Szczepan MOSKWA Bartłomiej KERCEL MODELOWANIE I ANALIZA NARAŻEŃ PRZEPIĘCIOWYCH W SIECIACH ŚREDNICH NAPIĘĆ STRESZCZENIE Najczęstszą przyczynę uszkodzeń urządzeń w sieciach średnich napięć (SN) stanowią zwarcia, których skutkiem są również narażenia przepięciowe. W pracy przedstawiono problemy modelowania narażeń przepięciowych w sieciach SN na wybranych przykładach. Do symulacji komputerowych zastosowano program ElectroMagnetic Transients Program (EMTP). Słowa kluczowe: sieci średnich napięć, przepięcia, modelowanie 1. WSTĘP W odróżnieniu od elektroenergetycznych układów przesyłowych wysokich napięć (WN) i najwyższych napięć (NN), sieci rozdzielcze średnich napięć (SN) eksploatowane są jako układy trójfazowe z punktem neutralnym izolowanym, uziemionym przez dławik (sieć skompensowana) lub uziemionym przez rezystor [2, 5]. dr inż. Szczepan MOSKWA e-mail: szczepan.moskwa@agh.edu.pl mgr inż. Bartłomiej KERCEL e-mail: kercel@agh.edu.pl Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Katedra Elektrotechniki i Elektroenergetyki PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 241, 2009
154 S. Moskwa, B. Kercel W sieciach elektroenergetycznych średnich napięć pracujących z nieskutecznie uziemionym punktem neutralnym bądź jako układy z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor albo dławik, analiza zwarć doziemnych jest szczególnie istotna. Nieustalony stan elektromagnetyczny związany z wystąpieniem zwarć w układach elektroenergetycznych jest przyczyną powstawania przepięć ziemnozwarciowych. Przepięcia te w stanie nieustalonym po zaistnieniu zjawiska są rozpatrywane jako szybkozmienne, natomiast po wytłumieniu procesów przejściowych jako przepięcia ziemnozwarciowe wolnozmienne. W przypadku układów elektroenergetycznych wysokich i najwyższych napięć pracujących ze skutecznie uziemionym punktem neutralnym, przepięcia szybkozmienne powstają tylko w momencie inicjacji zwarć. Natomiast w układach rozdzielczych średnich napięć pracujących z nieskutecznie uziemionym punktem neutralnym, na skutek wystąpienia łuku przerywanego następuje intensyfikacja przepięć szybkozmiennych, których analiza ma istotne znaczenia ze względów eksploatacyjnych [1, 3]. W artykule przedstawiono wybrane wyniki symulacji komputerowych układów elektroenergetycznych średnich napięć, w których przeprowadzono analizę skuteczności ograniczania przepięć ziemnozwarciowych poprzez uziemienie punktu neutralnego poprzez dławik i rezystor. Zastosowanie programu EMTP (Electromagnetic Transients Program) pozwoliło na określenie potencjalnego zagrożenia, a otrzymane wyniki analizy mogą być istotnym elementem przy projektowaniu i eksploatacji układów elektroenergetycznych. 2. ANALIZA SIECI ROZDZIELCZYCH ŚREDNIEGO NAPIĘCIA Do sieci pracujących z nieskutecznie uziemionym punktem neutralnym należą: sieć z izolowanym punktem neutralnym, sieć z kompensacją prądu zwarcia doziemnego (uziemienie punktu neutralnego poprzez dławik gaszący), sieć z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor. W elektroenergetycznych układach średnich napięć pracujących z nieskutecznie uziemionym punktem neutralnym (rys. 1) impedancja podłużna dla składowej zerowej Z (0) dąży do nieskończoności. Jednakże uwzględniając poprzeczne elementy układu, tj. pojemność i upływność, zauważamy, że umożliwiają one zamknięcie obwodu dla składowej zerowej prądu zwarcia doziemnego. W sieciach z izolowanym punktem neutralnym prąd przyjmuje
Modelowanie i analiza narażeń przepięciowych w sieciach średnich napięć 155 zatem charakter pojemnościowy. Natomiast w układach elektroenergetycznych pracujących z uziemionym punktem neutralnym prąd zwarcia doziemnego ma charakter indukcyjny. W sieciach z nieskutecznie uziemionym punktem neutralnym zwarcia jednofazowe, w zależności od wartości prądu zwarcia, mogą być trwałe lub przemijające. W rozdzielczych sieciach napowietrznych średnich napięć 2/3 wszystkich zwarć jednofazowych z ziemią stanowią zwarcia przemijające. Przemijający charakter większości zwarć jednofazowych z ziemią w sieciach rozdzielczych pracujących z izolowanym punktem neutralnym jest podstawowym atutem przemawiającym za wyborem tej konfiguracji układu. Doświadczenia eksploatacyjne elektroenergetycznych dystrybucyjnych sieci SN wskazują, że spośród wszystkich występujących w nich zakłóceń zwarciowych 70 80 % to zwarcia doziemne [2]. Rys. 1. Schemat sieci z izolowanym punktem neutralnym Ze względów eksploatacyjnych, ruchowych oraz ochrony przeciwporażeniowej, szczególnie istotna jest analiza zwarć wysokooporowych oraz zwarć o nieustabilizowanym łuku przerywanym. Występujące w liniach napowietrznych SN wysokooporowe zwarcia doziemne, podczas których w miejscu doziemienia rezystancja przejścia przyjmuje wartości rzędu kilku tysięcy omów, może utrudnić lub zakłócić działanie zabezpieczeń ziemnozwarciowych. Natomiast zwarcia z ziemią, w postaci niestabilnego łuku elektrycznego (zwarcia przerywane), są często powodem niebezpiecznych przepięć ziemnozwarciowych, których skutkiem mogą być uszkodzenia izolacji w innych miejscach sieci i wystąpienie zwarć międzyfazowych [5].
