Embed Size (px)
Citation preview
SVEUČ IL IŠTE U SPLITU
FAKULTET ELEKTROTEHNIKE, STROJARSTVA I BRODOGRADNJE
DIPLOMSKI RAD
ZNAČAJKE I PRIMJENA LINIJSKIH ODVODNIKA PRENAPONA
Damir Kurtović
Split, prosinac 2008.
S V E UČ I L I Š T E U S P L I T U FAKULTET ELEKTROTEHNIKE, STROJARSTVA
I BRODOGRADNJE Studij: Sveučilišni dodiplomski studij Elektrotehnike Smjer/Usmjerenje: Elektroenergetika / Elektroenergetski sustavi Predmet: Zaštita od groma i uzemljenje
DIPLOMSKI ZADATAK Kandidat: DAMIR KURTOVIĆ Zadatak: ZNAČAJKE I PRIMJENA LINIJSKIH ODVODNIKA PRENAPONA Diplomant treba na osnovi dostupne literature proučiti i opisati značajke linijskih
odvodnika prenapona pomoću kojih se elektroenergetski vodovi štite od štetnog učinka munje. Pritom treba sagledati najnovija tehnološka dostignuća na tom području. Izabrani primjer numeričkog proračuna udara munje u elektroenergetski vod zaštićen linijskim odvodnikom treba riješiti korištenjem programskog paketa ATP-EMTP.
Zadatak uručen kandidatu: 10. 10. 2008. Rok za predaju rada: 10. 1. 2009. Predsjednik Povjerenstva za diplomski rad: Mentor: Dr. sc. Slavko Vujević, red. prof. Dr. sc. Slavko Vujević, red. prof. Voditelj Diplomski rad predan Povjerenstvu Povjerenstva za diplomski rad: Dr. sc. Elis Sutlović, izv. prof.
SADRŽAJ
1. UVOD ................................................................................................................................. 1
2. PRENAPONI .................................................................................................................... 2
2.1. Podjela prenapona i njihove značajke ..................................................................... 2
2.1.1. Privremeni prenaponi ........................................................................................ 3
2.1.2. Sklopni prenaponi ............................................................................................. 3
2.1.3. Atmosferski prenaponi ...................................................................................... 3
2.2. Povratni preskok ........................................................................................................ 4
3. KLASIČNA ZAŠTITA VODOVA OD ATMOSFERSKIH PRENAPONA ........... 6
3.1. Smanjenje otpora uzemljenja ................................................................................... 7
3.3. Zaštitno uže ................................................................................................................. 7
3.3. Povećanje izolacijskog nivoa voda ........................................................................... 7
3.4. Zaštitno iskrište .......................................................................................................... 8
4. LINIJSKI ODVODNICI PRENAPONA ....................................................................... 9
4.1. Princip djelovanja odvodnika prenapona .......................................................... 9
4.2. Vrste odvodnika prenapona prema konstrukciji ............................................... 9
4.3. Metal-oksidni odvodnici prenapona ................................................................... 10
4.3.1. Konstrukcija odvodnika prenapona .............................................................. 10
4.3.2. Djelovanje odvodnika prenpona .................................................................. 13
4.4. Karakteristične veličine ZnO odvodnika ............................................................ 13
4.4.1. Preostali napon odvodnika prenpona ........................................................... 15
4.4.2. Klasa vođenja odvodnika prenpona ............................................................. 15
4.4.3. Energetska podnosivost odvodnika prenpona .............................................. 16
4.5. Primjena metal-oksidnih odvodnika prenapona na vodovima ........................ 17
4.6. Opći radni principi linijskog odvodnika prenapona .......................................... 19
4.7. Linijski odvodnik prenapona sa vanjskim iskrištem ........................................ 20
4.8. Linijski odvodnik prenapona bez vanjskog iskrišta .......................................... 22
4.7. Uspredba učinkovitosti dviju vrsta linijskih odvodnika prenapona ................. 27
5. PRORAČUN UDARA MUNJE U VOD POMOĆU PROGRAMA ATP-EMTP .. 28
5.1. ATP-EMTP programski paket ............................................................................ 28
5.2. Problematika udara munje u vod ............................................................................ 29
5.3. Proces simulacije ........................................................................................................ 30
6. ISKUSTVA U PRIMJENI LINIJSKIH ODVODNIKA PRENAPONA U
SVIJETU I REPUBLICI HRVATSKOJ .................................................................... 34
6.1. Primjena linijskih odvodnika prenapona u Brazilu .......................................... 34
6.2. Primjena linijskih odvodnika prenapona u Japanu .......................................... 35
6.4. Primjena linijskih odvodnika prenapona u Republici Hrvatskoj ..................... 38
6.3. Zaključci na temelju iskustava u primjeni linijskih odvodnika prenapona .... 40
7. ZAKLJUČAK .................................................................................................................... 43
LITERATURA ................................................................................................................... 44
SAŽETAK ......................................................................................................................... 45
1
1. UVOD
Oprema električnih mreža izložena je brojnim naprezanjima. Jedna od glavnih opasnosti
su prenaponi. Visoki troškovi onemogućuju da električni strojevi i oprema budu projektirani
za podnošenje po volji visokih napona. Priroda spomenutih opasnosti općenito znači da se one
ne mogu eliminirati već samo umanjiti. Iz tih razloga obično se pristupa ugradnji zaštitnih
uređaja u električne mreže.
Najveći rizik za opremu uslijed prenapona dolazi od tranzijentnih prenapona koji su
uzrokovani atmosferskim pražnjenjima i sklopnim operacijama. Upotreba odvodnika
prenapona smatra se najdjelotvornijom zaštitom protiv tranzijentnih prenapona. Odvodnik se
instalira u neposrednu blizinu opreme koju treba štititi i djeluje kao pokrajnji put za
prenaponski impuls.
Metal-oksidni odvodnici prenapona postali su vrlo kvalitetni, uz sve nižu težinu a i
cijenu, što je omogućilo njihovu primjenu i na vodovima. Posljednjih godina oni se ugrađuju i
na vodovima u Hrvatskoj, te su se kako u svijetu tako i kod nas, pokazali kao veoma dobro
rješenje za zaštitu od atmosferskih prenapona.
Glavna zadaća odvodnika prenapona na vodovima, odnosno linijskih odvodnika
prenapona, je da ograniče napon na nivo ispod iznosa preskočnog napona za određeni izolator
na dalekovodu. Na taj način se štite izolatorim, a mogu se u potpunosti eliminirati prekidi
uzrokovani atmosferskim pražnjenjima.
Upotreba linijskih odvodnika prenapona nije potpuno novi koncept. Još 1920-ih godina
postojala je ideja o primjeni odvodnika prenapona na vodovima. No, nije zaživjela zbog
veličine i težine tadašnjih odvodnika prenapona koji su se sastojali od SiC elemenata.
Sredinom 1970-ih godina razvijeni su metal-oksidni odvodnici prenapona sa ZnO elementima
i proučavanje primjene odvodnika prenapona na vodovima je započelo.
2
2. PRENAPONI
2.1. Podjela prenapona i njihove značajke
U svakoj mreži se osim pogonskog napona mogu pojaviti i prenaponi koji mogu dostići
znatne iznose. Pod prenaponom se podrazumijeva svako povišenje napona između dvije točke
koje stvara električno polje među njima. To povišenje napona može uzrokovati oštećenje
izolacije među tim dvjema točkama, odnosno između njih uslijed jakog polja može doći do
preskoka ili proboja izolacije. Na Slici 2.1 su prikazani prenaponi prema iznosu i dužini
trajanja.
Dakle, prenapone možemo podijeliti na:
• najviši pogonski napon,
• privremena povišenja napona,
• prijelazni prenaponi polaganog porasta čela (sklopni prenaponi),
• prijelazni prenaponi brzog porasta čela (atmosferski prenaponi),
• vrlo brzi prijelazni prenaponi.
Slika 2.1. Klasifikacija prenapona prema trajanju i faktoru prenapona
Na ordinati je dan faktor prenapona Κp , koji se iskazuje u odnosu na faznu vrijednost
maksimalnog pogonskog napona, tj.:
3
U
UUK
Up
max
3
2
max 225,1 ⋅==⋅
(2.1)
gdje je: Umax amplituda prenapona, dok je U efektivna vrijednost pogonskog napona.
2.1.1. Privremeni prenaponi
Privremeni (dugotrajni) prenaponi su oscilatorni prenaponi relativno dugog trajanja na
nekom mjestu, koji su neprigušeni ili samo slabo prigušeni, za razliku od sklopnih,
atmosferskih i vrlo brzih prenapona, koji su obično jako prigušeni i kratko traju.
Prema nekim klasifikacijama u kategoriju privremenih prenapona ulaze oni prenaponi
kod kojih povišenja napona traju dulje od pet perioda pogonskog napona. Trajanje prenapona
je važno jer proboj izolacijskih plinova (uključujući i zrak), isto kao tekućina i krutih
dielektrika zavisi o duljini trajanja naponskog opterećenja.
2.1.2. Sklopni prenaponi
Svaki elektroenergetski sustav predstavlja ujedno i titrajni krug u kojem postoje
induktiviteti, kapaciteti i otpornici. Sklopne operacije u takvom sustavu mogu izazvati
prenapone. Sklopni prenaponi uzrokovani su uklapanjem ili isklapanjem uređaja, gubitkom
tereta nastankom ili uklanjanjem kvara.
Vjerojatnost njihovog nastanka zavisi o broju kvarova i sklopnih operacija u sustavu.
Visina sklopnih prenapona zavisi o postojećoj konfiguraciji električne mreže kao i snazi
kratkog spoja, te o karakteristikama opreme. Općenito se može reći da su u razvijenijem EES
sklopni prenaponi manji.
2.1.3. Atmosferski prenaponi
Atmosferski prenaponi koji se javljaju na nadzemnim vodovima mogu nastati na različite
načine. Munja može udariti u zemlju pokraj voda, pri čemu se prenaponi induciraju na
vodičima. Najčešće munja udari u zaštitno uže nadzemnog voda ili u vrh stupa, nakon čega
4
može doći do povratnog preskoka na fazni vodič. Najopasniji su direktni udari u fazni vodič,
koji nastupaju veoma rijetko, ali su ipak mogući. Sve navedene vrste prenapona mogu
prouzročiti preskok na izolaciji voda.
