prenapetostna zaŠČita -...

17
Univerza v Ljubljani Fakulteta za Elektrotehniko PRENAPETOSTNA ZAŠČITA Seminarska naloga pri predmetu Razdelilna in industrijska omrežja Št. leto 2018/19 Luka Zidarič, 64140179 Izvajalec Prof. dr. Grega Bizjak

Upload: others

Post on 14-Sep-2019

5 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: PRENAPETOSTNA ZAŠČITA - lrf.fe.uni-lj.silrf.fe.uni-lj.si/e_rio/Seminarji/PrenapetostnaZascita.pdf · Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga 3 Kazalo slik Slika

Univerza v Ljubljani Fakulteta za Elektrotehniko

PRENAPETOSTNA ZAŠČITA Seminarska naloga pri predmetu

Razdelilna in industrijska omrežja

Št. leto 2018/19

Luka Zidarič, 64140179 Izvajalec Prof. dr. Grega Bizjak

Page 2: PRENAPETOSTNA ZAŠČITA - lrf.fe.uni-lj.silrf.fe.uni-lj.si/e_rio/Seminarji/PrenapetostnaZascita.pdf · Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga 3 Kazalo slik Slika

Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga

2

Kazalo Kazalo slik ..................................................................................................................................................... 3

1. Prenapetost .............................................................................................................................................. 4

1.1. Tipi prenapetosti ................................................................................................................................. 4

1.1.1 Časne prenapetosti ....................................................................................................................... 4

2. Preizkušanje izolacije in zaščitnih elementov.................................................................................. 5

2.1. Ustvarjanje visokih napetosti ....................................................................................................... 5

3 Prenapetostna zaščita ............................................................................................................................ 7

3.1 Zaščitna iskrišča ............................................................................................................................... 7

3.2. Prenapetostni odvodnik ................................................................................................................ 8

3.3. TVSS ................................................................................................................................................. 12

3.4. Posebne vrste odvodnikov .......................................................................................................... 13

4. Termični pobeg ..................................................................................................................................... 14

5 Dodatek .................................................................................................................................................... 15

5.1 Vprašanja ......................................................................................................................................... 15

5.2 Naloga ............................................................................................................................................... 15

6 Viri ............................................................................................................................................................ 17

Page 3: PRENAPETOSTNA ZAŠČITA - lrf.fe.uni-lj.silrf.fe.uni-lj.si/e_rio/Seminarji/PrenapetostnaZascita.pdf · Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga 3 Kazalo slik Slika

Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga

3

Kazalo slik Slika 1&2-Standardizirana oblika prenapetosti s strmim in položnim čelom z označenimi časi dviga...............................................................................................................................................................5

Slika 3-Kaskadni transformator...............................................................................................................5

Slika 4-Marxov udarni generator.............................................................................................................6

Slika 5-Zaščitno iskrišče na daljnovodni izolatorski verigi...............................................................7

Slika 6-Tipična karakteristika idealnega zaščitnega iskrišča............................................................7

Slika 7-Siemensov nabor srednje- in nizkonapetostnih odvodnikov..............................................8

Slika 8-Tipična karakteristika prenapetostnega odvodnika..............................................................9

Slika 9-Karakteristika idealnega odvodnika, karakteristika realnega odvodnika........................9

Slika 10-Karakteristike različnih materialov v varistorjih...............................................................10

Slika 11-Zgradba VN prenapetostnega odvodnika............................................................................11

Slika 12-Shematski prikaz in notranja sestava TVSS naprave........................................................13

Slika 13-Karakteristiki odvodnika z iskriščem in brez ....................................................................13

Slika 14-Shematski prikaz ventilskega odvodnika iskrišča.............................................................14

Slika 15-P[T] karakteristike odvodnika...............................................................................................15

Page 4: PRENAPETOSTNA ZAŠČITA - lrf.fe.uni-lj.silrf.fe.uni-lj.si/e_rio/Seminarji/PrenapetostnaZascita.pdf · Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga 3 Kazalo slik Slika

Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga

4

1. Prenapetost Prenapetost je stanje v nekem sistemu, ko napetosti v njem presegajo nazivne vrednosti. Ponavadi ima vsaka naprava ali sestav podane nazivne vrednosti skupaj z dovoljenimi tolerancami, v katerih naj bi se napetost gibala. Učinki prenapetosti so lahko okvare in poškodbe, ali pa preprosto nevarnost. Prenapetost je v glavnem problematika pri dimenzioniranju in vzdrževanju izolacijskih elementov, ter izdelave in načrtovanja naprav, ki jo omilijo ali preprečijo. Po nastanku je prenapetost lahko notranja ali zunanja, glede na to, ali je vzrok nastanka v opazovanem sistemu, ali so ga povzročili zunanji dejavniki. Med notranje vzroke nastanka sodijo v glavnem stikalni manevri, kot so odklapljanje induktivnih bremen, zemeljski stiki, pretrgi daljnovodnih vrvi ipd. . Med zunanje sodi daleč najpogostejši vzrok prenapetosti, to so atmosferske razelektritve, ki ponavadi tudi povzročajo največjo škodo.

1.1. Tipi prenapetosti Standard IEC 60071 predpisuje tri značilne kategorije prenapetosti. Za vsak tip je predpisan tudi standarden preizkus zdržnosti, ki se izvaja na terenu in v proizvodnji.

1.1.1 Časne prenapetosti Trajajo dlje časa, od 0.03 s do ene ure, in so harmoničnih oblik in ponavadi omrežne frekvence. So vedno notranjega izvora in so povzročene s strani zemeljskih stikov, izpadov bremen, in feroresonance. Povzročajo najmanj škode (razen na odvodnikih). Naprave za zdržnost preizkušamo s kratkotrajnim preizkusom s povečano izmenično napetostjo. Časne prenapetosti povišanih frekvenc so lahko problematične zaradi kvadratne odvisnosti izgub v železu od frekvence. Tipičen nastanek časne prenapetosti se zgodi ob enofaznem zemeljskem stiku brez ozmeljenega zvezdišča. Napetost faze v stiku pade na 0, napetost zdravih faz pa naraste na medfazno vrednost. Časne prenapetosti povzroča tudi Ferrantijev učinek-ko so veliki daljnovodi neobremenjeni lahko proizvajajo več jalove moči, kot jo porabljajo, zato pride do dviga napetosti, ki včasih lahko presega varnostne tolerance. 1.1.2 Prenapetosti s položnim čelom So udarne oblike in imajo relativno počasen čas dviga, povzročajo jih v glavnem stikalne manipulacije. Naprave za zdržnost preizkušamo s stikalno udarno napetostjo. Pojavijo se ob izpadih velikih induktivnih bremen in priklopih neobremenjenih transformatorjev ali izklopih neobremenjenih vodov. Problematične so zaradi hitrega časa dviga, ki po standardu znaša od 20 do 5000 µs. 1.1.3 Prenapetosti s strmim čelom so udarne oblike in imajo zelo hiter čas dviga, od 0.1 do 20 µs. To je tipična oblika atmosferske razelektritve. Naprave za zdržnost preizkušamo z atmosfersko udarno napetostjo.

Page 5: PRENAPETOSTNA ZAŠČITA - lrf.fe.uni-lj.silrf.fe.uni-lj.si/e_rio/Seminarji/PrenapetostnaZascita.pdf · Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga 3 Kazalo slik Slika

Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga

5

2. Preizkušanje izolacije in zaščitnih elementov Pri oblikovanju prenapetostne zaščite je treba elemente pred inštalacijo v omrežje preizkusiti za pravilno delovanje. Glede na standarde moramo v laboratoriju zaogtoviti pravilne oblike napetosti, da so laboratorijske razmere kar se da podobne realnim. Za proizvajanje visokih napetosti in udarnih valov se uporablja nekaj naprav, ki lahko v kratkem času sprostijo dovolj energije za tvarjenje strmih udarnih valov.

Sliki 1 in 2: Standardizirana oblika prenapetosti s strmim in položnim čelom z označenimi časi dviga »T1«.

Poleg času dviga T1 je pomemben tudi čas spusta T2, ki določa, koliko časa mora zaščita ali naprava zdržati pod prenapetostjo. Pri položnem čelu je T2 20 ms, pri strmem pa 300 µs.

