UNIVERZITET U BANJA LUCIELEKTROTEHNIKI FAKULTET BANJA LUKA

DIPLOMSKI RAD:

ZATITA ELEMENATA ELEKTROENERGETSKIH SISTEMA OD ATMOSFERSKOG PRANJENJA

MENTOR: KANDIDAT:PROF.DR STOJAN NIKOLAJEVIDAVOR PRERADOVI

BANJA LUKA, OKTOBAR 2004.

Pod prenaponom se podrazumjeva svako povienje napona izmeu dvije take koje stvara elektrino polje izmeu njih tako da ono moe biti opasno po oteenje izolacije. Prenaponi se prema uzroku nastanka mogu podijeliti na dva osnovna tipa: Spoljanji ili atmosferski prenaponi Unutranji

Spoljanji ili atmosferski prenaponi nastaju usljed atmosferskih pranjenja u elemente elektroenergetskih objekata ili u njihovoj blizini. Pri direktnim atmosferskim pranjenjima u elemente elektroenergetskih sistema pojavljuju se vrlo velike struje koje izazivaju visoke napone na objektima, od kojih se oprema u postrojenjima mora tititi. U sluaju atmosferskog pranjenja u blizinu elektroenergetskog objekta dolazi do indukovanja prenapona, koji mogu biti opasni u mreama srednjih i niskih napona. Visina atmosferskih prenapona zavisi od energije atmosferskog pranjenja, mada se primjena odgovarajuih zatitnih mjera ograniava na nie vrijednosti. Atmosferski prenaponi su aperiodinog oblika na mjestu nastanka, mada mogu pri prostiranju da izazovu oscilacije na dijelovima mree. U frekvencijskom spektru naponskog talasa nastalog atmosferskim pranjenjem pojavljuju se najvie uestanosti od 1MHz do 5 MHz koje odgovaraju poetnom periodu (elo talasa). Unutranji prenaponi nastaju usljed poremeaja u samom sistemu. Dijele se prema uzroku na: sklopne ili komutacione i privremene ili povremene prenapone. Naponi i prenaponi se dijele prema njihovom obliku i trajanju u sljedee klase: Trajni napon pogonske frekvencije Privremeni prenapon

Prelazni prenapon. Prelazni prenaponi podijeljeni su na:

a) Prenapone polaganog porasta ela (sklopni)b) Prenapone brzog porasta ela (atmosferski) c) Prenapone vrlo brzog porasta ela Kombinovani prenaponi

Sam razvoj atmosferskog pranjenja se moe podijeliti u nekoliko faza: prva faza: takasto pranjenje druga faza: skokoviti lider trea faza: glavno pranjenje etvrta faza: viestruki udari.

Oblik negativnog strujnog talasa prvog udaraRazvoj skokovitog lidera Glavno pranjenjeProces viestrukih pranjenja Parametri atmosferskih pranjenja su: elektrini: amplituda struje groma, oblik struje groma,strmina strujnog talasa, toplotni impuls, idr. meteoroloki: opti i parametri vezani za elektroenergetske objekte.

Dio realnog voda na duini dx dx 0 - konstanta prostiranja talasa.

Sluaj idelnog voda (voda bez gubitaka), kod koga je ispunjen uslov da je R1=0 i G1=0, Sluaj voda na kome je ispunjen Hevisajdov uslov:

- konstanta prostiranja Prostiranje inverznog talasa du voda Prostiranje direktnog talasa du voda h(t) jedinina Hevisajdova funkcija - koeficijenat priguenja Vod na kome je ispunjen Hevisajdov uslov:

Prostiranje talasa du voda sa zadovoljenim Hevisajdovim uslovom: a) inverzni talas, b) direktni talasU(t)=Ud(t)+Ui(t),Prelamanje i odbijanje talasa u taki nehomogenosti - po vodu (1) Izmeu koeficijenata prelamanja i odbijanja, bez obzira da li se radi o naponskim ili strujnim koeficijentima, postoji sljedea zavisnost:

U zatitne ureaje od atmosferskih prenapona spadaju: gromobranski tapovi u postrojenjima, zatitna uad na vodovima i postrojenjima, zatitna iskrita i odvodnici prenapona

Zatitna zona tapnog gromobrana

koeficijent za visine(m),aza visine(m),H visina gromobrana,hx visina tienog objekta,- aktivna visina zatitnog iljka.Gromobrani:

Zona tienja zatitnog ueta Zatitna uad:H visina vjeanja zatitnog ueta,hx visina koja se titi,f ugib na sredini raspona Vjerovatnoa da e doi do direktnog udara u fazni provodnik je data preko izraza:

