Referat B. Sposoby pracy punktu neutralnego sieci o napięciu powyżej 1 kv str.b-1 Referat B: SPOSOBY PRACY PUNKTU NEUTRALNEGO SIECI O NAPIĘCIU POWYŻEJ 1 kv 1. Wstęp Problematyka wyboru sposobu pracy punktu neutralnego sieci średnich napięć jest ciągle aktualna, chociaż obecnie dobrze rozpoznane są wady i zalety poszczególnych rozwiązań. Jednakże występuje wiele sytuacji wyjątkowych i bardzo uważnie trzeba studiować takie przypadki, aby nie uwikłać się w niebezpieczne rozwiązanie techniczne, które mogą być źródłem obniżenia się jakości energii elektrycznej w postaci wydłużenia czasów przerw w jej dostawie czy obniżenia bezpieczeństwa porażeniowego w sieci, szczególnie po stronie niskiego napięcia i przy słupach linii napowietrznych. Pojawiają się jednak nowe aspekty w ostatnim czasie ujawniła się wyraźniej sprawa odporności silników asynchronicznych na przepływ prądu doziemnego oraz możliwość związku wartości prądu ziemnozwarciowego z awaryjnością kabli poprzez uszkadzanie żył powrotnych. Również w jednym z dużych zakładów przemysłowych zauważono degradację izolacji silników asynchronicznych 6 kv od przepięć w sieci z izolowanym punktem neutralnym. Nie istnieją obecnie żadne przepisy polskie czy unijne (oprócz górnictwa) regulujące, kiedy można stosować określony sposób pracy punktu neutralnego takich przepisów nie należy się nawet spodziewać. Wybór sposobu pracy punktu neutralnego w sensie prawnym wynika z wartości dopuszczalnych napięć zakłóceniowych czy dotykowych rażeniowych, które są funkcją prądów uziomowych, związanych z szeroko rozumianą ochroną porażeniową. Może się w tym zakresie okazać, że w najbliższym czasie w sieciach napowietrznych silnie rzutować będzie na to zagadnienie norma dotycząca linii napowietrznych (Obecnie o numerze 60-341, ale następują ciągłe zmiany). Warto wspomnieć, że zasady dodatkowej ochrony przeciwporażeniowej przy słupach linii napowietrznych w niej proponowane są obecnie już dobrze zinterpretowane i raczej niekorzystne oraz przesadzone. Istnieje obecnie silny związek ostrości tych wymagań z zabezpieczeniami od skutków zwarć doziemnych. 2. Definicje Współczynnik uziemienia stosunek najwyższej wartości skutecznej napięcia fazowego o częstotliwości sieciowej w nieuszkodzonej fazie w rozpatrywanym miejscu sieci trójfazowej podczas zwarcia z ziemią jednej lub wielu faz w dowolnym miejscu sieci, do wartości skutecznej napięcia fazowego o częstotliwości sieciowej, które wystąpiłoby w tym miejscu po usunięciu zwarcia. Współczynnik zwarcia doziemnego - określony stosunek maksymalnej wartości napięcia fazowego podczas zwarcia z ziemią do wartości znamionowej napięcia fazowego w danym punkcie sieci (idea taka sama, jak współczynnika uziemienia w tzw. rozporządzeniu systemowym). Sieć z uziemionym punktem neutralnym: Sieć, w której punkt neutralny jest połączony z ziemią bezpośrednio albo przez rezystancje lub reaktancje o wystarczająco małej wartości w celu istotnego zmniejszenia oscylacji przejściowych i zapewniające prąd wystarczający do selektywnego działania zabezpieczeń ziemnozwarciowych. Sieć trójfazowa ze skutecznie uziemionym punktem neutralnym jest to sieć charakteryzująca się współczynnikiem uziemienia w tym miejscu nie przekraczającym 1,4.
