Skuteczność ochrony przed przepięciami powstającymi podczas wyładowań piorunowych w linie średniego napięcia.pdf

OGRANICZANIE PRZEPIĘĆ

W INSTALACJI ELEKTRYCZNEJ

Skuteczność ochrony przed przepięciami

powstającymi podczas wyładowań piorunowych

w linie średniego napięcia

Andrzej Sowa

Jarosław Wiater

Ograniczniki przepięć instalowane w liniach średnich i niskich napięć powinny zapewnić ochronę przed bezpośrednim

oddziaływaniem części prądu piorunowego oraz przed wszelkiego rodzaju przepięciami. Skuteczność stosowanych

układów do ograniczania przepięć przeanalizowano dla przypadków bezpośrednich wyładowań piorunowych w prze-

wody linii średniego napięcia dochodzącej do stacji elektroenergetycznej SN/nn 15/0,4.

1. Wprowadzenie

Oceniając skuteczność ochrony przed przepięciami instalacji elektrycznej oraz zasilanych

urządzeń należy przeanalizować wszelkiego rodzaju zagrożenia, jakie mogą wystąpić w analizowa-

nym przypadku. W obiektach posiadających urządzenia piorunochronne największe zagrożenie

stwarza prąd piorunowy podczas bezpośredniego wyładowania atmosferycznego w tej obiekt. Od

miejsca udaru prąd piorunowy spływa zwodami i przewodami odprowadzającymi do systemu uzio-

mowego oraz do instalacji przewodzących dochodzących do tego obiektu.

Przykładowy podział prądu piorunowego o wartości szczytowej 200 kA przedstawiono na rys.1.

Przewody instalacji

elektrycznej

33kA

Instalacja elektryczna

8,25 kA

STREFA

0 i 0

otok

Ograniczniki

przepięć

Linie telefo-

niczne – 10 par

33kA

Strefa 1

10 k A

Przewodzące

elementy ścian

obiektu (zbrojenie )

Odgromniki

gazowane

Przewodząca instalacja

wodno-kanalizacyjna

Przewodząca

instalacja gazowa

33kA

500A

Rys.1. Przykład podziału prądu piorunowego w instalacjach przewodzących dochodzących do obiektu bu-

dowlanego

Przedstawione wyniki otrzymano przy założeniu [7] równomiernego podziału prądu piorunowego

pomiędzy system uziomowy obiektu a przewodzące instalacje do niego dochodzące.

A.Sowa J.Wiater Skuteczność ochrony przed przepięciami powstającymi podczas wyładowań pioruno-

wych w linie średni średniego napięcia

Część prądu wpływa bezpośrednio od instalacji elektrycznej. Ochrona przed działaniem tego

prądu wymaga zastosowania urządzeń do ograniczania przepięć SPD (Surge Protective Devices)

spełniających wymagania wynikające z zakresu badań próby klasy I [8].

W uproszczonych rozważaniach można przyjęć, że zastosowanie ograniczników w instalacji elek-

trycznej i liniach telefonicznych najczęściej tylko w nieznacznym stopniu ogranicza skok potencja-

łu całego obiektu wywołanych przez prąd piorunowy wpływający do systemu uziomowego.

Zastosowanie ograniczników klasy I ogranicza różnice napięć pomiędzy poszczególnymi przewo-

dami instalacji, ale każdy z tych przewodów znajduje się na wysokim potencjale względem pozo-

stałych instalacji uziemionych w innym punkcie niż instalacja elektryczna.

W obiekcie nie wymagającym ochrony przed bezpośrednim uderzeniem piorunu (obiekt bez

urządzenia piorunochronnego) największe zagrożenie wystąpi podczas bezpośredniego uderzenia

pioruna w przewody napowietrznych linii:

• niskiego napięcia (przy zasilaniu obiektu z linii napowietrznych),

• średniego napięcia (przy zasilaniu kablowym obiektu).

Poniżej zostanie szczegółowo przeanalizowany drugi z przedstawionych przypadków.

2. Modelowania zagrożenia piorunowego

W analizowanym systemie elektroenergetycznym do stacji Sn/nn dochodzi napowietrzna linia

średniego napięcia SN, a poszczególni odbiorcy zasilani są z podziemnych linii kablowych (rys.2.).

