projektiranje elektriČnih postrojenja - v · pdf fileodvodnici prenapona – osnovni...

PROJEKTIRANJE ELEKTRIČNIH POSTROJENJA - V

Dr.sc. Srđan Žutobradić

Hrvatska energetska regulatorna agencija (HERA)(Voditelj odjela za električnu energiju i obnovljive izvore)

Mail: [email protected]://www.hera.hr

mailto:[email protected]

PRENAPONSKA ZAŠTITA EL. POSTROJENJA - UREĐAJI

Temeljni zaštitni uređaj – odvodnik prenaponaSuvremeno rješenje – metaloksidni odvodnik (MO)Prethodna tehnologija – silicijkarbidni odvodnik (SiC)Pojednostavljena naprava – zaštitno iskrište

Prednosti MO odvodnika:bolja U-I karakteristika od SiC odvodnikabolja sposobnost apsorpcije energije prenaponaniža zaštitna razinabolja pouzdanost

ODVODNICI PRENAPONA – OSNOVNI POJMOVI - 1

Metaloksidni odvodnik prenapona bez iskrištaOdvodnik koji ima u seriju i/ili paralelu spojene nelinearne otpornike bez integriranog serijskog ili paralelnog iskrišta

Nelinearni metaloksidni otpornikDio odvodnika koji posjeduje nelinearnu karakteristiku napon-struja, te djeluje kao mali otpor prilikom odvođenja prenapona, čime ograničava napon na svojim krajevima, odnosno kao visoki otpor u normalnom pogonskom stanju


Naprava za otpuštanje pritiskaNaprava koja omogućava oslobađanje unutrašnjeg pritiska u odvodniku tijekom prolaska dugotrajne struje kvara ili internih proboja. Ovim se postiže spriječavanje neželjenih rasprskavanja kućišta odvodnikaNazivni napon odvodnika UrMaksimalno dopuštena efektivna vrijednost napona industrijske frekvencije između njegovih priključaka kod koje pravilno funkcionira prilikom privremenih prenapona.Nazivni napon (Ur ) se koristi kao referentni parametar za specifikaciju radnih karakteristika


Trajni radni napon odvodnika Uc

Trajni radni napon (Uc) je efektivna vrijednost napona industrijske frekvencije koji može biti trajno primijenjen između priključaka odvodnikaAtmosferska udarna strujaStrujni impuls oblika 8/20 μsStruja odvodaImpulsna struja koja prolazi odvodnikomNazivna struja odvoda InTjemena vrijednost atmosferske udarne struje koja služi za klasificiranje odvodnika


Udarna struja odvodnika visokog intenziteta

Tjemena vrijednost struje odvoda impulsnog oblika 4/10 μs koja se koristi pri testiranju stabilnosti odvodnika na direktneatmosferske udare

Sklopna udarna struja odvodnika

Tjemena vrijednost struje odvoda koja ima virtualno trajanje čela vala veće od 30 μs, ali manje od 100 μs, i virtualno trajanje do polovice repa otprilike dvostruko duže od trajanja čela


Preostali napon odvodnika Ures

Tjemena vrijednost napona koja se pojavljuje na priključcima odvodnika za vrijeme prolaza struje odvodaTermička stabilnost odvodnika

Odvodnik je termički stabilan ukoliko poslije prorade koja uzrokuje porast temperature, temperatura elemenata odvodnika opada s vremenom tokom kojeg je odvodnik podvrgnut specificiranom trajnom naponu i određenim uvjetima okoliša


Uređaj za odspajanje odvodnikaUređaj za odspajanje odvodnika od mreže u slučaju kvara na njemu, kako bi se spriječio trajni kvar u mreži, te da se omogući vidljiva indikacija kvara odvodnikaTipska ispitivanjaTipska ispitivanja se rade nakon razvoja i dovršenja nove konstrukcije odvodnika prenapona kako bi se ustanovile njegove osobine i ispitala usklađenost s relevantnim standardima. Jednom izvršena, ova ispitivanja ne trebaju biti ponavljana osim ukoliko je izvršena promjena konstrukcije odvodnika prenapona. U tom slučaju potrebno je ponoviti samo odgovarajuća ispitivanja


