POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

Studium Podyplomowe

Praca Dyplomowa

IMIĘ I NAZWISKO: mgr inż. JANUSZ OLEKSA

inż. JAN KRÓL-ŁĘGOWSKI

TEMAT PRACY DYPLOMOWEJ: PRAKTYCZNA OCHRONA PRZEPIĘCIOWA ROZLEGŁYCH SIECI KABLOWYCH SN 15 kV ZAKŁADU ENERGETYCZNEGO KRAKÓW S.A.

Ocena: ....................................... Promotor

Prof. dr hab. inż. Jerzy Kulczycki

Kraków dn. 20.11.97 rok studiów 1997

Zawartość

1. Spis treści str. 2

2. Wprowadzenie 3

3. Charakterystyka sieci kablowej SN ZEK S.A. 5
   3.1. stopień zużycia technicznego i technologicznego 6
   3.2. awaryjność 9
   3.3. automatyka zabezpieczeniowa 12

4. Teoria zjawisk przepięciowych w sieciach kablowych SN 19

5. Charakterystyka ograniczników przepięć 24

5.1. Z historii ochrony przepięciowej 24
5.2. budowa i działanie zaworowych ograniczników przepięć
opartych na tlenku cynku 26
5.3. parametry techniczne ograniczników przepięć 33

6. Koordynacja izolacji dla sieci kablowych SN 35
   6.1. wytrzymałość naturalna izolacji z uwzględnieniem procesów starzeniowych 35
   6.2. wpływ połączeń na poziom ochrony przepięciowej 37

7. Zasady doboru ograniczników przepięć 39
   7.1. warunki graniczne pracy sieci energetycznej SN 39
   7.2. kryteria doboru ograniczników przepięć 39
   7.3. zasady doboru ograniczników do warunków pracy sieci SN 41

8. Praktyczna realizacja ochrony przepięciowej sieci kablowych SN
   - wytyczne ochrony przepięciowej sieci kablowej SN - 15 kV
   Zakładu Energetycznego Kraków S.A. 48

9. Literatura 59

2. Wprowadzenie

Rozległe sieci kablowe średnich napięć spełniają ogromną rolę w dystrybucji energii elektrycznej. Wynika to w szczególności z zasilania na małym obszarze dużej liczby odbiorców o poborze mocy i energii znacznie przekraczającym średnią w spółce dystrybucyjnej.
Odbiorcy ci wymagają znacznej pewności zasilania co rzutuje na strukturę sieci kablowej, układ pracy i parametry ciągów liniowych.

W tak wymagającym środowisku odbiorców energii elektrycznej niezawodność zasilania odgrywa ogromną rolę. Każdy czynnik mogący wpłynąć na zagrożenie pewności zasilania, wzrost awaryjności sieci winien być eliminowany a przynajmniej w znacznym stopniu ograniczany. Do grupy największych zagrożeń dla kabli energetycznych zaliczamy przepięcia pochodzenia atmosferycznego. Lecz należy stwierdzić, że osiągnięcia techniki oraz dostępne technologie ostatnich lat umożliwiają skuteczna walkę nie tylko ze skutkami wyładowań atmosferycznych, których niszczycielska działalność daje o sobie najbardziej znać na pograniczu sieci napowietrznych i kablowych, lecz również umożliwiają skuteczną walkę z przepięciami pochodzenia wewnętrznego (przepięcia ziemnozwarciowe) o znacznie niższych amplitudach lecz nie mniej niszczącym oddziaływaniu na osłabioną wieloletnią eksploatacją izolację kabli elektroenergetycznych średnich napięć.

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

montażu ograniczników nie spełniających skutecznie swojej funkcji

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 oraz bezpieczeństwa pracy

Stan taki jest jednym z czynników nadmiernej ilości uszkodzeń urządzeń elektroenergetycznych, w tym kabli.

W celu właściwej ochrony kabli elektroenergetycznych od przepięć należy rozważyć następujące tematy:

1. analiza miejsc instalowania ograniczników przepięć w sieci z określeniem niżej wymienionych parametrów:

najwyższego napięcia roboczego odgromnika

znamionowego prądu wyładowczego

wymaganego przez urządzenia chronione poziomu ochrony odgromnika

• zdolności pochłaniania energii

2. sposób usytuowania w stosunku do chronionego obiektu

3. dobór odgromników do parametrów sieci t.j.

4. wybór typu odgromnika w powiązaniu z technologią produkcji

Próba rozwiązania tego problemu, istotna dla przedłużenia żywotności kabli energetycznych jest przedmiotem niniejszego opracowania.

3. Charakterystyka sieci kablowej SN ZEK S.A.

Zakład Energetyczny Kraków S.A. obejmuje swą działalnością obszar dwóch województw: miejskiego krakowskiego i nowosądeckiego, o łącznej powierzchni 8830 km², obsługując ok. 727 tys. odbiorców energii elektrycznej.
Eksploatację poszczególnych grup urządzeń energetycznych prowadzi osiem Rejonów Energetycznych (sieci średnich i niskich napięć), Rejon Wysokich Napięć (sieci najwyższych napięć), oraz Zespół Elektrowni Wodnych Rożnów.

Z rozdzielni sieciowych SN zasilanych jest 6400 km linii napowietrznych i 2280 km linii kablowych SN, pracujących przy napięciach 6, 15 i 30 kV. Z w/w sieci zasilani są odbiorcy wielkoprzemysłowi, oraz stacje transformatorowe SN/nn, w tym 5039 stacji transformatorowych napowietrznych i 2773 wnętrzowych, z transformatorami o łącznej mocy zainstalowanej 1540 MVA.

Ukształtowanie terenu oraz aglomeracje miejskie wpływają znacząco na zróżnicowanie w samym wyborze sposobu przesyłu energii elektrycznej.

Linie napowietrzne budowane są głównie na rozległych terenach wiejskich, o małej gęstości zaludnienia. Linie kablowe zaś dominują na terenach miejskich, gęsto zabudowanych, gdzie m.in. budowa sieci napowietrznych z różnych, zrozumiałych względów, nie jest możliwa.
Dominującą rolę odgrywają sieci o napięciu 15kV - sieci 6 i 30 kV są systematycznie likwidowane i przebudowywane na typowe dla Zakładu napięcie SN - 15kV.
8 Rejonów Energetycznych prowadzi ruch łącznie ok. 540 ci --> [Author:OJ] ągów kablowych SN, o przekroju głównie 70, 120 mm², przy czym w eksploatacji pozostają jeszcze kable papierowo-olejowe HAKFtA 35 mm², zasilające promieniowo stacje transformatorowe w układzie blok-linia-transformator. Przykładowy schemat sieci, w tym sieci kablowej SN-15 kV przedstawiony jest w załączniku nr 1.
Średnia długość ciągu kablowego SN (od rozdzielni sieciowej do przerwy w układzie normalnym) wynosi ok. 2km. Pojedynczy ciąg kablowy SN zasila średnio 6 stacji transformatorowych SN/nn. Średnie obciążenie ciągu kablowego w sieciach ZEK S.A. waha się w granicach 40-60[A].

Sieć kablowa pracuje głównie w miastach - terenach gęsto zabudowanych i zaludnionych.

W skład miejskich, kablowych sieci rozdzielczych SN wchodzą stosunkowo krótkie, na ogół kilkusetmetrowe odcinki kablowe - relacje między poszczególnymi stacjami transformatorowymi.

Wybór sposobu przesyłu energii elektrycznej uzależniony jest przede wszystkim od warunków terenowych poszczególnych Rejonów. Rejon Śródmieście dla przykładu - obejmujący swoją działalnością wyłącznie teren miejski, gęsto zabudowany i zaludniony - przesyła energię elektryczną prawie wyłącznie siecią kablową. Natomiast Rejon Limanowa - obsługujący tereny wiejskorolnicze, o dużym rozproszeniu odbiorców - eksploatuje prawie wyłącznie napowietrzne sieci średnich i niskich napięć.

Wśród 540 ciągów sieci kablowej SN - 25 jest obciążonych znacznie powyżej średniej (80 A i więcej), a 90 ciągów jest niedociążonych (10 A i mniej). Wysokie obciążenie kabli elektroenergetycznych jest niekiedy kłopotliwe ze względu na problemy z realizacją awaryjnego układu zasilania w przypadku awarii kabla na początku pętli. Przewidywane wtedy (co prawda sporadycznie) obciążenie na poziomie 250 Amper praktycznie wymusza przeprowadzenie szeregu łączeń ruchowych dla odciążenia pętli w celu realizacji awaryjnego układu pracy sieci.

Ogólnie stopień obciążenia sieci kablowej SN kształtuje się na niskim poziomie, w odniesieniu do szacowanej zdolności przesyłowej, nie mając negatywnego wpływu na stan kabli SN. Zdarzają się jednak ciągi liniowe, dla których niemożliwa jest realizacja zasilania w awaryjnym układzie pracy np. w przypadku uszkodzenia pierwszego kabla w linii, ze względu na zbyt duże obciążenia - przykład: RS Śląska, RS Reymonta.

Można przyjąć, że napięcia w sieci kablowej SN kształtują się na właściwym poziomie.

3.1. stopień zużycia technicznego i technologicznego

W dobie przemian zachodzących w energetyce należy obecnie posługiwać się dwoma kryteriami oceny stanu zużycia sieci elektroenergetycznej, tj. technicznego i technologicznego.

Przez pojęcie zużycie techniczne należy rozumieć zużycie elementów urządzeń lub ich podzespołów wynikające z niszczycielskiego oddziaływania środowiska, przekroczenia dopuszczalnych parametrów pracy (przeciążenia, zwarcia, przepięcia), ujawniania się wad materiałowych itp.

Natomiast przez zużycie technologiczne należy rozumieć starzenie się funkcjonalne urządzenia, co powoduje jego zmniejszoną przydatność, pomimo dobrego stanu technicznego. Przykładem starzenia się technologicznego może być kabel o przekroju 35 mm² bez względu na typ jeśli stanowi on fragment pętli kablowej zbudowanej w oparciu o kable o przekroju 120 mm² przy znacznym jej obciążeniu. Sporadycznie występują również kable promieniowe o przekroju 35 mm², zasilające stacje transformatorowe w układzie blok-linia-transformator co skutkuje zmniejszeniem pewności zasilania odbiorców energii elektrycznej zasilanych na poziomie niskich napięć i wymusza rezerwowanie zasilania sieciami kablowymi nn.

Poniżej zestawiono tabelarycznie kable elektroenergetyczne eksploatowane przez ZEK S.A. w podziale na wiek oraz typ (tabela nr 1 i 2).

Tabela nr 1. Zestawienie w grupach wiekowych ilości kabli elektroenergetycznych pracujących w sieciach ZEK S.A.

grypy wiekowe	długość linii kablowych SN
zbiorczo dla ZEK S.A.	[km]	[%]
do 1970 roku	670.6	29.4
71-90	1 399.2	61.4
91-95	210.3	9.2
RAZEM	2 280.1	100 %

Tabela nr 2. Zestawienie ilości kabli elektroenergetycznych w/g rodzaju izolacji

ilość kabli SN w ZEK S.A.	kable tradycyjne		kable PE niesieciowane		kable PE usieciowane
[ km ]	[ km ]	[%]	[ km ]	[%]	[ km ]	[%]
2 280.1	1 510.8	66.4	704.9	30.9	62.3	2.7

Spośród wymienionych wyżej kabli wybudowanych w latach 71-90 kable o izolacji papierowo-olejowej uznano za dobre, natomiast stan kabli o izolacji z polietylenu niesieciowanego (z roku budowy 80 - 86) uznano za bardzo zły. Należy również przyjąć, że stan techniczny 70 % kabli wybudowanych w latach 50 - 70 (kable z izolacją papierowo-olejową) będzie ulegał sukcesywnie pogorszeniu.

Z technologicznego punktu widzenia kable z izolacją papierowo-olejową należy uznać za dobre z dopuszczeniem ich do dalszej zabudowy w sieciach ZEK S.A. podobnie jak najnowsze kable z izolacją z polietylenu niesieciowanego.

Rysunek nr 1. Procentowy udział długości poszczególnych typów kabli SN w sieci kablowej ZEK S.A.

Zakłada się, że w ramach modernizacji sieci kablowych SN podjęte zostaną działania uwzględniające:

- oceny konieczności utrzymania danej relacji,

- skracanie tras linii kablowych,

- wprowadzenie ochrony przepięciowej w sieciach kablowych,

- skracanie do minimum czasu lokalizacji i usuwania uszkodzeń,

- wprowadzenie w szerszym stopniu nowoczesnego osprzętu kablowego i technologii prac.

Kable z izolacją z polietylenu niesieciowanego stanowią 30.9 % wszystkich kabli wchodzących w skład sieci średniego napięcia. Występująca zwiększona awaryjność tych kabli wynika m.in. z wadliwej ich technologii co skutkuje m.in. obniżeniem wytrzymałości dielektrycznej izolacji.

Do roku 1970 w Zakładzie stosowano wyłącznie kable tradycyjne. Po roku 1970 zaczęto stosować kable z izolacją z polietylenu niesieciowanego, i w zasadzie w latach 1970 - 90 zabudowano mniej więcej taką samą ilość tych kabli, co kabli tradycyjnych. Natomiast od 1990 roku zaczęto stosować kable usieciowane, które zastąpiły w użyciu wadliwe kable niesieciowane. W okresie tym Zakład zakupił porównywalne ilości tych kabli oraz kabli olejowych.

