odre ðivanje kriterija za odabir na Čina uzemljenja...
TRANSCRIPT
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RA ČUNARSTVA
Mladen Modrovčić
ODREðIVANJE KRITERIJA ZA ODABIR NAČINA UZEMLJENJA NEUTRALNE
TOČKE 10(20) kV MREŽE OBZIROM NA KVALITETU ELEKTRI ČNE ENERGIJE
MAGISTARSKI RAD
Zagreb, 2011. godina
UNIVERSITY OF ZAGREB FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMPUTING
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RA ČUNARSTVA
Mladen Modrovčić
ESTABLISHING OF CRITERIA FOR 10(20) KV DISTRIBUTION NETWORK
ODREðIVANJE KRITERIJA ZA ODABIR NAČINA UZEMLJENJA NEUTRALNE
TOČKE 10(20) kV MREŽE OBZIROM NA KVALITETU ELEKTRI ČNE ENERGIJE
MASTER THESIS MAGISTARSKI RAD
Zagreb, 2011. godina
Magistarski rad izrañen je na Zavodu za visoki napon i energetiku Fakulteta elektrotehnike i računarstva i u HEP Operatoru distribucijskog sustava d.o.o. Zagreb, Elektra Bjelovar
Mentor: Prof. dr. sc. Igor Kuzle dipl. ing. Radnja ima: 163 stranica Redni broj:
- 2 -
Sadržaj
Sadržaj..................................................................................................................... - 2 -
1. Uvod......................................................................................................................... 4
2. Zemljospoj u SN distributivnim mrežama.................................................................. 5
2.1. Općenito o zemljospoju u SN mrežama............................................................. 5
2.2. Vrste zemljospoja obzirom na prijelazni otpor na mjestu kvara .......................... 6
2.3. Intermitentni zemljospoj ..................................................................................... 8
2.4. Primjeri zemljospoja u SN mreži .......................................................................10
3. Načini uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreža ................................................14
3.1. Općenito o načinu uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreža.......................14
3.2. Vrste uzemljenja neutralne točke......................................................................17 3.2.1. Izravno uzemljenje.....................................................................................17 3.2.2. Izolirana neutralna točka............................................................................19 3.2.3. Uzemljenje neutralne točke pomoću impedancije male vrijednosti .............28 3.2.4. Uzemljenje neutralne točke preko kompenzacijske prigušnice (Petersenovog svitka)..........................................................................................37
3.2.4.1. Raspodjela struje zemljospoja kod kompenzacijske prigušnice...........38 3.2.4.2. Napon zvjezdišta kompenzirane mreže u normalnom pogonu ............44 3.2.4.3. Prigušnica s pomičnom jezgrom .........................................................45 3.2.4.4. Sustav automatske regulacije .............................................................46 3.2.4.5. Otkrivanje kvara u mreži .....................................................................47 3.2.4.6. Uloga paralelnog otpornika .................................................................47
3.3. Granične struje samogašenja ...........................................................................49
3.4. Postojeća praksa u Hrvatskoj ...........................................................................50
4. Parametri ocjene uspješnosti načina uzemljenja neutralne točke ............................56
4.1. Općenito o parametrima uspješnosti uzemljenja...............................................56
4.2. Sigurnost pogona SN mreže (opasnost za sigurnost ljudi)................................56 4.2.1. Sigurnost u 10(20) kV mrežama sa izoliranom neutralnom točkom...........64 4.2.2. Sigurnost u 10(20) kV mrežama s neutralnom točkom uzemljenom pomoću otpornika male vrijednosti ....................................................................................64 4.2.3. Sigurnost u 10(20) kV mrežama s neutralnom točkom uzemljenom pomoću kompenzacijske prigušnice..................................................................................64
4.3. Selektivnost relejne zaštite ...............................................................................66 4.3.1. Selektivnost relejne zaštite u 10(20) kV mrežama sa izoliranom neutralnom točkom.................................................................................................................66 4.3.2. Selektivnost relejne zaštite od jednopolnih kvarova u 10(20) kV mrežama s neutralnom točkom uzemljenom pomoću otpornika male vrijednosti....................70 4.3.3. Selektivnost relejne zaštite od jednopolnih kvarova u 10(20) kV mrežama s neutralnom točkom uzemljenom pomoću kompenzacijske prigušnice .................76
4.3.3.1. Metode selektivnog otkrivanja zemljospojeva u rezonantno uzemljenim mrežama .........................................................................................................77 4.3.3.2. Mjerenje smjera radne snage nultog sustava ......................................77 4.3.3.3. Mjerenje smjera jalove snage nultog sustava......................................78 4.3.3.4. Odreñivanje smjera iz prijelaznih signala uzrokovanih zemljospojem..79
- 3 -
4.3.3.5. Mijenjanje nulte struje .........................................................................80 4.3.3.6. Numeričke metode..............................................................................82
4.4. Dimenzioniranje uzemljenja..............................................................................84 4.4.1. Uzemljenja u 10(20) kV mrežama sa izoliranom neutralnom točkom .........90 4.4.1. Uzemljenja u 10(20) kV mrežama s neutralnom točkom uzemljenom pomoću otpornika male vrijednosti.......................................................................91 4.4.1. Uzemljenja u 10(20) kV mrežama s neutralnom točkom uzemljenom pomoću kompenzacijske prigušnice ....................................................................92
4.5. Kvaliteta električne energije..............................................................................94 4.5.1. Kvaliteta opskrbe električnom energijom u 10(20) kV mrežama sa izoliranom neutralnom točkom...........................................................................105 4.5.2. Kvaliteta opskrbe električnom energijom u 10(20) kV mrežama s neutralnom točkom uzemljenom pomoću otpornika male vrijednosti..................106 4.5.3. Kvaliteta opskrbe električnom energijom u 10(20) kV mrežama s neutralnom točkom uzemljenom pomoću kompenzacijske prigušnice ..................................108
4.6. Veličina investicije i tehno-ekonomska opravdanost ......................................110
5. Podaci o kvarovima u distribucijskom području .....................................................115
6. Izračun struja zemljospoja .....................................................................................119
7. Ugradnja „shunt“ prekidača u SN mrežu................................................................123
7. Ugradnja „shunt“ prekidača u SN mrežu................................................................123
7.1 Princip rada shunt prekidača ...........................................................................124
7.2 Kriteriji za ugradnju shunt prekidača................................................................130
7.3 Korištenje shunt prekidača u domaćoj i praksi stranih zemalja ........................133 7.3.1. Općenito ..................................................................................................133 7.3.2. Primjeri iz Hrvatske..................................................................................133 7.3.3. Primjeri iz Slovenije .................................................................................133 7.3.4. Primjeri iz Francuske ...............................................................................134 7.3.5. Primjeri iz Italije........................................................................................134 7.3.6. Primjeri iz Njemačke i Austrije..................................................................135
8. Kriteriji za odabir načina uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže obzirom na kvalitetu električne energije .......................................................................................136
8.1 Mreže 10(20)kV sa izoliranom neutralnom točkom ..........................................137
8.2 Mreže 10(20)kV sa neutralnom točkom uzemljenom pomoću otpornika male vrijednosti ..............................................................................................................143
8.3 Mreže 10(20)kV sa neutralnom točkom uzemljenom pomoću kompenzacijske prigušnice..............................................................................................................144
9. Zaključna razmatranja ...........................................................................................147
LITERATURA:...........................................................................................................149
Popis slika: ................................................................................................................152
Popis tablica:.............................................................................................................156
SAŽETAK:.................................................................................................................159
SUMMARY:...............................................................................................................160
ŽIVOTOPIS: ..............................................................................................................161
4
ODREðIVANJE KRITERIJA ZA ODABIR NA ČINA UZEMLJENJA NEUTRALNE TO ČKE 10(20) KV MREŽE S OBZIROM NA KVALITETU ELEKTRI ČNE ENERGIJE
1. Uvod Srednjenaponska distribucijska mreža HEP-a radi na 35, 30, 20 i 10 kV nazivnom naponu i pogon je joj pretežno ili isključivo radijalan. Posebnu važnost na pogon SN mreže a pogotovo mreže 10(20) kV nazivnog napona ima način i uvjeti uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže. Obzirom na različita tehnička rješenja uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreža, prilikom jednopolnih kvarova (dozemnih kvarova) pojavljuju se različite vrijednosti struja i (pre)napona. Način uzemljenja neutralne točke utječe na uvjete pogona mreže, stalnost napajanja, sigurnost ljudi, vrstu i cijenu ugrañene opreme te izbor konfiguracije mreže, zaštite i automatike. U distribucijskim srednjenaponskim mrežama, izbor načina uzemljenja neutralne točke nije jednoznačan obzirom da je problematiku uzemljenja neutralne točke u 10(20) kV mrežama moguće promatrati iz više aspekata:
• prilikom dozemnih (jednopolnih) kvarova potrebno je brzo i djelotvorno selektirati i isključiti dio mreže u kvaru,
• prilikom dozemnih (jednopolnih) kvarova potrebno je osigurati dozvoljene iznose napona na uzemljivačima u blizini,
• prilikom dozemnih (jednopolnih) kvarova koji imaju prolazni karakter potrebno je osigurati kontinuiranu isporuku električne energije kupcima
• cijena uzemljenja neutralne točke mora biti razumna obzirom na uvjete pogona (zračna, kabelska mreža)
Već iz ovako nabrojanih nekoliko osnovnih zahtjeva koji se postavljaju za odabir načina uzemljenja neutralne točke jasno je da su neki zahtjevi čak i u meñusobnoj suprotnosti. Posebno je potrebno naglasiti potrebu ispunjenja, u posljednje vrijeme vrlo važnih kriterija kvalitete električne energije koju za sada promatramo kao kvalitetu opskrbe električnom energijom i kao kvalitetu opskrbnog napona. U distribucijskim mrežama, često nije osigurano rezervno napajanje korisnika u slučaju isključenja vodova zbog kvarova te se iz navedenog razloga teži smanjenju broja isključenja te uvoñenju zaštite i automatike za brzo otkrivanje kvarova. Meñutim, zbog složenosti i cijene nekih rješenja koja omogućuju smanjenje broja ispada i samim time poboljšavaju stalnost napajanja korisnika, često se koriste jednostavnija, pouzdanija i jeftinija rješenja koja ostvaruju manju stalnost napajanja ali i lakše upravljanje, nadzor i održavanje mreže. Navedeni složeni uvjeti rada distribucijskih mreža mogu se u manjoj ili većoj mjeri zadovoljiti različitim načinima uzemljenja neutralne točke i dodatnim tehničkim rješenjima. Način uzemljenja odabire se prema konkretnim specifičnostima odreñene mreže kako bi se zadovoljili svi neophodni tehnički kriteriji za normalan i siguran pogon, uzimajući u obzir raspoloživa znanja, tehniku i sredstva. Dobro poznavanje osobitosti svakog od mogućih rješenja znatno olakšava odabir. Meñutim, pri odabiru jednog od zadovoljavajućih rješenja često
5
su odlučujući postojeće iskustvo, tradicija i navike. Objektivna procjena svih prednosti i nedostataka pojedinih rješenja, dobivena tehno-ekonomskim analizama ukupnih troškova i dobiti tijekom životnog vijeka (eng. cost/benefit analiza), takoñer bi trebala biti jedan od odlučujućih kriterija pri odabiru optimalnog rješenja. U ovom radu se, nakon općenitog prikaza poznatih metoda uzemljenja neutralne točke, daje osvrt na ocjenu uspješnosti pojedine metode obzirom na:
• sigurnost pogona SN mreže (opasnost za sigurnost ljudi), • selektivnost relejne zaštite, • utjecaj na dimenzioniranje uzemljenja (zaštitnog, združenog) u TS
10(20)/0,4 kV i pripadajućih nn mreža, • kvalitetu električne energije s posebnim osvrtom na promjene napona
(polagane i brze), prekide napajanja (kratke i duge) i prenapona izmeñu faznih vodiča i zemlje
• veličinu investicije tj. njenu isplativost. U radu se nadalje, radi postojanja značajnijih financijskih ušteda opisuje tehnika preprečavanja, odnosno upotreba tzv „shut“ prekidača kao „alternativnog“ načina smanjenja posljedica prolaznih zemljospojeva u SN mreži, a samim time i poboljšanja pokazatelja kvalitete električne energije uz usporedbu s ostalim načinima uzemljenja.
2. Zemljospoj u SN distributivnim mrežama
2.1. Općenito o zemljospoju u SN mrežama SN mreže, zavisno od načina uzemljenja neutralne točke napojne trafostanice VN/SN, mogu biti izolirane, kompenzirane ili uzemljene preko malog otpornika. U novije vrijeme uvode se i odreñena hibridna rješenja koja će u budućnosti imati sve veću ulogu. U svakom od navedenih slučajeva očigledna je pojava zemljospoja kao osnovnog odnosno inicijalnog kvara. Procjenjuje se da izmeñu 50% i 80% svih kvarova u SN mreži je zemljospoj. Zavisno od karaktera i veličine prijelaznog otpora na mjestu dodira sa zemljom, zemljospoj se razlikuje kao:
• metalni spoj s malim prelaznim otporom, • preskok, • intermitirani preskok s lukom velikog nelinearnog otpora.
Značajan broj zemljospojeva prolaznog je karaktera sa samogašenjem luka, dok se ostali moraju eliminirati djelovanjem zemljospojne zaštite prije nego izazovu značajnije poremećaje u pogonu. Za neko stanje distribucijske mreže i slične klimatske uvjete, način uzemljenja neutralne točke i vrsta primijenjene zaštite od zemljospoja, odreñuju broj i trajanje prekida u napajanju, karakter kvarova, vrijeme potrebno za pronalaženje mjesta kvara, neisporučenu energiju tijekom trajanja, te način pronalaženja i otklanjanja kvarova. Način uzemljenja neutralne točke definira koncept zaštite SN mreže, što
6
se onda odražava i na investicijske troškove izgradnje, odnosno održavanja mreže. Broj kvarova u konkretnoj mreži zavisi od niza parametara koji su specifični za svaku mrežu. To se prije svega odnosi na klimatske uvjete, razinu zagañenja zraka, atmosferskih pražnjenja, vlažnost i salinitet zraka, količinu padavina, intenzitet vjetrova itd.. Na broj kvarova utječu takoñer izolacijske i karakteristike ugrañene opreme, kvaliteta izvedenih radova prilikom montaže ili održavanja, vrste stupova, dužina povezane mreže s TS VN/SN. Takoñer, značajni su parametri uzemljivača, oblik i dimenzije glava stupova, izolacijski razmaci i razmaci izmeñu stupova i postrojenja, mogućnost pristupa elementima postrojenja sitnih životinja i ptica, stanje trasa, stanje vodiča i stupnih konstrukcija, kvaliteta odvodnika prenapona, učešće zračne odnosno kabelske mreže, kvaliteta kabela i kabelskog pribora. Procjena broja kvarova za razne karakteristične mreže uglavnom je iskustvena i služi prvenstveno u svrhu definiranja načina održavanja SN mreža. U dijelu 5. Podaci o kvarovima, dani su stvarni podaci jednog distribucijskog područja o kvarovima koji se kontinuirano prikupljaju kroz višegodišnje razdoblje. Zemljospoj kao osnovni inicijalni kvar zavisno od vrijednosti otpora na mjestu kvara može biti:
• niskoohmski zemljospoj, • srednjoohmski zemljospoj, • visokoohmski zemljospoj
Navedeni kvarovi mogu biti prolazni i trajni. U slučaju prolaznih kvarova energija se uglavnom manifestira kao toplinska s mogućom pojavom otvorenog luka, dok se visokoohmski tinjajući kvarovi mogu održati znatno duže i ugroziti opremu ili živa bića koja mogu doći u kontakt s njima. Stoga precizna podjela kvarova nije moguća, ali se podrazumijeva da su visokoohmski kvarovi oni s vrijednostima otpora kvara reda nekoliko kiloohma. Navedena razmatranja ukazuju da je od izuzetne važnosti blagovremeno otkrivanje i eliminiranje zemljospoja odnosno dionice voda na kojem se zemljospoj pojavio. Dakle, kako ćemo to i detaljno obrazložiti vektorskim dijagramima opća karakteristika zemljospoja je pojava relativno male dozemne struje, poremećaj napona takvog karaktera da napon faze u zemljospoju postaje nula, a naponi preostalih dviju faza poprimaju vrijednosti linijskog napona. Interesantno je za primijetiti da se naznačena promjena faznih i linijskih napona u 10(20) kV mreži ne prenosi na 0,4 kV mrežu, tako da kupci spojeni preko transformatora 10(20)/0,4 kV standardne grupe spoja Dyn5 ne primjećuju poremećaj napona. Ova činjenica je važna pri analizi i razmatranju načina uzemljenja neutralne točke mreža obzirom na parametre kvalitete električne energije.
2.2. Vrste zemljospoja obzirom na prijelazni otpor na mjestu kvara Niskoohmski spoj vodiča se ostvaruje s uzemljenim dijelovima željezno rešetkastog ili betonskog stupa, spoj vodiča sa stranim predmetima dobre vodljivosti i uzemljenja, spoj vodiča s ljudima koji doñu u blizinu napona, proboj
7
izolacije elektroenergetske opreme s vidljivim oštećenjem izolacije, proboj ili pucanje izolatora na betonskom ili željezno rešetkastom stupu. Srednjoohmski spoj vodiča se ostvaruje preko krošnji drveća, kao spoj vodiča sa sitnim životinjama koje su na neuzemljenim podlogama, proboj izolacije na elektroenergetskoj opremi bez vidljivih tragova oštećenja, proboj transformatora SN/NN, pad žice na zemlju slabe vodljivosti, pad poluizoliranih vodiča na zemlju, pad vodiča sa strane opterećenja (povratni vodič) na zemlju, metalnu uzemljenu površinu ili drugi vodljivi predmet koji ima kontakt sa zemljom, pad povratnog vodiča na metalnu konstrukciju stupa, transformatorske stanice ili ogradu i sl.. Visokoohmski spoj vodiča se ostvaruje preko niskog raslinja, kao proboj izolatora na drvenom stupu s betonskim podnožjem, pad povratnog vodiča na sitno raslinje, spoj poluizoliranih vodiča s raslinjem, spoj vodiča sa suhim drvetom i sl.. Kod prolaznih jednofaznih zemljospojeva treba razlikovati u osnovi dvije vrste: zemljospojevi koji nastaju usred prolaznih uzroka i poslije njegovog djelovanja ostavljaju neoštećenu izolaciju na mjestu kvara i zemljospojeve koji su posljedica djelomičnog narušavanja izolacije mreže ili, nezavisno od uzroka kvara, poslije gašenja ostavljaju na mjestu kvara oslabljenu izolaciju. U prvu grupu kvarova spadaju mnogi zemljospojevi uslijed atmosferskih pražnjenja, dodira ptica i drugih životinja, dodira grane drveća, kao i zemljospojevi uzrokovani preskokom preko izolatora uslijed sklopnih ili drugih unutarnjih prenapona u mreži. Ovakvih kvarova ima dosta u zračnim mrežama ali mogu nastati i u postrojenjima, kako zračnih, tako i kabelskih mreža. Ovdje obično dolazi do preskoka na sabirnicama, strujnim transformatorima, uvodnim izolatorima energetskih transformatora, raznim potpornim i provodnim izolatorima i dr.. Povećan broj kvarova ovakve vrste se dešava ako je izolacijski nivo mreže snižen uslijed vlage ili zaprljanosti, što je moguć slučaj u gradskim i industrijskim područjima. Navedeni kvarovi, ako ne dovedu uslijed termičkog djelovanja do trajnijeg kvara izolacije ili oštećenja elemenata postrojenja, ne ostavljaju posljedice i ne moraju se registrirati niti tražiti. Samogašenje opisanih zemljospojeva je poželjno u svakom pogledu. U drugu grupu zemljospojeva, koji ostavljaju trajne posljedice, mogu se svrstati i kvarovi u uljnoj izolaciji i kabelskoj masi kabelskih spojnica starije generacije, uslijed prodiranja vlage i zaostalih metalnih dijelova ili zaprljanosti, tvorničkih grešaka i nekvalitetne montaže. Do gašenja zemljospoja kod razmatranih oštećenja dolazi pod djelovanjem ulja, na isti način kao kod uljnih prekidača. Poslije prekida struje zemljospoja izolacija na mjestu kvara zaljeva se uljem ili drugom izolacijskom masom tako da se može dovoljno povratiti da podnosi nazivni napon mreže. U prolazne zemljospojeve koji uzrokuju trajni kvar treba svrstati i sve kvarove uslijed prolaznih uzroka koji su prouzrokovali oštećenje izolacije na mjestu kvara, takvi prolazni zemljospojevi, iako se gase i trenutno ne ometaju rad mreže, stvaraju slabe točke koje predstavljaju latentne izvore novih zemljospojeva i, što je naročito neugodno, i dvostrukih pa i višestrukih kvarova koji su nepoželjni, kako zbog naprezanja opreme, tako i ugrožavanja sigurnosti ljudi. Oštećenja na mjestu kvara su mala zbog malih struja zemljospoja. Iz istog razloga nije teško postići traženu sigurnost od opasnih napona dodira i koraka.
8
Utjecaj na telekomunikacijske vodove uslijed magnetske indukcije i struje kroz tlo su zanemarivi. Kod zračnih vodova može se javiti nepovoljan učinak električnog polja, posebno kod trajnih zemljospojeva koji uzrokuje radiosmetnje.
2.3. Intermitentni zemljospoj U izvjesnim slučajevima, posebno kod manjih vrijednosti struja jednofaznih zemljospojeva, može doći do višestrukog paljenja i gašenja električnog luka na mjestu kvara. Ponavljajući zemljospoj je dakle, serija samogasivih kvarova koji se ponovno pale kada napon faze u kvaru prijeñe dovoljnu vrijednost za ponovni proboj izolacije. Nakon proboja izolacije dolazi do prijelazne pojave. Spomenuta pojava u izoliranim mrežama često dovodi do znatnih prenapona, kako na ispravnim fazama, tako i na fazi pogoñenoj kvarom. Spomenuti prenaponi posljedica su superpozicije izmjeničnih komponenti napona normalne i povišene frekvencije, do kojih dolazi pri svakom paljenju luka, na istosmjernu komponentu zaostalu kod prethodnog gašenja luka. Zbog načina nastanka, razmatrani prenaponi nazivaju se, ''intermitentni prenaponi''. U [9] se navodi da prijelazni prenaponi mogu doseći vrijednosti od 2,8 do 3,5 puta u izoliranim mrežama, te je u izoliranim mrežama mogućnost pojave ponovnog paljenja luka evidentna. Uobičajena praksa u SN distribucijskim mrežama je brzo isključenje svih zemljospoja što sprečava nastanak intermitentnih prenapona. Izuzetak od ove prakse su rezonantno uzemljene mreže gdje se nastoji struja zemljospoja kompenzirati, što u konačnici rezultira strujama na mjestu kvara vrlo malih vrijednosti, a za posljedicu može imati i pojavu ponavljajućih zemljospojeva odnosno seriju samogasivih kvarova. U rezonantno uzemljenim mrežama prilikom intermitentnih zemljospojeva prijelazni prenaponi mogu doseći vrijednosti od 2,2 do 2,8 puta iznos faznog napona [9] te je vjerojatnost pojave ponovnog paljenja luka jako mala. Na slici 2.1 prikazani su oscilogrami napona/struje pri trajnom i ponavljajućem zemljospoju u rezonantno uzemljenoj mreži.
Slika 2.1: Primjer nultog napona/struje za a) trajni 50 Hz zemljospoj i b) ponavljajući zemljospoj
9
Samogašenje luka nije odreñeno samo strujom koja teče kroz točku kvara, nego i iznosom prijelaznog napona oporavka nakon uspješnog gašenja luka pri prolasku struje kroz nulu.
Mreže s izoliranom neutralnom točkom imaju vrlo brz porast napona oporavka i prema tome, mogućnost ponovnog paljenja zemljospojeva je puno veća nego u rezonantno uzemljenim mrežama. U rezonantno uzemljenim mrežama, vrijeme porasta je znatno povećano u usporedbi s mrežama s izoliranom neutralnom točkom. Razlog je taj da induktivitet kompenzacijske zavojnice pri prirodnoj frekvenciji mreže (50 Hz), posebno pri potpunom podešenju, s dozemnim kapacitetima mreže tvori oscilatorni krug uz prisutne dodatne elemente prigušenja (otpori u mreži i zavojnici). To je odgovorno za sporu i prigušenu prijelaznu reakciju napona oporavka nakon prvog gašenja luka.
Slika 2.2 prikazuje vektorski dijagram i oscilogram faznih napona pri povratu napona neutralne točke nakon zemljospoja u malo nadkompenziranoj mreži.
Slika 2.2: Vektorski dijagram prikazuje povrat napona neutralne točke nakon zemljospoja u formi spirale u malo nadkompenziranoj mreži. Oscilogram prikazuje fazne napone iz kojih se može vidjeti porast napona oporavka pogoñene faze nakon zemljospoja.
10
2.4. Primjeri zemljospoja u SN mreži Zavisno od veličine i karaktera otpora na mjestu kvara, zemljospoj u SN mreži poprima vrlo različite oblike od niskoohmskih pri metalnim spojevima do vrlo ozbiljnih visokoohmskih ili intermitentnih zemljospojeva koji u osnovi mogu prerasti u dvostruki zemljospoj ili kratki spoj. Osnovni kvarovi bez prekida vodiča:
- Uzemljenje faze preko krošnje drveta, - Uzemljenje faze preko niskog raslinja, - Uzemljenje faze preko suhog drveta, (30-100 kWWWW) - Lom i pucanje - proboj izolatora na betonskom stupu, - Lom i pucanje - proboj izolatora na drvenom stupu s ili bez betonskog
nogara, - Lom i pucanje - proboj izolatora na željezno rešetkastom stupu.
Slika 2.3: Primjeri loma i pucanja – proboja kompozitnih izolatora ugrañenih u elektrodistribucijsku mrežu
11
Slika 2.4: Oštećenja zateznih kompozitnih izolatora 24 kV
Slika 2.5: Pad stupa na zemlju – DV 10 kV Slika 2.6: Spoj vodiča i krošnje drveta na ZDV 10 kV
12
Osnovni kvarovi na povratnoj fazi s prekidom vodiča (slika 2.7): - Uzemljenje povratne faze preko krošnje drveta, - Uzemljenje povratne faze preko niskog raslinja, - Uzemljenje povratne faze preko suhog drveća, - Lom i pucanje - proboj izolatora na betonskom stupu – povratna faza, - Lom i pucanje - proboj izolatora na drvenom stupu s betonskim
podnožjem napojenog s povratne faze, - Lom i pucanje - proboj izolatora na drvenom stupu – povratne faze i - Lom i pucanje - proboj izolatora na željezno rešetkastom stupu.
Slika 2.7: “Stražnji” ili povratni zemljospoj (eng. rearward ili backward earthfault)
Specifični kvarovi: - Zemljospoj na SN transformatoru (sitne životinje na transformatoru -
ptice…) - Zemljospoj na provodnim izolatorima SN trafostanice - Dvostruki zemljospoj - oštećeni kabelski završeci ili izolacija na spojevima (visokoohmski
zemljospojevi u kabelskim mrežama), - kvarovi unutar izolacije kabela, - zemljospojevi kod plastikom izoliranih nadzemnih vodiča.
Ovi kvarovi mogu rezultirati ponavljajućim zemljospojevima. U tom slučaju luk se pali na mjestu kvara pa se onda gasi zbog kompenzacije. Zbog sporog povrata napona vodiča u kvaru, ponovno paljenje luka se odgaña za nekoliko perioda. Prosječna struja zemljospoja u vremenu je mala tako da su ponavljajući zemljospojevi ekvivalentni visokoomskim zemljospojevima.
13
Slika 2.8: Proboj porculanskih provodnih izolatora TS 35/10 kV
Slika 2.9: Proboj aralditnog provodnog izolatora u TS 10/0,4 kV
14
3. Načini uzemljenja neutralne to čke 10(20) kV mreža
3.1. Općenito o na činu uzemljenja neutralne to čke 10(20) kV mreža U ovom dijelu opisuju se osnovni načini uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže pri čemu se ravnopravno koristi terminologija uzemljenja neutralne točke SN mreže (transformatora) i uzemljenje zvjezdišta SN mreže (transformatora). Oba spomenuta termina ustaljena su u domaćoj literaturi. U svijetu se koristi više različitih načina uzemljenja neutralne točke; od izravnog uzemljenja (GB), sistematskog i distribuiranog (USA), do izolirane neutralne točke (I, JPN, IRL), preko uzemljenja pomoću stalne impedancije (F, E,…) ili promjenljive impedancije (A, D, skandinavske zemlje i zemlje istočne Europe) [1]. Tablica 3.1: Načini uzemljenja neutralne točke u nekim zemljama
Austrija Electrabel ENSA Njemačka EDF ENEL EDP Finska Iberdrola
Izolirana 4% 3% Da ~100% 80%
Izravno uzemljena
70%
Impedantno uzmljena 95% ~100% 100% 30%
Kompenzirano uzemljena
91% 2% Da Da 4 mreže s tendencijom razvoja
Nekoliko mreža
20%
Kompenzirano s kratkim uzemljenjem
5% Da
Napomena: posljednjih godina evidentiran je trend promjena u načinu uzemljenja, i zemlje koje su bile sklone izoliranim mrežama (I) i uzemljenim pomoću otpornika male vrijednosti (F) posljednjih godina primjenjuju rezonantno uzemljenje. Ovako velik broj načina uzemljenja neutralne točke razlog je ustupaka izmeñu dva glavna i meñusobno suprotna zahtijeva:
• Smanjivanje amplitude struje zemljospoja, što može uzrokovati teškoće pri otkrivanju kvarova,
• Dopuštanje većih amplituda struja zemljospoja, što olakšava otkrivanje kvarova ali može uzrokovati opasne napone pri odvoñenju velikih struja kroz tlo, a smanjuje se i stalnost napajanja.
U osnovi, jednoznačan odabir načina uzemljenja nije moguć bez analize fizičkih karakteristika elektroenergetske mreže (nadzemna ili kabelska, kratka ili duga), gustoći i prirodi opterećenja, kao i o kvaliteti instaliranog sustava uzemljenja u niskonaponskim mrežama i pripadnim TS. Nadalje, u posljednje
15
vrijeme, obzirom na otvaranje i liberalizaciju tržišta električne energije postaje sve važniji a možda i ključan parametar pri odabiru načina uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže, kvaliteta električne energije i težnja da se prekidi isporuke električne energije smanje na najmanju moguću mjeru. Svaki zemljospoj i dozemni kratki spoj u mreži dovodi do nesimetrije u mreži. Napon vodiča je prema zemlji (napon vodič – zemlja) promjenjiv. Istodobno struje se zatvaraju kroz zemlju. Vrsta uzemljenja zvjezdišta pri kvaru s dodirom zemlje odreñuje visinu napona vodič – zemlja te veličinu struje koja se zatvara kroz zemlju. Na taj način naprezanje izolacije, opterećenje sustava uzemljenja, opasnost za osoblje te utjecaj stranih postrojenja postaju neposredno ovisni o vrsti uzemljenja zvjezdišta. Optimalno se uzemljenje zvjezdišta stoga ne može načiniti za sva vremena i za sve mreže, već kako je već konstatirano ovisi o više različitih kriterija. U distributivnim mrežama pogon s izoliranim zvjezdištem ima mnogo nedostataka zbog mogućih posljedičnih kvarova. Nasuprot tome, nedostatak je maloomskog uzemljenja zvjezdišta u tome da mjere protiv opasnih napona, te mjere za zaštitu od kratkog spoja, mogu postati vrlo opsežne ili čak nedostižne. Pregled bitnih značajki različitih vrsta uzemljenja zvjezdišta dane su u tablici 3.2. U mrežama s izoliranim zvjezdištem ili kompenzacijom zemljospoja može se napajanje nastaviti nakon pojave jednopolnog kvara sve dok se mjesto kvara ne otkrije, a mreža prespoji.
16
Tablica 3.2: Značajke i područja upotrebe različitih vrsta uzemljenja neutralne točke
Maloomsko uzemljenje zvjezdišta
Izolirano zvjezdište
Zvjezdište s kompenzacijom
zemljospoja
Preko impedancije (s ograničenjem struje)
Neposredno (izravno)
Struja na mjestu kvara (jednopolni kvar)
kapacitivna struja zemljospoja
preostala struja zemljospoja
struja jednopolnog kratkog spoja
Z0/Z1 20…200 visokoomsko ( ∞→ ) 4…100 1…5
Povišenje napona na zdravim faznim vodičima
da, vodiči dolaze na linijski napon
da, vodiči dolaze na linijski napon ne ne
koeficijent uzemljenja 1 1 0.8…1 0.75…0.8
Električni luk kroz zrak prema uzemljenim
dijelovima
samogasivi do jakosti struje nekoliko ampera
samogasivi sasvim do granice gasivosti većinom postojan postojan
Trajanje kvara nije samogasiv, pri prijelaznome maloomskom uzemljenju zvjezdišta traje 10…60 min
<1s pri brzom isklopu kvara, tk<0.5s
Mjerenje uzemljenja napon uzemljenja UE<125 V
dodirni napon UB<65 V
napon uzemljenja UE<125 V dodirni napon UB=UBzul(tF)
Uporaba u manjim srednjo- naponskim mrežama
u većim srednjonaponskim mrežama te nadzemnim
mrežama do 110 kV
u kabelskim mrežama 10…110 kV
u visokonaponskim mrežama >110 kV
17
Detaljnije će se razmatrati tri osnovna načina tretmana zvjezdišta 10(20) kV mreže, koji se koriste u našim distributivnim mrežama i to:
• izolirano; • uzemljeno preko omskog otpora male vrijednosti; • uzemljeno preko prigušnice.
3.2. Vrste uzemljenja neutralne to čke Na osnovi vrlo pojednostavljenog prikaza rada srednjenaponskih (SN) mreža pri zemljospoju sa slike 3.1., ukratko se opisuju značajke osnovnih načina uzemljenja neutralne točke koji se koriste u Hrvatskoj i svijetu [1,5,6]. Pri tome se opisuju osnovne značajke vezane za:
• sigurnost pogona SN mreže (opasnost za sigurnost ljudi) • selektivnost relejne zaštite • utjecaj na dimenzioniranje uzemljenja (zaštitnog i združenog) • kvalitetu opskrbe električnom energijom kupaca (promjene napona, prekide
napajanja, i prenapone izmeñu faznih vodiča i zemlje) • veličinu investicije (isplativost).
Slika 3.1: Pojednostavljeni prikaz rada srednjenaponskih mreža pri zemljospoju
3.2.1. Izravno uzemljenje U ovom slučaju, fazni napon se u punom iznosu postavlja na kvar. Neutralna impedancija je približno nula i vrlo je mala u odnosu na impedanciju Zkv, koja predstavlja kvar. Prijelazna impedancija na mjestu kvara Zkv u pravilu ima radni karakter Zkv ≈ Rkv, pa se umjesto Zkv može pisati Rkv. Potencijal neutralne točke ostaje praktički jednak potencijalu zemlje dok se fazni naponi neznatno
18
mijenjaju. Na mjestu kvara se oslobaña veliki iznos energije. Izravno uzemljenje se može ostvariti na dva načina, ovisno o tome je li neutralna točka distribuirana ili ne.
• Izravno uzemljenje s nedistribuiranom neutralnom to čkom Izravno uzemljenje s nedistribuiranom neutralnom točkom ili izravno uzemljenja bez sustava za izjednačavanje potencijala je uzemljenje u kojem je neutralna točka uzemljena samo na jednom mjestu odnosno u trafostanici. Ovakav način uzemljenja se uglavnom koristi u Velikoj Britaniji. Struje zemljospoja imaju vrlo velike amplitude pa se zemljospojevi u ovakvim mrežama nazivaju jednofaznim (jednopolnim) kratkim spojevima. Otkrivanje zemljospojeva je jednostavno praćenjem nultih struja izvoda (vodova). Razina izolacije je niska i dimenzionirana je na fazni napon. Naponi na mjestu kvara se relativno teško kontroliraju jer su osjetljivi na vrijednosti otpora uzemljenja koje moraju biti vrlo male. Kvaliteta napajanja je prilično mala. Razorni kvarovi, često prelaze u meñufazne kvarove pa je potrebno brzo isključivanje.
• Izravno uzemljenje s distribuiranom neutralnom to čkom Izravno uzemljenje s distribuiranom neutralnom točkom ili izravno uzemljenje sa sustavom za izjednačavanje potencijala je uzemljenje u kojem je neutralna točka uzemljena na više mjesta. Sustav uzemljenja je sličan kao u europskim niskonaponskim mrežama. Ovakav način uzemljenja se uglavnom koristi u SAD i Kanadi. Struje zemljospoja imaju vrlo velike amplitude pa se zemljospojevi u ovakvim mrežama nazivaju jednofaznim (jednopolnim) kratkim spojevima. Zemljospojevi se najčešće otkrivaju jednostavnim sustavima prorade na maksimalne struje (uglavnom osigurači). Razina izolacije je niska i dimenzionirana je na fazni napon. Ovakav način uzemljenja dopušta jednofazno napajanje. Velika energija se oslobaña na mjestu kvara, tako da se oni moraju vrlo brzo isključivati. Otkrivanje kvarova kod kojih struja zemljospoja ne prelazi znatno struju opterećenja je otežano. Ovaj problem je uzrokovao razvoj nekih inovativnih rješenja koja omogućuju otkrivanje zemljospojeva s pojavom luka i zemljospojeva s velikom impedancijom na mjestu kvara. Posebnu pažnju je potrebno obratiti pri ugradnji uzemljivačkih elektroda i na neprekinutost neutralnog vodiča. Tehničke granice pogona mreža s izravno uzemljenom neutralnom točkom predstavljaju uvjeti bezopasnosti u sustavu uzemljenja i magnetski i galvanski utjecaji na telekomunikacijske instalacije. U mrežama koje su u naseljenim područjima teško je zadovoljiti oba spomenuta uvjeta. Najveće struje zemljospoja koje se smiju dozvoliti u mrežama iz kojih se napajaju niskonaponske mreže ne smiju biti veće od 1500 A, i to samo u slučajevima u kojima je dobro izvedeno izjednačavanje potencijala u instalacijama korisnika. Maksimalni faktor prenapona pri nastanku zemljospoja u pravilu je manji od 2, a faktor stacionarnih prenapona nije veći od 0,8 3 1,38= . Zbog velike energije koja se oslobaña na mjestu kvara, oštećenja na mjestu zemljospoja mogu biti velika. Pogon i održavanje mreže su jednostavni. Zaštita je jednostavna i može se izvesti i kao fazna. Zbog velikih struja zemljospoja kod izravnih uzemljenja kao i kod uzemljenja preko male impedancije, uglavnom se upotrebljava termin jednofazni (jednopolni) kratki spoj. Odreñen broj
19
prolaznih kvarova prelazi u trajne, tako da se uvoñenjem APU-a ne mogu očekivati znatni pozitivni efekti. Ovaj način uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreža u Hrvatskoj se ne koristi.
