HRVATSKA KOMORA INŽENJERA ELEKTROTEHNIKE
STRUČNI SEMINAR
ELEKTRIČNA POSTROJENJA NAZIVNIH IZMJENIČNIH NAPONA IZNAD 1 kV
Predavači: Prof. dr. sc. Ivo Uglešić, dipl. ing. Miroslav Křepela, dipl. ing.
2013.
Stručni seminar Hrvaske komore inženjera elektrotehnike:
ELEKTRIČNA POSTROJENJA NAZIVNIH IZMJENIČNIH NAPONA IZNAD 1 kV
Predavači: Prof.dr.sc. Ivo Uglešić, dipl.ing. Miroslav Křepela, dipl.ing.
Sadržaj:
1. 2.
3.
4. 5. 6.
7.
8.
Uvod Opće odredbe i temeljni zahtjevi 2.1. Način postupanja s neutralnom točkom 2.1.1. Izolirana neutralna točka 2.1.2. Rezonantno uzemljenje neutralne točke 2.1.3. Neutralna točka uzemljena preko velikog otpora 2.1.4. Neutralna točka uzemljena preko male impedancije 2.1.5. Posebni slučaj uzemljenja neutralne točke preko malog otpora 2.1.6. Kruto ili direktno uzemljena neutralna točka 2.2. Nazivne veličine i dimenzioniranje postrojenja 2.2.1. Nazivni naponi i stupnjevi izolacije 2.2.2. Nazivne struje i struje kratkog spoja 2.2.3. Nazivna frekvencija 2.2.4. Korona 2.2.5. Prenaponi 2.2.6. Harmonici 2.2.7. Mehanički zahtjevi 2.2.8. Klimatski uvjeti i uvjeti okoliša Električna izolacija 3.1. Plinoviti dielektrici 3.2. Kruti dielektrici 3.3. Unutarnja parcijalna izbijanja 3.4. Tekući dielektrici 3.5. Koordinacija izolacije 3.5.1. Klasična metoda koordinacije izolacije 3.5.2. Statističko – matematička metoda koordinacije izolacije Električna oprema i proizvodi Elektroenergetska postrojenja Sigurnosne mjere 6.1. Zaštita od izravnog dodira i sigurnost pri radu 6.2. Zaštita od neizravnog dodira 6.3. Zaštita od električnih lukova izazvanih kvarom 6.4. Zaštita od izravnih udara munje 6.5. Zaštita od požara 6.6. Elektromagnetska polja 6.6.1. Pregled i usporedba domaćih i stranih norma i propisa na području elektromagnetskog zračenja 6.6.2. Utjecaj polja na osoblje i opremu 6.6.3. Biofiziološki utjecaj elektromegnetskog polja pogonske frekvencije Sekundarni sustav upravljanja, zaštite i mjerenja te postrojenja pomoćnih napajanja 7.1. Sekundarni sustav upravljanja, zaštite i mjerenje 7.2. Postrojenja pomoćnih napajanja Uzemljivački sustavi 8.1. Specifični otpor tla 8.2. Vrste uzemljivača 8.2.1. Površinski uzemljivač 8.2.2. Štapni uzemljivač 8.2.3. Križni uzemljivač 8.2.4. Temeljni uzemljivač 8.2.5. Prstenasti uzemljivač 8.3. Naponi dodira i koraka 8.3.1. Napon dodira 8.3.2. Napon koraka LITERATURA
2
1. UVOD Elektroenergetska postrojenja nazivnih napona iznad 1 kV projektirana i građena u periodu od 1974. do 2010. godine morala su zadovoljavati zahtjeve propisane Pravilniku o tehničkim normativima za elektroenergetska postrojenja nazivnih napona iznad 1000 V (»Službeni list SFRJ« br. 4/74 i 13/78) [1] i ostalim tada važećim Pravilnicima. Navedeni Pravilnik u osnovi se je oslanjao na njemačku praksu, odnosno njemačke VDE norme i detaljno je obrađivao tehničke zahtjeve za elektroenergetska postrojenja, te definirao osnovne tehničke značajke i veličine potrebne za njihovo projektiranje i dimenzioniranje. U međuvremenu je, 2001. god., temeljem čl. 9. Zakona o normizaciji (»Narodne novine« br. 55/96) [2], Hrvatski zavod za norme (tada Državni zavod za normizaciju i mjeriteljstvo, DZNM), usvojio bez ikakvih preinaka europski dokument o usklađivanju Power installations exceeding 1 kV a.c. (HD 637 S1:1999) koja time postaje hrvatska norma Električna postrojenja nazivnih izmjeničnih napona iznad 1 kV (HRN HD 637 S1:2001) [3]. Hrvatski prijevod prvog izdanja ove norme DZNM je objavio ožujka 2002. S obzirom da se je nova hrvatska norma u dijelovima razlikovala od postojećih Pravilnika, isti su i dalje ostali na snazi, uz stav da se pri projektiranju i gradnji alternativno može koristiti nova hrvatska norma, ali ne u kombinaciji sa starim Pravilnicima, dakle ili nova norma ili stari Pravilnici. Novi Pravilnik o tehničkim zahtjevima za elektroenergetska postrojenja nazivnih izmjeničnih napona iznad 1 kV (u daljnjem tekstu Pravilnik) [4], koji se u pravilu oslanja na HRN HD 637 S1:2001 i ostale europske norme, donesen je 27.08.2010., a stupio je na snagu 14.09.2010., odnosno osam dana po objavljivanju u »Narodnim novinama« (čl. 76 Pravilnika). Stupanjem na snagu ovog Pravilnika prestali su važiti (čl. 73): •
Pravilnik o tehničkim normativima za elektroenergetska postrojenja nazivnog napona iznad 1000 V (»Službeni list SFRJ«, br. 4/74 i 13/78, članak 53. Zakona o normizaciji, »Narodne novine« br. 55/96 i članak 39. stavak 1. Zakona o tehničkim zahtjevima za proizvode i ocjenjivanju sukladnosti, »Narodne novine« br. 20/10);
•
Pravilnik o tehničkim normativima za zaštitu elektroenergetskih postrojenja od prenapona (»Službeni list SFRJ«, br. 7/71 i 44/76, članak 53. Zakona o normizaciji – »Narodne novine«, br. 55/96 i članak 39. stavak 1. Zakona o tehničkim zahtjevima za proizvode i ocjenjivanju sukladnosti – »Narodne novine, br. 20/10), u dijelu u kojem se to odnosi na elektroenergetska postrojenja prema odredbama ovoga Pravilnika;
•
Pravilnik o tehničkim mjerama za pogon i održavanje elektroenergetskih (»Službeni list SFRJ«, br. 19/68, članak 53. Zakona o normizaciji – »Narodne 55/96 i članak 39. stavak 1. Zakona o tehničkim zahtjevima za proizvode i sukladnosti – »Narodne novine«, br. 20/10), u dijelu u kojem se to elektroenergetska postrojenja prema odredbama ovoga Pravilnika.
postrojenja novine«, br. ocjenjivanju odnosi na
Unutar prijelaznog razdoblja od jedne godine (dakle do 14.09.2011.) od stupanja ovog Pravilnika na snagu, još su se iznimno mogli primjenjivati navedeni propisi stavljeni izvan snage (čl. 73). Važno je reći (čl. 74.) da se prvi redovni periodični pregled, mjerenje i ispitivanje postojećeg elektroenergetskog postrojenja i električne opreme koji su bili izvedeni temeljem gore navedenih, ranije važećih propisa, mora izvršiti u roku od četiri godine od zadnjeg dokumentiranog pregleda, mjerenja i ispitivanja. Pravilnik se u svemu poziva na važeće hrvatske norme (u daljnjem tekstu HRN), odnosno europske norme (u daljnjem tekstu EN i/ili IEC) prihvaćene kao HRN, pri čemu se iste primjenjuju u varijanti važećoj na dan njihove primjene (čl. 75). Popis norma koje se primjenjuju pri projektiranju, izvođenju radova, uporabi, pogonu i održavanju elektroenergetskih postrojenja dat je u Prilogu A Pravilnika, a popis norma koje se primjenjuju na električnu opremu nazivnih izmjeničnih napona iznad 1 kV u Prilogu B Pravilnika.
3
2. OPĆE ODREDBE I TEMELJNI TEHNIČKI ZAHTJEVI Pravilnik se primjenjuje pri projektiranju, građenju (izvođenju radova), uporabi, odnosno pogonu i održavanju elektroenergetskih postrojenja namijenjenih za proizvodnju, prijenos, distribuciju, opskrbu odnosno korištenje električne energije, te na njihovu pripadnu električnu opremu, instalacije i procese (čl. 2) i to (čl. 3): •
• •
•
stanice (rasklopna postrojenja) sa sklopnim uređajima, s ili bez transformatora, s pratećim sekundarnim sustavima upravljanja, zaštite, mjerenja i komunikacija, pomoćnim istosmjernim i izmjeničnim niskonaponskim postrojenjima za vlastitu potrošnju, te ostalim pripadnim električnim (sabirnice, uzemljenje, gromobrani i dr.) i građevinskim podsustavima, u zatvorenim i/ili otvorenim pogonskim prostorima u području proizvodnje, prijenosa, distribucije, opskrbe i/ili korištenja električne energije; elektroenergetska postrojenja na stupu – sklopni uređaji i/ili transformatori koji se nalaze izvan zatvorenog električnog pogonskog prostora; elektrane ili više elektrana na istoj lokaciji – elektroenergetsko postrojenje koje obuhvaća generatore i transformatore sa svim pripadajućim sklopnim uređajima i svim pomoćnim električnim sustavima (vidjeti i navedeno pod „stanice“); elektroenergetska postrojenja u industriji, poljoprivredi, trgovačkim i ostalim javnim građevinama, uključivo veze među zatvorenim električnim pogonskim prostorima i stanicama na istoj lokaciji, osim kad su te veze dio prijenosne ili distribucijske mreže.
Pravilnik se primjenjuje i na svu električnu opremu i građevinske dijelove koji su sastavni dio elektroenergetskog postrojenja (čl. 3). Pravilnik se ne primjenjuje na (čl. 4): • • • • • • • • •
nadzemne i kabelske vodove među odvojenim elektroenergetskim postrojenjima koji su dio prijenosne ili distribucijske mreže; sustave električne vuče, osim stanice koje napajaju sustave električne vuče; rudarsku opremu i postrojenja; instalacije za fluorescentna rasvjetna tijela; elektroenergetska postrojenja na brodovima i obalnim postrojenjima; elektrostatsku opremu; ispitna mjesta (ispitne stanice i laboratorije), osim na stanice koje ih napajaju; medicinsku opremu; konstruiranje tvornički izrađenih i tipski ispitanih sklopnih uređaja koji moraju udovoljiti zahtjevima posebnih norma, navedenih u Prilogu B Pravilnika.
Uz ispunjavanje zahtjeva ovog Pravilnika, moraju se ispunjavati i zahtjevi propisani posebnim zakonima i propisima iz područja prostornog uređenja i gradnje, proizvodnje, prijenosa, distribucije, opskrbe odnosno korištenja električne energije, sigurnosti i zdravlja pri radu, zaštite od požara te zahtjevi propisani drugim posebnim propisima u varijanti na dan njihove primjene, kao što su, ali ne isključivo: •
4
Zakon o prostornom uređenju i gradnji (NN 76/2007, 38/2009, 55/2011, 90/2011, 50/2012) o Pravilnik o kontroli projekata (NN 89/2000) o Pravilnik o nostrifikaciji projekata (NN 98/1999, 29/2003) o Pravilnik o sadržaju izjave projektanta o usklađenosti glavnog odnosno idejnog projekta s odredbama posebnih zakona i drugih propisa (NN98/1999) o Pravilnik o uvjetima i mjerilima za davanje suglasnosti za započinjanje obavljanja djelatnosti građenja (NN 89/2006, 139/2006) o Pravilnik o uvjetima i načinu vođenja građevinskog dnevnika (NN 6/2000) o Pravilnik o tehničkom pregledu građevine (NN 108/2004) o Pravilnik o načinu zatvaranja i označavanja zatvorenog gradilišta (NN 2/2005)
Pravilnik o stručnom ispitu te upotpunjavanju i usavršavanju znanja osoba koje obavljaju poslove prostornog uređenja i graditeljstva (NN 24/2008, 141/2009, 23/2011, 129/2011, 109/2012) o Tehnički propis o građevnim proizvodima (NN 33/2010) o Tehnički propis za sustave zaštite od djelovanja munje na građevinama (NN 87/2008, 33/2010) o Tehnički propis za niskonaponske električne instalacije (NN 5/2010) Zakon o arhitektonskim i inženjerskim poslovima i djelatnostima u prostornom uređenju i gradnji (NN 152/2008, 49/2011, 25/2013) o Pravilnik o suglasnosti za započinjanje obavljanja djelatnosti građenja (NN 43/2009 o Pravilnik o potrebnim znanjima iz područja upravljanja projektima (NN 45/2009) o Zakon o izmjenama i dopunama Zakona o arhitektonskim i inženjerskim poslovima i djelatnostima u prostornom uređenju i gradnji (NN 25/2013) Zakon o zaštiti okoliša (NN 110/2007) o Pravilnik o znaku zaštite okoliša (NN 70/2008, 81/2011) o Pravilnik o mjerama otklanjanja štete u okolišu i sanacijskim programima (NN 145/2008) o Pravilnik o načinu pečaćenja prostorija, prostora i sredstava za rad nadziranih osoba prema propisima o zaštiti okoliša (NN 23/2012) Zakon o zaštiti od požara (NN 92/2010) o Pravilnik o izradi procjene ugroženosti od požara i tehnološke eksplozije (NN 35/1994, 110/2005, 28/2010) o Pravilnik o sadržaju plana zaštite od požara i tehnoloških eksplozija (NN 35/1994, 55/1994) o Pravilnik o sustavima za dojavu požara (NN 56/1999) o Pravilnik o uvjetima za obavljanje ispitivanja stabilnih sustava za dojavu i gašenje požara (NN67/1996, 41/2003) o Pravilnik o stručnim ispitima u području zaštite od požara (NN 141/2011) o Pravilnik o sadržaju elaborata zaštite od požara (NN 51/2012) o Pravilnik o temeljnim zahtjevima za zaštitu od požara elektroenergetskih postrojenja i uređaja (NN 146/2005) o Pravilnik o hidrantskoj mreži za gašenje požara (NN 8/2006) o Pravilnik o razvrstavanju građevina, građevinskih dijelova i prostora u kategorije ugroženosti od požara (NN 62/1994, 32/1997) o Pravilnik o građevinama za koje nije potrebno ishoditi posebne uvjete građenja glede zaštite od požara (NN 35/1994) o Pravilnik o zahvatima u prostoru u postupcima donošenje procjene utjecaja zahvata na okoliš i utvrđivanja objedinjenih uvjeta zaštite okoliša u kojima Ministarstvo unutarnjih poslova odnosno nadležna policijska uprava ne sudjeluje u dijelu koji se odnosi na zaštitu od požara (NN 88/2011) o Pravilnik o održavanju i izboru vatrogasnih aparata (NN 35/1994, 55/1994, 103/1996, 130/2007) o Pravilnik o uvjetima za ispitivanje uvezenih uređaja za gašenje požara (NN 75/1994, 119/2007) o Pravilnik o uvjetima za vatrogasne pristupe (NN 35/1994, 55/1994, 142/2003) o Pravilnik o mjerama zaštite od požara kod građenja (NN 141/2011) Zakon o zaštiti od buke (NN 30/2009) o Pravilnik o najvišim dopuštenim razinama buke u sredini u kojoj ljudi rade i borave (NN 145/2004) o Pravilnik o načinu izrade i sadržaju karata buke i akcijskih planova te o načinu izračuna dopuštenih indikatora buke (NN 75/2009) Zakon o zaštiti od neionizirajućeg zračenja (NN 91/2010) o
•
•
•
•
•
5
Pravilnik o zaštiti od elektromagnetskih polja (NN 98/2011) Pravilnik o minimalnim zdravstvenim i sigurnosnim zahtjevima koji se odnose na izloženost radnika rizicima koji potječu od elektromagnetskih polja (NN 38/2008) Zakon o zaštiti na radu (NN 59/1996, 94/1996, 114/2003, 86/2008, 75/2009, 143/2012) o Pravilnik o zaštiti na radu na privremenim ili pokretnim gradilištima (NN 51/2008) o Pravilnik o sigurnosti i zdravlju pri radu s električnom energijom (NN 88/2012) o Pravilnik o zaštiti radnika od izloženosti buci na radu (NN 46/2008) Zakon o energiji (NN 120/2012) o o
•
• • •
•
• •
•
•
o Opći uvjeti za opskrbu električnom energijom (NN 14/2006) Zakon o tržištu električne energije (22/2013) o Mrežna pravila elektroenergetskog sustava (NN 36/2006) Zakon o elektroničkim komunikacijama (NN 73/2008, 90/2011, 133/2012) o Pravilnik o tehničkim uvjetima za elektroničku komunikacijsku mrežu poslovnih i stambenih zgrada (NN 155/2009) Zakon o hrvatskim željeznicama (NN 53/1994, 162/1998) o Pravilnik o tehničkim uvjetima kojima mora udovoljavati željeznički elektroenergetski infrastrukturni podsustav (NN 129/2010, 23/2011) Zakon o normizaciji (NN 163/2003) Zakon o tehničkim zahtjevima za proizvode i ocjenjivanju sukladnosti (NN 20/2010) o Pravilnik o električnoj opremi namjenjenoj za uporabu unutar određenih naponskih granica (NN 41/2010) o Popis hrvatskih norma u području niskonaponske opreme 2009-10-01 (NN 123/2009) o Pravilnik o elektromagnetskoj kompatibilnosti (NN 23/2011) o Popis hrvatskih norma iz područja elektromagnetske kompatibilnosti (NN 35/2009, 22/2010) o Pravilnik o ocjenjivanju sukladnosti, ispravama o sukladnosti i označavanju građevnih proizvoda (NN 103/2008, 147/2009, 87/2010, 129/2011) o Pravilnik o obliku, sadržaju i izgledu oznake sukladnosti proizvoda s propisanim tehničkim zahtjevima (NN 46/2008) Zakon o otpadu (NN 178/2004, 153/2005, 111/2006, 60/2008, 87/2009) o Pravilnik o gospodarenju otpadnim električnim i elektroničkim uređajima i opremom (NN 74/2007, 133/2008, 31/2009, 156/2009, 143/2012) ostali, ovdje nenavedeni Zakoni i Propisi čija primjena je obvezna danom ugovaranja projekta elektroenergetskog postrojenja.
Svi navedeni zakoni, pravilnici i ostali podzakonski akti dostupni su na internetskim stranicama Narodnih novina, www.nn.hr. Pored navedene zakonske regulative, elektroenergetska postrojenja u vlasništvu Hrvatske elektroprivrede trebaju zadovoljiti i njezine granske norme, koje moraju biti usklađene s predmetnim Pravilnikom, važeće na dan njihove primjene, kao što su, ali ne isključivo: • • • • • •
6
Tehničke mjere zaštite elektroenergetskih postrojenja i objekata od malih životinja (Bilten HEP-a br. 55/96) Pravila i mjere sigurnosti pri radu na elektroprijenosnim postrojenjima (Bilten HEP-a br. 180/07) Pravila i mjere sigurnosti pri radu na elektrodistribucijskim postrojenjima (Bilten HEP-a br. 94/01) Tehnički uvjeti za trafostanice 10(20)/0,4 kV, 1×630 kVA - kabelska izvedba (Bilten HEP-a br. 16/92) Tehnički uvjeti o izboru osobnih zaštitnih sredstava i zaštitne opreme za rad na elektroenergetskim postrojenjima distribucije električne energije (Bilten HEP-a br. 83/99) Tehnički uvjeti za TS 10(20)/0,4 kV, 1×250 kVA i 1x630 kVA – kabelska izvedba – vanjsko
• • • • • • • •
posluživanje (Bilten HEP-a br.57/97) Tehnički uvjeti za stupnu TS 10(20)/0,4 kV; 50(100) kVA jednostavne izvedbe (Bilten HEP-a br. 72/99) Tehnički uvjeti za distribucijske uljne transformatore snage od 50 kVA do 1000 kVA napona 10/0,42 kV; 20/0,42 kV i 20(10)/0,42 kV (Bilten HEP-a br. 60/97) Tehnički uvjeti za sklopne aparature u metalnom kućištu (RMU) za nazivne napone 12 kV i 24 kV i aparature (Bilten HEP-a br. 138/04) Tehnička pravila za obračunska mjerna mjesta u nadležnosti HEP-Operatora prijenosnog sustava d.o.o. (Bilten HEP-a br. 175/07) Kriteriji za izbor i ugradnju prenaponske zaštite mreža i postrojenja srednjeg napona (Bilten HEP-a br. 90/01) Tehnički uvjeti za izbor i polaganje elektroenergetskih kabela nazivnog napona 1 kV do 35 kV (Bilten HEP-a br. 22/93) Pravilnik o održavanju elektroenergetskih objekata i postrojenja, HEP – ODS d.o.o., Zagreb, siječanj 2008. Uputa za postupanje s otpadom u Hrvatskoj elektroprivredi (Bilten HEP-a br. 95/01)
Svi pojmovi korišteni u Pravilniku istovjetni su onima u Zakonu o energiji i citiranim europskim normama (čl. 5). Smatra se da su postrojenja iili električna oprema u skladu s Pravilnikom ako se pri projektiranju, izvođenju, uporabi, pogonu i održavanju elektroenergetskog postrojenja, te proizvodnji opreme koriste norme na koje upućuje Pravilnik. Pravilnik ostavlja mogućnost primjene drugačijih odnosno posebnih propisa vezano na pojedine zahtjeve ako je to potrebno s obzirom na posebnosti određenih vrsta postrojenja. Zakoni i podzakonski akti obvezni su i njihovo nepridržavanje podliježe kaznenim odredbama. Isto tako obvezna je i primjena svih hrvatskih norma navedenih u zakonima i podzakonskim aktima. U nedostatku hrvatskih norma, dozvoljena je primjena priznatih međunarodnih norma (IEC, VDE, IEEE, NFPA, BS i sl.) uz uvjet da nisu u suprotnosti s hrvatskim normama, te da pružaju istu razinu sigurnosti kao hrvatske norme. Postrojenja i oprema moraju biti projektirani i dimenzionirani tako da podnesu sve električne, mehaničke, klimatske i ostale utjecaje okoliša koji se očekuju na lokaciji.
