SVEU Č ILIŠTE U SPLITU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE, STROJARSTVA I BRODOGRADNJE
DIPLOMSKI RAD
ZNAČAJKE I PRIMJENA LINIJSKIH ODVODNIKA PRENAPONA
Damir Kurtović
Split, prosinac 2008.
SVEUČILIŠTE U SPLITU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE, STROJARSTVA I BRODOGRADNJE Studij: Sveučilišni dodiplomski studij Elektrotehnike Smjer/Usmjerenje: Elektroenergetika / Elektroenergetski sustavi Predmet: Zaštita od groma i uzemljenje
DIPLOMSKI ZADATAK
Kandidat:
DAMIR KURTOVI Ć
Zadatak:
ZNAČAJKE I PRIMJENA LINIJSKIH ODVODNIKA PRENAPONA Diplomant treba na osnovi dostupne literature prou čiti i opisati zna čajke linijskih odvodnika prenapona pomo ću kojih se elektroenergetski vodovi štite od štetnog učinka munje. Pritom treba sagledati najnovija tehnološka dostignu ća na tom područ ju. Izabrani primjer numeričkog proračuna udara munje u elektroenergetski vod zašti ćen linijskim odvodnikom treba riješiti korištenjem programskog paketa ATP-EMTP.
Zadatak uru čen kandidatu:
10. 10. 2008.
Rok za predaju rada:
10. 1. 2009.
Predsjednik Povjerenstva za diplomski rad:
Dr. sc. Slavko Vujevi ć, red. prof.
Diplomski rad predan Povjerenstvu
Mentor:
Dr. sc. Slavko Vujevi ć, red. prof. Voditelj Povjerenstva za diplomski rad:
Dr. sc. Elis Sutlovi ć, izv. prof.
SVEUČILIŠTE U SPLITU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE, STROJARSTVA I BRODOGRADNJE Studij: Sveučilišni dodiplomski studij Elektrotehnike Smjer/Usmjerenje: Elektroenergetika / Elektroenergetski sustavi Predmet: Zaštita od groma i uzemljenje
DIPLOMSKI ZADATAK
Kandidat:
DAMIR KURTOVI Ć
Zadatak:
ZNAČAJKE I PRIMJENA LINIJSKIH ODVODNIKA PRENAPONA Diplomant treba na osnovi dostupne literature prou čiti i opisati zna čajke linijskih odvodnika prenapona pomo ću kojih se elektroenergetski vodovi štite od štetnog učinka munje. Pritom treba sagledati najnovija tehnološka dostignu ća na tom područ ju. Izabrani primjer numeričkog proračuna udara munje u elektroenergetski vod zašti ćen linijskim odvodnikom treba riješiti korištenjem programskog paketa ATP-EMTP.
Zadatak uru čen kandidatu:
10. 10. 2008.
Rok za predaju rada:
10. 1. 2009.
Predsjednik Povjerenstva za diplomski rad:
Dr. sc. Slavko Vujevi ć, red. prof.
Diplomski rad predan Povjerenstvu
Mentor:
Dr. sc. Slavko Vujevi ć, red. prof. Voditelj Povjerenstva za diplomski rad:
Dr. sc. Elis Sutlovi ć, izv. prof.
SADRŽAJ 1.
UVOD ................................................................... .................................................................................................... .............................................................. ............................. 1
2. PRENAPONI ................................................................. ................................................................................................... ................................................... .................2 2.1. Podjela prenapona i njihove zna čajke ............................................................... ..................................................................... ...... 2 2.1.1. Privremeni prenaponi prenaponi ................................................................. ........................................................................................ .......................3 2.1.2. Sklopni prenaponi ................................................................ ............................................................................................. .............................3 2.1.3. Atmosferski prenaponi ............................................................... ...................................................................................... .......................3
2.2. Povratni preskok ................................................................ .................................................................................................. ........................................ ...... 4 3.
KLASIČNA ZAŠTITA VODOVA OD ATMOSFERSKIH PRENAPONA ...........6 3.1. Smanjenje otpora uzemljenja .................................................................. ................................................................................... .................7 3.3. Zaštitno uže .................................................................... ..................................................................................................... ............................................. ............ 7 3.3. Povećanje izolacijskog nivoa voda ............................................................... ........................................................................... ............ 7 3.4. Zaštitno iskrište .................................................................. .................................................................................................... ........................................ ...... 8
4.
LINIJSKI ODVODNICI PRENAPONA ................................................................. ....................................................................... ...... 9 4.1. Princip djelovanja odvodnika prenapona ........................................... .......................................................... ...............9 4.2. Vrste odvodnika prenapona prema konstrukciji ........................................... ............................................... .... 9 4.3. Metal-oksidni odvodnici prenapona ............................................. ................................................................... ......................10 4.3.1. Konstrukcija odvodnika prenapona ........................................... .............................................................. ...................10 4.3.2. Djelovanje odvodnika prenpona ............................................ .................................................................. ......................13
4.4. Karakteristične veličine ZnO odvodnika ............................................. ............................................................ ............... 13 4.4.1. Preostali napon odvodnika prenpona ............................................ ........................................................... ...............15 4.4.2. Klasa vo enja odvodnika prenpona .......................................... ............................................................. ...................15 4.4.3. Energetska podnosivost odvodnika prenpona .......................................... .............................................. .... 16
4.5. Primjena metal-oksidnih odvodnika prenapona na vodovima ........................ ........................ 17 4.6. Opći radni principi linijskog lini jskog odvodnika prenapona .......................................... ..........................................19 4.7. Linijski odvodnik prenapona sa vanjskim iskrištem ........................................ ........................................20 4.8. Linijski odvodnik prenapona bez vanjskog iskrišta .......................................... ..........................................22 4.7. Uspredba u činkovitosti dviju vrsta linijskih odvodnika prenapona .................27 5. PRORAČUN UDARA MUNJE U VOD POMO ĆU PROGRAMA ATP-EMTP .. 28 5.1. ATP-EMTP programski paket .......................................... ................................................................. .................................. ........... 28 5.2. Problematika udara munje u vod ................................................................ ............................................................................ ............ 29 5.3. Proces simulacije ................................................................ .................................................................................................. ........................................ ...... 30
6.
ISKUSTVA U PRIMJENI LINIJSKIH ODVODNIKA PRENAPONA U SVIJETU I REPUBLICI HRVATSKOJ .......................................... ................................................................ .......................... .... 34 6.1. Primjena linijskih odvodnika prenapona u Brazilu .......................................... ..........................................34 6.2. Primjena linijskih odvodnika prenapona u Japanu .......................................... ..........................................35 6.4. Primjena linijskih odvodnika prenapona u Republici Hrvatskoj .....................38 6.3. Zaklju čci na temelju iskustava u primjeni linijskih odvodnika prenapona .... 40
7.
ZAKLJUČAK ................................................................. ................................................................................................... ................................................... .................43 LITERATURA ................................................................ .................................................................................................. ................................................... .................44 SAŽETAK ................................................................ .................................................................................................. ......................................................... .......................45
1. UVOD Oprema električnih mreža izložena je brojnim naprezanjima. Jedna od glavnih opasnosti su prenaponi. Visoki troškovi onemogu ćuju da električni strojevi i oprema budu projektirani za podnošenje po volji visokih napona. Priroda spomenutih opasnosti op ćenito znači da se one ne mogu eliminirati već samo umanjiti. Iz tih razloga obično se pristupa ugradnji zaštitnih ureaja u električne mreže. Najveći rizik za opremu uslijed prenapona dolazi od tranzijentnih prenapona koji su uzrokovani atmosferskim pražnjenjima i sklopnim operacijama. Upotreba odvodnika prenapona smatra se najdjelotvornijom zaštitom protiv tranzijentnih prenapona. Odvodnik se instalira u neposrednu blizinu opreme koju treba štititi i djeluje kao pokrajnji put za prenaponski impuls. Metal-oksidni odvodnici prenapona postali su vrlo kvalitetni, uz sve nižu težinu a i cijenu, što je omogućilo njihovu primjenu i na vodovima. Posljednjih godina oni se ugra uju i na vodovima u Hrvatskoj, te su se kako u svijetu tako i kod nas, pokazali kao veoma dobro rješenje za zaštitu od atmosferskih prenapona. Glavna zadaća odvodnika prenapona na vodovima, odnosno linijskih odvodnika prenapona, je da ograni če napon na nivo ispod iznosa presko čnog napona za odre eni izolator na dalekovodu. Na taj na čin se štite izolatorim, a mogu se u potpunosti eliminirati prekidi uzrokovani atmosferskim pražnjenjima. Upotreba linijskih odvodnika prenapona nije potpuno novi koncept. Još 1920-ih godina postojala je ideja o primjeni odvodnika prenapona na vodovima. No, nije zaživjela zbog veličine i težine tadašnjih odvodnika prenapona koji su se sastojali od SiC elemenata. Sredinom 1970-ih godina razvijeni su metal-oksidni odvodnici prenapona sa ZnO elementima i proučavanje primjene odvodnika prenapona na vodovima je zapo čelo.
1
2. PRENAPONI 2.1. Podjela prenapona i njihove zna čajke U svakoj mreži se osim pogonskog napona mogu pojaviti i prenaponi koji mogu dosti ći znatne iznose. Pod prenaponom se podrazumijeva svako povišenje napona izme u dvije točke koje stvara električno polje meu njima. To povišenje napona može uzrokovati ošte ćenje izolacije meu tim dvjema točkama, odnosno izme u njih uslijed jakog polja može do ći do preskoka ili proboja izolacije. Na Slici 2.1 su prikazani prenaponi prema iznosu i dužini trajanja.
Dakle, prenapone možemo podijeliti na: •
najviši pogonski napon,
•
privremena povišenja napona,
•
prijelazni prenaponi polaganog porasta čela (sklopni prenaponi),
•
prijelazni prenaponi brzog porasta čela (atmosferski prenaponi),
•
vrlo brzi prijelazni prenaponi.
Slika 2.1. Klasifikacija prenapona prema trajanju i faktoru prenapona
Na ordinati je dan faktor prenapona Κ p , koji se iskazuje u odnosu na faznu vrijednost maksimalnog pogonskog napona, tj.:
2
K p =
U max 2 ⋅ U 3
= 1,225 ⋅
U max U
(2.1)
gdje je: Umax amplituda prenapona, dok je U efektivna vrijednost pogonskog napona.