3.2.2. Izolirana neutralna to čka U slučaju zemljospoja u ovakvim mrežama samo dozemni kapaciteti omogućavaju prolazak struje kroz mjesto kvara (Rk), Jakost struje zemljospoja pri pogonu s izoliranim zvjezdištem ovisi o veličini mreže. Pri malim vrijednostima otpor na mjestu kvara, napon neutralne točke prema zemlji U0 je približno jednak faznom naponu, dok naponi zdravih faza dolaze na meñufazni (linijski) napon prema zemlji. Otkrivanje kvarova u ovim mrežama je otežano zbog malih struja zemljospoja, ali se iz istog razloga može teoretski dopustiti pogon i u slučaju kvara kroz duže vrijeme (max. do 2 h). Ovaj način uzemljenja neutralne točke prihvatljiv je uglavnom u manjim mrežama, posebno nadzemnim. U mrežama koje imaju kabelske sekcije značajnije duljine, struje koje se zatvaraju kroz dozemne kapacitete postaju previsoke.
L
Cz Cz Cz
I1k
Ic
Slika 3.2: Dozemni spoj vodiča L3 u mreži s izoliranim zvjezdištem Promatrati će se pojednostavljena shema 20 kV mreže (slika 3.3.a)). Pretpostaviti će se zemljospoj faze L3 na vodu a, te za taj slučaj ucrtati tokove struje kvara. Zdrave vodove i prilike u njima predstavlja vod b. Radi bolje preglednosti razmatrat će se zemljospoj bez prijelaznog otpora na mjestu kvara (Rk = 0). Isto tako zanemarit će se odvod i uzdužne impedancije vodova, te impedancija pojnog transformatora, koji zbog male vrijednosti u usporedbi s kapacitivnim otporom vodova relativno malo utječu na sliku realnog stanja.
Naponi i struje, prikazani su na vektorskom dijagramu na slici 3.3.b), pri čemu u ovom slučaju vrijedi: a) Rk = 0 Naponi:
Napon faze u kvaru dolazi na potencijal zemlje, a napon zvijezdišta poprima napon faze u kvaru, ali je suprotnog polariteta. Napon zdravih faza prema zemlji poprima vrijednost linijskog napona. Vektorski zbroj napona svih faza jednak je trostrukoj vrijednosti napona zvjezdišta (3U0).
20
Dakle vrijedi: 03 =′LU
v (3.1)
11311 3 LLLLL UUUUU =′⇒−=′rrr
(3.2)
22322 3 LLLLL UUUUU =′⇒−=′rrr
(3.3)
3210 33 LLL UUUUrrr
−=′+′= (3.4)
30 LUUrr
−= (3.5)
Struje: U zdravim vodovima (vod b), teku: u zdravim fazama:
Kapacitivne struje bcLI −1
r i bcLI −2
r, koje kroz dozemne kapacitete voda Cz-b
protjeraju naponi 1LU ′r
i 2LU ′r
, a teku prema izvoru. Obzirom da se radi o kapacitivnim strujama, ove struje idu ispred pripadnih napona za 90°. Pri tom je: bzfbcLbcL CUII −−− == ω321 (3.6)
11 LbzbcL UCjI ′= −−
rrω (3.7)
22 LbzbcL UCjI ′= −−
rrω (3.8)
bcLbcLbc III −−− += 21
rrr (3.9)
u fazi u kvaru: nema struje, obzirom da je napon te faze prema zemlji: 03 =′LU
r
U vodu u kvaru (vod a), teku: u zdravim fazama
Struje adekvatne strujama u zdravim vodovima acLI −1
ri acLI −2
r, pri čemu je kao
i u zdravim vodovima: azfacLacL CUII −−− == ω321 (3.10)
11 LazacL UCjI ′= −−
rrω (3.11)
22 LazacL UCjI ′= −−
rrω (3.12)
acLacLac III −−− += 21
rrr (3.13)
u fazi u kvaru: zbroj kapacitivnih struja zdravih faza svih vodova, uključivo vod u kvaru:
bcacc III −− +=rrr
(3.14)
Ova je struja posljedica prirode spoja (smjer joj je prema mjestu kvara), zato je i u vektorskom dijagramu usmjerena suprotno od struje zdravih vodova (primjerice bcLI −1
v). Ona je jednaka ukupnoj kapacitivnoj struji mreže, odnosno struji
jednopolnog kvara, dakle: fzbcackcaL UCjIIIII ω3)(13 −=+−==−= −−−
rvrrr (3.15)
21
Apsolutna vrijednost kapacitivne struje zemljospoja je: fzc UCI ω3= (3.16)
Ukupna struja zemljospoja kroz mjesto kvara. zC kapacitet vodiča prema zemlji
UCI zc ω3= (3.17)
Veličina kapacitivne struje mreže dakle ovisi o ukupnom kapacitetu mreže
faza-zemlja (Cz) a ovaj opet o vrsti voda (nadzemni ili kabelski) i duljini svih galvanski povezanih vodova. Ta je struja, ako je kvar bez prijelaznog otpora na mjestu kvara, jednaka na bilo kojem mjestu mreže.
22
b) vektorski dijagrama) Tok struja u mreži
IcL2-aIcL1-a
I1K
Ic
IcL1-bIcL2-b
U'L1
U'L2
UL1
UL2
U03U0
RK
U0
IL3-a=-Ic=I1K
L1
L2
L3
Cz-a
IcL1-a
IcL2-a
Ic-a
a - vod u kvaru
20 kV
b - zdravi vodovi
Ic-b
IcL2-b
IcL1-b
Cz-b
L3
L2
L1
Sl. 2.1 Izolirano zvjezdište
UL3
Slika 3.3: Tijek struja kvara u mreži s izoliranom neutralnom točkom
23
b) Rk ≠ 0 Kod zemljospoja meñutim obično postoji odreñeni otpor kvara (Rk), koji
utječe na smanjenje struje kvara i napona zvjezdišta. kapacitivna struja:
2
kf
c
cc
)RU
I(1
II
+=′ (3.18)
napon zvjezdišta:
cz
0 IωC3
1U ′= , (3.19)
a njegova relativna vrijednost:
2
0
)3(1
1
kzf RCU
U
ω+= (3.20)
Slika 3.4.Ovisnost napona zvjezdišta o prijelaznom otporu na mjestu kvara u mreži s izoliranom neutralnom točkom
Iz podataka u tablici 3.3. lako je uočiti da kabeli znatno utječu na ukupne iznose kapaciteta prema zemlji a time i na ukupnu nultu impedanciju odnosno admitanciju.
24
Tablica 3.3: Iznos dozemnih kapaciteta vodiča nekoliko tipova vodova za 20 kV mreže i pripadajuće kapacitivne struje zemljospoja Ic za otpor na mjestu kvara Rk=0
Vrsta voda Specifični kapacitet vodiča prema zemlji
Cz [ ]kmF /µ Specifična kapacitivna struja zemljospoja Ic [A/km]
Nadzemni vod 3105 −⋅≈ 054.0≈ EHP 48-A 3X(1X 95) 0.223 2.42 XHP 48 3X(1X 240) 0.309 3.36
3.2.1.1. Prekidanje struje zemljospoja Na slici 3.5. a) prikazana je ekvivalentna shema distribucijske mreže sa zemljospojem na fazi L1. pretpostavlja se da je mreža neopterećena. Sa eL1, eL2 i eL3 označene su elektromotorne sile napojne mreže. Slika 3.5 b) prikazuje vektorski dijagram napona i struje u promatranim uvjetima. Isprekidana linija predstavlja referentnu vremensku os, na dijagramu je označena referentna točka nultog potencijala – zemlja.
0
eL3iL3
Cz
eL2
eL1
iL2
iL1
Cz
Cz
t0ω
t'1
t2EL2
IL3
IL1IL2
EL3
EL10t1
a) b)
Slika 3.5. a) Ekvivalentna shema sa zemljospojem na fazi L1, b) vektorski dijagram napona i struja Pretpostavimo da su se kontakti prekidača počeli razmicati u trenutku t0 koji prethodi nultoj vrijednosti struje zemljospoja, iL1 (slika 3.5.) u trenutku t1 struja iL1 dobije nultu vrijednost tako da dolazi do isključenja faze L1. Poslije prekidanja struje faze L1 shema mreže dobiva oblik kao na slici 3.6. a). Pošto je faza L1 odvojena od zemlje, u mreži se uspostavlja vektorski dijagram napona i struje prikazan na slici 3.6. b). Kako se vidi izmeñu kontakata prekidača u fazi L1 pojavljuje se povratni napon up= fU21.5 ⋅⋅ koji će odmah, u trenutku t'1 (slika 3.5. a)), dovesti do ponovnog paljenja luka, tako da će se mreža vratiti u situaciju na (slici 3.5. a) i b)).
25
0
eL3iL3
Cz
eL2
eL1
iL2Cz
Cz
a) b)
t1 IL3 IL2 0 EL1
EL2
EL3
Up
Slika 3.6. a) isključena faza L1, b) nastali vektorski dijagram
U trenutku t2 (slika 3.5. b)) dolazi do gašenja struje u fazi L2, faza L2 voda ostaje opterećena sa naponom fU23 ⋅⋅ . Shema mreže i vektorski dijagram napona i struje poslije prekidanja struje iL2 prikazani su na (slici 3.7. a) i b)). Kako se vidi na (slici 3.7. b)) struje iL3 i iL1 dobivaju svoje nulte vrijednosti u trenutku t3.
0
eL3iL3
Cz
eL2
eL1
Cz
Cz
a) b)
0 EL1
EL2
EL3
t2
t3
IL3
IL1
iL1
Slika 3.7: a) došlo je do gašenja struje u fazi L2, b) pripadajući vektorski dijagram
Poslije gašenja ovih struja izvor napajanja odvojen je potpuno od vodova (slika 3.8. a)), iz vektorskog dijagrama b) vidi se, meñutim, da neutralna točka dolazi na nulti potencijal, izmeñu kontakata prekidača u fazi L1 uspostavlja se
povratni napon fp U22
3u ⋅⋅= , koji će odmah, u trenutku t'3 neposredno poslije
t3, dovest do ponovnog paljenja luka u navedenoj fazi.
26
0
eL3 Cz
eL2
eL1
Cz
Cz
a) b)
EL1
EL2
EL3
t'3
Up
Slika 3.8: a) izvor napajanja odvojen je od vodova, b) pripadajući vektorski dijagram Ekvivalentna shema mreže i vektorski dijagram poslije trenutka t'3 prikazani su na (slici 3.9. a i b) do ponovnog paljenja luka na kontaktima prekidača u fazi L2 u najnepovoljnijem slučaju, doći će u trenutku t4 kada napon faze L2 prema zemlji dostigne svoju maksimalnu negativnu vrijednost b). Na fazi L2 pojavio bi se tad prenapon fm U24.23u ⋅⋅= . Što predstavlja ozbiljan prenapon za mrežu. Radi zaštite električne opreme od prenapona u mrežama se koriste odvodnici prenapona koji sprječavaju oštećenja izolacija opreme.
0
eL3 Cz
eL2
eL1
Cz
Cz
a) b)
0 EL1
EL2
EL3
t4
Slika 3.9: a) Ekvivalentna shema mreže za trenutak t4, b) vektorski dijagram najnepovoljnijeg slučaja U Hrvatskoj većina mreža 10(20) kV naponskog nivoa radi s izoliranom neutralnom točkom. To su mreže pretežito u vangradskim područjima, pretežito nadzemne sa dozemnim strujama koje ne prelaze 50 A. Važeća tehnička regulativa dopušta pogon mreže sa izoliranom neutralnom točkom prema slijedećoj tablici:
27
Tablica 3.4: Granične vrijednosti struja mjerodavnih za napuštanje pogona mreže s izoliranom točkom
Nazivni napon (kV) 6 kV 10 kV 20 kV 35 kV
Granična struja dozemnog spoja (A)
30 A 20 A 15 A 10 A
Te su vrijednosti struja dozemnih spojeva bile odreñene u skladu sa očekivanim strujama samogašenja u slučajevima prolaznih dozemnih spojeva. Kada bi te struje premašile navedene vrijednosti preporučuje se ili razdvajanje mreža ili priprema za uzemljenje neutralne točke kako bi se smanjili prenaponi prilikom dozemnih spojeva. Pogon mreže s izoliranom neutralnom točkom predstavlja najjednostavnije i najjeftinije rješenje. Ono, teoretski omogućuje pogon bez prekida u slučaju zemljospoja, tako da se kvar može ukloniti u najpovoljnije vrijeme za potrošače. Meñutim, širenjem mreže struje zemljospoja postaju veće od graničnih struja odreñenih propisima. Ovakav pogon mreže na taj način gubi svoju glavnu odliku, a to je održavanje uvjeta za samogašenje zemljospoja bez potrebe za intervencijom zaštite ili osoblja. Prilikom jednofaznog zemljospoja naponi zdravih faza prema zemlji mogu narasti do veličine linijskog napona što stvara opasnost da se pojavi dvofazni zemljospoj kod kojeg su struje po veličini slične strujama tropolnog kratkog spoja. Smatra se da postoje uvjeti za nastanak dvostrukog dozemnog spoja ako mreža radi u stanju dozemnog spoja duže od 2 sata. Rad mreže s izoliranom neutralnom točkom donosi odreñene prednosti:
• jednostavnost pogona, • kod prolaznih zemljospojeva dolazi do gašenja struje zemljospoja, ako ta
struja nije previsoka, • kod trajnih zemljospojeva teoretski je moguć nastavak pogona do lociranja
mjesta zemljospoja, • oštećenja na mjestu kvara obično nisu velika, • zaštita od opasnih napona dodira obično je jednostavna.
Meñutim, takve mreže imaju u pogonu i niz nedostataka:
• kod većih kapacitivnih struja zemljospoja ne dolazi do samogašenja struja prolaznih zemljospojeva,
• ako mreža duže radi u stanju zemljospoja, raste vjerojatnost pojave dvostrukog zemljospoja,
• kod malih struja zemljospoja postoji mogućnost pojave intermitirajućih prenapona koji mogu poprimiti visoke vrijednosti,
• kod malih struja zemljospja (visokoohmski kvarovi) selektivnost relejne zaštite je upitna,
• unutrašnji prenaponi u ovakvim mrežama redovito su viši od prenapona u mrežama uzemljenim preko maloomskog otpornika.
28
3.2.3. Uzemljenje neutralne to čke pomo ću impedancije male vrijednosti Ako se neutralna točka napojnog transformatora x/10(20) kV uzemlji preko
male impedancije mogu se ograničiti prelazni prenaponi pri nastanku jednopolnih kratkih spojeva uz istovremeno povećanje struja jednopolnih kvarova. Naime, u uvjetima uzemljenja neutralne točke pomoću impedancije male vrijednosti govorimo o jednopolnim kratkim spojevima a ne više o dozemnim spojevima. Povećana struja jednopolnog kratkog spoja osigurava, takoñer stabilan električni luk na mjestu kvara, čime se onemogućava pojava intermitirajućih prenapona. Povećanje vrijednost struje olakšava otkrivanje kvara i zahtjeva jednostavniju relejnu zaštitu, ali se zahtijeva automatsko isključenje svakog jednopolnog kvara, isto kao i bilo kod drugog kvara. Zbog većih vrijednosti struje kratkog spoja, otežavaju se uvjeti uzemljenja. Takoñer se mora voditi računa i o opasnim naponima koji se mogu pojavit na paralelno postavljenim telekomunikacijskim vodovima. Uzemljenje može biti izvedeno preko otpornika, metalnog ili elektrolitskog, ili preko reaktancije.
L3
Cz Cz Cz
I1k
ZN IcIR
Slika 3.10: Zemljospoj vodiča L3 u mreži s maloomskim uzemljenjem zvjezdišta
Uzemljenje neutralne točke preko male impedancije u značajnoj se mjeri
koristi u Hrvatskoj elektrodistribucijskoj mreži. Cilj ovakvog pristupa je kontrolirati amplitudu struje kvara, pri čemu je omogućavano sigurno i brzo otkrivanja jednopolnih kratkih spojeva ali i ostajanje unutar granica dopuštenih prenapona. Razina izolacije izmeñu faza i zemlje mora biti dimenzionirana na razinu linijskog napona.
U mrežama s malim ukupnim dozemnim kapacitetom, ograničavanje struje se vrši obično radnim otporom (RN). Kada se zanemare dozemni kapaciteti i otpor zaštitnog (združenog) uzemljenja (RN<<1/3ω Cz i Ruz=0) maksimalna struja kvara, koja nastaje kad je otpor na mjestu kvara jednak nuli (Rk=0), odreñeno je omjerom Un/ 3 RN. U mrežama s većim ukupnim dozemnim kapacitetom, potrebno je osigurati da radna komponenta struje kvara, odnosno induktivna komponenta kod reaktantno uzemljenih mreža, bude veća od kapacitivne komponente. Takve mreže su mreže s većim udjelom kabelskih sekcija kakve su uglavnom mreže u
29
urbanim područjima. Meñutim, u današnje vrijeme se i u ruralnim mrežama sve više povećava udio kabelskih sekcija. U Hrvatskoj se mreže srednjeg napona uzemljuju maloomskim otpornicima koji ograničavaju struje kvara na 150 ili 300 A, a iznimno (zagrebačka 35 kV mreža) na 1000 A. Uzemljenje preko male impedancije uglavnom nema tehničkih ograničenja obzirom na samo tehnološku izvedivost otpornika i pripadajuće relejne zaštite. Samo u nekim izuzetnim slučajevima odreñena ograničenja mogu uvjetovati dimenzije otpornika.
Oštećenja na mjestu jednopolnih kratkih spojeva veća su nego kod izoliranih ili kompenziranih mreža. Ograničena oštećenja koja se mogu pojaviti pri ovakvom načinu uzemljenja imaju pozitivno svojstvo da olakšaju otkrivanje mjesta kvara. U mreži ne zaostaju latentni kvarovi jer se izolacija ne može regenerirati. Isključuju se svi jednopolni kvarovi, kako trajnog tako i prolaznog karaktera. Jednopolni kratki spoj ne prelazi u druge složenije kvarove. Maksimalni faktor prenapona ovisi o usvojenoj impedanciji i karakterističnim parametrima mreže i praktički je izmeñu 1,8 i 2,5. Faktor stacionarnog prenapona u mrežama uzemljenim preko otpornika može bit do 1,8, dok je u mrežama uzemljenim preko reaktancije manji od 3 . Zaštita od jednopolnih kvarova uglavnom se izvodi preko nultih komponenti struja s fiksnom ili inverznom vremenskom karakteristikom, sa ili bez usmjerenja te s APU-om.
Pouzdanost isporuke električne energije, a time i kvaliteta električne energije manja je ili jednaka u odnosu na izolirane mreže jer se isključuju i prolazni kvarovi, pa su i veće štete uslijed neisporučene energije i prekida napajanja. Ove nepoželjne pojave umanjuju se primjenom APU-a posebno u zračnim mrežama koje imaju velik postotak prolaznih jednopolnih kvarova u odnosu na ostale kvarove. Uz APU, u nekim zemljama, se primjenjuju i druga rješenja (npr. alternativna metoda uzemljenja opisana u poglavlju 7). Uzemljenjem neutralne točke pomoću otpornika male vrijednosti postižu se sljedeće prednosti:
• brzo i selektivno djelovanje zaštite od jednopolnih kratkih spojeva s mogućnošću ugradnje sustava brzog (APU) na nadzemne vodove, čime se otklanja većina prolaznih kvarova,
• smanjenje razine unutarnjih prenapona, te uklanjanje opasnosti od pojave visokih interminirajući prenapona,
• svoñenje pojave dvostrukih dozemnih spojeva na minimum. Analiza struja i napona u SN mreži sa maloohmskim uzemljenjem:
Neutralna točka je uzemljena pomoću omskog otpora male vrijednosti ZN = RN. U odnosu na slučaj izolirane mreže napon zvjezdišta 0U
r kroz otpornik protjera
radnu struju RIr
, koja se zatvara preko faze s zemnim spojem voda u kvaru, te preko mjesta kvara, zemlju i otpornik natrag prema izvoru. Ta je struja u fazi s naponom 0U
r, ali zbog prirode spoja, u fazi koja je u spoju sa zemljom ima
suprotan smjer.
30
Kapacitivna komponenta struje kvara ostaje ista kao u izoliranoj mreži. U odnosu na izoliranu neutralnu točku raste struja kvara i kut izmeñu napona 0U
r i
struje kvara. Rast ovih veličina ovisi o izboru veličine otpora. Tok struje kvara i pojednostavljeni vektorski dijagram prikazani su na (slici 3.11.). Za struju kvara vrijedi:
221 cRk III += (3.21)
31
L1
L2
L3
Cz-b
IcL1-b
IcL2-b
Ic-b
b - zdravi vodovi
20 kV
a - vod u kvaru
Ic-a
IcL2-a
IcL1-a
Cz-a
L3
L2
L1
IL3-a=I1K
U0
RK
IR
a) Tok struja u mreži b) vektorski dijagram
ZN=RN
IR
IR
IR
U0
I1K
Ic
Slika 3.11: Neutralna točka uzemljena preko otpornika male vrijednosti
32
Odreñivanje struje zemljospoja:
0IµI cc ⋅= (3.22) Struja koja bi potekla kad bi se kvar desio na početku voda, pa bi tad
slijedilo Unf=Ufz, kad bi reaktancije napojne mreže i transformatora bile zanemarivo male u usporedbi sa impedancijom uzemljenja, što je redovit slučaj. ZN=RN
N
nf0 Z
UI =c (3.23)
1
N
202
N
0
nf
fz
Z3
ZZ2
Z3
XX2j1
U
Uµ
−
⋅+⋅
+⋅+⋅
+= (3.24)
Dijagrami su napravljeni na osnovi izraza (3.24). Dijagram na (slici 3.12.) dobiven je za kabele 35 kV presjeka Cu-95 mm2 sa olovnim plaštem koji ima impedancije Z2=0,2+j0,1 Ω /km i Z20=1+j1,2 Ω /km. Kako rezultantna impedancija 2Z2+Z20 za promatrane kabele ima jednak realni i imaginarni dio, parametar µ bit će isti za mreže uzemljene preko otpornika ili preko reaktancije. Zbog toga se dijagram na (slici 3.12.) može koristiti i kod mreža uzemljenih preko reaktancije. Ako je, mreža 10 kV uzemljena preko otpornika RN=20 Ω , vrijednost µ odgovara prema krivulji RN=12 Ω , to jest promatramo parametar µ za rang nižu krivulju, zbog toga što je nulta otpornost približno dva puta veća za isti presjek.
µ1
0.8
0.6
0.4
0.2
00 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Ω
46
1220
50
Slika 3.12. Ovisnost parametra µ za kabel Cu-95 mm2, o veličini maloomskog otpora preko kojeg je uzemljena neutralna točka
33
µ1
0.8
0.6
0.4
0.2
00 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
46
12
20
50
Ω
Slika 3.13. Ovisnost parametra µ za zračni vod Al-če presjeka 70/12 mm2, o
veličini maloomskog otpora preko kojeg je uzemljena neutralna točka
µ1
0.8
0.6
0.4
0.2
00 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
46
12
20
50
Ω
Slika 3.14. Ovisnost parametra µ za zračni vod Al-če presjeka 70/12 mm2, o veličini maloomske reaktancije preko kojeg je uzemljena neutralna točka
Naponi zdravih faza: Stacionarne vrijednosti napona zdravih faza ''L1'' i ''L2'' pri zemljospoju faze ''L3'' računaju se preko općih izraza (3.25) i (3.26), ako, pretpostavimo da je do kvara došlo na početku voda i da su reaktancije X i X0 približno jednake.
34
fzN
N3
π2j
2L UjXZ
ZeU ⋅
+−=
− (3.25)
fzN
N3
π2j
1L UjXZ
ZeU ⋅
+−= (3.26)
Na osnovu izraza (3.25) i (3.26) dolazi se do izraza za faktore stacionarnih prenapona ispravnih faza.
+−==
−
jXZ
Ze
U
Uk
N
N3
π2j
fz
2L2L (3.27)
+−==
−
jXZ
Ze
U
Uk
N
N3
π2j
fz
3L1L (3.28)
Za slučaj uzemljenja preko otpornosti ZN=RN, iz općih formula (3.27) i (3.28) dobiju se, poslije jednostavnih transformacija, sljedeći izrazi za faktore prenapona, a=RN/X.
1a
1a3a3k
2
2
2L ++⋅−⋅= (3.29)
1a
1a3a3k
2
2
1L ++⋅+⋅= (3.30)
0 2 4 6 8 10 12 14
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
1.73
0.6
k
a
kL1,kL2
kL2
kL1
Slika 3.15. Faktori prenapona zdravih faza
35
Kako se vidi iz izvedenih izraza, faktor prenapona za obje ispravne faze zavise od RN i X. Zavisnost (3.29) i (3.30) prikazane su grafički na dijagramu (slika 3.15.). Iz dijagrama se vidi da faktor kL1 može iznosit i do 1,82 što je približna vrijednost 3 , koja odgovara meñufaznom (linijskom) naponu.
Navedenu maksimalnu vrijednost faktora kL1 ima kada je:3
27 +=a Odnosno:
RN = 2,67X (3.31) Treba takoñer uočiti da do povišenja linijskog napona dolazi kad je:
1.2X
Ra N >= (3.32)
O razmatranoj pojavi treba voditi računa pri izboru odvodnika prenapona. U odnosu na izolaciju mreže analizirani prenaponi ne predstavljaju nikakvu opasnost, pošto se zemljospoj brzo isključuje. Faktor prenapona faze ''L2'' ima uvijek vrijednost manju od 3 . Minimalnu
vrijednost kL2=0.82 dostiže se pri 3
27 −=a .
Kod mreža uzemljenih preko reaktancije, ZN=jXN iz (3.27) i (3.28) dobije se:
1a
1a3a3kk
2
3L2L ++⋅+⋅== (3.33)
a=XN/X Faktori prenapona na ''zdravim'' fazama u promatranom slučaju uvijek su
manji od 3 , a ovoj vrijednosti teže tek kod velikih odnosa XN/X, kada se mreža više ne može smatrati uzemljenom preko male impedancije, ova krivulja prikazana je na (slici 3.15.), označena je plavom bojom (približna eksponencijalna). Kod direktno uzemljenih mreža a=0, čemu odgovara vrijednost kL2=kL1=1. Razvojem 10(20) kV mreža, prije svega povećavanjem kabelskih dionica i prelaskom na 20 kV napon kapacitivne struje dozemnih spojeva rastu iznad dozvoljenih vrijednosti te potrebno je provesti uzemljenje neutralne točke. Dosadašnja praksa u distribucijskoj djelatnosti u Hrvatskoj temeljila se na otpornom uzemljenju neutralne točke preko metalnih otpornika. Uobičajene nazivne struje otpornika za uzemljenje s obzirom na nazivni napon i vrstu mreže dane su u tablici 3.5.
36
Tablica 3.5: Pregled nazivnih struja otpornika za uzemljenje neutralne točke
Nazivni napon 10(20) kV Nazivna struja otpornika (A)
Nadzemna mreža 150
Mješovita mreža 150, 300
Kabelska mreža 300
Kabelska mreža (iznimno)
1000
Uzemljenje neutralne točke preko malog otpora ima slijedeće prednosti:
• nema opasnosti od prenapona bilo koje vrste, • zbog brzine djelovanja zaštite otklanja se mogućnost nastanka dvostrukih
zemljospojeva, • za isključenje jednopolnih kratkih spojeva koristi se jednostavna nadstrujna
zaštita. • pogon i održavanje mreže je jednostavno.
Nedostaci uzemljenja preko maloomskog otpornika su: • prekidanje pogona i pri prolaznim jednopolnim kvarovima (primjena APU-a). • eventualna dodatna ulaganja u uzemljivačke sustave niskonaponskih
mreža i pripadnih trafostanica TS 10(20)/0,4 kV, • mogućnost induciranja štetnih napona, zbog struje kvara, na
telekomunikacijskim i sličnim instalacijama koje se nalaze u blizini voda, • troškovi ugradnje otpornika s pratećom opremom.
37
3.2.4. Uzemljenje neutralne to čke preko kompenzacijske prigušnice (Petersenovog svitka) U mreži s kompenzacijom zemljospoja cilj je smanjiti struje na mjestu kvara, spoja vodiča sa zemljom do vrijednosti samogašenja. Istovremeno smanjenjem veličine struje kroz mjesto kvara postižu se bolji uvjeti na uzemljivačkim sustavima pripadnih niskonaponskih mreža i TS. Naponi fazni vodič – zemlja ponašaju se pri kvaru kao i kod kvara u mreži s izoliranom neutralnom točkom, tj. naponski trokut ostaje održan. Razlika je u veličini struje zemljospoja koja se zatvara kroz mjesto kvara (slika 3.16.).
Cz
IzZp=Rp+jXp
Cz Cz
Slika 3.16. Zemljospoj vodiča L1 u mreži s kompenzacijom struje zemljospoja
U zdravim faznim vodičima teku struje jednake jakosti kao i u mreži s izoliranom neutralnom točkom. Ako se induktivitet prigušnice prilagodi kapacitetu vodič – zemlja, vrijedi da je
Z
PP CLX
⋅=⋅⋅=⋅
ωω 1
33 (3.34)
Uz zanemarivanje induktivnosti transformatora i vodova u nultom sustavu, uvoñenjem kuta gubitaka
P
P
L
R
⋅=
ωδ arctan0 (3.35)
te uvoñenjem koeficijenta smetnje, koji opisuje nepotpunost prilagodbe prigušnice kapacitetu prema zemlji
ZPC
pC
CLI
II
⋅⋅−=
−=
2
11
ωυ (3.36)
( )jυδII 0CZ +⋅= (3.37)
može se konačno izračunati preostala struja na mjestu kvara uz pomoć približnog izraza:
( )jυδCωU3I 0Zf +⋅⋅⋅⋅=Z (3.38)
38
Jednako kao i u mreži s izoliranom neutralnom točkom, u slučaju pojave kvara naponski trokut ostaje nedirnut. Napon izmeñu vodiča i zemlje i ovdje može narasti iznad linijskog napona. Preostala struja kroz mjesto kvara u nadzemnoj mreži s približno jednakim kapacitetom triju vodiča prema zemlji većinom je manja od 10% kapacitivne struje zemljospoja u uvjetima izolirane mreže. U kabelskim se mrežama pri pravilnoj kompenzaciji postiže minimalna preostala struja veličine 3%- 4% u odnosu na struju mreže s izoliranom neutralnom točkom.
Budući da se istosmjerni naboj mreže ne zadržava kao kod mreže s izoliranom neutralnom točkom, nego se preko prigušnice isprazni, ne pojavljuje se njihanje napona pri intermitirajućim zemljospojevima. Opasnost pojave dvostrukog zemljospoja time se smanjuje. U mrežama u kojima je zajamčeno da će dvostruke zemljospojeve sustav zaštite otkriti i odmah isključiti može se odustati od proračuna eventualnih utjecaja na telekomunikacijska postrojenja. Jednako kao i kod mreže s izoliranom neutralnom točkom zaštita se može ograničiti na isklapanje višepolnih kvarova i dvostrukih zemljospojeva. Za odreñivanje mjesta kvara na raspolaganju je jedino metoda s preostalom strujom zemljospoja. U manjim mrežama preostala struja zemljospoja može biti toliko mala da se mjesto kvara više ne može odrediti. U toj situaciji može se pomoći tako da se dodatno ugradi otpornik u strujni krug prigušnice.
Kod mreža sa kompenziranom strujom dozemnog spoja mnogo se lakše i ekonomski povoljnije ispunjavaju zahtjevi o maksimalno dopuštenim dodirnim naponima. Zbog toga se smanjuju zahtjevi na dimenzioniranje sustava zaštitnih, pogonskih ili združenih uzemljenja u nn mrežama i pripadajućim TS 10(20)/0,4 kV, čak i u srednjim i teškim uvjetima uzemljenja.
Drugim riječima, jednostavnije je navedene zahtjeve ispuniti u odnosu na mreže s izoliranom neutralnom točkom i mrežom sa neutralnom točkom uzemljenom pomoću otpornika male vrijednosti.
3.2.4.1. Raspodjela struje zemljospoja kod kompenzacijske prigušnice
Pretpostavimo da je na jednom od vodova kompenzirane mreže na fazi L1 došlo do postojanog dozemnog spoja sa otporom luka RK na mjestu kvara. (Slika 3.17.) Budući da je prigušnica priključena u nultočku mreže (zvjezdište napojnog transformatora) i zemlje, kompenzacijska prigušnica utječe samo na shemu za nulti sustav.
39
L3
Rz
P
0
ILp
U0
Cz
Icz-L3+IGz-L3
L2
L1
Iz
IGp+ILp
ILp=-Ic
RK
E3
E2
E1
Gz
Gz
Cz
Icz-L2+IGz-L2
Gp Lp
IGp
Ip
Slika 3.17. Dozemni spoj u mreži sa kompenzacijskom prigušnicom
E
RK
Gp Gz Lp 3ωCz
IGp IGz ILp Ic
Iz
U0
Slika 3.18. Ekvivalentna shema strujnog kruga za zemljospoj u kompenzacijskoj mreži
Vidljivo je da se radi o paralelnom rezonantnom strujnom krugu, što ga čine dozemni kapaciteti mreže i induktivitet prigušnica. Rezonantno uzemljenje postiže se, ako se induktivitet prigušnice u potpunosti uskladi s dozemnim kapacitetima mreže.
40
U0
Gp
Ic
IzIGz
IcL3IcL2
ILp IpUL2
UL3
IGL3
IGL2
Slika 3.19. Vektorski dijagram napona i struja za slučaj potpune kompenzacije Struja kvara, obzirom da je kod rezonancije:
0=+ cLp IIrr
(3.39)
ima samo radnu komponentu, koja se sastoji od dva dijela: • struje odvoda 3LGzI −
r i 2LGzI −
r, koju naponi zdravih faza protjeraju kroz
odvode 3LzG −
r i 2LzG −
r, a čiji je iznos:
23 LGzLGzGz III −− +=rrr
(3.40)
• struje odvoda GpIr
, koju napon 0Ur
protjera kroz odvod prigušnice pGr
Dakle ukupna (preostala) struja kvara je:
GpGzz IIIrr
+= (3.41)
GpLGzLGzz IIII
rrrr++= −− 23 (3.42)
41
Struja jednopolnog kvara i napon neutralne točke mogu se uz zanemarivanje odvoda prigušnice izračunati iz slijedećih izraza:
2222
22
)1
3()1
()1
(
)1
3()1
(1
pz
zk
zk
pz
zf
z
LC
GR
GR
LC
GU
I
ωω
ωω
−++
−+
= (3.42)
U slučaju potpune kompenzacije:
kz
fz
RG
UI
+=
1 (3.43)
Napon neutralne točke:
22
10
)1
3(p
z
k
LCG
IU
ωω −+
= (3.44)
a u slučaju potpune kompenzacije:
kz
z
f RG
G
U
U
+=
1
1
0 (3.45)
Kao i kod izolirane neutralne točke otpor na mjestu kvara značajno utječe
na veličinu struje kvara i napon neutralne točke. Djelovanje otpora kvara na napon U0, prikazan je na slici 3.20.
42
Slika 3.20. Ovisnost napona zvjezdišta o prijelaznom otporu na mjestu kvara u kompenziranim mrežama
U usporedbi sa dijagramom na slici 3.4. vidi se da u kompenziranim mrežama otpor kvara manje smanjuje napon zvjezdišta. Iz tog razloga, teže je nego kod izoliranog zvjezdišta postići dovoljnu osjetljivost zemljospojne zaštite kod kvarova s velikim prijelaznim otporima na mjestu kvara. Analiza strujnih i naponskih prilika u SN mreži sa kompenziranom strujom dozemnog spoja:
- predmetni strujni krug je strujni krug s paralelnom rezonancijom kod kojeg struja kvara ima samo malu vrijednost radne komponente, ukoliko se induktivni otpor prigušnice namjesti točno na vrijednost nulte admitancije mreže. Ta mala vrijednost radne, tzv. preostale struje nastaje zbog ohmskog otpora prigušnice i odvoda mreže. Često se ovakvom sustavu uzemljenja dodaje paralelni otpor Rz (Slika 3.17.), čiji je zadatak povećanje struje kvara s ciljem stvaranja uvjeta za selektivnost relejne zaštite.
Struja kvara Iz dijeli se na dva dijela. Jedan dio struje, odnosno induktivna komponenta struje prigušnice ILp i radna komponenta struje prigušnice IGp teku od prigušnice do mjesta kvara, pa prema neispravnoj fazi voda pogoñenog kvarom do nultočke transformatora. Kod potpuno kompenziranih mreža navedena struja sastoji se samo od aktivnih komponenti struja vodova (ako ih ne zanemarimo) i prigušnice IGp. Drugi dio struje odnosno struje ispravnih faza (IcL2 i IcL3) sumiraju se i tvore ukupnu kapacitvnu struju Ic koja zatvara kapacitivne strujne krugove preko zemlje te dolazi do mjesta kvara gdje se poništava odnosno kompenzira sa strujom prigušnice ILp. Dakle, kod potpune, idealne kompenzacije, kapacitivne struje se u cijelosti poklapaju po vrijednosti sa strujom prigušnice.
U mrežama s kompenzacijskim prigušnicama, naponi prema zemlji ostalih dviju zdravih faza kod kvarova bez prelaznog otpora RK na mjestu kvara, jednaki su linijskom naponu. Ta je činjenica važna pri odreñivanju izolacijske razine opreme, s ciljem smanjenja rizika od moguće pojave dvostrukog zemljospoja.
43
Ako se pri pojavi trajnog dozemnog spoja kompenzacijskoj prigušnici doda paralelno otpor RZ (Slika 3.17.), struja dozemnog spoja u neispravnom vodu naglo će porasti i vod se može isključiti primjenom jednostavne nadstrujne zaštite. Često se ovakvom sustavu uzemljenja dodaje paralelni otpor RZ, čiji je zadatak povećanje struje kvara s ciljem stvaranja uvjeta za selektivnost relejne zaštite.
Na slici 3.19. predstavljen je vektorski dijagram napona i struja za razmatrani kvar u kojem je kao referentan, usvojen vektor napona napajanja pogoñene faze. Slika je nacrtana za slučaj potpune kompenzacije.
Struje IcL2 i IcL3 prethode za 900 naponima UL2 i UL3, u skladu sa usvojenim pozitivnim smjerovima na slici 3.17. Ukupna kapacitivna struja mreže Ic jednaka je zbroju navedenih kapacitivnih struja.
Kako se sa slike 3.19. vidi, nultočka transformatora dolazi na napon UrL1 . Induktivna komponenta struje kroz prigušnicu, ILp, kasni za naponom za 900, a aktivna komponenta IGp mu stoji u fazi, suglasno pozitivnim smjerovima usvojenim na slici 3.17. Situacije za različita stanja prigušnice (regulacija) i rezultirajuća struja kvara Iz su prikazane na slici 3.21.
U0
Iz
IGP
ILP
IcL3
IC
IcL2
PODKOMPENZACIJA
POTPUNA KOMPENZACIJA
NADKOMPENZACIJA
Slika 3.21. Reducirani vektorski dijagram U slučaju potpune kompenzacije je ILp + Ic= 0, slijedi Gpz II = .
