VPLIV ELEKTRIČNEGA OMREŽJA NA DELOVANJE … · univerza v mariboru fakulteta za elektrotehniko, raČunalniŠtvo in informatiko aleš kolbl vpliv elektriČnega omreŽja na delovanje

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Aleš Kolbl

VPLIV ELEKTRIČNEGA OMREŽJA NA

DELOVANJE PRENAPETOSTNE ZAŠČITE

Magistrsko delo

Maribor, februar 2015

Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite

Magistrsko delo

Študent: Aleš Kolbl

Študijski program: Študijski program 2. Stopnje

Elektrotehnika

Smer: Močnostna elektrotehnika

Mentor: red. prof. dr. Jože Pihler

Somentor: asist. dr. Janez Ribič

i

ii

Vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne

zaščite

Ključne besede: prenapetostna zaščita, dolžina vodnikov, prenapetosti

UDK: 621.311.1:621.316.91(043.2)

Povzetek

V magistrskem delu je opisan postopek izbire in delovanje notranje ter zunanje

prenapetostne zaščite. Podrobno je predstavljen izvor strele in ostalih prenapetosti, ki se

pojavljajo v okolici ali v samih objektih. Cilj magistrske naloge je, s pomočjo simulacij v

programskem paketu Matlab/Simulink, ugotoviti vpliv parametrov kabla v električnih

inštalacijah, na delovanje prenapetostne zaščite. Simulacije so se izvajale za realen primer,

na razdalji od transformatorske postaje do porabnika. Simulacije so bile opravljene za

primere brez prenapetostne zaščite, za primere z eno vrsto prenapetostne zaščite (plinski

odvodnik oz. metal-oksidni varistor) in za primer uporabe obeh prenapetostnih zaščit.

iii

Influence of electrical network to overvoltage protection

operation

Key words: overvoltage protection, conductor length, overvoltage

UDK: 621.311.1:621.316.91(043.2)

Abstract

This master's thesis presents the process of selection as well as functioning of internal and

external overvoltage protection. The origin of lightning and other forms of overvoltage,

which are emerging in surrounding areas or within facilities themselves, are presented in

detail. The purpose of this master's thesis is, with the help of simulations in programme

package Matlab/Simulink, to find out the influence of cable parameters in electrical

installations on the functioning of overvoltage protection. Simulations have been

conducted for a real example, at a distance from the transformer station to the user.

Simulations have been carried out for examples without overvoltage protection, for

examples with only one kind of overvoltage protection (gas arrester or metal-oxide

varistor) as well as for examples with the use of both overvoltage protections.

iv

ZAHVALA

Zahvalil bi se mentorju red. prof. dr. Jožetu

Pihlerju in somentorju asist. dr. Janezu Ribiču za

vso pomoč in usmerjanje pri pisanju te naloge.

Posebna zahvala gre Petri in družini, ki so mi stali

ob strani in me spodbujali ves čas študija.

v

Vsebina

1 UVOD ............................................................................................................................ 1

2 PRENAPETOSTI IN PRENAPETOSTNE ZAŠČITE ............................................. 3

2.1 Definicije prenapetosti ....................................................................................................................... 3

2.2 Prenapetosti z notranjim izvorom .................................................................................................... 5

2.2.1 Zemeljski stik ................................................................................................................................... 5

2.2.2 Stikalne manipulacije ....................................................................................................................... 5

2.3 Vpliv tujega omrežja .......................................................................................................................... 6

2.4 Atmosferske prenapetosti .................................................................................................................. 6

2.4.1 Nastanek strele ................................................................................................................................. 7

2.4.2 Lastnosti strel ................................................................................................................................. 10

2.5 Prenapetostna zaščita ....................................................................................................................... 13

3 NAČRTOVANJE STRELOVODNE IN PRENAPETOSTNE ZAŠČITE ........... 14

3.1 Strelovodna zaščita ........................................................................................................................... 15

3.2 Izvori in vrste poškodb ter vrste izgub ob udaru strele ................................................................ 16

3.2.1 Verjetnost nastanka poškodb na objektih ob udaru strele .............................................................. 17

3.2.2 Izgube zaradi udara strel ................................................................................................................ 17

3.3 Dimenzioniranje strelovodne zaščite .............................................................................................. 19

3.3.1 Lovilni sistem ................................................................................................................................ 20

3.3.2 Pomožni deli lovilnega sistema ...................................................................................................... 22

3.3.3 Odvodni sistem .............................................................................................................................. 22

3.3.4 Ozemljitveni sistem ....................................................................................................................... 25

3.4 Notranja prenapetostna zaščita....................................................................................................... 25

3.4.1 Koncept zaščitnih prenapetostnih con ............................................................................................ 25

3.4.2 Izenačitev potenciala ...................................................................................................................... 27

3.4.3 Izenačitev potenciala na meji med LPZ 0A in LPZ 1 ..................................................................... 29

3.4.4 Izenačitev potenciala na meji med LPZ 1 in LPZ 2 ....................................................................... 31

3.5 Izbira in montaža prenapetostne zaščite (SPD) ............................................................................. 32

vi

3.5.1 Karakteristične lastnosti prenapetostne zaščite .............................................................................. 35

3.5.2 Iskrišča in varistorji........................................................................................................................ 36

3.5.3 Uporaba prenapetostne zaščite v različnih sistemih ....................................................................... 38

3.5.4 Uporaba SPD-jev v TN – sistemu .................................................................................................. 40

3.5.5 Uporaba SPD-jev v TT – Sistemu .................................................................................................. 41

3.5.6 Uporaba SPD-jev v IT – Sistemu ................................................................................................... 42

3.5.7 Načrtovanje dolžine priključnih kablov za SPD ............................................................................ 42

3.5.8 Posebnosti pri montaži SPD-jev .................................................................................................... 47

3.5.9 Nekaj primerov montaže SPD-jev ................................................................................................. 48

3.6 Vodniki in kabli ................................................................................................................................ 50

3.6.1 Vrste električnih vodnikov in kablov ............................................................................................. 51

3.6.2 Električne lastnosti kablov in vodnikov ......................................................................................... 54

3.6.3 Dimenzioniranje vodnikov in kablov ............................................................................................. 56

3.6.4 Oklopljanje kablov ......................................................................................................................... 64

3.6.5 Zaščitni vodniki PE ........................................................................................................................ 68

3.6.6 Vodnik PEN ................................................................................................................................... 68

3.6.7 Vodniki za zaščitno izenačitve potencialov ................................................................................... 69

4 MATEMATIČNI MODEL PRENAPETOSTNE ZAŠČITE IN OMREŽJA ...... 71

4.1 Modeli virov prenapetosti ................................................................................................................ 71

4.2 Matematični model plinskega odvodnika v Matlab/Simulink ...................................................... 73

4.3 Nizkonapetostni ZnO prenapetostni odvodnik .............................................................................. 78

4.4 Matematični model omrežja ............................................................................................................ 79

5 VPLIV ELEKTRIČNEGA OMREŽJA NA DELOVANJE PRENAPETOSTNE

ZAŠČITE ............................................................................................................................ 80

5.1 Primer 1: Brez prenapetostne zaščite ............................................................................................. 81

5.2 Primer 2: Uporabljen samo plinski odvodnik ................................................................................ 87

5.3 Primer 3: Uporabljen samo MOV .................................................................................................. 94

5.4 Primer 4: Uporabljena plinski odvodnik in MOV......................................................................... 98

5.5 Povzetek rezultatov ........................................................................................................................ 101

vii

6 SKLEP ....................................................................................................................... 102

7 LITERATURA ......................................................................................................... 104

PRILOGA A ..................................................................................................................... 106

PRILOGA B ..................................................................................................................... 107

PRILOGA C ..................................................................................................................... 109

viii

Slike

Slika 2.1: Vzroki za nastanek prenapetosti [8] .................................................................................................. 4

Slika 2.2: Karta gostote strel [25] ...................................................................................................................... 7

Slika 2.3: Ločevanje naboja v nevihtnem oblaku [25] ...................................................................................... 8

Slika 2.4: Negativen (levo) in pozitiven (desno) blisk oblak – zemlja [3] ........................................................ 9

Slika 2.5: Negativen (levo) in pozitiven (desno) blisk zemlja – oblak [3] ........................................................ 9

Slika 2.6: Tokovni udarni val strele z nekaterimi osnovnimi podatki [8] ........................................................ 11

Slika 2.7: Polni atmosferski val oblike 1,2/50 µs [8] ...................................................................................... 12

Slika 2.8: Razporeditev potenciala pri udaru strele v homogena tla [3] .......................................................... 12

Slika 3.1: Število nevihtnih dni v enem letu v Sloveniji [12] .......................................................................... 15

Slika 3.2: Sestavni deli strelovoda [3] ............................................................................................................. 19

Slika 3.3: Primer uporabe metode kotaleče krogle na pomanjšani maketi objekta [3] .................................... 20

Slika 3.4: Zaščitni kot in primerljiv premer LPS krogle [3] ............................................................................ 21

Slika 3.5: Lovilni sistem po metodi mreže vodnikov [3] ................................................................................ 22

Slika 3.6: Izvedba odvodov [3] ....................................................................................................................... 24

Slika 3.7: Izvedba merilnega spoja .................................................................................................................. 24

Slika 3.8: Vrste ozemljil [8] ............................................................................................................................ 25

Slika 3.9: Zaščitna območja pred učinki elektromagnetnih impulzov strele [8].............................................. 26

Slika 3.10: Mreža povezav pri izvedbi izenačitve potenciala [3] .................................................................... 28

Slika 3.11: Izenačitev potenciala, ko oskrbovalni vodi vstopajo v eni točki [13] ........................................... 30

Slika 3.12: Izenačitev potenciala, ko oskrbovalni vodi vstopajo v različnih točkah [3] .................................. 30

Slika 3.13: Prenapetostni odvodnik na meji med LPZ 0A – 1 [3] .................................................................... 31

Slika 3.14: Prenapetostna zaščita v električni razdelilni omarici (levo) in pri vtičnici (desno) [3] ................. 31

Slika 3.15: Prikaz delovanja »verige« prenapetostne zaščite [13] ................................................................... 34

Slika 3.16: Poškodba stikala RCD zaradi prenapetosti [3] .............................................................................. 41

Slika 3.17: Priklop prenapetostne zaščite v obliki črke V [3] .......................................................................... 43

Slika 3.18: Priklop prenapetostne zaščite v linijski odcep [3] ......................................................................... 43

Slika 3.19: Prenapetostni odvodnik tipa 2 z integrirano predzaščito [3] ......................................................... 44

Slika 3.20: Priporočene priključne razdalje prenapetostne zaščite v linijskih odcepih [3] .............................. 44

Slika 3.21: Omejena napetost ob različnih dolžinah priključnega kabla [3] ................................................... 45

Slika 3.22: Z vidika porabnika neugodno vodenje vodnikov [3] ..................................................................... 45

Slika 3.23: Z vidika porabnika ugodno vodenje vodnikov [3] ........................................................................ 45

Slika 3.24: Montaža prenapetostne zaščite in posledična dolžina priključnega kabla [3] ............................... 46

Slika 3.25: Vodenje vodnikov [3].................................................................................................................... 47

Slika 3.26: Pravilna montaža [3] ..................................................................................................................... 48

Slika 3.27: Najpogostejša montaža [3] ............................................................................................................ 49

Slika 3.28: Napačno izvedena izenačitev potenciala [3] ................................................................................. 49

Slika 3.29: Napačno vodenje vodnikov [3] ..................................................................................................... 50

ix

Slika 3.30: Nadomestno vezje kabla [9] .......................................................................................................... 51

Slika 3.31: Osnovni elementi kabla [9] ........................................................................................................... 51

Slika 3.32: Homogeni vodniki v kablu in nehomogeni ter homogeni vodnik [9] ............................................ 52

Slika 3.33: Okrogli in žičnati vodnik [9] ......................................................................................................... 53

Slika 3.34: Več porabnikov na enem tokokrogu ............................................................................................. 61

Slika 3.35: Brez ozemljitve oklopa [3] ............................................................................................................ 64

Slika 3.36: Obojestranska ozemljitev oklopa [3] ............................................................................................. 65

Slika 3.37: Na eni strani direktno in na drugi preko plinskega prenapetostnega odvodnika ozemljen kabelski

oklop [3] ................................................................................................................................................. 66

Slika 3.38: Priključitev kabelskega oklopa [3] ................................................................................................ 67

Slika 3.39: Primer obojestranske ozemljitve oklopa [3] .................................................................................. 67

Slika 3.40: Primer določitve prereza vodnika dodatne zaščitne izenačitve potencialov Sb med dvema

izpostavljenima prevodnima deloma [17] .............................................................................................. 69

Slika 3.41: Primer določitve prereza vodnika dodatne izenačitve potencialov Sb izpostavljenega prevodnega

dela M in tujega prevodnega dela [17] ................................................................................................... 70

Slika 4.1: Faze delovanja modela plinskega odvodnika v Simulinku [8] ........................................................ 74

Slika 4.2: Blok Distributed parameter line blok za 1, 3 in 6 fazno omrežje [10] ............................................ 79

Slika 5.1: Shema vezave matematičnih modelov prenapetostne zaščite in omrežja v programskem paketu

Matlab/Simulink .................................................................................................................................... 80

Slika 5.2: Shema vezave matematičnih modelov brez prenapetostne zaščite .................................................. 81

Slika 5.3: Shema vezave matematičnih modelov s plinskim odvodnikom ...................................................... 87

Slika 5.4: Shema vezave matematičnih modelov z MOV ............................................................................... 94

Tabele

Tabela 2.1: Nazivne in najvišje obratovalne napetosti [13] ............................................................................... 3

Tabela 2.2: Pregled maksimalnih vrednosti parametrov toka strele glede na različne zaščitne nivoje [8] ...... 10

Tabela 3.1: Velikost okna in polmera krogla v odvisnosti od razreda zaščite [3] ........................................... 21

Tabela 3.2: Tipične razdalje med odvodi glede na razred zaščite [22] ............................................................ 23

Tabela 3.3: Pregled lastnosti posameznih stopenj zaščitnih naprav [8] ........................................................... 33

Tabela 3.4: Lastnosti zaščitnih elementov [8] ................................................................................................. 35

Tabela 3.5: Barve žil v kablu z zaščitnim vodnikom [16] ............................................................................... 53

Tabela 3.6: Barve žil v kablu brez zaščitnega vodnika [16] ............................................................................ 53

Tabela 3.7: Vrednosti konstante K za žičnate vodnike pri frekvenci 50 Hz .................................................... 56

Tabela 3.8: Parametri nizko napetostnih kablov, podani s strani proizvajalca [5] .......................................... 57

Tabela 3.9: Najmanjši dovoljeni prerezi vodnikov za različne načine polaganja in namen tokokroga [19] ... 62

Tabela 3.10: Induktivna in ohmska upornost kablovodov za frekvenco 50 Hz ............................................... 63

Tabela 3.11: Specifična upornost različnih materialov [3] .............................................................................. 65

Tabela 4.1: Parametri vira udarne napetosti .................................................................................................... 73

x

Tabela 4.2: Parametri uporabljenega plinskega odvodnika ............................................................................. 78

Grafi

Graf 4.1: Prikaz napetosti in toka združene izmenične in udarne napetosti .................................................... 72

Graf 5.1: I in u na bremenu (porabniku) v omrežju s podatki proizvajalca kablov, brez LPS......................... 82

Graf 5.2: I in u na bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in induktivnosti, brez LPS ................. 83

Graf 5.3: : I in u na bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in induktivnosti, brez LPS ........... 83

Graf 5.4: : I in u na bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti,

brez LPS ................................................................................................................................................. 84

Graf 5.5: : I in u na bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti, brez

LPS ........................................................................................................................................................ 85

Graf 5.6: I in u na bremenu v omrežju z dvojno razdaljo med elementi omrežja, brez LPS ........................... 86

Graf 5.7: I in u na bremenu v omrežju s polovično razdaljo med elementi omrežja, brez LPS ...................... 86

Graf 5.8: U na PO in bremenu v omrežju s podatki proizvajalca kablov ........................................................ 88

Graf 5.9: I na PO in bremenu v omrežju s podatki proizvajalca kablov .......................................................... 88

Graf 5.10: U na PO in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in induktivnosti ........................... 89

Graf 5.11: I na PO in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in induktivnosti ............................. 89

Graf 5.12: U na PO in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in induktivnosti ....................... 90

Graf 5.13: I na PO in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in induktivnosti ........................ 91

Graf 5.14: U na PO in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti

............................................................................................................................................................... 91

Graf 5.15: U na PO in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti ... 92

Graf 5.16: U na PO in bremenu v omrežju z dvojno razdaljo med elementi omrežja ..................................... 93

Graf 5.17: U na PO in bremenu v omrežju s polovično razdaljo med elementi omrežja ................................ 93

Graf 5.18: U na MOV in bremenu v omrežju s podatki proizvajalca kablov .................................................. 95

Graf 5.19: I na MOV in bremenu v omrežju s podatki proizvajalca kablov .................................................... 96

Graf 5.20: U na MOV in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in induktivnosti ....................... 96

Graf 5.21: I na MOV in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in induktivnosti ......................... 97

Graf 5.22: U na MOV in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in induktivnosti ................... 97

Graf 5.23: I na MOV in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in induktivnosti .................... 98

Graf 5.24: I na PO, MOV in bremenu v omrežju s podatki proizvajalca kablov ............................................. 99

Graf 5.25: I na PO, MOV in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in induktivnosti ................ 100

Graf 5.26: I na PO, MOV in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in induktivnosti ........... 100

Graf B.1: I na PO in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti 107

Graf B.2: I na PO in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti .... 107

Graf B.3: I na PO in bremenu v omrežju z dvojno razdaljo med elementi omrežja ...................................... 108

Graf B.4: I na PO in bremenu v omrežju s polovično razdaljo med elementi omrežja ................................. 108

xi

Graf C.1: U na MOV in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti

............................................................................................................................................................. 109

Graf C.2: I na MOV in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti

............................................................................................................................................................. 109

Graf C.3: U na MOV in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti

............................................................................................................................................................. 110

Graf C.4: I na MOV in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti 110

Graf C.5: U na MOV in bremenu v omrežju z dvojno razdaljo med elementi omrežja ................................ 111

Graf C.6: I na MOV in bremenu v omrežju z dvojno razdaljo med elementi omrežja .................................. 111

Graf C.7: U na MOV in bremenu v omrežju s polovično razdaljo med elementi omrežja ............................ 112

Graf C.8: I na MOV in bremenu v omrežju s polovično razdaljo med elementi omrežja ............................. 112

xii

Uporabljeni simboli

A presek vodnika [mm2]

AD zbirna površina objekta [m2]

C kapacitivnost [μF/km]

D premer zunanje izolacije [mm]

d premer vodnika [mm]

di/dt strmina čela udarnega toka strele [kA/μs]

f frekvenca [Hz]

H0 višina objekta [m]

I bremenski tok [A]

If udarni tok [kA]

Iimp impulzni tok

imax temenska vrednost toka strele [kA]

iodv odvedeni tok [A]

K konstanta odvisna od števila žic v vodniku

k' faktor prenapetosti

kc faktor porazdelitve toka strele po odvodih

ki faktor indukcije

km faktor materiala

kt Toeplerjeva "konstanta" [Vs/m]

ku faktor povečanja maksimalne napetosti

L induktivnost [mH/km]

Ng gostota strel proti zemlji [1/km2∙leto]

P električna moč porabnika [W]

P0 Mayrjeva konstanta moči [W]

Pu odstotni delež strel tipa zemlja - oblak [%]

Qstrele naboj toka strele [C]

R upornost [Ω]

R20 DC upornost vodnika pri temperaturi 20 °C [Ω/km]

Rac AC upornost pri delovni temperaturi [Ω/km]

RB skupna ozemljitvena upornost zaporedno vezanih ozemljil [Ω]

RE najmanjša upornost dotika z zemljo prevodnih predmetov [Ω]

xiii

RKh upornost kabelskega oklopa [Ω]

Rs ohmska upornost [Ω/km]

Rs0 upornost odprtega stikala [Ω]

RT sprejemljivo tveganje nastanka škode

Rt DC upornost vodnika pri temperaturi t [Ω/km]

Rx tveganje nastanka škode

s osnovna razdalja med vodniki v kablu [mm]

Sb prerez zaščitnega vodnika [mm2]

t debelina strešne površine [mm]

t delovna temperatura [°C]

t' debelina strešne površine [mm]

T1 čas naraščanja čela toka strele [s]

T2 razpolovni čas hrbta toka strele [s]

TD število nevihtnih dni v letu

ttr trenutek proženja [s]

u% odstotni padec napetosti [%]

U0 nazivna napetost proti zemlji [V]

Uarc Cassiejeva napetost [V]

udin dinamičen padec napetosti [V]

udin1 dinamičen padec napetosti na fazni strani priklopa prenapetostne zaščite [V]

udin2 dinamičen padec napetosti na ozemljitveni strani priklopa prenapetostne

zaščite [V]

Uges omejena napetost na porabniku [V]

UISO izolacijska trdnost [V]

Umax maksimalna napetost [V]

Up nivo zaščite prenapetostne zaščite

Ures preostala napetost [V]

usp omejevalna napetost prenapetostne zaščite [V]

Uw udarna napetost [V]

W/R specifična energija toka strele [MJ/Ω]

X reaktanca [Ω/km]

Xs induktivna upornost [Ω/km]

xiv

Z impedanca [Ω/km]

Zc valovna impedanca [Ω/km]

α zaščitni kot lovilne palice [°]

α temperaturni koeficient

αu0 začetni kot napetosti

εr relativna dielektrična konstanta izolacijskega materiala

λ specifična prevodnost kovine vodnika [Sm/mm2]

ν hitrost širjenja valovanja

ρ specifična upornost materiala [Ωm]

σ specifična prevodnost [Sm/mm2]

τ Mayrjeva časovna konstanta [s]

τ1 časovna konstanta čela udarnega vala [s]

τ2 časovna konstanta hrbta udarnega vala [s]

xv

Uporabljene kratice

AC izmenični tok (Alternate Current)

D vrste poškodb ob udaru strele

DC enosmerni tok [Direct Current)

GDA plinski odvodnik (Gas Discharge Arrester)

L fazni vodnik

LEMP elektromagnetni udar strele (Lightning ElectroMagnetic imPulse)

LPS sistem zaščite pred delovanjem strele (Lightning Protection System

LPZ zaščitno območje pred učinki strele (Lightning Protection Zone

MOV metal oksidni prenapetostni odvodnik (Metal - Okside Varistor)

N nevtralni vodnik

NN nizkonapetostno

P verjetnost nastanka škode

PE zaščitni vodnik

PEN zaščitno - nevtralni vodnik

PVC polivinilklorid

R tveganje nastanka poškodbe ob udaru strele

RCD diferenčna tokovna naprava (Residual Current Device)

S mesto udara strele

SPD prenapetostna zaščitna naprava (Surge Protection Device)

ZnO cinkov oksid


1

1 UVOD

Prav gotovo si je že vsak postavil vprašanje, kako nastane strela in kako pred njo najbolje

varovati osebe in objekte. S podobnimi vprašanji se ne ukvarjajo samo laiki, temveč tudi

znanstveniki, ki bi ta pojav radi razvozlali in s tem dobili odgovore ter rešitve. .