Zatitna iskrita:Zatitno iskrite je namjerno oslabljeno mjesto u sistemu na kojem treba prije da doe do preskoka nego na ostalim elementima sistema. Zatitno iskrite se sastoji od dvije elektrode koje su sfernog oblika na meusobnom rastojanju u vazduhu, na kojima se tano zna preskoni napon, koji je nii od preskonog napona ostalih elemenata sistema. Jedna od elektroda je na potencijalu zemlje, a druga se nalazi pod naponom. Zatita sa zatitnim iskritima je veoma jeftina, jednostavna i pouzdana, ali ima i dvije mane:Sjeenjem atmosferkog prenapona proizvodi naponski talas vrlo velike strmine na elu koji moe da oteti meunavojnu izolaciju aparata kao to su mjerni ili energetski transformatori. Zbog ovoga se iskrita nikada ne postavljaju na prvi ili krajnji stub.Iskrite predstavlja ureaj koji ograniava prenapon, ali pravi kratak spoj poslije reagovanja, tako da se aparat na kojem je iskrite prikljueno mora iskljuiti djelovanjem neke od zatita od kratkih spojeva.

Cijevni odvodnici prenapona:cijev odvodnika, uzemljena elektroda,elektroda pod naponom.

Iskrite S1 je iskrite na kome se stvara luk koji razara cijev, dok iskrite S2 slui da odvoji odvodnik prenapona od mree u trenutku reagovanja. Glavne karakteristine veliine cijevnog odvodnika su: Nazivni napon odvodnika, Nazivna frekvencija, Klasa cijevnog odvodnika, Granine propusne struje, Naizmjenini napon reagovanja i Udarni napon reagovanja, 100 napon reagovanja za talas 1,2/50 s/s.

Silicijum-karbidni (SiC) odvodnici prenapona:Konstrukcija SiC-a sa tanjirastim iskritem Dijagram napona i struje pri reagovanju odvodnika Ekvivalentna ema odvodnika prenapona prije reagovanja ema odvodnika prenapona sa iskritem i magnetnim oduvavanjem lukaiskrita, nelinearni paralelni otpori, kalem za stvaranje magnetnog polja, nelinearni blok.

Osnovne karakteristike SiC odvodnika prenapona su: Nazivni napon, Nazivna frekvencija, Dugotrajna udarna podnosiva struja, Napon reagovanja industrijske frekvencije, Standardni udarni napon reagovanja ili 100 udarni napon, Napon reagovanja odvodnika na elu talasa, Volt-sekundna karakteristika, Preostali napon odvodnika, Strujno-naponska karakteristika ili karakteristika preostalog napona, Propratna struja odvodnika.

Standardne vrijednosti nazivnih struja odvoenja za SiC odvodnike prenapona su: 10 kA; 5 kA; 2,5 kA; 1,5 kA.Kljuni podatak pri izboru SiC odvodnika prenapon je maksimalni radni napon. Najvei privremeni napon se rauna na osnovu izraza:

cd dinamiki faktor prenapona,cf faktor povienja napona usljed spoja jedne faze sa zemljom,um najvea vrijednost linijskog pogonskog napona neke mree.ema ugradnje odvodnika prenapona Definicija proradnog i preostalog napona naponski talas kada odvodnik ne bi proradio,udarni talas na odvodniku, strujni talas kroz odvodnik,

tp proradno vrijeme,Up proradni napon,Uv preostali napon.

Cink-oksidni (ZnO) odvodnici prenapona:Skica mikroskopske strukture nelinearnog otpornika ZnO odvodnikaA ZnO estice,B meugranularni sloj.Primjer nove metode proizvodnje kuita ZnO odvodnika Keramiki otpornici-varistori sastoje se uglavnom od estica ZnO koje su dobijene sinterovanjem sa dodatkom aditiva u tenom stanju, kao to su bizmut-oksid Bi2O3, magnezijum-oksid, Sb2O3 i drugih, ukupno 9 aditiva, u vazduhu na temperaturi od oko 1200C. Posmatranjem mikroskopske strukture materijala moe se uoiti prisustvo mikroskopskih estica izmeu kojih je meugranularni prostor sastavljen od primjesa. estice ZnO su provodne i meusobno spojene serijski i paralelno. Prosjena veliina estica ZnO je 10-20m. Od velike je vanosti homogenost unutar nelinearnog otpornika. Meugranularni prostor varira oko 0,1m i predstavlja barijeru koja biva probijena pri djelovanju povienog napona. Do osnovnih osobina ZnO otpornika moe se doi na osnovu:

Mikroskopski elektrino polje je veliko u meuprostoru izmeu estica ZnO i u blizini njihovih granica, a malo je unutar ZnO estica. Makroskopski je elektrino polje jednako raspodjeljeno unutar materijala. Struja koja tee kroz otpornik prolazi kroz najmanji broj spojeva (najmanji otpor). Uz homogeni sastav mikrostrukture i raspodjela struje e biti jednaka.Mikroskopski e do Dulovog zagrijavanja doi uglavnom na spojevima, ali makroskopski e apsorbcija energije biti homogena, ako je mikrostruktura i gustina struje homogena.

Zamjenska elektrina ema ZnO odvodnikaRz otpornost zrna,Ri nelinearni otpor.Popreni presjek otpornika se odreuje na osnovu sljedeih parametara: Oekivane amplitude struje udarnog pranjenja, Maksimalno dozvoljene temperature odvodnika, Sposobnosti odvoenja toplote sa odvodnika.

Koeficijent nelinearnosti je zavisan o struji i nije konstantan i kree se u opsegu (3050). Zgodan nain prezentacije strujno-naponske karakteristike otpornika u eksponencijalnom obliku je preko referentnih napona i struja:

Iref, Uref referentni napon i struja - koeficijent nelinearnosti.

Strujno-naponska karakteristika ZnO odvodnika Na drugom podruju karakteristike jako je izraena nelinearnost, a temperaturna zavisnost je zanemarljiva. Ova zona je karakteristina po naponu reagovanja. Struja se mijenja po zakonitosti:Skica prenapona:ZnO odvodnik,SiC odvodnik.

U poetku je podruje 1. (prije proboja), u kojem je struja proticanja zanemarljivo mala. Struja proputanja u prvom podruju je preteno kapacitivna. Relativna dielektrina konstanta je vrlo visoka.

Zatitna karakteristika ZnO odvodnika prenapona Zatitna karakteristika ZnO odvodnika prenapona je definisana krivom preostalog napona u opsegu udarnih struja koje se pojavljuju kroz odvodnik pri djelovanju prenapona. Termika stablinost blokova Odvedena koliina toplote sa odvodnika priblino linearno raste sa temperaturom:Q koliina toplote koja se odvodi hlaenjem (J),K koeficijent odvoenja toplote,S povrina hlaenja,T temperatura odvodnika ( C),T0 temperatura okoline ( C).

Kod ZnO odvodnika prenapona se prema JUS IEC 99-4/1995 definiu sljedee karakteristike:Naznaeni napon odvodnika Ur ( rated voltage of an arrester)Trajni radni napon odvodnika Uc (continuous operating voltage of an arrester)Naznaena frekvencija odvodnika (rated frequencu of an arrester)Strma udarna struja (steep current impulse)Atmosferska udarna struja (lighting current impulse)Nazivna struja odvoenja odvodnika In (nominal discharge current of an arrester)Dugotrajna udarna struja (long duration current impulse)Udarne struje odvodnika velike amplitude (high current impulse of an arrester)Sklopna udarna struja odvodnika (switching current impulse of an arrester)Trajna struja odvodnika (continuos current of an arrester)Preostali napon odvodnika Ures (residual voltage of an arrester)Zatitna karakteristika odvodnika (protective characteristics of an arrester).

Standardne vrijednosti nazivnih struja odvoenja za ZnO odvodnike prenapona su:20 kA; 10 kA; 5 kA; 2,5 kA; 1,5 kA.

Presjek SN odvodnika prenapona gornja stezaljka za vezu sa faznim provodnikom,sigurnosna membrana,otvor za isputanje vrelih gasova , opruga za postizanje kontaktnog pritiska izmeu blokova otpornika i provodnih dijelova,nelinearni otpornici od ZnO,porcelansko kuite,otvor za isputanje vrelih gasova u sluaju pojave elektrinog luka,donja stezaljka za vezu sa uzemljenjem, gornja klapna,zaptivka izmeu membrane i kuita,distantni cilindar od provodnog materijala,donja kapa.

