Univerzitet Crne Gore Elektrotehniki fakultet u Podgorici

PRENAPONI I KOORDINACIJA IZOLACIJEPrincipi zatite i ureaji za zatitu od prenapona

Student: Damjan Krivaevi

Profesor: Prof. dr Sreten kuleti

Podgorica, Oktobar 2011. god. SADRAJ

1.UVOD............................................................................................................3 2.PRENAPONI....................................................................................................4 3.ZATITA OD ATMOSFERSKIH PRENAPONA.....................................................5 3.1.Zatita objekata......................................................................................5 3.2.Zatita elektroenergetskih postrojenja...................................................6 3.3.Zatita nadzemnih vodova....................................................................10 3.4.Zatita transformatora..........................................................................14 3.5.Zatitne mjere za ovjeka.....................................................................14 4.UREAJI ZA ZATITU OD ATMOSFERSKIH PRENAPONA...............................15 4.1.Zatitna iskrita (varniari)...................................................................15 4.2.Cijevni odvodnici prenapona.................................................................16 4.3.Katodni odvodnici prenapona...............................................................17 5.ZATITA OD UNUTRANjIH PRENAPONA......................................................18 5.1.Odvodnik prenapona na vodu bez iskrita............................................18 18 ..........................................................................................................18 5.2.Mikroprocesorska pod/prenaponaska zatita........................................20 6.NOVE TENDENCIJE U PRENAPONSKOJ ZATITI.............................................22 7.ZAKLjUAK..................................................................................................25 LITERATURA...................................................................................................26

2

1. UVODPod prenaponom se podrazumijeva svako povienje napona izmeu dvije take koje stvara elektrino polje izmeu njih tako da ono moe biti opasno po oteenje izolacije izmeu istih, tj. izmeu tih taaka usljed jakog polja moe doi do preskoka ili proboja izolacije. Gotovo svi ureaji i postrojenja za visoke napone grade se za spoljanju montau i izloeni su pored atmosferskih uticaja (toplota, mraz, vlaga ...) i veoma estim pranjenjima usljed atmosferskog elektriciteta, koja su poznata pod nazivom prenapona (spoljanji prenaponi) jer su to povienja napon iznad normalnih radnih napona. Takoe prenaponi mogu nastati i u samom elektrinom sistemu tj. nezavisno od atmosfere, te i njih treba uzeti u obzir pri posmatranju ovih pojava (unutranji prenaponi). Pri direktnim atmosferskim pranjenjima u elemente elektroenergetskih sistema pojavljuju se vrlo velike struje koje izazivaju visoke napone na objektima, od kojih se oprema u postrojenjima mora tititi. Unutranji prenaponi nastaju usljed poremeaja u samom sistemu. Dijele se prema uzroku na: sklopne ili komutacione i privremene ili povremene prenapone. Takoe, ureaji se moraju tititi i od ovih vrsta prenapona. U drugom poglavlju ukratko su opisani prenaponi, njihove vrste i navedeni su zatitni ureaji. Tree poglavlje detaljno opisuju zatitne mjere od atmosferskih prenapona. Tu je ukljuena: zatita objekata, elektroenergetskih postrojenja i vodova praena osnovnim empirijskim obrascima koji se najee koriste pri proraunima zatitnih zona. Takoe, pored zatite elemenata blie su opisani zatitni ureaji kao to su zatitna iskrita, cijevni i katodni odvodnici prenapona a date su i zatitne mjere za ovjeka. U etvrtom poglavlju posveena je panja unutranjim prenaponima. Opisan je princip rada odvodnika prenapona na vodu bez iskrita koji se koristi za zatitu od ove vrste prenapona a pored toga govori se o novijim principima zatite, prvenstveno obazirui se na mikroprocesorsku pod/prenaponsku zatitu i principe rad iste. Prije zakljuka, u petom poglavlju, opisane su nove tendencije u prenaponskoj zatiti.

3

2. PRENAPONIPod prenaponom se podrazumijeva svako povienje napona izmeu dvije take, koje stvori elektrino polje izmeu njih jae nego pri normalnom radu, tako da isto moe biti opasno po proboj izolacije izmeu njih. Prenaponi se uglavnom dijele na dvije vrste i to: komutacione i atmosferske Komutacioni, unutranji ili pogonski prenaponi nastaju usljed promjene u reimu rada sistema ili postrojenja. Ova vrsta prenapona danas se uglavnom savlauje podeavanjem izolacije postrojenja i aparata da iste, ukoliko nijesu suvie veliki, izdre, ili pak podesnim ureajima i aparatima koji e onemoguiti njihovo stvaranje ili smanjiti njihove amplitude. Atmosferski ili spoljanji prenaponi nazivaju se oni koji ne nastaju usljed manipulacije ili promjene u postrojenju ili sistemu, ve usljed spoljanjih atmosferskih uzroka, najee usljed direktnog ili indirektnog pranjenja groma. Prenaponi atmosferskih pranjenja su opasniji jer im amplitude mogu biti daleko vee i nijesu uslovljene elementima samog kola odnosno reimom rada kola. Kao zatitni ureaji od prenapona najee se upotrebljavaju sljedei ureaji: a) Gromobrani b) Zemljovodna uad c) Zatitni varniari d) Odvodnici prenapona i kao sastavni dio ovih ureaja dolazi uvijek uzemljenje.