2.1.1. Privremeni prenaponi Privremeni (dugotrajni) prenaponi su oscilatorni prenaponi relativno dugog trajanja na nekom mjestu, koji su neprigušeni ili samo slabo prigušeni, za razliku od sklopnih, atmosferskih i vrlo brzih prenapona, koji su obi čno jako prigušeni i kratko traju. Prema nekim klasifikacijama u kategoriju privremenih prenapona ulaze oni prenaponi kod kojih povišenja napona traju dulje od pet perioda pogonskog napona. Trajanje prenapona je važno jer proboj izolacijskih plinova (uključujući i zrak), isto kao tekućina i krutih dielektrika zavisi o duljini trajanja naponskog optere ćenja.
2.1.2. Sklopni prenaponi Svaki elektroenergetski sustav predstavlja ujedno i titrajni krug u kojem postoje induktiviteti, kapaciteti i otpornici. Sklopne operacije u takvom sustavu mogu izazvati prenapone. Sklopni prenaponi uzrokovani su uklapanjem ili isklapanjem ure aja, gubitkom tereta nastankom ili uklanjanjem kvara. Vjerojatnost njihovog nastanka zavisi o broju kvarova i sklopnih operacija u sustavu. Visina sklopnih prenapona zavisi o postoje ćoj konfiguraciji električne mreže kao i snazi kratkog spoja, te o karakteristikama opreme. Op ćenito se može reći da su u razvijenijem EES sklopni prenaponi manji.
2.1.3. Atmosferski prenaponi Atmosferski prenaponi koji se javljaju na nadzemnim vodovima mogu nastati na razli čite načine. Munja može udariti u zemlju pokraj voda, pri čemu se prenaponi induciraju na vodi čima. Najčešće munja udari u zaštitno uže nadzemnog voda ili u vrh stupa, nakon čega 3
može doći do povratnog preskoka na fazni vodi č. Najopasniji su direktni udari u fazni vodič, koji nastupaju veoma rijetko, ali su ipak mogu ći. Sve navedene vrste prenapona mogu prouzročiti preskok na izolaciji voda.
2.2. Povratni preskok Udarom munje u zaštitno uže ili stup, nastaje valni proces u sustavu: kanal munje – zaštitno uže – stup – uzemljivač stupa. Dio struje munje dakle te če u zemlju, ali problem nastaje ako stup nije dobro uzemljen. Potencijal glave stupa će znatno porasti tim više što je veća odvodna struja i što je ve ći udarni otpor uzemljenja stupa. Ako je ovo pove ćanje potencijala na vrhu stupa iznad izolacijske čvrstoće izolatora dolazi do povratnog preskoka. Sli čan, ali ne isti proces, doga a se kod udara munje izravno u vodi č ili kod induciranih prenapona. Preskok preko izolatora, stvara ionizirajući kanal kojim može teći struja kvara tjerana faznim naponom mreže. U slučaju kada je vod sagra en na drvenim stupovima koji imaju visoku dielektričnu čvrstoću, amplitude prenaponskih valova će biti relativno visoke, jer neće postojati mogućnost odvoda struje u zemlju ve ć dolazi do razdiobe struje groma na više vodi ča, odnosno do povratnog preskoka na više faza, i nastaje višefazni kratki spoj sa strujama veličine kA. Električni luk koji gori uz površinu izolatora, termi čki napreže izolaciju s mogućnošću njenog oštećenja. Ovim počinju distribucijski problemi poput trajnog ispada voda, traženja kvara, otklanjanja kvara i ponovnog puštanja voda pod napon. Područ je zahvaćeno preskocima na jednom vodu proteže se sve dok: •
amplituda struje odvoda na rubnim dijelovima podru č ja nije pala toliko da povećanje potencijala stupa ostane ispod naponske čvrstoće svih nadolazećih izolatora, ili
•
amplituda prenaponskih valova, iz razloga razdiobe struje groma na više vodi ča, ostane ispod naponske čvrstoće svih nadolazećih izolatora.
Na kraju voda, se sva struja munje, koja nije odvedena, putem odvodnika prenapona odvodi u zemlju.
4
Preskoci izolatora dovode do jednopolonog dozemnog spoja ili do višepolnih kratkih spojeva na vodu. Prateće struje nazivne frekvencije mreže, koje u tom slučaju teku, moraju se u pravilu ugasiti djelovanjem APU-a. Smatra se da do povratnog preskoka ne može do ći ako je ispunjen sljedeći uvjet: Ruz ≤
U i I m
(2.2)
gdje je: Ruz - otpor uzemljenja stupa bez spoja sa zaštitnim vodi čem [Ω], Ui - podnosivi udarni napon izolacije voda [kV], Im - amplituda struje munje [kA]. Gornji izraz predstavlja veoma pojednostavljen pristup pojavi povratnog preskoka na izolatorima dalekovoda. U stvarnosti na pojavu povratnog preskoka utje ču i: •
valna impedancija zaštitnog vodiča,
•
valna impedancija stupa,
•
dužina raspona,
•
visina stupova,
•
meuinduktivna veza izmeu zaštitnog i faznih vodi ča.
5
3. KLASIČNA ZAŠTITA VODOVA OD ATMOSFERSKIH PRENAPONA Nadzemni elektroenergetski vodovi su zbog na čina svoje gradnje vrsta objekata koja je jako izložena riziku od udara munje. Radi oblika i brzine širenja vala, te njegove amplitude, atmosferski prenaponi dovode do maksimalnih naprezanja izolacije te zbog toga predstavljaju osnovu koordinacije izolacije, a ujedno presudno utje ču na funkcionalnost i pouzdanost električnih mreža. Munje koje bi pogodile u nadzemne vodove stvorili bi na njima napone koji bi bili ve ći od onih koje mogu izdržati izolatori na dalekovodu te bi došlo do preskoka i kratkog spoja. Tako stvoreni strujni lukovi ne bi se dugo ugasili jer je za njihovo održavanje dovoljan i napon samih faznih vodi ča. Stoga se pristupa ugradnji zaštitnih ure aja na vodove.
Slika 3.1. Nač ini zaštite vodova
6
3.1. Smanjenje otpora uzemljenja Kad munja i pogodi u zaštitno uže moglo bi se dogoditi da on na putu kroz njega, stup i uzemljivač stvori veliki pad napona. Fazni vodi či koji su na svom nazivnom naponu tada bi imali puno manji napon nego dio stupa na kojem su obješeni te izolacija izme u stupa i vodi ča možda to ne bi izdržala te bi došlo do povratnog preskoka izme u vodiča i stupa. Takvi preskoci mogu trajno oštetiti izolaciju te izbaciti vod iz pogona na duže vrijeme. Na sprječavanje takve pojave može se djelovati tako da se otpor uzemljenja stupa učini što manjim. Grubo uzevši, otpor uzemljenja niti na jednom mjestu ne bi smio premašiti 15
Ω.
Kako je specifični otpor tla u mnogim podru č jima Hrvatske visok, te prelazi vrijednosti od 1000 Ω, nerijetko je gotovo nemoguće postići zadovoljavajući otpor uzemljenja. Zbog toga se u posljednje vrijeme po činju koristiti kemijske sonde za poboljšanje otpora uzemljenja dalekovodnih stupova. Kemijske sonde kao uzemljiva č nisu uobi čajene u Europi dok u SADu postoje mnoge reference za njihovu upotrebu.
3.2. Zaštitno uže Jedan od osnovnih na čina zaštite nadzemnog voda je postavljanje zaštitnog užeta koje je povezano sa stupovima dalekovoda i na svakom stupu dobro uzemljeno. Zaštitno uže se postavlja iznad vodiča tako da su vodiči unutar njegovog zaštićenog područ ja. U praksi se zaštitnom užadi štite svi dalekovodi nazivnog napona iznad 30 kV. Naj češće se ne primjenjuje jedno nego dva zaštitna užeta. Da bi zaštitni vodi či ispunili svoju zadaću, prijelazni otpor uzemljenja stupova treba biti što manji. Ugradnjom dodatnih zaštitnih užadi smanjuje se mogućnost direktnih udara munje u vodi č, razgranava struja munje, pove ćavaju meusobni utjecaji, a time i smanjuje mogu ćnost povratnog preskoka.
3.3. Pove ćanje izolacijskog nivoa voda Izolator naponski odvaja vodi č električne struje od nosive konstrukcije stupa. Osim ovog osnovnog zahtjeva, izolator preuzima sile koje se javljaju na vodi ču i prenosi ih na konstrukciju stupa. Izolatori se grade od porculana ili stakla. 7
Povećanje izolacijskog nivoa provodi se naj češće kod rekonstrukcija kada se kompletno zamjenjuju izolatori. Posebnu problematiku imamo kod dvostrukih vodova. Ponekad se na jednom vodu smanjuje, a na drugom pove ćava izolacija, kako bi se ciljano usmjerili kvarovi i namjerno izbjegli dvostruki ispadi.
3.4. Zaštitno iskrište Postavlja se paralelno izolatorskom lancu na kojemu vise fazni vodi či odnosno koji izolira fazni vodič od stupa dalekovoda. Napon pri kojemu se na iskrištu pojavljuje preskok je manji od napona kojeg može podnijeti izolacija voda. Osnovna mu je zada ća da odmakne luk nastao uslijed povratnog preskoka od izolatorskog lanca i tako sprije či oštećenje samih izolatora. Iskrišta se redovito ugrauju na dalekovodima 110 kV i više, a ponegdje i u mrežama nižeg napona, na posebno ugroženim mjestima. Osim te svoje funkcije, iskrišta stvaraju povoljniju raspodjelu električnog polja oko izolatorskog lanca i tako sprje čavaju razne vrste izbijanja. Mana iskrišta je u tome što ne mogu sama ugasiti električni luk, i njegova prorada može dovesti do prorade zaštitnih ureaja i trajnog isključenja voda.
8
4. LINIJSKI ODVODNICI PRENAPONA 4.1. Princip djelovanja odvodnika prenapona Za zaštitu elektroenergetskih postrojenja, objekata i njihovih elemenata, upotrebljavaju se odvodnici prenapona. U najnovije vrijeme razvijene su posebne izvedbe odvodnika prenapona, koji se postavljaju na nadzemne vodove. Odvodnici prenapona ponašaju se kao nelinearni otpori, čiji se iznos mijenja u zavisnosti od veli čine narinutog napona. Na Slici 4.1 prikazana je nelinearna strujno-naponska (I-U) karakteristika idealnog i realnog odvodnika prenapona.
