vpliv elektriČnega omreŽja na delovanje … · univerza v mariboru fakulteta za elektrotehniko,...
TRANSCRIPT
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,
RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO
Aleš Kolbl
VPLIV ELEKTRIČNEGA OMREŽJA NA
DELOVANJE PRENAPETOSTNE ZAŠČITE
Magistrsko delo
Maribor, februar 2015
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
Magistrsko delo
Študent: Aleš Kolbl
Študijski program: Študijski program 2. Stopnje
Elektrotehnika
Smer: Močnostna elektrotehnika
Mentor: red. prof. dr. Jože Pihler
Somentor: asist. dr. Janez Ribič
i
ii
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne
zaščite
Ključne besede: prenapetostna zaščita, dolžina vodnikov, prenapetosti
UDK: 621.311.1:621.316.91(043.2)
Povzetek
V magistrskem delu je opisan postopek izbire in delovanje notranje ter zunanje
prenapetostne zaščite. Podrobno je predstavljen izvor strele in ostalih prenapetosti, ki se
pojavljajo v okolici ali v samih objektih. Cilj magistrske naloge je, s pomočjo simulacij v
programskem paketu Matlab/Simulink, ugotoviti vpliv parametrov kabla v električnih
inštalacijah, na delovanje prenapetostne zaščite. Simulacije so se izvajale za realen primer,
na razdalji od transformatorske postaje do porabnika. Simulacije so bile opravljene za
primere brez prenapetostne zaščite, za primere z eno vrsto prenapetostne zaščite (plinski
odvodnik oz. metal-oksidni varistor) in za primer uporabe obeh prenapetostnih zaščit.
iii
Influence of electrical network to overvoltage protection
operation
Key words: overvoltage protection, conductor length, overvoltage
UDK: 621.311.1:621.316.91(043.2)
Abstract
This master's thesis presents the process of selection as well as functioning of internal and
external overvoltage protection. The origin of lightning and other forms of overvoltage,
which are emerging in surrounding areas or within facilities themselves, are presented in
detail. The purpose of this master's thesis is, with the help of simulations in programme
package Matlab/Simulink, to find out the influence of cable parameters in electrical
installations on the functioning of overvoltage protection. Simulations have been
conducted for a real example, at a distance from the transformer station to the user.
Simulations have been carried out for examples without overvoltage protection, for
examples with only one kind of overvoltage protection (gas arrester or metal-oxide
varistor) as well as for examples with the use of both overvoltage protections.
iv
ZAHVALA
Zahvalil bi se mentorju red. prof. dr. Jožetu
Pihlerju in somentorju asist. dr. Janezu Ribiču za
vso pomoč in usmerjanje pri pisanju te naloge.
Posebna zahvala gre Petri in družini, ki so mi stali
ob strani in me spodbujali ves čas študija.
v
Vsebina
1 UVOD ............................................................................................................................ 1
2 PRENAPETOSTI IN PRENAPETOSTNE ZAŠČITE ............................................. 3
2.1 Definicije prenapetosti ....................................................................................................................... 3
2.2 Prenapetosti z notranjim izvorom .................................................................................................... 5
2.2.1 Zemeljski stik ................................................................................................................................... 5
2.2.2 Stikalne manipulacije ....................................................................................................................... 5
2.3 Vpliv tujega omrežja .......................................................................................................................... 6
2.4 Atmosferske prenapetosti .................................................................................................................. 6
2.4.1 Nastanek strele ................................................................................................................................. 7
2.4.2 Lastnosti strel ................................................................................................................................. 10
2.5 Prenapetostna zaščita ....................................................................................................................... 13
3 NAČRTOVANJE STRELOVODNE IN PRENAPETOSTNE ZAŠČITE ........... 14
3.1 Strelovodna zaščita ........................................................................................................................... 15
3.2 Izvori in vrste poškodb ter vrste izgub ob udaru strele ................................................................ 16
3.2.1 Verjetnost nastanka poškodb na objektih ob udaru strele .............................................................. 17
3.2.2 Izgube zaradi udara strel ................................................................................................................ 17
3.3 Dimenzioniranje strelovodne zaščite .............................................................................................. 19
3.3.1 Lovilni sistem ................................................................................................................................ 20
3.3.2 Pomožni deli lovilnega sistema ...................................................................................................... 22
3.3.3 Odvodni sistem .............................................................................................................................. 22
3.3.4 Ozemljitveni sistem ....................................................................................................................... 25
3.4 Notranja prenapetostna zaščita....................................................................................................... 25
3.4.1 Koncept zaščitnih prenapetostnih con ............................................................................................ 25
3.4.2 Izenačitev potenciala ...................................................................................................................... 27
3.4.3 Izenačitev potenciala na meji med LPZ 0A in LPZ 1 ..................................................................... 29
3.4.4 Izenačitev potenciala na meji med LPZ 1 in LPZ 2 ....................................................................... 31
3.5 Izbira in montaža prenapetostne zaščite (SPD) ............................................................................. 32
vi
3.5.1 Karakteristične lastnosti prenapetostne zaščite .............................................................................. 35
3.5.2 Iskrišča in varistorji........................................................................................................................ 36
3.5.3 Uporaba prenapetostne zaščite v različnih sistemih ....................................................................... 38
3.5.4 Uporaba SPD-jev v TN – sistemu .................................................................................................. 40
3.5.5 Uporaba SPD-jev v TT – Sistemu .................................................................................................. 41
3.5.6 Uporaba SPD-jev v IT – Sistemu ................................................................................................... 42
3.5.7 Načrtovanje dolžine priključnih kablov za SPD ............................................................................ 42
3.5.8 Posebnosti pri montaži SPD-jev .................................................................................................... 47
3.5.9 Nekaj primerov montaže SPD-jev ................................................................................................. 48
3.6 Vodniki in kabli ................................................................................................................................ 50
3.6.1 Vrste električnih vodnikov in kablov ............................................................................................. 51
3.6.2 Električne lastnosti kablov in vodnikov ......................................................................................... 54
3.6.3 Dimenzioniranje vodnikov in kablov ............................................................................................. 56
3.6.4 Oklopljanje kablov ......................................................................................................................... 64
3.6.5 Zaščitni vodniki PE ........................................................................................................................ 68
3.6.6 Vodnik PEN ................................................................................................................................... 68
3.6.7 Vodniki za zaščitno izenačitve potencialov ................................................................................... 69
4 MATEMATIČNI MODEL PRENAPETOSTNE ZAŠČITE IN OMREŽJA ...... 71
4.1 Modeli virov prenapetosti ................................................................................................................ 71
4.2 Matematični model plinskega odvodnika v Matlab/Simulink ...................................................... 73
4.3 Nizkonapetostni ZnO prenapetostni odvodnik .............................................................................. 78
4.4 Matematični model omrežja ............................................................................................................ 79
5 VPLIV ELEKTRIČNEGA OMREŽJA NA DELOVANJE PRENAPETOSTNE
ZAŠČITE ............................................................................................................................ 80
5.1 Primer 1: Brez prenapetostne zaščite ............................................................................................. 81
5.2 Primer 2: Uporabljen samo plinski odvodnik ................................................................................ 87
5.3 Primer 3: Uporabljen samo MOV .................................................................................................. 94
5.4 Primer 4: Uporabljena plinski odvodnik in MOV......................................................................... 98
5.5 Povzetek rezultatov ........................................................................................................................ 101
vii
6 SKLEP ....................................................................................................................... 102
7 LITERATURA ......................................................................................................... 104
PRILOGA A ..................................................................................................................... 106
PRILOGA B ..................................................................................................................... 107
PRILOGA C ..................................................................................................................... 109
viii
Slike
Slika 2.1: Vzroki za nastanek prenapetosti [8] .................................................................................................. 4
Slika 2.2: Karta gostote strel [25] ...................................................................................................................... 7
Slika 2.3: Ločevanje naboja v nevihtnem oblaku [25] ...................................................................................... 8
Slika 2.4: Negativen (levo) in pozitiven (desno) blisk oblak – zemlja [3] ........................................................ 9
Slika 2.5: Negativen (levo) in pozitiven (desno) blisk zemlja – oblak [3] ........................................................ 9
Slika 2.6: Tokovni udarni val strele z nekaterimi osnovnimi podatki [8] ........................................................ 11
Slika 2.7: Polni atmosferski val oblike 1,2/50 µs [8] ...................................................................................... 12
Slika 2.8: Razporeditev potenciala pri udaru strele v homogena tla [3] .......................................................... 12
Slika 3.1: Število nevihtnih dni v enem letu v Sloveniji [12] .......................................................................... 15
Slika 3.2: Sestavni deli strelovoda [3] ............................................................................................................. 19
Slika 3.3: Primer uporabe metode kotaleče krogle na pomanjšani maketi objekta [3] .................................... 20
Slika 3.4: Zaščitni kot in primerljiv premer LPS krogle [3] ............................................................................ 21
Slika 3.5: Lovilni sistem po metodi mreže vodnikov [3] ................................................................................ 22
Slika 3.6: Izvedba odvodov [3] ....................................................................................................................... 24
Slika 3.7: Izvedba merilnega spoja .................................................................................................................. 24
Slika 3.8: Vrste ozemljil [8] ............................................................................................................................ 25
Slika 3.9: Zaščitna območja pred učinki elektromagnetnih impulzov strele [8].............................................. 26
Slika 3.10: Mreža povezav pri izvedbi izenačitve potenciala [3] .................................................................... 28
Slika 3.11: Izenačitev potenciala, ko oskrbovalni vodi vstopajo v eni točki [13] ........................................... 30
Slika 3.12: Izenačitev potenciala, ko oskrbovalni vodi vstopajo v različnih točkah [3] .................................. 30
Slika 3.13: Prenapetostni odvodnik na meji med LPZ 0A – 1 [3] .................................................................... 31
Slika 3.14: Prenapetostna zaščita v električni razdelilni omarici (levo) in pri vtičnici (desno) [3] ................. 31
Slika 3.15: Prikaz delovanja »verige« prenapetostne zaščite [13] ................................................................... 34
Slika 3.16: Poškodba stikala RCD zaradi prenapetosti [3] .............................................................................. 41
Slika 3.17: Priklop prenapetostne zaščite v obliki črke V [3] .......................................................................... 43
Slika 3.18: Priklop prenapetostne zaščite v linijski odcep [3] ......................................................................... 43
Slika 3.19: Prenapetostni odvodnik tipa 2 z integrirano predzaščito [3] ......................................................... 44
Slika 3.20: Priporočene priključne razdalje prenapetostne zaščite v linijskih odcepih [3] .............................. 44
Slika 3.21: Omejena napetost ob različnih dolžinah priključnega kabla [3] ................................................... 45
Slika 3.22: Z vidika porabnika neugodno vodenje vodnikov [3] ..................................................................... 45
Slika 3.23: Z vidika porabnika ugodno vodenje vodnikov [3] ........................................................................ 45
Slika 3.24: Montaža prenapetostne zaščite in posledična dolžina priključnega kabla [3] ............................... 46
Slika 3.25: Vodenje vodnikov [3].................................................................................................................... 47
Slika 3.26: Pravilna montaža [3] ..................................................................................................................... 48
Slika 3.27: Najpogostejša montaža [3] ............................................................................................................ 49
Slika 3.28: Napačno izvedena izenačitev potenciala [3] ................................................................................. 49
Slika 3.29: Napačno vodenje vodnikov [3] ..................................................................................................... 50
ix
Slika 3.30: Nadomestno vezje kabla [9] .......................................................................................................... 51
Slika 3.31: Osnovni elementi kabla [9] ........................................................................................................... 51
Slika 3.32: Homogeni vodniki v kablu in nehomogeni ter homogeni vodnik [9] ............................................ 52
Slika 3.33: Okrogli in žičnati vodnik [9] ......................................................................................................... 53
Slika 3.34: Več porabnikov na enem tokokrogu ............................................................................................. 61
Slika 3.35: Brez ozemljitve oklopa [3] ............................................................................................................ 64
Slika 3.36: Obojestranska ozemljitev oklopa [3] ............................................................................................. 65
Slika 3.37: Na eni strani direktno in na drugi preko plinskega prenapetostnega odvodnika ozemljen kabelski
oklop [3] ................................................................................................................................................. 66
Slika 3.38: Priključitev kabelskega oklopa [3] ................................................................................................ 67
Slika 3.39: Primer obojestranske ozemljitve oklopa [3] .................................................................................. 67
Slika 3.40: Primer določitve prereza vodnika dodatne zaščitne izenačitve potencialov Sb med dvema
izpostavljenima prevodnima deloma [17] .............................................................................................. 69
Slika 3.41: Primer določitve prereza vodnika dodatne izenačitve potencialov Sb izpostavljenega prevodnega
dela M in tujega prevodnega dela [17] ................................................................................................... 70
Slika 4.1: Faze delovanja modela plinskega odvodnika v Simulinku [8] ........................................................ 74
Slika 4.2: Blok Distributed parameter line blok za 1, 3 in 6 fazno omrežje [10] ............................................ 79
Slika 5.1: Shema vezave matematičnih modelov prenapetostne zaščite in omrežja v programskem paketu
Matlab/Simulink .................................................................................................................................... 80
Slika 5.2: Shema vezave matematičnih modelov brez prenapetostne zaščite .................................................. 81
Slika 5.3: Shema vezave matematičnih modelov s plinskim odvodnikom ...................................................... 87
Slika 5.4: Shema vezave matematičnih modelov z MOV ............................................................................... 94
Tabele
Tabela 2.1: Nazivne in najvišje obratovalne napetosti [13] ............................................................................... 3
Tabela 2.2: Pregled maksimalnih vrednosti parametrov toka strele glede na različne zaščitne nivoje [8] ...... 10
Tabela 3.1: Velikost okna in polmera krogla v odvisnosti od razreda zaščite [3] ........................................... 21
Tabela 3.2: Tipične razdalje med odvodi glede na razred zaščite [22] ............................................................ 23
Tabela 3.3: Pregled lastnosti posameznih stopenj zaščitnih naprav [8] ........................................................... 33
Tabela 3.4: Lastnosti zaščitnih elementov [8] ................................................................................................. 35
Tabela 3.5: Barve žil v kablu z zaščitnim vodnikom [16] ............................................................................... 53
Tabela 3.6: Barve žil v kablu brez zaščitnega vodnika [16] ............................................................................ 53
Tabela 3.7: Vrednosti konstante K za žičnate vodnike pri frekvenci 50 Hz .................................................... 56
Tabela 3.8: Parametri nizko napetostnih kablov, podani s strani proizvajalca [5] .......................................... 57
Tabela 3.9: Najmanjši dovoljeni prerezi vodnikov za različne načine polaganja in namen tokokroga [19] ... 62
Tabela 3.10: Induktivna in ohmska upornost kablovodov za frekvenco 50 Hz ............................................... 63
Tabela 3.11: Specifična upornost različnih materialov [3] .............................................................................. 65
Tabela 4.1: Parametri vira udarne napetosti .................................................................................................... 73
x
Tabela 4.2: Parametri uporabljenega plinskega odvodnika ............................................................................. 78
Grafi
Graf 4.1: Prikaz napetosti in toka združene izmenične in udarne napetosti .................................................... 72
Graf 5.1: I in u na bremenu (porabniku) v omrežju s podatki proizvajalca kablov, brez LPS......................... 82
Graf 5.2: I in u na bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in induktivnosti, brez LPS ................. 83
Graf 5.3: : I in u na bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in induktivnosti, brez LPS ........... 83
Graf 5.4: : I in u na bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti,
brez LPS ................................................................................................................................................. 84
Graf 5.5: : I in u na bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti, brez
LPS ........................................................................................................................................................ 85
Graf 5.6: I in u na bremenu v omrežju z dvojno razdaljo med elementi omrežja, brez LPS ........................... 86
Graf 5.7: I in u na bremenu v omrežju s polovično razdaljo med elementi omrežja, brez LPS ...................... 86
Graf 5.8: U na PO in bremenu v omrežju s podatki proizvajalca kablov ........................................................ 88
Graf 5.9: I na PO in bremenu v omrežju s podatki proizvajalca kablov .......................................................... 88
Graf 5.10: U na PO in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in induktivnosti ........................... 89
Graf 5.11: I na PO in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in induktivnosti ............................. 89
Graf 5.12: U na PO in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in induktivnosti ....................... 90
Graf 5.13: I na PO in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in induktivnosti ........................ 91
Graf 5.14: U na PO in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti
............................................................................................................................................................... 91
Graf 5.15: U na PO in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti ... 92
Graf 5.16: U na PO in bremenu v omrežju z dvojno razdaljo med elementi omrežja ..................................... 93
Graf 5.17: U na PO in bremenu v omrežju s polovično razdaljo med elementi omrežja ................................ 93
Graf 5.18: U na MOV in bremenu v omrežju s podatki proizvajalca kablov .................................................. 95
Graf 5.19: I na MOV in bremenu v omrežju s podatki proizvajalca kablov .................................................... 96
Graf 5.20: U na MOV in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in induktivnosti ....................... 96
Graf 5.21: I na MOV in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in induktivnosti ......................... 97
Graf 5.22: U na MOV in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in induktivnosti ................... 97
Graf 5.23: I na MOV in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in induktivnosti .................... 98
Graf 5.24: I na PO, MOV in bremenu v omrežju s podatki proizvajalca kablov ............................................. 99
Graf 5.25: I na PO, MOV in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in induktivnosti ................ 100
Graf 5.26: I na PO, MOV in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in induktivnosti ........... 100
Graf B.1: I na PO in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti 107
Graf B.2: I na PO in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti .... 107
Graf B.3: I na PO in bremenu v omrežju z dvojno razdaljo med elementi omrežja ...................................... 108
Graf B.4: I na PO in bremenu v omrežju s polovično razdaljo med elementi omrežja ................................. 108
xi
Graf C.1: U na MOV in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti
............................................................................................................................................................. 109
Graf C.2: I na MOV in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti
............................................................................................................................................................. 109
Graf C.3: U na MOV in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti
............................................................................................................................................................. 110
Graf C.4: I na MOV in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti 110
Graf C.5: U na MOV in bremenu v omrežju z dvojno razdaljo med elementi omrežja ................................ 111
Graf C.6: I na MOV in bremenu v omrežju z dvojno razdaljo med elementi omrežja .................................. 111
Graf C.7: U na MOV in bremenu v omrežju s polovično razdaljo med elementi omrežja ............................ 112
Graf C.8: I na MOV in bremenu v omrežju s polovično razdaljo med elementi omrežja ............................. 112
xii
Uporabljeni simboli
A presek vodnika [mm2]
AD zbirna površina objekta [m2]
C kapacitivnost [μF/km]
D premer zunanje izolacije [mm]
d premer vodnika [mm]
di/dt strmina čela udarnega toka strele [kA/μs]
f frekvenca [Hz]
H0 višina objekta [m]
I bremenski tok [A]
If udarni tok [kA]
Iimp impulzni tok
imax temenska vrednost toka strele [kA]
iodv odvedeni tok [A]
K konstanta odvisna od števila žic v vodniku
k' faktor prenapetosti
kc faktor porazdelitve toka strele po odvodih
ki faktor indukcije
km faktor materiala
kt Toeplerjeva "konstanta" [Vs/m]
ku faktor povečanja maksimalne napetosti
L induktivnost [mH/km]
Ng gostota strel proti zemlji [1/km2∙leto]
P električna moč porabnika [W]
P0 Mayrjeva konstanta moči [W]
Pu odstotni delež strel tipa zemlja - oblak [%]
Qstrele naboj toka strele [C]
R upornost [Ω]
R20 DC upornost vodnika pri temperaturi 20 °C [Ω/km]
Rac AC upornost pri delovni temperaturi [Ω/km]
RB skupna ozemljitvena upornost zaporedno vezanih ozemljil [Ω]
RE najmanjša upornost dotika z zemljo prevodnih predmetov [Ω]
xiii
RKh upornost kabelskega oklopa [Ω]
Rs ohmska upornost [Ω/km]
Rs0 upornost odprtega stikala [Ω]
RT sprejemljivo tveganje nastanka škode
Rt DC upornost vodnika pri temperaturi t [Ω/km]
Rx tveganje nastanka škode
s osnovna razdalja med vodniki v kablu [mm]
Sb prerez zaščitnega vodnika [mm2]
t debelina strešne površine [mm]
t delovna temperatura [°C]
t' debelina strešne površine [mm]
T1 čas naraščanja čela toka strele [s]
T2 razpolovni čas hrbta toka strele [s]
TD število nevihtnih dni v letu
ttr trenutek proženja [s]
u% odstotni padec napetosti [%]
U0 nazivna napetost proti zemlji [V]
Uarc Cassiejeva napetost [V]
udin dinamičen padec napetosti [V]
udin1 dinamičen padec napetosti na fazni strani priklopa prenapetostne zaščite [V]
udin2 dinamičen padec napetosti na ozemljitveni strani priklopa prenapetostne
zaščite [V]
Uges omejena napetost na porabniku [V]
UISO izolacijska trdnost [V]
Umax maksimalna napetost [V]
Up nivo zaščite prenapetostne zaščite
Ures preostala napetost [V]
usp omejevalna napetost prenapetostne zaščite [V]
Uw udarna napetost [V]
W/R specifična energija toka strele [MJ/Ω]
X reaktanca [Ω/km]
Xs induktivna upornost [Ω/km]
xiv
Z impedanca [Ω/km]
Zc valovna impedanca [Ω/km]
α zaščitni kot lovilne palice [°]
α temperaturni koeficient
αu0 začetni kot napetosti
εr relativna dielektrična konstanta izolacijskega materiala
λ specifična prevodnost kovine vodnika [Sm/mm2]
ν hitrost širjenja valovanja
ρ specifična upornost materiala [Ωm]
σ specifična prevodnost [Sm/mm2]
τ Mayrjeva časovna konstanta [s]
τ1 časovna konstanta čela udarnega vala [s]
τ2 časovna konstanta hrbta udarnega vala [s]
xv
Uporabljene kratice
AC izmenični tok (Alternate Current)
D vrste poškodb ob udaru strele
DC enosmerni tok [Direct Current)
GDA plinski odvodnik (Gas Discharge Arrester)
L fazni vodnik
LEMP elektromagnetni udar strele (Lightning ElectroMagnetic imPulse)
LPS sistem zaščite pred delovanjem strele (Lightning Protection System
LPZ zaščitno območje pred učinki strele (Lightning Protection Zone
MOV metal oksidni prenapetostni odvodnik (Metal - Okside Varistor)
N nevtralni vodnik
NN nizkonapetostno
P verjetnost nastanka škode
PE zaščitni vodnik
PEN zaščitno - nevtralni vodnik
PVC polivinilklorid
R tveganje nastanka poškodbe ob udaru strele
RCD diferenčna tokovna naprava (Residual Current Device)
S mesto udara strele
SPD prenapetostna zaščitna naprava (Surge Protection Device)
ZnO cinkov oksid
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
1
1 UVOD
Prav gotovo si je že vsak postavil vprašanje, kako nastane strela in kako pred njo najbolje
varovati osebe in objekte. S podobnimi vprašanji se ne ukvarjajo samo laiki, temveč tudi
znanstveniki, ki bi ta pojav radi razvozlali in s tem dobili odgovore ter rešitve. .
Da so strele nenavaden in star pojav, dokazuje dejstvo, da so jih v daljni preteklosti
povezovali z bogovi. O tem priča tudi kipec iz 10. stoletja, ki so ga našli na Islandiji in je v
obliki nordijskega boga groma z imenom Thor, za katerega so verjeli, da na zemljo pošilja
strele [2].