4

3. ZATITA OD ATMOSFERSKIH PRENAPONA3.1. Zatita objekata

U daljem tekstu e biti opisani osnovni elementi neke gromobranske instalacije i uloge tih elemenata u zatiti zgrada i drugih objekata od udara groma. Prvi element je hvataljka. To je najistureniji dio gromobrana i njegov je zadatak da na sebe privue i preuzme atmosfersko pranjenje i tako zatiti objekat koga tite. Pojavljuje se u dva osnovna oblika: kao ipka (iljak) ili kao traka.

a)

b)

Slika 3.1. Zatita od prenapona u postrojenju: a) gromobranski iljci b) gromobranska uad

Drugi zadatak gromobranske instalacije je da prihvaenu struju atmosferskog pranjenja sigurno odvede od hvataljke u zemlju. Za to se postavlja jedan ili vie odvoda. Oni moraju izdrati zagrijavanje uzrokovano prolaskom struje groma kroz njih. Trei zadatak je da se struja groma to bolje odvede u zemlju. Za to slue uzemljivai koji se ukopavaju u zemlju i spajaju na odvod. Njihov otpor mora biti to manji kako bi i pad napona na njima usljed prolaska struje groma bio to manji. Odvod gromobrana ima upravo taj napon i ako on nije dovoljno mali, mogu nastati preskoci sa odvoda prema drugim predmetima u blizini, pogotovo onima koji su uzemljeni na drugi nain (npr. vodovodne ili plinske instalacije).5

Da se ovi preskoci ne bi dogaali nastoji se da otpor uzemljenja, a time i pad napona na njemu, bude to manji. Isto tako esto se sprovodi mjera izjednaavanja potencijala. To znai da se elektrino poveu uzemljiva i metalni dijelovi koji dolaze iz okoline. Na taj nain su sprijeeni preskoci koji bi mogli nastati usled razlike napona na gromobranu i drugim uzemljenim dijelovima. Jako bitan dio gromobranske instalacije je i uzemljiva. On mora dobro sprovesti struju groma u zemlju, drugim rijeima njegov otpor mora biti to manji. Taj otpor zavisi od karakteristika zemljita u koje se ukopava uzemljiva i od geometrije samog uzemljivaa. Karakteristika zemljita bitna za izvedbu dobrog uzemljivaa je "specifini otpor tla", a on se definie kao otpor koji prua struji kocka od homogenog zemljita veliine stranica od 1m. Ako je specifian otpor vei onda se mora ii na izvedbu uzemljivaa veih dimenzija kako bi se ukupni otpor smanjio. Uzemljivai se najee izvode kao: - trakasti - u obliku metalne trake koja se zakopava u zemlju. Traka je najee od pocinanog elika, a rjee od bakra, - tapni - u obliku metalne ipke ili cijevi koja se ukopava vertikalno u zemlju, - temeljni - metalni provosnici koji se postavljaju u temelje objekta i preko velike povrine betona dolaze u kontakt s okolnom zemljom. Prilikom prolaska struje kroz uzemljiva i njenog daljeg rasprostiranja kroz zemlju stvara se na zemlji raspodjela potencijala najee u obliku tzv. potencijalnog lijevka. To znai da je potencijal najvii uz sam uzemljiva, a s poveanjem udaljenosti od uzemljivaa on naglo opada. To je logino jer struja pravi najvei pad napona dok se rasprostire na malom podruju oko uzemljivaa. Kad od njega malo odmakne ona ima pred sobom puno veu povrinu i stoga manji otpor pa su i padovi napona manji. 3.2. Zatita elektroenergetskih postrojenja

Atmosferski prenaponi u elektroenergetskim postrojenjima mogu nastati na dva naina: usljed direktnog udara groma u neki dio postrojenja ili usljed nailaska putujueg talasa sa dalekovoda koji ulazi u to postrojenje. [6] a) Zatita od direktnog udara izvodi se ipkastim gromobranima ili zatitnim uadima (Sl. 3.1.). Obino se krajevi svih ipkastih gromobrana i zatitnih uadi spajaju na uzemljenje samog postrojenja. Pri tome treba imati na umu da struja groma na otporu uzemljenja stvara pad napona i da se taj pad napona pojavljuje na kuitima uzemljenih ureaja u rasklopnom postrojenju (transformatora, generatora i drugih). On nikako ne bi smio biti toliki da ugrozi izolaciju tih ureaja. Jedini nain da se utie na taj pad napona je da se to vie smanji otpor uzemljenja.