Komadna ispitivanja

Ispitivanja izvršena na svakom odvodniku, dijelu ili materijalu, na zahtjev, da se osigura usklađenost proizvoda sa specifikacijama proizvođača

Nadzorna ispitivanja

Ispitivanja odvodnika ili reprezentativnih uzoraka, a koja su

dogovorena između proizvođača i kupca


PrenaponBilo koji vremensko ovisni napon između jedne faze i zemlje ili između faza, čija je tjemena vrijednost viša od tjemene vrijednosti najvišeg dopuštenog napona opreme

Privremeni prenaponi

Oscilatorni prenapon faza-faza ili faza-zemlja na određenom mjestu, relativno dugog trajanja, koji je neprigušen odnosno slabo prigušen


Faktor zemljospojaPri određenoj lokaciji trofaznog sistema i za zadanu konfiguraciju, faktor zemljospoja je odnos najveće efektivna vrijednosti napona industrijske frekvencije između faze i zemlje na zdravoj fazi, za vrijeme zemljospoja, i vrijednosti napona industrijske frekvencije na istom mjestu bez kvaraParcijalna pražnjenja

Električna pražnjenja koja se odvijaju samo u ograničenim dijelovima izolacije


Odvodnik s polimernim kućištem

Odvodnik prenapona čije je kućište načinjeno od polimernog materijala bez zračnih šupljina unutar kućišta, kao i između kućišta i metaloksidnih blokova

OČEKIVANI PARAMETRI ATMOSFERSKIH PRAŽNJENA - 1

Nužno je poznavanje parametara pražnjenja i značajki prenapona; na osnovu njih računajuelektrična naprezanja koja se javljaju na izolacijiopremeStatističke vrijednosti struja groma za prva i naredna pražnjenja negativnog polariteta preuzimaju se iz svjetskih istraživanja i (složenih) mjerenjaTablični ili analitički prikaz


Statističke vrijednosti parametra struje groma

Vjerojatnost 95 % 50 % 5 %

Udar prvi naredni prvi naredni prvi naredni

Tjemena struja (kA)

> 14 > 4,6 > 30 > 12 > 80 > 30

(di/dt)max(kA/μs)

> 5,5 > 12 > 12 > 40 > 32 > 120


Statistika pojave amplituda struja groma, američka organizacija IEEE

p(I )= 6.2)31

(1

1I

+Podjela atmosferskih prenapona:

Prenaponi zbog direktnih udaragroma u fazne vodičePrenaponi zbog indirektnih udara groma u okolišu voda (inducirani prenaponi)


Srednjenaponske mreže imaju relativno nisku razinu izolacijepa direktni udari u fazne vodiče ili stupove nadzemnih vodova bez zaštitnih vodiča uzrokuju preskoke preko izolatora. Prenaponi na vodičima ne ovise o mjestu udara groma.Struja groma koja teče svojim kanalom izaziva magnetsko polje u okolici koje djeluje na taj način da inducira napon na susjednim objektima. U slučaju udarca groma u blizini nadzemnog voda, induciraju se na vodičima prenaponi koji mogu nadmašiti njegovu izolacijsku čvrstoću. Sa stanovišta parametara prenapona koji su važni za zaštitu voda (npr. amplitude, strmine, energija) prenaponi uslijed direktnih udara bitno razlikuju od induciranih prenapona. Stoga je važno znati koliko je očekivanje događaja svakog od spomenutih vrsta prenapona. Broj očekivanih događaja ovisi bitno o izloženosti (eksponiranosti) vodova kao i zaštićenosti od obližnjih objekata, za oba slučaja.