2.1. Način postupanja s neutralnom točkom Prilikom razmatranja postupanja s neutralnom točkom u širem smislu, možemo govoriti o neuzemljenom i uzemljenom sustavu. Neuzemljeni sustav nema namjernih spojeva sa zemljom. Uzemljeni sustav ima barem jednu neutralnu točku transformatora spojenu na uzemljenje. U praksi poznajemo sljedeće načine postupanja s neutralnom točkom (čl. 10): • • • • •
neuzemljena (izolirana) neutralna točka; rezonantno uzemljenje (uzemljenje preko Petersénove prigušnice); uzemljenje preko velikog otpora; uzemljenje preko male impedancije; kruto ili direktno uzemljenje.
Način postupanja s neutralnom točkom utječe na: • • • • •
veličinu struje kvara i njegovo trajanje; koordinaciju izolacije (izbor stupnja izolacije); značajke prenapona i izbor odvodnika prenapona; izvedbu uzemljenja; koncepciju zaštite, te izbor i podešenje zaštitnih releja.
7
Ne postoji jednostavan i univerzalni odgovor na pitanje da li i koji način postupanja s neutralnom točkom primijeniti. Svaki od navedenih načina ima dobre, ali i neke loše strane, međutim u svakom slučaju treba biti omogućeno sigurno i pouzdano otkrivanje mjesta kvara i njegov isklop, odnosno ograničenje. Osnovni kriteriji na kojima se temelji izbor su: • • • • • • •
napon dodira i koraka, odnosno zahtjevi za otklanjanje opasnosti po život; zahtjevi za besprekidnu opskrbu priključene mreže; sprječavanje štete na opremi usljed kratkog spoja; otkrivanje mjesta kvara; selektivni i brzi isklop kvara, odnosno sekcija mreže u kvaru; induktivna interferencija; zahtjevi pogona i održavanja.
Odluka o načinu postupanja s neutralnom točkom složena je zadaća koja zahtijeva dobro poznavanje navedenih kriterija uz ekonomsku evaluaciju gubitaka nastalih zbog kvara, kako bi se donijelo tehnički i ekonomski optimalno rješenje. Zbog toga svaki pojedini slučaj treba temeljito razmotriti prije donošenja konačne odluke, što od projektanta zahtijeva: • • • •
2.1.1.
dobro poznavanje problematike uzemljenja neutralne točke (izbor primarne i sekundarne opreme, proračun uzemljenja, konfiguriranje sustava zaštite, nadzora i signalizacije itd.); poznavanje karakteristika sustava (konfiguracija mreže, kapacitivna struja, impedancije elemenata mreže, snaga kratkog spoja itd.); punu koordinaciju s distributivnim poduzećem, vlasnikom transformatorske stanice (konzultacije vezano na odluku o načinu uzemljenja neutralne točke i izboru opreme); optimiranje izbora uvažavajući tehničke i ekonomske kriterije, uz sigurnost za život i zdravlje ljudi kao prvenstveni kriterij. Izolirana neutralna točka
Sustav s izoliranom neutralnom točkom je onaj u kojem ne postoji namjerni spoj neutralne točke ili ostalih elemenata postrojenja sa zemljom (uz iznimku pogonskih uzemljenja naponskih transformatora, odvodnika prenapona i sl.). Veza s okolnom zemljom u normalnom pogonu je dozemni kapacitet nadzemnih vodova i kabela. Izolirani sustav može se, dakle, smatrati uzemljenim preko distribuiranog kapaciteta spojenog u zvijezdu, s neutralnom točkom na potencijalu zemlje. Izolacija pojedinih faza u normalnom pogonu izložena je naprezanju faznim naponom (slika 2-1).
Slika 2-1 Sustav s izoliranom neutralnom točkom u normalnom pogonu Problemi nastaju u slučaju zemljospoja (spoja faznog vodiča sa zemljom). Direktni zemljospoj jedne faze uzrokuje porast napona na zdravim fazama do iznosa linijskog napona. O ovome treba voditi računa prilikom razmatranja koordinacije izolacije i izbora odvodnika prenapona, čiji nazivni napon treba zadovoljiti relaciju: Ur ≥ 1,25 Uℓ. U slučaju pada vodiča na tlo postoji opasnost po život. Zemljospoj u izoliranoj mreži nije kratki spoj, nego ga možemo smatrati nenormalnim pogonskim
8
stanjem koje omogućuje kontinuirani pogon uz navedeno povećanje napona i opasnosti. Sustav s izoliranom neutralnom točkom i naponske prilike za slučaj zemljospoja u fazi L3 prikazan je na slici 2-2.
Slika 2-2 Sustav s izoliranom neutralnom točkom u pogonu sa zemljospojem u fazi L3 Porast napona zdravih faza, traje li duže vrijeme, može izazvati proboj izolacije slabijih ili starih komponenti, naročito na starim transformatorima, motorima i kabelima. Kapacitivna struja koja se zatvara na mjestu kvara može izazvati znatne prijelazne prenapone vrlo nestabilnog luka, višestruko (6 do 8 puta) veće od nazivnog, pa govorimo o intermitiranom zemljospoju. Probojem izolacije neke od zdravih faza zemljospoj prelazi u dvopolni kratki spoj sa zemljom vrlo velikih struja, što može imati velike hvarijske posljedice. Dobra strana pogona s izoliranom neutralnom točkom je ta da omogućuje nastavak pogona mreže tijekom razumnog vremena, bez nenajavljenog isklopa. To je osobito važno industrijskim potrošačima (npr. industrijska mreža željezare) koji na taj način mogu izbjeći ili znatno ublažiti gubitke i štete usljed nestanka opskrbe električnom energijom. 2.1.2.
Rezonantno uzemljenje neutralne točke
Rezonantnim uzemljenjem neutralne točke (slika 2-3) postiže se kompenzacija kapacitivne struje mreže korištenjem prigušnice za uzemljenje (Petersénove prigušnice) spojene između neutralne točke transformatora i uzemljenja, opremljene otcjepima ili kontinuiranom regulacijom.
Slika 2-3 Sustav s rezonantno uzemljenom neutralnom točkom u normalnom pogonu U slučaju zemljospoja jedne faze, prigušnica će generirati struju induktivnog karaktera kroz transformator prema mjestu kvara. Istovremeno će vodovi generirati kapacitivnu struju zemljospoja. S obzirom na međusobni fazni pomak ovih struja za praktički 180°, u slučaju dobro podešene prigušnice njihova razlika odnosno struja kroz zemlju na mjestu kvara vrlo je mala (≈ 0). Sukladno navedenom, luk struje zemljospoja na mjestu kvara ugasit će se bez ponovnog paljenja.
9
Iz navedenog slijedi da je od najveće važnosti čim preciznije podešenje induktiviteta prigušnice, uz odgovarajuće korekcije kod svake promjene u konfiguraciji mreže. Nazivnu struju pigušnice treba izabrati tako da bude jednaka ili veća kapacitivnoj struji zemljospoja, odnosno za točno podešenje reaktancija prigušnice (otcjepa ili stupnja regulacije) treba zadovoljiti relaciju:
XP =
X C0 − X 0 , 3
gdje je: XC0 X0 -
nulta kapacitivna reaktancija sustava; nulta induktivna reaktancija sustava.
Direktni zemljospoj jedne faze uzrokuje porast napona na zdravim fazama do iznosa linijskog napona, te kao i kod izoliranog sustava nazivni napon odvodnika prenapona treba zadovoljiti relaciju Ur ≥ 1,25 Uℓ. U slučaju pada vodiča na tlo, isto tako postoji opasnost po život. Potraju li ovakva naponska naprezanja duže vrijeme, može doći do proboja izolacije neke od zdravih faza i time do dvopolnog kratkog spoja sa zemljom uz velike havarijske posljedice. Zemljospoj u rezonantno uzemljenoj mreži nije kratki spoj, nego ga možemo smatrati nenormalnim pogonskim stanjem koje omogućuje kontinuirani pogon, ali ga treba ustanoviti i otkloniti unutar najkraćeg mogućeg vremena. Sustav s neutralnom točkom uzemljenom preko Petersenove prigušnice i naponske prilike za slučaj zemljospoja u fazi L3 prikazan je na sl. 2-4.
Slika 2-4 Sustav s rezonantno uzemljenom neutralnom točkom u pogonu sa zemljospojem u fazi L3 Nazivni napon na prigušnici u slučaju direktnog zemljospoja bit će približno jednak faznom naponu, a struja kroz prigušnicu iznosit će:
IP =
U 3 ⋅ XP
.
Prednost rezonantnog uzemljenja neutralne točke je u mogućnosti nastavka pogona mreže, bez nenajavljenog isklopa, do otkrivanja i otklanjanja zemljospoja. Nedostatak je, uz potencijalnu opasnost po život, relativno visoka cijena opreme, zavisno o izvedbi prigušnice. 2.1.3.
Neutralna točka uzemljena preko velikog otpora
Uzemljenje neutralne točke transformatora preko velikog otpora, premda u mnogo čemu superiorno u usporedbi s ostalim metodama, uglavnom se prakticira u SAD i Kanadi, te ovdje nije podrobnije razmatrano.
10
2.1.4.
Neutralna točka uzemljena preko male impedancije
Uzemljenje neutralne točke preko male impedancije efikasno je i jednostavno, ekonomski prihvatljivo rješenje. U našoj praksi uobičajeno je uzemljenje neutralne točke preko malog otpora. Svodi se na ugradnju i spajanje otpornika odgovarajućih nazivnih veličina između neutralne točke transformatora i uzemljenja, kako je pojednostavljeno prikazano na sl. 2-5. Dozemni spoj u sustavu s neutralnom točkom uzemljenom preko malog otpora predstavlja jednopolni kratki spoj koji zaštita treba isklopiti unutar podešenog vremena. Otpornici za uzemljenje neutralne točke najčešće su dimenzionirani za nazivne struje 150 – 1000 A, u trajanju 5 s. Budući da struja jednopolnog kvara u nepovoljnim slučajevima (visokootporni kvar) može biti manja od nazivne struje, proračunu proradne struje releja treba pristupiti s najvećom pažnjom kako bi se vod u kvaru isklopio unutar podešenog vremena. Izbor otpornika za uzemljenje općenito, odnosno struje koju treba ograničiti, svodi se na primjenu Ohmovog zakona. Za jednostavan slučaj napajanja transformatora iz jednog izvora, nazivnu struju otpornika za uzemljenje možemo izraziti formulom:
In =
3 ⋅U 2Z1 + jX 0 + 3R n
gdje je: In
-
Z1
-
X0 Rn -
nazivna struja otpornika (struja jednopolnog kvara na mjestu ugradnje kroz otpornik); impedancija direktnog sustava pri jednopolnom kratkom spoju na mjestu ugradnje otpornika; nulta impedancija transformatora; nazivni otpor otpornika za uzemljenje.
Uzemljenje preko malog otpora, uz ekonomsku prihvatljivost rješenja, pruža znatne prednosti u odnosu na izolirani sustav, kao što su: • • • • • •
znatno se smanjuju veličine prijelaznih prenapona; pojednostavljuje se lociranje dozemnog spoja; smanjuju se vrijeme i troškovi pronalaska i otklanjanja kvara; napon faze prema zemlji ostaje nepromijenjen; pojednostavljuje zaštitu opreme; veća sigurnost za zdravlje i život ljudi; • bolja prenaponska zaštita postrojenja i sustava; • smanjenje učestalosti (gustoće) kvarova. Mana ovog načina uzemljenja neutralne točke je isklop voda u kvaru bez prethodne najave, čime mogu nastati znatne ekonomske štete, posebice u industrijskoj proizvodnji. Izborom uzemljenja neutralne točke preko malog otpora postižemo dobru sigurnost za ljude i opremu, dok je besprekidno napajanje potrošača na drugom mjestu. U nadzemnim distributivnim mrežama najčešće se koriste releji s automatskim ponovnim uklopom. Nakon prvog isklopa jednopolnog kratkog spoja slijedi beznaponska pauza, nakon koje dolazi do ponovnog uklopa voda u kojem je ustanovljen kvar. Ukoliko je kvar i dalje prisutan, relej izdaje nalog za trajni isklop. Statistika pokazuje da je 70% kvarova u nadzemnoj distributivnoj mreži prolaznog karaktera, što znači da se nakon ponovnog uklopa uspostavlja normalno pogonsko stanje. Time su veći zastoji u opskrbi potrošača i prekidi u industrijskoj proizvodnji svedeni na minimum.
Slika 2-5 Neutralna točka uzemljena preko malog otpora
Za razliku od nadzemnih vodova, kabelski vodovi štite se relejima bez automatskog ponovnog uklopa, s obzirom da je kvar na kabelu uvijek trajnog karaktera i zahtijeva isklop iz mreže.
11
Iz navedenog se može zaključiti da odluka o uzemljenju neutralne točke preko malog otpora i njegov izbor podrazumijevaju dobro poznavanje konfiguracije mreže, prilika u mreži i zahtjeva potrošača. 2.1.5.
Posebni slučaj uzemljenja neutralne točke preko malog otpora U distributibutivnim TS 35/10(20) kV uobičajeno se koriste transformatori grupe spoja Dyn5 s izvedenom neutralnom točkom. Rjeđe se koriste druge grupe spojeva, npr. Yd5, kad je potrebno formirati umjetnu neutralnu točku pomoću transformatora za uzemljenje, grupe spoja ZNyn11 (slika 2-6). Transformator za uzemljenje koristi se i u slučaju da energetski transformator nema izvedenu neutralnu točku. Transformator je priključen na sabirnice 10(20) kV postrojenja kako je prikazano na sl. 2-6, a neutralna točka uzemljena mu je preko malog otpora. Transformator za uzemljenje treba spojiti čim bliže stezaljkama energetskog transformatora. Transformator za uzemljenje u slučaju jednopolnog kratkog spoja treba podnijeti ista naprezanja kao i pripadni otpornik. Neutralna točka treba imati puni stupanj izolacije za nazivni fazni napon sustava.
Slika 2-6 Umjetna neutralna točka uzemljena preko malog otpora
Zbog ekonomskih razloga, poželjno je transformator za uzemljenje istovremeno koristiti i kao transformator vlastite potrošnje transformatorske stanice.
U slučaju jednopolnog kratkog spoja transformator za uzemljenje treba predstavljati malu impedanciju strujama nultog sustava koje se od mjesta kvara zatvaraju kroz zemlju, mali otpor za uzemljenje i neutralnu točku transformatora za uzemljenje natrag do izvora napajanja kvara. Navedeno zadovoljavaju transformatori za uzemljenje npr. u cik – cak spoju, kakvi se u praksi najviše i koriste. Ograničenje veličine transformatora za uzemljenje i prolaznih prenapona uslijed dozemnog kvara postiže se uzemljenjem njegove neutralne točke preko otpornika za uzemljenje tako da je zadovoljena relacija R0/X0 ≥ 2, gdje je R0 nulti otpor sustava, a X0 nulta reaktancija namota transformatora za uzemljenje. Struja jednopolnog kratkog spoja 3I0 time je ograničena otpornikom za uzemljenje i malom reaktancijom cik – cak namota transformatora za uzemljenje. Otpornik za uzemljenje treba biti dimenzioniran tako da se veličina struje kvara kreće u granicama 10 ... 25% vrijednosti struje tropolnog kratkog spoja. Manja vrijednost diktirana je zahtjevima za selektivnu proradu zaštite, a veća ekonomskim razlozima, odnosno cijenom otpornika za uzemljenje zbog zahtjeva za povećanom termičkom 2 izdržljivošću (I R). Raspodjela struja kroz namote transformatora za uzemljenje prilikom jednopolnog kratkog spoja jedne od faza prikazana je na slici 2-7. 2.1.6.
Slika 2-7 Raspodjela struja kod jednopolnog kratkog spoja
Kruto ili direktno uzemljena neutralna točka
Visokonaponske prijenosne mreže napona ≥ 110 kV u pogonu su u pravilu s kruto ili direktno uzemljenom neutralnom točkom, premda se u nekim zemljama (npr. Njemačka) na naponskoj razini 110 kV sve više koristi i rezonantno uzemljenje neutralne točke.
12
U mrežama s vrlo velikim strujama jednopolnih kratkih spojeva ili u postrojenjima uz elektrane, neutralne točke transformatora mogu biti spojene na uzemljenje preko uzemljivača. Time se neutralne točke pojedinih transformatora mogu izolirati kako bi se struja jednopolnog kvara svela unutar prihvatljivih granica.
2.2. Nazivne veličine i dimenzioniranje postrojenja Elektroenergetska postrojenja moraju biti dimenzionirana za nazivne veličine (čl. 11. – 14.) s obzirom na mjesto ugradnje i to: • • • • • •
nazivni pogonski napon industrijske frekvencije odnosno frekvencije sustava (čl. 11); kratkotrajni podnosivi napon industrijske frekvencije (čl. 11); atmosferske i/ili sklopne podnosivi prenapone (čl. 11); nazivnu struju u normalnom pogonu (čl. 12); nazivnu struju kratkog spoja (čl. 13); nazivnu frekvenciju (čl. 14).
2.2.1. Nazivni naponi i stupanj izolacije Starim Pravilnikom o tehničkim normativima za elektroenergetska postrojenja nazivnoga napona iznad 1000 V (SL 4/74) bili su definirani stupnjevi izolacije (Si 3,6 do Si 420 s3) za naponske razine koje su se koristile u bivšoj SFRJ, a i dalje se koriste u Hrvatskoj, sukladno tadašnjoj normi JUS N.B0.031. Novi Pravilnik se temelji na europskim normama (čl. 11) koje pokrivaju znatno šire područje (3 kV do 700 kV). Stari i novi Pravilnik se djelomično razlikuju u vrijednostima podnosivih tjemenih vrijednosti udarnih (atmosferskih odnosno sklopnih) napona izolacije. Na tu činjenicu treba obratiti osobitu pozornost prilikom izbora i preuzimanja opreme, te dimenzioniranja postrojenja. U tablici 2-1 navedene su europskim normama [3] standardizirane vrijednosti za naponske razine koje se koriste u Hrvatskoj, te nazivna distributivna naponska razina 35 (38) kV koja je u širokoj primjeni u Hrvatskoj ali nije standardizirana europskim normama. Tablica 2-1 Nazivni podnosivi naponi koji se primjenjuju u Hrvatskoj (prema HRN HD 637 S1) 1. Naponski opseg A (1 kV < Um < 52 kV) Nazivni napon sustava Un (kV) (efektivna vrijednost)
Najviši pogonski napon opreme Um (kV) (efektivna vrijednost)
Nazivni kratkotrajni podnosivi napon industrijske frekvencije Ud (kV) (efektivma vrijednost)
Nazivni podnosivi atmosferski udarni prenapon Up (kV) valnog oblika 1,2/50 µs (tjemena vrijednost)
3
3,6
10
20 40
6
7,2
20
40 60
10
12
28
60 75
20
24
50
95 125
30
36
70
145 170
35**
38,5
75
155 180 195
13
2. Naponski opseg B (52 kV ≤ Um < 300 kV) 110
220
*
123
185 230
450* 550
245
325* 360 395 460
750* 850 950 1050
Napomene: - * vrijednosti se smiju primjenjivati samo u rijetkim posebnim slučajevima - ** napon 35 kV nije obuhvaćen europskom normom – navedene vrijednosti su preuzete iz nacionalnih odredbi za Češku republiku, HRN HD 637 S1, dodatak T (prema starom Pravilniku za ovaj napon je vrijedilo: Um = 38 kV, Ud = 70 kV, Up = 145/170 kV; u nekim zemljama je normirano i Ud = 70/95 kV, Um = 125/150/200 kV) 3. Naponski opseg C (Um ≥ 300 kV) Nazivni napon sustava Un (kV) (efektivna vrijednost)
Najviši pogonski napon opreme Um (kV) (efektivna vrijednost)
Nazivni podnosivi sklopni udarni prenapon faza-zemlja Us (kV), valni oblik 250/2550 µs (tjemena vrijednost)
Nazivni podnosivi sklopni udarni prenapon faza-faza Us (kV), valni oblik 250/2550 µs (tjemena vrijednost)
380 (400)
420
950 1050
1425 1575
2.2.2. Nazivne struje i struje kratkog spoja Elektroenergetska postrojenja s pripadajućom opremom trebaju biti dimenzioniranai tako da struja u normalnom pogonu ne prelazi nazivne struje električne opreme ili dopuštene struje dijelova postrojenja (npr. sabirnica i spojnih vodova). Pri tome treba uvažiti nepovoljne uvjete okoliša kao što je visoka temperatura i utjecaj sunčevog zračenja. n
Standardne vrijednosti struja izražene u [A]×10 , sukladno preuzetim europskim normama, su: • •
1 - 1,25 - 1,6 – 2 - 2,5 - 3,15 – 4 – 5 - 6,3 - 8 uz n = 0 ... 4; 1 - 1,25 - 1,6 - 2 uz n = 5.