Większość zabudowanych kabli w sieci SN są to kable tzw. tradycyjne, w izolacji papierowo-olejowej. Zdecydowanie dominują w Zakładzie kable pracujące przy napięciu 15 kV. Poza kablami 15 kV - Rejon Podgórze eksploatuje 26 km kabli SN-30 kV, a Rejon Nowy Sącz 35 km linii kablowych SN - 6 kV.

3.2. awaryjność

Eksploatację linii kablowych należy prowadzić w taki sposób, aby m.in. zapewnić wymaganą niezawodność zasilania energią elektryczną (należy dążyć do maksymalnego skracania czasów przerw w pracy linii, szczególnie o ile powodują one przerwy w zasilaniu odbiorców).

Ciąg kablowy, na którym wystąpi w ciągu roku do 2 zakłóceń z uszkodzeniami, ze względu na niezawodność pracy, uznawana jest za linię w dobrym stanie technicznym.

Natomiast ciągi kablowe o większej ilości uszkodzeń i zakłóceń bez uszkodzeń, jako linie o niezawodności pracy niezadowalającej (od 3 do 5 zakłóceń z uszkodzeniami w ciągu roku), czy niedopuszczalnej (ponad 5 zakłóceń z uszkodzeniami), należy uznać za linie o pogarszającym się stanie technicznym. Powinny one być poddane środkom zapobiegawczym, w celu zmniejszenia liczby zakłóceń w ich pracy.

Analiza awaryjności sieci kablowej SN w ZEK S.A. za okres 1990-1995 wykazała 126 relacji kablowych o zwiększonej (powyżej 2 w roku) awaryjności pracy, przy czym na 19 relacjach wystąpiło w tym okresie więcej niż 5 uszkodzeń w ciągu roku (awaryjność niedopuszczalna).

Poniższa tabela podaje ogólną awaryjność sieci kablowej SN ZEK S.A., z podziałem na miejsce uszkodzenia linii kablowej (tabela nr 3).

Tabela nr 3. Ogólna awaryjność sieci kablowej SN ZEK S.A., z podziałem na miejsce uszkodzenia linii kablowej.

uszkodzenie	1990	1991	1992	1993	1994	1995	1996
w trasie	429	559	554	523	628	535	682
głowica	88	97	81	67	79	54	73
mufa	15	16	12	12	6	13	6
RAZEM	532	672	647	602	713	602	761

Awaryjność kabli SN w ZEK S.A. - rok 1996
kabel suchy				kabel olejowy
trasa	głowica	mufa	razem	trasa	głowica	mufa	razem
415	16	0	431	267	57	6	330

Awaryjność kabli SN związana jest silnie z wiekiem oraz typem. Najczęściej ulegają awariom kable stare, ponad 30 letnie (są to kable o izolacji papierowo-olejowej), oraz kable niesieciowane. Skutki wysokiej awaryjności kabli z izolacją polietylenową łagodzone są co prawda przez dobrą wytrzymałość kabli tradycyjnych z izolacją papierowo-olejową, lecz znaczna ilość kabli tradycyjnych (z izolacją papierowo-olejową) charakteryzuje się zbyt długim okresem eksploatacji kwalifikującym je do wymiany.

Jednak awaryjność kabli elektroenergetycznych to nie tylko procesy starzeniowe lub wady materiałowe. To również wpływ przepięć pochodzenia atmosferycznego lub zwarć doziemnych.

W pierwszym przypadku powszechne stosowanie ochrony przepięciowej kabli średnich napięć - głównie na granicy sieci napowietrznych i kablowych - odgromnikami gazowydmuchowymi typu OWS 18/10, o praktycznym poziomie ochrony powyżej znamionowej wytrzymałości udarowej, piorunowej kabli powodowało narażenie ich izolacji przynajmniej na przyspieszone starzenie. Przykładem może tu być awaryjność układu przedstawionego na rysunku nr 2.

Rys. nr 2. Wpływ wyładowań atmosferycznych na awaryjność kabli SN na przykładzie fragmentu rzeczywistej sieci napowietrzno-kablowej.

Kable energetyczne tworzące w/w układ budowane były w podobnym okresie czasu w porównywalnych warunkach terenowych. Jednak wykazują różny poziom awaryjności. Oczywiście przyczyn tej sytuacji może być wiele jednak takie czynniki jak: układ sieci, zastosowana ochrona przepięciowa oraz awaryjność sugerują, że przyczyn można szukać w niewłaściwej ochronie przepięciowej.

W drugim przypadku - chcąc wykazać wpływ przepięć ziemnozwarciowych na awaryjność kabli elektroenergetycznych - można posłużyć się przykładem wynikającym z doświadczeń eksploatacyjnych. Często po usunięciu uszkodzenia kabla (wykonanie mufy, wstawki) przeprowadzenie próby napięciowej kończy się niepowodzeniem. Okazuje się, że po przyłożeniu napięcia probierczego o wartości wynikającej z przepisów eksploatacji ujawniają się kolejne uszkodzenia - stąd wniosek, że poziom wytrzymałości izolacji porównywalny jest z wielkością napięcia probierczego. Jednocześnie należy stwierdzić, że w przypadku zwarć doziemnych w sieciach z izolowanym punktem zerowym transformatora poziom przepięć dynamicznych jest znacznie wyższy, stąd ich wpływ na wytrzymałość izolacji kabli jest bezsporny. Zagadnienia te zostaną szczegółowo omówione w rozdziałach 4 i 6.

Rysunek nr 3. WSKAŹNIK AWARYJNOŚCI LINII KABLOWYCH SN W ZAKŁADZIE ENERGETYCZNYM KRAKÓW S.A. Z PODZIAŁEM NA TYP IZOLACJI W LATACH 1990-1995.

3.3. automatyka zabezpieczeniowa

Stosowane powszechnie możliwości telemechaniki oraz sposób działania automatyki zabezpieczeniowej sieci kablowych ma istotny wpływ na lokalizację awarii kabli energetycznych i wynikające stąd zjawiska przepięciowe związane ze zwarciami doziemnymi. Wyłączanie zwarcia doziemnego - w/g zasad opisanych poniżej - odbywa się w cyklu SPZ tylko wtedy gdy linia kablowa (może to być kilka kabli) zasila sieć napowietrzną. W takim przypadku przepięcie na fazach zdrowych pojawia się kilkakrotnie. Ponadto jak wynika z doświadczeń eksploatacyjnych w sieciach napowietrzno-kablowych średnich napięć cykle SPZ są powtarzane kilkakrotnie dla lokalizacji awarii. Wynika to z kolejnego odłączania poszczególnych łączników i próbnego załączenia napięcia - oczywiście w cyklu SPZ. Można przyjąć, że dla skutecznej lokalizacji awarii dyżurny Rejonowej Dyspozycji Ruchu dokonuje kilkakrotnie próby załączenia na zwarcie. Natomiast w rozległej sieci kablowej, bez wyjść na sieć napowietrzną automatyka SPZ nie jest stosowana.

Z punktu widzenia zjawisk przepięciowych do najistotniejszych należą zabezpieczenia ziemnozwarciowe oraz automatyka SPZ.

I. Samoczynne ponowne załączanie SPZ.

W liniach napowietrznych mamy najczęściej do czynienia ze zwarciami przemijającymi chwilowymi. Przyczynami powstawania tych zwarć mogą być wyładowania atmosferyczne, wiatr powodujący niebezpieczne zbliżenie się przewodów, dotknięcie gałęzi drzew do przewodów, itp. Dzięki przemijającemu charakterowi zwarć łukowych możliwe jest prawie natychmiastowe wznowienie zasilania linii po jej wyłączeniu. Samoczynne ponowne załączenie SPZ ma na celu, po upływie krótkiego czasu (od 0,3s do kilku sekund), załączenie ponowne linii pod napięcie, po uprzednim jej wyłączeniu przez zabezpieczenie. Czas trwania przerwy beznapięciowej do chwili zadziałania SPZ jest określony czasem dejonizacji przestrzeni łukowej. Gdyby SPZ zadziałało za wcześnie, mogłoby załączyć linię na zwarcie. Celem stosowania SPZ jest skrócenie czasu przerwy beznapięciowej u odbiorcy. Automatyka ta stosowana jest w liniach wysokiego napięcia i może być jednokrotnego działania (najskuteczniejsza) lub dwukrotnego działania

Automatyka SPZ w sieciach SN ZEK S.A. zastosowana jest w/g następującego cyklu:

SPZ dwukrotny - współpracujący zarówno z zabezpieczeniami ziemnozwarciowymi jak i nadprądowymi

W - wyłączenie po czasie 0,5[sek]

Z - załączenie po przerwie 1,0[sek]

W - wyłączenie po czasie 0,5[sek]

Z - załączenie po przerwie 1,0[sek] + czas zbrojenia wyłącznika od 15-20[sek]

W - wyłączenie po czasie 0,5[sek]

W Z W Z W

0,5[sek]	1,0[sek]	0,5[sek]	20[sek]	0,5[sek]

Zabezpieczenia ziemnozwarciowe (tzw. zerowoprądowe).

Zabezpieczenia ziemnozwarciowe stosuje się w celu wykrycia zwarć doziemnych. Składa się ono z filtru składowych zerowych prądu i czułego przekaźnika nadprądowego. Filtrem jest układ trzech przekładników prądowych w układzie Holmgreena lub przekładnik Ferrantiego. Gdy obwód trójfazowy jest obciążony symetrycznie, prąd płynący przez przekaźnik 3I₀=0. Przy doziemieniu jednej z faz popłynie prąd zwarcia doziemnego. Wówczas suma geometryczna prądów będzie różna od zera - przekaźnik zadziała.

Przekładnik typu Ferrantiego przeważnie stosuje się do nakładania na kabel trójżyłowy lub trzy kable jednożyłowe. Aby skompensować prąd doziemny płynący powłoką metalową kabla, przewód uziemiający głowicę należy uziemić po przeprowadzeniu go przez otwór przekładnika. Do zabezpieczeń ziemnozwarciowych stosuje się przekaźnik RIg-800 produkcji polskiej. Zabezpieczenia te w zależności od potrzeb mogą albo sygnalizować zwarcie, albo działać na wyłączenie linii.

Rodzaje stosowanych zabezpieczeń linii SN od skutków zwarć doziemnych zależą od sposobu pracy punktu zerowego sieci.

Z izolowanym punktem zerowym mogą pracować sieci SN o natężeniu prądu zwarcia doziemnego nie przekraczającym granicznych wartości prądów pojemnościowych, przy których może dojść do samoistnego zgaszenia łuku zwarciowego. Wartość tego prądu nie może przekraczać :

- w sieci kablowej i kablowo-napowietrznej 50[A] bez względu na napięcie sieci,

- w sieci napowietrznej i napowietrzno-kablowej w zależności od U_N sieci odpowiednio:

• 30[A] dla sieci 3-6kV

• 20[A] dla sieci 10kV

• 15[A] dla sieci 15-20kV

• 10[A] dla sieci 30-40kV

• 5[A] dla sieci 60kV.

Ziemnozwarciowe zabezpieczenie zerowo-napięciowe.

Do wykrywania i sygnalizacji jednofazowych zwarć doziemnych wykorzystuje się zabezpieczenie zerowo-napięciowe zwłoczne reagujące na pojawienie się składowej zerowej napięcia. Składową tą uzyskuje się z drugich uzwojeń przekładników napięciowych pola pomiarowego połączonych w otwarty trójkąt. Zabezpieczenie to służy głównie do ogólnej sygnalizacji doziemień w sieci. Napięcie rozruchowe tego zabezpieczenia jest nastawiane powyżej napięcia zerowego asymetrii roboczej i napięcia uchybowego przekładników według wzoru:

U_r ≤ 0,15*3U₀ = 0,15*U_N = 15[V]

gdzie U_N - napięcie znammionowe na wyjściu przekładników

w układzie otwartego trójkąta.

Zwykle przekładnię przekładników napięciowych w układzie otwartego trójkąta dobiera się tak, aby przy pełnym doziemieniu napięcie na zaciskach otwartego trójkąta, odpowiadające potrojonej wartości składowej zerowej napięcia, równało się U_N=100[V]. W tym celu należy zastosować przekładniki o przekładni :

Zalecana zwłoka czasowa - powyżej 0,3[sek].

Rysunek nr 4. Schemat układu kontroli izolacji sieci

Ziemnozwarciowe zabezpieczenie zerowo-prądowe zwłoczne.

W sieci z izolowanym punktem zerowym można stosować zabezpieczenia zerowo-prądowe zwłoczne zasilane z przekładników w układzie Holmgreena w liniach napowietrznych oraz przekładników Ferrantiego w liniach kablowych.

Prąd rozruchowy zabezpieczenia powinien być tak dobrany, by zabezpieczenie nie reagowało przy zwarciach zewnętrznych (poza zabezpieczaną linią), czyli:

gdzie :

3I_0L=I_pL -prąd ziemnozwarciowy linii (głównie pojemnościowy),

k_b=1,5÷2,0 - współczynnik bezpieczeństwa dla zabezpieczenia zwłocznego,

I_u - max wartość prądu uchybowego (wyrównawczego) filtru składowej zerowej prądu linii,

n_i - przekładnia prądowa filtru składowej zerowej prądu linii (zwykle dla układu Holmgreena n_i=30, 40, 60, a dla filtru Ferrantiego n_i=75, 120).