Referat B. Sposoby pracy punktu neutralnego sieci o napięciu powyżej 1 kv str.b-2 Sieć z punktem neutralnym izolowanym sieć, w której punkt neutralny nie jest uziemiony w sposób zamierzony, z wyjątkiem połączeń o dużej impedancji przeznaczonych dla celów zabezpieczeń i pomiarów. Sieć skompensowana sieć, w której przynajmniej jeden punkt neutralny transformatora lub transformatora uziemiającego jest uziemiony przez dławik gaszący, a łączna indukcyjność wszystkich dławików gaszących w sieci jest zasadniczo dostrojona do pojemności doziemnej sieci. Jako sieć z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor rozumieć się będzie sieć, w której składowa czynna prądu ziemnozwarciowego wymuszona przez urządzenia w punkcie neutralnym jest przynajmniej większa od składowej pojemnościowej i zapewnia działanie zabezpieczeń zerowoprądowych w polach liniowych, ale jednocześnie nie jest spełniony warunek skuteczności uziemienia. Dodatkowo wartość prądu czynnego przekracza 100 A i zapewnia dostateczne tłumienie przepięć ziemnozwarciowych. Są następujące sposoby pracy punktu neutralnego sieci o napięciu nominalnym powyżej 1 kv: A) nieskutecznie uziemiony - izolowany, - uziemiony przez dławik gaszący (sieć skompensowana) bez AWSCz, - uziemiony przez dławik gaszący z AWSCz, - uziemiony przez rezystor, - uziemiony przez układ równoległy dławika i rezystora, - sieć dekompensowana, - uziemiona przez reaktancję. B) skutecznie uziemiony. W Polsce w sieciach o napięciu nominalnym do 45 kv stosuje się sposoby A, w sieciach o napięciu powyżej 45 kv B. 3. Sieci o skutecznie uziemionym punkcie neutralnym Charakteryzują się następującymi właściwościami: - małe ustalone przepięcia ziemnozwarciowe, które pozwalają na obniżenie napięcia do doboru izolatorów i izolacji, - duże wartości prądów zwarć jednofazowych, porównywalne z prądami zwarć międzyfazowych (rzędu 3 10 ka, a nawet do 18 ka, czasem 1,5 3 ka), - pewne działanie zabezpieczeń ziemnozwarciowych, możliwość działania zabezpieczeń odległościowych przy zwarciach jednofazowych, duże zagrożenie porażeniowe i konieczność stosowania rozbudowanych uziomów Warunki uzyskania sieci o skutecznie uziemionym punkcie neutralnym (wg rozporządzenia, a nie wg normy) są następujące: - 110 kv (0,8 Un, współczynnik uziemienia mniejszy od 1,4 ): X 1 0 R 3 2 0 1 X 1 X1-220 i 400 kv (0,75Un, współczynnik uziemienia mniejszy od 1,3): X 1 0 R 2 0 0,5. X 1 X1 Powyższe wartości w sieci reguluje się liczbą transformatorów pracujących z bezpośrednio uziemionym punktem neutralnym. Im więcej takich transformatorów, to stosunki są mniejsze.
Referat B. Sposoby pracy punktu neutralnego sieci o napięciu powyżej 1 kv str.b-3 4. Zależności ogólne dla sieci o nieskutecznie uziemionym punktem neutralnym Podane są w rozdziale 5.2 a referatu o zabezpieczeniach ziemnozwarciowych. Ogólne właściwości są następujące: - duże ustalone przepięcia ziemnozwarciowe, które wymagają doboru izolatorów na napięcie przewodowe, - małe wartości prądów zwarć jednofazowych, wielokrotnie mniejsze od prądów zwarć międzyfazowych, - o pkt. neutralnym izolowanym do 20/40 A, - uziemionym przez rezystor 150 500 A, - skompensowana do 40 A + prąd AWSCz (15-25 A na sekcję), - zabezpieczenia ziemnozwarciowe wymagają specjalnych kryteriów, brak możliwości działania zabezpieczeń odległościowych przy zwarciach jednofazowych, - mniejsze zagrożenie porażeniowe i nie ma konieczności stosowania rozbudowanych uziomów, - wartość nieustalonych przepięć ziemnozwarciowych zależna od parametrów w punkcie neutralnym sieci, możliwe duże wartości groźne dla izolacji kabli i silników. 5. Sieć o izolowanym punkcie neutralnym Pokazana jest na rys.1. Jest to najprostszy w technicznego punktu widzenia układ i historycznie najstarszy. Sieci takie zostały wprowadzone w okresie międzywojennym głównie ze względu na to, że mogły pracować z doziemieniem. (Obecnie świadoma praca z doziemieniem jest niedopuszczalna). Należy pamiętać, że sieci powyżej 1 kv w tym czasie były głównie napowietrzne i budowane na słupach drewnianych. Sieć nie była gęsta i prawdopodobieństwo porażenia było małe tylko przy opadnięciu przewodu na grunt. Dodatkowo ziemnozwarciowe prądy pojemnościowe były na tyle małe, że umożliwiały gaszenie zwarć łukowych, których udział sięga nawet 90 %. Problemy z tymi sieciami zaczęły narastać w miarę wprowadzania linii kablowych, co spowodowało wzrost prądów ziemnozwarciowych do wartości uniemożliwiających gaszenie zwarć łukowych. Rys.1. Sieć o izolowanym punkcie neutralnym