U nekim slučajevima, zavisno o potrebama na mjestu ugradnje, umjesto niza 1,6 – 3,15 – 6,3 – 8, n može se pokazati pogodnije koristiti vrijednosti 1,5 – 3 – 6 – 7,5 odnosno njihov umnožak s 10 . Pored trajnog opterećenja nazivnim strujama u normalnom pogonu u uvjetima okoliša, oprema i dijelovi (sabirnice, spojni vodovi, uzemljivač i dr.) elektroenergetskog postrojenja moraju sigurno i pouzdano podnijeti mehanička i toplinska naprezanja strujama kratkog spoja (detaljno obrađeno u HRN IEC 60909). Razlikujemo sljedeće vrste kratkih spojeva (slika 2-8): • • • •
14
tropolni kratki spoj; dvopolni kratki spoj; dvopolni kratki spoj s dozemnim spojem; dozemni spoj (jednopolni kratki spoj).
Slika 2-8 Vrste kratkih spojeva Kao posebni slučaj treba spomenuti i dvostruki dozemni spoj, odnosno istovremeni jednopolni kratki spoj u dvije faze (slika 2-9).
Slika 2-9 Istovremeni jednopolni kratki spoj u dvije faze 2.2.3. Nazivna frekvencija Elektroenergetska postrojenja izmjeničnog napona, odnosno oprema i uređaji koji se u njih ugrađuju moraju biti projektirani i izvedeni za nazivnu frekvenciju elektroenergetskog sustava. Nazivna frekvencija našeg elektroenergetskog sustava, te cjelokupnog europskog elektroenergetskog sustava UCTE dio kojeg je i naša mreža, je 50 Hz. Treba napomenuti da je nazivna frekvencija elektroenergetskog sustava u nekim zemljama svijeta, npr. SAD, 60 Hz. Uz navedene nazivne frekvencije elektroenergetskih sustava, norma HRN IEC 60196 definira nazivne 2 frekvencije izmjeničnih elektrovučnih sustava (kod nas 50 Hz, ali u dijelu zemalja Europe 16 /3 Hz, a u
15
nekim izvaneuropskim zemljama 60 Hz), nazivne frekvencije određenih alata (50 Hz ... 10000 Hz), te nazivne frekvencije instalacija na brodovima (50 Hz i 60 Hz) i instalacija u zrakoplovima (400 Hz). 2.2.4. Korona "Korona" doslovno predstavlja svjetlosni disk koji se pojavljuje oko Sunca. Termin su preuzeli fizičari i injženjeri kako bi općenito opisali parcijalna izbijanja koja nastaju u područjima jako koncentriranih električnih polja, na primjer na površini šiljaste ili cilindrične elektrode, koja se nalazi nasuprot i na nekoj udaljenosti od druge elektrode. Ovakav parcijalni proboj zraka se po prirodi prilično razlikuje od totalnog proboja u prostoru zraka između elektroda. Također, to se odnosi i na sve ostale plinove. Korona se javlja na jako zaobljenim (šiljatim) površinama elektroda u plinu. Korona je nepoželjna jer uzrokuju gubitke, ometa bežični prijenos, izaziva kemijske reakcije u plinu (npr. stvaranje ozona u zraku). Zato se kod elektroda u plinu nastoji postići pogodan oblik elektroda kojim se izbjegavaju rubni efekti (npr. snop vodiča kod visokonaponskih vodova). Pri koroni se radi o impulsnim izbijanjima pri vršnim vrijednostima napona, s trajanjem impulsa od 10 ns i nabojem impulsa od oko 100 pC. Korona se razlikuje i od pražnjenja koja nastaju unutar mjehurića plina u čvrstim ili tekućim izolatorima, iako su spomenuti fenomeni pražnjenja u plinovima isti. Korona je popraćena brojnim vidljivim efektima, kao što su vidljivo svjetlo, karakteristični zvuk, električna struja, gubitak energije, radijske smetnje, mehaničke vibracije i kemijske reakcije. Kemijske reakcije stvaraju miris ozona i dušikovih oksida. Efekt korone je parcijalno pražnjenje u zraku do kojeg dolazi kad jakost električnog polja na površini vodiča premaši kritičnu vrijednost. Dozvoljena jakost električnog polja na površini vodiča u otvorenim elektroenergetskim postrojenjima nije propisana, no prihvatljiva vrijednost za nadzemne vodove je do 19 kV/cm, u pojedinim slučajevima do 21 kV/cm. Za postrojenja otvorene izvedbe možemo usvojiti E ≤ 19 kV/cm. Jakost površinskog električnog polja može se izračunati pomoću formule: 𝐸=
𝑈
∙
𝛽
2ℎ 3 𝑟 ∙ ln 𝑎 ∙ ! 𝑟! 4ℎ! + 𝑎 !
gdje su: E U 𝛽= n rL 𝑟! = aT 𝑟! = a h
! !!(!!!)∙ ! !! !
!!
!∙!"#(! !) !
jakost električnog polja na površini vodiča [kV/cm] nazivni napon [kV] faktor snopa (za cijevne vodiče β = 1) broj vodiča u snopu radijus vodiča [cm] radijus snopa [cm]
razmak između simetrala vodiča u snopu [cm] 𝑛 ∙ 𝑟! ∙ 𝑟!!!! ekvivalentni radijus snopa [cm] razmak između simetrala faznih vodiča [cm] visina vodiča iznad tla [cm]
Sukladno Pravilniku i normi HRN HD 637 S1, u svjetlu zahtjeva za zaštitu od utjecaja na okoliš, elektroenergetska postrojenja, odnosno njihova oprema, ne smije izazivati radio smetnje uslijed elektromagnetskih polja iznad razine definirane preporukama (CISPR 18-1, CISPR 18-2 i CISPR 183). Smatra se da elektroenergetsko postrojenje zadovoljava s obzirom na radio smetnje ako ispitivanje pokaže da njihova razina kod 1,1 U/√3 ne prelazi vrijednost od 2500 µV (IEC 62271-1).
16
2.2.5. Prenaponi 2.2.5.1. Klasifikacija prema IEC 60071-1 Naponi i prenaponi klasificirani su prema njihovom obliku i trajanju, te su podijeljeni u sljedeće klase: • •
•
•
Trajni napon pogonske frekvencije: ima stalnu efektivnu vrijednost i trajno je priključen na stezaljke opreme. Privremeni prenapon: je prenapon pogonske frekvencije relativno dugog trajanja. Može biti neprigušen ili slabo prigušen. U nekim slučajevima njegova frekvencija može biti nekoliko puta manja ili veća od pogonske frekvencije. Prijelazni prenapon: je kratkotrajni prenapon trajanja nekoliko milisekundi ili kraći, oscilatoran ili neoscilatoran, obično jako prigušen. Prijelazni prenaponi podijeljeni su na: o Prenapone polaganog porasta čela: To su prijelazni prenaponi obično jednog polariteta s vremenom trajanja čela od 20 µs
Tablica 2-1 Vrste napona i ispitivanja
17
2.2.5.2. Svojstva prenapona Osim pogonskog napona u nekoj mreži pojavljuju se i prenaponi koji mogu dostići znatne iznose. Svaka vrsta prenapona napreže izolaciju na poseban način. Na slici 2-10 su prikazani prenaponi prema iznosu i dužini trajanja. To su: • •
Najviši pogonski napon, izražen kao efektivna vrijednost odgovarajuće naponske razine. Privremena povišenja napona.
Prijelazni prenaponi: • • •
Polaganog porasta čela (sklopni prenaponi) Brzog porasta čela (atmosferski prenaponi) Vrlo brzi (VFT-very fast transients)
Sklopni, atmosferski i ultra brzi prenaponi imaju prijelazni karakter. Oni dostižu amplitudu poslije kratkog vremena, naklon čega se prigušuju i nestaju. Privremena prigušenja napona traju znatno dulje, a njihovo trajanje ima red veličine sekundi ili čak sati. Na ordinati je dan faktor prenapona Κ p , koji se iskazuje u odnosu na faznu vrijednost maksimalnog pogonskog napona, tj.:
Κp =
U UMAX = 1.225 MAX U U 2 3
gdje je:
UMAX amplituda prenapona, U
efektivna vrijednost pogonskog napona (linijski napon).
Slika 2-10 Klasifikacija prenapona prema trajanju i faktoru prenapona
2.2.5.3. 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 ultrabrzih prenapona, koji su obično 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 (ukjučujući i zrak), isto kao tekućina i krutih dijelektrika, zavisi o duljini trajanja naponskog opterećenja.
18
Ferrantijev efekt Ferrantijev efekt je pojava da neopterećeni vod ima viši napon na svom kraju nego li na početku. Ova se pojava prvenstveno manifestira na vodovima većih duljina, a to su dalekovodi najviših napona. Ona se može javiti ako zaštita iskopča oštećeni transformator, priključen na drugi vod, te vod ostane neopterećen. Pojavu ćemo objasniti na idealnom dugom vodu u praznom hodu slijedećim primjerom: Zadan je vod sa svojim induktivitetom i kapacitetom kao na slici. Napon na kraju voda iznosi 100 kV. Uz korištenje nadomjesne π-sheme voda, pri čemu se svakih 300 km voda nadomješta jednom πshemom, mogu se izračunati naponske i strujne prilike za vod proizvoljne duljine. Raspodjela efektivnih vrijednosti napona i struja duž voda prikazana je slikom. Treba reći da se radi o teoretskom slučaju voda vrlo velike duljine kakav ne postoji u praksi. Uočljivo je da se struja duž voda mijenja po krivulji koja odgovara sinusoidi, a napon prema kosinusoidi. Na mjestima gdje efektivna vrijednost napona poprima vrijednost nula, efektivna vrijednost struja poprima maksimalnu vrijednost i obrnuto. Maksimalna vrijednost napona je konstanta, a isto tako i amplituda struje je konstantna i iznosi 255 A. Na udaljenosti 6000 km od kraja voda napon i struja poprimaju istu vrijednost kao i na početku. X1 = 0.41 Ohm/km C1 = 8.5 nF/km
123 Ohm
58 kV
81 kV
95 kV
0.41 mS
100 kV
Slika 2-22 Raspodjela struje i napona duž voda (efektivne vrijednosti)
Ako se pokaže raspodjela napona duž voda za dužinu 1500 km od kraja, napon na desnom kraju krivulje prikazuje napon na kraju voda, a napon na bilo kojoj točki krivulje prikazuje napon na početku voda. Napon na kraju voda je uvijek viši od napona na početku i ova se pojava naziva Ferrantijev efekt. Kod manjih dužina vodova povišenje napona uslijed Ferrantijevog efekta nije od naročitog značenja: za vod dužine od 135 km iznosi tek 1% , za 271 km 4%, a za 1000 km čak 100%.
Slika 2-23 Povišenje napona usljed Ferrantijevog efekta
19
Ferorezonancija Ova se pojava može dogoditi u električnim krugovima koji sadrže kapacitet i nelinearni induktivitet. U praksi ferorezonanciju mogu izazvati kapaciteti vodova i nelinearni induktiviteti transformatora ili prigušnica. Objašnjenje ove pojave prikazano je na dijagramu. Napon na kapacitetu Uc je linearno proporcionalan struji, dok je promjena napona s povećanjem struje na nelinearnom induktivitetu uslovljena krivuljom magnetiziranja željeza. Naponi na kapacitetu i induktivitetu su protufazni, pa njihova razlika drži protutežu naponu izvora. Kod manjih struja u krugu je napon na induktivitetu veći od napona na kapacitetu, pa je struja induktivna, dok je kod većih struja obrnuto. Ukoliko se iz stanja označenog s točkom 1. malo poveća napon izvora, tada se struja u krugu kao i naponi neće mijenjati kontinuirano, već dolazi do naglog prelaza u stanje označeno točkom 2. U stanju 2. je napon izvora isti kao u stanju 1., ali su struja I kao i naponi UC i UL znatno veći. Osim promjene iznosa struje mjenja se i njen fazni kut za 1800, tako da ona umijesto induktivnog poprima kapacitivni karakter. Ovakva nagla promjena stanja stvara prelazne pojave s njihanjem u strujnom krugu i tako dolazi do prenapona.
Slika 2-24 Objašnjenje ferorezonancije
Prenaponi uslijed kvarova Zemljospoj Ako u neuzemljenoj mreži ili u mreži uzemljenoj preko velikog otpora ili prigušnice dođe do spoja jedne faze sa zemljom, tada napon u ostale dvije zdrave faze poraste s fazne na linijsku vrijednost. Pri tome nul točka poprimi fazni napon prema zemlji. Ako se na mjestu zemljospoja uzme u obzir otpor, onda je pomak napona nešto manji, pa je manje i povišenje napona. Uz čvrsti spoj sa zemljom javlja se stalna nesimetrija i povišenje napona zdravih faza prema zemlji. U slučaju intermetirajućeg zemljospoja kod kojeg u svakoj periodi dolazi do gašenja i ponovnog paljenja elektičnog luka javljaju se dodatni prenaponi.
Slika 2-25 Zemljospoj
20
Amplituda prenapona se dobiva množenjem Um 3 s koeficijentom zemljospoja k, koji ovisi o načinu uzemljivanja nul točke. Sa slike 2-26 može se očitati vrijednost koeficijenta k u ovisnosti o omjeru reaktancija i otpora sustava za najnepovoljniji otpor zemljospoja. Ako su ti parametri nepoznati, pretpostavlja se da k ima vrijednost 1.4 za kruto uzemljenu mrežu ili 1,73 za izoliranu mrežu ili mrežu uzemljenu preko rezonantne prigušnice. Ro - nulti otpor sustava Xo - nulta reaktancija X1 - direktna reaktancija
Slika 2-26 Ovisnost Ro
X1 kao funkcija od Xo X1 za konstantne vrijednosti koeficijenta zemljospoja k
Trajanje prenapona ovisi o trajanju samog kvara i za učinkovito uzemljene VN sisteme iznosi između 1 i 3 sekunde. Za izoliranu mrežu ili mrežu uzemljenu preko rezonantne prigušnice, je trajanje zemljospoj važno jer može biti od nekoliko sekundi do nekoliko sati, ovisno o vrsti zaštite samog sistema. Privremeni prenaponi uzrokovani ispadom tereta Trajanje i iznosi privremenih prenapona uzrokovanih ispadom tereta su: • •
kod umjereno razvijenih sustava s relativno kratkim vodovima i jakom mrežom kit = 1.05 p.u. kod slabe mreže s dugim vodovima (uz rezonanciju) kit ≥ 1.05 p.u
Faktor kit obično ne prelazi 1.2 p.u. Trajanje privremenih prenapona u svezi je s regulacijom napona posredstvom regulacijskih sklopki energetskih transformatora i kreće se u području:
TTOV ∈[10s, 100s] 2.2.5.4. 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 uređaja, gubitkom tereta, nastankom ili uklanjanjem kvara, kao što su:
21
uklapanje neopterećenog dalekovoda; o uklapanje preko transformatora; o uklapanje preko većeg broja dugih vodova ili kabela; o uklapanje preko kompleksnog izvora; • isklapanje malih kapacitivnih struja; • isklapanje malih induktivnih struja; • prenaponi kod isklapanja kvarova; • povratni napon s dvije frekvencije. Vjerojatnost njihovog nastanka ovisi o broju kvarova i sklopnih operacija u sustvu. Visina sklopnih prenapona zavisi o postojećoj konfiguraciji električne mreže kao i snazi kratkog spoja, te o karakteristikama opreme. Općenito se može napisati da su u razvijenijem EES sklopni prenaponi manji. •
Uklapanje neopterećenog dalekovoda Uklapanje preko transformatora Ovaj slučaj karakterističan je za "slabe" mreže, koji se susreće u početnoj fazi izgradnje EES. U nadomjesnoj električnoj shemi transformator se može predstaviti nadomjesnim rasipnim induktivitetom, a neopterećeni vod kapacitetom. U ovom slučaju prijelazna pojava će imati samo jednu frekvenciju oscilacija, koja će biti relativno niska. Ako se uklapanje dogodilo kod maksimalnog pogonskog napona prva amplituda može dostići dvostruku vrijednost amplitude pogonskog napona.
Slika 2-27 Prenaponi kod uklapanja preko transformatora Uklapanje preko većeg broja dugih vodova ili kabela Neopterećeni vod se ukljućuje preko sabirnice na koju je priključeno više nadzemnih vodova ili kabela. Njihova ukupna valna impedancija je vrlo mala u usporedbi s valnom impedancijom priključenog voda. Ako vod koji se uklapa nije dulji od već priključenih vodova, tada će prijelazna pojava imati samo jednu frekvenciju, koja će odgovarati prirodnoj frekvenciji voda. Napon na kraju voda dostići će dvostruku vrijednost napona na početku voda. Pri tome se vrijednost napona pogonske frekvencije gotovo uopće nije promjenila, a prigušenje prijelazne pojave ima u početku vrlo malo utjecaja na vrijednost amplitude.
Slika 2-28 Prenaponi kod uklapanja preko većeg broja dugih vodova ili kabela
22
Uklapanje preko kompleksnog izvora Ovaj slučaj karakterističan je za razvijene EES-e. Na prijelaznu pojavu ne utječe samo induktivitet transformatora, već i valne impedancije već priključenih vodova. Prijelazna pojava ima više frekvencija, pri čemu se amplitude pojedinih frekvencija ne javljaju istovremeno. Obično su amplitude viših frekvencija prijelazne pojave već prigušene kada se pojavljuju amplitude nižih frekvencija. Faktor prenapona na kraju u ovom slučaju je manji od 2.
Slika 2-29 Prenaponi kod uklapanja preko kompleksnog izvora Osnovne karakteristike sklopnih prenapona su da se faktor prenapona smanjuje kako se povećava veličina EES-a, već zbog superpozicije oscilacija različitih frekvencija. Ako se na vodu koristi tropolno ponovno uklapanje nakon prolaznih kvarova, na zdravim fazama se nakon isklapanja može zadržati električni naboj. Kod ponovnog uklapanja na napon pogonske frekvencije prenaponi se superponiraju na preostali napon, što rezultira još višim prenaponima. Za sprečavanje visokih prenapona pri ponovnom uklapanju nekada se koriste prigušni otpornici, preko kojih se najprije ponovno uklapa vod da bi se nakon 10 ms uključila glavna komora prekidača. Preostali naboj na vodu, a time i visina prenapona kod ponovnog uklapanja mogu se smanjiti upotrebom induktivnih naponskih transformatora. Isklapanje malih kapacitivnih struja Kod isklapanja kondenzatorskih baterija, neopterećenih kabela ili nadzemnih vodova prekidač isklapa kapacitivnu struju pri prolasku kroz nulu. Kod toga vrijednost napona dostiže maksimalnu vrijednost, koji se zadržava na otvorenom vodu, kabelu ili kondenzatorskoj bateriji. U trofaznim sustavima, napon u fazi koja je prva isklopila može dostići vrijednost od 1.5 p.u., budući da struje koje teku u preostale dvije faze do njihova prekida preko kapacitivnih veza povisuju napon. U jednofaznim sustavima ovaj napon ne može prijeći vrijednost od 1 p.u. Nakon 10 ms od trenutka isklapanja napon na strani izvora dobiva vrijednost 1 p.u. suprotnog polariteta. Tako u trofaznim sustavima povratni napon na polovima prekidača može dostići vrijednost od 2.5 p.u. fazne vrijednosti pogonskog napona. Ako ovaj relativno visoki napon izazove proboj nakon više od 5 ms radi se o povratnom preskoku na polovima prekidača (engl. "restrike"). Proboj u kraćem vremenu od 5ms nakon isklapanja prekidača naziva se ponovno paljenje (engl. "reignition"). Povratni preskok može uzrokovati visoke prenapone. Kod modernih prekidača se dielektrična čvrstoča između kontakata prekidača uspostavlja tako brzo, da se onemogućava povratni preskok. U praksi se obični povratni preskok događa prije nego li povratni napon dostigne maksimalnu vrijednost, a visokofrekventna oscilatorna struja koja se pri tom javlja se ne prekida poslije prve poluperiode visokofrekventne oscilacije, već poslije druge ili čak kasnije. Na Slici 14.14 je prikazan slučaj povratnog preskoka, pri čemu se struja prekida u drugoj poluperiodi visokofrekventne oscilacije.
