pomiary jak w punkcie 2.2. 2.a. Wyniki umieścić w tabeli 2. c) Zbadanie wpływu rezystancji przejścia na wartości prądów i napięć przy nieobciążonej L 1 Wykonać pomiary jak w punkcie 2.2.2.a. zmieniając rezystancję przejścia od (0-18) Ω co 4 Ω. Wynik pomiarów umieścić w tabeli 3 wg wzoru tabeli 1 dla różnych wartości R p. d) Zbadanie wpływu rozległości sieci na wartość prądów i napięć, przy nieobciążonej L 1 i R p =0 Dokonać pomiaru jak w p.2.2.2.a. w następujących przypadkach załączona tylko linia L 1 załączone tylko linie L 1 i L 2 załączona linia L 1, L 2, L 3 Wyniki umieścić w tabeli 4 wg wzoru tabeli 1. - 6 -

2.2.3. Pomiar prądów i napięć w układzie z punktem zerowym uziemionym przez cewkę kompensacyjną i L 1 nieobciążonej. a) Pomiar przy kompensacji dokładnej i R p =0 Załączyć sterowniki St6, St2, St1, St5. Wskaźnik przełącznika P ustawić w lewym położeniu. Skompensować dokładnie prąd zwarciowy, poprzez zmianę indukcyjności L LZ i dokonać pomiaru jak w punkcie 2.2.2.a. mierząc dodatkowo prąd płynący przez cewkę kompensacyjną poprzez przełączenie amperomierza do zacieków oznaczonych I L oraz rozpływ prądów w fazach S i T L 1. Wyniki umieścić w tabeli 5 wg wzoru tabeli 2, dodając kolumnę I L [A]. b) Pomiar przy 80% niedokompensowaniu sieci i R p =0 Za pomocą dławika X L2 spowodować 80% niedokompensowania sieci i dokonać pomiaru jak w punkcie 2.2.3.a. Wyniki umieścić w tabeli 5. c) Pomiar przy 120% przekompensowaniu sieci i R p =0 Za pomocą dławika X L2 spowodować 120% przekompensowanie sieci i dokonać pomiaru jak w punkcie 2.2.3.a. Wyniki umieścić w tabeli 5. d) Pomiar prądów i napięć w układzie z punktem zerowym uziemionym przez rezystancję i L 1 nieobciążonej Załączyć sterownik St6, St1, St5 ustawić R p =0. Wskaźnik przełącznika P ustawić w prawym położeniu. Zmienić oporność uziemienia R z od 0 do 6, 4 Ω co 1,6 Ω, poprzez zwieranie odpowiednich zacisków R z i dokonać pomiarów prądów 1 napięć w układzie jak w punkcie 2.2.2.a, wyniki pomiarów umieszczając w tabeli 6 wg wzoru tabeli 5. Następnie załączyć dodatkowo sterowniki St2 i St3 i dokonać pomiaru prądów i napięć przy R z =0 Ω i R z =6,4 Ω 2. 3. Opracowanie wyników pomiarów Wyniki pomiarów należy opracować w sposób następujący: umieścić w jednym wykresie wskazowym wyniki pomiarów wskazowych w punktach 2.2.1.a i 2.2.2.a oraz na drugim wykresie wskazowym wyniki - 7 -

pomiarów w punktach 2.2.1.b i 2.2.2.b. Wykres wykonać dla prądów i napięć w miejscu zawarcia. na podstawie wyników pomiarów w punkcie 2.2.2.c. wykonać charakterystykę prądu w miejscu zwarcia w funkcji rezystancji przejścia I Z = f(r p ) oraz napięć fazowych na początku w funkcji R p. Wykonać wykres wskazowy prądów i napięć w miejscu zwarcia dla R p = 8 Ω wyciągnąć wnioski z pomiarów w p. 2.2.2.d. wyciągnąć wnioski z pomiarów w p. 2.2.3, wykonać wykres wskazowy w miejscu zwarcia dla pomiarów w punkcie 2.2.3.a. na podstawie wyników pomiarów w punkcie 2.2.4. wykreślić charakterystykę I z = f(r z ) i napięć fazowych na końcu w funkcji R z. Przeanalizować zależność prądów w fazach S i T L 1 na podstawie wyników pomiarów w punktach 2.2.1. a i 2.2.2.c. przeanalizować napięcia w układzie w zależności od sposobu uziemiania punktu zerowego sieci oraz prądy w liniach niedoziemionych na podstawie wszystkich wyników pomiaru. - 8 -