Powszechnie przyjmuje się, że max wartość prądu uchybowego nie przekracza:

• I_u≤0,02[A] - dla układów Ferrantiego.

• I_u=0,1÷0,3[A] - dla układów Holmgreena,

Jednocześnie zabezpieczenie powinno działać z odpowiedniąłością podczas zwarć wewnętrznych, gdy przez punkt pomiarowy w kierunku punktu zwarciowego na linii spływa prąd pojemnościowy sieci :

gdzie: 3I_0S - prąd ziemnozwarciowy odpowiadający pojemności całej sieci.

Zalecana zwłoka czasowa zabezpieczenia - 0,5-1,0[sek].

zabezpieczenie jest skuteczne, jeżeli prąd ziemnozwarciowy całej sieci jest 10-krotnie większy od prądu ziemnozwarciowego zabezpieczanej linii, co jest trudne do spełnienia. Zabezpieczenie jest nieskuteczne przy zwarciach wysokorezystancyjnych.

Rysunek nr 5. Schematy ideowe przekładników prądowych.

Ziemnozwarciowe zabezpieczenie bierno-mocowe zwłoczne.

W sieciach, w których składowa zerowa prądu nie stanowi wystarczającego kryterium do lokalizacji punktu doziemienia stosuje się zabezpieczenia kierunkowe bierno-mocowe.

Wartość prądu rozruchowego kolejności zerowej takiego zabezpieczenia nastawia się z warunku odstrojenia się od pojemnościowego prądu doziemnego linii:

Wartość napięcia rozruchowego dobiera się (zwykle wielkość ustawiana fabrycznie) z warunku:

U_r≤0,3*3U₀=0,3U_N=30[V]

Zabezpieczenie reaguje na kierunek przepływu mocy biernej kolejności zerowej i wykazuje największą czułość przy kącie ϕ₀ ≅90⁰.

zalecana zwłoka czasowa zabezpieczenia - 0,5-1,0[sek].

decydujący wpływ na wybiorczość działania tych zabezpieczeń ma wartość całkowitego pojemnościowego prądu zwarcia doziemnego oraz rezystancja przejścia.

Zabezpieczenia ziemnozwarciowe w sieciach ZEK S.A.

Sieć SN na terenie ZEK S.A. pracuje z izolowanym punktem zerowym transformatora.

Czułość prądowa przekaźników:

- od 20-160[mA] dla przekładników Ferrantiego, co odpowiada 1,5-12[A] po stronie pierwotnej,

- od 100-800[A] dla układu Holmgreena co odpowiada po stronie pierwotnej 6-48[A].

Czułość prądowa przekaźników nie ma większego znaczenia, zabezpieczenie nastawiane jest na wartość prądu doziemnego około 5[A] po stronie pierwotnej (w zależności od prądu doziemnego danej sieci).

Stopniowanie zabezpieczeń.

Podobnie jak w zabezpieczeniach nadprądowych przyjęto dwa stopnie :

0,5[sek] - dla linii zasilających stacje miejskie,

1,0[sek] - dla linii zasilających RS lub stacje przemysłowe

Uwaga: Eksperymentalnie obniżono powyższe czasy w stacji „Proszowice” i „Słomniki” na czasy 0,3[sek] oraz 0,8[sek].

Rysunek nr 6. Zabezpieczenie ziemnozwarciowe mostu szynowego. (opracowane przez Wydział Automatyki i Zabezpieczeń)

Uwagi:

1. szyny w GPZ nie są chronione od doziemień.

2. brak rezerwowych zabezpieczeń ziemnozwarciowych w przypadku niezadziałania zabezpieczeń podstawowych.

3. prawidłowe uziemianie głowicy ma na celu:

- prawidłowe wyłączanie przy doziemieniu na głowicy,

- wyeliminowanie błędnego wyłączania przy prądach „błądzących”.

4. Teoria zjawisk przepięciowych w sieciach kablowych SN

W celu właściwego scharakteryzowania zagrożeń sieci kablowych SN należy rozważyć dwa rodzaje zagrożeń przepięciowych:

1. zewnętrzne - pochodzenia atmosferycznego

2. wewnętrzne - związanych ze zjawiskami łączeniowymi lub zakłóceniami ziemnozwarciowymi

Zagrożenia zewnętrzne.

Do zagrożeń zewnętrznych sieci elektroenergetycznych należy bezpośrednie uderzenie pioruna w linię oraz przepięcia indukowane, związane z pobliskim wyładowaniem atmosferycznym.

Zjawiska zachodzące w linii przy trafieniu przez piorun przewodu roboczego lub słupa są dość złożone. W przypadku bezpośredniego uderzenia pioruna w linię napowietrzną na słupach drewnianych, przy przeciętnych parametrach linii oraz pioruna - amplituda prądu 10 kA, oporność falowa przewodu 500 Ω - amplituda fali napięciowej na przewodach linii może osiągnąć wartość około 2 500 kV. Wynika to stąd, że wytrzymałość udarowa linii na słupach drewnianych składa się z wytrzymałości izolatorów i wytrzymałości słupów. Drewno słupów przy udarach ma wytrzymałość na przebicie rzędu 450 - 650 kV na metr długości słupa (minimalne udarowe napięcie przebicia przy udarach zbliżonych do normalnych). Tak więc słup drewniany o wysokości 7 m. ma napięcie przebicia co najmniej 7 x 450 = 3 150 kV. Widać z tego, że przy udarach wytrzymałość słupa prawie całkowicie określa wytrzymałość linii (minimalne napięcie udarowe przeskoku izolatorów linii 15 kV może wynosić tylko około 150 kV) i rzutuje na wielkość amplitudy przepięcia docierającego do urządzeń wymagających ochrony przepięciowej, jak kable elektroenergetyczne. Fale takie tłumią się co prawda dość szybko dzięki ulotowi, tym niemniej mogą one wywołać uszkodzenia izolacji w stacjach i kablach elektroenergetycznych (zwłaszcza krańcowych, w których występuje podwojenie napięcia).

W przypadku linii na słupach betonowych można przyjąć w uproszczeniu, że żerdź stanowi element uziemienia niskoomowego. Toteż fala przepięciowa ograniczona będzie do poziomu wytrzymałości udarowej izolatorów, t.j. rzędu 150 kV. Nie jest to już wielkość tak duża jak w w/w omówionym przypadku, jednak dla izolacji kabli elektroenergetycznych budowanych na napięcie probiercze 95 lub 125 kV stanowi w dalszym ciągu poważne zagrożenie.

Podobny poziom amplitudy otrzymujemy w przypadku przepięć atmosferycznych indukowanych - dochodzą one do wartości 300/400 kV jednak zwykle nie przekraczają 200 kV.

Zagrożenia wewnętrzne.

Najczęstszymi zakłóceniami w sieciach kablowych SN są zwarcia jednej fazy z ziemią. Występującym wówczas skomplikowanym zjawiskom ziemnozwarciowym towarzyszą przepięcia i przetężenia, których krotności zależą od wielu parametrów, a zwłaszcza od wartości impedancji uziemienia punktu zerowego sieci. Zwarcia jednej fazy z ziemią mogą się przekształcać w inne rodzaje zakłóceń wywołując dalsze przepięcia (np. łączeniowo-ziemnozwarciowe) i przetężenia (np. przy zwarciach podwójnych), mogą też być przyczyną zjawisk rezonansowych. Zjawiska ziemnozwarciowe są od dawna przedmiotem analiz teoretycznych i badań eksperymentalnych, nie znalazły jednak zadowalającego wyjaśnienia, pozwalającego ocenić zagrożenie urządzeń sieci SN w warunkach eksploatacyjnych. Wielu naukowców analizowało przepięcia ziemnozwarciowe, wykorzystując teorie zarówno Petersena jak i Slepiana. W zależności od przyjętych uproszczeń dotyczących odwzorowania sieci oraz założeń odnośnie do zachowania się łuku (wytrzymałość przerwy łukowej, momentów gaśnięć i zapłonów ponownych łuku) poszczególni autorzy uzyskiwali różne przebiegi zjawiska i wartości przepięć. Niekiedy nierealne założenia dotyczące wzrostu wytrzymałości powrotnej przerwy połukowej doprowadzały do wyznaczania bardzo dużych przepięć np. rzędu 19,5 n.j., gdzie: n.j. - iloraz wartości szczytowych napięcia względem ziemi w rozpatrywanym stanie zakłóceniowym i amplitudy napięcia fazowego w stanie bezzakłóceniowym. Spośród wielu opracowań na uwagę zasługują rozważania N. N. Belakova ze względu na ich powiązania z badaniami eksperymentalnymi. Z analizy przedstawionych przez niego przebiegów napięć i prądów wynika, że pierwszy zapłon musiał być poprzedzony innym wcześniejszym. Świadczy o tym przebieg napięcia punktu zerowego względem ziemi oraz przesunięcie napięć fazowych (rysunek nr 7).

Rys. nr 7. Przebieg zwarcia łukowego przerywanego wg N.N. Belakova.

Z zasygnalizowanych wyżej uwag wynika, m.in., że opracowano szereg teorii dotyczących przepięć ziemnozwarciowych, które jednak tylko częściowo znalazły potwierdzenie w warunkach rzeczywistych. W związku z tym szczególne znaczenie mają wyniki badań terenowych, przeprowadzonych metodami bezpośrednimi w rozmaitych sieciach rzeczywistych, głównie w sieciach 15 kV energetyki zawodowej. Umożliwiły one opracowanie typowych mechanizmów rozwoju przepięć ziemnozwarciowych, które następnie zweryfikowano metodami modelowania fizycznego i matematycznego. Warto przedstawić niektóre ważniejsze wnioski z tych badań, gdyż ułatwi to ocenę zagrożenia izolacji urządzeń przez przepięcia ziemnozwarciowe przy różnych sposobach uziemienia punktu zerowego, również w sieciach przemysłowych.

W sieciach z izolowanym punktem zerowym może występować najbardziej niekorzystny ze względu na przepięcia przebieg zwarcia łukowego, polegający na pojedynczych, regularnych zapłonach i gaśnięciach łuku w półokresach napięcia 50 Hz. Największe przepięcia występują wówczas na ogół przy pierwszym zapłonie, osiągając 2,5 - 2,95 n.j. (przy pominięciu tłumienia), jeżeli kąt fazowy załączania zwarcia ψ_e = 90 ⁰ el., a kolejne zapłony mają miejsce przy kątach ψ_e < 90 ⁰ el., (rysunek nr 3). Największe możliwe przepięcia mogą osiągnąć wartość 3,0 - 3,5 i 3,45 - 3,95 n.j. (w zależności od częstotliwości przebiegów przejściowych) podczas kolejnych lub podczas ostatniego zapłonu łuku w trakcie zwarcia, w przypadku kiedy kąty fazowe załączania 90 ⁰ el. < ψ_e < 180 ⁰ el., tj. przy napięciach zapłonu ponownego U_zap wynoszących 1,5 - 2,0 n.j.

Rys. nr 8. Wyidealizowany przebieg zwarcia przerywanego z pojedynczymi zapłonami ponownymi łuku w półokresie napięcia 50 Hz.

W sieciach rzeczywistych - pomimo osiągania przez napięcie U_zap wartości do 2,0 n.j. - największe przepięcia, m.in. wskutek tłumienia nie przekraczają 3,0 - 3,5 n.j. W miarę zmniejszania się wartości prądu zwarcia z ziemią prawdopodobieństwo wystąpienia zwarć łukowych z wielokrotnymi zapłonami ponownymi w półokresie napięcia 50 Hz jest większe niż prawdopodobieństwo zwarć łukowych z zapłonami pojedynczymi.

Mogą też pojawiać się obydwa te mechanizmy w czasie jednego zwarcia. W przypadku zwarć łukowych z wielokrotnymi zapłonami ponownymi, największe przepięcia towarzyszą pierwszemu zapłonowi (w założeniu, że ψ_e = 90 ⁰ el. i nie występują zapłony przy napięciu U_zap > 1,0 n.j.) osiągając co najwyżej 2,5 n.j. W warunkach rzeczywistych przepięcia te nie przekraczają 2,4 n.j. Podczas zwarć łukowych z zapłonami wielokrotnymi napięcie U_zap może - wskutek rozciągania się łuku - przyjmować przy poszczególnych zapłonach ponownych wartość większą niż 1,0 n.j. (rysunek nr 4). Przepięcia osiągają wówczas wartości takie, jak w przypadku mechanizmu z zapłonami pojedynczymi w półokresie napięcia 50 Hz (teoretycznie 3,5 - 3,9 n.j. w rzeczywistości - wskutek tłumienia - nie więcej niż 3,0 - 3,5 n.j.).

Rys. nr 9. Wyidealizowany przebieg zwarcia przerywanego z wielokrotnymi i pojedynczymi zapłonami ponownymi łuku w półokresie napięcia 50 Hz.

5. Charakterystyka ograniczników przepięć

5.1. Z historii ochrony przepięciowej w odniesieniu do ZEK S.A.

Rozwój elektroenergetyki związany jest od początku z poszukiwaniem coraz skuteczniejszych środków ochrony przeciwprzepięciowej. Budowa i stosowanie urządzeń ochronnych, dla których obecnie przyjęto nazwę ograniczniki przepięć posiada już ponad stuletnią historię. Początek XX wieku to próby stosowania różnorodnych urządzeń ochronnych takich jak iskiernik, cewki indukcyjne, oporniki wodne, odgromniki ołowiowe i odgromniki ceramiczne, iskierniki rożkowe i wiele innych.