Stacja SN/nn pracuje z punktem neutralnym izolowanym po stronie średniego napięcia i uziemio-

nym po stronie niskonapięciowej (układ połączeń uzwojeń transformatora – Dyn).

Rys.2. Uproszczony schemat stacji SN/nn 15/0.4 kV z przyłączonym odbiorcą energii zasilanym linią kablo-

wą

Symulując występujące zagrożenie piorunowe wprowadzano prądy udarowe do:

• pojedynczego przewodu fazowego linii,

• każdego z trzech przewodów fazowych.

Do obliczeń wybrano prądy o wartościach szczytowych 10 kA i kształtach:

10/350µs - odpowiadający zagrożeniu stwarzanemu przez prąd piorunowy pierwszego wyła-

dowania piorunowego,

0,25/100 - symulujący prąd udarowy kolejnego wyładowania piorunowego w kanale.

A.Sowa J.Wiater Skuteczność ochrony przed przepięciami powstającymi podczas wyładowań pioruno-

wych w linie średni średniego napięcia

Dodatkowo w prowadzonych obliczeniach przyjęto następujące założenia:

• rezystancyjne obciążenie transformatora po stronie nn (układ rezystorów o wartości 5 Ω połą-

czonych w gwiazdę),

• wewnątrz obiektu budowlanego instalacja elektryczna wykonana jest w systemie TN-C-S,

• rezystancję uziomu stacji SN/nn w warunkach dynamicznych wynosi 2Ω,

• rezystancję dynamiczną uziomu otokowego obiektu budowlanego wynosi 10Ω,

• wartość impedancji falowe pojedynczego przewodu linii napowietrznej SN przyjęto równą 400 Ω.

Analizę stanów nieustalonych w dziedzinie czasu przeprowadzono wykorzystując program ATP-

EMTP (Alternative Transients Program version of Electromagnetic Transients Program). Daje on

możliwość modelowani zarówno elementów liniowych jak i nieliniowych.

W programie zamodelowano rozważany układ stacji SN/nn 15/0.4kV wraz z instalacją elektryczną

po stronie SN i nn. W prowadzonej analizie teoretycznych wykorzystano modele:

• rzeczywistego transformatora firmy ABB typu TNOSCF 1000/15 PN [11] w układzie połą-

czeń Dyn5 o mocy znamionowej 1000kVA,

• typowych ograniczników przepięć w stosowanych liniach SN,

• urządzeń do ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym.

W przypadku ograniczników przepięć SN wykorzystano charakterystykę dostępną w ATP-EMTP

(rys.3b). Do odwzorowania charakterystyki napięciowo-prądowej urządzenia do ograniczania prze-

pięć zarejestrowano rzeczywisty przebieg napięcia i prądu w typowym SPD (rys.3a.) o następują-

cych parametrach:

- najwyższe napięcie robocze 275V,

- napięcie obniżone poniżej 1500V,

- znamionowy prąd wyładowczy 20 kA,

- największy prąd wyładowczy 40 kA.

Po zdjęciu charakterystyki wprowadzono współrzędne do programu ATP-EMTP – element typu

MOV.

Rys. 3 . Charakterystyka napięciowo-prądowa ogranicznika przepięć SN i urządzenia do ograniczania prze-

pięć w instalacji elektrycznej

W modelu transformatora, w celu odwzorowania zjawisk zachodzących przy wystąpieniu przebiegów szybkozmien-

nych, uwzględniono pojemności pomiędzy uzwojeniami strony pierwotnej i wtórnej.

Schemat analizowanego układu oraz zestawienie wartości podstawowych parametrów elementów w

symulowanym systemie przedstawia rys.4. oraz tablica 1.