2.1. Ustvarjanje visokih napetosti Oprema za ustvarjanje napetosti reda 1 ali več MV mora biti ustrezno zgrajena, da sama ne podleže prebojem. Za stopnjevanje napetosti se uporablja kaskadni transformator. Sestavljen je iz večih zaporedno vezanih dvižnih transformatorjev, ki imajo za referenčno napetost tisto, na kateri je začelo navitje na prejšnji stopnji. Zaradi tega vsak izmed povezanih transformatorjev »čuti« samo svojo nazivno napetost in ne višje. Med referečno nično točko prvega transformatorja in koncem navitja zadnjega pa se pojavi ustrezno visoka napetost.

Slika 3: Kaskadni transformator

Page 6: PRENAPETOSTNA ZAŠČITA - lrf.fe.uni-lj.silrf.fe.uni-lj.si/e_rio/Seminarji/PrenapetostnaZascita.pdf · Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga 3 Kazalo slik Slika

Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga

6

Kaskadni transformator je uporaben za preikuse časnih prenapetosti ali napajanje drugih VN naprav. Udarne napetosti proizvajamo z Marxovim generatorjem, ki je prikazan na spodnji sliki.

Slika 4: Marxov udarni generator

Ko priključimo na leve sponke visoko napetost, se kondenzatorji priključeni paralelno na vir napetosti napolnejo. Udarni val napetosti sprostimo z vžignim iskriščem, ki ga sprožimo z zunanjim VN virom. Temu sledi kaskadna sprožitev diagonalno vezanih iskrišč, ki tvorijo zaporedno vezavo med nabitimi kondenzatorji, zato se napetost čeznje pomnoži. Z vrednostmi kondenzatorjev in uporov med njimi je možno fino nastaviti obliko udarnega vala.

Page 7: PRENAPETOSTNA ZAŠČITA - lrf.fe.uni-lj.silrf.fe.uni-lj.si/e_rio/Seminarji/PrenapetostnaZascita.pdf · Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga 3 Kazalo slik Slika

Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga

7

3 Prenapetostna zaščita 3.1 Zaščitna iskrišča

Krogelna iskrišča so bila med prvimi merilnimi instrumenti za merjenje visokih napetosti. Ob poznavanju razdalje med elektrodama in prebojne trdnosti snovi med njima lahko ob preboju precej zanesljivo ocenimo, kakšna je bila napetost. Po tem principu je zasnovana najpreprostejša oblika prenapetostne zaščite. Pri nas so se jo odločili poimenovati »zaščitni rogljiči«, kar ne upada z namenom tako lepo kot angleški izraz »arcing horns«. Iz slednjega lahko lepše razberemo, da gre za iskrišče. Rogljiči so izvedeni tako, da dve elektrodi namestimo na vsako stran izolacijskega elementa. Ob pojavu udarnega napetostnega vala zrak med njima ionizira in odvede elektrino na ozemljeno stran izolatorja, naj bo to steber, ohišje transformatorja ali pa strelovod.

Slika 5: Zaščitno iskrišče na daljnovodni izolatorski verigi

Rogljiči so poceni in preprosta oblika prenapetostne zaščite, vendar imajo svoje hibe. Obloki, ki nastanejo ob preboju zraka med elektrodama lahko vzdržujejo prevodni kanal, ki lahko povzroči zemeljske stike kar skozi oblok, lahko pa tudi sam oblok povzroči škodo preden ugasne. Zaščitna iskrišča imajo dober odziv na udarne napetosti s položnim čelom, pri strmem porastu udarnega vala pa se lahko prebojna karakteristika iskrišča in izolacijskega elementa sekata in lahko izolacija popusti preden iskrišče lahko reagira. To lahko privede do povratnega udara iz fazne vrvi na steber, ali pa iz stebra na vrv, če ozemljitev ni zadostna.

Slika 6: Tipična karakteristika idealnega zaščitnega iskrišča (levo)

Page 8: PRENAPETOSTNA ZAŠČITA - lrf.fe.uni-lj.silrf.fe.uni-lj.si/e_rio/Seminarji/PrenapetostnaZascita.pdf · Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga 3 Kazalo slik Slika

Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga

8

Zaščitna iskrišča so navadno montirana tudi na skoznjike nizkonapetostnih transformatorjev v distribuciji. V primeru, da strela udari v daljnovodno vrv lahko rogljiča prenapetost varno odvedeta na ozemljeni kotel transformatorja brez poškodb na navitjih.