6

Zatitna zona gromobrana odreuje se najee eksperimentalno ili na osnovu empirijskih formula. Zatitna zona jednog gromobrana je data na slici 3.2. u vidu krive koja se sputa od vrha gromobrana do zemlje. [4]

Slika 3.2. Zatitna zona tapnog (ipkastog) gromobrana Ukupna zatitna zona jedininog gromobrana predstavlja konus iji je horizontalni presjek krug poluprenik rx koji se na visini hx odreuje na osnovu izraza:

gdje je : p = 1, koeficijent za visine, H 30 (m), p = 5,5/sqrt(H) za visine H > 30 (m) H visina gromobrana, hx visina tienog objekta, ha = H hx aktivna visina zatitnog iljka. Kako izgleda i kako se dobija kriva zone tienja gromobrana eksperimentalnim putem prikazano je na sl. 3.3. i 3.4.. Model je raen za razliite visine iljka, polaritete groma i daljine udara.

7

a)

b)

Slika 3.3. Pozitivan polaritet pranjenja sa razdaljinom munje od hvataljke a) D = 250cm i b) D = 200cm b)

Poslije odmjeravanja udaljenosti munje, koje se ponavlja za razliite razdaljine od hvataljke, moe se procjeniti zatitna zona gromobrana. Za ovaj tip zatite vai elipsasti model (Sl. 3.4.).

a) pozitivan polaritet b) negativan polaritet Slika 3.4. Elipsasti model zatitne zone za razliite polaritete impulsa munje

Sa slike se vidi da je zatitna zona za pozitivan polaritet orjentisana vertikalno, dok je za negativan polaritet orjentisana horizontalno to se u stvari poklapa sa eksperimentom. Eksperimentom je takoe utvreno da zonu hvatanja groma odreuju dva faktora (Slika 3.5.) a to su visina iljka H i visina take D u momentu prije probijanja tj. momenta gdje bi dolo do pranjenja u zemlju.

8

Slika 3.5. Konfiguracija udarnog rastojanja

Za ovo udarno rastojanje mogu se formirati dvije jednaine za pozitivan i negativan polaritet: D* = D (1 + 0.24*e-H/D) D* = D (0.8*e-0.125H/D + 0.17) Uzimajui u obzir ove dvije jednaine, luk a0 elipsastog modela se moe izraunati matematiki sljedeom jednainom:

Primjenjujui ovaj metod, za iljak visine 10m zatitna zona se dobija u obliku kao na slici 3.6.D=30m D=40m D=30m D=40m pozitivan polaritet pozitivan polaritet negativan polaritet negativan polaritet

Slika. 3.6. Zatitna zona gromobrana visine H = 10m

Za odreivanje zatitne zone dva ili vie gromobrana mogu su koristiti razni dijagrami dobijeni eksperimentalnim putem ili da se zona zatite u sloenijim sluajevima ispituje na modelima.

b) Zatita od putujuih talasa se uglavnom izvodi odvodnicima prenapona. Odvodnici prenapona su ureaji koji funkcioniu na sljedei nain:9

na odvodniku prenapona se moe pojaviti napon koji je manji od nekog napona prorade odvodnika. U toj situaciji on se ponaa kao izolator i ne vodi struju. Kad napon na odvodniku premai napon prorade odvodnika, on provede struju. Struja kroz odvodnik pri tome varira, no napon na odvodniku prenapona ostaje otprilike jednak njegovom naponu prorade. Odvodnici prenapona se postavljaju na ulazu u postrojenje i to tako da su jednim krajem spojeni na fazni provodnik, dok im je drugi kraj uzemljen. Ako talas naie dalekovodom, prije ulaska u postrojenje nailazi na odvodnik prenapona koji proradi i u postrojenje puta samo manji prenapon koji je jednak iznosu napona prorade odvodnika prenapona i koji nije opasan za elemente postrojenja. Ipak ako grom pogodi dalekovod u neposrednoj blizini postrojenja tada ni odvodnik prenapona ne moe odvesti sav prenapon te moe doi do njegovog unitenja i do prodora prenapona u postrojenje. Da bi se izbjegao takav sluaj, dalekovodi u blizini postrojenja su pojaano zatieni (postavljaju se dvostruka zatitna uad (Sl. 3.7.a)) kako bi se eliminisala mogunost direktnog udara u blizini postrojenja i stvorili "zatieni prilazi". Putjujui talasi (Slika 3.7.) nastali na veim udaljenostima od postrojenja nijesu opasni jer zbog otpora provodnika i pojave korone kretanjem talasa opada jaina struje. U trenutku kad takav oslabljen talas naie na odvodnik on ne predstavlja vie opasnost za njega i za postrojenje.

a)

b)

Sl. 3.7 a) Prvi stub do postrojenja uvjek se pojaano titi b) Udar groma u stub, putujui talas na zatitnom vodu i stubu, indukovani napon na faznom provodniku

3.3.