Referat B. Sposoby pracy punktu neutralnego sieci o napięciu powyżej 1 kv str.b-4 Kable w izolacji papierowo-olejowej były stosunkowo odporne na przepięcia. Problem oddziaływania przepięć pojawił się po kilkuletniej eksploatacji kabli z polietylenu nieusieciowanego. 6. Sieć skompensowana 6.1. Zasada i cel Początkowo kompensacja ziemnozwarciowa, której zasada pokazana jest na rys.2, miała w pewnym sensie przedłużyć właściwości sieci o izolowanym punkcie neutralnym, czyli możliwość pracy z doziemieniem. Największe problemy rozpoczęły się po wprowadzeniu słupów betonowych (najpierw żelbetonowych, potem strunowych). Obydwa te rodzaje słupów z punktu widzenia ochrony przed porażeniem obecnie traktuje się jako przewodzące. Zgodni są co do tego wszyscy specjaliści polscy, chociaż różnią się nieco oceną przyczyn takiej klasyfikacji. Część uważa, że warstwa betonu jest za cienka, drudzy że mokry (np. w czasie opadów) beton przewodzi na tyle dobrze, że dotknięcie słupa np. z przewodem leżącym na poprzeczniku może spowodować porażenie. Druga przyczyna trudności, to nagrzewanie się słupa w dwóch miejscach: - styku poprzecznika z żerdzią jeśli nie ma połączenia z górnym zaciskiem uziemiającym (początkowo tego nie było, słupy strunobetonowe jeszcze 2 lata temu też go nie miały), - przejściu z betonu do gruntu, długotrwały przepływ mógł spowodować uszkodzenie szczególnie w poziomie gruntu, a w ekstremalnych sytuacjach stopienie podziemnej części słupa. Rys.2. Zasada sieci skompensowanej Obecnie głównym celem kompensacji jest możliwość gaszenia dużej części zwarć bez udziału automatyki SPZ, co odbywa się bez przerwy beznapięciowej i zakłóceń w zasilaniu odbiorców. W jednej ostatnio analizowanych sieci z 75 % udziałem sieci napowietrznej w roku 2012 było około 270 zwarć zgaszonych przez dławik i tylko 10 zwarć z działaniem zabezpieczeń. Drugi cel kompensacji to brak bezwzględnej konieczności natychmiastowego wyłączania linii doziemnionej korzysta się z tego w przypadku awarii zabezpieczeń podstawowych. Nie należy jednak tego utożsamiać z pracą sieci na zwarcie doziemne. Trzecim celem, chociaż raczej właściwością, jest zmniejszenie zagrożenia porażeniowego w miejscu zwarcia:
Referat B. Sposoby pracy punktu neutralnego sieci o napięciu powyżej 1 kv str.b-5 - jeśli zwarcie doziemne jest poprzez słup linii napowietrznej, to problem dotyczy napięć rażeniowych rażeniowych w jego otoczeniu, - jeśli zwarcie doziemne jest na stacji SN/nN, dotyczy to napięć rażeniowych, ale głównie tzw. ograniczonego przepisami napięcia zakłóceniowego i zjawiska przenoszenia napięć poprzez przewód PEN (w sieci TN bez rozdzielenia uziomów w stacjach SN/nN) do odbiorców. Wadą czystej sieci skompensowanej jest brak możliwości działania wybiorczych zabezpieczeń ziemnozwarciowych. Stąd stosuje się sieci z AWSCz (rys.3) i zabezpieczenia wykorzystujące składową czynną prądu ziemnozwarciowego (to jest omawiane w oddzielnym wykładzie). Rys.3. Sieć skompensowana z AWSCz Dobór prądu indukcyjnego odbywa się wg zależności: przy czym dla sieci 15-20 kv: IL = (1,05-1,15) ICS I res I gran I gran 30A. Na rys.4 pokazano prądy graniczne wg VDE, wg autora nieco wygórowane. Na rys.5 pokazano układ urządzeń, które są związane z kompensacją i rozpływ prądów. 6.2. Metody kompensacji Obecnie stosuje się dwie metody kompensacji: - kompensację dławikami regulowanymi ręcznie (wymagają wyłączenia pola itd.) - kompensacje z dławikami regulowanymi automatycznie. Autor celowo nie użył pojęcia kompensacja płynna, ponieważ właśnie pojawia się na rynku dławik regulowany, ale zaczepowy firmy, BEZPOL. Kompensację płynną proponują firmy EGE i TRENCH.
Referat B. Sposoby pracy punktu neutralnego sieci o napięciu powyżej 1 kv str.b-6 Rys. 4. Prądy graniczne gaszenia łuku wg VDE. Rys. 5. Sieć skompensowana układ rzeczywisty w stacji 110 kv/sn
Referat B. Sposoby pracy punktu neutralnego sieci o napięciu powyżej 1 kv str.b-7 Rys.6. Dławik czeskiej firmy EGE (zdj. własne, konstrukcja z karty katalogowej). Rys.7 Regulator firmy EBERLE, panel przedni (zdj. własne)i.
