ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ

Transcript

1 Σ.Τ.Ε.Φ. - Τμήμα Ηλεκτρολογίας ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Επ. Συνεργάτης Θ. Α. Παπαδόπουλος thpapa@teikoz.gr 1

2 Ενότητα 2: Υπερτάσεις στα ΣΗΕ Δομή της ενότητας: Ο μηχανισμός του κεραυνού Εξωτερικές υπερτάσεις Εσωτερικές υπερτάσεις Μεταβατικά φαινόμενα Οδεύοντα κύματα 2

3 Μεταβατικά Φαινόμενα (ΜΦ) /1 Κεραυνικές υπερτάσεις (Lightning overvoltages) Άμεσο πλήγμα / Έμεσο πλήγμα backflashover Επαγώμενες τάσεις Διακοπτικά μεταβατικά (switching transients) Ενεργοποίηση ΓΜ Διακοπτικοί χειρισμοί Ferroresonance Σφάλματα Βραχυκυκλώματα Μεταβατική ευστάθεια Πολύ γρήγορα μεταβατικά σε GIS Διακοπτικοί χειρισμοί Σφάλματα 3

4 Μεταβατικά Φαινόμενα (ΜΦ) /2 Γιατί όμως να μας ενδιαφέρει τόσο πολύ ένα τόσο σύντομο φαινόμενο? Τα μεταβατικά φαινόμενα (ΜΦ), παρά τη μικρή τους διάρκεια, δημιουργούν ισχυρότατες καταπονήσεις στον εξοπλισμό και τα συστήματα προστασίας εξαιτίας των υπερτάσεων και των υπερεντάσεων που αναπτύσσονται. Οι υπερτάσεις καταπονούν τα συστήματα προστασίας και τις μονώσεις του εξοπλισμού. Εμφανίζονται ανάμεσα σε φάση και γη ή ανάμεσα σε φάσεις. Προφανώς οι μέγιστες (peak) τιμές προκαλούν τη μέγιστη καταπόνηση. Τα υπερρεύματα προκαλούν θερμικές και μηχανικές καταπονήσεις στον εξοπλισμό. Η κατηγοριοποίησή τους είναι ανάλογη των υπερτάσεων. Οι θερμικές καταπονήσεις σχετίζονται με την rms τιμή και τη διάρκεια ενώ οι μηχανικές καταπονήσεις που προκαλούν σχετίζονται με τις μέγιστες τιμές 4

5 Κατηγοριοποίηση ΜΦ με βάση τη συχνότητα /1 5

6 Κατηγοριοποίηση ΜΦ με βάση τη συχνότητα /2 Συχνότητες-Διεργασίες Προέλευση Ενεργοποίηση ΜΣ, συντονισμός πυρήνα Απόρριψη φορτίου Βραχυκυκλώματα Ενεργοποίηση ΓΜ Σφάλματα κοντής ΓΜ Πολλαπλή επανάφλεξη διακόπτη Κεραυνικά φαινόμενα, σφάλματα ΥΣ Αποζεύξεις και σφάλματα GIS Τυπικές Συχνότητες 0,1 Ηz - 1 khz 0,1 Hz - μερικά (<10) khz 50 Hz - 20 khz 50 Hz δεκάδες khz 50 Hz 100 khz 10 khz εκατοντάδες khz 10 khz 1 MHz 100 khz δεκάδες MHz 6

7 Κατηγοριοποίηση ΜΦ με βάση τη συχνότητα /3 Κατά CIGRE Χαμηλής συχνότητας Διαρκείς (continuous) Παροδικές (temporary) Μεταβατικά Αργού μετώπου (50 Ηz- 20kHz). Διακοπτικές υπερτάσεις. Γρήγορου μετώπου (10 kηz 3 MHz). Ατμοσφαιρικές υπερτάσεις. Πολύ γρήγορου μετώπου (100 kηz 50 MHz). Υπερτάσεις σε GIS. 7

8 Υπερτάσεις /1 Ειδικότερα οι υπερτάσεις διακρίνονται ανάλογα με την προέλευση σε: Εσωτερικές Διαρκείς και Παροδικές με διάρκεια (10 ms - minutes) Χειρισμών (1 μs 1ms) Ατμοσφαιρικές ή εξωτερικές Εκκένωση νέφους γης (ns - μs) 8

