Утицај атмосферског пражњења на нисконапонску мрежу са сконцентрисаним потрошачима. Иван Јеремић

Transcript

1 Утицај атмосферског пражњења на нисконапонску мрежу са сконцентрисаним потрошачима Иван Јеремић Факултет техничких наука, Чачак Електротехничко и рачунарско инжењерство, индустријска електроенергетика, 2016/2017 адреса: Ментор рада: Момчило Вујичић Апстракт У оквиру овог мастер рада извршена је детаљна анализа атмосферског пражњења на нисконапонску мрежу са сконцентрисаним потрошачима и нисконапонску градску мрежу. За оба истраживања вршена су по три прорачуна, и то: прорачун за кабловску мрежу, надземну мрежу и мешовиту мрежу. Анализа је вршена са једним циљем, снимање карактеристике, вредности амплитуда, облика атмосферског пражњења који има велики утицај на кварове на водовима и потрошачима. Разуме се да када је извршена детањна нализа једног процеса, може се приступити отклањању узрока. Примењиване методе за смањење амплитуде атмосферског пренапона су коришћење одводника пренапона и других елемената. Кључне речи Атмосферски пренапон, програм АТР Draw, нисконапонска мрежа, одводник пренапона, анализа мерења 1 УВОД Електроенергетски систем чине производња, пренос, дистрибуција и потрошња електричне енергије. Овакав систем изложен је разним проблемима које треба решити или свести проблеме на минимум. Може се рећи да постоје две проблематике. Прва је, очување система без прекида и оштећења, а друга је обезбеђење потрошача од кварова изазваних на мрежи. Један од највећих проблема који се јавља у систему јесте атмосферско пражњење. Пројектовање, планирање и експлоатација електроенергетских система (ЕЕС) незамисливи су без сложених анализа електромагнетних и електромеханичких прелазних процеса. Научници су одавно заинтересовани за симулацију тих процеса. Најпре су мрежним анализаторима анализирани пренапони са циљем координације изолације. Због економског и техничког значаја координације изолације, одавно је почео развој метода за анализу атмосферских и склопних пренапона. Разлог томе, појавила су се софтверска решења која врше анализу оваквих појава, један од таквих софтверских пакета је Electromagnetic Transients Program (ЕМТP). Једна од група која је развијала своју варијанту ЕМТP програма је Канадско-Америчка ЕМТP корисничка група (Can/Am EMTP User Group). Ова група се определила за некомерцијалну варијанту, па су овај симулациони софтвер и пратећи материјали бесплатни. Назив те верзије ЕМТP програма је AlternativeTransientsProgram (АТP). Помоћу овог програма разматраће се атмосферски пренапони на два система. Први је мрежа ниског напона у индустријској зони, а други је градска мрежа која је сачињена од надземних и кабловских водова. 2 АТМОСФЕРСКО ПРАЖЊЕЊЕ Облаци из којих настају атмосферска пражњења највећи су и са најизраженијим струјањем ваздуха. Посматрањима је утврђено да су на многим географским локацијама такви облаци, кумулонимбуси, бар 2-3 km у делу атмосфере са температурама у којима настаје залеђивање капљица. Сударом водених капљица и ледених кристала у облаку долази до раздвајања наелектрисања на негативно наелектрисање, које се накупља у доњим слојевима облака, и позитивно наелектрисање, које иде у горње слојеве облака. Овакво раздвајање наелектисања облака могуће је искључиво ако у облаку постоји вода у сва три агрегатна стања: чврстом (ледени кристали), течном (водене капљице) и гасовитом (некондензована презасићена водена пара). Постоји једанаест услова настанка грмљавинске активности, овде ће бити поменути најзначајнији: Дебљина грмљавинског облака већа је од 3-4 km. Наелектрисање облака не може настати уколико облак није у области где су температуре такве да настаје смрзавање воде. Јако наелектрисани делови облака садрже ледене кристале и прехлађене водене капљице. Интензивно наелектрисање облака настаје када постоји јако вертикално струјање ваздуха. Настајање наелектрисања у облаку тесно је повезано са настанком падавина, највероватније у облаку ледених кристала. Положај центара наелектрисања одређен је температуром у облаку, а не висином изнад земље. Центар негативних наелетрисања налази се у области температура изнад -5 C и -25 C, док је центар главног позитивног наелетрисања неколико километара изнад. Сликовити опис стварања атмосферског пражњења приказан је на слици испод.

