Obciążenia i narażenia

napięciowe aparatów w

stacjach

elektroenergetycznych

dr inż. Mirosław Pawłot

Lublin – 2008/2009

S-
16

Stacje elektroenergetyczne

Przepięcia

Izolacja (układ izolacyjny) aparatu elektrycznego stanowi sumę środków
służących do galwanicznego oddzielenia elementów przewodzących,
które znajdują się w eksploatacji pod napięciem – względem siebie lub
względem części uziemionych.
W warunkach roboczych (w normalnych warunkach eksploatacyjnych)
izolacja aparatów może pracować pod napięciem wyższym np.: o 10 do
20% od napięcia znamionowego (sieci, urządzenia), co wynika z
konieczności regulacji napięcia w sieci w celu utrzymania również w
punktach bardziej odległych od źródeł zasilania napięć dostatecznie
bliskich wartościom znamionowym.
W wyniku nagłych zmian obciążenia, w następstwie zwarć doziemnych i
dokonywanych łączeń, przebiegów rezonansowych, na skutek wyładowań
piorunowych występują w sieci przepięcia, narażające również izolację
aparatów elektrycznych.

S-
16

Przepięcia - podstawowe

rodzaje przepięć i środki ich

ograniczenia

Rodzaj

przepięcia

Rząd

wielkości

Czas

trwania

Środki ograniczania

Wzrost

napięcia o

częstotliwości

sieci

1,15 – 1,50

wartości

napięcia

znamionowego

sekundy

Regulatory napięcia

generatorów, przełączniki

zaczepów transformatorów,

dławiki kompensacyjne

Przepięcia

łączeniowe i

powstające na

skutek zwarć

doziemnych

1,5 – 3,0

wartości

maksymalnej

napięcia

znamionowego

1)

Półokresy

o

częstotliwo

ści

sieciowej

Wyłączniki z rezystorami przy

załączaniu, uziemianie punktu

gwiazdowego przez małą

rezystancję, dławiki

gaszeniowe, w specjalnych

przypadkach odgromniki

Przepięcia

piorunowe

Kilkaset

kilowoltów do

kilku

megawoltów

mikroseku

ndy

Przewody odgromowe, dobre

uziemianie słupów,

odgromniki, kondensatory

ochronne

1)

W przypadku sieci WN; w sieciach nn krotności te mogą sięgać 10.

Wówczas takie granice podaje się bezpośrednio w wartościach napięcia.

S-
16

Przepięcia atmosferyczne

Przepięcia atmosferyczne występują w postaci przepięć bezpośrednich w
następstwie wyładowania piorunowego do linii lub stacji oraz przepięć
indukowanych (pośrednich) podczas wyładowania chmura – ziemia lub między
chmurami.
Fale wyładowań piorunowych bezpośrednich mogą osiągać wartości szczytowe
napięcia do 5 MV (przy stromości ok. 10 MV/μs) i prądu do 160 – 200 kA.
Przepięcia indukowane charakteryzują się mniejszymi amplitudami sięgającymi
200 kV, w wyjątkowych przypadkach 600 kV.

W przypadku sieci napowietrznych niskich i średniowysokich napięć oraz wyżej
co najmniej do poziomu napięć roboczych równego 123 kV, przepięcia
atmosferyczne stanowią główne zagrożenie dla izolacji zainstalowanych w tych
sieciach urządzeń elektroenergetycznych, w szczególności dla transformatorów.

S-
16

Przepięcia wewnętrzne

Przepięcia wewnętrzne występują w postaci:
• Przepięć długotrwałych (o częstotliwości znamionowej sieci)

występujących podczas wyłączania większych odbiorców i linii długich
obciążonych na końcu lub załączania linii nieobciążonych, osiągają
krotności 1,3 – 1,4 względem amplitudy fazowego napięcia roboczego
sieci. Przepięcia te nie są wysokie, jednakże z uwagi na ich względnie
długi czas trwania (do ok. 1s) konwencjonalne odgromniki iskiernikowe
nie są w stanie zgasić łuku prądu następczego przy takim napięciu pracy.
Napięcie zapłonu takiego odgromnika musi być zatem powyżej tego
poziomu, co zmniejsza możliwości obniżenia poziomu ochrony.

