Zwarcia w sieciach NN

1.Rodzaje zwarć

Zwarcie jest to połączenie między sobą punktów obwodu elektrycznego należących do różnych faz albo połączenie jednego lub większej liczby takich punktów z ziemią bezpośrednio, przez luk elektryczny lub przez przedmiot o bardzo malej impedancji. Rozróżnia się następujące rodzaje zwarć:

• zwarcia międzyprzewodowe trójfazowe i dwufazowe

• zwarcia doziemne, (czyli zwarcia między fazą lub fazami obwodu, a ziemią) trójfazowe, dwufazowe i jednofazowe.

W praktyce spotyka się również zwarcia będące kombinacjami podobnych przypadków zwarć, tzw. zwarcia wielokrotne, czyli występujące w kilku miejscach sieci.

2. Przyczyny powstawania i skutki zwarć

Zwarcia powstają, na skutek:

• przepięć atmosferycznych i łączeniowych,

• błędnych operacji w stacjach elektroenergetycznych,

• mechanicznych uszkodzeń kabli, słupów, izolatorów,

• zawilgocenia lub zniszczenia izolacji,

• uszkodzeń słupów linii napowietrznych,

• dotknięcia dźwigów, gałęzi drzew, ludzi i zwierząt,

• zarzutek na przewody gole itp.

Prąd zwarciowy płynący w obwodzie zwarciowym jest na ogół (poza przypadkiem zwarć jednofazowych w sieciach izolowanych i kompensowanych) wielokrotnie większy od prądu roboczego. Duże prądy, mimo krótkiego czasu płynięcia, powodują, gwałtowne nagrzewanie urządzeń sieciowych. Uszkodzeniu mogą ulec: przewody, uzwojenia maszyn i transformatorów oraz izolacja. Mogą spowodować powstanie następnych zwarć. Duże siły dynamiczne powstają w sąsiadujących przewodach przy przepływie przez nie prądów zwarciowych. Siły te mogą spowodować łamanie izolatorów wsporczych, szyn zbiorczych. łamanie i wyginanie szyn, rozrywanie uzwojeń transformatorów i przekładników prądowych.

Zwarcia jednofazowe w sieciach z izolowanym punktem neutralnym powodują powstanie prądów porównywalnych z prądami roboczymi, tj. od kilku do kilkudziesięciu amperów. Zwarcia te można podzielić na: zwarcia bezłukowe, zwarcia łukowe o łuku przerywanym, zwarcia łukowe o łuku trwałym lub zbliżonym do trwałego. Przejścia w kolejne rodzaje zwarć następują przy wzroście prądu zwarciowego, przy czym ściśle, jednoznaczne określenie prądów granicznych jest praktycznie niemożliwe.

Zwarcie bezłukowe powoduje wzrost napięcia w fazach zdrowych do napięcia międzyprzewodowego. Występuje ono w niezbyt rozgałęzionych sieciach napowietrznych oraz kablowych ze skompensowanym prądem ziemnozwarciowym. Znacznie groźniejsze zwarcie o łuku przerywanym powoduje przepięcia nieustalone w fazach zdrowych o amplitudzie osiągające kilkukrotną wartość napięcia fazowego. Do przepięć nieustalonych nie dochodzi, jeśli zwarcie łukowe ma charakter zwarcia o łuku trwałym lub zbliżonym do trwałego.

Zwarcia lukowe mogą powodować uszkodzenie izolacji urządzeń i tym samym stwarzać niebezpieczeństwo porażenia ludzi lub przejścia zwarcia jednofazowego w zwarcie wielofazowe. Przechodzenie zwarć jednofazowych sieciach SN w zwarciu o charakterze łukowym ogranicza kompensacja. Włączenie dławika pomiędzy punkt neutralny, a ziemią lub w przypadku braku dostępu do punktu neutralnego -zastosowanie transformatora gaszącego zmniejsza prąd zwarciowy oraz powoduje znacznie wolniejsze wzrastanie napięcia powrotnego na przerwie bezłukowej.