23
Slika 2-30 Prenaponi kod isklapanja malih kapacitivnih struja Isklapanje malih induktivnih struja Prekidači su dimenzionirani za brzo i sigurno prekidanje velikih induktivnih struja, bez apsorbcije prevelikih energija u prekidnim komorama. Uslijed izraženog svojstva gašenja luka, do prekidanja malih induktivnih struja može doći prije njihovog prirodnog prolaska kroz nulu. Ovaj se slučaj događa pri isklapanju transformatora ili prigušnica u praznom hodu, koji uzimaju struju magnetiziranja. Poslije prekidanja struje akumulirana magnetska energija na induktivitetu pretvara se u električnu energiju na kapacitetu transformatora. Rezonantna frekvencija transformatora velikih nazivnih snaga i visokih napona su vrlo blizu pogonskim frekvencijama. Osim toga vršna vrijednost prenapona, koja bi se teoretski mogla javiti nakon prekida struje magnetiziranja ne pojavljuje se zbog prigušenja ili izobličenja u magnetskom krugu. Zato u visokonaponskim sustavima faktor prenapona obično ne prelazi vrijednost od 2 p.u. To međutim ne vrijedi za slučaj isklapanja paralelnih prigušnica , ili transformatora opterećenih prigušnicama, kod kojih se javljaju viši prenaponi, tako da je potrebna zaštita odvodnicima prenapona. I kod isklapanja malih induktivnih struja mogući su povratni preskoci na kontaktima prekidača.
Slika 2-31 Prenaponi kod isklapanja malih induktivnih struja
24
Slika 2-32 Najviši faktori prenapona kod prekidanja struja magnetiziranja VN transformatora Prenaponi kod isklapanja kvarova Nastanak i isklapanje kvarova u EES-u uzrokuje prenapone. Prilikom isklapanja kvarova (kratkih spojeva) na kontaktima prekidača mogu se javiti opasni povratni naponi, zbog čega je isklapanje kvarova od posebnog interesa. Povratni naponi kod isklapanja kratkog spoja mogu biti vrlo strmi i imati visoku frekvenciju. Povratni naponi na prekidaču kod isklapanja jednopolnog kratkog spoja u krugu prikazan je na slici 2-33.
Slika 2-33 Prenaponi kod isklapanja kvarova
Povratni napon na prekidaču mogao bi dostići dvostruki iznos maksimalnog pogonskog napona, no radi postojanja prigušnog otpora u krugu ovaj je iznos nešto manji. Povratni napon s dvije frekvencije U slučaju da se nakon otvaranja prekidača formiraju dva odvojena kruga povratni napon na prekidaču će sadržavati dvije frekvencije. Na slici 2-34 je prikazan slučaj kada se otvara prekidač između generatora i transformatora, poslije nastanka kratkog spoja na vodu. S Lg i Cg označen je induktivitet i kapacitet s generatorske strane, a s Lt i Ct induktivitet i kapacitet s transformatorske strane prekidača. Odgovarajuće frekvencije oscilacija su:
fg =
1 2π L g C g
i
ft =
1 2π Lt C t
25
Lt
Lg e(t)
e(t)
Cg
Ct
Slika 2-34 Nadomjesna shema kruga i naponi kod pojave povratnog napona s dvije frekvencije Naponi u oba kruga, kao i povratni napon na prekidaču prikazani slikom 2-34 su: (I) Napon pogonske frekvencije na generatorskoj strani. Ovaj napon se od vrijednosti iZ (pri čemu je i struja kratkog spoja, a Z impedancija transformatora) podiže na vrijednost napona izvora. (II) Napon na transformatorskoj strani prekidača, koji od vrijednosti iZ pada na 0. (III) Povratni napon na prekidaču je razlika napona s generatorske i transformatorske strane prekidača. 2.2.5.5. Atmosferski prenaponi Atmosferski prenaponi koji se javljaju na nadzemnim vodovima mogu nastati na različite načine. Munja može udariti u zemlju pokraj voda, pri čemu se prenaponi induciraju na vodičima. Najčešće grom udari u zaštitno uže nadzemnog voda ili u vrh stupa, nakon čega može doći do povratnog preskoka na fazni vodič. Najopasniji su direktni udari u fazni vodič, koji nastupaju veoma rijetko, ali su ipak mogući. U numeričkim proračunima atmosferski prenapon se nadomješta sa strujnim ili naponskim izvorom, ovisno o udaljenosti mjesta udara groma od postrojenja. S obzirom na udaljenost između mjesta udara i promatranog postrojenja mogu se razlikovati tri osnovna slučaja (Slika 2-35). a) Slučaj bliskog udara s preskokom Ovaj slučaj nastaje pri udaru groma u zaštitno uže ili u stup dalekovoda uz preskok na fazni vodič, ili prilikom udara groma u fazni vodič uz preskok na stup dalekovoda. Na visinu prenapona veliki utjecaj pri tome ima iznos otpora uzemljenja stupa dalekovoda. b) Slučaj bliskog udara u fazni vodič bez preskoka Bliski udar modelira se strujnim izvorom. Ako je Zg valni otpor kanala groma, Zv valni otpor voda , onda pri tome vrijedi Zg >> Zv. Valovi se šire na obje strane od mjesta udara, a napon vala dobije se kao produkt dijela struje groma i valnog otpora voda. Ovo je najkritičniji slučaj pri razmatranjima o prenaponskoj zaštiti.
26
c) Slučaj udaljenog mjesta udara U ovom slučaju je atmosferski prenapon modeliran naponskim putnim valom koji putuje nadzemnim vodom (i kabelom) prije ulaska u postrojenje. Tjemena vrijednost vala određena je izolacionom razinom nadzemnog voda. Prilikom prolaska vala duž nadzemnog voda produžuje se čelo vala. Približno se može uzeti da ovo produljenje iznosi 1 µs na svaki km duljine voda. Izobličenje i prigušenje upadnog vala naročito je izraženo u električnom kabelu.
Slika 2-35 Vrste udara u postrojenje U proračunima se može promatrati bliski udar kao ekstremni slučaj, iako razmjerno rijetko nastupa, jer postavlja znatno veće zahtjeve na pogonsku opremu nego npr. udaljeni udar. Munja djeluje kao izvor smetnje, na objekte i električnu opremu i sustave unutar objekata. Prenaponi atmosferskog podrijetla uglavnom nastaju kao posljedica direktnog/bliskog udara munje ili udaljenog udara munje. U slučaju direktnog udara (Slika 2-36, slučaj 1), munja pogađa u štićeni objekt; dok u slučaju bliskog udara munje, munja pogađa u spojni vod ili vodove (npr. telekomunikacijski vod, elektroenergetski vod, vodovod) koji ulaze u štićeni objekt. U slučaju udaljenog udara (Slika 2-36, slučaj 2), munja pogađa u npr. srednjenaponski nadzemni vod ili pri udaru između dva oblaka ili dijela oblaka oslobađa se vezani naboj što rezultira prenaponskim valovima na vodovima a također prenaponi se induciraju i udarima munje u okolno područje štićenog objekta.
27
Slika 2-36 Uzroci prenapona prilikom udara munje Direktni i bliski udari munje Struja munje u kanalu pražnjenja i u odvodima gromobranske instalacije uzrokuje pad napona na otporu uzemljenja i inducira naponske i strujne valove u instalacijskim petljama unutar štićenog objekta. Uslijed pada napona na udarnom otporu uzemljenja, dio struje munje teče i preko vodova koji su spojeni na sabirnicu za izjednačenje potencijala. Udar munje u blizinu objekta, preko svog magnetskog polja, inducira udarne napone a time i udarne struje u instalacionim petljama. Udar munja u dolazni nadzemni vod stvara značajne naponske i strujne udarne valove koji na taj način stižu u objekt. Udari munje između grmljavinskih oblaka, zbog elektromagnetske sprege, uzrokuju pojave naponskih i strujnih valova na elektroenergetskim i ostalim metalnim vodovima. Udaljeni udari munje U slučaju udaljenog udara munje, prenaponski valovi se šire brzinom svjetlosti duž voda (slika 2-36 slučaj 2a i 2b), ili munja pogađa u blizinu štićenog objekta (slika 4.16. slučaj 2c), čime nastaje promjenljivo elektromagnetsko polje, koje inducira prenapone. Oštećenja, zbog prenapona atmosferskog podrijetla u zadnjem desetljeću, pokazala su da je elektronička oprema i instalacije, na udaljenosti do oko 2 km od mjesta udara munje ugrožena zbog induciranih ili vodom prenesenih prenapona i struja. Razlozi za ovako veliko područje ugroženosti su porast osjetljivosti na prenapone informatičkih i komunikacijskih uređaja i opreme, polaganje sve više različitih vodova i prostorno sve veće širenje mreža. 2.2.5.6. Prenaponska zaštita Prenaponska zaštita se provodi primjenom principa koordinacije izolacije. Koordinacija izolacije obuhvaća izbor električnih izolacionih karakteristika nekog uređaja, s obzirom na način i mjesto uporabe. Koordinacija izolacije može se postići ako su karakteristike izolacije uređaja određene na osnovu unaprijed očekivanih naprezanja, tijekom njegovog očekivanog životnog vijeka.
28
Koordinacija izolacije u odnosu na tranzijentne prenapone podrazumijeva ograničavanje prenapona. Postoje dva načina ograničavanja prenapona:
•
Vlastito ograničenje sustava: To je stanje unutar električnog sustava, gdje se iz karakteristika sustava može usvojiti, da će visine očekivanih tranzijentnih prenapona ostati
ispod jedne čvrste granice. •
Zaštitno ograničenje: To je stanje unutar električnog sustava, gdje se zbog primjene specijalnih uređaja za ograničenje prenapona može usvojiti, da će visine očekivanih
tranzijentnih prenapona ostati ispod jedne čvrste granice. Da bi se primijenio princip koordinacije izolacije moraju se razlikovati dvije vrste tranzijentnih prenapona:
• •
Tranzijentni prenaponi koji stižu iz sustavu s kojim je uređaj povezan. Tranzijentni prenaponi koji nastaju u samom uređaju odnosno sustavu.
2.2.5.7. Odvodnici prenapona Princip djelovanja Za zaštitu elektroenergetskih postrojenja, objekata, a posebno transformatora, upotrebljavaju se odvodnici prenapona. Danas redovito korišteni metal oksidni (MO) ili cink oksidovi (ZnO) odvodnici imaju izrazito nelinearnu strujno- naponsku karakteristiku. Keramički otpornici-varistori sastoje se uglavnom od zrnaca ZnO uz dodatak još nekih aditiva, poput bizmut-oksida Bi2O3, magnezij-oksida i drugih, ukupno 9 aditiva. 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 ovisnosti od veličine narinutog napona. Na slici 2-38 je prikazana nelinearna strujno-naponska (I-U) karakteristika idealnog a) i nekog realnog b) odvodnika prenapona.
Slika 2-38 Strujno-naponska (I-U) karakteristika a) idealnog i b) realnog odvodnika prenapona Idealni odvodnik prenapona i uz vrlo velike struje održava uvijek stalnu vrijednost napona. U praksi to nije moguće ostvariti, ali se svojstva realnih odvodnika nastoje čim više približiti idealnim. Odvodnik prenapona osim amplitude nailazećeg naponskog vala smanjuje i njegovu strminu. Na slici 2-39 je prikazan princip određivanja napona i struja odvodnika pri nailasku pravokutnog naponskog vala amplitude U1. Koristi se ekvivalentna shema prema Petersenu. Napon i struja kroz odvodnik dobivaju se iz presjecišta pravca UR = 2U1 - IRZ1 i krivulje preostalog napona odvodnika Uo = f (IR ).
29
Slika 2-39 Određivanja napona i struja odvodnika pri nailasku pravokutnog naponskog vala amplitude U1 Zaštitna zona Odvodnik ograničava prenapone na iznos preostalog napona odvodnika samo na mjestu ugradnje odvodnika, dok s porastom udaljenosti od odvodnika raste i iznos napona. Zaštitna zona odvodnika proteže se na dio voda ispred i iza odvodnika prenapona. Udaljenost Xa od odvodnika na kojoj prenapon na štićenom objektu dostiže vrijednost izolacione razine (za atmosferske ili sklopne prenapone) naziva se zaštitnom zonom.
Slika 2-40 Zaštitna zona odvodnika prenapona Prema slici 2-40 pretpostavljeno je da je u točki A postavljen odvodnik čija je zaštitna razina Uz, pa će tako prolazni val putovati dalje u desno. Za onaj dio upadnog naponskog vala koji je iznad zaštitne razine Uz, odvodnik predstavlja kratki spoj, pa se tako taj dio naponskog vala reflektira sa suprotnim predznakom, ili se može zamisliti da je na tom mjestu nastao izvor vala, koji putuje na obje strane i s desne strane briše sve što je iznad Uz. Lijevo od odvodnika uspostavlja se napon s dvostrukom strminom 2s. Ako postrojenje ima izolacionu razinu Ui, onda je očito da se zaštitna zona ispred odvodnika može odrediti iz:
tgα = 2s =
(Ui − Uz )
Xa (U − Uz ) Xa = i 2s
gdje je Xa u [m], naponi u [kV], a strmina s u [kV/m]. Ako se strmina izrazi u [kV/µs], vrijedi:
s [kV m] = s [kV µs] v [m µs] 30
gdje je v brzina širenja vala vodom u [m/µs], pa slijedi da je zaštitna zona:
Xa =
(Ui − Uz ) v 2s
gdje je Xa u [m], naponi u [kV], a strmina s u [kV/ µs ]. Izraz za zaštitnu zonu vrijedi ispred i iza odvodnika, te za prolaznu i završnu stanicu. Izbor MO odvodnika kod ugradnje u distributivne mreže Kod MO odvodnika se nazivni napon odvodnika Un približno odabire kao Un = 1,25 Uc, pri čemu je Uc trajni radni napon odvodnika (maksimalna vrijednost). Trajni radni napon odabire se na osnovi termičkog opterećenja odvodnika, tj. trajanja privremenih prenapona na mjestu ugradnje odvodnika. Privremeni prenaponi su povišenja napona pogonske frekvencije ograničenog trajanja. Kod MO odvodnika nema popratne struje, radi ekstremno nelinearne strujno-naponske karakteristike. Iz tog razloga MO odvodnici mogu podnositi povećani pogonski napon određeno vrijeme. Faktor preopterećenja T uzima u obzor vremensko trajanje preopterećenja. Mjeru dozvoljenog preopterećenja daje faktor T:
Upriv = TU c Uz najveći faktor T veći su privremeni prenaponi, a time i snaga koja se generira u odvodnicima. Faktor T daje se u ovisnosti o vremenu trajanja privremenih prenapona. Krivulja b vrijedi za slučaj kada je odvodnik u vremenu t = 0 već bio opterećen s trajnim radnim naponom Uc i pripadnom energijom. Zato krivulja b leži ispod krivulje a, koja vrijedi za slučaj odvodnika bez prethodnog opterećenja.
Slika 2-40 Faktor T kao funkcija vremena trajanja privremenih prenapona. Kod odabira maksimalnog radnog napona moraju biti zadovoljena dva uvjeta: 1. Uc mora biti viši od konstantnog napon pogonske frekvencije na priključcima odvodnika. 2. TUc mora biti viši od očekivanog privremenog prenapona na priključcima odvodnika. Kod određivanja faktora T uzima se u obzir i vrijeme trajanja privremenog prenapona t.
31
Kod privremenih prenapona Upriv obično se promatra zemljospoj kao najčešći kvar. Veličina prenapona zavisi od načina uzemljenja zvjezdišta u mreži, pa tako mora biti zadovoljeno:
Uc 〉
Upriv T(t )
Pri tome se razlikuju : 1. Uzemljena preko velikog otpora ili izolirana mreža:
Uc ≥ Um pri čemu je Um
najveća vrijednost linijskog pogonskog napona mreže ( efektivna vrijednost).
Pretpostavlja se beskonačno trajanje Upriv . Napon u zvjezdištu transformatora može biti odvodnik u zvjezdištu mora imati Uc ≥
Um 3
Um 3
, pa
.
2. Uzemljena preko velikog otpora i automatsko isključenje kvara Iznos privremenih prenapona je isti kao u slučaju 1., međutim ranijim isključenjem kvara može se smanjiti Uc za faktor T. Ako se isključenje dogodi maksimalno nakon t = 10 s, tada je faktor T = 1.25. Trajni radni napon za odvodnik između faze i zemlje je:
Uc ≥
Um T
Za odvodnik u zvjezdištu transformatora:
Uc ≥
Um T 3
3. Direktno uzemljena mreža (ke ≤ 1,4): Ako je mreža uzemljena tako da postoji dovoljan broj transformatora s niskim otporom uzemljena, pri čemu je faktor zemljospoja u cijeloj mreži (ke ≤ 1,4) tada je:
Upriv ≤
1.4 Um 3
Može se pretpostaviti da se uklanjanje kvara događa najkasnije nakon t = 3s, pa je faktor T = 1.28. Tada je Uc za odvodnik između faze i zemlje:
Uc ≥
1.4 Um 1.28 3
=
1.1 Um 3
Napon zvjezdišta neuzemljenog transformatora u takvoj mreži može dostići Upriv = 0.4Um . Za odvodnik smješten u zvjezdištu takvog transformatora će biti:
Uc ≥
32
0.4Um = 0.32Um 1.28
Slika 2-41 Zaštitne razine odvodnika Izbor MO odvodnika za prijenosne mreže Izbor trajnog radnog napona Uc Trajni radni napon mora biti veći od najvišeg faznog napona koji se može pojaviti u mreži:
Uc ≥
Um 3
Um - najveća vrijednost linijskog pogonskog napona mreže. Tablica 2-3 Najveća vrijednost linijskog pogonskog napona mreže Un
[kV ]
Um
110 220 400
[kV ]
123 245 420
Izbor nazivnog napona Ur
(
)
Ur ≥ max Ueq1, Ueq 2 , Ueq3 … ⎛ t ⎞ Ueqi = UTOVi ⋅ ⎜ TOVi ⎟ 10 ⎝ ⎠
0.02
UTOVi - amplituda i-tog privremenog prenapona (1. Privremeni prenaponi prouzročeni dozemnim kratkim spojem) (2. Privremeni prenaponi prouzročeni ispadom tereta ) Izbor nazivne odvodne struje In Nazivna odvodna struja In se obično odabire 10 kA ili 20 kA.
33
Provjera energetske podnosivosti odvodnika prenapona Razmatraju se moguća prijelazna stanja koja će izazvati čim veće energetska naprezanja. Također se mora uzeti u obzir do kakvih sklapanja može doći u mreži tj. da li postoji APU. Potrebno je provjeriti da li može biti pređena nazivna specifična energetska podnosivost Wr kJ kV .
[
]
2.2.6. Harmonici Više harmonike u mrežnom naponu najčešće proizvode viši harmonici struja nelinearnih potrošača, koji su danas široko rasprostranjeni i priključeni u distributivnim mrežama. Upravo viši harmonici struje stvaraju povećane gubitke te zbog padova napona na impedancijama distributivne mreže više harmonike napona. Na slici 2-42 je prikazana punovalno ispravljena struja jednofaznog potrošača i harmonijska analiza iste. Ovo je tipični primjer nastanka parnih harmonika. MC's PlotXY - Fourier chart(s). Copying date: 26.7.2012
Za realne trofazne mreže su karakteristični neparni harmonici, slika 2-43. File Ispravljac.pl4 Variable c:XX0004-XX0010 [|rms / harm. 0|] Initial Time: 0,08
Final Time: 0,1
0,35
1,0
[A] 0,30
0,8
0,25
0,20
0,6
0,15
0,4 0,10
0,05
0,2
0,00
0,0
-0,05 0
(file Ispravljac.pl4; x-var t) c:XX0004-XX0010
10
20
30
40
[ms]
0
3
6 9 harmonic order
50
12
15
100
Slika 2-42 Parni strujni harmonici u punovalno ispravljenoj struji Volts 6
62 5
4
24
3
2
-14
1
0 THD
H1 0
H2 0
H3 0 A V Harm
Total RMS: DC Level: Fundame ntal(H1) RMS: Total Harmonic Distort ion THD:
H4 0
H5 0
-52
235.46 V 0.14 V 235.68 V 6.15 V (Eve n: 0.05 V, Odd: 6.15 V) C rea te d w ith D ra nVie w 6 .6 .3
-90
Slika 2-43 Tipični sadržaj viših harmonika u naponu 0 5 napajanja 10 15
20 25 harmonic order
30
S druge strane, sve veća primjena pretvarača frekvencije i sličnih upravljačkih uređaja utiče na povećanje vrijednosti međuharmonika, čije se dopuštene vrijednosti u okviru norme EN 50160. još razmatraju. U pojedinim situacijama i međuharmonici relativno malih intenziteta izazivaju naponsko treperenje (naponski fliker) ili smetnje u sistemu mrežnog tonfrekventnog upravljanja. Dopuštene vrijednosti viših harmonika mogu se prikazati: • •
34
pojedinačno, njihovim amplitudama (Un), svedenim (skaliranim) na amplitudu osnovnog harmonika (U1), ili zajednički, uz pomoć ukupnog sadržaja viših harmonika: THD (eng. Total Harmonic Distortion
– totalna harmonijska distorzija), koje se izračunava iz relacije: 40
THDU% = •
∑
n= 2
Un2
U1
⋅ 100 %
Gubici uzrokovani višim harmonicima struje mogu se u odnosu na gubitke uzrokovane osnovnim harmonikom izraziti pomoću totalne harmonijske distorzije struje relacijom:
𝑃! = 𝑇𝐻𝐷!! ∙ 𝑃! Pa ukupni gubici iznose
𝑃!"! = 𝑃! + 𝑃! = 𝑃! 1 + 𝑇𝐻𝐷!! U tablici 2-3 su navedene granične vrijednosti viših harmonika napona napajanja koje moraju biti zadovoljene u 95% vremena mjernog perioda od tjedan dana. Ukupno (totalno) harmoničko izobličenje (THD) napona napajanja mora biti manje od 8%. Tablica 1-3 Vrijednosti viših harmonika za niski napon i srednji napon, prema normi EN 50160 NEPARNI HARMONICI nisu djeljivi s 3
PARNI HARMONICI djeljivi s 3
Harmonik h
Relativna amplituda uh
Harmonik H
Relativna amplituda uh
Harmonik h
Relativna amplituda uh
5
6,0 %
3
5,0 %
2
2,0%
7
5,0 %
9
1,5 %
4
1,0%
11
3,5 %
15
0,5 %
6..24
0,5%
13
3,0 %
21
0,5 %
17
2,0 %
19
1,5 %
23
1,5 %
25
1,5 %
2.2.7. Mehanički zahtjevi Elektroenergetsko postrojenje odnosno oprema (aparati, sabirnički sustav sa spojnom i ovjesnom opremom i dr.), postolja aparata, uključivo temelje, mora podnijeti očekivana mehanička naprezanja i njihove moguće kombinacije temeljem kojih se određuje rezultantno opterećenje za najgori očekivani slučaj kao ulazni podatak za projektiranje. Kombinacije mehaničkog opterećenja uključuju opterećenje u normalnom pogonu, opterećenja koja su posljedica atmosferskih i klimatskih utjecaja, te slučajnih događaja. Tijekom normalnog pogona postrojenje je podvrgnuto sljedećim opterećenjima: • • • • •
vlastita težina; zatezne sile; montažno opterećenje; opterećenje ledom; opterećenje vjetrom.
