6.2. ZWARCIA W OBWODACH ENERGOELEKTRYCZNYCH Poję

6.2. ZWARCIA W OBWODACH ENERGOELEKTRYCZNYCH

Pojęcie zwarcia elektrycznego jest powszechnie znane i intuicyjne rozumiane, toteż używano go w tym i poprzednich rozdziałach, nie wchodząc w kwestie formalne. Przyszła pora, by wypełnić tę lukę - podać definicje i klasyfikacje.

Zwarcie w obwodzie elektrycznym określa się ogólnie jako zakłócenie spowodowane utratą własności izolacyjnych układu, polegające na zetknięciu się punktów obwodu, które w czasie normalnej pracy mają różne potencjały. Rozróżnia się przy tym zwarcia bezim- pedancyjne, zwarcia przez łuk elektryczny oraz przez przedmioty o bardzo małej impedancji.

Na skutek zwarcia może popłynąć duży prąd, wystąpić napięcie wyższe od napięcia roboczego (przepięcie) oraz pojawić się napięcie stwarzające niebezpieczeństwo dla ludzi i zwierząt. Łuk elektryczny, powstający często przy zwarciu, może spowodować pożar.

Prąd przy zwarciu może być wielokrotnie większy lub wielokrotnie mniejszy niż przy normalnym obciążeniu urządzenia zasilającego, może mieć też wartość zbliżoną do wartości występującej przy obciążeniu. Zależy to od układu i rodzaju zwarcia. Zwarcia doziemne w sieciach z punktem neutralnym uziemionym bezpośrednio „dają” duże prądy, a w sieciach z punktem neutralnym izolowanym bądź niemającym bezpośredniego uziemienia - małe.

Natomiast w przypadku tzw. zwarć dalekich w sieciach trakcyjnych, wartość prądu nie różni się prawie od największego prądu obciążenia. Odróżnienie zwarcia od normalnego obciążenia nie może się więc opierać wyłącznie na wartości prądu.

Ograniczenie skutków zwarć polega na ograniczeniu:

- czasu przepływu prądów zwarciowych (szybkie wyłączanie przez wyłączniki samoczynne i bezpieczniki),

- wartości prądów zwarciowych i napięć powrotnych (sekcjonowanie sieci i dołączanie dławików przeciwzwarciowych).

Modelem obwodu zwarciowego jest obwód nierozgałęziony (pętla zwarciowa), w którym występuje źródło napięcia e(t) oraz elementy pasywne R i L (rys. 6.18a). Przyjmując, że wartości R i L są niezmienne w czasie, można wyznaczyć analitycznie przebiegi prądu zwarciowego iz . Przy napięciu stałym e(t) = E otrzymuje się zależność











 −

= ^−Lt

R

z e

R

i E 1 , (6.14)

a przy napięciu przemiennym e=E_m sin

(

ω t+ψ

)

-

( ) ( ) ( )

_^









 + − − −

= + ω ψ ϕ ⁻ ψ ϕ

ω ^{2 sin sin}

2

Lt R m

z t e

L R

i E , (6.15)

gdzie

R ω L ϕ =^arctg .

Rzeczywiste przebiegi prądu zwarciowego w sieci odbiegają, szczególnie w początkowym okresie, od powyższych zależności teoretycznych, co pokazano na rysunkach 6.18b i 6.18c.

Powodem tej niezgodności jest złożony charakter procesów, jakie przebiegają w źródle i sieci zasilającej po zaistnieniu zwarcia w danym punkcie rozdzielczym bądź odbiorczym.

Rys. 6.18. Wielkości i przebiegi charakteryzujące obwód zwarciowy nieobciążony wstępnie prądem roboczym: a) schemat obwodu, b) przebieg teoretyczny l i rzeczywisty 2 prądu zwarciowego w obwodzie prądu stałego, c) jw. - w obwodzie prądu przemiennego, w przypadku gdy składowa

nieokresowa ma największą dodatnią wartość; Ip - prąd początkowy, Iust - prąd ustalony, iu - prąd udarowy

Łuk elektryczny, który może występować w obwodzie zwarciowym, komplikuje wyzna- czenie przebiegu czasowego prądu. W praktycznych obliczeniach, których celem jest dobór aparatów, wpływu napięcia łuku się nie uwzględnia.

W sieciach trójfazowych mogą wystąpić różne przypadki zwarć, których przykłady przedstawione są na rysunku 6.19. Najczęściej zdarzają się zwarcia jednofazowe (około 65%

liczby wszystkich zwarć), dosyć często - dwufazowe doziemne (20%), rzadko - dwufazowe (10%) i trójfazowe (5%).

Rys. 6.19. Przykłady zwarć w sieciach trójfazowych: 1 - trójfazowe, 2 - dwufazowe, 3 - jednofazowe

„dozerowe”, 4 - jednofazowe doziemne, 5 - dwufazowe doziemne jednomiejscowe, 6 - dwufazowe doziemne dwumiejscowe

Przy wyznaczaniu prądów zwarciowych w sieciach trójfazowych korzysta się z metody składowych symetrycznych. Polega ona na tym, że niesymetryczny układ napięć lub prądów trójfazowych zostaje rozłożony na trzy układy symetryczne, tzn. jest sumą układów symetrycznych: zgodnej, przeciwnej i zerowej kolejności faz. Każdej ze składowych napięć i prądów symetrycznych odpowiadają określone, na ogół różne co do wartości, impedancje obwodu zwarciowego: zgodna Z1 , przeciwna Z2 i zerowa Z0 .

Rozwiązanie obwodu, przy zastosowaniu metody składowych symetrycznych, wymaga napisania prądowych i napięciowych równań dla wielkości obwodowych oraz napięciowych równań wybranej fazy dla wszystkich trzech składowych symetrycznych, a następnie - zredukowania równań do jednej zmiennej (prądu zwarciowego).

Za wskazy podstawowe składowych symetrycznych napięć źródłowych (E1 , E2 , E0 ), napięć odbiornikowych (U1 , U2 , U0 ) oraz prądów (I1 , I2 , I0 ) przyjmuje się zazwyczaj wskazy odpowiadające fazie A. Korzystając z operatora obrotu a = e ^{+ j 2/3 π} można napisać odpowiednie wzory na wielkości obwodowe i ich składowe. Napięcie źródłowe uważa się za symetryczne, tzn. jego składowe: przeciwne i zerowe - za równe 0 (przy czym 0≡0≡0+j0).

Rys. 6.20. Zwarcie trójfazowe

Najprostszy przypadek obliczeniowy stanowi zwarcie trójfazowe (rys. 6.20), przy którym - wobec symetrii obciążenia - występuje tylko składowa zgodna I1 prądu zwarciowego Iz , tzn.

1

1 Z

I E

I_z = = ^f . (6.16) gdzie Ef - napięcie źródłowe fazowe.

W przypadku zwarcia trójfazowego równania obwodowe wyrażają się następującymi zależnościami:

1 1

2

1 , I a I , I a I

I

I_A = _B = _C = , (6.17) oraz

= 0

=

= _{BC CA}

AB U U

U lub UA =UB =UC =0 . (6.18) Z zależności (6.18) wynika, że

3 0

2

1 =U =U =

U . (6.19) Równania napięciowe fazy A dla składowych symetrycznych - w przypadku zwarcia trójfazowego, przy zasilaniu symetrycznym - mają postać:





 +

=

+

=

+

=

=

=

0 0 0

2 2 2

1 1 1 1

0 0

U I Z

U I Z

U I Z E E

E _{A f}

. (6.20)

Po podstawieniu (6.19) do (6.20) otrzymuje się

0 ,

0

, _{2 0}

1

1 = =

=Z I I I

E_f . (6.20) czyli

1

1 Z

I = E^f , (6.21)

a więc wartość skuteczna prądu jest wyrażona wzorem (6.16), co świadczy o poprawności użytej do obliczeń metody składowych symetrycznych.