44
3.2.4.2. Napon zvjezdišta kompenzirane mreže u norm alnom pogonu Prirodna nesimetrija mreže koja je posljedica nejednakih dozemnih
kapaciteta faznih vodiča, što je naročito izraženo kod nadzemnih vodova, ima za posljedicu pojavu napona zvjezdišta prema zemlji u normalnom pogonu (bez kvara). Veličina tog napona ovisi o veličini nesimetrije i načinu uzemljenja zvjezdišta. Nesimetrija je naročito izražena kod nadzemnih vodova, pa je primjerice u 20 kV mreži u nadzemnoj izvedbi s izoliranim zvjezdištem, napon zvjezdišta oko 1% nazivnog napona mreže. Kod kompenzirane mreže ovaj napon (mreža bez kvara) jednak je:
220
d
kUU f
+=
ν (3.46)
gdje je: k faktor nesimetrije, dozemnih kapaciteta (Cz) i odvoda (Gz) ν faktor odstupanja podešenja d faktor prigušenja Uf fazni napon mreže Pri tom su:
c
cLp
I
IIν
−= (3.47)
c
Gz
I
Id = (3.48)
Napon zvjezdišta u kompenziranoj mreži bitno ovisi o podešenju prigušnice, što se vidi na (slici 3.22.).
Slika 3.22. Ovisnost napona zvjezdišta o podešenju prigušnice u kompenziranoj mreži
Krivulja promjene napona u ovisnosti o podešenju prigušnice zove se rezonantna krivulja. Vidi se da za slučaj rezonantnog podešenja ν = 0, napon postiže maksimalnu vrijednost, koja može doseći 10% do 20 % faznog napona
45
mreže. Taj se napon može smanjiti odgovarajućim transponiranjem (prepletom) vodova, i tako da se prigušnica podesi tako da se postigne odstupanje od rezonantnog položaja za cca ± 10 % .
3.2.4.3. Prigušnica s pomi čnom jezgrom Kompenzacijska prigušnica spaja se izmeñu nultočke mreže (zvjezdište
napojnog transformatora) i zemlje. Kako se oblik i veličina SN mreže mijenja u normalnom pogonu, prigušnica treba imati mogućnost podešenja u kratkom vremenu, kako bi se neutralizirala kapacitivna struja dozemnog spoja za bilo koji oblik mreže. Za vrijeme normalnog pogona (bez kratkog spoja) na prigušnici se pojavljuje samo mali postotak faznog napona koji se koristi kod automatske regulacije prigušnice. Glavni nedostatak korištenja kompenzacijske prigušnice je kompliciranija relejna zaštita. Takoñer, pogon takove mreže postaje osjetljiviji za pogonsko osoblje, počevši od podešavanja razine kompenzacije, koje se mora vršiti kod većih promjena u priključnoj SN mreži. Te se poteškoće najvećim dijelom mogu isključiti ukoliko se koristi automatsko namještanje prigušnice. Kod pojave dozemnog spoja, napon na prigušnici može doseći vrijednost faznog napona SN mreže.
Najnoviji tip prigušnica ima kontinuiranu regulaciju koja se postiže jednostavnom promjenom širine zračnog raspora u magnetskom krugu prigušnice. Prigušnica se obično izrañuje s dvije pomične jezgre kako bi se postigla simetrična razdioba magnetskog polja za bilo koju poziciju jezgri. Ovisno o položaju pomičnih cilindričnih jezgri dobiva se različita širina zračnog raspora, prigušnica s brzom pomičnom jezgrom prikazana je na slici 3.23.
Slika 3.23: Prigušnica s pomičnom jezgrom
46
Okretanjem spiralne osovine, pomične jezgre se približavaju ili razmiču tako da se zračni raspor može podešavati od približno nule do skoro cijele visine namotaja. To rezultira širokim područjem podešenja struje. Obično struja prigušnice s pomičnom jezgrom može varirati u rasponu od 1 do 10. Regulacija je moguća i kad je prigušnica isključena, ali i kad je ona u pogonu. Struja prigušnice regulira se preko upravljačkog elektro-motora koji se montira na kućište prigušnice, kojim se može upravljati ili ručno ili preko sustava automatske regulacije.
Prigušnice se najčešće dimenzioniraju na trajanje zemljospoja do 2 sata pri čemu se temperatura ulja i izolacijskog materijala održi u dozvoljenim granicama i bez ugradnje dodatnih rebrastih hladnjaka. Za razliku od navedenih prigušnica, prigušnice za kontinuirani pogon sa jednopolnim kratkim spojem u mreži dodatno su opremljene rebrastim hladnjacima.
Glavne osobine opisane kompenzacijske prigušnice su sljedeće: • mogućnost precizne regulacije prema trenutnim uvjetima u SN mreži, • prilikom regulacije nije potrebno isključiti prigušnicu, već se regulacija izvodi
za vrijeme pogona čime se postiže permanentno uzemljenje neutralne točke SN mreže,
• tijekom regulacije prigušnice ne dolazi do nikakvih prekidanja, • vrijednosti preostale struje kvara su minimalne, • za razliku od prigušnice sa stupnjevitom regulacijom ograničeni su
prenaponi, • zbog velikog opsega regulacije 1:10(12,5), s istom prigušnicom omogućeno
je proširenje i povećanje SN mreže ( povećanje kapacitivne struje dozemnog spoja u mreži ).
3.2.4.4. Sustav automatske regulacije
Regulacija Petersenovog svitka je moguća ručno i automatski. Ručno se može izvoditi s regulatora ili direktno na prigušnici.
Automatska regulacija Petersonovog svitka se temelji na promjeni nultog napona. Nulti napon ovisi o meñusobnom omjeru promjenjivog induktiviteta kompenzacijske prigušnice i kapacitivne asimetrije mreže, te postiže maksimalan napon onda kada je prigušnica u rezonanciji s mrežom, tj. kapacitivna struja je najmanja. Nulti napon se javlja zbog različitih dozemnih kapaciteta u mreži. To znači da do promjene nultog napona dolazi pri promjeni oblika i veličine mreže što se postiže različitim uklopnim stanjima. Takve nesimetrije su normalne i javljaju se u normalnom pogonu. Veća izraženost nesimetrija unutar mreža je kod zračnih vodova. Kod kabelskih mreža takve pojave nisu izražene u toj mjeri jer je kabel sam po sebi simetričan pa je samim time i nulti napon manji. Prilikom promjene nultog napona regulator automatski podešava kompenzacijsku prigušnicu na novu vrijednost održavajući tako mrežu u rezonanciji, što rezultira malom ili nikakvom kapacitivnom strujom kvara. U slučaju da je nesimetrija premala tako da se ne može utvrditi rezonantna točka, tada preko sekundarnog namota Petersenovog
47
svitka injektiramo struju u zvjezdište. Injektirana struja uzrokuje promjenu nultog napona, te iz omjera nultog napona i injektirane struje, sustav može odrediti razliku izmeñu radne i kapacitivne komponente, te na osnovu toga izvršiti regulaciju prigušnice.
U slučaju dozemnog spoja regulator ne postavlja kompenzacijsku prigušnicu u položaj potpune kompenzacije zbog prevelikog napona zvjezdišta (napon zvjezdišta može narasti do iznosa faznog napona). Pri podešavanju je potrebno paziti da struja kroz Petersenov svitak ne poraste iznad dozvoljene kapacitivne struje za tu mrežu.
3.2.4.5. Otkrivanje kvara u mreži
Prilikom pojave dozemnog spoja dolazi do povećanja napona i struje nultog sustava. Problem je u tome što na osnovu veličine struje nultog sustava ne možemo odrediti u kojem vodu je došlo do kvara jer vod u kojem je izmjerena najveća nulta struje nije nužno onaj vod koji je u kvaru nego vod sa najvećim dozemnim kapacitetom. Meñutim, kao što je prije navedeno, kroz prigušnicu protječe i odreñena radna komponenta struje koja se zatvara preko voda u kvaru. Na osnovu te struje relejna zaštita po vatmetarskom principu može odrediti vod u kvaru. Radna komponenta struje koja protječe u slučaju kvara kroz Petersenov svitak nije dovoljna za pouzdan rad relejne zaštite, te je stoga potrebno dodati paralelno s Petersenovim svitkom otpor kroz koji će se zatvoriti radna komponenta dovoljna za siguran i pouzdan rad relejne zaštite po vatmetarskom principu.
Iz ovog je vidljivo da kod uzemljenja zvjezdišta preko Petersenovog svitka zaštita po vatmetarskom principu kakva je u dosadašnjoj praksi ugrañivana u distribucijska postrojenja sa uzemljenom nultočkom zvjezdišta preko malog otpora zadovoljava osim u izuzetnim slučajevima visokoomskih kvarova. U tom slučaju struje kvara su male. Ukoliko želimo izbjeći nepouzdanost zaštite u ovakvim slučajevima moramo koristiti nove sustave zaštite.
3.2.4.6. Uloga paralelnog otpornika Kod rezonantnog uzemljenja, se u pravilu paralelno prigušnici spaja
odgovarajući radni otpor, čija je zadaća povećati radnu komponentu struje kvara, što omogućava vatmetarskoj zaštiti lakše otkrivanje kvarova kod većih otpora na mjestu kvara. Otpornik se (ovisno o rješenju) obično dimenzionira tako da se dobije radna struja od nekoliko desetaka A. Kod nekih rješenja to je visokonaponski otpornik, koji se direktno priključuje paralelno s prigušnicom, ali se pretežno koristi niskonaponski otpornik, koji se sekundarno priključuje na pomoćni namot prigušnice. Postoje tri načina rada otpornika:
• otpornik se privremeno spaja na mrežu s malim vremenskim kašnjenjem nakon pojave kvara,
• otpornik je stalno spojen na mrežu, • otpornik je stalno u mreži, ali se u slučaju pojave kvara privremeno
isključuje. Ukoliko se kvar ne ugasi sam od sebe unutar podešenog vremena otpornik se ponovo uključuje.
48
Zaključno o uzemljenju neutralne točke pomoću kompenzacijske prigušnice: Prednosti uzemljenja preko kompenzacijske prigušnice:
• ograničava se struja kroz mjesto kvara i smanjuje brzina uspostavljanja povratnog napona, čime se omogućuje samogašenje zemljospojeva i stalnost rada mreže,
• zbog sporog uspostavljanja povratnog napona smanjuje se vjerojatnost nastanka intermitirajućih prenapona, a i njihov intenzitet,
• smanjuju se u izvjesnoj mjeri prenaponi pri nastanku zemljospoja, • zbog ograničenja struje na mjestu kvara održavaju se niski troškovi
uzemljenja i kod velikih mreža, • toplinska naprezanja, koja ovise o kvadratu struje, najmanja su od svih
načina uzemljenja pa je manja vjerojatnost proširenja jednofaznog zemljospoja na neki veći kvar,
• niske struje dozemnog kvara minimiziraju porast potencijala uzemljivača te time smanjuju napone koraka i dodira,
• na lokaciji dozemnog kvara struja je znatno reducirana (teorijski IE ≅ 0), • na lokaciji kvara napon je reduciran skoro na nulu, • smanjenje zahtjeva za elektromagnetsku kompatibilnost. Sve navedeno utječe na poboljšanje kvalitete isporuke električne energije što je jedna od glavnih prednosti u odnosu na druge tehnike uzemljenja neutralne točke SN mreže. Pri tome se direktno pozitivno utječe na:
• smanjenje broja prekida opskrbe potrošača (SAIFI), • smanjenje ukupnog trajanja prekida (SAIDI), • smanjuje broj kratkotrajnih prekida (MAIFI), • smanjuje propade napona, • smanjuje prenapone.
Nedostaci uzemljenja preko kompenzacijske prigušnice su: • zbog male struje kvara potrebna je osjetljivija, a time i skuplja zaštita. Kao
indikator zemljospoja koristi se obično aktivna komponenta struje kvara ili viši harmonici ove struje,
• instalacija prigušnice traži znatne troškove za njezinu instalaciju i održavanje,
• kako se kod zemljospoja naponi zdravih faza prema zemlji podižu na linijsku vrijednost, potrebna je veća izolacijska razina opreme,
• mogućnost pojave prenapona pri različitim komutacijama u mreži, • vjerojatnost dvostrukih zemljospojeva nije zanemariva, posebno pri
trajnijem pogonu sa zemljospojem, • kod izvedbe prigušnice sa stupnjevitom regulacijom podešavanje se vrši u
beznaponskom stanju što znači prekid opskrbe električnom energijom.
49
3.3. Grani čne struje samogašenja Da li će u odreñenoj situaciji doći do gašenja zemljospoja ovisi, kako je prije navedeno, od više parametara. Neki od tih, kao npr. brzina i pravac vjetra, vlažnost zraka i atmosferskih utjecaja, nepredvidivi su i stohastičke prirode su. Uvjeti za gašenje struje jako ovise od toga da li je do kvara došlo preskokom u zraku na nekoj izolacijskoj konstrukciji ili probojem izolacije. Na navedene uvjete utječe i vrsta električne opreme primijenjene u mreži, kao i pojedinost različitih tehničkih rješenja.
Zbog složenosti navedenih okolnosti dosta je teško procijeniti granične vrijednosti struja zemljospoja pri kojima je još vjerojatno samogašenje zemljospojeva, koje će važiti u svim uvjetima. Zato i danas postoje izvjesna neslaganja u tehničkoj literaturi po ovom pitanju.
Ipak se došlo do zaključka da vjerojatnost samogašenja zemljospojeva odreñuje vrijednost struje zemljospoja, i u nešto manjoj mjeri, nazivni napon mreže. Od posebnog je utjecaja, podrazumijeva se, i način uzemljenja neutralne točke mreže, točnije da li je u mreži izolirana neutralna točka ili kompenzirana.
Krivulja ''1'' primjenjuje se na kompenzirane neutralne točke, a krivulja ''2'' na izolirane mreže. Krivulja ''1'' može se koristiti i za izolirane mreže do 15 kV, ako su pretežno kabelske.
Slika. 3.24: Maksimalne vrijednosti struje dozemnog spoja, u kompenziranim (1) i izoliranim (2) mrežama, pri kojima se smatra da postoje uvjeti za samogašenje struje zemljospoja. Krivulje iz slike 3.24. opće su prihvaćene u literaturi, iako prema nekim ispitivanjima iz 1998.g. i 1999.g. koja su provedena u Finskoj dobiveni su nešto
50
drugačiji rezultati. Ispitivanja i mjerenja su rañena u trafostanicama na nazivnom naponu 20 kV i dobivenu su slijedeći rezultati: 1. mreže sa izoliranom neutralnom točkom: - prosječna vrijednost struje samogašenja iznosi 0,9 A - maksimalna vrijednost struje samogašenja iznosi 9,5 A 2. rezonantno uzemljene mreže: - prosječna vrijednost struje samogašenja iznosi 5,7 A - maksimalna vrijednost struje samogašenja iznosi 23,8 A Slika 3.25. prikazuje kumulativnu karakteristiku zemljospojeva sa samogašenjem u odnosu na struju zemljospoja. Trajanje zemljospojeva u mrežama sa izoliranom neutralnom točkom su u prosjeku kraća (za 95% slučajeva, t<0,3 s), nego u
rezonantno uzemljenim mrežama (za 80% slučajeva, t<1,0 s). Ova ispitivanja i mjerenja i rezultati navedeni na sl. 3.25. obavljena su u realnim uvjetima SN mreže na stvarnim zemljospojevima, za razliku od prijašnjih rezultata koji su dobiveni pri ispitivanjima sa umjetnim zemljospojevima.
Slika. 3.25: Kumulativna karakteristika zemljospojeva sa samogašenjem Ovdje je potrebno konstatirati da je karakteristika rezonantno uzemljenih mreža u odnosu na mreže sa izoliranom neutralnom točkom značajno usporavanje napona oporavka preko mjesta kvara. Sporiji oporavak napona preko mjesta kvara omogućava deioniziranje staze luka, tako da nema ponovnog paljenja. Osim toga, u takvim uvjetima nema intermitentnih prenapona već samo postoji mogućnost za ponavljanje zemljospoja sa oslabljenom izolacijom.
3.4. Postoje ća praksa u Hrvatskoj Postojeće SN mreže nazivnih napona 10 i 20 kV u Hrvatskoj napajaju se iz napojnih TS 35/10(20) kV i TS 110/10(20) kV. Za sada u HEP Ods d.o.o. ne postoje i ne prikupljaju se na jedinstven način, podaci o načinu uzemljenja neutralne točke SN mreža. Zbog toga je u ovom trenutku nemoguće dati preglednu sliku broja TS i/ili duljine 10(20) kV vodova iz tih TS u ovisnosti od vrste
51
uzemljenja neutralne točke. Neka distribucijska područja te podatke vode u okviru svojih nadležnosti, pa se za primjer daju podaci Elektroprimorja Rijeka[7], Elektre Zadar [8] i Elektre Bjelovar: Tablica 3.6: Stanje uzemljenja zvjezdišta SN mreža u DP Elektroprimorje Rijeka (stanje 2008.g.) R.br. Organizacijska
jedinica Trafostanica
Način uzemljenja Postotna zastupljenost
1. Sjedište x/10(20) Izolirano zvjezdište 70%
x/10(20) Maloomsko uzemljenje
24%
x/10(20) Djelomična kompenzacija
6%
x/10(20) Rezonantno uzemljenje
0%
2. Pogon Skrad x/10(20) Izolirano zvjezdište 0%
x/10(20) Maloomsko uzemljenje
67%
x/10(20) Djelomična kompenzacija
23%
x/10(20) Rezonantno uzemljenje
0%
3. Pogon Crikvenica x/10(20) Izolirano zvjezdište 0
x/10(20) Maloomsko uzemljenje
67%
x/10(20) Djelomična kompenzacija
0%
x/10(20) Rezonantno uzemljenje
33%
Napomena: U Pogonu Skrad u jednoj TS s djelomičnom kompenzacijom ugrañen je shunt prekidač.
52
R.br. Organizacijska
jedinica Trafostanica
Način uzemljenja Postotna zastupljenost
4. Pogon Opatija x/10(20) Izolirano zvjezdište 0%
x/10(20) Maloomsko uzemljenje
0%
x/10(20) Djelomična kompenzacija
100%
x/10(20) Rezonantno uzemljenje
0%
5. Pogon Cres-Lošinj
x/10(20) Izolirano zvjezdište 17%
x/10(20) Maloomsko uzemljenje
17 %
x/10(20) Djelomična kompenzacija
0%
x/10(20) Rezonantno uzemljenje
0 %
6. Pogon Rab x/10(20) Izolirano zvjezdište 0 %
x/10(20) Maloomsko uzemljenje
100%
x/10(20) Djelomična kompenzacija
0 %
x/10(20) Rezonantno uzemljenje
0%
7. Pogon Krk x/10(20) Izolirano zvjezdište 0 %
x/10(20) Maloomsko uzemljenje
33 %
x/10(20) Djelomična kompenzacija
33 %
x/10(20) Rezonantno uzemljenje
33 %
53
Tablica 3.7: Zbirni pregled stanja uzemljenja DP Elektroprimorja Rijeka
R.br. Način uzemljenja %
1. Izolirano zvjezdište 45%
2. Maloohmsko uzemljenje
34%
3. Djelomična kompenzacija (otpornik i prigušnica)
16%
4. Rezonantno uzemljenje
5 %
Tablica 3.8: Stanje uzemljenja zvjezdišta SN mreža u DP Elektra Zadar (stanje 2009.g.) – karakteristični primjeri R.br.
Trafostanica Transformator
Način uzemljenja
Ukupna dozemna struja SN mreže (A)
1. TS 110/10(20) Zadar centar
T1, T2 maloomsko 171, 175
2. TS 110/10(20) Nin T1, T2 rezonantno 102, 120
3. TS 35/10(20) Zadar -4 T1, T2 izolirano 97, 36
4. TS 35/10(20) Obrovac T1, T2, T3
izolirano 100
5. TS 35/10(20) Kukljica T1, T2, izolirano 59 Tablica 3.9: Zbirni pregled stanja uzemljenja u DP Elektra Zadar
R.br. Način uzemljenja %
1. Izolirano zvjezdište 88%
2. Maloohmsko uzemljenje
6%
3. Djelomična kompenzacija (otpornik i prigušnica)
0%
4. Rezonantno uzemljenje
6%
54
38Tablica 3.10: Stanje uzemljenja zvjezdišta SN mreža u DP Elektra Bjelovar (stanje 2010.g.) – karakteristični primjeri R.br. Trafostanica Transformator Način
uzemljenja Ukupna dozemna struja SN mreže (A)
1. TS 110/10(20) kV Mlinovac T1,T2 maloomsko 36
2. TS 35/10 kV Bjelovar I T1,T2 maloomsko 38
3. TS 35/10 kV Mišulinovac T1,T2 maloomsko 36
4. TS 35/10 kV Bjelovar III T1,T2 Izolirano 35
5. TS 35/10 kV Bulinac T1,T2 Izolirano 5 Tablica 3.11: Zbirni pregled stanja uzemljenja u DP Elektra Bjelovar
R.br. Način uzemljenja %
1. Izolirano zvjezdište 78%
2. Maloohmsko uzemljenje
22%
3. Djelomična kompenzacija (otpornik i prigušnica)
0%
4. Rezonantno uzemljenje
0%
Na temelju ovih podataka zaključuje se da je stanje sa načinom uzemljenja neutralnih točaka SN mreža u elektrodistribuciji Hrvatske vrlo raznoliko i pitanje je postoje li jedinstvene smjernice obzirom na cilj koji se želi postići. No svakako se može zaključiti da SN mreže pretežito rade sa izoliranim zvjezdištima, naročito u mrežama nazivnog napona 10 kV sa manjim kapacitivnim strujama dozemnih spojeva. Isto tako iz ovih podataka, a naročito za prostore sa srednjim i teškim uvjetima uzemljenja može se vidjeti da postoje nesrazmjeri izmeñu ukupnih dozemnih struja po pojedinoj TS (odnosno trafo sekciji) i preporuka koje se odnose na maksimalne vrijednosti dozemnih struja u ovisnosti o nazivnom naponu. Promatrajući povijesni razvoj tehnika uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreža, u Hrvatskoj se na bazi dobrih iskustava sa uzemljivanjem neutralne točke 35 kV mreže pomoću malog otpornika, na principijelno identičan način ta tehnika započela primjenjivati i u 10(20) kV mrežama. Meñutim, pitanje uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreža neusporedivo je složenije od kriterija koje se primjenjuju u 35 kV mrežama, prije svega zbog utjecaja dozemnih struja (struja jednopolnih kvarova) na opasne napone dodira u pripadnim niskonaponskim mrežama i instalacijama kod kupaca. Naime, ovo
55
područje je dosta strogo odreñeno propisima, prije svega Pravilnikom o tehničkim normativima za zaštitu niskonaponskih mreža i pripadnih TS [4]. Dakle, osim mreža s izoliranom neutralnom točkom, usvojena je praksa uzemljenja pomoću malog otpornika (otpornika male vrijednosti), pri čemu su načelno odabrane vrijednosti nazivne struje otpornika In=300 A za pretežito kabelske mreže u urbanim dijelovima, a In=150 A za mješovite mreže (kabelske i nadzemne) u ostalim dijelovima. Tek zbog evidentnih problema sa dimenzioniranjem zaštitnih, pogonskih ili združenih uzemljenja u niskonaponskim mrežama i pripadnim TS koji nastaju u područjima sa visokim specifičnim otporima tla u mrežama sa uzemljenom neutralnom točkom pomoću otpornika male vrijednosti, gdje je napone dodira teško i neekonomično dovoditi u propisane granice, te zbog zahtjeva za većom kvalitetom opskrbe električnom energijom u posljednjih nekoliko godina započelo se sa tehnikama uzemljenja pomoću prigušnica (djelomična kompenzacija i rezonantno uzemljenje). Studija „Tipizacija rješenja za provedbu uzemljenja zvjezdišta srednjeg napona“ [2] iz 1993.g. dala je prijedloge za:
- sisteme za provedbu uzemljenja neutralne točke - jednopolne sheme za uzemljenje neutralne točke 10(20) i 35 kV mreže
za različite slučajeve - tipizaciju parametara i karakteristika pojedinih elemenata za provedbu
uzemljenja neutralne točke - odreñivanje parametara relejne zaštite u uvjetima rada mreže s
uzemljenom neutralnom točkom - potrebna ispitivanja prije i nakon uzemljenja neutralne točke
Ova studije je u proteklih 18 godina predstavljala podlogu za izbor načina uzemljenja, no danas se svakako ukazuje potreba za nastavkom rada na novim tehnološkim rješenjima. Dakle, osim razloga koji su uvjetovani razvojem i izgradnjom SN mreža, porastom udjela kabelskih dionica, tehnološkim razvojem relejne zaštite, porastom zahtjeva na kvalitetu električne energije i zahtjevima na stalnost opskrbe, i zbog postojećih promjena zakonodavnih okvira i onih koji se tek očekuju, ukazuje se potreba za kontinuiranim praćenjem ove problematike.
56
4. Parametri ocjene uspješnosti na čina uzemljenja neutralne to čke
4.1. Općenito o parametrima uspješnosti uzemljenja Ocjenu uspješnosti uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže prikazati ćemo kroz slijedeće parametre:
• sigurnost pogona SN mreže (opasnost za sigurnost ljudi) • selektivnost relejne zaštite • utjecaj na dimenzioniranje uzemljenja u TS 10(20)/0,4 kV i pripadajućim nn
mrežama • kvalitetu električne energije (kvalitetu opskrbe i kvalitetu napona) • veličinu investicije.
U slijedećim poglavljima detaljnije se opisuje svaki od navedenih parametara općenito, a zatim se naglašavaju neke specifičnosti svakog pojedinačno u ovisnosti o načinu uzemljenja neutralne točke. Na kraju svakog poglavlja pregledno se daje usporedni prikaz uspješnosti načina uzemljenja obzirom na promatrani parametar.
4.2. Sigurnost pogona SN mreže (opasnost za sigurno st ljudi) Kada se analizira sigurnost pogona i pri tome mislimo na opasnost za sigurnost
ljudi, svjesni smo činjenice, da za razliku od načina uzemljenja elektroenergetskih mreža nazivnih napona od najviših napona do uključivo 30(35) kV nazivnog napona, odabir načina uzemljenja neutralne točke srednjenaponske mreže nazivnog napona 10(20) kV ima poseban utjecaj.
Prije svega, ta se tvrdnja temelji na činjenici da su transformatorske stanice TS 10(20)/0,4 kV elementi koji povezuju niskonaponske mreže a time i električne instalacije kupaca električne energije sa SN mrežama 10(20) kV. U slučaju kvara na TS 1(20)/0,4 kV, pri čemu ovdje prije svega govorimo o spoju faze (R,S,T) sa uzemljenim dijelom TS, može za posljedicu imati pojavu previsokih napona dodira kod kupaca električne energije na niskom naponu. Ovaj parametar uspješnosti načina uzemljenja neutralne točke u direktnoj je vezi sa utjecajima koji pojedini način uzemljenja neutralne točke ima na dimenzioniranje uzemljivača u TS 10(20)/0,4 kV. Već ovdje je važno naglasiti da su dva osnovna zakonska okvira koji reguliraju ovo područje u izvjesnom nesuglasju. To se odnosi na „Pravilnik o tehničkim normativima za zaštitu niskonaponskih mreža i pripadnih transformatorskih stanica“, nn 13/78 [4] i „Pravilnika o tehničkim zahtjevima za elektroenergetska postrojenja nazivnih izmjeničnih napona iznad 1 kV“, nn 105/2010 [ 10,11]. Naime, kao što se već iz vremena izdanja pojedinog pravilnika vidi, Pravilnik o tehničkim zahtjevima za elektroenergetska postrojenja nazivnih izmjeničnih napona iznad 1 kV posve je novi pravilnik donesen 2010.g. i usklañen sa normom HD 637 S1:1999. Izmeñu ostalih, u kontekstu sigurnosti pogona u njemu je sadržana bitna promjena u dijelu koji definira dozvoljene napone dodira i koraka u odnosu na Pravilnik o tehničkim normativima za zaštitu niskonaponskih mreža i pripadnih transformatorskih stanica
57
koji datira iz 1978.g. Prema analizama u kojima su se neki autori [5] takoñer osvrtali na ovu problematiku konstatirano je da su uvjeti sigurnosti i dimenzioniranje uzemljivača TS10(20)/0,4 kV neopravdano strogi. Donošenjem novog „Pravilnika o tehničkim zahtjevima za elektroenergetska postrojenja nazivnih izmjeničnih napona iznad 1 kV“ prestaju važiti slijedeći pravilnici ili njihovi dijelovi:
- Pravilnik o tehničkim normativima za elektroenergetska postrojenja nazivnog napona iznad 1000 V,
- Pravilnik o tehničkim normativnima za zaštitu elektroenergetskih postrojenja od prenapona (dio koji se odnosi na elektroenergetska postrojenja prema odredbama novog Pravilnika),
- Pravilnik o tehničkim mjerama za pogon i održavanje elektroenergetskih postrojenja (dio koji se odnosi na elektroenergetska postrojenja prema odredbama novog Pravilnika),
Moguće je za pretpostaviti da će se u skoro vrijeme i Pravilnik o tehničkim normativima za zaštitu niskonaponskih mreža i pripadnih transformatorskih stanica koji datira iz 1978.g, uskladiti sa europskom a sada i hrvatskom normom HRN HD 637 S1. Takva promjena će sigurno u pozitivnom smislu i utjecati na ova razmatranja o sigurnosti i utjecaju na dimenzioniranje uzemljivača TS 10(20)/0,4 kV.
Slijedeća slika (slika 4.1.) daje prikaz napona dodira i napona koraka u NN mreži prilikom jednopolnog kvara na 10(20) kV dijelu TS 10(20)/0,4 kV.
Slika 4.1: Prikaz napona dodira i napona koraka u NN mreži prilikom jednopolnog kvara na 10(20) kV dijelu TS 10(20)/0,4 kV Kada kvar nastane na SN strani u SN/NN trafostanici, povećani potencijal
može biti veći od napona koji može podnijeti niskonaponska oprema u ovim stanicama. Ova pojava takoñer, može utjecati na NN nulvodič kao i na porast napona uzemljivača kod korisnika. Osim o tome jesu li SN zaštitno i NN pogonsko uzemljenje združeni ili odvojeni, utjecaj na porast potencijala kod korisnika ovisi i o načinu uzemljenja NN mreža i provedenom automatskom isključenju napona. Pogonsko i zaštitno uzemljenje u SN/NN trafostanicama može biti izvedeno
58
združeno ili odvojeno, a sustav uzemljenja u NN mreži može biti TN-C-S ili TT [, 44].
Na slikama 4.2 i 4.3 prikazano je rasprostiranje struje zemljospoja i raspodjela potencijala kroz zemlju pri kvaru na SN strani SN/NN transformatora kod združenog i odvojenog SN zaštitnog i NN pogonskog uzemljenja.
Slika 4.2: Rasprostiranje struje zemljospoja pri kvaru na SN strani SN/NN
transformatora kod združenog uzemljenja
59
Slika 4.3: Rasprostiranje struje zemljospoja i raspodjela potencijala kroz zemlju pri kvaru na SN strani SN/NN transformatora kod odvojenog uzemljenja
U uvjetima u kojima nije moguće postići dovoljno nisku vrijednost otpora združenog pogonskog i zaštitnog uzemljenja (Ruz_zdr) kod TS 10(20)/0,4 kV s nadzemnim SN napajanjem, u pravilu se pogonsko uzemljenje NN mreže i zaštitno uzemljenje opreme TS SN/NN izvode odvojeno. Meñutim, nije uvijek moguće pronaći dovoljno veliku površinu za smještaj zaštitnog uzemljivača i za efikasno odvajanje pogonskog i zaštitnog uzemljenja.
Minimalna potrebna površina za smještaj zaštitnog uzemljivača i efikasno odvajanje pogonskog i zaštitnog uzemljenja na terenima sa srednjim uvjetima uzemljenja odnosno sa srednjim specifičnim otporom tla 100 ≤ ρ ≤ 500 Ωm, iznosi približno 5000 m2. Dodatni uvjet da se unutar te površine ne smiju nalaziti nikakve metalne instalacije koje bi bile povezane s NN pogonskim uzemljenjem dodatno otežavaju problem odvajanja uzemljenja.
U [6] se navodi da u nekim dijelovima u Hrvatskoj 30 % TS 10(20)/0,4 kV s nadzemnim SN napajanjem ima dobre uvjete uzemljenja, da ih 22 % ima srednje uvjete uzemljenja te da ih 48 % ima loše uvjete uzemljenja. Potrebno je napomenuti, da kada se radi o terenima sa srednjim i teškim uvjetima uzemljenja, u SN mrežama uzemljenim preko maloomskog otpornika nije moguće zadovoljiti tražene otpore združenog uzemljenja prema zakonskoj regulativi.
Na slikama 4.4 i 4.5 prikazane su sheme TN-C-S i TT sustava uzemljenja NN
mreža.
60
Slika 4.4: Shema TN-C-S sustava uzemljenja NN mreža
Slika 4.5: Shema TT sustava uzemljenja NN mreža Osim ova dva načina uzemljenja NN mreža (TN i TT), koja se koriste u Hrvatskoj, meñunarodni standard IEC 364 propisuje i IT način uzemljenja u kojem nulti vodič nije uzemljen. Sva tri načina imaju za osnovni cilj osiguranje ljudskih života. Odabir pojedinog načina uzemljenja NN mreža najviše ovisi o važećim propisima u zemlji u kojoj se koristi. S tehničke strane, u istoj NN mreži moguće je imati sva tri načina uzemljenja, čak se i preporuča. Izbor se vrši na osnovu priključenog tereta i zahtjeva korisnika. Zbog sve većeg broja sofisticirane tehničke opreme, potrebno je smanjivati utjecaje struja kvara odnosno njih same. Stoga se u budućnosti može očekivati sve veća zastupljenost TT sustava uzemljenja [29, 30]. Meñutim, često se pretpostavlja da je neki objekt koji je uzemljen siguran za živote ljudi. Mali otpor uzemljenja neke trafostanice nije uvijek potpuna garancija sigurnosti. To je posljedica činjenice da nema jednostavnog odnosa izmeñu otpora
61
uzemljivačkog sustava u cjelini i maksimalne struje udara kojoj neka osoba može biti izložena. Drugim riječima, trafostanica sa relativno malim otporom uzemljenja može biti opasna, dok druga trafostanica s velikim otporom može biti sigurna uz povoljnu izvedbu. Na primjer, ako se TS napaja iz zračnog voda bez zaštitnog užeta, mali otpor uzemljenja je neosporno važan. Sva ili većina struje dozemnog spoja ulazi u zemlju često uzrokujući strmi rast potencijala zemlje na mjestu spoja vodiča sa zemljom. U slučaju da postoji zaštitno uže ili posebice kabelski vodovi koji se rasprostiru u više pravaca dio struje se vraća prema svom izvoru kroz taj metalni put. Takva veza čini paralelni povratni put vrlo malog otpora što uzrokuje znatno manji gradijent potecijala na mjestu dozemnog spoja. Posebno je važno detaljno analizirati učinak dijela struja kvara koji ulazi u zemlju unutar područja TS. Ako geometrija, lokacija uzemljivača, iznos specifičnog otpora tla i drugi utjecaji pridonose prevelikom gradijentu potencijala na površini zemlje, uzemljivački sustav može biti neprikladan unatoč sposobnosti provoñenja struje kvara u magnitudama i trajanjima dopuštenim zaštitnim ureñajima. Tijekom tipičnih uvjeta pri zemljospoju tok struje prema zemlji tvori gradijente potencijala unutar i izvan TS. Ukoliko se nije posvetila potrebna pozornost u izvedbi, maksimalni gradijenti potencijala na površini zemlje tijekom zemljospoja mogu biti dovoljno velike magnitude za ugrožavanje sigurnosti osoba u području TS. Mogući su slijedeći nepovoljni uvjeti koji čine nepoželjne električne udare:
• relativno velika struja zemljospoja u odnosu na područje uzemljivačkog sustava i njegov otpor prema udaljenoj zemlji,
• specifični otpor tla i raspodjela dozemnih struja takva da se mogu pojaviti veliki gradijenti potencijala u točkama na površini zemlje,
• prisutnost osobe na takvoj točki, vrijeme i pozicija tijela pri kojoj premošćuje dvije točke s velikom razlikom potencijala,
• nedostatak prijelaznog otpora u seriji koji bi utjecao na smanjenje struje kroz tijelo pri ispunjenju prva tri navedena uvjeta
• trajanje kvara i kontakta tijela, dakle toka struje kroz tijelo kroz dovoljno dugo vrijeme da uzrokuje nesreću pri danoj jačini struje.
Na kraju se može konstatirati da je prije svega mala vjerojatnost istovremenog ispunjenja više nepovoljnih uvjeta u istom trenutku razlog malog broja nesretnih slučajeva koji bi mogli dovesti u meñusobnu vezu dozemni spoj sa kvalitetom uzemljivačkog sustava.
62
Sigurnosni rizici obzirom na protok struje kroz lj udsko tijelo Opasnosti za zdravlje i život ljudi pri električnom udaru, pri višim naponima električni udar se manifestira u vidu pojave električnog luka i protoka struje kroz i po površini ljudskog tijela, te ima za posljedicu opekline odnosne teške destrukcije na ljudskom tkivu (kosti, mišići, koža...) kao i kemijske promjene u krvi. Kod električnog udara na niskom naponu najveća opasnost proizlazi iz posljedica protoka struje kroz tijelo. U tim slučajevima najčešći uzrok smrti je fibrilacija srčanog mišića. Imajući u vidu saznanja o opasnim strujama za zdravlje i život čovjeka, nužan uvjet za odreñivanje graničnog napona dodira je poznavanje „očekivanog“ otpora ljudskog tijela. Otpor ljudskog tijela ovisi o nekoliko parametara:
• o putu prolaska kroz ljudsko tijelo • o visina napona • o vlažnosti kože
Na slici 4.6. prikazana je ovisnost „očekivanog“ otpora ljudskog tijela u ovisnosti o vlažnosti kože a na slici 4.7. područja djelovanja električne struje na ljudsko tijelo.
Slika 4.6: Ovisnost otpora ljudskog tijela o vlažnosti kože i naponu Djelovanje električne struje na ljudsko tijelo u ovisnosti od jakosti struje i trajanju protok struje kroz ljudsko tijelo.
63
Slika 4.7: Područja djelovanja el. struje na ljudsko tijelo Područja djelovanja struje na ljudsko tijelo od 1 do 4 sa slike 4.7. prikazana su u tablici 4.1. Tablica 4.1: Opis djelovanja električne struje na ljudsko tijelo
Područje Fiziološka djelovanja
1 (do krivulje a) Najčešće bez ikakvih reakcija
2 (izmeñu krivulja a i b) Najčešće bez štetnih fizioloških djelovanja
3 (izmeñu krivulje b i c1) Najčešće bez organskih oštećenja. Moguća su grčenja mišića i teškoće s disanjem i poremećajem srčanog ritma, uključujući treperenje pretklijetke i privremeni zastoj u radu srca bez treperenja klijetke, povećani s jačinom struje i trajanjem protjecanja
4 (iza krivulje c1) Isto kao u zoni 3; vjerojatnost pojave treperenja srčane klijetke oko 5% na krivulji c2 , oko 50% na krivulji c3. povećanjem jakosti struje i trajanja protoka mogu se pojaviti patofiziološka djelovanja kao što su srčani zastoj, prestanak disanja i teške opekotine
Kako je navedeno u dijelu 3.2.1. u elektrodistributivnoj mreži 10(20) kV nazivnog napona ne koristi se pogon sa direktno uzemljenom neutralnom točkom upravo i zbog nemogućnosti postizanja propisanih napona dodira i koraka na pogonskim, zaštitnim i združenim uzemljivačima nn mreža i pripadnih TS. Zbog nemogućnosti postizanja ovog osnovnog i najvažnijeg cilja, sigurnosti u pogonu, u nastavku se neće analizirati prednosti i mane ovog načina uzemljenja neutralne točke obzirom na preostale parametre ocjene uspješnosti načina uzemljenja.