Da so strele nenavaden in star pojav, dokazuje dejstvo, da so jih v daljni preteklosti

povezovali z bogovi. O tem priča tudi kipec iz 10. stoletja, ki so ga našli na Islandiji in je v

obliki nordijskega boga groma z imenom Thor, za katerega so verjeli, da na zemljo pošilja

strele [2].

Ko govorimo o strelah in njihovi zgodovini, nikakor ne smemo pozabiti na Benjamina

Franklina, ki je živel v 18. stoletju in je bil ameriški državnik, tiskar, pisatelj in

znanstvenik. Leta 1752 je med nevihto spuščal zmaja, ko mu je po mokri vrvici stekel

naboj iz nevihtnega oblaka v kondenzator, ki ga je napolnil. Na osnovi tega je sklepal, da

je statična elektrika povzročila iskro in da so strele neke vrste iskre, s tem pa je dokazal, da

je strela električni pojav. Na osnovi raznih poskusov je leta 1753 patentiral strelovod.

Večje raziskave nevihtnih oblakov in strel so se ponovno pričele med drugo svetovno

vojno z razvojem letal in radarjev, ker so povzročale škodo in ovirale vojaške operacije ter

povzročile smrt mnogih ljudi.

V današnjih časih, ko prihaja do klimatskih sprememb in posledično do pogostih pojavov

ter udarov strel, se premalo posvečamo zaščiti pred njimi. Najpogosteje za zaščito pred

udarom strele uporabljamo strelovod in ob tem pozabljamo, da strela lahko povzroči veliko

škode tudi ob indirektnem udaru. Zaradi indirektnega udara lahko pride v objektu do

prenapetostnega vala, ki nam lahko poškoduje in uniči električne in elektronske naprave,

česar pa si prav gotovo ne želimo. Do prenapetosti lahko pride tudi zaradi stikalnih

manipulacij v energetskem omrežju, na katerega pa nimamo vpliva.

Zaradi vedno večje ogroženosti pred udari strel in prenapetostmi, smo za temo magistrske

naloge izbrali prav prenapetostno zaščito ter vplive parametrov in dolžin kablov na njeno

delovanje, saj menimo, da to področje ni dovolj raziskano.

Cilj magistrskega dela je ugotoviti, kako vplivajo parametri in dolžina kablov na delovanje

prenapetostne zaščite, kjer smo se osredotočili predvsem na prenapetostni odvodnik in

metal – oksidni varistor. Pozornost smo namenili toku in napetosti, ki tečeta skozi

elemente prenapetostne zaščite.


2

V prvem delu magistrske naloge smo opisali vrste in nastanke prenapetosti, saj poznamo

več vrst prenapetosti. Prav tako smo opisali načine varovanja oseb in objektov pred udari

strel in prenapetostmi, saj sta ti dve področji med seboj tesno povezani. V nadaljevanju

smo predstavili na kaj vse moramo biti pozorni pri izbiri in določanju pravilne zaščite pred

udari strele in prenapetostmi. Ker se v magistrski nalogi ukvarjamo tudi s vplivom dolžine

vodnikov med prenapetostno zaščito, smo na kratko opisali tudi električne vodnike in

kable, ter kako jih moramo dimenzionirati.

Glavni del magistrske naloge prestavlja izvedba simulacij v programskem paketu

Matlab/Simulink na realnem primeru, s pomočjo katerih smo lahko ugotavljali vpliv

parametrov kablov na pravilno delovanje prenapetostne zaščite. Za vse uporabljene

elemente omrežja smo uporabili matematične modele, ki so opisani v četrtem poglavju.

Simulacije smo izvajali za primer električnega omrežja od transformatorske postaje pa do

porabnika. Najprej smo opravili simulacijo brez prenapetostne zaščite in spreminjali

vrednosti parametrov kablov. Potem smo opravili simulacijo s plinskim odvodnikom, ki

smo ga namestili v glavno priključno električno omarico. Sledile so simulacije, kjer smo

uporabili samo metal-oksidni varistor, ki je bil nameščen v notranji razdelilni omarici. Na

koncu smo simulirali še omrežje z uporabo obeh prenapetostnih zaščitnih naprav. Rezultati

vseh simulacij se predstavljeni v petem poglavju.


3

2 PRENAPETOSTI IN PRENAPETOSTNE ZAŠČITE

Prenapetosti delimo glede na njihov izvor, ki so lahko notranji ali zunanji. Pri notranjih

izvorih prenapetosti najpogosteje omenjamo stikalne prenapetosti, pri zunanjih pa

atmosferske prenapetosti. V tem poglavju bomo podrobneje predstavili izvore prenapetosti

in naloge prenapetostne zaščite.

2.1 Definicije prenapetosti

Slovensko elektroenergetsko omrežje deluje z omrežno frekvenco 50 Hz na različnih

napetostnih nivojih, ki jih določa standard SIST IEC 60038 [24]. Standard podaja nazivne

napetosti omrežja in dovoljena odstopanja, kot je prikazano v tabeli 2.1.

Tabela 2.1: Nazivne in najvišje obratovalne napetosti [13]

Nazivna napetost

omrežja Odstopanje

Najvišja napetost

opreme

Nazivna napetost omrežja od

100 V do 1000 V (nizka

napetost)

230 V ±10 % -

400 V ±10 % -

1000 V ±10 % -

Nazivna napetost omrežja od 1

kV do 35 kV (srednja napetost)

3 kV ±10 % 3,6 kV

6 kV ±10 % 7,2 kV

10 kV ±10 % 12 kV

20 kV ±10 % 24 kV

35 kV ±10 % 38 kV (40,5 kV)1

Nazivna napetost omrežja od 35

kV do 230 kV (visoka napetost)

110 kV - 123 kV

220 kV - 245 kV

Nazivna napetost omrežja je po standardu določena kot medfazna napetost za katero je

zgrajeno omrežje predvideno. Napetost, ki jo inštalirane naprave ob izrednih dogodkih še

prenesejo brez večjih poškodb in okvar, imenujemo najvišja napetost omrežja in je

določena za naprave, ki se uporabljajo v omrežjih.

V primeru, da pride zaradi kratkotrajnega izrednega dogodka do večjega odstopanja

nazivne napetosti omrežja, kot je to dovoljeno oz. pride do povečanja napetosti med

posameznimi deli omrežja, govorimo o prenapetostih, ki jih lahko razdelimo med notranje

in zunanje pojave. Med notranje pojave štejemo pojave na elektroenergetskem omrežju,

kot so stikalne manipulacije oz. prenapetosti, med zunanje vplive pa štejemo vplive drugih

1 Poenotenje teh vrednosti je v pripravi (SIST IEC 60038).


4

omrežij in atmosferske razelektritve, ki so tudi najpogostejši vzrok prenapetosti. Na sliki

2.1 je prikazana podrobnejša razdelitev prenapetosti, kjer modri kvadratki predstavljajo

prenapetosti, ki se pojavljajo v objektih [8].

Prenapetosti

Zunanji vzroki Notranji vzroki

Vplivi tujega omrežja

Atmosferske prenapetosti

Stikalne manipulacije

Vklop neobremenjenega prenosnega voda

Zemeljski kratki stik

Delovanje zaščite

Izguba bremena

Ferrantijev pojav

Nasičenje magnetnih jeder

V resonančno ozemljenem

omrežju

V omrežju z izolirano

nevtralno točko

Slika 2.1: Vzroki za nastanek prenapetosti [8]

Prenapetosti imajo značilne lastnosti [12]:

amplituda prenapetosti, je običajno podana s faktorjem prenapetosti proti zemlji k',

ki znaša

max

2' 1,225

3

max Uk

U

U

U

(2.1)


5

verjetnost nastopa prenapetosti, nam pomaga pri dimenzioniranju prenapetostne

zaščite, saj nam pove koliko je verjeten nastanek prenapetosti. Podatke

pridobivamo z beleženjem nastanka prenapetosti v preteklosti.

čas trajanja, je pomemben podatek saj z njegovo pomočjo pridobimo podatek o

energiji prenapetosti, ki jo dobimo iz višine napetosti in dolžine trajanja. Čas

trajanja prenapetosti podajamo z razpolovnim časom oz. časom hrbta, ki nam pove

kdaj pade napetost na polovico najvišje vrednosti, saj je čas prenapetosti zelo težko

določiti.

oblika in strmina čela, je odvisna predvsem od vrste prenapetosti in je podana v

kV/µs.

2.2 Prenapetosti z notranjim izvorom

Prenapetosti z notranjim izvorom poznamo več vrst, kot je razvidno iz slike 2.1. V

nadaljevanju smo se osredotočili na prenapetosti z notranjim izvorom, ki so posledica

zemeljskega stika in stikalnih manipulacij.

2.2.1 Zemeljski stik

Enofazni zemeljski stik je najpogostejša okvara trifaznega izmeničnega omrežja. Na obliko

toka kratkega stika in prenapetost, ki se lahko pojavi, vpliva predvsem ozemljitev

nevtralne točke. V omrežju, ki je togo ozemljeno, kratkostični tok izklopi zaščita. Ob

pomanjkanju trajne povezave med nevtralno točko in zemljo, ali v primeru, da je z zemljo

povezana preko tuljave ob enofaznem zemeljskem kratkem stiku, skozi mesto kratkega

stika steče kratkostični tok, ki premakne tudi nevtralno točko zvezdišča napetosti. V

primeru čistega enofaznega kovinskega zemeljskega stika, pade napetost okvarjene faze na

potencial zemlje, enofazna dozemna napetost zdravih faz pa naraste na medfazno linijsko

napetost. Ko imamo togo ozemljeno nevtralno točko, kot je npr. nevtralna točka sekundarja

distribucijskega transformatorja, ali pa imamo preko nizko ohmskega upora posredno

ozemljene nevtralne točke, je potencial zvezdišča fiksiran, kar pomeni, da ob pojavu

enofaznega zemeljskega stika, dozemne napetosti zdravih faz ne rastejo. [8]

2.2.2 Stikalne manipulacije

Do njih prihaja zaradi vklopov in izklopov stikalnih naprav. Da bi zmanjšali prehodni

pojav bi morali stikalo izklopiti pri prehodu toka skozi vrednost 0. Trajanje prenapetosti je


6

v časovnem razponu med mikrosekundami (µs) in milisekundami (ms), saj material

običajno reagira v časovnem oknu ms. Zaradi tega je zelo pomembno pravilno

konstruiranje stikal. Vzroke za vklope in izklope lahko v grobem razdelimo na tri sklope:

obratovalni vklopi in izklopi: izvajamo jih zaradi obratovalnih potreb,

okvare: se lahko zgodijo kjerkoli in kadarkoli,

delovanje zaščite: povzroča izklope namerno o okvarah, vendar časovno

nepredvidljivo.

Stikalne prenapetosti so zaradi nenehnega naraščanja napetosti prenosnega omrežja postale

najpomembnejši faktor za izbiro izolacije v omrežjih najvišjih napetosti. [12]

2.3 Vpliv tujega omrežja

O vplivu tujega omrežja govorimo, ko je obratovalna napetost omrežja, ki je izvor

prenapetosti, višja od obratovalne napetosti omrežja, v katerem pride do prenapetosti.

Vpliv tujega omrežja lahko nastane na tri načine [12]:

Galvanski stik: predstavlja največjo nevarnost za prenapetost za katero je krivo tuje

omrežje. Nastane lahko kot posledica dotika pri križanju nadzemnih vodov, preboja

med različnimi napetostnimi nivoji na transformatorju ali preskoka med priključki

na transformatorju.

Kapacitivna povezava: do nje lahko pride med navitji transformatorja v primeru

nesimetrij. Ta oblika prenapetosti je redka in majhna.

Induktivna povezava: do nje prihaja, ko transformator prenaša prenapetost iz

višjega napetostnega nivoja v nižjega. Ker omrežje nižjega napetostnega nivoja

lažje izoliramo, vpliv tujega omrežja običajno ni problematičen.

2.4 Atmosferske prenapetosti

Atmosferske prenapetosti spadajo v skupino zunanjih prenapetosti, katerih izvor je energija

izven omrežja. Prav tako so atmosferske prenapetosti tudi najpogostejši vzrok prenapetosti

in povzročajo največjo škodo.

V Sloveniji opravlja meritve povezane z udari strele Elektroinštitut Milan Vidmar od leta

1996. Letno zaznajo na območju Slovenije povprečno 75000 strel s povprečno močjo med

12 kA in 15 kA, najmočnejše strele pa lahko dosežejo malo manj kot 80 kA. Kot je

razvidno iz slike 2.2 je najmanjša gostota strel v nižinskem delu Slovenije, največja


7

gostota pa v višinskem delu. Ker so atmosferske prenapetosti najbolj pogosto in nevarne,

jih bomo pogledali podrobneje.

Slika 2.2: Karta gostote strel [25]

2.4.1 Nastanek strele

Pogoj za nastanek neviht je potovanje toplotnih zračnih mas z dovolj vlage na visoki višini.

Potovanje teh toplotnih mas lahko poteka na več različnih načinov. Pri toplotnih nevihtah

se zemlja zaradi sončnega sevanja segreva. Posledično se segreva tudi zrak v bližini zemlje

in zaradi tega se ta zrak prične dvigati. Pri frontalnih nevihtah se zaradi udara hladne fronte

hladen zrak vrine pod toplega in ga tako prisili, da se prične dvigati. Pri orografskih

nevihtah se topel zrak dviga zaradi geografskih lastnosti zemlje tik, nad katero se giblje.

Med samim dvigovanjem se zrak ohlaja in ob določeni temperaturi postane nasičen z

vodno paro in dviganje od te točke naprej vodi do kondenzacije in tvorbe oblaka.

Sproščena uparjalna toplota upočasni nadaljnje hlajenje. Z »izstopom« vode postane zrak

zopet lažji, kar mu da ponovni vzgon [12]. Pojavi se vzgornjik z vertikalno hitrostjo do 100

km/h, ki ustvarja začetne oblake na višini 5–12 km in s premerom 5–10 km. [3]


8

Nastanek nevihtne tvorbe lahko v grobem ločimo na tri stanja [12]:

Nastanek: prvih 10 do 15 minut nastaja kopasti oblak, vzgornjik narašča z višino in

proti notranjosti.

Zrela doba: v zreli dobi nevihtnega oblaka pride do padavin, ki jih v začetku nosijo

vzgornjiki. V bližini ledišča vzgon ne zadošča več in pride do močnih padavin. Pri

tem nastajajo tudi mrzli vetrovi, ki so usmerjeni proti tlom in tam povzročajo

močne nevihtne vetrove, kar traja 15 do 30 minut.

Prenehanje: zaradi močnih padavin vzgornjiki pretvorijo v proti tlom usmerjene

vetrove, nevihtni oblak ostari. Ko vzgornjika ni več, padavine nenadoma prenehajo,

kar traja okoli pol ure.

Preko elektrostatičnih procesov ločevanja nabojev, kot je trenje, pride do naelektritve

vodnih kapljic in ledenih delcev. V zgornjem delu oblaka oz. na višini 8 do 10 km, se

pričnejo nabirati delci s pozitivnim naboj, v spodnjem delu oblaka, nekje na višini 5 km, pa

delci z negativnim nabojem. Zraven tega, se še v spodnjem delu oblaka nahaja majhen

center pozitivnega naboja, kot je prikazano na sliki 2.3. Izvor tega centra pozitivnega

naboja v spodnjem delu oblaka je koronska razelektritev, katere naboj iz objektov oz.

rastlin pod nevihtnim oblakom se dviguje s pomočjo vetra. [3]

Slika 2.3: Ločevanje naboja v nevihtnem oblaku [25]

Nekako si lahko nevihtni oblak predstavljamo kot velik elektrostatični generator, kjer so

kapljice in kristali uporabljeni kot nosilci elektrine. V tem primeru je vzgornjik kot

prenosno sredstvo, naloga sonca pa je zagotavljanje energije, katere naloga je skrb za

vlažnost preko segrevanja zračnih plasti in s tem posledično povzročanje hlapenja vode.


9

Da lahko pride do udara strele, mora v oblaku priti do lokalne poljske jakosti nekaj 100

kV/m. Glede na to, da lahko strele povzroči pozitiven ali negativen naboj v oblaku in na

smer udara strele, poznamo več vrst udarov strele:

blisk v oblaku,

blisk oblak – oblak,

pozitiven ali negativen blisk oblak – zemlja (Slika 2.4),

pozitiven ali negativen blisk zemlja – oblak (Slika 2.5).

Slika 2.4: Negativen (levo) in pozitiven (desno) blisk oblak – zemlja [3]

Slika 2.5: Negativen (levo) in pozitiven (desno) blisk zemlja – oblak [3]

Atmosferska razelektritev med oblakom in zemljo spada med najbolj nevarne, saj lahko ob

razelektritvi skozi prevodni kanal steče tok z maksimalno vrednostjo 200 kA. Med

najmočnejše strele spadajo pozitivne strele z vrha oblaka proti zemlji, ki lahko zaradi

velike količine zbranega naboja dosežejo zelo velike tokove. [8]


10

2.4.2 Lastnosti strel

Udar strele ni nikoli samo en sam, temveč je sestavljen iz več zaporednih kratkih udarov,

ki jim lahko sledi še dolg udar. Te udare okarakteriziramo s fizikalnimi lastnostmi,

pridobljenimi s pomočjo množice meritev [8]:

temenska vrednost toka strele imax [kA],

naboj, ki ga nosi udar strele Qstrele [C],

specifična energija W/R toka strele [MJ/Ω],

strmina čela udarnega tokovnega vala di/dt [kA/μs],

Parametri, ki so podani v tabeli 2.2, podajajo vrednosti največjega toka udarnega vala ob

udaru strele v strelovod in veljajo v vsaj 90 % udarov strel. [8]

Tabela 2.2: Pregled maksimalnih vrednosti parametrov toka strele glede na različne

zaščitne nivoje [8]

Prvi kratek udar Zaščitni nivo

Parametri toka Simbol Enota I II III IV

Temenska vrednost imax [kA] 200 150 100

Naboj kratkega udara Qshort [C] 100 75 50

Specifična energija W/R [kJ/] 10000 5625 2500

Časovni parametri vala T1/T2 [s/s] 10/350

Kratek naslednji udar Zaščitni nivo


Temenska vrednost imax [kA] 50 37,5 25

Povprečna strmina čela di/dt [kA/s] 200 150 100

Časovni parametri vala T1/T2 [s/s] 0,25/100

Dolgi udar Zaščitni nivo


Naboj dolgega udara Qlong [C] 200 150 100

Časovni parametri vala Tlong [s] 0,5

Blisk Zaščitni nivo


Naboj dolgega udara Qbliska [C] 300 225 150


11

Slika 2.6 prikazuje tokovni udarni val z nekaterimi osnovnimi podatki. Pri obdelavi

podatkov je pomemben podatek čas čela, ki nam pove v kolikšnem času naraste tok do

maksimalne vrednosti. S pomočjo tega časa dobimo razpolovni čas hrbta oz. čas, v

katerem pade vrednost toka na polovico maksimalne vrednosti. Pri simulacijah za

laboratorijske in analitične namene se večinoma uporablja tokovni val oblike 10/350 µs pri

katerem tok do maksimalne vrednosti narašča 10 µs in pada do polovične vrednosti 350 µs.

[8]

Slika 2.6: Tokovni udarni val strele z nekaterimi osnovnimi podatki [8]

Podobno obliko kot tokovni udar strele ima tudi prenapetost atmosferske razelektritve. Pri

preizkušanjih uporabljamo standardizirano obliko prenapetostnega vala 1,2/50 µs, ki so jo

določili na osnovi statistično določenih srednjih vrednosti meritev in je prikazan na sliki

2.7.

Atmosferske razelektritve lahko upoštevamo kot idealen tokovni izvor. V primeru, da

skozi prevodni material teče tok, pride zaradi amplitude toka in impedance prevodnega

materiala do padca napetosti, kar je najpreprosteje razložiti s pomočjo Ohmovega zakona:

U R I (2.2)

1T

2T

0

m ax0,1 i

max0,5 i

max0,9 i

max1,0 i

μst

kAi

1

2

1...10 μs

50...200 μs

T

T

10 ..

. 20

kA/µ

s

m ax 40 ...60 kAi


12

Slika 2.7: Polni atmosferski val oblike 1,2/50 µs [8]

Če tok vstopi v prevodni in homogen material v samo eni točki, pride do nastanka tako

imenovanega potencialnega lijaka (Slika 2.8). Do tega pojava pride tudi pri udaru strele v

homogena tla.

V primeru, da se v območju tega potencialnega lijaka nahajajo ljudje ali živali, lahko pride

do previsoke napetosti koraka, zaradi katere lahko pride do hudih telesnih poškodb. Čim

večja je prevodnost zemlje, tem bolj ploščat je potencialni lijak, s tem pa se zmanjša tudi

nevarnost koračne napetosti2. [3]

Slika 2.8: Razporeditev potenciala pri udaru strele v homogena tla [3]

2 Koračna napetost – potencialna razlika točk na zemlji, ki sta 1 m narazen.

1T

0

0,3

0,5

0,9

1,0

u

2T

1

2

1,2 μs

50 μs

T

T

t


13

V primeru, da strela udari v hišo s strelovodom in so vsi prevodni predmeti, ki so na

dosegu roke, povezani na enak potencial, ni nevarnosti za osebe v hiši. Ravno zaradi tega

je potrebno vse prevodne predmete v hiši in tudi tiste, ki pridejo v hišo ter se jih lahko

dotaknemo, povezati na enak potencial. V primeru, da je to narejeno površno, grozi

nevarnost previsoke napetosti dotika3. Dvig potenciala ozemljitve, zaradi udara strele,

lahko povzroči tudi poškodbe na električnih napravah. [3]

2.5 Prenapetostna zaščita

Naloga prenapetostne zaščite je varovanje objekta in naprav pred požarom in mehanskimi

uničenji ter varovanje ljudi v objektu pred poškodbami in smrtjo. Za njeno pravilno

delovanje sta potrebna zunanja in notranja zaščita pred udarom strele in prenapetostmi, in

ju zaradi tega obravnavamo kot en sistem. V primeru strokovne razčlenitve na

funkcionalne postopke, pa lahko na notranjo zaščito gledamo ločeno, saj je njena naloga,

poleg izničevanja strele, tudi varovanje napeljav in elektronskih naprav v hiši pred škodo

električnega in magnetnega polja.

Naloge zunanje strelovodne zaščite so:

lovljenje direktnih udarov strele z lovilnim sistemom,

varno prevajanje toka, ki nastane ob udaru strele, proti zemlji po strelovodu,

razdelitev električnega toka zaradi udara strele preko ozemljitve.

Naloge notranje zaščite so:

preprečevanje nastanka nevarnih isker v samem objektu.

3 Napetost dotika - potencialna razlika med opazovanim delom naprave in točko, ki je 1 m oddaljena od

naprave. [12]


14

3 NAČRTOVANJE STRELOVODNE IN PRENAPETOSTNE

ZAŠČITE

Ker objekte najbolj ogroža atmosferska prenapetost, se bomo v tem poglavju bolj posvečali

vplivom in izbiri zaščite objektov pred atmosferskimi prenapetostmi. Pri izbiri vrste

prenapetostne zaščite je odločilna pogostost udarov strel oblak – zemlja/objekt na

območju, kjer leži objekt, ki ga želimo zaščititi.