9 Υπερτάσεις /2 Κατηγοριοποίηση και προέλευση των υπερτάσεων 9

10 Εσωτερικές υπερτάσεις /1 Οι Εσωτερικές υπερτάσεις διακρίνονται σε: Διαρκείς και παροδικές υπερτάσεις Υπερτάσεις χειρισμών (Σχήμα) 10

11 Εσωτερικές υπερτάσεις /2 Διαρκείς και Παροδικές υπερτάσεις (10 ms - minutes) Απόρριψη φορτίου: απότομη απενεργοποίηση μεγάλου φορτίου. Επιτάχυνση γεννητριών & ανύψωση τάσης Φαινόμενο Ferranti: Ανύψωση τάσης στο τέλος αφόρτιστης ΓΜ Βραχυκυκλώματα Κορεσμός μαγνητικών κυκλωμάτων (ferroresonance & inrush currents) 11

12 Εσωτερικές υπερτάσεις /3 Α) Βραχυκυκλώματα Β) inrush currents 12

13 Εσωτερικές υπερτάσεις /4 Υπερτάσεις χειρισμών (1 μs 1ms) 1. Ενεργοποίηση ΓΜ σε ανοιχτό άκρο, σε ΜΣ αφόρτιστο (ηλέκτριση ΜΣ) 2. Επανεργοποίηση ΓΜ (trapped charge) 3. Απόρριψη φορτίου 4. Έναρξη και παύση λειτουργίας εξοπλισμού (όλες γενικά οι διακοπτικές λειτουργίες, π.χ. Χειρισμοί πυκνωτών και επαγωγών) 5. Εμφάνιση και εκκαθάριση σφαλμάτων 6. Εκκίνηση μηχανών 7. Ηλεκτρονικά ισχύος 13

14 Ατμοσφαιρικές ή εξωτερικές υπερτάσεις /1 14

15 Ατμοσφαιρικές ή εξωτερικές υπερτάσεις /2 15

16 Ατμοσφαιρικές ή εξωτερικές υπερτάσεις /3 Κεραυνός Παροδική και υψηλή ηλεκτρική εκκένωση. Μεγάλου μήκους σπινθήρας (άνω του 1 km) Δημιουργείται από μεγάλη ηλεκτρική φόρτιση στην ατμόσφαιρα τέτοια ώστε να προκαλέσει ηλεκτρική διάσπαση του αέρα Εμφανίζεται σε: Καταιγίδες Χιονοθύελλες Νέφη πάνω από ηφαίστεια Καθαρό ουρανό 16

17 Ατμοσφαιρικές ή εξωτερικές υπερτάσεις /4 Προϋποθέσεις δημιουργίας καταιγίδας: Ανοδικά ρεύματα: θέρμανση εδάφους ζεστός αέρα Υγρασία: εξάτμιση νερού ψύξη στα υψηλότερα στρώματα Χαρακτηριστικά νέφους: Τυπικό ύψος: 8-10 km Υπάρχουν ηλ. φορτία και των δύο προσήμων σε ίσες ποσότητες σε διαφορετικές περιοχές Η ταξινόμηση των φορτίων διαρκώς μεταβάλλεται 17

18 Ατμοσφαιρικές ή εξωτερικές υπερτάσεις /5 Μηχανισμοί ηλέκτρισης νέφους καταιγίδας: Φόρτιση σταγονιδίων του νέφους, μόλις αρχίσει η πτώση τους προς τη γη Μεταφορά φορτίων σε ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας με ανοδικά ρεύματα Στατιστικά: ατμοσφαιρικές εκκενώσεις το sec παγκοσμίως Κάθε sec 2000 ενεργές καταιγίδες παγκοσμίως Πυκνότητα: 6 κεραυνικά πλήγματα ανά τετραγωνικό km 18

19 Ατμοσφαιρικές ή εξωτερικές υπερτάσεις /6 Κατάταξη νεφών καταιγίδας που προκαλούν κεραυνικές εκκενώσεις 19

20 Ατμοσφαιρικές ή εξωτερικές υπερτάσεις /7 Χάρτης κεραυνικού επιπέδου Κεραυνική στάθμη: πλήθος ημερών καταιγίδας Ισοκεραυνική καμπύλη: γεωμετρικός τόπος σημείων με την ίδια κεραυνική στάθμη 20

21 Ατμοσφαιρικές ή εξωτερικές υπερτάσεις /8 Χάρτης κεραυνικών επιπέδων Ελλάδας 21