64
4.2.1. Sigurnost u 10(20) kV mrežama sa izoliranom neutralnom točkom Kako je ovaj način pogona 10(20) kV mreže najrasprostranjeniji u elektrodistributivnim mrežama zaključuje se da je i dovoljno siguran. Naravno, imajući u vidu porast udjela kabelskih dionica u SN mrežama za očekivati je da se s porastom dozemnih struja pojavljuju i teži uvjeti na uzemljivačkim sustavima TS 10(20)/0,4 kV, što je pravovremenim mjerenjima potrebno i dokazivati. Isto tako je za očekivati povećanje struja zemljospoja u SN mrežama u kojima se prelazi sa pogona 10 kV na nazivni napon 20 kV, pri čemu se dozemne struje galvanski povezane mreže udvostručuju. Svakako je preporučljivo, u takvim okolnostima provjeriti dimenzioniranje postojećih uzemljivačkih sustava u niskonaponskim mrežama i pripadnim TS, računski a potom i mjerenjem. Naročito bi se to moglo preporučiti za sve one nn mreže i pripadne TS za koje iz bilo kojeg razloga ne postoje glavni ili izvedbeni projekti u kojima se dokazuje ispravnost dimenzioniranja uzemljivačkog sustava.
4.2.2. Sigurnost u 10(20) kV mrežama s neutralnom točkom uzemljenom pomo ću otpornika male vrijednosti Kako je prethodnim dijelovima već navedeno, ovaj način uzemljenja u 10(20) kV mrežama bio je na neki način strateška odrednica načina uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreža u posljednjih 20-tak godina. Odabir i kriteriji razrañeni su u već spomenutoj studiji „Tipizacija rješenja za provedbu uzemljenja zvjezdišta mreža srednjeg napona“. Sa sigurnosnog aspekta ovaj način uzemljenja je prihvatljiv, no ipak se u uvjetima značajnog porasta dozemnih struja zbog povećanog udjela podzemnih kabela u SN mreži a naročito uslijed prelaska sa 10 na 20 kV nazivni napon, u uvjetima srednjih i teških uvjeta uzemljenja (visoki specifični otpori tla) ne mogu, odnosno ekonomski nije isplativo dimenzionirati uzemljivače da se naponi dodira i koraka usklade sa propisanim vrijednostima. Primjerice za struje jednopolnih kvarova ograničene na 150 A u trajanju od 1 s prema Hrvatskim propisima za TN NN mreže potreban je otpor združenog uzemljenja do 0,43 Ω, a prema novousvojenom „Pravilniku o tehničkim zahtjevima za elektroenergetska postrojenja nazivnih izmjeničnih napona iznad 1kV“ u kojem je norma HRN HD 637 S1 sastavni dio, taj iznos bi maksimalno iznosio 1,47 Ω. Da bi se ovi otpori postigli potrebne duljine vodoravnih trakastih i okomitih štapnih uzemljivača su nekoliko desetaka metara i to u uvjetima specifičnog otpora tla do 100 Ωm. Kod većih specifičnih otpora tla duljine proporcionalno rastu. U prilog ovoj tvrdnji idu i navodi iz [8] u kojoj se opisuje stanje uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreža na području Elektre Zadar gdje se u četiri TS x/10(20) kV ugrañeni otpornici male vrijednosti ali nisu u pogonu jer se ne mogu, uslijed visokog specifičnog otpora tla, postići zadovoljavajući uvjeti uzemljenja TS 10(20)/0,4 kV i pripadnih niskonaponskih mreža.
4.2.3. Sigurnost u 10(20) kV mrežama s neutralnom t očkom uzemljenom pomo ću kompenzacijske prigušnice
65
Cilj ovog pristupa uzemljenja neutralne točke SN mreže je smanjenje struje zemljospoja što za sobom povlači i manji porast potencijala uzemljivača i njegovih gradijenata zbog prolaska struje kroz tlo, što poboljšava uvjete sigurnosti ljudi. Čak i osobe u neposrednoj blizini uzemljivača opterećenih strujom kvara ne mogu doći u neposrednu opasanost od utjecaja električnog udara. Svakako se može konstatirati da je u odnosu na ostale navedene načine uzemljenja u SN mrežama, uzemljenje pomoću kompenzacijskih prigušnica sa aspekta sigurnosti i u najtežim uvjetima specifičnog otpora tla najpovoljnije rješenje. Zaključak: Prema svemu navedenom u ovom dijelu koji govori o sigurnosti, odnosno opasnosti za ljudska bića obzirom na razlike koje postoje u ovisnosti od načina uzemljenja neutralne točke, kao stvarnu opasnost prikazat ćemo mogućnost ili činjenicu usklañenosti propisanih vrijednosti parametara koji utječu na sigurnost sa onima koji se postižu kroz pojedini način uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže. Naravno, ova ocjena pretpostavlja da su osnovni kriteriji pogona odnosno odabira načina uzemljenja zadovoljeni (tablica 3.3). Tablica 4.2: Pregled procjene ostvarenja zadanog cilja obzirom na način uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže – sigurnost ljudi Procjena za postizanje cilja- sigurnost ljudi
Spec. otpor.
tla
Mreža sa izoliranom neutralnom
točkom
Mreža uzemljena pomoću malog djelatnog otpora
Rezonantno uzemljena
mreža
(Ωm) <20A za 10 kV
<15A za 20 kV
150 A 300 A 1000 A 10% Io
Procjena za postizanje cilja- sigurnost ljudi
<100 lagano lagano lagano srednje teško
lagano
Procjena za postizanje cilja- sigurnost ljudi
100-500
srednje teško teško srednje teško
- lagano
Procjena za postizanje cilja- sigurnost ljudi
<500 teško vrlo
teško vrlo teško -
srednje teško
66
4.3. Selektivnost relejne zaštite
4.3.1. Selektivnost relejne zaštite u 10(20) kV mre žama sa izoliranom neutralnom to čkom Kod mreža s izoliranim zvjezdištem, kvar prema zemlji nije popraćen velikim strujama. Budući da struje nisu velike, teoretski gledano, nije neophodno brzo isključenje dijela postrojenja s greškom prilikom zemljospoja (vrijeme za eliminiranje kvara može biti do 2 sata). Meñutim, u ovom slučaju dolazi do povećanja napona na zdravim fazama, a s time i porast vjerojatnosti nastanka proboja izolacije na ostale dvije faze i pojave dvostrukih zemljospojeva (ovo je naročito izraženo kod starijih mreža zračnih ili kabelskih). Zbog navedenih razloga, ali i prije svega zbog opasnosti u vidu opasnih dodirnih napona i napona koraka na mjestu zemljospoja dio postrojenja (npr. zračni vod) isključuje se u vrlo kratkom vremenu. Prema tome zaštita ovih sistema mora biti selektivna i vrlo osjetljiva. Zaštita u mrežama s izoliranom neutralnom točkom treba imati slijedeće funkcije:
- prenaponsku zaštitu na sabirnicama za nulti napon (59N) - nadstrujnu zemljospojnu zaštitu s inverznom i vremenski odreñenom
karakteristikom (51N) - usmjerenu nadstrujnu zemljospojnu zaštitu s inverznom i vremenski
odreñenom karakteristikom (67N) - varmetarsku zaštitu kao opciju (67NV/32VAR), koja bi nakon uzemljenja
mogla raditi kao vatmetarska Obzirom da se pretpostavlja da su struje zemljospoja u dopuštenim granicama prema važećim pravilima te uz uvjet da su naponi dodira u granicama važećih pravila, zemljospojna zaštita prvotno treba djelovati kao alarm.
• Signalizacija pojave zemljospoja Priključkom naponskog releja na otvoreni trokut naponskog mjernog transformatora (slika 4.8) izvodi se signalizacija pojave zemljospoja.
V0 t+ signal
L1 L2 L3 V 100 100
33 3
67
Slika 4.8: Spoj za signalizaciju zemljospoja Prijenosni omjer je takav da se na otvorenom trokutu dobije napon od 100 V za slučaj zemljospoja bez prijelaznog otpora. Da bi relej djelovao i kod zemljospoja s prijelaznim otporima proradni napon mu se podešava na 40÷50 V, a da bi se izbjegla nepotrebna signalizacija prolaznih zemljospoja koristi se i vremenski relej s podešenjem 3 ÷ 10 s.
• Selektivna zaštita voda u kvaru Da bi u radijalnoj mreži utvrdili koji je vod u kvaru koristimo osjetljivi usmjereni zemljospojni relej priključen na struju nulte komponente, i nulti napona, budući da u slučaju kvara prema zemlji na jednom vodu, dolazi do zbrajanja kapacitivnih struja svih vodova, tako da je na oštećenom vodu struja nulte komponente znatno veća nego na zdravim vodovima. Odnos izmeñu struje zdravog voda i voda u kvaru dat je kao :
1
2
r
r
I
Im r
r
= (4.1)
Gdje je 2rIr
preostala struja u ispravnom vodu, a 1rIr
preostala struja voda u kvaru, a izrazi za te struje su (Božuta, 1998):
( )k
R RCj
CCjVI
⋅+−⋅⋅
=0
0101 31
3
ωωr
(4.2)
kR RCj
CjVI
⋅+⋅⋅
=0
022 31
3
ωωr
(4.3)
gdje su : C0 − ukupni dozemni kapacitet mreže C01− dozemni kapacitet voda u kvaru C02− dozemni kapacitet ispravnog voda Za selektivno djelovanje zaštite bi bilo potrebno da odnos m bude što manji. Proradna struja releja mora biti veća od maksimalne struje koju daje vod u slučaju kvara prema zemlji na drugim vodovima. S druge strane ova proradna struja mora biti manja od minimalne struje kod isključenja najdužeg voda koji je priključen na iste sabirnice. Različita stanja mreže zahtijevaju različita podešenja releja pa rješenje sa osjetljivim nadstrujnim relejima može primijeniti u mrežama za koje se ne planiraju bitne promjene oblika i uklopnih stanja. Zato je bolje rješenje korištenje usmjerenog zemljospojnog releja koji kao kriterij za proradu koristi smjer reaktivne snage nulte komponente (slika 4.9)
68
3i0
L3
L2
L1
3V0
tsignal
+
Slika 4.9: Usmjereni zemljospojni relej reaktivne snage nultog sustava Na taj način se jednoznačno definira vod na kojem je nastao kvar prema zemlji. Usmjereni releji priključeni su na napon i struju nulte komponente tako, da kapacitivne struje zdravih vodova blokiraju relej a struje voda u kvaru prouzrokuju proradu odgovarajućeg releja. Usmjereni relej mora biti maksimalno osjetljiv na kapacitivnu struju. Neselektivne prorade relejne zaštite moguće su kod starije generacije releja (elektromehanički i statički) i ta se neselektivnost manifestira da uz vod koji je u dozemnom spoju zaštita isključi i vod koji je ispravan. Osnovni uzroci neselektivnog rada usmjerene zemljospojne zaštite su tromost releja, nekompatibilnost strujnog transformatora i ureñaja zaštite, vrijednost i oblik struje 3I0 u vodu koji nije u dozemnom spoju. Zaključak: Već i prije pretežite upotrebe modernih numeričkih ureñaja relejne zaštite sa elektromehaničkim i statičkim relejima bila je ostvarena zadovoljavajuća selektivnost u funkcioniranju relejne zaštite za većinu kvarova koji se dešavaju. U iznimnim situacijama moguća su odstupanja od prethodne tvrdnje u 10(20) kV mrežama sa izoliranom neutralnom točkom koje napajaju izvangradski konzum, sa manje važnim kupcima, sa pretežito nadzemnim vodovima. Vrlo često u elektrodistribuciji još uvijek postoje napojne TS sa relejnom zaštitom slabijih karakteristika u kojima ne postoje prioritetni ekonomski pokazatelji za rekonstrukcijom postrojenja. To znači da relejna zaštita u nekim posve specifičnim situacijama dozemnih spojeva kao što su visokoomski kvarovi na nadzemnim vodovima, dozemni spojevi sa „stražnje“ strane dalekovoda ili specifični kvarovi u starim kabelskim 10 kV mrežama neće selektivno isključiti dio postrojenja u kvaru. Prije svega to se odnosi na napojne TS sa vrlo malim kapacitivnim dozemnim strujama. No, kako je već naglašeno, s obzirom da se pretpostavlja da su struje zemljospoja u dopuštenim granicama prema važećim pravilima te uz uvjet da su naponi dodira u granicama važećih pravila, zemljospojna zaštita može poslužiti i
69
kao alarm. To znači da će svaka prenaponska zaštita sigurno prepoznati zemljospoj i signalizirati ga. U tom slučaju na operateru (uklopničaru ili dispečeru) preostaje ručnim isključivanjem pronaći vod u kvaru i isključiti ga do popravka kvara.
70
4.3.2. Selektivnost relejne zaštite od jednopolnih kvarova u 10(20) kV mrežama s neutralnom to čkom uzemljenom pomo ću otpornika male vrijednosti
U uvjetima uzemljene neutralne točke preko malog otpora koristimo umjesto termina zemljospoja, kojeg smo koristili uvjetima izolirane neutralne točke 10(20) kV mreže, termin jednopolni kvar. Kod ovako uzemljenih mreža kvar prema zemlji isključuje se u kratkom vremenu zbog relativno velikih vrijednosti struja kvara koje su ograničene samo vrijednošću otpora za uzemljenje zvjezdišta. U ovim uvjetima uzemljenja neutralne točke potrebno je ostvariti i zaštitu od kvara samog otpornika. Zaštita u mrežama s maloomski uzemljenom neutralnom točkom treba imati slijedeće funkcije:
- prenaponsku zaštitu na sabirnicama za nulti napon (59N), - nadstrujnu zemljospojnu zaštitu s inverznom i vremenski odreñenom
karakteristikom (51N), - usmjerenu nadstrujnu zemljospojnu zaštitu s inverznom i vremenski
odreñenom karakteristikom (67N), - vatmetarsku zaštitu kao poželjnu opciju (67NV/32W), - zaštitu maloomskog otpornika (51G), koja obuhvaća funkciju rezervne
zemljospojne zaštite, zaštita od preopterećenja otpornika, zaštita od premoštenja otpornika.
Zemljospojna zaštita mora selektivno isključivati izvode u kvaru, a zaštita otpornika od premoštenja i preopterećenja kao i rezervna zaštita vodova mora djelovati na prekidače napojnih transformatora. Za izbor zaštite mjerodavne su tri struje : Struja jednopolnog kratkog spoja iznosi:
Knod
nK ZRZZ
UI
332
31 +++
∗= (4.4)
Preostala struja voda u kvaru uz zanemarenje dozemnih kapaciteta (Božuta 1998.)
11 Kr IIrr
= (4.5) Preostala struja u ispravnom vodu :
( )ZKn
nr RCjRR
VRCjII
⋅++⋅⋅⋅
−==0
02022 31
33
ωω
rrr
(4.6)
gdje su :
71
I02 − struja nultog sustava zdravog voda C02 − dozemni kapacitet zdravog voda C0 − ukupni dozemni kapacitet mreže Budući da kvar prema zemlji predstavlja jednopolni kratki spoj, vodovi se štite osjetljivom nadstrujnom vremenskom zaštitom koja se priključuje u neutralni vodič zvjezdišta kojeg tvore sekundarni namoti strujnih transformatora spojenih u sve tri faze (slika 4.10.)
I0>
L1 L2 L3
t
Slika 4.10: Zaštita pomoću neusmjerenog nadstrujnog releja Ako se radi o kabelskoj mreži relej se može priključiti i na obuhvatni strujni transformator kabelskog izvoda. Na ovaj način, oni registriraju trostruke nulte komponente struja u vodovima. Najniže podešenje ovog releja ne treba biti veće od nI2.0 . Kod mješovitih 10(20) kV mreža s manjim ili većim udjelom nadzemnih vodova, kvarovi prema zemlji nastaju preko odreñenog prijelaznog otpora. Ukoliko se desi pad vodiča na suho tlo, prijelazni otpor vodiča može poprimiti veće vrijednosti, pri čemu je struja jednopolnog kvara vrlo mala što dovodi u pitanje djelotvornost primijenjene zaštite. Selektivno isključenje voda u kvaru Prilikom kvara, po vodu u kvaru teče ukupna kapacitivna struja, kojoj se superponira struja kroz zvjezdište, dok po zdravim vodovima teku struje čije su veličine proporcionalne kapacitetima tih vodova. Kapacitivnoj struji u zdravom vodu u momentu zemljospoja superponira se tranzijentna nulta struja, koja može biti nekoliko puta veća od stacionarne, a prigušuje se poslije 10ms. Može se uzeti da će kod zemljospoja u mreži na nekom drugom odvodu (vod bez greške) za vrijeme prijelaznog procesa poteći struja max02I . Ta je struja jednaka :
02max02 3IkI p= (4.7)
Gdje je :
023I − stacionarna kapacitivna struja na zdravom vodu kada se kvar desi na nekom drugom vodu, a
72
pk −koeficijent kojim se obuhvaća utjecaj jednosmjerne komponente (po pravilu
k <2) Struja max02I može prouzročiti trenutno aktiviranje releja ako je nadstrujni član nisko podešen. Pošto zaštita ima vremensko zatezanje, neće doći do nepotrebnog djelovanja zaštite ukoliko je struja otpuštanja releja veća od stacionarne vrijednosti struje ispravnog voda. Uz uvoñenje omjera otpuštanja releja rk i faktora sigurnosti
Sk dobiva se strujno podešenje releja za vod 2 kao :
0202 33 IkIk
kI
r
SR == (4.8)
S ovim strujnim podešenjem osiguravamo selektivnu proradu zaštite. Koeficijent k ima vrijednost izmeñu 1 i 3. S druge strane, podešenje releja za zaštitu od jednopolnog KS treba biti manje od najmanje vrijednosti koju može imati struja jednopolnog KS prilikom kvara na tom vodu. Tu minimalnu struju odreñujemo uvoñenjem faktora maxµ koji se odreñuje za cijelu dužinu voda :
nR
VI maxmin µ= (4.9)
S obzirom na (4.7) i (4.9) može se reći da podešenje zaštitnog releja treba biti :
nR R
VIIk max023 µ<< (4.10)
Zaštita od jednopolnih KS mora zadovoljiti i uvjet da podešenje na releju bude niže od 6% nazivne struje strujnih transformatora zbog nejednakih karakteristika strujnih transformatora. Naime struje nesimetrije uzrokovane su nelinealnim i neidentičnim karakteristikama magnetiziranja strujnih transformatora i nesimetrija u primarnoj struji. Iz tih se razloga zaštita mora podesiti iznad tih struja što isto tako negativno utječe na djelotvornost zaštite kod malih struja kvara. Ukoliko se zaštitni ureñaji spajaju na obuhvatne strujne transformatore navedeni problem se ne manifestira. Katkad u mrežama nije uvijek moguće postići selektivnu zaštitu neusmjerenim nadstrujnim relejima. U tom slučaju se postavljaju usmjereni releji sa vremenskim članom, koji su tako orijentirani da djeluju kad struja kvara teče ka štićenoj dionici. Takvi releji temeljeni na vatmetarskom principu rada, za normalno djelovanje moraju biti spojeni na otvoreni trokut naponskih mjernih transformatora jer im je potrebna nulta komponenta napona. Proradni napon naponskog odnosno vatmetarskog releja se mora tako odabrati da je proradna vrijednost veća od napona nesimetrije koji se pojavljuje na otvorenom trokutu u normalnom pogonskom stanju mreže. Za navedeni napon nesimetrije obično se uzima vrijednost 5-10 V što se može izmjeriti u stvarnim uvjetima na otvorenom trokutu mjernih transformatorima. Takvim udešenjem, jednako kao što je opisano i za strujne transformatore postiže se nedjelotvornost zaštite kod visokoomskih kvarova, budući i napon otvorenog trokuta prilikom jednopolnih kvarova preko velikog prelaznog otpora ima male vrijednosti.
73
Zaštita od visokoomskih kvarova izvodi se pomoću vrlo osjetljivih nadstrujnih releja s vremenskim kašnjenjem. Predmetna zaštita djeluje na prekidače napojnih transformatora što uzrokuje isključenje većeg konzuma. Kako je danas standardno rješenje u tehnici relejne zaštite korištenje zaštitnih releja koji objedinjavaju sve navedene zaštitne funkcije u stvari govorimo o aktiviranju pojedinih zaštitnih funkcija. Na slici 4.11. prikazana je shematski prikaz zaštite 10(20) kV vodova i otpornika od jednopolnih kvarova.
Slika 4.11: Shematski prikaz zaštite od jednopolnih kvarova u mreži uzemljenoj pomoću otpornika male vrijednosti Zaštita otpornika za uzemljenje Otpornik treba zaštiti od prekomjernog zagrijavanja koje može prouzročiti struja jednopolnog kratkog spoja ako iz bilo kojeg razloga nije došlo do isklapanja kvara u mreži. Otpornik se štiti nadstrujnom vremenskom zaštitom, u minimalno dva stupnja (zaštita od preopterećenja otpornika i zaštita od premoštenja otpornika). Otpornici se proizvode za usvojene nominalne vrijednosti struja RnI u mreži uzemljenoj preko malog otpora (150, 300 i 1000A). Tu struju otpornik može izdržati st pn 5= . S tim smo dobili prvi uvjet za proradu strujne zaštite prI kao i
vrijeme isključenja otpornika, odnosno transformatora Rt .
74
Rnpr II < (4.11)
RnR tt ≤ (4.12) Budući da je vrijeme eliminacije kvarova obično duže od 5s, za definiranje proradne struje je bitna (10−min) trajna struja RntI kojom se otpornik smije opteretiti, pa se dobije uvjet :
Rntpr II < (4.13)
Da bi ova zaštita imala funkciju rezervne zaštite vodova i sabirnica SN, zaštita otpornika treba zadovoljiti i daljnji kriterij :
( )prvpr II min< (4.14)
Gdje bi prvI bila proradna struja zemljospojne zaštite bilo kojeg voda ukoliko se
kvar dogodio na nekom drugom vodu ili sabirnicama. Proradna struja zaštite otpornika treba biti:
( )prvRntpr III ,min< (4.15)
Ovako odabrana struja prI mora biti veća od neke minimalne struje. Minimalna
vrijednost prI odreñuje se tako, da ne doñe do isklopa u normalnom pogonu zbog
proticanja struja viših harmonika (naročito trećeg). Struja trećeg harmonika može se odrediti iz izraza :
( ) ( ) ( )µµµ βα II ⋅⋅= 333 (4.16)
gdje je :
( )3µα − odnos efektivnih vrijednosti trećeg i osnovnog harmonika u struji
magnetiziranja ( )3µβ − utjecaj odnosa impedancije transformatora i mreže na struju trećeg
harmonika µI − struja magnetiziranja transformatora
Isto tako, proradna struja prI mora biti veća od minimalne struje releja uvažavajući
prijenosni omjer strujnog transformatora u zvjezdištu. Zaključak: Gotovo u svim tehnološkim rješenjima relejne zaštite (elektromehanička, statička, numerička) relativno je lako izvršiti temeljne funkcije relejne zaštite a to je selektivno isključenje minimalnog dijela postrojenja koje je u kvaru. Ono što i ovo tehničko rješenje uzemljenja neutralne točke sa aspekta relejne zaštite karakterizira je za današnje uvjete previše nekritičan pristup pri proradama
75
rezervne visokoomske zaštite vodnih polja, jer u tim uvjetima zaštita djeluje na prekidače napojnih transformatora 35/10(20) kV, a posebno je to nepovoljno kod transformacije 110/10(20) kV zbog isključenja vrlo velikog broja kupaca električne energije koji su u trenutku kvara priključeni na ispravne vodove.
76
4.3.3. Selektivnost relejne zaštite od jednopolnih kvarova u 10(20) kV mrežama s neutralnom to čkom uzemljenom pomo ću kompenzacijske prigušnice U rezonantno uzemljenim 10(20) kV mrežama zemljospojna zaštita zasnovana na nadstrujnom odnosno vatmetričkom kriteriju uglavnom nije dovoljna kao u maloomski uzemljenim mrežama i mrežama s izoliranim zvjezdištem. Specifični zahtjev za pogon ovakve mreže može biti zahtjev da se ograničeno vrijeme dozvoli rad sa strujom zemljospoja. Zemljospojna zaštita, prema koncepciji nadležnih osoba za voñenje i upravljanje mrežom, mora ili selektivno isključivati izvode u kvaru u kratkom vremenu ili treba selektivno otkrivati vodove u kvaru i alarmirati, a tek po isteku dopuštenog vremena za pogon pri zemljospoju, isključiti vod u kvaru. Zaštita u rezonantno uzemljenim mrežama treba imati slijedeće funkcije:
- prenaponsku zaštitu na sabirnicama za nulti napon (59N), - nadstrujnu zemljospojnu zaštitu s inverznom i vremenski odreñenom
karakteristikom (51N), - usmjerenu nadstrujnu zemljospojnu zaštitu s inverznom i vremenski
odreñenom karakteristikom (67N), - vatmetarsku zaštitu (67NV/32W), - zaštitu otpornika i kompenzacijskih prigušnica (51G), koja obuhvaća
funkciju rezervne zemljospojne zaštite, zaštitu od preopterećenja otpornika i prigušnice, zaštita od premoštenja otpornika (u ovisnosti od tehnološke izvedbe otpornika),
- zaštitu od visokoomskih i ponavljajućih kvarova (npr. admitantne metode zaštite, metode promjene vodljivosti (32C), druge napredne tranzijentne metode).
Otežavajuća okolnost je da se u rezonantno uzemljenim mrežama u odnosu na prethodno opisane, osim karakterističnih kvarova s dominantnom 50 Hz komponentom, javljaju i ponavljajući kvarovi (eng. restriking faults), koje zaštita takoñer treba selektivno otkrivati. Tradicionalna vatmetrička zaštita koja koristi 50 Hz komponentu ne radi ispravno pri ovim kvarovima. Bitno je da zemljospojna zaštita u rezonantno uzemljenim srednjenaponskim mrežama zadrži osjetljivost selektivnog otkrivanja zemljospojeva kakva je u maloomski uzemljenim i izoliranim mrežama. U ovim mrežama osjetljivost digitalnih zemljospojnih zaštita s vremenski odreñenim ili inverznim karakteristikama je do vrijednosti otpora na mjestu kvara do 15 kΩ. Vatmetrička zemljospojna zaštita u rezonantno uzemljenim mrežama može selektivno otkrivati kvarove s vrijednostima otpora na mjestu kvara do 3 kΩ [17]. Stoga, u ovim mrežama osim “standardne” vatmetričke zemljospojne zaštite, treba ugrañivati i dodatne zaštite od ponavljajućih kvarova i visokoomskih kvarova.
77
4.3.3.1. Metode selektivnog otkrivanja zemljospojev a u rezonantno uzemljenim mrežama Metode selektivnog otkrivanja zemljospojeva zasnivaju se na mjerenju prijelaznih ili stalnih struja i napona pri zemljospojevima. Posebno svojstvo izoliranih i rezonantno uzemljenih mreža je da magnitude struje kvara proizlaze iz zdravih izvoda, dok izvod u kvaru nema utjecaja na njih. Mjerenje dostupnih vrijednosti struja i napona u slučaju zemljospoja, osim ako se ove vrijednosti dalje ne obrañuju, upućuju na primjenu usmjerene zemljospojne zaštite. Zbog kompenzacije u rezonantno uzemljenim mrežama, odnosno smanjivanja struje kvara, očito je da zaštitna oprema, uključujući i transformatore, mora zadovoljavati vrlo visoke zahtjeve. Većina metoda radi pri nepovoljnim uvjetima faznog pomaka izmeñu struje i napona (90°). Za razliku od mjernih uvje ta pri kratkim spojevima, strujni transformatori nisu prilagoñeni malim strujama zemljospoja. Prilagodba se treba ostvariti upotrebom obuhvatnih strujnih transformatora. Ovi zahtjevi su u uzamčenim mrežama još veći zbog raspodjeljivanja struje zemljospoja po granama. U slijedećem dijelu daje se kratki pregled i grubu procjenu metoda zemljospojne zaštite koje se najčešće upotrebljavaju [17].
4.3.3.2. Mjerenje smjera radne snage nultog sustava Svaki zemljospoj uzrokuje tok radne snage u smjeru mjesta kvara. Mjeri se radna komponenta (cos φ) osnovne frekvencije i njen smjer se koristi za odabir. 4.3.3.2.1. Otkrivanje zemljospojeva vatmetri čkom metodom Ova metoda mjeri nultu struju i napon te na osnovu odreñivanja smjera radne komponente snage, odnosno struje, koja teče u smjeru kvara, donosi odluku o proradi. Udio radne komponente u ukupnoj struji zemljospoja je prilično mali, 2 do 5 %. Ako se radi o uzamčenim srednjenaponskim mrežama, struja se raspodjeljuje u nekoliko grana što dodatno umanjuje izmjerenu struju zemljospoja. Zbog toga se ova metoda može primjenjivati samo u radijalnim mrežama. Tablica 4.3: Značajke vatmetričke metode
Osnovna značajka 0 0 0cosU I ϕ
Mogućnost primjene
Radijalne mreže
Zahtjevi na transformatore
Visoki zahtjevi na točnost mjerenje kuta, transformatorski omjeri trebaju biti prilagoñeni mjerenim vrijednostima (kabelski prstenasti strujni transformatori)
Posebne značajke
Kutne pogreške često uzrokuju mjerne kvarove u zdravim izvodima
78
4.3.3.2.2.Otkrivanje zemljospojeva vatmetri čkom metodom s pove ćavanjem radne komponente nulte struje Ovom metodom se prirodna radna komponenta struje zemljospoja povećava. Pri pojavi zemljospoja, nakon približno 5 s, u sekundarni strujni krug pomoćnog namota kompenzacijske zavojnice uključuje se otpornik. U nekim sustavima otpornik je stalno priključen u paralelu sa zavojnicom. Na ovaj način se radna komponenta struje zemljospoja povećava na približno 10 % nazivne struje kompenzacijske zavojnice. Povećanje radne komponente nulte struje je siguran pokazatelj i u mrežama uzamčene konfiguracije. Problemi selektivnosti ove metode su uočeni u prstenastim mrežama kada su releji dosta udaljeni od mjesta zemljospoja. Učinkovitost ove metode znatno ovisi o otporu na mjestu kvara i stupnju odstupanja od potpune kompenzacije. Uvjeti su najbolji pri potpunoj kompenzaciji. Tablica 4.4: Značajke vatmetričke metode s povećanjem radne komponente nulte struje
Osnovna značajka 0 0 0cosU I ϕ
Mogućnost primjene
Moguća primjena i u uzamčenim mrežama
Zahtjevi na transformatore
Visoki zahtjevi na točnost mjerenje kuta, kabelski prstenasti strujni transformatori nisu potrebni ako su omjeri transformacije mali
Posebne značajke
Otpor na mjestu kvara i odstupanje podešenja ograničavaju ovu metodu
4.3.3.3. Mjerenje smjera jalove snage nultog sustav a Mjerenje smjera toka jalove snage zasniva se na mjerenju prirodnog petog harmonika, na mjerenju harmoničkog sadržaja drugih frekvencija emitiranih iz audio-frekventnog sustava ili na mjerenju drugih zemljospojem uzrokovanih harmonika upotrebom sin φ načela. 4.3.3.3.1. Mjerenje petog harmonika Harmonici nastali zbog nelinearnih magnetizacijskih krivulja transformatora i zavojnice i energetskih elektroničkih ureñaja ne kompenziraju se kompenzacijskom zavojnicom, te ih je moguće mjeriti u nultoj struji. Sigurno otkrivanje zemljospojeva zahtijeva veličinu harmonika od najmanje 0,5 % osnovne komponente. Veličina harmonika ovisi o specifičnim uvjetima u mreži i o opterećenju mreže. Zbog toga ju je potrebno izmjeriti razinu harmonika prije upotrebe ove metode.
79
Tablica 4.5: Značajke metode mjerenja petog harmonika
Osnovna značajka 0 0 0sinU I ϕ (peti harmonik)
Mogućnost primjene
Moguća primjena i u uzamčenim mrežama
Zahtjevi na transformatore
Postojeći strujni i naponski transformatori su dovoljni
Posebne značajke
Visokoomski zemljospojevi su problem zbog velikog prigušenja harmonika
4.3.3.3.2. Mjerenje harmonika emitiranih iz audiofr ekventnog sustava Kao i peti harmonik, harmonici emitirani iz audiofrekventnog sustava ne kompenziraju se kompenzacijskom zavojnicom. Prema tome, moguće je koristiti tok jalove snage za selektivno otkrivanje zemljospoja. Jačina signala frekvencije petog harmonika emitiranog iz audiofrekventnog sustava je stalna i ne ovisi o opterećenju mreže. Općenito je početni puls iz audio-frekventnog sustava dovoljan za odreñivanje smjera toka jalove snage. Tablica 4.6: Značajke metode mjerenja harmonika emitiranih iz audiofrekventnog sustava
Osnovna značajka 0 0 0sinU I ϕ (frekvencije iz audiofrekventnog sustava)
Mogućnost primjene
Moguća primjena i u uzamčenim mrežama
Zahtjevi na transformatore
Postojeći strujni i naponski transformatori su dovoljni
Posebne značajke
Visokoomski zemljospojevi su problem zbog velikog prigušenja harmonika
4.3.3.4. Odreñivanje smjera iz prijelaznih signala uzrokovanih ze mljospojem Pri nastanku zemljospoja faza u kvaru se naglo prazni visokofrekventnim oscilacijama (f = 500 ÷ 10000 Hz), koje transformatori samo djelomice prenose. U isto vrijeme se dvije zdrave faze pune do razine linijskog napona. Ovo punjenje se dogaña pri nižim frekvencijama (f = 70 ÷ 4000 Hz), koje transformatori prenose u zadovoljavajućoj mjeri. Prvo jako strujno pražnjenje zajedno s nultim naponom koristi se za odreñivanje smjera. Prednost ove metode (eng. wiper) je da omogućava stalnu procjenu ponašanja mreže pri zemljospojevima. S druge strane, nedostaci su da ovaj način mjerenja sprečava otkrivanje razvoja puzajućih kvarova i da ne podržava lociranje ponavljajućih kvarova.
80
Tablica 4.7: Značajke metode odreñivanja smjera iz prijelaznih signala
Osnovna značajka
Isti polaritet u0 i i0 na početku zemljospoja
Mogućnost primjene
Moguća primjena i u uzamčenim mrežama
Zahtjevi na transformatore
Postojeći strujni i naponski transformatori su dovoljni
Posebne značajke
Nužna je brza i jasna pojava zemljospoja, odgovara samo na prvu pojavu kvara
4.3.3.5. Mijenjanje nulte struje Ovim metodama se manipulira iznosima nulte struje mijenjanjem impedancija nultog sustava. Promjena iznosa uzima se kao mjerni kriterij. Javljaju se znatne razlike izmeñu zdravih izvoda i izvoda u kvaru. Pulsno lociranje Ako se u sekundarni strujni krug pomoćnog namota kompenzacijske zavojnice periodično (f ≈ 0,3 Hz) uključuje kondenzator odreñenog iznosa kapaciteta, onda nulti strujni krug periodično ostaje bez rezonancije. Amplituda struje zemljospoja se mijenja istom frekvencijom kao i uključivanje kondenzatora. Ova periodična pulsiranja struje zemljospoja se koriste za odreñivanje izvoda u kvaru. Poboljšane metode procjenjuju porast struje zemljospoja ( /di dt ), što poboljšava pouzdanost otkrivanja. Tablica 4.8: Značajke metode pulsnog lociranja
Osnovna značajka
Promjena I0
Mogućnost primjene
Radijalne mreže
Zahtjevi na transformatore
Postojeći strujni transformatori su dovoljni ako imaju male omjere transformacije (In ≤ 150 A)
Posebne značajke
Moguće je otkrivati visokoomske zemljospojeve
Kratkotrajna nadkompenzacija Nakon pojave zemljospoja, na pomoćni namot kompenzacijske zavojnice spaja se induktivitet. Ovaj induktivitet mijenja podešenje rezonantnog strujnog kruga. U novonastalom stanju, kroz mjesto kvara teče dodatna induktivna struja. Na izvodu u kvaru u trenutku uključenja dodatnog induktiviteta dolazi do porasta struje ( / 0di dt > ), dok u zdravim izvodima dolazi do pada struje ili se ona ne mijenja ( / 0di dt ≤ ).
81
Tablica 4.9: Značajke metode kratkotrajne nadkompenzacije
Osnovna značajka
Promjena I0
Mogućnost primjene
Radijalne mreže
Zahtjevi na transformatore
Postojeći strujni transformatori su dovoljni ako imaju male omjere transformacije (In ≤ 150 A)
Posebne značajke
Moguće je otkrivati visokoomske zemljospojeve
Podešenje kompenzacijske zavojnice izvan rezonancij e Pri idealnoj kompenzaciji, samo radna komponenta nulte struje zemljospoja teče kroz mjesto kvara. Ako se samo malo promijeni podešenje od idealnog, ovoj radnoj komponenti se pridodaje i jalova komponenta. Ova jalova komponenta se takoñer nalazi i u nultoj struji izvoda u kvaru, tako da ju je moguće izmjeriti. Tablica 4.10: Značajke metode podešenja kompenzacijske zavojnice izvan rezonancije
Osnovna značajka
Promjena I0
Mogućnost primjene
Radijalne mreže
Zahtjevi na transformatore
Postojeći strujni transformatori su dovoljni ako imaju male omjere transformacije (In ≤ 150 A)
Posebne značajke
Moguće je otkrivati visokoomske zemljospojeve
Kratkotrajno maloomsko uzemljenje Nakon pojave zemljospoja, mreža se automatski kratkotrajno maloomski uzemljuje. Nulta struja izvoda u kvaru ovisi o konfiguraciji mreže, otporu na mjestu kvara te maloomskom otporniku i obično je izmeñu 100 i 300 A. Struje ovakvih iznosa je moguće otkrivati nultim nadstrujnim relejima, koji se mogu koristiti za signalizaciju ili isključenje. Takoñer je moguća upotreba APU-a. Problem su visokoomski zemljospojevi, jer zbog selektivnosti struje prorade nadstrujnih releja moraju biti više od nultih struja zdravih izvoda, dok u isto vrijeme otpor na mjestu kvara prigušuje struju zemljospoja odnosno u ovom slučaju, jednopolnog kratkog spoja.