3. Podstawy teoretyczne 3.1. Ogólne wiadomości o zwarciach [1] Zwarcie jest to zakłócenie polegające na połączeniu punktów sieci elektroenergetycznych o różnych potencjałach, wynikłe z utraty własności izolacyjnych jej elementów. Zwarcie może być poprzez: a) łuk elektryczny lub inny przedmiot o pewnej, małej rezystancji i nazywamy je pośrednim lub niemetalicznym, b) impedancję równą zeru i nazywamy bezpośrednim lub metalicznym. Przyjmuje się, że pod pojęciem zwarcie rozumiemy zwarcie bezpośrednie, metaliczne jeśli nie jest to inaczej zaznaczone. Klasyfikacja zwarć Ze względu na liczbę faz i ziemi, które są zwarte rozróżnia się: a) zwarcie trójfazowe, b) zwarcie trójfazowe doziemne, c) zwarcie dwufazowe, d) zwarcie dwufazowe doziemne, e) zwarcie jednofazowe. Zgodnie z definicją, wielkości wielofazowe prądu lub napięcia są symetryczne jeżeli mają jednakowe amplitudy (wartości skuteczne) oraz jednakowe przesunięcia fazowe względem siebie. Z drugiej części definicji wynika, że w układzie trójfazowym wektory mające jednakowe wartości skuteczne oraz przesunięcia fazowe równe 120 lub 0 tworzą układy symetryczne. W związku z powyższą definicją można powiedzieć, że zwarcie trójfazowe i zwarcie trójfazowe doziemne może być zwarciem symetrycznym ze względu na fakt, że przy tych zwarciach układy wektorowe prądów i napięć mogą być symetryczne. Podczas zwarcia trójfazowego lub trójfazowego doziemnego układy wektorowe prądów i napięć będą symetryczne jeżeli układ przesyłowy jest symetryczny w stanie przed zwarciem. Pozostałe rodzaje zwarć to zawsze zwarcia niesymetryczne. W zależności od położenia miejsca zwarcia w stosunku do źródeł energii (generatorów synchronicznych)możemy wyróżnić dwa przypadki: - 9 -

a) zwarcie na zaciskach generatora lub w jego pobliżu, wywołujące znaczące stany przejściowe w generatorze, zwane zwarciami pobliskimi, b) zwarcie odległe od zacisków generatora, wywołujące poważne stany przejściowe w sieci elektroenergetycznej w pobliżu miejsca zwarcia lecz nie powodujące znaczących stanów przejściowych w generatorach. Ze względu na liczbę i położenie miejsc zwarcia rozróżnia się: a) zwarcie jednomiejscowe - występujące w jednym miejscu sieci. b) zwarcie wielomiejscowe - występujące w różnych miejscach sieci, c) zwarcie wewnętrzne - występujące w uzwojeniach maszyn lub transformatorów, d) zwarcie zewnętrzne - występujące w innych miejscach sieci niż zwarcie wewnętrzne. Ze względu na chwilę występowania zwarć rozróżnia się: a) zwarcie jednoczesne tj. gdy połączenia między poszczególnymi fazami i ziemią nastąpiło jednocześnie, b) zwarcie niejednoczesne. Częstość występowania zwarć Opierając się na statystykach wielu państw względne częstości występowania różnych rodzajów zwarć są następujące: a) zwarcie jednofazowe - średnio 65% (od 30% do 97%), b) podwójne zwarcie z ziemią i zwarcie dwufazowe z ziemią - średnio 20% (od 0% do 55%). c) zwarcie dwufazowe - średnio 10%o (od 0% do 55%), d) zwarcie trójfazowe - średnio 5% (od 0% do 35%). Częstość występowania zwarć jednofazowych zależy od: a) napięcia znamionowego sieci, b) udziału długości napowietrznych w całkowitej długości. W sieciach napowietrznych występuje większa liczba zwarć jednofazowych w stosunku do sieci kablowych. Wynika to przede wszystkim z szybkiego przeradzania - 10 -