Opterećenja usljed slučajnih događaja koji djeluju zajedno s vlastitom težinom i zateznom silom uključuju:
35
• • • •
sile usljed sklapanja; sile usljed kratkog spoja; gubitak zatezne sile; opterećenja izazvana potresom.
Svi aparati, sabirnice i nosive konstrukcije trebaju podnijeti vibracije koje mogu nastati djelovanjem vjetra, sila usljed kratkog spoja, potresa ili bliskog prometa (npr. blizina željezničke pruge i sl.). Dimenzioniranje nosivih konstrukcija treba zadovoljiti Eurocode za građevinske radove. 2.2.7.1. Zatezne sile Zatezne sile vodiča u postrojenju koje djeluju na čelične konstrukcije portala i stezaljke aparata računaju se uz najnepovoljnije uvjete, npr.: • • •
-20°C bez leda i vjetra; -5°C s ledom ali bez vjetra; +5°C s vjetrom.
Najveća zatezna sila uzima se kao ulazna vrijednost za daljnje proračune. Proračuni zateznih sila sabirnica na portale i vodiča na stezaljke aparata u postrojenju izvode se u pravilu korištenjem odgovarajućeg računalnog programa. 2.2.7.2. Montažno opterećenje Montažno opterećenj je opterećenje težinom od najmanje 1,0 kN na najkritičnijem mjestu nosive konstrukcije, portala i sl. 2.2.7.3. Opterećenje ledom Opterećenje slojem leda koji se može formirati na fleksibilnim (užetnim) ili cijevnim vodičima u postrojenju treba uvažiti u područjima gdje se očekuje, te ga dodati vlastitoj težini prilikom dimenzioniranja postrojenja. Treba uvažiti lokalna iskustva i statistike, a ako takovih nema, sloj leda 3 treba procijeniti na 1 mm do 20 mm. Specifična masa leda se procjenjuje na 900 kg/m . 2.2.7.4. Opterećenje vjetrom Opterećenje vjetrom uvjetovano je topografskom lokacijom postrojenja i visinom konstrukcija iznad tla. 2 Tlak vjetra na ravnu površinu općenito se može usvojiti kao q = 700 N/m uz brzinu vjetra od 34 m/s, pri čemu treba uvažiti najnepovoljniji smjer djelovanja na razmatrane aparate i konstrukcije. 2.2.7.5. Sile usljed sklapanja Sile usljed sklapanja koje se prenose na nosivu konstrukciju i temelje aparata definira proizvođač. 2.2.7.6. Sile usljed kratkog spoja Sabirnički sustav u postrojenju, bilo da se radi o cijevnim sabirnicama i spojevima između aparata ili sabirnicama i spojevima između aparata od použenih vodiča, izloženi su elektromagnetskim silama usljed kratkog spoja. S obzirom na tendenciju porasta veličine struje kratkog spoja u modernim elektroenergetskim mrežama s rastućim brojem disperziranih izvora, te zavisno o trajanju kratkog spoja, ove sile koje imaju dinamički karakter, mogu poprimiti vrlo velike iznose i postaju presudne za mehaničko dimenzioniranje aparata i njihovih postolja, sabirničkih portala i betonskih temelja. Elektrodinamičke sile uzrokovane kratkim spojem uzrokuju odbojne ili privlačne sile između faznih 2 vodiča, zavisno o smjeru struje (slika 2-44). Elementarna sila d F se može izraziti Biot-Savartovom jednadžbom:
36
µ0 ds1 (ds 2 d F1 = i ( t )i ( t ) 4π 1 2 a321 2
a 21 )
U slučaju paralelnih vodiča, što je u pravilu slučaj sa sabirnicama, te strujom protjecane dužine ℓ veće od njihovog razmaka a, sila koja djeluje između njih se može izraziti pojednostavljenom jednadžbom koja vrijedi kako za cijevne, tako i za užetne sabirnice:
F(t ) =
µ0 l i1(t )i2 (t ) 2π a
Detaljni proračun elektrodinamičkih sila usljed kratkog spoja, koji izlazi iz okvira ovog predavanja, prikazan je i detaljno opisan u HRN IEC 60865-1 i HRN IEC 60865-2. Proračun je se zasniva na empirijskoj metodi temeljem velikog broja mjerenja i pokusa kroz dugi niz godina, koji se i dalje obavljaju (npr. utjecaj automatskog ponovnog uklopa). 2
Slika 2-44 Elementarna sila d F na vodič 1 uzrokovana strujom u vodiču 2
2.2.7.7. Gubitak zatezne sile vodiča Prilikom dimenzioniranja portala za zavješenje použenih sabirnica sa zateznim izolatorskim lancima treba uzeti u obzir najnepovoljniji slučaj opterećenja do kojeg može doći usljed nestanka zatezne sile prekidom vodiča ili izolatora. Uobičajeno je promatrati ovaj slučaj pri temperaturi 0°C, bez leda i vjetra. Ukoliko su sabirnice izvedene s vodičima u snopu, razmatra se prekid samo jednog vodiča. 2.2.7.8. Opterećenja izazvana potresom Seizmička aktivnost odnosno potres, može izazvati znatne štete na postrojenju usljed mehaničkih udara i vibracija izazvanih seizmičkim valovima na površini tla, frekvencije 0,1 Hz ... 30 Hz, jakog vodoravnog ubrzanja. Ovo ubrzanje izražava se kao višekratnik gravitacije g = 9,81 m/s2, s amplitudama u granicama 0,1g ... 0,7g. Granična vrijednost ubrzanja na površini tla najvažniji je parametar potresa vezano na mehaničku izdržljivost opreme i postrojenja. Njihove karakteristične vrijednosti izražavaju se sljedećim razredima: • • •
2
5 m/s (≈ 0,5 g) – razred AF5; 2 3 m/s (≈ 0,3 g) – razred AF3; 2 2 m/s (≈ 0,2 g) – razred AF2.
Prilikom razmatranja potresa treba razlikovati njegovu magnitudu i intenzitet. Magnituda je razmjerna oslobođenoj energiji u epicentru i mjeri se stupnjevima Richterove ljestvice. Intenzitet potresa izražava njegov učinak na površini tla koji opada s udaljenošću od epicentra i mjeri se stupnjevima Mercallijeve ljestvice. Potres ne samo da može izazvati direktne električke (kratki spoj, električni luk) i mehaničke štete, nego i indirektne štete izazvane nestankom opskrbe električnom energijom, te ekološki incident (razliveno transformatorsko ulje i sl.) i požar. Utjecaj potresa treba uvažiti kako građevinskim, tako i elektromehaničkim projektom, pri čemu je podatak o njegovom intenzitetu specifičan za pojedinu lokaciju. Svi elementi postrojenja trebaju biti ispitani i zadovoljiti razred (AF.) za potres najvećeg očekivanog intenziteta odnosno vodoravnog površinskog ubrzanja tla na predviđenom mjestu ugradnje. 2.2.8. Klimatski uvjeti i uvjeti okoliša Elektroenergetsko postrojenje i pojedini njegovi dijelovi i oprema, pogotovo otvorene, zrakom izolirane izvedbe, tijekom cijelog životnog vijeka je izloženo različitim klimatskim, atmosferskim i ostalim utjecajima okoliša koji postepeno utječu na slabljenje izolacijske čvrstoće i ubrzavaju starenje. S druge
37
strane, na postrojenje se postavljaju vrlo strogi zahtjevi po pitanju njegovog utjecaja na okoliš. Klimatski utjecaji i okoliš lokacijski (geografski) su uvjetovani i razlikuju se u pojedinim regijama odnosno dijelovima svijeta. Klimatski uvjeti koje treba uvažiti prilikom projektiranja postrojenja su: • • • • • • • •
nadmorska visina i tlak zraka; temperatura; sunčevo zračenje; vlažnost; oborine; stvaranje ledenog sloja; vjetar; prirodna onečišćenja.
Uvjeti okoliša podrazumijevaju: • • • • • • •
utjecaj flore i faune; dozvoljena razina buke; vizualni utjecaj; elektromagnetska zračenja; umjetna onečišćenja; vibracije uzrokovane prometom; učinak potresa.
2.2.8.1. Klimatski uvjeti i utjecaji na postrojenje Problematika utjecaja leda, vjetra, vibracija i potresa na dimenzioniranje postrojenja razmotrena je u poglavlju 2.2.7. U slučaju da uvjeti na terenu odstupaju od standardnih veličina, prilikom dimenzioniranja izolacije potrebno je primijeniti korekcijski faktor. Standardne klimatske veličine su: t0 = 20°C; b0 = 101,3 kPa; 3 ha0 = 11 g/m i vrijede na razini mora. Nazivne veličine električne opreme i ostali zahtjevi na dimenzioniranje postrojenja uobičajeno vrijede do nadmorske visine 1000 m. Nadmorska visina utječe na izolacijsku čvrstoću zbog manjeg tlaka zraka, te za lokacije iznad 1000 m treba primijeniti korekcijski faktor:
Ka = e
m
H 8150
gdje su: H m
nadmorska visina (m); eksponent čija vrijednost zavisi od ispitnih napona izolacije i njezine zagađenosti: za koordinacijske udarne atmosferske ispitne napone m = 1,0; za koordinacijske udarne sklopne ispitne napone određuje se iz diojagrama (HRN IEC 60071-2, slika 9); za koordinacijske kratkotrajne ispitne napone zračnih razmaka industrijske frekvencije i čiste izolatore m = 1,0, a za zagađene izolatore m = 0,5 ... 0,8.
Korekcijski faktor nije potrebno primjenjivati za oklopljena, plinom SF6 izolirana postrojenja. Temperatura treba biti definirana za svaku lokaciju od strane korisnika. Uobičajene su sljedeće vrijednosti, odnosno temperaturni razredi: a) unutarnja postrojenja – temperatura okolnog zraka ≤ 40°C, a prosječna vrijednost mjerena tijekom 24 sata ne prelazi 35°C. Temperaturni razredi definirani su temperaturnim vrijednostima: •
38
-5°C razred „minus 5 unutra“;
• •
-15°C razred „minus 15 unutra“ -25°C razred „minus 25 unutra“.
b) vanjska postrojenja – temperatura okolnog zraka ≤ 40°C, a prosječna vrijednost mjerena tijekom 24 sata ne prelazi 35°C. Temperaturni razredi definirani su temperaturnim vrijednostima: • •
-25°C razred „minus 25 vani“; -40°C razred „minus 40 vani“.
Prilikom definiranja temperaturnih uvjeta sekundarne opreme (releji, upravljačke jedinice i dr.) potrebno je strogo poštivati korisničke upute proizvođača opreme i po potrebi predvidjeti umjetno grijanje i/ili hlađenje. Temperatura opreme direktno je utjecana sunčevim zračenjem koje osobito utječe na strujnu opteretivost sabirnica i spojnih vodiča u otvorenim postrojenjima, te posljedično i na njihovo elektromehaničko dimenzioniranje. Ujedno zagrijava sve ostale aparate i njihovu okolinu, te uzrokuje fotokemijsku degradaciju materijala i izbjeljivanje boja, a ultraljubičasto zračenje može uzrokovati oštećenje većine organskih, te nekih umjetnih materijala (npr. neke gume i plastične mase i sl.). Strujna opteretivost vodiča može se izračunati iz jednadžbe ravnoteže:
Ieff =
ΔPR + ΔPK − ΔPSO R 'S
gdje je: ΔPR ΔPK ΔPSO R S’
odvođenje topline vodiča radijacijom (W/m); odvođenje topline vodiča strujanjem zraka (W/m); zagrijavanje vodiča sunčevim zračenjem (W/m); otpor vodiča izmjeničnoj struji (50 Hz) kod pogonske temperature (Ω/m). 2
2
Uz sunčevo zračenje E=900 W/m pri vedrom nebu, te koeficijent odvođenja topline 20 W/(m ×°C), dodatno zagrijavanje izložene površine može dostići vrijednost od oko 30°C. 2
Kao najveća razina sunčevog zračenja za vedra dana u podne može se uzeti E=1000 W/m . Većina tablica u priručnicima i proizvođačkim katalozima navodi strujnu opteretivost vodiča uz standardizirane vremenske uvjete (temperatura, brzina vjetra) za određenu lokaciju u svijetu. Zbog toga ove podatke treba uzeti s rezervom i izvršiti računsku provjeru za svaki specifični slučaj. Više temperature bez vjetra ili kombinacija ovih utjecaja može znatno utjecati na strujnu opteretivost vodiča i elektromehaničko dimenzioniranje postrojenja (provjes, zatezne i druge statičke sile, sile usljed ktratkog spoja, zračni razmaci itd.). Utjecaj vlage na elemente postrojenja uvijek je rezultat kombinacije relativne vlažnosti zraka s drugim atmosferskim utjecajima, prije svega temperaturom i brzinom njezine promjene. Kondenzacija vlage doprinosi bržoj koroziji i propadanju željeza, a može ugroziti i izolaciju (npr. kondenzna vlaga u transformatoru i sl.). U kombinaciji s temperaturom pogoduje razvoju plijesni i gljivica koje dodatno utječu na koroziju i ubrzano propadanje određenih materijala, te ugrožavaju dielektrična svojstva. Budući da su navedeni utjecaji zemljopisno uvjetovani, treba ih razmotriti za svaku lokaciju ponaosob i primijeniti odgovarajuće mjere za njihovo suzbijanje. Efikasne mjere su kvalitetna antikorozivna zaštita, odnosno primjena materijala otpornih na koroziju (npr. nerđajući čelik i sl.), plijesni i gljivice, te korištenje grijača u zatvorenim razdjelnim ormarima upravljanog termostatom i higrostatom. Naša zemlja spada u područje umjerene klime, slika 2-45 (IEC 60721-2-1). Normirane karakteristike umjerene klime (IEC 60721-2-1) na godišnjoj razini srednjih vrijednosti ekstrema su: niska temperatura -33°C, visoka temperatura + 40°C, najviša temperatura s relativnom 3 vlažnosti zraka ≥ 95% +27°C, najviša apsolutna vlaga 25 g/m . Apsolutne vrijednosti ekstrema su: najniža temperatura -45°C, najviša temperatura + 45°C, najviša temperatura s relativnom vlažnosti 3 zraka ≥ 95% +31°C, najviša apsolutna vlaga 30 g/m Oborine (rosa, kiša, snijeg, solika, inje), magla i vlaga, kao i prirodna i umjetna onečišćenja (prašina,
39
pijesak, salinitet, industrijska onečišćenja itd.) djeluju na izolaciju i utječu na izbor razreda izolacije, vrstu i oblik izolatora, te dužinu klizne staze izolatora izraženu u mm/kV. Dok oborine i onečišćenja u unutarnjim postrojenjima ne predstavljaju veći problem, njihov utjecaj u vanjskim postrojenjima je izrazit, te razlikujemo pet stupnjeva onečišćenja (IEC/TS 60815) zavisno o : a – vrlo malo onečišćenje; b – malo onečišćenje; c – srednje onečišćenje; d – veliko onečišćenje; e – vrlo veliko onečišćenje. Vjetar u kombinaciji sa salinitetom, pijeskom ili prašinom, a u poljoprivrednim krajevima prašinom koja ostaje nakon žetve, te temperaturom i vlagom, može izazvati niz negativnih utjecaja kao što su: • • • • • • •
ugrožavanje dielektričnih svojstava (premoštenje odnosno smanjenje klizne staze [mm/kV]); promjena karakteristika kontakata (kontaktni otpor); ubrzana korozija; poticaj za razvoj plijesni i gljivica; smanjenje toplinske vodljivosti; začepljenje filtera i ventilacijskih otvora; pogoršanje mehaničkih svojstava kao što su trenje i korozija pogonskih dijelova (ležajevi, zglobovi, osovine i sl.).
Slika 2-45 Klimatske zone svijeta – Hrvatska spada u područje umjerene klime
40
2.2.8.2. Ostali uvjeti i utjecaji okoliša na postrojenje Problematika umjetnih onečišćenja postrojenja, vibracija i potresa razmotrena je u ranijim poglavljima. Utjecaj flore i faune može biti uzrokom kvarova na izolaciji postrojenja te uzrokom kratkog spoja i havarija većih razmjera. U našim krajevima naročito je izražen utjecaj faune, odnosno ptica i malih životinja. Utjecaj flore u vanjskim postrojenjima uspješno se suzbija korištenjem herbicida. Dodatno treba spomenuti utjecaj plijesni, gljivica i mikroorganizama, koji se mogu razvijati uz određene klimatske uvjete, na izolacijska svojstva materijala, te ih je potrebno redovito suzbijati odgovarajućim mjerama. Utjecaj toplokrvnih životinja na postrojenja u zgradama odnosno u zatvorenim prostorijama je minimalan i dobro se može suzbiti kvalitetnim vratima i oklopima, brtvenjem kabelskih prolaza kroz zidove (slika 2-46), te kabelskim uvodnicama za uvod kabela u razvodne ormare i sklopne blokove. Na postrojenjima u otvorenom prostoru taj utjecaj može biti znatno veći, te mu se treba posvetiti puna pozornost kako bi se spriječile štete usljed kratkih spojeva i mehaničkih utjecaja, te posljedične štete usljed prekida opskrbe potrošača. Najčešći kvarovi koje uzrokuju životinje su premoštenje izolacije ili faza uz kratki spoj i Slika 2-46 Brtvenje uvoda kabela u zgradu mogući požar, oštećenje izolacije od strane uvodnicama (zaštita od vode, životinja i biljaka) glodara, kemijske i mehaničke reakcije (korozija, ubrzano starenje materijala, oštećenja pokretnih dijelova itd.) zbog raznih životinjskih produkata (gnijezda kukaca i ptica, ostaci hrane, životinjski ostaci, izmet, urin i sl.). Negativne posljedice ovih utjecaja u kombinaciji s ranije spomenutim, osobito vlagom i temperaturom, dodatno se pojačavaju. Poznavanje, izbjegavanje odnosno sprječavanje ovakvih utjecaja u najvećoj mogućoj mjeri, može znatno smanjiti učestalost kvarova i doprinijeti pouzdanosti i raspoloživosti postrojenja. Vjerojatnost i učestalost utjecaja životinja i biljaka dobrim dijelom zavisi o temperaturi i vlazi u prostoru. U toplom i vlažnom prostoru po stoje dobri uvjeti za razmnožavanje kukaca ali i glodara (miševi, štakori) te mikroorganizama kao što su plijesni i bakterije, te se njihovo suzbijanje treba predvidjeti odgovarajućim projektnim rješenjem. Već spomenuta industrijska onečišćenja koja imaju slične efekte kao što je navedeno za prirodna zagađenja, specifična su za pojedinu vrstu djelatnosti – cementare, pilane, čeličane, površinski ugljenokopi itd. te ih treba razmotriti za svaki pojedini slučaj i primijeniti odgovarajuće mjere zaštite. 2.2.8.3. Utjecaj postrojenja na okoliš Elektroenergetsko postrojenje može imati sljedeće utjecaje na okoliš: • • • • •
onečišćenje podzemnih voda izlivenim transformatorskim uljem; onečišćenje okoliša nekontroliranim ispuštanjem plina SF6, poglavito produkata njegovog raspada usljed električnog luka u komori prekidača; buka; vizualni utjecaj; elektromagnetsko zračenje.