Z zależności (6.15) wynika, że w prądzie zwarciowym obwodu jednofazowego można wyróżnić prąd okresowy i prąd nieokresowy. Metoda składowych symetrycznych służy do wyznaczania prądu okresowego w obwodzie trójfazowym, a ściślej - wartości skutecznej prądu okresowego w chwili powstania zwarcia, nazywanej prądem początkowym Ip . Wartość skuteczna prądu okresowego maleje - w czasie od l do kilku sekund - od początkowej wartości I_p do pewnej ustalonej wartości I_ust . Wartość początkowa prądu nieokresowego zależy od chwili wystąpienia zwarcia, ale - zgodnie z (6.15) - nie może przekroczyć maksymalnej wartości prądu okresowego w chwili powstania zwarcia. Od wartości początkowej prądu nieokresowego zależy przede wszystkim największa wartość chwilowa prądu zwarciowego, którą nazywamy prądem udarowym i_u . Szybkość zaniku prądu nieokresowego zależy od wartości stosunku R/X obwodu zwarciowego.

Przy różnych rodzajach zwarć w obwodzie trójfazowym (rys. 6.19) uzyskuje się różne zależności na prąd początkowy I_p , w praktyce korzysta się jednak ze wzorów o tej samej postaci i różnych parametrach. Składowa zgodna prądu początkowego

Z Z

U

I_p k ^ns

∆

= +

1

1 3 , (6.22)

a prąd początkowy

1 p

p m I

I = , (6.23) gdzie: Uns - napięcie znamionowe sieci,

k - współczynnik o wartości 1,1÷1,2 ,

∆Z; m - impedancja dodatkowa oraz współczynnik liczbowy, zależne od rodzaju zwarcia, np. przy zwarciu trójfazowym, zgodnie z (6.21): ∆^{Z=0, m=1;} przy zwarciu jednofazowym: ∆^Z=∆^Z2 +∆^Z0 , m=3.

Prąd początkowy I_p określa warunki zwarciowe w określonym miejscu sieci trójfazowej.

Korzystając ze wzorów i wykresów podanych w PN-74/E-05002, na podstawie wartości I_p wyznacza się następujące parametry prądu zwarciowego: prąd udarowy iu , prąd wyłączeniowy symetryczny Iws oraz niesymetryczny Iwns , prąd zastępczy tz-sekundowy Itz .

Z prądem początkowym I_p zwarcia trójfazowego związana jest obliczeniowa wielkość nazywana mocą zwarciową

p ns

z U I

S = 3 . (6.24) Wartości S_z są podawane przez energetykę zawodową dla scharakteryzowania warunków zwarciowych w ważniejszych punktach sieci elektroenergetycznej. Umożliwia to obliczanie wartości impedancji (dla składowej symetrycznej zgodnej) zastępczych obwodów zwarcio- wych - od zastępczych źródeł do miejsc o danych mocach zwarciowych - wg zależności

z ns

S U Z k

2

1 = , (6.25) która wynika z (6.22), (6.23) i (6.24). Wartości Sz podawane są dla punktów zasilanych wysokim napięciem, toteż uwzględniając małe wartości stosunku R/X sieci wysokonapięciowych, do obliczenia prądu przy zwarciu, które występuje w dalszej części sieci, z reguły przyjmuje się, że impedancja odcinka sieci od zastępczego generatora do miejsca o danej mocy zwarciowej ma charakter czysto reaktancyjny

1

1 X

Z ≈ . (6.26)

Rys. 6.21. Kompensacja pojemnościowego prądu ziemnozwarciowego za pomocą tzw. dławika gaszącego: a) schemat, b) wykres wskazowy

Prądy ziemnozwarciowe, które występują przy zwarciach jednej fazy z ziemią, mogą mieć duże albo małe wartości w zależności od tego, czy punkt zerowy transformatora jest bezpośrednio (skutecznie) uziemiony, czy też jest od ziemi izolowany (ewentualnie połączony

z ziemią przez dławik o dużej reaktancji, służący do kompensacji pojemnościowego prądu zwarcia). Ze względu na cieplne i dynamiczne skutki prądu zwarciowego, zwarcia jednofazowe o dużym prądzie ziemnozwarciowym muszą być szybko wyłączane, podobnie jak zwarcia jednofazowe „dozerowe”, zwarcia dwufazowe oraz trójfazowe. Zwarcia jednofazowe o małym prądzie ziemnozwarciowym, z którymi mamy do czynienia w sieciach średnich napięć, mogą być groźne dla izolacji urządzeń, ze względu na występowanie przepięć przejściowych przy łuku przerywanym, osiągających praktycznie krotności rzędu 2,5÷3 napięcia fazowego (teoretycznie można się spodziewać nawet 4,5). Dołączenia dławika do kompensacji pojemnościowego prądu zwarciowego (rys. 6.21) powoduje ograniczenie prądu w miejscu zwarcia Ir do wartości bliskiej zeru.

6.3. PARAMETRY ZWARCIOWE APARATÓW ENERGOELEKTRYCZNYCH

Konstrukcję każdego aparatu energoelektrycznego cechuje m.in. określona wytrzymałość na dynamiczne oraz cieplne działanie prądów zwarciowych (obciążalność zwarciowa elektrodynamiczna i obciążalność zwarciowa cieplna krótkotrwała). Łączniki zdolne do załączania prądów zwarciowych (niektóre rodzaje rozłączników, wyłączniki) cechuje przy tym określona zwarciowa zdolność załączania, zaś aparaty zdolne do wyłączania prądów zwarciowych (wyłączniki, bezpieczniki topikowe) - określona zwarciowa zdolność wyłącza- nia. W przypadku wyłączników określa się przeważnie zwarciową zdolność łączenia, wyznaczaną w trakcie próby typu (odwzorowującej pracę łączeniową w warunkach eksploatacyjnych), w określonym szeregu łączeń, np. W - t - ZW - t - ZW (W - wyłączenie, t - określony czas przerwy bezprądowej, ZW - załączenie i natychmiastowe wyłączenie).

Wyłączenie prądu przez bezpiecznik topikowy jest równoważne zniszczeniu części tego aparatu, toteż nie określa się jego obciążalności zwarciowych - elektrodynamicznej oraz cieplnej krótkotrwałej - a jedynie zwarciową zdolność wyłączania.

Wyłączniki ograniczające i zwykłe bezpieczniki topikowe zmniejszają narażenie innych aparatów na działanie prądu zwarciowego przez ograniczenie jego narastania i szybkie wyłączenie, w wyniku czego nie osiąga on wartości chwilowej większej od prądu ograniczonego iogr .

W zabezpieczeniach zwarciowych diod i tyrystorów używa się bezpieczników bardzo szybkich (czas przedłukowy rzędu kilku ms), o tak dobranym parametrze przeciążeniowym

∫

^i2dt (całka Joule'a), aby energia wydzielona przez prąd zwarciowy w chronionych elemen- tach nie przekroczyła granicznej wartości, powyżej której mogłoby dojść do ich zniszczenia.

Obciążalność zwarciową elektrodynamiczną określa znamionowy prąd szczytowy aparatu insz . W przypadku wyłączników prądu przemiennego - insz nie może być mniejszy od prądu udarowego i_u (wyznaczonego wg PN/E), tzn.

u

nsz i

i ≥ , (6.27) a w przypadku wyłączników prądu stałego - od wartości ustalonej spodziewanego prądu zwarciowego Iu , tzn.

u

nsz I

i ≥ . (6.28)

Jeśli w obwodzie zwarciowym nie występuje ograniczanie prądu przez wyłączniki lub bezpieczniki, to insz każdego aparatu, znajdującego się w tym obwodzie, musi spełniać jeden z podanych wyżej warunków (stosownie do rodzaju prądu).