się zwarć jednofazowych w zwarcia głównie trójfazowe w sieciach kablowych. Przy wyższych napięciach znamionowych zmniejsza się liczba zwarć spowodowanych takimi przyczynami jak: omyłki łączeniowe uszkodzenia mechaniczne, przeciążenia czy niewłaściwa eksploatacja. Przyczyny te w większości powodują zwarcia trójfazowe. Reasumując można stwierdzić, że czym wyższe napięcie znamionowe sieci i czym większy udział napowietrznych tym większy udział zwarć jednofazowych sięgający w sieciach 400 kv do 97% wszystkich zwarć. Oprócz względnych częstości występowania różnych rodzajów zwarć ważna jest ilość zwarć na 100km w ciągu roku. Dane takie zamieszczone w poniższej tabeli. Ilości zwarć na 100 km i na rok Rodzaj Sieć WN Sieć SN Sieć nn Linie napowietrzne 0.8 6.0 20.0 Linie kablowe - 22.0 30.0 Przyczyny występowania zwarć Zwarcia mogą być spowodowane przyczynami elektrycznymi i nieelektrycznymi Do tych przyczyn pojawiania się zwarć zaliczamy: a) przepięcia atmosferyczne. b) przepięcia łączeniowe. c) omyłki łączeniowe, d) długotrwałe przeciążenia ruchowe: maszyn, kabli, przewodów, e) starzenie się izolacji, f) uszkodzenia mechaniczne, g) zawilgocenie izolacji, h) zanieczyszczenie izolacji, i) zbliżenie się przewodów napowietrznych podczas wiatru, sadzi lub samoczynnych kołysań przewodów, j) wady fabryczne urządzeń elektroenergetycznych, k) niewłaściwa eksploatacja lub naprawa, l) zwierzęta m) zarzutki na przewody napowietrznych i stłuczenia izolatorów, n) inne przyczyny - 11 -

Skutki zwarć Podczas zwarcia płyną zazwyczaj prądy wielokrotnie przekraczające prądy znamionowe urządzeń Prądy te wywołują wielkie siły działające na przewodniki przewodzące prąd zwarciowy, mogące spowodować mechaniczne zniszczenie urządzeń elektroenergetycznych. Działające na przewodniki siły mechaniczne są w przybliżeniu wprost proporcjonalne do kwadratu wartości chwilowej prądu zwarciowego. Takie działanie nazywa się dynamicznym lub elektrodynamicznym działaniem prądu zwarciowego. Podczas przepływu tych prądów w przewodnikach wydzielają się duże ilości ciepła powodujące, że przewodniki osiągają temperatury znacznie wyższe niż dopuszczalne u stanie normalnym. Należy tutaj pamiętać, że ilość wydzielonego ciepła jest wprost proporcjonalna do całki z kwadratu wartości chwilowej prądu zwarciowego i czasu trwania zwarcia. To wydzielanie się ciepła podczas zwarcia może również prowadzić do zniszczenia urządzeń. Tego rodzaju działanie prądu zwarciowego nazywa się cieplnym (termicznym) działanie prądu zwarciowego. Skutek cieplny prądu zwarciowego musimy ograniczać poprzez skracanie czasu trwania zwarcia. Do wykrycia pojawienia się zwarcia, identyfikacji obiektu, w którym występuje zwarcie oraz wyłączenia tego obiektu służy elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa. Dalszym skutkiem zwarcia może być zniszczenie (eksplozja) wyłącznika przy wyłączaniu lub załączaniu w czasie zwarcia, a więc prądy zwarciowe decydują o znej zdolności łączeniowej stosowanych łączników. W przypadku uszkodzenia izolacji urządzenia, część tego urządzenia nie będąca pod napięciem może znaleźć się pod napięciem względem ziemi - nazywa się je napięciem dotykowym. Dla ochrony przed napięciem dotykowym instaluje się urządzenia ochrony przeciwporażeniowej. W przypadku zwarcia z ziemią upływ prądu do ziemi może być powodem znacznych różnic potencjałów między punktami na powierzchni ziemi zwane napięciem krokowym. Ograniczenie oddziaływania napięcia krokowego uzyskuje się przez instalowanie uziomów w miejscu prawdopodobnego przepływu prądu do ziemi. Zwarcie doziemne (jednofazowe) w sieci z nieskutecznie uziemionym punktem neutralnym powstałe przez łuk może być powodem wysokich przepięć - 12 -