Ko govorimo o strelah in njihovi zgodovini, nikakor ne smemo pozabiti na Benjamina
Franklina, ki je živel v 18. stoletju in je bil ameriški državnik, tiskar, pisatelj in
znanstvenik. Leta 1752 je med nevihto spuščal zmaja, ko mu je po mokri vrvici stekel
naboj iz nevihtnega oblaka v kondenzator, ki ga je napolnil. Na osnovi tega je sklepal, da
je statična elektrika povzročila iskro in da so strele neke vrste iskre, s tem pa je dokazal, da
je strela električni pojav. Na osnovi raznih poskusov je leta 1753 patentiral strelovod.
Večje raziskave nevihtnih oblakov in strel so se ponovno pričele med drugo svetovno
vojno z razvojem letal in radarjev, ker so povzročale škodo in ovirale vojaške operacije ter
povzročile smrt mnogih ljudi.
V današnjih časih, ko prihaja do klimatskih sprememb in posledično do pogostih pojavov
ter udarov strel, se premalo posvečamo zaščiti pred njimi. Najpogosteje za zaščito pred
udarom strele uporabljamo strelovod in ob tem pozabljamo, da strela lahko povzroči veliko
škode tudi ob indirektnem udaru. Zaradi indirektnega udara lahko pride v objektu do
prenapetostnega vala, ki nam lahko poškoduje in uniči električne in elektronske naprave,
česar pa si prav gotovo ne želimo. Do prenapetosti lahko pride tudi zaradi stikalnih
manipulacij v energetskem omrežju, na katerega pa nimamo vpliva.
Zaradi vedno večje ogroženosti pred udari strel in prenapetostmi, smo za temo magistrske
naloge izbrali prav prenapetostno zaščito ter vplive parametrov in dolžin kablov na njeno
delovanje, saj menimo, da to področje ni dovolj raziskano.
Cilj magistrskega dela je ugotoviti, kako vplivajo parametri in dolžina kablov na delovanje
prenapetostne zaščite, kjer smo se osredotočili predvsem na prenapetostni odvodnik in
metal – oksidni varistor. Pozornost smo namenili toku in napetosti, ki tečeta skozi
elemente prenapetostne zaščite.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
2
V prvem delu magistrske naloge smo opisali vrste in nastanke prenapetosti, saj poznamo
več vrst prenapetosti. Prav tako smo opisali načine varovanja oseb in objektov pred udari
strel in prenapetostmi, saj sta ti dve področji med seboj tesno povezani. V nadaljevanju
smo predstavili na kaj vse moramo biti pozorni pri izbiri in določanju pravilne zaščite pred
udari strele in prenapetostmi. Ker se v magistrski nalogi ukvarjamo tudi s vplivom dolžine
vodnikov med prenapetostno zaščito, smo na kratko opisali tudi električne vodnike in
kable, ter kako jih moramo dimenzionirati.
Glavni del magistrske naloge prestavlja izvedba simulacij v programskem paketu
Matlab/Simulink na realnem primeru, s pomočjo katerih smo lahko ugotavljali vpliv
parametrov kablov na pravilno delovanje prenapetostne zaščite. Za vse uporabljene
elemente omrežja smo uporabili matematične modele, ki so opisani v četrtem poglavju.
Simulacije smo izvajali za primer električnega omrežja od transformatorske postaje pa do
porabnika. Najprej smo opravili simulacijo brez prenapetostne zaščite in spreminjali
vrednosti parametrov kablov. Potem smo opravili simulacijo s plinskim odvodnikom, ki
smo ga namestili v glavno priključno električno omarico. Sledile so simulacije, kjer smo
uporabili samo metal-oksidni varistor, ki je bil nameščen v notranji razdelilni omarici. Na
koncu smo simulirali še omrežje z uporabo obeh prenapetostnih zaščitnih naprav. Rezultati
vseh simulacij se predstavljeni v petem poglavju.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
3
2 PRENAPETOSTI IN PRENAPETOSTNE ZAŠČITE
Prenapetosti delimo glede na njihov izvor, ki so lahko notranji ali zunanji. Pri notranjih
izvorih prenapetosti najpogosteje omenjamo stikalne prenapetosti, pri zunanjih pa
atmosferske prenapetosti. V tem poglavju bomo podrobneje predstavili izvore prenapetosti
in naloge prenapetostne zaščite.
2.1 Definicije prenapetosti
Slovensko elektroenergetsko omrežje deluje z omrežno frekvenco 50 Hz na različnih
napetostnih nivojih, ki jih določa standard SIST IEC 60038 [24]. Standard podaja nazivne
napetosti omrežja in dovoljena odstopanja, kot je prikazano v tabeli 2.1.
Tabela 2.1: Nazivne in najvišje obratovalne napetosti [13]
Nazivna napetost
omrežja Odstopanje
Najvišja napetost
opreme
Nazivna napetost omrežja od
100 V do 1000 V (nizka
napetost)
230 V ±10 % -
400 V ±10 % -
1000 V ±10 % -
Nazivna napetost omrežja od 1
kV do 35 kV (srednja napetost)
3 kV ±10 % 3,6 kV
6 kV ±10 % 7,2 kV
10 kV ±10 % 12 kV
20 kV ±10 % 24 kV
35 kV ±10 % 38 kV (40,5 kV)1
Nazivna napetost omrežja od 35
kV do 230 kV (visoka napetost)
110 kV - 123 kV
220 kV - 245 kV
Nazivna napetost omrežja je po standardu določena kot medfazna napetost za katero je
zgrajeno omrežje predvideno. Napetost, ki jo inštalirane naprave ob izrednih dogodkih še
prenesejo brez večjih poškodb in okvar, imenujemo najvišja napetost omrežja in je
določena za naprave, ki se uporabljajo v omrežjih.
V primeru, da pride zaradi kratkotrajnega izrednega dogodka do večjega odstopanja
nazivne napetosti omrežja, kot je to dovoljeno oz. pride do povečanja napetosti med
posameznimi deli omrežja, govorimo o prenapetostih, ki jih lahko razdelimo med notranje
in zunanje pojave. Med notranje pojave štejemo pojave na elektroenergetskem omrežju,
kot so stikalne manipulacije oz. prenapetosti, med zunanje vplive pa štejemo vplive drugih
1 Poenotenje teh vrednosti je v pripravi (SIST IEC 60038).
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
4
omrežij in atmosferske razelektritve, ki so tudi najpogostejši vzrok prenapetosti. Na sliki
2.1 je prikazana podrobnejša razdelitev prenapetosti, kjer modri kvadratki predstavljajo
prenapetosti, ki se pojavljajo v objektih [8].
Prenapetosti
Zunanji vzroki Notranji vzroki
Vplivi tujega omrežja
Atmosferske prenapetosti
Stikalne manipulacije
Vklop neobremenjenega prenosnega voda
Zemeljski kratki stik
Delovanje zaščite
Izguba bremena
Ferrantijev pojav
Nasičenje magnetnih jeder
V resonančno ozemljenem
omrežju
V omrežju z izolirano
nevtralno točko
Slika 2.1: Vzroki za nastanek prenapetosti [8]
Prenapetosti imajo značilne lastnosti [12]:
amplituda prenapetosti, je običajno podana s faktorjem prenapetosti proti zemlji k',
ki znaša
max
2' 1,225
3
max Uk
U
U
U
(2.1)
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
5
verjetnost nastopa prenapetosti, nam pomaga pri dimenzioniranju prenapetostne
zaščite, saj nam pove koliko je verjeten nastanek prenapetosti. Podatke
pridobivamo z beleženjem nastanka prenapetosti v preteklosti.
čas trajanja, je pomemben podatek saj z njegovo pomočjo pridobimo podatek o
energiji prenapetosti, ki jo dobimo iz višine napetosti in dolžine trajanja. Čas
trajanja prenapetosti podajamo z razpolovnim časom oz. časom hrbta, ki nam pove
kdaj pade napetost na polovico najvišje vrednosti, saj je čas prenapetosti zelo težko
določiti.
oblika in strmina čela, je odvisna predvsem od vrste prenapetosti in je podana v
kV/µs.
2.2 Prenapetosti z notranjim izvorom
Prenapetosti z notranjim izvorom poznamo več vrst, kot je razvidno iz slike 2.1. V
nadaljevanju smo se osredotočili na prenapetosti z notranjim izvorom, ki so posledica
zemeljskega stika in stikalnih manipulacij.
2.2.1 Zemeljski stik
Enofazni zemeljski stik je najpogostejša okvara trifaznega izmeničnega omrežja. Na obliko
toka kratkega stika in prenapetost, ki se lahko pojavi, vpliva predvsem ozemljitev
nevtralne točke. V omrežju, ki je togo ozemljeno, kratkostični tok izklopi zaščita. Ob
pomanjkanju trajne povezave med nevtralno točko in zemljo, ali v primeru, da je z zemljo
povezana preko tuljave ob enofaznem zemeljskem kratkem stiku, skozi mesto kratkega
stika steče kratkostični tok, ki premakne tudi nevtralno točko zvezdišča napetosti. V
primeru čistega enofaznega kovinskega zemeljskega stika, pade napetost okvarjene faze na
potencial zemlje, enofazna dozemna napetost zdravih faz pa naraste na medfazno linijsko
napetost. Ko imamo togo ozemljeno nevtralno točko, kot je npr. nevtralna točka sekundarja
distribucijskega transformatorja, ali pa imamo preko nizko ohmskega upora posredno
ozemljene nevtralne točke, je potencial zvezdišča fiksiran, kar pomeni, da ob pojavu
enofaznega zemeljskega stika, dozemne napetosti zdravih faz ne rastejo. [8]
2.2.2 Stikalne manipulacije
Do njih prihaja zaradi vklopov in izklopov stikalnih naprav. Da bi zmanjšali prehodni
pojav bi morali stikalo izklopiti pri prehodu toka skozi vrednost 0. Trajanje prenapetosti je
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
6
v časovnem razponu med mikrosekundami (µs) in milisekundami (ms), saj material
običajno reagira v časovnem oknu ms. Zaradi tega je zelo pomembno pravilno
konstruiranje stikal. Vzroke za vklope in izklope lahko v grobem razdelimo na tri sklope:
obratovalni vklopi in izklopi: izvajamo jih zaradi obratovalnih potreb,
okvare: se lahko zgodijo kjerkoli in kadarkoli,
delovanje zaščite: povzroča izklope namerno o okvarah, vendar časovno
nepredvidljivo.
Stikalne prenapetosti so zaradi nenehnega naraščanja napetosti prenosnega omrežja postale
najpomembnejši faktor za izbiro izolacije v omrežjih najvišjih napetosti. [12]
2.3 Vpliv tujega omrežja
O vplivu tujega omrežja govorimo, ko je obratovalna napetost omrežja, ki je izvor
prenapetosti, višja od obratovalne napetosti omrežja, v katerem pride do prenapetosti.
Vpliv tujega omrežja lahko nastane na tri načine [12]:
Galvanski stik: predstavlja največjo nevarnost za prenapetost za katero je krivo tuje
omrežje. Nastane lahko kot posledica dotika pri križanju nadzemnih vodov, preboja
med različnimi napetostnimi nivoji na transformatorju ali preskoka med priključki
na transformatorju.
Kapacitivna povezava: do nje lahko pride med navitji transformatorja v primeru
nesimetrij. Ta oblika prenapetosti je redka in majhna.
Induktivna povezava: do nje prihaja, ko transformator prenaša prenapetost iz
višjega napetostnega nivoja v nižjega. Ker omrežje nižjega napetostnega nivoja
lažje izoliramo, vpliv tujega omrežja običajno ni problematičen.
2.4 Atmosferske prenapetosti
Atmosferske prenapetosti spadajo v skupino zunanjih prenapetosti, katerih izvor je energija
izven omrežja. Prav tako so atmosferske prenapetosti tudi najpogostejši vzrok prenapetosti
in povzročajo največjo škodo.
V Sloveniji opravlja meritve povezane z udari strele Elektroinštitut Milan Vidmar od leta
1996. Letno zaznajo na območju Slovenije povprečno 75000 strel s povprečno močjo med
12 kA in 15 kA, najmočnejše strele pa lahko dosežejo malo manj kot 80 kA. Kot je
razvidno iz slike 2.2 je najmanjša gostota strel v nižinskem delu Slovenije, največja
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
7
gostota pa v višinskem delu. Ker so atmosferske prenapetosti najbolj pogosto in nevarne,
jih bomo pogledali podrobneje.
Slika 2.2: Karta gostote strel [25]
2.4.1 Nastanek strele
Pogoj za nastanek neviht je potovanje toplotnih zračnih mas z dovolj vlage na visoki višini.
Potovanje teh toplotnih mas lahko poteka na več različnih načinov. Pri toplotnih nevihtah
se zemlja zaradi sončnega sevanja segreva. Posledično se segreva tudi zrak v bližini zemlje
in zaradi tega se ta zrak prične dvigati. Pri frontalnih nevihtah se zaradi udara hladne fronte
hladen zrak vrine pod toplega in ga tako prisili, da se prične dvigati. Pri orografskih
nevihtah se topel zrak dviga zaradi geografskih lastnosti zemlje tik, nad katero se giblje.
Med samim dvigovanjem se zrak ohlaja in ob določeni temperaturi postane nasičen z
vodno paro in dviganje od te točke naprej vodi do kondenzacije in tvorbe oblaka.
Sproščena uparjalna toplota upočasni nadaljnje hlajenje. Z »izstopom« vode postane zrak
zopet lažji, kar mu da ponovni vzgon [12]. Pojavi se vzgornjik z vertikalno hitrostjo do 100
km/h, ki ustvarja začetne oblake na višini 5–12 km in s premerom 5–10 km. [3]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
8
Nastanek nevihtne tvorbe lahko v grobem ločimo na tri stanja [12]:
Nastanek: prvih 10 do 15 minut nastaja kopasti oblak, vzgornjik narašča z višino in
proti notranjosti.
Zrela doba: v zreli dobi nevihtnega oblaka pride do padavin, ki jih v začetku nosijo
vzgornjiki. V bližini ledišča vzgon ne zadošča več in pride do močnih padavin. Pri
tem nastajajo tudi mrzli vetrovi, ki so usmerjeni proti tlom in tam povzročajo
močne nevihtne vetrove, kar traja 15 do 30 minut.
Prenehanje: zaradi močnih padavin vzgornjiki pretvorijo v proti tlom usmerjene
vetrove, nevihtni oblak ostari. Ko vzgornjika ni več, padavine nenadoma prenehajo,
kar traja okoli pol ure.
Preko elektrostatičnih procesov ločevanja nabojev, kot je trenje, pride do naelektritve
vodnih kapljic in ledenih delcev. V zgornjem delu oblaka oz. na višini 8 do 10 km, se
pričnejo nabirati delci s pozitivnim naboj, v spodnjem delu oblaka, nekje na višini 5 km, pa
delci z negativnim nabojem. Zraven tega, se še v spodnjem delu oblaka nahaja majhen
center pozitivnega naboja, kot je prikazano na sliki 2.3. Izvor tega centra pozitivnega
naboja v spodnjem delu oblaka je koronska razelektritev, katere naboj iz objektov oz.
rastlin pod nevihtnim oblakom se dviguje s pomočjo vetra. [3]
Slika 2.3: Ločevanje naboja v nevihtnem oblaku [25]
Nekako si lahko nevihtni oblak predstavljamo kot velik elektrostatični generator, kjer so
kapljice in kristali uporabljeni kot nosilci elektrine. V tem primeru je vzgornjik kot
prenosno sredstvo, naloga sonca pa je zagotavljanje energije, katere naloga je skrb za
vlažnost preko segrevanja zračnih plasti in s tem posledično povzročanje hlapenja vode.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
9
Da lahko pride do udara strele, mora v oblaku priti do lokalne poljske jakosti nekaj 100
kV/m. Glede na to, da lahko strele povzroči pozitiven ali negativen naboj v oblaku in na
smer udara strele, poznamo več vrst udarov strele:
blisk v oblaku,
blisk oblak – oblak,
pozitiven ali negativen blisk oblak – zemlja (Slika 2.4),
pozitiven ali negativen blisk zemlja – oblak (Slika 2.5).
Slika 2.4: Negativen (levo) in pozitiven (desno) blisk oblak – zemlja [3]
Slika 2.5: Negativen (levo) in pozitiven (desno) blisk zemlja – oblak [3]
Atmosferska razelektritev med oblakom in zemljo spada med najbolj nevarne, saj lahko ob
razelektritvi skozi prevodni kanal steče tok z maksimalno vrednostjo 200 kA. Med
najmočnejše strele spadajo pozitivne strele z vrha oblaka proti zemlji, ki lahko zaradi
velike količine zbranega naboja dosežejo zelo velike tokove. [8]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
10
2.4.2 Lastnosti strel
Udar strele ni nikoli samo en sam, temveč je sestavljen iz več zaporednih kratkih udarov,
ki jim lahko sledi še dolg udar. Te udare okarakteriziramo s fizikalnimi lastnostmi,
pridobljenimi s pomočjo množice meritev [8]:
temenska vrednost toka strele imax [kA],
naboj, ki ga nosi udar strele Qstrele [C],
specifična energija W/R toka strele [MJ/Ω],
strmina čela udarnega tokovnega vala di/dt [kA/μs],
Parametri, ki so podani v tabeli 2.2, podajajo vrednosti največjega toka udarnega vala ob
udaru strele v strelovod in veljajo v vsaj 90 % udarov strel. [8]
Tabela 2.2: Pregled maksimalnih vrednosti parametrov toka strele glede na različne
zaščitne nivoje [8]
Prvi kratek udar Zaščitni nivo
Parametri toka Simbol Enota I II III IV
Temenska vrednost imax [kA] 200 150 100
Naboj kratkega udara Qshort [C] 100 75 50
Specifična energija W/R [kJ/] 10000 5625 2500
Časovni parametri vala T1/T2 [s/s] 10/350
Kratek naslednji udar Zaščitni nivo
Parametri toka Simbol Enota I II III IV
Temenska vrednost imax [kA] 50 37,5 25
Povprečna strmina čela di/dt [kA/s] 200 150 100
Časovni parametri vala T1/T2 [s/s] 0,25/100
Dolgi udar Zaščitni nivo
Parametri toka Simbol Enota I II III IV
Naboj dolgega udara Qlong [C] 200 150 100
Časovni parametri vala Tlong [s] 0,5
Blisk Zaščitni nivo
Parametri toka Simbol Enota I II III IV
Naboj dolgega udara Qbliska [C] 300 225 150
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
11
Slika 2.6 prikazuje tokovni udarni val z nekaterimi osnovnimi podatki. Pri obdelavi
podatkov je pomemben podatek čas čela, ki nam pove v kolikšnem času naraste tok do
maksimalne vrednosti. S pomočjo tega časa dobimo razpolovni čas hrbta oz. čas, v
katerem pade vrednost toka na polovico maksimalne vrednosti. Pri simulacijah za
laboratorijske in analitične namene se večinoma uporablja tokovni val oblike 10/350 µs pri
katerem tok do maksimalne vrednosti narašča 10 µs in pada do polovične vrednosti 350 µs.
[8]
Slika 2.6: Tokovni udarni val strele z nekaterimi osnovnimi podatki [8]
Podobno obliko kot tokovni udar strele ima tudi prenapetost atmosferske razelektritve. Pri
preizkušanjih uporabljamo standardizirano obliko prenapetostnega vala 1,2/50 µs, ki so jo
določili na osnovi statistično določenih srednjih vrednosti meritev in je prikazan na sliki
2.7.
Atmosferske razelektritve lahko upoštevamo kot idealen tokovni izvor. V primeru, da
skozi prevodni material teče tok, pride zaradi amplitude toka in impedance prevodnega
materiala do padca napetosti, kar je najpreprosteje razložiti s pomočjo Ohmovega zakona:
U R I (2.2)
1T
2T
0
m ax0,1 i
max0,5 i
max0,9 i
max1,0 i
μst
kAi
1
2
1...10 μs
50...200 μs
T
T
10 ..
. 20
kA/µ
s
m ax 40 ...60 kAi
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
12
Slika 2.7: Polni atmosferski val oblike 1,2/50 µs [8]
Če tok vstopi v prevodni in homogen material v samo eni točki, pride do nastanka tako
imenovanega potencialnega lijaka (Slika 2.8). Do tega pojava pride tudi pri udaru strele v
homogena tla.
V primeru, da se v območju tega potencialnega lijaka nahajajo ljudje ali živali, lahko pride
do previsoke napetosti koraka, zaradi katere lahko pride do hudih telesnih poškodb. Čim
večja je prevodnost zemlje, tem bolj ploščat je potencialni lijak, s tem pa se zmanjša tudi
nevarnost koračne napetosti2. [3]
Slika 2.8: Razporeditev potenciala pri udaru strele v homogena tla [3]
2 Koračna napetost – potencialna razlika točk na zemlji, ki sta 1 m narazen.
1T
0
0,3
0,5
0,9
1,0
u
2T
1
2
1,2 μs
50 μs
T
T
t
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
13
V primeru, da strela udari v hišo s strelovodom in so vsi prevodni predmeti, ki so na
dosegu roke, povezani na enak potencial, ni nevarnosti za osebe v hiši. Ravno zaradi tega
je potrebno vse prevodne predmete v hiši in tudi tiste, ki pridejo v hišo ter se jih lahko
dotaknemo, povezati na enak potencial. V primeru, da je to narejeno površno, grozi
nevarnost previsoke napetosti dotika3. Dvig potenciala ozemljitve, zaradi udara strele,
lahko povzroči tudi poškodbe na električnih napravah. [3]
2.5 Prenapetostna zaščita
Naloga prenapetostne zaščite je varovanje objekta in naprav pred požarom in mehanskimi
uničenji ter varovanje ljudi v objektu pred poškodbami in smrtjo. Za njeno pravilno
delovanje sta potrebna zunanja in notranja zaščita pred udarom strele in prenapetostmi, in
ju zaradi tega obravnavamo kot en sistem. V primeru strokovne razčlenitve na
funkcionalne postopke, pa lahko na notranjo zaščito gledamo ločeno, saj je njena naloga,
poleg izničevanja strele, tudi varovanje napeljav in elektronskih naprav v hiši pred škodo
električnega in magnetnega polja.
Naloge zunanje strelovodne zaščite so:
lovljenje direktnih udarov strele z lovilnim sistemom,
varno prevajanje toka, ki nastane ob udaru strele, proti zemlji po strelovodu,
razdelitev električnega toka zaradi udara strele preko ozemljitve.
Naloge notranje zaščite so:
preprečevanje nastanka nevarnih isker v samem objektu.
3 Napetost dotika - potencialna razlika med opazovanim delom naprave in točko, ki je 1 m oddaljena od
naprave. [12]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
14
3 NAČRTOVANJE STRELOVODNE IN PRENAPETOSTNE
ZAŠČITE
Ker objekte najbolj ogroža atmosferska prenapetost, se bomo v tem poglavju bolj posvečali
vplivom in izbiri zaščite objektov pred atmosferskimi prenapetostmi. Pri izbiri vrste
prenapetostne zaščite je odločilna pogostost udarov strel oblak – zemlja/objekt na
območju, kjer leži objekt, ki ga želimo zaščititi.