Slika 4.1. Strujno-naponska karakteristika a) idealnog i b) realnog odvodnika prenapona
Idealni odvodnik prenapona, i uz vrlo velike struje, održava konstantnu vrijednost napona. U praksi to nije mogu će ostvariti, ali se svojstva realnih odvodnika nastoje što više približiti idealnim. Odvodnik prenapona, osim vršne vrijednosti nailaze ćeg naponskog vala, smanjuje i njegovu strminu.
4.2. Vrste odvodnika prenapona prema konstrukciji Prema konstrukciji odvodnici prenapona mogu se podijeliti na: •
cijevne,
•
silicij-karbidne (SiC) ili klasične i
•
metal-oksidne ili cink-oksidne (ZnO).
9
Cijevni odvodnici imaju iskrišta kod kojih je omogućeno gašenje luka. Elektrode iskrišta, koje su najčešće u obliku rogova, bile su postavljene u specijalu cijev pa su po tome dobili ime. To su bili prvi odvodnici prenapona a danas se više ne upotrebljavaju. Silicij-karbidni odvodnici prenapona se sastoje od serijski povezanih otpornika izra enih od silicij-karbida, i iskrišta. Osnovni problem SiC odvodnika je prekidanje popratne struje industrijske frekvencije napon nestanka prenapona, no pogodni su za zaštitu od atmosferskih prenapona. Metal-oksidni odvodnici prenapona su nelinearni otpornici odnosno varistori, pa im iskrište nije potrebno. Prikladni su za zaštitu od atmosferskih i sklopnih prenapona.
4.3. Metal-oksidni odvodnici prenapona Skoro sve nove visokonaponske (prijenosne) mreže izgra ene u posljednjih 15 godina koriste metal-oksidne odvodnike prenapona. Nasuprot tome u srednjenaponskim (distribucijskim) mrežama još se ugraivao znatan broj konvencionalnih odvodnika s iskrištem (SiC otpornik i serijsko iskrište) sve do pred nekoliko godina. Danas metal-oksidni odvodnici bez iskrišta dobivaju prevlast takoer u tim mrežama. Promjena se opravdava, kao i za visokonaponske mreže, poboljšanom zaštitnom razinom posebno kod vrlo strmih prenapona, te boljim svojstvima u one čišćenim uvjetima. Promjena u korist primjene polimernih ku ćišta čini to mogu ćim bez nekad potrebnih iskrišta. Polimerno kućište pruža takoer druge važne koristi kao što su ve ća pouzdanost (brtvljenje protiv prodora vlage) i značajno smanjen rizik u slučaju kvara odvodnika (rasprskavanje ku ćišta).
4.3.1. Konstrukcija odvodnika prenapona Ovisno o svojoj konstrukciji, odvodnici prenapona sadrže jedan ili više visokolinearnih otporničkih blokova (varistora) spojenih u seriju i me usobno učvršćenih ovojnicom od staklenih niti.
10
Slika 4.2. Konstrukcija metal-oksidnog odvodnika prenapona
Vanjsko kućište izvodi se od polimernog izolacijskog materijala, istog onog koji se uspješno koristi već više od 30 godina na podru č ju kabelskog pribora i koji je otporan na puzne staze i eroziju te je stabilan na UV zračenja i atmosferilije. Samo kućište izvodi se postupkom direktnog brizganja u kalupu na prethodno postavljenu jezgru od otporni čkih blokova. Ovdje je bitno da polimerni materijal ku ćišta prijanja i lijepi za stjenke unutrašnje jezgre, bez zračnih šupljina kako izmeu kućišta tako i u samom kućištu. Veza prianjanja kućišta i metal-oksidnih blokova dovoljno je jaka kako bi se sprije čilo njeno pucanje i odvajanje ku ćišta od blokova za vrijeme temperaturnih ciklusa ispitivanja te kasnije u pogonu. Sastavni dio ku ćišta čine i izolacijski šeširići namijenjeni za produljenje puzne staze kod vanjske ugradnje. Pregled tehničkih zahtjeva za konstrukciju odvodnika prenapona u skladu sa najnovijim dopunama IEC 60099-4 dat je u Tablici 4.1.
11
Tablica 4.1. Tehnič ki zahtjevi koji odre uju konstrukciju odvodnika
1. 2. 3. 4.
Standard mjerodavan za konstrukciju Nazivna odvodna struja (In) Klasa linijskog pražnjenja Otpornost na struju KS-a Izvedba spoja kućišta i metal-oksidnih 5. blokova Min. promjer nelinearnog otporni čkog 6. bloka 7. Otpornost na savijanje (minimum) 8. Moment savijanja (maksimum) 9. Čvrstoća na vlak (minimum) 10. Dužina klizne staze 11. Visina unutarnjih parcijalnih pražnjenja 12.
Sposobnost apsorpcije energije
13.
Učvršćenje odvodnika za podlogu Priključak odvodnika na energetski vodič
14.
IEC 60099-4 te važe ći amandmani 10 kA 1 kA 20 kA, min. 0,2 s „void free design“ (bez zračnih šupljina) 40 mm 200 Nm 50 Nm 1000 Nm min. 25 mm/kV Um klasa III prema IEC 815 maks. 10 pC min. 4,5 kJ/kV Uc za nazivnu struju pražnjenja (In) vijak M12, nehr ajući čelik stezaljka ili vijak M12, nehrajući čelik
Varistorski blokovi uglavnom se sastoje od zrnaca ZnO uz dodatak još nekih aditiva, poput bizmut-oksida, magnezij-oksida i drugih, ukupno 9 aditiva. Mikroskopska struktura varistora prikazana na Slici 4.3 b) pogodna je za razmatranja, a dovodi do istih statisti čkih rezultata kao ona na Slici 4.3 a).
Slika 4.3. Mikroskopska struktura varistora
Čestice ZnO su vodljive i me usobno serijski i paralelno vezane. Prosje čna veličina ZnO čestica je 10-20 µm. Od velike je važnosti homogenost unutar varistora. Granice ZnO čestica
odlučujuće su za nelinearnu vodljivost. One predstavljaju simetrične Šotkijeve barijere na granicama čestica. Osnovne karakteristike metal-oksidnih varistora su: 12
•
mikroskopski je električno polje veliko u meuprostoru izmeu ZnO čestica i u blizini njihovih granica, a malo je unutar ZnO čestica. Makroskopski je električno polje jednoliko raspodijeljeno unutar keramičkog materijala,
•
struja koja teče kroz varistor prolazi kroz najmanji broj spojeva (najmanji otpor). Uz homogeni sastav mikrostrukture i raspodjela struje bit će jednolika,
•
mikroskopski će do Jouleovog zagrijavanja do ći uglavnom na spojevima, ali makroskopski će apsorpcija energije biti homogena, ako je mikrostruktura i gusto ća struje homogena.
Konstrukcija varistora mora imati homogenu mikrostrukturu. Najvažnija svojstva varistora su nelinearnost strujno-naponske karakteristike, visoka mogu ćnost apsorpcije energije i velika termička vodljivost.
4.3.2. Djelovanje odvodnika prenapona Pri nailasku prenapona, stvara se me u česticama cink-oksidnih pločica jako električno polje, pri čemu se prostor oko njih ionizira i postaje vodljiv. Što je ve ći napon koji djeluje na odvodniku odnosno na promjenjivom otporu, to je ja če polje i ionizacija koja omogu ćuje stvaranje vodljivih kanala, pa se otpor smanjuje. Kad se smanjuje napon na otporu odvodnika, slabi i električno polje i ionizacija oko ZnO čestica, pa se smanjuju i vodljivi kanali, što djeluje na porast otpora. Takva promjena otpora u odvodniku omogu ćuje da u trenutku nailaska vala, smanjujući svoj otpor, odvodnik odvede jake struje u zemlju.
4.4 Karakteristične veličine ZnO odvodnika Kod ZnO odvodnika prenapona se prema IEC 99-4 definiraju sljede će karakteristike: •
Nazivni napon odvodnika U r (rated voltage of an arrester):
Najviša dozvoljena efektivna vrijednost napona industrijske frekvencije izme u priključaka odvodnika, pri kojoj je on predvi en da ispravno radi u uvjetima prenapona, kako je definirano u ispitivanju funkcioniranja u radnim uvjetima. Nazivni napon se koristi kao referentni parametar za specifikaciju radnih karakteristika. 13
•
Trajni radni napon odvodnika U c (Continuous operating voltage of an arrester):
Trajni radni napon je specificirana dozvoljena efektivna vrijednost napona industrijske frekvencije, koja se može trajno dovesti na priklju čke odvodnika. •
Nazivna frekvencija odvodnika (Rated frequency of an arrester):
Frekvencija mreže za koju je odvodnik izra en. •
Strma udarna struja (Steep current impulse):
Udarna struja sa konvencionalnim trajanjem čela od 1 µs, sa takvim granicama podešavanja opreme da se izmjerene vrijednosti kreću od 0,9 µs do 1,1 µs. Konvencionalno vrijeme do polovine vrijednosti na začelju ne smije biti duže od 20 µs. •
Atmosferska udarna struja (Lighting current impulse):
Udarna struja 8/20 µs/µs sa granicama podešavanja takvim da se izmjerene vrijednosti za konvencionalno trajanje čela kreću od 7 µs do 9 µs, a vrijeme do polovine na za čelju od 18 µs do 22 µs. •
Nazivna struja odvoenja odvodnika In (Nominal discharge current of an arrester):
Tjemena vrijednost atmosferske udarne struje koja služi za razvrstavanje odvodnika •
Dugotrajna udarna struja (Long duration current impulse):
Pravokutna udarna struja sa brzim usponom do maksimalne vrijednosti, koja zatim ostaje uglavnom konstantna u toku utvr enog perioda, a zatim brzo pada na nulu. Pravokutnu udarnu struju definiraju sljedeći parametri: polaritet, tjemena vrijednost, konvencionalno trajanje tjemena i ukupno konvencionalno trajanje. •
Udarna struja odvodnika velike amplitude (High current impulse of an arrester):
Tjemena vrijednost struje odvoenja oblika vala 4/10 µs/µs koja se koristi za provjeru stabilnosti odvodnika pri direktnim udarima munje. •
Sklopna udarna struja odvodnika (Switching current impulse of an arrester):
14
Tjemena vrijednost struje odvoenja sa konvencionalnim trajanjem čela dužine od 30µs i kraćim od 100µs i konvencionalnim vremenom do polovine vrijednosti na za čelju, približno dvostruko dužim od konvencionalnog trajanja čela. •
Trajna struja odvodnika (Continuos current of an arrester):
To je struja koja teče kroz odvodnik, kada je on pod trajnim radnim naponom. Trajna struja sastoji se od aktivne i kapacitivne komponente, a može se mijenjati sa temperaturom i djelovanjem rasipnog kapaciteta i vanjske prljavštine. Trajna struja ispitivanog uzorka ne mora biti ista kao trajna struja kompletnog odvodnika. •
Preostali napon odvodnika U res (Residual voltage of an arrester):
Tjemena vrijednost napona koji se javlja na priklju čcima odvodnika tijekom protjecanja struje odvoenja. •
Zaštitna karakteristika odvodnika (Protective characteristics of an arrester):
Kombinacija sljedećih karakteristika: - preostalog napona za strmu udarnu struju, - karakteristika preostalog napona u funkciji struje odvo enja za atmosferske udarne struje, - preostalog napona za sklopne udarne struje.