Število strel med življenjsko dobo vsake tipične nevihtne celice, ki je lahko kontinentalna

ali na morju, je v povprečju 3 na minuto. Med samo aktivno dobo nevihte se pojavi

približno 70 % vseh strel. Merilo za strele oblak-zemlja je gostota strel proti zemlji na

opazovanem območju 1 na km2 na leto, Ng. Na osnovi večletnih meritev se je pokazalo, da

obstaja korelacija med strelami in številom nevihtnih dni na leto, TD. Na podlagi meritev,

je bila preko nelinearne regresije g DN T , pridobljena empirična enačba:

1,25

2

10,04

km letog DN T

(3.1)

Koeficienta nelinearne regresije α in β, ki imata za naše območje vrednosti α = 0,01 in β =

1, se spreminjata od območja do območja [8].

Slika 3.1 prikazuje izokeravnično karto s številom nevihtnih dni v enem letu na območju

Slovenije. Z njeno pomočjo si pomagamo pri določanju gostote strel proti zemlji na

območjih, kjer nimamo lokatorjev strel proti zemlji. Na območjih, kjer ni višjih objektov

od 70 m, se praktično zmeraj pojavi strela v smeri oblak–zemlja. V primeru, da imamo na

nekem območju objekte, ki so višji od 70 m, lahko s pomočjo empirične enačbe (3.2)

izračunamo odstotek strel tipa zemlja–oblak.

52,8 ln 230 %u oP H (3.2)

kjer je Ho višina objekta podana v metrih [8].

Vendar iz enačbe (3.1) ne moremo ugotoviti, kako pogosto pride do udara strele v objekt in

kako pogosto do udara strele v bližino objekta. Zato bomo v nadaljevanju opisali način

izbire pravilne prenapetostne zaščite ob morebitnem direktnem udaru strele v objekt.


15

Slika 3.1: Število nevihtnih dni v enem letu v Sloveniji [12]

3.1 Strelovodna zaščita

Strelovodna zaščita sodi med najbolj učinkovito zaščito pred udarom strele, vendar pa ni

popolna zaščita, saj še zmeraj obstaja verjetnost, da lahko strela udari v objekt. Po

standardu SIST EN 62305-1 [20] poznamo štiri različne nivoje strelovodne zaščite:

zaščitni nivo I (prestreže 99 % vseh strel v objekt ali blizu ščitenega objekta),

zaščitni nivo II (prestreže 97 % vseh strel v objekt ali blizu ščitenega objekta),

zaščitni nivo III (prestreže 91 % vseh strel v objekt ali blizu ščitenega objekta),

zaščitni nivo IV (prestreže 84 % vseh strel v objekt ali blizu ščitenega objekta).

O smotrnosti montaže strelovodne zaščite lahko odloča investitor oz. lastnik objekta, so pa

določeni objekti, kjer je montaža strelovodne zaščite obvezna [8]:

mesta ali objekti, kjer se na pokritih mestih zbira manj kot 100 ljudi (kinodvorane),

mesta ali objekti, kjer se lahko zbere več kot 200 ljudi (šole, muzeji ipd.). Vpliva na

to, da morajo ti objekti imeti požarne stopnice in zasilno razsvetljavo.

dvorane, katerih površina presega 2000 m2,

nakupovalni centri, v katerih so trgovine s površino, manjšo od 2000 m2, vendar

skupna površina presega 2000 m2. Objekti so med seboj povezani. Opremljeni so s

požarnimi stopnicami.

razstavni prostori, katerih skupna površina presega 2000 m2,


16

restavracije in hoteli z več kot 60 posteljami,

nebotičniki,

bolnišnice in drugi objekti sorodnega značaja,

garažne hiše,

objekti in zgradbe:

o z eksplozivnimi materiali kot so tovarne eksplozivov, kjer obstaja nevarnost

eksplozije (kemične tovarne),

o kjer obstaja nevarnost izbruha požara (žage, objekti s slamnato kritino,

skladišča lahko vnetljivih materialov),

o kjer se zbira množica ljudi (šole, domovi za starostnike, barake, zapori,

železniške postaje),

o s področja kulturnega značaja (muzeji, arhivi),

o ki so višji od ostalih obkrožajočih objektov (dimniki, stolpi, nebotičniki).

3.2 Izvori in vrste poškodb ter vrste izgub ob udaru strele

Dejanski izvori poškodb so udari strele, ki jih na podlagi načina udara strele razdelimo v

štiri skupine [21]:

udar v objekt,

udar v bližino objekta,

udari v oskrbovalne vode, ki vstopajo v objekt (plinovod, vodovod,

telekomunikacijski vodi…),

udari v bližino oskrbovalnih vodov.

Ti izvori poškodb, ki lahko poškodujejo celoten objekt ali pa samo del, lahko povzročijo

različne vrste poškodb, ki so odvisne od karakteristik objekta, ki ga varujemo. Zelo

pomembne karakteristike so vrsta gradnje, vsebina objekta, namen uporabe, predvideni

varnostni ukrepi.

Vsaka vrsta poškodbe ali njihova kombinacija lahko povzroči različne izgube v varovanem

objektu, ki so v standardu SIST EN 62305-2 [21] razdeljene v štiri skupine:

telesne poškodbe in izguba človeškega življenja,

nesprejemljiv izpad javne oskrbe,

nenadomestljiva izguba kulturne dediščine,

ekonomska izguba.


17

Izgube v prvih treh skupina predstavljajo izgube družbenih vrednot. Zadnja skupina pa

predstavlja izgube, ki so povsem ekonomske.

3.2.1 Verjetnost nastanka poškodb na objektih ob udaru strele

S pomočjo tega parametra lahko ugotovimo, s kolikšno verjetnostjo lahko določen nevaren

dogodek povzroči točno določeno poškodbo. Poznamo 8 različnih verjetnost nastanka

poškodbe [3]:

Ob direktnem udaru v objekt:

električni udar ljudi in živali,

fizikalne posledice (požar, eksplozija…),

izpad električnih in elektronskih sistemov;

Ob udaru strele v tla v bližini objekta:


Ob direktnem udaru v oskrbovalni vod:

električni udar ljudi in živali,

fizikalne posledice (požar, eksplozija…),


Ob udaru strele v tla v bližini oskrbovalnega voda:

izpad električnih in elektronskih sistemov.

Vse verjetnosti nastanka poškodb so podrobneje opisane v standardu SIST EN 62305-2

[21], kjer jih lahko preberemo direktno iz tabele ali pa jih dobimo kot kombinacijo

različnih vplivnih faktorjev.

3.2.2 Izgube zaradi udara strel

V primeru, da je prišlo do poškodbe objekta ali v samem objektu, je potrebno razsežnosti

poškodbe oceniti. Tako ima lahko poškodba informacijsko tehnične naprave zelo različne

posledice. V primeru, da ne pride do izgub pomembnih poslovnih podatkov lahko pride do

poškodb strojne opreme, ki lahko znaša tudi nekaj tisoč evrov. V primeru, da je naprava

pomembna za vse IT komunikacije v objektu, se poškodbe in izgube različnih vrednosti

seštevajo. Za ocenjevanje posledic poškodb uporabljamo faktor izgub, ki jih glede na vrsto

poškodbe, ki so opisane v poglavju 3.2, delimo na različne vrste [3]:

izguba zaradi poškodb ob prevelikih napetostih dotika in koraka,


18

izgube zaradi fizičnih poškodb,

izgube zaradi razpadov notranjih sistemov.

Zraven teh izgub poznamo še ostale izgube [12]:

izguba ob izpadu električnih in elektronskih sistemov v objektu zaradi udara strele

v bližini objekta,

izguba ob nastopu prenapetosti zaradi direktnega udara strele v oskrbovalne vode,

izguba ob povzročitvi požara, morebitni eksploziji ali kemijskih reakcijah kot

posledica direktnega udara strele v oskrbovalne vode,

izguba ob izpadu električnih ali elektronskih sistemov kot rezultat direktnega udara

strele v oskrbovalne vode,

izguba ob izpadu električnih ali elektronskih sistemov zaradi udara strele v bližini

oskrbovalnega voda.

Zraven faktorja izgub poznamo še nekaj drugih faktorjev, ki so pri oceni izgub zelo

pomembni [12]:

faktor zmanjšanja možnosti izgube človeškega življenja ali poškodb, ki je odvisen

od tal

faktor zmanjšanja te vrste izgub zaradi izvedenih ukrepov za zmanjšanje posledic

požara ob udaru strele,

faktor zmanjšanja te vrste izgub odvisen od tveganja izbruha požara v objektu ob

udaru strele),

faktor povečanja izgub te vrste zaradi fizične škode ob prisotnosti posebnih

nevarnosti.

Telesne poškodbe ali izguba življenja

Izguba mora biti izračunana za vsako pomembno tveganje, povezano z gradbenim

objektom. V primeru, da je objekt razdeljen na več različnih območij, moramo izgube

razdeliti po posameznem območju. Vrednost izgub je odvisna od lastnosti območij, ki jih

določamo s pomočjo faktorja povečanja in redukcijskih faktorjev. Pomembno je tudi

razmerje med številom ogroženih oseb v določenem območju in številom oseb v celotnem

objektu. Upoštevati moramo še razmerje časa v urah na leto, ko so v objektu ali izven

objekta prisotni ljudje.


19

Nesprejemljiv izpad javne oskrbe

Izgubo ob izpadu javne oskrbe določimo na osnovi lastnosti gradbenega objekta oz. njenih

območij. Pri tem moramo upoštevati naslednje:

število uporabnikov brez oskrbe,

število vseh oskrbovanih oseb,

obdobje človeške prisotnosti v objektu v nevarnem območju znotraj objekta v urah

na leto.

Nenadomestljiva izguba kulturne dediščine

Do izgube nenadomestljive kulturne dediščine pride v glavnem ob požaru, ki ga povzroči

udar strele. Zraven vseh faktorjev upoštevamo tudi razmerje med vrednostjo pričakovanih

izgub blaga v denarju in med vrednostjo vsega blaga v denarju.

3.3 Dimenzioniranje strelovodne zaščite

K strelovodni zaščiti spadajo lovilni, odvodni in ozemljitveni sistem (Slika 3.2). Prav tako

delimo strelovod na izoliran in neizoliran strelovod. V primeru izoliranega strelovoda se

lovilni in odvodni sistem nikjer ne dotikata varovanega objekta. Za take strelovode se

odločamo, ko obstaja nevarnost, da bi tok strele lahko povzročil požar ali eksplozijo na

objektu. Neizoliran strelovod pa je v vsaj eni točki povezan z notranjim sistem zaščite proti

delovanju strele. Za njega se odločamo predvsem na objektih iz negorljivih materialov. [8]

Slika 3.2: Sestavni deli strelovoda [3]


20

3.3.1 Lovilni sistem

Naloga lovilnega sistema je varovanje določenega volumna pred direktnim udarom strele.

S pravilno izvedenim lovilnim sistemom kontrolirano preprečimo posledice ob udaru strele

v objekt. Pri določanju položaja lovilnega sistema moramo posebno pozornost nameniti

kotom in robom, kar še posebej velja za strehe. Pri določanju položaja lovilnega sistema si

lahko pomagamo na tri načine:

metoda kotaleče krogle,

metoda zaščitnega kota in

metoda mreže vodnikov

Najprimernejša in najpogosteje uporabljena metoda je metoda kotaleče krogle, ki je najbolj

primerna pri objektih z zahtevno geometrijo. [3]

Metoda kotaleče krogle

Pri tej metodi kotalimo kroglo določenega premera po objektu in v njegovi okolici. Na

vseh stičnih mestih med objektom in kroglo lahko pride do udara strele in zato moramo na

teh mestih postaviti strelovod. To metodo lahko izvedemo s pomočjo računalniškega

programa, ki se imenuje Ščit. Metodo lahko izvedemo tudi na pomanjšani maketi objekta,

kot je prikazano na sliki 3.3. Povezavo med razredom zaščite in polmerom krogle

prikazuje tabela 3.1. [8]

Slika 3.3: Primer uporabe metode kotaleče krogle na pomanjšani maketi objekta [3]

Metoda zaščitnega kota

Pri tej metodi iščemo kot α, ki ga dobimo kot naklon sekante LPS krogle tako, da imata

zaščitni območji pod LPS kroglo in pod premico naklona lovilne palice, enako površino,


21

kot je prikazano na sliki 3.4. Metodo uporabljamo predvsem za določanje razporeditve

lovilnih palic na slemenu strehe in za določanje višine lovilnih palic, ki varujejo dimnike,

antene, itd. na strehi. Višina lovilnikov mora biti taka, da so objekti, ki jih ščitimo v

zaščitnem kotu palice. [8]

Slika 3.4: Zaščitni kot in primerljiv premer LPS krogle [3]

Metoda mreže vodnikov

Metodo uporabljamo najpogosteje pri določanju razporeditve mreže na ravnih in

enostavnih dvokapnih strehah za neizolirane strelovode. Tudi ta metoda se uporablja v

kombinaciji z LPS kroglo. Ker so vodniki na podstavkih, ki merijo v višino do 20 cm,

moramo postaviti tako velika okna v mreži vodnikov, da se kotaleča krogla ne dotika

objekta. Odvisnost velikosti oken od razreda zaščite prikazuje tabela 3.1. Primer lovilnega

sistema po metodi mreže vodnikov je prikazan na sliki 3.5. [8]

Tabela 3.1: Velikost okna in polmera krogla v odvisnosti od razreda zaščite [3]

razred zaščite velikost okna premer krogle

I 5 x 5 m 20 m

II 10 x 10 m 30 m

III 15 x 15 m 45 m

IV 20 x 20 m 60 m


22

Slika 3.5: Lovilni sistem po metodi mreže vodnikov [3]

3.3.2 Pomožni deli lovilnega sistema

Med običajne dele lovilnega sistema spadajo deli konstrukcije kot so žlebovi, ograje, itd. V

primeru objekta, ki ima železno ogrodje, kovinsko streho in fasado iz prevodnega

materiala, lahko te dele pod določenimi pogoji uporabimo tudi za zunanjo zaščito pred

udarom strele. Prav tako lahko uporabimo pločevino na objektu, če je med seboj električno

trajno povezana. To trajno povezavo lahko izvedemo s spajkanjem, varjenjem, stiskanjem,

vijačenjem, itd. V primeru, da tako povezovanje ni mogoče, lahko uporabimo

premostitvene trakove ali vodnike. V primeru, da imamo na strehi prevodne materiale, jih

lahko uporabimo kot lovilni sistem pod pogojem, da niso povezani z notranjostjo objekta.

3.3.3 Odvodni sistem

Odvodni sistem je električno prevodna povezava med lovilnim in ozemljitvenim sistemom.

Njihova naloga je prevajanje toka ob udaru strele proti ozemljitvenem sistemu ne da bi

prišlo do poškodb na ščitenem objektu. Da bi preprečili poškodbe ob prevajanju toka strele

proti ozemljitvenem sistemu, moramo zadostiti naslednjim zahtevam [3]:

imeti moramo več paralelnih odvodnih poti,

imeti moramo čim krajše odvode (ravne, brez zank),

povezava s prevodnimi deli objekta mora biti izvedena povsod kjer je potrebna.

Določanje števila odvodov

Število odvodov določamo glede na obseg zunanjega roba strehe, tako da so med seboj

enakomerno porazdeljeni, če je le to mogoče. Prav tako na število odvodov vpliva tudi

razred zaščite (Tabela 3.2). V primeru, da ločilne razdalje pri določenem število odvodov


23

ne moremo zagotoviti, lahko to dosežemo s povečanjem števila odvodov. Kot odvode

lahko uporabimo tudi ostale dele objekta, ki zagotavljajo električno prevodnost.

Tabela 3.2: Tipične razdalje med odvodi glede na razred zaščite [22]

razred zaščite tipična razdalja

I 10 m

II 10 m

III 15 m

IV 20 m

V primeru, da pritrjujemo odvode direktno na objekt, mora biti stena iz materialov, ki so

težko ali pa normalno vnetljivi. Ker se lahko vnetljivi materiali skoraj ne uporabljajo, je

večina odvodov, pritrjena direktno na steno objekta. Odvode lahko pritrdimo tudi direktno

na les, ker je les pri gostoti več kot 400 kg/m2 in debelini 2 mm normalno gorljiv. [3]

Izvedba odvodov

Odvode moramo izvesti tako, da so direktno nadaljevanje lovilnega sistema. Polagamo jih

ravno in navpično, s čimer zagotavljamo čim krajše razdalje. V nobenem primeru ne

smemo odvodov polagati v žlebe ali odtoke žlebov, ker zaradi prisotnosti vlage lahko pride

do močne korozije. V primeru, da za odvode uporabljamo aluminijasto žico je zaradi

korozije ne smemo polagati pod omet ali v beton. To lahko storimo samo, ko uporabljamo

izolirano žico in ko lahko zagotovimo, da ne bo prišlo do mehanske poškodbe izolacije.

Priporočljivo je, da odvode polagamo tako, da zadovoljivo ločilni razdalji s od vrat in oken

(Slika 3.6). Prav tako moramo na vseh mestih križanja odvoda in žleba izvesti spoj. Odtoke

žlebov moramo v vsakem primeru spodaj povezati z izenačitvijo potenciala ali

ozemljitvijo, saj tako zagotovimo, da ob udaru strele tudi po njih teče del toka. [3]


24

Slika 3.6: Izvedba odvodov [3]

Merilni spoji

Na vsakem spoju odvodnika z ozemljitvijo moramo izvesti merilni spoj (Slika 3.7), ki je

zahtevan zaradi preverjanja naslednjih lastnosti strelovoda [3]:

povezava posameznega odvoda preko lovilnega sistema z drugimi odvodi,

povezava med izvodi ozemljila,

upornost ozemljil.

V primeru, da za odvode uporabljamo armaturo sten, ki je povezana s temeljnim

ozemljilom, merilni spoji niso potrebni. Merilne spoje moramo izvesti na vidnem in

dostopnem mestu, zaradi lažjega opravljanja meritev.

Slika 3.7: Izvedba merilnega spoja


25

3.3.4 Ozemljitveni sistem

Ozemljitveni sistem je najpomembnejši in nadaljevalni del lovilnega in odvodnega

sistema. Njegova naloga je odvajanje toka strele v zemljo. Prav tako je povezan z glavno

zbiralko izenačitve potenciala in posledično z notranjim sistemom prenapetostne zaščite.

Poznamo več vrst ozemljil, ki se najpogosteje uporabljajo (Slika 3.8):

žično ozemljilo,

tračno ozemljilo,

paličasto ozemljilo.

a) žično ozemljilo

a) tračno ozemljilo

b) paličasto ozemljilo

Slika 3.8: Vrste ozemljil [8]

Pogosto uporabljamo tudi pomožno ozemljilo, kamor spadajo tudi ozemljila v temelju.

3.4 Notranja prenapetostna zaščita

Za varovanje objekta pred prenapetostmi ni dovolj samo zunanja prenapetostna zaščita oz.

strelovod, saj lahko prenapetost »pripotuje« tudi v notranjost objekta, kjer lahko naredi

ogromno škode. Z uporabo, tako imenovanega sklopa notranje prenapetostne zaščite, pa se

temu lahko izognemo. Zato si bomo v nadaljevanju podrobneje pogledali elemente

notranje prenapetostne zaščite.

3.4.1 Koncept zaščitnih prenapetostnih con

Zaščita električnih in elektronskih naprav ter sistemov v objektih, pred prenapetostmi, ki

jih povzroči elektromagnetni udar strele (LEMP4), temelji na zaščitnih conah (LPZ

5). Na

osnovi tega lahko razdelimo ščiteni objekt na različno ogrožene notranje in zunanje cone,

kot prikazuje slika 3.9 [3].

4 LEMP – Lightning ElectroMagnetic imPulse

5 LPZ – Lightning Protection Zone

l

h

d

l

h

a

h

d


26

Slika 3.9: Zaščitna območja pred učinki elektromagnetnih impulzov strele [8]

Zunanje cone:

LPZ 0A – Območje, ki je izpostavljeno direktnemu udaru strele in nedušenemu

elektromagnetnemu polju strele, zaradi česar so ogroženi tudi notranji sistemi.

Karakteristična oblika toka strele je 10/350 s.

LPZ 0B – Območje, ki je zaščiteno pred direktnim udarom strele, vendar je

izpostavljeno elektromagnetnemu polju strele. V okolici odvodov obstaja nevarnost

nastanka napetosti dotika.

LPZ 0C – Območje je zaščiteno pred direktnim udarom strele, vendar skozi njega

teče celoten tok strele (nedušeno elektromagnetno polje), zato obstaja velika

verjetnost nastanka napetosti dotika in koraka na nivoju zemlje.

Notranje cone (zaščitene pred direktnim udarom strele):

LPZ 1 – Območje, ki je preko nadzemnih električnih vodov, izpostavljeno

indirektnim udarom strele. Vse vhode v to območje ščitimo s prenapetostnimi

zaščitnimi napravami

LPZ 3

M

Atmosferskarazelektritev

LEMP

Reduciraneatmosferske

praznitve

Nadaljnjereducirane

atmosferskerazelektritve

Stikalneprenapetosti

LPZ 0 C

Energetski kabel

Telekomunikacijski

vod

Armatura v jeklu

Ozemljilo v temelju

Oklop (armatura)

Odvod

VodenjeVentilacija

ALP Z 0

Oklop (kovinskoohišje omare)

Lovilnisistem

PolmerLPS krogle(R = 20 m)

D

D

C

BB

B

BBC

Prenapetostni element (prenapetostni odvodnik),namenjen manjši energijski vsebini razelektritvenega vala

Plinski prenapetostni odvodnik ali kombinacija zaščitnih elementov za odvajanje energijskihrazelektritvenih valov (8/20 μs, do 100 kA)

LPZ 2

LPZ 1

BLPZ 0

ALPZ 0BLPZ 0

LPZ 1


27

(SPD). Elektromagnetno polje strele je v tem območju že delno dušeno,

karakterističen tok pa ima obliko 8/20 s.

LPZ 2 – Velikost toka omejimo z zaščitnimi napravami na mejah zaščitnih

območij. Karakterističen tok im a obliko 8/20 s.

Na vsaki meji območja se zahteva izenačitev potenciala vseh vstopajočih kovinskih

oskrbovalnih vodov. Prav tako je potrebno zaščititi vstopajoče električne vode z zaščitnimi

prenapetostnimi napravami.

3.4.2 Izenačitev potenciala

Izenačitev potenciala je »srce« prenapetostne zaščite. V sodobnih objektih se uporablja

vedno več sistemov kovinskih inštalacij (vodovod, centralno ogrevanje…) in veliko

različnih električnih ter elektronskih naprav. Ti sistemi tvorijo mrežo kovinskih prevodnih

sistemov, ki so lahko med seboj povezani posredni ali neposredno. V primeru pojava

električne napak, lahko zaradi prenosa električnega potenciala proti zemlji, prek enega

izmed sistemov, pride do previsoke napetosti dotika. Določen električni potencial se lahko

preko kovinskih inštalacij prenese tudi v objekt. Da bi preprečili potencialne razlike, med

seboj povezujemo vse kovinske prevodne dele inštalacij s pomočjo zaščitnih vodnikov.

[14]

Izenačitev potenciala je električna povezava, s katero se različni izpostavljeni in tuji

prevodni deli izenačijo na isti potencial (Slika 3.10). Poznamo tri različne izvedbe

izenačitve potenciala:

glavna,

dodatna in

lokalna, brez povezav z zemljo.


28

Slika 3.10: Mreža povezav pri izvedbi izenačitve potenciala [3]

Glavna izenačitev potenciala

Glavna izenačitev potenciala spada pri zaščiti s samodejnim odklopom napajanja med

splošne zaščitne ukrepe, ki omogoča, da imajo izpostavljeni prevodni deli enak potencial.

S tem preprečimo vnos drugega potenciala preko kovinskih napeljav, ki vstopajo v objekt.

Vodnik glavne izenačitve potenciala mora povezovati naslednje prevodne dele:

glavni zaščitni vodnik,

PEN vodnik v TN sistemu,

glavni ozemljitveni vodnik ali ozemljitveno sponko,

cevi in ostale kovinske konstrukcije v objektu,

kovinske dele konstrukcij,

strelovodne inštalacije.

Prerez vodnika za izenačitev potenciala mora imeti vsaj polovičen prerez največjega v

inštalaciji uporabljenega zaščitnega vodnika, vendar pa ne sme biti manjši ob 6 mm2 in je

lahko, v primeru, da je bakren, največ 25 mm2. Za vodnike izenačitve potenciala ne smemo

uporabljati nezaščitenih aluminijevih vodnikov. Za preverjanje neprekinjenosti izenačitve

potenciala uporabljamo meritve z enosmerno ali izmenično napetostjo.

Dodatna izenačitev potenciala

Najpogosteje jo izvajamo na delu inštalacij, zaradi česa jo imenujemo tudi lokalna

izenačitev potenciala. Razlogi za dodatno izenačitev potenciala so:


29

nedoseganje postavljenih zahtev pri zaščiti pred električnim udarom pri posrednem

dotiku s samodejnim odklopom napajanja in v tokokrogih velikih dolžin in velike

impedance okvarnih zank,

inštalacije ali njihovi deli s povečano nevarnostjo električnega udara.

Za dodatno izenačitev potenciala moramo na delih inštalacije oz. v prostoru povezati vse

izpostavljene in tuje prevodne dele med seboj in z zaščitnim vodnikom v centralni točki

(omarica, razvodnica…). [14]

3.4.3 Izenačitev potenciala na meji med LPZ 0A in LPZ 1

Z izenačevanjem potenciala na meji med LPZ 0A in LPZ 1 zmanjšamo vpliv

elektromagnetnega polja in posledično zmanjšamo verjetnost pojava inducirane napetosti

ter preprečimo morebitni nastanek padca napetosti v območju LPZ 1. Zaradi tega je

potrebno v izenačitev potenciala vključiti vse kovinske in električne oskrbovalne vode, ki

vstopajo v območje LPZ1, čim bližje meji med območjema zaradi manjše impedance. Pri

faznih vodnikih, ki vstopajo v objekt, pa je še potrebna montaža SPD. V primeru, da v

objekt vstopajo vsi oskrbovalni vodi na enem mestu, jih povežemo na glavno zbiralko za

izenačitev potenciala (Slika 3.11). V primeru, da oskrbovalni vodi v objekt vstopajo na

različnih lokacijah uporabimo pomožne zbiralke potenciala, ki jih s primernimi vodniki

povežemo z glavno zbiralko potenciala (Slika 3.12) [3].


30

Slika 3.11: Izenačitev potenciala, ko oskrbovalni vodi vstopajo v eni točki [13]

Slika 3.12: Izenačitev potenciala, ko oskrbovalni vodi vstopajo v različnih točkah [3]

Sposobnost odvajanja prenapetostnih tokov, montiranih prenapetostnih odvodnikov (SPD

tip 1), mora ustrezati nivoju ogroženosti objekta. Pri montaži prenapetostnih odvodnikov

na meji med LPZ 0A in 1 (Slika 3.13), moramo vedeti, da je to možno v glavni priključni

omarici objekta in ob strinjanju podjetja za distribucijo električne energije.


31

Slika 3.13: Prenapetostni odvodnik na meji med LPZ 0A – 1 [3]

3.4.4 Izenačitev potenciala na meji med LPZ 1 in LPZ 2

Tudi v tem primeru, je potrebno opraviti izenačitev potenciala vseh kovinskih vodov, ki

vstopajo v območje LPZ čim bližje vstopu v območje. Za izenačitev potenciala vseh

kovinskih elementov v območju lahko uporabljamo rumeno – zelene vodnike s premerom

6 mm2, če so bakreni in 10 mm

2 v primeru, da so iz aluminija.

Naloga prenapetostne zaščitne opreme, ki jo na tem prehodu lahko montiramo v razdelilne

omarice, je, da še naprej slabi elektromagnetno polje oziroma manjša prenapetost.

Prenapetostni odvodniki tipa 2, ki jih montiramo na tem prehodu, morajo biti sposobni

brez poškodb odvajati minimalno 5 kA toka oblike 8/20 µs po posamezni fazi.

Slika 3.14: Prenapetostna zaščita v električni razdelilni omarici (levo) in pri vtičnici

(desno) [3]

Za dimenzioniranje zaščitne kaskade so pomembni parametri ogroženosti sistema in

odpornost ščitenega sistema na poškodbe. Za pravilno delovanje zaščitne kaskade moramo

zagotoviti, da vsi elementi (od strelovodnega odcepa, do končne zaščite aparata) delujejo


32

selektivno, kar pomeni, da vsaka zaščitna stopnja prevzame le del prenapetosti kateri je

namenjena. Za zagotovitev selektivnega delovanja zaščitne opreme moramo zagotoviti, da

se ob grozeči energetski preobremenitvi določene zaščitne stopnje, vklopi zaščita pred njo

in s tem prevzame odvečni del energije. Prav tako je za pravilno delovanje prenapetostne

zaščite potrebna zadostna impedanca Z, saj se ob delovanju SPD 1 na njegovih sponkah

pojavi napetost, ki je lahko višja od nazivne in zaradi katere lahko pride do nepravilnega

delovanja ostalih dveh stopenj. Da bi to preprečili, moramo imeti dovolj veliko impedanco,

ki jo lahko dobimo že s 6 m dolgim kabelskim vodnikom. Pri načrtovanju delovanja

prenapetostne zaščite moramo upoštevati tudi, da največja tokovna oblika z najdaljšim

časom trajanja, predstavlja grožnjo za celotno verigo prenapetostne zaščite.

Pri prenapetostni zaščiti tipa 1 je potrebno pozornost posvetiti načinu odvajanja

prenapetosti, saj morajo elementi prenapetostne zaščite biti sposobni odvajati tokove

oblike 10/350 µs. [3], [13]

3.5 Izbira in montaža prenapetostne zaščite (SPD)

Elementi prenapetostne zaščite imajo v glavnem napetostno odvisno nelinearno

karakteristiko in polprevodniški elektronski element. Med najpogosteje uporabljene

elemente prenapetostne zaščite sodijo cink, oksidni prenapetostni odvodniki, plinski

prenapetostni odvodniki in Zenerjeve diode. Zaščitne naprave, ki jih vključujemo v sistem

prenapetostne zaščite delimo in vgrajujemo glede na njihove naloge in sposobnosti

odvajanja prevelikih prenapetosti na tip 1, tip 2 in tip 3.

Največje zahteve glede sposobnosti odvajanja izpolnjuje prenapetostna zaščita tipa 1, ki jo

vgrajujemo na prehodu med zaščitnim območjem 0A in 1. Njihova naloga je, da brez okvar

večkrat prestanejo delne tokove strele oblike 10/350 µs in preprečijo njihovo širjenje v

objekt. Na prehodu iz zaščitnega območja 1 v 2, montiramo zaščitne naprave tipa 2, za

zaščito pred prenapetostmi. Te naprave morajo odvajati tokove oblike 8/20 µs. Zadnji člen

verige prenapetostne zaščite je zaščitna naprava tipa 3, ki jo montiramo na prehodu iz

zaščitnega območja 2 v 3. Njihova glavna naloga je zaščita pred prenapetostnimi, ki se

pojavljajo med vodniki električnega sistema, predvsem so tu mišljene stikalne

prenapetosti. Vsi trije razredi prenapetostne zaščite so določeni s standardom SIST EN

62305-3 [23]. Pomembnejše lastnosti so prikazane v tabeli 3.3; [3], [8]


33

Tabela 3.3: Pregled lastnosti posameznih stopenj zaščitnih naprav [8]

Oblika

toka 10/350 µs 8/20 µs 8/20 µs

Zmogljivost

odvajanja 0,5 do 50kA 5 kA 5kA

Velikost udarne

prenapetosti 6 kV 4 kV 2,5 kV 1,5 kV

Kategorija

prenapetosti IV III II I

Odvodniška

skupina

VDE B C D

IEC I II III

Način zaščite groba zaščita vmesna zaščita fina zaščita

Oblika toka

Velikost udarneprenapetosti

Wh

Kategotrijaprenapetosti

LT

230/400 V

4

Odvodniškaskupina

6 kV

IV

4 kV

III

2,5 kV

II

1,5 kV

I

B C D

II III

VDE

IEC I

Način zaščite

I

Zmogljivostodvajanja

10/350 s

0,5 do 50 kA

8/20 s 8/20 s

5 kA 5 kA

LPZ 2LPZ 1ALPZ 0

SPD 0/1

LPZ 4

SPD 1/2 SPD 2/3 SPD 3/4

električnirazdelilec vtičnica

priključnaomarica

Fina zaščitaVmesna zaščita

porabnikpriključna

vrvica

Groba zaščita

dovod

PEvodnik

pomožnazbiralka

glavnazbiralka

LPZ 3

vtikač


34

Na sliki 3.15 je prikazan princip delovanja prenapetostne zaščite. Impulz udarnega

napetostnega vala najprej pripotuje do grobega zaščitnega elementa, ki je v našem primeru

iskrišče. Njegova naloga je, da odvede večino energije in posledično zmanjša napetost in

energijo udarnega vala. Del energije, ki jo iskrišče prepusti potem potuje proti vmesni

zaščiti, ki je običajno varistorski nelinearni upor. Naloga varistorja je, da«odžaga« oknico

udarnega vala oz. zmanjšanje udarnega prenapetostnega udarnega impulza in odvod dela

energije udarnega razelektritvenega vala v zemljo. Sledi zadnja zaščitna stopnja oz. fina

zaščita, kjer uporabljamo Zenerjevo diodo, ki prenapetostni razelektritveni val zmanjša na

tako velikost, da ne more poškodovati končne naprave. [13]

Pomembno je poudariti tudi, da pri prenapetostni zaščiti lahko kombiniramo več različnih

elementov zaščite. Pogosto se uporablja kombinacija varistorja vzporedno s kontrolirano-

vžignim plinskim odvodnikom , ali varistor zaporedno s plinskim odvodnikom. [8]

Slika 3.15: Prikaz delovanja »verige« prenapetostne zaščite [13]


35

3.5.1 Karakteristične lastnosti prenapetostne zaščite

Tabela 3.4 nam prikazuje nekatere osnovne lastnosti zaščitnih elementov.

Tabela 3.4: Lastnosti zaščitnih elementov [8]

Simbol

Zaščitni element SPD

Plinski

odvodnik

Cink oksidni

varistor Hitra dioda

Odzivni čas 100 ns 25 ns 10 ns

Preostala napetost Ures pri

tokovih nad 10 kA (8/20 s) majhna velika srednja

Preostala napetost Ures pri

napetostnem valu 1,2/50 s velika majhna majhna

Sledilni tokovi If pogojno ne

(samougasno

st)?)

ne ne

Prepustni tokovi veliki majhni majhni

Tokovna odvodna

sposobnost Iimp (10/350 s) do 100 kA do 35 kA majhni

Glavna prednost visok Iimp ni sledilnega

toka If

hitri odzivni

čas

Glavna slabost sledilni tok If segrevanje,

prepustni tok

nizek Iimp,

prepustni tok

Uporaba odvodnik

toka,

aplikacije N-

PE

odvodnik

prenapetosti

odvodnik

prenapetosti

Odzivni čas je čas od trenutka, ko na prenapetostno zaščitno napravo pride udarni val

(napetostni ali tokovni) do trenutka, ko ta prične delovati.

Preostala napetost Ures je največja vrednost napetosti na sponkah pri obremenitvi

prenapetostnega odvodnika z udarnim tokom oblike 8/20 μs ali napetostjo 1,2/50 μs. To je

napetost na ščiteni napravi.

Sledilni tok If je tok frekvence 50 Hz, ki teče iz omrežja skozi odvodnik potem, ko je

odvodnik že odvedel tok strele in prišel v trajen kratek stik. S stališča ustrezne

prenapetostne zaščite mora biti vsak odvodnik sposoben obvladovati pričakovane omrežne

tokove.

Tokovna odvodna sposobnost je zmožnost odvajanja toka strele oblike 10/350 μs.

Definirana je z impulznim tokom Iimp, ki je imax definiran v tabeli 2.2 za različne zaščitne

nivoje strelovodne zaščite.


36

3.5.2 Iskrišča in varistorji

Iskrišče je sestavljeno iz dveh elektrod, med katerima ob določeni priključeni napetosti,

zaradi električnega polja pride do preskoka (vžiga električnega obloka). To prevajanje toka

traja tako dolgo, dokler je napetost dovolj velika za obstoj električnega obloka. Z

zmanjšanjem napetosti med elektrodama ugasne tudi oblok in iskrišči preideta v stanje

mirovanja.[6]

Do pred kratkim so bila v uporabi iskrišča v odprti izvedbi, ki so imela prednost v

kratkostični trdnosti in sposobnosti gašenja sledilnega toka. Kljub vsemu, pa so imela

nekatere pomanjkljivosti:

prihajalo je do izpuhov obločnega ognja,

delovanje je bilo odvisno od okoliških in vremenskih razmer.

Zaradi teh in ostalih težav, je prišlo do razvoja novih in zaprtih iskrišč za zaščito pred

strelo, ki jih danes načeloma ločimo med iskrišča polnjena z zrakom in iskrišča polnjena s

plinom.

Iskrišča, polnjena z zrakom, se prožijo počasneje in so edina možnost izdelave zaprtih

iskrišč za proizvajalce brez naprav in izkušenj za plinska iskrišča.

Prednost plinskih iskrišč je že industrijska keramika, ki je uporabljena za ohišje in je

hermetično zaprta. Iskrišče lahko prilagajamo različnim zahtevam z različnimi plinskimi

mešanicami, s pritiskom plina, z razmikom elektrod, itd. Njihova največja prednost je

predvsem hitro in stabilno proženje, velika energijska obremenljivost in dolga življenjska

doba, predvsem za zanesljivost.

Delovanje je osnovano na varistorju v seriji s plinskim miniaturnim iskriščem, ki ob

nadaljnjem naraščanju napetosti sproži paralelno vezano iskrišče z veliko zmogljivostjo.

Zaradi uporabe iskrišča, ki je napolnjeno s plinom, pri tem ne potrebujemo tretje elektrode

za pomoč pri vžigu kot je to primer pri iskrišču, ki je polnjeno z zrakom.

V primeru manjših prehodnih prenapetosti le te odvaja nelinearni upor, ki lahko odvaja

tokove do 4 kA, brez povzročitve nastanka omrežnega sledilnega toka. Ob pojavu večjih

tokov pa njihovo energijo odvaja iskrišče. S tem selektivno proženim SPD lahko zanesljivo

odvajamo tokove strele do 60 kA 10/350 μs. [7]


37

Metaloksidni varistorji ali MOV6 so napetostno odvisni upori s simetrično napetostno

tokovno karakteristiko. Sestavljeni so iz 90 % cinkovega oksida ZnO in 10 % dodatkov za

rast zrn ZnO in tvorjenje zaporne plasti med zrni ZnO. S sintranjem te mase se ustvari

dobro prevodna zaporna plast med zrnci cinkovega oksida, ki je primerljiva s tisto v

Zenerjevih diodah, kjer upornost, ki je lahko večja od 1 MΩ, pri pritisnjenih napetostih v

nekaj sekundah upade. [6]

Prednost iskrišč je v sposobnosti prenosa velike energije in v njihovi dolgi življenjski dobi,

zaradi česa je njihovo delovanje zanesljivo. Padec napetosti je po nastanku obloka odvisen

le od napetosti na elektrodah. V primerjavi z varistorjem se pri tem sprošča veliko manj

energije v obliki toplote. MOV so proti toku strele z obliko 10/350 μs samo delno odporni,

zaradi česa lahko ob preobremenitvi tudi eksplodirajo in posledično povzročijo požar.

Sposobnost energijske obremenitve lahko povečamo s povečanjem površine varistorske

keramike, vendar smo pri tem zaradi omejenih ohišij pri tem omejeni. Za SPD razreda I se

za preprečevanje škode zahteva vsaj 25 kA oblike 10/350 μs na fazo in 75 oz. 100 kA

oblike 10/350 μs moči odvajanja na celotni trifazni sistem, česar pa varistor ne dosega. Z

odvajanjem velikih tokov se varistorju tudi zelo krajša življenjska doba.

Večina proizvajalcev navaja obremenitve pri obliki krivulje 8/20 μs, ki je bistvena za SPD

razreda II in III. MOV bi bila v kombinaciji z iskriščem z veliko zmogljivostjo sicer boljša

rešitev, vendar prevelika in predraga, zaradi česa tudi ni v uporabi. [6]

Sledilni tok se pojavlja pri iskriščih ob prenehanju prenapetosti, medtem ko ga pri

varistorjih ni. Zaradi njega so se za ugasnitev obloka uporabljale predvarovalke, ki jih je

bilo potrebno zmeraj znova zamenjevati. To težavo so odpravili z uporabo proženih in/ali

večelektrodnih iskrišč. [6]

Varistorji imajo pri zaščitnem nivoju Uc majhno upornost, ki je večja od 1 MΩ, medtem ko

imajo iskrišča izolacijsko upornost večjo od 1 GΩ, kar je tisočkrat višja vrednost [6].

Pri iskriščih, zaradi visoke izolacijske upornosti, zapornega toka skoraj ni. Pri

nizkonapetostnih stikalnih napravah je zaporni tok lahko nevaren. Težavo povzroča tudi

varistorjem, ki imajo prvotni zaporni tok med 1 in 5 mA. Zaradi nenehnega segrevanja, se

varistor hitreje stara in s se spreminja karakteristika proženja, ki počasi prehaja v kratek

stik. Zaradi možnosti nastanka požara zaporedno z varistorje vgrajujemo tudi termični

sprožnik z nalogo ločitve varistorja od omrežja, v primeru nevarnosti. V slučaju, da pride

6 Metal Oxide Varistor


38

do ločitve varistorja od omrežja, omrežje ni več varovano in je nemudoma potrebno

zamenjati prenapetostno zaščito. [6]

Zaradi različnega načina delovanja lahko z njima ščitimo različne zaščitne nivoje. Varistor

je upor, ki je odvisen od napetosti in toka, njegov zaščitni nivo pa je odvisen od amplitude

udarnega toka. Zaprto iskrišče pa je hitro delujoče stikalo, ki lahko zaradi plinske plazme,

ki nastaja v notranjosti, odvaja več energije kot varistor.

Zaradi nižje energijske obremenitve, se cenejše varistorske naprave uporabljajo predvsem

kot SPD razreda II in III.

3.5.3 Uporaba prenapetostne zaščite v različnih sistemih

Pri projektiranju prenapetostne zaščite moramo zmeraj upoštevati, da ima varovanje oseb

zmeraj prednost pred varovanjem naprav pred prenapetostmi. Ker sta oba ukrepa povezana

preko uporabljenega sistema, bomo v nadaljevanju predstavili sisteme TN-, TT- in IT- ter

različno uporabo prenapetostne zaščite. Zaradi poškodb do katerih lahko pride, če skozi

človeško telo stečejo električni tokovi, moramo zmeraj upoštevati zaščitne ukrepe, ki

preprečujejo take dogodke. Praviloma je meja še dovoljene napetosti dotika 50 V

izmenične in 120 V enosmerne napetosti. V primeru, da pride do večje dotične napetosti,

se mora tokokrog samostojno izključiti v času 0,4 s. [3]

Kot je že omenjeno zgoraj, poznamo več različnih sistemov izvedbe električnih inštalacij

glede zaščite pred električnim udarom in zaščite pred nevarno napetostjo dotika oz. zaščito

pred posrednim dotikom. Sisteme med seboj ločimo glede na:

• priključitev električnih porabnikov,

• način ozemljitve napetostnega vira,

• ozemljitev posameznega porabnika oz. skupine porabnikov.

Posamezni sistem je označen z najmanj dvema črkama, kjer ima vsaka črka svoj pomen in

so prve črke iz francoskih izrazov (Terre – zemlja, Isole – izoliran, Neutre – nevtralen,

Separe – ločen, Combine - združen).

Prva črka pove način ozemljitve napetostnega vira, kjer poznamo dve možnosti:

T - direktno ozemljeno zvezdišče (obratovalna napetost);

I - izolirano zvezdišče z vsemi aktivnimi deli ali pa ozemljeno preko določene

impedance.


39

S pomočjo druge črke označimo način ozemljitve porabnika električne energije. Tudi v

tem primeru uporabljamo dve črki:

T - kovinska ohišja porabnikov so direktno ozemljena;

N - kovinska ohišja so direktno ozemljena preko povezave z zvezdiščem.

V primeru uporabe sistema z oznako TN pa še imamo na voljo dve dodatni črki:

S - nevtralni vodnik (N) in zaščitni vodnik potekata ločeno od napetostnega vira do

porabnikov,

C - nevtralni in zaščitni vodnik sta združena v skupni vod PEN in potekata

združeno od napetostnega vira do porabnika.

V te sisteme lahko vgradimo različne zaščitne naprave:

nadtokovna zaščita,

zaščita ob električnih okvarah (RCD),

naprave za spremljanje izolacije.

Glede na vrsto sistema uporabljamo različne zaščitne naprave:

TN – sistem


zaščita ob električnih okvarah (RCD).

TT – Sistem


zaščita ob električnih okvarah (RCD).

IT – Sistem


zaščita ob električnih napakah (RCD),

naprave za spremljanje izolacije.

Najvišjo prioriteto imajo ukrepi varovanja oseb, ki se jim morajo podrediti tudi sistemi

strelovodne in prenapetostne zaščite, pri čemer je potrebno upoštevati tudi zelo majhno

verjetnost okvare te zaščite, saj prenapetostna zaščita deluje med aktivnimi in zaščitnimi

vodniki. V nadaljevanju bomo predstavili primere vgradnje SPD v različne sisteme.


40

3.5.4 Uporaba SPD-jev v TN – sistemu

V TN sistemu inštalacij moramo vse izpostavljene prevodne dele inštalacije povezati z

ozemljitveno točko sistema, kar je najpogosteje zvezdišče transformatorja, z zaščitnim

vodnikom PE ali zaščitno-nevtralnim vodnikom PEN.

Najpogosteje se pojavljajo inštalacije sistema TN-C, kjer je vodnik PEN neposredno

ozemljen ob transformatorju in pri vsakem porabniku nizkonapetostnega omrežja, zaradi

česar potencial PE in PEN vodnika ob okvarah ostaneta čim bližje potencialu zemlje.

Ozemljitveni sistem mora ustrezati naslednjim pogojem:

vodnik PEN z zemljo mora biti povezan v več točkah, da se zmanjša nevarnost ob

morebitni prekinitvi vodnika PEN:

0

50 V

50 V

B

E

R

R U

, (3.3)

kjer je:

RB skupna ozemljitvena upornost vseh zaporedno vezanih ozemljil v Ω,

RE najmanjša upornost dotika z zemljo tujih prevodnih delov, ki niso povezani z

zaščitnim vodnikom, vendar lahko preko njih, zaradi pretrganja vodnika, pride do

stika med linijskim vodnikom in zemljo, v Ω. V primeru, da vrednosti ne poznamo,

uporabimo najvišjo še dovoljeno vrednost strelovodnega ozemljila, 10 Ω;

U0 nazivna napetost proti zemlji v V.

Vodnik PEN lahko v inštalacijah uporabljamo kot zaščitni in nevtralni v primeru, če je

prerez vodnikov najmanj 10 mm2 (baker) ali 16 mm

2 (aluminij). Ker se v stanovanjskih in

poslovnih inštalacijah v glavnem uporabljajo vodniki, ki imajo manjši obseg kot je

zahtevano, moramo imeti vodnik N in PE med seboj ločena. Tako imamo v enofaznem

tokokrogu trivodni (L, N, PE) in trifaznem pa petvodni (L1, L2, L3, N, PE) sistem. V

primeru industrijskih inštalacij, kjer je več elektromotorjev, pa zaradi večjih moči v

glavnem uporabljamo trifazni štirivodni sistem (L1, L2, L3, PEN). [18]

Ob prenapetostni zaščiti pri TN – sistemu inštalacij moramo za zaščito ob okvari oz.

zaščito pri posrednem dotiku, uporabljati [18]:

nadtokovno zaščito (varovalke, inštalacijski odklopniki),

pri stiku dela pod napetostjo z izpostavljenim delom mora tok napake odklopiti

napajanje porabnika,

diferenčno tokovno zaščito (zaščitna stikala RCD).


41

Vse izpostavljene prevodne dele naprav povežemo z zaščitnim vodnikom na strani

napajanja (dovoda) zaščitnega stikala RCD. Za varovanje porabnikov pred učinki kratkih

stikov in preobremenitve še zmeraj na začetku tokokroga uporabljamo taljive varovalke

ali inštalacijske odklopnike. V sistemu TN – C naprave RCD ne smemo uporabljati. V

primeru, da v sistemu TN – C – S uporabljamo zaščitno napravo RCD, vodnika PEN ne

smemo uporabljati na strani bremen temveč na strani napajanja naprave RCD.

Prenapetostna zaščita v sistemih TN mora biti montirana pred zaščitnim stikalom RCD

(FI). V primeru, da prenapetostno zaščito tipa 1 ali 2 montiramo za stikalom RCD, se

lahko zagodi, da ob odvajanju udarnega toka po zaščitnem vodniku PE, stikalo RCD to

zazna kot napako na električni inštalaciji in izključi napajanje. Prav tako lahko pri montaži

prenapetostne zaščite tipa 1 za stikalom RCD, zaradi dinamike udarnega toka, pride do

fizičnih poškodb stikala RCD, kot je prikazano na sliki 3.16. Zato pri kombinaciji

prenapetostne zaščite in zaščitnega stikala, montiramo prenapetostno zaščito, katere naloga

je omejevanje prenapetosti, pred stikalo RCD, ki varuje pred električnim udarom ob

nastopu napake na inštalaciji ali napravah.

Slika 3.16: Poškodba stikala RCD zaradi prenapetosti [3]

3.5.5 Uporaba SPD-jev v TT – Sistemu

Kadar sistem TT ščitimo s samodejnim odklopom napajanja, morajo biti vsi izpostavljeni

prevodni deli inštalacij zaščiteni z isto napravo in medsebojno povezani z enim zaščitnim


42

vodnikom na skupno zaščitno ozemljilo. Ozemljena mora biti tudi nevtralna točka

transformatorja.

Temeljni pogoj zaščite s samodejnim odklopom napajanja v TT – sistemu inštalacije, da

izberemo karakteristiko zaščitne naprave in vsoto upornosti ozemljila izpostavljenih

prevodnih delov ter zaščitnega vodnika izpostavljenih prevodnih delov tako, da se ob

okvari med linijskim in zaščitnim vodnikom ali izpostavljenim prevodnim delom kjerkoli v

inštalaciji napajanje samodejno izklopi. [18]

3.5.6 Uporaba SPD-jev v IT – Sistemu

V IT – sistemu inštalacij moramo pri zaščiti s samodejnim odklopom napajanja vse

prevodne in izpostavljene dele ozemljiti posamezno, skupinsko ali skupno. Zagotoviti

moramo tudi, da je nevtralna točka oz. sistem vodnikov pod napetostjo izoliran od zemlje.

Za ta sistem se odločamo, ko je neprekinjenost napajanja zelo pomembna (bolnišnice,

rudniki, vojaške naprave …). [18]

V tem sistemu inštalacij po navadi ne uporabljamo nevtralnega vodnika, če pa ga že, ga

moramo zaščititi pred preobremenitvijo z montažo štiripolnega odklopnika, ki izklopi vse

linijske in nevtralni vodnik.

3.5.7 Načrtovanje dolžine priključnih kablov za SPD

Načrtovanje dolžine kablov za priklop SPD naprav je zelo pomembno.

Za zaščito naprav, opreme in uporabnikov je zelo pomembna stopnja prenapetosti, ki se

pojavlja na napravah, ki jih želimo zaščititi. Optimalno zaščito dosežemo, ko se stopnji

prenapetosti prenapetostne zaščite in ščitene naprave med seboj ujemata. Na osnovi tega se

predlaga priključitev prenapetostne zaščite v obliki črke V (Slika 3.17), pri čemer ne

uporabljamo ločenih odcepov.

Zaradi tokov, ki se pojavijo pri tej vrsti vezave na sponkah prenapetostne zaščite, prihaja

do termičnih omejitev samih sponk. Zaradi tega proizvajalci prenapetostne zaščite

predpišejo največjo dovoljeno pred zaščito (vrednost varovalk), kar vodi do tega, da pri

sistemih z večjimi tokovi ne moremo uporabljati vezave priključka v obliki V. Za

izboljšanje tega problema, proizvajalci ponujajo uporabo dvovodniških priključnih sponk.

S tem lahko ob povečanem nazivnem toku ohranjamo kratke dolžine priključkov. [3]


43

Slika 3.17: Priklop prenapetostne zaščite v obliki črke V [3]

V primeru, da priključki oblike V povsem odpadejo, je montaža prenapetostne zaščite v

ločene tokokroge neizbežna. V primeru, da je nazivna tokovna vrednost, najbližje

varovalke naprave, večja od maksimalne dovoljene vrednosti prenapetostne zaščite,

moramo uporabiti linijski odcep na katerem vgradimo varovalko posebej za prenapetostno

zaščito (Slika 3.18) ali pa uporabimo SPD-je z integrirano odvodno predzaščito (Slika

3.19).

Slika 3.18: Priklop prenapetostne zaščite v linijski odcep [3]


44

Slika 3.19: Prenapetostni odvodnik tipa 2 z integrirano predzaščito [3]

Pri vgradnji prenapetostne zaščite v linijski odcep teče odvodni tok tudi po nekaterih

dodatnih elementih, ki povzroča dodatne dinamične padce napetosti. Ob upoštevanju

enačbe:

din

di diu i R L L

dt dt

(3.4)

in hitrosti spreminjanja toka (di/dt) pri prehodnih pojavih nekaj 10 kA/µs ugotovimo, da je

dinamičen padec napetosti odvisen od induktivne komponente.

Da bi bil ta dinamičen padec napetosti čim manjši, moramo poskrbeti da bo induktivnost

priključnih kablov in s tem njihova dolžina, čim krajša. Zaradi tega se priporoča, da je naj

skupna priključna razdalja prenapetostne zaščite v linijskem odcepu manjša od pol metra

oz. dolga maksimalno en meter (Slika 3.20). [3]

Slika 3.20: Priporočene priključne razdalje prenapetostne zaščite v linijskih odcepih [3]


45

Posledice različnih dolžin priključnih kablov in vpliv na nivo zaščite prikazuje slika 3.21.

Slika 3.21: Omejena napetost ob različnih dolžinah priključnega kabla [3]

Slika 3.22 prikazuje ločeno povezan vodnik PEN in ozemljitveno stran prenapetostne

zaščite z zbiralko za izenačitev potenciala. Dejanska dolžina priključka la prenapetostne

zaščitne naprave je tako razdalja med mestom montaže prenapetostne zaščite (npr.: hišna

priključna omarica, glavni razdelilec) in zbiralko izenačitve potenciala. S takim načinom

montaže zelo težko zagotovimo kratke razdalje in s tem tudi pravilno delovanje

prenapetostne zaščite.

Slika 3.22: Z vidika porabnika neugodno

vodenje vodnikov [3]

Slika 3.23: Z vidika porabnika ugodno

vodenje vodnikov [3]


46

Težavo lahko na preprost način rešimo z »bypass« vodnikom (y), s katerim povežemo

vodnik PEN in ozemljitveni del prenapetostne zaščite, ter tako zagotovimo zahtevamo

razdaljo lb < 0,5 m (Slika 3.23). Ne smemo pa pozabiti, da moramo ohraniti povezavo (x) z

zbiralko izenačitve potenciala in da ta rešitev velja samo za ozemljitveni del prenapetostne

zaščite.

Pri montaži je potrebno upoštevati tudi dolžino faznih vodnikov, kar bomo prikazali na

naslednjem primeru.

V električni omarici z varovalkami je potrebno zagotoviti prenapetostno zaščito za zbiralno

letev na njo priključene tokokroge (A do D) s porabniki. Za vgradnjo prenapetostne zaščite

lahko uporabimo mesto vgradnje 1 ali 2 (Slika 3.24). Mesto vgradnje 1, se nahaja v

neposredno ob zbiralni letvi, s čimer je za vse porabnike zagotovljena enakomerna

prenapetostna zaščita. Dejanska dolžina priključnega kabla prenapetostne zaščite, ki je

vgrajena na mestu vgradnje 1, je označena kot l1. Včasih lahko iz prostorskih razlogov

vgradimo prenapetostno zaščito med zbiralno letev. V ekstremnih primeri lahko izberemo

mesto vgradnje prenapetostne zaščite kot je prikazano na sliki 3.24. Glede na tokokroga A

in B dobimo skupno priključno dolžino l2. Zbiralne letve imajo nizko induktivnost

(približno 1/4) v primerjavi s kabli in posledično nizek induktivni padec napetosti, vseeno

pa moramo upoštevati tudi njihovo dolžino. Oblika priključnih linij ima velik vpliv na

učinkovitost prenapetostne zaščite in jih moramo upoštevati že pri samem načrtovanju

naprave. [3]

Slika 3.24: Montaža prenapetostne zaščite in posledična dolžina priključnega kabla [3]


47

Pri montaži prenapetostne zaščite je potrebno upoštevati tudi, da morajo biti vodniki, po

katerih teče udarni tok in vodniki, po katerih tok ne teče, med seboj ločeni. Zaradi tega se

moramo izogibati direktnemu paralelnemu polaganju vodnikov (Slika 3.25).

Slika 3.25: Vodenje vodnikov [3]

3.5.8 Posebnosti pri montaži SPD-jev

Zaščitni učinek SDP-jev dosežemo takrat, ko je velikost motnje reducirana na vrednost, ki

je pod mejo poškodbe ali uničenja in nad maksimalno obratovalno napetostjo ščitenega

porabnika. Običajno je nivo zaščitnega učinka odvodnika (Up) podan s strani proizvajalca ,

vendar moramo upoštevati, da je učinkovitost zaščite odvisna tudi od dodatnih parametrov

na katere vpliva način montaže in sama inštalacija.

Med procesom odvajanja lahko tok, ki teče po inštalaciji (npr. zaradi induktivnosti in

upornosti),povzroči padec napetosti UL + UR, in ga moramo prišteti k Up s čimer dobimo

preostalo napetost na porabniku Ur:

r p L RU U U U (3.5)

Optimalno prenapetostno zaščito nam omogočajo naslednji pogoji [3]:

maksimalna obratovalna napetost Uc SPD-ja mora biti čim bližje napetosti prostega

teka sistema;

nivo zaščite Up SPD-jev naj je čim manjši, ker imajo tako dodatni padci napetosti

preko inštalacije manj vpliva;

izenačitev potenciala mora biti izvedena z zagotovitvijo čim manjše impedance;


48

montaža SPD-ja mora biti izvedena čim bližje končnemu porabniku, kar ugodno

vpliva na preostalo napetost.

3.5.9 Nekaj primerov montaže SPD-jev

Primer 1: Pravilna montaža (Slika 3.26) – Porabnik je ozemljen samo preko priključne

sponke ozemljitve. Posledica tega, da je zaščitni nivo Up enak preostali napetosti Ur.

Slika 3.26: Pravilna montaža [3]

Primer 2: Najpogostejša montaža (Slika 3.27) – Porabnik je ozemljen preko priključne

sponke ozemljitve in priključenega zaščitnega vodnika. V tem primeru teče del

odvedenega toka preko povezave do porabnika. Da bi preprečili prenos motnje iz povezave

izenačitve potenciala na zaščitene vodnike in da bi bila preostala napetost čim nižja, jih

moramo peljati čim bolj ločene med seboj in/ali zagotoviti nizko impedanco.


49

Slika 3.27: Najpogostejša montaža [3]

Primer 3: Napačno izvedena izenačitev potenciala (Slika 3.28) – Porabnik je ozemljen

samo preko zaščitne povezave vodnika. Nizko impedančna izenačitev potenciala porabnika

ni izvedena. Povezava vodnika za izenačitev potenciala med zaščitno napravo in

priključkom zaščitnega vodnika na porabniku, vpliva na preostalo napetost. Glede na

dolžino povezave so lahko pojavijo napetosti veliki do nekaj kV, kar lahko povzroči

poškodbo ali uničenje porabnika.

Slika 3.28: Napačno izvedena izenačitev potenciala [3]


50

Primer 4: Napačno vodenje vodnikov (Slika 3.29) – Kljub dobro izvedeni izenačitvi

potenciala, lahko pride do vplivov na delovanje zaščite in posledično do poškodbe ali

uničenja porabnika, zaradi napačnega vodenja vodnikov. Če ne izvedemo ločitve med

zaščitenimi vodniki in nezaščitenimi, lahko pride preko nezaščitenih vodnikov do prenosa

motenj na zaščitene vodnike.

Slika 3.29: Napačno vodenje vodnikov [3]

3.6 Vodniki in kabli

Naloga vodnikov in kablov je predvsem prenos električne energije. Vodnik imenujemo

prevodni del, ki je namenjen vodenju določenega električnega toka in je lahko del kabla,

katerega naloga je prevajanje električnega toka. Kabel je skupek enega ali več vodnikov,

morebitnih lastnih prevlek (npr. notranja nekovinska prevleka), morebitne skupne zaščite

(npr. nekovinski plašč) in morebitnih zaščitnih prevlek (npr. kovinska prevleka in zaščitni

plašč). [16]

Zaradi zagotavljanja čim manjših izgub prenesene energije, imajo električni vodniki, ki so

med seboj in proti zemlji izolirani, majhno električno upornost R. V primeru kratkih

vodnikov je upornost zanemarljiva, pri dolgih vodnikih pa jo moramo upoštevati. Zraven

upornosti imajo vodniki tudi induktivnost L in kapacitivnost C (Slika 3.30). Vse omenjene

parametre podajamo kot specifične vrednosti na m oz. km vodnika. [9]


51

L R

C

1

2 4

3

L – induktivnost vodnika

R – upornost vodnika

C – kapacitivnost vodnika

Slika 3.30: Nadomestno vezje kabla [9]

V energetskih vodih kapacitivnost C najpogosteje zanemarimo. Upornost vodnika je

odvisna od specifične upornosti ρ oz. specifične prevodnosti σ, dolžine vodnika l in

njegovega preseka A.

1l l

RA A

(3.6)

Zaradi energijskih prenosnih izgub pri določenih obratovalnih napetostih, ki so odvisne

tudi od specifične upornosti uporabljene kovine. Iz ekonomskih razlogov za prenosne

vodnike uporabljamo predvsem baker (inštalacije) in aluminij (nadzemni vodi, energetski

kabli). Bakreni vodniki se izdelujejo iz mehko obžarjenega bakra visoke čistosti. Ob

dimenzioniranju vodnikov, uporabljamo za specifično prevodnost 56 Sm/mm2

za baker in

33 Sm/mm2 oz. 35,4 Sm/mm

2 za nadzemne vode za aluminij ob temperaturi 20°C.

3.6.1 Vrste električnih vodnikov in kablov

Osnovni elementi kabla so vodniki, izolacija in zaščita (Slika 3.31). Izolacija in zaščita

vodnikov morata ustrezati električnim, mehanskim, fizikalnim in kemijskim zahtevam

objekta v katerem vgrajujemo kable in vodnike.

Slika 3.31: Osnovni elementi kabla [9]


52

Vodnike in kable lahko delimo na več načinov. Tako jih lahko delimo glede na vrsto

materiala med homogene in nehomogene (Slika 3.32). Vodniki, ki so narejeni iz bakra in

aluminija spadajo med homogene vodnike. Nehomogeni vodniki so narejeni iz

kombinacije kovin (npr. aluminij-jeklo). [9]

Slika 3.32: Homogeni vodniki v kablu in nehomogeni ter homogeni vodnik [9]

Poznamo dve vrsti vodnikov [16]:

neizolirani – uporabljamo pri nadzemnih vodih in

izolirani – uporabljamo pri električnih inštalacijah in energetskih napeljavah.

Izolirane vodnike ponovno delimo na dve skupini:

energetski izolirani vodniki in energetski kabli ter

vodniki in kabli za informacijsko tehnologijo.

Vodniki, ki jih uporabljamo v energetiki imajo standardne prereze:

0,5 – 0,75 – 1 – 1,5 – 2,5 – 4 – 6 – 10 – 16 – 25 – 35 – 50 – 70 – 95 – 120 – 150 – 185 –

240 – 300 in 400 mm2.

Vodnike lahko izdelujemo kot masivne, ki jih tvori samo ena žica in kot večžične zvijave

(Slika 3.33), ki so sestavljeni iz več tanjših žic ali pramenov, ki so združeni tako, da je

kabel zvijav, zaradi česar je bolj gibljiv in s tem bolj primeren za priključke prenosnih

porabnikov. Tako izdelujemo vodnike in kable, ki so sestavljeni iz vodnikov s premerom

0,5 in 0,75 mm2, samo kot zvijave, saj jih uporabljamo v glavnem samo za prenosne

porabnike. Vodnike s prerezi od 1 do vključno 16 mm2 izdelujemo kot masivne in kot

večžične. Vodnike z večjimi premeri pa izdelujemo samo kot večžične, saj s tem olajšamo

njihovo polaganje in zmanjšujemo skin efekt.


53

Slika 3.33: Okrogli in žičnati vodnik [9]

Za lažje prepoznavanje žil jih med seboj ločimo po barvah. Tako pri enožilnih vodnikih

lahko uporabljamo črno, modro (običajno za nevtralni vodnik), rjavo, sivo, oranžno, rdečo,

vijolično, itd. barvo. Uporabljamo lahko tudi kombinacije dveh barv, razen rumeno –

zelene, ki je namenjena izključno za označevanje zaščitnega vodnika. Za ločevanje žil v

kablih uporabljamo barve, kot je prikazano v tabeli 3.5 in tabeli Tabela 3.6. [16]

Tabela 3.5: Barve žil v kablu z zaščitnim vodnikom [16]

Število

žil

Zaščitni

vodnik Barve žil pod napetostjo

7

3 ze/ru mo rj - -

4 ze/ru - rj čr si

48 ze/ru mo rj čr -

5 ze/ru mo rj čr si

Tabela 3.6: Barve žil v kablu brez zaščitnega vodnika [16]

Število žil Barve žil pod napetostjo7

2 mo rj - - -

3 - rj čr si -

38 mo rj čr - -

4 mo rj čr si -

5 mo rj čr si čr

7 Legenda za uporabljene kratice: ze/ru – zeleno/rumena, mo – modra, rj – rjava, čr – črna, si – siva.

8 Za posebno uporabo.


54

Navodila za natančno označevanje kablov v Evropski uniji določa komite za

elektrotehniške standarde CENELEC.

Vodnike in kable izbiramo glede na obratovalne pogoje in zunanje vplive [15]. Obratovalni

pogoji, ki jim mora izbrani vodnik ali kabel ustrezati so:

napetost,

tok oz. nadtok,

izvedba zaščite,

razporeditev kablov,

načini polaganja,

dostopnost.

Zunanji vplivi, ki jih moramo upoštevati pri izbiri vodnikov ali kablov:

okoljska temperatura,

prisotnost dežja, pare ali nakopičene vode,

prisotnost korozivnih, kemijskih ali prašnih snovi,

mehanski vplivi (ostri robovi …),

prisotnost živali (glodavci …),

flora (plesen …),

žarčenje (sončno žarki).

3.6.2 Električne lastnosti kablov in vodnikov

Električne lastnosti kablov in vodnikov so zelo pomembne pri dimenzioniranju vodnikov

in predvsem pri dimenzioniranju prenapetostne zaščite.

Enosmerna upornost

DC upornost RDC na dolžino vodnika je določena po standardu IEC 60228. Za izračun

upornosti pri ostalih delovnih temperaturah pa uporabimo enačbo:

20 201 20 ( /km)tR R t (3.7)

kjer je:

Rt DC upornost vodnika pri temperaturi t (Ω/km),

R20 DC upornost vodnika pri temperaturi 20 °C (Ω/km),

t delovna temperatura (°C),

α temperaturni koeficient, ki za baker znaša 0,00393 in za aluminij 0,00403.


55

Izmenična upornost

AC upornost RAC na dolžino vodnika pri najvišji delovni temperaturi je sestavljena iz

upornosti pri tej temperaturi in dodatne upornosti, ki upošteva dodatne izgube v vodniku

(npr. skin efekt).

Kapacitivnost

Vrednost obratovalne kapacitivnosti kabla izračunamo po naslednji enačbi

(μF/km)

18 ln

rCD

d

(3.8)

kjer je:

εr relativna dielektrična konstanta izolacijskega materiala (za PVC 4,8 in za XLPE 2,3),

D premer zunanje izolacije (mm),

d premer vodnika (mm).

Induktivnost

Vrednosti induktivnosti za več žične kable in tri vodnike položene v obliki deteljice

izračunamo kot

2

0,2ln (mH/km)s

L Kd

(3.9)

kjer je:

L induktivnost,

K konstanta odvisna od števila žic v vodniku (Tabela 3.7),

d premer vodnika (mm),

s osna razdalja med vodniki v kablu v obliki deteljice (mm)

1,26 ∙ s med vodniki v ploščatem kablu.

Reaktanca

Induktivna reaktanca posamezne faze kabla se izračuna po enačbi

32 10X fL (3.10)

kjer je:

X reaktanca (Ω/km),


56

f frekvenca (Hz),

L induktivnost (mH/km).

Tabela 3.7: Vrednosti konstante K za žičnate vodnike pri frekvenci 50 Hz

Število žic v vodniku K

3 0,0778

7 0,0642

19 0,0554

37 0,0528

61 ali več 0,0514

1 0,0500

votel vodnik 0,0383

Impedanca

Fazno impedanco kabla dobimo z enačbo:

2 2

ACZ R X (3.11)

kjer je:

Z impedanca (Ω/km),

Rac AC upornost pri delovni temperaturi (Ω/km),

X reaktanca (Ω/km).

Proizvajalci kablov običajno podajajo samo del potrebnih parametrov, zato si je ostale

potrebno izračunati s pomočjo zgornjih enačb. Tabela 3.8 prikazuje podane parametre

vodnikov s strani proizvajalca za različne premere vodnikov in izračunano induktivnost, ki

smo jo dobili s pomočjo enačbe (3.10).

3.6.3 Dimenzioniranje vodnikov in kablov

Glavna naloga dimenzioniranja vodnikov in kablov je predvsem pravilna izbira prereza

vodnika ob upoštevanju predpisov in standardov. S pravilno izbiro vodnika ali kabla

zagotovimo varnost, zanesljivost, kvaliteto in gospodarnost same inštalacije.

Pri samem načrtovanju kablov moramo upoštevati, da imamo v primeru enofaznih

porabnikov najpogosteje ohmska bremena, v primeru trifaznih uporabnikov pa induktivna


57

bremena s slabšo delavnostjo toka in vklopnimi sunki. Pri samem načrtovanju poskušamo

ločiti razsvetljavo in močnostni del, saj lahko zaradi napetostnih nihanj pride do utripanja

luči, kar pa lahko negativno vpliva na naše počutje in zdravje.

Tabela 3.8: Parametri nizko napetostnih kablov, podani s strani proizvajalca [5]

Premer

(mm2)

Približna DC

upornost

(Ω/km)

Približna AC

upornost

(Ω/km)

Približna

reaktanca

(Ω/km)

Približna

kapacitivnost

(μF/km)

Izračunana

induktivnost

(mH/km) Al Cu Al Cu

1,59 - 14,500 - 12,100 0,126 0,14 0,4013

2,59 - 8,870 - 7,4100 0,119 0,15 0,3790

4 - 4,610 - 5,5300 0,098 0,23 0,3121

6 4,610 3,080 5,530 3,7000 0,096 0,28 0,3057

10 3,080 1,830 3,700 2,2000 0,091 0,34 0,2898

16 1,910 1,150 2,290 1,3800 0,085 0,40 0,2707

25 1,200 0,727 1,440 0,8700 0,083 0,42 0,2643

35 0,868 0,524 1,040 0,6300 0,082 0,48 0,2611

50 0,641 0,387 0,769 0,4640 0,082 0,49 0,2611

70 0,443 0,268 0,532 0,3220 0,076 0,56 0,2420

95 0,320 0,193 0,384 0,2320 0,076 0,58 0,2420

120 0,253 0,153 0,304 0,1840 0,075 0,63 0,2389

150 0,206 0,124 0,247 0,1488 0,074 0,63 0,2357

Prerez vodnikov dimenzioniramo predvsem na predviden največji trajni obremenilni tok.

Ob tem pa moramo upoštevati še naslednje vplive:

zaščita pred električnim udarom,

toplotni učinki,

preobremenitveni in kratkostični tok,

padec napetosti,

mehanska odpornost.

9 [4]


58

V primeru zaščite pred električnim udarom s samodejnim odklopom napajanja z

nadtokovnimi napravami, moramo zagotoviti ustrezno majhno impedanco okvarne zanke,

kar dosežemo s primerno izbiro prereza vodnika.

Električno dimenzioniranje kablov in vodnikov na padec napetosti moramo izvajati zaradi

spreminjanja lastnosti porabnikov (moč, življenjska doba, svetilnost, itd.), ob spremembah

omrežne napetosti. Določeni porabniki za pravilno delovanje potrebujejo točno določeno

najvišjo in najnižjo napetost.

Na velikost padca napetosti vplivajo lastnosti vodnika, kot so:

prerez,

snov iz katere je izdelan,

dolžina,

tok, ki teče po njem,

obremenitev,

upornost.

Pri dimenzioniranju, zaradi pretežne uporabe bakrenih vodnikov, v glavnem določamo

prerez vodnika glede na njegovo dolžino, obremenitev in dovoljen padec napetosti.

Dovoljeni padci po tehnični smernici za nizkonapetostne električne inštalacije [26] so

mejne vrednosti padcev napetosti od napajalne točke do porabnika, ki je napajan iz javnega

distribucijskega omrežja:

3 % za električne tokokroge razsvetljave,

5 % za tokokroge ostalih porabnikov.

V primeru, da je dolžina električne inštalacije večja od 100 m, lahko povečamo dovoljeni

padec napetosti za 0,005 % za vsak meter, ki presega 100 m, do skupno največ 0,5 %. Ob

dimenzioniranju inštalacij, kjer imamo na enakem tokokrogu razsvetljavo in motorje,

moramo biti posebej pozorni. V primeru, da motorje zaganjamo pogosto, moramo vodnike

dimenzionirati na zagonski in ne na nazivni tok motorja.

Dimenzioniranje dvovodne inštalacije

Padec napetosti obravnavamo kot razliko med napetostjo na začetku in koncu nekega voda

[19]:

1 2 (V)u U U (3.12)

Padec napetosti po Ohmovem zakonu izračunamo kot:


59

u I R (3.13)

Ob upoštevanju upornosti vodnika in dejstva, da padec napetosti nastopa v dovodnem in

odvodnem vodniku, dobimo enačbo:

2

Vl I

uS

(3.14)

kjer je:

l dolžina vodnika,

I bremenski tok v A,

λ specifična prevodnost vodnikove kovine v Sm/mm2,

S prerez vodnika v mm2.

Tako iz zgornje enačbe dobimo prerez vodnika:

2 l I

Su

, (3.15)

iz katerega ob upoštevanju podajanja padca napetosti v odstotkih nazivne napetosti dobimo

odstotni padec napetosti:

200

%l I

uS U

(3.16)

oz. prerez:

200

%

l IS

u U

(3.17)

Enačbi (3.16) in (3.17) veljata za dvovodne sisteme z enosmernim in izmeničnim tokom s

čisto ohmsko obremenitvijo. Ker izračunana vrednost za najmanjši dovoljen prerez ni

normirana, moramo uporabiti prvi višji normiran prerez vodnika.

V primeru, da ima porabnik moč P navedeno v W, uporabimo prirejeno enačbo za padec

napetosti:

2

V

l Pu

S U

(3.18)

in prerez:

22 mm

l PS

u U

(3.19)

V primeru, da padec napetosti izražamo v odstotkih napetosti U, dobimo:

2

200% %

l Pu

S U

(3.20)

in prerez:


60

2

2

200 mm

%

l PS

u U

(3.21)

Dimenzioniranje inštalacij izmeničnih dvovodnih sistemov z induktivno obremenitvijo

Enofazni motorji, elektromagneti in podobni porabniki obratujejo z delavnostjo toka, ki je

različna od ena, zaradi tega moramo v izračunih upoštevati še delavnost toka cos φ. Tako

izračunamo padec napetosti po enačbi [19]:

2 cos 2

Vl I l P

uS S U

, (3.22)

in prerez:

22 cos 2 mm

l I l PS

u u U

(3.23)

Padec napetosti in prerez, izražena s pomočjo odstotka padca napetosti, dobimo po

naslednjih enačbah:

2

200 cos 2% V

l I l Pu

S U S U

(3.24)

2

2

200 cos 200 mm

% %

l I l PS

u S u U

(3.25)

Dimenzioniranje inštalacij za trifazne sisteme

Prevajana moč P trifaznega sistema je enaka:

3 cosP U I (3.26)

in ni odvisna od vezave. V enačbi pomeni U medlinijsko napetost in I tok v vodniku. V

primeru zvezda vezave z nevtralnim vodnikov padca napetosti v njem ne upoštevamo.

Tako dobimo enačbo za padec napetosti [19]:

3 cosl I

uS

(3.27)

in prerez:

3 cosl I

Su

(3.28)

Z upoštevanjem padca napetosti v odstotkih dobimo naslednje enačbe:

2

100 3 cos 100% %

l I I Pu

S U S U

(3.29)


61

2

2

100 3 cos 100 mm

% %

l I I PS

u U u U

(3.30)

Dimenzioniranje inštalacije ob vzdolžni obremenitvi toka na več mestih

V zgornjih primerih smo predpostavili, da imamo obremenitev na koncu voda. Ker se v

realnosti pogosto dogaja, da imamo na enem tokokrogu več porabnikov (Slika 3.34), ki

morajo imeti vsi enak prerez vodnika, računamo padec napetosti in potreben prerez

vodnika na naslednji način. [19]

i1, P1 i2, P2 i3, P3

I1, P1 I2, P2 I3, P3

l1 l2 l3

L1

L2

L3

Slika 3.34: Več porabnikov na enem tokokrogu

V prvem odseku dolžine l1 znaša tok (trije odseki):

1 1 2 3I i i i (3.31)

v odseku dolžine l2:

2 2 3I i i (3.32)

in v odseku dolžine l3:

3 3I i (3.33)

Padec napetosti po posameznem odseku znaša:

1 11

2 l Iu

S

(3.34)

2 22

2 l Iu

S

(3.35)

3 33

2 l Iu

S

(3.36)

Tako iz zgornjih enačb dobimo celoten padec v vodu:


62

1 2 3 1 1 2 2 3 3

2 2i iu u u u I l I l I l I l

S S

(3.37)

Kadar imamo obremenitve podane z močmi P uporabimo enačbo:

2

i iu P lu U

(3.38)

V primeru izražanja padca napetosti v odstotkih dobimo enačbo:

2

200 200% i i i iu I l P l

S U S U

(3.39)

Mehansko dimenzioniranje vodnikov in kablov za notranje inštalacije

Za varnost električnih inštalacij je pomembna tudi mehanska trdnost vodnikov, ki jo

dosežemo že s polaganjem vodnikov oz. kablov v temu namenjene cevi ter pod ali v omet.

Od načina polaganja, montaže vodnikov, spojev med vodniki, itd. so odvisne mehanske

obremenitve. Posebej pozorni moramo biti, da vodniki in kabli niso izpostavljeni ostrim

robovom, zaradi katerih lahko pride do poškodbe izolacije.

Standardi za električne inštalacije ne predvidevajo izvajanja mehanskega dimenzioniranja,

temveč predpisujejo uporabo najmanjših dovoljenih prerezov vodnikov glede na način

polaganja in namen tokokroga (Tabela 3.9). [19]

Tabela 3.9: Najmanjši dovoljeni prerezi vodnikov za različne načine polaganja in namen

tokokroga [19]

Inštalacijski

sistemi Uporaba v tokokrogih

Vodnik

Snov Prerez mm2

Fiksne

inštalacije

Kabli in

izolirani

vodniki

Energetski tokokrogi in

razsvetljava

baker

aluminij

1,5

2,51

Signalni in krmilni

tokokrogi baker 0,5

2

Goli

vodniki

Tokokrogi moči baker

aluminij

10

16

Signalni in krmilni

tokokrogi baker 4

Gibljivi priključki

z izoliranimi vodniki

in kabli

Za posebne naprave

baker

navedeno v ustreznih

IEC-publikacijah

Za ostalo uporabo 0,753

Za tokokroge male

napetosti

za posebno uporabo

0,75


63

1 Sponke za aluminijaste vodnike morajo biti preskušene in potrjene za to posebno uporabo

2 V signalnih in krmilnih tokokrogih, namenjenih za elektronsko opremo, je dovoljen prerez 0,1 mm2

3 V večžilnih gibljivih kablih, ki vsebujejo sedem ali več žil, upoštevajte opombo 2

Induktivna upornost trifaznih kablovodov in kablov

V omrežjih, ki obratujejo z izmeničnimi tokovi, moramo pogosto zraven ohmske upornosti

vodnikov upoštevati tudi induktivno upornost, ki se pojavlja zaradi časovno

spremenljivega magnetnega polja okrog vodnikov, ko po njih teče izmenični tok.

Reaktanca kablovodov je, v primerjavi s prostimi vodi, v povprečju štiri krat manjša od

reaktance prostih vodov, zaradi krajših razdalj med vodniki. Z obratovalno napetostjo te

upornosti nekoliko rastejo, zaradi večanja razdalje med žilami, in sicer na račun izolacije.

Za nizkonapetostne kable (1 kV) za izračune uporabljamo Xs = 0,07 … 0,09 Ω/km, kjer

manjše vrednosti veljajo za vodnike z manjšim prerezom vodnikov in večje za tiste z

večjim prerezom. Včasih reaktanco računamo kar s povprečjemu Xs = 0,08 Ω/km.

Točnejše podatke za induktivne in ohmske upornosti lahko odčitamo iz tabele 3.10. V

primeru, da fazni faktor obtežb ni slabši od 0,95, lahko pri omrežjih do 10 kV reaktanco

zanemarimo.

Tabela 3.10: Induktivna in ohmska upornost kablovodov za frekvenco 50 Hz

Prerez

(mm2)

Xs (Ω/km) Rs (Ω/km) pri 20°C

Cu Al

10 0,092 1,790 30,5

16 0,089 1,120 1,91

25 0,084 0,722 1,22

35 0,083 0,518 0,874

50 0,080 0,366 0,615

70 0,078 0,265 0,443

95 0,077 0,200 0,331

120 0,075 0,161 0,265

150 0,074 0,131 0,214

185 0,073 0,109 0,177


64

3.6.4 Oklopljanje kablov

Znano je, da so najpogostejši udari v bližini objektov ali oskrbovalnih vodov. Do

ogroženosti objekta, ki ga ščitimo, lahko pride tudi ob udaru strele v sosednji objekt, ki je

povezan s ščitenim objektom. Pri zmanjšanju vpliva udarnega toka indirektne strele,

moramo upoštevati tudi različne povezave kabelskih oklopov na zbiralke za izenačitev

potenciala [3]:

Brez oklopa (Slika 3.35) – V večini primerov inštalacijskih sistemov je ozemljitev

kabelskega oklopa priporočljiva, vendar se lahko zgodi, da se ozemljitev

kabelskega oklopa ne naredi pravilno ali pa se na to pozabi. Prav tako obstajajo

inštalacijski sistemi (npr. inteligentne inštalacije), ki prepovedujejo ozemljitev

oklopa. V tem primeru, oklop ne opravlja svoje naloge in ga obravnavamo kot

neuporabnega.

Slika 3.35: Brez ozemljitve oklopa [3]

Obojestranska ozemljitev oklopa (Slika 3.36) – Kabelski oklop mora biti na celotni

dolžini povezave dobro prevoden in na vsaj dveh mesti ozemljen. Le tako lahko

zmanjšamo vpliv induktivnih in kapacitivnih tokov v faznih vodnikih. Da

preprečimo možnost nevarnega iskrenja, morajo imeti kabelski oklopi dovolj velik

premer. V primeru, da je premer premajhnem, upoštevamo kabelski oklop kot

neuporaben. Minimalni premer kabelskega oklopa določa njegova specifična


65

upornost ρc (Tabela 3.11), udarni tok If, dolžina povezave Lc in udarna napetost Uw,

kot prikazuje enačba (3.40).

6

2

min

10f c c

o

w

I LS mm

U

(3.40)

Tabela 3.11: Specifična upornost različnih materialov [3]

Material oklopa ρc v Ωm

Baker 17,241 ∙ 10-10

Aluminij 28,264 ∙ 10-11

Svinec 214 ∙ 10-12

Jeklo 138 ∙ 10-13

Težava, ki nastopi ob obojestranski ozemljitvi oklopa in normalnem obratovanju na

omrežni frekvenci, so kapacitivni izenačevalni tokovi, ki lahko dosežejo vrednost

nekaj sto amperov. Ti tokovi so posledica potencialnih razlik med ozemljitvenima

sistemoma, na katera je vezan kabelski oklop in jih lahko rešimo z uporabo

prenapetostnega plinskega odvodnika. [8]

Slika 3.36: Obojestranska ozemljitev oklopa [3]

Direktna in indirektna ozemljitev oklopa (Slika 3.37) – Zaradi obratovalno

tehničnih zahtev lahko pride do primera, ko ozemljimo oklop kabla samo na eni

strani. V tem primeru dosežemo dušenje kapacitivnih motenj, vendar pa ne


66

preprečimo vpliva induktivnosti. Razlog za enostransko ozemljevanje kabelskega

oklopa je predvsem strah pred nizkofrekvenčnimi izenačevalnimi tokovi, do katerih

lahko pride zaradi dotrajanosti vodnikov in oklopa ter zaradi potencialne razlike

med zbiralkama za izenačitev potenciala. Da bi se izognili tem tokovom, kabelski

oklop kabla na eni strani ozemljimo direktno in na drugi indirektno. To pomeni, da

v eni centralni točki ozemljimo vse oklope direktno na zbiralko za lokalno

izenačitev potenciala. Na drugem oddaljenem koncu pa povežemo kabelski oklop

indirektno prek plinskega odvodnika na zemeljski potencial.

Slika 3.37: Na eni strani direktno in na drugi preko plinskega prenapetostnega odvodnika

ozemljen kabelski oklop [3]

Nizkoimpedančna ozemljitev oklopa

Kabelski oklopi lahko vodijo udarne tokove, ki tečejo prek oklopa in oklopne zbiralke

proti zemlji, do nekaj kA. Zaradi impedance kabelskega in priključka oklopa prihaja do

razlik med potencialom oklopa in ozemljitve. V tem primeru se lahko pojavijo napetosti do

nekaj kV, ki lahko poškodujejo izolacijo vodnikov in priključene porabnike.

Na število ozemljitev oklopa vpliva njegova kvaliteta. Tako se lahko zgodi, da moramo

oklop ozemljevati tudi vsakih 10 m. Zaradi tega se priporoča ozemljevanje kabelskega

oklopa, kot je prikazano na sliki 3.38. [3]


67

Slika 3.38: Priključitev kabelskega oklopa [3]

Maksimalna dolžina oklopljenih kablov

Kabelski okopi imajo tako imenovano priključitveno upornost, ki nekako ustreza upornosti

enosmernega toka, ki ga poda proizvajalec kabla. Zaradi te upornosti pride na kabelskem

oklopu, ko po njem teče motilni signal, do padca napetosti. V odvisnosti napetostne

vzdržnosti porabnika in kabla ter dolžine kabla, lahko izračunamo dovoljeno priključitveno

upornost (RKh) kabelskega oklopa, kot je prikazano za primer na sliki 3.39.

Slika 3.39: Primer obojestranske ozemljitve oklopa [3]

2000

0,45000

isoKh

U VR

I A (3.41)

30,4200m 2 10

200m mKhl R

(3.42)

V primeru, da padec napetosti ni manjši od napetostne vzdržnosti kabelske izolacije,

moramo uporabiti prenapetostne odvodnike. [3]


68

3.6.5 Zaščitni vodniki PE

Zaščitni vodniki so vodniki, ki zagotavljajo varnost električnih porabnikov in njihovih

uporabnikov. Naloga vsakega zaščitnega vodnika je izpolnitev pogojev samodejnega

izklopa napajanja. Z njimi povezujemo izpostavljene prevodne dele in tuje prevodne dele z

glavno ozemljitveno zbiralko, ki je povezana z ozemljilom in ozemljeno točko napajalnega

vira ali umetne nevtralne točke.

Zaradi pomembnosti zaščitnih vodnikov v sistemu zaščite, jih moramo polagati tako, da

niso izpostavljeni zunanjim vplivom (mehanskim, kemičnim in elektrodinamičnim).

Prerez zaščitnega vodnika mora izpolnjevati pogoje samodejnega izklopa napajanja, ki so

določeni s standardom »Zaščita pred električnim udarom« in ustrezati predvidenemu toku

okvare. Kot zaščitne vodnike lahko uporabljamo:

vodnike večžilnih kablov,

izolirane ali gole vodnike v skupnem oklopu z linijskimi vodniki,

stalno nameščene gole ali izolirane vodnike.

V vsakem primeru pa mora biti zagotovljena električna neprekinjenost.

Kot zaščitnih vodnikov ne smemo uporabljati:

kabelskih polic in lestev,

kovinskih vodovodnih cevi,

kovinskih cevi gorljivih snovi,

konstrukcijskih delov, ki so mehansko obremenjeni,

kovinskih gibljivih cevi in delov,

žične ograje.

3.6.6 Vodnik PEN

Zaščitno – nevtralni vodnik je ozemljen vodnik s hkratno funkcijo zaščitnega in

nevtralnega vodnika. Take vodnike lahko uporabljamo samo v nepremičnih inštalacijah.

Za zagotavljanje mehanske trdnosti mora biti najmanjši premer vsaj 10 mm2 za bakren in

16 mm2 za aluminijasti vodnik.

Zaradi ločitve zaščitnega in nevtralnega vodnika v sistemu TN–C–S, vodnika N, od točke

ločitve naprej, ne smemo povezovati, s katerim koli ozemljenim delom inštalacije. V točki

ločitve na PE in N vodnik, moramo uporabiti posebne ločene zbiralke za zaščitne in


69

nevtralne vodnike. Zaradi delitve inštalacije na več tokokrogov imamo v inštalaciji več

zaščitnih in nevtralnih vodnikov.

V primeru uporabe nadtokovne zaščite, za zaščito pred električnim udarom, moramo

uporabiti zaščitni vodnik, ki je vključen v sistem linijskih vodnikov (kabli) ali pa je

položen v neposredni bližini.

3.6.7 Vodniki za zaščitno izenačitve potencialov

Vodnik za zaščitno izenačitev potenciala je zaščitni vodnik, ki električno izenačuje

različne izpostavljene prevodne in tuje dele, da so na enakem potencialu. Vodniki za

izenačitev potencialov, ki povezujejo kovinske inštalacije z glavno ozemljitveno zbiralko v

primeru, da ne pričakujemo opaznih uhajavih tokov proti zemlji, morajo imeti naslednje

premere [17]:

6 mm2 za bakrene vodnike,

16 mm2 za aluminijaste vodnike,

50 mm2 za jeklene vodnike.

Za izenačitev potencialov dveh izpostavljenih prevodnih delov, vodnik ne sme imeti

manjše prevodnosti od manjšega zaščitnega vodnika, ki je vezan na prevodni del (Slika

3.40).

M1 M2

SPE1 SPE2

Sb

SPE1 ≤ SPE2

Sb ≥ SPE1

Slika 3.40: Primer določitve prereza vodnika dodatne zaščitne izenačitve potencialov Sb

med dvema izpostavljenima prevodnima deloma [17]

Legenda: M1, M2 izpostavljeni prevodni deli

SPE1, SPE2 prerez zaščitnih vodnikov izpostavljenih prevodnih delov M1 in

M2

Sb prerez vodnika dodatne zaščitne izenačitve potenciala


70

Vodnika za zaščitno izenačitev potencialov, ki povezujejo izpostavljeni prevodni del s

tujim prevodnim delom, ne sme imeti manjše prevodnosti od polovice prereza ustreznega

zaščitnega vodnika (Slika 3.41).

M

SPE

Sb

Sb ≥ 0,5 SPE(*)

Tuji

pre

vod

ni d

eli

(np

r. v

od

ovo

d)

Slika 3.41: Primer določitve prereza vodnika dodatne izenačitve potencialov Sb

izpostavljenega prevodnega dela M in tujega prevodnega dela [17]

Legenda: M izpostavljeni prevodni del,

SPE prerez zaščitnega vodnika,

Sb prerez zaščitnega vodnika dodatne zaščitne izenačitve potenciala

* najmanj 2,5 mm2 za Cu, ki je mehansko zaščiten ali 4 mm

2 brez

dodatne mehanske zaščite.


71

4 MATEMATIČNI MODEL PRENAPETOSTNE ZAŠČITE

IN OMREŽJA

Pri ugotavljanju vplivov električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite, si bomo

pomagali s simulacijami v programskem paketu Matlab/Simulink. Za izvedbo simulacij

bomo potrebovali matematične modele virov prenapetosti, plinskega odvodnika, ZnO

prenapetostnega odvodnika in omrežja, ki so opisani v nadaljevanju poglavja.

4.1 Modeli virov prenapetosti

Za izvedbo simulacije delovanja prenapetostne zaščite potrebujemo matematične modele, s

katerimi lahko simuliramo različne prenapetosti. Delovanje prenapetostne zaščite lahko

simuliramo s tremi različnimi viri prenapetosti [8]:

Izmenična napetost omrežne frekvence 50 Hz

Matematični model napetosti omrežne frekvence je podan že v knjižnici

SimPowerSystems med električnimi viri. Matematični model je podan z enačbo

0( ) 2 sin 2 Vuu t U f t (4.1)

kjer je:

f omrežna frekvenca (50 Hz),

U efektivna vrednost napetosti (V),

t čas (s),

αu0 začetni kot napetosti.

Udarna prenapetost atmosferskih razelektritev oblike 1,2/50 μs

Oblika prenapetostnega vala je bila določena na osnovi statistike iz množice

meritev udarov strele, ki so bile potem statistično obdelane. Matematični zapis te

oblike prenapetosti je podan z enačbo:

max

2 1

( ) exp exp Vu

t tu t k U

(4.2)

kjer je:

ku faktor povečanja maksimalne napetosti,

Umax maksimalna napetost udarnega vala (V),

τ1 časovna konstanta čela udarnega vala (s),

τ2 časovna konstanta hrbta udarnega vala (s).


72

Izmenična napetost omrežne frekvence združena z udarnim prenapetostnim

valom 1,2/50 μs

Prenapetostni val oblike 1,2/50 μs, ki se pojavi v realnem primeru, se v električnih

inštalacijah sešteje z izmenično sinusno napetostjo (Graf 4.1) kot prikazuje enačba

(4.3). [8]

0

2 1

0;

( ) 2 sin 2exp exp ;

tr

u tr tru max tr

t t

u t U f t t t t tk U t t

(4.3)

kjer je:

ttr trenutek proženja prenapetostnega udarnega vala oz. pojav

prenapetostnega vala v električni inštalaciji, ki ga lahko izberemo

naključno

Graf 4.1: Prikaz napetosti in toka združene izmenične in udarne napetosti

Razvita matematična modela udarne in sestavljene prenapetosti sta izvedena kot

podmodela v SimPowerSys Blockset paketu kot vira napetosti in dodana k osnovni

knjižnici elementov med vire napetosti.[8]


73

V naši simulaciji smo uporabili izmenično napetost omrežne frekvence združeno z

udarnim prenapetostnim valom oblike 1,2/50 μs. Potrebne podatke udarne napetosti za

izvajanje simulacije prikazuje tabela 4.1.

Tabela 4.1: Parametri vira udarne napetosti

Vir udarne napetosti

Umax 1 kV

ku 1,0203549

τ1 0,201 μs

τ2 70,1 μs

Rn10

20 kΩ

Ldovoda11

5 nH

Rp12

100 MΩ

Cp13

2 pF

4.2 Matematični model plinskega odvodnika v Matlab/Simulink

V SimPowerSys Blockset paketu, ki je del programa Simulink, se nahaja model plinskega

odvodnika, ki omogoča analizo in izračun časovnih potekov električnih tokokrogov.

Zraven tega elementa je izveden tudi model metal-oksidnega prenapetostnega odvodnika,

ki je tudi del prenapetostne zaščite zgradb pred prenapetostmi. Na splošno lahko rečemo,

da oba elementa skupaj, tvorita preprosto prenapetostno zaščito oseb in naprav v zgradbi.

Model plinskega odvodnika z vsemi fizikalnimi fazami delovanja v izvedbi kot

spremenljiva upornost, prikazuje slika 4.1. [8]

10 Notranja upornost vira napetosti.

11 Induktivnost dovoda.

12 Prečna upornost.

13 Prečna kapacitivnost.


74

Slika 4.1: Faze delovanja modela plinskega odvodnika v Simulinku [8]

Faza pred razelektritvijo

V primeru, ko je na sponkah plinskega odvodnika manjša napetost od kritične vžigne

napetosti plinskega odvodnika UDC, u<UDC, dobi plin, ki se nahaja med elektrodama,

lastnosti dobrega izolatorja (R >1 GΩ). Ob pojavu večje pritisnjene napetosti od

kritične, začne prihajati do procesov pred razelektritvijo plina med elektrodama. Z

višanjem električne poljske jakosti E začnejo prosti elektroni pospeševati in ob

prejemu dovolj velike kinetične energije ionizirajo atome in s tem sprožijo sekundarno

emisijo elektronov iz katode. Ob dosegu vrednosti dinamične napetosti razelektritve

UDYN, začne prihajati do razelektritev v plinu. Čas med naraščanjem napetosti od UDC

do UDYN imenujemo statistična časovna zakasnitev razelektritve (td), ki jo lahko

določimo tudi iz odzivov meritev na plinskem odvodniku. [8]

Statistično časovno zakasnitev pričetka delovanja plinskega odvodnika lahko

dobimo s pomočjo spodnje enačbe:

(s)b

dt a S (4.4)

kjer je:

a interpolacijski koeficient pridobljen iz statistične obdelave izmerjenih

vrednosti (s2/V),


75

b interpolacijski koeficient pridobljen iz statistične obdelave izmerjenih

vrednosti,

S strmina naraščanja napetosti čela vala.

V tem bloku imamo stikalo definirano kot upor s spremenljivo upornostjo, s katerim

lahko simuliramo nevzbujeno stanje, ko je stikalo odprto in razelektritve, ko je stikalo

zaprto. Enačba spremenljive upornosti je definirana kot:

0

0

01

1 1

;

exp ;

; ( )

s DC d

DC d

s s DC d

s s s

R t t t

t t tR t R t t t

R R t R

(4.5)

kjer so:

Rs0 upornost odprtega stikala (Ω),

Rs1 upornost sklenjenega stikala (Ω),

τ01 časovna konstanta zapiranja stikala (s),

tDC trenutek, ko pritisnjena napetost na plinskem odvodniku doseže vrednost

vžigne napetosti UDC (s).

Faza razelektritve

Ob sklenitvi prevodne poti med elektrodama, pride do razelektritve (pramenasto

razelektrenje), plin med elektrodama pa postane močno ioniziran. Z večanjem toka

skozi plinski odvodnik se premer pramena veča, s tem pa se veča tudi sekundarna

ionizacija plina, dokler pramen ne preide v oblok. Naraščanje toka lahko realiziramo s

spremenljivo upornostjo z uporabo Toplerjeve enačbe:

d

DC d

T

t

t t

k dR t

i t

(4.6)

kjer je:

kt14

Toplerjeva konstanta (Vs/m),

d razdalja med elektrodama (m).

Imenovalec v enačbi (4.6) predstavlja prenesen naboj skozi pramen v določenem času.

Za uspešno simulacijo razelektritve, moramo v podbloku faze pred razelektritvijo

14 Vrednost se spreminja glede na vrsto, sestavo in tlak plina ter razdaljo med elektrodama od 5 do 15 ∙ 10

-3

Vs/m.


76

(Slika 4.1) s spreminjanjem upornosti po Toplerju, skleniti stikalo. Med fazo

razelektritve tok med elektrodama plinskega odvodnika hitro narašča, hkrati pa pada

upornost po enačbi (4.6). Pri določenem toku pramen preide v oblok, kar v

matematičnem modelu zaznamo z upornostjo Rga, ki predstavlja mejno vrednost

upornosti po enačbi (4.6) med fazama razelektritve in obloka ter jo dobimo iz izvajanj

in analize izračunov matematičnega modela plinskega odvodnika. [8]

Faza gorenja električnega obloka

Električni oblok lahko opišemo kot prevodni kanal plazme vročih in močno ioniziranih

plinov. Glaven vir nosilcev elektrine je termična emisija elektronov iz vroče katode (Tc

≈ 3000 K). Upornost oz. prevodnost se spreminja po enačbi [8]:

0

d ln1 d 11

d d max ,

1

arc

gg u i

g t t U i P

Rg

(4.7)

kjer je:

τ »časovna konstanta«, ki predstavlja razmerje med shranjeno energijo v obloku

in izgubami,

Po izgube obloka (W),

Uarc Cassiejeva napetost15

(V).

Prehod iz obloka v samostojno razelektritev s prostorskim nabojem

Ob padcu toka obloka pod 0,03 A pride do ohladitve katode, kar ima za posledico

prekinitev termične emisije, zaradi česar pride do ugasnitve obloka. Tok ugasnitve

obloka imenujemo Iex in je kontrolna spremenljivka prehoda med fazo gorenja obloka

in fazo samostojne razelektritve s prostorskim nabojem. Ta trenutek označimo z

oznako tex. Zaradi dovolj visoke napetosti, še zmeraj lahko pride do ponovne

razelektritve. Prekinitev obloka lahko, podobno kot v fazi razelektritve, predstavimo

matematično, le da moramo v tem primeru stikalo v kratkem času najprej izklopiti in

spet skleniti. Spremenljivo upornost stikala lahko predstavimo kot:

15 Konstantna napetost obloka pri velikih tokovih obloka.


77

10

3 2

;

exp exp ;

arc ex

s ex exs ex

R t t t

R t t t t tR t t

(4.8)

kjer je:

Rs10 maksimalna upornost pri izklopu stikala (Ω),

τ2 časovna konstanta izklopa stikala (s),

τ3 časovna konstanta ponovne sklenitve stikala (s).

Po dosegu maksimalne vrednosti upornosti stikala, sprožimo spremembo upornosti

razelektritve po Toplerju:

24

d

ex

Tag

t

t

k dR t

i t

(4.9)

kjer je:

kTag Toplerjeve konstanta pri ponovni razelektritvi, ko je oblok že ugasnil in pride

do ponovne razelektritve (Vs/m).

Začetni čas integracije toka je, ko upornost stikala, doseže maksimalno vrednost, kar

se zgodi po približno štirih časovnih konstantah τ2. Prenesen naboj ob prvi razelektritvi

obravnavamo le za čas razelektritve.

S padcem skupne upornosti v stacionarnem stanju, da znaša napetost 100 V, preidemo

v fazo razelektritve s prostorskim nabojem. [8]

Faza samostojne razelektritve s prostorskim nabojem

Zaradi manjše energije elektronov ne pride več do ponovne sprožitve termične emisije

elektronov iz katode. V tej fazi je poglaviten mehanizem prevajanja bombardiranje

katode s pozitivnimi ioni. Ker prevajanje ni tako učinkovito kot v fazi obloka, pride do

povečanja upornosti in s tem tudi napetosti. S padcem skupne upornosti pod določeno

vrednost mejne upornosti med fazo ponovne razelektritve in fazo razelektritve s

prostorskim nabojem, sprožimo naraščanje upornosti po enačbi (4.10):

4

1 expg

g

t tR t R

(4.10)

kjer je:

Rg stacionarna vrednost upornosti v fazi razelektritve s prostorskim nabojem (Ω),


78

τ4 časovna konstanta naraščanja upornosti v prehodni fazi med ponovno

razelektritvijo in razelektritvijo s prostorskim nabojem (s).

Fizikalno upornost Rg predstavlja vrednost upornosti v fazi razelektritve s prostorskim

nabojem, enačba (4.10) pa predstavlja potek upadanja gostote nosilcev elektrine med

elektrodama takoj za ponovno razelektritvijo. [8]

Parametre realnega plinskega odvodnika, ki ga bomo uporabljali v simulaciji, prikazuje

4.2:

Tabela 4.2: Parametri uporabljenega plinskega odvodnika

Plinski odvodnik

a 19,19 s2/V d 2 mm τ 100 μs

b 0,82 Rga 425 Ω P0 100 kW

S 0,8883 kV/μs UDYN 650 V Uarc 0 V

Rs0 10 GΩ τ01 0,5 ∙ 10-7 s Iex 28,3 mA

UDC 300 V kT 8,38 ∙ 10-3 Vs/m kTag 15 ∙ 10-3 Vs/m

kjer je:

a interpolacijski koeficient,

b interpolacijski koeficient,

S strmina naraščanja napetosti čela vala,

Rs0 upornost odprtega stikala,

UDC kritična vžigna napetost plinskega

odvodnika,

D razdalja med elektrodama,

Rga mejna vrednost upornosti,

UDYN dinamična napetost razelektritve,

τ01 časovna konstanta zapiranja stikala,

kt Toplerjeva konstanta,

τ razmerje med shranjeno energijo v

obloku in izgubami,

P0 izgube obloka,

Uarc Cassiejeva napetost,

Iex tok ugasnitve obloka,

kTag Toplerjeva konstanta pri ponovni

razelektritvi.

4.3 Nizkonapetostni ZnO prenapetostni odvodnik

V simulaciji bomo zraven plinskega odvodnika uporabljali tudi nizko napetostni ZnO

prenapetostni odvodnik. Uporabili bomo že razvit model, v programskem paketu

Matlab/Simulink, ki je v preteklosti že bil razvit za simulacije z ZnO prenapetostnimi

odvodniki.


79

4.4 Matematični model omrežja

Za matematični model omrežja bomo uporabili Distributed parameter line blok (Slika 4.2),

ki se nahaja v knjižnici PowerSystem BlockSet programskega paketa Matlab/Simulink.

Blok Distributed parameter line nam omogoča vnos naslednjih podatkov omrežja (v našem

primeru nizko napetostnih kablov):

število faz – blok po vnosu števila faz samodejno spremeni število vhodov in

izhodov,

frekvenco – določimo lahko frekvenco za izračun upornosti, induktivnosti in

kapacitivnosti na enoto dolžine,

upornost na enoto dolžine – upornost lahko podamo kot NN matriko ali kot Ω/km

vrednost.

induktivnost na enoto dolžine – induktivnost lahko podamo kot NN matriko ali kot

H/km vrednost

kapacitivnost na enoto dolžine – kapacitivnost lahko podamo kot NN matriko ali

kot F/km vrednost

dolžina voda – za vsak vod oz. kabel vnesemo njegovo dolžina v km

Slabost tega modela je, da ne pokaže prave frekvenčne odvisnosti RLC parametrov realnih

vodov. V resnici, zaradi kožnega efekta vodnikov in zemlje, opazimo močno frekvenčno

odvisnost matrik R in L, ki povzroča dušenje visokih frekvenc.[10]

Slika 4.2: Blok Distributed parameter line blok za 1, 3 in 6 fazno omrežje [10]


80

5 VPLIV ELEKTRIČNEGA OMREŽJA NA DELOVANJE

PRENAPETOSTNE ZAŠČITE

Slika 5.1 prikazuje shemo vezave matematičnih modelov prenapetostne zaščite in omrežja,

ki smo jo uporabljali za simulacijo vpliva električnega omrežja na delovanje prenapetostne

zaščite. Za osnovo simulacije smo uporabil realno omrežje, ki smo mu potem spreminjali

parametre kablov in nato opazovali odzive prenapetostne zaščite. Enopolna shema, ki je

nismo uvrstili v besedilo, se nahaja v prilogi A.

Z bloki distributed parameter line smo simulirali povezave med:

transformatorsko postajo in glavno priključno omarico objekta (l12),

glavno priključno omarico in razdelilno omarico (l23) in

razdelilno omarico in porabnikom (l34).

Slika 5.1: Shema vezave matematičnih modelov prenapetostne zaščite in omrežja v

programskem paketu Matlab/Simulink

Pri simulaciji smo predpostavili, da je mesto izvora prenapetosti v transformatorju, ki je

250 m oddaljen od glavne priključne omarice objekta. Razdalja med glavna priključno

omarico in razdelilno omarico je 25 m in razdalja med razdelilno omarico in porabnikom

znaša 15 m.

Ker smo simulacijo opravljali na osnovi realnega primera smo za povezave uporabili

prereze kablov kot so določeni v enopolni shemi objekta (glej Priloga A). Lastnosti kablov

smo določili s pomočjo tabele 3.8.

Simulacije smo opravljali za tri različne primere uporabe prenapetostne zaščite:

uporabljen samo prenapetostni odvodnik,

uporabljen samo MOV in

uporabljena plinski odvodnik in MOV.


81

Da bi lahko ugotavljali vpliv električnega omrežja na delovanje prenapetostne zaščite, smo

za vsak primer prenapetostne zaščite opravili več simulacij s spremenjenimi lastnostmi

kablov oz. električnega omrežja:

simulacija z lastnostmi kablov podanih s strani proizvajalca,

kablom smo za polovico zmanjšali vrednosti induktivnosti in upornosti,

kablom smo dvakrat zvišali vrednosti induktivnosti in upornosti,

kablom smo za polovico zmanjšali vrednosti upornosti, induktivnosti in upornosti,

kablom smo dvakrat zvišali vrednosti upornosti, induktivnosti in upornosti,

razdalje med posameznimi elementi omrežja smo skrajšali za polovico,

razdalje med posameznimi elementi omrežja smo dvakrat podaljšali.

V posameznih primerih prenapetostne zaščite smo pogledali kaj se dogaja z napetostjo in

tokom na posameznim elementih omrežja. Za lažje ugotavljanje vpliva na delovanje

prenapetostne zaščite in posledično vpliva na porabnika, smo najprej opravili zgoraj

omenjene preizkuse za omrežje brez prenapetostne zaščite.

5.1 Primer 1: Brez prenapetostne zaščite

Najprej smo opravili simulacijo električnega omrežja brez prenapetostne zaščite (Slika

5.2), kjer smo za električne kable uporabili podatke podane s strani proizvajalca. Graf 4.1

prikazuje tok in napetost na bremenu (porabniku), ki ga imamo na koncu omrežja, za

katerega smo uporabili podatke podane s strani proizvajalca. Iz njega je lepo razviden

napetostni udar, ko je napetost na bremenu znašala 540 V in tok 1,02A.

Slika 5.2: Shema vezave matematičnih modelov brez prenapetostne zaščite

Sledila je simulacija, kjer smo vrednosti upornosti in induktivnosti kablov podanih s strani

proizvajalca povišali za faktor 2. Rezultati so prikazani na grafu 5.2, iz katerega je


82

razvidno, da sta bila tok in napetost ob prenapetostnem udaru manjša, kot pri prejšnjem

primeru. Maksimalna vrednost toka je bila 0,92 A, maksimalna vrednost napetosti pa je

znašala 486 V.

V naslednji simulaciji smo vrednosti upornosti in induktivnosti kablov zmanjšali za

polovico, glede na podane vrednosti s strani proizvajalca. Iz grafa 5.3 je razvidno, da je

maksimalna vrednost napetosti na bremenu znašala 600 V, kar je v primerjavi z rezultati

prve simulacije 60 V oz. približno 10 % več. Posledično se je, glede na prvo simulacijo,

zvišal tudi tok, ki je bil prav tako za približno 10 % večji in je znašal 1,13 A.

Graf 5.1: I in u na bremenu (porabniku) v omrežju s podatki proizvajalca kablov, brez LPS


83

Graf 5.2: I in u na bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in induktivnosti, brez

LPS

Graf 5.3: : I in u na bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in induktivnosti,

brez LPS


84

Graf 5.4: : I in u na bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti, induktivnosti in

kapacitivnosti, brez LPS

Vrednost toka in napetosti na bremenu v primeru, ko smo za polovico zmanjšali vrednosti

upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti kabla, prikazuje graf 5.4. Opazimo lahko, da so

bile vrednosti toka (1,06 A) in napetosti (559 V) na bremenu manjše kot v primeru, ko smo

za polovico zmanjšali samo upornost in induktivnost kablov.

V naslednji simulaciji smo vrednosti kapacitivnosti, upornosti in induktivnosti povišali na

njihovo dvojno vrednost, glede na podatke proizvajalca. Na osnovi rezultatov, ki jih

prikazuje graf 5.5, lahko opazimo povišanje maksimalne vrednosti toka (0,96 A) in

napetosti (503 V), v primerjavi s primerom, ko smo za dvojno vrednost povečali samo

upornost in induktivnost. Vzrok za nastalo razliko je lahko kapacitivnost, saj smo v prvih

dveh primerih spreminjali samo induktivnost in upornost, v naslednjih dveh pa smo

spreminjali vse tri komponente. Kapacitivnost je lahko vplivala tudi na dodaten šum pri

padcu napetosti in toka po prenapetostnem udaru v primeru, ko smo vrednosti vseh treh

komponent podvojili.

Pri zadnjih dveh simulacijah smo uporabili lastnosti kablov, kot jih je podal proizvajalec in

smo spremenili samo dolžino kablov med posameznimi elementi električnega omrežja.

Najprej smo opravili simulacijo za primer, kjer smo dolžine električnih kablov podvojili


85

(Graf 5.6). Opazili smo, da so maksimalne vrednosti toka in napetosti na bremenu, v

primerjavi s prejšnjimi simulacijami, ko smo vrednosti upornosti, induktivnosti in

kapacitivnosti podvojili, primerljive. Podoben rezultat smo dobili tudi pri zmanjšanju

lastnosti kablov za polovico in zmanjšanju razdalj med elementi omrežja za polovico (Graf

5.7).

Graf 5.5: : I in u na bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti, induktivnosti in

kapacitivnosti, brez LPS


86

Graf 5.6: I in u na bremenu v omrežju z dvojno razdaljo med elementi omrežja, brez LPS

Graf 5.7: I in u na bremenu v omrežju s polovično razdaljo med elementi omrežja, brez

LPS


87

5.2 Primer 2: Uporabljen samo plinski odvodnik

V naslednjem primeru smo v simulacijo električnega omrežja vključili plinski odvodnik, ki

smo ga namestili v glavno priključno omarico našega objekta, ki je od transformatorske

postaje oddaljena 250 m (Slika 5.3).

Slika 5.3: Shema vezave matematičnih modelov s plinskim odvodnikom

Grafa 5.9 in 5.8 nam prikazujeta, kaj se dogaja z napetostjo ter tokom na plinskem

odvodniku in bremenu v primeru nastopa prenapetosti. Iz grafov je lepo razvidno

delovanje plinskega odvodnik. V trenutku, ko pride do prenapetosti (v našem primeru 860

V), se prekine prevajanje napetosti in začne naraščati tok (v našem primeru do 20,5 A), ki

po doseženem maksimumu prične spet padati. V trenutku, ko pade tok plinskega

odvodnika na nič, pride spet do povišanja napetosti na plinskem odvodniku (v našem

primeru 300 V) in potem prične napetost spet normalno nihati. Iz grafa 5.8 lahko vidimo

tudi, da je napetost na bremenu veliko manj povišana (280 V), kot v primeru brez

prenapetostne zaščite, ki je prikazana na grafu 5.1. Prav tako je lepo vidno, kako pride pri

najvišjem toku 5,25 A tudi do prekinitve toka in kako po koncu delovanja plinskega

odvodnika tok na hitro naraste do 1,4 A, ter potem prične spet normalno nihati skupaj z

napetostjo.


88

Graf 5.8: U na PO in bremenu v omrežju s podatki proizvajalca kablov

Graf 5.9: I na PO in bremenu v omrežju s podatki proizvajalca kablov


89

Graf 5.10: U na PO in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in induktivnosti

Graf 5.11: I na PO in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in induktivnosti


90

Nato sta sledili simulaciji, ko smo spreminjali vrednosti upornosti in induktivnosti kablov.