2.2. Povratni preskok
Udarom munje u zaštitno uže ili stup, nastaje valni proces u sustavu: kanal munje –
zaštitno uže – stup – uzemljivač stupa. Dio struje munje dakle teče u zemlju, ali problem
nastaje ako stup nije dobro uzemljen. Potencijal glave stupa će znatno porasti tim više što je
veća odvodna struja i što je veći udarni otpor uzemljenja stupa.
Ako je ovo povećanje potencijala na vrhu stupa iznad izolacijske čvrstoće izolatora
dolazi do povratnog preskoka. Sličan, ali ne isti proces, događa se kod udara munje izravno u
vodič ili kod induciranih prenapona.
Preskok preko izolatora, stvara ionizirajući kanal kojim može teći struja kvara tjerana
faznim naponom mreže. U slučaju kada je vod sagrađen na drvenim stupovima koji imaju
visoku dielektričnu čvrstoću, amplitude prenaponskih valova će biti relativno visoke, jer neće
postojati mogućnost odvoda struje u zemlju već dolazi do razdiobe struje groma na više
vodiča, odnosno do povratnog preskoka na više faza, i nastaje višefazni kratki spoj sa
strujama veličine kA.
Električni luk koji gori uz površinu izolatora, termički napreže izolaciju s mogućnošću
njenog oštećenja. Ovim počinju distribucijski problemi poput trajnog ispada voda, traženja
kvara, otklanjanja kvara i ponovnog puštanja voda pod napon.
Područje zahvaćeno preskocima na jednom vodu proteže se sve dok:
• amplituda struje odvoda na rubnim dijelovima područja nije pala toliko da povećanje
potencijala stupa ostane ispod naponske čvrstoće svih nadolazećih izolatora, ili
• amplituda prenaponskih valova, iz razloga razdiobe struje groma na više vodiča,
ostane ispod naponske čvrstoće svih nadolazećih izolatora.
Na kraju voda, se sva struja munje, koja nije odvedena, putem odvodnika prenapona
odvodi u zemlju.
5
Preskoci izolatora dovode do jednopolonog dozemnog spoja ili do višepolnih kratkih
spojeva na vodu. Prateće struje nazivne frekvencije mreže, koje u tom slučaju teku, moraju se
u pravilu ugasiti djelovanjem APU-a.
Smatra se da do povratnog preskoka ne može doći ako je ispunjen sljedeći uvjet:
m
iuz
I
UR ≤
(2.2)
gdje je:
Ruz - otpor uzemljenja stupa bez spoja sa zaštitnim vodičem [Ω],
Ui - podnosivi udarni napon izolacije voda [kV],
Im - amplituda struje munje [kA].
Gornji izraz predstavlja veoma pojednostavljen pristup pojavi povratnog preskoka na
izolatorima dalekovoda. U stvarnosti na pojavu povratnog preskoka utječu i:
• valna impedancija zaštitnog vodiča,
• valna impedancija stupa,
• dužina raspona,
• visina stupova,
• međuinduktivna veza između zaštitnog i faznih vodiča.
6
3. KLASIČNA ZAŠTITA VODOVA OD ATMOSFERSKIH PRENAPONA
Nadzemni elektroenergetski vodovi su zbog načina svoje gradnje vrsta objekata koja je
jako izložena riziku od udara munje. Radi oblika i brzine širenja vala, te njegove amplitude,
atmosferski prenaponi dovode do maksimalnih naprezanja izolacije te zbog toga predstavljaju
osnovu koordinacije izolacije, a ujedno presudno utječu na funkcionalnost i pouzdanost
električnih mreža.
Munje koje bi pogodile u nadzemne vodove stvorili bi na njima napone koji bi bili veći
od onih koje mogu izdržati izolatori na dalekovodu te bi došlo do preskoka i kratkog spoja.
Tako stvoreni strujni lukovi ne bi se dugo ugasili jer je za njihovo održavanje dovoljan i
napon samih faznih vodiča. Stoga se pristupa ugradnji zaštitnih uređaja na vodove.
Slika 3.1. Načini zaštite vodova
7
3.1. Smanjenje otpora uzemljenja
Kad munja i pogodi u zaštitno uže moglo bi se dogoditi da on na putu kroz njega, stup i
uzemljivač stvori veliki pad napona. Fazni vodiči koji su na svom nazivnom naponu tada bi
imali puno manji napon nego dio stupa na kojem su obješeni te izolacija između stupa i
vodiča možda to ne bi izdržala te bi došlo do povratnog preskoka između vodiča i stupa.
Takvi preskoci mogu trajno oštetiti izolaciju te izbaciti vod iz pogona na duže vrijeme.
Na sprječavanje takve pojave može se djelovati tako da se otpor uzemljenja stupa učini
što manjim. Grubo uzevši, otpor uzemljenja niti na jednom mjestu ne bi smio premašiti 15 Ω.
Kako je specifični otpor tla u mnogim područjima Hrvatske visok, te prelazi vrijednosti
od 1000 Ω, nerijetko je gotovo nemoguće postići zadovoljavajući otpor uzemljenja. Zbog toga
se u posljednje vrijeme počinju koristiti kemijske sonde za poboljšanje otpora uzemljenja
dalekovodnih stupova. Kemijske sonde kao uzemljivač nisu uobičajene u Europi dok u SAD-
u postoje mnoge reference za njihovu upotrebu.
3.2. Zaštitno uže
Jedan od osnovnih načina zaštite nadzemnog voda je postavljanje zaštitnog užeta koje je
povezano sa stupovima dalekovoda i na svakom stupu dobro uzemljeno. Zaštitno uže se
postavlja iznad vodiča tako da su vodiči unutar njegovog zaštićenog područja.
U praksi se zaštitnom užadi štite svi dalekovodi nazivnog napona iznad 30 kV. Najčešće
se ne primjenjuje jedno nego dva zaštitna užeta. Da bi zaštitni vodiči ispunili svoju zadaću,
prijelazni otpor uzemljenja stupova treba biti što manji. Ugradnjom dodatnih zaštitnih užadi
smanjuje se mogućnost direktnih udara munje u vodič, razgranava struja munje, povećavaju
međusobni utjecaji, a time i smanjuje mogućnost povratnog preskoka.
3.3. Povećanje izolacijskog nivoa voda
Izolator naponski odvaja vodič električne struje od nosive konstrukcije stupa. Osim ovog
osnovnog zahtjeva, izolator preuzima sile koje se javljaju na vodiču i prenosi ih na
konstrukciju stupa. Izolatori se grade od porculana ili stakla.
8
Povećanje izolacijskog nivoa provodi se najčešće kod rekonstrukcija kada se kompletno
zamjenjuju izolatori. Posebnu problematiku imamo kod dvostrukih vodova. Ponekad se na
jednom vodu smanjuje, a na drugom povećava izolacija, kako bi se ciljano usmjerili kvarovi i
namjerno izbjegli dvostruki ispadi.
3.4. Zaštitno iskrište
Postavlja se paralelno izolatorskom lancu na kojemu vise fazni vodiči odnosno koji
izolira fazni vodič od stupa dalekovoda. Napon pri kojemu se na iskrištu pojavljuje preskok je
manji od napona kojeg može podnijeti izolacija voda. Osnovna mu je zadaća da odmakne luk
nastao uslijed povratnog preskoka od izolatorskog lanca i tako spriječi oštećenje samih
izolatora. Iskrišta se redovito ugrađuju na dalekovodima 110 kV i više, a ponegdje i u
mrežama nižeg napona, na posebno ugroženim mjestima. Osim te svoje funkcije, iskrišta
stvaraju povoljniju raspodjelu električnog polja oko izolatorskog lanca i tako sprječavaju
razne vrste izbijanja.
Mana iskrišta je u tome što ne mogu sama ugasiti električni luk, i njegova prorada može
dovesti do prorade zaštitnih uređaja i trajnog isključenja voda.
9
4. LINIJSKI ODVODNICI PRENAPONA
4.1. Princip djelovanja odvodnika prenapona
Za zaštitu elektroenergetskih postrojenja, objekata i njihovih elemenata, upotrebljavaju se
odvodnici prenapona. U najnovije vrijeme razvijene su posebne izvedbe odvodnika
prenapona, koji se postavljaju na nadzemne vodove. Odvodnici prenapona ponašaju se kao
nelinearni otpori, čiji se iznos mijenja u zavisnosti od veličine narinutog napona. Na Slici 4.1
prikazana je nelinearna strujno-naponska (I-U) karakteristika idealnog i realnog odvodnika
prenapona.
Slika 4.1. Strujno-naponska karakteristika a) idealnog i b) realnog odvodnika prenapona
Idealni odvodnik prenapona, i uz vrlo velike struje, održava konstantnu vrijednost
napona. U praksi to nije moguće ostvariti, ali se svojstva realnih odvodnika nastoje što više
približiti idealnim. Odvodnik prenapona, osim vršne vrijednosti nailazećeg naponskog vala,
smanjuje i njegovu strminu.
4.2. Vrste odvodnika prenapona prema konstrukciji
Prema konstrukciji odvodnici prenapona mogu se podijeliti na:
• cijevne,
• silicij-karbidne (SiC) ili klasične i
• metal-oksidne ili cink-oksidne (ZnO).
10
Cijevni odvodnici imaju iskrišta kod kojih je omogućeno gašenje luka. Elektrode iskrišta,
koje su najčešće u obliku rogova, bile su postavljene u specijalu cijev pa su po tome dobili
ime. To su bili prvi odvodnici prenapona a danas se više ne upotrebljavaju.
Silicij-karbidni odvodnici prenapona se sastoje od serijski povezanih otpornika izrađenih
od silicij-karbida, i iskrišta. Osnovni problem SiC odvodnika je prekidanje popratne struje
industrijske frekvencije napon nestanka prenapona, no pogodni su za zaštitu od atmosferskih
prenapona.
Metal-oksidni odvodnici prenapona su nelinearni otpornici odnosno varistori, pa im
iskrište nije potrebno. Prikladni su za zaštitu od atmosferskih i sklopnih prenapona.
4.3. Metal-oksidni odvodnici prenapona
Skoro sve nove visokonaponske (prijenosne) mreže izgrađene u posljednjih 15 godina
koriste metal-oksidne odvodnike prenapona. Nasuprot tome u srednjenaponskim
(distribucijskim) mrežama još se ugrađivao znatan broj konvencionalnih odvodnika s
iskrištem (SiC otpornik i serijsko iskrište) sve do pred nekoliko godina.
Danas metal-oksidni odvodnici bez iskrišta dobivaju prevlast također u tim mrežama.