82
Tablica 4.11: Značajke metode kratkotrajnog maloomskog uzemljivanja
Osnovna značajka
Promjena I0
Mogućnost primjene
Radijalne mreže
Zahtjevi na transformatore
Postojeći strujni transformatori su dovoljni
Posebne značajke
U slučaju visokoomskih zemljospojeva problem su pragovi prorade releja, dodatni problem je selektivnost u slučaju dugačkih izvoda.
4.3.3.6. Numeri čke metode Upotreba računala se sve više koristi u otkrivanju zemljospojeva. Razvijaju se različite metode koje računaju admitancije mreža iz izmjerenih promjena nultih parametara i na ovaj način osiguravaju stalni nadzor razine izolacije. Glavna prednost ovih metoda, u odnosu na metode koje koriste zaštitne releje na izvodima, je ta da se sve nulte vrijednosti prikupljaju u jednom ureñaju. Admitantnim metodama je tekoñer moguće lociranje zemljospojeva izračunavanjem udaljenosti kvara od trafostanice. Za lociranje je potrebno poznavati više parametara mreže nego što je potrebno samo za zaštitu. Tablica 4.12: Značajke numeričkih metoda
Osnovna značajka Promjena admitancija
Mogućnost primjene
Moguća primjena i u uzamčenim mrežama
Zahtjevi na transformatore
Postojeći strujni i naponski transformatori su dovoljno točni
Posebne značajke
Moguće je otkrivanje i jako visokoomskih zemljospojeva
83
Zaključak: Razvojem modernih numeričkih releja stvorene su i pretpostavka za realizaciju kompletne zaštite u rezonantno uzemljenim mrežama. Na taj način uz značajno složeniji pristup ostvarenju pojedinih funkcija relejne zaštite u rezonantno uzemljenim mrežama, danas je moguće ostvariti jednaku selektivnost kao u mrežama sa izoliranom ili uzemljenom neutralnom točkom pomoću impedancije male vrijednosti. Ne treba zaboraviti da su u prva dva opisana pristupa uzemljenju ostvarene temeljne funkcije relejne zaštite a to je težnja isključenju najmanjeg mogućeg dijela elektroenergetskog postrojenje u minimalnom vremenu po nastanku kvara. Kod rezonantno uzemljenih mreža jedan od zahtjeva je i nastojati eliminirati prolazne kvarove bez prekida napajanja uz nastojanje da se i za slučajeve trajnih kvarova ne isključuje postrojenje sve do pronalaske točnog mjesta kvara, pa čak i eventualnog otklanjanja kvara ako za to postoje pretpostavke u vidu rada pod naponom. Imajući u vidu opisano stanje selektivnosti relejne zaštite za mreže u ovisnosti o načinu uzemljenja neutralne točke može se pregledno dati ocjena selektivnosti relejne zaštite: Tablica 4.13: Pregled procjene ostvarenja cilja u ovisnosti od načina uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže – selektivnost relejne zaštite
Način uzemljenja neutralne točke
Mreža sa izoliranom neutralnom točkom
Mreža uzemljena pomoću malog
djelatnog otpora
Rezonantno uzemljena mreža
Procjena za postizanje cilja-
selektivnost relejne zaštite
TEŠKO LAGANO VRLO TEŠKO
84
4.4. Dimenzioniranje uzemljenja
Dimenzioniranje uzemljivača TS 10(20)/0,4 kV i uzemljivača u pripadajućim niskonaponskim mrežama usko su povezani sa tretmanom neutralne točke 10(20) kV distributivne mreže. Navedena problematika definirana je prije svega postojećim propisima „Pravilnikom o tehničkim normativima za zaštitu niskonaponskih mreža i pripadnih transformatorskih stanica“ i „Pravilnikom o tehničkim zahtjevima za elektroenergetska postrojenja nazivnih izmjeničnih napona iznad 1 kV“. Već u dijelu 4.2. opisani su zakonski okviri koji propisuju način izračuna i vrijednosti dozvoljenih napona dodira i koraka i razlike koje nam oni donose.
Nakon usvajanja novog Pravilnika o elektroenergetskim postrojenjima nazivnih napona iznad 1 kV mogli bismo konstatirati da uzemljivački sustavi elektroenergetskog postrojenja moraju pri projektiranju, izvoñenju radova, pogonu i održavanju ispunjavati zahtjeve za sigurnost ljudi i imovine, te neprekinutost i kvalitetu opskrbe i korištenja električne energije i svim uvjetima električnih, mehaničkih, klimatskih i okolišnih utjecaja koji su prisutni na mjestu elektroenergetskog postrojenja sukladno odredbama norme HRN HD 637 S1. Nadalje, prema novom Pravilniku u postupcima odreñivanja i računanja maksimalno dopuštenih vrijednosti napona dodira, napona koraka i prenesenog potencijala, kao mjerodavno trajanje kvara (vrijeme do isključenja dozemnog spoja) uzima se vrijeme isključenja u prvom stupnju koje je udešeno, provjereno i potvrñeno pri ispravnom djelovanju zaštitnih naprava i prekidača. Prema tome, novim Pravilnikom u primjenu je ušla norma HRN HD 637 S1 koja postaje obavezna za primjenu i u odnosu na dosadašnje pravilnike koji su stavljeni van snage stupanjem na snagu novog, znatno je blaža obzirom na dopuštene visine napona dodira. Ujedno maksimalne vrijednosti napona koraka se novim Pravilnikom i navedenom normom više ne odreñuju, već se smatra da se opasni naponi koraka ne mogu pojaviti ako su zadovoljeni uvjeti za maksimalno dozvoljeni napon dodira.
No, prilikom analize utjecaja i ograničenja koja problematika uzemljivača uvjetuje prilikom odabira načina uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže, ne treba zaboraviti na činjenicu da je na snazi „Pravilnik o tehničkim normativima za zaštitu niskonaponskih mreža i pripadnih transformatorskih stanica“, koji je znatno stroži obzirom na maksimalno dopuštene napone dodira i koraka. Prema tome, sve dok se ne uskladi i taj Pravilnik sa normom HRN HD 637 S1 i dalje ostaju relativno strogi, a ponekad i neostvarivi (ili ekonomski neopravdani) zahtjevi za dimenzioniranjem uzemljivačkih sustava u nekim tehnikama uzemljenja neutralne točke.
Potvrda ovog stava proizlazi iz usporedbe dopuštenih napona dodira (i vrijednosti otpora uzemljenja koji iz njih proizlaze) izmeñu važećeg „Pravilnika o tehničkim normativima za zaštitu niskonaponskih mreža i pripadnih transformatorskih stanica“ i europskog standarda HD 637 S1 (CENELEC), koji je usvojen i u Hrvatskoj kao HRN HD 637 S1 [11]. Više napone dodira, takoñer, bi trebala dopuštati i europska norma EN 50179, koja bi uskoro trebala postati važeća [9].
85
Naponi dodira u vremenskom području t < 1 s, koje propisuje europski standard HD 637 S1, znatno su viši od onih u važećim hrvatskim propisima. Vrijednosti dopuštenih napona dodira pri tipičnom podešenju relejne zaštite t = 0,5 s u hrvatskoj iznose Ud = 80 V, ako je NN mreža uzemljena preko TN sustava, odnosno Ud = 160 V ako je NN mreža uzemljena preko TT sustava, dok europski standard HD 637 S1 propisuje jedinstveni napon dodira Ud = 210 V.
Slika 4.23 prikazuje napone dodira u ovisnosti o trajanju toka struje prema HD 637 S1. Dodatak C: “Napon dodira i struja kroz tijelo” istog standarda navodi mogućnost uvoñenja dodatnih otpora u seriju s otporom tijela, ako su oni poznati. Ti otpori su: otpor cipela, otpor stajnog mjesta i otpor tla u okolini instalacije. Smatra se da su dopuštene vrijednosti napona dodira sa slike 4.23 zadovoljene ako je ispunjen jedan od slijedećih uvjeta:
• Uzemljenje trafostanice napona višeg od 1 kV je dio proširenog (eng. global) sustava uzemljenja, što je tipično za urbana područja,
• Porast potencijala uzemljivača odreñen mjerenjima ili proračunom ne prelazi dvostruku vrijednost napona dodira, ili
• Ako su izvedene specifične mjere u odnosu na porast potencijala uzemljivača i na trajanje zemljospoja. Ove mjeru su opisane u dodatku D istog standarda.
Napomena: Krivulja se odnosi samo na instalacije iznad 1 kV.
Ako su trajanja struje zemljospoja dosta duža od 10 s, za dopuštenu vrijednost napona dodira treba se koristiti 75 V.
Slika 4.23: Dopušteni naponi dodira u ovisnosti o trajanju toka struje prema HRN HD 637 S1
Tablica 4.14: Dopušteni naponi dodira u ovisnosti o trajanju toka struje prema HRN HD 637 S1
86
Trajanje zemljo spoja t [s]
0,04 0,08 0,14 0,20 0,29 0,39 0,49 0,64 0,72 1,1 10
Dopušteni napon dodira Ud [V]
800 700 600 500 400 300 220 150 125 100 80
Prema HD 637 S1 neutralna točka NN mreže odnosno PEN vodič se može
spojiti na zaštitno uzemljenje mreže napona višeg od 1 kV tako da tvore združeni sustav uzemljenja, ako su pri zemljospoju na strani višeg napona ispunjeni slijedeći uvjeti:
• U NN mreži ili na korisničkim instalacijama se ne javljaju nedopušteni prenaponi (ovo se postiže ako potencijal uzemljivačke elektrode Vuz ne prelazi vrijednosti navedene u tablici 4.15) – odnosi se na TN mreže,
• Magnituda podnosivog napona (eng. stress voltage, razlika napona PE i N vodiča frekvencije 50 Hz) NN opreme u instalacijama korisnika ne prelazi dopuštene vrijednosti, što je moguće ako porast potencijala NN neutralne točke zadovoljava uvjete date u tablici 4.15– odnosi se na TT mreže.
Ako združeni sustav uzemljenja nije dio proširenog sustava uzemljenja ili ako nije moguće ispuniti uvjete iz tablice 4.15, pogonsko i zaštitno uzemljenja treba izvesti odvojeno. Odvajanje uzemljivačkih elektroda treba izvesti na takav način da u instalacijama niskog napona nema opasnosti za ljude i opremu. To pretpostavlja da je porast potencijala uzemljivačkih elektroda niskog napona uslijed zemljospoja na višem naponu, manji od vrijednosti danih u tablici 4.15. Konzervativna vrijednost minimalne udaljenosti uzemljivačkih elektroda za instalacije nazivnih vrijednosti napona ispod 50 kV je 20 m. Takoñer, postoje formule za izračun minimalne udaljenosti koje uzimaju u obzir geometrijsku formu uzemljivačkih elektroda (Dodatak M u standardu HD 637 S1). U području unutar minimalne udaljenosti ne smije biti nikakvih spojeva NN mreže prema zemlji. Odvojeni sustavi se mogu u trafostanici spojiti odvodnikom prenapona radi zaštite od atmosferskih pražnjenja.
87
Tablica 4.15: Zahtjevi na sustav združenog uzemljenja za napajanje NN instalacija korisnika
Zahtjevi za sustav združenog uzemljenja zbog: 2), 3)
Tip NN mreže 1) Trajanje zemljospoja Napona dodira Podnosivog
napona
tz ≤ 5 s Vuz ≤ 1200 V
TT 4) tz ≥ 5 s
Nije primjenjivo Vuz
≤250 V
Vuz ≤ Ud
6)
TN 5) Vuz
≤ X ⋅ Ud 7)
Nije primjenjivo
Uobičajena vrijednost za X je 2. Iskustva pokazuju da su u posebnim slučajevima prihvatljive i vrijednosti do 5.
1) Točne definicije tipova NN mreže date su u HD 384.3 a takoñer i u [44]. 2) Vuz je potencijal uzemljivača (uzemljivačke elektrode) združenog sustava
uzemljenja. Opis proračuna dat je u Dodatku N standarda HD 637 S1. 3) Nužno je uzeti u obzir da potencijal trafostanice može biti pod utjecajem
prenesenih potencijala, npr. oklopi kabela spojeni na susjedne instalacije. 4) Potrebno je provjeriti izdržljivost NN materijala. 5) Potrebno je razmotriti napone dodira radi sigurnost ljudi. 6) PEN vodič NN mreže i zaštitno uzemljenje opreme višeg napona uzemljeni
su samo na jednom mjestu. 7) PEN vodič uzemljen je na više mjesta u smislu bolje kontrole napona NN
neutralne točke.
Granične vrijednosti otpora združenog uzemljenja koje zadovoljavaju uvjete važećeg Pravilnika o zaštiti nn mreža i pripadnih TS i onih prema HRN HD 637 S1 dati su u tablici 4.16.
Vrijednosti su računate prema formulama:
_d
uz zdrz
UR
r I=
⋅ 4.17.
koja vrijedi za navedeni Pravilnik i u njemu navedene napone dodira, i:
_d
uz zdrz
X UR
r I
⋅=⋅
i _
1200uz zdr
z
Rr I
=⋅
4.18. i 4.19.
koje vrijede za HRN HD 637 S1 ovisno o tome je li NN mreža TN ili TT tipa. Pri tome je za veličinu redukcijskog faktora r uzeta vrijednost 1 što odgovara nadzemnim SN mrežama bez zaštitnog vodiča, a za veličinu X pri računanju prema HRN HD 637 S1 uzeta je uobičajena vrijednost 2. Ova vrijednost (X = 2) pretpostavlja da je potencijal uzemljivača barem dva puta veći od napona dodira što je potvrñeno i raznim mjerenjima. U [5,6] se navodi podatak da je mjerenjima utvrñeno da je u Istri u 97,4 % TS 10(20)/0,4 kV ispunjen ovaj uvjet, a u 91,4 % istih zadovoljen je i uvjet X = 4. Potrebno je naglasiti da je specifični otpor tla u Istri
88
u granicama izmeñu 100 Ωm i 1000 Ωm i da u Hrvatskoj ima područja s boljom ali i sa znatno lošijom vodljivošću tla. Mjerenjem vrijednosti uzemljenja na području Elektre Bjelovar, prilikom pripremnih aktivnosti za uzemljenje neutralnih točaka 10 kV mreža TS 35/10 kV dobiveni su rezultati prikazani u tablici 4.17.
Tablica 4.16: Granične vrijednosti otpora združenog uzemljenja prema važećim hrvatskim propisima i prema HRN HD 637 S1
Ruz_zdr [ΩΩΩΩ]
Pravilnik o zaštiti nn mreža i pripadnih TS 10(20)/0,4 kV
HRN HD 637 S1
Iz_c = 20A
Iz_R = 150 A Iz_R = 300 A Iz_c = 20 A
Iz_R = 150 A Iz_R = 300 A
Tip NN mreže
t = 1 s t = 0,5 s
t = 1 s t = 0,5 s
t = 1 s
t = 1 s t = 0,5 s
t = 1 s
t = 0,5 s
t = 1 s
TN 3,25 0,53 0,43 0,27 0,22 11 2,93 1,47 1,47 0,73
TT 6,5 1,06 0,86 0,54 0,44 60 8 4
Iz podataka dobivenih mjerenjima na 344 TS 10(20)/0,4 kV u Istri i na 145 TS
10(20)70,4 kV na području kontinentalne Hrvatske (Bjelovar), koje se napajaju iz nadzemne SN mreže, dobiveni su slijedeći rezultati združenih otpora uzemljenja [30 i 32]:
Tablica 4.17: Usporedne veličine karakterističnih vrijednosti
Elektroistra Pula Elektra Bjelovar
Srednja vrijednost otpora uzemljenja
4,7 Ω, 0,89 Ω,
Minimalna vrijednost otpora uzemljenja
0,9 Ω, 0,2 Ω,
Maksimalna vrijednost otpora uzemljenja
22 Ω 2,6 Ω
Usporedi li se srednja izmjerena vrijednost otpora uzemljenja (4,7 Ω) s podacima u tablici 4.16, vidljivo je da uzemljenja gotovo u cijelosti ne zadovoljavaju važeće Pravilnik o zaštiti nn mreža i pripadnih TS. Takoñer, nisu zadovoljene ni vrijednosti otpora za TN tip NN mreže (dominantno zastupljen u Hrvatskoj) prema hrvatskoj normi HRN HD 637 S1, ako se radi o SN mrežama čija je neutralna točka uzemljena preko maloomskog otpornika. Prema HRN HD 637 S1 zadovoljene su vrijednosti otpora uzemljenja kada se radi o SN mrežama čija je neutralna točka neuzemljena (Iz_c ≤ 20 A) bez obzira na tip NN uzemljenja i
89
većim dijelom kada se radi o SN mrežama uzemljenim preko maloomskog otpornika i TT tipu uzemljenja NN mreže.
Djelovanje u smislu smanjivanja otpora uzemljenja odnosno promjene tipa uzemljenja NN mreže (TN u TT), što bi u odreñenoj mjeri imalo smisla ako se prihvati europski standard HD 637 S1 odnosno EN 50179. To bi pretpostavljalo izvoñenje skupih radova kako na instalacijama tvrtke za distribuciju električne energije, tako i na instalacijama korisnika. Osim toga, u područjima s visokim otporom tla, smanjivanje otpora uzemljenja nije uvijek najbolje rješenje. Poboljšanje efikasnosti uzemljivačkih elektroda smanjuje porast potencijala tijekom zemljospojeva na SN strani ali istodobno se povećava sprega sa susjednim uzemljivačima, što povećava porast potencijala na istima, a to je upravo suprotno od onoga što se želi postići.
U slijedećim poglavljima 4.4.1. i 4.4.2. daje se analiza ovih vrijednosti otpora združenog uzemljenja obzirom na način uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže.
90
4.4.1. Uzemljenja u 10(20) kV mrežama sa izoliranom neutralnom točkom Uz pretpostavku maksimalne dozemne struje (Ic=20 A) koje je propisana za mrežu 10 kV naponskog nivoa za TS 10(20)/0,4 kV priključene na nadzemne vodove i vremena isključenja t=0,5 i 1 s u slučaju pojave dozemnog spoja, otpor združenog uzemljenja mora biti prema:
_d
uz zdrz
UR
r I=
⋅ 4.20
Tablica: 4.18: Maksimalni otpor združenog uzemljenja za nadzemnu 10 kV mrežu s izoliranom neutralnom točkom i Io=20 A
Vrsta razdjelnog
sustava Io t Ud Rzdr
(A) (s) (V) (Ω)
TN 20 0,5 80 4
TT 20 0,5 160 8
TN 20 1 75 3,75
TT 20 1 125 6,25 Usporedi li se srednja izmjerena vrijednost otpora uzemljenja na području Istre (4,7 Ω) s podacima u tablici 4.16 i 4.18, vidljivo je da već u tim relativno povoljnim uvjetima što se tiče ukupne struje dozemnog spoja otpori združenog uzemljenja u cijelosti ne zadovoljavaju važeći Pravilnik o zaštiti nn mreža i pripadnih TS, naročito kod nešto duljih vremena isključenja (1s). U tim je slučajevima nužno primijeniti neke daljnje aktivnosti koje će stanje sa uzemljivačima dovesti u propisane okvire (skraćenje vremena isključenja, razdvajanje zaštitnog uzemljenja TS od pogonskog nn mreže, sanacija uzemljivača, razdvajanje 10(20) kV mreže...). Za područja kontinentalne Hrvatske (Bjelovar) srednja izmjerena vrijednost otpora združenog uzemljenja (0,89 Ω) je manja od maksimalno dozvoljenih što znači da na područjima sa dobrim uvjetima uzemljenja nema posebnih zahtjeva za uzemljivače TS 10(20)/0,4 kV u uvjetima rada mreže sa izoliranom neutralnom točkom. Općenito se može zaključiti da će uvjeti na uzemljivače u kabelskim mrežama biti nešto povoljniji zbog utjecaja redukcijskih parametara (r<1) pa u pravilu nema poteškoća sa ispunjavanjem uvjeta iz 4.20. Usporedno dajemo i pregled maksimalnih otpora združenog uzemljenja uz pretpostavku da se „Pravilnik o tehničkim normativima za zaštitu niskonaponskih mreža i pripadnih transformatorskih stanica“ uskladi sa usvojenim Pravilnikom o
91
tehničkim zahtjevima za elektroenergetska postrojenja nazivnih izmjeničnih napona iznad 1 kV“: Tablica 4.19: Maksimalni otpor združenog uzemljenja za nadzemnu 10 kV mrežu s izoliranom neutralnom točkom i Io=20 A (prema HRN HD 637 S1)
Vrsta razdjelnog sustava
Io t Ud Rzdr
(A) (s) (V) (Ω)
TN 20 0,5 210 21
TT 20 0,5 210 60
TN 20 1 110 11
TT 20 1 110 60 Prema HRN HD 637 S1 zadovoljene su vrijednosti otpora uzemljenja kada se radi o SN mrežama čija je neutralna točka neuzemljena (Iz_c ≤ 20 A)
4.4.2. Uzemljenja u 10(20) kV mrežama s neutralnom točkom uzemljenom pomo ću otpornika male vrijednosti Ovdje ćemo razmotriti uvjete koji su postavljeni na uzemljivače uz pretpostavku odabira otpornika male vrijednosti koji ograničava struje jednopolnog kvara na 150 A i 300 A što su i uobičajene vrijednosti. Uz navedene pretpostavke vrijednosti struja jednopolnih kvarova za TS 10(20)/0,4 kV priključene na nadzemne vodove i vremena isključenja t=0,5 i 1 s u slučaju pojave jednopolnog kvara, otpor združenog uzemljenja mora biti prema:
_d
uz zdrz
UR
r I=
⋅ 4.21.
Tablica: 4.20: Maksimalni otpor združenog uzemljenja za nadzemnu 10 kV mrežu s uzemljenom neutralnom točkom pomoću malog otpora In=150 A
Vrsta razdjelnog
sustava Io t Ud Rzdr
(A) (s) (V) (Ω)
TN 150 0,5 80 0,53
TT 150 0,5 160 1,07
TN 150 1 75 0,50
TT 150 1 125 0,83
92
Usporedi li se srednja izmjerena vrijednost otpora uzemljenja na području Istre (4,7 Ω) s podacima u tablici 4.16 i 4.20, vidljivo je da većina uzemljivača ne zadovoljava propisane vrijednosti [5]. Za područja kontinentalne Hrvatske (Bjelovar) srednja izmjerena vrijednost otpora združenog uzemljenja (0,89 Ω) je većinom je manja od maksimalno dozvoljene što znači da na područjima sa dobrim uvjetima uzemljenja nema posebnih zahtjeva za uzemljivače TS 10(20)/0,4 kV. Usporedno dajemo i pregled maksimalnih otpora združenog uzemljenja uz pretpostavku da se „Pravilnik o tehničkim normativima za zaštitu niskonaponskih mreža i pripadnih transformatorskih stanica“ uskladi sa usvojenim Pravilnikom o tehničkim zahtjevima za ee postrojenja nazivnih izmjeničnih napona iznad 1 kV“: Tablica: 4.21: Maksimalni otpor združenog uzemljenja za nadzemnu 10 kV mrežu s uzemljenom neutralnom točkom pomoću malog otpora In=150 A (prema HRN HD 637 S1)
Vrsta razdjelnog sustava
Io t Ud Rzdr
(A) (s) (V) (Ω)
TN 150 0,5 210 2,80
TT 150 0,5 210 8,00
TN 150 1 110 1,47
TT 150 1 110 8,00
4.4.3. Uzemljenja u 10(20) kV mrežama s neutralnom točkom uzemljenom pomo ću kompenzacijske prigušnice
Odgovarajuće izvedenim sustavom rezonantnog uzemljenja relativno je lako
zadovoljiti uvjete o dopuštenim naponima dodira TS 10(20)/0,4 kV. Na primjer, ako se rezonantno uzemljenje primjeni u mreži s kapacitivnom strujom zemljospoja od 200 A, uz pretpostavku da postoji odreñeno odstupanje od potpunog podešenja, takvo da je preostala struja zemljospoja 10 % kapacitivne struje zemljospoja odnosno 20 A, hrvatski standardi bi bili zadovoljeni sve do vrijednosti združenog
otpora uzemljenja od [ ][ ] [ ]_
65 V3,25
20 Auz zdrR = = Ω . Pri primjeni standarda HRN HD
637 S1, uvjet o dopuštenom naponu dodira bio bi zadovoljen sve do vrijednosti
otpora združenog uzemljenja od [ ]
[ ] [ ]_
2 75 V7,5
20 Auz zdrR⋅
= = Ω . Obje vrijednosti
93
baziraju se na pretpostavci trajanja kvarnog stanja >10 s. Ovu vrijednost otpora združenog uzemljenja bi zadovoljila većina ranije navedenih izmjerenih uzemljenja TS 10(20)/0,4 kV. Veličinu otpora združenog uzemljenja manjeg ili jednakog 7,5 Ω je dostupna uz normalna ulaganja na većini vrsta tla odnosno pri njihovim specifičnim otporima. Osim toga, odstupanje koje smanjuje preostalu struju na 10 % kapacitivne komponente može biti i manje čime bi i preostala struja bila manja. Zaključak: Prema svemu navedenom u ovom dijelu koji govori o uzemljivačkim sustavima koji direktno imaju utjecaj na sigurnost, odnosno opasnosti za ljudska bića obzirom na razlike koje postoje u ovisnosti od načina uzemljenja neutralne točke, kao postizanje cilja prikazat ćemo procjenu težine postizanja propisanih vrijednosti združenog uzemljenja u ovisnosti od pojedinog načina uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže. Tablica 4.22: Pregled procjene ostvarenja zadanog cilja obzirom na način uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže – dimenzioniranje uzemljivačkih sustava
Spec.otpor.
tla
Mreža sa izoliranom neutralnom
točkom
Mreža uzemljena pomoću malog djelatnog otpora
Rezonantno uzemljena
mreža
<20A za 10kV
<15A za 20 kV
150 A 300 A 1000 A 10% Io
Procjena za postizanje cilja- propisano uzemljenje
<100 lagano lagano lagano Srednje teško
lagano
Procjena za postizanje cilja- propisano uzemljenje
100-500
Srednje teško teško Srednje teško
- Lagano
Procjena za postizanje cilja- propisano uzemljenje
<500 teško Vrlo teško
Vrlo teško - Lagano
94
4.5. Kvaliteta elektri čne energije Pojam kvalitete električne energije relativno je nov pojam i za razliku od kvalitete većine drugih roba teško mjerljiv. Uz to ne postoji ni jedinstvena definicija kvalitete električne energije. U posljednje vrijeme od strane regulatora na liberaliziranom europskom tržištu električne energije opće je prihvaćen pojam kvaliteta isporuke električne energije (eng.Quality of Supply). Na razini elektrodistribucijske djelatnosti kvaliteta isporuke električne energije može se promatrati na tri nivoa:
• pouzdanost opskrbe (eng. Reliability), • kvaliteta napona (eng. Voltage Quality, Power Quality), • kvaliteta usluga (eng. Commercial Quality)
Pod pojmom pouzdanosti isporuke podrazumijeva se sposobnost da mreža udovoljava stalnim potrebama kupaca u smislu dostatnosti obzirom na potrebne iznose snage i ukupne raspoložive energije. Pouzdanost se može podijeliti na dva dijela:
• dostatnost • sigurnost
Dostatnost se odnosi na raspoloživost vršnih kapaciteta (snage) i mogućnost isporuke dovoljnih količina električne energije obzirom na potražnju u svakom trenutku. Pod tim se smatra da pri normalnim pogonskim uvjetima i normalnoj potrošnji ne dolazi do prekida isporuke. Sigurnost se odnosi na sposobnost podnošenja smetnji tako da kupci ne osjećaju prekide isporuke električne energije. Pouzdanost mreže je glavni pokazatelj na koji uzemljenje tj. način uzemljenja neutralne točke može imati utjecaja, što se prije svega manifestira u rezonantno uzemljenim mrežama i djelomično u izoliranim mrežama sa vrlo malim strujama dozemnih spojeva (kraće nadzemne mreže) koji se ne isključuju trenutno. Pokazatelji pouzdanosti mreže usvojeni od strane europskih regulatora su: Prosječan broj prekida napajanja po korisniku mreže na definiranom području unutar jedne kalendarske godine (SAIFI, eng: System Average Interruption Frequency Index) izračunava se na slijedeći način:
t
K
ii
N
NSAIFI
∑== 1 (4.22.)
K - ukupan broj prekida napajanja dužih od tri minute na odreñenom području Ni – broj kupaca na odreñenom području pogoñenih i-tim prekidom napajanja Nt – ukupan broj kupaca na odreñenom području Prosječan broj kratkotrajnih prekida napajanja po korisniku mreže na odreñenom području unutar kalendarske godine (MAIFI, eng. Momentary Average Interruption Frequency Index) izračunava se na identičan način kao i SAIFI, ali se odnosi na kvarove kraće od tri minute.
95
Prosječno ukupno trajanje prekida napajanja po korisniku mreže pogoñenog prekidima na odreñenom području unutar jedne kalendarske godine (SAIDI, eng. System Average Interruption Duration Index) izračunava se na slijedeći način:
t
K
iii
N
NtSAIDI
∑=
⋅= 1 4.23.
Ti – trajanje i-tog prekida na odreñenom području u minutama Ni – broj kupaca na odreñenom području pogoñenih i-tim prekidom napajanja Nt – ukupan broj kupaca na odreñenom području Prosječno trajanje jednog prekida napajanja po kupcu pogoñenog prekidom na odreñenom području unutar jedne kalendarske godine (CAIDI, eng: Customer Average Interruption Duration Index) izračunavamo na slijedeći način:
SAIFI
SAIDICAIDI = 4.24.
Na razini pojma kvalitete napona (eng. Voltage Quality) odnosno kvalitete električne energije (eng. Power Quality), definicije se razlikuju prema tome definira li se pojam s aspekta operatora distribucijskog sustava ili s aspekta potrošača. U današnjim tržišnim uvjetima najvažniji kontrolori kvalitete električne energije upravo su potrošači, pa bi stoga praktična definicija kvalitete električne energije u ovom kontekstu mogla glasiti: to je odsutnost svake nepravilnosti u bilo kojoj veličini, koja bi prouzročila kvar ili nepravilno djelovanje trošila potrošača. Uz to tehničke norme ne reguliraju kvalitetu električne energije u cjelini, nego napon, struju, frekvenciju i druge tehničke veličine koje je moguće egzaktno mjeriti. Stoga, pod kvalitetom električne energije zapravo podrazumijevamo kvalitetu napona, a to proizlazi iz pretpostavke da elektroenergetski sustav može osigurati kvalitetni napon, a ne može utjecati na struje koje iz sustava uzimaju pojedini potrošači, iako postoji čvrsta korelacija izmeñu napona i struje. U svijetu se primjenjuje nekoliko različitih normi kojima se definira kvaliteta električne energije: - IEEE 1159-1995 (SAD i neke druge zemlje) - EN 50160-1994 (Europa) - IEC 61000-4-30-2000 (Meñunarodna norma) Dakle, kvaliteta električne energije (kvaliteta napona) u elektrodistribucijskim mrežama Europe opisuje se europskom normom EN 50160, koja u osnovi daje bitne karakteristike opskrbnog napona na mjestu predaje kupcu u javnim niskonaponskim i srednjenaponskim mrežama pri normalnim uvjetima. Dakle, pojam „kvaliteta električne energije“ obuhvaća: norme, propise i preporuke, te postupke , sklopovlje i opremu, kojima se na razini spoja izvora električne energije (distribucijske mreže) i trošila (kupca) osiguravaju ispravne strujno-naponske prilike kako za trošila kupca tako i za mrežu distributera (izvor).
96
Normom se reguliraju elektromagnetske smetnje u točkama NN i SN mreže (mjesta priključenja i predaje) u kojima se susreću kupac i operator mreže (javna razdjelna mreža). U tim se točkama valni oblik, amplituda i stalnost napona definiraju parametrima koji su funkcijski ovisni o čvrstoći mreže koja se iskazuje: snagom kratkog spoja u točki priključenja, postojećim elektromagnetskim smetnjama u mreži koje uzrokuju okolni potrošači kao i potrošači u drugim dijelovima mreže i na drugim naponskim razinama, nelinearnostima elementa elektroenergetskog sustava i karakteristikama potrošača (nelinearnost i druge značajke). Cilj je norme EN 50160 propisati značajke napona u odnosu na valni oblik, visinu, frekvenciju i simetriju kod trofazne mreže na mjestu predaje električne energije potrošaču. Te se značajke pri normalnom pogonu mijenjaju tijekom vremena zbog promjena opterećenja, smetnji iz odreñenih postrojenja ili kvarova izazvanih vanjskim dogañajima. No, kompletni ispad mreže ne može se smisleno opisati putem graničnih vrijednosti, nego postavlja one vrijednosti koje ne smiju biti premašene tijekom 95% vremena promatranja. Norma je službeno u upotrebi od srpnja 1995.g., ali u Hrvatskoj još nije preuzeta kao obavezna, premda se primjenjuje prilikom mjerenja kvalitete električne energije.
Kako je „kvaliteta električne energije“ složeniji pojam, sasvim dobri rezultati o mjerenju kvalitete električne energije dobivaju se mjerenjem napona na mjestu predaje kupcu, dakle na sučelju isporučitelja (opskrbljivača) i kupca. Upravo europska norma EN 50160 definira i opisuje bitne značajke opskrbnog napona prije svega obzirom na:
- frekvenciju - veličinu - oblik krivulje - simetriju triju napona faznih vodiča.
Normativne i teorijske osnove mjerenja kvalitete el ektri čne energije Osnovni pojmovi: Opskrbni napon: električna vrijednost napona na mjestu predaje mjerena tijekom odreñenog vremenskog intervala. Nazivni napon mreže (Un): napon kojim se neka mreža označava ili identificira i na koji se svode odreñene pogonske karakteristike. Polagana promjena napona: povišenje ili sniženje efektivne vrijednosti napona, uobičajeno kod promjena opterećenja u razdjelnoj mreži ili njenom dijelu. Brza promjena napona: brza i značajnija promjena efektivne vrijednosti napona, odreñenog ali ne čvrsto utvrñenog trajanja. Kolebanje (podrhtavanje) napona: niz promjena napona ili neka periodična promjena anvelope (ovojnice) krivulje napona. Propad napona: naglo kratkotrajno smanjenje opskrbnog napona na vrijednost izmeñu 90% i 1% utanačenog opskrbnog napona Uc. Trajanje propada napona je
97
u intervalu izmeñu 10 ms i 1 min. Dubina propada definirana je kao razlika izmeñu najmanje efektivne vrijednosti napona za vrijeme propada i utanačenog napona Uc. Prekid opskrbe: stanje kada je na mjestu predaje napon manji od 1% utanačenog napona Uc. Prekidi mogu biti planirani i slučajni, kratkotrajni (do uključivo 3 minute) i dugotrajni (duži od 3 minute). Nesimetrija napona: stanje u trofaznoj razdjelnoj mreži pri kojem nisu jednake efektivne vrijednosti napona izmeñu faznih vodiča i neutralnog vodiča ili kutovi meñu susjednim fazama. Mjeri se kao odstupanje od idealnog trofaznog sustava, kod kojeg su amplitude napona sve tri faze jednake, a fazni kutovi su točno 1200. Te se karakteristike za vrijeme normalnog pogona mijenjaju uslijed stalne promjene tereta (snaga potrošača), smetnji iz odreñenih postrojenja spojenih na distribucijsku mrežu, te kvarova koji su izazvani vanjskim utjecajima. Karakteristike napona su izrazito slučajne naravi, kako vremenskog tijeka na nekom promatranom mjestu predaje tako i jednom trenutku na različitim mjestima predaje pa čak i kada su ta mjesta predaje galvanski povezana. Pojedine pojave koje utječu na opskrbni napon su potpuno nepredvidive, tako da nije moguće za odgovarajuće karakteristike navesti čvrste vrijednosti. Vrijednosti koje su za te pojave dane u normi, npr. za propade napona i prekide napona, valja sukladno tome smatrati orijentacijskim vrijednostima.
Slika 4.24: Popis normi u ovisnosti o mjestu mjerenja
98
Karakteristike niskog i srednjeg napona – obzirom n a promjene napona (polagane i brze) i prekide napajanja (kratke i dug e)
• Veličine opskrbnog napona Normirani nazivni napona Un za niskonaponske mreže je: Un=230 V – fazni napon U niskonaponskim mrežama utanačeni napon Uc i naznačeni napon Un su jednaki. U Hrvatskoj je na snazi Pravilnik o normiranim naponima za distribucijske NN mreže i električnu opremu (nn 28/2000) u kojem su definirane granice tolerancije nazivnog napona kao konačno stanje (nakon prijelaznog perioda od 10 g, koje je isteklo u travnju 2010.g.): Un=230/400 VAC, ±10%, (207…253 VAC) Za srednji napona veličina opskrbnog napona utvrñena je veličinom dogovorenog napona Uc. Za kupce koji preuzimaju energiju na 10(20) kV naponskom nivou Uc mora bit u skladu sa standardom IEC 60071 koji definira najviši pogonski napon.
• Polagane promjene napona Pri normalnim pogonskim uvjetima, bez uzimanja u obzir prekide opskrbe 95% 10-minutnih srednjih vrijednosti opskrbnog napona svakog tjednog intervala mora biti u granicama ±10%. Preostalih 5% desetminutnih srednjih efektivnih vrijednosti opskrbnog napona svakog tjednog intervala (bilo kojeg) mora biti u opsegu: Un+10%/-15% (max. 253 V, min. 199,5 V)
• Brze promjene napona Pri normalnim pogonskim uvjetima brze promjene napona u pravilu ne prelazi 5% nazivnog napona. Meñutim pod stanovitim okolnostima mogu se više puta dnevno pojaviti kratkotrajne brze promjene napona do 10% Un. Promjena napona takva da napon pada ispod 90% Un smatra se propadom napona, a promjena napona koja je manja od 1% Un smatra se prekidom napajanja. Promjene napona (kolebanje napona, brze i spore promjene napona) Kako je u prethodnim poglavljima navedeno granične veličine (gornja i donja) efektivnih vrijednosti napona su definirane i mjerenje tih vrijednosti je uobičajeno sa do sada poznatim ureñajima. Osnovni princip mjerenja i interpretacije izmjerenih vrijednosti dan je na slijedećoj slici (slika 4.25).
99
Slika 4.25: Promjene napona Registrirane vrijednosti su vrijednosti napona 10-minutnih intervala usrednjenih iz 10 ms RMS vrijednosti. Na slijedećoj slici (slika 4.26.) prikazane su spore i brze promjene napona stavljene u vremenski okvir sa naznačenim gornjim i donjim graničnim vrijednostima.
Slika 4.26: Promjene napona (brze i spore) s graničnim vrijednostima
100
Slika 4.27: Prikaz sporih promjena napona (nn mreža)
• Propadi napona Propadi napona nastaju pretežito uslijed kvarova u mreži ili postrojenju kupaca. Propadi su praktični nepredvidivi, izrazito slučajni dogañaji. Dakle shodno navedenom, njihov je godišnji broj vrlo različit i ovisi o vrsti i kvaliteti razdjelne mreže te o promatranoj točki mreže. Osim toga njihova razdioba tijekom godina može biti vrlo neravnomjerna. Orijentacijske vrijednosti: Očekivani godišnji broj propada napona može pri normalnim pogonskim uvjetima biti izmeñu nekoliko desetaka do tisuću. Većina propada napona kraća je od 1 sekunde i dubine propada manje od 60% Un.