4.4.1. Preostali napon odvodnika prenapona Preostali napon odvodnika prenapona se pojavljuje izme u priključaka odvodnika tijekom odvoenja impulsne struje. Ovisi o tjemenoj vrijednosti i obliku struje odvo enja. Prezentiran je vršnom vrijednošću. 4.4.2. Klasa voenja odvodnika prenapona Odvodnici prenapona nazivnih odvodnih struja I n=10 kA i In=20 kA podjeljeni su u pet klasa odvoenja voda. Pritom, struji In=10 kA odgovaraju klase odvo enja voda 1, 2 ili 3, dok struji In=20 kA pripadaju klase 4 ili 5. Izbor klase odvo enja voda odvodnika prenapona provodi se na temelju njihove mogu ćnosti odvoenja energije, odnosno u vezi je s njihovom sposobnošću apsorpcije energije stvorene tijekom stanovitog prijelaznog stanja.
15
4.4.3. Energetska podnosivost odvodnika prenapona Odvodnici prenapona moraju biti sposobni apsorbirati energiju oslobo enu tijekom prijelaznih stanja u mreži. U tu svrhu potrebno je utvrditi energetska naprezanja (W1, W 2, ...) kojima može biti izložen odvodnik prenapona pri nastupu maksimalno o čekivanih prenapona, sklopnog ili atmosferskog podrijetla. Posebno visoke napone, a tada i energetska naprezanja odvodnika, valja posebno o čekivati pri izravnim udarima munje u vodove s visokom izolacijskom razinom ili pri nastupu povratnih preskoka na mjestima blizu smještaja odvodnika. U tom slu čaju koristimo se relacijom:
W = 2 ⋅ Upr − n ⋅ Upl ⋅ 1 + ln
2 ⋅ Upr Upl ⋅ Tl ⋅ Upl Z
(4.1)
gdje je: W-
energja koju upija odvodnik [kJ],
U pl - preostali napon odvodnika pri nazivnoj odvodnoj struji
In [kV],
U pr - negativni presko čni napon izolacije voda [kV], Z
- valni otpor voda [ Ω],
T 1
- ekvivalentno trajanje struje munje uključujući prvi i slijedeće udare munje.
Na temelju ovog izraza može se odrediti odgovarajuća energetska naprezanja W1, W 2, ... promatranog odvodnika prenapona. Zatim se prema wri =
Wi mogu izračunati odgovarajuća Ur
specifična energetska naprezanja wr1, wr2, ... Pritom, promatrani odvodnik prenapona mora posjedovati specifičnu energiju wr.
wr ≥ max(wr1, wr2,...) IEC klasificira odvodnike prema nazivnoj odvodnoj struju. Odvodnici za 10 i 20 kA klasificirani su takoer i po energetskoj podnosivosti izraženoj kao krivulja klase odvo enja (od 2 do 5) potvr eno dugotrajnim strujnim testom i testom pogonskog naponskog vala. U drugom testu, odvodnik je podvrgnut dvama impulsima dane vršne vrijednosti i trajanja nakon čega odvodnik mora biti termi čki stabilan unatoč iznosu Uc.
16
Slika klase otprilike daje očekivanu apsorbiranu energiju u kJ/kV (U r) po impulsu. Kao što se vidi iz Tablice 4.2, ABB odvodnici su gra eni za vrlo veliku energetsku podnosivost. Tablica 4.2. Energetska podnosivost ABB odvodnika prenapona
Tip odvodnika Klasa odvodnika Energetska podnosivost prenapona prenapona kJ/kV (Ur) PEXLIM R PEXLIM Q PEXLIM P
2 3 4
5,5 7,8 12
Područ je primjene ≤170kV 170 – 420 kV 362 – 550 kV
Slika 4.4. ABB odvodnici prenapona PEXLIM R, PEXLIM Q i PEXLIM P
4.5. Primjena metal-oksidnih odvodnika prenapona na prijenosnim vodovima Kod klasičnih vodova atmosferski prijelazni prenaponi se ograni čavaju iskrištima. Glavna namjena je da se zaštiti površina izolatora od termi čkih naprezanja i oštećenja. Eventualni kvar se može spriječiti automatskim ponovnim uklopom (APU). Ipak taj manevar nije uvijek uspješan, a i opterećenja prekidača, transformatora i ostalih ureaja su dosta 17
velika. Puno bolje rešenje je ugradnja odvodnika prenapona. Tim na činom danas se puno puta rješava pouzdanost rada kritičnih nadzemnih vodova. Djelovanje odvodnika prenapona se bitno razlikuje od djelovanja iskrišta u tome, da se poslije prorade struja ograniči (manja je od kratkospojne) a potom se sama prekida. Kod odvodnika sa iskrištima i SiC nelinearnim otporima to se dogodi kod prelaska struje preko nule ili malo prije. Metal oksidni odvodnici u tom pogledu još su superiorniji. Struja traje samo za vrijeme prenapona a potom odmah se prekida.
Slika 4.5. Primjena odvodnika prenapona u postrojenjima i na vodovima
Linijski odvodnici su se prvi put primijenili na 66 kV i 77 kV vodovima 1980. godine u Japanu i na 138 kV vodovima 1982. godine u SAD-u, a sada se primjenjuju na sustavima do 500 kV. Tijekom zadnjih dvadesetak godina provode se zna čajna istraživanja vezana za primjenu linijskih odvodnika prenapona (LOP) za koordinaciju izolacije nadzemnih vodova. Zbog dobrih karakteristika metal-oksidnih blokova, odvodnici prenapona su korišteni kao zaštitna oprema u elektroenergetskom sustavu u cilju unapreenja pouzdanosti rada sustava. Iako su i linijski odvodnici prenapona izloženi pove ćanom naprezanju a time i oštećenjima, njihovom ugradnjom umanjuje se rizik kvara ostalih komponenti nadzemnih vodova uz smanjenje ukupnih troškova izgradnje i održavanja vodova.
18
Izvedba metal-oksidnih odvodnika prenapona sa polimernim ku ćištem osigurava korisnicima nove mogućnosti zaštite prijenosnih vodova i postrojenja od prenapona. Koncept primjene linijskih odvodnika prenapona na dalekovodima nije nov, ali je u prošlosti bio ograničen u primjeni zbog složenosti i troškova ugradnje linijskih odvodnika sa teškim porculanskim kućištem. Ovaj je problem umnogome riješen izvedbom linijskih odvodnika prenapona sa polimernim kućištem. Odvodnici prenapona sa polimernim ku ćištem imaju znatno manju težinu (manje od polovine) od težine ekvivalentnih odvodnika prenapona sa porculanskim ku ćištem, i na taj način osiguravaju manja mehani čka naprezanja konstrukcije stupova i osiguravaju lakše rukovanje prilikom ugradnje i zamjene. Obi čno se linijski odvodnici prenapona mogu ugraivati na postojeće stupove bez dodatnih oja čanja konstrukcije stupa. Višegodišnja iskustva pokazuju da su linijski odvodnici prenapona otporniji na prodiranje vlage u unutrašnjost od ekvivalentnih odvodnika prenapona sa porculanskim ku ćištima, i na taj način minimiziraju jedan od najčešćih uzroka kvarova odvodnika prenapona. I u slu čaju kvara unutar kućišta linijskih odvodnika prenapona, posljedice nisu opasne kao kod porculanskih kućišta koja pri unutarnjim kvarovima mogu dovesti do razaraju ćih posljedica po okolnu opremu i ljude. To se postiže odgovaraju ćim dizajniranjem ojačanja metal-oksidnih blokova i njihovog direktnog moduliranja unutar polimernog ku ćišta, pri čemu se onemogućuje nastanak unutarnjih parcijalnih pražnjenja. Linijski odvodnici prenapona sa polimernim ku ćištima primjenjuju se za poboljšanje preskočnih karakteristika vodova s obzirom na atmosferska pražnjenja, kao i za izbjegavanje istovremenih dvostrukih ispada vodova sa dva sustava. Zna čajna je takoer njihova primjena kod kompaktiranja voda, odnosno podizanja naponskog nivoa postoje ćih vodova.
4.6. Opći radni principi linijskog odvodnika prenapona Na prijenosnim vodovima sa ugra enim linijskim odvodnicima prenapona, struja munje teče kroz odvodnik zbog pove ćanja napona na odvodniku uzrokovanog atmosferskim pražnjenjem u stup, zaštitni vodi či ili u fazne vodi če. Odvodnik se sastoji od metal-oksidnih elemenata koji imaju izvrsne nelinearne strujno-naponske (I-U) karakteristike. Kada je narinuti napon nizak, samo vrlo mala struja može teći kroz elemente odvodnika zbog njihovih visokih otpornosti. Sa porastom narinutog napona, elementi odvodnika provode veliku struju 19
zbog njihovog smanjenog otpora. Kao rezultat, napon kroz odvodnik ne dostiže probojni napon izolatorskog lanca i neće se pojaviti preskok. Važan element odvodnika prenapona je visoko nelinearni, naponski ovisan otpornik, nazvan varistor. Varistorski elementi su spojeni u seriju tako da imaju veliku impedanciju na nazivnom naponu sustavu, ali mnogo manju otpornost pri prenaponima. Njihova zada ća je i da ograni če prateće struje nazivne frekvencije koje se javljaju i koje se u pravilu moraju gasiti djelovanjem APU-a. Razvijena su dva tipa linijskog odvodnika prenapona. Prvi tip je odvodnik prenapona sa vanjskim iskrištem a drugi tip je odvodnik prenapona bez iskrišta. Osnovni zahtjevi ku ćišta odvodnika su da mora sadržavati metal-oksidne elemente i mora o čuvati mehanizam sigurnosnog pritiska u trenutku kvara uslijed pogrešne funkcije odvodnika. Tako er, on mora imati dovoljno mehani čke čvrstoće uzimajući u obzir mehani čka naprezanja za vrijeme rada.
