PROJEKTIRANJE ELEKTRIČNIH POSTROJENJA - VII Doc.dr.sc. Srđan Žutobradić Hrvatska energetska regulatorna agencija (HERA) (Voditelj odjela za električnu energiju i obnovljive izvore) Mail: szutobradic@hera.hr http://www.hera.hr
ELEKTROMAGNETSKA KOMPATIBILNOST definicije 1 Elektromagnetski okoliš - Ukupnost elektromagnetskih pojava koje postoje na određenom prostoru. Elektromagnetska smetnja - Bilo koja elektromagnetska pojava koja može umanjiti karakteristiku uređaja, opreme ili sustava, odnosno štetno djelovati na živu ili neživu materiju. Elektromagnetska interferencija ( EMI) - Degradacija karakteristike uređaja, opreme ili sustava, uzrokovana elektromagnet. smetnjom. Elektromagnetska kompatibilnost (EMC) - Sposobnost sustava ili uređaja da funkcionira na zadovoljavajući način u elektromagnetskom okruženju, bez stvaranja nedozvoljenih elektromagnetskih smetnji u svom okolišu. Elektromagnetska emisija - Fenomen koji označava širenje elektromagnetske energije iz određenog izvora Degradacija karakteristike - Neželjeno smanjenje rada uređaja prema njenom radu u normalnim uvjetima
ELEKTROMAGNETSKA KOMPATIBILNOST definicije II Imunitet - Sposobnost uređaja, opreme ili sustava da radi bez smanjenja radne karakteristike (degradacije) u prisustvu elektromagnetske smetnje Elektromagnetska osjetljivost - Nesposobnost uređaja, opreme ili sustava da radi bez smanjenja njenih karakteristika (degradacija) u prisutnosti elektromagnetskih smetnji. Razina (količine) - Iznos količine procijenjen na specijalan način (najčešće u decibelima). Razina emisije - Razina elektromagnetske smetnje emitirana iz određenog uređaja, opreme ili sustava, izmjerena na specijalni način. Ograničenje emisije - Maksimalno dozvoljena razina emisije. Razina imuniteta - Maksimalna razina dane elektromagnetske smetnje, koja se pojavi na određenom uređaju, opremi ili sustavu, pri kojem se ne pojavi degradacija rada.
ELEKTROMAGNETSKA KOMPATIBILNOST definicije III Razina imuniteta - Minimalna zahtijevana razina imuniteta. Razina smetnje - Razina dane elektromagnetske smetnje, mjerena na specijalni način. Razina elektromagnetske kompatibilnosti - Određena razina smetnje pri kojoj treba postojati jedna dozvoljena, visoko vjerojatna elektromagnetska kompatibilnost. Granica emisije - Omjer razine elektromagnetske kompatibilnosti i granične emisije Granica imuniteta - Omjer graničnog imuniteta prema razini elektromagnetske kompatibilnosti Granica elektromagnetske kompatibilnosti - Omjer graničnog imuniteta prema graničnoj emisiji.
ELEKTROMAGNETSKA KOMPATIBILNOST Definiciju elektromagnetske kompatibilnosti (CEM) se može objasniti kao sposobnost uređaja, opreme ili sustava da djeluje na zadovoljavajući način u svom elektromagnetskom okruženju kao i da ne emitira nedozvoljene smetnje u svoje okruženje. Ona je danas disciplina koja se bavi proučavanjem interakcije između elemenata koji emitiraju elektromagnetske smetnje kao i onih koji su na njih osjetljivi (receptori).