• Przepięć dorywczych (ziemnozwarciowych). W sieci z izolowanym

punktem zerowym doziemienie jednej fazy podnosi napięcia doziemne w
pozostałych fazach do wartości napięcia międzyprzewodowego. Ze
względu na małe wartości prądów zwarciowych mogą one być
utrzymywane przez czas dłuższy, przynajnmniej w przypadku sieci
napowietrznej. Stan ten stanowi bardzo istotny czynnik w doborze
współczesnych odgromników beziskiernikowych.

S-
16

Przepięcia

wewnętrzne

• Przepięć łączeniowych o średniej częstotliwości (kilku do

kilkudziesięciu kiloherców) towarzyszących wyłączaniu prądów
zwarciowych, prądów obciążeniowych, prądów jałowych linii i
transformatorów, przy gaśnięciu płonącego swobodnie łuku prądu
zwarcia doziemnego itd. Przepięcia łączeniowe nie zagrażają na
ogół izolacji urządzeń niższych napięć (<123kV) wymiarowanej
dla narażeń od przepięć atmosferycznych. Stanowią one
natomiast główny czynnik narażeniowy izolacji urządzeń
najwyższych napięć.

S-
16

Izolacyjność aparatów

elektrycznych

O przebiegu procesów pogarszania się izolacyjności

wysokonapięciowych urządzeń elektrycznych decydują trzy
podstawowe czynniki:

• Starzenie elektryczne powodujące obniżenie wytrzymałości

dielektrycznej układu izolacyjnego w miarę upływu czasu przyłożenia
napięcia.

• Starzenie cieplne dotyczące wszelkich układów izolacyjnych z papieru

i innych materiałów organicznych.

• Zabrudzenia na powierzchni izolacji, przede wszystkim w postaci

kurzu i soli zwilżanych cyklicznie rosą i z innych źródeł wilgoci,
stanowi zasadniczy czynnik obniżania się poziomu izolacyjności
również aparatów elektrycznych, zwłaszcza napowietrznych.

S-
16

Klasyfikacja środowisk i odpowiadające im klasy

zabrudzeniowe

Klasa

zabrudzeni

owa

Cechy środowiska

1. Lekka

Rejony bez przemysłu i z małą gęstością domów z

zadymianiem od ogrzewania.

Rejony z małym nasyceniem przemysłem lub zabudową

mieszkalną – z częstymi wiatrami i opadami deszczu.

Rejony użytkowane rolniczo.

Wymienione rejony są oddalone o morza (10 do 20 km) i nie są

narażone na wiatry od morza lub leżą na większych

wysokościach nad poziomem morza.

2. Średnia

Rejony z przemysłem o umiarkowanej emisji gazów i/lub

rejony o średniej gęstości zabudowy mieszkalnej z

zadymianiem od ogrzewania.

Rejony o dużej gęstości zabudowy mieszkalnej z zadymianiem

od ogrzewania lub rejony przemysłowe z częstymi wiatrami i

opadami deszczu.

Rejony narażone na wiatry od morza, ale oddalone od morza

o ponad 1 km.

3. Ciężka

Rejony o dużej gęstości przemysłu i przedmieścia większych

miast ze znaczącym zadymieniem od ogrzewania mogącego

powodować znaczne zabrudzenia.

Rejony w pobliżu wybrzeży morskich narażonych stąd na silne

wiatry.

4. Bardzo

ciężka

Rejony ograniczonej rozległości z wysoką emisją

zanieczyszczeń przemysłowych, mogących tworzyć warstwy

grube i przewodzące.

Rejony ograniczonej rozległości nad brzegiem morza narażone

na spryskiwanie w czasie sztormów.

S-
16

Ochrona

przeciwprzepięciowa –

koordynacja izolacji

Przez koordynację izolacji rozumie się całokształt

przedsięwzięć technicznych służących temu, aby wywoływane
przepięciami (piorunowymi, łączeniowymi ) przeskoki względnie
przebicia izolacji prawidłowo zwymiarowanej wystąpiły w
miejscach , gdzie mogą wywoływać najmniejsze szkody lub
ewentualne zakłócenia ruchowe.