ziemnozwarciowych. W sieci ze skutecznie uziemionym punktem neutralnym zwarcia niesymetryczne mogą być powodem groźnych przepięć ustalonych. Często zwarciom towarzyszy łuk elektryczny palący się w miejscu zwarcia. Luk zwarciowy w urządzeniach elektroenergetycznych (liniach i stacjach elektroenergetycznych) jest zjawiskiem wysoce niepożądanym. Nie jest możliwa całkowita eliminacja powstawania łuku podczas zwarć. Paleniu się łuku towarzyszy bardzo wysoka temperatura dochodząca do kilku a nawet kilkunastu tysięcy stopni Kelwina a ponadto: a) topienie się przewodów na których pali się łuk, parowanie i rozbryzgi stopionego metalu z tych przewodów, b) zapłon materiałów izolacyjnych szczególnie takich jak olej czy izolacja papierowo-olejowa, c) zapłonowi materiałów izolacyjnych może towarzyszyć wydzielanie się trujących gazów, dotyczy przede wszystkim pomieszczeń kablowych z kablami w izolacji polwinitowej, d) paleniu się materiałów izolacyjnych towarzyszy wydzielanie się dużych ilości czarnego, nieprzejrzystego, być może toksycznego dymu, e) paleniu się oleju towarzyszy jego rozbryzgiwanie oraz wydzielanie się wodoru w wyniku rozkładu oleju, f) promieniowanie cieplne łuku, g) promieniowanie ultrafioletowe łuku, h) przemieszczanie się łuku wzdłuż szyn zbiorczych i do góry, h) efekty dźwiękowe, i) powietrze nagrzane przez łuk, które powoduje nagły wzrost ciśnienia w przestrzeni gdzie pali się łuk co sprawia, że następuje wydmuch tego powietrza, j) palący się łuk zużywa tlen, wobec czego człowiekowi znajdującemu się w małych, nie mających wentylacji pomieszczeniach grozi uduszenie. Jak widać z powyższego zestawienia, palący się łuk elektryczny stanowi duże zagrożenie: a) dla osób obsługujących urządzenia elektroenergetyczne, b) pożarowe, c) dla urządzeń elektroenergetycznych powodując ich niszczenie. - 13 -

Skutki jakie ostatecznie powoduje palący się łuk elektryczny zależą od wielu czynników a przede wszystkim od urządzenia elektroenergetycznego, w którym łuk się pali i wartości prądu zwarciowego. 3.2. Przebieg prądu zwarciowego [2] W przebiegu prądu zwarciowego rozróżnić można dwa stany: nieustalony trwający kilka sekund i ustalony trwający po tym. okresie. Wyłączenie prądu zwarciowego następuje najczęściej po czasie nie dłuższym niż 2s, najbardziej więc interesujący jest. stan nieustalony prądu zwarciowego. Rys. 3.1. Przebieg prądu zwarciowego w funkcji czasu W prądzie zwarciowym w stanie nieustalonym rozróżnić można dwie składowe: składową okresową i ok oraz składową nieokresową i nok. Na rysunku 13.2 pokazano przebieg prądu zwarciowego w funkcji czasu. Widać na nim rozdzielenie całkowitego prądu zwarciowego i na dwie składowe. Składowa okresowa i 0k prądu zwarciowego jest z kolei sumą trzech prądów (rys. 3.2.) - 14 -