PODJELA SMETNJI PO KLASI,TIPU I UZROKU Klasa Tip Uzrok energetski propadi napona permutacija izvora kratki spoj pokretanje motora srednje frekvencije harmonici sustavi s poluvodičima lučne peći visoke frekvencije prenaponi direktni i indirektni udarci groma operacije sklapanja isklapanja kratkih spojeva
smetnje su sve veće jer se povećavaju struje i naponi u sustavima elektronički sklopovi su sve osjetljiviji udaljenosti između osjetljivih elektroničkih sklopova i energetskih krugova su sve manje generator smetnje ili izvor širenje ili sprega između izvora i "žrtve" element koji je podložan smetnji ili "žrtva" (receptor)
UZROCI SMETNJI energetski vodovi svih nivoa ( NN, SN i VN) radio smetnje elektrostatska pražnjenja atmosferska pražnjenja ENERGETSKI VODOVI u nn mrežama otvaranje induktivnih krugova kao npr. sklopki koje posjeduju zavojnice, krugova s elektromotorima, krugova s elektroventilima stvaraju na krajevima zavojnica prenapone visokih amplituda (nekoliko kilovolta) te veoma visokih frekvencija ( desetke MHz) u SN i VN mrežama otvaranje i zatvaranje rastavljača izaziva pojavu prenaponskih valova veoma strma čela (nekoliko nanosekundi). Ove su pojave naročito prisutne kod oklopljenih postrojenja ( u SF6 plinu). Ovi su prenaponski valovi naročito opasni za sustave s mikroprocesorima.
IZVORI KARAKTERISTIKE SMETNJI valni spektar oblik vala ili vrijeme porasta čela amplituda energija smetnje impulsnog oblika nekoliko stotina MHZ!! Uzročnici VF smetnji: elektrostatska pražnjenja funkcioniranje opreme kao što su releji, rastavljači, prekidači udarci groma
TIPIČNE KARAKTERISTIKE IZVORA SMETNJI E= k W 0,5 r -1 gdje je r udaljenost od izvora u metrima, W efektivna snaga emitera, k je konstanta (oko 7) Izvor frekvencija valna dužina (λ) polje distributivni vod (1 ka) 50 Hz 6000 m 20 A/m na 10 m 20 kv prekidač 75 MHz 4 m 5 kv/m na 1 m FM radio 100 MHz 3 m 1 V/m na 500 m dugi radio val 200 khz 1500 m 30 V/m na 500 m UHF televizija 600 MHz 50 cm 0.5 V/m na 500 m mobitel 900 MHz 33 cm 20 V/m na 1 m Radar 1 GHz 30 cm 40 V/m na 500 m
FREKVENCIJSKI PRISTUP Ulazni signali se modeliraju u frekvencijskom području, Fourierova analiza I struja groma može se modelirati u frekvencijskom području: f = 1/π t m t m trajanje čela vala (2 5 μsek., 60-160 khz)
FREKVENCIJSKI SPEKTAR gustoća spektra amplituda perturbacije uski pojas temperatura T frekvencija amplituda perturbacije gustoća spektra široki pojas temperatura frekvencija
SMETNJE IZAZVANE OTVARANJEM ILI ZATVARANJEM SKLOPNIH UREĐAJA Manevri sklopnih uređaja stvaraju promjene napona ekstremno kratkim vremenima Zatvaranje 24 kv sklopke može izazvati preskoke (takozvana predpražnjenja) na polovima visine više desetaka kv u vremenu od nekoliko nanosekunda GIS - struktura koaksijalnog kabela, koja se fizikalno može nadomjestiti konstantnom valnom impedancijom. Prilikom manevara sklopnim uređajima stvaraju se putni valovi koji se reflektiraju na krajevima oklopljenog postrojenja. Rezultat procesa su stacionarni valovi VISOKE amplitude i frekvencije, određeni uglavnom dimenzijama postrojenja.