Zatita nadzemnih vodova

Nadzemni elektroenergetski vodovi su zbog naina izgradnje vrsta objekata koja je jako izloena riziku od udara groma. Gromovi koji bi pogodili u10

nadzemne vodove stvorili bi na njima napone koji bi bili vei od onih koje mogu izdrati izolatori na dalekovodu to bi prouzrokovalo preskok napona ili kratk spoj. Tako stvoreni strujni lukovi ne bi se dugo ugasili jer je za njihovo odravanje dovoljan i napon samih faznih provodnika. Takoe pri udaru groma, na vodu nastaju i putjui talasi koji bi se vodovima prenijeli dalje do postrojenja ili potroaa a samim tim bi mogli prouzrokovati velike tete ili u krajnjoj liniji proradu zatite u postrojenjima koja bi na neko vrijeme izbacila vod iz pogona. Zato je bitno da se takvi udari koliko je god to mogue sprijee. Jedan od osnovnih naina zatite nadzemnog voda je postavljanje zatitnog ueta koje je povezano sa stubovima dalekovoda i na svakom stubu dobro uzemljeno. Zatitno ue se postavlja iznad provodnika tako da su provodnici unutar njegovog zatitnog podruja. Zonu zatite ueta je najbolje odrediti, ako je to mogue eksperimentalnim putem. Prema sovjetskim autorima zona zatitnog ueta moe se odrediti prema sljedeem empirijskom obrascu koji je slian onome za gromobrane:

gdje je: H visina vjeanja zatitnog ueta, hx visina koja se titi, f ugib na sredini raspona, hz = H f Predhodne relacije vae za sluajeve H < 30 (m) i h x 0,5 H. Kao najjednostavniji nain za odreivanje zone zatitnih uadi predlae se, da se povuku prave kroz zatitno ue pod uglom od 25do 30 sa obje strane prema vertikali kao na slici 3.8.

11

Slika 3.8. Zona tienja zatitnog ueta Na slici 3.4. je sa prikazan ugao izmeu vertikale i prave koja prolazi kroz zatitno ue i najudaljeniji fazni provodnik. Moe se preko izraza:

izraunati vjerovatnoa da e doi do direktnog udara u fazni provodnik. U ovom izrazu je hs visina stuba, odnosno taka vjeanja zatitnog ueta. Vidimo da sa poveanjem visine stuba i ugla raste vjerovatnoa udara u fazni provodnik. U praksi se zatitnim uetima tite svi dalekovodi nazivnog napona iznad 30 kV. Kad grom pogodi u zatitno ue moglo bi se dogoditi da on na putu kroz njega, stub i uzemljiva stvori veliki pad napona. Fazni provodnici koji su na svom nominalnom naponu tada bi imali puno manji napon nego dio stuba na kojem su objeeni, pa izolacija izmeu stuba i provodnika moda to ne bi izdrala, pri emu je mogue da doe do tzv. "povratnog preskoka" izmeu provodnika i stuba. Takvi preskoci mogu trajno otetiti izolaciju i izbaciti vod iz pogona na due vrijeme. Za spreavanje ove pojave moe se djelovati tako da se otpor uzemljenja stuba uini to manjim. Grubo uzevi, otpor uzemljenja ni na jednom mjestu ne bi smio prei 15 Ohma. [6] Jo jedan ureaj se koristi za smanjenje ovih vrsta prenapona, a to je zatitno iskrite (Sl. 3.9.). Postavlja se paralelno izolatorskom lancu na kojem vise fazni provodnici odnosno koji izoluje fazni provodnik od stuba dalekovoda.

12

Sl. 3.9. Iskrita na izolatorskom lancu

Napon pri kojemu se na iskritu pojavljuje preskok je manji od napona kojeg moe podnijeti izolacija voda. Osnovni mu je zadatak da odmakne luk nastao usljed povratnog preskoka od izolatorskog lanca i tako sprijei oteenje samih izolatora. Iskrita se redovno ugrauju na dalekovodima 110 kV i vie, a po negdje i u mreama nieg napona, na posebno ugroenim mjestima. Osim te svoje funkcije, iskrita stvaraju povoljniju raspodjelu elektrinog polja oko izolatorskog lanca i tako spreavaju razne vrste izbijanja (korona).

13

3.4.

Zatita transformatora

Od svih elemenata u postrojenju najvie se titi transformator. esto se kuite transformatora uzemljuje bar 15 m daleko od mjesta uzemljenja gromobrana kako bi i u sluaju udara groma odnosno pranjenja u gromobran napon na kuitu transformatora ostao relativno mali (napon se smanjuje usled pada napona zbog prolaska struje kroz zemlju). Ako takvo rjeenje nije mogue onda se transformator titi dodatnim odvodnikom prenapona (Sl. 3.10.).

Sl. 3.10. Odvodnici prenapona u transformatorskom polju

3.5.

Zatitne mjere za ovjeka

Opasnosti zbog loe izvedene gromobranske instalacije Uzemljena metalna ipka stvara oko sebe zatieni prostor od udara groma. Meutim, ova konstatacija ne smije zavarati. Ako uzemljenje metalne ipke nije izvedeno na odgovarajui nain, tj. otpor uzemljenja je prevelik, moe doi do preskoka struje groma sa hvataljke na ovjeka zbog velike razlike napona. Taj napon izmeu hvataljke i odreenog mjesta na zemlji na udaljenosti jedan metar od hvataljke naziva se jo i napon dodira. Opasnost po ovjeka moe nastati i od struje koja prolazi sa metalne ipke kroz zemlju, jer njegovo tijelo ima puno manji otpor nego zemlja. Struja groma rasprostirui se kroz zemlju pravi pad napona ija je raspodjela eksponencijalna: u blizini hvataljke napon je najvii i polako opada to se vie udaljavamo od hvataljke. Ako ovijek svojim tijelom istovremeno dodiruje dvije vie razmaknute take tada takoe na njega djeluje odreeni napon. Napon izmeu dvije take na zemlji koje su razmaknute 1m naziva se napon koraka. Opasnosti od napona dodira i napona koraka bie manja ako je gromobranska instalacija dobro izvedena, odnosno to je otpor uzemljenja manji.14

Svi aparati u postrojenju su uzemljeni, a ispred onih sa kojima se moe manipulisati na licu mjesta postavljene su i nagazne reetke (Sl. 3.11. a)).