Jeśli wyłącznik lub bezpiecznik ogranicza prąd w obwodzie zwarciowym, to i_nsz pozostałych aparatów musi spełniać warunek

ogr

nsz i

i ≥ 1,5 (6.29) (współczynnik 1,5 uwzględnia rozrzut charakterystyk aparatu ograniczającego).

Obciążalność zwarciową cieplną krótkotrwałą określa znamionowy prąd krótkotrwały (n-sekundowy) aparatu I_cn . Przeważnie czas trwania zwarcia t_z nie jest równy czasowi, przy jakim producent przeprowadza zwarciowe próby cieplne (spotyka się różne wartości n, przeważnie całkowite, równe l lub 3 s, a wyjątkowo 0,6 s). Prąd cieplny tz -sekundowy I_tz (w obwodzie przemiennoprądowym - wyznaczany wg PN/E) przelicza się na zastępczy prąd n-sekundowy Itn . Dobierany aparat musi spełniać warunek I_cn ≥I_tn . Z obliczeniem wartości Itn jest jednak pewien problem.

Czyniąc założenie o braku wymiany ciepła z otoczeniem (albo równoważne: o stałej intensywności przenikania ciepła do otoczenia), otrzymuje się równość I_tn² n=I_tz² t_z . W rzeczywistości, ta sama ilość ciepła, ale wydzielona w różnym czasie, nie daje tego samego efektu cieplnego, tzn. im zwarcie trwa dłużej, tym większa część wydzielonego ciepła przenika do otoczenia, a tym mniejsza podlega akumulacji. Z porównania ciepła zakumulowanego (ten sam efekt cieplny) wynika więc zależność

z z tz n

tn nC I t C

I² = ² , (6.30) a z niej

n z z tz

tn nC

C I t

I = , (6.31) gdzie: Cn , Cz - stosunki ciepła zakumulowanego do całkowitego, wydzielonego przez prądy

zastępcze: n-sekundowy I_tn oraz t_z-sekundowy I_tz , przy czym: C_n > C_z gdy n < t_z oraz C_n < C_z gdy n > t_z , lub inaczej: <1

n z

C

C i <1 tz

n gdy n < tz ; >1

n z

C

C i >1 tz

n gdy n > tz .

Podstawę doboru aparatu na postawie obliczeń stanowi zależność I_cn ≥ I_tn . Tak więc, biorąc pod uwagę kierunki podanych wyżej nierówności, tylko w przypadku n < t_z otrzymuje się jednoznaczny warunek (z zapasem bezpieczeństwa)

n I t

I_cn ≥ _tz ^z . (6.32) W przeciwnym razie (n > t_z ) trzeba postarać się o dodatkowe informacje.

Zwarciową zdolność załączania określa znamionowy zwarciowy prąd załączalny łącznika inz (przy znamionowym napięciu łączeniowym), równy na ogół znamionowemu prądowi szczytowemu insz .

Zwarciową zdolność wyłączania określa znamionowy zwarciowy prąd wyłączalny wyłącznika lub bezpiecznika topikowego Inw (przy znamionowym napięciu łączeniowym) oraz - w przypadku bezpieczników – charakterystyka prądów ograniczonych iogr =f(In,Ip) lub parametr przeciążeniowy

∫

^i2dt.

Znamionowy zwarciowy prąd wyłączalny zwykłego wyłącznika nie może być mniejszy od wyznaczonego (wg PN/E, w miejscu zainstalowania wyłącznika):

- prądu wyłączeniowego symetrycznego Iws , tzn.

ws

nw I

I ≥ , (6.33) jeśli czas własny wyłącznika (od chwili powstania zwarcia do chwili rozdzielenia się styków) t_ww ≥ 0,1s ,

- prądu wyłączeniowego niesymetrycznego Iwns , tzn.

wns

nw I

I ≥ , (6.34) jeśli tww < 0,1s .

Znamionowy zwarciowy prąd wyłączalny wyłącznika ograniczającego lub bezpiecznika topikowego nie może być mniejszy od:

- prądu początkowego I_p w obwodzie przemiennoprądowym

p

nw I

I ≥ , (6.35) - wartości ustalonej prądu spodziewanego I_u w obwodzie stałoprądowym

u

nw I

I ≥ . (6.36) Zwarciowa zdolność łączeniowa wyłącznika odnosi się do pracy w szeregu łączeń ze znamionowym zwarciowym prądem wyłączalnym (przy wyłączeniach) i ze znamionowym zwarciowym prądem załączalnym (przy załączeniach).

6.4. ZABEZPIECZENIA PRZECIĄŻENIOWE, ZWARCIOWE I ZANIKOWE W OBWODACH ODBIORCZYCH

NISKIEGO NAPIĘCIA

Wystąpienie prądu, który może wywołać w urządzeniu niepożądany efekt, o ile nie zosta- nie wyłączony w odpowiednim czasie, określa się ogólnie jako przetężenie. Zwykle jest to prąd większy od prądu przy znamionowym obciążeniu.

Ze względu na charakter oraz stwarzane zagrożenia dla urządzeń niskiego napięcia i ich otoczenia, dzieli się przetężenia na przeciążenia i zwarcia. W wypadku przeciążenia grozi urządzeniu nadmierne nagrzanie po dłuższym czasie; przy zwarciu trzeba liczyć się z szyb- kim nagrzaniem i z dynamicznym działaniem prądu oraz możliwością powstania łuku elektrycznego (ze wszystkimi tego konsekwencjami).

Do ochrony urządzeń odbiorczych, przewodów i samych aparatów energoelektrycznych przed skutkami przetężeń stosuje się zabezpieczenia zwarciowe (bezzwłoczne) oraz przecią- żeniowe (zwłoczne).

Zabezpieczenie zwarciowe powinno działać natychmiast, gdy wartość prądu przekroczy najwyższą spodziewaną wartość prądu roboczego (prądu przy rozruchu lub hamowaniu silnika, prądu w chwili włączenia urządzenia oświetleniowego lub grzejnego). Jest to z reguły wartość co najwyżej kilka- kilkunastokrotnie większa od prądu znamionowego urządzenia.

Zabezpieczenia przeciążeniowe powinno działać ze zwłoką, zależną od stopnia narażenia cieplnego, jakie stwarza występujące przetężenie. Niezwykle istotną sprawą jest właściwy dobór charakterystyk prądowo-czasowych t-I zabezpieczeń przeciążeniowych (rys. 6.22) do przebiegów cieplnych w najbardziej wrażliwych na wzrost temperatury miejscach urzą- dzeń. Charakterystyka t-I aparatu zabezpieczającego urządzenie powinna w całym zakresie obciążenia leżeć poniżej analogicznej charakterystyki urządzenia.

Rys. 6.22. Zabezpieczenia przeciążeniowe: a) charakterystyki t-I aparatu wstępnie nie nagrzanego Z („zimny”) i wstępnie nagrzanego C („ciepły”) prądem o znamionowej lub nastawionej wartości Int ,

b) wykresy czasowe ukazujące zależności między prądami I1 i I2 nagrzewania aparatu „zimnego” Z1 i Z2 (temperatura początkowa ϑ0) oraz „ciepłego” C1 i C2 (temperatura początkowa ϑnt), a czasami

osiągania przezeń temperatury progowej (zadziałania) ϑp ; przyjęto model ciała jednorodnego o stałej czasowej τ oraz proporcjonalność wydzielanej mocy cieplnej do kwadratu prądu Jeśli obniżenie (zapad lub zanik) napięcia, a następnie jego powrót, mogą powodować zagrożenie osób lub urządzeń, stosuje się odpowiednie środki ostrożności. Do tego rodzaju środków należy zabezpieczenie zanikowe silników, które uniemożliwia samoczynny rozruch silnika po powrocie napięcia.