ATMOSFERSKA PRAŽNJENJA Prenaponi zbog direktnih udara groma u fazne vodiče Prenaponi zbog indirektnih udara groma u okolišu voda (inducirani prenaponi) kapacitivnom spregom prenose na niskonaponske vodove te putuju prema potrošačima koji su na njih priključeni. Ovakvi prenaponi mogu biti izuzetno opasni zbog visoke amplitude vala, te ih je potrebno spriječiti ugradnjom metaloksidnih odvodnika prenapona. Pri tome je potrebno projektirati prenaponsku zaštitu na način da na pravilan način štiti unutrašnju instalaciju počevši od ulaska pa sve po njenoj dubini. Osim potrebe odabiranja naponskih nivoa odvodnika posebnu je pažnju potrebno posvetiti energetskoj izdržljivosti ovih uređaja.
HARMONICI U MREŽAMA Specifičan fenomen posebna razmatranja; posljedice: Nastanak serijske i paralelne rezonancije; Povećanje iznosa harmonika napona uslijed serijske i paralelne rezonancije; Smanjenje efikasnosti proizvodnje i prijenosa električne energije i njezine upotrebe; Starenje izolacije električnih uređaja te skraćivanje njihovog životnog vijeka; Kriva prorada zaštitnih uređaja
SPREGA IZMEĐU IZVORA I "ŽRTVE" SMETNJI Koeficijent sprege se označava koeficijentom k izraženom u decibelima (db), koji se definira kao efikasnost prijelaza jedne smetnje od izvora prema potencijalnoj žrtvi. Koeficijent se izražava kao: Aprimljen k = 20log A emitiran gdje je A amplituda smetnje
TRI VRSTE SPREGE sprega elektromagnetskog polja i kabela, u nultom i diferencijalnom modu sprega preko zajedničke impedancije sprega između dva kabela u diferencijalnom modu (koje se ponekad zove i diafonija) - kapacitivna sprega, induktivna sprega
" ŽRTVE" ILI RECEPTORI SMETNJI stalne smetnje koje se mogu mjeriti greške u radu koje se ne ponavljaju, a događaju se za vrijeme perturbacija greške u radu koje se ne ponavljaju, a događaju se nakon perturbacija stalni kvar kojem je izložena oprema (uništenje elektroničkih komponenti)
MJERE SIGURNOSTI specijalna koncepcija u izradi štampanih pločica izbor elektroničkih komponenti izvođenje oklapanja povezivanje masa zaštita kabela od elektromagnetskog polja
NAČINI ZAŠTITE OD PERTURBACIJA Tip vrste opreme primjena zaštitni uređaji koji ograničuju iskrište napojni krugovi, instalacije, amplitude prenapona odvodnik prenapona upravljački krugovi limiteri varistori (nelinerni otor) elektronički krugovi filterski uređaji komponente za oklapanja Zener diode transformatori induktiviteti kondenzatori filteri metalne rešetke oklopljeni kabeli uzemljivačke trake prstenovi za zaštitu od visokih frekvencija napojni krugovi, upravljački krugovi, elektronički krugovi prijenos informacija ormarići u trafostanicama itd.
Model - plašt faza kabela I c Z c - + e Vc J Y c e = Z I t p J = Y V t p I p Z t : prijenosna impedancija Z p Y p Y t : prijenosna admitancija V p z
ZAŠTITA OD CEM ili odabrati uređaj koji izaziva relativno niske smetnje (izvor) u blizini drugog uređaja koji je srednje osjetljiv ("žrtva") ili odabrati uređaj koji izaziva srednju razinu smetnji u okolišu kojeg radi robustan uređaj s niskom osjetljivošću odabrati kompromisno rješenje između dva gore navedena
INSTALACIJE umreženje električnih krugova i masa s zemljom odvajanje električnih krugova oklapanje električnih kabela
SUSTAV UZEMLJENJA sustav uzemljenja mora biti što je moguće više umrežen s tendencijom povećanja grana uzemljivačkog sustava uz istovremeno smanjenje njihova presjeka. reducirati površinu petlji u električnim - elektroničkim krugovima (efekt elektromagnetske indukcije). Signalne uzemljene krugove postaviti blizu uzemljivačkih vodiča u cilju smanjenja prijenosne impedancije Izbjegavati blisku instalaciju signalnih i uzemljivačkih vodiča u slučajevima kada provode struje bitno različitih amplituda
KABLIRANJE U POSTROJENJIMA Grupiranje kabela po kategorijima ENERGETSKI KABELI UPRAVLJAČKI KABELI MJERNI KABELI D D
KABELI korištenjem prepletenih žila značajno smanjuje elektromagnetska sprega između energetskih i telekomunikacijskih kabela. Kabeli mjernih krugova bi trebali biti s ekranom, koji se treba povezati s masom na određeni minimalni broj točaka. Što se tiče pregrada koje dijele razne kategorije kabela, poželjno je korištenje metalnih struktura.