składowej ustalonej i składowej przejściowej głównej i składowej przejściowej wstępnej i". Rys. 3.2. Prądy składowe składowej okresowej i ok. Istnienie składowych przejściowych wynika ze sprzężenia magnetycznego uzwojeń generatora. Nagła zmiana prądu wywołuje w uzwojeniu wzbudzającym i tłumiącym przepływ dodatkowych prądów, które indukują w tworniku zanikające składowe. Składowa przejściowa główna i wytwarzana przez oddziaływanie uzwojenia wzbudzającego zanika w ciągu kilku sekund. Składowa przejściowa wstępna i" jest wynikiem oddziaływania uzwojeń tłumiących i płynie przez czas zaledwie kilkunastu setnych sekundy. Na rysunku 3.2 zaznaczono pewne charakterystyczne wartości omawianych prądów: JM = KH amplituda składowej okresowej i 0 u prądu zwarciowego po czasie t = OJ DE maksymalna wartość amplitudy - 15 -

KH KL = wartość skuteczna składowej okresowej po czasie t = OJ 2 BC wartość skuteczna składowej okresowej w chwili zwarcia OB, FG, JK wartości składowej nieokresowej po czasie t = 0, t = OF, t = OJ. Wartość BC nazywa się prądem początkowym zwarcia I p, natomiast odcinek DE, będący maksymalną wartością amplitudy, nazywa się prądem udarowym i u. Wartość skuteczną prądu okresowego i OK oznacza się przez I ok natomiast wartość skuteczną całkowitego prądu zwarciowego oznacza się symbolem I ns i oblicza się z wzoru: I = I + i ns 2 ok 2 nok 3.3. Zwarcia w sieciach z punktem zerowym izolowanym Doziemienie fazy w sieci z punktem zerowym (neutralnym) izolowanym różni się w sposób istotny od podobnego doziemienia w sieciach z punktem zerowym (neutralnym) skutecznie uziemionym. W sieciach z punktem zerowym uziemionym prąd zwarciowy płynie w obwodzie połączonym galwanicznie, stąd też duże wartości tego prądu. W sieciach z punktem zerowym izolowanym obwód zwarciowy nie jest bezpośrednio połączony i prąd zwarciowy płynie tylko przez pojemności doziemne faz względem ziemi. Nie uwzględnia się pojemności fazy doziemionej, gdyż w fazie tej napięcie względem ziemi jest równe zero. Na rysunku 3.3. przedstawiono porównanie wykresu wektorowego napięć i prądów przed i po zaistnieniu doziemienia fazy L 1. Przed zwarciem wszystkie napięcia fazowe i prądy są równe i przesunięte względem siebie o kąt 120. Po doziemieniu fazy L1 napięcie fazy uszkodzonej względem ziemi jest równe zero, a tym samym napięcia względem ziemi faz zdrowych wzrosły o 3 Po zwarciu, ze względu na to, że U Llf = 0, prąd pojemnościowy będzie płynął tylko fazami zdrowymi, lecz jego wartość będzie 3 razy większa, bo o tyle samo wzrosły napięcia fazowe U L2f, U L3f. Z wykresów wektorowych na rys. 3.3 wynika dodatkowo, że prądy I L2c i I L3c są po zwarciu przesunięte względem siebie o kąt 60. Powyższe stwierdzenia można zapisać: I 3I L2 c = I L3c = 3Ic; I zc = I L2c + I L3c; I zc = 3 3Ic = C - 16 -