Najprej smo opravili simulacijo, kjer smo podvojili vrednosti upornosti in induktivnosti

kablov, ki so bile podane s strani proizvajalca. Na grafu 5.10 lahko opazimo, da je bila

napetost ob pričetku delovanja plinskega odvodnika nižja za 210 V, kot v primeru, ko smo

za kable uporabili podatke podane s strani proizvajalca. Prav tako lahko opazimo, da je bil

napetostni udar ob koncu delovanja prenapetostnega odvodnika večji. Z zmanjšanjem

napetosti so se zmanjšali tudi tokovi na plinskem odvodniku in bremenu. Tako je največji

tok plinskega odvodnika znašal 11 A, največji tok na bremenu, tik pred pričetkom

delovanja plinskega odvodnika, pa je znašal 3,6 A (Graf 5.11).

Grafa 5.12 in 5.13 prikazujeta kaj se je dogajalo z napetostjo in tokom v primeru, ko smo

upornost in induktivnost kablov zmanjšali za polovico. Najvišja vrednost napetosti na

plinskem odvodniku je bila 763 V, kar je 100 V manj, kot v primeru, ko smo uporabili

podatke proizvajalca. Za polovico se je zmanjšala tudi napetost ob koncu delovanja

plinskega odvodnika. Tok na plinskem odvodniku se je, v primerjavi z grafom 5.9, skoraj

podvojil, saj je dosegel maksimum pri 37 A.

Graf 5.12: U na PO in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in

induktivnosti


91

Graf 5.13: I na PO in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in induktivnosti

Graf 5.14: U na PO in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti, induktivnosti

in kapacitivnosti


92

V naslednji simulaciji smo zraven polovičnih vrednosti upornosti in induktivnosti kabla,

razpolovili tudi vrednost kapacitivnost. Pri tem smo ugotovili, da so bili odzivi tokov16

, na

plinskem odvodniku in bremenu enaki, kot v primeru, ko smo razpolovili samo vrednosti

upornosti in induktivnosti (Graf 5.13). Enako je tudi z vrednostmi napetosti na bremenu, ki

so bile prav tako enake, kot v primeru, ko smo zmanjšali samo upornost in induktivnost

kablov. Sprememba je vidna samo pri velikosti prenapetosti, ki je v tem primeru znašala

736 V.

Podobno se je dogajalo tudi v primeru, ko smo vrednosti upornosti, induktivnosti in

kapacitivnosti podvojili. Tako kot v primeru, ko smo zmanjševali vrednosti lastnosti

kablov, smo tudi pri povečevanju teh vrednosti, dobili enake odzive16

tokov in napetosti,

kot v primeru, ko smo povečali samo vrednosti upornosti in induktivnosti. Edina

sprememba je bila pri najvišji vrednosti napetosti na plinskem odvodniku (Graf 5.15), ki je

znašala 713 V, kar je 260 V več kot v primeru, ko smo povečevali samo upornost in

induktivnost.

Graf 5.15: U na PO in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti, induktivnosti in

kapacitivnosti

16 Graf poteka toka pri polovičnih vrednostih upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti v prilogi.


93

Graf 5.16: U na PO in bremenu v omrežju z dvojno razdaljo med elementi omrežja

Graf 5.17: U na PO in bremenu v omrežju s polovično razdaljo med elementi omrežja


94

Pri simulacijah s spremembo dolžine smo prav tako opazili podobne rezultate, kot v

prejšnjih primerih. Tako je v obeh primerih, ko smo razdalje med posameznimi elementi

razpolovili oz. podvojili, prišlo do razlike samo pri najvišji napetosti na plinskem

odvodniku. Graf 5.16 prikazuje vrednosti napetosti na plinskem odvodniku, ko smo

razdalje med posameznimi elementi električnega omrežja podvojili, kjer znaša maksimalna

vrednost napetosti 635 V. Najvišjo vrednost napetosti (837 V) v primeru, ko smo razdalje

med posameznimi elementi električnega omrežja skrajšali za polovico, prikazuje graf 5.17.

Ostali grafi, ki jih nismo uvrstili med besedilo, so v prilogi B.

5.3 Primer 3: Uporabljen samo MOV

V naslednji simulaciji smo uporabili samo MOV, ki smo ga namestili v razdelilni omarici

objekta, na razdalji 25 m od glavne priključne omarice (Slika 5.4). Potek simulacij je bil

povsem enak, kot v prejšnjih primerih.

Slika 5.4: Shema vezave matematičnih modelov z MOV

Najprej smo opravili simulacijo s podatki, ki so podani s strani proizvajalca. Napetost na

MOV, skozi katerega je tekel tok 0,5 A (Graf 5.19), je bila 370 V (Graf 5.18). Podobna

napetost je bila tudi na porabniku, skozi katerega je tekel tok 0,68 A.

Sledila je simulacija, v kateri smo vrednosti induktivnosti in upornosti kablov povečali

dvakrat. Tok skozi MOV, se je v primerjavi s prvo opravljeno simulacijo, zmanjšal za

skoraj 40 % oz. je bil velik 0,32 A (Graf 5.21), pri čemer se tok na porabniku, v primerjavi

s prvo simulacijo, ni spremenil. Napetost na MOV se je zmanjšalo na 360 V, na porabniku

pa je znašala 344 V (Graf 5.20).

Rezultati simulacije, v kateri smo vrednosti induktivnosti in upornosti kablov razpolovili

prikazujeta grafa 5.22 in 5.23. Tok na MOV se je povečal na 0,85 A, med tem ko je tok na


95

porabniku ostal enak kot v prejšnjih primerih. Prav tako lahko opazimo povišanje napetosti

na MOV in porabniku na 380 V.

V naslednji simulacijah smo opazili podobne odzive napetosti in tokov z minimalnimi

odstopanju vrednosti. Tako smo ugotovili, da so napetosti in tokovi v primeru, ko

vrednosti parametrov kabla in razdalje podvojimo, zmeraj podobne oz. da ne prihaja do

večjih sprememb, ki bi lahko vplivale na drugačno delovanje MOV. Do podobnega

rezultata smo prišli tudi v nasprotnem primeru, ko vrednosti razpolovimo. Zaradi podobnih

rezultatov, so preostali grafi, ki jih nismo uvrstili v besedilo, prikazani v prilogi C.

Graf 5.18: U na MOV in bremenu v omrežju s podatki proizvajalca kablov


96

Graf 5.19: I na MOV in bremenu v omrežju s podatki proizvajalca kablov

Graf 5.20: U na MOV in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in

induktivnosti


97

Graf 5.21: I na MOV in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in induktivnosti

Graf 5.22: U na MOV in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in

induktivnosti


98

Graf 5.23: I na MOV in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in

induktivnosti

5.4 Primer 4: Uporabljena plinski odvodnik in MOV

Na koncu smo opravili še simulacije, ko smo uporabili plinski odvodnik in MOV (Slika

5.1). Vendar smo pri teh simulacijah naleteli na težave, ki so povezane z omejitvami

našega modela. Največjo težavo je predstavljala kapacitivnosti kablov, saj se zaradi njih na

modelu pojavljajo šumi, zaradi katerih nismo mogli dobiti natančnih vrednosti tokov in

napetosti, kljub temu, da smo videli njihov potek v času simulacije. Podobne težave smo

imeli že v prejšnjih simulacijah, vendar je bil šum zelo majhen in posledično je bil

minimalen tudi popravek kapacitivnosti, ki pa je po popravku, tekom simulacije, ostala

zmeraj enaka.

Da bi za potrebe te simulacije, lahko izločili šum, bi bilo potrebnih kar nekaj poskusov

popravkov, s čimer pa bi preveč spremenili karakteristike kablov, da bi dobili realne

podatke.

Omejitvam navkljub, smo dobili grafe, iz katerih lahko razberemo potek tokov. Poteka

napetosti pa zaradi prevelikega šuma nismo mogli prikazati. Na osnovi grafov, ki


99

prikazujejo potek tokov iz prejšnjih opravljenih simulacij, pa lahko ugotovimo, da je

prenapetostna zaščita prenapetosti zaznala pravilno.

Graf 5.24 prikazuje potek tokov na plinskem odvodniku, MOV in porabniku, ko so

upoštevane karakteristike kabla, ki so podane s strani proizvajalca. Na njem je lepo vidno,

da je večino prenapetosti odvedel plinski odvodnik (16 A) in je MOV prenapetost samo

malo zgladil z odvajanjem toka v vrednosti 0,16 A.

Pri podvojitvi vrednosti upornosti in induktivnosti se je vrednost odvedenega toka

zmanjšala skoraj za polovico na obeh elementih prenapetostne zaščite (Graf 5.25). Ravno

obratno pa se je zgodilo v primeru, ko smo vrednosti parametrov razpolovili, saj so se

vrednosti tokov na elementih prenapetostne zaščite podvojile (Graf 5.26).

Graf 5.24: I na PO, MOV in bremenu v omrežju s podatki proizvajalca kablov


100

Graf 5.25: I na PO, MOV in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti in

induktivnosti

Graf 5.26: I na PO, MOV in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti in

induktivnosti


101

5.5 Povzetek rezultatov

S pomočjo simulacij smo prišli do ugotovitev, da parametri kablov vplivajo na samo

delovanje prenapetostne zaščite.

Velik vpliv na samo delovanje prenapetostne zaščite ima zagotovo kapacitivnost, ki vpliva

že na samo hitrost odzivnosti prenapetostne zaščite, saj se z večanjem kapacitivnosti

podaljšuje njen odzivni čas delovanja. Prav tako je kapacitivnost v naših primerih

povzročala šume, ki jih delno lahko pripišemo omejitvam našega matematičnega modela,

delno pa fizikalnemu ozadju, ki pa se mu v tej magistrski nalogi nismo posvečali. Šume

smo delno zmanjšali tako, da smo na začetku simulacij malenkost zmanjšali vrednost

kapacitivnosti, ki je potem ostala enaka za vse nadaljne simulacije. Ugotovili smo, da

največ težav povzročajo prevelike kapacitivnosti. Za zmanjšanje vpliva kapacitivnosti na

delovanje prenapetostne zaščite, bi bilo najbolje namesto kablov uporabiti posamezne

vodnike faz, ki imajo manjše kapacitivnosti.

Pri izbiri prenapetostne zaščite moramo biti pozorni tudi na upornosti kablov, saj se ob

manjši upornosti pojavljajo večje prenapetosti kot v kablih z večjo upornostjo. Tabela 3.8

lepo prikazuje, da je upornost odvisna že od izbire samega materiala, saj ima aluminij

večjo upornost kot baker. Na upornost pa vpliva tudi presek kablov, saj se z večanjem

preseka kabla niža njegova upornost. Ob izbiri premajhnega preseka kabla, lahko ob večjih

obremenitvah prihaja do njegovega segrevanja, kar pa lahko negativno vpliva tudi na

delovanje MOV, ki je temperaturno odvisen. V primeru, da se MOV-u zaradi vplivov

okolice poveča temperatura, se mu bo povečala tudi upornost in s tem bo odvajal manjše

tokove, za katere je predviden, kar pa lahko povzroči poškodbe na porabniku, saj bo

prenapetost previsoka.

Na delovanje prenapetostne zaščite vpliva tudi induktivnost, ki vpliva na hitrost naraščanja

toka skozi plinski odvodnik. V primeru, da imamo večjo vrednost induktivnosti, je

naraščanje toka počasnejše in posledično počasneje narašča tudi sproščena energija. V

primeru, da bi tok in posledično sproščena energija narasli veliko hitreje, bi potrebovali

plinske odvodnike za odvajanje večjih energij, hkrati pa bi veliko bolj obremenjevali

materiale, iz katerih je izdelan.


102

6 SKLEP

V magistrski nalogi smo se ukvarjali s prenapetostmi, prenapetostnimi zaščitami in

vplivom parametrov kablov in njihovih dolžin na delovanje prenapetostne zaščite.

V uvodu smo predstavili izvore prenapetosti in njihovo delitev na notranje in zunanje

prenapetosti. Ugotovili smo, da so zunanji izvori prenapetosti najpogostejši. Zaradi

materialne in ekonomske škode, ki jo lahko povzročijo prenapetosti, je v današnjem času

izvedba prenapetostne zaščite skoraj obvezna.

Prenapetostno zaščito lahko razdelimo na zunanjo in notranjo. Zunanjo prenapetostno

zaščito predstavlja strelovod. V magistrski nalogi pa smo se posvetili predvsem notranji

prenapetostni zaščiti, kamor spadata plinsko odvodnik in metal-oksidni varistor. Ker nas je

zanimalo njuno delovanje, ob različnih parametrih kablov in njihovih dolžinah, smo si pri

tem pomagali s simulacijami v programskem paketu Matlab/Simulink. Da bi dobili čim

bolj realne podatke, smo v simulaciji uporabljali podatke realnih elementov omrežja.

Za izvajanje simulacij, smo morali za vsak element omrežja uporabiti matematični model.

Najprej smo izvajali simulacije brez prenapetostne zaščite, kjer smo spreminjali parametre

kablov. Ker nas je zanimalo, kako na delovanje prenapetostne zaščite vplivajo vrednosti

parametrov kablov, smo najprej spreminjali samo upornost in induktivnost, pri čemer smo

vrednosti enkrat podvojili, drugič pa razpolovili. V naslednjih simulacijah smo zraven

upornosti in induktivnosti, spreminjali še vrednosti kapacitivnosti, saj nas je zanimal tudi

njen vpliv na delovanje prenapetostne zaščite.

Sledile so simulacije, kjer smo uporabili samo plinski odvodnik montiran v priključni

omarici in samo MOV, ki smo ga priključili v razdelilni omarici. Za konec pa smo opravili

še simulacije, kjer smo uporabili obe prenapetostni zaščiti hkrati.

Pri samih simulacijah smo se srečevali tudi z omejitvami modela, ki so povezane z

matematičnimi modeli elementov omrežja, saj ne moremo povsem zagotoviti, da bi se

elementi tako obnašali tudi v realnosti. Zaradi tega bi bilo zanimivo podobne simulacije

opraviti v laboratoriju in jih primerjati z rezultati naših simulacij.

Omejitev naloge predstavljajo tudi šumi, ki so se pojavljali v rezultatih simulacij, ki so bili

povezani s kapacitivnostjo, saj so se šumi ob minimalnem popravku kapacitivnosti

zmanjšali. Kljub zmanjšanju kapacitivnosti, se vrednosti rezultatov niso spremenile. Prav

tako s spremembo nismo bistveno vplivali na rezultate simulacij, saj smo za vse simulacije

uporabljali minimalno popravljeno kapacitivnost.


103

Največ težav smo imeli pri zadnjem primeru, ko smo opravljali simulacije z obema

elementoma prenapetostne zaščite. Zaradi prevelikega šuma v rezultatih, nismo dobili

povsem pravilnih vrednosti. Če bi želeli šum zmanjšati, bi se s spreminjanjem parametrov

kabla preveč oddaljili od realnih vrednosti. Kljub temu smo lahko videli poteke tokov, ki

so pokazali, da se omrežje z obema prenapetostnima zaščitama, na spremembe odziva

podobno, kot omrežje s samo enim elementom prenapetostne zaščite.

Rezultati so pokazali, da na delovanje prenapetostne zaščite deluje več faktorjev: upornost,

induktivnost, kapacitivnost in dolžina kablov, ki vplivajo na velikost same prenapetosti.

Zaradi tega moramo elemente prenapetostne zaščite pravilno dimenzionirati, saj morajo ob

različnih pogojih, odvajati različno velike tokove.

V primeru, da izberemo prenapetostno zaščito za premajhne prenapetosti, lahko ob večjem

prenapetostnem udaru pride do njihovega uničenja in s tem posledično do pojava

prenapetosti v inštalaciji, ki lahko vodi do poškodovanja ali celo do uničenja porabnika.

Da bi zmanjšali verjetnost poškodb prenapetostne zaščite ob prevelikih prenapetostih,

lahko pred prenapetostno zaščito vgradimo varovalke, ki ogroženi element prenapetostne

zaščite izklopi iz električnega omrežja. Kljub temu, da s tem zaščitimo element

prenapetostne zaščite, pa lahko pride do poškodb porabnikov.

V primeru, ko pri dimenzioniranju prenapetostne zaščite določimo prevelike parametre

elementov prenapetostne zaščite, pa povzročamo nepotrebne ekonomske stroške

investitorju, saj se cene elementov prenapetostne zaščite dvigajo glede na njihove

sposobnosti odvajanja tokov in napetosti. Tako se lahko zgodi tudi, da se investitor ne

odloči za prenapetostno zaščito.

Uporaba prenapetostne zaščite bo zmeraj bolj pogosta, saj dandanes nenadne vremenske

ujme in drugi pojavi s sabo prinašajo pogoste nevihte s posledično pogostejšimi udari strel.

Vse več podjetij pa je, po drugi strani, odvisnih od električnih, elektronskih in

telekomunikacijskih naprav, katerih izguba oz. poškodba, zaradi udarov strel, lahko

povzroči veliko ekonomsko škodo. Ravno zaradi tega je prenapetostna zaščita še kako

pomembna pozornosti same prakse oz. projektantov elektroinštalacij, slednji morajo zato

biti pozorni na vrednosti prenapetosti, ki se lahko glede na parametre kablov in njihovih

dolžin, precej spreminjajo (kar nakazujejo naši rezultati) in posledično se mora zato

prilagajati tudi parametre prenapetostne zaščite.


104

7 LITERATURA

[1] Borut Tavčar, V Sloveniji strele udarijo 75.000-krat na leto, junij 2013, Dostopno

na: http://www.delo.si/arhiv/v-sloveniji-strele-udarijo-75-000-krat-na-leto.html [11.

2. 2014]

[2] Debevec, U., Strele, november 2005, Dostopno na: http://shrani.si/files/strela110

70e.pdf [22.11.2014]

[3] DEHN + SÖHNE, Blitzplaner, Neumarkt, Germany, Juli 2013, Dostopno na:

https://www.dehn.de/sites/default/files/uploads/dehn/pdf/Kataloge/Deutsch/blitzpla

ner.pdf [2. 12. 2013]

[4] GRID CABLES, Dostopno na: http://www.gridcables.com/pdfs/4-core-cu-

unarmd.pdf [29. 9. 2014]

[5] HAVELLS, Cable Catalogue, August 2008, Dostopno na: http://www.havells.com/

Admin/Forms/Brochures%5CCable%20Catalogue%20Final-Aug-08.pdf [29. 9.

2014]

[6] Hribar, Ž. Primerjava tehnologije iskrišč in varistorjev. Elektrotehniška revija, 5,

(2005), 2, str. 38 – 43.

[7] Hribar, Ž. Predstavitev iskrišč Iskra za uporabo v nizkonapetostnem omrežju.

Elektrotehniška revija, 5, (2005), 3, str. 25 – 28.

[8] J. Ribič, Prenapetostna zaščita zgradb, Magistrsko delo, Univerza v Mariboru,

Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko v Mariboru, Maribor,

2006.

[9] Kokalj, A., Osnove elektrotehnike [Elektronski vir]: gradivo za 1. letnik, Zavod

IRC, Ljubljana, 2011, Dostopno na: http://www.impletum.zavod-irc.si/docs/

Skriti_dokumenti/Osnove_elektrotehnike-Vrscaj_Kokalj.pdf [15. 8. 2014]

[10] MathWorks, Distributed Parameter Line, Dostopno na: http://www.mathworks.co

m/help/physmod/sps/powersys/ref/distributedparameterline.html;jsessionid=696b7

b45f0f87f3fd4131e4569ae [1. 8. 2014]

[11] MathWorks, PI Section Line, Dostopno na: http://www.mathworks.com/help/

physmod/sps/powersys/ref/pisectionline.html [1. 8. 2014]

[12] MathWorks, PI Section Line, Dostopno na: http://www.mathworks.com/help/

physmod/sps/powersys/ref/threephasepisectionline.html [1. 8. 2014]

http://www.delo.si/arhiv/v-sloveniji-strele-udarijo-75-000-krat-na-leto.html%20%5b11


105

[13] J. Voršič, J. Pihler, Tehnika visokih tokov in velikih napetosti, FERI, Maribor,

2008.

[14] Ravnikar, I., Električne inštalacije, Tehniška založba Slovenije, Ljubljana, 2007.

[15] Ravnikar, I. Električne inštalacije, skladne z družino standardov SIST HD 384 – 2.

nadaljevanje. Elektrotehniška revija, 5, (2004), 1, str. 27 - 30.

[16] Ravnikar, I. Električne inštalacije, skladne z družino standardov SIST HD 384 – 3.

nadaljevanje. Elektrotehniška revija, 5, (2004), 2, str. 19 - 25.

[17] Ravnikar, I. Električne inštalacije, skladne z družino standardov SIST HD 384 –

19. nadaljevanje. Elektrotehniška revija, 9, (2008), 2, str. 22 – 26.





[20] SIST EN 62305-1, Protection against lightning - Part 1: General principles, Ed. 1,

SIST, June 2002.

[21] SIST EN 62305-2, Protection against lightning - Part 2: Risk management, Ed. 1,

SIST, June 2004.

[22] SIST EN 62305-3, Protection against lightning - Part 3: Physical damage to

structures and life hazard, Ed. 1, SIST, June 2004.

[23] SIST EN 62305-4, Zaščita pred delovanjem strele – 4. Del: Električni in

elektronski sistemi v zgradbah (IEC 62305-4:2006). SIST, Ljubljana, Junij 2006.

[24] SIST IEC 60038, Standardne napetosti IEC, SIST, Ljubljana, september 2002.

[25] Slovensko društvo za geoelektriko, statično elektriko in strelovode, Dostopno na:

http://www.sdgss.si/predstavitev/clanki [11. 2. 2014]

[26] TEHNIČNA SMERNICA TSG-N-002:2013, Nizkonapetostne električne

inštalacije, Dostopno na: http://www.mzi.gov.si/fileadmin/mzi.gov.si/pageuploads/

Prostor/Graditev/mop_nn_instalacije_TSG-N-002_2013_objava.pdf [15. 10. 2014]


Priloga A


Priloga B

Graf B.1: I na PO in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti, induktivnosti in

kapacitivnosti

Graf B.2: I na PO in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti, induktivnosti in

kapacitivnosti


Graf B.3: I na PO in bremenu v omrežju z dvojno razdaljo med elementi omrežja

Graf B.4: I na PO in bremenu v omrežju s polovično razdaljo med elementi omrežja


Priloga C

Graf C.1: U na MOV in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti,

induktivnosti in kapacitivnosti

Graf C.2: I na MOV in bremenu v omrežju s polovično vrednostjo upornosti, induktivnosti

in kapacitivnosti


Graf C.3: U na MOV in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti, induktivnosti

in kapacitivnosti

Graf C.4: I na MOV in bremenu v omrežju z dvojno vrednostjo upornosti, induktivnosti in

kapacitivnosti


Graf C.5: U na MOV in bremenu v omrežju z dvojno razdaljo med elementi omrežja

Graf C.6: I na MOV in bremenu v omrežju z dvojno razdaljo med elementi omrežja


Graf C.7: U na MOV in bremenu v omrežju s polovično razdaljo med elementi omrežja

Graf C.8: I na MOV in bremenu v omrežju s polovično razdaljo med elementi omrežja

Documents

VPLIV ELEKTRIČNEGA OMREŽJA NA DELOVANJE … · univerza v mariboru fakulteta za elektrotehniko, raČunalniŠtvo in informatiko aleš kolbl vpliv elektriČnega omreŽja na delovanje