Wydział Nadzoru Eksploatacji

Wytyczne programowe

w zakresie ochrony odgromowej urządzeń elektroenergetycznych w sieciach SN i n.n. ZEK S.A.

Założenia:

1. Dobór nowoczesnych odgromników do ochrony urządzeń elektroenergetycznych w sieciach SN i n.n.

1. Analiza miejsc instalowania w sieciach SN i n.n.

1. Optymalizacja usytuowania odgromników w stosunku do chronionych obiektów.

Opracował: Zatwierdził:

.............................. ......................................

mgr inż. Janusz Oleksa

Sprawdził:

..............................

mgr inż. Tadeusz Mejer

Kraków, dn. 29.12.99

Spis treści:

1. Założenia programowe - koncepcja ochrony odgromowej

2. Wytyczne realizacji ochrony odgromowej

2.1. Wprowadzenie

2.2. Podstawa opracowania

2.3. Dobór parametrów technicznych odgromników do warunków sieciowych

2.4. Analiza miejsc instalowania w sieci

2.5. Sposób usytuowania w stosunku do chronionego obiektu

3. Tabele parametrów odgromników krajowych i zagranicznych

4. Rysunki

4.1. Przykład stosowania odgromników w sieciach ZEK S.A.

4.2. Sposób mocowania odgromników na stacjach nowego typu

4.3. Mocowanie odgromników zaworowych GZSB 18/10 na stacji typu ŻH15 B

4.4. Możliwość montażu odgromników zaworowych na stacji typu STSa

1. Założenia programowe - koncepcja ochrony odgromowej

W ZEK S.A. podejmowane są zadania zmierzające do poprawy wskaźników awaryjności i niezawodności zasilania w sieciach SN i n.n. Do czynników wpływających na ich poziom należy m.in. właściwa ochrona odgromowa urządzeń elektroenergetycznych, w tym transformatorów i kabli.

W związku z powyższym Wydział Nadzoru i Eksploatacji opracował Wytyczne w zakresie optymalnej ochrony odgromowej, jako jeden z kroków mających na celu poprawę w/w wskaźników.

Wnioski płynące z analizy aktualnego stanu rzeczy w tym temacie przedstawiono poniżej:

Założenia:

1 konieczna jest rezygnacja z dalszego montażu odgromników typu OWS 18/5, GZSb 18/10 i zastąpienie ich odgromnikami z warystorami opartymi na ZnO (podstawy doboru w dalszej części opracowania)

2 określenie optymalnego sposobu montażu odgromników względem chronionego obiektu

3 ujednolicenie miejsc instalowania w sieciach SN i n.n. w oparciu o obowiązujące w tym temacie przepisy

2. Wytyczne realizacji ochrony odgromowej

2.1. Wprowadzenie

W związku ze znaczną rozbudową i konieczną modernizacją sieci elektroenergetycznych oraz wzmożonym postępem w zakresie występujących typów i rozwiązań konstrukcyjnych urządzeń dochodzi do sytuacji, w której dotychczasowa ochrona odgromowa nie spełnia podstawowego celu jakim jest ochrona urządzeń od przepięć. Jednocześnie możliwość niewłaściwej interpretacji przepisów odnośnie ochrony odgromowej prowadzi do:

montażu nadmiernej ilości odgromników głównie w sieciach n.n.

nieprawidłowego usytuowania odgromników w stosunku do chronionego obiektu

braku ochrony odgromowej w miejscach jej wymagających

stosowania odgromników o parametrach nieodpowiednich do parametrów sieci, w tym mocy zwarciowych, napięć roboczych itp., szczególnie istotnych dla zachowania właściwej koordynacji izolacji urządzeń chronionych

Stan taki jest jednym z czynników nadmiernej uszkadzalności urządzeń el.-en. w tym transformatorów, kabli itp.