Chociaż zwarcia doziemne w sieciach z punktem zerowym izolowanym nie powodują jak z tego widać dużych prądów zwarciowych, to jednak ich skutki są również groźne. Stan normalnej pracy Zwarcie doziemne fazy L 1 L 3 L 2 L 1 I L3 I L2 I zc L 3 L 2 L 1 I L2c U L1f I zc I L2f U 0 I L3c I L1f U L3f I L3f U L2f U L3f U L2f Rys. 3.3. Schemat zastępczy układu elektroenergetycznego z izolowanym punktem gwiazdowym i wykres wektorowy Skutkami zwarć doziemnych są przepięcia mogące uszkodzić izolację urządzeń oraz groźne następstwa wytwarzającego się często łuku. Działanie łuku zwarciowego jest szczególnie niebezpieczne dla kabli, gdyż najczęściej dochodzi w efekcie do zwarcia międzyprzewodowego. Zwarcia o łuku przerywanym, powodujące najwyższe przepięcia, powstają w układach o dużych prądach pojemnościowych. Z tego względu przepisy ograniczają wartości prądów przy zwarciu doziemnym (prądów ziemnozwarciowych): w sieciach kablowych i kablowo-napowietrznych do wartości 50 A Aby dostosować się do wymaganych dopuszczalnych wartości prądów ziemnozwarciowych, stosuje się w sieciach średniego napięcia kompensację prądu pojemnościowego. - 17 -

3.4. Kompensacja prądów ziemnozwarciowych [2] Najczęściej stosowanym sposobem kompensacji prądu zwarcia doziemnego jest włączenie reaktancji o regulowanej indukcyjności pomiędzy punkt gwiazdowy układu a ziemię. Cewki służące do tego celu nazywa się dławikami gaszącymi (cewkami Petersena). Poza dławikami stosuje się, w układach w których punkt gwiazdowy transformatora jest niedostępny, specjalne transformatory gaszące (transformator Baucha lub Reihoffera). Transformatory te dołącza się do trzech przewodów, a skutek zastosowania ich jest taki sam, jak cewki Petersena, gdyż kompensują one prąd w miejscu zwarcia doziemnego. Prąd płynący przez indukcyjność kompensuje w miejscach zwarcia prąd pojemnościowy. Całkowite skompensowanie nastąpi wówczas, gdy prądy te będą sobie równe co do wartości, czyli gdy: U0 Uf IL = Izc = = = ωl ωl 3U f ωc Stąd warunek kompensacji zupełnej przybiera postać: ωl = 1 3ω C Rozpływ prądów oraz wykres wektorowy przy zastosowaniu kompensacji przedstawiono na rys. 3.4 a) b) I L3 I L2 I L L 3 L 2 I zc L 1 I L = -I zc U 0 I L2c I L3c I zc U L3f U L2f Rys. 3.4. Ilustracja kompensacji prądu ziemnozwarciowego: a) schemat zastępczy układu elektroenergetycznego, b) wykres wskazowy 3.5. Metody ograniczania skutków działania prądów zwarciowych [3] Stosowane w sieciach metody ograniczania skutków działania prądów zwarciowych można podzielić na trzy grupy: - 18 -

1. Odpowiednie kształtowanie konfiguracji sieci Podział sieci na wycinki zasilane z różnych źródeł jest podstawową metodą ograniczającą poziom mocy zwarciowych. Stosuje się rozcinanie połączeń równoległych i sekcjonowanie szyn. Przyjmuje się na ogół zasadę pracy każdego źródła prądu zwarciowego (generatora, transformatora, zasilającej) na oddzielną sekcję szyn. Stosuje się także rozcinanie sieci dwu- i wielostronnie zasilanych, np. przez odłączenie jednej lub kilku zasilających. 2. Wprowadzenie dodatkowych impedancji w obwód prądu zwarciowego Istotny wpływ na wielkość prądów zwarciowych mają impedancje transformatorów. Podwyższając napięcie zwarcia, a tym samym reaktancję, można ograniczyć prądy zwarciowe po wtórnej stronie transformatora. W Polsce stosuje się transformatory 110 kv/sn o napięciu zwarcia podniesionym do 18%, dwu- lub trójuzwojeniowe. Prądy zwarciowe można ograniczyć stosując dławiki zwarciowe. Ze względu na miejsce instalowania rozróżnia się: dławiki liniowe instalowane w polach liniowych oraz dławiki szynowe instalowane między sekcjami szyn zbiorczych. Ciekawym rozwiązaniem jest dławik z podmagnesowanym rdzeniem ferromagnetycznym. W normalnych warunkach jego reaktancja jest niewielka. Po przekroczeniu pewnej granicznej wartości prądu magnesującego reaktancja gwałtownie wzrasta. Obecnie jednak nie zaleca się stosowania dławików. Ich rolę przejmują transformatory z podwyższonym napięciem zwarcia. Jednym z nowych rozwiązań służących do ograniczania prądów zwarciowych jest sprzęgło rezonansowe. Łączy ono dwa punkty sieci o jednakowym napięciu i umożliwia bezzwłoczne ograniczenie prądu zwarciowego w chwili zwarcia. Dzięki rezonansowi zachodzącemu w normalnych warunkach pracy jego impedancja jest bliska zeru. Natomiast przy przepływie prądu zwarciowego rezonans zostaje rozstrojony, a duża całkowita impedancja sprzęgła powoduje ograniczanie przenoszonego prądu zwarciowego. 3. Stosowanie bardzo szybkich urządzeń do odłączania obwodów zwartych Należą tu szybkie bezpieczniki i ograniczniki mocy zwarciowej. Przerywają prąd zwarciowy w czasie krótszym niż 1 / 4 okresu, nie dopuszczając do przepływu maksymalnego prądu zwarciowego. - 19 -