Nie wolno stosować zabezpieczeń zwarciowych ani przeciążeniowych w obwodach wzbudzenia silników prądu stałego, ponieważ stwarza to groźbę rozbiegania (gwałtownego wzrostu prędkości).

Zabezpieczenia zwarciowe, przeciążeniowe i zanikowe powinny powodować samoczynne wyłączenie z pracy (odłączenie od źródła zasilania) uszkodzonego lub zagrożonego urządze- nia. Funkcję tę spełniają następujące aparaty i elementy zabezpieczeniowe: bezpieczniki topikowe i ograniczniki prądu, wyzwalacze lub przekaźniki elektromagnetyczne i cieplne oraz czujniki temperatury.

Wyzwalacze i przekaźniki zabezpieczeń zwarciowych i zanikowych działają na zasadzie przyciągania zwory elektromagnesu, zaś przeciążeniowych - na zasadzie różnej rozsze- rzalności cieplnej warstw paska bimetalu. Czujniki temperatury wykonuje się jako termisto- rowe lub ferrytowe. Ze względu na duży koszt, są one stosowane wyłącznie wtedy, gdy przekaźniki i wyzwalacze nie zapewniają dostatecznej ochrony urządzenia przed przegrzaniem, co zachodzi w przypadku silników pracujących w zmiennych warunkach chłodzenia, np. w systemie pracy przerywanej, silników wielobiegowych, itp. Wyzwalacze

lub przekaźniki elektromagnetyczne (elektromagnesowe) i cieplne (termobimetalowe), a czasami również ograniczniki prądu (działające podobnie do bezpieczników topiko- wych), wchodzą w skład wyłączników samoczynnych (rys. 6.23).

Rys. 6.23. Charakterystyki t-I wyłącznika dobezpieczonego, składająca się z fragmentów charakterystyk: 1 - wyzwalacza (przekaźnika) termicznego o prądzie nastawienia Im ;

2 - wyzwalacza elektromagnesowego o prądzie nastawienia Ine i czasie własnym t0e ; 3 - ogranicznika prądu, niewyłączającego samodzielnie prądów większych od prądu

wyłączalnego Iwn , lecz sprowadzającego je do tej wartości w czasie równym t0e (później - przy rozchodzeniu się styków - ograniczenie prądu jest kontynuowane)

Falowniki pracujące w zasilaczach UPS (rys. 5.21) zabezpiecza się przed przeciążeniem elektronicznie. Przykładową charakterystykę I-t tego zabezpieczenia pokazano na rys. 6.24.

Rys. 6.24. Charakterystyka zabezpieczenia przeciążeniowego falownika w zasilaczu UPS, obejmująca strefy związane z trybem jego pracy: A - praca w trybie normalnym, B - praca w trybie obejściowym, a jeśli jest on niedostępny - kontynuacja pracy w trybie

normalnym, C - praca w trybie obejściowym, a jeśli jest on niedostępny - wyłączenie

Styczniki montuje się często na wspólnej podstawie lub we wspólnej obudowie z przekaź- nikami termobimetalowymi. Na rysunku 6.25 pokazano układ sterowania i zabezpieczeń silnika indukcyjnego (schematy rozwinięte pokazane na rys. 5.23). Zabezpieczenie podnapię- ciowe silnika stanowi cewka stycznika w połączeniu szeregowym z zestykiem pomocniczym, a zabezpieczenie zwarciowe - bezpieczniki.

40 ms 200 ms 10 s 10 min

t

% I / In 1000

300

150 125

100

A

B

C

6.25. Realizacja zabezpieczeń silnika indukcyjnego, sterowanego za pomocą stycznika elektromagnesowego: l - zabezpieczenie zwarciowe, 2 - zabezpieczenie

przeciążeniowe, 3 - zabezpieczenie zanikowe

Wszystkie obwody odbiorcze powinny mieć zabezpieczenia zwarciowe. Mogą to być zabezpieczenia wspólne dla grup odbiorów, ale tak dobrane, aby w przypadku zwarcia występującego w jednym odbiorze zadziałało zabezpieczenie zwarciowe całej grupy.

Zabezpieczenia zwarciowe umieszcza się na początku zabezpieczanego obwodu odbiorczego. Zabezpieczeniami zwarciowymi silników i innych urządzeń są wyzwalacze i przekaźniki elektromagnesowe, bezpieczniki topikowe lub ograniczniki prądu. Nastawienie wyzwalaczy (przekaźników) I_e powinno być o 20% większe od największej wartości prądu rozruchowego Irm :

rm

e I

I ≥ 1,2 . (6.37) Prąd znamionowy wkładki bezpiecznikowej Ibn , zabezpieczającej silnik o prądzie znamionowym I_n i największej wartości prądu rozruchowego I_rm , wyznacza się z zależności:

α^rm

bn

I ≥ I . (6.38) i

n

bn I

I ≥ . (6.39) gdzie ^α∈

[

^1,4;3,0

]

- współczynnik rozruchowy, zależny od rodzaju („ciężkości”) i częstości

rozruchów oraz typu wkładki topikowej.

Prąd znamionowy wkładki topikowej Ibn , zabezpieczającej urządzenia inne niż silniki o prądzie znamionowym In , wyznacza się z zależności (6.39).

Bardzo szybkiego działania wymaga się od zabezpieczeń zwarciowych w obwodach zasilanych z przekształtników energoelektrycznych. Z tego względu, przy doborze bezpieczników topikowych, nie korzysta się z charakterystyk t–I, tylko z danych pozwalających określić wartość impulsu

∫

^i2dt w czasie przedłukowym i łukowym.

Zabezpieczenia przeciążeniowe silników stanowią najczęściej wyzwalacze lub przekaźniki termobimetalowe. Można je umieszczać między silnikiem a źródłem zasilania - w dowolnym miejscu obwodu. Nastawienie wyzwalaczy (przekaźników) przy pracy ciągłej silnika nie powinno przekraczać o więcej niż 10% jego prądu znamionowego.

W zasadzie każdy silnik elektryczny powinien mieć zabezpieczenie przeciążeniowe, lecz dopuszcza się odstępstwa w następujących przypadkach:

- przy silnikach o prądzie znamionowym mniejszym od 4 A,

- przy silnikach o mocy nie przekraczającej 10 kW, do pracy ciągłej, napędzających urządzenia o małych prawdopodobieństwie przeciążeń mechanicznych (pompy odśrodkowe, wentylatory, itp.),

- przy silnikach stanowiących zespół z własnym transformatorem, który ma swoje zabezpie- czenie przeciążeniowe,

- przy silnikach do pracy przerywanej, gdy zabezpieczenie przeciążeniowe za pomocą wyzwalaczy lub przekaźników nie spełniają swojej roli, zabezpieczenie zaś czujnikami temperatury nie jest gospodarczo uzasadnione.

Przekroje przewodów (kabli) w obwodach odbiorczych muszą być tak dobrane pod względem cieplnym, aby - przy normalnych prądach roboczych - temperatury żył przewo- dzących nie przekroczyły temperatury dopuszczalnej długotrwale, której odpowiada obciążalność długotrwała przewodów Idd . Wyzwalacze (przekaźniki) termiczne ustawia się na wartości prądu (0,8÷1,1) Idd , przy czym wartość 0,8 Idd dotyczy miejsc niebezpiecznych pod względem wybuchowym.

Zabezpieczenie przeciążeniowe przewodów stosujemy zazwyczaj jednocześnie z zabezpie- czeniem przeciążeniowym odbiornika, używając do tego celu jednego aparatu. Zdarza się jednak, że przewody zasilające wymagają ochrony przed przeciążeniem, a odbiorniki - nie.

Szczególnym przypadkiem tego rodzaju jest obwód z bezpiecznikami topikowymi jako zabezpieczeniem zwarciowym przewodów i odbiornika oraz zabezpieczeniem przeciąże- niowym przewodów.