Sl. 3.11. a) nagazna reetka b)princip djelovanja nagazne reetke

Princip djelovanja nagazne reetke je prikazan na slici 3.11. b). Primjera radi, neka se iz bilo kog razloga na mrenom uzemljivau u taki 1 pojavi napon od 2000 V. Istovremeno se taj napon prenio na cio element tj. take 2 i 3 budui da su (kako je ve reeno) svi elementi u postrojenju uzemljeni. Kako je i reetka povezana sa mrenim uzemljivaem i na njoj e napon biti 2000 V. U sluaju da osoba manipulie sa lica mjesta kao to je na skici prikazano nema nikakve opasnosti po istu jer su sve dodirne take na istom potencijalu.

4. UREAJI ZA ZATITU OD ATMOSFERSKIH PRENAPONA4.1. Zatitna iskrita (varniari)

Zatitno iskrite je namjerno oslabljeno mjesto u sistemu na kojem treba prije da doe do preskoka nego na ostalim elementima sistema. Zatitno iskrite se sastoji od dvije elektrode koje su sfernog oblika na meusobnom rastojanju u vazduhu, na kojima se tano zna preskoni napon, koji je nii od preskonog napona ostalih elemenata sistema. Jedna od elektroda je na potencijalu zemlje, a druga se nalazi pod naponom. Pri nailasku prenaponskog talasa meuelektrodno rastojanje biva preskoeno i prenapon se odvodi u zemlju. Zatitna iskrita na vodovima ine dopunsku prenaponsku zatitu.

15

Zatita sa zatitnim iskritima je veoma jeftina, jednostavna i pouzdana, ali ima i dvije mane: Prekidanjem atmosferkog prenapona proizvodi se naponski talas vrlo velike strmine na elu koji moe da oteti meunavojnu izolaciju aparata kao to su mjerni ili energetski transformatori. Zbog ovoga se iskrita nikada ne postavljaju na prvi ili krajnji stub. Iskrite predstavlja ureaj koji ograniava prenapon, ali pravi kratak spoj posle reagovanja, tako da se aparat na kojem je iskrite prikljueno mora iskljuiti djelovanjem neke od zatita od kratkih spojeva.

4.2.

Cijevni odvodnici prenapona

Cijevni odvodnici su iskrita kod kojih je omogueno gaenje luka. Elektrode iskrita koje su najee u obliku rogova postavljaju se na odreenom meusobnom rastojanju u specijalnu cijev, pa su zbog toga i dobili ime cijevni odvodnici. Cijev je napravljena od specijalnog materijala (tvrda guma, vodeno staklo) i ona ima sposobnost da svojim toplotnim dejstvom razara elektrini luk stvarajui gasove. Gasovi koji su se stvorili u cijevi, su pod velikim pritiskom i oni struje napolje kroz naroito predviene otvore, te na taj nain oduvavaju luk i gase ga. Izmeu elektroda se stavlja komadi izolacijonog materijala, koji je od istog materijala kao i cijev, tako da se poveava razvijanje gasova da bi se intenzivnije gasio luk. Na slici 4.1. je prikazan cijevni odvodnik sa sljedeim elementima: 1 - cijev odvodnika, 2 - uzemljena elektroda, 3 - elektroda pod naponom.

Slika 4. 1. Cijevni odvodnik prenapona

16

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

4.3.

Katodni odvodnici prenapona

Katodni odvodnici prenapona poivaju na specijalnoj osobini izvjesnih poluprovodnih materijala da pri povienju napona smanjuju svoj otpor, tj. imaju nelinearnu karakteristiku napona u funkciji. U = CI gdje je C konstanta zavisna od veliine otpora, a konstanta koja zavisi od materijala. Osim ovog poluprovodnog materijala, koje se izrauje u obliku okruglih ploica koje se slau jedna preko druge, odvodnik ima izvjestan broj, u zavisnosti od veliine napona, rednih varniara koji slue da izdvoje nelinearni otpornik od voda pod naponom. Kada naie prenapon redni varniari bivaju probijeni te nelinearni otpor dolazi pod napon. Vrijednost nelinearnog otpora naglo opada i prenaponski talas biva sproveden u zemlju. im je prenaponski talas odveden u zemlju na nelinearnom otporu je opao napon i on poveava svoj otpor, smanjuje struju kroz radne varniare i ona se na njima gasi. Glavne karakteristike jednog katodnog odvodnika su: Nominalni napon, odnosno najvii radni napon na mjestu ugradnje, Nominalna uestanost, Naizmjenini napon reagovanja, Udarni napon reagovanja,17

Nominalna struja rastereenja je ona maksimalna struja koju odvodnik moe da izrdi a da ne promijeni svoje osobine Preostali napon na odvodniku ili granini napon na odvodniku koji postoji na istom u toku odvoenja nominalne struje rastereenja Propratna struja je ona struja industrijske uestanosti koja tee kroz odvovnik pri reagovanju a izazvana je radnim naizmjeninim naponom mree.