22 Ατμοσφαιρικές ή εξωτερικές υπερτάσεις /9 Γενική κατηγοριοποίηση κεραυνικών φαινομένων (a) Εντός του ίδιου νέφους: Α (b) Εκκένωση στον αέρα (c) Μεταξύ των νεφών: Ύψος: 1-12 km, Μήκος: 40 km (d) Νέφους γης: Το πεδίο παίρνει τιμή μεγαλύτερη από την κρίσιμη (i) - (iv) 22

23 Ατμοσφαιρικές ή εξωτερικές υπερτάσεις /10 Στάδια κεραυνικής εκκένωσης a) Προεκκένωση: τα μόρια του αέρα ιονίζονται και δημιουργείται ο κατερχόμενος οδηγός οχετός προεκκένωσης (leader) καθώς και διακλαδώσεις αυτού. b) Εκκένωση αντίθετης φοράς: δημιουργία μερικών στεμματοειδών εκκενώσεων στη γη καθώς και ανερχόμενης εκκένωσης που θα συναντήσει τον κατερχόμενο οδηγό οχετό. c) Κύρια εκκένωση: πλήρης αγώγιμη σύνδεση μεταξύ νέφους και γης. Προς εξουδετέρωση του φορτίου του νέφους, μετακινούνται από τη γη φορτία προς αυτό. Ενδεχομένως ακολουθούν: πολλαπλές εκκενώσεις με δικό τους οχετό (σκοτεινός) και οχετό επιστροφής 23

24 Ατμοσφαιρικές ή εξωτερικές υπερτάσεις /11 Κατηγοριοποίηση κεραυνικών φαινομένων Νέφους - γης Φορά διακλαδώσεων: (a) (c): Κατερχόμενοι (b) (d): Ανερχόμενοι (ψηλά κτίρια) Φόρτιση Leader: (a) (d): Αρνητική - 90% (b) (c): Θετική 10 % (Χειμερινοί μήνες, υψηλές τιμές μεγίστου ρεύματος και διάρκειας 24

25 Ατμοσφαιρικές ή εξωτερικές υπερτάσεις /12 Μηχανισμός αρνητικά φορτισμένου κεραυνού νέφους-γης 1/3 Stepped Leader (Βηματικός λήντερ): Όχι πολύ φωτεινός leader Στην άκρη του εκκενώσεις κορώνα Μήκος βήματος: 50 m Ταχύτητα: m/μs pilot streamer: που προηγείται του stepped leader Ρεύμα: Ταξης εκατοντάδων A 25

26 Ατμοσφαιρικές ή εξωτερικές υπερτάσεις /13 Μηχανισμός αρνητικά φορτισμένου κεραυνού νέφους-γης 2/3 First return stroke (οχετός επιστροφής): Απόσταση σμίξης: 20 m 150 m Ταχύτητα: m/μs Έντονο flash Λάμπρυνση καναλιού Ρεύμα: Τάξης δεκάδων ka 26

27 Ατμοσφαιρικές ή εξωτερικές υπερτάσεις /14 Μηχανισμός αρνητικά φορτισμένου κεραυνού νέφους-γης 3/3 Πολλαπλές διαδοχικές εκκενώσεις Dart leader (βελοειδής ή συνεχής λήντερ): Return strokes: Ταχύτητα: μεγαλύτερη του stepped leader Μέχρι 27 Δεν γίνεται σε βήματα 27

28 Ατμοσφαιρικές ή εξωτερικές υπερτάσεις /15 Κυματομορφές πολλαπλών κεραυνικών πλήγμάτων 28

29 Ατμοσφαιρικές ή εξωτερικές υπερτάσεις /16 Παράμετροι κεραυνικής εκκένωσης Μέγιστη τιμή ρεύματος: προκαλεί την υπερπήδηση μονωτήρων και καταστροφή του μονωτικού υλικού Μέγιστη κλίση μετώπου ρεύματος: καθορίζει τις επαγόμενες τάσεις σε γειτονικά κυκλώματα και διατάξεις Μεταφερόμενο φορτίο: ευθύνεται για την τοπική τήξη και τη διάτρηση μεταλικών επιφανειών μικρού πάχους Ολοκλήρωμα τετραγώνου ρεύματος: εκφράζει τα θερμικά φαινόμενα που προκαλλούνται (τήξη μετάλλων, έναυση εύφλεκτων ατμών ή αερίων) 29