Temperatura przewodów przy przepaleniu wkładki topikowej osiąga wartość najwyższą, gdy prąd, który je wywoła, jest w przybliżeniu równy górnemu prądowi probierczemu bezpiecznika I_pg , przy czym I_pg = (l,9÷1,6) Ibn , odpowiednio do wartości prądów znamionowych I_bn = 6÷200 A. Bezpieczniki topikowe stanowią więc zabezpieczenie przeciążeniowe (i zwarciowe) przewodów o obciążalności długotrwałej Idd , jeśli

dd

pg I

I ≤ , (6.40) a tylko zabezpieczenie zwarciowe przewodów, jeśli

dd

bn I

I ≥ . (6.41) Tak więc, obciążalność przewodów zabezpieczonych bezpiecznikami może być w pełni wykorzystana tylko wtedy, gdy bezpieczniki stanowią wyłącznie zabezpieczenie zwarciowe.

Zgodnie z przepisami, wartość stosunku I_bn :I_dd zależy od tzw. grupy przewodów (instalacji), określanej na podstawie warunków użytkowania instalacji, typu odbioru oraz występujących narażeń na przeciążenia. Przykładowo, w grupie 3, dotyczącej przewodów ułożonych na stałe w instalacjach użytkowanych w warunkach przemysło- wych, prądowi Ibn = 25 A odpowiada minimalna obciążalność długotrwała przewodów

ddmin

I = 20 A, albo na odwrót - prądowi I_dd = 20 A odpowiada prąd największej dopuszczalnej wkładki I_bnmax= 25 A.

Odporność na narażenie cieplne przewodów (kabli) przy zwarciach jest określona przez jednosekundową obciążalność 1 mm² przekroju żyły przewodzącej. Przy właściwym doborze przekroju spełniona jest zależność (6.32) dla gęstości prądu kj w czasie n = l s:

z j

tz t

S

I ≤ k . (6.42)

gdzie: I_tz - zastępczy „prąd cieplny”t_z-sekundowy, w A, k_j - obciążalność cieplna l-sekundowa, w As^0,5 /mm², S - przekrój przewodu, w mm²,

t_z - czas trwania zwarcia, w s.

4.5. NAPIĘCIE ZNAMIONOWE I NAPIĘCIE ROBOCZE, PRZEPIĘCIA, OCHRONA PRZEPIĘCIOWA I ODGROMOWA

Charakterystyczne właściwości urządzenia elektrycznego lub sieci elektrycznej (elektro- energetycznej), bądź części składowej urządzenia lub sieci, odnoszą się do ustalonej wartości napięcia, którą nazywa się napięciem znamionowym tego obiektu lub elementu.

Napięcie znamionowe jest pojęciem umownym: obliczeniowym - w przypadku urządzeń, klasyfikacyjnym - w przypadku sieci i jej wyposażenia. Pod określonym warunkami i w ograniczonym zakresie można zmieniać napięcie znamionowe obiektu, dokonując przy tym odpowiednich zmian jego innych parametrów znamionowych. Taka możliwość znajduje odbicie w powszechnie używanej definicji, wg której napięcie znamionowe to wartość napięcia, na jaką dane urządzenie (albo jego część) zbudowano i jaką je (ją) oznaczono.

Ze względu na własności izolacyjne urządzenia elektrycznego (albo jego części), określa się też jego (jej) napięcie znamionowe izolacji, równe napięciu znamionowemu lub od niego wyższe.

Napięcie, występujące w czasie normalnej pracy urządzenia, nazywa się napięciem roboczym (w przypadku łączników - napięciem łączeniowym). Napięcie robocze (łącze- niowe) może być mniejsze lub większe od napięcia znamionowego, lecz ze względu na właściwości urządzenia - musi mieścić się między najniższym i najwyższym napięciem roboczym, a gdy najniższe napięcie robocze nie jest określone - nie może przekraczać najwyższego napięcia roboczego (łączeniowego).

Napięciu znamionowemu większości urządzeń energoelektrycznych przypisane są określo- ne wartości najwyższego napięcia roboczego i znamionowych napięć probierczych izolacji (przemiennych i udarowych).

Każde napięcie wyższe od najwyższego napięcia roboczego (łączeniowego) nazywa się przepięciem. Przepięcia stwarzają zagrożenie dla izolacji urządzeń. Ze względu na źródło powstawania, przepięcia dzielą się na wewnętrzne i zewnętrzne.

Przepięcia wewnętrzne są powodowane różnymi zmianami łączeniowymi oraz paleniem się łuku przy zwarciach doziemnych. Omówione wcześniej przepięcia, występujące w ukła- dach przedstawionych na rysunkach: 6.7, 6.9, 6.11 i 6.15, są przykładami przepięć występują- cych przy zmianach łączeniowych. Ponowne zapłony łuku elektrycznego między rozchodzą- cymi się stykami w układzie z rys. 6.9 (przebiegi napięcia uw i prądu iw na rys. 6.l0b)

ograniczają wysokość przepięcia. Powtarzające się zapłony łuku przy zwarciu doziemnym, jakie np. mogłyby powstawać w układzie z rys. 6.21 - bez dołączonego tam dławika gaszącego, wywołują natomiast szybkozmienne, wysokie przepięcia przejściowe.

Przepięcia wewnętrzne dzielą się na krótkotrwałe i długotrwałe, szybkozmienne i wolno- zmienne, zaś te ostatnie - na sinusoidalne i odkształcone.

Przepięcia zewnętrzne pochodzą przede wszystkim od wyładowań atmosferycznych.

Przepięcia pochodzenia atmosferycznego stanowią największe zagrożenie dla izolacji urządzeń. Nazywa się je atmosferycznymi lub piorunowymi i rozróżnia:

- przepięcia bezpośrednie, tj. wywoływane bezpośrednimi uderzeniami piorunów w linie lub stacje napowietrzne,

- przepięcia indukowane, tj. wywoływane przenikaniem do obwodu głównego, na drodze elektromagnetycznej, części energii wyładowań atmosferycznych, związanej z uderzeniami piorunów w obiekty położone w pobliżu linii lub stacji napowietrznych, albo w elementy linii i stacji, osłaniające je przed bezpośrednimi uderzeniami piorunów.

Ochrona od przepięć atmosferycznych nosi nazwę ochrony odgromowej. Stawia się przed nią następujące dwa zadania - żądając spełnienia jednego z nich, ewentualnie obu jedno- cześnie, jeśli spełnienie pierwszego nie zapewnia ochrony w pełni skutecznej:

- osłaniania przewodów roboczych linii lub aparatów i budynków stacji elektroenerge- tycznych przed bezpośrednimi uderzeniami piorunów, oraz niedopuszczania do tzw. prze- skoków odwrotnych albo iskier wtórnych (z elementów zbierających i odprowadzających prądy pioruna do ziemi - do przewodów roboczych lub do przedmiotów przewodzących, które nie należą do obwodu głównego),

- łagodzenia skutków uderzeń piorunów lub niedopuszczenia do uszkodzenia obiektów z tego powodu.

Ochronę linii i stacji elektroenergetycznych przed bezpośrednimi uderzeniami piorunów zapewniają tzw. zwody piorunowe (jak łącznie określa się: przewody odgromowe, zwody pionowe i zwody poziome) wraz ze stalowymi elementami konstrukcji słupów i przewodami, noszącymi nazwy: odprowadzających i uziemiających, oraz uziomami.

Przewody robocze linii elektroenergetycznych chroni się umieszczając nad nimi przewody odgromowe, które są uziemione na każdym słupie (bezpośrednio lub przez iskiernik).

Stacje elektroenergetyczne chronione są za pomocą uziemionych zwodów pionowych lub poziomych. Zwody pionowe to stalowe pręty lub rury, mocowane do konstrukcji wsporczych stacji lub umieszczane na specjalnych, stalowych masztach. Zwody poziome to przewody zawieszone nad obiektami stacji, podobnie jak przewody odgromowe nad przewodami roboczymi linii.

