Specyfika pracy sieci SN w aspekcie automatyki zabezpieczeniowej

Sieci średnich napięć to takie, których napięcie znamionowe zawiera się w przedziale od 6 do 60 kV. Powszechnie używanym określeniem dla tego typu sieci jest nazwa „sieci o małym prądzie zwarcia doziemnego”.

Sposób połączenia punktu neutralnego sieci SN wpływa na:

• wielkość prądów jednofazowego zwarcia z ziemią;

• wybór rodzaju zastosowanych zabezpieczeń ziemnozwarciowych i skuteczność eliminacji zwarć doziemnych;

• wielkość przepięć ziemnozwarciowych (efektem mogą być zwarcia wielokrotne lub podwójne)

• dobór środków zapewniających właściwą ochronę przeciwporażeniową obsługi i osób postronnych;

Ze względu na sposób pracy punktu neutralnego sieci rozróżnia się trzy zasadnicze rodzaje sieci SN:

• sieć pracująca z izolowanym punktem neutralnym;

• sieć pracująca z punktem neutralnym uziemionym poprzez dławik kompensacyjny (Petersena) - sieć z kompensacją pojemnościowych prądów doziemnych;

• sieć pracująca z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor (uziemienie przez małą rezystancję);

Podczas jednofazowych zwarć z ziemią w sieciach o nieuziemionym bezpośrednio punkcie zerowym prąd ziemnozwarciowy osiąga znacznie mniejsze wartości niż przy zwarciach międzyfazowych, a często także mniejsze od prądów obciążeniowych. Wartość tego prądu ulega ponadto wyraźnemu ograniczeniu w przypadku zwarć pośrednich - rezystancyjnych.

Wielkość pojemnościowego prądu ziemnozwarciowego sieci mieszanej przy pełnym (bezoporowym) doziemieniu można w przybliżeniu określić ze wzoru

gdzie: l_k,l_n- ogólna długość linii kablowych i napowietrznych, [km]

U_n - napięcie znamionowe sieci, [kV]

1. Sieć z izolowanym punktem neutralnym

Jest to historycznie najstarsze rozwiązanie. Sieci kablowe mogą pracować z izolowanym punktem gwiazdowym wówczas, gdy pojemnościowy prąd ziemnozwarciowy nie przekracza 50 A. W sieciach napowietrznych i napowietrzno-kablowych punkt neutralny może być izolowany, jeżeli pojemnościowy prąd ziemnozwarciowy nie przekracza określonych wartości w zależności od napięcia znamionowego sieci wg. tablicy 1.

Tablica 1. Graniczne wartości prądu pojemnościowego zwarcia z ziemią w sieciach napowietrznych i napowietrzno-kablowych w zależności od napięcia znamionowego sieci.

U­N	3 - 6 kV	10 kV	15 - 20 kV
I­CS	30 A	20 A	15 A

Sieci, w których wartości prądów doziemnych nie przekraczają podanych wyżej wartości pracują najczęściej jako izolowane do czasu osiągnięcia stanu konieczności zmiany sposobu połączenia punktu neutralnego z ziemią. Dopuszcza się izolowanie punktu neutralnego w sieciach o większych wartościach I_C pod warunkiem zapewnienia wyłączenia zwarć z ziemią.

Mogło by się wydawać, że w sieci tego typu podczas zwarcia jednej fazy do ziemi nie popłynie żaden prąd, ponieważ nie ma zamkniętego galwanicznie obwodu elektrycznego, tak jednak nie jest. Przyczyną wywołująca przepływ prądu podczas zwarcia doziemnego w sieci z izolowanym punktem neutralnym jest istnienie pojemności i upływności linii elektroenergetycznych względem ziemi jak również utrzymywanie się napięcia między zdrowymi fazami a ziemią.

Rys. 1. Rozpływ prądów w sieci z izolowanym punktem zerowym przy zwarciu doziemnym fazy L­_3­: a) w przewodach linii i ziemi, b) wykres wektorowy napięć i prądów.