4.7. Linijski odvodnik prenapona sa vanjskim iskrištem U slučaju pojave prenapona u mreži koja nema instaliran linijski odvodnik prenapona, uslijed atmosferskih pražnjenja, tendencija nastanka električnog luka je uvijek na jednom mjestu tj. u blizini jednog od izolatora duž voda. Ova pojava može dovesti do termi čkog uništenja izolatora vodiča i pada vodiča na zemlju, što može uzrokovati zna čajne prekide u opskrbi potrošača električnom energijom ali i realnu opasnost za društvo.
Slika 4.6. Linijski odvodnik prenapona sa vanjskim iskrištem
Sustav linijskog odvodnika prenapona sa zaštitnim iskrištem odvodi struju atmosferskih pražnjenja u zemlju, sprječavajući tako preskoke na izolatorima i zaustavljajući istovremenu struju visoke energije uzrokovanu pogonskom frekvencijom. 20
Ovi ureaji sadrže metal-oksidne otporničke elemente i serijski spojeno vanjsko iskrište kako bi u normalnom pogonu otporni čki elementi bili izolirani od mreže. Linijski odvodnici prenapona se montiraju neposredno pored izolatora. Serijsko iskrište se tako er prilagoava konkretnom slučaju ugradnje uz pomo ć specijalno oblikovanih elektroda, različitih nosača te standardnih strujnih stezaljki. •
Prenaponska zaštita realizirana pomoću iskrišta.
Slika 4.6. Zaštitno iskrište
U slučaju atmosferskog prenapona, iskrište drži električni luk podalje od izolatorskog lanca i tako ga štiti, no prorada iskrišta izaziva trajno isključenje voda. •
Prenaponska zaštita realizirana pomoću metal-oksidnog odvodnika prenapona spojenog u seriju sa iskrištem.
Slika 4.7. Linijski odvodnik prenapona sa zaštitnim iskrištem
Metal-oksidni otpornički elementi zaustavljaju protjecanje struje unutar polovice periode napona pogonske frekvencije i to ve ć prije prolaza napona kroz prirodnu nulu tako da ostane dovoljno vremena za uspostavljanje naponske čvrstoće izmeu elektroda iskrišta, sprječavajući tako isključenje voda. 21
Veličina zračnog raspora se odreuje pomoću dva pokusa. Prvo se najve ća moguća veličina raspora se odreuje pomoću testnog atmosferskog prenapona. Zatim se provodi testiranje za najmanju moguću veličinu raspora, tako da se odredi veli čina kod koje iskrište neće proraditi u slučaju privremenih povišenja napona i sklopnih prenapona. Kona čno, odgovarajuća veličina zračnog raspora se nalazi izmeu dvije dobivene vrijednosti.
4.8. Linijski odvodnik prenapona bez vanjskog iskrišta Najpoznatiji svjetski proizvoač odvodnika prenapona ABB u svojoj ponudi ima i linijske odvodnike prenapona pod nazivom Pexlink.
Slika 4.8. ABB linijski odvodnik prenapona bez iskrišta Pexlink
Glavni dio ovih odvodnika jest ve ć od prije ponueno tijelo standardnog Pexlim metaloksidnog odvodnika prenapona. Ti odvodnici prenapona se ve ć dugi niz godina upotrebljavaju za zaštitu postrojenja i opreme, te su se pokazali kao iznimno pouzdani. Zbog svoje male težine omogućena je njihova ugradnja na nadzemne vodove. Nepromijenjena osnovna filozofija ujedno je omogu ćila jeftiniju proizvodnju novih Pexlink linijskih odvodnika prenapona.
22
Osim ranije spomenutih Pexlim Q, Pexlim R i Pexlim P odvodnika prenapona, za vrlo visoke naponske nivoe, na podru č jima sa vrlo velikim brojem grmljavinskih dana te na područ jima sa visokim otporima uzemljenja koriste se HS Pexlim P-T i HS Pexlim T-T odvodnici prenapona prikazani na Slici 4.9.
HS Pexlim T-T Najviši napon pripadne mreže (Um)
245-800 kV
Nazivni napon odvodnika prenapona (U r)
180-624 kV
Energetska podnosivost odvodnika prenapona
Klasa 5 15,4 kJ/kV (Ur)
Nazivna odvodna struja
20 kA
Slika 4.9. ABB HS Pexlim T-T odvodnik prenapona i njegovi osnovni podatci
Slika 4.10. Dalekovod sa ugra enim linijskim odvodnicima prenapona ABB Pexlink
23
Ranije spomenuti linijski odvodnici prenapona sa vanjskim iskrištem, u slu čaju nepravilnosti unutar metal-oksidnih varistora, ne utje ču na rad dalekovoda jer su serijskim iskrištem odvojeni od voda. Kod linijskih odvodnika prenapona bez iskrišta taj problem je riješen pomoću posebnog ureaja za odvajanje koji je u ve ćini slučajeva smješten na dnu odvodnika odnosno na spoju sa kabelom za uzemljenje. Njegov zadatak jest da odvoji odvodnik od voda u slu čaju kvara na samom odvodniku i svojim položajem signalizira da je došlo do kvara i da treba izvršiti zamjenu ili popravak odvodnika. Kod Tyco odvodnika prenapona namijenjenih za ugradnju na niskonaponske vodove, ugraena odvojna naprava odvaja odvodnik od mreže ako se pojavi preoptere ćenje uzrokovano npr. bliskim udarom munje ili nedopuštenim pove ćanjem napona u mreži. U slučaju da se to dogodi, zaštitna pločica na donjoj strani odvodnika isko či iz svog položaja i ostaje visjeti na žici. Spoj sa uzemljenjem pri tome ostaje u sigurnom položaju. Ovim rješenjem je osigurano da kada odvojna naprava jednom proradi, veza sa uzemljenjem ne može dotaknuti aktivne dijelove mreže koji su pod naponom.
Slika 4.11. Tyco linijski odvodnik prenapona za zaštitu NN vodova – djelovanje naprave za odvajanje i identifikaciju
Zaštitna pločica je velika i s unutarnje strane reflektirajuće crvena, tako da je neispravni odvodnik jednostavno uo čiti sa zemlje.
Svi priključci na odvodniku izra eni su od
nehrajućeg čelika i spajaju se na aluminij ili bakar bez problema sa korozijom. 24
Na Slici 4.12 grafi čki je prikazana opasnost od povratnog preskoka, pri udaru munje u dalekovodni stup broj 5, zbog velikog otpora uzemljenja. Vidljivo je da iznos prenapona, koji je ozna čen crvenom linijom, raste mnogo iznad probojne čvrstoće izolatora. Posljedica svega jest prorada prekidača i privremeni prekid opskrbe potroša ča.
Slika 4.12. Ponašanje vodova pri udaru munje u toranj broj 5 kad nisu ugra eni linijski odvodnici prenapona
U slučaju kada su odvodnici ugra eni na sve dalekovode promatranog podru č ja, prilikom atmosferskog pražnjenja, iznos prenapona se zadržava na vrijednosti koja je dosta ispod probojne čvrstoće izolatora, što je prikazano na Slici 4.13.
Slika 4.13. Ponašanje vodova pri udaru munje u toranj broj 5 kad su linijski odvodnici prenapona ugra en u svih 9 tornjeva
25
Slika 4.14. Nač ini ugradnje linijskih odvodnika prenapona na stupove dalekovoda
26
4.9. Usporedba u činkovitosti dviju vrsta linijskih odvodnika prenapona Glavna prednost linijskih odvodnika prenapona sa vanjskim iskrištem, u odnosu na odvodnike bez vanjskog iskrišta, je u tome što nisu konstantno spojeni na radni napon mreže. Zbog tog razloga smatra se da će se pokazati kao trajniji. Zaštitno iskrište omogućava proradu odvodnika samo u slučaju atmosferskih prenapona i ne koriste se za ograničavanje sklopnih prenapona te na taj na čin reduciraju nepotrebne operacije linijskog odvodnika prenapona. Takoer, ovi odvodnici prenapona ne predstavljaju opasnost za osoblje koje održava vodove jer odvodnici nisu pod naponom. Kao glavna prednost linijskih odvodnika prenapona bez iskrišta navodi se niža cijena i lakoća ugradnje, zbog toga što nisu potrebni nikakvi prora čuni veličine zračnog raspora izmeu iskrišta i odvodnika prenapona. Održavanje tog raspora tijekom višegodišnjeg razdoblja može biti veoma velik problem, posebno u vjetrovitim podru č jima i područ jima sa mnogo snježnih oborina čije naslage mogu smanjiti zračni raspor. U Japanu je napravljeno istraživanje sa svrhom usporedbe kvalitete dvaju tipova linijskih odvodnika prenapona. Iz tablice se može zaklju čiti da ne postoji bitna razlika u presko čnim karakteristikama voda za slučajeve ugradnje linijskih odvodnika prenapona sa i bez serijskog zaštitnog iskrišta. Tablično su prikazana testiranja dvaju vrsta odvodnika prenapona koji su bili ugraeni za prvi slučaj u jednoj fazi, a za drugi slučaj u dvije faze dalekovoda.
Tablica 4.3. Preskoč ne karakteristike voda za slu č ajeve ugradnje LOP-a sa i bez vanjskog serijskog iskrišta i otpora uzemljenja. Odvodnici su ugra eni na svakom stupu.