Pored ovih dvaju vrsta postoje jo i Silicijum-karbidni (SiC) i Metal oksidni ili Cink-oksidni (ZnO) odvodnici prenapona.

5. ZATITA OD UNUTRANjIH PRENAPONAKada se govori o visokonaponskim postrojenjima zatita od sklopnih prenapona nije puno zastupljena. Ona se u glavnom izvodi na SN i NN nivoima. U VN postrojenjima, to se tie zatite od sklopnih prenapona u glavnom su zastupljene novije metode i to: odvodnici prenapona bez iskrista (koja imaju visestruku ulogu) i mikroprocesorske zastite.

5.1.

Odvodnik prenapona na vodu bez iskrita

Odvodnici prenapona na vodu bez iskrita (Sl. 5.1. i 5.2.) se mogu koristiti za redukciju kako atmosferskih tako i sklopnih prenapona na nadzemnim vodovima Kod izgradnje novih postrojenja uglavnom se ugrauju ZnO odvodnici, dok se u starijm postrojenjima nalaze klasini odvodnici Energija groma se raspodjeljuje na vie odvodnika spojenih na vodu bez vremenskog zakanjenja Ovo vano svojstvo je posebno vano pri viestrukim udarima munje na vodove bez zatitnog ueta Takoe, i pri sklopnim prenaponima energija se raspodjeljuje na vie odvodnika

Sl. 5.1. Odvodnik prenapona

18

(bez iskrita)

Nain rada odvodnika koji se sastoji od serijski spojenih otpornika (bez iskrita) vrlo je jednostavan: - pri nailasku prenapona, struja kroz odvodnik se kontinuirano poveava, tako da nema nagle promjene napona. S prolaskom prenapona smanjuje se i struja kroz odvodnik, tako da nema popratne struje kao kod klasinih odvodnika. Uslijed nepostojanja iskrita nema ni nagle promjene napona. Dobre karakteristike odvonika prenapona bez iskrita su sljedee: Odvodnici prenapona na vodu bez iskrita se mogu koristiti za redukciju i atmosferskih i sklopnih prenapona na vodovima Oblik im je jednak kao i odvodnicima u postrojenjima Jednostavno se postavljaju u pogon Energija groma se dijeli meu vie odvodnika spojenih na vodu bez vremenskog zatezanja Mogua vizuelna provjera stanja odvodnika preko stanja diskonekcijskog ure. Jednostavno se nadziru U sluaju unitenja odvodnika diskonekcijski se ureaj odvaja i iskljuuje odvodnik iz pogona Mogue je odravanje za vrijeme pogona

Sl. 5.2. Konstrukcija odvonika prenapona bez iskrita

Kao i svi ureaji i ovi odvodnici imaju nekoliko mana u koje spadaju: Diskonektor je esto krhak i moe se mehaniki otetiti

19

ZnO ploice su pod stalnim optereenjem napona pogonske frekvencije te privremenih i sklopnih prenapona Mogu se javiti problemi u radu izazvani zaprljanjem 5.2. Mikroprocesorska pod/prenaponaska zatita Mikroprocesorska naponska zatita ima za cilj da titi elektrinu opremu kako od podnapona tako i od prenapona. Oba operativna stanjasu nepoeljna: prenapon na primjer moe izazvati probleme kod izolacije i sl, dok podnponi mogu prouzrokovati probleme u stabilnosti sistema. Zatita na ijem e primeru biti objanjene vrste i princip rada jeste zatita firme SIPROTEC sa oznakom 7SD5. Prenaponska zatita ove vrste detektuje: linijske napone UL1-E, UL2-E i UL3-E, fazne napone UL1-L2, UL1-L3 i UL2-L3, kao i napon 3U0. Kada govorimo o prenaponskim zatitama metode koje koristi SIPROTEC-ova zatita su: - prenaponska zatita fazog napona - prenaponska zatita linijskog napona - prenaponska zatita U1 sa podesivom kompaudacijom - prenapon negativne sekvence sistema U2 - prenapon nultog reda sistema 3U0 - slobodno selektovanje jednofaznog napona Fazna prenaponska zatita Na slici 4.3. prikazan je logiki dijagram prenaponske zatite faznih napona. Nominalna frekvencija se filtrira numeriki sa svakog od napona tako da su harmonici ili pikovi tranzijentnih napona u glavnom eliminisani. Dva poetna stanja Uph-e> i Uph-e>> uporeuju se sa naponima. Ako fazni napon prelazi prag poetnog stanja on se postavlja kao napon pri kom se otkida. Time su dodijeljeni generalni pokazatelji za Uph-e> Pickup i Uph-e>> Pickup. Svaka etapa ima svoje vremensko zatezanje to je zajedniko za sve faze. Isticanje dotinog vremenskog zatezanja T Uph-e> ili T Uph-e>> se signalizira i obino rezultira TRIP komandom tj. Uph-e >(>) TRIP. Prenaponska fazna zatita se moe blokirati binarnim inputom >Uphe>(>) BLK. Linijska naponska zatita Ova naponska zatita funkcionie isto kao prenaponska zatita za linijske napone samo to se ovdje prikupljaju (pickup) podaci o naponima izmeu faza. Prema tome, linijski naponi koji preu postavljene pragove Uph-ph> i Uph-ph>> su pokazatelji. Stoga, blok dijagram funkcionisanja ove se takoe moe vidjeti na sl. 5.3.20