156 S. Moskwa, B. Kercel 3. WYBÓR UKŁADU PRACY PUNKTU NEUTRALNEGO ELEKTROENERGETYCZNYCH SIECI ŚREDNICH NAPIĘĆ Sposób uziemienia punktu neutralnego sieci rozdzielczej średnich napięć powinien być optymalny pod względem techniczno-ekonomicznym z uwzględnieniem wymagań w zakresie eksploatacji sieci i niezawodności zasilania odbiorców [3]. Większość zwarć występujących w sieciach rozdzielczych średnich napięć powstaje za pośrednictwem łuku. Odpowiednia konfiguracja układu sieci lub uziemienie punktu neutralnego poprzez rezystor albo dławik pozwala na ograniczenie prądu zwarciowego do poziomu powodującego jego samoistne zgaszenie. Przepięcia ziemnozwarciowe szybkozmienne powstają nie tylko w momencie inicjacji zwarć, ale mogą ulegać również intensyfikacji wskutek występowania łuku przerywanego. Konieczne jest ograniczanie przepięć ziemnozwarciowych wolnozmiennych przez zastosowanie dławików gaszących albo uziemienia punktu neutralnego przez rezystor, jeżeli pojemnościowy prąd zwarcia jednofazowego przekracza wartość graniczną (tab. 1) [1, 4]. TABELA 1 Graniczne wartości pojemnościowego prądu zwarcia jednofazowego w sieci SN [4] Napięcie znamionowe sieci [kv] 6 10 15 20 30 Pojemnościowy prąd zwarcia jednofazowego w sieci napowietrznej lub napowietrzno kablowej [A] Pojemnościowy prąd zwarcia jednofazowego w sieci kablowej lub kablowo napowietrznej [A] 30 20 15 10 50 Przedstawiona poniżej analiza została przeprowadzona na podstawie wyników symulacji narażeń przepięciowych przeprowadzonych w programie EMTP-ATP [6,7]. 4. WYBRANE PRZYPADKI ANALIZY NARAŻEŃ PRZEPIĘCIOWYCH W SIECIACH SN Z WYKORZYSTANIEM MODELU UTWORZONEGO W PROGRAMIE EMTP Do przeprowadzenia analizy narażeń przepięciowych wybranych przypadków symulacji komputerowych w rozdzielczych sieciach średnich napięć wykorzystano przedstawiony na rysunku 2 schemat układu elektroenergetycz-
Modelowanie i analiza narażeń przepięciowych w sieciach średnich napięć 157 nego. Schemat ten odzwierciedla układ stacji elektroenergetycznej 110/15 kv, składającej się z transformatora o mocy 10 MVA oraz odejść w postaci linii napowietrznych i kablowych oznaczonych numerami od 1 do 6. Przeprowadzono analizę wpływu zmiany konfiguracji sieci poprzez jej rozbudowę o linię kablową w polu nr 1 na poziom prądu doziemienia oraz wartość przepięć. Schemat modelowy umożliwia rozbudowę układu poprzez zmianę sposobu uziemienia punktu neutralnego sieci oraz analizę rozbudowy na poziom prądów doziemienia oraz przepięć. Symulacje zostały przeprowadzone wielowariantowo tabela 2. Zmianom ulegały takie czynniki jak: rodzaj zwarcia, zakres rozbudowy sieci rozdzielczej oraz sposób uziemienia punktu neutralnego sieci. Rys. 2. Schemat układu elektroenergetycznego 15 kv W pierwszym przypadku dokonano analizy zwarcia metalicznego. W układzie odzwierciedlono istniejący stan bez nowobudowanej linii kablowej nr 1 oraz układu kompensacji prądu doziemienia. Współczynnik zwarcia doziemnego k zd określa wzrost napięcia na fazach nieuszkodzonych w wyniku zwarcia doziemnego w stosunku do wartości napięcia przed zwarciem. U k zd = U f n 3 (1)