R(Ω)
10 20 30 40 60 80
Bez iskrišta 1,12 5,52 10,52 15,07 24,91 34,23
Sa iskrištem 1,12 5,30 10,74 15,66 26,03 35,95
Bez iskrišta 0,30 1,72 4,25 7,09 12,16 15,96
Sa iskrištem 0,30 1,57 4,33 7,01 11,86 17,01
■ –sa LOP-om; – bez LOP-a;
27
5. PRORAČUN UDARA MUNJE U VOD POMOĆU PROGRAMA ATP-EMTP 5.1. ATP-EMTP programski paket ATP (Alternative Transients Program) – EMTP (Electromagnetic Transients Program) se smatra jednim od najkorištenijih programa za digitalnu simulaciju elektromagnetskih i elektromehaničkih prijelaznih pojava. Prvotno ga je razvio Dr. Hermann Dommel kasnih 1960-tih. Konstantno se razvija uz internacionalnu potporu zadnjih 20 godina, koordinirano od EMTP Kanadsko-Ameri čke udruge korisnika. Zajedno s drugim programima (ATPDraw, Plot XY i drugi) on čini osnovu za mo ćnu simulaciju prijelaznih pojava u elektroenergetskom sustavu.
Slika 5.1. Korisnič ko suč elje programa ATPDraw i ZnO odvodnik prenapona modeliran nelinearnim otpornikom Type-92
ATPDraw za Windows je grafi čki predprocesor za ATP verziju programa EMTP. ATPDraw omogu ćava kreiranje i editiranje modela elektri čne mreže koji
će
biti
simuliran programom ATP. Korisnik može u programu formirati elektri čni krug, odabiranjem odgovaraju ćih prethodno definiranih komponenti. Predprocesor kreira odgovaraju ću ulaznu datoteku za program ATP, dodjeljuju ći automatski odgovaraju ći format. Program ATDraw automatski numerira čvorove u krugu.
28
Takoer, postoji mogu ćnost da korisnik kreira vlastite elemente elektri čnog kruga koriste ći Data Base Module. Prora čuni se mogu izvršiti u slu čajevima kako jednopolnih tako i tropolnih ekvivalentnih shema. Programski paket ATP je namijenjen numeri čkoj simulaciji elektromagnetnih i elektromehaničkih prolaznih procesa u elektroenergetskom sistemu. Ovaj program proračunava
vremensku
promjenu
varijabli
u
elektroenergetskom
sistemu.
Za
rješavanje diferencijalnih jednadžbi koristi trapezno pravilo. Program ATP sadrži modele rotacionih strojeva, transformatora, odvodnika prenapona, prijenosnih vodova i kabela. Ovim programom je mogu će simulirati kompleksnu mrežu proizvoljne strukture. Tako er, mogu će je izvršiti analizu sistema upravljanja, opreme energetske elektronike i komponenti sa nelinearnim karakteristikama, kao što su luk i korona. Razmatranje simetri čnih i nesimetričnih režima rada izazvanih kvarovima, prenaponima atmosferskog porijekla ili sklopnim prenaponima se može izvrši ti primjen om ovog programskog paketa.
5.2. Problematika udara munje u vod Udar munje u zaštitno uže ili fazni vodi č, može prouzročiti povratni preskok ako vrijednost prenapona prekorači probojnu čvrstoću izolatora. Struja udara inducira napone u faznom vodiču. Naponi inducirani u faznom vodi ču su funkcija vremena, otpora uzemljenja i geometrije konstrukcije. Naponski udar na izolator dalekovoda je jednak razlici izmeu napona konstrukcije na spoju sa izolatorom i induciranog napona u faznom vodi ču. Ako naponski udar na izolatoru prekorači probojnu čvrstoću izolatora, dogodit će se preskok. Rezultirajući povratni preskok je karakteriziran veoma visokim porastom. Postoji dokaz da ovakvi valovi mogu biti odgovorni za kvarove transformatora unato č instaliranim odvodnicima prenapona u samim postrojenjima. Metal-oksidni odvodnici prenapona se priklju čuju paralelno izolatorima. Oni ograničavaju iznos prenapona na izolatoru tako što postanu vodljivi pri pojavi napona manjeg iznosa od iznosa probojne čvrstoće izolatora. Nakon što je odvodnik uspješno otpustio atmosferski prenapona, napon na odvodniku se vra ća u vod-zemlja vrijednost. Odvodnik je u stanju voenja samo za vrijeme trajanja atmosferskog pražnjenja. Ovaj doga aj je prekratkog 29
trajanja da bi ga detektirali zaštitni releji. Zbog toga, djelovanje linijskih odvodnika prenapona neće rezultirati prekidom. Udari u fazni vodi č su ograni čeni veličinom najveće struje u slučaju neuspjelog štićenja zaštitnim vodom, koja je za prosječni vod izmeu 5 i 15 kA. Energija ispražnjena kroz odvodnik je unutar energetskih sposobnosti samog odvodnika prenapona. Prekidi zbog udara munje postaju glavni problem za distribuciju elektri čne energije. Upotreba linijskih odvodnika prenapona doprinosi zna čajnom napretku u poboljšanju naponskih prilika nego što je to samo u slu čaju štićenja zaštitnom užadi. Upotreba odvodnika prenapona na postoje ćim dalekovodima štićenim zaštitnim užetom sa visokim otporima uzemljenja može smanjiti prekide uzrokovane atmosferskim pražnjenjima. Simulacijom pomoću programa ATP-EMTP prikazan je pozitivan utjecaj upotrebe odvodnika prenapona na vodovima.
5.3. Proces simulacije Najjednostavniji model odvodnika prenapona prikazan je na Slici 5.2. Glavni nedostatak ovakvog modela odvodnika jest taj da njegovi parametri moraju biti prilago eni za svaki oblik i veličinu vala prenapona.
Slika 5.2. Fizič ki model ZnO varistora
30
IEEE (Radna Grupa 3.4.11) predložila je frekventno-ovisni model sa dva nelinearna otpornika, prikazan na Slici 5 .3 IEEE model je najprihva ćeniji model varistora i korišten je u ATPDraw-u.
Slika 5.3. Model ZnO odvodnika prenapona predložen od IEEE R dne Grupe 3.4.11
Ovaj model uzima u ob ir različite zastoje u mehanizmu vo enja pri različitim čelima vala prenapona. Nelinearni el menti A0 i A1 su odvojeni sa R-L filtrom, k ji osigurava visoku impedanciju za brze prenap ne. Značajke A0 i A1 su definirane u rel tivnim jedinicama, prema nazivnom naponu varis tora. Za prenapone dugotrajn g čela, filtar ima nisku impedanciju i ele enti A0 i A1 su u paraleli. Za prenapone brzog ela, element A1 je blokiran i struja te če sa o kroz element A0. Kako su zna čajke A0 više od A1, metal-oksidni varistor osigurava viši napon nego za spori val. Induktivitet L0 predstavlja indukivitet strujne staze kroz odvodnik, takoer prikazan u fizičkom modelu. Zada ća otp ra je da osigura konvergenciju u numeri čki
simulacijama.
31
Slika 5.4. Poč etni model analiziranog kruga
Zračni vodovi su predstavljeni modelom raspore enih parametara, upotrebljavajući JMARTI frekventno ovisni model koji je op će prihvaćen model za izučavanje prijelaznih procesa. Transformatori su predstavljeni BCTRAN modelom sa parametrima utvr enim na stvarnim podatcima i proračunima. Kao primjer, analiziran je realni krug prikazan kao ATP model na Slici 5.4. Ovo je početni model i proširen je linijskim odvodnicima prenapona što se vidi na Slici 5.5.
Slika 5.5. Model analiziranog kruga sa ugra enim linijskim odvodnicima prenapona
32
Rezultati prikazani na Slici 5.6 i Slici 5.7 pokazuju redukciju iznosa prenaponskih udara zbog primjene linijskih odvodnika prenapona.
Slika 5.6. Rezultati simulacije za sustav bez linijskih odvodnika prenapona
Slika 5.7. Rezultati simulacije za sustav sa linijskim odvodnicima prenapona
Iz rezultata simulacije, jasno je vidljivo da je znatno snižena vrijednost prenaponskih udara, koja je u slučaju kada nisu korišteni odvodnici iznosila više od 350 kV. Nakon ugradnje linijskih odvodnika, vrijednost prenaponskih udara nije iznosila više od 70 kV.
33
6. ISKUSTVA U PRIMJENI LINIJSKIH ODVODNIKA PRENAPONA U SVIJETU I REPUBLICI HRVATSKOJ Primjena odvodnika prenapona sa polimernim ku ćištem za poboljšanje prenaponskih karakteristika visokonaponskih vodova intenzivira se u zadnjih nekoliko godina. Najve ći broj ovakvih ureaja u upotrebi je u SAD-u, Japanu, Kanadi, Brazilu, Meksiku, a velike elektroprivrede u Europi takoer primjenjuju ovakvu vrstu zaštite. Skoro pola od 30 najve ćih korisnika u USA, i preko 90 korisnika ukupno, ugradili su odvodnike na vodove od 69 kV do 230 kV. Veliki postotak primjene je u jugoisto čnom područ ju SAD-a gdje je najveća učestalost atmosferskih pražnjenja.
6.1. Primjena linijskih odvodnika prenapona u Brazilu Najveći brazilski proizvoač linijskih odvodnika prenapona, tvrtka Balestro, je razvila linijske odvodnike prenapona bez iskrišta i ti odvodnici se koriste na ve ćini prijenosnih vodova u Brazilu. U suradnji sa glavnom elektroenergetskom tvrtkom u državi – CEMIG, ugraeni su odvodnici prenapona na brojne prijenosne vodove i izvršeno je ispitivanje njihove učinkovitosti. Tijekom testiranja CEMIG je ugradio 81 Balestro linijski odvodnik prenapona na problematične 35 kV vodove, 34 odvodnika na 69 kV vodove, te 265 odvodnika na 138 kV vodove, a rezultati istraživanja prikazani su u Tablici 6.1.