Promjena se opravdava, kao i za visokonaponske mreže, poboljšanom zaštitnom razinom
posebno kod vrlo strmih prenapona, te boljim svojstvima u onečišćenim uvjetima. Promjena u
korist primjene polimernih kućišta čini to mogućim bez nekad potrebnih iskrišta. Polimerno
kućište pruža također druge važne koristi kao što su veća pouzdanost (brtvljenje protiv
prodora vlage) i značajno smanjen rizik u slučaju kvara odvodnika (rasprskavanje kućišta).
4.3.1. Konstrukcija odvodnika prenapona
Ovisno o svojoj konstrukciji, odvodnici prenapona sadrže jedan ili više visokolinearnih
otporničkih blokova (varistora) spojenih u seriju i međusobno učvršćenih ovojnicom od
staklenih niti.
11
Slika 4.2. Konstrukcija metal-oksidnog odvodnika prenapona
Vanjsko kućište izvodi se od polimernog izolacijskog materijala, istog onog koji se
uspješno koristi već više od 30 godina na području kabelskog pribora i koji je otporan na
puzne staze i eroziju te je stabilan na UV zračenja i atmosferilije.
Samo kućište izvodi se postupkom direktnog brizganja u kalupu na prethodno
postavljenu jezgru od otporničkih blokova. Ovdje je bitno da polimerni materijal kućišta
prijanja i lijepi za stjenke unutrašnje jezgre, bez zračnih šupljina kako između kućišta tako i u
samom kućištu.
Veza prianjanja kućišta i metal-oksidnih blokova dovoljno je jaka kako bi se spriječilo
njeno pucanje i odvajanje kućišta od blokova za vrijeme temperaturnih ciklusa ispitivanja te
kasnije u pogonu. Sastavni dio kućišta čine i izolacijski šeširići namijenjeni za produljenje
puzne staze kod vanjske ugradnje.
Pregled tehničkih zahtjeva za konstrukciju odvodnika prenapona u skladu sa najnovijim
dopunama IEC 60099-4 dat je u Tablici 4.1.
12
Tablica 4.1. Tehnički zahtjevi koji određuju konstrukciju odvodnika
1. Standard mjerodavan za konstrukciju IEC 60099-4 te važeći amandmani 2. Nazivna odvodna struja (In) 10 kA 3. Klasa linijskog pražnjenja 1 kA 4. Otpornost na struju KS-a 20 kA, min. 0,2 s
5. Izvedba spoja kućišta i metal-oksidnih blokova
„void free design“ (bez zračnih šupljina)
6. Min. promjer nelinearnog otporničkog bloka
40 mm
7. Otpornost na savijanje (minimum) 200 Nm 8. Moment savijanja (maksimum) 50 Nm 9. Čvrstoća na vlak (minimum) 1000 Nm
10. Dužina klizne staze min. 25 mm/kV Um klasa III prema IEC 815 11. Visina unutarnjih parcijalnih pražnjenja maks. 10 pC
12. Sposobnost apsorpcije energije min. 4,5 kJ/kV Uc za nazivnu struju pražnjenja (In)
13. Učvršćenje odvodnika za podlogu vijak M12, nehrđajući čelik
14. Priključak odvodnika na energetski vodič
stezaljka ili vijak M12, nehrđajući čelik
Varistorski blokovi uglavnom se sastoje od zrnaca ZnO uz dodatak još nekih aditiva,
poput bizmut-oksida, magnezij-oksida i drugih, ukupno 9 aditiva. Mikroskopska struktura
varistora prikazana na Slici 4.3 b) pogodna je za razmatranja, a dovodi do istih statističkih
rezultata kao ona na Slici 4.3 a).
Slika 4.3. Mikroskopska struktura varistora
Čestice ZnO su vodljive i međusobno serijski i paralelno vezane. Prosječna veličina ZnO
čestica je 10-20 µm. Od velike je važnosti homogenost unutar varistora. Granice ZnO čestica
odlučujuće su za nelinearnu vodljivost. One predstavljaju simetrične Šotkijeve barijere na
granicama čestica. Osnovne karakteristike metal-oksidnih varistora su:
13
• mikroskopski je električno polje veliko u međuprostoru između ZnO čestica i u blizini
njihovih granica, a malo je unutar ZnO čestica. Makroskopski je električno polje
jednoliko raspodijeljeno unutar keramičkog materijala,
• struja koja teče kroz varistor prolazi kroz najmanji broj spojeva (najmanji otpor). Uz
homogeni sastav mikrostrukture i raspodjela struje bit će jednolika,
• mikroskopski će do Jouleovog zagrijavanja doći uglavnom na spojevima, ali
makroskopski će apsorpcija energije biti homogena, ako je mikrostruktura i gustoća
struje homogena.
Konstrukcija varistora mora imati homogenu mikrostrukturu. Najvažnija svojstva
varistora su nelinearnost strujno-naponske karakteristike, visoka mogućnost apsorpcije
energije i velika termička vodljivost.
4.3.2. Djelovanje odvodnika prenapona
Pri nailasku prenapona, stvara se među česticama cink-oksidnih pločica jako električno
polje, pri čemu se prostor oko njih ionizira i postaje vodljiv. Što je veći napon koji djeluje na
odvodniku odnosno na promjenjivom otporu, to je jače polje i ionizacija koja omogućuje
stvaranje vodljivih kanala, pa se otpor smanjuje. Kad se smanjuje napon na otporu odvodnika,
slabi i električno polje i ionizacija oko ZnO čestica, pa se smanjuju i vodljivi kanali, što
djeluje na porast otpora. Takva promjena otpora u odvodniku omogućuje da u trenutku
nailaska vala, smanjujući svoj otpor, odvodnik odvede jake struje u zemlju.
4.4 Karakteristične veličine ZnO odvodnika
Kod ZnO odvodnika prenapona se prema IEC 99-4 definiraju sljedeće karakteristike:
• Nazivni napon odvodnika Ur (rated voltage of an arrester):
Najviša dozvoljena efektivna vrijednost napona industrijske frekvencije između priključaka
odvodnika, pri kojoj je on predviđen da ispravno radi u uvjetima prenapona, kako je
definirano u ispitivanju funkcioniranja u radnim uvjetima. Nazivni napon se koristi kao
referentni parametar za specifikaciju radnih karakteristika.
14
• Trajni radni napon odvodnika Uc (Continuous operating voltage of an arrester):
Trajni radni napon je specificirana dozvoljena efektivna vrijednost napona industrijske
frekvencije, koja se može trajno dovesti na priključke odvodnika.
• Nazivna frekvencija odvodnika (Rated frequency of an arrester):
Frekvencija mreže za koju je odvodnik izrađen.
• Strma udarna struja (Steep current impulse):
Udarna struja sa konvencionalnim trajanjem čela od 1 µs, sa takvim granicama podešavanja
opreme da se izmjerene vrijednosti kreću od 0,9 µs do 1,1 µs. Konvencionalno vrijeme do
polovine vrijednosti na začelju ne smije biti duže od 20 µs.
• Atmosferska udarna struja (Lighting current impulse):
Udarna struja 8/20 µs/µs sa granicama podešavanja takvim da se izmjerene vrijednosti za
konvencionalno trajanje čela kreću od 7 µs do 9 µs, a vrijeme do polovine na začelju od 18 µs
do 22 µs.
• Nazivna struja odvođenja odvodnika In (Nominal discharge current of an arrester):
Tjemena vrijednost atmosferske udarne struje koja služi za razvrstavanje odvodnika
• Dugotrajna udarna struja (Long duration current impulse):
Pravokutna udarna struja sa brzim usponom do maksimalne vrijednosti, koja zatim ostaje
uglavnom konstantna u toku utvrđenog perioda, a zatim brzo pada na nulu. Pravokutnu
udarnu struju definiraju sljedeći parametri: polaritet, tjemena vrijednost, konvencionalno
trajanje tjemena i ukupno konvencionalno trajanje.
• Udarna struja odvodnika velike amplitude (High current impulse of an arrester):
Tjemena vrijednost struje odvođenja oblika vala 4/10 µs/µs koja se koristi za provjeru
stabilnosti odvodnika pri direktnim udarima munje.
• Sklopna udarna struja odvodnika (Switching current impulse of an arrester):
15
Tjemena vrijednost struje odvođenja sa konvencionalnim trajanjem čela dužine od 30µs i
kraćim od 100µs i konvencionalnim vremenom do polovine vrijednosti na začelju, približno
dvostruko dužim od konvencionalnog trajanja čela.
• Trajna struja odvodnika (Continuos current of an arrester):
To je struja koja teče kroz odvodnik, kada je on pod trajnim radnim naponom. Trajna struja
sastoji se od aktivne i kapacitivne komponente, a može se mijenjati sa temperaturom i
djelovanjem rasipnog kapaciteta i vanjske prljavštine. Trajna struja ispitivanog uzorka ne
mora biti ista kao trajna struja kompletnog odvodnika.
• Preostali napon odvodnika Ures (Residual voltage of an arrester):
Tjemena vrijednost napona koji se javlja na priključcima odvodnika tijekom protjecanja struje
odvođenja.
• Zaštitna karakteristika odvodnika (Protective characteristics of an arrester):
Kombinacija sljedećih karakteristika:
- preostalog napona za strmu udarnu struju,
- karakteristika preostalog napona u funkciji struje odvođenja za atmosferske udarne struje,
- preostalog napona za sklopne udarne struje.
4.4.1. Preostali napon odvodnika prenapona
Preostali napon odvodnika prenapona se pojavljuje između priključaka odvodnika
tijekom odvođenja impulsne struje. Ovisi o tjemenoj vrijednosti i obliku struje odvođenja.
Prezentiran je vršnom vrijednošću.
4.4.2. Klasa vođenja odvodnika prenapona
Odvodnici prenapona nazivnih odvodnih struja In=10 kA i In=20 kA podjeljeni su u pet
klasa odvođenja voda. Pritom, struji In=10 kA odgovaraju klase odvođenja voda 1, 2 ili 3, dok
struji In=20 kA pripadaju klase 4 ili 5. Izbor klase odvođenja voda odvodnika prenapona
provodi se na temelju njihove mogućnosti odvođenja energije, odnosno u vezi je s njihovom
sposobnošću apsorpcije energije stvorene tijekom stanovitog prijelaznog stanja.