­­­

Pod wpływem tego napięcia pod zdrowymi przewodami linii elektroenergetycznej płynie prąd pojemnościowy do ziemi, co przedstawiono na rys. 1a. Z analizy rozpływu prądów ziemnozwarciowych wynika, że na początku linii doziemionej przepływa całkowity prąd ziemnozwarciowy pomniejszony o pojemnościowy prąd własny tej linii. W liniach zdrowych płyną prądy uwarunkowane ich pojemnością własną i pojemnością zasilanych odbiorów. W linii doziemionej prąd płynie od linii do szyn zbiorczych, a w liniach zdrowych kierunek przepływu prądu jest przeciwny. Wobec tego, że pojemności doziemne są rozłożone w sposób ciągły prąd zerowy płynący w tej sieci nie jest stały, lecz zmienia się liniowo. Prąd płynący w ziemi zwiększa się począwszy od końców sieci w kierunku punktu zwarcia doziemnego.

Wartość prądu zwarcia jednofazowego w miejscu doziemienia zależy od napięcia znamionowego sieci, od rodzaju i długości powiązanych ze sobą linii elektroenergetycznych i wyraża się wzorem

gdzie: C_0S - pojemność dla składowej zerowej jednej fazy sieci.

Wartość prądu jest więc proporcjonalna do pojemności sieci, przy czym pojemności linii kablowych są wielokrotnie większe od pojemności linii napowietrznych.

W trakcie zwarcia doziemnego galwanicznego w sieci z izolowanym punktem neutralnym napięcia faz zdrowych wzrastają do wartości napięć międzyprzewodowych. Napięcie punktu neutralnego układu względem ziemi wzrasta od wartości równej zeru do wartości równej napięciu fazowemu. Występuje więc przepięcie ustalone, które trwa do czasu likwidacji zwarcia doziemnego. Sieć tego rodzaju charakteryzuje się wysokim, dochodzącym do 2,9 współczynnikiem przepięć wewnętrznych i ziemnozwarciowych. Z tego względu sieci te wykazują większą skłonność do przekształcenia się zwarć jednofazowych w zwarcia lawinowe i podwójne. Zagrożenia porażeniowe mogą wystąpić przy zwarciach podwójnych, zwarciach doziemnych na słupach linii i zwarciach przy opadniętym na ziemię przewodzie linii.

2. Sieć kompensowana

W sieci elektroenergetycznej, w której prąd zwarcia doziemnego przekracza podane w tablicy 1 wartości graniczne, w celu ograniczenia skutków wywołanych prądem zwarcia jednofazowego stosuje się kompensację. Pojemnościowy prąd doziemny, będący wynikiem zwarcia jednej fazy z ziemią można skompensować prądem indukcyjnym. Stąd celem kompensacji jest zmniejszenie wartości prądu ziemnozwarciowego do poziomu resztkowego przez wprowadzenie do sieci prądu indukcyjnego (przeciwnego) w czasie doziemienia w sieci. Dzięki temu zostają stworzone dogodnych warunki do samoistnego zgaszenia łuku zwarciowego (zaniku prądu) w momencie przechodzenia prądu przez zero.

Ponieważ w polskich sieciach transformatory 110 kV/ŚN najczęściej mają grupę połączeń Yd, punkt neutralny po stronie ŚN jest niedostępny. Dławik gaszący przyłącza się do punktu zerowego uzwojenia górnego napięcia transformatora potrzeb własnych (połączonego w zygzak) o grupie połączeń Zy5, zwanego także transformatorem uziemiającym.

Włączenie dławika kompensującego nie zmienia rozpływu prądów w nie uszko­dzonych odcinkach sieci, zmienia się natomiast rozpływ prądów w linii doziemionej, co pokazuje rys.3a.