Główny problem techniczny, poza uzyskaniem możliwie niskiego poziomu ochrony, stanowiło przerywanie prądu następczego po zadziałaniu aparatu tak aby działanie jego nie prowadziło do zwarcia i awaryjnego wyłączania sieci. Żadna z wymienionych wyżej konstrukcji nie zapewniała zadowalającego rozwiązania tego problemu. Lata 30-te to wynalezienie nowego materiału zmienno oporowego z węglika krzemu i początek nowej ery konstrukcji iskiernikowych, zaworowych ograniczników przepięć. Przez następne pięćdziesiąt lat, przy praktycznie niezmiennej podstawowej zasadzie polegającej na szeregowym łączeniu warystorów i iskierników wielokrotnych, doskonalono technologię i konstrukcję iskierników uzyskując coraz korzystniejsze własności ochronne.

Z tego okresu spotykamy w naszej sieci odgromniki produkowane głównie przez ZWAR w Przasnyszu, z których najstarsze to odgromniki serii GZ z ostatnim o symbolu GZSB 18/10. Odgromniki te - montowane w sieciach do roku 1995 - spełniały dobrze powierzone im zadanie, jednak ze względu na znaczny ich koszt oraz trudności związane z montażem miały silnego konkurenta w postaci odgromników gazowydmuchowych typu OWS 18/10. Oba typy montowane były w porównywanych ilościach (łącznie około 1000 sztuk rocznie) jako ochrona odgromowa stacji transformatorowych napowietrznych SN/nn oraz kabli elektroenergetycznych średnich napięć. Oba typy ograniczników przepięć posiadały podobną wadę, t.j. wymagały odpowiednio wysokiego napięcia na zaciskach zwanego napięciem zapłonu aby mogło wystąpić odprowadzenie fali przepięciowej do ziemi. Jednocześnie zapłon iskiernika w obu typach odgromników powodował zjawisko obcięcia fali, które wprowadzało dodatkowe narażenie izolacji chronionych urządzeń. Dodatkowym problemem związanym ze stosowaniem odgromników gazowydmuchowych było w skrajnym przypadku rozerwanie konstrukcji odgromnika i brak ochrony odgromowej lub rozregulowywanie się zewnętrznej przerwy iskrowej, co skutkowało wzrostem napięcia zapłonu i pogorszeniem skuteczności ochrony od przepięć lub jej brakiem (rysunek nr 10).

Rys. nr 10. Rozładowanie fali przepięciowej w układzie chronionym odgromnikiem wydmuchowym (OWS).

Tabela nr 4. Porównanie charakterystyk ochronnych odgromników wydmuchowych dla ochrony kabli 15 kV od przepięć atmosferycznych - napięcie probiercze udarowe, piorunowe dla kabli SN-15 kV wynosi 95 kV (lub 125 kV dla kabli na napięcie 20 kV).

Napięcie sieci	Odgromnik wydmuchowy
[kV]	wielkość przerwy iskiernikowej zewnętrznej [mm]	Napięcie zapłonu [kV]	Uwagi
	40	112.0	wartości przerw wymagane
15	50	120.0	wartości przerw spotykane
	100	> 200	wartości niedopuszczalne lecz spotykane

W połowie lat 70-tych wprowadzenie do techniki wysokonapięciowej materiału półprzewodnikowego z tlenków metali spowodowało w latach 80-tych prawdziwy przewrót w światowej konstrukcji i produkcji zaworowych ograniczników przepięć. Ochrona przeciwprzepięciowa wkracza w okres beziskiernikowych zaworowych ograniczników przepięć.

Bardzo wysoka nieliniowość charakterystyki napięciowo-prądowej warystorów z tlenków metali pozwoliła na wyeliminowanie z konstrukcji odgromnika iskierników i bezpośrednie włączenie stosu warystorów pod napięcie robocze sieci.

Konstrukcja ta stosowana jest w sieciach średnich napięć ZEK S.A. od dwóch lat. Początkowo były to ograniczniki produkcji ABB typu MWK 18, następnie do dnia dzisiejszego stosuje się głównie ograniczniki produkcji krajowej, firmy ZWAR typu GXE 23.

Urządzenia te mają podstawową zaletę w stosunku do poprzednio wymienionych rozwiązań t.j. odgromników gazowydmuchowych oraz zaworowych z iskiernikiem. Z powodu możliwości zrezygnowania z iskiernika nie wymagają one napięcia zapłonu i zaczynają odprowadzać falę przepięciową znacznie wcześniej przy niższej wartości napięcia obniżonego.

Ochrona przepięciowa w zakresie ochrony kabli średnich napięć Zakładu Energetycznego Kraków S.A. stosowana jest obecnie:

1. na pograniczu sieci napowietrznych i kablowych SN - odgromniki OWS 18/10 i GZSB 18/10

2. w rozdzielniach sieciowych (RS) głównie GPZ-ów wiejskich

W rozległych sieciach kablowych SN ochrona przepięciowa praktycznie nie jest stosowana.

5.2. budowa i działanie ograniczników przepięć opartych na tlenku cynku.

Głównym i jedynym czynnym elementem ogranicznika beziskiernikowego jest ceramiczny warystor z tlenków metali charakteryzujący się wielokrotnie wyższym wykładnikiem nieliniowości charakterystyki napięciowo-prądowej niż warystory z węglika krzemu.

Tlenek cynku ZnO stanowiący główny (około 90 %) składnik masy warystora jest samoistnym półprzewodnikiem typu „n”. Swoje właściwości półprzewodnikowe warystor zawdzięcza jednak w głównej mierze mikrostrukturze warstwy międzyziarnowej, budowanej przez wprowadzenie odpowiednich domieszek, głównie z tlenku bizmutu Bi₂O i niewielkich domieszek, tlenków innych metali jak np. Sb₂O₃, Cr₂O₃, NiO, Mn₂O₃, które mają na celu wzbogacenie donorowe mikrostruktury warystora. Rodzaj i ilość domieszek wpływa na stopień rozrostu kryształów, na przewodność elektryczną warstwy międzyziarnowej i są odpowiedzialne za gęstość ładunku przestrzennego w obszarach międzykrystalicznych oraz za procesy starzeniowe.

Technologia produkcji w dużym uproszczeniu polega na bardzo dokładnym wieloetapowym wymieszaniu wszystkich składników, wyprasowaniu cylindrycznych kształtek warystorów i spiekaniu ich przy zachowaniu odpowiedniej krzywej czasowej wypału w temperaturze 1200...1300 ^oC. Powierzchnie czołowe zostają pometalizowane a powierzchnie boczne pokryte odpowiednim materiałem elektroizolacyjnym.

W strukturze warystora pokazanej na rysunku nr 6 ziarna ZnO o średnicy około 10 *m. Otoczone są warstwą międzyziarnową o grubości około 1 *m. I o rezystywności zależnej od występującego na niej natężenia pola elektrycznego. Rezystancja właściwa ziaren ZnO jest rzędu 10^-2 Ωm., a rezystancja właściwa warstwy granicznej zmienia się od 10⁸ Ωm. w słabym polu elektrycznym do 10^-2 Ωm. w miarę wzrostu naprężenia elektrycznego.

Rys. nr 11. Struktura ziarnowa warystora ZnO.

Stała dielektryczna warstwy międzyziarnowej, w zależności od technologii fabrykacji wynosi 500 ..... 2000 i zmienia się z napięciem i temperaturą podobnie jak tworzywa ferrodielektrycznego. Każda warstwa pomiędzy dwoma sąsiednimi ziarnami ZnO stanowi mikroelement półprzewodnikowy. Z uwagi na wysoką przewodność elektryczną ziaren ZnO praktycznie całe napięcie przyłożone do warystora rozkłada się na warstwy międzyziarnowe. Na każdej warstwie powierzchniowej tworzy się bariera potencjału, która uzależnia przepływ prądu z jednego ziarna do drugiego. Po przekroczeniu „napięcia przebicia” bariera obniża się i prąd zaczyna płynąć przez ceramikę. Na rysunku 12 przedstawiono typowy przebieg charakterystyki napięciowo-prądowej warystora z tlenków metali. Dla porównania na tym samym rysunku przedstawiono także charakterystykę napięciowo-prądową U=f(I) odgromnika klasycznego z warystorami z SiC o takim samym poziomie ochrony. Wskutek znacznie słabszej nieliniowości warystorów z SiC ciągły prąd upływu odgromnika bez iskierników wynosiłby około 200 A. Ten fakt m.in. obrazuje konieczność stosowania iskierników w takich odgromnikach, które przejmują na siebie napięcie trwałej pracy.

Rys. nr 12. Przykładowa charakterystyka napięciowo-prądowa warystora z ZnO (składowa czynna prądu bez składowej pojemnościowej).

Zakres A odpowiada małemu natężeniu pola rzędu 1 V na warstwę międzyziarnową, a więc bariery energetyczne warstw powierzchniowych stanowią trudną do pokonania przeszkodę na drodze z jednego ziarna do drugiego. Ma tu zastosowanie prawo Schottky'ego określone następującym wzorem:

gdzie: J - wartość prądu

J_o - współczynnik charakterystyczny dla danego materiału

k - stała Boltzmana

T - temperatura bezwzględna

e - ładunek elektronu

E - natężenie pola elektrycznego

ε - stała dielektryczna

Φ_B - energia bariery potencjału

Elektrony pokonują bariery głównie dzięki energii cieplnej, a więc przy wyższej temperaturze materiału występuje wzrost gęstości prądu. Zwiększenie natężenia pola elektrycznego obniża poziom energetyczny tych barier powodując wzrost gęstości prądu.

W tej części charakterystyki napięciowo-prądowej lokowany jest punkt określający dopuszczalne długotrwałe napięcie pracy warystora. Wartość trwałego napięcia pracy wynosi zwykle około 1000 V_sk na 1 cm wysokości warystora przy gęstości prądu czynnego około 1 .. 10 μA/cm².

Zakres B odpowiada średniemu natężeniu pola rzędu kilku woltów na warstwę międzyziarnową (natężenie pola elektrycznego w warstwie powierzchniowej przekracza wartość około 100 kV/mm). Jest to zakres charakterystyki przechodzenia elektronów między ziarnami dzięki efektowi tunelowemu zgodnie ze wzorem:

gdzie: N,A - współczynniki charakterystyczne dla danego materiału

Dla współczesnych warystorów z tlenków metali średnia wartość wykładnika nieliniowości w tym zakresie wynosi 50 ... 40. Oznacza to iż przy wzroście wartości prądu np. z 1 mA do 1000 A (milion razy) wartość napięcia na warystorze zwiększy się zaledwie o ok. 50 %.

Zakres C odpowiada wysokiemu natężniu pola. W tej części charakterystyki spada napięcie na warstwie powierzchniowej kryształu, uwarunkowany efektem tunelowym słabnie a wieksza część spadku napięcia przypada na rezystancję ziaren ZnO. Charakterystyka zaczyna dążyć do zależności liniowej:

gdzie: k - współczynnik

ρ - oporność właściwa wnętrza kryształu ZnO

Charakterystykę warystora, w zakresie gęstości prądów od ok. 0.1 mA/cm² do ok. 100 A/cm² można w przybliżeniu, wystarczającym na ogół dla celów inżynierskich przedstawić wzorem:

gdzie: U - wartość napięcia na warystorze

β - wykładnik nieliniowości charakterystyki

Uproszczony schemat elektryczny warystora wykazano poniżej.

Poprawne działanie ogranicznika beziskiernikowego jest zdeterminowane głównie procesami wydzielania energii cieplnej w warystorach. Jedną z istotnych cech ogranicznika beziskiernikowego jest ujemny temperaturowy współczynnik oporności w zakresie napięć odpowiadającym trwałemu napieciu pracy (rysunek nr 12 zakres A). Tym samym moc elektryczna powodująca wydzielanie się energii cieplnej w warystorach ogranicznika rośnie szybko ze wzrostem temperatury warystora. Praktycznie dla współczesnych ograniczników moc ta wynosi kilka watów na jeden kilowat trwałego napięcia pracy przy temperaturze warystora około 20 ... 30 ^oC. Przy wyższej temperaturze warystora moc rośnie i np. w temperaturze 80 ... 100 ^oC może osiągnąć wartość 10-cio krotnie większą.

W normalnych stabilnych warunkach pracy ogranicznika przy ustalonym napięciu roboczym i braku narażeń przepięciowych temperatura warystorów ustala się na stosunkowo niskim poziomie kilku stopni wyższej temperatury otoczenia.

Energia wydzielona wewnątrz odgromnika jest odprowadzona poprzez osłonę do otoczenia a ogranicznikowi nie grozi utrata stabilności cieplnej. Istnieje jednak dla ogranicznika krytyczna temperatura warystorów po przekroczeniu której moc wydzielona pod wpływem napięcia roboczego staje się większa od mocy jaką może odprowadzić układ termoizolacyjny ogranicznika (wypełnienie wnętrza, osłona). W takim przypadku temperatura warystorów zaczyna gwałtownie rosnąć, prowadząc w konsekwencji do cieplnego uszkodzenia i elektrycznego przebicia warystorów (następuje tzw rozbieganie cieplne ogranicznika).

Na rysunku nr 13 pokazano poglądową charakterystykę cieplną ogranicznika.