A.Sowa J.Wiater Skuteczność ochrony przed przepięciami powstającymi podczas wyładowań pioruno-

wych w linie średni średniego napięcia

Rys. 3. Schemat analizowanego układu w programie ATP-EMTP

Tablica 1. Zestawienie wartości elementów użytych do symulacji

Element

Wartość

R 1

10Ω

R 2

2Ω

R 3

10MΩ

R 4,5,6

wg ch-styki nieliniowej rys.3a

R 7,8,9

wg ch-styki nieliniowej rys. 3b

C 1,2,3,4,5,6

100pF

C 7,8,9,10,11,12

5000pF

L 1,2,3

10µH

t 1,2,3

80ns (zwłoka w zadziałaniu)

Z 1

R ABC =10Ω L ABC =1mH (podejście do stacji SN/nn)

Z 2

R ABC =2,205Ω L ABC =42µH (parametry transformatora przeliczone na stronę SN)

Z 3,4

R ABCN =0,9Ω L ABCN =10µH (typowa linia kablowa niskiego napięcia o długości 300m)

Z 5

L ABC =1µH

Z 6,7,8

R=5Ω

Z 400

Z=400Ω (impedancja falowa linii SN)

3. Analiza otrzymanych wyników

Podczas bezpośredniego wyładowania piorunowego w przewody linii SN od miejsca uderze-

nia w obu kierunkach linii przesuwają się fale napięciowe wywołane przez rozpływający się prąd

piorunowy. Wywołują one przeskoki iskrowe na kolejnych izolatorach. Pomimo tych przeskoków

znaczna część prądu piorunowego dochodzi do transformatora i po zadziałaniu ograniczników

przepięć SN spływa do systemu uziomowego stacji. Przepływ prądu udarowego wywołuje lokalny

skok potencjału. Uziemienie punktu neutralnego strony niskonapięciowej transformatora powoduje

przenoszenie tego skoku potencjałów na stronę wtórną transformatora a następnie przewodami in-

stalacji elektrycznej bezpośrednio do odbiorcy energii elektrycznej.

Wartość szczytowa wynoszonego napięcia, uzależniona jest od wzajemnego rozmieszczenia miejsc

uziemień transformatora i ograniczników przepięć SN.

W przypadku wyładowania atmosferycznego napięcie wynoszone w ten sposób nakłada się

na występujące w tej chwili napięcie fazowe po stronie niskiego napięcia. Różnica wartości szczy-

towych napięć fazowych względem przewodu neutralnego nie zmienia się. Powoduje to

nieprawidłowe działanie urządzeń do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego

napięcia, gdyż stosowane obecnie SPD reagują tylko na różnicę potencjału między swoimi

A.Sowa J.Wiater Skuteczność ochrony przed przepięciami powstającymi podczas wyładowań pioruno-

wych w linie średni średniego napięcia

gdyż stosowane obecnie SPD reagują tylko na różnicę potencjału między swoimi wyprowadzenia-

mi. Przykładowe wyniki obliczeń:

- prądów płynących w ogranicznikach średnich i niskich napięć,

- różnic potencjałów pomiędzy uziomami stacji i obiektu a ziemią odniesienia,

- napięć na obciążeniu

przy wyładowaniu piorunowych w jeden z przewodów napowietrznej linii SN przedstawiono na

rys.4,5,6, 7 i 8.

Uderzenie piorunu w przewód fazy A

Z 6,7,8 =R = 5 Ω , l =300m,

prąd 10/350

Z 6,7,8 =R = 5 Ω , l =300m,

prąd 10/350

Rys. 4 . Napięcia względem ziemi odniesienia; a) na uziomie stacji SN/nN, b) na uziomie obiektu budowlanego

Uderzenie piorunu w przewód fazy A

Prąd w ograniczniku

fazy A

Prąd w SPD fazy L1

Prądy w ogranicz-

nikach faz A i B

Z 6,7,8 =R = 5 Ω , l =300m,

prąd 10/350

Prądy w SPD

faz L2 i L3

Z 6,7,8 =R = 5 Ω , l =300m,

prąd 10/350

Rys. 5. Prądy płynące w a) ogranicznikach przepięć SN, b) urządzeniach do ograniczania przepięć w insta-

lacji elektrycznej

Uderzenie w przewód fazy A

Faza L1

Napięcie na obciążeniu faza

Faza L2 i L3

Napięcia na obciążeniach fazy

L1 i L2

Z 6,7,8 =R = 5 Ω , l =300m,

prąd 10/350

Z 6,7,8 =R = 5 Ω , l =300m, prąd 10/350

Rys. 6. Spadki napięć na obciążeniu (a) oraz napięcie na zaciskach obciążenia względem ziemi odniesienia (b)

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: