EFIKASNOST NA PRENAPONSKATA ZA[TITA VO OD 400 V

Transcript

1 ЧЕТВРТО СОВЕТУВАЊЕ Охрид, септември 2004 d-r Petar Vukelja, Jovan Mrvi}, Dejan Hrvi} Elektrotehni~ki institut Nikola Tesla, Beograd d-r Risto Minovski, Elektrotehni~ki fakultet, Skopje EFIKASNOST NA PRENAPONSKATA ZA[TITA VO OD 400 V Sodr`ina Vo trudot e razgledana za{titata na potro{uva~ite vo 400 V mre`a so odvodnici na prenaponi od atmosferski prenaponi. So pomo{ na eksperimentalni istra`uvawa i so presmetki e konstatirano deka najefikasna za{tita na potro{uva~ite e postavuvaweto na odvodnik na prenaponi vo merno razvodniot ormar vo zgradata. Opremata so osetlivi elektronski komponenti potrebno e posebno da se {titi so dopolnitelni za{titni uredi. Klu~ni zborovi: prenaponska za{tita, odvodnik na prenaponi. ABSTRACT This paper presents protection of the loads in 400 V power network with surge arresters of lighting overvoltages. With experiments and calculations it was found that the best protection for loads is positioning surge arresters at measuring-switching box in the building (substation). It is necessary to protect the equipment with sensitive electronic parts with extra protective devices. Keywords: Overvoltage protection, surge arrester. 1 VOVED Atmosferskite praznewa pome u oblacite i zemjata se mnogu opasni za opremata na elektroenergetskiot sistem pred se ako nastanuvaat vo elektroenergetskite objekti. Me utoa i praznewata vo neposredna blizina na elektroenergetskite objekti mo`at da bidat opasni za izolacijata na mre`ite od poniskite naponski nivoa, posebno za potro{uva~i koi se napojuvaat od nadzemnite mre`i so napon od 400 V, kako posledica na induciranite prenaponi. Prostiraj}i se po vozdu{nite vodovi upa aat vo ku}nite instalacii i mo`at da predizvikat o{tetuvawe na priklu~enite potro{uva~i. Ne doveduvaat do tolku razorni o{tetuvawa koi bi se javile pri direktnite atmosferski praznewa vo nadzemnite vodovi ili stolbovi. Mnogu e po~esta pojavata na inducirani prenaponi na nadzemnite vodovi odkolku prenaponi kako posledica na direktni atmosferski praznewa. Vo trudov vo kratki crti se razgledani prenaponite kako posledica na atmosferski praznewa i se razgleduvani za{titite na potro{uva~ite od niv so odvodnici na prenaponi od 400 V. 2 PRENAPONI KAKO POSLEDICA NA ATMOSFERSKI PRENAPONI Atmosferskoto praznewe (udar na molwa) naj~esto e pove}estruko. Strujata na molwata ima pove}e komponenti koi sledat edna po druga. Prvata e so najgolema energija i C4-06 1/7

2 C4-06 2/7 amplituda, me utoa so pomala strmnina od onie koi sledat zad nejze. Eksperimentalnite istra`uvawa na struite na atmosferskite praznewa poka`uvaat deka tie mo`at da dostignat amplitudi i nad 200 ka. Vo prosek amplitudata na prvata komponenta na strujata na molwata e okolu 30 ka. Pri direktno atmosfersko praznewe na vodovite od 400 V nastanuvaat mnogu visoki prenaponi, so razorni praznewa pome u faznite sprovodnici i pome u faznite sprovodnici i zemjata i pogolemi havarii vo mestoto na praznewe. Pritoa po nadzemnite vodovi se prostiraat visoki prenaponi, upa aat vo ku}ite koi se nao aat vo blizina, pa duri i podaleku od mestoto na praznewe. Induciranite prenaponi nemaat golema energija. Tie se od bipolaren karakter. Obi~no dostignuvaat svoj maksimum okolu 1 µs i imaat traewe od redot µs. Nivnata veli~ina zavisi od rastojanieto na nadzemniot vod od mestoto na atmosferskoto praznewe, kako i od strmninata i amplitudata na strujata na atmosferskoto praznewe. So zgolemuvawe na strmninata nivniot porast e prakti~ki linearen, dodeka