Rys. nr 13. Wykres mocy wydzielanej w warystorach i odprowadzanej z ogranicznika.

Krzywa A określa moc wydzieloną w warystorach pod wpływem napięcia roboczego przy różnych temperaturach warystora. Krzywa B (praktycznie prosta) określa moc oddawaną do otoczenia. Górne przecięcie krzywej A z prostą B (punkt D) oznacza przekroczenie temperatury warystorów powyżej której niemożliwe jest odzyskanie stabilności cieplnej czyli powrót układu do punktu C.

Długotrwały wzrost temperatury warystorów w ograniczniku (przesunięcie punktu C) występuje w wyniku:

• wzrostu temperatury otoczenia

• oddziaływania radiacji słonecznej lub innych źródeł promieniowania cieplnego

• przepływu przez ogranicznik składowej czynnej prądu upływu od napięcia trwałej pracy i jej wzrostu w wyniku degradacji warystora.

Krótkotrwały wzrost temperatury warystorów nastąpić może wskutek:

• przepływu przez ogranicznik prądu wyładowczego przy przepięciach piorunowych

• przepływu przez ogranicznik prądu wyładowczego przy przepięciach łączeniowych

• zwiększenie prądu upływu w wyniku wzrostu wartości napięcia roboczego przepięcia dynamiczne)

• przepływu przez ogranicznik prądu związanego z zabrudzeniami na powierzchni izolatora osłonowego.

5.3. parametry techniczne ograniczników przepięć

W związku z opracowaniem nowej technologii produkcji warystorów ograniczniki przepięć charakteryzują się znacznie lepszymi parametrami od swoich poprzedników. Podstawowe parametry przedstawiono poniżej (tabela nr 5) a szczegółowe w załączniku nr 3.

Tabela nr 5. Podstawowe parametry techniczne ograniczników przepięć.

Typ	Uc	minim. napięcie zapłonu	Uop						zdolność pochłan. energii	wytrzym. zwarciowa 0.2 s	Producent
		przy f=50 Hz	10 kA 1/2.5		10 kA 8/20 μs		20 kA 8/20 μs	łącze- niowe 500 A
	[kV]	[kV]	[kV]		[kV]		[kV]	[kV]	kJ/1 kV Ur	[kA]
(sk.) - fazowe	(sk.)	(szcz.)		(szcz.)		(szcz.)	(szcz.)	(szcz.)
Ur ≈ 18 [kV]
* GZSB 18	-	32.5		55.0		55.0	63.0	-	-	B	ZWAR
GXD 18	14.4	bezisk.		48.6		46.8	50.9	37.4	4	40	ZWAR
GXC 18	14.4	bezisk.		55.5		53.3	59.7	40.5	2	10	ZWAR
GXE 18	14.4	bezisk.		55.5		53.3	59.7	40.5	2	20	ZWAR
MWK 15	15.0	bezisk.		54.3		46.0	51.0	36.9	3.5/Uc	20	ABB
MVK 15 (5/10)	15.0	bezisk.		54.7/5		53.7	59.6	40.1	1.5/Uc	16	ABB
MWB-15	15.0	bezisk.		55.1		48.8		38.5	2.5	20	ABB
POLIM D 14	14.0	bezisk.		55.9		49.0	55.7	38.8	1.5/Uc	20	ABB
3 EK6 180-6K	14.0	bezisk.		50.4?		48.0	54.2	35.2	4.5	20	Simens
3EG6180-6K (5/10)	14.0	bezisk.		56.7?		59.4	-	42.9	2.1	16	Simens
HEB 18	14.0	bezisk.		52.0		49.5	56.0	36.3	4.5	20	Bowthorpe
EGB 18 (5/10)	14.0	bezisk.		65.9		59.4	69.2	42.9	2.1	20	Bowthorpe
EZX 180 (5 kA)	14.4	bezisk.		63.0 (5kA)		63.0	72.0	-	2.3	16	Generic
* AZLP 18	15.0	31.0		51?		43.4	51.0	30.1	-	20?	Cooper
Ur ≈ 22 [kV]
GXD 21	16.8	bezisk.		56.7		54.6	59.4	43.7	4	40	ZWAR
GXC 21	16.8	bezisk.		64.1		61.5	68.9	46.7	2	10	ZWAR
GXE 21	16.8	bezisk.		64.1		61.5	68.9	46.7	2	20	ZWAR
MWK 17	17.0	bezisk.		61.5		52.2	57.8	41.8	3.5/Uc	20	ABB
MVK 17 (5/10)	17.0	bezisk.		61.8/5		60.9	67.5	45.4	1.5/Uc	16	ABB
MWB-17	17.0	bezisk.		62.7		55.3		42.8	2.5	20	ABB
POLIM D 16	16.0	bezisk.		63.9		56.0	63.6	44.3	1.5/Uc	20	ABB
3 EK6 210-6K	17.0	bezisk.		58.8		56.0	63.3	41.1	4.5	20	Simens
3EG6210-6K (5/10)	17.0	bezisk.		66.1		69.3	-	50.1	2.1	16	Simens
HEB 21	17.0	bezisk.		60.7		57.8	65.4	42.4	4.5	20	Bowthorpe
EGB 21 (5/10)	17.0	bezisk.		76.9		69.3	80.6	50.1	2.1	20	Bowthorpe
* AZLP 21	17.0	34.0		57?		47.8	56.2	33.2	-	20?	Cooper P.S.
HDA-18 R	18.0	bezisk.		65.4		60.0	67.2	44.4	5.3/2.6	-	Raychem
* GZSB 18	-	32.5		55.0		55.0	63.0	-	-	B	ZWAR

Jak widać z przedstawionych powyżej danych iskiernikowe odgromniki przepięć typu GZSB 18/10 nie były przewidziane na odprowadzanie fal przepięciowych pochodzenia wewnętrznego (przepięcia ziemnozwarciowe, łączeniowe) podobnie jak odgromniki gazowydmuchowe typu OWS 18/10.

6. Koordynacja izolacji dla sieci kablowych SN

Podstawową zasadą skuteczności ochrony jest zachowanie odpowiedniego marginesu bezpieczeństwa (zapasu) izolacji pomiędzy wytrzymałością izolacji, określoną „ znamionowym napięciem probierczym izolacji” a poziomem ochrony ogranicznika przepięć. Określony jest współczynnik bezpieczeństwa stanowiący stosunek obu tych wielkości. Przyjmuje się, że w odniesieniu do przepięć piorunowych wystarczający margines izolacji wynosi 30 %, zaś do przepięć ziemnozwarciowych - 15 %, niezależnie od typu ogranicznika przepięć.

Spośród czynników wpływających na poziom ochrony wymienić należy:

1. wytrzymałość naturalną izolacji z uwzględnieniem procesów starzeniowych

1. wpływ połączeń na poziom ochrony przepięciowej

6.1. wytrzymałość naturalna izolacji kabli z uwzględnieniem procesów starzeniowych

Wymagania w zakresie znamionowej wytrzymałości izolacji na napięcia probiercze dla kabli z izolacją papierowo-olejową oraz z izolacją z tworzyw termoplastycznych określają polskie normy, odpowiednio: PN-76/E-90250 oraz PN-76/E-90300. Normy te określają następujące wielkości elektryczne - istotne z punktu widzenia ochrony przepięciowej - charakteryzujące kable elektroenergetyczne w zależności od rodzaju narażeń:

1. odporność izolacji na napięcie probiercze - izolacja żył kabli nowych powinna wytrzymać przez 5 minut bez przebicia napięcie probiercze praktycznie sinusoidalnie przemienne o częstotliwości 50 Hz i o wartości skutecznej wg tabeli nr 6.

1. odporność na długotrwałe napięcie probiercze - izolacja żył kabli nowych powinna wytrzymać przez 4 godziny bez przebicia przemienne napięcie probiercze o częstotliwości 50 Hz i o wartości skutecznej wg tabeli nr 6.

1. odporność na napięcie udarowe
   dla kabli z izolacją papierowo-olejową- izolacja żył nowego kabla powinna wytrzymać bez przebicia, w temperaturze równej największej dopuszczalnej długotrwale temperaturze pracy kabla, działanie 10 dodatnich i 10 ujemnych udarów napięciowych normalnych pełnych, o wartości szczytowej wg tablicy tabeli nr 6, a następnie przez 5 minut - napięcie probiercze wg pkt 1
   dla kabli z izolacją z tworzyw termoplastycznych - izolacja żył nowego kabla powinna wytrzymać bez przebicia w temperaturze 75+/-3, działanie 10 dodatnich i 10 ujemnych udarów napięciowych normalnych pełnych o wartości szczytowej wg tabeli 6, a następnie przez 15 minut napięcie przemienne wg pkt 1.

Tabela nr 6. Wartości napięć probierczych (wartości fazowe) kabli nowych

napięcie znamionowe kabla Uo/U, [kV]	8,7/15	12/20
Napięcie probiercze (5-minutowe), kV w układzie jednofazowym ^1) 2,5Uo	22	30
Długotrwałe napięcie probiercze (4-godzinne), kV
kable z tworzyw termoplastycznych 3 Uo	26	36
kable o izolacji papierowej przesyconej syciwem zwykłym 4 Uo	35	48
kable o izolacji papierowej przesyconej syciwem nieściekającym 3 Uo	26	36
Napięcie udarowe, kV wartość szczytowa udaru,	95	125
^1) zamiast napięcia probierczego przemiennego może być stosowane napięcie probiercze wyprostowane o wartości równej 2,4-krotnej wartości napięcia probierczego przemiennego

Przy ocenie zagrożenia izolacji kabli należy uwzględnić obniżanie się jej wytrzymałości elektrycznej w trakcie eksploatacji oraz rodzaj występujących przepięć: pojedyncze lub wielokrotne (te ostatnie towarzyszą np. powtarzającym się zapłonom ponownym łuku podczas zwarć jednej fazy z ziemią - patrz rozdział 4). Przy przepięciach wielokrotnych jest konieczne uwzględnianie zjawiska zmniejszania się tej wytrzymałości o 10 - 20 % wskutek napięciowego efektu kumulacyjnego, związanego głównie z wyładowaniami niezupełnymi.

Wytrzymałość izolacji kabli nowych przy przepięciach pojedynczych jest określona wymaganiami norm, a eksploatowanych - wymaganiami przepisów eksploatacji. Zgodnie ze szczegółowymi zasadami eksploatacji określonymi Zarządzeniem Ministra Górnictwa i Energetyki z dnia 17 lipca 1987 r „w sprawie szczegółowych zasad eksploatacji sieci elektroenergetycznych” po dokonaniu naprawy uszkodzenia na kablu elektro-energetycznym należy przeprowadzić próbę napięciową izolacji - izolacja powinna wytrzymać w czasie 10 minut 0,75 wartości napięcia wyprostowanego, wymaganej przy próbie fabrycznej, (tabela nr 7).

Tabela nr 7. Wartości napięć probierczych kabli eksploatowanych.

napięcie znamionowe kabla Uo/U, [kV]	8,7/15	12/20
Napięcie probiercze (10-minutowe), kV w układzie jednofazowym ^1) 2,4 * 2,5Uo * 0,75 =	39,6	54,0

6.2. wpływ połączeń na poziom ochrony przepięciowej

Z dwóch wyżej wymienionych na wstępie rozdziału czynników odpowiedzialnych za efektywny poziom ochrony przepięciowej istotną rolę odgrywa długość przewodów przyłączeniowych, które wprowadzają dodatkowe przepięcia na chronionym obiekcie. Wartości tych przepięć (na skutek indukcji własnej Lxdi/dt przewodów połączeń) może osiągnąć poziom 15 kV na metr bieżący połączeń.

Poniżej przedstawiono przykłady dwóch połączeń odgromnika w stosunku do chronionego obiektu (głowica kablowa).

W sieciach elektroenergetycznych najdroższymi i najmniej odpornymi na przepięcia urządzeniami są transformatory i kable elektroenergetyczne średnich napięć. Z tych względów odgromniki winno się ustawiać się jak najbliżej tych urządzeń.

Powyższy sposób montażu odgromników w ZEK S.A. jest realizowany stosunkowo niedawno przede wszystkim w nowo realizowanych inwestycjach i remontach urządzeń. 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 14).

Rysunek nr 14. Dotychczasowy sposób łączenia odgromników .

Napięcie na głowicy wyniesie:

V = U_r + U_AB + U_CD

Dla następujących parametrów:

AB = 1 m, CD = 3 m. ⇒ V = Ur +60 kV wytrzymałość udarowa izolacji głowicy = 125 kV napięcie obniżone odgromnika Ur ≈ 70 kV

poziom ochrony wyniesie:

V = 70 + 15 + 45 = 130 kV

Układ taki nie zapewnia właściwej ochrony odgromowej.

Wyżej wymieniony sposób łączenia odgromników powoduje sztuczny wzrost napięcia udarowego na głowicy kablowej skutkiem czego ulega pogorszeniu poziom ochrony. Przedstawiony poniżej sposób przyłączania ogranicznika przepięć pozbawiony jest tej wady.

Rysunek nr 15. Prawidłowy sposób przyłączenia odgromnika.

Napięcie na transformatorze wyniesie:

V = U_r + U_AB + U_CD

Dla następujących parametrów:

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

wytrzymałość izolacji transf. = 125 kV

napięcie obniżone odgromnika Ur = 70 kV

poziom ochrony wyniesie:

V = 70 kV

Układ taki zapewnia właściwą ochronę odgromową.