16
4.4.3. Energetska podnosivost odvodnika prenapona
Odvodnici prenapona moraju biti sposobni apsorbirati energiju oslobođenu tijekom
prijelaznih stanja u mreži. U tu svrhu potrebno je utvrditi energetska naprezanja (W1, W2, ...)
kojima može biti izložen odvodnik prenapona pri nastupu maksimalno očekivanih prenapona,
sklopnog ili atmosferskog podrijetla. Posebno visoke napone, a tada i energetska naprezanja
odvodnika, valja posebno očekivati pri izravnim udarima munje u vodove s visokom
izolacijskom razinom ili pri nastupu povratnih preskoka na mjestima blizu smještaja
odvodnika. U tom slučaju koristimo se relacijom:
Z
TU
U
U2ln1UnU2W
lpl
pl
prplpr
⋅⋅
⋅+⋅⋅−⋅= (4.1)
gdje je:
W - energja koju upija odvodnik [kJ],
Upl - preostali napon odvodnika pri nazivnoj odvodnoj struji In [kV],
Upr - negativni preskočni napon izolacije voda [kV],
Z - valni otpor voda [Ω],
T1 - ekvivalentno trajanje struje munje uključujući prvi i slijedeće udare munje.
Na temelju ovog izraza može se odrediti odgovarajuća energetska naprezanja W1, W2, ...
promatranog odvodnika prenapona. Zatim se prema r
iri
U
Ww = mogu izračunati odgovarajuća
specifična energetska naprezanja wr1, wr2, ... Pritom, promatrani odvodnik prenapona mora
posjedovati specifičnu energiju wr.
( ),...w,wmaxw r2r1r ≥
IEC klasificira odvodnike prema nazivnoj odvodnoj struju. Odvodnici za 10 i 20 kA
klasificirani su također i po energetskoj podnosivosti izraženoj kao krivulja klase odvođenja
(od 2 do 5) potvrđeno dugotrajnim strujnim testom i testom pogonskog naponskog vala. U
drugom testu, odvodnik je podvrgnut dvama impulsima dane vršne vrijednosti i trajanja nakon
čega odvodnik mora biti termički stabilan unatoč iznosu Uc.
17
Slika klase otprilike daje očekivanu apsorbiranu energiju u kJ/kV (Ur) po impulsu. Kao
što se vidi iz Tablice 4.2, ABB odvodnici su građeni za vrlo veliku energetsku podnosivost.
Tablica 4.2. Energetska podnosivost ABB odvodnika prenapona
Tip odvodnika prenapona
Klasa odvodnika prenapona
Energetska podnosivost kJ/kV (Ur)
Područje primjene
PEXLIM R 2 5,5 ≤170kV PEXLIM Q 3 7,8 170 – 420 kV PEXLIM P 4 12 362 – 550 kV
Slika 4.4. ABB odvodnici prenapona PEXLIM R, PEXLIM Q i PEXLIM P
4.5. Primjena metal-oksidnih odvodnika prenapona na prijenosnim vodovima
Kod klasičnih vodova atmosferski prijelazni prenaponi se ograničavaju iskrištima.
Glavna namjena je da se zaštiti površina izolatora od termičkih naprezanja i oštećenja.
Eventualni kvar se može spriječiti automatskim ponovnim uklopom (APU). Ipak taj manevar
nije uvijek uspješan, a i opterećenja prekidača, transformatora i ostalih uređaja su dosta
18
velika. Puno bolje rešenje je ugradnja odvodnika prenapona. Tim načinom danas se puno puta
rješava pouzdanost rada kritičnih nadzemnih vodova.
Djelovanje odvodnika prenapona se bitno razlikuje od djelovanja iskrišta u tome, da se
poslije prorade struja ograniči (manja je od kratkospojne) a potom se sama prekida. Kod
odvodnika sa iskrištima i SiC nelinearnim otporima to se dogodi kod prelaska struje preko
nule ili malo prije. Metal oksidni odvodnici u tom pogledu još su superiorniji. Struja traje
samo za vrijeme prenapona a potom odmah se prekida.
Slika 4.5. Primjena odvodnika prenapona u postrojenjima i na vodovima
Linijski odvodnici su se prvi put primijenili na 66 kV i 77 kV vodovima 1980. godine u
Japanu i na 138 kV vodovima 1982. godine u SAD-u, a sada se primjenjuju na sustavima do
500 kV.
Tijekom zadnjih dvadesetak godina provode se značajna istraživanja vezana za primjenu
linijskih odvodnika prenapona (LOP) za koordinaciju izolacije nadzemnih vodova. Zbog
dobrih karakteristika metal-oksidnih blokova, odvodnici prenapona su korišteni kao zaštitna
oprema u elektroenergetskom sustavu u cilju unapređenja pouzdanosti rada sustava. Iako su i
linijski odvodnici prenapona izloženi povećanom naprezanju a time i oštećenjima, njihovom
ugradnjom umanjuje se rizik kvara ostalih komponenti nadzemnih vodova uz smanjenje
ukupnih troškova izgradnje i održavanja vodova.
19
Izvedba metal-oksidnih odvodnika prenapona sa polimernim kućištem osigurava
korisnicima nove mogućnosti zaštite prijenosnih vodova i postrojenja od prenapona. Koncept
primjene linijskih odvodnika prenapona na dalekovodima nije nov, ali je u prošlosti bio
ograničen u primjeni zbog složenosti i troškova ugradnje linijskih odvodnika sa teškim
porculanskim kućištem. Ovaj je problem umnogome riješen izvedbom linijskih odvodnika
prenapona sa polimernim kućištem.
Odvodnici prenapona sa polimernim kućištem imaju znatno manju težinu (manje od
polovine) od težine ekvivalentnih odvodnika prenapona sa porculanskim kućištem, i na taj
način osiguravaju manja mehanička naprezanja konstrukcije stupova i osiguravaju lakše
rukovanje prilikom ugradnje i zamjene. Obično se linijski odvodnici prenapona mogu
ugrađivati na postojeće stupove bez dodatnih ojačanja konstrukcije stupa. Višegodišnja
iskustva pokazuju da su linijski odvodnici prenapona otporniji na prodiranje vlage u
unutrašnjost od ekvivalentnih odvodnika prenapona sa porculanskim kućištima, i na taj način
minimiziraju jedan od najčešćih uzroka kvarova odvodnika prenapona. I u slučaju kvara
unutar kućišta linijskih odvodnika prenapona, posljedice nisu opasne kao kod porculanskih
kućišta koja pri unutarnjim kvarovima mogu dovesti do razarajućih posljedica po okolnu
opremu i ljude. To se postiže odgovarajućim dizajniranjem ojačanja metal-oksidnih blokova i
njihovog direktnog moduliranja unutar polimernog kućišta, pri čemu se onemogućuje
nastanak unutarnjih parcijalnih pražnjenja.
Linijski odvodnici prenapona sa polimernim kućištima primjenjuju se za poboljšanje
preskočnih karakteristika vodova s obzirom na atmosferska pražnjenja, kao i za izbjegavanje
istovremenih dvostrukih ispada vodova sa dva sustava. Značajna je također njihova primjena
kod kompaktiranja voda, odnosno podizanja naponskog nivoa postojećih vodova.
4.6. Opći radni principi linijskog odvodnika prenapona
Na prijenosnim vodovima sa ugrađenim linijskim odvodnicima prenapona, struja munje
teče kroz odvodnik zbog povećanja napona na odvodniku uzrokovanog atmosferskim
pražnjenjem u stup, zaštitni vodiči ili u fazne vodiče. Odvodnik se sastoji od metal-oksidnih
elemenata koji imaju izvrsne nelinearne strujno-naponske (I-U) karakteristike. Kada je
narinuti napon nizak, samo vrlo mala struja može teći kroz elemente odvodnika zbog njihovih
visokih otpornosti. Sa porastom narinutog napona, elementi odvodnika provode veliku struju
20
zbog njihovog smanjenog otpora. Kao rezultat, napon kroz odvodnik ne dostiže probojni
napon izolatorskog lanca i neće se pojaviti preskok. Važan element odvodnika prenapona je
visoko nelinearni, naponski ovisan otpornik, nazvan varistor. Varistorski elementi su spojeni
u seriju tako da imaju veliku impedanciju na nazivnom naponu sustavu, ali mnogo manju
otpornost pri prenaponima. Njihova zadaća je i da ograniče prateće struje nazivne frekvencije
koje se javljaju i koje se u pravilu moraju gasiti djelovanjem APU-a.
Razvijena su dva tipa linijskog odvodnika prenapona. Prvi tip je odvodnik prenapona sa
vanjskim iskrištem a drugi tip je odvodnik prenapona bez iskrišta. Osnovni zahtjevi kućišta
odvodnika su da mora sadržavati metal-oksidne elemente i mora očuvati mehanizam
sigurnosnog pritiska u trenutku kvara uslijed pogrešne funkcije odvodnika. Također, on mora
imati dovoljno mehaničke čvrstoće uzimajući u obzir mehanička naprezanja za vrijeme rada.
4.7. Linijski odvodnik prenapona sa vanjskim iskrištem
U slučaju pojave prenapona u mreži koja nema instaliran linijski odvodnik prenapona,
uslijed atmosferskih pražnjenja, tendencija nastanka električnog luka je uvijek na jednom
mjestu tj. u blizini jednog od izolatora duž voda. Ova pojava može dovesti do termičkog
uništenja izolatora vodiča i pada vodiča na zemlju, što može uzrokovati značajne prekide u
opskrbi potrošača električnom energijom ali i realnu opasnost za društvo.
Slika 4.6. Linijski odvodnik prenapona sa vanjskim iskrištem
Sustav linijskog odvodnika prenapona sa zaštitnim iskrištem odvodi struju atmosferskih
pražnjenja u zemlju, sprječavajući tako preskoke na izolatorima i zaustavljajući istovremenu
struju visoke energije uzrokovanu pogonskom frekvencijom.
21
Ovi uređaji sadrže metal-oksidne otporničke elemente i serijski spojeno vanjsko iskrište
kako bi u normalnom pogonu otpornički elementi bili izolirani od mreže. Linijski odvodnici
prenapona se montiraju neposredno pored izolatora. Serijsko iskrište se također prilagođava
konkretnom slučaju ugradnje uz pomoć specijalno oblikovanih elektroda, različitih nosača te
standardnih strujnih stezaljki.
• Prenaponska zaštita realizirana pomoću iskrišta.
Slika 4.6. Zaštitno iskrište
U slučaju atmosferskog prenapona, iskrište drži električni luk podalje od izolatorskog
lanca i tako ga štiti, no prorada iskrišta izaziva trajno isključenje voda.
• Prenaponska zaštita realizirana pomoću metal-oksidnog odvodnika prenapona
spojenog u seriju sa iskrištem.