• Kratki prekidi opskrbnog napona Orijentacijske vrijednosti: Pri normalnim pogonskim uvjetima kratki prekidi opskrbnog napona pojavljuje se s učestalošću u opsegu nekoliko desetaka do više stotina godišnje. Trajanje 70% kratkih prekida opskrbe mora biti kraće od 1 sekunde.
• Dugi prekidi opskrbnog napona Slučajni prekidi opskrbe većinom su izazvani vanjskim dogañajima ili zahvatima koje isporučitelj električne energije ne može spriječiti. S obzirom na velike razlike u vrstama postrojenja i strukturama mreža u različitim državama i na nepredvidive utjecaje trećih strana i vremenskih neprilika, nije moguće navesti tipične vrijednosti učestalosti i trajanja dugih prekida opskrbe.
101
Slika 4.28: Podnapon/prenapon prema EN 50160
Slika 4.29: Naponski propadi
• Povremeni prenaponi mrežne frekvencije izmeñu faznih vodiča i zemlje Povremeni previsoki napon mrežne frekvencije u pravilu se pojavljuje pri kvaru u razdjelnoj mreži ili nekom postrojenju kupca. Orijentacijske vrijednosti:
102
Pod odreñenim okolnostima kratki spoj na višenaponskoj strani transformatora može na niskonaponskoj strani izazvati previsok napon (prenapon) za vrijeme trajanja kratkog spoja. Ti prenaponi u pravilu ne prelaze efektivnu vrijednost 1 kV (ali mogu biti i znatno veći). Takoñer se može desiti da se zbog pomaka zvjezdišta nn strane transformatora pojave umjesto faznih napona linijski naponi.
Slika 4.30: Privremeni prenapon
Slika 4.31: Prijelazni prenaponi - tranzijenti
103
• Nesimetrija napona Pri normalnim pogonskim uvjetima desetminutna srednja efektivna vrijednost inverzne komponente napona ne smije, kod 95% srednjih vrijednosti svakog tjednog intervala, prelaziti 2% odgovarajuće inverzne komponente U tablici 4.23 dane su granične vrijednosti parametara napona prema normi EN50160 Tablica 4.23: Granične vrijednosti parametara napona prema normi EN50160
Parametri Vrijeme usrednjavanja
Granične vrijednosti tijekom 95% tjedna
(160 sati)
Granične vrijednosti tijekom cijelog tjedna
(168 sati)
Kolebanje napona
10 min ±10% Un Un +10%/-15% u ostalih 5% tjedna
Treperenje (flikeri)
Pst -10 min Plt -120 min
Plt<1
Harmonici 10 min Tablica do 40 harmonika
THD 10 min <8%
Signalni napon 3 s <5% od Un u 99% od 24 h
Frekvencija (50Hz)
10 s ±1% (prema novom: tijekom 99,5% trajanja jedne god.)
+4%/-6% u ostalom dijelu iste godine (0,5% godine)
Nesimetrija 10 min <2%
Naponski propad 10 ms Nema egzaktnih granica
Prekidi 10 ms Nema egzaktnih granica
104
• Prekidi opskrbe Prekid opskrbe podrazumijeva smanjenje opskrbnog napona na mjestu predaje na vrijednost manju od 1% nazivnog (utanačenog) napona.
Slika 4.32: Prekid opskrbe (1)
105
Slika 4.33: Prekid opskrbe (2) U slijedećoj tablici prikazana je još jednom rekapitulacija graničnih vrijednosti parametara napona prema normi EN 50160. Tablica 4.24: Mjerni i vrijednosni parametri prema EN 50160.
U prethodnim razmatranjima definirane su teoretske i normativne osnove pojmova vezanih uz kvalitetu opskrbe električnom energijom koji se mogu dovesti u vezu s problematikom uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže.
4.5.1. Kvaliteta opskrbe elektri čnom energijom u 10(20) kV mrežama sa izoliranom neutralnom to čkom U ovom pristupu uzemljenju neutralne točke 10(20) kV mreža zahtjevi na kvalitetu električne energije nisu posebno veliki jer se povijesno gledano taj način uzemljenja počeo koristiti u vrijeme kada ovi zahtjevi nisu bili od velike važnosti. Nadalje, ovaj način pogona 10(20) kV mreže obzirom na uzemljenje neutralne točke je najjednostavniji i najjeftiniji pa već i sa te osnove nije za očekivati pozitivne domete.
106
Pokazatelji kvalitete opskrbe (pouzdanost mreže) u uvjetima mreža sa izoliranom neutralnom točkom mogli bi davati izvjesnu prednost u onim mrežama gdje su dozemne struje kvara vrlo male. To su prije svega kratke nadzemne mreže 10 kV naponskog nivoa, u kojima pri prolaznim kvarovima postoje uvjeti samogašenja luka. Na taj način teoretski je moguće u pogonu bez intervencije relejne zaštite eliminirati izvjestan broj prolaznih dozemnih spojeva. No stvarno, iz razloga sigurnosti u današnje vrijeme, nastoje se isključiti svi dozemni spojevi pa tako i prolazni. U takvim uvjetima u nadzemnim mrežama aktivan je automatski ponovnu uklop, što znači relativno veliki broj prekida i ponovnih uključenja u takvim mrežama. S druge strane, da se prihvati pogon mreže u kojem bi se dozvoljavao pogon mreže u dozemnom spoju do maksimalno 2 h, potencijalno veliki broj dozemnih spojeva bi uzrokovao unutrašnje prenapone i vrlo neugodne intermitirajuće prenapone u mreži. Osim toga u takvom pogonu mogući su nastanci dvostrukih zemljospojeva koji dodatno produljuju vrijeme neisporuke električne energije. Kako smo već naveli u dijelu 3.2.1. maksimalni faktor prenapona pri nastanku zemljospoja u pravilu je manji od 2, a faktor stacionarnih prenapona nije veći od 0,8 3 1,38= . Sa današnjeg stanovišta, imajući u vidu da je danas sofisticirana i relativno osjetljiva elektronička oprema značajno rasprostranjena u mreži, takve, brze i spore promjene napona u mreži ne bi bile prihvatljive. U ovim mrežama pojava prenapona je relativno česta pojava upravo zbog dozemnih spojeva i čestih pokušaja ponovnih uključenja u kvarnom stanju. Takvi pogonski dogañaji ponekad uzrokuju i znatnije štete na ureñajima kod kupca. U ovako uzemljenim mrežama nakon definitivnog isklopa kojeg uzrokuje relejna zaštita u kombinaciji sa APU ureñajem, ekipe za održavanje pokušavaju mikrolocirati mjesto kvara. Kako danas u našoj elektrodistribuciji još nisu u masovnoj upotrebi ureñaji za detekciju (signalizaciju) kvarova, traženje dozemnog spoja je vrlo često mukotrpno i vrlo dugotrajno. Taj postupak uvijek je vezan sa dijeljenjem ukupne dionice dalekovoda na manje dijelove a zatim metodom uzastopnih pokušaja uključenja odreñuje se najmanja dionica u kvaru koja se zatim detaljno pregledava. Jasno je da takav postupak podrazumijeva česta uključenja na kvar, što u slučajevima dozemnih spojeva uzrokuje prenapone koji opet negativno utječu na parametre kvalitete električne energije.
4.5.2. Kvaliteta opskrbe elektri čnom energijom u 10(20) kV mrežama s neutralnom to čkom uzemljenom pomo ću otpornika male vrijednosti Posljedica rada SN mreže sa uzemljenom neutralnom točkom 10(20) kV pomoću malog otpornika na kvalitetu električne energije generalno gledano nisu pozitivne. S jedne strane uzemljenje pomoću otpornika male vrijednosti smanjuje unutrašnje prenapone u mreži prilikom jednopolnih kvarova, s druge strane uzrokuje isključenja napajanja kod svih kvarova a potom i naponske propade uslijed relativno velikih struja jednopolnih kratkih spojeva. Pokazatelji kvalitete opskrbe (pouzdanost mreže) u uvjetima mreža sa neutralnom točkom uzemljenom pomoću otpornika male vrijednosti nisu osobito povoljni. Razlog tome je težnja da se ovim načinom uzemljenja postiže selektivnost u proradama relejne zaštite, što drugim riječima znači da se svaki
107
jednopolni kvar isključuje u minimalnom vremenu. Za nadzemne vodove koristi se i funkcija automatskog ponovnog uklopa što jednako kao u i izoliranim mrežama znači relativno veliki broj prekida napajanja i ponovnih uljučenja. Vrlo česti se tu radi o ponovnim uključenjima na kvar što dodatno uzrokuje prenapone u mreži. Kako smo već naveli u dijelu 3.2.2. maksimalni faktor prenapona ovisi o usvojenoj impedanciji i karakterističnim parametrima mreže i praktički je izmeñu 1,8 i 2,5. Faktor stacionarnog prenapona u mrežama uzemljenim preko otpornika može biti do 1,8. Jednako kao i u izoliranim mrežama i u mrežama s uzemljenom neutralnom točkom pomoću malog otpornika, nakon definitivnog isklopa od strane relejne zaštite, ekipe za održavanje pokušavaju odrediti mikrolokaciju mjesta kvara. Taj postupak je već opisan u 4.5.1. i podjednako je nepovoljan za kupce električne energije kao što je to i u izoliranim mrežama. Sa stanovišta kvalitete opskrbe električnom energijom u smislu pokazatelja pouzdanosti (SAIFI, SAIDI, CAIDI) posebno nepovoljno utječu visokoomski kvarovi pri kojima relejna zaštita na pojedinom vodnom polju ne „vidi“ kvar, već prorañuje rezervna zaštita od visokoomskih kvarova čiji isklopni član uvijek djeluje na prekidače energetskih transformatora x/10(20) kV. U tim trenutcima kompletni konzum jedne TS 35/10(20) kV ili TS 110/10(20) kV ostaje bez napajanja. Takvi se dogañaji nerijetko dešavaju i posebno su nepovoljni u mješovitim mrežama npr. TS 110/10(20) kV jer se visokoomski kvarovi češće dešavaju na nadzemnim vodovima a posljedice osjećaju svi kupci spojeni na 10(20) kV sabirnice. U smislu poboljšanja pokazatelja kvalitete električne energije za opisani slučaj potrebno je dodatno analizirati rad relejne zaštite te u ovisnosti o specifičnoj jednopolnoj shemi odrediti način rada i redoslijed isključenja prekidača tako da se prekid napajanja odnosi na minimalni broj kupaca (minimalni dio postrojenja). Sa stanovišta kvalitete napona (kvalitete električne energije) mogu se promatrati dvije glavne okolnosti: smanjenje unutrašnjih prenapona i pojava propada napona pri jednopolnim kvarovima. Jedna od osnovnih prednosti koja se postiže prelaskom sa izolirane mreže na mrežu sa uzemljenom neutralnom točkom pomoću malog otpornika je smanjenje visine unutrašnjih prenapona koji se pojavljuju pri dozemnim spojevima (nakon uzemljenja pri jednopolnim kvarovima). Osim toga uklanja se opasnost od pojave intermitirajućih prenapona. Detaljnim analizama unutrašnjih prenapona u mrežama sa neutralnom točkom uzemljenom pomoću otpornika male vrijednosti, utvrñeno je da se smanjivanjem veličine otpora u zvjezdištu smanjuju i unutrašnji prenaponi. Meñutim, pri tome raste struja jednopolnog kratkog spoja što je loše sa stajališta sigurnosti i dimenzioniranja uzemljivačkih sustava. Zato je utvrñen kriterij za izbor maksimalne vrijednosti otpora za uzemljenje neutralne točke. Taj se kriterij može definirati kroz slijedeću formulu:
zRz II ⋅≥ 3 4.25. Gdje su: IRz - nazivna struja otpornika (A) Iz -struja dozemnog spoja u mreži sa izoliranom neutralnom točkom bez prijelaznog otpora (kapacitivna struja dozemnog spoja) Ispunjenjem ovog kriterija faktor unutrašnjih prenapona ne prelazi k=2,5.
108
Sa druge strane, značajnu poteškoću koju jednopolni kvarovi uzrokuju u ovim mrežama su naponski propadi, obzirom da se radi o kratkim spojevima sa strujama ograničenim na vrijednosti 150, 300 ili čak 1000 A. Ti se naponski propadi ne manifestiraju samo na vodu u kvaru već te poremećaje osjete kupci na svim 10(20) kV vodovima koji imaju galvansku vezu sa vodom u kvaru. Kako se jednopolni kvarovi često dešavaju na nadzemnim mrežama ili kombiranim kabelskim i nadzemnim (opet češće u nadzemnim dijelovima), na nadzemnim vodovima je, što je već konstatirano, redovito aktivirana funkcija automatskog ponovnog uklopa. Kako su naponskim propadima izložena sva postrojenja koja su vezana na sabirnice voda pogoñenog kvarom, znači da se relativno velikom broju kupaca električne energije smanjuje kvaliteta električne energije.
4.5.3. Kvaliteta opskrbe elektri čnom energijom u 10(20) kV mrežama s neutralnom to čkom uzemljenom pomo ću kompenzacijske prigušnice
Glavna značajke u smislu povećanja kvalitete napajanja su smanjenje broja prekida napajanja korisnika i mogućnost nastavka napajanja usprkos postojanju zemljospoja.
U mrežama s kompenzacijskom prigušnicom kod pojave dozemnog spoja postoje dvije suprotne strujne staze, koje zatvaraju petlju za sve struje koje teku iz voda u kvaru prema zemlji. Jedna se strujna grana temelji na dozemnim kapacitetima svih vodova u TS. Druga strujna grana ide kroz kompenzacijsku prigušnicu, čiji je jedan kraj spojen na zemlju a drugi na neutralnu točku 10(20) kV strane energetskog transformatora. Obje strujne staze spajaju se na mjestu kvara odnosno dozemnog spoja gdje se vektorski zbrajaju. Na taj način se najveći dio struje iskompenzira. Kao posljedica toga kvar se gasi sam od sebe.
U ovako uzemljenim mrežama potrebno je razlikovati prolazne od trajnih zemljospojeva. Kod prolaznih zemljospojeva samogašenje je uspješno pa nije potrebna nikakvo djelovanje zaštitnih ureñaja i osoblja. Kako je već rečeno, u kompenziranim mrežama zbog dobrih pretpostavki samogašenja broj prolaznih kvarova znatno je veći od onih u neuzemljenim mrežama.
Pri trajnim zemljospojevima zbog tipičnih svojstava rezonantnih mreža (povećana sigurnost ljudi, smanjenje šteta, mala interferencija,…) moguće ja nastaviti napajanje tijekom zemljospoja koliko je god to nužno bez neugodnosti za korisnike. Prema [9] postoji značajna razlika razvoja trajnih zemljospojeva u ovisnosti o načinu uzemljenja neutralne točke. Studije pokazuju da postoji znatno smanjenje broja zemljospojeva koji se razvijaju u višefazne kratke spojeve ako se primjeni rezonantno uzemljenje umjesto izolirane neutralne točke. Prema tim studijama u 10 kV mrežama to smanjenje je u miješanim mrežama 60 % a u čistim kabelskim mrežama 16 %.
Sa stanovišta kvalitete napona (kvalitete električne energije) potrebno je u napraviti usporedbu sa uvjetima pri dozemnim spojevima koji se pojavljuju u izoliranim mrežama. Napon zdravih faza tijekom trajnog zemljospoja približno je isti i u izoliranim i u rezonantno uzemljenim mrežama. Fazni naponi ovih vodiča doseći će linijski napon zdrave mreže. Izolacija SN mreže obično se izvodi da može podnijeti takav stres tijekom trajanja zemljospoja (samo nekoliko sati godišnje). Prema tome, danas ovaj efekt ne bi trebao biti ograničenje za primjenu ovog pogonskog uzemljenja.
109
Glavne razlike su kod prijelaznih prenapona koji nastaju početnim ponovnim paljenjima zemljospojeva – intermitentni prenaponi. U [9] se navodi da prijelazni prenaponi mogu doseći vrijednosti od 2,2 do 2,8 puta iznos faznog napona u rezonantno uzemljenim mrežama i od 2,8 do 3,5 puta u izoliranim mrežama. U izoliranim mrežama mogućnost pojave ponovnog paljenja luka je evidentna dok je vjerojatnost ove pojave u rezonantno uzemljenim mrežama jako mala. Osim toga, u rezonantno uzemljenim mrežama, za razliku od izoliranih, nije primijećena pojava ferorezonancije (pojava koja se praktički dogaña samo u izoliranim mrežama). U tom smislu uzemljenje pomoću kompenzacijskih prigušnica uvelike poboljšava parametre kvalitete napona (električne energije). Zaključak: Kvaliteta opskrbe električnom energijom se značajno može poboljšati jedino uzemljenjem neutralne točke pomoću kompenzacijske prigušnice. Kako je navedeno u dijelu 4.5. uzemljenje neutralne točke preko prigušnice pozitivno djeluje i na parametre pouzdanosti napajanja (kvalitete opskrbe električnom energijom) ali i na parametre kvalitete napona (kvalitete električne energije). Tablica 4.25: Pregled procjene ostvarenja zadanog cilja obzirom na način uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže – parametar kvalitete električne energije
Način uzemljenja neutralne točke
Mreža sa izoliranom neutralnom točkom
Mreža uzemljena pomoću malog
djelatnog otpora
Rezonantno uzemljena mreža
Procjena za postizanje cilja-
kvaliteta električne energije
teško Vrlo teško lagano
110
4.6. Veličina investicije i tehno-ekonomska opravdanost Veličina investicije (investicijski trošak izražen u kunama) je svakako važan parametar koji odreñuje neko tehnološko rješenje. Posebno taj ekonomski kriterij odabira nekog tehnološkog rješenja dolazi do izražaja u posljednje vrijeme sve više. Ove načelne konstatacije prije svega vrijede na području liberaliziranog europskog tržišta električne energije dok se u hrvatskim okvirima postepeno stvara spoznaja o potrebi tehno-ekonomske evaluacije pojedinog projekta. U ovom poglavlju ukratko se opisuje metoda tehno-ekonomske evaluacije projekta koja se sve češće koristi pri investiranju i planiranju distribucijskih mreža. Identifikacija troškova U troškove ulaganja ubrajaju se investicijski troškovi te troškovi pogona i održavanja. Investicijski se troškovi izračunavaju koristeći planske jedinične cijene elemenata mreže. Ukupni troškovi pogona i održavanja pojedinih elemenata mreže uzimaju se u obzir pri procjeni ukupne investicije, putem povećanja ukupnih investicijskih troškova za 2% (faktor 1,02) Identifikacija vrsta dobiti Dobit od ulaganja u djelatnosti distribucije električne energije se najčešće svodi na smanjenje troškova distribucije električne energije. Pri ekonomskim analizama potrebno je obuhvatiti sve moguće izvore dobiti:
• dobit radi smanjenja troškova gubitaka električne energije, • dobit radi smanjenja očekivanih troškova neisporučene električne energije • dobit radi smanjenja troškova održavanja distribucijske mreže
Dobit radi smanjenja troškova gubitaka električne energije i očekivanih troškova neisporučene energije izračunava se koristeći jedinične troškove definirane na slijedeći način:
• cijena gubitka snage: 77 €/kW • cijena gubitka energije: 0,0038 • cijene neisporučene energije: 2,5 • cijene neisporučene snage: • diskontna stopa: 8% • trajanje vršnog opterećenja: 4371 h • životna dob transformatora i vodova: 40 godina • životna dob opreme (vodnih polja, rastavljača, prekidača i dr.): 30 godina • životna dob zgrade i sličnih grañevinskih dijelova: 100 godina
Neto sadašnja vrijednost i indeks profitabilnosti Ekonomsko vrednovanje i usporedba različitih investicija distribucijske mreže temelji se na metodi diskontiranja (aktualizacije), uz pomoć koje se novčane vrijednosti u promatranom razdoblju svode na sadašnju vrijednost upotrebom diskontne stope. U tu svrhu se koriste dvije metode:
• neto sadašnja vrijednost i • indeks profitabilnosti
111
Neto sadašnja vrijednost projekta je zbroj vrijednosti godišnjih neto primitaka tijekom razdoblja promatranja diskontiranih na početnu godinu. Pritom treba uzeti u obzir preostalu vrijednost projekta sa životnim vijekom duljim od promatranog razdoblja. Neto sadašnja vrijednost vrednuje projekt tijekom cijelog promatranog razdoblja. Indeks profitabilnosti se definira kao omjer izmeñu godišnjih dobitaka od izgradnje i anuitetnog troška izgradnje nekog postrojenja. Indeks profitabilnosti vrednuje projekt u promatranoj godini planiranja. Indeks profitabilnosti se može mijenjati za svaku godinu promatranog razdoblja ako se tijekom promatranog razdoblja realizira neki drugi projekt koji ima pozitivan utjecaj na promatrani objekt. Primjena ekonomskog kriterija Primjenom metode neto sadašnje vrijednosti, pojedini projekt proglašava se ekonomski opravdanim ako pripadna neto sadašnja vrijednost poprima pozitivnu vrijednost, uzimajući u obzir sve identificirane vrste dobiti i troškove. Primjenom metode indeksa profitabilnosti, pojedini projekt proglašava se ekonomski opravdanim, ako je srednja vrijednosti indeksa profitabilnosti tijekom razdoblja planiranja veća od 1, uz uvjet da je analizom obuhvaćen veći dio životnog vijeka projekta. Cilj ekonomskih analiza je odreñivanje ekonomski optimalnog plana razvoja distribucijske mreže odnosno pojedine investicije u promatranom razdoblju. Osnovni ekonomski kriterij planiranja distribucijske mreže odnosno projekta je slijedeći: ekonomski optimalan plan razvoja distribucijske mreže odnosno projekta je onaj koji ima najveću neto sadašnju vrijednost. Radi jednostavnije primjene osnovnog ekonomskog kriterija, ekonomsko vrednovanje projekata ulaganja u distribucijsku mrežu primjenjuje se na dva načina:
• definiranje liste projekata koji su ekonomski isplativi • odabir najpovoljnijeg rješenja pri ulaganju nužnom radi zadovoljavanja
tehničkih kriterija distribucijske mreže. Prvi korak je odabir ekonomski najpovoljnijih rješenja nužnih za ispunjenje tehničkih kriterija (propisa) distribucijske mreže. Pritom se koriste pokazatelji ekonomske opravdanosti iz popisa profitabilnih projekata, ali u kombinaciji sa ostalim nužnim ulaganjima oni mogu biti promijenjeni. Nakon definiranja ekonomski optimalnog plana ulaganja radi zadovoljavanja tehničkih kriterija, potrebno je ponoviti analizu ekonomske opravdanosti mogućih dodatnih projekata, koji nisu nužni u pogledu tehničkih kriterija, a očekuje se da bi mogli biti ekonomski opravdani. Projekti čija je neto sadašnja vrijednost pozitivna su sami po sebi ekonomski opravdani. Prikaz tehno-ekonomskog modela Metoda diskontiranja (aktualizacije) za odreñivanje sadašnje vrijednosti
nai
II
)1( +=
gdje je:
112
I – novčana vrijednost uložena u godini n Ia – sadašnja (aktualizirana) vrijednost novčane vrijednosti i – diskontna stopa Neto sadašnja vrijednost projekta (NPV) u razdoblju očekivane životne dobi
nnnn
N
n i
ainvesticijtroškoviprihodiNPV
)1(1 +−−
=∑=
gdje je: n – promatrana godina N – životna dob elementa ili projekta i – diskontna stopa Neto sadašnja vrijednost projekta (NPV) u razdoblju očekivane 10 godina od puštanja u pogon
++
−−=∑
=n
nnn
n i
ainvesticijtroškoviprihodiNPV
)1(
10
1
preostala vrijednost investicije
gdje je: n – promatrana godina i – diskontna stopa Identifikacija troškova i dobiti pri izračunu neto sadašnje vrijednosti projekta
nnnnn
N
n i
TpEENSTEgTNPV
)1())1()()((
1 ++−∆+∆=∑
=
gdje je: N – životna dob elementa ili projekta i – diskontna stopa DT(Eg)n – razlika očekivanih troškova gubitaka električne energije na konfiguraciji mreže bez promatranog projekta i sa uključenim projektom u promatranoj godini n DT(EENS)n – razlika očekivanih troškova neisporučene energije na konfiguraciji mreže bez promatranog projekta i sa promatranim projektom u promatranoj godini n In – investicijski troškovi izgradnje promatranog projekta u promatranoj godini n Tpn – troškovi pogona i održavanja promatranog projekta u promatranoj godini n
∑∑==
==N
nn
N
nnukupno ITpTp
11
02,0
113
Indeks profitabilnosti projekta
N
nn
i
Ii
EENSTEgTp
)1(
11
)()((
+−
⋅∆+∆
=
gdje je: N – očekivana životna dob elementa ili projekta i – diskontna stopa n – promatrana godina promatranja DT(Eg)n – razlika očekivanih troškova gubitaka električne energije na konfiguraciji mreže bez promatranog projekta i sa uključenim projektom u promatranoj godini n DT(EENS)n – razlika očekivanih troškova neisporučene energije na konfiguraciji mreže bez promatranog projekta i sa promatranim projektom u promatranoj godini n I – ukupni investicijski troškovi izgradnje promatranog projekta uvećani za troškove pogona i održavanja Dakle pri tehno-ekonomskoj evaluaciji moguća je primjena opisanih modela s tim da je važno uniformno upotrebljavati vrijednosti za pojedina ulaganja (investiciju) kao i za troškove koji utječu na konačan rezultat. Pri evaluaciji ekonomskih modela normalno je koristiti se planskim cijenama HEP Ods d.o.o. za tipska rješenja projekata. U stvari, cilj je u ovome dijelu potaknuti na razmišljanja i izradu detaljnih tehno-ekonomskih analiza prije nego što se u neki projekt ulazi. Naravno da će nam ovi modeli moći i pomoći prilikom izrade liste prioriteta ekonomski isplativih projekta. Osim ove tehno-ekonomske evaluacije projekata potrebno je i spomenuti relativne odnose ukupne investicije pri pojedinom načinu uzemljenja neutralne točke. Ne ulazeći u apsolutne vrijednosti (kn) za pojedino rješenje može se napraviti rang lista od najjednostavnijeg i najjeftinijeg rješenja do najsloženijeg i najskupljeg rješenja:
1.1 izolirana neutralna točka 10(20) kV, 1.2 neutralna točka uzemljena pomoću otpornika male vrijednosti, 1.3 neutralna točka uzemljena pomoću petersenove prigušnice – djelomična
kompenzacija, 1.4 neutralna točka uzemljena pomoću petersenove prigušnice sa
automatskom regulacijom – rezonantno uzemljene mreže,
114
Može se na kraju konstatirati da omjer vrijednosti investicije za realizaciju uzemljenja pomoću otpornika male vrijednosti i najsloženijeg načina rezonantnog uzemljenja može doseći i 1:7.
115
5. Podaci o kvarovima u distribucijskom podru čju Za svaku analizu a koja je povezana sa problematikom uzemljenja neutralne točke 10(20) kV potrebno je prikupljati i koristiti se stvarnim podacima o broju i trajanju kvarova, vrstama zaštite koja uzrokuje isključenja ili APU-e i sl. U Elektri Bjelovar se od uvoñenja dispečerskog centra 2002.g. vode sistematično navedeni podaci u Službi iza voñenje. U slijedećoj tablici 5.1. prikazana je jedna tipična grupa dispečerskih podataka koja se na temelju podataka iz SCADE evidentiraju na prikazani način. Ti podaci se koriste za sve potrebe u jednom distribucijskom području kao što su:
• analiza broja kvarova po pojednom polju • analiza broja APU-a po pojedinom polju • analiza broja prolaznih i trajnih kvarova • vrijeme trajanja isključenja • planirani radovi • kriteriji za izradu prioriteta u održavanju 10(20) kV vodova • kriteriji za izradu prioriteta u planovima rekonstrukcija i zamjene postojećih
dalekovoda • kriteriji za uvoñenje rada pod naponom • analiza parametara kvalitete opskrbe električnom energijom • ...
U tablici 5.1. prikazani su podaci za jednu godinu za jednu TS x/10(20) kV Elektre Bjelovar. Svi se ovi podaci za pojedine TS x/10(20) kV sumiraju te čine godišnji izvještaj dispečerskih podataka distribucijskog područja.
116
Tablica 5.1: Godišnji dispečerski izvještaj za TS 35/10 kV Bjelovar I - primjer
Isključenje zbog prorade relejne zaštite Isključenje zbog planiranih radova
Polje
Isključenje bez APU-a
Broj uspješnih
Broj uspješnih
Broj uspješnih
Broj DEF isk.
Vrijeme bez napona (min)*
Pokušaji uključenja na kvar
Broj prorada prekidača zbog kvara
Broj isključenja
Vrijeme trajanja prekida napajanja (min)
Broj prorada zaštite (kom)
APU1 APU2 APU3 I>> I> I0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
35 kV Križevci 1 0 0 0 0 3 0 1 0 0 0 0 1 35 kV Bjelovar 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 35 kV Bjelovar 3 1 0 0 0 0 30 0 1 0 0 1 0 0 35 kV Ivanska 0 3 0 0 0 0 0 3 2 124 3 0 0 35 kV Trafo 1 1 0 0 0 0 8 0 1 0 0 0 0 0 35 kV Trafo 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 kV Trafo 1 1 0 0 0 0 8 0 1 0 0 0 0 0 10 kV Trafo 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 kV Kapela 0 13 2 0 2 204 8 33 1 28 4 5 24 10 kV Bjelovar 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
10 kV Križev. Cesta 1 0 0 0 0 0 2 3 0 0 0 0 3
10 kV Stare Plavnice 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 kV Tehnika 1 0 0 0 0 8 0 1 0 0 1 0 0 10 kV Ivanska 0 6 18 2 3 189 0 60 2 650 35 18 7 10 kV Žabno 0 5 0 1 2 23 1 17 1 179 1 0 16 10 kV Gudovac 0 4 1 0 1 71 0 10 1 42 6 0 4
117
Iz sumarnih podataka o ukupnom broju kvarova prikazanih po vrstama kvarova (I>, I>>, Io>) za područje pogona u sjedištu Elektre Bjelovar može se vidjeti da je udio jednopolnih (dozemnih) kvarova nešto drugačiji (manji) nego što se u literaturi navodi. Ovi su podaci prikazani u tablicama 5.2 i 5.3 te na slikama 5.1. i 5.2. Tablica 5.2: Sumarni podaci o broju prorada zaštitnih releja u ovisnosti o vrsti zaštite (I>, I>>, Io>) – područje pogona u sjedištu za 2004.g.
2004.g. I>> I> I0> Ukupan broj kvarova (kom) 173 41 184 Postotni udjel zaštite (%) 43 10 46
Napomena: dvije TS 35/10 kV nisu obuhvaćene ovom evidencijom zbog neraspoloživosti podataka (nisu u sustavu SDV-a) Tablica 5.3: Sumarni podaci o broju prorada zaštitnih releja u ovisnosti o vrsti zaštite (I>, I>>, Io>) – područje pogona u sjedištu za 2010.g.
2010.g. I>> I> I0> Ukupan broj kvarova (kom) 254 98 229 Postotni udjel zaštite (%) 44 17 39
Raspodjela kvarova po vrsti u 2004.g.
43%
10%
47% I>>
I>
I0>
Slika 5.1: Grafički prikaz raspodjela kvarova po vrstama zaštitnih funkcija za 2004.g.
118
Raspodjela kvarova po vrsti u 2010.g.
44%
17%
39%
I>>
I>
I0>
Slika 5.2: Grafički prikaz raspodjela kvarova po vrstama zaštitnih funkcija za 2010.g. Iz slika 5.1 i 5.2 vidi se da se nema bitnih promjena u distribuciji kvarova po vrstama kroz više godina promatranja. Na sličan način moguće je iz višegodišnjih evidencija doći do podatka o sumarnom broju prorada APU u prvom, drugom ili trećem pokušaju. U ovisnosti koji način uzemljenja neutralne točke analiziramo ili govorimo o upotrebi shunt prekidača definiramo iz gornjih podataka pojam prolazni i trajni kvar. U nekim analizama prolazni će kvar biti isključivo brzi APU (APU1) sa podešenim vremenom 200 ms, dok će drugi i treći stupanj sa vremenima 15 s i 3 min imati karakter trajnog kvara. U nekim će analizama sva tri stupnja APU-a imati karakter prolaznog kvara pa će se na taj način moći doći do točnog podatka. Ono što je nužno i neophodno, to je kontinuirano prikupljati navedene podatke. Tablica 5.4: Broj i postotak uspješnih i neuspješnih uključenja po proradi zaštite u svim TS x/10(20) kV na području sjedišta Elektre Bjelovar u 2010.g.
APU1 APU2 APU3 Definitivno isključenje
kom 177 61 14 32 % 62 21 5 11
Iz tablice 5.4. je vidljivo da 62% svih kvarova uslijed koje je relejna zaštita isključila prekidač u polju ima karakter prolaznog kvara. Pri tome smo prolazni kvar definirali kao onaj kvar kod kojeg je došlo do samogašenja za vrijeme djelovanja prvog stupnja APU-a. Ako prolaznim kvarom definiramo onaj kvar kod kojeg je došlo do samogašenja unutar trećeg stupnja APU-a (unutar 3 min.) onda možemo govoriti da 89% svih kvarova ima karakter prolaznog kvara.
119
6. Izračun struja zemljospoja Jednako kao što su nam za analizu načina uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreža potrebni podaci o broju i vrsti kvarova da bi se mogla na temelju egzaktnih kriterija donositi odluka o odabiru načina uzemljenja, potrebno je i poznavati struje zemljospoja za sve mreže 10(20) kV. U Elektri Bjelovar se već kroz dugi niz godina izračunavaju i kontinuirano ažuriraju vrijednost dozemnih struja po TS x/10(20) kV. Kako za SN mrežu nazivnog napona Un struja zemljospoja ovisi samo o dozemnim kapacitetima dalekovoda i kabela, ove vrijednosti struja potrebno je stalno usklañivati sa stanjem mreže koja se neprekidno mijenja. Pri tome se misli, prije svega na ugradnju 10(20) kV kabela koji postotno najviše doprinose ukupnoj dozemnoj struju jedne 10(20) kV mreže. Ove struje su izračunavane i vrijednosti meñusobno usporeñivane bez obzira na način na koji su struje izračunate. Nakon ugradnje numeričke relejne zaštite (2001.g.-2006.g.) u svim TS x/10(20) kV po prvi puta su i sve dozemne struje izmjerene. Načini izračuna zemljosopojnih struja bazirali su se na:
• Računanju dozemnih kapaciteta metodom srednjih geometrijskih udaljenosti svih 10(20) kV nadzemnih dalekovoda (na drvenim i betonskim stupovima)
• Vrijednostima dozemnih kapaciteta nadzemnih vodova iz priručnika (Končar, Kaisser)
• Vrijednostima dozemnih kapaciteta kabela iz literature (Končarev priručnik, Kaisserov priručnik, Kabelska tehnika, Katalozi proizvoñača (Elka Zagreb, Novkabel Novi Sad)
• Računalnog programa izrañenom u excel-u Temeljem gore nabrojanih izvora napravljeni su izračuni struja dozemnih spojeva čije rezultate dajemo u prilogu – tablica 6.1. Tablica 6.1: Kapacitivne struje 10 kV odvoda za TS Bjelovar 1
TS Bjelovar 1
Izvod B n [µS] Ic [A]
Bjelovar 1 222,568 4,048
Gudovac 22,5122 0,409
Ivanska 53,2768 0,969
Kapela 331,3066 6,025
Žabno 211,808 3,852
Križevačka cesta 348,206 6,333
Stare Plavnice 570,5 10,375
Tehnika 329,528 5,993
UKUPNA STRUJA DOZEMNOG SPOJA: 38,005
120
Tablica 6.2: Kapacitivne struje 10 kV odvoda za TS Veliki Grñevac
TS Veliki Gr ñevac
Izvod Bn [ µS] Ic [A]
Pavlovac 26,0304 0,473
Severin 35,6208 0,648
TIO 236,208 4,296
Velika Barna 31,3952 0,571
Zrinska 49,696 0,904
UKUPNA STRUJA DOZEMNOG SPOJA: 6,892
Tablica 6.3: Kapacitivne struje 10 kV odvoda za TS Ivanska
TS Ivanska
Izvod Bn [ µS] Ic [A]
Narta 49,7392 0,905
Šimljanica 71,5712 1,302
UKUPNA STRUJA DOZEMNOG SPOJA: 2,206
Tablica 6.4: Kapacitivne struje 10 kV odvoda za TS Bjelovar 3
TS Bjelovar 3
Izvod Bn [ µS] Ic [A]
Ivanovčanska 728,592 13,251
Elektra 15,17 0,276
Ivekovićevo naselje 165,869 3,017
MUP 187,33 3,407
Naselje P. Biškupa 192,395 3,499
Rade Končara 1 303,834 5,526
Rade Končara 2 360,226 6,551
UKUPNA STRUJA DOZEMNOG SPOJA: 35,526
Tablica 6.5: Kapacitivne struje 10 kV odvoda za TS Bulinac
TS Bulinac
Izvod Bn [ µS] Ic [A]
Lasovac 31,5248 0,573
Nova Rača 40,5264 0,737
Orovac 28,1712 0,512
Patkovac 42,1136 0,766
121
V. Pisanica 155,6472 2,831
UKUPNA STRUJA DOZEMNOG SPOJA: 5,419
Tablica 6.6: Kapacitivne struje 10 kV odvoda za TS Predavac
TS Predavac
Izvod Bn [ µS] Ic [A]
Domankuš 18,4912 0,336
Podgorci 19,0944 0,347
Predavac 12,8432 0,234
Kraljevac 28,3728 0,516
Žabjak 24,4936 0,445
UKUPNA STRUJA DOZEMNOG SPOJA: 1,879
Tablica 6.7: Kapacitivne struje 10 kV odvoda za TS Žabno
TS Žabno
Izvod B 0 [µS] IC [A]
Haganj 43,3088 0,788
Čvrstec 203,4384 3,700
Žabno-Brezovljani 71,234 1,295
Dvorište 37,2956 0,678
Cirkvena 58,41 1,062
Markovac 27,8232 0,506
Bolč 82,7368 1,505
UKUPNA STRUJA DOZEMNOG SPOJA: 9,534
Tablica 6.8:. Kapacitivne struje odvoda za TS Mlinovac
TS Mlinovac
Izvod B n [µS] IC [A]
Hladnjača 149,425 2,718
Ljevaonica 2 67,76 1,232
Severin 100,9428 1,836
TAD 263,648 4,795
Česma 4 297,388 5,408
Česma 1 411,141 7,477
KTC 45,768 0,832
Mišulinovac 20,97685 0,381
Radničko naselje 292,112 5,313
Tomo Vinković 324,755 5,906
UKUPNA STRUJA DOZEMNOG SPOJA: 35,899
122
Tablica 6.9: Kapacitivne struje odvoda za TS Mišulinovac
TS Mišulinovac
Izvod B n [µS] IC [A]
INA Otprema 15
INA sek. Metode 19
Diklenica 39,9072 0,726
Šandrovac 27,4336 0,499
V. Trojstvo 33,3712 0,607
UKUPNA STRUJA DOZEMNOG SPOJA: 35,868
Napomena: Na sabirnice 10 kV u TS Mišulinovac priključena je nepoznata duljina kabela 10 kV te se dozemna struja morala izmjeriti. Radi kontrole ovih izračunatih vrijednosti dozemnih struja izvršena su mjerenja u TS koja su pokazala usklañenost izračunatih struja sa izmjerenim.