3.2 Prenapetostni odvodnik Prenapetostni odvodnik je pasivni zaščitni element, ki deluje kot nelianearni upor. Upornost je ob običajnih razmerah zelo visoka, ob pojavu prenapetosti pa se ta zniža in usmeri udar napetosti v zemljo. Po anatomiji je odvodnik varistor, upor, ki se mu upornost spreminja v odvisnosti od pritisnjene napetosti. Materiali v uporabi so posebne keramike, kot so cinkov oksid (ZnO) in silicijev karbid (SiC).

Slika 7: Siemensov nabor srednje- in nizkonapetostnih odvodnikov

V splošnem mora odvodnik izpolnjevati vsaj sledeče pogoje: -Ne sme prevajati, ko je priključen na nazivno napetost -Mora prevajati čim bolje, ko napetost preseže dovoljene tolerance -Mora biti sposoben kratkočasnega obratovanja na zelo veliki moči -Mora zdržati okoljske vplive (pri prostozračnih inštalacijah) -Preostala napetost po koncu prevajanja mora biti nižja od zdržne napetosti ščitene naprave

Page 9: PRENAPETOSTNA ZAŠČITA - lrf.fe.uni-lj.silrf.fe.uni-lj.si/e_rio/Seminarji/PrenapetostnaZascita.pdf · Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga 3 Kazalo slik Slika

Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga

9

Tipična karakteristika odvodnika je prikazana spodaj.

Slika 8: Tipična karakteristika prenapetostnega odvodnika

Ko se napetost na odvodniku dvigne nad predpisano vrednost, postane prevoden in tok skozenj naraste.

Idealna karakteristika bi bila popolnoma raven graf pri določeni prepustni napetosti, kjer bi odvodnik imel neskončno prevodnost, čim pa bi napetost upadla pod nazivno, bi prevodnost ravno tako padla na 0. Idealni odvodnik bi se obnašal kot kaže karakteristika na spodnji sliki, predvsem pa njegov tok ne bi bil odvisen od napetosti.

Slika 9: Karakteristika idealnega odvodnika (levo), karakteristika realnega elementa (desno)

Različni materiali nudijo različne karakteristike, ZnO odvodniki imajo bolj strmo karakteristiko in hitrejši odrez, medtem ko se SiC odvodniki počasneje odzovejo z bolj počasnim odrezom.

Page 10: PRENAPETOSTNA ZAŠČITA - lrf.fe.uni-lj.silrf.fe.uni-lj.si/e_rio/Seminarji/PrenapetostnaZascita.pdf · Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga 3 Kazalo slik Slika

Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga

10

Slika 10: Karakteristike različnih materialov v varistorjih

Poleg predvodniških materialov se za sestavo odvodnika uporabljajo tudi izolacijski materiali, saj je treba del pod napetostjo dobro ločiti od ozemljitve. Izolacija je izpeljana na isti način kot pri splošnih izolacijskih elementih, v sodobnem času čedalje več iz kompozitnih ali umetnih materialov. Površina izolacije je rebrasta za preprečevanje plazečih tokov. Keramična izolacija se je pri prenapetostnih odvodnikih izkazala za nezanesljivo, saj je zelo tog material in pri hitrem pregrevanju zaradi raztezkov, tlaka in velikih temperaturnih razlik lahko poči.

Page 11: PRENAPETOSTNA ZAŠČITA - lrf.fe.uni-lj.silrf.fe.uni-lj.si/e_rio/Seminarji/PrenapetostnaZascita.pdf · Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga 3 Kazalo slik Slika

Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga

11

Osnovne lastnosti vsakega odvodnika so poleg dimenzij nazivna obratovalna napetost, prepustna napetost (zaščitni nivo), čas odziva, kapacitivnost ter energijska zmogljivost. Slednji parameter je pri močnih udarih dostikrat problematičen, ker odvodniki niso termično dimenzionirani za dolgotrajne tokovne obremenitve, zato jih lahko dolgotrajne časne prenapetosti ali zelo bližnji udari strele uničijo. Ta problem je ilustriran tudi na sliki 8 desno, kjer je črtkano podaljšan graf v t.i. termalnem pobegu, kjer se začne odvodnik pregrevati in se mu zaradi tega lahko upornost nezaželjeno poveča. Nazivna napetost odvodnika je določena s številom uporovnih elementov v verigi.