Dla przedziału napięć (najwyższych roboczych)

1kV≤U

m

≤300 kV realizuje się koordynację izolacji – z punktu

widzenia jej narażeń na przepięcia piorunowe – bez
uwzględniania przepięć łączeniowych. Te ostatnie uwzględnia
się dla przedziału napięć (najwyższych roboczych) U

m

>300 kV.

S-
16

Ochrona

przeciwprzepięciowa –

środki ochrony

Środki ochrony przeciwprzepięciowej głównie w odniesieniu do

przepięć atmosferycznych:

• Przewody odgromowe oraz skuteczne, o małej rezystancji,

uziemianie słupów linii;

• podejścia kablowe z linii napowietrznych do stacji lub też

zwielokrotnianie liczby przewodów odgromowych na podejściu do
stacji linią napowietrzną;

• Dławiki szeregowe lub układy RC;
• Dławiki szeregowe w kombinacji z odgromnikami

gazowydmuchowymi;

• Iskierniki ochronne i koordynacyjne;
• Odpowiednie odgromniki

S-
16

Ochrona

przeciwprzepięciowa –

odgromniki

Odgromniki stanowią ważny składnik

ochrony przeciwprzepięciowej urządzeń
elektroenergetycznych . Budowane są
w dwóch zasadniczych rodzajach:

• Odgromniki konwencjonalne

iskiernikowe

• Odgromniki beziskiernikowe

(warystory)

S-
16

Ochrona

przeciwprzepięciowa –

odgromniki iskiernikowe

W odgromnikach iskiernikowych o napięciu zadziałania (tzw.
napięciu zapłonowym) decyduje iskiernik, zapewniający również –
dzięki wspomaganiu przez połączony z nim szeregowo opornik
roboczy – gaszenie łuku prądu następczego.
Odgromnik wydmuchowy (gazowydmuchowy) – jego budowa
uzupełniona jest poprzez gazowydmuchowy układ gaszeniowy,
zapewniający przerywanie prądu następczego.
Odgromnik zaworowy – funkcję gaszenia prądu następczego
spełnia iskiernik, wspomagany przez szeregowo połączony z nim
stos zmiennoprądowy. Iskierniki w odgromnikach zaworowych
występują w trzech odmianach:

• Z łukiem swobodnym
• Z łukiem wirującym
• Magnetowydmuchowy

S-
16

Ochrona

przeciwprzepięciowa –

odgromniki iskiernikowe

Schemat budowy
odgromnika zaworowego

Porównanie charakterystyk oporników
roboczych odgromników: 1- z tlenków metali
(ZnO), 2- z węglika krzemu (SiC)

S-
16

Ochrona

przeciwprzepięciowa –

odgromniki iskiernikowe

Przebicie przerwy iskiernikowej inicjuje przepływ przez odgromnik
prądu wyładowczego i pojawienie się na oporniku roboczym
spadku napięcia, którego największa wartość nosi nazwę napięcia
obniżonego.

Pętla napięciowo-prądowa stosu zmienno-
oporowego (SiC)

S-
16

Ochrona

przeciwprzepięciowa –

odgromniki iskiernikowe

Przebiegi prądu i napięć w odgromniku podczas przewodzenia
prądu udarowego
u

p

– fala przepięciowa (bez odgromnika), u

od

– przebieg napięcia

na odgromniku, u

z

- napięcie zapłonowe, u

ob

– napięcie obniżone,

t

z

– czas zapłonu, i

w

– prąd wyładowczy

S-
16

Ochrona

przeciwprzepięciowa –

odgromniki iskiernikowe

Odgromniki zaworowe charakteryzują parametry
znamionowe:

– Najwyższe napięcie robocze tj. największa

wartość skuteczna napięcia o częstotliwości
przemysłowej między zaciskami odgromnika,
przy którym pracuje on poprawnie.

– Znamionowy prąd wyładowczy, tj. wartość

szczytowa prądu udarowego (o umownym
kształcie 8 μs/20 μs) klasyfikująca odgromnik.
Może ona płynąć przez iskiernik i opornik
roboczy odgromnika bezpośrednio po zapłonie.