123
7. Ugradnja „shunt“ prekida ča u SN mrežu U prethodnim dijelovima analizirani su različiti pristupi uzemljenju neutralne točke 10(20) kV distribucijskih mreža, pri čemu su analizirani pojedini parametri s obzirom na koje je ocijenjena uspješnost svakog pojedinog načina uzemljenja. Kako se u posljednje vrijeme isporuka kvalitetne električne energije stavlja kao jedan od prioritetnih zadatka operateru distribucijskog sustava razvijen je još jedan „alternativni“ pristup uzemljenju neutralne točke 10(20) kV mreža. Važno je naglasiti da ovo rješenje može samo djelomično nadomjestiti primjenu automatskih prigušnica koje se mogu smatrati najboljim rješenjem kada se promatra parametar kvalitete električne energije. No zbog visoke cijene ugradnje ni automatska prigušnica nije uvijek pogodno rješenje za realizaciju visokih zahtjeva na kvalitetu električne energije. Ova metoda uzemljenja, odnosno korištenja sklopnih ureñaja za jednopolno uzemljivanje faznog vodiča koji se nalazi u dozemnom spoju razvijena je u Francuskoj elektroprivredi i djelomično se proširila na neke okolne zemlje. Cilj ugradnje shunt prekidača u 10(20) kV mrežu je isključivo eliminacija kratkotrajnih dozemnih spojeva koji u izoliranim mrežama i u mrežama sa uzemljenjem neutralne točke pomoću otpornika male vrijednosti uzrokuje isključenje voda u kvaru i pokretanje automatskog ponovnog uklopa. Shunt prekidač je u stvari tropolni vakuumski (ili SF6) prekidač sa tri odvojena pogonska mehanizma. Na taj se način omogućuje da svaki pol zasebno uključuje i isključuje struje kratkih spojeva. To je inače, praksa koja se mogla sresti jedino u mrežama naponskih nivoa 110 kV i više dok se u distribuciji na naponskim nivoima 35(30) kV, 20 kV i 10 kV uobičajeno koriste tropolni prekidači koji isključuju i uključuju sve tri faze istovremeno. Kod shunt prekidača rad polova je meñusobno blokiran, tako da se istovremeno može uključiti samo jedan pol prekidača. Uobičajeno se proizvodi kao standardni metalom oklopljen dio postrojenja u izvlačivoj sklopnoj ćeliji.
Slika 7.1: Shunt prekidač za ugradnju u postrojenje
124
Cijela ćelija je opremljena sa svim potrebnim pomoćnim relejima, ožićenjima i upravljačko-zaštitnim relejem, tako da čini kompaktnu funkcionalnu cjelinu, koja se na jednostavan način može ukomponirati u 10(20) kV dio postrojenja TS 35/10(20) kV. Kao i ostali dijelovi SN postrojenja i ćelija shunt prekidača se povezuje na stanično računalo i centar daljinskog voñenja tako da je u potpunosti omogućen nadzor i upravljanje nad tim dijelom postrojenja.
7.1 Princip rada shunt prekida ča Shunt prekidač sa pripadajućim zaštitno-upravljačkim relejem, u slučaju dozemnog spoja (ili jednopolnog kvara) na temelju mjerene struje izmeñu zvjezdišta transformatora i zemlje, te mjerenih faznih napona iz mjernog polja, pod odreñenim uvjetima prepoznaje odreñuje fazu u kvaru. Nakon toga pokreće se komanda za uključenjem odgovarajućeg pola shunt prekidača, koji fazu u kvaru direktno uzemljuje. Na taj se način struja kvara, koja se na mjestu kvara manifestira kao električni luk, više na zatvara preko mjesta kvara već preko pola shunt prekidača i maloomskog otpornika sa eventualnom paralelnom kompenzacijskom prigušnicom. U cijeloj petlji struje kvara najviše utječe otpor malog otpornika, tako da je ukupna struja jednopolnog kratkog spoja odreñena upravo otpornošću maloomskog otpornika. Kapacitivne struje zdravih vodova zatvaraju se na identičan način kao i bez shunt prekidača (sl.7.2.). Slika 7.2: Prilike pri jednopolnom kratkom spoju uz isklopljen shunt prekidač – neposredno prije prorade jednog pola prekidača
D yn
RELEJ
strujni transformator
20 kV L L L
naponski transformator
L
ćelija 20 kV vodnog polja
R
I zajedn(R i I
I C
Cz Uks mjesto
TR 35/20 kV
20 kV vodno polje
125
Time je faza voda u kvaru premoštena, napon na mjestu pojave luka (kvara) je nula te više ne podržava pojavu luka koji više nema uvjete za gorenje te ako je kvar prolaznog karaktera, isti se gasi (slika 7.3). Nakon vrlo kratkog vremena potrebnog za deionizaciju prostora na mjestu kvara (luka), tipično oko 0,3 s, upravljačko-zaštitni ureñaj daje nalog za isključenje prethodno uključenog pola shunt prekidača, čime se prekida metalni spoj faze za zemljom i mreža se dovodi u svoje normalno pogonsko stanje. U slučaju da se radilo o prolaznom kvaru, nakon isklopa pola shunt prekidača mreža nastavlja sa radom bez prekida. Time je i ostvaren osnovni cilj ureñaja kako smo na početku naveli a to je osiguranje neprekinutosti rada SN mreže u slučaju prolaznih jednopolnih (dozemnih) spojeva. Na taj se način, upotrebom shunt prekidača značajno poboljšavaju parametri kvalitete opskrbe električnom energijom. Slika 7.3: Prilike pri jednopolnom kratkom spoju nakon uključenja pola shunt prekidača Nakon nastanka jednopolnog kvara na nekom od vodova (faza L1 i zemlja), prije nego što shunt prekidač uključi fazu u jednopolnom kratkom spoju, kroz tu fazu
D yn
TR 35/20 kV
RELEJ
strujni transformator
20 kV sabirnice L2 L3 L1
naponski transformator
L
ćelija 20 kV vodnog polja 20 kV
vodno polje
R
I zajedn(R i L) I C
Cz Uks mjesto = 0 I sh
126
protječe struja kratkog spoja, sastavljena od zajedničke struje kroz uzemljivački dio i kapacitivne struje mreže. Zajedničku struju kroz uzemljivački dio čini radna struja koja protječe kroz otpornik i induktivna struja kroz eventualno priključenu prigušnicu. Radna komponenta struje kroz prigušnicu može se zanemariti. U preostalim zdravim fazama delekovoda koji je u kvarnom stanju kao i u svim preostalim zdravim vodovima teku po zdravim fazama u smjeru prema napojnim sabirnicama njihovi udjeli kapacitivne komponente struje jednopolnog kratkog spoja (slika 7.3). Nakon što shunt prekidač uzemlji fazu u kvaru na napojnim sabirnicama, kapacitivne struje kroz zdrave faze nastavljaju u istom smjeru. Zbog premoštenja na sabirnicama, struja jednopolnog kratkog spoja zatvara se od sabirnica prema uzemljivaču TS, gdje se dijeli na dio koji teče kroz otpornik i prigušnicu, te na dio koji teče kroz dozemne kapacitete mreže. Na mjestu kvara je, kako smo to već utvrdili napon približno jednak nuli, što omogućava deionizaciju prostora i gašenje luka. Strujno-naponske prilike na mjestu kvara prikazane su na slijedećoj slici (slika 7.4).
Slika 7.4: Vektorski dijagram napona i struje na mjestu kvara nakon prorade shunt prekidača Ako je kvar trajnog karaktera, nalog za isključenje prekidača vodnog polja koje je u kvaru daje zaštita tog vodnog polja nakon vremena koje mora biti dulje od vremena shunt prekidača. Alternativno može se osigurati funkcija blokade prorade prekidača dok djeluje shunt. To znači da je shunt prekidač podešen da se nakon jednog ciklusa uklop/isklop, njegovo djelovanje za odreñeno vrijeme blokira.
127
Nakon podešenog vremena na upravljačko-zaštitnom ureñaju u polju shunt prekidača i nakon odspajanja kvarne faze od zemlje, zaštitu preuzima klasična relejna zaštita vodnih polja. Po isključenju voda pokreće se funkcija automatskog ponovnog uklopa kao i u situaciji bez shunt prekidača. Opisani postupak funkcioniranja shunt prekidača može zbog naponskih naprezanja zdravih faza izazvati dvopolni kratki spoj (dvostruki zemljospoj), što je naročito vjerojatno u mrežama sa slabijom izolacijom. Na slici 7.5. prikazana je blok shema povezivanja shunt prekidača u TS 110/10 kV sa uzemljenom neutralnom točkom pomoću otpornika male vrijednosti.
Slika 7.5: Blok shema povezivanja shunt prekidača u jednoj TS 110/20 kV Polje shunt prekidača opremljeno je tropolnim SF6 shunt izvlačivim prekidačem, In=400 A, nazivne prekidne struje 8kA, Ik=20 kA, Un=20 kV. Prekidač je opremljen elektromotornim pogonom tako da svaki pol ima svoj isklopni i uklopni mehanizam. Izvedena je meñusobna blokade polova prekidača tako da samo jedan pol prekidača može biti istovremenu uključen. Uzemljena strana shunt prekidača povezana je 20 kV jednožilnim kabelom do uzemljenog dijela otpornika. Na taj se način ne opterećuje unutrašnji dio uzemljivačkog sustava postrojenja 20 kV u zgradi TS, kada shunt prekidač proradi. Zaštitno upravljački relej osigurava funkcije zaštite i upravljanja poljem shunt prekidača. Relej dobiva podatke o struji sa obuhvatnog strujnog mjernog transformatora smještenog u prostoru malog otpornika. Naponski signal se dovodi iz mjernog naponskog polja. Relej se aktivira samo pri jednopolnim kratkim spojevima gdje je struja jednopolnog KS veća od 15 A. Pri manjim strujama shunt prekidač ne djeluje.
128
U slučaju ugradnje shunt prekidača u postojeće TS sa uzemljenom neutralnom točkom pomoću otpornika male vrijednosti, podešenja postojeće relejne zaštite gotovo da se ne trebaju mijenjati. Kako je već konstatirano na mjestu kvara nema napona i u odvodu ne teče struja kvara. Nadstrujni relej I0> u vodnom polju na kojem se desio jednopolni kratki spoj nema više uvjeta za djelovanje. Usmjereni zemljospojni relej koji je vezan na cosf ima u trenutku uklopljenog jednog pola shunt prekidača napon ali ne registrira struju te zbog toga ne postoje uvjeti prorade. Iz tog razloga za vrijeme prorade shunt prekidača nije nužno potrebno blokirati relejnu zaštitu voda. Na slijedećim slikama 7.6, 7.7. i 7.8. prikazani su dijagrami vremenskog tijeka pri jednopolnom kratkom spoju, djelovanje prekidača vodnog polja i prorada shunt prekidača.
Slika 7.6: primjer prolaznog jednopolnog kratkog spoja eliminiranog proradom shunt prekidača
129
Slika 7.7: Primjer jednopolnog kratkog spoja eliminiranog brzim automatskim ponovnim uklopom
Slika 7.8: Primjer jednopolnog kratkog spoja eliminiranog sporim automatskim ponovnim uklopom
130
7.2 Kriteriji za ugradnju shunt prekida ča Prilikom odlučivanja ugradnje shunt prekidača potrebno je razmotriti kriterije za ugradnju radi utvrñivanja opravdanosti ugradnje u posve konkretnoj SN mreži. Osnovni kriteriji za upotrebu u SN mreži trebali bi biti:
• veliki broj prolaznih jednopolnih kvarova vodova spojenih na 10(20) kV sabirnice
• udio nadzemne mreže 10(20) kV u sadašnjosti i skoroj budućnosti velik • u slučaju mješovite mreže izolacijska razina kabelskog dijela mora biti
zadovoljavajuća • neutralna točka 10(20) kV mreže uzemljena pomoću otpornika male
vrijednosti ili djelomično kompenzirana • iznadprosječni zahtjevi za kvalitetom opskrbe električnom energijom
Ove kriterije potrebno je razmotriti na nivou pojedine TS odnosno 10(20) kV mreže koja u normalnom pogonskom stanju pripada 10(20) kV sabirnicama TS. Što se tiče statistike kvarova potrebno je kroz dovoljno dugačak period registrirati kvarove po vrstama nastanka (dozemni, jednopolni, višepolni), i posebno registrirati APU po vrstama pojedine funkcije relejne zaštite. Na taj način možemo razlikovati samogasive od nesamogasivih kvarova te stvaramo preduvjete za ispravnu i točnu analizu svih kvarova u svrhu odreñivanja broja prolaznih, samogasivih kvarova uzrokovanih jednopolnim kratkim spojevima (ili dozemnim spojevima) na koje se shunt prekidačem može utjecati. Kriterij velikog broja prolaznih kvarova uzrokovanih jednopolnim kratkim spojevima po jedinici duljine voda, siguran je pokazatelj mreže u kojoj shunt prekidač može doprinijeti kvaliteti električne energije. To su prije svega TS sa pretežito nadzemnom mrežom koja je izloženija specifičnim utjecajima kao što su atmosferska pražnjenja, vjetar, led, snijeg, bujna vegetacija, ptice i sl. Razvojna planovi takve mreže ne smiju ukazivati na postepeno kabliranje odnosno značajno smanjenje nadzemnih dionica. Što se tiče izolacijske razine postojećih kabela u mreži gdje se namjerava ugraditi shunt prekidač, važna je procjena stanja izolacije kabela. Stoga se uvjetuje da se shunt prekidač ne ugrañuje u SN mreže u kojima postoji značajan udio starijih kabela sa većim brojem kabelskih spojnica. Za očekivati je nakon početka upotrebe shunt prekidača da će broj kvarova na starijim kabelima porasti. Ta činjenica, koja je posljedica pojačanih naponskih naprezanja je sigurno glavni nedostatak za primjenu ove tehnike. No, u slučaju procjene dobrobiti koju donosi u smislu povećanja kvalitete opskrbe električnom energijom, moguće je uvjetovati upotrebu shunt prekidača i zamjenom kabelskih dionica za koje se utvrdi da imaju slabija izolacijska svojstva. Za ugradnju shunt prekidača uvjetuje se uzemljenje pomoću otpornika male vrijednosti ili djelomične kompenzacije. Zahtjeve za kvalitetom opskrbe električnom energijom ovog časa je vrlo teško odrediti. To je, prije svega posljedica da se u našim uvjetima ne primjenjuje poticajna regulacija, što bi operatora distribucijskog sustava poticalo na povećanje pouzdanosti isporuke električne energije. U Hrvatskoj se primjenjuje regulacija opravdanog troška, pravilnici o kvaliteti električne energije još ne postoje u primjeni, tako da još i nisu propisane granice
131
pouzdanosti isporuke električne energije. U regulaciji opravdanog troška, nije za očekivati da će se pouzdanost izravno nagrañivati, i dalje će osnovni cilj HEP-Ods-a biti ispunjenje kriterija propisanih pravilnikom. Kako bi se na neki način ulaganje u povećanje pouzdanosti isporuke valoriziralo u planiranje investicijskih projekta i njihovu evoluaciju može se uvesti kriterij neisporučene energije i snage. U literaturi se navode iznosi od 2,5 €/kWh i 0,75 €/kW. Značaj pojedinih kupaca je kategorija u europskim liberaliziranim uvjetima poznata i kupcima je omogućeno da s operatorom ugovaraju veću pouzdanost te za to plaćaju i veće naknade za korištenje mreže. U Hrvatskoj se u ovom trenutku na nivou regulatora i propisanih uvjeta ne radi razlika izmeñu više ili manje pouzdanih SN mreža. Općenito se može konstatirati da je ugradnja shunt prekidača opravdana u mreži sa:
• relativno velikim brojem kupaca • relativno malim brojem važnih kupaca
U našim uvjetima detaljnijom analizom navedenih kriterija pokazuje se da upotreba shunt prekidača nije često primjenjiva. Prije svega mreže sa većim brojem prolaznih jednopolnih kvarova pokrivaju ruralna područja gdje je važnost kontinuirane opskrbe manja. Jednako tako, sva važnija područja napajanja kupaca sa lošijim nadzemnim mrežama u pravilu se planiraju kablirati što takoñer ne ide u korist upotrebe shunt prekidača. No, bez obzira na to ostaje dovoljno prostora gdje upotreba shunt prekidača pokazuje svoju prednost, naročito na područjima gdje je prepoznat interes kupaca za povećanjem pouzdanosti isporuke električne energije. U nastavku se daju neke snimke napona prilikom prorada shunt prekidača iz TS u kojoj je u Hrvatskoj kao pilot projekt ugrañen shunt prekidač.
132
Slika 7.9: Snimka naponskih prilika na 20 kV-nim sabirnicama i zvjezdištu pri prolaznom jednopolnom kvaru Snimke sa slike 7.9 i dijagrami sa slika 7.10 omogućuju uvid u vrstu dogañaja, te analizu ispravnosti rada ugrañenih ureñaja u postrojenju.
Slika 7.10: Dijagram vremenskog tijeka efektivnih vrijednosti napona i binarni signali prorada
133
7.3 Korištenje shunt prekida ča u doma ćoj i praksi stranih zemalja
7.3.1. Općenito Upotreba shunt prekidača razvijena je u Francuskoj po zahtjevu tamošnje elektroprivrede. Zbog specifičnih uvjeta primjene, te zbog sve intenzivnije primjene rezonantnih uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže i dalje se upotrebljava u specifičnim uvjetima. Za očekivati je da će se ova tehnika i dalje primjenjivati tamo gdje su kriteriji navedeni u točki 7.2. ispunjeni s posebnim naglaskom na područja sa povećanim zahtjevima za kvalitetom isporuke električne energije i gdje se traže troškovno prihvatljivija rješenja.
7.3.2. Primjeri iz Hrvatske U Hrvatskoj je shunt prekidač ugrañen i stavljen u funkciju u TS 35/20 kV Vrbovsko krajem 2006.g. Od trenutka ugradnje prate se svi pokazatelji uspješnosti ove metode, te su statistički podaci uspješnih prorada opravdala očekivanja. Prema podacima za 2007.g. evidentirano je nešto manje jednopolnih kvarova nego što je to prosječno, ali je istovremeno zabilježeno ukupno 38 uspješno otklonjenih kvarova. To je činilo 76% svih jednopolnih kvarova zabilježenih na 10(20) kV vodovima. Od ukupnog broja kvarova (jednopolnih i višepolnih) u toj godini broj uspješno otklonjenih kvarova uz proradu shunt prekidača iznosio je 40%. Istovremeno evidentirani su i očekivani dogañaji razvoja dvopolnog kratkog spoja prilikom prorade shunt prekidača. U promatranom periodu zabilježene su i prorade shunt prekidača ali beznaponska pauza nije bila dovoljna za otklanjanje kvara. Kao pokazatelj uspješnosti metode poprečavanja govori i ugradnja drugog shunt prekidača na području Elektroprimorja Rijeka čija realizacije je u tijeku.
7.3.3. Primjeri iz Slovenije Slovenija je tehniku poprečavanja odnosno ugradnju shunt prekidača započela 1999.g. ugradnjom u RTP 110/20 Rogaška Slatina na transformatoru br. I 110/20 kV (Elektro Celje d.d.). Prvi ugrañeni shunt prekidači nabavljeni su od tvrtke MerlinGerin, grupacije Schneider. Kako je proizvodnja predmetne opreme bila isključivo razvijana za potrebe elektroprivrede Francuske, proizvoñač je morao dobiti dozvolu od EDF-a, da sistem eliminiranja prolaznih jednopolnih kvarova (dozemnih spojeva) može biti isporučen u Sloveniju. Nakon prvih iskustava u RTP 110/20 Rogaška Slatina, shunt prekidači su ugrañeni i u RTP 110/20/20 Sežana 2004.g. i RTP 110/20 Ajdovščina 2007.g. Statistički podaci za RTP 110/20/20 Sežana govore da je 2006.g. zabilježeno ukupno 63 jednopolna kvara od toga 48 (76%) prolaznih, 8 (13%) trajnih i 7(11%) se razvilo u dvopolni kratki spoj. Daljnjom analizom došlo se do podataka da je u drugom promatranom periodu ukupno zabilježeno 62 prorade shunt prekidača (uspješnih i neuspješnih) uslijed jednopolnih kratkih spojeva. Od tog broja, 24 kvara (38%) je uspješno otklonjeno
134
proradom shunt prekidača, 21 kvar (33%) je otklonjen brzim APU, 3 kvara (5%) je otklonjeno sporim APU, 7 puta (11%) je jednopolni kvar prerastao u dvopolni i 8 kvarova (13%) je bilo trajnog karaktera. Kao ocjenu uspješnosti upotrebe u Sloveniji može se navesti da je tvornica rasklopnih ureñaja iz Maribora započela proizvodnju shunt prekidača za potrebe slovenske elektroprivrede i okolnih zemalja.
7.3.4. Primjeri iz Francuske Kako je već navedeno ova tehnika je razvijena za potrebe EDF-a i počela se koristiti u Francuskoj. Razlog je tome da se u Francuskoj još od 1980 g. uvode mjere za poboljšanje kvalitete napajanja. Posljedica tih mjera je da EDF od 1995 g. garantira minimalnu razinu kvalitete napajanja:
• <6 dugih prekida godišnje (trajanja više od 3 min) • <30 kratkih prekida godišnje (trajanja izmeñu 1 sekunde i 3 minute) • <70 vrlo kratkih prekida godišnje (trajanja manje od 1 sekunde)
Francuska elektroprivreda EDF takoñer odgovara na zahtjeve osjetljivih kupaca, posebno industrije, kroz ugovore o jamčenju više kvalitete napajanja. Zbog intenzivnijih aktivnosti na razvoju kabelskih dionica u ruralnim krajevima Francuske, danas je manji interes za ugradnjom shunt prekidača. Kako je Francuska poznata po uzemljenju neutralne točke pomoću otpornika malih vrijednosti, porastom kapacitivnih struja pojavila se potreba za novom tehnologijom rezonantnog uzemljenja, pa se tako maloomski otpornici zamjenjuju rezonantnim uzemljenjem neutralne točke 10(20) kV mreža, posebice ruralnih krajeva. Upotrebom rezonantnog uzemljenja smanjen je broj vrlo kratkih i kratkih prekida, odnosno smanjio se broj djelovanja APU-a, evolutivni kvarovi su praktički nestali i ono što je najvažnije, parametri kvaliteta napajanja su time poboljšani.
7.3.5. Primjeri iz Italije Primjer Italije je sličan Francuskoj praksi jer se nakon početne upotrebe shunt prekidača u značajnoj mjeri počelo koristiti rezonantno uzemljenje. Tako se može pronaći da je u Italiji od 1999. do 2006.g. ugrañeno oko 2000 Petersenovih prigušnica. Razlog ovakvoj ekspanziji su poticaji koje nacionalni regulator odobrava operatorima za poboljšanje kvalitete isporuke električne energije. Prema tim podacima procijenjeno vrijeme povrata investicije u rezonantno uzemljenje je 4 godine. To je vjerojatni razlog da se shunt prekidači više uglavnom ne koriste u SN mrežama. Osim toga razvojem elektronike i drugih sofisticiranih metoda omogućena je automatska regulacija Petersenovih prigušnica te izrada i primjena složenih algoritama zaštite koji omogućavaju selektivno otkrivanje visokoomskih i ponavljajućih zemljospoja. Te su činjenice dovele do masovne primjene rezonantnog uzemljenja neutralne točke, a s time je i smanjen interes za alternativnom metodom kao što je tehnika preprečavanja, odnosno ugradnja shunt prekidača.
135
7.3.6. Primjeri iz Njema čke i Austrije U ovim se zemljama tradicionalno upotrebljavaju Petersenove prigušnice za uzemljenje neutralne točke 10(20) kV mreža, pa obzirom na njihovu ekonomsku snagu i već rečeno o razvoju sofisticiranih metoda i ureñaja kojima se osigurava selektivnost zaštite u rezonantno uzemljenim mrežama nije za očekivati da će se upotrebljavati shunt prekidači.
136
8. Kriteriji za odabir na čina uzemljenja neutralne to čke 10(20) kV mreže obzirom na kvalitetu elektri čne energije U poglavlju 4.5. opisani su parametri kvalitete električne energije (kvalitete napona i kvaliteti opskrbe) te su opisane osnovne prednosti i manjkavosti pojedinog načina uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže obzirom na kvalitetu električne energije. Dakle, kao osnovni kriteriji odabira načina uzemljenja neutralne točke obzirom na kvalitetu električne energije u širem smislu mogu se definirati: 1. pouzdanost opskrbe (prekidi napajanja – smanjenje napona ispod 1%Un) 2. promjene opskrbnog napona 2.1. brze promjene napona (smanjenje napona za 5%-10% Un) 2.2. propad napona (smanjenje napona ispod 90% Un) 3. prenaponi mrežne frekvencije 4. nesimetrija napona Pouzdanost opskrbe u smislu sigurnosti, što podrazumijeva sposobnost podnošenja smetnji tako da kupci ne osjećaju prekide isporuke električne energije glavni je kriterij koji utječe na odabir načina uzemljenja neutralne točke. Odmah nakon ovog glavnog kriterija, kao slijedeći kriteriji za odabir načina uzemljenja mogu se spomenuti promjene napona tj. nastojanje da promjene napona ne utječu negativno na instalacije i ureñaje kod kupaca, pri čemu se prije svega misli na brze promjene napona (smanjenje napona 5-10% Un). Nadalje, propad napona (smanjenje napona ispod 90% Un) takoñer se može promatrati kao kriterij odabira načina uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže. Razmatrajući glavni kriterij za odabir načina uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže, pouzdanost, u stvari razmatramo tehničke uvjete koji osiguravaju pogon 10(20) kV mreže sa minimalnim brojem prekida. Jasno je da u kontekstu razmatranja uzemljenja neutralne točke govorimo o sposobnosti 10(20) kV mreže da se na neki tehnički način neutralizira smetnja ili kvar prilikom dozemnih spojeva ili jednopolnih kvarova.
137
8.1 Mreže 10(20)kV sa izoliranom neutralnom to čkom U poglavlju 4.5.1. opisana je principijelna funkcionalnost relejne zaštite prilikom dozemnih spojeva u izoliranim mrežama. Spomenuta je teoretska mogućnost eliminacije prolaznih kvarova koje inače brzi automatski ponovni uklop eliminira. Stvarni pokazatelji, podaci o kvarovima navedeni u poglavlju 5. govore o velikom udjelu prorada zaštite od dozemnih spojeva i aktiviranju brzog automatskog ponovnog uklopa koji eliminira prolazni dozemni spoj. Postotni udjel uspješnih APU-a u prvom stupnju uzrokovanih dozemnim spojevima na pojedinom vodu TS 35/10 kV na području Elektre Bjelovar kroz 10-godišnji period promatranja iznosi i do 40% (udjel broja uspješnih APU-a u odnosu na ukupan broj prorada prekidača zbog bilo koje zaštitne funkcije, iskazano po vodnom polju). Kada se govori o 10(20) kV mrežama sa relativno malim ukupnim dozemnim strujama (do 10-tak A) može se, teoretski, produljiti vrijeme udešenja prorade relejne zaštite u prvom stupnju na pretpostavljeno vrijeme eliminacije prolaznog kvara brzim APU-om. Da bi se provjerila održivost ovakve pretpostavke napravljeno je nekoliko visokonaponskih mjerenja na realnoj mreži 10 kV. Simuliran je prolazni dozemni spoj pomoću pomoćnog umjetnog iskrišta na kojem se u trenutku dozemnog spoja pojavljuje električni luk. U slučajevima kada postoje uvjeti samogašenja luka, električni luk se gasi i nestaje dozemni spoj. U protivnom zaštita od dozemnog spoja isključuje vod. Za usporedbu mjerenja su napravljena i u slučaju čvrstog, metalnog dozemnog spoja na 10 kV mreži.
Slika 8.1: Iskrište za simulaciju prolaznih dozemnih spojeva u realnoj 10 kV mreži Pri tome su mjerene efektivne i trenutne vrijednosti faznih napona 10 kV mreže koja je izložena dozemnom spoju i 0,4 kV mreže jedne pripadajuće TS 10/0,4 kV.
138
Osnovni cilj eksperimetna bio je uvjeriti se u mogućnost samogašenja luka po nastanku dozemnog spoja u realnoj mreži 10 kV sa izoliranom neutralnom točkom, te izmjeriti i pohraniti vrijednosti faznih napona mreže 10 kV i 0,4 kV da bi se utvrdile promjene napona (brze promjene i naponski propadi), te eventualne prenapone ili nesimetriju faznih napona. Na slijedećim slikama prikazani su naponski dijagrami efektivnih i trenutnih vrijednosti izmjerenih napona.
Efektivne primarne vrijednosti faznih napona (10 kV ) u TS 35/10 kV pri metalnom dozemnom spoju na 10 kV vodu
0
2
4
6
8
10
12
Tim
e an
d da
te
13.0
5.11
. 10:
41:1
2.75
13.0
5.11
. 10:
41:1
3.03
13.0
5.11
. 10:
41:1
3.31
13.0
5.11
. 10:
41:1
3.59
13.0
5.11
. 10:
41:1
3.87
13.0
5.11
. 10:
41:1
4.15
13.0
5.11
. 10:
41:1
4.43
13.0
5.11
. 10:
41:1
4.71
13.0
5.11
. 10:
41:1
4.99
13.0
5.11
. 10:
41:1
5.27
13.0
5.11
. 10:
41:1
5.55
13.0
5.11
. 10:
41:1
5.83
13.0
5.11
. 10:
41:1
6.11
13.0
5.11
. 10:
41:1
6.39
13.0
5.11
. 10:
41:1
6.67
13.0
5.11
. 10:
41:1
6.95
13.0
5.11
. 10:
41:1
7.23
13.0
5.11
. 10:
41:1
7.51
13.0
5.11
. 10:
41:1
7.79
13.0
5.11
. 10:
41:1
8.07
13.0
5.11
. 10:
41:1
8.35
13.0
5.11
. 10:
41:1
8.63
13.0
5.11
. 10:
41:1
8.91
13.0
5.11
. 10:
41:1
9.19
13.0
5.11
. 10:
41:1
9.47
13.0
5.11
. 10:
41:1
9.75
13.0
5.11
. 10:
41:2
0.03
13.0
5.11
. 10:
41:2
0.31
13.0
5.11
. 10:
41:2
0.59
13.0
5.11
. 10:
41:2
0.87
13.0
5.11
. 10:
41:2
1.15
13.0
5.11
. 10:
41:2
1.43
13.0
5.11
. 10:
41:2
1.71
13.0
5.11
. 10:
41:2
1.99
13.0
5.11
. 10:
41:2
2.27
vrijeme
napo
n (k
V) Phase 1
Voltage
Phase 2Voltage
Phase 3Voltage
Slika 8.2: Efektivne vrijednosti faznih napona (10 kV) u TS 35/10 kV pri metalnom dozemnom spoju na pripadajućem 10 kV vodu Na dijagramu je uočljiva očekivana promjena vrijednosti faznih napona te se nakon nestanka uzroka kvara fazni naponi vraćaju na svoje nazivne vrijednosti
139
220
222
224
226
228
230
232
234
236
238
240
24.0
5.11
. 11:
46:4
5.53
24.0
5.11
. 11:
46:4
6.13
24.0
5.11
. 11:
46:4
6.73
24.0
5.11
. 11:
46:4
7.33
24.0
5.11
. 11:
46:4
7.93
24.0
5.11
. 11:
46:4
8.53
24.0
5.11
. 11:
46:4
9.13
24.0
5.11
. 11:
46:4
9.73
24.0
5.11
. 11:
46:5
0.33
24.0
5.11
. 11:
46:5
0.93
24.0
5.11
. 11:
46:5
1.53
24.0
5.11
. 11:
46:5
2.13
24.0
5.11
. 11:
46:5
2.73
24.0
5.11
. 11:
46:5
3.33
24.0
5.11
. 11:
46:5
3.93
24.0
5.11
. 11:
46:5
4.53
24.0
5.11
. 11:
46:5
5.13
24.0
5.11
. 11:
46:5
5.73
24.0
5.11
. 11:
46:5
6.33
24.0
5.11
. 11:
46:5
6.93
24.0
5.11
. 11:
46:5
7.53
24.0
5.11
. 11:
46:5
8.13
24.0
5.11
. 11:
46:5
8.73
24.0
5.11
. 11:
46:5
9.33
24.0
5.11
. 11:
46:5
9.93
24.0
5.11
. 11:
47:0
0.53
24.0
5.11
. 11:
47:0
1.13
24.0
5.11
. 11:
47:0
1.73
24.0
5.11
. 11:
47:0
2.33
24.0
5.11
. 11:
47:0
2.93
24.0
5.11
. 11:
47:0
3.53
24.0
5.11
. 11:
47:0
4.13
24.0
5.11
. 11:
47:0
4.73
24.0
5.11
. 11:
47:0
5.33
vrijeme (s)
napo
n (V
)
Phase 1 Voltage
Phase 2 Voltage
Phase 3 Voltage
Slika 8.3: Efektivne vrijednosti faznih napona (0,4 kV) u TS 10/0,4 kV pri metalnom dozemnom spoju na 10 kV vodu sa brzim APU-om Mjerenjem efektivnih vrijednosti faznih napona na niskom naponu (0,4 kV) utvrñeno je da ne postoje značajne promjene faznih napona (ispod 90%Un) koje bi bitno remetile parametre kvalitete napona. Na gornjem dijagramu uočljiva je značajnija promjena sva tri fazna napona u trenutku prorade zaštite i aktiviranja brzog APU-a. Važno je napomenuti da gornji dijagram prikazuje fazne napone izmjerene u TS 10/0,4 kV koja nije spojena na 10 kV vod na kojem je simuliran kvar i prorada APU-a.
140
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
92,2
0
95,8
0
99,4
0
103,
00
106,
60
110,
20
113,
80
117,
40
121,
00
124,
60
128,
20
131,
80
135,
40
139,
00
142,
60
146,
20
149,
80
153,
40
157,
00
160,
60
164,
20
167,
80
171,
40
175,
00
178,
60
182,
20
185,
80
189,
40
193,
00
196,
60
200,
20
203,
80
207,
40
211,
00
vrijeme (ms)
Nap
on (
V)
Phase 1 Voltage
Phase 2 Voltage
Phase 3 Voltage
Slika 8.4: Trenutne vrijednosti faznih napona 0,4 kV odmah po uključenju 10 kV voda sa metalnim dozemnim spojem Iz prethodnih mjerenja faznih napona na 10 kV naponskom nivou u TS 35/10 kV registrirana je očekivana promjena faznih napona pri čemu se zadržava trokut linijskih napona. Mjerenja napona na 0,4 kV naponskom nivou pokazuju neznatne promjene efektivnih vrijednosti faznih napona prilikom čvrstog dozemnog spoja na 10 kV mreži. Ta činjenica ide u prilog tvrdnji da se prilikom dozemnih spojeva na 10 kV u izoliranoj mreži kvaliteta napona ne narušava. Nadalje, da bi se analizirala naponska stanja na 10 kV i 0,4 kV naponskom nivou prilikom prolaznih dozemnih spojeva simuliran je prolazni kvar sa pojavom luka u realnoj 10 kV mreži. Pri tome su mjerene efektivne i trenutne vrijednosti napona koji su prikazani na slijedećim slikama.
141
0
2
4
6
8
10
12
14
13.0
5.11
. 10:
50:5
1.50
13.0
5.11
. 10:
50:5
1.80
13.0
5.11
. 10:
50:5
2.10
13.0
5.11
. 10:
50:5
2.40
13.0
5.11
. 10:
50:5
2.70
13.0
5.11
. 10:
50:5
3.00
13.0
5.11
. 10:
50:5
3.30
13.0
5.11
. 10:
50:5
3.60
13.0
5.11
. 10:
50:5
3.90
13.0
5.11
. 10:
50:5
4.20
13.0
5.11
. 10:
50:5
4.50
13.0
5.11
. 10:
50:5
4.80
13.0
5.11
. 10:
50:5
5.10
13.0
5.11
. 10:
50:5
5.40
13.0
5.11
. 10:
50:5
5.70
13.0
5.11
. 10:
50:5
6.00
13.0
5.11
. 10:
50:5
6.30
13.0
5.11
. 10:
50:5
6.60
13.0
5.11
. 10:
50:5
6.90
13.0
5.11
. 10:
50:5
7.20
13.0
5.11
. 10:
50:5
7.50
13.0
5.11
. 10:
50:5
7.80
13.0
5.11
. 10:
50:5
8.10
13.0
5.11
. 10:
50:5
8.40
13.0
5.11
. 10:
50:5
8.70
13.0
5.11
. 10:
50:5
9.00
13.0
5.11
. 10:
50:5
9.30
13.0
5.11
. 10:
50:5
9.60
13.0
5.11
. 10:
50:5
9.90
13.0
5.11
. 10:
51:0
0.20
13.0
5.11
. 10:
51:0
0.50
13.0
5.11
. 10:
51:0
0.80
13.0
5.11
. 10:
51:0
1.10
13.0
5.11
. 10:
51:0
1.40
vrijeme
napo
n (k
V)
Phase 1 Voltage
Phase 2 Voltage
Phase 3 Voltage
Slika 8.5: Mjerenja efektivnih vrijednosti faznih napona 10 kV naponskog nivoa u TS 35/10 kV prilikom prolaznog dozemnog spoja uz pojavu električnog luka na mjestu kvara
220
222
224
226
228
230
232
234
236
238
240
24.0
5.11
. 13:
09:5
3.07
24.0
5.11
. 13:
09:5
3.37
24.0
5.11
. 13:
09:5
3.67
24.0
5.11
. 13:
09:5
3.97
24.0
5.11
. 13:
09:5
4.27
24.0
5.11
. 13:
09:5
4.57
24.0
5.11
. 13:
09:5
4.87
24.0
5.11
. 13:
09:5
5.17
24.0
5.11
. 13:
09:5
5.47
24.0
5.11
. 13:
09:5
5.77
24.0
5.11
. 13:
09:5
6.07
24.0
5.11
. 13:
09:5
6.37
24.0
5.11
. 13:
09:5
6.67
24.0
5.11
. 13:
09:5
6.97
24.0
5.11
. 13:
09:5
7.27
24.0
5.11
. 13:
09:5
7.57
24.0
5.11
. 13:
09:5
7.87
24.0
5.11
. 13:
09:5
8.17
24.0
5.11
. 13:
09:5
8.47
24.0
5.11
. 13:
09:5
8.77
24.0
5.11
. 13:
09:5
9.07
24.0
5.11
. 13:
09:5
9.37
24.0
5.11
. 13:
09:5
9.67
24.0
5.11
. 13:
09:5
9.97
24.0
5.11
. 13:
10:0
0.27
24.0
5.11
. 13:
10:0
0.57
24.0
5.11
. 13:
10:0
0.87
24.0
5.11
. 13:
10:0
1.17
24.0
5.11
. 13:
10:0
1.47
24.0
5.11
. 13:
10:0
1.77
24.0
5.11
. 13:
10:0
2.07
24.0
5.11
. 13:
10:0
2.37
24.0
5.11
. 13:
10:0
2.67
24.0
5.11
. 13:
10:0
2.97
vrijeme 8s)
napo
n (V
)
Phase 1 Voltage
Phase 2 Voltage
Slika 8.6: Mjerenja efektivnih vrijednosti faznih napona 0,4 kV naponskog nivoa u TS 10/0,4 kV prilikom prolaznog dozemnog spoja uz pojavu električnog luka na mjestu kvara
142
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
91,5 95
98,6
102
106
109
113
116
120
123
127
131
134
138
141
145
148
152
155
159
162
166
170
173
177
180
184
187
191
194
198
202
205
209
vrijeme (ms)
napo
n (V
)
phase 1 voltage
phase 2 voltage
phase 3 voltage
Slika 8.7: Mjerenje trenutnih vrijednosti faznih napona 0,4 kV naponskog nivoa u TS 10/0,4 kV prilikom prolaznog dozemnog spoja uz pojavu električnog luka na mjestu kvara (mjereno po uključenju voda i TS sa dozemnim spojem) Iz prethodnih rezultata mjerenja može se zaključiti da ne postoji značajan negativan utjecaj na kvalitetu napona 0,4 kV naponskog nivoa, prilikom prolaznih dozemnih spojeva u 10(20) kV mreži uz pojavu električnog luka. Na temelju višestrukih ponavljanja prolaznih dozemnih spojeva (na umjetno stvorenom iskrištu) u realnoj mreži 10(20) kV sa ukupnom dozemnom strujom od 5,7 A utvrñeno je da vrijeme gašenja električnog luka izrazito varira u rasponu od 0,4 s do više od 3 s. Obzirom da su mjerenja obavljana u različitim vremenskim uvjetima obzirom na brzinu i pravac vjetra i vlažnost zraka, potvrñuje se teza da se parametri koji opisuju pojavu samogašenja luka mogu značajno razlikovati od slučaja do slučaja. Rezultati ovih mjerenja navode na zaključak da se u izoliranim mrežama sa relativo malim strujama dozemnih spojeva može produljiti vrijeme prorade zaštite od dozemnih spojeva na dulje vrijeme, praktički do očekivanog vremena samogašenja luka na mjestu kvara. Pri tome, mjerenja pokazuju, da će kvaliteta opskrbnog napona biti na zadovoljavajućem nivou. Kako statistički podaci o kvarovima u realnim mrežama pokazuju da se brzim APU-om eliminira relativno veliki broj prolaznih dozemnih spojeva, moguće je zaključiti da bi se većina tih kvarova eliminirala i bez aktiviranja trenutne zaštite od dozemnih spojeva, što bi značajno pridonijelo parametrima kvalitete opskrbe električnom energijom. Naravno da je nužno potrebno prilikom donošenja ovakve odluke, provjeriti kakve posljedice na ostale parametre uzemljenja neutralne točke ima produljeno vrijeme pogona pod dozemnim spojem.