Uziemienie odgromników łączy się najkrótszą drogą z obudową chronionego urządzenia. Dotyczy to w szczególności głowic kablowych. Przez wykonanie takiego połączenia unika się podwyższenia napięcia na zaciskach odgromnika względem obudowy chronionego urządzenia o spadek napięcia na połączeniach i uziemieniu odgromnika.

7. Zasady doboru ograniczników przepięć

Prawidłowy dobór ograniczników przepięć do pracy w warunkach eksploatacji sieci elektroenergetycznych wymaga nie tylko uwzględnienia ich parametrów elektrycznych. Silna konkurencja na rynku urządzeń energetycznych powoduje, że oferty handlowe „wzbogacane są” elementami psychologicznego nacisku a elementy marketingu sprowadzają się często do stosowania zabiegu wprowadzania w błąd. Przykładem może być praktykowane przez wielu oferentów stosowanie niewłaściwych określeń lub nazw (np. „pełzanie znamionowe” zamiast „droga upływu”), lub używanie chwytliwych określeń typu „wandaloodporny” dla wyróżnienia swojego wyrobu, którego parametry techniczne lub rozwiązanie techniczne nie odbiegają od opracowań konkurencji.

Dlatego też poniżej przedstawiono zasady doboru ograniczników przepięć do pracy w sieciach ZEK S.A. Kolejność poszczególnych punktów wynika z ich rangi (znaczenia) dla optymalnej pracy.

7.1. Warunki graniczne pracy sieci elektroenergetycznej

Napięcie znamionowe sieci SN : U_N = 15 kV (wartość skuteczna)

Napięcie robocze maksymalne: U_max = 16.0 kV (wartość skuteczna)

Napięcie fazowe maksymalne: U_f-max = 9.3 kV (wartość skuteczna)

Max prąd zwarciowy 3-faz

na szynach rozdz. SN = 6-10 kA

Punkt zerowy transformatora izolowany

Zabezpieczenie od zwarć doziemnych automatyczne wyłączenie z czasem poniżej 0.5 sek.

(1 sek.)

7.2. Kryteria doboru ograniczników przepięć.

1. Zapewnienie bezawaryjnej pracy odgromnika.

1. Napięcie ciągłej pracy: U_c > U_f-max

(Uwaga: dobór zbyt niskiego napięcia U_c związany jest z ryzykiem uszkodzenia się odgromnika w przypadku nieprawidłowego działania zabezpieczeń ziemnozwarciowych przy niepewnych - niesprawdzonych w eksploatacji - właściwościach zastosowanych warystorów; jednocześnie zysk z tytułu uzyskania niższej ceny jest i tak niewielki w stosunku do ponoszonego ryzyka.

Natomiast zbyt wysokiemu napięciu pracy ciągłej towarzyszy wysoki poziom napięcia obniżonego co skutkuje zmniejszeniem skuteczności ochrony przepięciowej.

2. Zdolność pochłaniania energii:
dobór wartości zdolności pochłaniania energii wynika z opisanego w rozdziale 3.3. sposobu lokalizacji uszkodzeń i związanego z nim wielokrotnego pochłaniania przez ogranicznik energii rozładowania linii (przy udarze przepięcia ziemnozwarciowego) lub energii przepięcia atmosferycznego

3. Minimalna droga upływu: minimum 400 mm (wysoki poziom zabrudzeń)

minimum 320 mm (średni poziom zabrudzeń)

4. poziom izolacji zewnętrznej: > 1.3 x piorunowy poziom ochrony ogranicznika

> 1.06 x 1-minutowa wartość szczytowa, o częstotliwości sieciowej, napięcia równego łączeniowemu poziomowi ochrony

5. znamionowy prąd wyładowczy = 10 kA

6. szczelność

B. Zapewnienie bezawaryjnej pracy urządzenia chronionego.

1. wymagany poziom ochrony (rozdz. 7.3.):

dla przepięć piorunowych: U_ip/k_bp = 73.0 kV (dla kabli 15 kV)

= 96.1 kV (dla kabli 20 kV)

dla przepięć łączeniowych: U_iw/k_bw = 45,9 kV (dla kabli 15 kV nowych)

= 62,6 kV (dla kabli 20 kV nowych)

U_iw/k_bw = 34,4 kV (dla kabli 15 kV w eksploatacji)

= 46,9kV (dla kabli 20 kV w eksploatacji)

Uwaga: kolorem czerwonym zaznaczono wartości skuteczne napięcia wyprostowanego, stosowanego przy próbie napięciowej kabli nowych oraz w eksploatacji. Wielkości te zostały przyjęte w sposób „sztuczny” jako wartości wytrzymałości kabli na przepięcia ziemnozwarciowe ze względu na wyznaczanie przez te wartości wytrzymałości izolacji kabli w wieloletniej eksploatacji oraz brak takich danych dla kabli SN (ich brak wynika z założenia znikomego oddziaływania tych przepięć na izolacje kabli SN). Przepięcia łączeniowe i ziemnozwarciowe odgrywają dużą rolę dopiero w sieciach wysokich napięć.

2. możliwości montażowe - konstrukcja winna umożliwiać montaż jak najbliżej chronionego urządzenia - w dowolnej pozycji i miejscu. Istotna jest możliwość montażu w pobliżu głowicy kablowej ze względu na zapewnienie właściwej ochrony

C. Zapewnienie bezpieczeństwa osób.

1. wytrzymałość zwarciowa 0.2 sek.

2. graniczny prąd wyładowczy: = 100 kA

w przypadku uszkodzenia ogranicznika przepięć nie ulegnie on rozerwaniu przy parametrach wymienionych w pkt. 1 i 2

D. Zgodność z normą i przepisami

E. Minimum zabiegów eksploatacyjnych minimum czasu pracy.

Zalety odgromników w izolacji kompozytowej:

1. łatwy montaż z pojedynczą śrubą przyłączeniową,

1. lekkość i odporność konstrukcji na uszkodzenia,

2. możliwość montażu w miejsce istniejących elementów.

F. Kryterium optymalnej ceny.

7.3. Dobór parametrów ograniczników przepięć do warunków pracy sieci SN

Wprowadzenie do układów ochronnych przeciwprzepięciowej beziskiernikowych ograniczników przepięć pociągnęło za sobą konieczność przyjęcia nowych pojęć, określeń oraz - co najważniejsze - odmiennych zasad doboru ograniczników do eksploatacyjnych warunków sieciowych. Zasadnicze zmiany zostały wprowadzone w normalizacji międzynarodowej, a następnie, konsekwentnie w normalizacji krajowej. Dokumenty normalizacyjne w sposób jednoznaczny i szczegółowy wyjaśniają istotne problemy związane z tym typem ochrony przeciwprzepięciowej. Jednak pozostają pewne przyzwyczajenia niezbyt skrupulatne analizowane źródłowych materiałów i niedostateczne zrozumienie ich istoty. W rezultacie powstają błędne interpretacje co powoduje stosowanie niewłaściwych układów ochrony przeciwprzepięciowej.

Do nieporozumień w tej dziedzinie przyczyniają się też niektóre informacje, wydawnictwa czy wypowiedzi zagranicznych producentów, których podstawowym celem jest wyjście na polski rynek, wykorzystując przede wszystkim w sposób profesjonalny, oddziaływania na psychologię potencjalnych nabywców (podobnie, jak to jest stosowane np. do reklamy pasty do zębów). Eksponują się wówczas te elementy, które różnią oferowany produkt w stosunku do „innych”, zapewniając o ich rewelacyjnych właściwościach. Z punktu widzenia użytkowania natomiast nie jest istotne to jakie są zalety oferowanego produktu, lecz czy te zalety są rzeczywiście potrzebne w określonych warunkach użytkowania oraz jakie zasady zastosowania powinny być przyjęte, by te zalety były we właściwy sposób wykorzystane.

Pierwszym krokiem właściwego doboru urządzeń do pracy w sieci elektroenergetycznej jest określenie najwyższego napięcia roboczego sieci. Dla sieci średnich napięć przyjmuje się go zgodnie z tabelą nr 8.

Tabela nr 8. Poziomy napięć fazowych sieci SN z izolowanym punktem zerowym transformatora.

UN	Um	ke	Uf-norm	Uf-max <Ur-min
[kV]	[kV]	[-]	[kV]	[kV]
15	16.0	1.73	9,3	16.0

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

U_r-min = T x U_c

a) najwyższe trwałe napięcie pracy odgromnika (Uc) zależne jest od zastosowanej automatyki zabezpieczeniowej.

W sieci średniego napięcia zwarcie jednej fazy do ziemi wyłączane może być ręcznie lub przy zastosowaniu przekaźnikowej ochrony ziemnozwarciowej. W pierwszym przypadku trudno jest zwykle dokładnie określić maksymalny czas pracy systemu w reżimie doziemienia jednej fazy i każdy przypadek musi być rozpatrywany indywidualnie. W przypadku „szybkiego” wyłączania zwarcia doziemnego- co ma miejsce w sieciach elektroenergetycznych ZEK S.A. zwłaszcza w przypadku rozległej sieci kablowej - coraz częściej stosowanego w sieciach średnich napięć, w zależności od miejsca zwarcia i selektywności ustawienia zabezpieczeń stan pracy przy zwarciu doziemnym trwa w granicznych przypadkach nie dłużej niż parę sekund co determinuje czas w ciągu którego ograniczniki „zdrowej fazy poddawane mogą być napięciu przemiennemu o wartości U_m (U_f-max) czyli maksymalnej wartości napięcia międzyprzewodowego. Na rysunku nr 16 pokazano typową charakterystykę napięciowo-czasową odporności ogranicznika beziskiernikowego z tlenków metali na przepięcia o częstotliwości sieciowej.

Rys. nr 16. Przykład charakterystyki wytrzymałości ograniczników typu GX na przepięcia dynamiczne (f-ma ZWAR).

Posługując się charakterystyką z rysunku nr 16 i zakładając czas trwania zwarcia doziemnego nie dłuższy niż 10 sekund (wielokrotny SPZ) otrzymamy dopuszczalną krotność napięcia T wynoszącą 1.25. Najniższe trwałe napięcie pracy ogranicznika beziskiernikowego (MCOV) powinno wynosić:

U_m = U_f-max

Wybierając Uc = 14 kV można dobrać ogranicznik przepięć o parametrach:

• napięcie robocze Ur 17.5 kV

• napięcie obniżone przy 10 kA 8/20 μs 43.0 kV

• napięcie obniżone przy udarze łączeniowym 500 A 34.4 kV

Uwaga: dla odgromników opartych na tlenku cynku odpowiednikiem napięcia znamionowego U_r jest wartość T_*U_c, gdzie parametr T określa odporność odgromnika na przepięcia dynamiczne, U_c - napięcie trwałej pracy odgromnika.

b) znamionowy prąd wyładowczy odgromnika

Wybór znamionowego prądu wyładowczego odgromników zaworowych zaleca się wykonywać według zasad podanych w tabeli nr 9:

Tabela nr 9. 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 SN: odgromniki o znamionowym prądzie szczytowym 10 kA

c) gwarantowany poziom ochrony odgromnika

Przyjmuje się, że w odniesieniu do przepięć piorunowych wystarczający margines izolacji wynosi 30 %, zaś do przepięć łączeniowych - 15 %, niezależnie od typu ogranicznika przepięć.

Gwarantowany poziom ochrony odgromnika (U_op - dla przepięć piorunowych oraz U_ow - dla przepięć łączeniowych) nie powinien przekraczać wartości znamionowego napięcia probierczego izolacji chronionego urządzenia, udarowego (piorunowego - U_ip oraz łączeniowego - U_iw) podzielonego przez współczynnik bezpieczeństwa odpowiednio: k_bp i k_bw.

Tabela nr 10. Maksymalne (dopuszczalne) wartości napięcia obniżonego odgromników.

	Znamionowe napięcie probiercze		współczynnik bezpieczeństwa
	piorunowe	łączeniowe
UN	Uip	Uiw	kbp	kbw	Uip/kbp	Uiw/kbw
[kV]	[kV]	[kV]	[-]	[-]	[kV]	[kV]
15	95	-	1.3	-	73.0	-
	-	52,8 ^1)	-	1.15		39,6

1) - dotyczy kabli energetycznych SN-15 kV w eksploatacji - poziom napięcia przy próbie napięciowej.

d) wybór zdolności pochłaniania energii

W katalogach ogranicznikom średnich napięć przypisywana jest często klasa rozładowania linii długiej. Wynika to z próby działania przeprowadzonej na elementach z których często budowane są również ograniczniki wysokich i najwyższych napięć i świadczy iż ograniczniki te mogły by współpracować z długimi liniami przesyłowymi. Jednak wybór klasy rozładowania linii długiej nie ma praktycznego zastosowania w sieciach średnich napięć. Zdolność absorpcji energii wszystkich typów ograniczników przepięć nie zależnie od przypisanej im „klasy rozładowania linii długiej” jest znacznie większa od energii związanej z ładunkiem napowietrznej linii średniego napięcia.