Moderni PN odvodniki so izdelani kot izvotljen izolatorski element, napolnjen s tabletastimi vstavki iz nelinearnega materiala, kot je prikazano na sliki 10. Slika 11: Zgradba VN prenapetostnega odvodnika

Page 12: PRENAPETOSTNA ZAŠČITA - lrf.fe.uni-lj.silrf.fe.uni-lj.si/e_rio/Seminarji/PrenapetostnaZascita.pdf · Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga 3 Kazalo slik Slika

Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga

12

Odvodniki so ponavadi nameščeni kar se da blizu ščitenemu elementu zaradi valovnih lastnosti napetostnih udarov. Če v vod udari strela, se bo stran od mesta udara vzdolž voda širil val napetosti, ki se mu upira valovna impedanca voda (an. Surge Impedance), definirana z enačbo (1).

𝑍𝑣 = √

𝐿

𝐶

(1)

Padec napetosti na vodu zaradi udara strele lahko izračunamo po ohmovem zakonu, če lahko ocenimo tok udara.

𝑈 = 𝐼 𝑍𝑣 (2)

Ob koncu dela voda, kamor je priključen npr. transformator, se ta valovna impedanca znatno poveča zaradi induktivnosti transformatorja. Udarni val se zato odbije, kot bi se val na vrvi, ki je privezana na steno, ker zaključek voda predstavlja »togo« oviro za omenjeni val. Odbiti val se superponira s prispelim in zato je lahko amplituda udarnega vala tudi podvojena. Zaradi tega je smiselno nameščati odvodnike karseda blizu naprav, ki jih želimo ščititi. Prav tako mora povezava med odvodnikom in ščitenim elementom biti čimkrajša, saj lahko ob močnih udarih padec napetosti na tej navidez kratki razdalji povzroči poškodbe.

Največjo razdaljo naprave od odvodnika xmax lahko izračunamo po enačbi (3),

𝑥𝑚𝑎𝑥 =

𝑐 (𝑈𝑧𝑑𝑟 − 𝑈𝑧𝑎šč)

2𝑆

(3)

kjer je 𝑐 hitrost potovanja vala, 𝑆 strmina udarnega vala (npr nekaj MV v 2µs) za udar strele, 𝑈𝑧𝑑𝑟 zdržna napetost naprave, 𝑈𝑧𝑎šč pa zaščitni napetostni nivo odvodnika.

3.3. TVSS TVSS je angleška kratica za »transient voltage surpression system«, po slovensko »sistem za odvajanje prehodnih napetosti«. To je kombinirana naprava, ki poleg odvodnikov vsebuje lahko tudi varovalke, kondenzatorje ali zaščitna iskrišča. Na sliki 11 je prikazan preprost TVSS. Na vhode lahko namestimo tudi varovalke. Faze so medsebojno povezane z odvodniki, prav tako so izpeljane povezave iz faz na zemljo. Dodani so tudi kondenzatorji, ki ublažijo strme sunke prenapetosti, na katere odvodniki morda ne morejo odreagirati v dovolj majhnem časovnem oknu. Naprave se uporabljajo na srednji in nizki napetosti, njihova prednost je vgraditev večih elementov naenkrat in modularnost. Če pride do udara strele v fazni vodnik se odvedena prenapetost razporedi po vseh odvodnikih, saj so ustvarjene medfazne povezave, kar delno preprečuje termični pobeg.

Page 13: PRENAPETOSTNA ZAŠČITA - lrf.fe.uni-lj.silrf.fe.uni-lj.si/e_rio/Seminarji/PrenapetostnaZascita.pdf · Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga 3 Kazalo slik Slika

Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga

13

Slika 12: Shematski prikaz in notranja sestava TVSS naprave

3.4. Posebne vrste odvodnikov V preteklosti, ko nelinearni uporniški materiali še niso bili stabilna tehnologija se je uporabljal hibrid iskrišča in modernega odvodnika, t.i. ventilni odvodnik, ki je bil sestavljen iz zaporedne vezave uporovnega materiala in iskrišča. Uporovni material je bil silicijev karbid. Prednost takšnega odvodnika je ničen parazitni tok v zemljo. Ker iskrišče predstavlja galvansko ločitev od zemlje lahko tudi prebit odvodnik do zamenjave ne povzroča zemeljskih stikov.

Slika 13: Karakteristiki odvodnika z iskriščem (levo) in brez (desno)

Problemi ventilskih odvodnikov so prenapetosti, ki niso dovolj strmega karakterja, da bi sprožile iskrišče, ali pa tiste, ki so na robu sprožitve, kar privede do prehitrega zaprtja odvodnika in morebitnih poškodb na ščiteni opremi.