41
Onečišćenje podzemnih voda izlivenim transformatorskim uljem treba riješiti kvalitetno projektiranom, dimenzioniranom i izvedenom nepropusnom uljnom jamom sa separatorom kišnice, s pripadajućom uljnom kanalizacijom. Pri tome je potrebna tijesna suradnja projektanta elektrotehničkog i građevinskog dijela. Druga mogućnost je korištenje transformatora s prirodnim dielektrikom na bazi ulja suncokreta ili drugih uljarica kakvi su danas već u upotrebi. Takav dielektrik predstavlja mnogo manju opasnost ne samo za zagađenje podzemnih voda, nego i po pitanju požara. Plin SF6, iako staklenički, po sebi je inertan, kemijski stabilan, teži je od zraka (gustoća mu je 5 puta veća), bez boje, okusa i mirisa. Nije otrovan, nije kemijski agresivan niti je zapaljiv. Ne reagira s okolnim materijalima do 500°C. Ima odlična izolacijska svojstva, vrlo malu vremensku konstantu električnog luka i oko 100 puta je efikasniji u procesu gašenja električnog luka od zraka. Negativno svojstvo mu je to što spada u stakleničke plinove. Osim toga, pod djelovanjem visoke temperature električnog luka razvijaju se vrlo otrovni spojevi. Iz tog razloga zahtijeva se pažljivo rukovanje ovim plinom prilikom punjenja komora prekidača i oklopljenih postrojenja kako bi se maksimalno spriječilo njegovo istjecanje u okolni prostor. Otrovni, agresivni produkti razlaganja električnim lukom vežu se odgovarajućim filterima u prekidaču, te u osnovi ne predstavljaju veću opasnost za okoliš. Buka koja potječe od elektroenergetskog postrojenja može imati više izvora. Najčešće se radi o diskretnom, trajnom čujnom zvuku (brujanju) koji emitiraju transformatori, no izvor buke može biti i diesel-električni generator, te impulsna buka od sklopnih aparata, te korona (uglavonom kod vrlo visokih napona u kombinaciji s povećanom vlagom u zraku). Prije početka izrade projektne dokumentacije treba izvršiti analizu mogućih izvora i razine buke kako bi se izbjegli naknadni problemi, uvijek povezani s dodatnim troškovima, kao što je postavljanje zvučnih barijera i sl. Buka koja potječe od transformatora zavisi uglavnom o njegovoj veličini i konstrukciji i prigušuje se s udaljenošćui. Budući da su dimenzije transformatora proporcionalne s njegovim nazivnim naponom i snagom, zvučni tlak na dovoljnoj udaljenosti od transformatora može se izraziti formulom:
N = −6.2 + LT + 2.08 log(UT ⋅ ST ) − 20 logD Dovoljna udaljenost od transformatora definirana je izrazom:
D > W ⋅H
gdje je: N LT UT ST D W H
buka (dBA) u točki na udaljenosti D od transformatora; razina buke (dBA) kod transformatora, izmjerena ili specificirana od strane proizvođača; nazivni linijski napon VN strane transformatora (kV); nazivna prividna snaga transformatora (kVA); udaljenost od transformatora do točke opažanja odnosno mjerenja (m); širina kotla (m); visina kotla (m).
Izračunata razina zvučnog tlaka treba biti manja od propisanih graničnih vrijednosti. Zvuk koji emitira korona može se ublažiti ili eliminirati korištenjem prstenova za smanjenje potencijalnih razlika te odgovarajućeg spojnog i ovjesnog pribora. U slučaju da se buka i zvukovi bilo kojeg porijekla ne mogu izbjeći odgovarajućim projektnim rješenjem, treba primijeniti dodatne mjere kao što su barijere za prigušenje i zaštitu od buke ili umjesto otvorenog postrojenja projektirati npr. plinom SF6 izolirano postrojenje u zgradi, sa zvučno izoliranim transformatorskim komorama. Transformatorska stanica ne smije predstavljati izvor buke čija mjerena razina prelazi vrijednosti zadane Pravilnikom o najvišim dopuštenim razinama buke u sredini u kojoj ljudi rade i borave (NN 145/2004). Procijeni li se da je razina buke veća od dozvoljene, prije početka elektromontažnih radova treba primijeniti mjere za njezino ublažavanje, odnosno svođenje u dozvoljene granice. Dodatno se zaštita
42
od buke rješava odgovarajućim temeljenjem, te ugradnjom antivibracijske tvrde gume odgovarajuće čvrstoće i nosivosti ispod tračnica/konzola na koje je postavljen transformator. Svakako treba voditi računa i o mjestu ugradnje transformatorske stanice – unutarnje oblaganje zidova zvučno izolacionim materijalom poželjno je prije svega u stambeno–poslovnim objektima, te je bolje koristiti deblju izolaciju nego računati s rubnim vrijednostima, pogotovo zbog mogućeg postojanja i drugih izvora buke (ukupna buka u noćnim satima ne smije prijeći 40 dB(A)). 2.2.8.4. Vizualni utjecaj postrojenja na okoliš Elektroenergetska postrojenja u zgradama općenito ne predstavljaju veći problem po pitanju vizualnog utjecaja na okoliš. Oblikovanje vanjskog izgleda prostora elektroenergetskog postrojenja treba biti izvedeno u suradnji arhitekta zgrade i projektanta elektotehničkog projekta s ciljem uvažavanja svih postavljenih funkcionalnih, ekoloških i tehničkih zahtjeva. Veća postrojenja, osobito ona viših napona, koja moraju biti locirana blizu ili unutar naseljenih područja, moraju biti projektirana tako da niti na koji način ne utječu na vizualni Slika 2-47 Transformatorska stanica sa SF6 postrojenjem 132 kV ispod parka u središtu grada izgled okoliša. Ovaj zahtjev u nekim slučajevima Buka transformatora je prigušena može biti odlučujući za izbor koncepcije ukomponiranim vodopadom. postrojenja, te kao prvi korak u njegovom planiranju zahtijeva detaljan, stručni uvid u lokaciju. Pored vizualnog utjecaja, u takvim slučajevima elektroenergetsko postrojenje treba zadovoljiti i druge zahtjeve vezano na okoliš (buka, elektromagnetsko zračenje, razna zagađenja itd.). Zahtjevi vezano na vizualni utjecaj (obično u kombinaciji s ostalim navedenim zahtjevima) trebaju biti razmotreni prije donošenja odluke o koncepciji postrojenja i početka rada na projektnoj dokumentaciji kako bi se izbjegli naknadni nepotrebni radovi i troškovi. U ekstramnim slučajevima i nemogućnosti biranja lokacije, treba čak razmotriti i varijantu izgradnje elektroenergetskog postrojenja pod zemljom. Ovakav zahvat podrazumijeva usku suradnju projektanata elektrotehničkog, građevinskog i arhitektonskog dijela, te lokalne uprave zadužene za prostorno uređenje i gradnju, uz sudjelovanje projektanta hortikulturnog i pejzažnog uređenja okoliša. Elektroenergetsko postrojenje mora se estetski uklopiti u postojeće i buduće okruženje uz ispunjenje zahtjeva koje postavlja lokalna zajednica. Primjer takvog rješenja je prikazan na slici 2-47. U nekim slučajevima događa se da se naselje približi postojećem elektroenergetskom postrojenju koje je nekad bilo na rubnom dijelu grada, kao što je prikazano na slici 2-48, koja je tipičan primjer ne samo vizualnog utjecaja na okoliš. U takvim slučajevima potrebno je načiniti temeljitu rekonstrukciju postrojenja, te ga smjestiti u odgovarajuću zgradu uz korištenje modernih tehničkih rješenja.
43
Slika 2-48 Transformatorska stanica okružena stambenim naseljem
3. ELEKTRIČNA IZOLACIJA 3.1. Plinoviti dielektrici 3.1.1. Uzduh Izolacija nadzemnih vodova i zračnih rasklopnih postrojenja. Dobra izolaciona svojstva, ali je podložan meterološkim uvjetima: pritisak, temperatura, vlažnost. 3.1.2. Drugi plinoviti dielektrici Moraju biti zatvoreni pod raznim visokim ili niskim pritiscima. Treba voditi računa o toplinskoj vodljivosti, nezapaljivosti, neeksplozivnosti, toksičnosti i inertnosti u pogledu kemijskog djelovanja na spremnik u kojem se nalaze. 3.1.3. Elektropozitivni i elektronegativni plinovi Elektropozitivni plinovi- elektroni koji nastaju pri ionizaciji su dalje slobodni, a nastali ioni su pozitivni (vodik, dušik). Elektronegativni plinovi - molekule plina hvataju elektrone i grade negativne ione (kisik, SF6). Zrak je usprkos prisustva kisika elektropozitivan. Dušik pod pritiskom - (kabeli, mjerni kondenzatori) - elektropozitivan. Električna čvrstoća elektropozitivnih plinova dostiže tek kod vrlo visokih pritisaka (npr. 10 bara) električnu čvrstoću krutih ili tekućih dielektrika. SF6 je plin čija je gustoća otprilike 5 puta veća od zraka. Termički je stabilan i neotrovan. Primjena u rasklopnim postrojenjima. Pogodan je kao sredstvo za gašenje luka u prekidačima (dobra vodljivost topline).
3.2. Kruti dielektrici Kruti dielektrici primjenjuju se tamo gdje izolacija mora ispuniti mehaničke zahtjeve. Postoje anorganski izolacioni materijali: porculan, staklo, tinjac. Organski izolatori su guma, papir, umjetne mase.
44
Kod nadzemnih vodova se najviše upotrebljavaju: porculan, staklo i u novije izolatori, koji pokazuju dobru postojanost na vremenske uvjete.
vrijeme
silikonski
Za specijalne svrhe koriste se razne keramičke mase, poput steatita, kod kojih je osnovni sastojak magnezijev silikat. U usporedbi s porculanom steatit pokazuje bolja mehanička svojstva i manji faktor gubitaka. Za izolaciju električnih strojeva koristi se tinjac i papir koji su prerađeni u izolatore. Tinjac je posebno otporan na djelovanje električnih izbijanja. Organski izolatori imaju prednost tamo gdje se zahtijeva savitljivost (kabeli, vodovi), posebno tanka izolacija (kondenzatorski papir), te specijalna električna i mehanička svojstva. Od umjetnih masa najpoznatiji su polivinilklorid (PVC) i polietilen (PE) (npr. kabelska tehnika). Lijevane smole, npr. epoksidna smola prerađuju se u tekućem stanju. Otporne su na temperaturu. Posebno se koriste za unutanju izolaciju kod zavojnica i transformatora.
3.3. Unutarnja parcijalna izbijanja Parcijalna izbijanja u šupljinama čvrstih dielektrika uz narinuti izmjenični napon uzrokuju oštećenja površina u kojima je šupljina. S vremenom se kanali parcijalnih izbijanja proširuju prema elektrodama i dovode do potpunog proboja. Plinske šupljine mogu nastati u lijevanim masama kabela ili na granici slojevitih dielektrika. Šupljine imaju manju relativnu dielektričku konstantu u odnosu na čvrsti dielektrik, pa je električno polje u njima jače. Osim toga često je i tlak u ovim šupljinama vrlo nizak, što dodatno smanjuje probojnu čvrstoću.
Slika 3-1 a) Prikaz šupljine – 1 i kanala parcijalnih izbijanja – 2, b) nadomjesna shema U nadomjesnoj shemi je C1 kapacitet na mjestu defekta, a do proboja dolazi pri napona U' , na iskrištu. C2 je kapacitet između mjesta defekta i jedne elektrode, a C3 preostali kapacitet ispitnog objekta. Vanjski otpornik R služi za mjerenje. Kada se na ispitni objekt narine vanjski promjenjivi napon u, on će se podijeliti na kapacitetima na u1 i u2. Kada u1 dostigne vrijednost probojnog napona U', tada će se preko iskrišta izbiti kapacitet C1. Pri tome će se kapacitet C2 nabiti na trenutnu vrijednost ukupnog napona u = u20. Nakon izbijanja kapaciteta i gašenja luka, kapacitet C1 se nabija na napon u1:
u1 =
C2 (u−u20 ) C1 +C2
45
Slika 3-2 Oscilogram parcijalnih pražnjenja Prikazani su naponi u i u1. Ovdje je pretpostavljeno da se kapacitet C1 pri svakom proboju potpuno izbija, što u stvarnosti nije slučaj. Ova pojava se pri dovoljno visokom naponu više puta ponavlja, a učestalost raste s porastom narinutog napona. Za razliku od vanjskih parcijalnih izbijanja, kod kojih se pojavljuju izbijanja pri vršnim vrijednostima napona, ovdje su unutarnja parcijalna izbijanja grupirana oko prolaska napona kroz nulu. Iznenadne pojave nabojnih impulsa pri povišenju napona znače da pri povišenju napona u izolaciji promatranog objekta postoje šupljine u kojima dolazi do parcijalnih izbijanja. Ako se napon poveća iznad početnog napona pražnjenja Up, tako da pri nekoj vrijednosti Ukr intenzitet parcijalnih pražnjenja jako naraste i razaranje dielektrika se brzo odvija (reda sekundi), ta vrijednost napona naziva se kritični napon parcijalnih pražnjanja. Mjerenja parcijalnih izbijanja se provode na transformatorima i kabelima uz propisani ispitni napon.
Slika 3-3 Mjerni uređaj (M) za mjerenje parcijalnih izbijanja: a) četveropol (A) priključen u vod za uzemljenje ispitnog objekta b) četveropol (A) u seriji s mjernim kondenzatorom (Ck) Pri svakom parcijalnom izbijanju na ispitnom objektu se napon smanjuje za Δu. Zato se iz mjernog kondenzatora Ck izbija naboj ΔQ. Čelo izbijanja je vrlo strmo (1 ns). Napon koji nastaje na priključnom četveroplu dovodi se preko oklopljenog kabela na mjerni uređaj M za mjerenje parcijalnih izbijanja. Amplituda prijelazne pojave (koju treba selekcionirati) proporcionalna je naboju impulsa, tako da se ovim uređajem može mjeriti impulsni naboj u pC.
3.4. Tekući dielektrici Osim što izoliraju dijelove pod naponom tekući izolatori imaju zadaću rashladnog sredstva zbog odvođenja topline koju stvara struja (npr. transformator), ili kao sredstvo za gašenje luka u sklopnim uređajima. Najvažniji tekući izolator je mineralno ulje. Visoka probojna čvrstoća, dobra toplinska vodljivost, niska
46
temperatura ukrućivanja (-500C), te kemijska postojanost, čine ga posebno pogodnim izolatorskim sredstvom. Niska relativna dielektričnost mu daje prednost εr = 2.2 pri slojevitim (višestrukim) dielektricima, jer električki odterećuju čvrstu izolaciju (npr. transformatora (manji εr, veća jakost polja)). Nedostatak je zapaljivost mineralnog ulja, kao i mogućnost stvaranja eksplozivnih plinova (metan, propan). Za izolaciju kondenzatora koristi se Bencilneokaprat (BNC). U sintetičke tekućine spadaju isto tako silikonska ulja. Nisu štetna, kemijski su stabilna, a postojana su i pri visokim temperaturama (do 1500°C). Mogu se kombinirati s čvrstim izolatorima. Imaju visoku dielektričnu čvrstoću, pa se mogu koristiti kao izolaciono i rashladno sredstvo u transformatorima s visokim pogonskim temperaturama (npr. kod lokomotiva). Mineralna ulja imaju dielektričnu konstantu εr = 1.2 - 2.5, dok klorirani ugljikovodici ili ricinusovo ulje ima εr = 4 do 5.5. Dielektrična konstanta zavisi od frekvencije i temperature.
3.5. Koordinacija izolacije Elektroenergetski sustav se sastoji od strojeva, aparata, nadzemnih vodova, kabela itd. svi elementi nekog sustava nemaju jednaku, a ni jednako otpornu izolaciju. Kada koristimo pojam „koordinacija izolacije“ podrazumijevamo složene postupke računanja i ispitivanja kako bismo otpornost izolacije svih tih dijelova nekog sustava međusobno uskladili da sustav u cjelini izdrži sva naprezanja kojima će biti izložen u redovnom pogonu i za vrijeme djelovanja prenapona. Taj zahtjev da izolacija cijelog sustava bude usklađena ili koordinirana, postavlja se i radi lakšeg određivanja funkcija i karakteristika zaštitnih aparata koji moraju djelotvorno štititi promatrani sustav. 3.5.1. Klasična metoda koordinacije izolacije Osnovna načela koordinacije izolacije su sadržana u HRN IEC 60071. Prema tamo utvrđenim formulacijama koordinacija izolacije predstavlja korelaciju izolacionih svojstava opreme s karakteristikama zaštitnih sredstava na takav način da oprema bude zaštićena od prenapona. To se postiže usklađivanjem izolacijske otpornosti postrojenja i visine prenapona uz korištenje karakterističnih zaštitnih aparate. Da bi neka izolacija izdržala prenapone ona mora prije izdržati ispitivanje udarnim standardnim naponom 1.2/50 µs. Valni oblik ovog udarnog napona definiran je slikom 3-4. Podnosivi udarni napon izolacije i udarna razina zaštite utvrđuju se prema propisima koji obuhvaćaju načine ispitivanja i karakteristične vrijednosti udarnog napona i struja što ih treba u tim ispitivanjima upotrijebiti. Vrijednosti podosivog udarnog napona pridružene su i vrijednosti sinusoidalnog napona industrijske frekvencije kojima se te iste izolacije kratkotrajno (1 minuta) ispituju. Vrijednostima jednominutnog podosivog napona industrijske frekvencije, sinusoidalnog oblika, izražena je otpornost izolacije pretežno prema unutrašnjim prenaponima, a njezina otpornost prema atmosferskim prenaponima se ocjenjuje ispitivanjima koja su na njoj provedena udarnim naponima. U novije vrijeme otpornost izolacije prema unutrašnjim prenaponima, na najvišim naponskim razinama, provjerava se i ocjenjuje ispitivanjima pomoću udarnih napona dugog trajanja (250/2500 µs). Stupnjevi izolacije su standardizirani prema nazivnom naponu u dvije kategorije koje se različito ispituju prema tablici 2-1.
47
Slika 3-4 Standardni udarni napon 1.2/50 µs Za oznaku stupnja izolacije 123 Si 230/550 (prema starom Pravilniku) brojevi imaju sljedeće značenje: • • •
123 230 550
najviši napon opreme nazivnog napona 110 kV; podnosivi jednominutni sunusoidalni napon industrijske frekvencije; podnosivi udarni atmosferski napon.
Za oznaku stupnja izolacije 420 Si 1050/1425 (prema starom Pravilniku) brojevi imaju sljedeće značenje: • • •
420 1050 1425
najviši napon opreme nazivnog napona 400 kV; podnosivi udarni sklopni napon; podnosivi udarni atmosferski napon.
Novi pravilnik, kao niti europske norme na koje se poziva, ne definira način označavanja izolacijske razine. Postavlja se pitanje koji je razlog da za pojedinu naponsku razinu imamo više različitih vrijednosti ispitnog napona. Razlog tome je širok spektar prenapona koji se mogu pojaviti u nekoj postrojenju te mnoštvo električne opreme koja može zadovoljiti samo neka od ispitivanja. Oprema energetskih transformatora je ograničena transportnim mogućnostima proizvođača. Zbog svoje veličine energetski transformatori često imaju komponente koje ne mogu zadovoljiti najviše ispitne napone. Tada se ta oprema ispituje sniženim vrijednostima te se preporuča njezino štićenje odvodnicima prenapona. Koja kombinacija napona će se koristiti pri ispitivanju ovisi o zahtjevima kupca i mogućnostima tehničke izvedbe opreme.
48
Da bi se u praksi što jednostavnije postupalo i bolje usklađivala visina zaštitne razine opreme i visina zaštitne razine zaštitnog uređaja uveden je u propise koeficijent koordinacije izolacije. Taj koeficijent određen je odnosom podnosivog udarnog napona izolacije i zaštitne razine uređaja kojim štitimo opremu, odnosno:
fk =
podnosivi udarni napon izolacije (Ui ) zaštitna razina zaštitnog uređređ (Uv )
Prema međunarodnim preporukama minimalna vrijednost faktora fk iznosi: • •
1.4 1.2
za najviši pogonski napon do 24 kV; za najviši pogonski napon od 24 kV do 380 kV.