W Polsce w sieciach średnich i niskich napięć do przerywania niedużych prądów zwarciowych stosuje się bezpieczniki. Do przerywania dużych prądów zwarciowych (do 40 ka) w sieciach średnich napięć stosuje się ograniczniki, w których najczęściej przerwanie głównego toru prądowego następuje dzięki wybuchowi ładunku pobudzonego przez układ elektroniczny mierzący szybkość narastania prądu. 4. Literatura [1] Kanicki A. Wyznaczanie wielkości zwarciowych w systemie elektroenergetycznym, Łódź 2000 [2] Kotlarski W. Sieci elektroenergetyczne, Warszawa 1989 [3] Poradnik Inżyniera Elektryka, tom 3. - 20 -

Załącznik I Wyniki pomiarów z ćw. S4 Pomiar prądów i napięć w stanie normalnej pracy T R U n I L1 I L2 I L3 [V] [A] [A] [A] 1 / 3 2 / 3 Pomiar prądów i napięć przy jednofazowym zwarciu doziemnym w L1 Badanie wpływu rezystancji przejścia na wartości prądów i napięć R p = 0, I z = T R począt -ek U n I L1 I L2 I L3 [V] [A] [A] [A] L1 L2 L3 1 / 3 2 / 3 R p = 4 Ω, I z = T R począt -ek U n I L1 I L2 I L3 [V] [A] [A] [A] L1 L2 L3 1 / 3 2 / 3-21 -

R p = 8 Ω, I z = U n I L1 I L2 I L3 [V] [A] [A] [A] T R począt -ek L1 L2 L3 1 / 3 2 / 3 R p = 12 Ω, I z = U n I L1 I L2 I L3 [V] [A] [A] [A] T R począt -ek L1 L2 L3 1 / 3 2 / 3 R p = 16 Ω, I z = U n I L1 I L2 I L3 [V] [A] [A] [A] T R począt -ek L1 L2 L3 1 / 3 2 / 3-22 -

Badanie wpływu rozległości sieci na wartości napięć i prądów R p = 0 Ω, U n I L1 I L2 I L3 [V] [A] [A] [A] Załączona tylko linia L1; I z = T R Załączone tylko linie L1 i L2; I z = T R Załączone linie L1, L2 i L3; I z = T R 1 / 3 2 / 3-23 -

Pomiar prądów i napięć w układzie z punktem zerowym uziemionym przez cewkę kompensacyjną R p = 0 Ω U n I L1 I L2 I L3 [V] [A] [A] [A] Kompensacja 100%; I z = I L = T R Kompensacja 80%; I z = I L = T R Kompensacja 120%; I z = I L = T R 1 / 3 2 / 3-24 -

Pomiar prądów i napięć przy jednofazowym zwarciu doziemnym w L1 Badanie wpływu rezystancji uziemienia na wartości prądów i napięć T R U n [V] I L1 R z I z I L Ω A A 0 T R T R T R T R 1,6 3,2 4,8 6,4-25 -