W celu właściwej ochrony obiektów (nie tylko el.-en.) od przepięć należy rozważyć następujące tematy:

1. dobór odgromników do parametrów sieci t.j.

najwyższego napięcia roboczego odgromnika

znamionowego prądu wyładowczego

gwarantowanego poziomu ochrony odgromnika

2. wybór typu odgromnika w powiązaniu z technologią produkcji

3. analiza miejsc instalowania w sieci

4. sposób usytuowania w stosunku do chronionego obiektu

2.2. Podstawa opracowania

1. przepisy budowy urządzeń elektroenergetycznych

1. ochrona sieci elektroenergetycznych od przepięć - wskazówki wykonawcze do przepisów budowy urządzeń elektroenergetycznych

1. Kazimierz Auleytner: odgromniki

1. Praca zbiorowa: Przesył i Rozdział Energii Elektrycznej, Tom I - Wyładowania piorunowe i ochrona przepięciowa

1. inne

2.3. Dobór parametrów technicznych odgromników do warunków sieciowych

Przy doborze odgromnika do warunków sieciowych należy uwzględnić następujące warunki:

a) najwyższe napięcie robocze odgromnika (Ur) winno spełniać zależność:

gdzie: Um - najwyższa wartość skuteczna napięcia międzyprzewodowego w normalnych warunkach ruchowych

ke - współczynnik zwarcia doziemnego,

ke = 1.73 - sieć z izolowanym punktem zerowym

ke = 1.4 - sieć z uziemnionym punktem zerowym

Uwaga: dla odgromników opartych na tlenku cynku odpowiednikiem napięcia U_r jest wartość T_*U_c, gdzie parametr T określa odporność odgromnika na przepięcia dynamiczne, U_c - napięcie trwałej pracy odgromnika (wykres nr 1 i 2).

Wykres nr 1. Przykład charakterystyki wytrzymałości ograniczników typu GX na przepięcia dynamiczne (f-ma ZWAR).

Wykres nr 2. Typowy przebieg ch-ki napięciowo-prądowej ogranicznika przepięć typu GX.

gdzie: U - napięcie na zaciskach odgromnika,

I - prąd płynący przez odgromnik

Tabela nr 1. Poziomy napięć fazowych sieci SN z izolowanym punktem zerowym transformatora.

UN	Um	ke	Uf-norm	Uf-max <Ur-min
[kV]	[kV]	[-]	[kV]	[kV]
30	36	1.73	21	36
15	17.5	1.73	10	17.5
6	7.5	1.73	4.5	7.5

gdzie: Uf-norm - wartość maksymalna napięcia na zaciskach odgromnika podczas normalnej pracy sieci

Uf-max - wartość maksymalna napięcia jakie może się pojawić na zaciskach odgromnika

np. podczas zwarcia doziemnego

Ur-min - minimalna, dopuszczalna wartość z szeregu napięć ciągłej pracy odgromnika danego typu

b) znamionowy prąd wyładowczy odgromnika

Wybór znamionowego prądu wyładowczego odgromników zaworowych zaleca się wykonywać według zasad podanych w tabeli nr 2:

Tabela nr 2. Wartości znamionowego prądu wyładowczego odgromnika

Znamionowe napięcie sieci		Przeznaczenie odgromnika	Znamionowy prąd wyładowczy
[kV]			[kA]
niższe od 110 kV	1)	do ochrony izolacji uzwojeń o napięciu znamionowym niższym niż 110 kV, w transformatorach o górnym napięciu znamionowym 110 kV i wyższym	10 kA - ”lekki”
	2)	do ochrony izolacji punktu gwiazdowego tych uzwojeń
	3)	do ochrony izolacji punktów gwiazdowych transformatorów, do których są przyłączone dławiki gaszące
	4)	do ochrony izolacji uzwojeń i punktów gwiazdowych transformatorów w przypadkach nie wymienionych w pkt. 1 - 3	5 kA lub 10 kA ”lekki”
	5)	w stacjach zasilających wyłącznie sieci o napięciu znamionowym do 1 kV, w przypadku, gdy do stacji wchodzi co najmniej jedna linia na słupach drewnianych	5 kA
	6)	w stacjach zasilających wyłącznie sieci o napięciu znamionowym do 1 kV, w przypadku, gdy do stacji wchodzą tylko linie na słupach przewodzących (stalowych, żelbetowych).	2.5 kA

Dla stosowania w ZEK dobrano:

- dla sieci n.n.: odgromniki o znamionowym prądzie szczytowym 5 kA (dopuszczalne 2.5 kA zgodnie z pktem 6 tabeli nr 2.)