W sieciach średnich napięć poza energią wyładowań piorunowych, najwyższe energie mogą się wydzielić w ograniczniku w przypadku zwarć doziemnych, wyłączenia dużych baterii kondensatorów lub kabli wyłącznikami w których występują powtórne zapłony oraz zwarć doziemnych. Przyjmuje się w tym przypadku współczynnik przepięcia k = 3 a energię określa następującym wzorem:

gdzie: U_m - najwyższe napięcie sieci, U_r - napięcie znamionowe ogranicznika,

W tabeli nr 11 podano przykładowo dla sieci 15 kV (U_m = 17.5 kV) wartości energii E jaka może się wydzielić w ograniczniku przy przyjęciu energii pojemności C naładowanej do 3-krotnej wartości szczytowej napięcia fazowego.

Tabela nr 11:

C	Moc baterii o pojemności fazowej C	Długość kabla odpowiadająca pojemności C	Energia jaką pochłania ogranicznik o parametrach: Ur = 22 kV, Uc = 17.5 kV
μF	kVAr	km	kJ	kJ na 1 kV Ur
10	700	≈33	8.68	0.39
50	3 500	≈167	43.39	1.97
70	5 000	≈233	60.74	2.76

Jak widać na powyższym przykładzie sieci 15 kV, ogranicznik o zdolności pochłaniania energii 2 kJ/1 kVxU_r zdolny jest przejąć energię kondensatorów o pojemności 50 μF lub energię 160 km kabla naładowanego do napięcia 43 kV, a ogranicznik o zdolności pochłaniania energii 4 kJ/1 kVxU_r energię kondensatorów o pojemności 100 μF lub energię 330 km kabla.

Na rysunku 17 pokazano przybliżone wartości energii wydzielającej się w ograniczniku przy różnych prądach wyładowczych oraz przy absorpcji energii kabla dla założonego współczynnika przepięcia k = 3.

Rysunek nr 17. Orientacyjne wartości energii wydzielającej się w ograniczniku przepięć przy działaniu różnych prądów wyładowczych przeliczone na 1 kV napięcia znamionowego ogranicznika.

8. Praktyczna realizacja ochrony przepięciowej rozległych sieci kablowych SN

Wytyczne ochrony przepięciowej sieci kablowej SN - 15 kV
Zakładu Energetycznego Kraków S.A.

Ocena warunków pracy sieci elektroenergetycznej ZEK S.A. oraz zjawisk przepięciowych przedstawiona w Pracy Dyplomowej p.t. „Praktyczna ochrona przepięciowa rozległych sieci kablowych ZEK S.A.” umożliwia przeprowadzenie szczegółowej analizy efektywnej i kompleksowej ochrony przepięciowej. Program jej realizacji sprowadza się do omówienia następujących warunków:

1. oceny poziomu zagrożenia elementów sieci energetycznej

1. doboru parametrów ograniczników przepięć

2. wyboru miejsca lokalizacji ochrony przepięciowej w sieci oraz określenie miejsca montażu względem chronionego urządzenia

I. Ocena poziomu zagrożenia elementów sieci energetycznej

Poziom przepięć atmosferycznych oraz łączeniowych i ziemnozwarciowych wywołuje szybką degradację izolacji kabli elektroenergetycznych średnich napięć. Ograniczanie amplitudy przepięć atmosferycznych przez odgromniki gazowydmuchowe (OWS 18/10) zaledwie do wartości nie mniejszej niż 120 kV - a w praktyce powyżej 140 kV - przy gwarantowanym poziomie wytrzymałości udarowej kabli nowych 95 lub 125 kV oznacza w praktyce brak ochrony przepięciowej i wzrost awaryjności kabli. Dodatkowo niska wytrzymałość tych odgromników na duże prądy wyładowcze oraz sposób działania przy zbyt niskich lub zbyt wysokich wartościach prądów zwarciowych (niezbędnych do właściwego rozkładu materiału gazującego) powoduje w konsekwencji uszkodzenie odgromnika i brak ochrony przepięciowej.

Niewiele lepiej przedstawia się sytuacja w przypadku ochrony przepięciowej realizowanej przy zastosowaniu odgromników iskiernikowych typu GZSB 18/10. Sposób ich montażu w dużej odległości od chronionego urządzenia (głowicy kabla elektroenergetycznego) - zgodny co prawda z opracowaniami katalogowymi - powoduje, że na przewodach połączeniowych podczas odprowadzania fali przepięciowej występuje dodatkowy spadek napięcia pogarszający znacznie poziom ochrony, nawet powyżej napięcia udarowego, probierczego izolacji kabla. Przy dodatkowych spadkach napięcia o wartości około 35 kV (w zależności od długości połączenia) rzeczywisty poziom ochrony realizowanej za pomocą ogranicznika przepięć typu GZSB 18/10 może wynosić:

55 kV (napięcie obniżone odgromnika) + 35 kV (spadek napięcia na połączeniach) = 90 kV.

Dla kabla elektroenergetycznego w eksploatacji, zwłaszcza gdy wytrzymałość izolacji spada z biegiem lat, jest to sytuacja zabójcza.

Nie lepiej wygląda sytuacja w przypadku przepięć ziemnozwarciowych. Wytrzymałość dielektryczna kabli elektroenergetycznych osłabionych wieloletnim oddziaływaniem napięcia roboczego (drzewienie) oraz niewłaściwą jakością robót kablowych w trakcie układania, gwałtownie spada - dotyczy to głównie kabli z izolacją z polietylenu nieusieciowanego. Kable te często nie wytrzymują napięcia probierczego (około 39,6 kV wartości skutecznej napięcia wyprostowanego) jakiemu są poddawane przed włączeniem do sieci po wystąpieniu i usunięciu awarii. Jeśli dodamy do tego fakt, że poziom amplitudy przepięć ziemnozwarciowych (około 40 - 45 kV) znacznie przekracza napięcie próby to niszczący wpływ tych przepięć na stan techniczny kabli nie ulega wątpliwości.

Należy dodatkowo wspomnieć o bardzo istotnym czynniku jakim jest zasięg oddziaływania przepięć. Fala przepięciowa - nie tylko pochodzenia atmosferycznego - rozchodzi się w całym fragmencie sieci do miejsc jej rozcięcia włącznie.

Dlatego tak bardzo istotna jest optymalna ochrona przepięciowa kabli elektroenergetycznych będących elementem rozległej sieci kablowej oraz tworzących połączenia z siecią napowietrzną średnich napięć.

II. Dobór parametrów ograniczników przepięć

Ze względu na wnioski wynikające z dokonanej w pkt. I oceny poziomu zagrożenia elementów sieci energetycznej oraz warunki prowadzenia ruchu sieci elektroenergetycznej kablowej i napowietrznej (czułość i pewność działania automatyki SPZ oraz warunki lokalizacji awarii) należy stwierdzić, że niemożliwe jest dobranie ograniczników przepięć o jednakowych parametrach elektrycznych do pracy w rozległej sieci kablowej oraz ochrony kabli elektroenergetycznych na granicy z siecią napowietrzną.

W przypadku rozległej (wydzielonej) sieci kablowej, ze względu na minimalną (w stosunku do sieci napowietrznych) ilość przepięć ziemnozwarciowych oraz praktycznie 100 % pewność działania automatyki ziemnozwarciowej można w sposób bezpieczny wykorzystać charakterystykę wytrzymałości ograniczników przepięć na przepięcia dynamiczne. W związku z brakiem bezpośredniego zagrożenia wysokim poziomem przepięć pochodzenia zewnętrznego (wyładowania atmosferyczne) do pracy w rozległej sieci kablowej dobrano ogranicznik w/g wymaganych w ZEK S.A. kryteriów doboru (zgodnie z rozdziałem 7.2. i 7.3.):

MWK 13 (lub MWD 13) produkcji ABB

GXR 16 produkcji ZWAR

Sprawdzenie parametrów ogranicznika przepięć typu MWK 13 oraz GXR 16:

1. Zapewnienie bezawaryjnej pracy odgromnika.

1. Napięcie ciągłej pracy:

(MWK) U_c = 13,0 kV (TxU_c=1,25x13=16,25 kV>U_f-max=16 kV)

(GXR) U_c = 13,0 kV

komentarz: w przypadku zwarć doziemnych z maksymalnym czasem wyłączenia do 1 sek oraz łączeniami próbnymi dla lokalizacji uszkodzenia kabla sumaryczny czas oddziaływania przepięć ziemnozwarciowych o amplitudzie 39,0 - 46 kV (rozdział 4) jest mniejszy od 15 sekund. Stąd współczynnik T do obliczenia napięcia pracy ciągłej przyjęto na poziomie 1,25.

2. Zdolność pochłaniania energii (udar prądowy długotrwały):

(MWK) 3,5 kJ/kVxU_c

(GXR) 4,0 kJ/kVxU_r

komentarz: dobór wartości zdolności pochłaniania energii wynika z opisanego w rozdziale 3.3. sposobu lokalizacji uszkodzeń. Przyjęta wielkość zdolności pochłaniania energii dla wielokrotnego zadziałania ogranicznika jest wystarczająca dla jego bezpiecznej pracy (przy udarach ziemnozwarciowych) - rozdział 7.3.

3. Znamionowa droga upływu: (MWK) 418 mm
(GXR) ~210 mm

4. Poziom izolacji zewnętrznej: (GXR) ~49,5 [kV]

5. Wytrzymałość na udar prądowy długotrwały (MWK) 400 A, 2000 μs
(GXR) 450 A, 2000 μs
6. szczelność

B. Zapewnienie bezawaryjnej pracy urządzenia chronionego.

1. poziom ochrony ogranicznika (wartość szczytowa):

MWK 32,2 kV dla udaru łączeniowego 500 A, 30/60 μs

GXR ~32,0 kV

wymagany poziom ochrony określony wytrzymałością kabli w eksploatacji dla przepięć ziemnozwarciowych:

U_iw/k_bw = 34,4 kV (wartość skuteczna - dla kabli 15 kV w eksploatacji)

= 46,9 kV (wartość skuteczna - dla kabli 20 kV w eksploatacji)

Uwaga: podane wartości nie odzwierciedlają rzeczywistej odporności na przepięcia ziemnozwarciowe (są to wartości dla próby napięciowej kabla) jednak dość dobrze oddają stan odporności izolacji kabli w eksploatacji. Należy zwrócić uwagę na konieczność przeliczenia wartości skutecznych wartości napięć próby napięciowej kabli na wartości szczytowe przy ich porównaniu.

komentarz: Ze względu na poziom przepięć ziemnozwarciowych (39 - 45 kV) istotne jest zmniejszenie amplitudy przepięcia nawet o kilka kilowoltów.

2. możliwości montażowe prostota montażu i dowolność pozycji

komentarz: - konstrukcja umożliwia montaż jak najbliżej chronionego urządzenia - w dowolnej pozycji i miejscu. Istotna jest możliwość montażu w pobliżu głowicy kablowej ze względu na zapewnienie właściwej ochrony.

C. Zapewnienie bezpieczeństwa osób.

1. wytrzymałość zwarciowa 0.2 sek.: (MWK) 20 kA
(GXR) ..........

komentarz: wystarczająco ze względu na poziom wielkości prądów zwarciowych w rozdzielniach SN ZEK S.A. poniżej 12 kA

2. graniczny prąd wyładowczy: 100 kA

komentarz: zagrożenie wystąpienia udaru prądowego o wartości granicznej w rozległej sieci kablowej nie występuje

4. Zgodność z normą i przepisami

E. Minimum zabiegów eksploatacyjnych minimum czasu pracy.

1. łatwy montaż z pojedynczą śrubą przyłączeniową,

1. lekkość i odporność konstrukcji na uszkodzenia,

2. możliwość montażu w miejsce istniejących elementów.

F. Kryterium optymalnej ceny.

komentarz: ze względu na konieczność doboru ogranicznika przepięć o najniższej z możliwych wartości napięcia obniżonego (czyli o najniższej wartości napięcia pracy ciągłej) zakup ogranicznika przepięć o najtańszej cenie, bez pewności odnośnie stabilności jego parametrów elektrycznych, byłoby zbyt ryzykowne. Toteż dobór ogranicznika firmy ABB typu MWB 14 - o sprawdzonych wieloletnią eksploatacją parametrach - pomimo dość wysokiej ceny jest wyborem optymalnym cenowo.

W przypadku sieci kablowej na granicy z siecią napowietrzną, ze względu na znaczną ilość przepięć ziemnozwarciowych (ze strony sieci napowietrznej) oraz brak gwarancji 100 % pewności działania automatyki ziemnozwarciowej nie można w sposób bezpieczny wykorzystać charakterystyki wytrzymałości ograniczników przepięć na przepięcia dynamiczne. Jednocześnie poziom narażenia izolacji z powodu wyładowań atmosferycznych (około 100 kV) jest znacznie większy niż w przypadku przepięć ziemnozwarciowych (około 40 kV) toteż do pracy w rozległej sieci kablowej dobrano ogranicznik w/g wymaganych w ZEK S.A. kryteriów doboru (zgodnie z rozdziałem 7.2. i 7.3.) :

GXE 23 produkcji ZWAR

POLIM-D...L(N) 18 produkcji ABB

Sprawdzenie parametrów ogranicznika przepięć typu POLIM-D oraz GXE:

1. Zapewnienie bezawaryjnej pracy odgromnika.

1. Napięcie ciągłej pracy: U_c = 18 kV (U_c=18 kV>U_f-max=16 kV)

komentarz: dobrano napięcie ciągłej pracy większe od najwyższego spodziewanego napięcia w sieci (wartość napięcia fazowego fazy zdrowej - 16 kV przy zwarciach doziemnych)

2. Zdolność pochłaniania energii: (GXE) 3,5 kJ/kVxUr,

(POLIM) 3,6 kJ/kVxUc

komentarz: Przyjęta wielkość zdolności pochłaniania energii dla wielokrotnego zadziałania ogranicznika jest wystarczająca dla jego bezpiecznej pracy (przy udarach piorunowych) - rozdz. 7.3.d.