Referat B. Sposoby pracy punktu neutralnego sieci o napięciu powyżej 1 kv str.b-8 Rys.8. Przełącznik zaczepów dławika BEZPOLU Dławik firmy BEZPOL jest podobny do konstrukcji z Żychlina, ale ma zewnętrzny przełącznik zaczepów pokazany na rys.8. 6.3. Zasady regulacji dławików Dławiki EGE i TRENCHA są regulowane wg tzw. krzywej rezonansowej, która określa zależność napięcia asymetrii w niedoziemionej sieci w funkcji prądu dławika. Krzywa jest określona teoretycznymi zależnościami (pominięto przy tym asymetrię konduktancyjną): (6,1) oraz U asc U ns (6.2). d js 0 E L1 C0 sl1 E L2 C0 sl2 E L3 C0 sl3 E L1 C0 sl1 E L2 C0 sl2 E L3 C0 sl3 U asc, C0 sl1 C0 sl2 C0 sl3 C0 s Przeciętnie Uasc ma małe wartości, poniżej 1 % napięcia fazowego, ze względu na wzrost udziału kabli przeciętne wartości maleją do np. 0,1 %.. Jednakże po włączeniu dławika, pojawia się zależność od stopnia kompensacji (k) lub współczynnika rozkompensowania s, przy czym dla celów praktycznych z wystarczającą dokładnością określony jest zależnością: IL ICS ICS s (6.3). Dla sieci przekompensowanych s jest dodatnie, dla niedokompensowanych ujemne. Spotyka się inne definiowanie parametrów kompensacji współczynnikiem k lub v. Warto sprawdzić, co dany autor rozumie pod każdym pojęciem, bo normy nie precyzują tego parametru. Przykładowy przebieg krzywej Uns=f(s) pokazano na rys.9. Typowe upływności
Referat B. Sposoby pracy punktu neutralnego sieci o napięciu powyżej 1 kv str.b-9 sieci to zakres 0,03 0,05, rzadko 0,1. Wartość 0,5 wskazuje, ze krzywa robi się prawie płaska przy uziemieniu punktu neutralnego przez rezystor. Krzywa ta może zmieniać się dla danej sieci w zależności od jej układu czy nawet warunków atmosferycznych. Można ją analizować tylko w konkretnym momencie. Regulatory przeważnie zapamiętują krzywą z określonego czasu, a potem przy zmianie konfiguracji sieci badają fragment kształtu. Jeśli zmiana jest znaczna, krzywa jest zdejmowana na nowo. W tym miejscu uwidacznia się przydatność zależność napięcia asymetrii od stopnia kompensacji, ale może się okazać, że jest to właściwość szkodliwa. Przy dużych wartościach powoduje zbędne działania zabezpieczeń ziemnozwarciowych. Dławiki BEZPOL-u są regulowane w inny sposób wykorzystując zasadę miernika MPZ opracowanego w IE PP. Polega ona na wprowadzeniu poprzez dodatkowe uzwojenie dławika lub poprzez dodatkowy transformator w punkcie neutralnym sieci źródła wywołującego sztuczne napięcie asymetrii sieci. Rys.9. Krzywa rezonansowa dla różnych wartości upływności sieci d0. 7. Sieć dekompensowana W dawnym ZE Gliwice stosowano i spotyka się obecnie w oddziale Tauronu dekompensację. Przyczyną wprowadzenia było osiągnięcie działania zabezpieczeń kierunkowych, które w latach 70-tych ub. wieku miały lepsze właściwości w porównaniu z zabezpieczeniami czynnomocowymi. Ocena dekompensacji: 1. Dobre działanie zabezpieczeń ziemnozwarciowych kierunkowych biernomocowych (przyczyna wprowadzenia). 2. Dobre gaszenie zwarć łukowych przy dobrze dobranych dławikach. 3. Średnio trudne warunki dla ochrony przed porażeniem przy uszkodzeniu. 4. Największe z wszystkich rozwiązań punktu neutralnego przepięcia ziemnozwarciowe:
Referat B. Sposoby pracy punktu neutralnego sieci o napięciu powyżej 1 kv str.b-10 - przy wyłączaniu transformatora uziemiającego, - podczas zwarć przerywanych, - podczas gaszenia zwarcia lub wyłączania. 5. Bardzo silna tendencja do zwarć doziemnych rozwijających się. Ostatnie dwie cechy doprowadziły do konieczności wycofania się z rozwiązania, chociaż jest jeszcze spotykanie w wielu stacjach. 8. Sieć z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor Pierwsze sieci z takim rozwiązaniem pojawiły się w Europie we Francji w latach 70- tych. Były dwie przyczyny wprowadzenia: - możliwość zastosowania prostych i pewnych zabezpieczeń zerowoprądowych, - silne zmniejszenie przepięć ziemnozwarciowych, ograniczenie liczby zwarć rozwijających się. Stosowano rezystory o znamionowym prądzie ziemnozwarciowym 500, a nawet 1000 A. Obecnie nie stosuje się więcej niż 300 A. Wadą rozwiązania okazał się całkowity brak gaszenia zwarć łukowych oraz ostre wymagania dla ochrony przed porażeniem, szczególnie w sieciach napowietrznych i zasilanych z nich stacji SN/nN, jeśli nie stosuje się rozdzielenia uziemień po stronie SN i nn. Na rys. 10 pokazano to zjawisko, a na rys. 11 największe dopuszczalne napięcia zakłóceniowe. Na rys 12 pokazano współczynniki przepięć dla sieci w zależności od prądu rezystora. Rys.10. Powstawanie napięcia zakłóceniowego w sieci nn zasilanej ze stacji SN/nN bez rozdzielenia uziemień w sieci TN. Uo- napięcie fazowe, UF napięcie zakłóceniowe, RB wypadkowa rezystancja uziemienia stacji.