- dla sieci SN: odgromniki o znamionowym prądzie szczytowym 10 kA

c) gwarantowany poziom ochrony odgromnika

Gwarantowany poziom ochrony odgromnika (Uop - dla przepięć piorunowych) nie powinien przekraczać wartości znamionowego napięcia probierczego izolacji chronionego urządzenia udarowego, piorunowego - Uip podzielonego przez współczynnik bezpieczeństwa k_bp.

Tabela nr 3. Maksymalne (dopuszczalne) wartości napięcia obniżonego odgromników.

UN	Uip	kbp	Uip/kbp>Uopmax
[kV]	[kV]	[-]
30	145	1.3	111.5
15	75	1.3	57.7
6	40	1.3	30.8

gdzie:

U_op - poziom ochrony odgromnika dla przepięć piorunowych wyznaczany jako największa z trzech

wartości napięć:

najwyższego napięcia zapłonu odgromnika przy udarze normalnym 1.2/50

najwyższego napięcia obniżonego przy znamionowym prądzie wyładowczym odgromnika

najwyzszego napięcia zapłonu na czole udaru, podzielonego przez 1.15

k_bp - współczynnik bezpieczeństwa przy przepięciach piorunowych, kbp >1.3

U_opmax - największa dopuszczalna wartość poziomu ochrony odgromnika

Wartości współczynnika U_ip/k_bp oraz poziomy ochrony odgromników przedstawiono w wykazie odgromników (tabela nr 4 - punkt nr 3 opracowania).

Wybór typu odgromnika

Wyboru typu odgromników do stosowania w ZEK S.A. dokonano w/g następujących kryteriów:

• zachowanie parametrów odgromnika zgodnie z punktami a, b i c

• obniżenie kosztów związanych z zakupem znacznych partii odgromników

• ułatwienie zabiegów montażowych dzięki m.in. mniejszemu ciężarowi, gabarytom, sposobie montażu itp.

• obniżenie wskaźników awaryjności urządzeń dzięki zastosowaniu odgromników o niższym poziomie ochrony i większej niezawodności działania

Dostępne na naszym rynku odgromniki oparte na warystorach z tlenku cynku (ZnO) oraz węgliku krzemu (SiC) przedstawiono w tabeli nr 4 - punkt nr 3 opracowania.

2.4. Analiza miejsc instalowania w sieci

linie elektroenergetyczne napowietrzne:

• W liniach średnich napięć na słupach stalowych (żelbetowych) nie stosuje się na ogół innych środków ochrony odgromowej oprócz SPZ. Przewody odgromowe są rozwiązaniem kosztownym i nie zapewniają w tym przypadku dużej skuteczności. Stosowanie odgromników na każdym słupie jest kosztowne i kłopotliwe wobec możliwości ich awarii (bezpośrednie uderzenie pioruna).

• W liniach na różnych słupach stalowych (żelbetowych) i drewnianych , gdzie istnieje przewaga słupów stalowych lub żelbetowych można poprzestać na stosowaniu SPZ. Jeżeli istnieje przewaga słupów drewnianych wtedy należy przyjąć konieczność stosowania ochrony odgromowej na słupach stalowych lub żelbetowych tylko dla przęseł krzyżujących się z obiektami użyteczności publicznej, szlakami komunikacyjnymi, miejscami zgromadzeń itp.

• zaleca się stosować odgromniki w punktach pomiaru energii elektrycznej zainstalowanych na słupach sieci napowietrznej.

stacje elektroenergetyczne SN / n.n.

1. W stacjach zasilających wyłącznie sieci niskiego napięcia należy instalować odgromniki przy transformatorze, przy czym największa odległość odgromnika od zacisku chronionego uzwojenia transformatora, mierzona wzdłuż przewodów łączących nie powinna przekraczać 6 m.

1. Przy transformatorach zasilających sieci wyższego napięcia (np. transformatory 15/30 kV), należy instalować odgromniki zaworowe z zachowaniem odległości odgromnika od zacisku uzwojenia transformatora - mierzonej wzdłuż przewodów - mniejszej od:
   - 20 m dla uzwojeń o napięciu znamionowym niższym niż 60 kV

1. Stacje elektroenergetyczne połączone bezpośrednio z liniami napowietrznymi lub przez odcinek kabla o długości mniejszej od niż 2 km należy chronić odgromnikami.