Slika 6.1. Linijski odvodnik prenapona brazilskog proizvo ač a Balestro
34
Tablica 6.1. Poboljšanje karakteristika dalekovoda na vodovima s ugra enim odvodnicima
Prijenosni vod
Napon (kV)
Duljina (km)
Godina ugradnje
Diamantina – 34,5 31,6 1996 Gouveia Ouro Preto 1 – 138 66,5 1997 Ponte nova Ouro Preto 2 – Mariana 1 / 138 38,9 1998 Samarco / Alegria Ituntinga 138 44,6 1998 Minduri Peti Sabara 69 61,1 1998 Itutinga – Tres 138 87,1 1999 coracoes 2 Araxa – Jaguara 138 60,9 2006 Monte Siao – 138 30,7 2007 Ouro fino KV = broj kvarova/100km/godina zbog munje
KV prije ugradnje
KV – srednje vrijednosti tijekom zadnjih 5 godina
155,06
44,30
30,87
6,32
40,94
1,03
19,40
3,59
43,64
5,24
16,2
1,61
24,0
4,30
25,0
6,50
6.2. Primjena linijskih odvodnika prenapona u Japanu Većina linijskih odvodnika u Japanu su polimernog ku ćišta sa vanjskim iskrištem. Klasificiranjem u tipove instaliranja, 97 % odvodnika u pogonu ugra eno je na tri faze jednog kruga stupova sa dvostrukim sustavom da bi se sprije čili istovremeni kvarovi dvostrukih sustava koji mogu rezultirati prestankom napajanja energijom. U nekim slu čajevima odvodnici su ugraeni na sve stupove voda sa svrhom potpune zaštite kvarova dvostrukih sustava kao i jednostrukih sustava. U rijetkim slu čajevima, odvodnici su ugra eni na neke stupove, odabirući područ ja na osnovu prethodno registriranih kvarova voda, sa ciljem efikasnog smanjenja broja kvarova voda uključujući kvarove dvostrukih sustava. U slučajevima gdje su vodovi bili dobro zašti ćeni zaštitnom užadi ali slabo uzemljeni, odvodnici su mnogo češće smještani na najnižu fazu koja ima najviši potencijal za povratni preskok u slučaju atmosferskih pražnjenja u zaštitni vodi č. U nekim slučajevima, za najveću efikasnost, odvodnici su bili ugra eni na svaku fazu svakog stupa. U dva slu čaja 115 kV vodova u kojima su sve faze i svi stupovi zašti ćeni, nisu doživljeni ispadi uslijed atmosferskih pražnjenja niti kvarovi odvodnika skoro 4 godine od instaliranja.
35
Analizirana je ugradnja linijskih odvodnika prenapona na 63 kV i 90 kV vodove sa zaštitnim vodičima, koje su izložene atmosferskim pražnjenjima velike energije. Srednji broj pražnjenja u tom podru č ju iznosi 2.8 udara/km 2 u godini. U tablici 6.2. prikazani su rezultati za 90 kV vod sa zaštitnim vodi čima, dok su rezultati za 63 kV vod sa zaštitnim vodi čem prikazani u tablici 6.3. Tablica 6.2. Performanse voda na atmosferska pražnjenja 90 kV voda sa zaštitnim vodi č em (broj preskoka na 100km/godišnje)
R(Ω) 5 10 15 20 30 40 50 60
0,91 2,82 5,27 8,09 13,21 17,96 22,65 26,27
■ – LOP na svakom stupu;
0,11 0,33 0,91 1,98 3,44 5,82 7,83 9,70
0,37 1,14 2,86 4,21 7,95 11,05 13,88 16,08
0,55 1,76 3,43 5,53 9,87 13,55 16,76 19,69
LOP na svakom drugom stupu;
Tablica 6.3. Performanse voda na atmosferska pražnjenja 63 kV linije sa zaštitnim vodič em (broj preskoka na 100km/godišnje)
R(Ω) 5 3,26 10 6,41 15 10,76 20 14,94 30 22,11 40 28,08 50 31,30 60 33,06 ■ – LOP na svakom stupu;
0,48 1,39 1,50 3,65 3,04 6,45 4,98 9,29 8,31 14,56 11,86 18,04 14,83 20,88 17,54 23,17 LOP na svakom drugom stupu;
2,09 4,30 7,64 11,36 17,16 21,82 25,77 28,56
U tablici 6.4. prikazani su rezultati za 90 kV vod bez zaštitnog vodi ča, dok su odgovarajući rezultati za 63 kV vod bez zaštitnog vodi ča prikazani u Tablici 6.5. 36
Tablica 6.4. Performanse voda na atmosferska pražnjenja 90 kV voda bez zaštitnog vodi č a (broj preskoka na 100km/godišnje)
R(Ω) 5 10 15 20 30 40 50 60
13,31 18,18 22,41 28,22 34,71 35,29 35,68 35,90
■ – LOP na svakom stupu;
3,97 7,40 11,94 15,55 22,01 25,44 26,84 28,30
0,51 2,35 4,91 7,40 12,45 16,27 19,34 21,40
3,85 6,04 9,17 12,52 17,78 21,58 23,63 24,75
LOP na svakom drugom stupu;
Tablica 6.5. Performanse voda na atmosferska pražnjenja 63 kV voda bez zaštitnog vodi č a (broj preskoka na 100km/godišnje)
R(Ω)
5 10 15 20 30 40 50 60
17,21 24,90 30,02 33,84 35,47 35,90 35,97 36,04
■ – LOP na svakom stupu;
7,29 12,74 18,87 23,06 26,74 28,32 29,77 31,43
2,24 5,85 10,17 13,78 19,66 22,59 24,90 26,12
6,06 10,28 15,18 19,18 23,77 25,56 26,92 28,11
LOP na svakom drugom stupu;
Sa ugraenim odvodnikom na najnižoj fazi (najnepovoljniji faktor me usobnog utjecaja izmeu zaštitnog vodiča i faznog vodiča), većina povratnih preskoka se dogodi na tom vodi ču. Osim toga, odvodnik prenosi na ovaj vodi č visoki potencijal vrha stupa čime se poboljšavaju meusobni utjecaji s vodičima bez ugraenih odvodnika. Za varijantu sa dva ugra ena odvodnika na donjem
i
srednjem
vodiču,
preskočne karakteristike su poboljšanje četiri puta u usporedbi sa varijantom bez ugraenih 37
linijskih odvodnika prenapona. Varijanta sa ugra enim odvodnicima na donjoj i gornjoj fazi daje najslabije rezultate, što se može vidjeti u tablici 6.6., te se preporu čuje jedna od prethodne dvije varijante. Tablica 6.6. Preskoč ne karakteristike voda u funkciji mjesta ugradnje LOP-a i otpora uzemljenja. Odvodnici su ugra eni na svakom stupu .
R(Ω) 10 20 30 40 60 80
1,79 9,55 16,86 24,84 41,02 52,51
1,12 5,52 10,52 15,07 24,91 34,23
0,30 1,72 4,25 7,09 12,16 15,96
0,60 3,21 6,04 10,29 17,90 23,79
■ –sa LOP; – bez LOP;
6.4. Primjena linijskih odvodnika prenapona u Republici Hrvatskoj Specifični otpor tla u mnogim podru č jima Republike Hrvatske je veoma visok, te prelazi vrijednost od 1000 Ωm.
Ωm.
Nisu rijetki slučajevi da ta veličina poprimi iznos od nekoliko tisu ća
Može se procijeniti da je oko 30 – 35 % teritorija Hrvatske locirano na terenima takvih
(nepovoljnih) karakteristika. Zbog toga je ispravno projektiranje i izvedba uzemljiva ča elektroenergetskih objekata od izuzetnog zna čaja. Osim toga veliki dio podru č ja pripada zonama sa 30 do 45 grmljavinskih dana godišnje, što se smatra velikom izloženošću utjecaju atmosferskih prenapona. Dalekovod 110 kV Ston – Komolac je podignut 1961. godine. Duga čak je 44 kilometra i sastoji se od 144 stupa, te je desetlje ćima jedini transportni put prema HE Dubrovnik. Tijekom ratnih razaranja, potkraj 1991. godine, bio je teško ošte ćen. Po završetku rata započela je revitalizacija ovog, u ratu pokrpanog, dalekovoda. Zamijenjeno mu je uže, izolacija i ovjesna oprema, te su istodobno sanirani stupovi, uzemljenja i povećana mu je prijenosna moć postavljanjem novog vodi ča. Meutim, poduzeti zahvati nisu dali željenu zaštitu dalekovodu koji prolazi podru č jem visoke izokerauničke razine. Upravo taj visoki otpor tla izazivao je česte ispade uslijed 38
atmosferskih pražnjenja koja su izazivala povratne preskoke. To potvr uju i podaci o prekidima u napajanju tijekom proteklih desetak godina od kojih je 2001. godina bila najgora sa čak 3449 minuta prekida. Potaknuti spoznajom da se za poboljšanje prenaponskih obilježja visokonaponskih vodova u razvijenim zemljama koriste odvodnici prenapona s polimernim ku ćištem, započela je ugradnja ovih ureaja na dalekovodu Ston – Komolac. Rad na ovom vodu trajao je samo 6 dana, a na ugradnji su radila 22 zaposlenika tvrtke Dalekovod i u tom relativno kratkom roku su uspjeli montirati čak 110 linijskih odvodnika prenapona bez vanjskog iskrišta, što dovoljno govori o jednostavnosti njihove primjene. Po jedan odvodnik je ugraen na donjoj fazi na 62 stupa i po dva odvodnika (po jedan na donjoj i srednjoj fazi) na 24 stupa.
Slika 6.2. Nač in ugradnje LOP-a na dalekovodu 110 kV Ston – Komolac
Rezultati ispitivanja učinkovitosti instaliranih odvodnika prenapona još nisu poznati ali se očekuju rezultati dobiveni računalnom simulacijom prema Tablici 6.7.