Število strel med življenjsko dobo vsake tipične nevihtne celice, ki je lahko kontinentalna
ali na morju, je v povprečju 3 na minuto. Med samo aktivno dobo nevihte se pojavi
približno 70 % vseh strel. Merilo za strele oblak-zemlja je gostota strel proti zemlji na
opazovanem območju 1 na km2 na leto, Ng. Na osnovi večletnih meritev se je pokazalo, da
obstaja korelacija med strelami in številom nevihtnih dni na leto, TD. Na podlagi meritev,
je bila preko nelinearne regresije g DN T , pridobljena empirična enačba:
1,25
2
10,04
km letog DN T
(3.1)
Koeficienta nelinearne regresije α in β, ki imata za naše območje vrednosti α = 0,01 in β =
1, se spreminjata od območja do območja [8].
Slika 3.1 prikazuje izokeravnično karto s številom nevihtnih dni v enem letu na območju
Slovenije. Z njeno pomočjo si pomagamo pri določanju gostote strel proti zemlji na
območjih, kjer nimamo lokatorjev strel proti zemlji. Na območjih, kjer ni višjih objektov
od 70 m, se praktično zmeraj pojavi strela v smeri oblak–zemlja. V primeru, da imamo na
nekem območju objekte, ki so višji od 70 m, lahko s pomočjo empirične enačbe (3.2)
izračunamo odstotek strel tipa zemlja–oblak.
52,8 ln 230 %u oP H (3.2)
kjer je Ho višina objekta podana v metrih [8].
Vendar iz enačbe (3.1) ne moremo ugotoviti, kako pogosto pride do udara strele v objekt in
kako pogosto do udara strele v bližino objekta. Zato bomo v nadaljevanju opisali način
izbire pravilne prenapetostne zaščite ob morebitnem direktnem udaru strele v objekt.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
15
Slika 3.1: Število nevihtnih dni v enem letu v Sloveniji [12]
3.1 Strelovodna zaščita
Strelovodna zaščita sodi med najbolj učinkovito zaščito pred udarom strele, vendar pa ni
popolna zaščita, saj še zmeraj obstaja verjetnost, da lahko strela udari v objekt. Po
standardu SIST EN 62305-1 [20] poznamo štiri različne nivoje strelovodne zaščite:
zaščitni nivo I (prestreže 99 % vseh strel v objekt ali blizu ščitenega objekta),
zaščitni nivo II (prestreže 97 % vseh strel v objekt ali blizu ščitenega objekta),
zaščitni nivo III (prestreže 91 % vseh strel v objekt ali blizu ščitenega objekta),
zaščitni nivo IV (prestreže 84 % vseh strel v objekt ali blizu ščitenega objekta).
O smotrnosti montaže strelovodne zaščite lahko odloča investitor oz. lastnik objekta, so pa
določeni objekti, kjer je montaža strelovodne zaščite obvezna [8]:
mesta ali objekti, kjer se na pokritih mestih zbira manj kot 100 ljudi (kinodvorane),
mesta ali objekti, kjer se lahko zbere več kot 200 ljudi (šole, muzeji ipd.). Vpliva na
to, da morajo ti objekti imeti požarne stopnice in zasilno razsvetljavo.
dvorane, katerih površina presega 2000 m2,
nakupovalni centri, v katerih so trgovine s površino, manjšo od 2000 m2, vendar
skupna površina presega 2000 m2. Objekti so med seboj povezani. Opremljeni so s
požarnimi stopnicami.
razstavni prostori, katerih skupna površina presega 2000 m2,
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
16
restavracije in hoteli z več kot 60 posteljami,
nebotičniki,
bolnišnice in drugi objekti sorodnega značaja,
garažne hiše,
objekti in zgradbe:
o z eksplozivnimi materiali kot so tovarne eksplozivov, kjer obstaja nevarnost
eksplozije (kemične tovarne),
o kjer obstaja nevarnost izbruha požara (žage, objekti s slamnato kritino,
skladišča lahko vnetljivih materialov),
o kjer se zbira množica ljudi (šole, domovi za starostnike, barake, zapori,
železniške postaje),
o s področja kulturnega značaja (muzeji, arhivi),
o ki so višji od ostalih obkrožajočih objektov (dimniki, stolpi, nebotičniki).
3.2 Izvori in vrste poškodb ter vrste izgub ob udaru strele
Dejanski izvori poškodb so udari strele, ki jih na podlagi načina udara strele razdelimo v
štiri skupine [21]:
udar v objekt,
udar v bližino objekta,
udari v oskrbovalne vode, ki vstopajo v objekt (plinovod, vodovod,
telekomunikacijski vodi…),
udari v bližino oskrbovalnih vodov.
Ti izvori poškodb, ki lahko poškodujejo celoten objekt ali pa samo del, lahko povzročijo
različne vrste poškodb, ki so odvisne od karakteristik objekta, ki ga varujemo. Zelo
pomembne karakteristike so vrsta gradnje, vsebina objekta, namen uporabe, predvideni
varnostni ukrepi.
Vsaka vrsta poškodbe ali njihova kombinacija lahko povzroči različne izgube v varovanem
objektu, ki so v standardu SIST EN 62305-2 [21] razdeljene v štiri skupine:
telesne poškodbe in izguba človeškega življenja,
nesprejemljiv izpad javne oskrbe,
nenadomestljiva izguba kulturne dediščine,
ekonomska izguba.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
17
Izgube v prvih treh skupina predstavljajo izgube družbenih vrednot. Zadnja skupina pa
predstavlja izgube, ki so povsem ekonomske.
3.2.1 Verjetnost nastanka poškodb na objektih ob udaru strele
S pomočjo tega parametra lahko ugotovimo, s kolikšno verjetnostjo lahko določen nevaren
dogodek povzroči točno določeno poškodbo. Poznamo 8 različnih verjetnost nastanka
poškodbe [3]:
Ob direktnem udaru v objekt:
električni udar ljudi in živali,
fizikalne posledice (požar, eksplozija…),
izpad električnih in elektronskih sistemov;
Ob udaru strele v tla v bližini objekta:
izpad električnih in elektronskih sistemov;
Ob direktnem udaru v oskrbovalni vod:
električni udar ljudi in živali,
fizikalne posledice (požar, eksplozija…),
izpad električnih in elektronskih sistemov;
Ob udaru strele v tla v bližini oskrbovalnega voda:
izpad električnih in elektronskih sistemov.
Vse verjetnosti nastanka poškodb so podrobneje opisane v standardu SIST EN 62305-2
[21], kjer jih lahko preberemo direktno iz tabele ali pa jih dobimo kot kombinacijo
različnih vplivnih faktorjev.
3.2.2 Izgube zaradi udara strel
V primeru, da je prišlo do poškodbe objekta ali v samem objektu, je potrebno razsežnosti
poškodbe oceniti. Tako ima lahko poškodba informacijsko tehnične naprave zelo različne
posledice. V primeru, da ne pride do izgub pomembnih poslovnih podatkov lahko pride do
poškodb strojne opreme, ki lahko znaša tudi nekaj tisoč evrov. V primeru, da je naprava
pomembna za vse IT komunikacije v objektu, se poškodbe in izgube različnih vrednosti
seštevajo. Za ocenjevanje posledic poškodb uporabljamo faktor izgub, ki jih glede na vrsto
poškodbe, ki so opisane v poglavju 3.2, delimo na različne vrste [3]:
izguba zaradi poškodb ob prevelikih napetostih dotika in koraka,
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
18
izgube zaradi fizičnih poškodb,
izgube zaradi razpadov notranjih sistemov.
Zraven teh izgub poznamo še ostale izgube [12]:
izguba ob izpadu električnih in elektronskih sistemov v objektu zaradi udara strele
v bližini objekta,
izguba ob nastopu prenapetosti zaradi direktnega udara strele v oskrbovalne vode,
izguba ob povzročitvi požara, morebitni eksploziji ali kemijskih reakcijah kot
posledica direktnega udara strele v oskrbovalne vode,
izguba ob izpadu električnih ali elektronskih sistemov kot rezultat direktnega udara
strele v oskrbovalne vode,
izguba ob izpadu električnih ali elektronskih sistemov zaradi udara strele v bližini
oskrbovalnega voda.
Zraven faktorja izgub poznamo še nekaj drugih faktorjev, ki so pri oceni izgub zelo
pomembni [12]:
faktor zmanjšanja možnosti izgube človeškega življenja ali poškodb, ki je odvisen
od tal
faktor zmanjšanja te vrste izgub zaradi izvedenih ukrepov za zmanjšanje posledic
požara ob udaru strele,
faktor zmanjšanja te vrste izgub odvisen od tveganja izbruha požara v objektu ob
udaru strele),
faktor povečanja izgub te vrste zaradi fizične škode ob prisotnosti posebnih
nevarnosti.
Telesne poškodbe ali izguba življenja
Izguba mora biti izračunana za vsako pomembno tveganje, povezano z gradbenim
objektom. V primeru, da je objekt razdeljen na več različnih območij, moramo izgube
razdeliti po posameznem območju. Vrednost izgub je odvisna od lastnosti območij, ki jih
določamo s pomočjo faktorja povečanja in redukcijskih faktorjev. Pomembno je tudi
razmerje med številom ogroženih oseb v določenem območju in številom oseb v celotnem
objektu. Upoštevati moramo še razmerje časa v urah na leto, ko so v objektu ali izven
objekta prisotni ljudje.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
19
Nesprejemljiv izpad javne oskrbe
Izgubo ob izpadu javne oskrbe določimo na osnovi lastnosti gradbenega objekta oz. njenih
območij. Pri tem moramo upoštevati naslednje:
število uporabnikov brez oskrbe,
število vseh oskrbovanih oseb,
obdobje človeške prisotnosti v objektu v nevarnem območju znotraj objekta v urah
na leto.
Nenadomestljiva izguba kulturne dediščine
Do izgube nenadomestljive kulturne dediščine pride v glavnem ob požaru, ki ga povzroči
udar strele. Zraven vseh faktorjev upoštevamo tudi razmerje med vrednostjo pričakovanih
izgub blaga v denarju in med vrednostjo vsega blaga v denarju.
3.3 Dimenzioniranje strelovodne zaščite
K strelovodni zaščiti spadajo lovilni, odvodni in ozemljitveni sistem (Slika 3.2). Prav tako
delimo strelovod na izoliran in neizoliran strelovod. V primeru izoliranega strelovoda se
lovilni in odvodni sistem nikjer ne dotikata varovanega objekta. Za take strelovode se
odločamo, ko obstaja nevarnost, da bi tok strele lahko povzročil požar ali eksplozijo na
objektu. Neizoliran strelovod pa je v vsaj eni točki povezan z notranjim sistem zaščite proti
delovanju strele. Za njega se odločamo predvsem na objektih iz negorljivih materialov. [8]
Slika 3.2: Sestavni deli strelovoda [3]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
20
3.3.1 Lovilni sistem
Naloga lovilnega sistema je varovanje določenega volumna pred direktnim udarom strele.
S pravilno izvedenim lovilnim sistemom kontrolirano preprečimo posledice ob udaru strele
v objekt. Pri določanju položaja lovilnega sistema moramo posebno pozornost nameniti
kotom in robom, kar še posebej velja za strehe. Pri določanju položaja lovilnega sistema si
lahko pomagamo na tri načine:
metoda kotaleče krogle,
metoda zaščitnega kota in
metoda mreže vodnikov
Najprimernejša in najpogosteje uporabljena metoda je metoda kotaleče krogle, ki je najbolj
primerna pri objektih z zahtevno geometrijo. [3]
Metoda kotaleče krogle
Pri tej metodi kotalimo kroglo določenega premera po objektu in v njegovi okolici. Na
vseh stičnih mestih med objektom in kroglo lahko pride do udara strele in zato moramo na
teh mestih postaviti strelovod. To metodo lahko izvedemo s pomočjo računalniškega
programa, ki se imenuje Ščit. Metodo lahko izvedemo tudi na pomanjšani maketi objekta,
kot je prikazano na sliki 3.3. Povezavo med razredom zaščite in polmerom krogle
prikazuje tabela 3.1. [8]
Slika 3.3: Primer uporabe metode kotaleče krogle na pomanjšani maketi objekta [3]
Metoda zaščitnega kota
Pri tej metodi iščemo kot α, ki ga dobimo kot naklon sekante LPS krogle tako, da imata
zaščitni območji pod LPS kroglo in pod premico naklona lovilne palice, enako površino,
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
21
kot je prikazano na sliki 3.4. Metodo uporabljamo predvsem za določanje razporeditve
lovilnih palic na slemenu strehe in za določanje višine lovilnih palic, ki varujejo dimnike,
antene, itd. na strehi. Višina lovilnikov mora biti taka, da so objekti, ki jih ščitimo v
zaščitnem kotu palice. [8]
Slika 3.4: Zaščitni kot in primerljiv premer LPS krogle [3]
Metoda mreže vodnikov
Metodo uporabljamo najpogosteje pri določanju razporeditve mreže na ravnih in
enostavnih dvokapnih strehah za neizolirane strelovode. Tudi ta metoda se uporablja v
kombinaciji z LPS kroglo. Ker so vodniki na podstavkih, ki merijo v višino do 20 cm,
moramo postaviti tako velika okna v mreži vodnikov, da se kotaleča krogla ne dotika
objekta. Odvisnost velikosti oken od razreda zaščite prikazuje tabela 3.1. Primer lovilnega
sistema po metodi mreže vodnikov je prikazan na sliki 3.5. [8]
Tabela 3.1: Velikost okna in polmera krogla v odvisnosti od razreda zaščite [3]
razred zaščite velikost okna premer krogle
I 5 x 5 m 20 m
II 10 x 10 m 30 m
III 15 x 15 m 45 m
IV 20 x 20 m 60 m
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
22
Slika 3.5: Lovilni sistem po metodi mreže vodnikov [3]
3.3.2 Pomožni deli lovilnega sistema
Med običajne dele lovilnega sistema spadajo deli konstrukcije kot so žlebovi, ograje, itd. V
primeru objekta, ki ima železno ogrodje, kovinsko streho in fasado iz prevodnega
materiala, lahko te dele pod določenimi pogoji uporabimo tudi za zunanjo zaščito pred
udarom strele. Prav tako lahko uporabimo pločevino na objektu, če je med seboj električno
trajno povezana. To trajno povezavo lahko izvedemo s spajkanjem, varjenjem, stiskanjem,
vijačenjem, itd. V primeru, da tako povezovanje ni mogoče, lahko uporabimo
premostitvene trakove ali vodnike. V primeru, da imamo na strehi prevodne materiale, jih
lahko uporabimo kot lovilni sistem pod pogojem, da niso povezani z notranjostjo objekta.
3.3.3 Odvodni sistem
Odvodni sistem je električno prevodna povezava med lovilnim in ozemljitvenim sistemom.
Njihova naloga je prevajanje toka ob udaru strele proti ozemljitvenem sistemu ne da bi
prišlo do poškodb na ščitenem objektu. Da bi preprečili poškodbe ob prevajanju toka strele
proti ozemljitvenem sistemu, moramo zadostiti naslednjim zahtevam [3]:
imeti moramo več paralelnih odvodnih poti,
imeti moramo čim krajše odvode (ravne, brez zank),
povezava s prevodnimi deli objekta mora biti izvedena povsod kjer je potrebna.
Določanje števila odvodov
Število odvodov določamo glede na obseg zunanjega roba strehe, tako da so med seboj
enakomerno porazdeljeni, če je le to mogoče. Prav tako na število odvodov vpliva tudi
razred zaščite (Tabela 3.2). V primeru, da ločilne razdalje pri določenem število odvodov
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
23
ne moremo zagotoviti, lahko to dosežemo s povečanjem števila odvodov. Kot odvode
lahko uporabimo tudi ostale dele objekta, ki zagotavljajo električno prevodnost.
Tabela 3.2: Tipične razdalje med odvodi glede na razred zaščite [22]
razred zaščite tipična razdalja
I 10 m
II 10 m
III 15 m
IV 20 m
V primeru, da pritrjujemo odvode direktno na objekt, mora biti stena iz materialov, ki so
težko ali pa normalno vnetljivi. Ker se lahko vnetljivi materiali skoraj ne uporabljajo, je
večina odvodov, pritrjena direktno na steno objekta. Odvode lahko pritrdimo tudi direktno
na les, ker je les pri gostoti več kot 400 kg/m2 in debelini 2 mm normalno gorljiv. [3]
Izvedba odvodov
Odvode moramo izvesti tako, da so direktno nadaljevanje lovilnega sistema. Polagamo jih
ravno in navpično, s čimer zagotavljamo čim krajše razdalje. V nobenem primeru ne
smemo odvodov polagati v žlebe ali odtoke žlebov, ker zaradi prisotnosti vlage lahko pride
do močne korozije. V primeru, da za odvode uporabljamo aluminijasto žico je zaradi
korozije ne smemo polagati pod omet ali v beton. To lahko storimo samo, ko uporabljamo
izolirano žico in ko lahko zagotovimo, da ne bo prišlo do mehanske poškodbe izolacije.
Priporočljivo je, da odvode polagamo tako, da zadovoljivo ločilni razdalji s od vrat in oken
(Slika 3.6). Prav tako moramo na vseh mestih križanja odvoda in žleba izvesti spoj. Odtoke
žlebov moramo v vsakem primeru spodaj povezati z izenačitvijo potenciala ali
ozemljitvijo, saj tako zagotovimo, da ob udaru strele tudi po njih teče del toka. [3]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
24
Slika 3.6: Izvedba odvodov [3]
Merilni spoji
Na vsakem spoju odvodnika z ozemljitvijo moramo izvesti merilni spoj (Slika 3.7), ki je
zahtevan zaradi preverjanja naslednjih lastnosti strelovoda [3]:
povezava posameznega odvoda preko lovilnega sistema z drugimi odvodi,
povezava med izvodi ozemljila,
upornost ozemljil.
V primeru, da za odvode uporabljamo armaturo sten, ki je povezana s temeljnim
ozemljilom, merilni spoji niso potrebni. Merilne spoje moramo izvesti na vidnem in
dostopnem mestu, zaradi lažjega opravljanja meritev.
Slika 3.7: Izvedba merilnega spoja
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
25
3.3.4 Ozemljitveni sistem
Ozemljitveni sistem je najpomembnejši in nadaljevalni del lovilnega in odvodnega
sistema. Njegova naloga je odvajanje toka strele v zemljo. Prav tako je povezan z glavno
zbiralko izenačitve potenciala in posledično z notranjim sistemom prenapetostne zaščite.
Poznamo več vrst ozemljil, ki se najpogosteje uporabljajo (Slika 3.8):
žično ozemljilo,
tračno ozemljilo,
paličasto ozemljilo.
a) žično ozemljilo
a) tračno ozemljilo
b) paličasto ozemljilo
Slika 3.8: Vrste ozemljil [8]
Pogosto uporabljamo tudi pomožno ozemljilo, kamor spadajo tudi ozemljila v temelju.
3.4 Notranja prenapetostna zaščita
Za varovanje objekta pred prenapetostmi ni dovolj samo zunanja prenapetostna zaščita oz.
strelovod, saj lahko prenapetost »pripotuje« tudi v notranjost objekta, kjer lahko naredi
ogromno škode. Z uporabo, tako imenovanega sklopa notranje prenapetostne zaščite, pa se
temu lahko izognemo. Zato si bomo v nadaljevanju podrobneje pogledali elemente
notranje prenapetostne zaščite.
3.4.1 Koncept zaščitnih prenapetostnih con
Zaščita električnih in elektronskih naprav ter sistemov v objektih, pred prenapetostmi, ki
jih povzroči elektromagnetni udar strele (LEMP4), temelji na zaščitnih conah (LPZ
5). Na
osnovi tega lahko razdelimo ščiteni objekt na različno ogrožene notranje in zunanje cone,
kot prikazuje slika 3.9 [3].
4 LEMP – Lightning ElectroMagnetic imPulse
5 LPZ – Lightning Protection Zone
l
h
d
l
h
a
h
d
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
26
Slika 3.9: Zaščitna območja pred učinki elektromagnetnih impulzov strele [8]
Zunanje cone:
LPZ 0A – Območje, ki je izpostavljeno direktnemu udaru strele in nedušenemu
elektromagnetnemu polju strele, zaradi česar so ogroženi tudi notranji sistemi.
Karakteristična oblika toka strele je 10/350 s.
LPZ 0B – Območje, ki je zaščiteno pred direktnim udarom strele, vendar je
izpostavljeno elektromagnetnemu polju strele. V okolici odvodov obstaja nevarnost
nastanka napetosti dotika.
LPZ 0C – Območje je zaščiteno pred direktnim udarom strele, vendar skozi njega
teče celoten tok strele (nedušeno elektromagnetno polje), zato obstaja velika
verjetnost nastanka napetosti dotika in koraka na nivoju zemlje.
Notranje cone (zaščitene pred direktnim udarom strele):
LPZ 1 – Območje, ki je preko nadzemnih električnih vodov, izpostavljeno
indirektnim udarom strele. Vse vhode v to območje ščitimo s prenapetostnimi
zaščitnimi napravami
LPZ 3
M
Atmosferskarazelektritev
LEMP
Reduciraneatmosferske
praznitve
Nadaljnjereducirane
atmosferskerazelektritve
Stikalneprenapetosti
LPZ 0 C
Energetski kabel
Telekomunikacijski
vod
Armatura v jeklu
Ozemljilo v temelju
Oklop (armatura)
Odvod
VodenjeVentilacija
ALP Z 0
Oklop (kovinskoohišje omare)
Lovilnisistem
PolmerLPS krogle(R = 20 m)
D
D
C
BB
B
BBC
Prenapetostni element (prenapetostni odvodnik),namenjen manjši energijski vsebini razelektritvenega vala
Plinski prenapetostni odvodnik ali kombinacija zaščitnih elementov za odvajanje energijskihrazelektritvenih valov (8/20 μs, do 100 kA)
LPZ 2
LPZ 1
BLPZ 0
ALPZ 0BLPZ 0
LPZ 1
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
27
(SPD). Elektromagnetno polje strele je v tem območju že delno dušeno,
karakterističen tok pa ima obliko 8/20 s.
LPZ 2 – Velikost toka omejimo z zaščitnimi napravami na mejah zaščitnih
območij. Karakterističen tok im a obliko 8/20 s.
Na vsaki meji območja se zahteva izenačitev potenciala vseh vstopajočih kovinskih
oskrbovalnih vodov. Prav tako je potrebno zaščititi vstopajoče električne vode z zaščitnimi
prenapetostnimi napravami.
3.4.2 Izenačitev potenciala
Izenačitev potenciala je »srce« prenapetostne zaščite. V sodobnih objektih se uporablja
vedno več sistemov kovinskih inštalacij (vodovod, centralno ogrevanje…) in veliko
različnih električnih ter elektronskih naprav. Ti sistemi tvorijo mrežo kovinskih prevodnih
sistemov, ki so lahko med seboj povezani posredni ali neposredno. V primeru pojava
električne napak, lahko zaradi prenosa električnega potenciala proti zemlji, prek enega
izmed sistemov, pride do previsoke napetosti dotika. Določen električni potencial se lahko
preko kovinskih inštalacij prenese tudi v objekt. Da bi preprečili potencialne razlike, med
seboj povezujemo vse kovinske prevodne dele inštalacij s pomočjo zaščitnih vodnikov.
[14]
Izenačitev potenciala je električna povezava, s katero se različni izpostavljeni in tuji
prevodni deli izenačijo na isti potencial (Slika 3.10). Poznamo tri različne izvedbe
izenačitve potenciala:
glavna,
dodatna in
lokalna, brez povezav z zemljo.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
28
Slika 3.10: Mreža povezav pri izvedbi izenačitve potenciala [3]
Glavna izenačitev potenciala
Glavna izenačitev potenciala spada pri zaščiti s samodejnim odklopom napajanja med
splošne zaščitne ukrepe, ki omogoča, da imajo izpostavljeni prevodni deli enak potencial.