3. Schematy zastępcze obwodu zwarciowego

Wprowadza się źródło napięciowe zastępcze do schematu zastępczego. Źródło zastępcze jest jedynym źródłem aktywnym w sieci. Wszystkie źródła rzeczywiste (linie zasilające, maszyny synchroniczne i asynchroniczne) zastępuje się ich impedancjami wewnętrznymi. Pomija się wszystkie pojemności linii i admitancje włączone równolegle do obciążenie wirujących z wyjątkiem pojemności i admitancji w układzie zerowym. Dla zwarcia trójfazowego symetrycznego wyznacza się impedancję zwarciową dla składowej symetrycznej kolejności zgodnej Z₍₁₎ = Z_k widzianą z miejsca zwarcia. Dla zwarcia dwufazowego izolowanego od ziemi wyznacza się impedancje zwarciowe dla składowych symetrycznych kolejności zgodnej Z₍₁₎ i przeciwnej Z₍₂₎. Wartości impedancji dla składowych symetrycznych kolejności zgodnej i przeciwnej są różne jedynie dla maszyn wirujących. Dla zwarć odległych od generatorów dopuszcza się przyjęcie Z₍₂₎ = Z₍₁₎. W przypadku zwarć z ziemią wyznacza się dodatkowo impedancję zwarciową dla składowej symetrycznej kolejności zerowej Z₍₀₎.

Rozróżnia się następujące rodzaje zwarć:

• Zwarcie odlegle od generatorów. Są to zwarcia, w czasie, których nie występuje zmiana napięcia lub napięcie powodujących przepływ prądu zwarciowego oraz nie występują znaczące zmiany impedancji obwodu (impedancje napięciowe stałe i liniowe). Nie uwzględnia się wpływu silników. Prąd zwarciowy oczekiwany stanowi, zatem sumę dwóch składowych:

-składowej przemiennej o stałej amplitudzie w czasie trwania zwarcia,

-składowej nieokresowej o wartości początkowej a malejącej do zera.

• Zwarcia w pobliżu generatorów. Prąd zwarciowy przy zwarciu w pobliżu generatora może być rozpatrywany jako suma dwóch składowych:

-składowej przemiennej o amplitudzie malejącej w czasie trwania zwarcia;

-składowej nieokreślonej o amplitudzie początkowej A malejącej do zera.

W zwarciach w pobliżu generatora uwzględnia się wpływ silników.

4. Prąd zwarciowy udarowy

Prąd zwarciowy udarowy i_p jest to największa możliwa wartość prądu zwarciowego, występująca przy najbardziej niekorzystnym kącie fazowym powstania zwarcia. Służy do doboru wytrzymałości zwarciowej elektrodynamicznej urządzenie tzn. odporności na siły elektrodynamiczne wywołane przez prąd zwarciowy. Nie mniejsze od obliczonego prądu udarowego powinny być następujące parametry zastosowanych aparatów i urządzeń:

• prąd znamionowy szczytowy łączników, przekładników prądowych, dławików przeciwzwarciowych;

• prąd znamionowy załączalny wyłączników;

• obciążalność elektrodynamiczna szyn.

Prąd zwarciowy udarowy występuje w ciągu pierwszych 10ms czasu trwania zwarcia.

Prąd udarowy występuje, jeśli zwarcie zdarzy się przy określonym kącie fazowym przebiegu napięcia albo spodziewanego prądu zwarciowego okresowego. Niestety, przy zwarciu trójfazowym -niezależnie od kąta fazowego powstania zwarcia -co najmniej w jednej z faz występuje prąd równy bądź prawie równy prądowi udarowemu. Przy tej samej wartości prądu zwarciowego początkowego I_k prąd udarowy jest tym większy, im wolniej zanika prąd nieokresowy, a więc -im większa jest elektromagnetyczna stała czasowa obwodu zwarciowego L/R.