3.5.2. Statističko-matematičkih metoda koordinacije izolacije Klasične metode koordinacije izolacije nastale su nakon što je prihvaćeno mišljenje da izolacija mora izdržati najnepovoljnije naponske uvjete u pogonu. Radi toga je za dimenzioniranje izolacije uzeta kao osnovna najveća tjemena vrijednost očekivanog napona koji se još uvećavao za faktor sigurnosti. Budući da su takve najnepovoljnije prilike vrlo rijetke, ovaj pristup ne pruža projektantu mogućnost da pronađe najekonomičniji način dimenzioniranja izolacije. Novi pristup ovoj problematici ne polazi od stajališta da izolacija mora izdržati najnepovoljnije uvjete, nego eventualno dopušta da ona bude probijena pri nailasku nekih rijetko velikih vrijednosti prenapona. Veličina tog rizika ustanovljuje se statističko-matematičkim metodama. Za analizu prenapona potrebno je poznavati njegov izvor. U elektroenergetskom sustavu najčešći su prenaponi uzrokovani atmosferskim pražnjenjima i sklopnim manipulacijama. Prenaponi uzrokovani na jednak način i mjereni na istom mjestu nemaju svaki put jednaku vrijednost (struja munje se razlikuje od udara do udara, a sklopni prenaponi ovise o trenutku manipulacije). Sve vrijednosti prenapona iz istog izvora i mjereni na istom mjestu čine „familiju“ prenapona. Koja će se vrijednost prenapona iz te „familije“ pojaviti ne može se unaprijed znati, no svakoj mogućoj amplitudi može se pridružiti neka vjerojatnost pojave. Dakle, veličinu amplitude nekog prenapona možemo klasificirati u statističkomatematičkom smislu kao „slučajnu promjenjivicu“. Na primjer, pri nekom iskapčanju ili udaru groma amplituda prenapona može biti različita iz mnogo razloga. Budući da za dimenzioniranje izolacije nisu zanimljivi prenaponi manjih amplituda, može se odrediti neka sigurnosnu vrijednost napona U0 koju izolacija može izdržati. Razmatra se pojava prenapona čija amplituda premašuje sigurnosnu vrijednost. Označi li se s F(U) vjerojatnost da će neka vrijednost amplitude premašiti vrijednost na apscisi dobije se krivulja prema slici 3-5. Derivacijom ove funkcije dobije se funkcija gustoće vjerojatnosti f(U). Funkcija f(U) veličinom površina pokazuje kolika je vjerojatnost da će amplituda prenapona U 0 biti premašena (iscrtani dio površine). Jasno je da je: 5
F(0)=1, F(1)<1, F(5)≈0, te
∫ f (U)dU ≈ 1 0
To znači da svi prenaponi koji se pojave imaju amplitudu veću od 0 p.u., što je samo po sebi razumljivo, ali i to da je vjerojatnost pojave prenapona 5 p.u. zanemarivo malena.
49
Slika 3-5 Pogonski prenaponi na kraju otvorenog voda (a) te atmosferski prenaponi na krajevima izolatorskog lanca na dalekovodu (b) Proboj izolacije je slučajan događaj. Ako se na izolaciju djeluje N puta naponom U0 i ako je broj proboja jednak n, može se pisati da je vjerojatnost proboja pri narinutom naponu U0 jednaka
P(U) =
n N
n na višu ili nižu N vrijednost. Na takav način se dođe do raspodjele vjerojatnosti proboja P(U) za bilo koju vrstu regenerativne izolacije što je prikazano slikom 3-6. Promijenimo li narinuti napon na višu ili nižu vrijednost, promijenit će se i odnos
Slika 3-6 Vjerojatnost da će izolacija biti probijena kod prenapona U0 (a) te odabrani podnosivi statistički napon Kako bi se izračunao rizik proboja, što je cilj kod primjene statističko-matematičke metode, potrebno je poznavati statističke raspodjele prenapona i proboja izolacije kako je ranije rastumačeno. Ako se funkcije f(U), gustoće vjerojatnosti pojave prenapona i P(U), vjerojatnosti proboja izolacije, nacrtaju u istom grafikonu, dobije se slika 3-7. Odabere li se na toj slici vrijednost U0 koja može probiti izolaciju uz vjerojatnost P(U0), te ako je dalje diferencijalna vrijednost u okolišu vrijednosti U0 da će se vrijednost U0 pojaviti f(U0)dU, onda se elementarni rizik proboja prema pravilima o složenoj vjerojatnosti može definirati kao dr = P(U)f (U) ⋅ dU
Uzimajući sve moguće vrijednosti prenapona U koje se mogu pojaviti, a ne samo vrijednost U0, dobije
50
se ukupni rizik proboja kao ∞
R = P(U)f (U) ⋅ dU
∫ 0
što je na slici 3-7 predočeno iscrtanom površinom.
Slika 3-7 Proračun rizika proboja neke izolacije
4. ELEKTRIČNA OPREMA I PROIZVODI Električna oprema (aparati i sustavi) u postrojenju mora zadovoljiti uvjete na mjestu ugradnje i biti dimenzionirana sukladno odredbama HRN HD 637 S1, odnosno mjerodavnim normama za električnu opremu navedenim u Prilogu B Pravilnika. Temeljni zahtjevi koji se postavljaju na opremu i postrojenje u cjelini su: • • • • • • • • • •
sigurnost i zaštita ljudi, okoliša i imovine tijekom montaže, ispitivanja, pogona i održavanja električnih aparata odnosno elektroenergetskog postrojenja; ispunjenje funkcionalnih zahtjeva; zadovoljenje električnih, mehaničkih i tehničkih zahtjeva okoliša; sigurnost i stabilnost nosivih konstrukcija i ostalih građevinskih elemenata postrojenja; siguran i pouzdan rad u normalnom pogonu, te u slučajevima preopterećenja; sigurno i brzo otkrivanje kvara i njegov pravovremeni isklop bez nastajanja oštećenja na opremi; raspoloživost i kratki rokovi isporuke pričuvnih dijelova; životni vijek minimalno jednak očekivanom ili duži; maksimalna raspoloživost odnosno minimalni broj kvarova tijekom životnog ciklusa; ostali zahtjevi vezani na specifičnost pojedinog postrojenja.
Sva oprema i materijali koji se ugrađuju u postrojenje moraju zadovoljiti pripadajuće norme važeće na dan njihove narudžbe. Prije početka izrade projektne dokumentacije, projektant treba raspolagati važećom tehničkom dokumentacijom za naručenu opremu koju mu je dužan dostaviti proizvođač (neposredno ili posredno preko naručitelja/investitora ili konzultanta). Proizvođač električne opreme dužan je uz opremu isporučiti upute za transport, skladištenje, ugradnju, pogon, rukovanje i održavanje, te protokole rutinskih ispitivanja prije preuzimanja u tvornici, te popis
51
tipskih ispitivanja, a na zahtjev i protokole tipskih ispitivanja. Uz opremu trebaju biti isporučeni i svi posebni, nestandardni alati, uređaji i pribor potrebni za montažu, ispitivanje, pogon i održavanje električne opreme.
5. ELEKTROENERGETSKA POSTROJENJA Poglavlje Pravilnika o elektroenergetskim postrojenjima odnosi se na opće zahtjeve koje postrojenje i oprema moraju zadovoljavati u pogledu elektrotehničkog projekta i ostale tehničke dokumentacije, transportnih puteva, rasvjete, pogonske sigurnosti i označavanja. Elektroenergetska postrojenja se, sukladno HRN HD 637 S1, dijele s obzirom na naponsku razinu i podnosive ispitne udarne napone na: • • •
postrojenja srednjeg napona, 1 kV < Um < 52 kV (naponski opseg A); postrojenja visokog napona, 52 kV ≤ Um < 300 kV (naponski opseg B); postrojenja visokog napona, Um ≥ 300 kV (naponski opseg C).
Izolaciju naponskih opsega A i B karakterizira nazivni podnosivi atmosferski udarni napon valnog oblika 1,2/50 µs, a naponski opseg C nazivni podnosivi sklopni udarni napon valnog oblika 250/2500 µs. Treba napomenuti da IEC 61936-1 iz 2010. god. razlikuje samo dva naponska opsega, zavisno o podnosivim udarnim ispitnim naponima i to: naponski opseg I, 1 kV < Um ≤ 245 kV i naponski opseg II, Um > 245 kV S obzirom na mjesto ugradnje, elektroenergetska postrojenja dijelimo na: • •
vanjska, otvorena elektroenergetska postrojenja, uglavnom, ali ne isključivo, za napone ≥ 110 kV; unutarnja elektroenergetska postrojenja, uglavnom, ali ne isključivo za napone ≤ 35 kV, otvorene izvedbe ili s tvornički dogotovljenim i tipski ispitanim zatvorenim sklopnim uređajima.
S obzirom na izvedbu, elektroenergetska postrojenja možemo podijeliti u tri grupe: • • •
zrakom izolirana postrojenja (uobičajena engl. krat. AIS); oklopljena, plinom SF6 izolirana postrojenja (uobičajena engl. krat. GIS); hibridna postrojenja, odnosno kombinacija gore navedenih (uobičajena engl. krat. MTS).
Kao posebnu grupu postrojenja mogli bismo navesti distributivne stanice: • •
tvornički izrađene transformatorske stanice 10(20)/0,4 kV s kabelskim priključcima obje naponske razine, snege do 2000 kVA; stupne transformatorske stanice 10(20)/0,4 kV sa zračnim priključcima, snage do 250 (400) kVA.
Sva postrojenja moraju zadovoljavati minimalne normirane razmake prema pregradama, zgradi i ogradi, visine iznad pristupačnih površina, te izolacijske razmake između dijelova pod naponom i prema zemlji. Korisnik po potrebi može propisati veće vrijednosti. Najmanji izolacijski razmaci u postrojenju za naponske razine koje se primjenjuju u Hrvatskoj navedeni su u tablici 5-1 Tablica 5-1 Najmanji izolacijski razmaci u zraku za naponske razine koje se primjenjuju u Hrvatskoj (razmaci odgovaraju ispitnim udarnim naponima prema tablici 2-1) 1. Naponski opseg A (1 kV < Um < 52 kV) Nazivni napon sustava Un (kV) (efektivna vrijednost)
Najviši pogonski napon opreme Um (kV) (efektivna vrijednost)
3
3,6
52
Najmanji izolacijski razmak faza-zemlja i faza-faza (N) Unutrašnja postrojenja
Vanjska postrojenja
60
120
1. Naponski opseg A (1 kV < Um < 52 kV) Nazivni napon sustava Un (kV) (efektivna vrijednost)
Najviši pogonski napon opreme Um (kV) (efektivna vrijednost)
6
Najmanji izolacijski razmak faza-zemlja i faza-faza (N) Unutrašnja postrojenja
Vanjska postrojenja
7,2
60 90
120
10
12
90 120
150
20
24
160 220
30
36
270 320
35**
38,5
270 320
400
2. Naponski opseg B (52 kV ≤ Um < 300 kV) 110
220
123
900 1100
245
1500 1700 1900 2100
Napomene: - ** napon 35 kV nije obuhvaćen europskom normom – navedene vrijednosti su preuzete iz nacionalnih odredbi za Češku republiku, HRN HD 637 S1, dodatak T (prema starom Pravilniku N=320 mm; u nekim zemljama je normirano i N = 220/280/360 mm za unutarnja i vanjska postrojenja) 3. Naponski opseg C (Um ≥ 300 kV) Nazivni napon sustava Un (kV) (efektivna vrijednost)
Najviši pogonski napon opreme Um (kV) (efektivna vrijednost)
380 (400)
420
Najmanji izolacijski razmak faza-faza (N) Vodič – paralelni vodič
Štap – paralelni vodič
3100 3600
3600 4200
Projektna dokumentacija za elektroenergetska postrojenja mora detaljno obraditi sve zahtjeve koji se na njega postavljaju sukladno važećim zakonima, pravilnicima i normama, s ciljem ispunjenja funkcije za koju je namijenjeno, uvažavajući red važnosti ekologija, ekonomija, tehnologija. Minimalni sadržaj projektne dokumentacije elektroenergetskog postrojenja treba obuhvatiti sljedeće: • • • • • • •
nacrte vanjskog i/ili unutarnjeg postrojenja (tlocrt, karakteristični presjeci itd.); pregledne nacrte ormara sekundarnih sustava zaštite, upravljanja, mjerenja i komunikacija, te postrojenja pomoćnih napajanja izmjeničnim i istosmjernim naponima; strujne sheme; priključne planove; planove polaganja kabela i kabelske liste; projekt uzemljenja i gromobranske zaštite; projekte postrojenja pomoćnih napajanja izmjeničnim i istosmjernim naponima;
53
• • • • • • • • • •
svjetlotehnički projekt rasvjete (vanjske, unutarnje, sigurnosne); projekt niskonaponske električne instalacije rasvjete, utičnica, grijanja i/ili hlađenja; projekt vatrodojave; projekt video nadzora i protuprovalnog sustava alarma; građevinski projekt platoa postrojenja s pristupnim putevima i ogradom; arhitektonsko – građevinski projekt zgrade; građevinski projekt uljne kanalizacije i uljne jame, te odvodnje oborinske vode; projekt vodovodne i hidrantske mreže; građevinski projekt čelične konstrukcije; ostalu dokumentaciju specifičnu za pojedino postrojenje.
Projektna dokumentacija (izgled, organizacija), simboli u shemama i nacrtima, te oznake elemenata, sustava, mjesta ugradnje itd. moraju ispunjavati odredbe važećih normi navedenih u Prilogu A2. Pravilnika. Osim projektne dokumentacije izvedenog stanja, puštanje postrojenja u pogon uvjetovano je uspješno provedenim ispitivanjima na terenu i ispitnim izvješćima.
6. SIGURNOSNE MJERE 6.1. Zaštita od izravnog dodira i sigurnost pri radu Elektroenergetsko postrojenje mora biti projektirano i izvedeno tako da je spriječeno nenamjerno, slučajno izravno dodirivanje dijelova pod naponom ili nenamjerno zadiranje u područje opasnosti u blizini djelova pod naponom. Zaštita od izravnog dodira dijelova pod naponom provedena je na način da su svi djelovi pod naponom međusobno i u odnosu na uzemljene dijelove montirani na normiranim udaljenostima (zadovoljeni propisani naponski razmaci), te izoliranjem i stavljanjem djelova pod naponom u zatvorena zaštitna kućišta (npr. limeni ormari opremljeni bravicom s ključem), primjenom zaštitnih pregrada, zapreka, te postavljanjem izvan dohvata ruke. Sva navedena zaštitna sredstva moraju biti mehanički čvrsta i stabilna. Najmanja visina pregrada, zidova, zaštitnih mreža i sl. mora biti ≥ 1800 mm i izvedena tako da niti jedan dio ljudskog tijela ne može doći u područje opasnosti u blizini dijelova pod naponom. Sva vrata pogonskih prostorija moraju biti opremljena bravom s ključem dostupnim samo ovlaštenim osobama. Stupanj zaštite kućišta moraod prodora stranih tijela montiranih izvan zatvorenih električnih pogonskih prostorija mora biti najmanje IP23D. Zavisno od stupnja opasnosti, radi jasnog određivanja prava kretanja osoblja, elektroenergetsko postrojenje je podijeljeno u tri zone opasnosti (Pravilnik o sigurnosti i zdravlju pri radu s električnom energijom, NN 88/2012), slika 6-1: 1. zona slobodnog kretanja (I. zona), za koju nisu potrebna posebna pravila za obavljanje rada i kretanja (npr. tehničko – administrativne prostorije, garaže, skladišta, garderobe, sanitarni čvorovi i sl., te slobodni prostori u vanjskom rasklopnom postrojenju na udaljenosti većoj od DV, a da nisu poslužne komunikacije); 2. zona približavanja (II. zona) je prostor oko zone rada pod naponom, omeđen graničnom udaljenošću DV od dijela pod naponom, u kojem se moraju primijeniti određena pravila sigurnosti i zdravlja na radu i postupci radi sprječavanja prodora u zonu rada pod naponom (prostor u kojem se obavlja nadzor i posluživanje postrojenja. U vanjskom postrojenju zona približavanja je cijeli prostor ispod aparata visokog napona. Gornji rub uzemljenog dijela izolatora mora biti od tla udaljen najmanje 2250 mm. Visina do dijelova pod naponom iznad prolaza u postrojenju mora biti najmanje 2500 mm, odnosno H ≥ N + 2250, N iz Tablice 5-1); 3. zona rada pod naponom (III. zona) je prostor oko dijelova pod naponom ograničen udaljenošću DL od vodiča pod naponom.
54
Slika 6-1 Prikaz zona opasnosti Minimalne visine i radni razmaci u zatvorenim električkim pogonskim prostorima prikazani su na slici 6-2.
Slika 6-2 Minimalne visine i radni razmaci u zatvorenom pogonskom prostoru postrojenja Izvoditelj radova mora se strogo pridržavati propisanih postupaka za siguran rad (kao što je Pravilnik o sigurnosti i zdravlju pri radu s električnom energijom, NN 88/2012 i drugi), osobito s obzirom na specifične uvjete pri uporabi električne opreme, s ciljem osiguranja zdravlja i života djelatnika. Pet pravila za siguran rad u elektroenergetskom postrojenju (slika 6-3) potrebno je provoditi sljedećim redoslijedom: 1. 2. 3. 4. 5.
iskapčanjem odvojiti od napona – vidljivo odvajanje od napona; osigurati od ponovnog (slučajnog) ukapčanja i postaviti pločicu upozorenja; provjeriti beznaponsko stanje; uzemljiti i kratko spojiti; ograditi mjesto rada od dijelova pod naponom.
Prilikom izvođenja radova u postrojenju obvezno je korištenje odgovarajućih osobnih zaštitnih sredstava (npr. izolacijske rukavice, izolacijske čizme, zaštitne naočale, zaštitna izolacijska kaciga, zaštitna odjeća i obuća i dr.), te odgovarajućeg alata (npr. izolirani alati, izolacijske motke za ispitivanje, kratko spajanje i uzemljivanje, izolacijske ploče, prepreke, ograde i zastavice za obilježavanje mjesta rada i dr.).
55
Slika 6-3 Pet pravila za siguran rad u elektroenergetskom postrojenju
(1) Vidljivo odvajanje od napona postiže se iskapčanjem glavnih noževa rastavljača. Manipulacije u postrojenju se smiju obavljati samo uz korištenje električarskih rukavica. (2) Osiguranje od ponovnog ukapčanja S ciljem sprječavanja ručnog ponovnog ukapčanja postavlja se pločica upozorenja s natpisom: “NE UKAPČAJ!”. Osiguranje od ponovnog ukapčanja s udaljene lokacije (centar daljinskog upravljanja), sa staničnog računala ili s mozaik ploče upravljačko-zaštitnog ormara postiže se prebacivanjem preklopke za izbor mjesta upravljanja smještenom u polju ormara zaštite i upravljanja u položaj ”0 ”. Preklopku treba u tom položaju zaključati, a na ručicu preklopke staviti pločicu upozorenja s natpisom: “NE UKAPČAJ!” (3) Provjera beznaponskog stanja obavlja se pomoću indikatora napona faze iza iskopčanih aparata na strani postrojenja odnosno mjesta rada. Beznaponsko stanje obvezno se provjerava na mjestima gdje će se priključiti naprave za uzemljenje i kratko spajanje. Neposredno prije provjere beznaponskog stanja treba provjeriti ispravnost indikatora napona na dijelu postrojenja koji je pod naponom ili, ako ne postoji takva mogućnost, specijalnim ručnim generatorom. Prilikom rada s indikatorima napona obvezno je korištenje izolacionih gumenih rukavica, izolacionih gumenih čizama i zaštitne izolacione kacige. Ako je ikako moguće, ispitivanje indikatorom napona treba obavljati iz II. zone. (4) Uzemljenje i kratko spajanje izvodi se pomoću užeta za kratko spajanje i uzemljenje. Mjesto uzemljenja i kratkog spajanja treba biti što bliže mjestu rada, na svim stranama s kojima bi radno mjesto moglo doći pod napon. Mjesto uzemljenja treba biti na sigurnom razmaku od dijelova pod naponom. Prilikom korištenja užeta, najprije se spaja uže naprave za kratko spajanje i uzemljenje s uzemljivačem, a onda s električkim vodičem koji se uzemljuje. Naprava za uzemljenje i kratko spajanje obvezno mora posjedovati atest ovlaštene institucije. Uže treba biti savitljivo, izrađeno od tankih bakrenih žica. Zajedno sa stezaljkama naprava treba biti dimenzionirana tako da izdrži termička naprezanja u slučaju kratkog spoja. Dijelove postrojenja koji nisu uzemljeni i kratko spojeni treba smatrati kao da su pod naponom. (5) Ograđivanje mjesta rada od dijelova pod naponom radi vidljivog odvajanja mjesta rada od dijelova pod naponom izvodi se pregradama od izolacionih materijala i drvenim prijenosnim ogradama ili prijenosnim užetima sa zastavicama upadljive boje razapetim na posebnim stalcima. Zaštitne pregrade moraju biti čvrsto montirane kako se ne bi pomicale pri eventualnom naslanjanju radnika na njih. Na zaštitne pregrade treba staviti natpis upozorenja “POD NAPONOM!” na stranu zaštitne pregrade vidljive iz prostora oslobođenog za rad. Postavljanjem ograde određuje se prostor
56
slobodnog kretanja. Radi upozorenja na susjedne dijelove postrojenja koji su pod naponom, na ogradu se postavljaju ploče upozorenja “POD NAPONOM!” ili “OPREZ – VISOKI NAPON!” i to tako da je tekst tablice okrenut prema mjestu rada. Kod izvođenja radova u blizini napona potrebno je sve radnike upozoriti na dijelove koji se nalaze pod naponom i točno odrediti opseg rada i područje kretanja. Vrata prostora rasklopnog postrojenja zaključana su kad u njima nema odgovornog osoblja. Elektroenergetsko postrojenje mora biti projektirano i izvedeno tako da se u svakom trenutku omogući sigurno kretanje pogonskom osoblju i vozilima unutar predviđenih površina dok je pod naponom, kao i siguran rad na održavanju isključenog dijela dok su ostali dijelovi postrojenja pod naponom. Minimalna udaljenost približavanja i nemogućnost dodira dijelova pod naponom mora biti osigurana. Ova udaljenost jednaka je sumi razmaka uz statistički podnosivi udarni napon u 90% slučajeva (U90) i traženog ergonomskog razmaka. Ergonomski razmak nije normiran i uzima u obzir nehotične pokrete i greške čovjeka u procjeni udaljenosti za vrijeme izvođenja radova. Prilikom projektiranja minimalne udaljenosti približavanja za vozila, osim dimenzija vozila treba uzeti u obzir i sigurnosne razmake koji pokrivaju moguće odmake s pravca u vožnji. Radovi u postrojenju ne smiju započeti prije nego što je izdana dozvola za rad. Treba naglasiti da Pravilnikom o sigurnosti i zdravlju pri radu s električnom energijom (NN 88/2012) propisana najmanja udaljenost gornjeg ruba uzemljenog dijela izolatora od tla iznosi 2500 mm (> 2250 mm), što je u raskoraku s razmatranim Pravilnikom koji se temelji na HRN HD 637 S1, pa ova dva pravilnika treba hitno uskladiti kako bi se izbjegle nesuglasice pri projektiranju, izvođenju i preuzimanju (tehničkom pregledu) postrojenja.