S tem preprečimo vnos drugega potenciala preko kovinskih napeljav, ki vstopajo v objekt.
Vodnik glavne izenačitve potenciala mora povezovati naslednje prevodne dele:
glavni zaščitni vodnik,
PEN vodnik v TN sistemu,
glavni ozemljitveni vodnik ali ozemljitveno sponko,
cevi in ostale kovinske konstrukcije v objektu,
kovinske dele konstrukcij,
strelovodne inštalacije.
Prerez vodnika za izenačitev potenciala mora imeti vsaj polovičen prerez največjega v
inštalaciji uporabljenega zaščitnega vodnika, vendar pa ne sme biti manjši ob 6 mm2 in je
lahko, v primeru, da je bakren, največ 25 mm2. Za vodnike izenačitve potenciala ne smemo
uporabljati nezaščitenih aluminijevih vodnikov. Za preverjanje neprekinjenosti izenačitve
potenciala uporabljamo meritve z enosmerno ali izmenično napetostjo.
Dodatna izenačitev potenciala
Najpogosteje jo izvajamo na delu inštalacij, zaradi česa jo imenujemo tudi lokalna
izenačitev potenciala. Razlogi za dodatno izenačitev potenciala so:
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
29
nedoseganje postavljenih zahtev pri zaščiti pred električnim udarom pri posrednem
dotiku s samodejnim odklopom napajanja in v tokokrogih velikih dolžin in velike
impedance okvarnih zank,
inštalacije ali njihovi deli s povečano nevarnostjo električnega udara.
Za dodatno izenačitev potenciala moramo na delih inštalacije oz. v prostoru povezati vse
izpostavljene in tuje prevodne dele med seboj in z zaščitnim vodnikom v centralni točki
(omarica, razvodnica…). [14]
3.4.3 Izenačitev potenciala na meji med LPZ 0A in LPZ 1
Z izenačevanjem potenciala na meji med LPZ 0A in LPZ 1 zmanjšamo vpliv
elektromagnetnega polja in posledično zmanjšamo verjetnost pojava inducirane napetosti
ter preprečimo morebitni nastanek padca napetosti v območju LPZ 1. Zaradi tega je
potrebno v izenačitev potenciala vključiti vse kovinske in električne oskrbovalne vode, ki
vstopajo v območje LPZ1, čim bližje meji med območjema zaradi manjše impedance. Pri
faznih vodnikih, ki vstopajo v objekt, pa je še potrebna montaža SPD. V primeru, da v
objekt vstopajo vsi oskrbovalni vodi na enem mestu, jih povežemo na glavno zbiralko za
izenačitev potenciala (Slika 3.11). V primeru, da oskrbovalni vodi v objekt vstopajo na
različnih lokacijah uporabimo pomožne zbiralke potenciala, ki jih s primernimi vodniki
povežemo z glavno zbiralko potenciala (Slika 3.12) [3].
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
30
Slika 3.11: Izenačitev potenciala, ko oskrbovalni vodi vstopajo v eni točki [13]
Slika 3.12: Izenačitev potenciala, ko oskrbovalni vodi vstopajo v različnih točkah [3]
Sposobnost odvajanja prenapetostnih tokov, montiranih prenapetostnih odvodnikov (SPD
tip 1), mora ustrezati nivoju ogroženosti objekta. Pri montaži prenapetostnih odvodnikov
na meji med LPZ 0A in 1 (Slika 3.13), moramo vedeti, da je to možno v glavni priključni
omarici objekta in ob strinjanju podjetja za distribucijo električne energije.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
31
Slika 3.13: Prenapetostni odvodnik na meji med LPZ 0A – 1 [3]
3.4.4 Izenačitev potenciala na meji med LPZ 1 in LPZ 2
Tudi v tem primeru, je potrebno opraviti izenačitev potenciala vseh kovinskih vodov, ki
vstopajo v območje LPZ čim bližje vstopu v območje. Za izenačitev potenciala vseh
kovinskih elementov v območju lahko uporabljamo rumeno – zelene vodnike s premerom
6 mm2, če so bakreni in 10 mm
2 v primeru, da so iz aluminija.
Naloga prenapetostne zaščitne opreme, ki jo na tem prehodu lahko montiramo v razdelilne
omarice, je, da še naprej slabi elektromagnetno polje oziroma manjša prenapetost.
Prenapetostni odvodniki tipa 2, ki jih montiramo na tem prehodu, morajo biti sposobni
brez poškodb odvajati minimalno 5 kA toka oblike 8/20 µs po posamezni fazi.
Slika 3.14: Prenapetostna zaščita v električni razdelilni omarici (levo) in pri vtičnici
(desno) [3]
Za dimenzioniranje zaščitne kaskade so pomembni parametri ogroženosti sistema in
odpornost ščitenega sistema na poškodbe. Za pravilno delovanje zaščitne kaskade moramo
zagotoviti, da vsi elementi (od strelovodnega odcepa, do končne zaščite aparata) delujejo
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
32
selektivno, kar pomeni, da vsaka zaščitna stopnja prevzame le del prenapetosti kateri je
namenjena. Za zagotovitev selektivnega delovanja zaščitne opreme moramo zagotoviti, da
se ob grozeči energetski preobremenitvi določene zaščitne stopnje, vklopi zaščita pred njo
in s tem prevzame odvečni del energije. Prav tako je za pravilno delovanje prenapetostne
zaščite potrebna zadostna impedanca Z, saj se ob delovanju SPD 1 na njegovih sponkah
pojavi napetost, ki je lahko višja od nazivne in zaradi katere lahko pride do nepravilnega
delovanja ostalih dveh stopenj. Da bi to preprečili, moramo imeti dovolj veliko impedanco,
ki jo lahko dobimo že s 6 m dolgim kabelskim vodnikom. Pri načrtovanju delovanja
prenapetostne zaščite moramo upoštevati tudi, da največja tokovna oblika z najdaljšim
časom trajanja, predstavlja grožnjo za celotno verigo prenapetostne zaščite.
Pri prenapetostni zaščiti tipa 1 je potrebno pozornost posvetiti načinu odvajanja
prenapetosti, saj morajo elementi prenapetostne zaščite biti sposobni odvajati tokove
oblike 10/350 µs. [3], [13]
3.5 Izbira in montaža prenapetostne zaščite (SPD)
Elementi prenapetostne zaščite imajo v glavnem napetostno odvisno nelinearno
karakteristiko in polprevodniški elektronski element. Med najpogosteje uporabljene
elemente prenapetostne zaščite sodijo cink, oksidni prenapetostni odvodniki, plinski
prenapetostni odvodniki in Zenerjeve diode. Zaščitne naprave, ki jih vključujemo v sistem
prenapetostne zaščite delimo in vgrajujemo glede na njihove naloge in sposobnosti
odvajanja prevelikih prenapetosti na tip 1, tip 2 in tip 3.
Največje zahteve glede sposobnosti odvajanja izpolnjuje prenapetostna zaščita tipa 1, ki jo
vgrajujemo na prehodu med zaščitnim območjem 0A in 1. Njihova naloga je, da brez okvar
večkrat prestanejo delne tokove strele oblike 10/350 µs in preprečijo njihovo širjenje v
objekt. Na prehodu iz zaščitnega območja 1 v 2, montiramo zaščitne naprave tipa 2, za
zaščito pred prenapetostmi. Te naprave morajo odvajati tokove oblike 8/20 µs. Zadnji člen
verige prenapetostne zaščite je zaščitna naprava tipa 3, ki jo montiramo na prehodu iz
zaščitnega območja 2 v 3. Njihova glavna naloga je zaščita pred prenapetostnimi, ki se
pojavljajo med vodniki električnega sistema, predvsem so tu mišljene stikalne
prenapetosti. Vsi trije razredi prenapetostne zaščite so določeni s standardom SIST EN
62305-3 [23]. Pomembnejše lastnosti so prikazane v tabeli 3.3; [3], [8]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
33
Tabela 3.3: Pregled lastnosti posameznih stopenj zaščitnih naprav [8]
Oblika
toka 10/350 µs 8/20 µs 8/20 µs
Zmogljivost
odvajanja 0,5 do 50kA 5 kA 5kA
Velikost udarne
prenapetosti 6 kV 4 kV 2,5 kV 1,5 kV
Kategorija
prenapetosti IV III II I
Odvodniška
skupina
VDE B C D
IEC I II III
Način zaščite groba zaščita vmesna zaščita fina zaščita
Oblika toka
Velikost udarneprenapetosti
Wh
Kategotrijaprenapetosti
LT
230/400 V
4
Odvodniškaskupina
6 kV
IV
4 kV
III
2,5 kV
II
1,5 kV
I
B C D
II III
VDE
IEC I
Način zaščite
I
Zmogljivostodvajanja
10/350 s
0,5 do 50 kA
8/20 s 8/20 s
5 kA 5 kA
LPZ 2LPZ 1ALPZ 0
SPD 0/1
LPZ 4
SPD 1/2 SPD 2/3 SPD 3/4
električnirazdelilec vtičnica
priključnaomarica
Fina zaščitaVmesna zaščita
porabnikpriključna
vrvica
Groba zaščita
dovod
PEvodnik
pomožnazbiralka
glavnazbiralka
LPZ 3
vtikač
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
34
Na sliki 3.15 je prikazan princip delovanja prenapetostne zaščite. Impulz udarnega
napetostnega vala najprej pripotuje do grobega zaščitnega elementa, ki je v našem primeru
iskrišče. Njegova naloga je, da odvede večino energije in posledično zmanjša napetost in
energijo udarnega vala. Del energije, ki jo iskrišče prepusti potem potuje proti vmesni
zaščiti, ki je običajno varistorski nelinearni upor. Naloga varistorja je, da«odžaga« oknico
udarnega vala oz. zmanjšanje udarnega prenapetostnega udarnega impulza in odvod dela
energije udarnega razelektritvenega vala v zemljo. Sledi zadnja zaščitna stopnja oz. fina
zaščita, kjer uporabljamo Zenerjevo diodo, ki prenapetostni razelektritveni val zmanjša na
tako velikost, da ne more poškodovati končne naprave. [13]
Pomembno je poudariti tudi, da pri prenapetostni zaščiti lahko kombiniramo več različnih
elementov zaščite. Pogosto se uporablja kombinacija varistorja vzporedno s kontrolirano-
vžignim plinskim odvodnikom , ali varistor zaporedno s plinskim odvodnikom. [8]
Slika 3.15: Prikaz delovanja »verige« prenapetostne zaščite [13]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
35
3.5.1 Karakteristične lastnosti prenapetostne zaščite
Tabela 3.4 nam prikazuje nekatere osnovne lastnosti zaščitnih elementov.
Tabela 3.4: Lastnosti zaščitnih elementov [8]
Simbol
Zaščitni element SPD
Plinski
odvodnik
Cink oksidni
varistor Hitra dioda
Odzivni čas 100 ns 25 ns 10 ns
Preostala napetost Ures pri
tokovih nad 10 kA (8/20 s) majhna velika srednja
Preostala napetost Ures pri
napetostnem valu 1,2/50 s velika majhna majhna
Sledilni tokovi If pogojno ne
(samougasno
st)?)
ne ne
Prepustni tokovi veliki majhni majhni
Tokovna odvodna
sposobnost Iimp (10/350 s) do 100 kA do 35 kA majhni
Glavna prednost visok Iimp ni sledilnega
toka If
hitri odzivni
čas
Glavna slabost sledilni tok If segrevanje,
prepustni tok
nizek Iimp,
prepustni tok
Uporaba odvodnik
toka,
aplikacije N-
PE
odvodnik
prenapetosti
odvodnik
prenapetosti
Odzivni čas je čas od trenutka, ko na prenapetostno zaščitno napravo pride udarni val
(napetostni ali tokovni) do trenutka, ko ta prične delovati.
Preostala napetost Ures je največja vrednost napetosti na sponkah pri obremenitvi
prenapetostnega odvodnika z udarnim tokom oblike 8/20 μs ali napetostjo 1,2/50 μs. To je
napetost na ščiteni napravi.
Sledilni tok If je tok frekvence 50 Hz, ki teče iz omrežja skozi odvodnik potem, ko je
odvodnik že odvedel tok strele in prišel v trajen kratek stik. S stališča ustrezne
prenapetostne zaščite mora biti vsak odvodnik sposoben obvladovati pričakovane omrežne
tokove.
Tokovna odvodna sposobnost je zmožnost odvajanja toka strele oblike 10/350 μs.
Definirana je z impulznim tokom Iimp, ki je imax definiran v tabeli 2.2 za različne zaščitne
nivoje strelovodne zaščite.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
36
3.5.2 Iskrišča in varistorji
Iskrišče je sestavljeno iz dveh elektrod, med katerima ob določeni priključeni napetosti,
zaradi električnega polja pride do preskoka (vžiga električnega obloka). To prevajanje toka
traja tako dolgo, dokler je napetost dovolj velika za obstoj električnega obloka. Z
zmanjšanjem napetosti med elektrodama ugasne tudi oblok in iskrišči preideta v stanje
mirovanja.[6]
Do pred kratkim so bila v uporabi iskrišča v odprti izvedbi, ki so imela prednost v
kratkostični trdnosti in sposobnosti gašenja sledilnega toka. Kljub vsemu, pa so imela
nekatere pomanjkljivosti:
prihajalo je do izpuhov obločnega ognja,
delovanje je bilo odvisno od okoliških in vremenskih razmer.
Zaradi teh in ostalih težav, je prišlo do razvoja novih in zaprtih iskrišč za zaščito pred
strelo, ki jih danes načeloma ločimo med iskrišča polnjena z zrakom in iskrišča polnjena s
plinom.
Iskrišča, polnjena z zrakom, se prožijo počasneje in so edina možnost izdelave zaprtih
iskrišč za proizvajalce brez naprav in izkušenj za plinska iskrišča.
Prednost plinskih iskrišč je že industrijska keramika, ki je uporabljena za ohišje in je
hermetično zaprta. Iskrišče lahko prilagajamo različnim zahtevam z različnimi plinskimi
mešanicami, s pritiskom plina, z razmikom elektrod, itd. Njihova največja prednost je
predvsem hitro in stabilno proženje, velika energijska obremenljivost in dolga življenjska
doba, predvsem za zanesljivost.
Delovanje je osnovano na varistorju v seriji s plinskim miniaturnim iskriščem, ki ob
nadaljnjem naraščanju napetosti sproži paralelno vezano iskrišče z veliko zmogljivostjo.
Zaradi uporabe iskrišča, ki je napolnjeno s plinom, pri tem ne potrebujemo tretje elektrode
za pomoč pri vžigu kot je to primer pri iskrišču, ki je polnjeno z zrakom.
V primeru manjših prehodnih prenapetosti le te odvaja nelinearni upor, ki lahko odvaja
tokove do 4 kA, brez povzročitve nastanka omrežnega sledilnega toka. Ob pojavu večjih
tokov pa njihovo energijo odvaja iskrišče. S tem selektivno proženim SPD lahko zanesljivo
odvajamo tokove strele do 60 kA 10/350 μs. [7]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
37
Metaloksidni varistorji ali MOV6 so napetostno odvisni upori s simetrično napetostno
tokovno karakteristiko. Sestavljeni so iz 90 % cinkovega oksida ZnO in 10 % dodatkov za
rast zrn ZnO in tvorjenje zaporne plasti med zrni ZnO. S sintranjem te mase se ustvari
dobro prevodna zaporna plast med zrnci cinkovega oksida, ki je primerljiva s tisto v
Zenerjevih diodah, kjer upornost, ki je lahko večja od 1 MΩ, pri pritisnjenih napetostih v
nekaj sekundah upade. [6]
Prednost iskrišč je v sposobnosti prenosa velike energije in v njihovi dolgi življenjski dobi,
zaradi česa je njihovo delovanje zanesljivo. Padec napetosti je po nastanku obloka odvisen
le od napetosti na elektrodah. V primerjavi z varistorjem se pri tem sprošča veliko manj
energije v obliki toplote. MOV so proti toku strele z obliko 10/350 μs samo delno odporni,
zaradi česa lahko ob preobremenitvi tudi eksplodirajo in posledično povzročijo požar.
Sposobnost energijske obremenitve lahko povečamo s povečanjem površine varistorske
keramike, vendar smo pri tem zaradi omejenih ohišij pri tem omejeni. Za SPD razreda I se
za preprečevanje škode zahteva vsaj 25 kA oblike 10/350 μs na fazo in 75 oz. 100 kA
oblike 10/350 μs moči odvajanja na celotni trifazni sistem, česar pa varistor ne dosega. Z
odvajanjem velikih tokov se varistorju tudi zelo krajša življenjska doba.
Večina proizvajalcev navaja obremenitve pri obliki krivulje 8/20 μs, ki je bistvena za SPD
razreda II in III. MOV bi bila v kombinaciji z iskriščem z veliko zmogljivostjo sicer boljša
rešitev, vendar prevelika in predraga, zaradi česa tudi ni v uporabi. [6]
Sledilni tok se pojavlja pri iskriščih ob prenehanju prenapetosti, medtem ko ga pri
varistorjih ni. Zaradi njega so se za ugasnitev obloka uporabljale predvarovalke, ki jih je
bilo potrebno zmeraj znova zamenjevati. To težavo so odpravili z uporabo proženih in/ali
večelektrodnih iskrišč. [6]
Varistorji imajo pri zaščitnem nivoju Uc majhno upornost, ki je večja od 1 MΩ, medtem ko
imajo iskrišča izolacijsko upornost večjo od 1 GΩ, kar je tisočkrat višja vrednost [6].
Pri iskriščih, zaradi visoke izolacijske upornosti, zapornega toka skoraj ni. Pri
nizkonapetostnih stikalnih napravah je zaporni tok lahko nevaren. Težavo povzroča tudi
varistorjem, ki imajo prvotni zaporni tok med 1 in 5 mA. Zaradi nenehnega segrevanja, se
varistor hitreje stara in s se spreminja karakteristika proženja, ki počasi prehaja v kratek
stik. Zaradi možnosti nastanka požara zaporedno z varistorje vgrajujemo tudi termični
sprožnik z nalogo ločitve varistorja od omrežja, v primeru nevarnosti. V slučaju, da pride
6 Metal Oxide Varistor
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
38
do ločitve varistorja od omrežja, omrežje ni več varovano in je nemudoma potrebno
zamenjati prenapetostno zaščito. [6]
Zaradi različnega načina delovanja lahko z njima ščitimo različne zaščitne nivoje. Varistor
je upor, ki je odvisen od napetosti in toka, njegov zaščitni nivo pa je odvisen od amplitude
udarnega toka. Zaprto iskrišče pa je hitro delujoče stikalo, ki lahko zaradi plinske plazme,
ki nastaja v notranjosti, odvaja več energije kot varistor.
Zaradi nižje energijske obremenitve, se cenejše varistorske naprave uporabljajo predvsem
kot SPD razreda II in III.
3.5.3 Uporaba prenapetostne zaščite v različnih sistemih
Pri projektiranju prenapetostne zaščite moramo zmeraj upoštevati, da ima varovanje oseb
zmeraj prednost pred varovanjem naprav pred prenapetostmi. Ker sta oba ukrepa povezana
preko uporabljenega sistema, bomo v nadaljevanju predstavili sisteme TN-, TT- in IT- ter
različno uporabo prenapetostne zaščite. Zaradi poškodb do katerih lahko pride, če skozi
človeško telo stečejo električni tokovi, moramo zmeraj upoštevati zaščitne ukrepe, ki
preprečujejo take dogodke. Praviloma je meja še dovoljene napetosti dotika 50 V
izmenične in 120 V enosmerne napetosti. V primeru, da pride do večje dotične napetosti,
se mora tokokrog samostojno izključiti v času 0,4 s. [3]
Kot je že omenjeno zgoraj, poznamo več različnih sistemov izvedbe električnih inštalacij
glede zaščite pred električnim udarom in zaščite pred nevarno napetostjo dotika oz. zaščito
pred posrednim dotikom. Sisteme med seboj ločimo glede na:
• priključitev električnih porabnikov,
• način ozemljitve napetostnega vira,
• ozemljitev posameznega porabnika oz. skupine porabnikov.
Posamezni sistem je označen z najmanj dvema črkama, kjer ima vsaka črka svoj pomen in
so prve črke iz francoskih izrazov (Terre – zemlja, Isole – izoliran, Neutre – nevtralen,
Separe – ločen, Combine - združen).
Prva črka pove način ozemljitve napetostnega vira, kjer poznamo dve možnosti:
T - direktno ozemljeno zvezdišče (obratovalna napetost);
I - izolirano zvezdišče z vsemi aktivnimi deli ali pa ozemljeno preko določene
impedance.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
39
S pomočjo druge črke označimo način ozemljitve porabnika električne energije. Tudi v
tem primeru uporabljamo dve črki:
T - kovinska ohišja porabnikov so direktno ozemljena;
N - kovinska ohišja so direktno ozemljena preko povezave z zvezdiščem.
V primeru uporabe sistema z oznako TN pa še imamo na voljo dve dodatni črki:
S - nevtralni vodnik (N) in zaščitni vodnik potekata ločeno od napetostnega vira do
porabnikov,
C - nevtralni in zaščitni vodnik sta združena v skupni vod PEN in potekata
združeno od napetostnega vira do porabnika.
V te sisteme lahko vgradimo različne zaščitne naprave:
nadtokovna zaščita,
zaščita ob električnih okvarah (RCD),
naprave za spremljanje izolacije.
Glede na vrsto sistema uporabljamo različne zaščitne naprave:
TN – sistem
nadtokovna zaščita,
zaščita ob električnih okvarah (RCD).
TT – Sistem
nadtokovna zaščita,
zaščita ob električnih okvarah (RCD).
IT – Sistem
nadtokovna zaščita,
zaščita ob električnih napakah (RCD),
naprave za spremljanje izolacije.
Najvišjo prioriteto imajo ukrepi varovanja oseb, ki se jim morajo podrediti tudi sistemi
strelovodne in prenapetostne zaščite, pri čemer je potrebno upoštevati tudi zelo majhno
verjetnost okvare te zaščite, saj prenapetostna zaščita deluje med aktivnimi in zaščitnimi
vodniki. V nadaljevanju bomo predstavili primere vgradnje SPD v različne sisteme.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
40
3.5.4 Uporaba SPD-jev v TN – sistemu
V TN sistemu inštalacij moramo vse izpostavljene prevodne dele inštalacije povezati z
ozemljitveno točko sistema, kar je najpogosteje zvezdišče transformatorja, z zaščitnim
vodnikom PE ali zaščitno-nevtralnim vodnikom PEN.
Najpogosteje se pojavljajo inštalacije sistema TN-C, kjer je vodnik PEN neposredno
ozemljen ob transformatorju in pri vsakem porabniku nizkonapetostnega omrežja, zaradi
česar potencial PE in PEN vodnika ob okvarah ostaneta čim bližje potencialu zemlje.