Rys. 3 Rozpływ prądów w sieci kompensowanej przy zwarciu doziemnym fazy L­_3­

a) w przewodach linii i ziemi ,

b) wykres wektorowy napięć i prądów .

Sieci kompensowane charakteryzują się mniejszym współczynnikiem przepięć ziemnozwarciowych wynoszącym średnio 2,4. Zastosowanie kompensacji zmniejsza również prawdopodobieństwo powstania przepięć ferrorezonansowych. Zaletą kompensacji jest również zmniejszenie liczby wyłączeń linii napowietrznych o liczbę zwarć przemijających, likwidowanych wskutek działania dławika gaszącego. Zagrożenia porażeniowe mogą wystąpić przy zwarciach podwójnych i zwarciach przy opadniętym przewodzie na ziemię.

Oprócz wymienionych zalet, kompensacja ma też i wady:

• nie jest skuteczna w sieciach rozległych;

• wprowadza niekorzystne działanie wyższych harmonicznych;

• komplikuje system zabezpieczeń.

Podstawową wadą kompensacji jest to, że znacznie pogarsza warunki pracy zabezpieczeń od zwarć z ziemią co skłania do ograniczenia zakresu jej stosowania, w szczególności w sieciach kablowych.

3. Sieć z uziemionym przez rezystor punktem neutralnym

, w sieciach kablowych zalecane jest uziemianie punktu neutralnego sieci przez rezystor. Rozwiązanie to stanowi wariant pośredni z dwóch skrajnych jakimi są: izolowany punkt gwiazdowy i skuteczne jego uziemienie. Podstawową zaletą niskoomowego uziemienia punktu neutralnego sieci jest uzyskanie wystarczającej wartości prądów ziemno­zwarciowych, pozwalających na realizację względnie prostych, tanich i szybko działających zabezpieczeń ziemnozwarciowych, wyłączających wybiórczo doziemioną linię. Taki sposób pracy sieci powoduje zmniejszenie współczynnika nie ustalonych przepięć ziemno­zwarciowych do 2,0 oraz czasu ich występowania. Zastosowanie rezystancyjnego uziemienia punktu neutralnego ułatwia również odszukanie miejsca doziemienia w liniach kablowych.

W krajowych warunkach transformatory 110/SN instalowane w głównych punktach zasilających sieci średniego napięcia mają po stronie średniego napięcia uzwojenia połączone w trójkąt. Należy zatem stosować oddzielne transformatory uziemiające, o uzwojeniu średniego napięcia łączonym w gwiazdę lub w zygzak, przy czy wspólny punkt uzwojeń zostaje wtedy wyprowadzony na zewnątrz i uziemiony przez rezystor ograniczający wartość prądu zwarcia doziemnego.

Rys. 4. Rozpływ prądów w przewodach linii i ziemi sieci SN z uziemionym przez rezystor punktem neutralnym przy zwarciu doziemnym fazy L­_3­­.

Uziemienie punktu neutralnego sieci powoduje zwiększenie wartości napięć rażenia w pobliżu punktu doziemienia oraz zwiększenie potencjału wspólnych uziemień ochronnych i roboczych.

Przy ocenie zalet i wad danego sposobu połączenia punktu neutralnego sieci z ziemią bierze się pod uwagę następujące kryteria:

1) wartość przepięć ziemnozwarciowych,

2) warunki działania zabezpieczeń ziemnozwarciowych,

3) oddziaływanie prądu ziemnozwarciowego na środowisko,

4) ciągłość dostawy energii do odbiorców,

5) koszty wykonania danego układu połączenia p.n. z ziemią.