Linijska prenaponska zatita se takoe moe blokirati binarnim ulaznim signalom odnosno >Uph-p>(>) BLK.

Sl. 5.3. Dijagram prenaponske zatite za fazne prenapone

Prenaponska zatita U1 sa podesivom kompaudacijom Prenaponska zatita pozitivne sekvence sistema, opciono, moe raditi sa kompaudacijom. Kompaudacija rauna napon na krajevima voda. Ova opcija je veoma dobro prilagoenja pri dalekovodima koji rade podoptereeni ili su puteni u prazan hod usljed ega dolayi do Ferantijevog efekta. U ovom sluaju prenapon postoji na drugom kraju voda i moe se eliminisati jedino iskljuenjem istog. Za raunanje napona na drugom kraju voda, ureaju su potrebne karakteristike (induktivnost po jedinici duine, kapacitivnost takoe, duina voda...) koji se unose prilikom podeavanja samog ureaja. Kompaudacija je mogua samo u sluaju kada je adresa 137 postavljena na Enabl. w. comp. U ovom sluaju izraunata vrijednost na drugom kraju je takoe pokazatelj za operativne veliine. Treba napomenuti da kompaudovanje nije podeeno za vodove sa serijskom kapacitivnou. Napon na kraju voda je izraunat spram napona izmjerenog na lokalnom kraju vodu a struja po ekvivalentnoj PI emi (Sl. 5.4.)

21

Sl. 5.4. ekvivalentna PI ema za kompaudaciju

gdje je: UEnd Izraunati napon na udaljenom kraju UMeasuring izmjereni napon na lokalnom kraju IMeas Izmjerena strujana lokalnom kraju CL poduna kapacitivnost RL poduna otpornost LL poduna induktivnost.

6. NOVE TENDENCIJE U PRENAPONSKOJ ZATITIZahvaljujui krajnje nelinearnoj strujno-naponskoj karakteristici MO (metal oksidni) odvodnici prenapona posjeduju povoljna zatitna svojstva, pa samim tim pruaju mnogo bolju zatitu nego li starija tehnologija odvodnika sa iskritima i silicijum-karbidnim nelinearnim otpornicima. Danas se u koordinaciji izolacije razvijaju novi pristupi prema kojima se odvodnik prenapona integrie u opremu i postaje njen dio kombinovan u zajednikom ureaju. Takva se rjeenja ve primjenjuju na zateznim visokonaponskim izolatorskim lancima, rastavljaima, transformatorima i prekidaima. To predstavlja novi ekonomski potencijal u srednje- i visokonaponskim sistemima. U zahtjevima deregulacije i privatizacije u elektroenergetskom sektoru znaajnu ulogu igrae smanjenje trokova kao i poboljana svojstva opreme. Dananji trend poveane integracije odvodnika i izolacije opreme u budunosti e se jo vie intenzivirati. Za razliku od dananje prakse zatite samo kritinih taaka zatitne eme e se razvijati prema mrei iroko rasprostranjene zatite, pri emu se mogucoekivati novi, nii izolacioni nivoi opreme. Kod integrisane zatite nee vie postojati problem zatitnih zona, tj. udaljenosti odvodnika od tienog objekta budui da napon nikada nee prelaziti vrijednost zatitnog nivoa (preostalog napona) odvodnika. S vremenom e ova integracija napredovati na taj nain da e nestajati granica izolacije i zatite, pa e postepeno sami izolacioni materijali preuzimati ulogu odvodnika prenapona. U tom smislu se22

danas kree razvoj nekih novih izolacionih materijala. Nove tehnologije uveliko e poboljati izolacione zahtjeve, sniziti trokove i poveati ulogu izolacije u buduim sistemima. Novi pristupi u koordinaciji izolacije predstavljaju MO otpornike integrisane u fleksibilnu polimjernu izolaciju. Tipini primjer predstavljaju linijski odvodnici prenapona (Slika 6.1.). Slina primjena bi mogla biti predloena za ostalu opremu, kao npr. rastavljae, transformatore, i prekidae. To predstavlja novu tehno-ekonomsku mogunost u srednje- i visoko- naponskim sistemima.