Ozemljitveni sistem mora ustrezati naslednjim pogojem:
vodnik PEN z zemljo mora biti povezan v več točkah, da se zmanjša nevarnost ob
morebitni prekinitvi vodnika PEN:
0
50 V
50 V
B
E
R
R U
, (3.3)
kjer je:
RB skupna ozemljitvena upornost vseh zaporedno vezanih ozemljil v Ω,
RE najmanjša upornost dotika z zemljo tujih prevodnih delov, ki niso povezani z
zaščitnim vodnikom, vendar lahko preko njih, zaradi pretrganja vodnika, pride do
stika med linijskim vodnikom in zemljo, v Ω. V primeru, da vrednosti ne poznamo,
uporabimo najvišjo še dovoljeno vrednost strelovodnega ozemljila, 10 Ω;
U0 nazivna napetost proti zemlji v V.
Vodnik PEN lahko v inštalacijah uporabljamo kot zaščitni in nevtralni v primeru, če je
prerez vodnikov najmanj 10 mm2 (baker) ali 16 mm
2 (aluminij). Ker se v stanovanjskih in
poslovnih inštalacijah v glavnem uporabljajo vodniki, ki imajo manjši obseg kot je
zahtevano, moramo imeti vodnik N in PE med seboj ločena. Tako imamo v enofaznem
tokokrogu trivodni (L, N, PE) in trifaznem pa petvodni (L1, L2, L3, N, PE) sistem. V
primeru industrijskih inštalacij, kjer je več elektromotorjev, pa zaradi večjih moči v
glavnem uporabljamo trifazni štirivodni sistem (L1, L2, L3, PEN). [18]
Ob prenapetostni zaščiti pri TN – sistemu inštalacij moramo za zaščito ob okvari oz.
zaščito pri posrednem dotiku, uporabljati [18]:
nadtokovno zaščito (varovalke, inštalacijski odklopniki),
pri stiku dela pod napetostjo z izpostavljenim delom mora tok napake odklopiti
napajanje porabnika,
diferenčno tokovno zaščito (zaščitna stikala RCD).
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
41
Vse izpostavljene prevodne dele naprav povežemo z zaščitnim vodnikom na strani
napajanja (dovoda) zaščitnega stikala RCD. Za varovanje porabnikov pred učinki kratkih
stikov in preobremenitve še zmeraj na začetku tokokroga uporabljamo taljive varovalke
ali inštalacijske odklopnike. V sistemu TN – C naprave RCD ne smemo uporabljati. V
primeru, da v sistemu TN – C – S uporabljamo zaščitno napravo RCD, vodnika PEN ne
smemo uporabljati na strani bremen temveč na strani napajanja naprave RCD.
Prenapetostna zaščita v sistemih TN mora biti montirana pred zaščitnim stikalom RCD
(FI). V primeru, da prenapetostno zaščito tipa 1 ali 2 montiramo za stikalom RCD, se
lahko zagodi, da ob odvajanju udarnega toka po zaščitnem vodniku PE, stikalo RCD to
zazna kot napako na električni inštalaciji in izključi napajanje. Prav tako lahko pri montaži
prenapetostne zaščite tipa 1 za stikalom RCD, zaradi dinamike udarnega toka, pride do
fizičnih poškodb stikala RCD, kot je prikazano na sliki 3.16. Zato pri kombinaciji
prenapetostne zaščite in zaščitnega stikala, montiramo prenapetostno zaščito, katere naloga
je omejevanje prenapetosti, pred stikalo RCD, ki varuje pred električnim udarom ob
nastopu napake na inštalaciji ali napravah.
Slika 3.16: Poškodba stikala RCD zaradi prenapetosti [3]
3.5.5 Uporaba SPD-jev v TT – Sistemu
Kadar sistem TT ščitimo s samodejnim odklopom napajanja, morajo biti vsi izpostavljeni
prevodni deli inštalacij zaščiteni z isto napravo in medsebojno povezani z enim zaščitnim
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
42
vodnikom na skupno zaščitno ozemljilo. Ozemljena mora biti tudi nevtralna točka
transformatorja.
Temeljni pogoj zaščite s samodejnim odklopom napajanja v TT – sistemu inštalacije, da
izberemo karakteristiko zaščitne naprave in vsoto upornosti ozemljila izpostavljenih
prevodnih delov ter zaščitnega vodnika izpostavljenih prevodnih delov tako, da se ob
okvari med linijskim in zaščitnim vodnikom ali izpostavljenim prevodnim delom kjerkoli v
inštalaciji napajanje samodejno izklopi. [18]
3.5.6 Uporaba SPD-jev v IT – Sistemu
V IT – sistemu inštalacij moramo pri zaščiti s samodejnim odklopom napajanja vse
prevodne in izpostavljene dele ozemljiti posamezno, skupinsko ali skupno. Zagotoviti
moramo tudi, da je nevtralna točka oz. sistem vodnikov pod napetostjo izoliran od zemlje.
Za ta sistem se odločamo, ko je neprekinjenost napajanja zelo pomembna (bolnišnice,
rudniki, vojaške naprave …). [18]
V tem sistemu inštalacij po navadi ne uporabljamo nevtralnega vodnika, če pa ga že, ga
moramo zaščititi pred preobremenitvijo z montažo štiripolnega odklopnika, ki izklopi vse
linijske in nevtralni vodnik.
3.5.7 Načrtovanje dolžine priključnih kablov za SPD
Načrtovanje dolžine kablov za priklop SPD naprav je zelo pomembno.
Za zaščito naprav, opreme in uporabnikov je zelo pomembna stopnja prenapetosti, ki se
pojavlja na napravah, ki jih želimo zaščititi. Optimalno zaščito dosežemo, ko se stopnji
prenapetosti prenapetostne zaščite in ščitene naprave med seboj ujemata. Na osnovi tega se
predlaga priključitev prenapetostne zaščite v obliki črke V (Slika 3.17), pri čemer ne
uporabljamo ločenih odcepov.
Zaradi tokov, ki se pojavijo pri tej vrsti vezave na sponkah prenapetostne zaščite, prihaja
do termičnih omejitev samih sponk. Zaradi tega proizvajalci prenapetostne zaščite
predpišejo največjo dovoljeno pred zaščito (vrednost varovalk), kar vodi do tega, da pri
sistemih z večjimi tokovi ne moremo uporabljati vezave priključka v obliki V. Za
izboljšanje tega problema, proizvajalci ponujajo uporabo dvovodniških priključnih sponk.
S tem lahko ob povečanem nazivnem toku ohranjamo kratke dolžine priključkov. [3]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
43
Slika 3.17: Priklop prenapetostne zaščite v obliki črke V [3]
V primeru, da priključki oblike V povsem odpadejo, je montaža prenapetostne zaščite v
ločene tokokroge neizbežna. V primeru, da je nazivna tokovna vrednost, najbližje
varovalke naprave, večja od maksimalne dovoljene vrednosti prenapetostne zaščite,
moramo uporabiti linijski odcep na katerem vgradimo varovalko posebej za prenapetostno
zaščito (Slika 3.18) ali pa uporabimo SPD-je z integrirano odvodno predzaščito (Slika
3.19).
Slika 3.18: Priklop prenapetostne zaščite v linijski odcep [3]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
44
Slika 3.19: Prenapetostni odvodnik tipa 2 z integrirano predzaščito [3]
Pri vgradnji prenapetostne zaščite v linijski odcep teče odvodni tok tudi po nekaterih
dodatnih elementih, ki povzroča dodatne dinamične padce napetosti. Ob upoštevanju
enačbe:
din
di diu i R L L
dt dt
(3.4)
in hitrosti spreminjanja toka (di/dt) pri prehodnih pojavih nekaj 10 kA/µs ugotovimo, da je
dinamičen padec napetosti odvisen od induktivne komponente.
Da bi bil ta dinamičen padec napetosti čim manjši, moramo poskrbeti da bo induktivnost
priključnih kablov in s tem njihova dolžina, čim krajša. Zaradi tega se priporoča, da je naj
skupna priključna razdalja prenapetostne zaščite v linijskem odcepu manjša od pol metra
oz. dolga maksimalno en meter (Slika 3.20). [3]
Slika 3.20: Priporočene priključne razdalje prenapetostne zaščite v linijskih odcepih [3]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
45
Posledice različnih dolžin priključnih kablov in vpliv na nivo zaščite prikazuje slika 3.21.
Slika 3.21: Omejena napetost ob različnih dolžinah priključnega kabla [3]
Slika 3.22 prikazuje ločeno povezan vodnik PEN in ozemljitveno stran prenapetostne
zaščite z zbiralko za izenačitev potenciala. Dejanska dolžina priključka la prenapetostne
zaščitne naprave je tako razdalja med mestom montaže prenapetostne zaščite (npr.: hišna
priključna omarica, glavni razdelilec) in zbiralko izenačitve potenciala. S takim načinom
montaže zelo težko zagotovimo kratke razdalje in s tem tudi pravilno delovanje
prenapetostne zaščite.
Slika 3.22: Z vidika porabnika neugodno
vodenje vodnikov [3]
Slika 3.23: Z vidika porabnika ugodno
vodenje vodnikov [3]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
46
Težavo lahko na preprost način rešimo z »bypass« vodnikom (y), s katerim povežemo
vodnik PEN in ozemljitveni del prenapetostne zaščite, ter tako zagotovimo zahtevamo
razdaljo lb < 0,5 m (Slika 3.23). Ne smemo pa pozabiti, da moramo ohraniti povezavo (x) z
zbiralko izenačitve potenciala in da ta rešitev velja samo za ozemljitveni del prenapetostne
zaščite.
Pri montaži je potrebno upoštevati tudi dolžino faznih vodnikov, kar bomo prikazali na
naslednjem primeru.
V električni omarici z varovalkami je potrebno zagotoviti prenapetostno zaščito za zbiralno
letev na njo priključene tokokroge (A do D) s porabniki. Za vgradnjo prenapetostne zaščite
lahko uporabimo mesto vgradnje 1 ali 2 (Slika 3.24). Mesto vgradnje 1, se nahaja v
neposredno ob zbiralni letvi, s čimer je za vse porabnike zagotovljena enakomerna
prenapetostna zaščita. Dejanska dolžina priključnega kabla prenapetostne zaščite, ki je
vgrajena na mestu vgradnje 1, je označena kot l1. Včasih lahko iz prostorskih razlogov
vgradimo prenapetostno zaščito med zbiralno letev. V ekstremnih primeri lahko izberemo
mesto vgradnje prenapetostne zaščite kot je prikazano na sliki 3.24. Glede na tokokroga A
in B dobimo skupno priključno dolžino l2. Zbiralne letve imajo nizko induktivnost
(približno 1/4) v primerjavi s kabli in posledično nizek induktivni padec napetosti, vseeno
pa moramo upoštevati tudi njihovo dolžino. Oblika priključnih linij ima velik vpliv na
učinkovitost prenapetostne zaščite in jih moramo upoštevati že pri samem načrtovanju
naprave. [3]
Slika 3.24: Montaža prenapetostne zaščite in posledična dolžina priključnega kabla [3]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
47
Pri montaži prenapetostne zaščite je potrebno upoštevati tudi, da morajo biti vodniki, po
katerih teče udarni tok in vodniki, po katerih tok ne teče, med seboj ločeni. Zaradi tega se
moramo izogibati direktnemu paralelnemu polaganju vodnikov (Slika 3.25).
Slika 3.25: Vodenje vodnikov [3]
3.5.8 Posebnosti pri montaži SPD-jev
Zaščitni učinek SDP-jev dosežemo takrat, ko je velikost motnje reducirana na vrednost, ki
je pod mejo poškodbe ali uničenja in nad maksimalno obratovalno napetostjo ščitenega
porabnika. Običajno je nivo zaščitnega učinka odvodnika (Up) podan s strani proizvajalca ,
vendar moramo upoštevati, da je učinkovitost zaščite odvisna tudi od dodatnih parametrov
na katere vpliva način montaže in sama inštalacija.
Med procesom odvajanja lahko tok, ki teče po inštalaciji (npr. zaradi induktivnosti in
upornosti),povzroči padec napetosti UL + UR, in ga moramo prišteti k Up s čimer dobimo
preostalo napetost na porabniku Ur:
r p L RU U U U (3.5)
Optimalno prenapetostno zaščito nam omogočajo naslednji pogoji [3]:
maksimalna obratovalna napetost Uc SPD-ja mora biti čim bližje napetosti prostega
teka sistema;
nivo zaščite Up SPD-jev naj je čim manjši, ker imajo tako dodatni padci napetosti
preko inštalacije manj vpliva;
izenačitev potenciala mora biti izvedena z zagotovitvijo čim manjše impedance;
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
48
montaža SPD-ja mora biti izvedena čim bližje končnemu porabniku, kar ugodno
vpliva na preostalo napetost.
3.5.9 Nekaj primerov montaže SPD-jev
Primer 1: Pravilna montaža (Slika 3.26) – Porabnik je ozemljen samo preko priključne
sponke ozemljitve. Posledica tega, da je zaščitni nivo Up enak preostali napetosti Ur.
Slika 3.26: Pravilna montaža [3]
Primer 2: Najpogostejša montaža (Slika 3.27) – Porabnik je ozemljen preko priključne
sponke ozemljitve in priključenega zaščitnega vodnika. V tem primeru teče del
odvedenega toka preko povezave do porabnika. Da bi preprečili prenos motnje iz povezave
izenačitve potenciala na zaščitene vodnike in da bi bila preostala napetost čim nižja, jih
moramo peljati čim bolj ločene med seboj in/ali zagotoviti nizko impedanco.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
49
Slika 3.27: Najpogostejša montaža [3]
Primer 3: Napačno izvedena izenačitev potenciala (Slika 3.28) – Porabnik je ozemljen
samo preko zaščitne povezave vodnika. Nizko impedančna izenačitev potenciala porabnika
ni izvedena. Povezava vodnika za izenačitev potenciala med zaščitno napravo in
priključkom zaščitnega vodnika na porabniku, vpliva na preostalo napetost. Glede na
dolžino povezave so lahko pojavijo napetosti veliki do nekaj kV, kar lahko povzroči
poškodbo ali uničenje porabnika.
Slika 3.28: Napačno izvedena izenačitev potenciala [3]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
50
Primer 4: Napačno vodenje vodnikov (Slika 3.29) – Kljub dobro izvedeni izenačitvi
potenciala, lahko pride do vplivov na delovanje zaščite in posledično do poškodbe ali
uničenja porabnika, zaradi napačnega vodenja vodnikov. Če ne izvedemo ločitve med
zaščitenimi vodniki in nezaščitenimi, lahko pride preko nezaščitenih vodnikov do prenosa
motenj na zaščitene vodnike.
Slika 3.29: Napačno vodenje vodnikov [3]
3.6 Vodniki in kabli
Naloga vodnikov in kablov je predvsem prenos električne energije. Vodnik imenujemo
prevodni del, ki je namenjen vodenju določenega električnega toka in je lahko del kabla,
katerega naloga je prevajanje električnega toka. Kabel je skupek enega ali več vodnikov,
morebitnih lastnih prevlek (npr. notranja nekovinska prevleka), morebitne skupne zaščite
(npr. nekovinski plašč) in morebitnih zaščitnih prevlek (npr. kovinska prevleka in zaščitni
plašč). [16]
Zaradi zagotavljanja čim manjših izgub prenesene energije, imajo električni vodniki, ki so
med seboj in proti zemlji izolirani, majhno električno upornost R. V primeru kratkih
vodnikov je upornost zanemarljiva, pri dolgih vodnikih pa jo moramo upoštevati. Zraven
upornosti imajo vodniki tudi induktivnost L in kapacitivnost C (Slika 3.30). Vse omenjene
parametre podajamo kot specifične vrednosti na m oz. km vodnika. [9]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
51
L R
C
1
2 4
3
L – induktivnost vodnika
R – upornost vodnika
C – kapacitivnost vodnika
Slika 3.30: Nadomestno vezje kabla [9]
V energetskih vodih kapacitivnost C najpogosteje zanemarimo. Upornost vodnika je
odvisna od specifične upornosti ρ oz. specifične prevodnosti σ, dolžine vodnika l in
njegovega preseka A.
1l l
RA A
(3.6)
Zaradi energijskih prenosnih izgub pri določenih obratovalnih napetostih, ki so odvisne
tudi od specifične upornosti uporabljene kovine. Iz ekonomskih razlogov za prenosne
vodnike uporabljamo predvsem baker (inštalacije) in aluminij (nadzemni vodi, energetski
kabli). Bakreni vodniki se izdelujejo iz mehko obžarjenega bakra visoke čistosti. Ob
dimenzioniranju vodnikov, uporabljamo za specifično prevodnost 56 Sm/mm2
za baker in
33 Sm/mm2 oz. 35,4 Sm/mm
2 za nadzemne vode za aluminij ob temperaturi 20°C.
3.6.1 Vrste električnih vodnikov in kablov
Osnovni elementi kabla so vodniki, izolacija in zaščita (Slika 3.31). Izolacija in zaščita
vodnikov morata ustrezati električnim, mehanskim, fizikalnim in kemijskim zahtevam
objekta v katerem vgrajujemo kable in vodnike.
Slika 3.31: Osnovni elementi kabla [9]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
52
Vodnike in kable lahko delimo na več načinov. Tako jih lahko delimo glede na vrsto
materiala med homogene in nehomogene (Slika 3.32). Vodniki, ki so narejeni iz bakra in
aluminija spadajo med homogene vodnike. Nehomogeni vodniki so narejeni iz
kombinacije kovin (npr. aluminij-jeklo). [9]
Slika 3.32: Homogeni vodniki v kablu in nehomogeni ter homogeni vodnik [9]
Poznamo dve vrsti vodnikov [16]:
neizolirani – uporabljamo pri nadzemnih vodih in
izolirani – uporabljamo pri električnih inštalacijah in energetskih napeljavah.
Izolirane vodnike ponovno delimo na dve skupini:
energetski izolirani vodniki in energetski kabli ter
vodniki in kabli za informacijsko tehnologijo.
Vodniki, ki jih uporabljamo v energetiki imajo standardne prereze:
0,5 – 0,75 – 1 – 1,5 – 2,5 – 4 – 6 – 10 – 16 – 25 – 35 – 50 – 70 – 95 – 120 – 150 – 185 –
240 – 300 in 400 mm2.
Vodnike lahko izdelujemo kot masivne, ki jih tvori samo ena žica in kot večžične zvijave
(Slika 3.33), ki so sestavljeni iz več tanjših žic ali pramenov, ki so združeni tako, da je
kabel zvijav, zaradi česar je bolj gibljiv in s tem bolj primeren za priključke prenosnih
porabnikov. Tako izdelujemo vodnike in kable, ki so sestavljeni iz vodnikov s premerom
0,5 in 0,75 mm2, samo kot zvijave, saj jih uporabljamo v glavnem samo za prenosne
porabnike. Vodnike s prerezi od 1 do vključno 16 mm2 izdelujemo kot masivne in kot
večžične. Vodnike z večjimi premeri pa izdelujemo samo kot večžične, saj s tem olajšamo
njihovo polaganje in zmanjšujemo skin efekt.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
53
Slika 3.33: Okrogli in žičnati vodnik [9]
Za lažje prepoznavanje žil jih med seboj ločimo po barvah. Tako pri enožilnih vodnikih
lahko uporabljamo črno, modro (običajno za nevtralni vodnik), rjavo, sivo, oranžno, rdečo,
vijolično, itd. barvo. Uporabljamo lahko tudi kombinacije dveh barv, razen rumeno –
zelene, ki je namenjena izključno za označevanje zaščitnega vodnika. Za ločevanje žil v
kablih uporabljamo barve, kot je prikazano v tabeli 3.5 in tabeli Tabela 3.6. [16]
Tabela 3.5: Barve žil v kablu z zaščitnim vodnikom [16]
Število
žil
Zaščitni
vodnik Barve žil pod napetostjo
7
3 ze/ru mo rj - -
4 ze/ru - rj čr si
48 ze/ru mo rj čr -
5 ze/ru mo rj čr si
Tabela 3.6: Barve žil v kablu brez zaščitnega vodnika [16]
Število žil Barve žil pod napetostjo7
2 mo rj - - -
3 - rj čr si -
38 mo rj čr - -
4 mo rj čr si -
5 mo rj čr si čr
7 Legenda za uporabljene kratice: ze/ru – zeleno/rumena, mo – modra, rj – rjava, čr – črna, si – siva.
8 Za posebno uporabo.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
54
Navodila za natančno označevanje kablov v Evropski uniji določa komite za
elektrotehniške standarde CENELEC.
Vodnike in kable izbiramo glede na obratovalne pogoje in zunanje vplive [15]. Obratovalni
pogoji, ki jim mora izbrani vodnik ali kabel ustrezati so:
napetost,
tok oz. nadtok,
izvedba zaščite,
razporeditev kablov,
načini polaganja,
dostopnost.
Zunanji vplivi, ki jih moramo upoštevati pri izbiri vodnikov ali kablov:
okoljska temperatura,
prisotnost dežja, pare ali nakopičene vode,
prisotnost korozivnih, kemijskih ali prašnih snovi,
mehanski vplivi (ostri robovi …),
prisotnost živali (glodavci …),
flora (plesen …),
žarčenje (sončno žarki).
3.6.2 Električne lastnosti kablov in vodnikov
Električne lastnosti kablov in vodnikov so zelo pomembne pri dimenzioniranju vodnikov
in predvsem pri dimenzioniranju prenapetostne zaščite.
Enosmerna upornost
DC upornost RDC na dolžino vodnika je določena po standardu IEC 60228. Za izračun
upornosti pri ostalih delovnih temperaturah pa uporabimo enačbo:
20 201 20 ( /km)tR R t (3.7)
kjer je:
Rt DC upornost vodnika pri temperaturi t (Ω/km),
R20 DC upornost vodnika pri temperaturi 20 °C (Ω/km),
t delovna temperatura (°C),
α temperaturni koeficient, ki za baker znaša 0,00393 in za aluminij 0,00403.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
55
Izmenična upornost
AC upornost RAC na dolžino vodnika pri najvišji delovni temperaturi je sestavljena iz
upornosti pri tej temperaturi in dodatne upornosti, ki upošteva dodatne izgube v vodniku
(npr. skin efekt).
Kapacitivnost
Vrednost obratovalne kapacitivnosti kabla izračunamo po naslednji enačbi
(μF/km)
18 ln
rCD
d
(3.8)
kjer je:
εr relativna dielektrična konstanta izolacijskega materiala (za PVC 4,8 in za XLPE 2,3),
D premer zunanje izolacije (mm),
d premer vodnika (mm).
Induktivnost
Vrednosti induktivnosti za več žične kable in tri vodnike položene v obliki deteljice
izračunamo kot
2
0,2ln (mH/km)s
L Kd
(3.9)
kjer je:
L induktivnost,
K konstanta odvisna od števila žic v vodniku (Tabela 3.7),
d premer vodnika (mm),
s osna razdalja med vodniki v kablu v obliki deteljice (mm)
1,26 ∙ s med vodniki v ploščatem kablu.
Reaktanca
Induktivna reaktanca posamezne faze kabla se izračuna po enačbi
32 10X fL (3.10)
kjer je:
X reaktanca (Ω/km),
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
56
f frekvenca (Hz),
L induktivnost (mH/km).
Tabela 3.7: Vrednosti konstante K za žičnate vodnike pri frekvenci 50 Hz
Število žic v vodniku K
3 0,0778
7 0,0642
19 0,0554
37 0,0528
61 ali več 0,0514
1 0,0500
votel vodnik 0,0383
Impedanca
Fazno impedanco kabla dobimo z enačbo:
2 2
ACZ R X (3.11)
kjer je:
Z impedanca (Ω/km),
Rac AC upornost pri delovni temperaturi (Ω/km),
X reaktanca (Ω/km).