Sposób pracy punktu neutralnego sieci związany jest ściśle z zagadnieniami ochrony przeciwporażeniowej, gdyż podczas zwarcia doziemnego na elementach urządzeń elektrycznych, które dotychczas były bez napięcia oraz w ziemi w pobliżu miejsca zwarcia, pojawia się napięcie grożące porażeniem. Niebezpieczeństwo porażenia uzależnione jest od wartości rezystancji uziemienia urządzeń elektrycznych i czasu trwania zakłócenia. O wartości prądu zwarcia jednofazowego z ziemią decyduje przede wszystkim sposób pracy punktu neutralnego sieci. Sposób pracy punktu neutralnego nie ma natomiast wpływu na wartości prądów zwarć wielofazowych i podwójnych zwarć z ziemią. W rozdzielniach SN maksymalne wartości prądów zwarć wielofazowych zależą głównie od parametrów transformatorów a więc ich mocy i napięcia zwarcia.

Wpływ sposobu połączenia z ziemią punktu neutralnego sieci SN na przepięcia ziemnozwarciowe

Przepięcia ziemnozwarciowe, ze względu na ich wartość i częstość występowania, stanowią duże zagrożenie dla izolacji urządzeń sieciowych. Opracowano wiele teorii opisujących mechanizmy rozwoju przepięć ziemnozwarciowych, zwłaszcza podczas zwarć łukowych przerywanych. Na szczególną, uwagę zasługują wyniki badań wykonanych w sieciach rzeczywistych i na ich modelach, umożliwiające ocenę faktycznego zagrożenia izolacji urządzeń oraz wpływu różnych czynników na krotność przepięć. W tabeli 2 zestawiono wartości maksymalne współczynników przepięć k_m, otrzymane z pomiarów dla różnych sposobów połączenia punktu neutralnego z ziemią:

(6)

gdzie

U_m - maksymalna amplituda napięcia przebiegu nieustalonego, zarejestrowanego podczas zwarcia jednofazowego,

U_mf - amplitudą napięcia fazowego częstotliwości znamionowej występującego przed zakłóceniem.

Tablica 2. Maksymalne wartości współczynników przepięć pomierzone w sieci rzeczywistej o napięciu znamionowym 15 kV

Sposób połączenia punktu neutralnego z ziemią	Współczynnik przepięcia
Izolowany	2.3
Uziemiony przez dławik indukcyjny o wartości: X =13.5  X = 6.7  X = 4.5  X = 2.0 	2.2 2.1 2.0 1.9
Uziemiony przez rezystor o wartości: R = 17.5  R = 7.0  R = 4.8 	2.0 1.75 1.65

Największe przepięcia wystąpiły w sieciach izolowanych, nieco mniejsze w sieciach z punktem neutralnym uziemionym przez dławik, a najmniejsze w sieci uziemionej przez rezystor o odpowiedniej małej rezystancji.

Na podstawie analizy przeprowadzonej przez Petersena wartość prądu czynnego wymuszanego przez rezystor powinna się zawierać w przedziale określonym wzorem:

(7)

Uziemienie punktu neutralnego sieci przez rezystor o rezystancji
powoduje, że wartość składowej czynnej całkowitego prądu jednofazowego zwarcia z ziemią w układzie trójfazowym jest zbliżona do wartości składowej biernej pojemnościowej tego prądu. Prąd całkowity jest wówczas przesunięty względem napięcia o kąt fazowy około 45 stopni elektrycznych. Czynnik ten utrudnia występowanie zapłonów ponownych łuku i sprzyja ograniczaniu przepięć. Uziemienie p.n. przez tak dobrany rezystor ułatwia również spływanie do ziemi ładunków elektrycznych podczas pojedynczego zwarcia z ziemią, a zatem obniża przepięcia ziemnozwarciowe. Narastanie amplitudy przepięć w trakcie palenia się łuku przerywanego w sieci pracującej z izolowanym punktem neutralnym jest spowodowane m.in. zwiększeniem ładunku układu. Według teorii Petersena przy zastosowaniu rezystora o wartościach rezystancji z przedziału określonego wzorem (7) wartość maksymalna przepięcia w nieuszkodzonej fazie sieci nie powinna przekroczyć 2.5⋅U_f.