5. Prąd zwarciowy wyłączeniowy

Prąd zwarciowy wyłączeniowy jest to umowna wartość skuteczna prądu zwarciowego w chwili t_min, kiedy otwierają się styki wyłącznika i zapala się między nimi łuk elektryczny. Co najmniej taką wartość powinien mieć prąd znamionowy wyłączalny zastosowanego wyłącznika, czyli jego zdolności wyłączania.

6. Prąd zwarciowy zastępczy cieplny

Prąd zwarciowy zastępczy cieplny jest to wartość skuteczna prądu zwarciowego w czasie trwania zwarcia t_k. Z jego wartością porównuje się, podaną dla takiego samego czasu t_k, obciążalność zwarciową cieplną urządzeń:

• prąd znamionowy n- sekundowy łączników, przekładników prądowych przeciw zwarciowych;

• obciążalność zwarciową cieplną szyn, kabli i przewodów instalacyjnych.

7. Metody ograniczania skutków działania prądów zwarciowych

Stosowane w sieciach metody ograniczania skutków działania prądów zwarciowych można podzielić na trzy grupy:

a) Odpowiednie kształtowanie konfiguracji sieci.

Podział sieci na wycinki zasilane z różnych źródeł jest podstawową metodą ograniczającą poziom mocy zwarciowych. Stosuje się rozcinanie połączeń równoległych i sekcjonowanie szyn. Przyjmuje się na ogól zasadę pracy każdego źródła prądu zwarciowego (generatora, transformatora, linii zasilającej) na oddzielną sekcję szyn. Stosuje się także rozcinanie sieci dwu -i wielostronnie zasilanych, np. przez odłączenie jednej lub kilku linii zasilających.

b) Wprowadzenie dodatkowych impedancji w obwód prądu zwarciowego.

Istotny wpływ na wielkość prądów zwarciowych mają impedancje transformatorów. Podwyższając napięcie zwarcia, a tym samym reaktancję, można ograniczyć prądy zwarciowe po wtórnej stronie transformatora. W Polsce stosuje się transformatory 110kV /SN o napięciu zwarcia podniesionym do 18%, dwu-lub tr6juzwojeniowe. Prądy zwarciowe można ograniczyć stosując dławiki zwarciowe. Ze względu na miejsce instalowania rozróżnia się: dławiki liniowe -instalowane w polach liniowych oraz dławiki szynowe -instalowane między sekcjami szyn zbiorczych. Ciekawym rozwiązaniem jest dławik z podmagnesowanym rdzeniem ferromagnetycznym. W normalnych warunkach jego reaktancja gwałtownie wzrasta. Obecnie jednak nie zaleca się stosowania dławików. Ich rolę przejmują transformatory z podwyższonym napięciem zwarcia. Jednym z nowych rozwiązań służących do ograniczania prądów zwarciowych jest sprzęgło rezonansowe. Łączy ono dwa punkty sieci o jednakowym napięciu i umożliwia bezzwłoczne ograniczenie prądu zwarciowego w chwili zwarcia. Dzięki rezonansowi zachodzącemu w normalnych warunkach pracy jego impedancja jest bliska zeru. Natomiast przy przepływie prądu zwarciowego rezonans zostaje rozstrojony, a duża całkowita impedancja sprzęgła powoduje ograniczanie przenoszonego prądu zwarciowego.

c) Stosowanie bardzo szybkich urządzeń do odłączania obwodów zwartych

Należą tu szybki bezpieczniki i ograniczniki mocy zwarciowej. Przerywają prąd zwarciowy w czasie krótszym niż ^1/₄ okresu, nie dopuszczając do przepływu maksymalnego prądu zwarciowego. W Polsce w sieciach średnich i niskich napięć do przerywania niedużych prądów zwarciowych stosuje się bezpieczniki. Do przerywania dużych prądów zwarciowych (do 40kA) w sieciach średnich napięć stosuje się ograniczniki, w których najczęściej przerwanie głównego toru prądowego następuje dzięki wybuchowi ładunku pobudzonego przez układ elektroniczny mierzący szybkość narastania prądu.

---