158 S. Moskwa, B. Kercel gdzie: k zd współczynnik zwarcia doziemnego, U f napięcie na fazach nieuszkodzonych w stanie ustalonym, U n napięcie znamionowe przed zwarciem. Z przeprowadzonej analizy wariantu 1 wynika, że wartość napięcia na fazach zdrowych w momencie wystąpienia zakłócenia w postaci zwarcia metalicznego wzrosła prawie o 3. Natomiast w przypadku wystąpienia zakłócenia w postaci zwarcia poprzez łuk przerywany wariant 2, napięcia na zdrowych fazach wzrosły ponad trzykrotnie (tab. 2), co świadczy o dużym zagrożeniu wynikającym z inicjacji zwarć o nieustabilizowanym łuku przerywanym. Założenia wariantowe 3 i 4 umożliwiły analizę wpływu rozbudowy układu o nowobudowaną linię, na wartości przepięć oraz przetężeń występujących w wyniku zwarcia doziemnego. TABELA 2 Warianty analizy komputerowej układu elektroenergetycznego z rysunku 2 Wariant Rodzaj zwarcia Zakres rozbudowy sieci rozdzielczej Wartość prądu doziemienia I D [A] Współczynnik przepięć k zd Sposób uziemienia punktu neutralnego sieci 1 metaliczne brak 8 1,7 brak 2 poprzez łuk przerywany 3 metaliczne 4 poprzez łuk przerywany 5 metaliczne 6 poprzez łuk przerywany 7 metaliczne 8 poprzez łuk przerywany brak 140 3,3 brak 153 1,8 brak 880 3,2 brak 3,3 1,7 220 1,7 260 1,8 260 1,8 cewka X L = 95,6 Ω cewka X L = 95,6 Ω rezystor R = 65 Ω rezystor R = 65 Ω
Modelowanie i analiza narażeń przepięciowych w sieciach średnich napięć 159 Z uwagi na znaczne przekroczenie granicznych wartości pojemnościowego prądu zwarcia jednofazowego (tab. 1), przeprowadzono symulacje komputerowe na opracowanym modelu, umożliwiające dobór odpowiedniej wartości L dławika celem optymalnej kompensacji prądów zwarciowych. Wyniki w postaci wykresu zależności prądu doziemienia I D od reaktancji cewki układu kompensacyjnego X L zostały przedstawione na rysunku 3. Rys. 3. Zależność prądu doziemienia I D od reaktancji cewki układu kompensacyjnego X L W celu doboru odpowiedniej wartości rezystora uziemiającego punkt neutralny R wykorzystanego do ograniczenia prądu zwarcia doziemnego (warianty 7, 8) przeprowadzono symulacje komputerowe, których wyniki zobrazowano na rysunku 4. Rys. 4. Zależność prądu doziemienia I D od rezystancji rezystora uziemiającego R
160 S. Moskwa, B. Kercel Analizie poddano również wpływ zastosowanego układu kompensującego warianty 5, 6 oraz ograniczającego prąd zwarcia doziemnego warianty 7, 8, na wartość przepięć zainicjowanych w momencie wystąpienia zakłócenia. Z przedstawionych w tabeli 2 wartości współczynnika k zd wynika, że rozbudowa układu elektroenergetycznego o elementy służące kompensacji lub ograniczeniu prądu zwarcia doziemnego dodatkowo ograniczają wartości przepięć. Szczególnie, poddane analizie przypadki warianty 6, 8, obrazują wpływ rozbudowy układu na zmniejszenie przepięć prawie dwukrotnie w stosunku do wariantów 2, 4. Na rysunku 5 porównano przebiegi prądu doziemienia I D zwarcia metalicznego wariantów 3, 5, 7. Natomiast przebiegi prądu doziemienia I D zwarcia poprzez łuk przerywany wariantów 4, 6, 8, zostały przedstawione na rysunku 6. Rys. 5. Porównanie przebiegów prądu doziemienia I D wariantów 3, 5, 7 Rys. 6. Porównanie przebiegów prądu doziemienia I D wariantów 4, 6, 8
Modelowanie i analiza narażeń przepięciowych w sieciach średnich napięć 161 W oparciu o analizę wyników symulacji potwierdzono zasadność uziemienia punktu neutralnego przez dławik lub rezystor z uwagi na ograniczanie wartości przpięć. 