EKVIPOTENCIJALIZACIJA U praksi postoje dvije filozofije povezivanja metalnih masa : mreža u obliku zvijezde uzamčena mreža
NEKI NAČINI SMANJIVANJA SMETNJI preplitanje (balansiranje) vodiča korištenje izolacionih transformatora optički kabeli
FILTERI Zaštita od smetnji pomoću različitihh filtera ili drugih naprava za njihovo sprječavanje. Oni se mogu koristiti na energetskim vodovima kao i na signalnim vodovima, a svrha im je prigušenje perturbacija. maksimalna razlika u ulaznoj impedanciji filtera i voda koji provodi perturbaciju potrebno je propisno procijeniti strujnonaponske vrijednosti izolacije filtera
IZVEDBE FILTERA a) b) c) d) SL. 6.8
ODVODNICI PRENAPONA - 1 Funkcionalno: odvodnici namijenjeni zaštiti cjelokupne niskonaponske instalacije odvodnici za zaštitu posebno osjetljivih uređaja (računala, elektronički uređaji itd.) Stohastički pristup - IEC 1662
KATEGORIJE ŠTIĆENIH OBJEKATA u kategorija prenapona I nalazi se oprema gdje je pojava prenapona vrlo ograničena, tiče se elektroničke opreme, telekomunikacijske opreme itd. kategorija prenapona II je područje instalacije koje služi za fiksni priključak razne opreme, kao kućanski aparati itd. kategorija prenapona III, je dio instalacije gdje je potrebno osigurati veću raspoloživost opreme, postoji mogućnost prodora atmosferskih prenapona u kategorija IV je instalirana oprema gdje je vjerojatnost pojave atmosferskih prenapona velika, smještena je na samom prijelazu iz distribucijske mreže u zgradu (oprema koju treba štititi su brojila el. energije, prekidači i uređaji MTU)
PRIMJER PRIMJENE KATEGORIJA PRENAPONA IV III II I SEP M A B C KLASA ODVODNIKA SEP : Ulaz u instalaciju M : Brojilo
KLASE ODVODNIKA PRENAPONA klasa A: odvodnici za vanjsku montažu klasa B: odvodnici koji se instaliraju na ulazu u instalaciju, gdje se očekuju visoke struje groma klasa C: odvodnici koji se instaliraju unutar instalacije zgrade, a svrha im je ograničenje i kontrola preostalog napona odvodnika klasa D su odvodnici koji se instaliraju na raznim utičnicama na krajevima instalacije, gdje su priključeni osjetljivi potrošači
SAŽETAK O EMC - 1 Elementi EMC_ generatori smetnji ili izvori širenje ili sprega između izvora smetnji i "žrtve" elementi podložan smetnji ili žrtve Izvori smetnji: energetski vodovi svih nivoa ( NN, SN i VN) radio smetnje elektrostatska pražnjenja atmosferska pražnjenja
SAŽETAK O EMC - 2 Vrste sprege: sprega elektromagnetskog polja i kabela, u nultom i diferencijalnom modu sprega preko zajedničke impedancije sprega između dva kabela u diferencijalnom modu Mjere zaštite: načini kabliranja u postrojenjima ekvipotencijalizacija metalnih masa upotreba filtera niskonaponski odvodnici prenapona i SPD uređaji