Page 14: PRENAPETOSTNA ZAŠČITA - lrf.fe.uni-lj.silrf.fe.uni-lj.si/e_rio/Seminarji/PrenapetostnaZascita.pdf · Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga 3 Kazalo slik Slika

Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga

14

Slika 14: Shematski prikaz ventilskega odvodnika z dodanimi upornostmi paralelno na iskrišča

Ob udaru strele v fazni vodnik se iskrišče sproži in odvečna elektrina lahko steče v zemljo. Zaradi neničelne upornosti med iskriščem in zemljo se nastali oblok lahko ugasne samostojno. Dandanes so postali ZnO odvodniki dovolj zanesljivi, da kompromisne inštalacije z ventilnimi odvodniki niso potrebne.

4. Termični pobeg Prenapetostni odvodniki niso narejeni za trajno prevajanje toka. Njihovo hlajenje je zgolj pasivno preko konvekcije, električni izolacijski materiali pa ponavadi niso tudi dobri toplotni prevodniki. Če se na odvodniku pojavi dolgo trajajoča časna prenapetost, lahko odvodnik uspe oddati manj toplote, kot jo ustvarja z joulskimi izgubami. Temu pojavu pravimo termični pobeg in je poleg udarov strele glavni vzrok za uničenje prenapetostnih odvodnikov.

Slika 15: P[T] karakteristike odvodnika

Page 15: PRENAPETOSTNA ZAŠČITA - lrf.fe.uni-lj.silrf.fe.uni-lj.si/e_rio/Seminarji/PrenapetostnaZascita.pdf · Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga 3 Kazalo slik Slika

Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga

15

Na P[T] karakteristiki iz slike 15 določimo z modro in rumeno stabilno in labilno točko. Ko je segrevalna krivulja pod ohlajevalno lahko odvodnik odda več toplote v okolico, kot se je ustvarja zaradi toka v njem. Ko se vloge obrnejo, se odvodnik greje hitreje, kot se hladi in preidemo v območje termičnega pobega.

5 Dodatek 5.1 Vprašanja 1) Kaj je prenapetost, kakšne vrste prenapetosti poznamo, kaj jih povzroča?

Prenapetost je vsako stanje, ko je napetost višja od nazivne za več, kot določajo predpisane meje. Poznamo časne in prehodne prenapetosti, ki jih dalje delimo na PN s položnim čelom in PN s strmim čelom. Časne prenapetosti povzročajo izpadi bremen, ferrantijev učinek, resonance... Prenapetosti s položnim čelom povzročajo stikalni manevri v omrežju: odklop velikega induktivnega bremena, izklop dolgega neobremenjenega daljnovoda, pretrgi daljnovodnih vrvi... Prenapetosti s strmim čelom so izključno atmosferskega izvora.

2) Kakšne oblike prenapetostne zaščite poznamo in kje jo uporabljamo?

Poznamo zaščitna iskrišča, ki jih uporabljamo pri daljnovodnih izolatorjih in transformatorskih skoznjikih, PN odvodnike, s katerimi ščitimo transformatorje, stikalno opremo in bremena. Nekdaj so v uporabi bili ventislki odvodniki, ki so kombinacija iskrišča in nelinearnega odvodnika.

3) Opišite realno in idealno karakteristiko prenapetostnega odvodnika

Idealni PN odvodnik bi začel prevajati tok z ničelno upornostjo, čim bi napetost dosegla zaščitni nivo opreme, realni odvodnik pa začne prevajati počasneje in ima neko neničelno upornost, ki med prevajanjem povzroča joulske izgube.

4) Opišite pojav termičnega pobega

Do termičnega pobega pride, ko naprava ne zmore oddajati toliko toplote, kot jo proizvede. To privede do poškodb in redkokdaj tudi do eksplozij. Termični pobeg ovrednotimo s karakteristiko ohlajanja in segrevanja, iz katere lahko določimo stabilno in labilno obratovalno točko, med katerima naj bi se nahajala obratovalna točka odvodnika med delovanjem.

5.2 Naloga V daljnovod dolg 30 km udari strela na 1/3 poti celotne dolžine. Daljnovod ima sledeče podatke: r=0,7 Ω/km, x=0,4 Ω/km, C'=8,7 nF/km. Izračunajte padec napetosti med točko A in B, če privzamemo da ima strela amplitudni tok 20 kA.