Nie jest wymagane instalowanie odgromników w stacjach:

• połączonych tylko odcinkami kablowymi z innymi stacjami, do których nie wchodzą bezpośrednio linie napowietrzne, nawet jeśli długość kabli między tymi stacjami a linią napowietrzną jest mniejsza niż 2 km,

• połączonych z liniami napowietrznymi przez transformatory, lecz nie przez autotransformatory

sieci elektroenergetyczne napowietrzne o napięciu do 1 kV:

1. Napowietrzne sieci elektroenergetyczne o napięciu do 1 kV powinny być chronione od przepięć atmosferycznych odgromnikami zaworowymi.

1. Odgromniki zaworowe należy instalować:

2.1. przy stacjach transformatorowych zasilających sieć niskiego napięcia w miejscach uziemienia punktu zerowego transformatora,

2.2. w liniach napowietrznych na krańcach linii (na początku i na końcach dla linii n.n. na słupach drewnianych - również w przypadku ochrony uzwojeń n.n. transformatora zgodnie z punktem nr 2.1.- lub na końcach dla linii n.n. na słupach żelbetowych) oraz w taki sposób, aby na każde 0.5 km linii wypadał przynajmniej jeden komplet odgromników

2.3. na krańcach linii kablowych połączonych z liniami napowietrznymi (na obu końcach kabla),

Uwaga: przyłącz kablowy w rozumieniu punktu 2.3. nie podlega obowiązkowej ochronie przepięciowej z wyjątkiem zasilania obiektów wymienionych w punktach 2.4. i 2.5.

2.4. w liniach niskiego napięcia, zasilających bezpośrednio instalacje odbiorcze w budynkach użyteczności publicznej, przeznaczonych dla dużej liczby osób (np. szpitale, koszary, szkoły itp.)

2.5. w liniach niskiego napięcia zasilających bezpośrednio instalacje odbiorcze w budynkach przeznaczonych do gromadzenia znacznych ilości materiałów łatwopalnych lub wybuchowych,

2.6. na krańcach odcinków linii dłuższych niż 300 m

2.7. do czasu wystąpienia odpowiednich przepisów ochronę odgromową dla linii z przewodami izolowanymi należy stosować zgodnie z punktami 2.1. - 2.6.

3. w przypadku wykonania dla budynków, o których mowa w punktach 2.1. - 2.5. przyłącza napowietrznego z zastosowaniem izolatorów dościennych, odgromniki powinny być umieszczone w pobliżu tych izolatorów, na zewnątrz budynku. W przypadku innego wykonania przyłącza dla tych budynków, odgromniki należy zainstalować na najbliższym słupie linii elektroenergetycznej.

4. w przypadku zerowania linii elektroenergetycznych, odgromniki zaworowe powinny chronić każdy przewód skrajny.

Miejsce usytuowania odgromników w sieciach SN i n.n. przedstawiono na rysunku nr 4.1.

2.5. Sposób usytuowania w stosunku do chronionego obiektu

Spadki napięcia na przewodach pomiędzy odgromnikiem a chronionym urządzeniem powodują, że napięcia na urządzeniach są wyższe od napięcia obniżonego. Przy zachowaniu właściwych odległości pomiędzy odgromnikami a urządzeniami można przyjąć, że napięcia na chronionych urządzeniach nie osiągną wartości 30 % wyższej od napięcia obniżonego odgromników. Niezależnie od spadku napięcia na przewodach powstaje jeszcze spadek napięcia na uziemieniu odgromnika. Spadek ten dodaje się do napięcia obniżonego, jeśli uziemienie odgromnika nie jest połączone na krótkiej drodze z uziemieniem chronionego urządzenia (rys. nr 2).

Rys. nr 2. Sposób wykonania wspólnego uziemienia: odgromników oraz uziemienia ochronnego i roboczego.