3. Znamionowa droga upływu: (GXE) 990 mm, (POLIM) 844 mm

Minimalna droga upływu: minimum 400 mm (wysoki poziom zabrudzeń)

minimum 320 mm (średni poziom zabrudzeń)

4. Poziom izolacji zewnętrznej: określone w próbie typu

5. znamionowy prąd wyładowczy = 10 kA

komentarz: przy przeciętnych warunkach piorunowych wartość wystarczająca - potwierdzenie w praktycznej eksploatacji

6. szczelność

B. Zapewnienie bezawaryjnej pracy urządzenia chronionego.

1. poziom ochrony ogranicznika: (GXE) 67,1 kV, (POLIM) 63,0 kV dla udaru piorunowego 10 kA, 8/20 μs

wymagany poziom ochrony dla przepięć piorunowych:

U_ip/k_bp = 73.0 kV (dla kabli 15 kV)

= 96.1 kV (dla kabli 20 kV)

komentarz: dobór ogranicznika przepięć przy nie zauważalnych różnicach w poziomie ochrony uzależniony jest od możliwości finansowych.

2. możliwości montażowe prostota montażu i dowolność pozycji

komentarz: - konstrukcja umożliwia montaż jak najbliżej chronionego urządzenia - w dowolnej pozycji i miejscu. Istotna jest możliwość montażu w pobliżu głowicy kablowej ze względu na zapewnienie właściwej ochrony.

C. Zapewnienie bezpieczeństwa osób.

1. wytrzymałość zwarciowa 0.2 sek.: 20 kA (wystarczająco 16 kA)

komentarz: wystarczająco ze względu na poziom wielkości prądów zwarciowych w rozdzielniach SN ZEK S.A. poniżej 12 kA

2. graniczny prąd wyładowczy: 100 kA

komentarz: zagrożenie wystąpienia udaru prądowego o wartości granicznej w rozległej sieci występuje sporadycznie - w praktyce w przypadku bezpośredniego uderzenia pioruna w pobliżu urządzenia chronionego.

D. Zgodność z normą i przepisami

E. Minimum zabiegów eksploatacyjnych minimum czasu pracy.

1. łatwy montaż z pojedynczą śrubą przyłączeniową,

1. lekkość i odporność konstrukcji na uszkodzenia,

2. możliwość montażu w miejsce istniejących elementów.

F. Kryterium optymalnej ceny.

komentarz: ze względu na porównywalne parametry elektryczne oraz sprawdzone w praktycznej eksploatacji działanie ww. ograniczników przepięć obydwa typy ograniczników przepięć są porównywalne.

II. Wybór miejsca lokalizacji ochrony przepięciowej w sieci.

Z powodów omówionych powyżej istotne jest właściwe umiejscowienie ochrony przepięciowej w sieci średnich napięć. Dla optymalnej jej realizacji ograniczniki przepięć należy umieszczać:

1. na granicy sieci napowietrznej i kablowej - dla ochrony od przepięć atmosferycznych

2. w rozległych sieciach kablowych (rysunek nr 18)

Założenia punktu 1 przedstawia rysunek nr 18. Ograniczniki przepięć powinny być montowane:

1. na słupie napowietrznej linii elektroenergetycznej przy głowicy kablowej - bezwzględnie zawsze

1. w pierwszej stacji zlokalizowanej na końcu linii kablowej w odległości w trasie poniżej 2 km od linii napowietrznej - bezwzględnie zawsze

2. w drugiej stacji zlokalizowanej na końcu linii kablowej w odległości w trasie poniżej 2 km od linii napowietrznej, jeśli suma odcinków l₁ i l₂ (rysunek nr 18) jest mniejsza od 1000 m. - zaleca się

Rysunek nr 18. Projekt miejsc lokalizacji ograniczników przepięć na pograniczu sieci napowietrzno-kablowej ZEK S.A.

Założenia punktu 2 przedstawia rysunek nr 19. Ograniczniki przepięć powinny być montowane dla ochrony od przepięć łączeniowych lub ziemnozwarciowych dla tych pętli, dla których udział kabli elektroenergetycznych z lat budowy 70-80 (kable suche) oraz 1960 (kable olejowe) przekracza 50 %, kable te wykazują znaczną awaryjność a brak środków finansowych uniemożliwia szybką ich wymianę (w ciągu minimum 5 lat). Decyzja w tym względzie należy do kierownika Rejonu Energetycznego. Odgromniki w takim przypadku należy montować:

a) na początku pętli kablowej w rozdzielni sieciowej za wyłącznikiem

b) w głębi pętli kablowej

Rysunek nr 19. Projekt miejsc lokalizacji ograniczników przepięć w sieciach kablowych ZEK S.A.

III. Określenie sposobu montażu .

1. Minimalne odległości montażowe.

Dla zapewnienia bezpieczeństwa oraz prawidłowej pracy odgromników konieczne jest zachowanie niżej podanych odległości między odgromnikami i elementami konstrukcji stacji.

Minimalne odległości E oraz F wg danych katalogowych wynoszą:

MWK: E_min = 193 mm, F_min = 202 mm

POLIM: E_min = 229 mm, F_min = 251 mm

GXE: E_min = 205 mm, F_min = 225 mm

GXR: E_min = 160 mm, F_min = 210 mm

Uwaga: zaleca się stosować wartości minimalne podwyższone w stosunku do wartości katalogowych.

2. Miejsce zabudowy odgromników należy dobierać jak najbliżej głowicy kabla ze względu na znaczną możliwość poprawy zabezpieczenia przed skutkami przepięć z uwzględnieniem następujących wskazówek:

a) Dopuszczalny jest montaż odgromników w pozycji poziomej zgodnie ze wskazówkami producenta, co jest istotne ze względu na możliwości montażu z wykorzystaniem istniejących elementów m.in. konstrukcji stacji.

b) należy wykorzystywać w szerokim zakresie możliwości tkwiące w istniejących konstrukcjach stacji. Zaleca się wykorzystywać istniejące lub dodatkowo wykonane otwory w konstrukcjach stalowych lub aluminiowych np. stacji transformatorowych.

c) podstawa odgromnika winna przylegać płasko do konstrukcji, na której jest mocowana - bednarkę należy założyć od strony nakrętki.

d) dopuszcza się montaż ograniczników przepięć na szynach aluminiowych stacji transformatorowej.

3. Przyłączenie odgromnika do przewodu roboczego SN zaleca się wykonać jedną z dwóch metod:

Sposób A

Przyłączenie wykonywane za pomocą typowej śruby w przypadku możliwości bezpośredniego zbliżenia elektrody górnej odgromnika do przewodu roboczego - możliwe przede wszystkim w przypadku montażu w pozycji poziomej.

Sposób B

Przyłączenie wykonywane za pomocą krótkiego odcinka przewodu AFl 50 mm² (mostek) zakończonego z jednej strony końcówką rurkową, a z drugiej zaciskiem odgałęźnym.

Stosowane w przypadku gdy montaż w/g sposobu A jest znacznie utrudniony lub niemożliwy.

Uwaga: w obu przypadkach należy dążyć do zabudowy odgromnika jak najbliżej
głowicy kabla.

4. Moment dokręcania - w odniesieniu do konstrukcji wsporczej i przewodów roboczych odgromników - winien wynosić 74 Nm.

Jednocześnie maksymalny (dopuszczalny) moment skręcający wynosi 50 Nm.

W związku z powyższym zalecany jest następujący harmonogram montażu:

a/ odgromnik mocowany jest wstępnie do konstrukcji wsporczej wraz z bednarką uziemiającą z możliwością swobodnego obracania się wokół własnej osi !,

b/ zacisk fazowy przykręca się wraz z przewodem roboczym, kluczem dynamometrycznym na luźno zamocowanym do podstawy odgromniku. Dla uniknięcia obracania się odgromnika pod wpływem siły dokręcania dynamometrem ruch obrotowy odgromnika należy kontrować kluczem płaskim założonym na odpowiednie nacięcie na górnej elektrodzie odgromnika - taki sposób zapewni uniknięcie możliwości zbyt dużych naprężeń, które mogą uszkodzić konstrukcje odgromnika,

c/ po dokręceniu z odpowiednią siłą przewodu roboczego (zacisk lub końcówka rurkowa) należy dokręcić do oporu dolną część odgromnika (podstawę) do konstrukcji stacji.

9. Literatura.

1. „Beziskiernikowe ograniczniki przepięć do sieci średnich napięć” - wytyczne stosowania i doboru parametrów. Opracowanie doc. dr inż. Andrzej Balcerzak, inż. Zygmunt Szramek.

2. „Przepięcia wewnętrzne w sieciach średnich napięć i ich ograniczanie” - Edward Anderson

3. Polska Norma PN-76/E-90300. Kable elektroenergetyczne i sygnalizacyjne o izolacji z tworzyw termoplastycznych na napięcie znamionowe nie przekraczające 18/30 kV. Ogólne wymagania i badania.

4. Polska Norma PN-76/E-90250. Kable elektroenergetyczne o izolacji papierowej i powłoce metalowej na napięcie znamionowe nie przekraczające 23/40 kV. Ogólne wymagania i badania.

5. Polska Norma PN-76/E-05125. Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe. Projektowanie i Budowa.

6. „Technika Wysokich Napięć” - dr Janusz Lech Jakubowski

7. „Technika Wysokich Napięć” - S. Szpor

8. „Przepięcia i ochrona przepięciowa” - W. Kuźniar

4

18

Charakterystyka sieci kablowej SN ZEK S.A.

23

Teoria zjawisk przepięciowych w sieciach kablowych SN

33

Charakterystyka ograniczników przepięć.

37

Koordynacja izolacji dla sieci kablowych SN

46

Zasady doboru ograniczników przepięć.

50

Praktyczna realizacja ochrony przepięciowej rozległych sieci kablowych SN

OWS 18/10

Linia napowietrzna SN

2350

2231

2230

2378

PR-77

Linie kablowe SN

U₀

3U₀

L1

L2

L3

RI

3I₀

I₀>

L1 L2 L3

przekładnik typu Ferrantiego

L3

L2

L1

3I₀

RI

I₀>

przekładniki w układzie Holmgreena

RS

GPZ

zabl.

0,5[sek]

1,0[sek]

RI

I₀>

Szyny 15kV

24[A], 2,0[sek]

Zabezpieczenie nadprądowe w punkcie zerowym o niskim nastawieniu 24[A];

działa przy doziemieniu na moście;

odstrojenie czasowe 2,0[sek] ponieważ pobudza się przy zwarciach 2-, 3-fazowych z przyczyn uchybów przekładników

poziom ochrony

wytrzymałość izolacji

kabla = 95 kV

Poziom ochrony odgromnika OWS

Fala przepięciowa

< 150 kV

rzeczywisty

wymagany

Brak ochrony w przypadku rozregulowania zewnętrznej przerwy iskrowej

Skuteczna ochrona lecz ze zjawiskiem obcięcia fali

Przerwa iskrowa: nieprawidłowa

prawidłowa

10 μm

I

Faza z dużą ilością Bi₂O₃

Ziarno ZnO

Warstwa międzyziarnowa

Obszary barier potencjału kontrolujący przepływ prądu I

1.0

1.4

1.8

2.2

2.6

3.0

10^-5

10^-3

10^-1

10¹

10³

10⁵

A

B

C

KV/cm

100 st. C

20 st. C

β≈ 40...50

ZnO

SiC

A/cm²

R1 - rezystancja ziaren ZnO

R2 - nieliniowa rezystancja warstw granicznych

C - pojemność elektryczna warstw międzyziarnowych

R1

R2

C

0

0

40

80

120

W

moc p.u.

D

C

Wyjście z obszaru stabilności

Obszar stabilności

Moc oddawana do otoczenia

A

B

Punkt stabilnej pracy

Temperatura otoczenia

Temperatura warystorów [st. C]

Moc wydzielana w ograniczniku

V

A

UCD

D

C

Ur

UAB

B

D

C

B

A

A=B

C=D

A=B

C=D

Ur

V

Rozdzielnia SN

GXE 23 lub POLIM-D...L 18

l

GXE 23 lub POLIM-D...L 18

zawsze

zawsze

Obowiązkowo dla l<2 km

GXE 23 lub POLIM-D...L 18

GXE 23 lub POLIM-D...N 18

zawsze

GXE 23 lub POLIM-D...L 18

l₁

zawsze

Zalecane dla l₁+l₂<2 km

Obowiązkowo dla l₁<2 km

GXE 23 lub POLIM-D...N 18

l₂

zawsze

GXE 23 lub POLIM-D...L 18

Rozdzielnia SN

W pierwszej stacji w pętli z kablami awaryjnymi zawsze

W pierwszej stacji w pętli z kablami awaryjnymi zawsze

Kable dobre, bezawaryjne

Kable awaryjne

Kable dobre, bezawaryjne

W pierwszej lub drugiej stacji przed miejscem rozcięcia

Kable dobre, bezawaryjne

W pierwszej lub drugiej stacji przed miejscem rozcięcia

np. GXR 16 lub MWK 13

---