Očekivani broj Nd direktnih udara u distribucijske vodove na godinu na 100 kilometara u područjuravnog terena može se procijeniti slijedećim izrazom [2]:

Nd = K0 .Ng .(b+10,5.H0,75 )⋅101 (/100 km,god) (2)

gdje su:

Ng - gustoća udara groma po km2 u jednoj godini H - prosječna visina voda (m) b - horizontalna udaljenost između vanjskih vodiča (m) K0 - koeficijent položaja voda prema susjednim objektima (orografski koeficijent), preporučuje se

uporaba faktora K0 =1,8


Veličina Ng dobiva se mjerenjem ili pomoću aproksimativne formule:

Ng =0.04.GD1,25 (/km2 ,god.)(GD - broj grmljavinskih dana, god.)Formula za proračun broja induciranih prenapona viših od vrijednostiU (u kV), koja je predložena od radne grupe 05 CIGRE/CIRED iznosi:

(/100 km, god.)

HNU

)c1(30LOG5.25.319,0N g

75.3

10i ⋅⋅⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −⋅

+=


Značenje parametara Ng i H jednako je onom u ranijoj formuli, dok je:c = faktor veze između zaštitnog vodiča (ako postoji) i faznih vodičaAko vod nema zaštitni vodič faktor c = 0. Ako je zaštitni vodič uzemljen na svakom stupu s otporom manjim od 50 Ω vrijednost faktora c kreće se između 0.3 i 0.4, što znači da zaštitni vodič reducira iznos prenapona za 30 do 40%.

BROJ INDUCIRANIH PRENAPONA NA VODU; H=10 M, Ng = 1/km2, g.

50

40

30

20

10

0

0 100 200 300 400 500

N i

U ( kV )SL. 1

ZAŠTITNI UREĐAJI OD ATMOSFERSKIH PRENAPONA

Zaštita od prenapona može se ostvariti na dva osnovna načina:smanjiti amplitudu i učestalost prenaponauzrokovanih atmosferskim pražnjenjima u točki njihova nastanka što se postiže postavljanjem zaštitnih vodiča kao i snižavanjem otpora uzemljenja stupovaograničiti visinu prenapona kod opreme koja je od njih ugrožena, što se osigurava odgovarajućom prenaponskom zaštitom

ZAŠTITNI VODIČI

U srednjenaponskim mrežama zaštitni vodičise ugrađuju samo na vodove nazivnognapona 35 kV. Na terenima višeg specifičnog otpora tlanjihova efikasnost je relativno mala, čak i za naponsku razinu 110 kV.

ZAŠTITNA ISKRIŠTA - 1

Razmak među elektroda (rogova) iskrišta podešava se tako da se u određenom trenutku omogući preskok između njenih krajeva. Stoga je oblik iskrišta tako konstruiran da se električni luk produži i na taj način ohladi, kako bi se isti lakše prekinuo. Treća se elektroda često umeće između dvije glavne kako bi se izbjegli neželjeni preskoci na susjedne objekte

Dimenzioniranje zaštitnog iskrišta se provodi na način da udaljenost između elektroda D omogući slijedeće ciljeve:ostvarivanje potrebne granice kp između podnosivogatmosferskog udarnog napona štićene opreme i preskočnognapona iskrišta (zaštitna razina)postizanje dovoljne granice kw između podnosivog napona pogonske frekvencije zaštitnog iskrišta (u vlažnim uvjetima) i najčešćeg naponskog naprezanja u mreži, kako bi se izbjegli nepotrebni preskoci

ZAŠTITNA ISKRIŠTA - 2

Za zaštitna iskrišta koja imaju udaljenost među elektrodama D između 20 i 90 mm, 50 % preskočni napon Ufo za val oblika 1.2/50 μs može se odrediti slijedećom formulom:

Ufo =K . D0,62 (kV)

gdje je D udaljenost među elektrodama u centimetrima, a K je faktor iskrišta (koji iznosi 30 odnosno 32 za pozitivni i negativni polaritet napona).Zaštitni nivo Up dobije se množenjem Ufo s faktorom 1,06.Podnosivi napon pogonske frekvencije u vlažnim uvjetima određuje se iz istog izraza ali se koristi faktor K=14.