2 Сл. 1 Настанак и типови пражњења. За настајање скоковитог лидера потребно је да буду испуњени неки услови. Пражњење је иницирано интеракцијом водених капљица уколико су испуњена три услова. Први је да је електрично поље у простору од око 1m³ премашује око kv/m, што је услов за настајање стримера. Други услов је да постоји поље јаче од око 200 kv/m на дужини од око неколико метара, што је услов за настанак лидера. Трећи услов је да у већем делу облака постоји електрично поље од око 100 kv/m, што је услов за простирање лидера ка земљи. Скоковити лидер, како му само име каже, креће се према земљи у скоковима од око 50m. Затим се накратко зауставља, па наставља дуж једне или више путања. Средње време између скокова је s, а средња брзина скоковитог лидера је око ms. Укупно трајање је око 35 ms, а потенцијал на глави лидера је око 50MV. Типична температура канала скоковитог лидера је око Он није видљив голим оком а носи струју од 100 до 200А. Када се нађе на одређеној висини изнад земље у сустрет скоковитом лидеру креће узлазни, у овом случају, позитиван стример. Овај позитивни стример полази са највишљег објекта у околини, мада то не мора увек да буде случај. По састајању ова два наелектрисања долази до пражњења наелектрисања из облака у објекат. Најчешће се врши једно главно пражњење и више узастопних стујних удара кроз јонизован канал. Такође, врло је чест случај вишеструког атмосферског пражњења. 3 УОПШТЕНО О АТР-У ATP верзија програма ЕМТP заснована је на коришћењу три независна програма (стање године) за претпроцесор, процесор и постпроцесор. Као претпроцесор користи се програм АТPDraw. Процесор је програм Alternative Transients Program (ATP), а постпроцесор PlotXY. Верзије ових програма раде под Windows/NT оперативним системом, због чега се познавање Windows-a подразумева. АТP је програмски пакет за симулацију електромагнетних и електромеханичких прелазних процеса у електроенергетским системима. Помоћу њега се могу анализирати електричне мреже и системи аутоматског управљања произвољне структуре. Осим што има велике могућности моделовања прелазних процеса, садржи и неке веома корисне помоћне програме, који могу бити од користи инжењерима. Представља отворен систем јер се модели могу дефинисати и додавати, а нарочито је важан њен симулациони језик MODELS, којим се могу описивати произвољне компоненте и контролни системи, уз могућност повезивања са свим осталим деловима АТP-а. Велики је број елемената ЕЕС-а који се могу повезивати, а које подржава овај програм. 4 МОДЕЛОВААЊЕ И ОПИС ЕЛЕМЕНАТА У циљу јаснијег објашњења елемената система па и саме мреже, на слици 2 дата је једна мешовита мрежа која ће бити анализирана у даљем делу рада. 1-Извор 2-Трансформатор 3-Разделник 4-Прекидачи 5-Симулација грома 6- Одводник пренапона 7-Надземни вод 8-Кабловски вод 9-Потрошач 10-Волтметар 11-Амперметар

3 I Сл. 2 Моделовање месовите нисконапонске мреже са сконцентрисаним потрошачима. Моделовање атмосферског пражњења изведено је према Хајдлеровом моделу. Наиме, моделовање се врши идеалним Хајдлеровим струјним генератором у паралелној вези са омским отпорником. Омски отпорник моделује путању скоковитог лидера, односно отпорност канала кроз који се креће наелектрисање. Типичне вредности за отпорност су од 100 Ω до 500 Ω, а за потребе моделовања препорука је да се користи 400 Ω. Изглед формираног елемента за моделовање атмосферског пражњења дат је на слици 3. Овај елемент је једнофазног карактера. H Сл. 3 Изглед модела атмосферског пражњења. Типичне врености струје атмосферског пражњења, преузете из Малезијских истраживања, дате су на слици 4. Амплитуда струје пражњења [ka] Трајање чела и трајање зачеља [µs] 20 1/30,2 34,5 1/30,2 50 1,2/ /77,5 Сл.4 Типичне вредности стује атмосферског пражњења. Овако је описан један од елемената из шеме мреже, исто тако важи за сваки елемент који треба моделовати и дати његове карактеристике како би се извршило мерење. То овде неће бити представљено због обима излагања. Тако да ће се прећи на резултате мерења и добијање графика и разних табела. 5 РЕЗУЛТАТИ АНАЛИЗА На слици 2 приказана је мешовита мрежа са сконцентрисаним потрошачима. Оваква мрежа се може видети и индустријској зони где су снаге потрошача веома велике. На слици се види да постоје три гране са по два потрошача, од којих је први мање, а други веће снаге. Исто тако је у све три гране, разлика је у томе што су пресеци кабловских проводника различитог попречног пресека. Овако разматрање има смисла пошто се циља најнеповољнији случај на мрежи. У првој грани види се попречни пресек од 35 mm², у другој грани пресек од 25 mm² а у трећој пресек од 16 mm². Треба проверити да ли кабловски поводници могу да подрже ове снаге потрошача. На слици 5 дата је вредност пада напона у трећој грани, пошто је она најкритичнија за ову вредност потрошача. Пад напона анализиран је у тачки 2 на почетку, тачки 7 и у тачки 8 на крају вода.