Slika 4.7. Linijski odvodnik prenapona sa zaštitnim iskrištem
Metal-oksidni otpornički elementi zaustavljaju protjecanje struje unutar polovice periode
napona pogonske frekvencije i to već prije prolaza napona kroz prirodnu nulu tako da ostane
dovoljno vremena za uspostavljanje naponske čvrstoće između elektroda iskrišta,
sprječavajući tako isključenje voda.
22
Veličina zračnog raspora se određuje pomoću dva pokusa. Prvo se najveća moguća
veličina raspora se određuje pomoću testnog atmosferskog prenapona. Zatim se provodi
testiranje za najmanju moguću veličinu raspora, tako da se odredi veličina kod koje iskrište
neće proraditi u slučaju privremenih povišenja napona i sklopnih prenapona. Konačno,
odgovarajuća veličina zračnog raspora se nalazi između dvije dobivene vrijednosti.
4.8. Linijski odvodnik prenapona bez vanjskog iskrišta
Najpoznatiji svjetski proizvođač odvodnika prenapona ABB u svojoj ponudi ima i
linijske odvodnike prenapona pod nazivom Pexlink.
Slika 4.8. ABB linijski odvodnik prenapona bez iskrišta Pexlink
Glavni dio ovih odvodnika jest već od prije ponuđeno tijelo standardnog Pexlim metal-
oksidnog odvodnika prenapona. Ti odvodnici prenapona se već dugi niz godina
upotrebljavaju za zaštitu postrojenja i opreme, te su se pokazali kao iznimno pouzdani. Zbog
svoje male težine omogućena je njihova ugradnja na nadzemne vodove.
Nepromijenjena osnovna filozofija ujedno je omogućila jeftiniju proizvodnju novih
Pexlink linijskih odvodnika prenapona.
23
Osim ranije spomenutih Pexlim Q, Pexlim R i Pexlim P odvodnika prenapona, za vrlo
visoke naponske nivoe, na područjima sa vrlo velikim brojem grmljavinskih dana te na
područjima sa visokim otporima uzemljenja koriste se HS Pexlim P-T i HS Pexlim T-T
odvodnici prenapona prikazani na Slici 4.9.
Slika 4.9. ABB HS Pexlim T-T odvodnik prenapona i njegovi osnovni podatci
Slika 4.10. Dalekovod sa ugrađenim linijskim odvodnicima prenapona ABB Pexlink
HS Pexlim T-T
Najviši napon pripadne mreže (Um)
245-800 kV
Nazivni napon odvodnika prenapona (Ur)
180-624 kV
Energetska podnosivost odvodnika prenapona
Klasa 5 15,4 kJ/kV
(Ur)
Nazivna odvodna struja 20 kA
24
Ranije spomenuti linijski odvodnici prenapona sa vanjskim iskrištem, u slučaju
nepravilnosti unutar metal-oksidnih varistora, ne utječu na rad dalekovoda jer su serijskim
iskrištem odvojeni od voda. Kod linijskih odvodnika prenapona bez iskrišta taj problem je
riješen pomoću posebnog uređaja za odvajanje koji je u većini slučajeva smješten na dnu
odvodnika odnosno na spoju sa kabelom za uzemljenje. Njegov zadatak jest da odvoji
odvodnik od voda u slučaju kvara na samom odvodniku i svojim položajem signalizira da je
došlo do kvara i da treba izvršiti zamjenu ili popravak odvodnika.
Kod Tyco odvodnika prenapona namijenjenih za ugradnju na niskonaponske vodove,
ugrađena odvojna naprava odvaja odvodnik od mreže ako se pojavi preopterećenje
uzrokovano npr. bliskim udarom munje ili nedopuštenim povećanjem napona u mreži.
U slučaju da se to dogodi, zaštitna pločica na donjoj strani odvodnika iskoči iz svog
položaja i ostaje visjeti na žici. Spoj sa uzemljenjem pri tome ostaje u sigurnom položaju.
Ovim rješenjem je osigurano da kada odvojna naprava jednom proradi, veza sa uzemljenjem
ne može dotaknuti aktivne dijelove mreže koji su pod naponom.
Slika 4.11. Tyco linijski odvodnik prenapona za zaštitu NN vodova – djelovanje naprave za
odvajanje i identifikaciju
Zaštitna pločica je velika i s unutarnje strane reflektirajuće crvena, tako da je neispravni
odvodnik jednostavno uočiti sa zemlje. Svi priključci na odvodniku izrađeni su od
nehrđajućeg čelika i spajaju se na aluminij ili bakar bez problema sa korozijom.
25
Na Slici 4.12 grafički je prikazana opasnost od povratnog preskoka, pri udaru munje u
dalekovodni stup broj 5, zbog velikog otpora uzemljenja. Vidljivo je da iznos prenapona, koji
je označen crvenom linijom, raste mnogo iznad probojne čvrstoće izolatora. Posljedica svega
jest prorada prekidača i privremeni prekid opskrbe potrošača.
Slika 4.12. Ponašanje vodova pri udaru munje u toranj broj 5 kad nisu ugrađeni linijski
odvodnici prenapona
U slučaju kada su odvodnici ugrađeni na sve dalekovode promatranog područja, prilikom
atmosferskog pražnjenja, iznos prenapona se zadržava na vrijednosti koja je dosta ispod
probojne čvrstoće izolatora, što je prikazano na Slici 4.13.
Slika 4.13. Ponašanje vodova pri udaru munje u toranj broj 5 kad su linijski odvodnici
prenapona ugrađen u svih 9 tornjeva
26
Slika 4.14. Načini ugradnje linijskih odvodnika prenapona na stupove dalekovoda
27
4.9. Usporedba učinkovitosti dviju vrsta linijskih odvodnika prenapona
Glavna prednost linijskih odvodnika prenapona sa vanjskim iskrištem, u odnosu na
odvodnike bez vanjskog iskrišta, je u tome što nisu konstantno spojeni na radni napon mreže.
Zbog tog razloga smatra se da će se pokazati kao trajniji. Zaštitno iskrište omogućava proradu
odvodnika samo u slučaju atmosferskih prenapona i ne koriste se za ograničavanje sklopnih
prenapona te na taj način reduciraju nepotrebne operacije linijskog odvodnika prenapona.
Također, ovi odvodnici prenapona ne predstavljaju opasnost za osoblje koje održava vodove
jer odvodnici nisu pod naponom.
Kao glavna prednost linijskih odvodnika prenapona bez iskrišta navodi se niža cijena i
lakoća ugradnje, zbog toga što nisu potrebni nikakvi proračuni veličine zračnog raspora
između iskrišta i odvodnika prenapona. Održavanje tog raspora tijekom višegodišnjeg
razdoblja može biti veoma velik problem, posebno u vjetrovitim područjima i područjima sa
mnogo snježnih oborina čije naslage mogu smanjiti zračni raspor.
U Japanu je napravljeno istraživanje sa svrhom usporedbe kvalitete dvaju tipova linijskih
odvodnika prenapona. Iz tablice se može zaključiti da ne postoji bitna razlika u preskočnim
karakteristikama voda za slučajeve ugradnje linijskih odvodnika prenapona sa i bez serijskog
zaštitnog iskrišta. Tablično su prikazana testiranja dvaju vrsta odvodnika prenapona koji su
bili ugrađeni za prvi slučaj u jednoj fazi, a za drugi slučaj u dvije faze dalekovoda.
Tablica 4.3. Preskočne karakteristike voda za slučajeve ugradnje LOP-a sa i bez vanjskog
serijskog iskrišta i otpora uzemljenja. Odvodnici su ugrađeni na svakom stupu.
R(Ω)
Bez iskrišta
Sa iskrištem
Bez iskrišta
Sa iskrištem
10 1,12 1,12 0,30 0,30 20 5,52 5,30 1,72 1,57 30 10,52 10,74 4,25 4,33 40 15,07 15,66 7,09 7,01 60 24,91 26,03 12,16 11,86 80 34,23 35,95 15,96 17,01
–sa LOP-om; – bez LOP-a;
28
5. PRORAČUN UDARA MUNJE U VOD POMOĆU PROGRAMA
ATP-EMTP
5.1. ATP-EMTP programski paket
ATP (Alternative Transients Program) – EMTP (Electromagnetic Transients Program) se
smatra jednim od najkorištenijih programa za digitalnu simulaciju elektromagnetskih i
elektromehaničkih prijelaznih pojava. Prvotno ga je razvio Dr. Hermann Dommel kasnih
1960-tih. Konstantno se razvija uz internacionalnu potporu zadnjih 20 godina, koordinirano
od EMTP Kanadsko-Američke udruge korisnika. Zajedno s drugim programima (ATPDraw,
Plot XY i drugi) on čini osnovu za moćnu simulaciju prijelaznih pojava u elektroenergetskom
sustavu.
Slika 5.1. Korisničko sučelje programa ATPDraw i ZnO odvodnik prenapona modeliran
nelinearnim otpornikom Type-92
ATPDraw za Windows je grafički predprocesor za ATP verziju programa EMTP.
ATPDraw omogućava kreiranje i editiranje modela električne mreže koji će biti
simuliran programom ATP. Korisnik može u programu formirati električni krug,
odabiranjem odgovarajućih prethodno definiranih komponenti. Predprocesor kreira
odgovarajuću ulaznu datoteku za program ATP, dodjeljujući automatski odgovarajući
format. Program ATDraw automatski numerira čvorove u krugu.
29
Također, postoji mogućnost da korisnik kreira vlastite elemente električnog kruga
koristeći Data Base Module. Proračuni se mogu izvršiti u slučajevima kako jednopolnih
tako i tropolnih ekvivalentnih shema.
Programski paket ATP je namijenjen numeričkoj simulaciji elektromagnetnih i
elektromehaničkih prolaznih procesa u elektroenergetskom sistemu. Ovaj program
proračunava vremensku promjenu varijabli u elektroenergetskom sistemu. Za
rješavanje diferencijalnih jednadžbi koristi trapezno pravilo.
Program ATP sadrži modele rotacionih strojeva, transformatora, odvodnika
prenapona, prijenosnih vodova i kabela. Ovim programom je moguće simulirati
kompleksnu mrežu proizvoljne strukture. Također, moguće je izvršiti analizu sistema
upravljanja, opreme energetske elektronike i komponenti sa nelinearnim karakteristikama,
kao što su luk i korona. Razmatranje simetričnih i nesimetričnih režima rada izazvanih
kvarovima, prenaponima atmosferskog porijekla ili sklopnim prenaponima se može
izvršiti primjenom ovog programskog paketa.