Proizvajalci kablov običajno podajajo samo del potrebnih parametrov, zato si je ostale
potrebno izračunati s pomočjo zgornjih enačb. Tabela 3.8 prikazuje podane parametre
vodnikov s strani proizvajalca za različne premere vodnikov in izračunano induktivnost, ki
smo jo dobili s pomočjo enačbe (3.10).
3.6.3 Dimenzioniranje vodnikov in kablov
Glavna naloga dimenzioniranja vodnikov in kablov je predvsem pravilna izbira prereza
vodnika ob upoštevanju predpisov in standardov. S pravilno izbiro vodnika ali kabla
zagotovimo varnost, zanesljivost, kvaliteto in gospodarnost same inštalacije.
Pri samem načrtovanju kablov moramo upoštevati, da imamo v primeru enofaznih
porabnikov najpogosteje ohmska bremena, v primeru trifaznih uporabnikov pa induktivna
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
57
bremena s slabšo delavnostjo toka in vklopnimi sunki. Pri samem načrtovanju poskušamo
ločiti razsvetljavo in močnostni del, saj lahko zaradi napetostnih nihanj pride do utripanja
luči, kar pa lahko negativno vpliva na naše počutje in zdravje.
Tabela 3.8: Parametri nizko napetostnih kablov, podani s strani proizvajalca [5]
Premer
(mm2)
Približna DC
upornost
(Ω/km)
Približna AC
upornost
(Ω/km)
Približna
reaktanca
(Ω/km)
Približna
kapacitivnost
(μF/km)
Izračunana
induktivnost
(mH/km) Al Cu Al Cu
1,59 - 14,500 - 12,100 0,126 0,14 0,4013
2,59 - 8,870 - 7,4100 0,119 0,15 0,3790
4 - 4,610 - 5,5300 0,098 0,23 0,3121
6 4,610 3,080 5,530 3,7000 0,096 0,28 0,3057
10 3,080 1,830 3,700 2,2000 0,091 0,34 0,2898
16 1,910 1,150 2,290 1,3800 0,085 0,40 0,2707
25 1,200 0,727 1,440 0,8700 0,083 0,42 0,2643
35 0,868 0,524 1,040 0,6300 0,082 0,48 0,2611
50 0,641 0,387 0,769 0,4640 0,082 0,49 0,2611
70 0,443 0,268 0,532 0,3220 0,076 0,56 0,2420
95 0,320 0,193 0,384 0,2320 0,076 0,58 0,2420
120 0,253 0,153 0,304 0,1840 0,075 0,63 0,2389
150 0,206 0,124 0,247 0,1488 0,074 0,63 0,2357
Prerez vodnikov dimenzioniramo predvsem na predviden največji trajni obremenilni tok.
Ob tem pa moramo upoštevati še naslednje vplive:
zaščita pred električnim udarom,
toplotni učinki,
preobremenitveni in kratkostični tok,
padec napetosti,
mehanska odpornost.
9 [4]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
58
V primeru zaščite pred električnim udarom s samodejnim odklopom napajanja z
nadtokovnimi napravami, moramo zagotoviti ustrezno majhno impedanco okvarne zanke,
kar dosežemo s primerno izbiro prereza vodnika.
Električno dimenzioniranje kablov in vodnikov na padec napetosti moramo izvajati zaradi
spreminjanja lastnosti porabnikov (moč, življenjska doba, svetilnost, itd.), ob spremembah
omrežne napetosti. Določeni porabniki za pravilno delovanje potrebujejo točno določeno
najvišjo in najnižjo napetost.
Na velikost padca napetosti vplivajo lastnosti vodnika, kot so:
prerez,
snov iz katere je izdelan,
dolžina,
tok, ki teče po njem,
obremenitev,
upornost.
Pri dimenzioniranju, zaradi pretežne uporabe bakrenih vodnikov, v glavnem določamo
prerez vodnika glede na njegovo dolžino, obremenitev in dovoljen padec napetosti.
Dovoljeni padci po tehnični smernici za nizkonapetostne električne inštalacije [26] so
mejne vrednosti padcev napetosti od napajalne točke do porabnika, ki je napajan iz javnega
distribucijskega omrežja:
3 % za električne tokokroge razsvetljave,
5 % za tokokroge ostalih porabnikov.
V primeru, da je dolžina električne inštalacije večja od 100 m, lahko povečamo dovoljeni
padec napetosti za 0,005 % za vsak meter, ki presega 100 m, do skupno največ 0,5 %. Ob
dimenzioniranju inštalacij, kjer imamo na enakem tokokrogu razsvetljavo in motorje,
moramo biti posebej pozorni. V primeru, da motorje zaganjamo pogosto, moramo vodnike
dimenzionirati na zagonski in ne na nazivni tok motorja.
Dimenzioniranje dvovodne inštalacije
Padec napetosti obravnavamo kot razliko med napetostjo na začetku in koncu nekega voda
[19]:
1 2 (V)u U U (3.12)
Padec napetosti po Ohmovem zakonu izračunamo kot:
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
59
u I R (3.13)
Ob upoštevanju upornosti vodnika in dejstva, da padec napetosti nastopa v dovodnem in
odvodnem vodniku, dobimo enačbo:
2
Vl I
uS
(3.14)
kjer je:
l dolžina vodnika,
I bremenski tok v A,
λ specifična prevodnost vodnikove kovine v Sm/mm2,
S prerez vodnika v mm2.
Tako iz zgornje enačbe dobimo prerez vodnika:
2 l I
Su
, (3.15)
iz katerega ob upoštevanju podajanja padca napetosti v odstotkih nazivne napetosti dobimo
odstotni padec napetosti:
200
%l I
uS U
(3.16)
oz. prerez:
200
%
l IS
u U
(3.17)
Enačbi (3.16) in (3.17) veljata za dvovodne sisteme z enosmernim in izmeničnim tokom s
čisto ohmsko obremenitvijo. Ker izračunana vrednost za najmanjši dovoljen prerez ni
normirana, moramo uporabiti prvi višji normiran prerez vodnika.
V primeru, da ima porabnik moč P navedeno v W, uporabimo prirejeno enačbo za padec
napetosti:
2
V
l Pu
S U
(3.18)
in prerez:
22 mm
l PS
u U
(3.19)
V primeru, da padec napetosti izražamo v odstotkih napetosti U, dobimo:
2
200% %
l Pu
S U
(3.20)
in prerez:
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
60
2
2
200 mm
%
l PS
u U
(3.21)
Dimenzioniranje inštalacij izmeničnih dvovodnih sistemov z induktivno obremenitvijo
Enofazni motorji, elektromagneti in podobni porabniki obratujejo z delavnostjo toka, ki je
različna od ena, zaradi tega moramo v izračunih upoštevati še delavnost toka cos φ. Tako
izračunamo padec napetosti po enačbi [19]:
2 cos 2
Vl I l P
uS S U
, (3.22)
in prerez:
22 cos 2 mm
l I l PS
u u U
(3.23)
Padec napetosti in prerez, izražena s pomočjo odstotka padca napetosti, dobimo po
naslednjih enačbah:
2
200 cos 2% V
l I l Pu
S U S U
(3.24)
2
2
200 cos 200 mm
% %
l I l PS
u S u U
(3.25)
Dimenzioniranje inštalacij za trifazne sisteme
Prevajana moč P trifaznega sistema je enaka:
3 cosP U I (3.26)
in ni odvisna od vezave. V enačbi pomeni U medlinijsko napetost in I tok v vodniku. V
primeru zvezda vezave z nevtralnim vodnikov padca napetosti v njem ne upoštevamo.
Tako dobimo enačbo za padec napetosti [19]:
3 cosl I
uS
(3.27)
in prerez:
3 cosl I
Su
(3.28)
Z upoštevanjem padca napetosti v odstotkih dobimo naslednje enačbe:
2
100 3 cos 100% %
l I I Pu
S U S U
(3.29)
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
61
2
2
100 3 cos 100 mm
% %
l I I PS
u U u U
(3.30)
Dimenzioniranje inštalacije ob vzdolžni obremenitvi toka na več mestih
V zgornjih primerih smo predpostavili, da imamo obremenitev na koncu voda. Ker se v
realnosti pogosto dogaja, da imamo na enem tokokrogu več porabnikov (Slika 3.34), ki
morajo imeti vsi enak prerez vodnika, računamo padec napetosti in potreben prerez
vodnika na naslednji način. [19]
i1, P1 i2, P2 i3, P3
I1, P1 I2, P2 I3, P3
l1 l2 l3
L1
L2
L3
Slika 3.34: Več porabnikov na enem tokokrogu
V prvem odseku dolžine l1 znaša tok (trije odseki):
1 1 2 3I i i i (3.31)
v odseku dolžine l2:
2 2 3I i i (3.32)
in v odseku dolžine l3:
3 3I i (3.33)
Padec napetosti po posameznem odseku znaša:
1 11
2 l Iu
S
(3.34)
2 22
2 l Iu
S
(3.35)
3 33
2 l Iu
S
(3.36)
Tako iz zgornjih enačb dobimo celoten padec v vodu:
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
62
1 2 3 1 1 2 2 3 3
2 2i iu u u u I l I l I l I l
S S
(3.37)
Kadar imamo obremenitve podane z močmi P uporabimo enačbo:
2
i iu P lu U
(3.38)
V primeru izražanja padca napetosti v odstotkih dobimo enačbo:
2
200 200% i i i iu I l P l
S U S U
(3.39)
Mehansko dimenzioniranje vodnikov in kablov za notranje inštalacije
Za varnost električnih inštalacij je pomembna tudi mehanska trdnost vodnikov, ki jo
dosežemo že s polaganjem vodnikov oz. kablov v temu namenjene cevi ter pod ali v omet.
Od načina polaganja, montaže vodnikov, spojev med vodniki, itd. so odvisne mehanske
obremenitve. Posebej pozorni moramo biti, da vodniki in kabli niso izpostavljeni ostrim
robovom, zaradi katerih lahko pride do poškodbe izolacije.
Standardi za električne inštalacije ne predvidevajo izvajanja mehanskega dimenzioniranja,
temveč predpisujejo uporabo najmanjših dovoljenih prerezov vodnikov glede na način
polaganja in namen tokokroga (Tabela 3.9). [19]
Tabela 3.9: Najmanjši dovoljeni prerezi vodnikov za različne načine polaganja in namen
tokokroga [19]
Inštalacijski
sistemi Uporaba v tokokrogih
Vodnik
Snov Prerez mm2
Fiksne
inštalacije
Kabli in
izolirani
vodniki
Energetski tokokrogi in
razsvetljava
baker
aluminij
1,5
2,51
Signalni in krmilni
tokokrogi baker 0,5
2
Goli
vodniki
Tokokrogi moči baker
aluminij
10
16
Signalni in krmilni
tokokrogi baker 4
Gibljivi priključki
z izoliranimi vodniki
in kabli
Za posebne naprave
baker
navedeno v ustreznih
IEC-publikacijah
Za ostalo uporabo 0,753
Za tokokroge male
napetosti
za posebno uporabo
0,75
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
63
1 Sponke za aluminijaste vodnike morajo biti preskušene in potrjene za to posebno uporabo
2 V signalnih in krmilnih tokokrogih, namenjenih za elektronsko opremo, je dovoljen prerez 0,1 mm2
3 V večžilnih gibljivih kablih, ki vsebujejo sedem ali več žil, upoštevajte opombo 2
Induktivna upornost trifaznih kablovodov in kablov
V omrežjih, ki obratujejo z izmeničnimi tokovi, moramo pogosto zraven ohmske upornosti
vodnikov upoštevati tudi induktivno upornost, ki se pojavlja zaradi časovno
spremenljivega magnetnega polja okrog vodnikov, ko po njih teče izmenični tok.
Reaktanca kablovodov je, v primerjavi s prostimi vodi, v povprečju štiri krat manjša od
reaktance prostih vodov, zaradi krajših razdalj med vodniki. Z obratovalno napetostjo te
upornosti nekoliko rastejo, zaradi večanja razdalje med žilami, in sicer na račun izolacije.
Za nizkonapetostne kable (1 kV) za izračune uporabljamo Xs = 0,07 … 0,09 Ω/km, kjer
manjše vrednosti veljajo za vodnike z manjšim prerezom vodnikov in večje za tiste z
večjim prerezom. Včasih reaktanco računamo kar s povprečjemu Xs = 0,08 Ω/km.
Točnejše podatke za induktivne in ohmske upornosti lahko odčitamo iz tabele 3.10. V
primeru, da fazni faktor obtežb ni slabši od 0,95, lahko pri omrežjih do 10 kV reaktanco
zanemarimo.
Tabela 3.10: Induktivna in ohmska upornost kablovodov za frekvenco 50 Hz
Prerez
(mm2)
Xs (Ω/km) Rs (Ω/km) pri 20°C
Cu Al
10 0,092 1,790 30,5
16 0,089 1,120 1,91
25 0,084 0,722 1,22
35 0,083 0,518 0,874
50 0,080 0,366 0,615
70 0,078 0,265 0,443
95 0,077 0,200 0,331
120 0,075 0,161 0,265
150 0,074 0,131 0,214
185 0,073 0,109 0,177
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
64
3.6.4 Oklopljanje kablov
Znano je, da so najpogostejši udari v bližini objektov ali oskrbovalnih vodov. Do
ogroženosti objekta, ki ga ščitimo, lahko pride tudi ob udaru strele v sosednji objekt, ki je
povezan s ščitenim objektom. Pri zmanjšanju vpliva udarnega toka indirektne strele,
moramo upoštevati tudi različne povezave kabelskih oklopov na zbiralke za izenačitev
potenciala [3]:
Brez oklopa (Slika 3.35) – V večini primerov inštalacijskih sistemov je ozemljitev
kabelskega oklopa priporočljiva, vendar se lahko zgodi, da se ozemljitev
kabelskega oklopa ne naredi pravilno ali pa se na to pozabi. Prav tako obstajajo
inštalacijski sistemi (npr. inteligentne inštalacije), ki prepovedujejo ozemljitev
oklopa. V tem primeru, oklop ne opravlja svoje naloge in ga obravnavamo kot
neuporabnega.
Slika 3.35: Brez ozemljitve oklopa [3]
Obojestranska ozemljitev oklopa (Slika 3.36) – Kabelski oklop mora biti na celotni
dolžini povezave dobro prevoden in na vsaj dveh mesti ozemljen. Le tako lahko
zmanjšamo vpliv induktivnih in kapacitivnih tokov v faznih vodnikih. Da
preprečimo možnost nevarnega iskrenja, morajo imeti kabelski oklopi dovolj velik
premer. V primeru, da je premer premajhnem, upoštevamo kabelski oklop kot
neuporaben. Minimalni premer kabelskega oklopa določa njegova specifična
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
65
upornost ρc (Tabela 3.11), udarni tok If, dolžina povezave Lc in udarna napetost Uw,
kot prikazuje enačba (3.40).
6
2
min
10f c c
o
w
I LS mm
U
(3.40)
Tabela 3.11: Specifična upornost različnih materialov [3]
Material oklopa ρc v Ωm
Baker 17,241 ∙ 10-10
Aluminij 28,264 ∙ 10-11
Svinec 214 ∙ 10-12
Jeklo 138 ∙ 10-13
Težava, ki nastopi ob obojestranski ozemljitvi oklopa in normalnem obratovanju na
omrežni frekvenci, so kapacitivni izenačevalni tokovi, ki lahko dosežejo vrednost
nekaj sto amperov. Ti tokovi so posledica potencialnih razlik med ozemljitvenima
sistemoma, na katera je vezan kabelski oklop in jih lahko rešimo z uporabo
prenapetostnega plinskega odvodnika. [8]
Slika 3.36: Obojestranska ozemljitev oklopa [3]
Direktna in indirektna ozemljitev oklopa (Slika 3.37) – Zaradi obratovalno
tehničnih zahtev lahko pride do primera, ko ozemljimo oklop kabla samo na eni
strani. V tem primeru dosežemo dušenje kapacitivnih motenj, vendar pa ne
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
66
preprečimo vpliva induktivnosti. Razlog za enostransko ozemljevanje kabelskega
oklopa je predvsem strah pred nizkofrekvenčnimi izenačevalnimi tokovi, do katerih
lahko pride zaradi dotrajanosti vodnikov in oklopa ter zaradi potencialne razlike
med zbiralkama za izenačitev potenciala. Da bi se izognili tem tokovom, kabelski
oklop kabla na eni strani ozemljimo direktno in na drugi indirektno. To pomeni, da
v eni centralni točki ozemljimo vse oklope direktno na zbiralko za lokalno
izenačitev potenciala. Na drugem oddaljenem koncu pa povežemo kabelski oklop
indirektno prek plinskega odvodnika na zemeljski potencial.
Slika 3.37: Na eni strani direktno in na drugi preko plinskega prenapetostnega odvodnika
ozemljen kabelski oklop [3]
Nizkoimpedančna ozemljitev oklopa
Kabelski oklopi lahko vodijo udarne tokove, ki tečejo prek oklopa in oklopne zbiralke
proti zemlji, do nekaj kA. Zaradi impedance kabelskega in priključka oklopa prihaja do
razlik med potencialom oklopa in ozemljitve. V tem primeru se lahko pojavijo napetosti do
nekaj kV, ki lahko poškodujejo izolacijo vodnikov in priključene porabnike.
Na število ozemljitev oklopa vpliva njegova kvaliteta. Tako se lahko zgodi, da moramo
oklop ozemljevati tudi vsakih 10 m. Zaradi tega se priporoča ozemljevanje kabelskega
oklopa, kot je prikazano na sliki 3.38. [3]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
67
Slika 3.38: Priključitev kabelskega oklopa [3]
Maksimalna dolžina oklopljenih kablov
Kabelski okopi imajo tako imenovano priključitveno upornost, ki nekako ustreza upornosti
enosmernega toka, ki ga poda proizvajalec kabla. Zaradi te upornosti pride na kabelskem
oklopu, ko po njem teče motilni signal, do padca napetosti. V odvisnosti napetostne
vzdržnosti porabnika in kabla ter dolžine kabla, lahko izračunamo dovoljeno priključitveno
upornost (RKh) kabelskega oklopa, kot je prikazano za primer na sliki 3.39.
Slika 3.39: Primer obojestranske ozemljitve oklopa [3]
2000
0,45000
isoKh
U VR
I A (3.41)
30,4200m 2 10
200m mKhl R
(3.42)
V primeru, da padec napetosti ni manjši od napetostne vzdržnosti kabelske izolacije,
moramo uporabiti prenapetostne odvodnike. [3]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
68
3.6.5 Zaščitni vodniki PE
Zaščitni vodniki so vodniki, ki zagotavljajo varnost električnih porabnikov in njihovih
uporabnikov. Naloga vsakega zaščitnega vodnika je izpolnitev pogojev samodejnega
izklopa napajanja. Z njimi povezujemo izpostavljene prevodne dele in tuje prevodne dele z
glavno ozemljitveno zbiralko, ki je povezana z ozemljilom in ozemljeno točko napajalnega
vira ali umetne nevtralne točke.
Zaradi pomembnosti zaščitnih vodnikov v sistemu zaščite, jih moramo polagati tako, da
niso izpostavljeni zunanjim vplivom (mehanskim, kemičnim in elektrodinamičnim).
Prerez zaščitnega vodnika mora izpolnjevati pogoje samodejnega izklopa napajanja, ki so
določeni s standardom »Zaščita pred električnim udarom« in ustrezati predvidenemu toku
okvare. Kot zaščitne vodnike lahko uporabljamo:
vodnike večžilnih kablov,
izolirane ali gole vodnike v skupnem oklopu z linijskimi vodniki,
stalno nameščene gole ali izolirane vodnike.
V vsakem primeru pa mora biti zagotovljena električna neprekinjenost.
Kot zaščitnih vodnikov ne smemo uporabljati:
kabelskih polic in lestev,
kovinskih vodovodnih cevi,
kovinskih cevi gorljivih snovi,
konstrukcijskih delov, ki so mehansko obremenjeni,
kovinskih gibljivih cevi in delov,
žične ograje.
3.6.6 Vodnik PEN
Zaščitno – nevtralni vodnik je ozemljen vodnik s hkratno funkcijo zaščitnega in
nevtralnega vodnika. Take vodnike lahko uporabljamo samo v nepremičnih inštalacijah.
Za zagotavljanje mehanske trdnosti mora biti najmanjši premer vsaj 10 mm2 za bakren in
16 mm2 za aluminijasti vodnik.
Zaradi ločitve zaščitnega in nevtralnega vodnika v sistemu TN–C–S, vodnika N, od točke
ločitve naprej, ne smemo povezovati, s katerim koli ozemljenim delom inštalacije. V točki
ločitve na PE in N vodnik, moramo uporabiti posebne ločene zbiralke za zaščitne in
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
69
nevtralne vodnike. Zaradi delitve inštalacije na več tokokrogov imamo v inštalaciji več
zaščitnih in nevtralnih vodnikov.
V primeru uporabe nadtokovne zaščite, za zaščito pred električnim udarom, moramo
uporabiti zaščitni vodnik, ki je vključen v sistem linijskih vodnikov (kabli) ali pa je
položen v neposredni bližini.
3.6.7 Vodniki za zaščitno izenačitve potencialov
Vodnik za zaščitno izenačitev potenciala je zaščitni vodnik, ki električno izenačuje
različne izpostavljene prevodne in tuje dele, da so na enakem potencialu. Vodniki za
izenačitev potencialov, ki povezujejo kovinske inštalacije z glavno ozemljitveno zbiralko v
primeru, da ne pričakujemo opaznih uhajavih tokov proti zemlji, morajo imeti naslednje
premere [17]:
6 mm2 za bakrene vodnike,
16 mm2 za aluminijaste vodnike,
50 mm2 za jeklene vodnike.
Za izenačitev potencialov dveh izpostavljenih prevodnih delov, vodnik ne sme imeti
manjše prevodnosti od manjšega zaščitnega vodnika, ki je vezan na prevodni del (Slika
3.40).
M1 M2
SPE1 SPE2
Sb
SPE1 ≤ SPE2
Sb ≥ SPE1
Slika 3.40: Primer določitve prereza vodnika dodatne zaščitne izenačitve potencialov Sb
med dvema izpostavljenima prevodnima deloma [17]
Legenda: M1, M2 izpostavljeni prevodni deli
SPE1, SPE2 prerez zaščitnih vodnikov izpostavljenih prevodnih delov M1 in
M2
Sb prerez vodnika dodatne zaščitne izenačitve potenciala
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
70
Vodnika za zaščitno izenačitev potencialov, ki povezujejo izpostavljeni prevodni del s
tujim prevodnim delom, ne sme imeti manjše prevodnosti od polovice prereza ustreznega
zaščitnega vodnika (Slika 3.41).
M
SPE
Sb
Sb ≥ 0,5 SPE(*)
Tuji
pre
vod
ni d
eli
(np
r. v
od
ovo
d)
Slika 3.41: Primer določitve prereza vodnika dodatne izenačitve potencialov Sb
izpostavljenega prevodnega dela M in tujega prevodnega dela [17]
Legenda: M izpostavljeni prevodni del,
SPE prerez zaščitnega vodnika,
Sb prerez zaščitnega vodnika dodatne zaščitne izenačitve potenciala
* najmanj 2,5 mm2 za Cu, ki je mehansko zaščiten ali 4 mm
2 brez
dodatne mehanske zaščite.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
71
4 MATEMATIČNI MODEL PRENAPETOSTNE ZAŠČITE
IN OMREŽJA
Pri ugotavljanju vplivov električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite, si bomo
pomagali s simulacijami v programskem paketu Matlab/Simulink. Za izvedbo simulacij
bomo potrebovali matematične modele virov prenapetosti, plinskega odvodnika, ZnO
prenapetostnega odvodnika in omrežja, ki so opisani v nadaljevanju poglavja.