Zwody piorunowe wytwarzają wokół siebie strefę osłonową, dającą ochronę przed bezpośrednimi uderzeniami piorunów. W przewodach i urządzeniach znajdujących się w strefie osłonowej praktycznie mogą się pojawiać tylko przepięcia atmosferyczne indukowane lub przeskoki odwrotne.

Przepięcia atmosferyczne indukowane są oczywiście dużo mniej groźne od przepięć wywoływanych bezpośrednimi uderzeniami piorunów.

Przeskoki odwrotne (od uziemionych elementów do przewodów roboczych) występują wtedy, gdy napięcie na impedancji słupa stalowego linii lub stalowej konstrukcji wsporczej zwodów stacji, i na ich uziemieniach - powstające od prądu pioruna - przekracza wytrzymałość izolatorów.

Prądy piorunów oraz pochodzące od nich prądy i napięcia w liniach elektroenerge- tycznych, a także niektóre z krótkotrwałych przepięć wewnętrznych, przedstawiane są na wykresach w zależności od czasu jako tzw. udary prądowe bądź napięciowe.

Rys. 6.26. Udar napięciowy; Um - wartość szczytowa, T1 - czas trwania czoła, T2 - czas do półszczytu Na rysunku 6.26 pokazano przykładowy udar napięciowy i objaśniono przyjęty norma- tywnie sposób wyznaczania jego parametrów. Udar składa się z „czoła” - od początku 0 do wierzchołka W, i „grzbietu” - od wierzchołka W do zaniku. Udar charakteryzowany jest umownie przez swą wartość szczytową (napięciowy - przez Um ; prądowy - przez Im ), czas trwania czoła T₁ i czas do półszczytu T₂ . Przyjęcie czasów umownych T₁ i T₂ , zamiast rzeczywistych t1 i t2 , wynika z trudności dokładnego wyznaczania punktów 0 i W na oscylogramach, oraz z faktu, że w przypadku niektórych urządzeń zagrożenie stwarzane przez udar nie zależy w istotny sposób od czasu trwania czoła, tylko od jego stromości, tj. szybkości narastania napięcia (prądu) na czole.

Udary prądu głównego wyładowania pioruna charakteryzują wartości szczytowe rzędu 5÷250 kA, czasy trwania czoła 1÷10 µs , czasy do półszczytu 10÷200 µs.

Gdyby, przyjmując bardzo wysoką wytrzymałość izolacji przewodów roboczych linii, nie zastosowano ochrony odgromowej, to przy bezpośrednim uderzeniu pioruna w przewód roboczy mogłoby w nim wystąpić napięcie względem ziemi lub innych przewodów rzędu kilku MV. O takiej wytrzymałości izolacji linii nie może być oczywiście mowy, toteż przy bezpośrednim uderzeniu pioruna w niechroniony przewód roboczy musi wystąpić przebicie - jeśli nie do ziemi (przy „słabym” piorunie, uderzającym w przewody prowadzone na słupach drewnianych, przebicie do ziemi nie zawsze się zdarza), to na pewno do pozostałych przewodów. Występuje wtedy, oprócz przepięć, międzyfazowe zwarcie łukowe obwodu roboczego.

Analiza różnego rodzaju przepięć pozwala określać prawdopodobne zagrożenie izolacji urządzeń na przebicie i stosować odpowiednie środki ich ochrony. Przepięcia długotrwałe przedstawiane są jako przebiegi ustalone w obwodach o elementach skupionych; przepięcia krótkotrwałe w liniach o znacznej długości - jako sumy fal wędrownych (bieżących) w liniach długich. Wygodnie jest się przy tym posługiwać modelem linii bez stratnej.

Między wartościami współbieżnych fal napięcia i prądu:

- przemieszczającymi się w jedną stronę linii długiej bezstratnej u'=u'(x−vt) , i'=i'(x−vt) , - i w drugą jej stronę

u"=u"(x+vt) , i"=i"(x+vt) , zachodzą następujące zależności:

' ' Z i

u = _c , (6.43a)

"

' Z i

u =− _c , (6.43b) przy czym:

r r

c C

L

v⁼ 0 0 ⁼ ε µ

1 , (6.44)

0 0

0

0 1

C L v

C v

Z_c = L = = , (6.45)

gdzie: x - droga, t - czas,

v - prędkość rozchodzenia się fali, c - prędkość światła,

L0 - indukcyjność jednostkowa (na jednostkę długości) linii, C0 - pojemność jednostkowa (na jednostkę długości) linii,

εr - przenikalność elektryczna względna środowiska otaczającego przewody, µr - przenikalność magnetyczna względna środowiska otaczającego przewody, Z_c - impedancja falowa linii.

„Minus” po prawej stronie wyrażenia (6.43b) wynika ze zgodnego z drogą strzałkowania prądu.

Impedancja falowa układu „1 przewód – ziemia” linii napowietrznej wysokiego napięcia wynosi ok. 500 Ω, zaś układu „3 przewody – ziemia” - ok. 250 Ω. Kanał głównego wyładowania pioruna można traktować jako linię długą o impedancji falowej rzędu 400÷1000 Ω. Warstwa ziemi, w której rozpływa się prąd pioruna, jest przedstawiana jako impedancja skupiona o wartości wielokrotnie mniejszej od impedancji falowej kanału pioruna.

Pierwotne fale przepięciowe rozchodzą się w obie strony linii od miejsca uderzenia pioruna lub wystąpienia krótkotrwałego przepięcia wewnętrznego (rys. 6.27). Zależności z tym związane mają następujące postaci:

) 2 ( ) 1 , (

"

) , (

' x t i x t i t

i _p =− _p = _p , (6.46)

) 2 (

) 1 , ( ' )

, (

' x t Z i x t Z i t

u _p = _{c p} = _{c p} , (6.47)

) 2 (

) 1 , (

"

) , (

" x t Z i x t Z i t

u _p =− _{c p} = _{c p} , (6.48)

0 ) , (

"

) , ( ' ) ,

(x t =i x t +i x t =

i _{p p p} , (6.49) )

( ) , (

"

) , ( ' ) ,

(x t u x t u x t u t

u _p = _p + _p = _p , (6.50)

Rys. 6.27. Wykresy fal udarowych prądu i napięcia jako funkcji drogi x , w danej chwili t, po obu stronach linii od miejsca xp uderzenia pioruna

Fale wędrowne napięcia i prądu ulegają w rzeczywistych liniach tłumieniu i odkształceniu (rys. 6.28). Efekty te w liniach bezstratnych nie występują.

Rys. 6.28. Ilustracja tłumienia i odkształcenia udaru napięciowego u(t) w linii wysokiego napięcia, po przebyciu drogi x od źródła

Wartości napięcia oraz prądu w danym miejscu linii długiej, w danej chwili, są równe sumom wartości fal napięcia bądź prądu, docierających do tegoż miejsca, w tejże chwili, z jednej i drugiej strony linii.

Jeśli fala wędrowna dociera do punktu, w którym zmieniają się warunki jej propagacji (zmienia się impedancja falowa linii; występuje przerwa, zwarcie, rozgałęzienie; dołączone są jakieś elementy skupione), to w tym punkcie tworzą się fale określane jako przepuszczone i odbite. W szczególnych przypadkach: przerw i zwarć, są tylko fale odbite. Zobrazowano to w sposób modelowy (linia bezstratna, prostokątne fale pierwotne) na rysunku 6.29.

Rys. 6.29. Fale pierwotne prostokątne, ciągłe (u’1, i’1 ), fale przepuszczone (u’2, i’2 ), i fale odbite (u”2, i”2 ), w linii długiej - w chwilę po dotarciu fal pierwotnych do punktu A, gdzie: a) wzrasta

impedancja falowa Z2 > Z1 albo występuje przerwa, b) maleje impedancja falowa Z2 < Z1 albo występuje zwarcie, c) występuje rozgałęzienie albo jest dołączona rezystancja R (przy Z2 > Z1),

d) jest dołączona pojemność poprzeczna C albo indukcyjność podłużna L (przy Z2 > Z1)

Przed przystąpieniem do omawiania urządzeń ochronnych trzeba poruszyć parę spraw związanych z wytrzymałością izolacji przy różnego rodzaju narażeniach.

Jeśli przepięcia nie są duże, to się ich nie ogranicza, tylko podwyższa odpowiednio wytrzymałość elektryczną izolacji. W ten sposób jest zapewniana ochrona urządzeń przed długotrwałymi przepięciami wewnętrznymi. Przy wyższych przepięciach, przekraczających wytrzymałość istniejącej izolacji, stosuje się ochronę przepięciową za pomocą aparatów nazywanych ochronnikami. Według przyjętych zasad koordynacji izolacji (jej poziomu znamionowego i poziomu zapewnionej ochrony), w sieciach o napięciu znamionowym do 220 kV stosuje się ochronę od przepięć atmosferycznych, natomiast w sieciach o napięciu znamionowym wyższym od 220 kV - ochronę od przepięć wewnętrznych.

Wytrzymałość izolacji urządzeń jest poddawana w laboratoriach długotrwałym i krótko- trwałym próbom napięciowym.

Próby długotrwałe izolacji urządzeń wykonuje się napięciem przemiennym; czas przyłożenia napięcia probierczego oraz jego krotność względem napięcia znamionowego są przy tym różne dla różnych urządzeń. Na przykład izolatory poddaje się próbie napięciem przemiennym w czasie 1 lub 5 min.

Do określania wytrzymałości izolacji na napięcia udarowe pochodzenia atmosferycznego (wyznaczania charakterystyk udarowych) używa się tzw. krótkich udarów napięciowych - o znormalizowanych wartościach czasów T₁ i T₂ , równych 1,2 i 50 µs.. Wytrzymałość izolacji na przepięcia wewnętrzne w sieciach najwyższych napięć bada się używając tzw. długich udarów napięciowych - o wartościach T1 rzędu 0,02÷2 ms i T2 rzędu 1÷10 ms.

Czas trwania udaru jest ważny przede wszystkim ze względu na ciepło wydzielające się w łuku elektrycznym ochronnika. Przepięcia wewnętrzne są niższe od atmosferycznych, ale trwają dłużej, stąd konieczność badań z udarami długimi.

Rys. 6.30. Charakterystyki udarowe: a) zasada tworzenia charakterystyki udarowej, b) porównanie charakterystyk - izolacji urządzenia elektrycznego A; ochronnika B zapewniającego ochronę A

tylko w zakresie przepięć mniejszych od ugr i czasów większych od tgr ; ochronnika C zapewniającego pełną ochronę A

Charakterystyki udarowe urządzeń (chronionych oraz zapewniających ochronę) przedsta- wiają zależność największego napięcia doprowadzonego do izolacji um (napięcie „ucięcia”

lub wartość szczytowa udaru Um ) i czasu do przeskoku tp - dla udarów napięciowych o różnych wartościach szczytowych U_m , przy tych samych parametrach czasowych T₁ i T₂ . Na rysunku 6.30 przedstawiono ideę tworzenia charakterystyki udarowej i objaśniono zasadę ochrony przepięciowej. Chodzi ogólnie o to, by napięcie w urządzeniu chronionym nie mogło w żadnej chwili przekroczyć napięcia przebicia.

Ochronę izolacji przed przepięciami zapewniają ochronniki. Obniżają one napięcie między linią i ziemią do poziomu bezpiecznego, odprowadzając - poprzez łuk elektryczny na iskiernikach - ładunek fali przepięciowej z przewodów roboczych do ziemi (rys. 6.31a).

Ze względu na konstrukcję, ochronniki dzielą się na: iskierniki ochronne, odgromniki wydmuchowe i odgromniki zaworowe (rys. 6.31b). Termin „odgromnik zaworowy” został zastąpiony w ramach normalizacji terminem „ogranicznik przepięć” i w literaturze występują teraz obie te nazwy równolegle.

Iskiernik ochronny nie ma urządzeń do gaszenia łuku, nie przerywa więc prądu następ- czego, tzn. prądu zwarcia, który płynie pod wpływem napięcia roboczego po stłumieniu fali przepięciowej. Aby przerwać ten prąd, musi zadziałać wyłącznik liniowy, co na jakiś czas pozbawia zasilania część odbiorców. Z tego powodu w ochronie przepięciowej linii lub stacji traktuje się iskierniki jako elementy zastępcze.

Rys. 6.31. Ochronniki: a) przyłączenie ochronnika do linii; L - linia napowietrzna, W - wyłącznik liniowy, O - ochronnik. U - urządzenie elektryczne (schemat zastępczy

izolacji chronionej), b) symbole ochronników; l - iskiernik ochronny, 2 - odgromnik wydmuchowy, 3 - odgromnik zaworowy (ogranicznik przepięć), c) charakterystyki

udarowe i prądowo-napięciowe ochronników jw.; tp - czas do przeskoku, um - największe napięcie do przeskoku, iwm - szczytowa wartość prądu wyładowczego,

u0 - szczytowa wartość napięcia ochronnika przy prądzie wyładowczym bliskim iwm

Odgromniki ograniczają przepięcia i przerywają prąd następczy. Odprowadzenie ładunku fali przepięciowej odbywa się poprzez łuk elektryczny na iskiernikach będących elementami odgromników. Zadanie zgaszenia tego łuku przy prądzie następczym spoczywa na innych elementach.

W odgromniku wydmuchowym elementem tym jest rura z materiału gazującego, wewnątrz której znajdują się elektrody iskiernika wewnętrznego (jest jeszcze iskiernik zewnętrzny, zapewniający przerwę w czasie normalnej pracy). Gaz, który się wydziela pod wpływem ciepła łuku elektrycznego przy prądzie następczym, wytwarza duże ciśnienie w komorze, pochłania ciepło i jest samorzutnie wydmuchiwany do otoczenia. W ten sposób łuk elektryczny zostaje zgaszony.

Główne części odgromnika zaworowego (ogranicznika przepięć) to: iskiernik wielokrotny i oporniki nieliniowe. Nieliniowe oporniki robocze (płytki zmiennooporowe), połączone szeregowo z iskiernikami, służą do ograniczenia wartości prądu następczego, co prowadzi do zgaszenia łuku. Nieliniowe oporniki sterujące, które bocznikują iskierniki, służą o wyrównania napięć, występujących na nich przy prądzie następczym. Przez odpowiednie ukształtowanie szczelin iskierników można uzyskać łuk wirujący (odgromnik z łukiem wirującym), a przez umieszczenie cewek, włączonych do obwodu głównego i zboczni- kowanych opornikami nieliniowymi - tzw. magnetyczny wydmuch łuku (iskiernik aktywny).

Dzięki płytkom zmiennooporowym i sterowaniu łukiem iskierników, uzyskuje się korzystne kształty charakterystyk: zapłonowej i prądowo-napięciowej (rys. 6.31c).

Jak dotąd, odgromniki zaworowe są najdoskonalszym aparatem przeciwprzepięciowym.

Ich stosowanie jest jednak ograniczone ze względu na wartości dopuszczalnego prądu udaro- wego (obciążalność udarową) i wysoką cenę.