5.2. Problematika udara munje u vod
Udar munje u zaštitno uže ili fazni vodič, može prouzročiti povratni preskok ako
vrijednost prenapona prekorači probojnu čvrstoću izolatora. Struja udara inducira napone u
faznom vodiču. Naponi inducirani u faznom vodiču su funkcija vremena, otpora uzemljenja i
geometrije konstrukcije. Naponski udar na izolator dalekovoda je jednak razlici između
napona konstrukcije na spoju sa izolatorom i induciranog napona u faznom vodiču. Ako
naponski udar na izolatoru prekorači probojnu čvrstoću izolatora, dogodit će se preskok.
Rezultirajući povratni preskok je karakteriziran veoma visokim porastom. Postoji dokaz
da ovakvi valovi mogu biti odgovorni za kvarove transformatora unatoč instaliranim
odvodnicima prenapona u samim postrojenjima.
Metal-oksidni odvodnici prenapona se priključuju paralelno izolatorima. Oni
ograničavaju iznos prenapona na izolatoru tako što postanu vodljivi pri pojavi napona manjeg
iznosa od iznosa probojne čvrstoće izolatora. Nakon što je odvodnik uspješno otpustio
atmosferski prenapona, napon na odvodniku se vraća u vod-zemlja vrijednost. Odvodnik je u
stanju vođenja samo za vrijeme trajanja atmosferskog pražnjenja. Ovaj događaj je prekratkog
30
trajanja da bi ga detektirali zaštitni releji. Zbog toga, djelovanje linijskih odvodnika
prenapona neće rezultirati prekidom.
Udari u fazni vodič su ograničeni veličinom najveće struje u slučaju neuspjelog štićenja
zaštitnim vodom, koja je za prosječni vod između 5 i 15 kA. Energija ispražnjena kroz
odvodnik je unutar energetskih sposobnosti samog odvodnika prenapona.
Prekidi zbog udara munje postaju glavni problem za distribuciju električne energije.
Upotreba linijskih odvodnika prenapona doprinosi značajnom napretku u poboljšanju
naponskih prilika nego što je to samo u slučaju štićenja zaštitnom užadi.
Upotreba odvodnika prenapona na postojećim dalekovodima štićenim zaštitnim užetom
sa visokim otporima uzemljenja može smanjiti prekide uzrokovane atmosferskim
pražnjenjima.
Simulacijom pomoću programa ATP-EMTP prikazan je pozitivan utjecaj upotrebe
odvodnika prenapona na vodovima.
5.3. Proces simulacije
Najjednostavniji model odvodnika prenapona prikazan je na Slici 5.2. Glavni nedostatak
ovakvog modela odvodnika jest taj da njegovi parametri moraju biti prilagođeni za svaki oblik
i veličinu vala prenapona.
Slika 5.2. Fizički model ZnO varistora
IEEE (Radna Grupa 3.4.11) predložila je frekventno
otpornika, prikazan na Slici 5.3
ATPDraw-u.
Slika 5.3. Model ZnO odvodnika
Ovaj model uzima u obzir razli
vala prenapona. Nelinearni elementi A
impedanciju za brze prenapone. Zna
prema nazivnom naponu varistora.
Za prenapone dugotrajnog
paraleli. Za prenapone brzog č
Kako su značajke A0 više od A
val. Induktivitet L0 predstavlja indukivi
fizičkom modelu. Zadaća otpora je da osigura konvergenciju u numeri
IEEE (Radna Grupa 3.4.11) predložila je frekventno-ovisni model sa dva nelinearna
5.3 IEEE model je najprihvaćeniji model varistora i korišten je u
Slika 5.3. Model ZnO odvodnika prenapona predložen od IEEE Radne Grupe 3.4.11
Ovaj model uzima u obzir različite zastoje u mehanizmu vođenja pri razli
na. Nelinearni elementi A0 i A1 su odvojeni sa R-L filtrom, koji osigurava visoku
impedanciju za brze prenapone. Značajke A0 i A1 su definirane u relativnim jedinicama,
prema nazivnom naponu varistora.
Za prenapone dugotrajnog čela, filtar ima nisku impedanciju i elementi A
paraleli. Za prenapone brzog čela, element A1 je blokiran i struja teče samo kroz element A
više od A1, metal-oksidni varistor osigurava viši napon nego za spori
predstavlja indukivitet strujne staze kroz odvodnik, tako
a otpora je da osigura konvergenciju u numeričkim simulacijama.
31
ovisni model sa dva nelinearna
eniji model varistora i korišten je u
predložen od IEEE Radne Grupe 3.4.11
enja pri različitim čelima
L filtrom, koji osigurava visoku
u relativnim jedinicama,
anciju i elementi A0 i A1 su u
e samo kroz element A0.
oksidni varistor osigurava viši napon nego za spori
tet strujne staze kroz odvodnik, također prikazan u
čkim simulacijama.
32
Slika 5.4. Početni model analiziranog kruga
Zračni vodovi su predstavljeni modelom raspoređenih parametara, upotrebljavajući
JMARTI frekventno ovisni model koji je opće prihvaćen model za izučavanje prijelaznih
procesa. Transformatori su predstavljeni BCTRAN modelom sa parametrima utvrđenim na
stvarnim podatcima i proračunima.
Kao primjer, analiziran je realni krug prikazan kao ATP model na Slici 5.4. Ovo je
početni model i proširen je linijskim odvodnicima prenapona što se vidi na Slici 5.5.
Slika 5.5. Model analiziranog kruga sa ugrađenim linijskim odvodnicima prenapona
33
Rezultati prikazani na Slici 5.6 i Slici 5.7 pokazuju redukciju iznosa prenaponskih udara
zbog primjene linijskih odvodnika prenapona.
Slika 5.6. Rezultati simulacije za sustav bez linijskih odvodnika prenapona
Slika 5.7. Rezultati simulacije za sustav sa linijskim odvodnicima prenapona
Iz rezultata simulacije, jasno je vidljivo da je znatno snižena vrijednost prenaponskih
udara, koja je u slučaju kada nisu korišteni odvodnici iznosila više od 350 kV. Nakon
ugradnje linijskih odvodnika, vrijednost prenaponskih udara nije iznosila više od 70 kV.
34
6. ISKUSTVA U PRIMJENI LINIJSKIH ODVODNIKA PRENAPONA U
SVIJETU I REPUBLICI HRVATSKOJ
Primjena odvodnika prenapona sa polimernim kućištem za poboljšanje prenaponskih
karakteristika visokonaponskih vodova intenzivira se u zadnjih nekoliko godina. Najveći broj
ovakvih uređaja u upotrebi je u SAD-u, Japanu, Kanadi, Brazilu, Meksiku, a velike
elektroprivrede u Europi također primjenjuju ovakvu vrstu zaštite.
Skoro pola od 30 najvećih korisnika u USA, i preko 90 korisnika ukupno, ugradili su
odvodnike na vodove od 69 kV do 230 kV. Veliki postotak primjene je u jugoistočnom
području SAD-a gdje je najveća učestalost atmosferskih pražnjenja.
6.1. Primjena linijskih odvodnika prenapona u Brazilu
Najveći brazilski proizvođač linijskih odvodnika prenapona, tvrtka Balestro, je razvila
linijske odvodnike prenapona bez iskrišta i ti odvodnici se koriste na većini prijenosnih
vodova u Brazilu. U suradnji sa glavnom elektroenergetskom tvrtkom u državi – CEMIG,
ugrađeni su odvodnici prenapona na brojne prijenosne vodove i izvršeno je ispitivanje njihove
učinkovitosti.
Tijekom testiranja CEMIG je ugradio 81 Balestro linijski odvodnik prenapona na
problematične 35 kV vodove, 34 odvodnika na 69 kV vodove, te 265 odvodnika na 138 kV
vodove, a rezultati istraživanja prikazani su u Tablici 6.1.
Slika 6.1. Linijski odvodnik prenapona brazilskog proizvođača Balestro
35
Tablica 6.1. Poboljšanje karakteristika dalekovoda na vodovima s ugrađenim odvodnicima
KV = broj kvarova/100km/godina zbog munje
6.2. Primjena linijskih odvodnika prenapona u Japanu
Većina linijskih odvodnika u Japanu su polimernog kućišta sa vanjskim iskrištem.
Klasificiranjem u tipove instaliranja, 97 % odvodnika u pogonu ugrađeno je na tri faze jednog
kruga stupova sa dvostrukim sustavom da bi se spriječili istovremeni kvarovi dvostrukih
sustava koji mogu rezultirati prestankom napajanja energijom. U nekim slučajevima
odvodnici su ugrađeni na sve stupove voda sa svrhom potpune zaštite kvarova dvostrukih
sustava kao i jednostrukih sustava. U rijetkim slučajevima, odvodnici su ugrađeni na neke
stupove, odabirući područja na osnovu prethodno registriranih kvarova voda, sa ciljem
efikasnog smanjenja broja kvarova voda uključujući kvarove dvostrukih sustava.
U slučajevima gdje su vodovi bili dobro zaštićeni zaštitnom užadi ali slabo uzemljeni,
odvodnici su mnogo češće smještani na najnižu fazu koja ima najviši potencijal za povratni
preskok u slučaju atmosferskih pražnjenja u zaštitni vodič. U nekim slučajevima, za najveću
efikasnost, odvodnici su bili ugrađeni na svaku fazu svakog stupa. U dva slučaja 115 kV
vodova u kojima su sve faze i svi stupovi zaštićeni, nisu doživljeni ispadi uslijed atmosferskih
pražnjenja niti kvarovi odvodnika skoro 4 godine od instaliranja.
Prijenosni vod Napon (kV)
Duljina (km)
Godina ugradnje
KV prije ugradnje
KV – srednje vrijednosti tijekom zadnjih 5 godina
Diamantina – Gouveia
34,5 31,6 1996 155,06 44,30
Ouro Preto 1 – Ponte nova
138 66,5 1997 30,87 6,32
Ouro Preto 2 – Mariana 1 / Samarco /
Alegria
138 38,9 1998 40,94 1,03
Ituntinga - Minduri
138 44,6 1998 19,40 3,59
Peti Sabara 69 61,1 1998 43,64 5,24 Itutinga – Tres
coracoes 2 138 87,1 1999 16,2 1,61
Araxa – Jaguara 138 60,9 2006 24,0 4,30 Monte Siao –
Ouro fino 138 30,7 2007 25,0 6,50
36
Analizirana je ugradnja linijskih odvodnika prenapona na 63 kV i 90 kV vodove sa
zaštitnim vodičima, koje su izložene atmosferskim pražnjenjima velike energije. Srednji broj
pražnjenja u tom području iznosi 2.8 udara/km2 u godini. U tablici 6.2. prikazani su rezultati
za 90 kV vod sa zaštitnim vodičima, dok su rezultati za 63 kV vod sa zaštitnim vodičem
prikazani u tablici 6.3.