PRIMJENA ZAŠTITNIH ISKRIŠTA

Primjer: u 20 kV mreži podnosivi atmosferski udarni napon opreme je 125 kV može se izabrati D= 50 mm, što vodi zaštitnom nivou Up =92 kV.Ipak kod podešavanja udaljenosti među elektrodama D treba biti oprezan zbog velikog odstupanja kod prorade iskrišta, što je uvjetovano klimatskim uvjetima (kiša, vjetar..) te oblikom prenaponskog vala. Naravno bitan faktor je i važnost štićene opreme. U svakom slučaju bilo bi poželjno prije odabira iskrišta izvršiti potrebna laboratorijska ispitivanja. U svakome slučaju bilo bi poželjno da sigurnosna granica kp između podnosivog atmosferskog udarnog napona štićene opreme i preskočnog napona iskrišta bude u granicama od 25 do 35 %.Zaštitna iskrišta se mogu koristiti u područjima niske grmljavinske aktivnosti, odnosno tamo gdje je izokerauničkinivo nizak (ispod 20).

KARAKTERISTIKE METALOKSIDNIH ODVODNIKA PRENAPONA, HEP - 1

Konstrukcija i ispitivanje MO odvodnika, te njihov izbor moraju biti usklađeni s najnovijim izdanjima IEC 60099-4 i 60099-5.Odvodnici prenapona mogu biti predviđeni za vanjsku ili unutrašnju ugradnju, na vertikalni ili horizontalni način Metaloksidni odvodnici prenapona trebaju imati slijedeće glavne karakteristike:konstrukcija odvodnika treba biti bez naprave za otpuštanje preporuča se primjena metaloksidnih odvodnika s polimernim kućištem, bez zračnih šupljina, u samom kućištu kao i između metaloksidnih blokova i kućišta

KARAKTERISTIKE METALOKSIDNIH ODVODNIKA PRENAPONA, HEP - 2

konstrukcija odvodnika mora sadržavati napravu za otpuštanje unutarnjeg pritiska u odvodniku ("pressure relief device")polimerni materijal vanjskog kućišta mora biti otporan na puznestruje i postojan na eroziju, stabilan na UV zračenja, uz iskustvo i praćenje kvalitete od najmanje 10 godina prianjanje između kućišta i metaloksidnih blokova treba biti dovoljno čvrsto, homogeno i otporno na termička naprezanja i utjecaje okoliša odvodnik kao i njegov spojni pribor moraju biti adekvatno zaštićeni od korozije

MAKSIMALNI TRAJNI RADNI NAPON UC ODVODNIKA - 1

Maksimalni trajni radni napon UC, predstavlja efektivnu vrijednost napona pogonske frekvencije (obično se u literaturi označava kao Mcov – ‘’maximum continuous operating voltage’’)

Određivanje UC ovisi o mjestu ugradnje MO odvodnika prenapona:između faze i zemljeizmeđu zvjezdišta transformatora i zemljeIzmeđu fazaOdređivanja napona UC temelji se na određivanju privremenih prenapona UTOV (TOV- "temporary overvoltage") te otpornosti MO odvodnika na te prenapone ovisno o njihovom trajanju.


Izbor karakteristike MO odvodnika je kompromis između:potrebe da njegov zaštitni nivo bude što niži da pri tome ne bude ugrožen od privremenih prenapona (TOV) koji bi ga mogli uništiti zbog dugog trajanja, tj. velike energije koja se razvija na odvodniku. Prihvatljive cijenePovišenje otpornosti na TOV postiže se izborom višeg nazivnog napona odvodnika, što znači da će njegov zaštitni nivo biti viši a time i slabija efikasnost prenaponske zaštite.