Page 16: PRENAPETOSTNA ZAŠČITA - lrf.fe.uni-lj.silrf.fe.uni-lj.si/e_rio/Seminarji/PrenapetostnaZascita.pdf · Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga 3 Kazalo slik Slika

Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga

16

Rešitev: Izračunati je treba napetost, ki se pojavi med točko A in stebrom zaradi udara strele, po enačbi

𝑈𝐴𝐵 = 𝑍𝑣 ∗ 𝐼

Valovna impedanca je intrinzična lastnost daljnovoda in jo lahko izračunamo po formuli

𝑍𝑣 = √𝐿

𝐶

Kjer sta L

𝐿 = 𝑥 ∗𝑙

2𝜋𝑓= 0,4

Ω

𝑘𝑚∗

10 𝑘𝑚

2 ∗ 𝜋 ∗ 50 𝐻𝑧= 0.0127 𝐻

In C

𝐶 = 𝐶′ ∗ 𝑙 = 8,7𝑛𝐹

𝑘𝑚∗ 10𝑘𝑚 = 87 𝑛𝐹

Izračunamo ju in ju ustavimo v enačbo za valovno impedanco.

𝑍𝑣 = √0,0127 𝐻

87 ∗ 10−9 𝐹= 382,06 Ω

Tok se na obe strani razpolovi enakomerno, saj ima dvakrat daljši odsek daljnovoda isto valovno impedanco kot krajši. Če namesto 𝑙 v enačbo vstavimo 2𝑙 vidimo, da se dvakratnost pokrajša, ker se pozna tako pri induktivnosti, kot kapacitivnosti. Pravzaprav valovna impedanca sploh ni odvisna od dolžine odseka daljnovoda.

𝑍𝑣2𝑙 = √𝐿

𝐶=

√𝑥 ∗

2𝑙2𝜋𝑓

𝐶′ ∗ 2𝑙= √

𝐿′

𝐶′∗

2𝑙

2𝑙

kjer je

𝐿′ = 𝑥 ∗1

2𝜋𝑓 [

𝐻

𝑘𝑚]

S temi podatki lahko poračunamo padec napetosti na odseku daljnovoda. Rezultat predstavlja napetost, ki bi se v trenutku udara pojavila na izolatorski verigi, zato je lahko uporaben rezultat za dimenzioniranje zaščite.

𝑈𝐴𝐵 =𝐼𝑠𝑡𝑟𝑒𝑙𝑒

2∗ 𝑍𝑣 = 10000 𝐴 ∗ 382,06 Ω = 3,82 𝑀𝑉

Page 17: PRENAPETOSTNA ZAŠČITA - lrf.fe.uni-lj.silrf.fe.uni-lj.si/e_rio/Seminarji/PrenapetostnaZascita.pdf · Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga 3 Kazalo slik Slika

Luka Zidarič, Prenapetostna zaščita, seminarska naloga

17

6 Viri [1] Christos A. Christodolou, Vasiliki Vita, Theodoros I. Maris, »LIGHTNING PROTECTION OF DISTRIBUTION SUBSTATIONS BY USING METAL OXIDE GAPLESS SURGE ARRESTERS CONNECTED IN PARALLEL«, International journal of power and energy research, 2017

[2] Gevork B. Gharehpetian, Farhad Shahnia »LIGHTNING AND SWITCHING TRANSIENT OVERVOLTAGES IN POWER DISTRIBUTION SYSTEMS FEEDING DC ELECTRIFIED RAILWAYS«, 2014

[3] Daxing Wang, Bin He, Wei Zhong, Bo Lin, Dong Wang, Tingbin Li, »APPLICATION AND ANALYSIS FOR SURGE ARRESTER ON LIGHTNING PROTECTION OF DISTRIBUTION NETWORK«, EDP Sciences, 2015

[4] Maks Babuder, »VISOKONAPETOSTNA TEHNIKA«, skripta predavanj na ULFE, 2014

[5] Boštjan Blažič, skripta predavanj za predmet VISOKONAPETOSTNA TEHNIKA, št. l. 2017/18

[6] K. Girkmann, E. Konigshofer, »DIE HOCHSPANNUNGSFREILEITUNGEN«, 1938