Tablica 6.2. Performanse voda na atmosferska pražnjenja 90 kV voda sa zaštitnim vodičem
(broj preskoka na 100km/godišnje)
R(Ω)
5 0,91 0,11 0,37 0,55
10 2,82 0,33 1,14 1,76 15 5,27 0,91 2,86 3,43 20 8,09 1,98 4,21 5,53 30 13,21 3,44 7,95 9,87 40 17,96 5,82 11,05 13,55 50 22,65 7,83 13,88 16,76 60 26,27 9,70 16,08 19,69
– LOP na svakom stupu; LOP na svakom drugom stupu;
Tablica 6.3. Performanse voda na atmosferska pražnjenja 63 kV linije sa zaštitnim vodičem
(broj preskoka na 100km/godišnje)
R(Ω)
5 3,26 0,48 1,39 2,09
10 6,41 1,50 3,65 4,30 15 10,76 3,04 6,45 7,64 20 14,94 4,98 9,29 11,36 30 22,11 8,31 14,56 17,16 40 28,08 11,86 18,04 21,82 50 31,30 14,83 20,88 25,77 60 33,06 17,54 23,17 28,56
– LOP na svakom stupu; LOP na svakom drugom stupu;
U tablici 6.4. prikazani su rezultati za 90 kV vod bez zaštitnog vodiča, dok su
odgovarajući rezultati za 63 kV vod bez zaštitnog vodiča prikazani u Tablici 6.5.
37
Tablica 6.4. Performanse voda na atmosferska pražnjenja 90 kV voda bez zaštitnog vodiča
(broj preskoka na 100km/godišnje)
R(Ω)
5 13,31 3,97 0,51 3,85
10 18,18 7,40 2,35 6,04 15 22,41 11,94 4,91 9,17 20 28,22 15,55 7,40 12,52 30 34,71 22,01 12,45 17,78 40 35,29 25,44 16,27 21,58 50 35,68 26,84 19,34 23,63 60 35,90 28,30 21,40 24,75
– LOP na svakom stupu; LOP na svakom drugom stupu;
Tablica 6.5. Performanse voda na atmosferska pražnjenja 63 kV voda bez zaštitnog vodiča
(broj preskoka na 100km/godišnje)
R(Ω)
5 17,21 7,29 2,24 6,06 10 24,90 12,74 5,85 10,28 15 30,02 18,87 10,17 15,18 20 33,84 23,06 13,78 19,18 30 35,47 26,74 19,66 23,77 40 35,90 28,32 22,59 25,56 50 35,97 29,77 24,90 26,92 60 36,04 31,43 26,12 28,11
– LOP na svakom stupu; LOP na svakom drugom stupu;
Sa ugrađenim odvodnikom na najnižoj fazi (najnepovoljniji faktor međusobnog utjecaja
između zaštitnog vodiča i faznog vodiča), većina povratnih preskoka se dogodi na tom
vodiču. Osim toga, odvodnik prenosi na ovaj vodič visoki potencijal vrha stupa čime se
poboljšavaju međusobni utjecaji s vodičima bez ugrađenih odvodnika.
Za varijantu sa dva ugrađena odvodnika na donjem i srednjem vodiču,
preskočne karakteristike su poboljšanje četiri puta u usporedbi sa varijantom bez ugrađenih
38
linijskih odvodnika prenapona. Varijanta sa ugrađenim odvodnicima na donjoj i gornjoj fazi
daje najslabije rezultate, što se može vidjeti u tablici 6.6., te se preporučuje jedna od
prethodne dvije varijante.
Tablica 6.6. Preskočne karakteristike voda u funkciji mjesta ugradnje LOP-a i otpora
uzemljenja. Odvodnici su ugrađeni na svakom stupu .
R(Ω)
10 1,79 1,12 0,30 0,60 20 9,55 5,52 1,72 3,21 30 16,86 10,52 4,25 6,04 40 24,84 15,07 7,09 10,29 60 41,02 24,91 12,16 17,90 80 52,51 34,23 15,96 23,79
–sa LOP; – bez LOP;
6.4. Primjena linijskih odvodnika prenapona u Republici Hrvatskoj
Specifični otpor tla u mnogim područjima Republike Hrvatske je veoma visok, te prelazi
vrijednost od 1000 Ωm. Nisu rijetki slučajevi da ta veličina poprimi iznos od nekoliko tisuća
Ωm. Može se procijeniti da je oko 30 – 35 % teritorija Hrvatske locirano na terenima takvih
(nepovoljnih) karakteristika. Zbog toga je ispravno projektiranje i izvedba uzemljivača
elektroenergetskih objekata od izuzetnog značaja. Osim toga veliki dio područja pripada
zonama sa 30 do 45 grmljavinskih dana godišnje, što se smatra velikom izloženošću utjecaju
atmosferskih prenapona.
Dalekovod 110 kV Ston – Komolac je podignut 1961. godine. Dugačak je 44 kilometra i
sastoji se od 144 stupa, te je desetljećima jedini transportni put prema HE Dubrovnik.
Tijekom ratnih razaranja, potkraj 1991. godine, bio je teško oštećen. Po završetku rata
započela je revitalizacija ovog, u ratu pokrpanog, dalekovoda. Zamijenjeno mu je uže,
izolacija i ovjesna oprema, te su istodobno sanirani stupovi, uzemljenja i povećana mu je
prijenosna moć postavljanjem novog vodiča.
Međutim, poduzeti zahvati nisu dali željenu zaštitu dalekovodu koji prolazi područjem
visoke izokerauničke razine. Upravo taj visoki otpor tla izazivao je česte ispade uslijed
39
atmosferskih pražnjenja koja su izazivala povratne preskoke. To potvrđuju i podaci o
prekidima u napajanju tijekom proteklih desetak godina od kojih je 2001. godina bila najgora
sa čak 3449 minuta prekida.
Potaknuti spoznajom da se za poboljšanje prenaponskih obilježja visokonaponskih
vodova u razvijenim zemljama koriste odvodnici prenapona s polimernim kućištem, započela
je ugradnja ovih uređaja na dalekovodu Ston – Komolac.
Rad na ovom vodu trajao je samo 6 dana, a na ugradnji su radila 22 zaposlenika tvrtke
Dalekovod i u tom relativno kratkom roku su uspjeli montirati čak 110 linijskih odvodnika
prenapona bez vanjskog iskrišta, što dovoljno govori o jednostavnosti njihove primjene. Po
jedan odvodnik je ugrađen na donjoj fazi na 62 stupa i po dva odvodnika (po jedan na donjoj i
srednjoj fazi) na 24 stupa.
Slika 6.2. Način ugradnje LOP-a na dalekovodu 110 kV Ston – Komolac
Rezultati ispitivanja učinkovitosti instaliranih odvodnika prenapona još nisu poznati ali
se očekuju rezultati dobiveni računalnom simulacijom prema Tablici 6.7.
40
Tablica 6.7. Očekivane performanse voda 110 kV Ston - Komolac na atmosferska pražnjenja
(broj preskoka na 100km/godišnje), u ovisnosti o mjestu ugradnje LOP-a i otpora uzemljenja
R(Ω)
10 3,4 1,11 0,39 20 17,22 9,97 3,9 30 34,05 21,29 9,92 40 52,89 33,83 16,38 50 68,39 46,15 32,35 60 77,7 56,96 30,71 70 84,95 64,55 37,12
–sa LOP; – bez LOP;
6.3. Zaključci na temelju iskustava u primjeni linijskih odvodnika prenapona
Na osnovi provedenih istraživanja i svjetskih iskustava o primjeni linijskih odvodnika
prenapona kao zaštite od atmosferskih prenapona na prijenosnim vodovima, vidljivo je da je
korištenje linijskih odvodnika prenapona veoma rašireno u mnogim zemljama. Prema
njihovim iskustvima može se zaključiti slijedeće:
• linijski odvodnici prenapona mogu ograničiti napon na nivo ispod iznosa preskočnog
napona za određeni izolator,
• ovisno o količini u kojoj se ugrađuju na dalekovod mogu eliminirati prekide
prouzrokovane preskokom i do 100 %,
• mogu se koristiti cijelom dužinom ili samo na kritičnim dionicama dalekovoda,
• mogu se koristiti i uz visoke otpore uzemljenja,
• mogu se ugraditi na vodove sa zaštitnim vodičem da bi eliminirali povratne preskoke
uzrokovane slabim uzemljenjem,
• eliminiraju ili bitno smanjuju broj prekida što rezultira manjim održavanjem uz veću
pouzdanost,
• mogu se koristiti kao dodatak i kao zamjena za zaštitni vodič. Postavljanje samo u
gornju fazu odgovara postavljanju zaštitnog vodiča. U tom slučaju potreban je i
kvalitetan otpor uzemljenja (Ruz<10Ω).
41
Prilikom neuspješnog zaklanjanja faznog vodiča zaštitnim užetom, najveća naponska i
energetska naprezanja su na mjestu atmosferskog pražnjenja i eksponencijalno opadaju sa
rastojanjem od mjesta kvara.
Prilikom atmosferskog pražnjenja u fazni vodič, ukoliko nisu ugrađeni linijski odvodnici
prenapona dolazi do preskoka na izolaciji. Ukoliko su odvodnici prenapona ugrađeni, onda
nema uvjeta za preskok izolacije. Apsorbirane energije kroz linijski odvodnik prenapona
iznose za 400 kV dalekovode do 2.40 kJ/kV Ur, za 220 kV dalekovode do 3.125 kJ/kV Ur i za
jednostruke 110 kV dalekovode 2.3 kJ/kV Ur. Za 2x110 kV dalekovode sa zaštitnim užetom
odvedene energije putem odvodnika prenapona iznose do 3.23 kJ/kV Ur, odnosno u slučaju
bez zaštitnog užeta energije iznose do 9.20 kJ/kV Ur.