Uc ≥ )(t

Tov

TU


UTov se određuje na temelju mjerenja ili proračuna. Ili empirijskim putem:

Izolirano zvjezdište i zvjezdište uzemljeno preko otpornika, trajanje kvara manje od 10 s

UTov =kz·

Um maksimalni pogonski napon (za 123 kv, 38 kV, 24 kV, 12 kV) , a kz je faktor zemljospoja koji se određuje iz naredne tablice.

3

Um

FAKTORI ZEMLJOSPOJA

Um kV Un kV Zvjezdište, maksimalna struja I1p (A) Trajanje kvara Faktor zemljospoja kz 38 38 38 38

35 35 35 35

izolirano <300 700 1000

<10s <10s <10s <10s

1,9 1,8 1,7 1,6

38 38 38 38

30 30 30 30

izolirano <300 700 1000

<10s <10s <10s <10s

1,8 1,8 1,7 1,6

24 24 24

20 20 20

izolirano izolirano

<300

bez iskapčanja <10s <10s

1,8 1,7

12 12 12

10 10 10

izolirano izolirano

<300

bez iskapčanja <10s <10s

1,8 1,7

IZDRŽLJIVOST MO ODVODNIKA NA PRIVREMENE PRENAPONE

a

b

1,4

1,35

1,3

1,25

1,2

1,15

1,1

1,05

1 10 100 1000 10 000 t (s)

T

IZBOR NAZIVNE ODVODNE STRUJE IN

Standardne struje su 5, 10 (20) kANazivna struja 10 kA je praktički standardKoličina specifične energije koju odvodnik apsorbira određuje njegovu klasuVN postrojenja – posebni proračuniSN postrojenja – klasa 1

Cijena eksponencijalno raste s klasom! Klasa 2 – kondenzatorske baterije, dugi kabeliMinimalni zahtjev: > 2,5 kJ/kV Uc

POSTUPAK IZBORA ODVODNIKA PRENAPONA

odredi se trajni radni napon i (Uc) napon odvodnika, u ovisnosti o privremenim prenaponimaodredi se nazivna struja odvodnika od 5 kA ili 10 kAprovjerava se princip koordinacije izolacije, odnosno efikasnost zaštite štićene opremeu slučaju da MO odvodnik ne zadovoljava postupak se ponavlja uz izbor kvalitetnijeg odvodnikakontrolira se energetska podnosivost izabranog odvodnikaukupna ocjena prihvatljivosti uzimajući u obzir i cijenu MO odvodnika

ODBAIR ODVODNIKA PRENAPONA –GRAFIČKI PRIKAZ

K O N Z U L T IR A T I P R O I Z V O Đ A Č A

N E N O R M A L N IP O G O N S K I U V I J E T I

O D R E D I T I M A X . T R A J N I R A D N I N A P O N

O D A B R A T I U > T O Vr

O D A B R A T I U > cU mV 6

K O O R D IN A C I J A IZ O L A C I J EZ A Š T IT N I N I V O P R I H V A T L J I V ?

I Z B O R M O O P R IH V A T L H I V ? C I J E N A P R IH V A T L J I V A ?

K O N T R O L I R A T I E N E R G E T S K UP O D N O S I V O S T I Z A B R A N O G M O O

K O N Z U L T IR A T IK A T A L O G E P R O I Z V O Đ A Č A

P O D N O S I V I N A P O N I I Z O L A C I J E

O Č E K I V A N E A M P L I T U D E I S T R M IN E P R E N A P O N A

O D R E D I T I A M P L I T U D U I T R A J N J E T O V

O D R E D I T I E N E R G E T S K AN A P R E Z A N J A , k J / k V ( U )r

S L . 3 . K O M P L E T N I P O S T U P A K I Z B O R A O D V O D N I K A P R E N A P O N A

O D A B R A T I I = 5 - 1 0 k An

ZNAČAJKE ODVODNIKA U MREŽI 35 kV

Nazivni napon mreže (kV) 35 35 35 35 Maksimalni pog.napon (kV) 38 38 38 38

Zvjezdište, maksimalna I1k (A) 1000 700 <300 izolirano Trajanje kvara (s) <10 <10 <10 <10