Zatitna zona odvodnika prenapona v brzina kretanja udarnog talasa po vodu, Ui nazivni podnosivi atmosferski udarni napon za izolacioni nivo opreme koja se titi,Uz zatitni nivo odvodnika,Udod dodatni induktivni pad napona na prikljunim vodovima od stezaljki odvodnika do voda pod naponom i do uzemljivaa,s strmina ela udarnog talasa.Odvodnik treba biti to blie ureaju kojeg titi. Prikljuak nadzemnog voda na transformatorsku stanicu preko kratke dionice kablaKombinacija nadzemni vod, kabl, nadzemni vod

Odvodnici prenapona u vodnom polju postrojenja 110 kV Nain prikljuivanja odvodnika za zatitu transformatoraOblik prenapona na mjernom transformatoru

Ekvivalentna ema za procjenu broja proboja izolacije stubnih transformatora srednjeg naponaTalasni oblici na prikljucima transformatora (kriva 1) i odvodnika prenapona (kriva 2) Najvaniji parametar ekvivalentne eme su duina veze D1 izmeu prikljuka odvodnika prenapona 2 i provodnog izolatora transformatora 1, kao i duina veze D2 izmeu prikljuka za uzemljenje odvodnika prenapona i prikljuka za uzemljenje na kuitu transformatora Parametri ekvivalentne eme su duina raspona 100 m, visina stuba 10 m i otpornost uzemljenja stuba 10 . Priblian proraun energetskih naprezanja vrimo pomou izraza:

ZAKLJUAK: Primjena gromobrana sa izvorima jonizujueg zraenja, tj. gromobrana koji na svome vrhu nose izvor jonizujueg zraenja nije se pokazala efikasna u pogledu proirenja zatitne zone gromobrana, na ta ukazuju najnoviji eksperimentalni rezultati. Zatitnu zonu zatitnog ueta je najbolje odrediti eksperimentalnim putem ako za to postoji mogunost, a ako ne onda se korite razni empirijski obrasci. Iskrite ima ulogu sklopnog aparata koji ukljuuje kada napon pree odreenu vrijednost (napon reagovanja), a iskljuuje kada struja prolazi kroz nulu. Zatita sa zatitnim iskritima je veoma jeftina, pouzdana i jednostavna. Iskrita ine dopunsku prenaponsku zatitu na vodovima. Nikada se ne postavljaju na prvi ili krajnji stub. Cijevni odvodnici prenapona su ureaji za uspjeno gaenje luka pri emu se stvaraju gasovi od razorenog materijala od koga je nainjena cijev, pri emu se poveava pritisak ili se daje vrtlono ili usmjereno kretanje gasova u cijevi, radi intenzivnijeg gaenja luka. SiC odvodnici prenapona imaju napon reagovanja koji iznosi 4U (p.u.). Pri djelovanju prenapona SiC odvodnici imaju ulogu da smanje otpor i propuste veliku struju pranjenja, a da pri tome zadre preostali napon u granicama koje ne ugroavaju opremu. Poslije prestanka prenapona SiC odvodnici prenapona trebaju da ogranie propratnu struju koja protie pod dejstvom radnog napona, tako da se luk moe ugasiti u prvoj sljedeoj nuli. ZnO odvodnici prenapona za razliku od SiC odvodnika prenapona mogu da se vezuju paralelno u cilju poveanja energetskih mogunosti.

Kod ZnO odvodnika prenapona postoji struja curenja usljed radnog napona i vrijednost ove struje je veoma mala, reda (250500) A. Metal oksidni odvodnici prenapona ugraeni u vodnim poljima postrojenja pruaju veoma kvalitetnu zatitu opreme u vodnim poljima postrojenja. Pored toga, preuzimajui dio struje atmosferskog pranjenja, doprinose poboljanju sveukupne zatite postrojenja. Zahvaljujui razvoju odvodnika prenapona sa kuitem od silikonske gume pojavila se mogunost ugradnje odvodnika na ulaznim portalima postrojenja. Za ovaj nain montae nije potrebna posebna konstrukcija niti posebno mjesto za njihovu ugradnju. Mjesto i nain ugradnje odvodnika prenapona su veoma bitni za ispravnu zatitu pogonskog sredstva, na to projektanti i inenjeri mrea moraju obratiti vie panje. Odvodnici prenapona na stubu, postavljeni na ulazu u kablovsku zavrnicu voda koji ulazi u transformatorsku stanicu, su efikasno sredstvo za zatitu transformatora samo pri dolasku indukovanih prenapona nadzemnim vodovima. Pri atmosferskim pranjenjima direktno u fazne provodnike voda njihova efikasnost zaite se bitno smanjuje. Eventualni problem energetskog preoptereenja odvodnika prenapona na nienaponskom nivou je posebno izraen za sluaj zadravanja klasinih odvodnika na viem naponu, a montiranjem ZnO odvodnika prenapona na niem naponu. U sluaju da je mogu prenos sklopne energije sa vieg na nii naponski nivo potrebno je napraviti takav izbor karakteristika da se obezbijedi reagovanje odvodnika prenapona na viem naponskom nivou.

HVALA NA PANJI