1. części podlegające ochronie

2. zacisk uziemiający

3. przewód uziemiający

4. główny przewód uziemiający

5. zacisk uziemiający probierczy

6. przewód uziomowy

7. uziom

Zaleca się aby punkt zerowy transformatora łączyć z uziomem za pomocą przewodu izolowanego (kabla) lub uziemiać dodatkowo przewód zerowy na najbliższym słupie linii niskiego napięcia.

Spośród czynników wpływających na poziom ochrony wymienić należy:

1. spadek wytrzymałości izolacji urządzeń chronionych na skutek starzenia się izolacji i ciągłego oddziaływania pola elektrycznego

1. szybkość narastania i amplituda fali przepięciowej (większe od prądów roboczych)

1. wprowadzenie dodatkowych przepięć na przewodach przyłączeniowych na skutek indukcji własnej (Lxdi/dt)

Z trzech wyżej wymienionych czynników najważniejsza jest długość przewodów przyłączeniowych, które wprowadzają dodatkowe przepięcia na chronionym obiekcie. Wartości tych przepięć mogą osiągnąć poziom 18 kV/m.

Poniżej przedstawiono przykłady dwóch połączeń odgromnika w stosunku do chronionego obiektu (transformator) - cytat z opracowania ZWSE - Olsztyn.

W stacjach elektroenergetycznych najdroższym i najmniej odpornym na przepięcia urządzeniem jest transformator. Z tych względów odgromniki ustawia się jak najbliżej transformatora (rys. nr 4.2. - 4.4. - punkt nr 4 opracowania).

Powyższy sposób montażu odgromników jest realizowany przede wszystkim w najnowszych typach stacji transformatorowych SN/nn (rys. nr 4.2.). Jednakże niektóre istniejące rozwiązania konstrukcyjne stacji przewidują ten sposób usytuowania odgromników (np. stacja typu ŻH-15 - rys. nr 4.3.) lub umożliwiają jego realizację (np. st, STSa 20/250 - rys. nr 4.4.).

Odgromniki przeznaczone do ochrony transformatora umieszcza się pomiędzy wyłącznikiem a transformatorem, gdyż pozwala to na zabezpieczenie transformatora przed skutkami przepięć łączeniowych spowodowanych otwieraniem wyłącznika.

Rysunek nr 3. Przyłączenie transformatora.

Napięcie na transformatorze wyniesie:

V = Uop + U_AB + U_CD

dla: AB = 1 m, CD = 2 m => V = Ur + 54 kV

wytrzymałość izolacji transf. = 125 kV

napięcie obniżone odgromnika Ur = 75 kV

Poziom ochrony wyniesie:

Układ taki nie zapewnia właściwej ochrony odgromowej.

Niezależnie od połączenia z uziomem należy wykonać dodatkowe połączenie zacisków uziomowych odgromników lub iskierników z kadzią chronionego transformatora lub z powłoką metalową chronionego kabla (rys. nr 3 i 4 - połączenie kolorem zielonym).

Rysunek nr 4. Prawidłowy sposób przyłączenia odgromnika.

Napięcie na transformatorze wyniesie:

V = Ur + U_AB + U_CD

dla: AB = 0 m, CD = 0 m => V = Ur + 0 kV

wytrzymałość izolacji transf. = 125 kV

napięcie obniżone odgromnika Ur = 75 kV

Poziom ochrony wyniesie:

Układ taki zapewnia właściwą ochronę odgromową.

Uziemienie odgromników łączy się najkrótszą drogą z obudową chronionego urządzenia. Dotyczy to w szczególności transformatorów i głowic kablowych.

Przez wykonanie takiego połączenia unika się podwyższenia napięcia na zaciskach odgromnika względem obudowy chronionego urządzenia o spadek napięcia na uziemieniu odgromnika.

Niezależnie od wymagań poniżej podanych uziemienia urządzeń ochrony przeciwprzepięciowej w liniach i w stacjach elektroenergetycznych powinny spełniać wymagania podane w przepisach dotycz --> [Author:JK] ących ochrony od porażeń, ochrony obiektów budowlanych od wyładowań atmosferycznych, i budowy elektroenergetycznych linii napowietrznych.