Faktor zemljospoja 1,6 1,7 1,8 1,9 Otpornost T na TOV 1,3 1,3 1,3 1,3

Uc (kV) 27 29 31 32 Ur (kV) 33 36 40 40 In (kA) 10 10 10 10


Nazivni napon mreže (kV) 30 30 30 30 Maksimalni pog.napon (kV) 38 38 38 38

Zvjezdište, maksimalna I1k (A) 1000 700 <300 izolirano Trajanje kvara (s) <10 <10 <10 <10

Faktor zemljospoja 1,6 1,7 1,8 1,9 Otpornost T na TOV 1,3 1,3 1,3 1,3

Uc (kV) 27 29 31 31 Ur (kV) 33 36 40 40 In (kA) 10 10 10 10


Nazivni napon mreže (kV) 20 20 20 Maksimalni pog.napon (kV) 24 24 24

Zvjezdište, maksimalna I1k (A) <300 izolirano izolirano Trajanje kvara (s) <10 <10 bez iskapčanja

Faktor zemljospoja 1,7 1,8 1,8 Otpornost T na TOV 1,3 1,3 -

Uc (kV) 18 20 24 Ur (kV) 22 25 30 In (kA) 5/10 5/10 10


Nazivni napon mreže (kV) 10 10 10 Maksimalni pog.napon (kV) 12 12 12

Zvjezdište, maksimalna I1k (A) <300 izolirano izolirano Trajanje kvara (s) <10 <10 bez iskapčanja

Faktor zemljospoja 1,7 1,8 1,8 Otpornost T na TOV 1,3 1,3 -

Uc (kV) 9 10 12 Ur (kV) 11 13 15 In (kA) 5/10 5/10 10

PRENAPONSKA ZAŠT. TS 35/10 kV-1

35 kV

10 kV

SLIKA 4


10 kV35 kV

SLIKA 5


10 kV35 kV

SLIKA 6


10 kV

35 kV

SLIKA 7

PRENAPONSKA ZAŠTITA TS 10(20)/0.4

10(20) kV 0,4 kV

SLIKA 9

EFIKASNOST ZAŠTITE MO ODVODNICIMA - 1

Preostali napon na stezaljkama odvodnika se uvećava zbog refleksija upadnog prenapona na priključnim vodičima, minimizirati ihProblem – dužina priključka + strmina čelaoprema i odvodnik prenapona se spajaju na isti uzemljivač, sa što kraćim priključnim vodičimaudaljenost (a) između odvodnika i štićene opreme mora biti što kraća

EFIKASNOST ZAŠTITE MO ODVODNICIMA, GRANIČNA DUŽINA

LN =

cs

UUU dzni .2

)( +−

Ui - podnosivi udarni napon izolacije (kV)Uzn - udarni zaštitni nivo odvodnika (kV)Ud - dodatni napon na priključnim vodičimac - brzina širenja prenaponskog vala na vodus - strmina prenaponskog vala (kV/μs)

NAČIN MONTAŽE

a

1b

UpUa = Up + U

2b

b = b + b1 2

SLIKA 10

TIPIČNE ZAŠTITNE ZONE

10-12 metara za mreže maksimalnog pogonskog napona UM = 12 kV14-16 metara za mreže maksimalnog pogonskog napona UM = 24 kV18-20 metara za mreže maksimalnog pogonskog napona UM = 38 kV

projektiranje elektriČnih postrojenja - v · pdf fileodvodnici prenapona – osnovni...

Documents