Rys. 6.32. Ochrona przepięciowa linii napowietrznej LN i stacji transformatorowo-rozdzielczej STR średniego napięcia: a) przewody odgromowe PO na podejściu przy STR, b) linia kablowa LK

zasilająca bezpośrednio STR (jeśli LK ma długość co najmniej 2 km, to odgromnik l nie jest konieczny), c) dławik przeciwprzepięciowy D zastępujący podejście chronione

Linie napowietrzne o napięciu znamionowym 110 kV i wyższym (WN i NN) są chronione przed bezpośrednimi uderzeniami piorunów przewodami odgromowymi na całej swej długości.

W liniach o napięciu niższym od 110 kV nie stosuje się przewodów odgromowych, poza tzw. podejściami, czyli odcinkami o długości 500÷2000 m przylegającymi do stacji (rys. 6.32a) lub kabla, a zatem dopuszcza się możliwość uderzeń piorunów w przewody robocze. W liniach o napięciu 10÷60 kV (SN), przewody te chroni się odgromnikami wydmuchowymi, lub zastępczo iskiernikami, umieszczanymi na wybranych słupach (wyższych niż przeciętne lub ograniczających dłuższe niż przeciętne przęsła).

W miejscu połączenia linii napowietrznej z kablem instaluje się: przy WN i NN - odgromniki zaworowe; przy SN - odgromniki wydmuchowe lub iskierniki.

Ochronę stacji elektroenergetycznych (napowietrznych i wnętrzowych) przed bezpo- średnimi uderzeniami piorunów stosuje się przy górnym napięciu znamionowym 15 kV i wyższym, z transformatorami o łącznej mocy 1600 kVA i większej.

Od przepięć przenoszonych liniami chroni się urządzenia stacyjne: na podejściu - odgromnikami wydmuchowymi lub iskiernikami, w stacji - odgromnikami zaworowymi, instalowanymi jak najbliżej chronionych urządzeń (rys. 6.32). Dla złagodzenia stromości czoła udarów napięciowych, które mogą docierać - wprost z linii - do uzwojeń transforma- torów lub maszyn elektrycznych, instaluje się kondensatory i dławiki ochronne (rys. 6.33).

W pewnym stopniu zadanie kondensatorów przeciwprzepięciowych spełniają baterie konden- satorów do kompensacji mocy biernej oraz pojemności kabli.

Rys. 6.33. Przykład ochrony przepięciowej maszyny M z zastosowaniem odgromników oraz: dławika D, odcinka linii kablowej LK i kondensatora C

Iskierniki są używane jako ochrona izolatorów przed skutkami łuku elektrycznego.

Elektrody tych iskierników mają odpowiedni kształt, dzięki czemu łuk pali się w bezpiecznej odległości od powierzchni izolatorów.

Do ochrony od przepięć atmosferycznych w sieciach napowietrznych o napięciu znamionowym do 1 kV (nN) używa się odgromników zaworowych (ograniczników przepięć).

Wymagane jest, by w takich sieciach były one rozmieszczone dość gęsto, konkretnie - by odległość między sąsiednimi kompletami odgromników nie przekraczała 500 m i by były one instalowane m.in. w pobliżu większych skupisk oraz na przyłączach dużych odbiorców.

Jeśli nie ma pewności, że środki ochrony przepięciowej, użyte w sieci nN, zabezpieczają w wystarczającym stopniu instalacje elektroenergetyczne odbiorców przed przepięciami atmosferycznymi, to trzeba stosować dodatkowe urządzenia do ochrony przepięciowej.

Do instalacji elektroenergetycznych nie powinny dostawać się z sieci udary napięciowe o zbyt dużej wartości szczytowej lub zbyt stromym czole, bo grozi to zniszczeniem pracujących tam urządzeń.

Decyzję o tym, czy stosować ochronę przepięciową w instalacji nN, czy też nie, a jeśli tak - to w jakim zakresie, podejmuje się na podstawie oceny występowania zagrożeń oraz właściwości: sieci zasilającej, instalacji i dołączonych do niej urządzeń. Zasadnicze znaczenie ma poziom przepięć przejściowych, występujących na początku (przyłączu) instalacji, oraz wytrzymałość udarowa sieci rozdzielczych i obwodów odbiorczych.

Ze względu na spodziewany poziom przepięć przejściowych i wymaganą wytrzymałość izolacji przewodów i urządzeń, rozróżnia się cztery kategorie i odpowiadające im cztery poziomy przepięć. Kategoria IV dotyczy instalacji rozdzielczych i odbiorczych oraz urządzeń będących ich częścią, narażonych bezpośrednio na przepięcia atmosferyczne i łączeniowe, kat. III - instalacji i urządzeń tego samego rodzaju, narażonych na przepięcia atmosferyczne częściowo stłumione (zredukowane), kat. II - urządzeń odbiorczych, narażonych na przepięcia łączeniowe i przepięcia atmosferyczne zredukowane, kat. I - urządzeń specjalnie chronionych (poziom przepięć jest kontrolowany). Spodziewane poziomy przepięć przejściowych w ww.

kolejności kategorii, dla sieci trójfazowej o napięciu znamionowym 230/400 V, wynoszą:

6 kV, 4 kV, 2,5 kV i 1,5 kV.

Spodziewany poziom przepięć przejściowych na początku instalacji zależy od sposobu jej zasilania z sieci nN i rozmieszczenia w niej odgromników, a także od częstości wyładowań atmosferycznych (liczby dni burzowych w roku). Nie wymaga się dodatkowej ochrony od przepięć atmosferycznych na początku instalacji elektroenergetycznej, jeśli liczba dni burzowych w roku nie przekracza 25. Przyjmuje się, że dostateczne tłumienie przepięć atmosferycznych zapewnia zasilanie instalacji kablem o długości co najmniej 150 m, ułożonym w ziemi. Wymaga się, by odgromniki umieszczone na początku instalacji, które tłumią przepięcia poziomu IV lub III, ograniczały je do poziomu II.

Jeśli nie udaje się ograniczyć przepięć na początku instalacji do poziomu niezagrażającego zasilanym z niej urządzeniom, a przerwy w ich pracy są dopuszczalne, to można stosować szybkodziałające wyłączniki przepięciowe, umieszczane razem z zabezpieczeniami przetę- żeniowymi obwodów lub urządzeń.

Najmniej odporne na przepięcia są urządzenia elektroniczne i maszyny elektryczne. Są to równocześnie urządzenia najdroższe spośród najczęściej spotykanych urządzeń nisko- napięciowych. Czasem dołącza się więc dodatkowe elementy, tłumiące przepięcia przy tych urządzeniach, co ma tę zaletę, że ochrona dotyczy nie tylko przepięć pochodzących z sieci elektroenergetycznej, ale również przepięć powstających w instalacji.

Rys. 6.34. Elementy i układy do tłumienia przepięć występujących w instalacji: a) rezystor nieliniowy (warystor), b) tłumik RC, c) tłumik RC z prostownikiem (C - kondensator

elektrolityczny, R, - rezystor rozładowczy)

Urządzenia tłumiące przepięcia mogą być wbudowywane w urządzenia lub dołączane w odpowiednich miejscach instalacji.

Przy urządzeniach elektronicznych, zasilanych z instalacji, a zasilających inne układy i urządzenia, należy się liczyć z koniecznością tłumienia przepięć zarówno na ich wejściu, jak i wyjściu.

Do tłumienia przepięć na wejściu bądź wyjściu urządzeń energoelektronicznych używa się rezystorów nieliniowych (warystorów) oraz tzw. tłumików RC czyli układów złożonych z rezystancji i pojemności, czasem też z diod. Strukturę tych układów ukazuje rys. 6.34.

Dobierając układ tłumiący przepięcia w instalacji zasilającej bądź obciążającej urządzenie energoelektroniczne, bierze się pod uwagę następujące parametry impulsów przepięciowych:

wartości szczytowe, stromości narastania, energię oraz częstości występowania. Uzyskanie tych danych jest szczególnie ważne w przypadku instalacji przemysłowych zasilających tzw. odbiory niespokojne (o gwałtownie zmieniającym się prądzie).