4.1 Modeli virov prenapetosti
Za izvedbo simulacije delovanja prenapetostne zaščite potrebujemo matematične modele, s
katerimi lahko simuliramo različne prenapetosti. Delovanje prenapetostne zaščite lahko
simuliramo s tremi različnimi viri prenapetosti [8]:
Izmenična napetost omrežne frekvence 50 Hz
Matematični model napetosti omrežne frekvence je podan že v knjižnici
SimPowerSystems med električnimi viri. Matematični model je podan z enačbo
0( ) 2 sin 2 Vuu t U f t (4.1)
kjer je:
f omrežna frekvenca (50 Hz),
U efektivna vrednost napetosti (V),
t čas (s),
αu0 začetni kot napetosti.
Udarna prenapetost atmosferskih razelektritev oblike 1,2/50 μs
Oblika prenapetostnega vala je bila določena na osnovi statistike iz množice
meritev udarov strele, ki so bile potem statistično obdelane. Matematični zapis te
oblike prenapetosti je podan z enačbo:
max
2 1
( ) exp exp Vu
t tu t k U
(4.2)
kjer je:
ku faktor povečanja maksimalne napetosti,
Umax maksimalna napetost udarnega vala (V),
τ1 časovna konstanta čela udarnega vala (s),
τ2 časovna konstanta hrbta udarnega vala (s).
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
72
Izmenična napetost omrežne frekvence združena z udarnim prenapetostnim
valom 1,2/50 μs
Prenapetostni val oblike 1,2/50 μs, ki se pojavi v realnem primeru, se v električnih
inštalacijah sešteje z izmenično sinusno napetostjo (Graf 4.1) kot prikazuje enačba
(4.3). [8]
0
2 1
0;
( ) 2 sin 2exp exp ;
tr
u tr tru max tr
t t
u t U f t t t t tk U t t
(4.3)
kjer je:
ttr trenutek proženja prenapetostnega udarnega vala oz. pojav
prenapetostnega vala v električni inštalaciji, ki ga lahko izberemo
naključno
Graf 4.1: Prikaz napetosti in toka združene izmenične in udarne napetosti
Razvita matematična modela udarne in sestavljene prenapetosti sta izvedena kot
podmodela v SimPowerSys Blockset paketu kot vira napetosti in dodana k osnovni
knjižnici elementov med vire napetosti.[8]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
73
V naši simulaciji smo uporabili izmenično napetost omrežne frekvence združeno z
udarnim prenapetostnim valom oblike 1,2/50 μs. Potrebne podatke udarne napetosti za
izvajanje simulacije prikazuje tabela 4.1.
Tabela 4.1: Parametri vira udarne napetosti
Vir udarne napetosti
Umax 1 kV
ku 1,0203549
τ1 0,201 μs
τ2 70,1 μs
Rn10
20 kΩ
Ldovoda11
5 nH
Rp12
100 MΩ
Cp13
2 pF
4.2 Matematični model plinskega odvodnika v Matlab/Simulink
V SimPowerSys Blockset paketu, ki je del programa Simulink, se nahaja model plinskega
odvodnika, ki omogoča analizo in izračun časovnih potekov električnih tokokrogov.
Zraven tega elementa je izveden tudi model metal-oksidnega prenapetostnega odvodnika,
ki je tudi del prenapetostne zaščite zgradb pred prenapetostmi. Na splošno lahko rečemo,
da oba elementa skupaj, tvorita preprosto prenapetostno zaščito oseb in naprav v zgradbi.
Model plinskega odvodnika z vsemi fizikalnimi fazami delovanja v izvedbi kot
spremenljiva upornost, prikazuje slika 4.1. [8]
10 Notranja upornost vira napetosti.
11 Induktivnost dovoda.
12 Prečna upornost.
13 Prečna kapacitivnost.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
74
Slika 4.1: Faze delovanja modela plinskega odvodnika v Simulinku [8]
Faza pred razelektritvijo
V primeru, ko je na sponkah plinskega odvodnika manjša napetost od kritične vžigne
napetosti plinskega odvodnika UDC, u<UDC, dobi plin, ki se nahaja med elektrodama,
lastnosti dobrega izolatorja (R >1 GΩ). Ob pojavu večje pritisnjene napetosti od
kritične, začne prihajati do procesov pred razelektritvijo plina med elektrodama. Z
višanjem električne poljske jakosti E začnejo prosti elektroni pospeševati in ob
prejemu dovolj velike kinetične energije ionizirajo atome in s tem sprožijo sekundarno
emisijo elektronov iz katode. Ob dosegu vrednosti dinamične napetosti razelektritve
UDYN, začne prihajati do razelektritev v plinu. Čas med naraščanjem napetosti od UDC
do UDYN imenujemo statistična časovna zakasnitev razelektritve (td), ki jo lahko
določimo tudi iz odzivov meritev na plinskem odvodniku. [8]
Statistično časovno zakasnitev pričetka delovanja plinskega odvodnika lahko
dobimo s pomočjo spodnje enačbe:
(s)b
dt a S (4.4)
kjer je:
a interpolacijski koeficient pridobljen iz statistične obdelave izmerjenih
vrednosti (s2/V),
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
75
b interpolacijski koeficient pridobljen iz statistične obdelave izmerjenih
vrednosti,
S strmina naraščanja napetosti čela vala.
V tem bloku imamo stikalo definirano kot upor s spremenljivo upornostjo, s katerim
lahko simuliramo nevzbujeno stanje, ko je stikalo odprto in razelektritve, ko je stikalo
zaprto. Enačba spremenljive upornosti je definirana kot:
0
0
01
1 1
;
exp ;
; ( )
s DC d
DC d
s s DC d
s s s
R t t t
t t tR t R t t t
R R t R
(4.5)
kjer so:
Rs0 upornost odprtega stikala (Ω),
Rs1 upornost sklenjenega stikala (Ω),
τ01 časovna konstanta zapiranja stikala (s),
tDC trenutek, ko pritisnjena napetost na plinskem odvodniku doseže vrednost
vžigne napetosti UDC (s).
Faza razelektritve
Ob sklenitvi prevodne poti med elektrodama, pride do razelektritve (pramenasto
razelektrenje), plin med elektrodama pa postane močno ioniziran. Z večanjem toka
skozi plinski odvodnik se premer pramena veča, s tem pa se veča tudi sekundarna
ionizacija plina, dokler pramen ne preide v oblok. Naraščanje toka lahko realiziramo s
spremenljivo upornostjo z uporabo Toplerjeve enačbe:
d
DC d
T
t
t t
k dR t
i t
(4.6)
kjer je:
kt14
Toplerjeva konstanta (Vs/m),
d razdalja med elektrodama (m).
Imenovalec v enačbi (4.6) predstavlja prenesen naboj skozi pramen v določenem času.
Za uspešno simulacijo razelektritve, moramo v podbloku faze pred razelektritvijo
14 Vrednost se spreminja glede na vrsto, sestavo in tlak plina ter razdaljo med elektrodama od 5 do 15 ∙ 10
-3
Vs/m.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
76
(Slika 4.1) s spreminjanjem upornosti po Toplerju, skleniti stikalo. Med fazo
razelektritve tok med elektrodama plinskega odvodnika hitro narašča, hkrati pa pada
upornost po enačbi (4.6). Pri določenem toku pramen preide v oblok, kar v
matematičnem modelu zaznamo z upornostjo Rga, ki predstavlja mejno vrednost
upornosti po enačbi (4.6) med fazama razelektritve in obloka ter jo dobimo iz izvajanj
in analize izračunov matematičnega modela plinskega odvodnika. [8]
Faza gorenja električnega obloka
Električni oblok lahko opišemo kot prevodni kanal plazme vročih in močno ioniziranih
plinov. Glaven vir nosilcev elektrine je termična emisija elektronov iz vroče katode (Tc
≈ 3000 K). Upornost oz. prevodnost se spreminja po enačbi [8]:
0
d ln1 d 11
d d max ,
1
arc
gg u i
g t t U i P
Rg
(4.7)
kjer je:
τ »časovna konstanta«, ki predstavlja razmerje med shranjeno energijo v obloku
in izgubami,
Po izgube obloka (W),
Uarc Cassiejeva napetost15
(V).
Prehod iz obloka v samostojno razelektritev s prostorskim nabojem
Ob padcu toka obloka pod 0,03 A pride do ohladitve katode, kar ima za posledico
prekinitev termične emisije, zaradi česar pride do ugasnitve obloka. Tok ugasnitve
obloka imenujemo Iex in je kontrolna spremenljivka prehoda med fazo gorenja obloka
in fazo samostojne razelektritve s prostorskim nabojem. Ta trenutek označimo z
oznako tex. Zaradi dovolj visoke napetosti, še zmeraj lahko pride do ponovne
razelektritve. Prekinitev obloka lahko, podobno kot v fazi razelektritve, predstavimo
matematično, le da moramo v tem primeru stikalo v kratkem času najprej izklopiti in
spet skleniti. Spremenljivo upornost stikala lahko predstavimo kot:
15 Konstantna napetost obloka pri velikih tokovih obloka.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
77
10
3 2
;
exp exp ;
arc ex
s ex exs ex
R t t t
R t t t t tR t t
(4.8)
kjer je:
Rs10 maksimalna upornost pri izklopu stikala (Ω),
τ2 časovna konstanta izklopa stikala (s),
τ3 časovna konstanta ponovne sklenitve stikala (s).
Po dosegu maksimalne vrednosti upornosti stikala, sprožimo spremembo upornosti
razelektritve po Toplerju:
24
d
ex
Tag
t
t
k dR t
i t
(4.9)
kjer je:
kTag Toplerjeve konstanta pri ponovni razelektritvi, ko je oblok že ugasnil in pride
do ponovne razelektritve (Vs/m).
Začetni čas integracije toka je, ko upornost stikala, doseže maksimalno vrednost, kar
se zgodi po približno štirih časovnih konstantah τ2. Prenesen naboj ob prvi razelektritvi
obravnavamo le za čas razelektritve.
S padcem skupne upornosti v stacionarnem stanju, da znaša napetost 100 V, preidemo
v fazo razelektritve s prostorskim nabojem. [8]
Faza samostojne razelektritve s prostorskim nabojem
Zaradi manjše energije elektronov ne pride več do ponovne sprožitve termične emisije
elektronov iz katode. V tej fazi je poglaviten mehanizem prevajanja bombardiranje
katode s pozitivnimi ioni. Ker prevajanje ni tako učinkovito kot v fazi obloka, pride do
povečanja upornosti in s tem tudi napetosti. S padcem skupne upornosti pod določeno
vrednost mejne upornosti med fazo ponovne razelektritve in fazo razelektritve s
prostorskim nabojem, sprožimo naraščanje upornosti po enačbi (4.10):
4
1 expg
g
t tR t R
(4.10)
kjer je:
Rg stacionarna vrednost upornosti v fazi razelektritve s prostorskim nabojem (Ω),
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
78
τ4 časovna konstanta naraščanja upornosti v prehodni fazi med ponovno
razelektritvijo in razelektritvijo s prostorskim nabojem (s).
Fizikalno upornost Rg predstavlja vrednost upornosti v fazi razelektritve s prostorskim
nabojem, enačba (4.10) pa predstavlja potek upadanja gostote nosilcev elektrine med
elektrodama takoj za ponovno razelektritvijo. [8]
Parametre realnega plinskega odvodnika, ki ga bomo uporabljali v simulaciji, prikazuje
4.2:
Tabela 4.2: Parametri uporabljenega plinskega odvodnika
Plinski odvodnik
a 19,19 s2/V d 2 mm τ 100 μs
b 0,82 Rga 425 Ω P0 100 kW
S 0,8883 kV/μs UDYN 650 V Uarc 0 V
Rs0 10 GΩ τ01 0,5 ∙ 10-7 s Iex 28,3 mA
UDC 300 V kT 8,38 ∙ 10-3 Vs/m kTag 15 ∙ 10-3 Vs/m
kjer je:
a interpolacijski koeficient,
b interpolacijski koeficient,
S strmina naraščanja napetosti čela vala,
Rs0 upornost odprtega stikala,
UDC kritična vžigna napetost plinskega
odvodnika,
D razdalja med elektrodama,
Rga mejna vrednost upornosti,
UDYN dinamična napetost razelektritve,
τ01 časovna konstanta zapiranja stikala,
kt Toplerjeva konstanta,
τ razmerje med shranjeno energijo v
obloku in izgubami,
P0 izgube obloka,
Uarc Cassiejeva napetost,
Iex tok ugasnitve obloka,
kTag Toplerjeva konstanta pri ponovni
razelektritvi.
4.3 Nizkonapetostni ZnO prenapetostni odvodnik
V simulaciji bomo zraven plinskega odvodnika uporabljali tudi nizko napetostni ZnO
prenapetostni odvodnik. Uporabili bomo že razvit model, v programskem paketu
Matlab/Simulink, ki je v preteklosti že bil razvit za simulacije z ZnO prenapetostnimi
odvodniki.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
79
4.4 Matematični model omrežja
Za matematični model omrežja bomo uporabili Distributed parameter line blok (Slika 4.2),
ki se nahaja v knjižnici PowerSystem BlockSet programskega paketa Matlab/Simulink.
Blok Distributed parameter line nam omogoča vnos naslednjih podatkov omrežja (v našem
primeru nizko napetostnih kablov):
število faz – blok po vnosu števila faz samodejno spremeni število vhodov in
izhodov,
frekvenco – določimo lahko frekvenco za izračun upornosti, induktivnosti in
kapacitivnosti na enoto dolžine,
upornost na enoto dolžine – upornost lahko podamo kot NN matriko ali kot Ω/km
vrednost.
induktivnost na enoto dolžine – induktivnost lahko podamo kot NN matriko ali kot
H/km vrednost
kapacitivnost na enoto dolžine – kapacitivnost lahko podamo kot NN matriko ali
kot F/km vrednost
dolžina voda – za vsak vod oz. kabel vnesemo njegovo dolžina v km
Slabost tega modela je, da ne pokaže prave frekvenčne odvisnosti RLC parametrov realnih
vodov. V resnici, zaradi kožnega efekta vodnikov in zemlje, opazimo močno frekvenčno
odvisnost matrik R in L, ki povzroča dušenje visokih frekvenc.[10]
Slika 4.2: Blok Distributed parameter line blok za 1, 3 in 6 fazno omrežje [10]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
80
5 VPLIV ELEKTRIČNEGA OMREŽJA NA DELOVANJE
PRENAPETOSTNE ZAŠČITE
Slika 5.1 prikazuje shemo vezave matematičnih modelov prenapetostne zaščite in omrežja,
ki smo jo uporabljali za simulacijo vpliva električnega omrežja na delovanje prenapetostne
zaščite. Za osnovo simulacije smo uporabil realno omrežje, ki smo mu potem spreminjali
parametre kablov in nato opazovali odzive prenapetostne zaščite. Enopolna shema, ki je
nismo uvrstili v besedilo, se nahaja v prilogi A.
Z bloki distributed parameter line smo simulirali povezave med:
transformatorsko postajo in glavno priključno omarico objekta (l12),
glavno priključno omarico in razdelilno omarico (l23) in
razdelilno omarico in porabnikom (l34).
Slika 5.1: Shema vezave matematičnih modelov prenapetostne zaščite in omrežja v
programskem paketu Matlab/Simulink
Pri simulaciji smo predpostavili, da je mesto izvora prenapetosti v transformatorju, ki je
250 m oddaljen od glavne priključne omarice objekta. Razdalja med glavna priključno
omarico in razdelilno omarico je 25 m in razdalja med razdelilno omarico in porabnikom
znaša 15 m.
Ker smo simulacijo opravljali na osnovi realnega primera smo za povezave uporabili
prereze kablov kot so določeni v enopolni shemi objekta (glej Priloga A). Lastnosti kablov
smo določili s pomočjo tabele 3.8.
Simulacije smo opravljali za tri različne primere uporabe prenapetostne zaščite:
uporabljen samo prenapetostni odvodnik,
uporabljen samo MOV in
uporabljena plinski odvodnik in MOV.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
81
Da bi lahko ugotavljali vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite, smo
za vsak primer prenapetostne zaščite opravili več simulacij s spremenjenimi lastnostmi
kablov oz. električnega omrežja:
simulacija z lastnostmi kablov podanih s strani proizvajalca,
kablom smo za polovico zmanjšali vrednosti induktivnosti in upornosti,
kablom smo dvakrat zvišali vrednosti induktivnosti in upornosti,
kablom smo za polovico zmanjšali vrednosti upornosti, induktivnosti in upornosti,
kablom smo dvakrat zvišali vrednosti upornosti, induktivnosti in upornosti,
razdalje med posameznimi elementi omrežja smo skrajšali za polovico,
razdalje med posameznimi elementi omrežja smo dvakrat podaljšali.
V posameznih primerih prenapetostne zaščite smo pogledali kaj se dogaja z napetostjo in
tokom na posameznim elementih omrežja. Za lažje ugotavljanje vpliva na delovanje
prenapetostne zaščite in posledično vpliva na porabnika, smo najprej opravili zgoraj
omenjene preizkuse za omrežje brez prenapetostne zaščite.
5.1 Primer 1: Brez prenapetostne zaščite
Najprej smo opravili simulacijo električnega omrežja brez prenapetostne zaščite (Slika
5.2), kjer smo za električne kable uporabili podatke podane s strani proizvajalca. Graf 4.1
prikazuje tok in napetost na bremenu (porabniku), ki ga imamo na koncu omrežja, za
katerega smo uporabili podatke podane s strani proizvajalca. Iz njega je lepo razviden
napetostni udar, ko je napetost na bremenu znašala 540 V in tok 1,02A.
Slika 5.2: Shema vezave matematičnih modelov brez prenapetostne zaščite
Sledila je simulacija, kjer smo vrednosti upornosti in induktivnosti kablov podanih s strani
proizvajalca povišali za faktor 2. Rezultati so prikazani na grafu 5.2, iz katerega je
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
82
razvidno, da sta bila tok in napetost ob prenapetostnem udaru manjša, kot pri prejšnjem
primeru. Maksimalna vrednost toka je bila 0,92 A, maksimalna vrednost napetosti pa je
znašala 486 V.
V naslednji simulaciji smo vrednosti upornosti in induktivnosti kablov zmanjšali za
polovico, glede na podane vrednosti s strani proizvajalca. Iz grafa 5.3 je razvidno, da je
maksimalna vrednost napetosti na bremenu znašala 600 V, kar je v primerjavi z rezultati
prve simulacije 60 V oz. približno 10 % več. Posledično se je, glede na prvo simulacijo,
zvišal tudi tok, ki je bil prav tako za približno 10 % večji in je znašal 1,13 A.
Graf 5.1: I in u na bremenu (porabniku) v omrežju s podatki proizvajalca kablov, brez LPS
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
83
Graf 5.2: I in u na bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in induktivnosti, brez
LPS
Graf 5.3: : I in u na bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in induktivnosti,
brez LPS
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
84
Graf 5.4: : I in u na bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti, induktivnosti in
kapacitivnosti, brez LPS
Vrednost toka in napetosti na bremenu v primeru, ko smo za polovico zmanjšali vrednosti
upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti kabla, prikazuje graf 5.4. Opazimo lahko, da so
bile vrednosti toka (1,06 A) in napetosti (559 V) na bremenu manjše kot v primeru, ko smo
za polovico zmanjšali samo upornost in induktivnost kablov.
V naslednji simulaciji smo vrednosti kapacitivnosti, upornosti in induktivnosti povišali na
njihovo dvojno vrednost, glede na podatke proizvajalca. Na osnovi rezultatov, ki jih
prikazuje graf 5.5, lahko opazimo povišanje maksimalne vrednosti toka (0,96 A) in
napetosti (503 V), v primerjavi s primerom, ko smo za dvojno vrednost povečali samo
upornost in induktivnost. Vzrok za nastalo razliko je lahko kapacitivnost, saj smo v prvih
dveh primerih spreminjali samo induktivnost in upornost, v naslednjih dveh pa smo
spreminjali vse tri komponente. Kapacitivnost je lahko vplivala tudi na dodaten šum pri
padcu napetosti in toka po prenapetostnem udaru v primeru, ko smo vrednosti vseh treh
komponent podvojili.
Pri zadnjih dveh simulacijah smo uporabili lastnosti kablov, kot jih je podal proizvajalec in
smo spremenili samo dolžino kablov med posameznimi elementi električnega omrežja.
Najprej smo opravili simulacijo za primer, kjer smo dolžine električnih kablov podvojili
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
85
(Graf 5.6). Opazili smo, da so maksimalne vrednosti toka in napetosti na bremenu, v
primerjavi s prejšnjimi simulacijami, ko smo vrednosti upornosti, induktivnosti in
kapacitivnosti podvojili, primerljive. Podoben rezultat smo dobili tudi pri zmanjšanju
lastnosti kablov za polovico in zmanjšanju razdalj med elementi omrežja za polovico (Graf
5.7).
Graf 5.5: : I in u na bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti, induktivnosti in
kapacitivnosti, brez LPS
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
86
Graf 5.6: I in u na bremenu v omrežju z dvojno razdaljo med elementi omrežja, brez LPS
Graf 5.7: I in u na bremenu v omrežju s polovično razdaljo med elementi omrežja, brez
LPS
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
87
5.2 Primer 2: Uporabljen samo plinski odvodnik
V naslednjem primeru smo v simulacijo električnega omrežja vključili plinski odvodnik, ki
smo ga namestili v glavno priključno omarico našega objekta, ki je od transformatorske
postaje oddaljena 250 m (Slika 5.3).
Slika 5.3: Shema vezave matematičnih modelov s plinskim odvodnikom
Grafa 5.9 in 5.8 nam prikazujeta, kaj se dogaja z napetostjo ter tokom na plinskem
odvodniku in bremenu v primeru nastopa prenapetosti. Iz grafov je lepo razvidno
delovanje plinskega odvodnik. V trenutku, ko pride do prenapetosti (v našem primeru 860
V), se prekine prevajanje napetosti in začne naraščati tok (v našem primeru do 20,5 A), ki
po doseženem maksimumu prične spet padati. V trenutku, ko pade tok plinskega
odvodnika na nič, pride spet do povišanja napetosti na plinskem odvodniku (v našem
primeru 300 V) in potem prične napetost spet normalno nihati. Iz grafa 5.8 lahko vidimo
tudi, da je napetost na bremenu veliko manj povišana (280 V), kot v primeru brez
prenapetostne zaščite, ki je prikazana na grafu 5.1. Prav tako je lepo vidno, kako pride pri
najvišjem toku 5,25 A tudi do prekinitve toka in kako po koncu delovanja plinskega
odvodnika tok na hitro naraste do 1,4 A, ter potem prične spet normalno nihati skupaj z
napetostjo.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
88
Graf 5.8: U na PO in bremenu v omrežju s podatki proizvajalca kablov
Graf 5.9: I na PO in bremenu v omrežju s podatki proizvajalca kablov
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
89
Graf 5.10: U na PO in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in induktivnosti
Graf 5.11: I na PO in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in induktivnosti
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
90
Nato sta sledili simulaciji, ko smo spreminjali vrednosti upornosti in induktivnosti kablov.