4 Сл. 5 Пад напона на крају потрошача у тачки 8. Сл. 6 Облик пренапона у тачки 2 на почетку и тачки 8 на крају вода. Струја атмосферског пражњења је 20 ka и трајања чела и зачеља 1/30,2 s. На слици 6 приказани су прелазни процеси у најудаљенијој и најближој тачки мреже, наравно, у односу на место пражњења. Разлог за овакво испитивање јесте то што се прелазни процес разликује са удаљавањем од места квара, а то је врло битно јер прелазни процес итекако утиче на вредност пренапона у случају више узастопних пражњења. О утицају прелазног процеса на висину амплитуде пренапона биће речи нешто касније. Следеће разматрање почеће се са другачијим струјама атмосферског пражњења. Испитивање се врши стујом амплитуде 34,5 ka и трајања чела и зачеља 1/30,2 s. Као и струјом амплитуде 50 ka, трајања чела и зачеља 1,2/50 µs. На следећој слици представљени су резултати мерења за ова три случаја. Сл. 7 Табеларни приказ струја пренапона у различитим тачкама мерења.

5 Резултати мерења си вршени за сваки случај посебно, и то почевши од кабловске преко надземне па до мешовите мреже и на крају се врши поређење. Због обима слика и анализа није могуће све спаковати у Студијски и истраживачки рад, потребно је прочитати мастер рад и видети сваку ставку. 6 ЗАКЉУЧАК Нисконапонска мрежа је осетљива на атмосферске пренапоне јер поседује велики број потрошача који морају бити заштићени. Главница овог негативног утицаја може се избећи употребом одводника пренапона, у ову сврху најбоље су се показали металоксидни одводници пренапона, међутим, из испитивања која смо обавили кроз овај рад могли смо приметити да и поред употребе адекватних одводника пренапона напон на потрошачима је неколико пута (преко 5 пута) већи од нормалног напонског стања. У паралелном разматрању нисконапонске мреже са сконцентрисаним потрошачима и градске мреже у сва три могућа типа (кабловски, надземни и мешовити вод) види се да конфигурација мреже јако утиче на висину атмосферског пренапона. У овом раду доказано је да су већи пренапони у мрежи са сконцентрисаним потрошачима него у градској мрежи, у сватри типа. Ова тврдња се односи на мрежу са одводницима пренапона јер је то реалан случај. Треба поменути да се поред одводника пренапона за заштиту нисконапонске мреже користе уземљивачи који се постављају на сваких 200 m трасе извода. На овај начин ефикасно је решен проблем несиметричних таласа који се могу јавити у мрежи због различитих типова потрошача. Поменуте уземљиваче нисмо узимали у обзир у овом раду јер они не утичу директно на вредност пренапона атмосферског порекла које је и била тема овог рада. Главни закључак је да не постоји апсолутна застита од атмосферског пренапона. ЛИТЕРАТУРА [1] Саша Стојковић, Техника високог напона кординација изолације Технички факултет Чачак, 2011 [2] Саша Стојковић, Техника високог напона збирка решених задатака Технички факултет Чачак, 2008 [3] Милан Ћаловић, Андрија Сарић, Основи анализе електроенергетских мрежа и система,београд, 2004 [4] Сенка Бранковић, Електричне мреже и далеководи, Завод за уџбенике и наставна средства Београд 1999.године [5] Миомир Костић, Tеорија и пракса пројекотовања електричних инсталација, академска мисао Београд 2014.године [6] Момчило Вујичић, белешке са часа [7] Александр Ранковић, белешке са часа [8] Саша Стојковић, ATP, Чачак, 2013 [9] Релејна заштита у дистрибутивној трансформаторској станици Пожаревац 4 дипломски рад, Факултет техничких наука Чачак [10] [11] [12] [13] [14]

6 [15]