Referat B. Sposoby pracy punktu neutralnego sieci o napięciu powyżej 1 kv str.b-11 Rys. 11. Maksymalny czas trwania napięcia zakłóceniowego UF spowodowanego doziemieniem po stronie SN stacji SN/nn wg PN-HD-60364-4-442 3.8 3.6 3.4 linia zdrowa (sieć izolowana) spodziewany przebieg krzywych dla dużych rezystancji uziemienia Ks, Kzw, Kzdr 3.2 3 2.8 2.6 linii doziemiona (sieć izolowana) szyny (sieć izolowana) K = 0,0 komp 2.4 2.2 linia zdrowa - l=20km 2 szyny linia doziemiona l=20km 0 0.5 1 1.5 k Rys.12. Współczynniki przepięć w zależności od stosunku prądu rezystora do pojemnościowego prądu ziemnozwarciowego sieci. Ks- na szynach, Kzw linia doziemiona, Kzdr linia zdrowa. Wyrażenie sieć izolowana jest niepoprawne, ale tak jest w oryginale) 9. Inne rozwiązania W Polsce spotyka się czasem układ równoległy dławika i rezystora, który jest polecany do sieci napowietrzno-kablowych o dużych rezystywnościach gruntów. Ma on
Referat B. Sposoby pracy punktu neutralnego sieci o napięciu powyżej 1 kv str.b-12 cechy bardzo podobne do sieci z samym rezystorem, ale dwukrotnie mniejsze prądy ziemnozwarciowe. Uziemienie przez reaktancję polega na wprowadzeniu trójfazowego układu reaktancji połączonych w gwiazdę z uziemionym punktem neutralnym i prądem doziemnym rzędu 300-500 A. Właściwości takiej sieci nie są znane. W Europie stosuje się też dorywcze uziemienie przez rezystor. 10. Właściwości szczegółowe Są one podane w tablicy 1 dla trzech głównych sposobów i układu równoległego, który sprawdził się w kilku sytuacjach, szczególnie w terenach o dużej rezystywności gruntu. Tablica 1 Szczegółowa ocena sposobów pracy punktu neutralnego sieci SN (skrót pn oznacza punkt neutralny) Sposób pracy punktu neutralnego L.p. Parametr 1 Przepięcia ziemnozwarciowe 2 Prawdopodobieństwo zwarć wielokrotnych 3 Zagrożenie porażeniowe 4 Wymagania w odniesieniu do rezystancji uziemienia stacji SN/nn 5 Napięcie asymetrii naturalnej 6 Gaszenie zwarć łukowych 7 Intensywność automatyki SPZ 8 Ogólna ocena zabezpieczeń ziemnozwarciowych 9 Konieczność stosowania LRW dla pól liniowych izolowany zdecydowanie największe zdecydowanie największe dławik +AWSCz rezystor równoległy duże małe małe, takie duże małe jak w sieci o rezystor pn uziemionym przez przeciętne najmniejsze największe przeciętne przeciętne najmniejsze największe przeciętne przeciętne największe małe małe małe najlepsze brak brak średnia, zależy od wartości prądu ziem. dobra mała duża duża dobra, wadą jest konieczność eksploatowania AWSCz dobra dobra zbędne zbędne wskazane wskazane
Referat B. Sposoby pracy punktu neutralnego sieci o napięciu powyżej 1 kv str.b-13 Sposób pracy punktu neutralnego L.p. Parametr 10 Postępowanie przy braku działania zabezpieczeń w polach liniowych 11 Działanie zabezpieczeń podczas zwarć doziemnych na szynach zbiorczych i stronie SN transformatora 110 kv/sn 12 Wpływ błędu w pojemnościowym prądzie zwarcia doziemnego sieci na prawidłowość doboru parametrów urządzeń uziemiających 13 Wpływ błędu w pojemnościowym prądzie zwarcia doziemnego na prawidłowość doboru nastaw zabezpieczeń ziemnozwarc. 14 Wpływ uchybów filtrów składowej zerowej prądu podczas zwarć dwufazowych na warunki nastawcze zabezpieczeń zerowoprąd. 