39
Tablica 6.7. Oč ekivane performanse voda 110 kV Ston - Komolac na atmosferska pražnjenja (broj preskoka na 100km/godišnje), u ovisnosti o mjestu ugradnje LOP-a i otpora uzemljenja
R(Ω) 10 20 30 40 50 60 70
3,4 17,22 34,05 52,89 68,39 77,7 84,95
1,11 9,97 21,29 33,83 46,15 56,96 64,55
0,39 3,9 9,92 16,38 32,35 30,71 37,12
■ –sa LOP; – bez LOP;
6.3. Zaklju čci na temelju iskustava u primjeni linijskih odvodnika prenapona Na osnovi provedenih istraživanja i svjetskih iskustava o primjeni linijskih odvodnika prenapona kao zaštite od atmosferskih prenapona na prijenosnim vodovima, vidljivo je da je korištenje linijskih odvodnika prenapona veoma rašireno u mnogim zemljama. Prema njihovim iskustvima može se zaključiti slijedeće: •
linijski odvodnici prenapona mogu ograni čiti napon na nivo ispod iznosa presko čnog napona za odreeni izolator,
•
ovisno o količini u kojoj se ugrauju na dalekovod mogu eliminirati prekide prouzrokovane preskokom i do 100 %,
•
mogu se koristiti cijelom dužinom ili samo na kriti čnim dionicama dalekovoda,
•
mogu se koristiti i uz visoke otpore uzemljenja,
•
mogu se ugraditi na vodove sa zaštitnim vodi čem da bi eliminirali povratne preskoke uzrokovane slabim uzemljenjem,
•
eliminiraju ili bitno smanjuju broj prekida što rezultira manjim održavanjem uz ve ću pouzdanost,
•
mogu se koristiti kao dodatak i kao zamjena za zaštitni vodi č. Postavljanje samo u gornju fazu odgovara postavljanju zaštitnog vodi ča. U tom slučaju potreban je i kvalitetan otpor uzemljenja (Ruz<10Ω). 40
Prilikom neuspješnog zaklanjanja faznog vodi ča zaštitnim užetom, najveća naponska i energetska naprezanja su na mjestu atmosferskog pražnjenja i eksponencijalno opadaju sa rastojanjem od mjesta kvara. Prilikom atmosferskog pražnjenja u fazni vodič, ukoliko nisu ugra eni linijski odvodnici prenapona dolazi do preskoka na izolaciji. Ukoliko su odvodnici prenapona ugra eni, onda nema uvjeta za preskok izolacije. Apsorbirane energije kroz linijski odvodnik prenapona iznose za 400 kV dalekovode do 2.40 kJ/kV U r , za 220 kV dalekovode do 3.125 kJ/kV U r i za jednostruke 110 kV dalekovode 2.3 kJ/kV U r . Za 2x110 kV dalekovode sa zaštitnim užetom odvedene energije putem odvodnika prenapona iznose do 3.23 kJ/kV U r, odnosno u slu čaju bez zaštitnog užeta energije iznose do 9.20 kJ/kV U r. Promjenom parametara struje munje (veće amplitude i duže trajanje impulsa) prilikom neuspjelog zaklanjanja faznog vodi ča zaštitnim užetom, utvreno je da se odvedene energije kroz linijski odvodnik prenapona zna čajno povećavaju, te mogu dosti ći vrijednosti do 13.9 kJ/kV U r što zahtijeva ugradnju linijskih odvodnika prenapona ve ćih energetskih mogućnosti. Naponi pogoene faze na mjestu udara, pri neuspjelom zaklanjanju faznog vodi ča od strane zaštitnog užeta, veći su za veće vrijednosti otpora uzemljenja, odnosno opadaju sa smanjenjem impulsnog otpora uzemljenja. Energetska naprezanja linijskog odvodnika prenapona ve ća su za manje impulsne otpore uzemljenja stupova. Razlog je u tome što je za manje impulsne otpore uzemljenja ve ća struja kroz odvodnik, odnosno ve ća odvedena energija kroz odvodnik prenapona. Prilikom atmosferskog pražnjenja u stup, odnosno u zaštitno uže na 400, 220 i 110 kV voda dolazi do pojave preskoka izolacije kada se prije e granična vrijednost struje munje. Na primjer, kod 400 kV voda ve ć pri amplitudama struje munje veće od 60 kA preskok će nastati već pri impulsnim otporima uzemljenja od 25 Ω. Za slučaj atmosferskih pražnjenja u zaštitno uže, odnosno stup (povratni preskok), nastaju veća energetska naprezanja linijskog odvodnika prenapona prilikom udara u stupove sa većim impulsnim otporom uzemljenja. Razlog je u tome što ve ći otpor uzemljenja u odnosu na otpor stupa ne reflektira valove suprotnog polariteta upadnom impulsu, nego reflektira valove istog polariteta. Energetska naprezanja za impulsne otpore uzemljenja manje od otpora stupova nisu zna čajna.
41
Konkretno, u odnosu na 400 kV vodove sa referentnim impulsnim otporom uzemljenja R=50 Ω, povećanje odvedenih energija kroz linijski odvodnik prenapona iznosi 2.5, 3.8, 4.9, 5.9 i 6.7 puta, kako se impulsni otpor uzemljenja pove ćava 2, 3, 4, 5 i 6 puta. Smanjenje napona vrhova stupova u odnosu na pogo eni stup za impulsni otpor uzemljenja R=50 Ω, za prvi susjedni stup iznosi 34 % odnosno 51 % za drugi stup. Odvedene energije kroz linijski odvodnik prenapona su uglavnom u granicama odabranih odvodnika od 4.5 kJ/kV U r za očekivane vrijednosti amplituda struje munje uz izvedeno zaštitno uže. Provedene analize pokazuju da se ve ća energija očekuje kod vodova bez zaštitne užadi. U slučaju većih amplituda struja munje i dužeg trajanja impulsa, pogotovu za vodove bez zaštitne užadi, potrebno je ugraditi odvodnik ve ćih energetskih sposobnosti. Kod vodova sa dva sistema, linijski odvodnici prenapona ugra eni u jedan sistem i sve tri faze štite vod od dvostrukih ispada prilikom povratnog preskoka jer ugraeni linijski odvodnici prenapona efikasno štite sistem u koji su ugra eni od povratnih preskoka. Uvjeti uzemljenja i parametri struje munje značajni su za energetska naprezanja linijskog odvodnika prenapona, te je prilikom izbora energetskih sposobnosti odvodnika bitno njihovo poznavanje duž štićenih sekcija. Stupovi na oba kraja štićenih sekcija moraju imati male impulsne otpore uzemljenja radi sprječavanja preskoka na nezaštićenim sekcijama linije. Za slučaj neuspjelog štićenja faznog vodi ča zaštitnim užetom, najizloženija faza udaru munje je gornja faza (67 % od ukupnog broja udara) za vertikalni ili triangl raspored, odnosno vanjske faze za horizontalni raspored. Za slučaj povratnog preskoka za vertikalni ili triangl raspored, najugroženije su donja i srednja faza zbog slabijeg sprezanja izmeu zaštitnog užeta i donjeg faznog vodi ča. Na broj ispada linije najviše utječe otpor uzemljenja stupova. Kada se vrši variranje broja ugraenih linijskih odvodnika prenapona po stupu (manje od 3 odnosno 6), najefikasniju zaštitu pruža: •
LOP ugraen na dvije najniže faze (za vertikalni ili triangl raspored, odnosno vanjske faze za horizontalan raspored) svakog stupa,
•
LOP ugraen u najnižoj fazi svakog stupa za vertikalni ili triangl raspored,
•
LOP ugraen u sve tri faze svakog drugog stupa duž šti ćene sekcije.
42
7. ZAKLJUČAK Atmosferski prenaponi, uzrokovani udarima munje, postaju sve ve ći problem u elekrtoenergetskim sustavima i pridaje im se sve veća pažnja, posebno zbog zahtjeva potrošača za kvalitetnom i pouzdanom isporukom elektri čne energije. Klasični načini zaštite vodova od atmosferskih prenapona više nisu dovoljni. Posljednjih godina metal-oksidni odvodnici prenapona postali su jedan od najpouzdanijih načina zaštite od prenapona. Njihovim razvojem poboljšale su se performanse a cijena je postala pristupačna. Zbog niske težine modernih odvodnika prenapona, omogu ćena je njihova ugradnja na vodove, te su se i tamo pokazali kao pouzdana zaštita, u ovom slu čaju od atmosferskih prenapona. U svijetu su razvijena dva osnovna tipa odvodnika prenapona koji se ugra uju na vodove. To su linijski odvodnik prenapona bez iskrišta čija je primjena najraširenija u Japanu, i linijski odvodnik prenapona bez vanjskog iskrišta koji je svoje poklonike našao u ostatku svijeta. Istraživanja su pokazala da nema bitne razlike u efikasnosti štićenja vodova od atmosferskih prenapona izmeu te dvije vrste linijskih odvodnika prenapona. Rezultati primjene odvodnika prenapona, kako u svijetu tako i u Republici Hrvatskoj su impresivni. Pokazalo se da ovisno o koli čini u kojoj se ugra uju na dalekovod mogu eliminirati prekide prouzrokovane preskokom i do 100 %. Odvodnik prenapona, koji je u prethodnoj tehnološkoj generaciji (SiC) predstavljao najmanje pouzdani element mreže, pa čak i sam često predstavljao uzrok kvara, danas kao metal-oksidni odvodnik prenapona po
svojim tehničkim karakteristikama, pouzdanosti, gabaritima i cijeni, predstavlja ureaj koji se može masovno postavljati u električne mreže. Takoer treba reći da je njegova ugradnja, odnosno zamjena vrlo jednostavna, pa i sa strane održavanja ne predstavlja promjenu na gore. Kako je ovaj način zaštite nadzemnih vodova od atmosferskih pražnjenja relativno nov, može se očekivati još veći napredak na tom polju i mnogo ve ći broj odvodnika ugra enih na vodove širom svijeta.
43
LITERATURA [1] Uglešić, I.: “Tehnika visokog napona”, Zagreb, 2002. [2] Mišković, D.: “Decreasing backflashover numbers on medium voltage overhead lines located in regions with high soil resistivity“, CIGRÉ Colloquium; Application of line surge arresters in power distribution and transmission systems, Cavtat, 2008. [3] Jaroszewski, M.: “Modeling of overhead transmission lines with line surge arresters for lightning overvoltages“, CIGRÉ Colloquium; Application of line surge arresters in power distribution and transmission systems, Cavtat, 2008. [4] Dellallibera, A.: “Brazilian production development of class 2 polymeric surge arresters for transmission line application“, CIGRÉ Colloquium; Application of line surge arresters in power distribution and transmission systems, Cavtat, 2008. [5] Tsuge K.: “Lightning Protection of Overhead Transmission Lines with Surge Arresters Development of Line Arresters and the Technology in Japan“, CIGRÉ Colloquium; Application of line surge arresters in power distribution and transmission systems, Cavtat, 2008. [6] Nuić, S.: “Iskustva u primjeni metal-oksidnih odvodnika prenapona na nadzemnim visokonaponskim vodovima“, 7. savjetovanje HO CIGRÉ, Cavtat, 2005. [7] Santica, I.: “Izolacija u srednjenaponskim zračnim mrežama”, Energija 53/6, Zagreb, 2004. [8] Bošnjak, J.: “MO odvodnici prenapona za SN distributivne mreže”, Elektroenergetika, Zagreb, 2000. [9] Tyco Electronic: “Metaloksidni odvodnici prenapona, izbor i primjena u srednjenaponskim mrežama”, 2007. [10] ABB Buyers Guide: ″ High voltage surge arresters″ , Edition 6, 2008.
44