Wymagana wartość rezystancji uziemienia (10 Ω dla sieci SN i n.n. - przy uziemieniach wspólnych wartość obliczana) powinna być spełniona przy prądzie przemiennym o częstotliwości technicznej. W przypadku uziomów, których elementy są rozmieszczone dalej niż 35 m od zacisku uziemiaj --> [Author:JK] ącego, należy dodatkowo sprawdzić (np. metodą obliczeń - K.Wołkowiński „uziemienia urządzeń elektroenergetycznych”) czy wymagane wartości rezystancji uziemienia są również spełnione przy prądzie udarowym o wartości szczytowej 100 kA i stromości czoła 50 kA/μs.

Wynika to z faktu, że przy długich elektrodach uziemiających rozpływ prądu udarowego ogranicza indukcyjność własna przewodu, co powoduje wzrost oporności uziemienia. Również w uziomie złożonym z szeregu elementów składowych występuje w warunkach udarowych wzajemne ekranowanie elektrod, zwiększające oporność uziemienia na skutek koncentrowania się dróg przepływu prądu udarowego w pobliżu powierzchni ziemi.

Na przewody uziemiające odgromniki i iskierniki - w przypadku gdy nie można wykorzystać przewodzących elementów słupów i konstrukcji wsporczych lub elementy te nie są dobrane do warunków zwarciowych występujących w miejscu ich zainstalowania - należy stosować przewody o przekroju nie mniejszym niż 35 mm² .

Rysunek nr 5. Prawidłowe przyłączenie linii kablowej.

Uwagi dodatkowe:

Należy wspomnieć o znacznej roli jaką w systemie ochrony odgromowej odgrywają iskierniki. Stanowią one jakby ochronę rezerwową urządzeń na wypadek uszkodzenia odgromnika, lub w przypadku gdy napięcie na odgromniku przekroczy poziom ochrony, co może mieć miejsce przy bliskim , bezpośrednim uderzeniu pioruna.

W celu uniknięcia trudności eksploatacyjnych konstrukcja i sposób zamocowania iskiernika powinny zapewniać:

• stałość przerwy iskrowej

Napięcie znam. sieci UN	[kV]	10	15	20	30
Odstęp elektrod iskiernika a	[cm]	7	9	12	20

• uniemożliwienie przeniesienia łuku na sąsiednie przewody robocze

• zabezpieczenie chronionej izolacji przed termicznym działaniem łuku

• małe prawdopodobieństwo zwierania przerwy iskrowej np. przez ptaki

• odpowiednią wytrzymałość termiczną na działanie prądu zwarcia w danym punkcie sieci

Jako najbardziej szkodliwe skutki przepięć atmosferycznych w sieciach niskonapięciowych należy traktować przebicia udarowe izolacji urządzeń, pożary spowodowane iskrami udarowymi w pomieszczeniach z materiałami łatwopalnymi oraz porażenia ludzi. Niebezpieczeństwo porażenia ludzi jest szczególnie duże w budynkach wiejskich zasilanych z sieci na słupach drewnianych.

W sieciach niskonapięciowych na słupach stalowych i żelbetowych prawdopodobieństwo pojawienia się dużych przepięć atmosferycznych jest mniejsze wobec mniejszej wytrzymałości udarowej izolacji doziemnej.

Do ochrony uzwojeń transformatora zasilającego napowietrzną sieć niskonapięciową stosuje się odgromniki zaworowe instalowane możliwie najbliżej zacisków transformatora.

Do obniżenia przepięć w liniach napowietrznych stosuje się dodatkowo odgromniki zaworowe w różnych miejscach linii przeważnie tam, gdzie są wymagane uziemienia z innych względów, np. miejsca uziemienia przewodu zerowego (na krańcach linii, w miejscach rozgałęzienia itp.).

3. Tabele parametrów odgromników krajowych i zagranicznych.

4. Rysunki.

4.1. Przykład stosowania odgromników w sieciach ZEK S.A.

4.2. Sposób mocowania odgromników na stacjach nowego typu

4.3. Mocowanie odgromników zaworowych GZSB 18/10 na stacji typu ŻH15 B

4.4. Możliwość montażu odgromników zaworowych na stacji typu STSa

14

V

A

UCD

D

C

Uop

UAB

B

D

C

B

A

C=D

A=B

V

Uop

C=D

A=B

---