143
8.2 Mreže 10(20)kV sa neutralnom to čkom uzemljenom pomo ću otpornika male vrijednosti Za 10(20) kV mreže uzemljene pomoću malog otpornika kriterij postizanja čim boljih pokazatelja kvalitete električne energije, zasigurno nije kriterij po kojem će se odabrati upravo ovo tehničko rješenje. Naime kako je već u prethodnim poglavljima detaljno opisano, ovim načinom tretiranja neutralne točke 10(20) kV mreža, kvaliteta električne energije stavlja se u drugi plan u odnosu na mreže sa izoliranom ili rezonantno uzemljenom neutralnom točkom. Kako je osnovna funkcija relejne zaštite od jednopolnih kvarova isključenje svakog pa i prolaznog kvara, mreže uzemljene pomoću malog otpornika imaju lošije pokazatelje kvalitete opskrbe električnom energijom.
144
8.3 Mreže 10(20)kV sa neutralnom to čkom uzemljenom pomo ću kompenzacijske prigušnice U mrežama sa neutralnom točkom uzemljenom pomoću kompenzacijske prigušnice pokazatelji kvalitete napona su najpovoljniji, što je jedan od osnovnih razloga za upotrebu ovog tehnološkog rješenja. Dakle, kada za odabir načina uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže kao osnovni kriterij uzimamo parametre kvalitete električne energije onda svakako odabiremo uzemljenje pomoću kompenzacijske prigušnice sa automatskom regulacijom (rezonantno uzemljenje). Pri tome, kako je to već opisano u poglavljima 4.3.3 i 4.5.3. prolazni jednopolni kvarovi se automatski eliminiraju čime se značajno poboljšavaju parametri kvalitete opskrbe električnom energijom. Prilikom tih dogañaja nisu zabilježene negativne popratne pojave obzirom na promjene napona na 0,4 kV naponskom nivou. Što se tiče jednopolnih kvarova koji nemaju prolazan karakter, odluku o isključenju 10(20) kV voda koji je u kvaru ili samo dojavi o kvaru, donose osobe odgovorne za pogon elektroenergetskog sustava. Pri tome, se takoñer uvijek mora voditi briga o ostalim parametrima kojima opisujemo uspješnost uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže. Načelno, ovo vrijeme se može produljiti do maksimalno 2 h od trenutka nastanka kvara za koje vrijeme bi se trebalo mikrolocirati mjesto kvara, te otkloniti kvar. Time se, dodatno značajno poboljšavaju parametri kvalitete opskrbe. U nastavku su prikazani naponski dijagrami 10(20) kV mreže prilikom trajnih i prolaznih jednopolnih kvarova u mreži sa rezonantno uzemljenom neuutralnom točkom.
Slika 8.8: Dijagram napona i struje mjereno u TS 110/20 kV pri trajnom jednopolnom kvaru u rezonantno uzemljenoj 20 kV mreži Ovaj naponski dijagram zabilježen je pri proboju kabelske glave na 20 kV kabelu. Kvar ima trajni karakter te je nakon podešenog vremena na ureñajima relejne zaštite isključio vod. Ono što karakterizira ovu vrstu kvara je činjenica da trokut napona na 20 kV naponskom nivou ostaje nepromijenjen, što drugim riječima
145
znači da za kupce na niskom naponu preko transformatora standardne grupe Dyn5 ne postoji poremećaj napona. Ta činjenica posebno dolazi do izražaja kod prolaznih jednopolnih kvarova, što prikazuju strujno-naponski dijagrami na slikama 8.10, 8.11.). Nepovoljna okolnost pri korištenju kompenzacijskih prigušnica proizlazi iz mogućnost prelaska jednopolnog kvara koji se trenutno ne isključuje u dvopolni, pri čemu relejna zaštiti isključuje kvarni vod (slika 8.9).
Slika 8.9: Dijagram napona i struje mjereno u TS 110/20 kV pri jednopolnom kvaru koji prerasta u dvopolni u rezonantno uzemljenoj 20 kV mreži – proboj odvodnika prenapona
Slika 8.10: Dijagram napona i struje mjereno u TS 110/20 kV pri prolaznom jednopolnom kvaru u rezonantno uzemljenoj 20 kV (1.primjer)
146
Slika 8.11: Dijagram napona i struje mjereno u TS 110/20 kV pri prolaznom jednopolnom kvaru u rezonantno uzemljenoj 20 kV mreži (2. primjer)
Slika 8.12: Dijagram napona i struje mjereno u TS 110/20 kV pri prolaznom jednopolnom kvaru u rezonantno uzemljenoj 20 kV mreži (3. primjer) Svi primjeri prolaznih jednopolnih kvarova pokazuju stalnost linijskog napona mjerenog na 20 kV sabirnicama napojne TS 110/20 kV što ujedno znači i kvaliteta napona u propisanim granicama kod kupaca.
147
9. Zaklju čna razmatranja U ovom magistarskom radu dan je pregled kriterija za odabir načina uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže sa posebnim osvrtom na kvalitetu električne energije. Pri tome je dan pregled tipičnih načina uzemljenja neutralne točke sa osvrtom na svaki od unaprijed definiranih parametara:
• sigurnost pogona SN mreže (opasnost za sigurnost ljudi) • selektivnost relejne zaštite • utjecaj na dimenzioniranje uzemljenja u TS 10(20)/0,4 kV i pripadajućim nn
mrežama • kvalitetu električne energije (kvalitetu opskrbe i kvalitetu napona) • veličinu investicije. Iskustva stranih zemalja, ekonomski stabilnijih i pod stimulativnim utjecajem
nacionalnih regulatora, potvrñuju da su dostignuća u tehnologiji uzemljenja neutralne točke na takvom zavidnom nivou da postavljeni ciljevi, prije svega podizanje kvalitete isporuke električne energije ima pozitivan trend. Tako su u posljednje vrijeme u našem okruženju intenzivno započete i tijekom nekoliko godina realizirane aktivnosti na prelasku sa maloomskog uzemljenja na rezonantno. Intenzivnim razvojem sofisticiranih zaštitno-upravljačkih ureñaja i postupaka usavršena je tehnologija automatske regulacije prigušnica i značajno poboljšana selektivnost rada relejne zaštite, tako da je rezonantno uzemljenje postalo najkvalitetnije rješenje. Svaku mrežu 10(20) kV moramo zasebno promatrati i na temelju postavljenih ciljeva koje želimo postići odlučujemo o načinu uzemljenja neutralne točke. Sasvim je jasno da i u našim nacionalnim okvirima, iako to nije poticano od strane regulatora, mnogi prepoznaju nužnost podizanja kvalitete opskrbe električnom energijom, pa tako i adekvatnim ili optimalnim odabirom uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže. Kako se elektroenergetska mreža širi i razvija, naročito izgradnjom novih kabelskih dionica i ukupna struja dozemnih spojeva raste. To se još intenzivnije u skokovitoj dinamici odvija i pri prelasku rada SN mreže sa 10 kV na 20 kV. U takvim se uvjetima pojavljuju problemi sa dopuštenim iznosima dodirnih napona u niskonaponskim mrežama i pripadnim TS 10(20)/0,4 kV, naročito na prostorima gdje se specifični otpori tla mogu svrstati u srednje do teške uvjete uzemljenja. Ako se u razmatranje uvede i tehno-ekonomski kriteriji prilikom donošenja odluke o razvojnom putu ili posve odreñenoj investiciji u distribucijsku mrežu, onda dolazimo do složene i opsežne problematike koju je moguće a i potrebno promatrati sa različitih pozicija. Zbog toga su u ovom radu analizirani svi navedeni parametri koji utječu na izbor uzemljenja neutralne točke ili ako s druge strane promatramo, može se reći da je analizom, prije svega, strujno-naponskih prilika pa zatim i nekih drugih parametara (cijena) pojedinog načina uzemljenja dan odnos prema definiranim parametrima. Alternativne metode poboljšanja kvalitete isporuke električne energije, a u ovom radu je opisana ugradnja i princip rada shunt prekidača, potrebno je analizirati sa posebnom pažnjom. Prije svega stoga, što navedena tehnika nije univerzalno primjenjiva pa je i nemoguće dati jednoznačni odgovor o učinkovitosti te metode. Ako na posve konkretnu 10(20) kV mrežu primijenimo opisane kriterije
148
za ugradnju shunt prekidača uz uvažavanje ekonomskih aspekta pojedine investicije, zaključujemo da i ta tehnologija ima svoje mjesto za primjenu. Kao konačni zaključak može se reći da je tijek promjena u vezi načina uzemljenja neutralne točke 10(20) kV jasan, sa prvotno izoliranih mreža, postepenim prelaskom na uzemljenja pomoću otpornika male vrijednosti, pa zatim dodavanjem paralelno otporniku prigušnice uz pojedinačna alternativna rješenja sa shunt prekidačima, dolazimo do najučinkovitijih, posve automatiziranih sustava rezonantnog uzemljenja.
149
LITERATURA: [1] Nahman J. M.; “Uzemljenje neutralne tačke distributivnih mreža”, Naučna
knjiga, Beograd, 1980. [2] Filipović B., Žutobradić S.:“Tipizacija rješenja za provedbu uzemljenja
zvjezdišta mreža srednjeg napona“, Zagreb, 1993. [3] Požar H.; „Visokonaponska rasklopna postrojenja“, Tehnička knjiga Zagreb,
četvrto popravljeno izdanje, 1984. [4] Megla S.; “Zbirka propisa iz područja elektrotehnike”, Biblioteka NADING,
Zagreb, 1998.g. [5] Damianić M.; “Analiza parametara uzemljenja zvjezdišta 10(20) kV mreže”,
Magistarski rad, Fakultet elektrotehnike i računarstva (FER), Zagreb, siječanj 2001.
[6] Damianić M.; “Planiranje 10(20) kV mreža s gledišta uzemljenja zvjezdišta, na terenima sa srednjim i teškim uvjetima uzemljenja”, Peto savjetovanje HR CIGRE, Cavtat, studeni 2001.
[7] Komen V.,Sirotnjak V.,Ćućić R.; “Pristup uzemljenju zvjezdišta srednjenaponskih mreža”, 1. savjetovanje HR CIRED, Šibenik 2008.
[8] Škarpona M.,Ćućić R., Kruljac D., Meštrovć K.,Gjerga M,; “Uzemljenja neutralnih točki distributivnih mreža, stanje u HEP-ODS Elektra Zadar, 9.savjetovanje HRO-CIGRE,
[9] Puhringer M.; “Resonant grounding as approach for system neutral grounding”, “Trench” publication, 1998.
[10] “Pravilnik o tehničkim zahtjevima za elektroenergetska postrojenja nazivnih izmjeničnih napona iznad 1 kV”, nn 105/2010., Zagreb, 2010.
[11] Državni zavod za normizaciju i mjeriteljstvo, Hrvatska norma HR HND 637 S1; “Električna postrojenja nazivnih izmjeničnih napona iznad 1 kV(HD 637 S1:1999)“, Zagreb, 2002.
[12] Kosek Z., Valčić I.;“Zbirka propisa za električne instalacije niskog napona“, Zagreb 1989.
[13] Državni zavod za normizaciju i mjeriteljstvo, Hrvatska norma HR HND 60634-6; “Niskonaponske električne instalacije zgrada“, 2007.
[14] Upute za rad mreže 10kV TS 110/35/10 kV Bjelovar I s uzemljenom nul točkom preko otpornika, interna uputa Elektre Bjelovar, Bjelovar, 1997.g.
[15] „Primarna ispitivanja sustava uzemljenja TS 35/10 kV Veliki Grñevac“, FER, Zagreb 2010.g.
[16] Filipović B.,Žutobradić S.,Karavidović D., „Zaštita od uzdužnih visokoomskih kvarova u mrežama srednjeg napona – ispitivanja i mjerenja“, Institut za elektroprivredu, Zagreb, 1991.
[17] Kuliš I.G.; „Rezonantno uzemljenje neutralne točke srednjenaponskih mreža za distribuciju električne energije“, Magistarski rad, Fakultet elektrotehnike i računarstva (FER), Zagreb, 2003.
[18] Žutobradić S., Damianić M.; “Koncepcija uzemljenja zvjezdišta mreža 10(20) kV u budućnosti”, “Energija” br. 1, Zagreb, veljača 1999
150
[19] Lovrenčić V.;“Ugradnja shunt prekidača u RTP 110/20 kV Rogaška Slatina – Slovenija“, 4. savjetovanje HR CIGRE, Cavtat, 1999.
[20] Gleščić M., Kastelic T., Toroš Z.; „Analiza delovanj shunt otklopnika in ovire pri doseganju njegove optimalne učinkovitosti“, 8. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV, Čatež, 2007.
[21] Komen V.,Sirotnjak V.,Ćućić R.; “Iskustva u pogonu razdjelnih mreža sa shunt prekidačem ”, 1. savjetovanje HR CIRED, Šibenik, 2008.
[22] Vončina R., Marinček T., Vižitin M.; „Ugradnja kompenzacijskih prigušnica u 20 kV mrežu“, Elektroinštitut Milan Vidmar, Ljubljana
[23] Sterpin E.; „Prijedlog primjene kompenzacijske prigušnice s ručnom regulacijom u sprezi s otpornikom u mreži 10(20) kV Elektroistre“, Energija, god.54, (2005), 6
[24] Čućić R., Komen V., Živić-ðurović M.; „Koncept uzemljenja zvjezdišta razdjelnih mreža „, Rijeka, 2008.
[25] Živković B., „Relejna zaštita srednjenaponskih mreža pri kvarovima prema zemlji s obzirom na način uzemljenja zvjezdišta mreže“, Magistarski rad, Fakultet elektrotehnike i računarstva (FER), Zagreb, 1986.
[26] Žutobradić S., Filipović-Grčić B.,; „Zaštita od opasnog dodirnog napona u distributivnim mrežama i potrošačkim instalacijama za razne slučajeve tretiranja nul-točke napojne mreže“, Institut za elektroprivredu – Zagreb, Zagreb, 1980.
[27] “Application of sensitive earth fault relays to Petersen coil earthed and insulated power systems”, Alstom T&D Protection & Control, www.alstom.com, Stafford, 1998
[28] Ferracc P.,“Power Quality“, Cahier Technique no.199, Merlin Gerin, Schneider electric, www.schneider-electric.com, January 2001
[29] Lacroix B., Calvas R.; “Earthing systems in LV”, Cahier technique No. 172, Schneider electric, www.schneider-electric.com, January 2000.
[30] Lacroix B., Calvas R.; “Earthing systems worldwide and evolutions”, Cahier technique No. 173, Schneider electric, www.schneider-electric.com, September 1995.
[31] EN 50160:1999., „Voltage characteristic of electricity supllied by public distribution systems“, CENELEC, 1999. [32] IEC 61000-4-30 „Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 4- 30:Testing and measurement technigues-Power quality measurement methods-Basic EMC publication“ [33] Seminar; „Kvaliteta električne energije u distributivnim mrežama“, Elektrotehničko društvo Zagreb, svibanj 1999. [34] Seminar; „Suvremeni pristup kontroli kakvoće električne energije u funkciji sigurnosti električnih instalacija“, Elektrotehničko društvo Zagreb,studeni 2000. [35] Novinc Ž.; „Kakvoća električne energije“, Graphis Zagreb, prosinac 2003. [36] Štefok Z.; „Stacionarni i prijenosni ureñaji za nadzor kvalitete električne energije“, IEL d.o.o. Zagreb, CIRED, 1.savjetovanje 2008.
151
[37] Klaić Z., Nikolovski S.; „Kvaliteta električne energije – mjerenja prema normi EN 50160“, CIGRE, 6.savjetovanje 2003. [38] „The Dranetz Field Handbook for Elecreical Energy Menagement“, Dranetz Tehnologies,inc., Edison, NY, USA [39] Studija „Kvaliteta napona – uspostava sustava“, Končar Institut za elektrotehniku, listopad 2007. [40] Studija „Praćenje kvalitete napona – tehnički uvjeti i plan mjerenja“, Končar Institut za elektrotehniku, listopad 2007. [41] Studija „Mjerenja i analiza kvalitete električne energije te izrada prijedloga standarda kvalitete napona u mreži HEP – Ods-a“, Končar Institut za elektrotehniku, travanj 2008. [42] „Godišnji izvještaj dispečerskog centra Elektre Bjelovar“, interni dokument,
Bjelovar, 2004-2010. [43] „Proračun struja kratkog spoja u 10(20) kV mreži Elektre Bjelovar“, interni dokument, Bjelovar, 2010. [44] EDZ-Zagreb; „Zbirka propisa za polaganje stručnog ispita iz elektrotehničke struke- Elektroenergetsika 2.1.A“, Zagreb, 1996.g
152
Popis slika: Naziv
Slika 2.1: Primjer nultog napona/struje za a) trajni 50 Hz zemljospoj i b) ponavljajući zemljospoj
Slika 2.2: Vektorski dijagram prikazuje povrat napona neutralne točke nakon zemljospoja u formi spirale u malo nadkompenziranoj mreži. Oscilogram prikazuje fazne napone iz kojih se može vidjeti porast napona oporavka pogoñene faze nakon zemljospoja.
Slika 2.3: Primjeri loma i pucanja – proboja kompozitnih izolatora ugrañenih u elektrodistribucijsku mrežu
Slika 2.4: Oštećenja zateznih kompozitnih izolatora 24 kV
Slika 2.5: Pad stupa na zemlju – DV 10 kV
Slika 2.6: Spoj vodiča i krošnje drveta na ZDV 10 kV
Slika 2.7: “Stražnji” ili povratni zemljospoj (eng. rearward ili backward earthfault)
Slika 2.8: Proboj porculanskih provodnih izolatora TS 35/10 kV
Slika 2.9: Proboj aralditnog provodnog izolatora u TS 10/0,4 kV
Slika 3.1: Pojednostavljeni prikaz rada srednjenaponskih mreža pri zemljospoju
Slika 3.2: Dozemni spoj vodiča L3 u mreži s izoliranim zvjezdištem
Slika 3.3: Tijek struja kvara u mreži s izoliranom neutralnom točkom
Slika 3.4: Ovisnost napona zvjezdišta o prijelaznom otporu na mjestu kvara u mreži s izoliranom neutralnom točkom
Slika 3.5: a) Ekvivalentna shema sa zemljospojem na fazi L1, b) vektorski dijagram napona i struja
Slika 3.6: a) isključena faza L1, b) nastali vektorski dijagram
Slika 3.7: a) došlo je do gašenja struje u fazi L2, b) pripadajući vektorski dijagram
Slika 3.8. a) izvor napajanja odvojen je od vodova, b) pripadajući vektorski dijagram
Slika 3.9. a) Ekvivalentna shema mreže za trenutak t4, b) vektorski dijagram najnepovoljnijeg slučaja
Slika 3.10. zemljospoj vodiča L3 u mreži s maloomskim uzemljenjem zvjezdišta
Slika 3.11. Neutralna točka uzemljena preko otpora male vrijednosti
Slika 3.12. Ovisnost parametra µ za kabel Cu-95 mm2, o veličini
153
maloomskog otpora preko kojeg je uzemljena neutralna točka
Slika 3.13. Ovisnost parametra µ za zračni vod Al-če presjeka 70/12 mm2, o veličini maloomskog otpora preko kojeg je uzemljena neutralna točka
Slika 3.14. Ovisnost parametra µ za zračni vod Al-če presjeka 70/12 mm2, o veličini maloomske reaktancije preko kojeg je uzemljena neutralna točka
Slika 3.15. Faktori prenapona zdravih faza
Slika 3.16. Zemljospoj vodiča L1 u mreži s kompenzacijom struje zemljospoja
Slika 3.17. Dozemni spoj u mreži sa kompenzacijskom prigušnicom
Slika 3.18. Ovisnost napona zvjezdišta o podešenju prigušnice u kompenziranoj mreži
Slika 3.19. Vektorski dijagram napona i struja za slučaj potpune kompenzacije
Slika 3.20. Ovisnost napona zvjezdišta o podešenju prigušnice u kompenziranoj mreži
Slika 3.21. Reducirani vektorski dijagram
Slika 3.22. Ovisnost napona zvjezdišta o podešenju prigušnice u kompenziranoj mreži
Slika 3.23: Prigušnica s pomičnom jezgrom
Slika. 3.24: Maksimalne vrijednosti struje dozemnog spoja, u kompenziranim (1) i izoliranim (2) mrežama, pri kojima se smatra da postoje uvjeti za samogašenje struje zemljospoja.
Slika. 3.25: Kumulativna karakteristika zemljospojeva sa samogašenjem
Slika 4.1: Prikaz napona dodira i napona koraka u NN mreži prilikom jednopolnog kvara na 10(20) kV dijelu TS 10(20)/0,4 kV
Slika 4.2: Rasprostiranje struje zemljospoja pri kvaru na SN strani SN/NN transformatora kod združenog uzemljenja
Slika 4.3: Rasprostiranje struje zemljospoja i raspodjela potencijala kroz zemlju pri kvaru na SN strani SN/NN transformatora kod odvojenog uzemljenja
Slika 4.4: Shema TN-C-S sustava uzemljenja NN mreža
Slika 4.5: Shema TT sustava uzemljenja NN mreža
Slika 4.6: Ovisnost otpora ljudskog tijela o vlažnosti kože i naponu
Slika 4.7: Područja djelovanja el. struje na ljudsko tijelo
Slika 4.8: Spoj za signalizaciju zemljospoja
Slika 4.9: Usmjereni zemljospojni relej reaktivne snage nultog sustava
Slika 4.10: Zaštita pomoću neusmjerenog nadstrujnog releja
154
Slika 4.11: Shematski prikaz zaštite od jednopolnih kvarova u mreži uzemljenoj pomoću otpornika male vrijednosti
Slika 4.23: Dopušteni naponi dodira u ovisnosti o trajanju toka struje prema HRN HD 637 S1
Slika 4.24: Popis normi u ovisnosti o mjestu mjerenja
Slika 4.25: Promjene napona
Slika 4.26: Promjene napona (brze i spore) s graničnim vrijednostima
Slika 4.27: Prikaz sporih promjena napona (nn mreža)
Slika 4.28: Podnapon/prenapon prema EN 50160
Slika 4.29: Naponski propadi
Slika 4.30: Privremeni prenapon
Slika 4.31: Prijelazni prenaponi - tranzijenti
Slika 4.32: Prekid opskrbe (1)
Slika 4.33: Prekid opskrbe (2)
Slika 7.1: Shunt prekidač za ugradnju u postrojenje
Slika 7.2: Prilike pri jednopolnom kratkom spoju uz isklopljen shunt prekidač – neposredno prije prorade jednog pola prekidača
Slika 7.3: Prilike pri jednopolnom kratkom spoju nakon uključenja pola shunt prekidača
Slika 7.4: Vektorski dijagram napona i struje na mjestu kvara nakon prorade shunt prekidača
Slika 7.6: primjer prolaznog jednopolnog kratkog spoja eliminiranog proradom shunt prekidača
Slika 7.7: Primjer jednopolnog kratkog spoja eliminiranog brzim automatskim ponovnim uklopom
Slika 7.8: Primjer jednopolnog kratkog spoja eliminiranog sporim automatskim ponovnim uklopom
Slika 7.9: Snimka naponskih prilika na 20 kV-nim sabirnicama i zvjezdištu pri prolaznom jednopolnom kvaru
Slika 7.10: Dijagram vremenskog tijeka efektivnih vrijednosti napona i binarni signali prorada
Slika 8.1: Iskrište za simulaciju prolaznih dozemnih spojeva u realnoj 10 kV mreži
Slika 8.2: Efektivne vrijednosti faznih napona (10 kV) u TS 35/10 kV pri metalnom dozemnom spoju na pripadajućem 10 kV vodu
Slika 8.3: Efektivne vrijednosti faznih napona (0,4 kV) u TS 10/0,4 kV pri
155
metalnom dozemnom spoju na 10 kV vodu sa brzim APU-om
Slika 8.4: Trenutne vrijednosti faznih napona 0,4 kV odmah po uključenju 10 kV voda sa metalnim dozemnim spojem
Slika 8.5: Mjerenja efektivnih vrijednosti faznih napona 10 kV naponskog nivoa u TS 35/10 kV prilikom prolaznog dozemnog spoja uz pojavu električnog luka na mjestu kvara
Slika 8.6: Mjerenja efektivnih vrijednosti faznih napona 0,4 kV naponskog nivoa u TS 10/0,4 kV prilikom prolaznog dozemnog spoja uz pojavu električnog luka na mjestu kvara
Slika 8.7: Mjerenje trenutnih vrijednosti faznih napona 0,4 kV naponskog nivoa u TS 10/0,4 kV prilikom prolaznog dozemnog spoja uz pojavu električnog luka na mjestu kvara (mjereno po uključenju voda i TS sa dozemnim spojem)
Slika 8.8: Dijagram napona i struje mjereno u TS 110/20 kV pri trajnom jednopolnom kvaru u rezonantno uzemljenoj 20 kV mreži
Slika 8.9: Dijagram napona i struje mjereno u TS 110/20 kV pri jednopolnom kvaru koji prerasta u dvopolni u rezonantno uzemljenoj 20 kV mreži – proboj odvodnika prenapona
Slika 8.10: Dijagram napona i struje mjereno u TS 110/20 kV pri prolaznom jednopolnom kvaru u rezonantno uzemljenoj 20 kV (1.primjer)
Slika 8.11: Dijagram napona i struje mjereno u TS 110/20 kV pri prolaznom jednopolnom kvaru u rezonantno uzemljenoj 20 kV mreži (2. primjer)
Slika 8.12: Dijagram napona i struje mjereno u TS 110/20 kV pri prolaznom jednopolnom kvaru u rezonantno uzemljenoj 20 kV mreži (3. primjer)
156
Popis tablica: Naziv
Tablica 3.1: Načini uzemljenja neutralne točke u nekim zemljama
Tablica 3.2: Značajke i područja upotrebe različitih vrsta uzemljenja neutralne točke
Tablica 3.3: Iznos dozemnih kapaciteta vodiča nekoliko tipova vodova za 20 kV mreže i pripadajuće kapacitivne struje zemljospoja Ic za otpor na mjestu kvara Rk=0
Tablica 3.4: Granične vrijednosti struja mjerodavnih za napuštanje pogona mreže s izoliranom točkom
Tablica 3.5: Pregled nazivnih struja otpornika za uzemljenje neutralne točke
Tablica 3.6: Stanje uzemljenja zvjezdišta SN mreža u DP Elektroprimorje Rijeka (stanje 2008.g.)
Tablica 3.7: Zbirni pregled stanja uzemljenja u DP Elektroprimorje Rijeka
Tablica 3.8: Stanje uzemljenja zvjezdišta SN mreža u DP Elektra Zadar (stanje 2009.g.)
Tablica 3.9: Zbirni pregled stanja uzemljenja u DP Elektra Zadar
Tablica 3.10: Stanje uzemljenja zvjezdišta SN mreža u DP Elektra Bjelovar (stanje 2010.g.)
Tablica 3.11: Zbirni pregled stanja uzemljenja u DP Elektra Bjelovar
Tablica 4.1: Opis djelovanja električne struje na ljudsko tijelo
Tablica 4.2: Pregled procjene ostvarenja zadanog cilja obzirom na način uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže – sigurnost ljudi
Tablica 4.3: Značajke vatmetričke metode
Tablica 4.4: Značajke vatmetričke metode s povećanjem radne komponente nulte struje
Tablica 4.5: Značajke metode mjerenja petog harmonika
Tablica 4.6: Značajke metode mjerenja harmonika emitiranih iz audiofrekventnog sustava
Tablica 4.7: Značajke metode odreñivanja smjera iz prijelaznih signala
Tablica 4.8: Značajke metode pulsnog lociranja
Tablica 4.9: Značajke metode kratkotrajne nadkompenzacije
Tablica 4.10: Značajke metode podešenja kompenzacijske zavojnice izvan rezonancije
Tablica 4.11: Značajke metode kratkotrajnog maloomskog uzemljivanja
157
Tablica 4.12: Značajke numeričkih metoda
Tablica 4.13: Pregled procjene ostvarenja cilja u ovisnosti od načina uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže – selektivnost relejne zaštite
Tablica 4.14: Dopušteni naponi dodira u ovisnosti o trajanju toka struje prema HRN HD 637 S1
Tablica 4.15: Zahtjevi na sustav združenog uzemljenja za napajanje NN instalacija korisnika
Tablica 4.16: Granične vrijednosti otpora združenog uzemljenja prema važećim hrvatskim propisima i prema HRN HD 637 S1
Tablica 4.17: Usporedne veličine karakterističnih vrijednosti
Tablica: 4.18: Maksimalni otpor združenog uzemljenja za nadzemnu 10 kV mrežu s izoliranom neutralnom točkom i Io=20 A
Tablica 4.19: Maksimalni otpor združenog uzemljenja za nadzemnu 10 kV mrežu s izoliranom neutralnom točkom i Io=20 A (prema HRN HD 637 S1)
Tablica: 4.20: Maksimalni otpor združenog uzemljenja za nadzemnu 10 kV mrežu s uzemljenom neutralnom točkom pomoću malog otpora In=150 A
Tablica: 4.21: Maksimalni otpor združenog uzemljenja za nadzemnu 10 kV mrežu s uzemljenom neutralnom točkom pomoću malog otpora In=150 A (prema HRN HD 637 S1)
Tablica 4.22: Pregled procjene ostvarenja zadanog cilja obzirom na način uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže – dimenzioniranje uzemljivačkih sustava
Tablica 4.23: Granične vrijednosti parametara napona prema normi EN50160
Tablica 4.24: Mjerni i vrijednosni parametri prema EN 50160.
Tablica 4.25: Pregled procjene ostvarenja zadanog cilja obzirom na način uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže – parametar kvalitete električne energije
Tablica 5.1: Godišnji dispečerski izvještaja za TS 35/10 kV Bjelovar I - primjer
Tablica 5.2: Sumarni podaci o broju prorada zaštitnih releja u ovisnosti o vrsti zaštite (I>, I>>, Io>) – područje pogona u sjedištu za 2004.g.
Tablica 5.3: Sumarni podaci o broju prorada zaštitinih releja u ovisnosti o vrsti zaštite (I>, I>>, Io>) – područje pogona u sjedištu za 2010.g.
Tablica 5.4: Broj i postotak uspješnih i neuspješnih uključenja po proradi zaštite u svim TS x/10(20) kV na području sjedišta Elektre Bjelovar u 2010.g
Tablica 6.1: Kapacitivne struje 10 kV odvoda za TS Bjelovar 1
Tablica 6.2: Kapacitivne struje 10 kV odvoda za TS Veliki Grñevac
158
Tablica 1.3: Kapacitivne struje 10 kV odvoda za TS Ivanska
Tablica 6.4: Kapacitivne struje 10 kV odvoda za TS Bjelovar 3
Tablica 6.5: Kapacitivne struje 10 kV odvoda za TS Bulinac
Tablica 6.8: Kapacitivne struje 10 kV odvoda za TS Predavac
Tablica 6.9: Kapacitivne struje 10 kV odvoda za TS Žabno
Tablica 6.10. Kapacitivne struje odvoda za TS Mlinovac
Tablica 6.11: Kapacitivne struje odvoda za TS Mišulinovac
159
SAŽETAK: U magistarskom radu analizirana je problematika uzemljenja neutralne točke 10(20) kV mreže obzirom na slijedeće parametre:
• sigurnost pogona SN mreže (opasnost za sigurnost ljudi) • selektivnost relejne zaštite • utjecaj na dimenzioniranje uzemljenja u TS 10(20)/0,4 kV i pripadajućim nn
mrežama • kvalitetu električne energije (kvalitetu opskrbe i kvalitetu napona) • veličinu investicije. U uvodnim poglavljima dan je uvodni opis i teoretska razrada svih načina
uzemljenja neutralne točke SN mreže. U glavnom dijelu radnje dan je osvrt na uspješnost pojedinog načina uzemljenja neutralne točke obzirom na gore navedene parametre. Navedene su dobre i loše karakteristike svakog od pojedinog načina uzemljenja za promatrani parametar.
Statistika kvarova koji su prisutni u jednoj realnoj elektrodistribucijskoj kompaniji takoñer nas usmjerava prema nekom od predloženih načina uzemljenja a posebno nas potiče na aktivnosti za eliminiranje prolaznih jednopolnih kvarova čime se značajno poboljšava kvaliteta isporuke električne energije, što je jedan od najvažnijih ciljeva u uvjetima otvorenog tržišta električnom energijom.
Poznavanje vrijednosti struja dozemnih spojeva u realnim uvjetima SN mreža, nužan su preduvjet za bilo kakvu analizu načina uzemljenja neutralne točke pa su u radu dani izračuni za konkretno distribucijsko područje. Posebno se analiziraju mogućnosti poboljšanja parametara kvalitete električne energije uz pomoć alternativnog rješenja eliminacije prolaznih jednopolnih kratkih spojeva upotrebom shunt prekidača. U radu je prikazana upotreba i princip rada shunt prekidača. Ključne riječi: Uzemljenje zvjezdišta, kvaliteta isporuke električne energije, napon dodira, uzemljenje pomoću otpornika male vrijednosti, kompenzacijska prigušnica, sigurnost, zemljospojna zaštita, zaštitna uzemljenja, shunt prekidač
160
SUMMARY:
This magisterial study explains the problem of neutral grounding MV
(middle voltage) networks in point of view:
• safety
• selectivity relay protection
• power quality and reliability of supply to the customer
• economic approach
In preliminary chapter is represents the main problem with theoretical
analysis all possible ways of neutral point earthing. Next chapter manifest
situations in Croatia, with retrograde on existent lowful regulation which exposes
mentioned problems.
Main chapters deals with efficiency of single way of neutral point earthing in
consideration of parametar mentioned above. There are an advantages and
defects of particular ways of neutral point earthing.
Statistics of failure and knowing the earth current in every particularly
middle voltage networks of real electric utility, also gives as necessary information
to make decisions for the method of earthing. Therefore, each decision for the
method of earthing is made individually for each substation, concerning the
specificity of the network connected to the substation. Neutral point treatment
influences the reliability of the supply to the customers and the power quality,
which gains in importance under circumstances of the free electricity market.
Furthermore, the study represents using of shunt circuit breaker as a theoretical
solution to decreasing number of transient faults, and the next chapter shows as
retrospect on conditions in some European countries.
Key words:
Neutral grounding, power quality, touch voltages, resistance earthing, arc
suppression coil, safety, earth fault protection, grounding systems, shunt circuit-
breaker.
161
ŽIVOTOPIS: Mladen Modrovčić roñen je 31.01.1967.g. u Bjelovaru. Osnovnu školu završio je u Kapeli, mjestu nedaleko Bjelovara, a srednju školu matematičko-informatičkog usmjerenja u Bjelovaru. Godine 1986. upisao je Elektrotehnički fakultet u Zagrebu gdje je i diplomirao 1993.g. na smjeru Elektroenergetika – upravljanje u elektroenergetskom sustavu. Od ožujka 1993.g. zaposlen je u HEP-u, distribucijskom području Elektra Bjelovar gdje i danas radi. Kroz profesionalni razvoj sudjelovao je na različitim edukacijskim seminarima, studijskom putovanju „SAD 2002“ i mnogim savjetovanjima, te je autor nekoliko objavljenih članaka na savjetovanjima HK CIGRE i HK CIRED. Tijekom svog dosadašnjeg rada u elektrodistribucijskoj djelatnosti bio je voditelj čitavog niza tehnološki novih projekata u Elektri Bjelovar kao što su uvoñenje centra daljinski upravljanih TS x/10(20) kV, uvoñenje nove digitalne mikroprocesorske zaštite u TS x/10(20) kV, automatizacija SN postrojenja po dubini, uvoñenje centra voñenja SN mreže do nivoa 0,4 kV, uvoñenje novih tehnologija pri zapisu i analizi dogañaja u niskonaponskim mrežama, izgradnja novih TS 35/10(20) kV baziranih na suvremenim tehno-ekonomski opravdanim načelima uz smanjene troškove (tipska TS 35/10(20) kV za ruralna područja) i dr.