15 Zagrożenie dla żelaza silników asynchronicznych o napięciu powyżej 1 kv 16 Zagrożenie dla żył powrotnych kabli polietylenowych od prądów ziemnozw. izolowany sygnalizacja Uo, działanie dyspozytora sygnalizacja Uo, działanie dyspozytora dławik +AWSCz sygnalizacja Uo, działanie dyspozytora sygnalizacja Uo, działanie dyspozytora rezystor równoległy 1. Wyłączenie transformatora zasilającego. 2. Wyłączenie pola tr. uziemiajacego. 3. Wyłączenie rezystora. żaden duży mały mały nadprądowych duży, kierunkowych - mały mały konduktancyjnych żaden nie stosuje się zabezpieczeń zerowoprądo wych przy prądach do 10 A prawie żadne, powyżej zależny od czasu, zagrożenie minimalne żadne konduktancyjnych żaden, zerowoprądow ych i admitancyjnych duży duży konduktancyjnych żaden zerowoprąd. i admitancyjnych duży duży znaczne, ale zależne od czasu zwarcia może wystąpić przy rezystorach o dużych prądach znamionowych
Referat B. Sposoby pracy punktu neutralnego sieci o napięciu powyżej 1 kv str.b-14 11. Wybór sposobu O wyborze sposobu uziemienia punktu neutralnego sieci SN najczęściej decydują: - wartość przepięć ziemnozwarciowych, - poziom zagrożenia porażeniowego, - oddziaływanie prądu ziemnozwarciowego na środowisko, - ciągłość dostawy energii do odbiorców (bardzo silny punkt), - działanie zabezpieczeń ziemnozwarciowych, - koszty wykonania danego układu połączenia punktu neutralnego z ziemią (najdroższa jest kompensacja regulowana automatycznie), - uwarunkowania historyczne - umiejętność eksploatacji. Zdaniem autora, sieć z izolowanym punktem neutralnym w energetyce zawodowej powinna być stosowana tylko wyjątkowo, np. w nielicznych już i mało rozległych sieciach 30 kv, gdzie są małe pojemnościowe prądy zwarcia doziemnego. Izolowany punkt neutralny spotyka się również w starszych sieciach SN energetyki zawodowej, ale istnieje wyraźna tendencja odchodzenia od tego rozwiązania. W Krakowie oraz Zamościu sieć z izolowanym punktem neutralnym jest rozwiązaniem podstawowym. Wynika to z pewnych uwarunkowań - głównie historycznych. Sieci z izolowanym punktem neutralnym są powszechnie stosowane również w górnictwie (z wyjątkiem odkrywkowego) narzucone wewnętrznymi przepisami tej dziedziny przemysłu oraz w układach potrzeb własnych elektrowni. Z górnictwa dochodzą jednak sygnały o coraz większych problemach związanych z wielokrotnymi zwarciami doziemnymi. W zasadzie nie powinno się stosować sieci skompensowanych bez automatyki AWSCZ, ponieważ w takiej sieci nie ma możliwości wykonania wybiorczych zabezpieczeń ziemnozwarciowych. Stosuje się tam zabezpieczenia zerowonapięciowe, które działają tylko na sygnał. Chociaż jest to zgodne z przepisami, zwiększa się wówczas znacznie niebezpieczeństwo wypadków porażeń ludzi lub zwierząt, bo ręczna lokalizacja zwarcia doziemnego jest bardziej czasochłonna. Tak więc w sieciach energetyki zawodowej należy wybierać pomiędzy punktem neutralnym uziemionym przez rezystor i siecią skompensowaną z AWSCz, a wyjątkowych przypadkach można korzystać z równoległego. 13. Rezystor czy kompensacja Odpowiedź na to pytanie nie jest jednoznaczna i wiele wskazuje, że nigdy taka nie będzie. Są dwa brzegowe stwierdzenia: - w sieciach czysto kablowych wskazane jest stosowanie rezystora, - w sieciach napowietrznych kompensacji. Jednakże sieci czysto napowietrznych już nie ma. (Wyjątkiem są wspomniane wyżej pewne pozostałości sieci 30 kv w okolicach np. Żywca czy w Bieszczadach). Nie można wskazać, jaki udział linii napowietrznych powoduje, że zalecanym rozwiązaniem będzie kompensacja. Może