Najprej smo opravili simulacijo, kjer smo podvojili vrednosti upornosti in induktivnosti
kablov, ki so bile podane s strani proizvajalca. Na grafu 5.10 lahko opazimo, da je bila
napetost ob pričetku delovanja plinskega odvodnika nižja za 210 V, kot v primeru, ko smo
za kable uporabili podatke podane s strani proizvajalca. Prav tako lahko opazimo, da je bil
napetostni udar ob koncu delovanja prenapetostnega odvodnika večji. Z zmanjšanjem
napetosti so se zmanjšali tudi tokovi na plinskem odvodniku in bremenu. Tako je največji
tok plinskega odvodnika znašal 11 A, največji tok na bremenu, tik pred pričetkom
delovanja plinskega odvodnika, pa je znašal 3,6 A (Graf 5.11).
Grafa 5.12 in 5.13 prikazujeta kaj se je dogajalo z napetostjo in tokom v primeru, ko smo
upornost in induktivnost kablov zmanjšali za polovico. Najvišja vrednost napetosti na
plinskem odvodniku je bila 763 V, kar je 100 V manj, kot v primeru, ko smo uporabili
podatke proizvajalca. Za polovico se je zmanjšala tudi napetost ob koncu delovanja
plinskega odvodnika. Tok na plinskem odvodniku se je, v primerjavi z grafom 5.9, skoraj
podvojil, saj je dosegel maksimum pri 37 A.
Graf 5.12: U na PO in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in
induktivnosti
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
91
Graf 5.13: I na PO in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in induktivnosti
Graf 5.14: U na PO in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti, induktivnosti
in kapacitivnosti
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
92
V naslednji simulaciji smo zraven polovičnih vrednosti upornosti in induktivnosti kabla,
razpolovili tudi vrednost kapacitivnost. Pri tem smo ugotovili, da so bili odzivi tokov16
, na
plinskem odvodniku in bremenu enaki, kot v primeru, ko smo razpolovili samo vrednosti
upornosti in induktivnosti (Graf 5.13). Enako je tudi z vrednostmi napetosti na bremenu, ki
so bile prav tako enake, kot v primeru, ko smo zmanjšali samo upornost in induktivnost
kablov. Sprememba je vidna samo pri velikosti prenapetosti, ki je v tem primeru znašala
736 V.
Podobno se je dogajalo tudi v primeru, ko smo vrednosti upornosti, induktivnosti in
kapacitivnosti podvojili. Tako kot v primeru, ko smo zmanjševali vrednosti lastnosti
kablov, smo tudi pri povečevanju teh vrednosti, dobili enake odzive16
tokov in napetosti,
kot v primeru, ko smo povečali samo vrednosti upornosti in induktivnosti. Edina
sprememba je bila pri najvišji vrednosti napetosti na plinskem odvodniku (Graf 5.15), ki je
znašala 713 V, kar je 260 V več kot v primeru, ko smo povečevali samo upornost in
induktivnost.
Graf 5.15: U na PO in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti, induktivnosti in
kapacitivnosti
16 Graf poteka toka pri polovičnih vrednostih upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti v prilogi.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
93
Graf 5.16: U na PO in bremenu v omrežju z dvojno razdaljo med elementi omrežja
Graf 5.17: U na PO in bremenu v omrežju s polovično razdaljo med elementi omrežja
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
94
Pri simulacijah s spremembo dolžine smo prav tako opazili podobne rezultate, kot v
prejšnjih primerih. Tako je v obeh primerih, ko smo razdalje med posameznimi elementi
razpolovili oz. podvojili, prišlo do razlike samo pri najvišji napetosti na plinskem
odvodniku. Graf 5.16 prikazuje vrednosti napetosti na plinskem odvodniku, ko smo
razdalje med posameznimi elementi električnega omrežja podvojili, kjer znaša maksimalna
vrednost napetosti 635 V. Najvišjo vrednost napetosti (837 V) v primeru, ko smo razdalje
med posameznimi elementi električnega omrežja skrajšali za polovico, prikazuje graf 5.17.
Ostali grafi, ki jih nismo uvrstili med besedilo, so v prilogi B.
5.3 Primer 3: Uporabljen samo MOV
V naslednji simulaciji smo uporabili samo MOV, ki smo ga namestili v razdelilni omarici
objekta, na razdalji 25 m od glavne priključne omarice (Slika 5.4). Potek simulacij je bil
povsem enak, kot v prejšnjih primerih.
Slika 5.4: Shema vezave matematičnih modelov z MOV
Najprej smo opravili simulacijo s podatki, ki so podani s strani proizvajalca. Napetost na
MOV, skozi katerega je tekel tok 0,5 A (Graf 5.19), je bila 370 V (Graf 5.18). Podobna
napetost je bila tudi na porabniku, skozi katerega je tekel tok 0,68 A.
Sledila je simulacija, v kateri smo vrednosti induktivnosti in upornosti kablov povečali
dvakrat. Tok skozi MOV, se je v primerjavi s prvo opravljeno simulacijo, zmanjšal za
skoraj 40 % oz. je bil velik 0,32 A (Graf 5.21), pri čemer se tok na porabniku, v primerjavi
s prvo simulacijo, ni spremenil. Napetost na MOV se je zmanjšalo na 360 V, na porabniku
pa je znašala 344 V (Graf 5.20).
Rezultati simulacije, v kateri smo vrednosti induktivnosti in upornosti kablov razpolovili
prikazujeta grafa 5.22 in 5.23. Tok na MOV se je povečal na 0,85 A, med tem ko je tok na
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
95
porabniku ostal enak kot v prejšnjih primerih. Prav tako lahko opazimo povišanje napetosti
na MOV in porabniku na 380 V.
V naslednji simulacijah smo opazili podobne odzive napetosti in tokov z minimalnimi
odstopanju vrednosti. Tako smo ugotovili, da so napetosti in tokovi v primeru, ko
vrednosti parametrov kabla in razdalje podvojimo, zmeraj podobne oz. da ne prihaja do
večjih sprememb, ki bi lahko vplivale na drugačno delovanje MOV. Do podobnega
rezultata smo prišli tudi v nasprotnem primeru, ko vrednosti razpolovimo. Zaradi podobnih
rezultatov, so preostali grafi, ki jih nismo uvrstili v besedilo, prikazani v prilogi C.
Graf 5.18: U na MOV in bremenu v omrežju s podatki proizvajalca kablov
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
96
Graf 5.19: I na MOV in bremenu v omrežju s podatki proizvajalca kablov
Graf 5.20: U na MOV in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in
induktivnosti
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
97
Graf 5.21: I na MOV in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in induktivnosti
Graf 5.22: U na MOV in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in
induktivnosti
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
98
Graf 5.23: I na MOV in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in
induktivnosti
5.4 Primer 4: Uporabljena plinski odvodnik in MOV
Na koncu smo opravili še simulacije, ko smo uporabili plinski odvodnik in MOV (Slika
5.1). Vendar smo pri teh simulacijah naleteli na težave, ki so povezane z omejitvami
našega modela. Največjo težavo je predstavljala kapacitivnosti kablov, saj se zaradi njih na
modelu pojavljajo šumi, zaradi katerih nismo mogli dobiti natančnih vrednosti tokov in
napetosti, kljub temu, da smo videli njihov potek v času simulacije. Podobne težave smo
imeli že v prejšnjih simulacijah, vendar je bil šum zelo majhen in posledično je bil
minimalen tudi popravek kapacitivnosti, ki pa je po popravku, tekom simulacije, ostala
zmeraj enaka.
Da bi za potrebe te simulacije, lahko izločili šum, bi bilo potrebnih kar nekaj poskusov
popravkov, s čimer pa bi preveč spremenili karakteristike kablov, da bi dobili realne
podatke.
Omejitvam navkljub, smo dobili grafe, iz katerih lahko razberemo potek tokov. Poteka
napetosti pa zaradi prevelikega šuma nismo mogli prikazati. Na osnovi grafov, ki
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
99
prikazujejo potek tokov iz prejšnjih opravljenih simulacij, pa lahko ugotovimo, da je
prenapetostna zaščita prenapetosti zaznala pravilno.
Graf 5.24 prikazuje potek tokov na plinskem odvodniku, MOV in porabniku, ko so
upoštevane karakteristike kabla, ki so podane s strani proizvajalca. Na njem je lepo vidno,
da je večino prenapetosti odvedel plinski odvodnik (16 A) in je MOV prenapetost samo
malo zgladil z odvajanjem toka v vrednosti 0,16 A.
Pri podvojitvi vrednosti upornosti in induktivnosti se je vrednost odvedenega toka
zmanjšala skoraj za polovico na obeh elementih prenapetostne zaščite (Graf 5.25). Ravno
obratno pa se je zgodilo v primeru, ko smo vrednosti parametrov razpolovili, saj so se
vrednosti tokov na elementih prenapetostne zaščite podvojile (Graf 5.26).
Graf 5.24: I na PO, MOV in bremenu v omrežju s podatki proizvajalca kablov
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
100
Graf 5.25: I na PO, MOV in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in
induktivnosti
Graf 5.26: I na PO, MOV in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in
induktivnosti
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
101
5.5 Povzetek rezultatov
S pomočjo simulacij smo prišli do ugotovitev, da parametri kablov vplivajo na samo
delovanje prenapetostne zaščite.
Velik vpliv na samo delovanje prenapetostne zaščite ima zagotovo kapacitivnost, ki vpliva
že na samo hitrost odzivnosti prenapetostne zaščite, saj se z večanjem kapacitivnosti
podaljšuje njen odzivni čas delovanja. Prav tako je kapacitivnost v naših primerih
povzročala šume, ki jih delno lahko pripišemo omejitvam našega matematičnega modela,
delno pa fizikalnemu ozadju, ki pa se mu v tej magistrski nalogi nismo posvečali. Šume
smo delno zmanjšali tako, da smo na začetku simulacij malenkost zmanjšali vrednost
kapacitivnosti, ki je potem ostala enaka za vse nadaljne simulacije. Ugotovili smo, da
največ težav povzročajo prevelike kapacitivnosti. Za zmanjšanje vpliva kapacitivnosti na
delovanje prenapetostne zaščite, bi bilo najbolje namesto kablov uporabiti posamezne
vodnike faz, ki imajo manjše kapacitivnosti.
Pri izbiri prenapetostne zaščite moramo biti pozorni tudi na upornosti kablov, saj se ob
manjši upornosti pojavljajo večje prenapetosti kot v kablih z večjo upornostjo. Tabela 3.8
lepo prikazuje, da je upornost odvisna že od izbire samega materiala, saj ima aluminij
večjo upornost kot baker. Na upornost pa vpliva tudi presek kablov, saj se z večanjem
preseka kabla niža njegova upornost. Ob izbiri premajhnega preseka kabla, lahko ob večjih
obremenitvah prihaja do njegovega segrevanja, kar pa lahko negativno vpliva tudi na
delovanje MOV, ki je temperaturno odvisen. V primeru, da se MOV-u zaradi vplivov
okolice poveča temperatura, se mu bo povečala tudi upornost in s tem bo odvajal manjše
tokove, za katere je predviden, kar pa lahko povzroči poškodbe na porabniku, saj bo
prenapetost previsoka.
Na delovanje prenapetostne zaščite vpliva tudi induktivnost, ki vpliva na hitrost naraščanja
toka skozi plinski odvodnik. V primeru, da imamo večjo vrednost induktivnosti, je
naraščanje toka počasnejše in posledično počasneje narašča tudi sproščena energija. V
primeru, da bi tok in posledično sproščena energija narasli veliko hitreje, bi potrebovali
plinske odvodnike za odvajanje večjih energij, hkrati pa bi veliko bolj obremenjevali
materiale, iz katerih je izdelan.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
102
6 SKLEP
V magistrski nalogi smo se ukvarjali s prenapetostmi, prenapetostnimi zaščitami in
vplivom parametrov kablov in njihovih dolžin na delovanje prenapetostne zaščite.
V uvodu smo predstavili izvore prenapetosti in njihovo delitev na notranje in zunanje
prenapetosti. Ugotovili smo, da so zunanji izvori prenapetosti najpogostejši. Zaradi
materialne in ekonomske škode, ki jo lahko povzročijo prenapetosti, je v današnjem času
izvedba prenapetostne zaščite skoraj obvezna.
Prenapetostno zaščito lahko razdelimo na zunanjo in notranjo. Zunanjo prenapetostno
zaščito predstavlja strelovod. V magistrski nalogi pa smo se posvetili predvsem notranji
prenapetostni zaščiti, kamor spadata plinsko odvodnik in metal-oksidni varistor. Ker nas je
zanimalo njuno delovanje, ob različnih parametrih kablov in njihovih dolžinah, smo si pri
tem pomagali s simulacijami v programskem paketu Matlab/Simulink. Da bi dobili čim
bolj realne podatke, smo v simulaciji uporabljali podatke realnih elementov omrežja.
Za izvajanje simulacij, smo morali za vsak element omrežja uporabiti matematični model.
Najprej smo izvajali simulacije brez prenapetostne zaščite, kjer smo spreminjali parametre
kablov. Ker nas je zanimalo, kako na delovanje prenapetostne zaščite vplivajo vrednosti
parametrov kablov, smo najprej spreminjali samo upornost in induktivnost, pri čemer smo
vrednosti enkrat podvojili, drugič pa razpolovili. V naslednjih simulacijah smo zraven
upornosti in induktivnosti, spreminjali še vrednosti kapacitivnosti, saj nas je zanimal tudi
njen vpliv na delovanje prenapetostne zaščite.
Sledile so simulacije, kjer smo uporabili samo plinski odvodnik montiran v priključni
omarici in samo MOV, ki smo ga priključili v razdelilni omarici. Za konec pa smo opravili
še simulacije, kjer smo uporabili obe prenapetostni zaščiti hkrati.
Pri samih simulacijah smo se srečevali tudi z omejitvami modela, ki so povezane z
matematičnimi modeli elementov omrežja, saj ne moremo povsem zagotoviti, da bi se
elementi tako obnašali tudi v realnosti. Zaradi tega bi bilo zanimivo podobne simulacije
opraviti v laboratoriju in jih primerjati z rezultati naših simulacij.
Omejitev naloge predstavljajo tudi šumi, ki so se pojavljali v rezultatih simulacij, ki so bili
povezani s kapacitivnostjo, saj so se šumi ob minimalnem popravku kapacitivnosti
zmanjšali. Kljub zmanjšanju kapacitivnosti, se vrednosti rezultatov niso spremenile. Prav
tako s spremembo nismo bistveno vplivali na rezultate simulacij, saj smo za vse simulacije
uporabljali minimalno popravljeno kapacitivnost.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
103
Največ težav smo imeli pri zadnjem primeru, ko smo opravljali simulacije z obema
elementoma prenapetostne zaščite. Zaradi prevelikega šuma v rezultatih, nismo dobili
povsem pravilnih vrednosti. Če bi želeli šum zmanjšati, bi se s spreminjanjem parametrov
kabla preveč oddaljili od realnih vrednosti. Kljub temu smo lahko videli poteke tokov, ki
so pokazali, da se omrežje z obema prenapetostnima zaščitama, na spremembe odziva
podobno, kot omrežje s samo enim elementom prenapetostne zaščite.
Rezultati so pokazali, da na delovanje prenapetostne zaščite deluje več faktorjev: upornost,
induktivnost, kapacitivnost in dolžina kablov, ki vplivajo na velikost same prenapetosti.
Zaradi tega moramo elemente prenapetostne zaščite pravilno dimenzionirati, saj morajo ob
različnih pogojih, odvajati različno velike tokove.
V primeru, da izberemo prenapetostno zaščito za premajhne prenapetosti, lahko ob večjem
prenapetostnem udaru pride do njihovega uničenja in s tem posledično do pojava
prenapetosti v inštalaciji, ki lahko vodi do poškodovanja ali celo do uničenja porabnika.
Da bi zmanjšali verjetnost poškodb prenapetostne zaščite ob prevelikih prenapetostih,
lahko pred prenapetostno zaščito vgradimo varovalke, ki ogroženi element prenapetostne
zaščite izklopi iz električnega omrežja. Kljub temu, da s tem zaščitimo element
prenapetostne zaščite, pa lahko pride do poškodb porabnikov.
V primeru, ko pri dimenzioniranju prenapetostne zaščite določimo prevelike parametre
elementov prenapetostne zaščite, pa povzročamo nepotrebne ekonomske stroške
investitorju, saj se cene elementov prenapetostne zaščite dvigajo glede na njihove
sposobnosti odvajanja tokov in napetosti. Tako se lahko zgodi tudi, da se investitor ne
odloči za prenapetostno zaščito.
Uporaba prenapetostne zaščite bo zmeraj bolj pogosta, saj dandanes nenadne vremenske
ujme in drugi pojavi s sabo prinašajo pogoste nevihte s posledično pogostejšimi udari strel.
Vse več podjetij pa je, po drugi strani, odvisnih od električnih, elektronskih in
telekomunikacijskih naprav, katerih izguba oz. poškodba, zaradi udarov strel, lahko
povzroči veliko ekonomsko škodo. Ravno zaradi tega je prenapetostna zaščita še kako
pomembna pozornosti same prakse oz. projektantov elektroinštalacij, slednji morajo zato
biti pozorni na vrednosti prenapetosti, ki se lahko glede na parametre kablov in njihovih
dolžin, precej spreminjajo (kar nakazujejo naši rezultati) in posledično se mora zato
prilagajati tudi parametre prenapetostne zaščite.
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
104
7 LITERATURA
[1] Borut Tavčar, V Sloveniji strele udarijo 75.000-krat na leto, junij 2013, Dostopno
na: http://www.delo.si/arhiv/v-sloveniji-strele-udarijo-75-000-krat-na-leto.html [11.
2. 2014]
[2] Debevec, U., Strele, november 2005, Dostopno na: http://shrani.si/files/strela110
70e.pdf [22.11.2014]
[3] DEHN + SÖHNE, Blitzplaner, Neumarkt, Germany, Juli 2013, Dostopno na:
https://www.dehn.de/sites/default/files/uploads/dehn/pdf/Kataloge/Deutsch/blitzpla
ner.pdf [2. 12. 2013]
[4] GRID CABLES, Dostopno na: http://www.gridcables.com/pdfs/4-core-cu-
unarmd.pdf [29. 9. 2014]
[5] HAVELLS, Cable Catalogue, August 2008, Dostopno na: http://www.havells.com/
Admin/Forms/Brochures%5CCable%20Catalogue%20Final-Aug-08.pdf [29. 9.
2014]
[6] Hribar, Ž. Primerjava tehnologije iskrišč in varistorjev. Elektrotehniška revija, 5,
(2005), 2, str. 38 – 43.
[7] Hribar, Ž. Predstavitev iskrišč Iskra za uporabo v nizkonapetostnem omrežju.
Elektrotehniška revija, 5, (2005), 3, str. 25 – 28.
[8] J. Ribič, Prenapetostna zaščita zgradb, Magistrsko delo, Univerza v Mariboru,
Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko v Mariboru, Maribor,
2006.
[9] Kokalj, A., Osnove elektrotehnike [Elektronski vir]: gradivo za 1. letnik, Zavod
IRC, Ljubljana, 2011, Dostopno na: http://www.impletum.zavod-irc.si/docs/
Skriti_dokumenti/Osnove_elektrotehnike-Vrscaj_Kokalj.pdf [15. 8. 2014]
[10] MathWorks, Distributed Parameter Line, Dostopno na: http://www.mathworks.co
m/help/physmod/sps/powersys/ref/distributedparameterline.html;jsessionid=696b7
b45f0f87f3fd4131e4569ae [1. 8. 2014]
[11] MathWorks, PI Section Line, Dostopno na: http://www.mathworks.com/help/
physmod/sps/powersys/ref/pisectionline.html [1. 8. 2014]
[12] MathWorks, PI Section Line, Dostopno na: http://www.mathworks.com/help/
physmod/sps/powersys/ref/threephasepisectionline.html [1. 8. 2014]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
105
[13] J. Voršič, J. Pihler, Tehnika visokih tokov in velikih napetosti, FERI, Maribor,
2008.
[14] Ravnikar, I., Električne inštalacije, Tehniška založba Slovenije, Ljubljana, 2007.
[15] Ravnikar, I. Električne inštalacije, skladne z družino standardov SIST HD 384 – 2.
nadaljevanje. Elektrotehniška revija, 5, (2004), 1, str. 27 - 30.
[16] Ravnikar, I. Električne inštalacije, skladne z družino standardov SIST HD 384 – 3.
nadaljevanje. Elektrotehniška revija, 5, (2004), 2, str. 19 - 25.
[17] Ravnikar, I. Električne inštalacije, skladne z družino standardov SIST HD 384 –
19. nadaljevanje. Elektrotehniška revija, 9, (2008), 2, str. 22 – 26.
[18] Ravnikar, I. Električne inštalacije, skladne z družino standardov SIST HD 384 –
21. nadaljevanje. Elektrotehniška revija, 9, (2008), 4, str. 13 – 20.
[19] Ravnikar, I. Električne inštalacije, skladne z družino standardov SIST HD 384 –
24. nadaljevanje. Elektrotehniška revija, 10, (2009), 3, str. 21 – 26.
[20] SIST EN 62305-1, Protection against lightning - Part 1: General principles, Ed. 1,
SIST, June 2002.
[21] SIST EN 62305-2, Protection against lightning - Part 2: Risk management, Ed. 1,
SIST, June 2004.
[22] SIST EN 62305-3, Protection against lightning - Part 3: Physical damage to
structures and life hazard, Ed. 1, SIST, June 2004.
[23] SIST EN 62305-4, Zaščita pred delovanjem strele – 4. Del: Električni in
elektronski sistemi v zgradbah (IEC 62305-4:2006). SIST, Ljubljana, Junij 2006.
[24] SIST IEC 60038, Standardne napetosti IEC, SIST, Ljubljana, september 2002.
[25] Slovensko društvo za geoelektriko, statično elektriko in strelovode, Dostopno na:
http://www.sdgss.si/predstavitev/clanki [11. 2. 2014]
[26] TEHNIČNA SMERNICA TSG-N-002:2013, Nizkonapetostne električne
inštalacije, Dostopno na: http://www.mzi.gov.si/fileadmin/mzi.gov.si/pageuploads/
Prostor/Graditev/mop_nn_instalacije_TSG-N-002_2013_objava.pdf [15. 10. 2014]
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
Priloga A
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
Priloga B
Graf B.1: I na PO in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti, induktivnosti in
kapacitivnosti
Graf B.2: I na PO in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti, induktivnosti in
kapacitivnosti
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
Graf B.3: I na PO in bremenu v omrežju z dvojno razdaljo med elementi omrežja
Graf B.4: I na PO in bremenu v omrežju s polovično razdaljo med elementi omrežja
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
Priloga C
Graf C.1: U na MOV in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti,
induktivnosti in kapacitivnosti
Graf C.2: I na MOV in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti, induktivnosti
in kapacitivnosti
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
Graf C.3: U na MOV in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti, induktivnosti
in kapacitivnosti
Graf C.4: I na MOV in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti, induktivnosti in
kapacitivnosti
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
Graf C.5: U na MOV in bremenu v omrežju z dvojno razdaljo med elementi omrežja
Graf C.6: I na MOV in bremenu v omrežju z dvojno razdaljo med elementi omrežja
Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite
Graf C.7: U na MOV in bremenu v omrežju s polovično razdaljo med elementi omrežja
Graf C.8: I na MOV in bremenu v omrežju s polovično razdaljo med elementi omrežja