30 Ατμοσφαιρικές ή εξωτερικές υπερτάσεις /17 Κεραυνική υπέρταση Προσβολή αγωγού προστασίας (direct strike) για ρεύμα κεραυνού πάνω από συγκεκριμένο όριο έντασης Απευθείας πλήξη αγωγού φάσης (shielding failure) για ρεύμα κεραυνού κάτω από το όριο έντασης Επαγόμενες κεραυνικές υπερτάσεις (induced overvotlages) Ανάστροφη διάσπαση (backflashover) Απευθείας προσβολή πύργου ή αγωγού προστασίας backflashover με τον αγωγό φάσης μέσω του μονωτήρα Προσβολή αγωγού προστασίας στο μέσο της γραμμής backflashover με τον αγωγό φάσης μέσω του αέρα Προσβολή αγωγού φάσης flashover μέσω του μονωτήρα ανύψωση δυναμικού πύργου backflashover μέσω του μονωτήρα 30

31 Ατμοσφαιρικές ή εξωτερικές υπερτάσεις /18 backflashover 31

32 Ατμοσφαιρικές ή εξωτερικές υπερτάσεις /19 Συνέπειες κεραυνικών πληγμάτων Θερμικές συνέπειες: φαινόμενο Joule. Αύξηση θερμοκρασίας και τήξη (λιώσιμο) ή εξάτμιση υγρασίας, με αποτέλεσμα τη βίαιη διαστολή του παραγόμενου ατμού Μηχανικές συνέπειες: ανάπτυξη δυνάμεων Laplace. Ειδικά στα σημεία εκείνα που σχηματίζεται ορθή γωνία Ηλεκτρικές συνέπειες: δημιουργία ηλεκτρικού τόξου υπερπήδηση. Ανάπτυξη επαγόμενων τάσεων. Βηματικές τάσεις (κατά τη διάρκεια καταιγίδας πόδια ενωμένα) Συνέπειες στον άνθρωπο: με απευθείας πλήγμα (σπάνιο) ή ανάπτυξη βηματικών τάσεων. Κατά τη διάρκεια καταιγίδας: μακρυά από δέντρα (ηλεκτρικό τόξο), όχι όρθιος (προσέλκυση κεραυνών), πόδια κλειστά (βηματικές τάσεις) 32

33 Τυποποιημένες κρουστικές τάσεις /1 Οι διπλεκθετικές κρουστικές τάσεις χρησιμοποιούνται για δοκιμές στο εργαστήριο έναντι των εξωτερικών και των εσωτερικών υπερτάσεων. Για τον έλεγχο της μονώσεως έναντι κεραυνών έχει τυποποιηθεί η κρουστική τάση LI (1.2/50 μs). Για τον έλεγχο έναντι υπερτάσεων χειρισμών δεν υπάρχει τυποποιημένη μορφή. Συνήθως χρησιμοποιείται η SI (250/2500 μs). LI t 20μs, SI t 20μs f f 33

34 Τυποποιημένες κρουστικές τάσεις /2 Switching Impulse (SI) T p : Χρόνος για μέγιστη τιμή τάσης T d : Χρόνος υπέρ το 90 % T 2 : Μέγιστη τιμή μείωση κατά 50 % (χρόνος ημίσεως εύρους) Τυπική εργ. SI: T p /T 2 250/2500 μs μέτωπο ουρά 34

35 Τυποποιημένες κρουστικές τάσεις /3 Lightning Impulse (LI) T 1 : Χρόνος μετώπου T 2 : Μέγιστη τιμή μειώνεται κατά 50 % (χρόνος ημίσεως εύρους) Τυπική εργ. LI: T 1 /T 2 1.2/50 μs, 1.2 (±30%), 50 (±20%) T = t 90 -t 30 T 1 = t 100 -t 0 T 1 = 1.67 T T =0.3 T 1 =0.5 T t 30 t 90 t 0 35

36 Τυποποιημένες κρουστικές τάσεις /4 T = t 90 -t 30 T 1 = t 100 -t 0 U t t ( t t ) U90 U30 t 30 t 90 t 50 t 0 T 1 = 1.67 T, 0.84 μs T μs T =0.3 T 1 =0.5 T T 2 = t 50 -t 0, 40 μs T 2 60 μs 36