so zgolemuvaweto na amplitudata rastat se posporo za da posle nekoja vrednost ostanuvaat na ista viso~ina. Pri bliski atmosferski praznewa na nadzemnite vodovi mo`at da se o~ekuvaat prenaponi od nekolku desetini kv. 3 ZA[TITA NA POTRO[UVA^ITE OD PRENAPONI VO MRE@ATA SO NAPON 400 V Direktnite atmosferski praznewa na nadzemnite vodovi od napon 400 V ili praznewa vo nivnata blizina mo`at da dovedat do o{tetuvawe na potro{uva~ot. Sprema postojnite pravilnici i preporaki vo niskonaponskata mre`a za za{tita od prenaponi se postavuvaat odvodnici na prenaponi samo po potreba: na mestoto na granewe na vodovite, na kraevite na podolgite delnici, na ku}nite priklu~oci, na spoevite na kabelskiot i nadzemniot vod. Moraat samo da se postavat na priklu~ocite na nadzemnite vodovi kaj osamenite ku}i vo podra~jeto so izokerauni~ko nivo nad Za{tita na potro{uva~ite so odvodnici na prenaponi na stolbot na nadzemniot vod od napon 400 V Odvodnicite na prenaponi se postavuvaat na stolbot na nadzemniot vod so napon 400 V od koj sprovodnicite po nadzemen ili podzemen pat se doveduvaat do merniot razvoden ormar vo zgradata na potro{uva~ot. Vo mre`ata so TT napoen sistem (nultiot sprovodnik e zazemjen samo kaj transformatorot) odvodnicite na prenaponi se vrzuvaat pome u sekoj sprovodnik (tri fazni sprovodnici i nultiot sprovodnik) i zazemjuva~kiot sprovodnik zemjovod postaven vdol` stolbot i povrzan so zazemjuva~. Odvodnicite na prenaponi vo mre`ata so TN C sistem na napojuvawe (nultiot sprovodnik e zazemjen na pove}e mesta vdol` vodot i kaj potro{uva~ite) se povrzuvaat pome u faznite i nultiot sprovodnik koj e zazemjen na stolbot. Efikasnosta na za{titata na potro{uva~ot so odvodnici na prenaponi na stolbot e razgledana eksperimentalno i presmetkovno [1,2]. Za presmetki se koristi programot EMTP ATP. Kako za{tita od prenaponi se koristeni odvodnici na prenaponi od doma{en proizoditel koi se so sli~ni karakteristiki so odvodnicite na prenaponi od stransko proizvodstvo. Vo istra`uvaweto se koristat dva vida na odvodnici na prenaponi, edni so otpornik so nelinearna otpornost i iskri{te i drugi metaloksidni bez iskri{ta, obata so nominalni naponi 500 V. Nivnite U I karakteristiki, kako i maksimalnite naponi na reagirawe za odvodnici na prenaponi so otpornik so nelinearna otpornost i iskri{te, se dadeni vo tabelata 1.

3 C4-06 3/7 Tabela 1. U-I karakteristiki i maksimalni naponi na reagirawe na odvodnicite na prenaponi Maks. napon na reagirawe Odvodnik na prenaponi U- I karakteristika Odvodnik na prenaponi so nelinearna U, V otpornost i iskri- {te I, ka 2, Metaloksidni U, V odvodnik na prenaponi bez iskri{te I, ka ,2/50 Na ~elo strmnina 10 kv/µs Eksperimentalni istra`uvawa Eksperimentalnite istra`uvawa se izvr{eni vo laboratorijata za visok napon. Od generatorot na impulsni naponi se doveduvaat impulsi so oblik 1,3/50 µs/µs i 0,5/50 µs/µs na eden od priklu~ocite na odvodnikot na prenaponi. Vtoriot priklu~ok na odvodnikot na prenaponi e vrzan preku zemjovodot so zazemjuvaweto na laboratorijata. Naponite, koi se pojavile pome u gorniot priklu~ok na odvodnikot na prenaponi i priklu~okot na zazemjuva~ot na laboratorijata za visok napon se snimani so digitalen osciloskop koristej}i kapacitiven naponski meren sistem. Istra`uvawata se izvr{eni za pove}e razli~ni dol`ini na zemjovodot na odvodnikot na prenaponi. I pokraj toa {to odvodnicite na prenaponi gi ograni~uvaat visokite impulsni naponi koi se injektirani od generatorot na impulsni naponi, pome u nivniot goren priklu~ok i priklu~okot na