się okazać, że w najbliższych latach o kryteriach zadecyduje pewność dostawy energii elektrycznej i jej jakość. Tutaj sieć skompensowana ma lepsze parametry. W jednej z sieci na Śląsku przeprowadzono orientacyjną analizę liczby zwarć doziemnych w roku w sieci skompensowanej. Liczba zwarć z wyłączeniem linii (z udanym lub nieudanym cyklem SPZ) jest przynajmniej 20 razy mniejsza niż liczba zwarć samogasnących. Jeśli ta sieć pracowałaby z rezystorem, większość zwarć samogasnących wyzwoliłaby cykl SPZ połączony z chwilowym zanikiem napięcia. Może ta sieć była specyficzna, ale wskazuje to wyraźnie na
Referat B. Sposoby pracy punktu neutralnego sieci o napięciu powyżej 1 kv str.b-15 cechy zjawiska. I trudno tutaj poprzeć argument, że w sieci o p.n. uziemionym przez rezystor jest mniej zwarć rozwijających się w zwarcia międzyfazowe. W obserwowanej sieci były to przez rok chyba 2-3 przypadki, a jeszcze i tak większość zgaszona w cyklu SPZ. Wiele wniosków można wyciągnąć z analizy raportów systemów nadzoru, szczególnie jeśli rozdzielnie SN są wyposażone w terminale polowe. Niestety dla naukowców jest to zbyt banalne zadanie, a zakładów dystrybucyjnych po prostu nie stać na opłacenie analiz, których wynik nie wpłynie na poprawę wyników finansowych. Pewną wskazówką w tym zakresie może być też zauważony znaczny wzrost sprzedaży dławików we Włoszech. Szkoda, że w Polsce jest małe zainteresowanie kompensacją automatyczną, ale wyraźnie się zwiększa. Przyczyną jest wysoka cena, przeciętnie 4 razy większa od dławików nieregulowanych. Fabryka w Żychlinie nie przewiduje wprowadzenia tego do produkcji pozostając przy dławikach zaczepowych, ale firma BEZPOL z Myszkowa już oferuje polskie rozwiązanie z regulatorem opracowanym na podstawie opracowań Politechniki Poznańskiej. Na rynku polskim dostępne są rozwiązania dwóch firm: austriackiego TRENCHA i czeskiego EGE z Czeskich Budziejowic. 14. Dodatkowe aspekty W tablicy 1 warto zwrócić uwagę na wiersz 15, który dotyczy odporności tzw. żelaza silników asynchronicznych (najczęściej o napięciu nominalnym 6 kv) na przepływ prądu ziemnozwarciowego. Niezachowanie odpowiednich warunków grozi po zwarciu doziemnym potrzebą przepakietowania, czyli kapitalnym remontem. W tym zakresie znane są trzy teorie podane poniżej. Wszystkie są empiryczne. Graniczne wartości prądu ziemnozwarciowego groźne dla tzw. żelaza silników asynchronicznych są w nich następujące: a) wg A. Smurowa: 126 I E (1) t gdzie: t czas trwania zwarcia doziemnego w silniku, IE prąd przepływający przez silnik do ziemi. b) wg Elektrosiły : c) wg Verschoore J.: 91 I E 0,4 t I E 2 t 2500 Zależności określone wzorami pokazano na rys.1 wyraźnie się od siebie różnią. Może to wynikać z faktu, że wzory 1 i 2 opracowano dla prawdopodobnie przewymiarowanych silników radzieckich czy rosyjskich, a wzór 3 dla silników zachodnioeuropejskich oszczędniejszych materiałowo. Proponuje się więc zachować wymaganie określone wzorem (3) i krzywą na rys.13. Orientacyjnie dla czasu trwania zwarcia 1 s, dopuszczalny prąd zwarcia doziemnego wynosi ok. 50 A, dla czasu 0,3 s zbliża się do 100 A. Te dwa warunki mogą w pewnym stopniu ograniczać wartość prądu ziemnozwarciowego rezystora w przemysłowych sieciach 6 kv, ale należy również pamiętać, że sieci te nie charakteryzują się dużymi wartościami pojemnościowego prądu zwarcia doziemnego. ( 2 ) ( 3 ).