Promjenom parametara struje munje (veće amplitude i duže trajanje impulsa) prilikom
neuspjelog zaklanjanja faznog vodiča zaštitnim užetom, utvrđeno je da se odvedene energije
kroz linijski odvodnik prenapona značajno povećavaju, te mogu dostići vrijednosti do 13.9
kJ/kV Ur što zahtijeva ugradnju linijskih odvodnika prenapona većih energetskih mogućnosti.
Naponi pogođene faze na mjestu udara, pri neuspjelom zaklanjanju faznog vodiča od
strane zaštitnog užeta, veći su za veće vrijednosti otpora uzemljenja, odnosno opadaju sa
smanjenjem impulsnog otpora uzemljenja.
Energetska naprezanja linijskog odvodnika prenapona veća su za manje impulsne otpore
uzemljenja stupova. Razlog je u tome što je za manje impulsne otpore uzemljenja veća struja
kroz odvodnik, odnosno veća odvedena energija kroz odvodnik prenapona.
Prilikom atmosferskog pražnjenja u stup, odnosno u zaštitno uže na 400, 220 i 110 kV
voda dolazi do pojave preskoka izolacije kada se prijeđe granična vrijednost struje munje. Na
primjer, kod 400 kV voda već pri amplitudama struje munje veće od 60 kA preskok će
nastati već pri impulsnim otporima uzemljenja od 25 Ω.
Za slučaj atmosferskih pražnjenja u zaštitno uže, odnosno stup (povratni preskok),
nastaju veća energetska naprezanja linijskog odvodnika prenapona prilikom udara u stupove
sa većim impulsnim otporom uzemljenja. Razlog je u tome što veći otpor uzemljenja u
odnosu na otpor stupa ne reflektira valove suprotnog polariteta upadnom impulsu, nego
reflektira valove istog polariteta. Energetska naprezanja za impulsne otpore uzemljenja manje
od otpora stupova nisu značajna.
42
Konkretno, u odnosu na 400 kV vodove sa referentnim impulsnim otporom uzemljenja
R=50 Ω, povećanje odvedenih energija kroz linijski odvodnik prenapona iznosi 2.5, 3.8, 4.9,
5.9 i 6.7 puta, kako se impulsni otpor uzemljenja povećava 2, 3, 4, 5 i 6 puta.
Smanjenje napona vrhova stupova u odnosu na pogođeni stup za impulsni otpor
uzemljenja R=50 Ω, za prvi susjedni stup iznosi 34 % odnosno 51 % za drugi stup.
Odvedene energije kroz linijski odvodnik prenapona su uglavnom u granicama odabranih
odvodnika od 4.5 kJ/kV Ur za očekivane vrijednosti amplituda struje munje uz izvedeno
zaštitno uže. Provedene analize pokazuju da se veća energija očekuje kod vodova bez zaštitne
užadi. U slučaju većih amplituda struja munje i dužeg trajanja impulsa, pogotovu za vodove
bez zaštitne užadi, potrebno je ugraditi odvodnik većih energetskih sposobnosti.
Kod vodova sa dva sistema, linijski odvodnici prenapona ugrađeni u jedan sistem i sve tri
faze štite vod od dvostrukih ispada prilikom povratnog preskoka jer ugrađeni linijski
odvodnici prenapona efikasno štite sistem u koji su ugrađeni od povratnih preskoka.
Uvjeti uzemljenja i parametri struje munje značajni su za energetska naprezanja linijskog
odvodnika prenapona, te je prilikom izbora energetskih sposobnosti odvodnika bitno njihovo
poznavanje duž štićenih sekcija. Stupovi na oba kraja štićenih sekcija moraju imati male
impulsne otpore uzemljenja radi sprječavanja preskoka na nezaštićenim sekcijama linije.
Za slučaj neuspjelog štićenja faznog vodiča zaštitnim užetom, najizloženija faza udaru
munje je gornja faza (67 % od ukupnog broja udara) za vertikalni ili triangl raspored, odnosno
vanjske faze za horizontalni raspored.
Za slučaj povratnog preskoka za vertikalni ili triangl raspored, najugroženije su donja i
srednja faza zbog slabijeg sprezanja između zaštitnog užeta i donjeg faznog vodiča. Na broj
ispada linije najviše utječe otpor uzemljenja stupova.
Kada se vrši variranje broja ugrađenih linijskih odvodnika prenapona po stupu
(manje od 3 odnosno 6), najefikasniju zaštitu pruža:
• LOP ugrađen na dvije najniže faze (za vertikalni ili triangl raspored, odnosno vanjske
faze za horizontalan raspored) svakog stupa,
• LOP ugrađen u najnižoj fazi svakog stupa za vertikalni ili triangl raspored,
• LOP ugrađen u sve tri faze svakog drugog stupa duž štićene sekcije.
43
7. ZAKLJUČAK
Atmosferski prenaponi, uzrokovani udarima munje, postaju sve veći problem u
elekrtoenergetskim sustavima i pridaje im se sve veća pažnja, posebno zbog zahtjeva
potrošača za kvalitetnom i pouzdanom isporukom električne energije. Klasični načini zaštite
vodova od atmosferskih prenapona više nisu dovoljni.
Posljednjih godina metal-oksidni odvodnici prenapona postali su jedan od najpouzdanijih
načina zaštite od prenapona. Njihovim razvojem poboljšale su se performanse a cijena je
postala pristupačna. Zbog niske težine modernih odvodnika prenapona, omogućena je njihova
ugradnja na vodove, te su se i tamo pokazali kao pouzdana zaštita, u ovom slučaju od
atmosferskih prenapona.
U svijetu su razvijena dva osnovna tipa odvodnika prenapona koji se ugrađuju na
vodove. To su linijski odvodnik prenapona bez iskrišta čija je primjena najraširenija u
Japanu, i linijski odvodnik prenapona bez vanjskog iskrišta koji je svoje poklonike našao u
ostatku svijeta. Istraživanja su pokazala da nema bitne razlike u efikasnosti štićenja vodova od
atmosferskih prenapona između te dvije vrste linijskih odvodnika prenapona.
Rezultati primjene odvodnika prenapona, kako u svijetu tako i u Republici Hrvatskoj su
impresivni. Pokazalo se da ovisno o količini u kojoj se ugrađuju na dalekovod mogu
eliminirati prekide prouzrokovane preskokom i do 100 %. Odvodnik prenapona, koji je u
prethodnoj tehnološkoj generaciji (SiC) predstavljao najmanje pouzdani element mreže, pa
čak i sam često predstavljao uzrok kvara, danas kao metal-oksidni odvodnik prenapona po
svojim tehničkim karakteristikama, pouzdanosti, gabaritima i cijeni, predstavlja uređaj koji se
može masovno postavljati u električne mreže. Također treba reći da je njegova ugradnja,
odnosno zamjena vrlo jednostavna, pa i sa strane održavanja ne predstavlja promjenu na gore.
Kako je ovaj način zaštite nadzemnih vodova od atmosferskih pražnjenja relativno nov,
može se očekivati još veći napredak na tom polju i mnogo veći broj odvodnika ugrađenih na
vodove širom svijeta.
44
LITERATURA
[1] Uglešić, I.: “Tehnika visokog napona”, Zagreb, 2002.
[2] Mišković, D.: “Decreasing backflashover numbers on medium voltage overhead lines
located in regions with high soil resistivity“, CIGRÉ Colloquium; Application of line
surge arresters in power distribution and transmission systems, Cavtat, 2008.
[3] Jaroszewski, M.: “Modeling of overhead transmission lines with line surge arresters for
lightning overvoltages“, CIGRÉ Colloquium; Application of line surge arresters in power
distribution and transmission systems, Cavtat, 2008.
[4] Dellallibera, A.: “Brazilian production development of class 2 polymeric surge arresters
for transmission line application“, CIGRÉ Colloquium; Application of line surge
arresters in power distribution and transmission systems, Cavtat, 2008.
[5] Tsuge K.: “Lightning Protection of Overhead Transmission Lines with Surge Arresters -
Development of Line Arresters and the Technology in Japan“, CIGRÉ Colloquium;
Application of line surge arresters in power distribution and transmission systems,
Cavtat, 2008.
[6] Nuić, S.: “Iskustva u primjeni metal-oksidnih odvodnika prenapona na nadzemnim
visokonaponskim vodovima“, 7. savjetovanje HO CIGRÉ, Cavtat, 2005.
[7] Santica, I.: “Izolacija u srednjenaponskim zračnim mrežama”, Energija 53/6, Zagreb,
2004.
[8] Bošnjak, J.: “MO odvodnici prenapona za SN distributivne mreže”, Elektroenergetika,
Zagreb, 2000.
[9] Tyco Electronic: “Metaloksidni odvodnici prenapona, izbor i primjena u srednje-
naponskim mrežama”, 2007.
[10] ABB Buyers Guide: ″High voltage surge arresters″, Edition 6, 2008.
45
SAŽETAK
Tema ovog diplomskog rada su bili linijski odvodnici prenapona, odnosno njihove
značajke i primjena. Kako je njihova zadaća zaštita od prenapona, u drugom poglavlju je
objašnjen pojam prenapona, spomenute su osnovne vrste prenapona i objašnjen je pojam
povratnog preskoka, kojeg uzrokuje amtosferski prenapon izazvan udarom munje.
Treće poglavlje je posvećeno klasičnim načinima zaštite vodova koji više nisu dovoljni
zbog sve većih zahtjeva potrošaća za kvalitetnom isporukom električne energije. U kratkim
crtama opisana je funkcija zaštitnog užeta i zaštitnog iskrišta, te je spomenuta mogućnost
poboljšanja otpora uzemljenja.
U četvrtom poglavlju prešlo se na glavnu tematiku diplomskog rada, na linijske
odvodnike prenapona. Kako je glavni dio modernih linijskih odvodnika prenapona zapravo
metal-oksidni odvodnik prenapona, koji se već dugo koristi u postrojenjima, navedene su
njegove glavne značajke, objašnjena je njegova konstrukcija i dati su osnovni podaci. Opisani
su opći radni principi i konstrukcija dviju vrsta linijskih odvodnika prenapona koje se koriste
u svijetu, te je data usporedba njihove učinkovitosti u zaštiti od atmosferskih prenapona.
Uspješnost linijskih odvodnika prenapona u zaštiti vodova potvrđena je u petom
poglavlju koje prikazuje rezultate postignute simulacijom u ATP-EMTP programskom
paketu.
U šestom poglavlju iznesena su neka iskustva u primjeni odvodnika prenapona na
vodovima u svijetu i u Republici Hrvatskoj, iz kojih je vidljivo kako je primjena linijskih
odvodnika prenapona postigla odlične rezultate.