zazemjuva~ot na laboratorijata mo`at da se pojavat zna~itelni prenaponi. Nivnata amplituda zna~itelno raste so zgolemuvawe na strmninata na impulsnite naponi na generatorot i so zgolemuvawe na dol`inata na zemjovodot na odvodnikot na prenaponi. Kako primer, za impulsniot napon so oblik 0,5/50 µs/µs i amplitudi od redot na 20 kv, koj e injektiran od generatorot za impulsni naponi, naponot pome u gorniot priklu~ok na metaloksidniot odvodnik na prenaponi bez iskri{ta i priklu~okot na zazemjuva~ot na visokonaponskata laboratorija U od,z (zemjovodot na odvodnikot na prenaponi e so dol`ina 9 m) e od redot na 7 kv, a naponot na samiot odvodnik U od (vkupna dol`ina na vrskite od ednata i drugata strana na odvodnikot na prenaponi e 0,5 m) e od redot na 2 kv. Nema bitna razlika vo efikasnosta na ograni~uvaweto na impulsnite naponi pome u metaloksidniot odvodnik na prenaponi bez iskri{ta i odvodnikot na prenaponi so otpornik so nelinearna otpornost i iskri{te koga impulsnite naponi se visoki (nekolku desetici kv i povisoki). Za poniski impulsni naponi poefikasno ograni~uvawe se postignuva so metaloksidni odvodnici na prenaponi bez iskri{ta. Na sl. 1, 2, 3 i 4 kako primer, dadeni se naponskite branovi so oblik 1,3/50 i 0,5/50 µs/µs koi se injektirani od generator na impulsni naponi i naponi koi pritoa se pojavuvaat pome u gorniot priklu~ok na metaloksidniot odvodnik na prenaponi bez iskri{ta i priklu~okot na zazemjuva~ot na laboratorijata koga zemjovodot na odvodnikot na prenaponi e so dol`ina 1 m i 9 m.

4 C4-06 4/7 Sl.1. Naponski bran U G so oblik 1,3/50 µs/µs injektiran od generatorot na impulsni naponi i naponot U od,z koj pritoa se pojavuva pome u gorniot priklu~ok na metaloksidniot odvodnik na prenaponi i priklu~okot na zazemjuva~ot na laboratorijata koga e zemjovodot na odvodnikot so dol`ina 1 m Sl 2. Naponski bran na U G so oblik 0,5/50 µs/µs injektiran od generatorot na impulsni naponi i naponot U od,z koj pritoa se pojavuva pome u gorniot priklu~ok na metaloksidniot odvodnik na prenaponi i priklu~okot na zazemjuva~ot na laboratorijata koga e zemjovodot na odvodnikot so dol`ina 1 m Sl. 3. Naponski bran na U G so oblik 1,3/50 µs/µs injektiran od generatorot na impulsni naponi i naponot U od,z koj pritoa se pojavuva pome u gorniot priklu~ok na metaloksidniot odvodnik na prenaponi i priklu~okot na zazemjuva~ot na laboratorijata koga e zemjovodot na odvodnikot so dol`ina 9 m

5 C4-06 5/7 Sl. 4. Naponski bran na U G so oblik 0,5/50 µs/µs injektiran od generatorot na impulsni naponi i naponot U od,z koj pritoa se pojavuva pome u gorniot priklu~ok na metaloksidniot odvodnik na prenaponi i priklu~okot na zazemjuva~ot na laboratorijata koga e zemjovodot na odvodnikot so dol`ina 9 m So cel da se utvrdi efikasnosta na za{titata na potro{uva~ite od atmosferski prenaponi so odvodnici na prenaponi na stolbot izvr{eni se slednite presmetki na prenaponite: - pri upa awe na naponskite branovi po vodot 400 V, - pri injektirawe na impulsnite strui na vodot 400 V. Presmetkite se izvr{eni za naponski i strujni branovi so razli~ni amplitudi i strmnini. Podatocite za U I karakteristikata na odvodnicite na prenaponi se zemeni od tabela 1. Vodovite, zemjovodovite i vrskite na odvodnikot na prenaponi so sprovodnicite na vodot i zemjovodot se predstaveni preku karakteristi~ni impedansi i dol`ini. Otpornosta na zazemjuva~ot na stolbot e varirana od 1 Ω do 100 Ω, a dol`inata na zemjovodot iznesuvala 8 m. So presmetki e utvrdeno da naponite pome u gorniot priklu~ok na odvodnikot na prenaponi