S-
16

Ochrona

przeciwprzepięciowa –

odgromniki iskiernikowe

Dodatkowo oznacza się:

1. Poziom ochrony określony przez:
–

Napięcie zapłonowe o częstotliwości sieci (tzw. Statyczne
napięcie zapłonowe)

–

Napięcie zapłonowe udarowe 1,2 μs/10 μs

–

Napięcia zapłonowe przy udarze uciętym na czole – w
funkcji stromości narastania tego napięcia

–

Charakterystyki napięciowo-czasowe

–

Napięcie obniżone przy znamionowym prądzie wyładowczym

–

Charakterystykę ochronną, tj. zależność napięcia
obniżonego od wartości prądu wyładowczego.

S-
16

Ochrona

przeciwprzepięciowa –

odgromniki iskiernikowe

2. Obciążalność prądową, określoną w wyniku:
–

Próby działania przy znamionowym prądzie wyładowczym i
następującym po nim bezpośrednio prądzie następczym – po
doprowadzeniu do odgromnika (lub jego członu)
napięciarzymało równego najwyższemu napięciu pracy

–

Próby udarem prostokątnym lub przez rozładowanie linii
długiej

–

Próby udarami granicznymi (np. udarem 100 kA, 4 μs/10 μs,
odgromnika o znamionowym prądzie wyładowczym 10 kA)

3. Wytrzymałość zwarciową obudowy odgromnika.

S-
16

Ochrona

przeciwprzepięciowa –

odgromniki beziskiernikowe

(warystory)

Warystory tlenkowe stanowią spiek ceramiczny,
którego głównym składnikiem jest tlenek cynku (ZnO,
80-90%) z domieszką tlenków innych metali (Bi, Co,
Cr, Sb, In, Ni, i in.). Po wypaleniu w temperaturze
≥1100 ˚C uzyskuje się strukturę polikrystaliczną
zawierającą kryształy ZnO otoczone związkami
chemicznymi wspomnianych domieszek.

S-
16

Ochrona

przeciwprzepięciowa –

odgromniki beziskiernikowe

(warystory)

Zalety odgromników beziskiernikowych w stosunku do
iskiernikowych:

• Prostsza konstrukcja, przy mniejszej masie i wymiarach
• Większa precyzja i krótszy czas do chwili zadziałania rzędu

kilkudziesięciu nanosekund w porównaniu z ok. 1 μs w
przypadku odgromników iskiernikowych

• Brak prądu następczego
• Możliwość równoległego łączenia warystorów dla

podwyższenia ich obciążalności – w przypadku przyrządów
iskiernikowych niemożliwe z uwagi na rozrzut czasów
zadziałania iskierników

• Niewrażliwość na zabrudzenia i inne oddziaływania

środowiska otaczającego (np. SF

6

)

S-
16

Ochrona

przeciwprzepięciowa –

odgromniki beziskiernikowe

(warystory)

Odgromniki beziskiernikowe charakteryzują następujące parametry
znamionowe:

– Długotrwałe napięcie pracy (U

c

); skuteczna wartość dopuszczalnego

trwale napięcia (wartość skuteczna, częstotliwość sieciowa). Wynosi
ono zwykle 0,8 napięcia tzw. Znamionowego, przy którym odgromnik
przechodzi próbę działania tj. przewidziany przez normy cykl
narażeń – m.in. znamionowym i granicznym prądem wyładowczym

– Poziom ochrony (napięcie obniżone), tj. spadek napięcia na

odgromniku przy określonym prądzie wyładowczym

– Znamionowe i graniczne wartości prądu wyładowczego przy

przepięciach atmosferycznych oraz łączeniowych. Wytrzymałość na
wydłużone udary prądowe oraz energia graniczna wyznaczona dla
pojedynczego udaru dla napięcia U

c

i okeślonej temperatury

otoczenia

– Dopuszczalny poziom przepięć długotrwałych T (odnoszony do U

c

) w

funkcji czasu trwania przepięcia, tj. T=f(t) – jest określaną przez
wytwórcę miarą stabilności cieplnej warystora.

S-
16