Sl. 6.1. Linijski odvodnik prenapona pored zateznog izolatorskog lanca

Uopteno, koordinacija izolacije se odnosi na sve mjere potrebne da bi se izbjegla teta koja bi mogla biti prouzrokovana prenaponima u EES-u. Koordinacija izolacije se moe definisati kao veza izmeu izolacije opreme i zatitnih ureaja tako da izolacija bude zatiena od prenapona. U tom kontekstu odvodnici grade tradicionalnu prvu liniju odbrane od prenapona. Sa slike 6.2. je oigledno da danas postoji velika sigurnosna granica izmeu standardnih podnosivih napona opreme, i zatite koju nude savremeni odvodnici prenapona. To se naroito odnosi za nie napone sistema (do 170 kV).

Slika 6.2. Standardni podnosivi naponi 23

gdje je na slici: - Zelena linija standardni podnosivi napon za razliite sisteme - Crvena linija Zatitni nivo za atmosferske prenapone modernih odvodnika prenapona - U osnovni izolacioni nivo (1 pu = 2Um/3) - Um efektivna vrijednost linijskog napona Meutim kao i sve ostalo i ovaj nain integracije ima nedostatak - ureaj s integrisanim odvodnikom morao bi biti dimezionisan s obzirom na preoptereenje odvodnika. Kao zakljuak treba istai oekivanja da e granica izmeu izolacije i zatite nestajati i da e sama izolacija obavljati funkciju odvodnika prenapona.

24

7. ZAKLjUAKMjesto i nain ugradnje odvodnika prenapona su veoma bitni za ispravnu zatitu pogonskog sredstva, na to projektanti i inenjeri mrea moraju obratiti vie panje. Iz opte uvodne prie o prenaponima spomenutoj u ovom radu da se zakljuiti da su spoljanji odnosno atmosferski prenaponi mnogo opasniji od unutranjih. Stoga je gro ovog rada posveeno samoj zatiti i elementima za zatitu od atmosferskih prenapona. to se tie samih postrojenja jasno je da su nove metode za zatitu istih mnogo praktinije (misli se na hvataljke), meutim istraivanje i uporeivanje starih i novih metoda u proraunu zatitne zone ne ostavljaju takav utisak. Princip prorauna i simulacije novom tehnologijom jeste uproen meutim dolazi se do priblino istih rezultata. Zatita sa zatitnim iskritima je veoma jeftina, pouzdana i jednostavna. Ali, kao i ostala oprema i ova zatita ima nepovoljnih strana pa je to uticalo na razvoj novih odvodnika prenapona kojima, naravno, sa poveanjem sposobnosti raste i cijena. Zatitne mjere za ovjeka se nijesu mijenjale dugi niz godina i princip na kojem funkcioniu je veoma jednostavan i efikasan. U radu, naravno, nije izostavljena ni zatita od unutranjih prenapona. Brza mikroprocesorska zatita jedno je od boljih rjeenja po tom pitanju. Ne samo to je brza, tana i sigurna ve omoguuje uvid u analizu dogaaja koji je izazvao samu proradu zatite. Jo jedna, netehnika, prednost ove tehnologije jeste to danas jedna kutija dimenzija 20x20x10 mijenja gomilu releja i wrack ormara tako da zauzima vrlo malo prostora. Stoga ovaj dio nove tehnologije koji se poslednjih godina primjenjuje a opisan je u radu moe posluiti kao uvod i smjernica za dalje traganje u nove sisteme i ureaje za zatitu. Danas postoji velika sigurnosna granica izmeu standardnih podnosivih napona opreme, i zatite koju nude savremeni odvodnici prenapona. Kao i u svim granama energetike tako i po pitanju zatite konstantno se trae nova i efikasnija rjeenja. Ideje su razliite, a ciljevi visoki. Ide se u tom smjeru da se smanji granica izmeu izolacije i zatite, tanije oekivanja su da e sama izolacija obavljati funkciju odvodnika prenapona. Sve u svemu preporuka je, kako sa novim ciljevima, tako i sa postojeim rjeenjima, da se uz usklaen tehno-ekonomski odnos obezbijedi maksimalna zatita osoblja i elemenata.

25

LITERATURA 1. Ivo Uglei, Tehnika visokog Napona, Zavod za visoki napon i energetiku, Zagreb 2002 2. M. Savi, Z. Stojkovi:Tehnika visokog napona atmosferski prenaponi, Elektrotehniki fakultet u Beogradu, Beograd 1996. godina. 3. kuleti Sreten: Tehnika visokog napona, UCG, Titograd 1989 4. Lj. Milankovi: Tehnika visokog napona, Nauna knjiga, Beograd, 1962 5. G. Levai, Metode ispitivanja klasinih i metaloksidnih odvodnika prenapona Institut za elektroprivredu i energetiku, Zagreb, Travanj, 2011 6. http://library.thinkquest.org/C0130320/zastitaEE.htm#, internet biblioteka Thinkquest Sve o munjama i gromovima 7. S. Grzybowski, Y. Song : Experimental Study of Rod Height and Impulse Polarity Impact on the Protection Zone, Mississippi State University Department of Electrical and Computer Engineering, 8. Siemens, SIPROTEC Line Differential Protection with Distance Protection 7SD5, 2004 9. Privatna kolekcija fotografija

26