i priklu~okot na zazemjuva~ot na stolbot U od,z (napon na odvodnikot na prenaponi + napon na zemjovodot) i naponot pome u gorniot priklu~ok na odvodnikot na prenaponi i referentnata zemja U rz (napon na odvodnikot na prenaponi + naponot na zemjovodot + naponot na zazemjuva~ot na stolbot) mo`at da bidat mnogu visoki. Rastat so zgolemuvawe na amplitudata i strmninata na strujnite i naponskite branovi. Naponite U rz rastat i so zgolemuvaweto na otpornosta na zazemjuva~ot na stolbot. Na primer za naponskite branovi od oblik 1/10 µs/µs i amplituda od redot na 50 kv, koga otpornosta na zazemjuva~ot na stolbot e 10 Ω, naponite U od,z i U rz se pribli`no isti po viso~ina i iznesuvaat okolu 10 kv, a za strujnite branovi so amplituda 10 ka i strmnina 10 ka/µs se U od,z okolu 20 kv i U rz okolu 110 kv. Vo TT sistemot za napojuvawe naponite pome u sprovodnikot vo merno razvodniot ormar i zazemjuva~ot na objektot (ku}a) malku se razlikuvaat po amplituda od naponot U rz koga zazemjuva~ot na stolbot ne e povrzan so zazemjuva~ot na objektot; koga ovie zazemjuva~i se povrzani toga{ naponite se bliski po amplituda na naponot U od,z. Vo TN C sistemot na napojuvawe naponite pome u faznite sprovodnici i nultiot sprovodnik vo merno razvodniot ormar se ne{to povisoki od naponite koi se pojavuvaat na priklu~ocite na odvodnicite na prenaponi na stolbot. Samo pri direktnite atmosferski praznewa vo sprovodnicite na vodot vo blizina na stolbot mo`at da se o~ekuvaat povisoki prenaponi pome u faznite i nultiot sprovodnik vo merno-razvodniot ormar na zgradata. Retko preminuvaat 2,5 kv, koga e za{titata so metaloksidni odvodnici bez iskri{ta i 4 kv, koga na stolbot ima odvodnici na prenaponi so iskri{te. 3.2 Za{tita na potro{uva~ite so odvodnici na prenaponi vo merno-razvodniot ormar Izvr{eni se presmetki na prenaponite na uredite koi se priklu~eni na ku}nata instalacija koga odvodnicite na prenaponi se postaveni vo merno-razvodniot ormar na

6 C4-06 6/7 potro{uva~ite, kako posledica na upa awe na strujnite i naponskite branovi na vodot 400 V [1]. Uredite se predstaveni so kondenzatori od 0,5 do 1 nf, a odvodnicite na prenaponi preku svoite U I karakteristiki dadeni vo tabelata 1. Vrskite na odvodnicite na prenaponi so nultiot i faznite sprovodnici, kako i so zazemjuva~ot na objektot i sprovodnicite na ku}nite instalacii se prika`uvaat so karakteristi~ni impedansi i dol`ini. Prenaponite koi se pojavuvaat vo ku}nata instalacija prakti~no ne nadminuva naponi definirani so U-I karakteristikata za metaloksidni odvodnici na prenaponi bez iskri{ta, a za odvodnicite na prenaponi so iskri{te ne gi nadminuvaat naponite koi se definirani so U-I karakteristikata, odnosno nivnite naponi na reagirawe. Ovo e pod uslov koga dol`inite na vrskite na odvodnicite na prenaponi so sprovodnicite i zazemjuva~ot na objektot prakti~no se ednakvi na nula. So zgolemuvawe na dol`inata na ovie vrski se zgolemuvaat i amplitudite na prenaponite vo ku}nata instalacija. Za{titata so metaloksidnite odvodnici na prenaponi bez iskri{ta e popogodna od za{titata so odvodnici na prenaponi so iskri{te. Malku e verojatno da se pojavat pogolemi prenaponi vo ku}na instalacija od 2 kv koga e za{titena so metaloksidni odvodnici na prenaponi bez iskri{ta i pogolem od 3,5 kv koga e za{titena so odvodnici so iskri{te. 4 ANALIZA NA REZULTATITE OD ISTRA@UVAWATA So presmetki i eksperimentalni istra`uvawa se simulirani direktnite atmosferski praznewa i pojavite na induciranite prenaponi na 400 V vodovi. Odvodnicite na prenaponi na stolbot