Referat B. Sposoby pracy punktu neutralnego sieci o napięciu powyżej 1 kv str.b-16 500 A 400 I wg Smurnowa wg Elektrosiły wg Verschoore 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 s t Rys.13. Zależność dopuszczalnego czasu trwania zwarcia doziemnego z punktu widzenia możliwości uszkodzenia żelaza silnika asynchronicznego wysokiego napięcia Na marginesie można zauważyć, że słuszna wydaje się dotychczasowa teoria, że przy prądach doziemnych do 10 A zabezpieczenia od skutków zwarć doziemnych silników asynchronicznych mogą działać na sygnał. W pewnych obszarach Polski zauważono wzrost awaryjności kabli polietylenowych, jeśli dochodzi do wzrostu prądu ziemnozwarciowego powyżej 500 A np. w sytuacji połączenia sekcji do pracy równoległej i włączeniu się dwóch pól potrzeb własnych z rezystorami. Rozwiązanie takie jest dopuszczalne, ponieważ nie istnieje dawny podział na sieci o małym i dużym prądzie zwarcia doziemnego. Jednakże może wzrastać wówczas awaryjność kabli i wiąże się ten problem z wytrzymałością cieplną żył powrotnych. Zagadnienie nie jest dobrze rozpoznane, ale warto na nie zwrócić uwagę. 15. Zasady doboru urządzeń w punkcie neutralnym Ponieważ szkolenie jest przeznaczone głównie dla służb eksploatacyjnych, a nie projektantów, podane zostanie tylko kilka podstawowych zasad. Dobór dławików kompensujących z regulacją ręczną. Dławiki te dobiera się do pojemnościowego prądu zwarcia doziemnego sieci (sekcji, systemu) dla układu najbardziej prawdopodobnego, czyli przeważnie nazywanego normalnym, wg zależności: I L (1,05 1,15) I CS (4), ale ważniejszy jest warunek, aby: I I I (5), przy czym często oznacza się: gdzie: I L res CS gran I I (6) L CS
Referat B. Sposoby pracy punktu neutralnego sieci o napięciu powyżej 1 kv str.b-17 Igran graniczny prąd gaszenia zwarć łukowych, dla sieci 15 i 20 kv wynosi około 30 A, Ires prąd resztkowy. Zależność (4) wynika z potrzeby uniknięcia rezonansu, stąd sieć powinna być przekompensowana. Zależność (5) posiada przy różnicy znak wartości bezwzględnej, jest to dopasowanie do każdej sytuacji, czyli również niedokompensowania sieci. Sieć prawidłowo powinna być przekompensowana, ale sytuacje niedokompensowania wcale nie są rzadkie, szczególnie w sieciach długo nie remontowanych. Dobór dławików z regulacją automatyczną. Zadanie tych dławików jest nieco inne mają się dopasować do każdego możliwego układu sieci. Stąd rozpoczynając dobór, trzeba znaleźć minimalną i maksymalną wartość pojemnościowego prądu zwarcia doziemnego analizowanej sieci. Nie ma to poszukiwanie jasno określonych reguł, można podać pewne wskazówki: - jako minimalny prąd zwarcia doziemnego przyjąć wartość ICS w warunkach normalnych pomniejszony o prąd linii SN o największym udziale w prądzie sieci, ten warunek musi być spełniony, ale przeważnie nie ma z nim problemu ze względu na szeroki zakres regulacji dławików (10-100 % wartości maksymalnej), - jako prąd maksymalny należy poszukać możliwość przyłączenia w układzie awaryjnym fragmentu sieci innej stacji o możliwie dużym prądzie pojemnościowym powiększony jeszcze o możliwość rozwoju sieci, nie należy dobierać dławików na styk. Dość jasno wygląda sytuacja, jeśli sieć współpracuje z rozdzielniami sieciowymi (RS). Przeważnie sieci z nich zasilane mogą przełączać się pomiędzy sekcjami stacji, a czasem pomiędzy stacjami. Z tej analizy można określić wartość maksymalną, ale przy większej liczbie RS-ów wydaje się, że należy brać pod uwagę przełączanie się tylko jednego o największym prądzie pojemnościowym. W warunkach polskich nie warto stosować dławików o prądzie maksymalnym powyżej 300 A. Nie ma formalnego ograniczenia pojemnościowego prądu zwarcia doziemnego dla jednej galwanicznie połączonej sieci, ale IE PP zaleca nie przekraczać wartości 300 A, Wynika to z zalecanego współczynnika rozkompensowania sieci (0,1) i wynikającego stąd prądu resztkowego, który wynosi wówczas 30 A, czyli jest równy prądowi granicznemu. Dławiki regulowane powinny dobrze sprawdzać się w sieci, ale nie publikuje się doświadczeń z ich eksploatacji, być może dlatego, że nie sprawiają przeważnie problemów. Dochodzą czasem sygnały, że są problemy z dopasowaniem się dławika, jeśli krzywa rezonansowa jest zbyt płaska lub badane napięcie jest zbyt małe (np. rzędu 0,1-0,2 V). Tak EGE, jak i TRENCH polecają wówczas dławiki z wstrzykiwaniem, czyli wzmacnianiem napięcia asymetrii. Tego problemu nie będzie w regulatorach BEZPOL-u, ponieważ pomiar zawsze bazuje na dodatkowym sygnale wprowadzanym w sieć. 16. Wnioski Wieloaspektowość problemu wyboru sposobu pracy punktu neutralnego powoduje, że nie można w prosty sposób wskazać do konkretnej sieci najlepszego rozwiązania. Oprócz zagadnień wymienionych w tablicy warto uwzględnić przygotowanie personelu do obsługi urządzeń, specjalne konfiguracje sieci, jej wyposażenie czy uwarunkowania historyczne Dużą rolę odgrywają zabezpieczenia ziemnozwarciowe, a konieczność ich wymiany przy przechodzeniu z jednego sposobu pracy punktu neutralnego na inny jest często silnym hamulcem.