Zmniejszenie się poniżej jedności wartości ilorazu określonego wzorem (7) powoduje wzrost przepięć powyżej wartości 2.5⋅U_f. Wzrost ilorazu I_R/I_C powyżej 2÷3 powoduje, zwłaszcza w rozległych sieciach, że przy zwarciach łuk przybiera formę stabilną, przy której przepięcia największe towarzyszą momentowi powstania zwarcia i nie występują powtarzane przepięcia ani ich wzrost ze względu na małe wartości napięć powrotnych.

Do czynników wpływających na przepięcia należy także rozległość sieci. Wyniki przeprowadzonych badań świadczą o tym, że wzrost pojemnościowego prądu zwarcia z ziemią, będącego miarą rozległości sieci, powoduje, że przepięcia w sieciach dużych są mniejsze niż w sieciach małych.

Należy wspomnieć także o przepięciach innych rodzajów niż ziemnozwarciowe i o wpływie na ich poziom sposobu połączenia punktu neutralnego z ziemią. Jednym z nich są przepięcia łączeniowe występujące podczas wyłączania i załączania linii ze zwarciem z ziemią lub bez zwarcia z ziemią. Są one szczególnie duże (około 3U_f ) w sieciach izolowanych i skompensowanych. Duże zagrożenie izolacji tymi przepięciami potwierdzają doświadczenia eksploatacyjne zebrane podczas wyszukiwania miejsca zwarcia na drodze kolejnego wyłączania i załączania linii w stacji zasilającej. Występują wówczas często przepięcia prowadzące do zwarć podwójnych. Jeszcze większe przepięcia występują przy zwarciu jednofazowym i przy jednoczesnej przerwie w jednej z faz. Wskutek powstającej wówczas asymetrii pojemnościowej przepięcia mogą osiągać wartości do 4.4⋅U_f .

Innego rodzaju przepięcia, zwane relaksacyjnymi lub ferrorezonansowymi, występują w sieciach, w których ze stacji zasilających odchodzi dużo linii wyposażonych w przekładniki napięciowe (sieci przemysłowe i sieci potrzeb własnych elektrowni). Przepięcia te są następstwem drgań rezonansowych w obwodach utworzonych przez indukcyjne przekładniki napięciowe, wykorzystywane w obwodach zabezpieczeń ziemnozwarciowych, oraz pojemności doziemne sieci. Nieliniowa indukcyjność tych przekładników, w warunkach nasycenia spowodowanego np. przepięciem łączeniowym lub ziemnozwarciowym, może tworzyć z pojemnością sieci obwód drgań dla częstotliwości zbliżonych do 50 Hz, w wyniku czego powstają przepięcia o wartościach ponad 3⋅U_f. Przepięcia ferrorezonansowe nie występują wówczas, gdy do zabezpieczeń ziemnozwarciowych, zamiast indukcyjnych filtrów składowej zerowej stosowane są filtry pojemnościowe. Badania sieciowe wykazują, że główną przyczyną pojawiania się drgań ferrorezonansowych są przepięcia ziemnozwarciowe. Uziemienie punktu neutralnego przez rezystor, powoduje ograniczenie przepięć ziemnozwarciowych a pośrednio przyczynia się także do eliminacji przepięć ferrorezonansowych.

a)

I­_CL1

I­_CL2

L­₁

L­₂

L­₃

I­_Z­=I­_C

I­_CL2

I­_CL1

I­_C

b)

U­₀

U­_L1

U­_L2

b)

I­_Z

I­_L

U­₀

I­_C

U­_L1

U­_L2

a)

I­_Z

I­_L

I­_C

I­_CL2

L­₁

L­

L­₃

I­_CL1

L­₁

L­₁

I­_CL1

I­_CL2

L­₂

L­₃

I­_Z­

I­_R

_{RR ­}- I­_C

I_C­

R­_p

R­_u

Z_Tu

---