gi ograni~uvaat prenaponite koi se pojavuvaat na vodot vo soglasnost so svoite karakteristiki. Me utoa, efikasnosta na nivnoto dejstvuvawe vrz TT sistemot na napojuvawe ne e golema bidej}i vo merno razvodniot ormar na zgradite mo`at da se pojavat zna~itelni prenaponi. Vo pogolem broj slu~ai, zemji{teto vo koe se nao aat temelite i zazemjuva~ot na zgradata e na dovolno rastojanie od stolbot so odvodnici na prenaponi taka {to predstavuva referentna zemja pri odveduvawe na struite na atmosferskoto praznewe so odvodnici na prenaponi. Faznite i nultite sprovodnici vo zgradata sprema nejziniot zazemjuva~ dobivaat napon U rz. Ovoj napon e mnogu visok pri direktni atmosferski praznewa vo 400 V vod vo blizina na stolbot so odvodnici na prenaponi. Induciranite prenaponi ne doveduvaat do taka visok napon, me utoa dovolen, koga e golema otpornosta na zazemjuva~ot na stolbot, za da mo`e da ja zagrozi izolacijata na instalacijata vo zgradata. So povrzuvawe na zazemjuva~ot na zgradata i zazemjuva~ot na stolbot, ako rastojanieto na zgradata i stolbot ne e golemo, zna~ajno se namaluvaat prenaponite koi se pojavuvaat vo instalacijata na zgradata, me utoa ne i dovolno za da odvodnicite na prenaponi na stolbot predstavuvaat edinstvena prenaponska za{tita. Pravoto re{enie e postavuvawe na odvodnici na prenaponi vo merno razvodniot ormar vo zgradata. Efikasnosta na odvodnikot na prenaponi na stolbot vo TN-C napoen sistem e zna~itelno pogolema, posebno ako se toa metaloksidni odvodnici na prenaponi bez iskri{ta so U-I karakteristiki sli~ni na onie dadeni vo tabela 1. Mo`e da se smeta deka e zadovolitelna vo slu~aj na naiduvawe po vodot na inducirani prenaponi. Koga se raboti za direktni atmosferski praznewa na vod efikasnosta e namalena i zatoa od toj aspekt zna~itelno e popovolna za{tita so odvodnici na prenaponi vo merno razvodniot ormar na zgradata. Prenaponite koi se pojavuvaat vo instalacijata na zgradata vo TT i TN-C sistemi na napojuvawe, iako se ograni~eni so odvodnici na prenapon vo merno razvodniot ormar, mo`at da gi o{tetat uredite so elektronski komponenti. Takvi uredi treba posebno da se {titat so dopolnitelni za{titni uredi kako {to se: varistori, prenaponski diodi i sli~no. 5 ZAKLU^OCI Vrz osnova na istra`uvawata na za{titata na potro{uva~ite vo 400 V mre`a od atmosferski prenaponi so odvodnici na prenaponi mo`e da se zaklu~i slednoto:

7 C4-06 7/7 o o o Odvodnicite na prenaponi na stolbot ne se zadovolitelna za{tita za potro{uva~ite od atmosferski prenaponi vo TT sistemot na napojuvawe; efikasna za{tita se postignuva so nivno priklu~uvawe pome u faznite sprovodnici i zazemjuva~ot i pome u nultiot sprovodnik i zazemjuva~ot vo merno razvodniot ormar na zgradata; Vo TN-C sistemot na napojuvawe poefikasna za{tita se postignuva so priklu~uvawe na odvodnikot na prenaponi pome u faznite sprovodnici i zazemjuva~ot vo merno razvodniot ormar na zgradata, odkolku so nivnoto priklu~uvawe pome u faznite sprovodnici i nultiot sprovodnik na prviot stolb do zgradata; Vo obata sistemi na napojuvawe TT i TN-C uredite so elektronski komponenti potrebno e da se {titat od prenaponi so dopolnitelni za{titni uredi. LITERATURA [1] P. Vukelja, M. Savi} i drugi: Prenaponska za{tita elektrodistributivnih mre`a, Studija br , Elektrotehni~ki institut N. Tesla, Beograd, 2000 god., str [2] P. Vukelja, J. Mrvi}, D. Hrvi}: Za{tita potro{a~a od atmosferskih prenapona odvodnicima prenapona na stubu, JUKO CIRED, Tre}e jugoslovensko savetovawe o elektrodistributivnim mre`ama. Vrwa~ka Bawa oktobar 2002.