5. WNIOSKI Analiza zwarć doziemnych jest szczególnie istotna dla układów elektroenergetycznych średnich napięć ze względu na warunki eksploatacji. Specyfika pracy tego układu sieci polega na samoistnym gaszeniu prądów zwarciowych, które w większość zwarć występujących w sieciach rozdzielczych średnich napięć, są zwarciami powstałymi za pośrednictwem łuku. W wyniku przerowadzonych analiz można stwierdzić, że na skutek zmian w konfiguracji sieci, wartość prądu zwarcia oraz powstałych w ich wyniku przepięć, może być na tyle duża, że konieczne staje się wykorzystanie dodatkowych układów umożliwiających ich ogranicznie. Aplikacje takich programów komputerowych, jak EMTP-ATP, umożliwiają rozpoznanie powyższych zjawisk i uwzględnienie ich w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej. Wykorzystanie symulatorów komputerowych przy analizie takich zjawisk, jak zwarcia z ziemią, w postaci niestabilnego łuku elektrycznego (zwarcia przerywane), będące często powodem niebezpiecznych przepięć ziemnozwarciowych, jest szczególnie istotne. LITERATURA 1. Nowak W., Kercel B.: Komputerowe modelowanie i analiza przepięć ziemnozwarciowych w układach elektroenergetycznych. Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej, XVII Seminarium Zastosowanie Komputerów w Nauce i Technice 2007, str. 73 78, 2007. 2. Nowak W. i inni: Analiza warunków działania zabezpieczeń ziemnozwarciowych w sieci średniego napięcia studium wybranego przypadku. Archiwum Energetyki, Polska Akademia Nauk, tom XXXIX 2009 nr 1, str. 135 146, Gdańsk 2009. 3. Anderson E.: Przepięcia wewnętrzne w sieciach średnich napięć i ich ograniczanie. Seria wydawnicza Komitetu Elektrotechniki PAN pt. Postępy techniki wysokich napięć. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1997. 4. Zasady ochrony od przepięć i koordynacja izolacji sieci elektroenergetycznych. Specyfikacje Techniczne PO-TE-1-P, Polskie Sieci Elektroenergetyczne S.A., Warszawa 2001. 5. Lorenc J.: Admitancyjne zabezpieczenia ziemnozwarciowe. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2007.
162 S. Moskwa, B. Kercel 6. Electromagnetic Transients Program. Theory Book. Bonneville Power Administration, Portland, Oregon, 1995. 7. Alternative Transients Program. Rule Book. Canadian/American EMTP User Group, 1987 92. Rękopis dostarczono dnia 15.09.2009 r. Opiniowała: dr hab. inż. Henryka Stryczewska prof. PL MODELLING AND ANALYSIS RISK OF GROUND OVERVOLTAGE IN MEDIUM VOLTAGE NETWORKS S. MOSKWA, B. KERCEL ABSTRACT The paper presents computer modelling and analysis of overvoltage result in short circuit earth fault. It has got essential importance to recognize that problems in project practice and operating of electrical power systems. Presented problem was analyzing by Electromagnetic Transients Program (EMTP). Dr inż. Szczepan MOSKWA urodził się w 1976 roku. Ukończył studia magisterskie w 2000 roku na Wydziale Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki AGH, kierunek elektrotechnika. Tytuł doktora uzyskał w 2007 roku na tym samym Wydziale. Od 2000 roku jest pracownikiem Katedry Elektrotechniki i Elektroenergetyki AGH. Główne obszary działalności zawodowej dotyczą strategii eksploatacji urządzeń elektroenergetycznych, niezawodności urządzeń i systemów elektroenergetycznych. Mgr inż. Bartłomiej KERCEL urodził się w Chrzanowie w 1978 roku. Tytuł magistra inżyniera o specjalności Elektroenergetyka uzyskał w roku 2003 na WEAIiE AGH. W latach 2003-2004 pracownik firmy Elteco Poland. W roku 2004 pracował w Zakładach Remontowych Energetyki Kraków, a następnie w latach 2004 2005 w Enion S.A. Oddział w Krakowie ZEK. Od roku 2005 pracownik Katedry Elektroenergetyki na WEAIiE AGH. Jest członkiem International Lightning Protection Club (ILPC) oraz Polskiego Towarzystwa Elektrotechniki Teoretycznej i Stosowanej (PTETiS).