6.2. Zaštita od neizravnog dodira Zaštita od neizravnog dodira odnosi se na zaštitu od previsokog napona dodira. Glavni cilj zaštite od previsokog napona dodira je zaštita života ljudi unutar elektroenergetskog postrojenja (održavanje, sklopne radnje i sl.), kao i ljudi izvan njega (slučajni prolaznici, lokalno stanovništvo i dr.), te životinja. Zaštita od previsokog napona dodira postiže se efikasnim uzemljenjem i izjednačenjem potencijala. Osnovni sigurnosni zahtjev je osigurati brzi i pouzdani isklop kvara s ciljem izbjegavanja štetnih posljedica. To podrazumijeva izbor kvalitetne i pouzdane sekundarne opreme i prekidača. Usprkos brzom isklopu kvara, njegovo trajanje ne može biti manje od sume proradnih vremena zaštite i vremena potrebnog prekidaču za prekid kvara računajući od primitka signala za isklop do trenutka gašenja električnog luka:
t = Tzašt + Tprek Današnji moderni releji i prekidači omogućuju isklop kvara unutar ukupnog vremena t ≤ 75 ms (uz Tzašt ≈ 10…25 ms, zavisno o zaštitnoj funkciji i Tprek ≈ 50 ms). Ukupno isklopno vrijeme ma kako kratko bilo, nije dovoljno za osiguranje zahtijevane sigurnosti. Važno ga je ograničiti unutar dozvoljenih vrijednosti dodirnog napona s obzirom da izlaganje opasnim naponima može ugroziti zdravlje i život ljudi i životinja unutar i izvan elektroenergetskog postrojenja, na ogradi ili udaljenim mjestima usljed iznošenja potencijala metalnim, elektrovodljivim elementima (npr. vodovod, žaljezničke tračnice, kabelski plaštevi i sl.). Dakako, svaki strujni udar nije nužno smrtonosan. Dozvoljeni, normirani napon dodira u funkciji vremena trajanja, Ud = f(t), prikazan je na slici 6-4.
57
Slika 6-4 Napon dodira Prikazana krivulja može se izraziti formulom:
Ud = IT (t k ) ⋅
1 ⋅ (Z T (Ud ) ⋅ TF + RR + RS ) SF
gdje je: Ud tk IT(tk)
napon dodira; trajanje kvara; struja kroz tijelo ograničena trajanjem kvara, vrijednost koja odgovara vjerojatnosti fibrilacije srčane klijetke < 5%; SF srčani faktor, = 1,0 za smjer lijeva ruka – stopala; = 0,8 za smjer desna ruka – stopala; = 0,4 za smjer ruka-ruka; ZT(Ud) impedancija tijela kod < 50% populacije u ovisnosti o dodirnom naponu; TF tjelesni faktor, = 0,75 za smjer ruka - stopala; = 0,5 za smjer obje ruke - stopala; RR dodatni otpor ruke; RS dodatni otpor stopala. Vidljivo je da različiti uvjeti dodira rezultiraju i različitim dozvoljenim dodirnim naponima. Struja kroz tijelo treba biti manja od one koja može izazvati fibrilaciju sčanih klijetki što može rezultirati teškim ozljedama ili smrću. Uzemljenje elektroenergetskih postrojenja redovito se izvodi kao skupno, tj. radno i zaštitno uzemljenje spojeno je na zajednički uzemljivač. U obzir treba uzeti sve paralelno spojene uzemljivače postrojenja, vanjske niskonaponske mreže, vodiče za uzemljenje položenih uz kabele priključene na elektroenergetsko postrojenje, te zaštitne vodiče nadzemnih vodova. Na skupni uzemljivač su spojeni i kotao i neutralna točka transformatora, odvodnici prenapona, gromobranska instalacija, metalni plaštevi i ekrani energetskih kabela, sekundarni strujni krugovi mjernih transformatora i sve ostale metalne mase i kućišta u elektroenergetskom postrojenju koje u normalnom pogonu nisu pod naponom. Isto tako, na uzemljivač se spaja i armatura betonske građe (temelja aparata, zgrade i sl.). Ogradu postrojenja treba uzemljiti spajanjem na uzemljivač za oblikovanje potencijala položen s vanjske strane ograde na razmaku 1 m, koji je galvanski odvojen od uzemljivača postrojenja. Napon dodira (jednak naponu uzemljivača) zavisi o struji jednopolnog kratkog spoja i impedanciji uzemljenja, sukladno donjoj jednadžbi:
Ud ≡ UE = r ⋅ Ik" 1 ⋅ ZE
58
gdje su: UE ” Ik1 ZE=f(RE;ZP) RE ZP
r≤1
napon uzemljivača (V); struja jednopolnog kratkog spoja (A); impedancija skupnog uzemljenja (Ω); otpor uzemljenja elektroenergetskog postrojenja (Ω); impedancija uzemljivača paralelno spojenih uzemljivaču postrojenja (kabelski plaštevi i ekrani, razni cjevovodi, željezničke tračnice, zaštitni vodiči nadzemnih vodova, ostali bliski uzemljivači) (Ω); redukcijski faktor koji uzima u obzir priključene vodove.
Radi nehomogenosti tla u koje se polaže uzemljivač, te zbog drugih utjecaja koji se ne mogu egzaktno obuhvatiti provedenim proračunom, dobiveni rezultati mogu se više ili manje razlikovati od stvarnih vrijednosti. Zbog toga, nakon završene montaže treba izvršiti mjerenje otpora rasprostiranja uzemljivača, napona dodira i napona koraka i dobivene vrijednosti usporediti s proračunom. U slučaju izmjerenih vrijednosti većih od dozvoljenih, treba poduzeti dodatne zahvate s ciljem zadovoljenja tehničkih uvjeta. Proračun i dimenzioniranje uzemljenja treba načiniti za najveću očekivanu struju kratkog spoja na kraju životnog ciklusa elektroenergetskog postrojenja. Vrijednost ove struje za neku godinu u budućnosti projektant treba dobiti od lokalne elektroprivrede. Smanjenje dodirnog napona moguće je smanjenjem struje kratkog spoja primjenom odgovarajućih mjera i/ili smanjenjem otpora uzemljivača.
6.3. Zaštita od električnih lukova izazvanih kvarom Elektroenergetsko postrojenje treba biti projektirano i izvedeno tako da osoblje bude u najvećoj mogućoj mjeri zaštićeno od kvarom izazvanog električnog luka. Neke od mogućih mjera za zaštitu od električnog luka su: • • • • • • • • • • •
blokade između prekidača i rastavljača; mehaničko zaključavanje i nemogućnost uklopa rastavljača pod opterećenjem; brzi zemljospojnici koji se mogu uklopiti na kratki spoj; metalom oklopljeno postrojenje umjesto zidanog postrojenja sa žičanom mrežom; što kraći, viši i širi poslužni prolazi u unutarnjem postrojenju; oprema ispitana za podnošenje unutarnjih kvarova s lukom; izvedba postrojenja s oslobađanjem nadtlaka izazvanog električnim lukom i usmjerenjem proizvoda električnog luka na način da se ne ugrozi poslužno osoblje; primjena naprava za ograničenje struje kvara; primjena sustava za detekciju i zaštitu od električnog luka te sprječavanje ponovnog uklopa; primjena brze relejne zaštite s vrlo kratkim proradnim vremenom; posluživanje postrojenja sa sigurne udaljenosti.
6.4. Zaštita od izravnih udara munje Zaštita od izravnih udara munje provodi se gromobranskom instalacijom. Zaštita građevine elektroenergetskog postrojenja provodi se sukladno odredbama važećeg Tehničkog propisa za sustave zaštite od djelovanja munje na građevinama (vidjeti i sliku 2-36), pa ovdje neće biti detaljnije obrađena. Zaštita vanjskog elektroenergetskog postrojenja od izravnog udara munje projektira se i izvodi sukladno HRN HD 637 S1. Gromobranska instalacija vanjskog postrojenja može biti izvedena štapnim hvataljkama (slika 6-5),
59
zaštitnim užetima (slika 6-6) ili kombinacijom obje metode.
Slika 6-5 Zaštita vanjskog postrojenja štapnim hvataljkama
Slika 6-6 Zaštita vanjskog postrojenja zaštitnim užetima Navedene metode zaštite od munje rezultat su dugogodišnjeg praćenja, iskustva, mjerenja i ispitivanja na modelima. Može se reći da zaštitne zone efikasno štite konstrukcije do visine H = 25 m. Zaštitna zona štapnih hvataljki općenito je veća nego ona zaštitnog užeta uz istu visinu konstrukcije. Pored toga imaju prednost pred zaštitnim užetima jer je mogućnost kvara na instalaciji i ugrožavanja sigurnosti postrojenja (sabirnički kvar!) minimalna. Gromobranske šiljke potrebno je direktno spojiti na uzemljivač postrojenja. Prilikom dimenzioniranja gromobranske instalacije treba poštivati odredbe normirane za koordinaciju izolacije u postrojenju. Sustav zaštite od munje mora pružati sigurnost pri odvođenju struje u zemlju, mehaničku čvrstoću, korozionu postojanost, termičku izdržljivost, te ekonomsku opravdanost. Za napomenuti je da iz tehničkih i ekonomskih razloga nije moguće potpuno spriječiti oštećenja uslijed udara groma.
60
6.5. Zaštita od požara Zaštita od požara treba biti izvedena sukladno odredbama Pravilnika zasnovanog na preuzetim europskim normama i važećeg Pravilnika o temeljnim zahtjevima za zaštitu od požara elektroenergetskih postrojenja i uređaja (NN 146/2005). Požarnu opasnost i rizik možemo podijeliti u dvije skupine, vezano na: • •
mjere opreza s obzirom na žrtve požara; mjere opreza vezano na uzrok požara.
Mjere opreza s obzirom na žrtve požara: • •
dovoljan razmak od izvora požara; sprječavanje širenja požara: o fizičkim rješenjem koncepcije i dispozicije postrojenja; o sigurno odvođenje zapaljivih tekućina (transformatorsko ulje); o požarne barijere (vatrootporni materijali); o sustav i aparati za gašenje požara;
Mjere opreza vezano na uzrok požara: • • • • •
kvalitetna električna zaštita; instalacija vatrodojave; zaštita od previsoke temperature; zaštita od nadtlaka (npr. u kotlu transformatora); vatrootporni materijali.
Potrebno je osigurati sigurne puteve, izlaze i prolaze za evakuaciju osoblja u slučaju izbijanja požara. S obzirom na potencijalni požarni rizik, transformatori i uljne prigušnice u elektroenergetskom postrojenju moraju biti postavljeni na temelje sa sabirnim uljnim lijevkom uz odvođenje ulja u uljnu jamu sa separatorom kišnice putem nepropusne sabirne uljne kanalizacije. Uljni separator mora biti dimenzioniran za najveću količinu ulja koje sadrži jedan transformator ili prigušnica. Na čeličnu rešetku ispod transformatora treba nasuti sloj kamenja debljine oko 300 mm i granulacije 40/60 mm radi gašenja gorućeg ulja koje se slijeva preko kamenja i time sprječavanja širenja požara. U postrojenju s više transformatora i/ili prigušnica, treba voditi računa da razmaci između njih i prema susjednim građevinama ne budu manji od razmaka G prema tablici 6-1. Tablica 6-1 Preporučene vrijednosti razmaka od transformatora
Udaljenosti iz tablice 6-1 mogu se smanjiti ako je predviđen stabilni sustav za gašenje požara. Ukoliko se navedene udaljenosti ne mogu postići, potrebno je između transformatora i/ili prigušnica postaviti zid vatrootpornosti najmanje 60 min., visine do vrha konzervatora, dužine u veličini širine ili dužine uljnog lijevka, ovisno o smjeru postavljanja transformatora. Zid između transformatora i zgrade mora imati vatrootpornost od najmanje 90 min. Iznimno za transformatorske stanice na stupu, udaljenost energetskog transformatora do susjednih građevina mora biti barem 3 m. Kad se
61
transformatori koji sadrže ulje ugrađuju u zgradu koja služi i za druge namjene, vatrootpornost zidova, podova, stropova i vrata transformatorskih komora mora biti barem 90 min., odnosno 120 min. ako se radi o zgradi društvene namjene (npr. stambena ili poslovna građevina, bolnica, škola, vrtić, robna kuća, trgovački centar, zatvorena velika garaža, športski objekt i sl.). Pri tome transformatorska komora predstavlja posebni požarni sektor. Smještaj elektroenergetskih transformatora u postrojenju treba osigurati pristup vatrogasnim vozilima s dvije strane. Pristup mora zadovoljiti propise o vatrogasnim pristupima. Elektroenergetska postrojenja projektom moraju biti podijeljena na požarne sektore, ovisno o veličini požarne ugroženosti. Požarni sektori moraju zadovoljiti otpornost na požar sukladno specificiranim požarnim opterećenjima: • • •
2
za nisko požarno opterećenje do 1 GJ/m – 30 min. 2 za srednje požarno opterećenje od 1 .. 2 GJ/m – 60 min. 2 za visoko požarno opterećenje preko 2 GJ/m – 90 min.
Požarni sektori moraju biti izvedeni tako da se spriječi širenje požara iz jednog u drugi. Kabelski prodori između požarnih sektora trebaju biti zabrtvljeni odgovarajućim vatrootpornim materijalom ili vatrootpornim brtvenim uvodnicama. U elektroenergetskim postrojenjima bez posade nazivnog napona ≥ 110 kV odnosno nazivne pojedinačne snage transformatora ≥ 20 MVA, te građevinama s generatorom jedinične nazivne snage ≥ 10 MVA mora se predvidjeti sustav/instalacija za rano otkrivanje i dojavu požara u centar daljinskog vođenja. Sustav treba biti podijeljen na grane svaka od kojih pokriva jedan požarni sektor. Gašenje požara u postrojenju može biti predviđeno stabilnom sustavom ili aparatima za početno gašenje požara s plinskim sredstvom za gašenje ili prahom. Vrsta i količina aparata za gašenje požara određuje se sukladno propisima o izboru i održavanju vatrogasnih aparata.
6.6. Elektromagnetska polja U posljednje vrijeme vlada povećani interes za utjecaje električkih i posebice magnetskih polja pogonskih frekvencija na okolinu. Sve veća zabrinutost uslijed izlaganja ljudi štetnom djelovanju EM polja frekvencije 50 – 60 Hz tokom dužeg vremenskog razdoblja rezultirala je vrlo strogim propisima u nekim državama na tom području. U Hrvatskoj su dozvoljene vrijednosti električnih i magnetskih polja propisane Pravilnikom o zaštiti od elektromagnetskih polja. Za točnije određivanje vrijednosti polja u blizini visokonaponskih objekata važno je poznavati njihove podatake, kao i o objektima u njegovoj blizini. Točnost rezultata proračuna povezana je s detaljnim prikazom vodiča i poznavanjem pogonskog stanja, što je posebno važno kada se radi o magnetskom polju. Suvremenim računarskim programima moguće je utvrditi vrijednosti polja, kao i načine reduciranja polja za posebne konstrukcije dalekovoda i postrojenja. Magnetska polja su određena sa više fizikalnih i električkih parametara, od kojih su neki karakterizirani statističkom promjenjivošću, koju je teško predvidjeti. Često je proračun polja provođen na osnovi najgoreg slučaja (maksimalna struja i provjes). Nekoliko faktora utječe na intenzitet magnetskog polja, u prvom redu struja (po amplitudi, faznom kutu, stupnju nesimetrije) kao i geometrija vodiča (međusobna udaljenost i provjes). 6.6.1. Pregled i usporedba domaćih i stranih norma i propisa na području
elektromagnetskog zračenja U nastavku su navedeni podaci, te dani detaljniji opisi u vezi graničnih vrijednosti za E [kV/m] i B [µT] prema odredbama u pojedinim državama.
62
6.6.1.1. Smjernice ICNIRP Međunarodna organizacija za zaštitu od neionizirajućih zračenja pod nazivom Internacionalna komisija za zaštitu od neionizirajućih zračenja (International Commission for Non-Ionizing Radiation Protection - ICNIRP) izdala je 1998. godine smjernice u vezi dopuštenih graničnih vrijednosti polja. One predstavljaju stanovište struke za područje zaštite ljudi od štetnog djelovanja elektromagnetskih polja i postale su referentni dokument, na kojeg se oslanja šira stručna i politička javnost, osobito u Europi. U vezi dopuštenih graničnih vrijednosti polja usvojeni su slijedeći kriteriji: • •
E = 5 kV/m i B = 100 T E = 10 kV/m i B = 500 T
za opću populaciju kod izlaganja profesionalnih radnika pri radu
Dozvoljene su i više vrijednosti, ako postoji dokaz, da kod ekspozicije čovjeka nije prekoračeno 2 2 bazično ograničenje strujne gustoće u tijelu čovjeka (2 mA/m za opću populaciju, odnosno 10 mA/m za profesionalne radnike). Granične vrijednosti su date bez vremenskog faktora ekspozicije ljudi i načelno važe za sva čovjeku dostupna područja. Granične vrijednosti polja se mijenjaju ovisno o frekvenciji, kako bi se obuhvatio biološki težinski faktor. Smjernice ICNIRP iz 1998. godine su strože od prijašnjih, jer se uzimaju u obzir i polja prouzročena privremenim naponima i strujama i obuhvaćaju spektar frekvencija do 300 GHz, dok su prijašnje smjernice vrijedile samo za polja kod 50/60 Hz.
6.6.1.2. Preporuke Savjeta Europe Savjet EU je također objavio svoje smjernice kod izlaganja ljudi, koje su bazirane na smjernicama ICNIRP. Za članice Europske Unije je bila 1999. godine donijeta preporuka za zaštitu ljudske populacije od elektromagnetskog zračenja. Ista vladama svojih članica u vezi ograničavanja eksponiranja ljudi elektromagnetskim poljem preporučuje sljedeće: •
E = 5 kV/m i B = 100 T: vrijedi kao referentna granična vrijednost uz osnovni uvjet 2 ograničenja strujne gustoće u tijelu čovjeka od 2 mA/m (kod frekvencije 50 Hz).
Gore navedene vrijednosti za E i B mogu biti i više, ali samo uz uvjet i ako postoji dokaz, da kod 2 izlaganja ljudi nije prekoračeno osnovno ograničenje strujne gustoće u tijelu čovjeka od 2 mA/m . Za razliku od smjernica ICNIRP granične vrijednosti za E i B odnose se na područja, na kojem ljudi borave veći dio vremena. Preporuka izričito navodi, da članice EU mogu u skladu s dogovorom usvojiti strože kriterije u pogledu elektromagnetskog zračenja od ovdje navedenih.
6.6.1.3. Propisi pojedinih zemalja u Europi Njemačka Uredba donosena je u prosincu 1996. godine. Granične vrijednosti električnog i magnetskog polja na područjima sa dužim zadržavanjem ljudi iznose: •
E = 5 kV/m i B = 100
T.
U Italiji je u svibnju 1992. godine donijeta Uredbi u kojoj su navedene granične vrijednosti: •
E =5 kV/m i B = 100
T
Za nove dalekovode, građene nakon donošenja gornje Uredbe su zatražene i relativno velike
63
udaljenosti, koje moraju biti osigurane između vodiča nadzemnog voda i drugih objekata namijenjenih za boravak ljudi, odnosno prostora gdje se ljudi zadržavaju duže vrijeme. Slovenska Uredba o elektromagnetskom zračenju u prirodnom i životnom okolišu daje sljedeće granične vrijednosti: •
E = 10 kV/m i B = 100 T: za postojeće izvore zračenja (za sve izvore, za koje je bila izdana građevinska dozvola prije 24.12.1996) kao i za sve nove i rekonstruirane izvore zračenja na područjima s blažim kriterijem zaštite pred zračenjem (to jest na II. područjima).
•
E = 0.5 kV/m i B = 10 T: za nove i rekonstruirane izvore zračenja na područjima povećanog stupnja zaštite pred zračenjem (to jest na I. područjima).
U prvo zaštićeno područje (I. stupanj sigurnosti od zračenja) spadaju sva naseljena područja, okolina bolnica, stacionara i liječilišta kao i turistički objekti namijenjeni boravku ljudi i rekreaciji. Drugi stupanj sigurnosti od zračenja vrijedi za II. područje, gdje je osjetljivost prostora obzirom na dozvoljena opterećenja elektromagnetskim zračenjem manja. To su u prvom redu nenaseljena područja, područja namijenjena industriji ili obrtu, ili nekim drugim djelatnostima (transport, skladišta, servisna djelatnost), te sva druga područja koja nisu svrstana u prvo zaštićeno područje. Uredba kao izvore zračenja podrazumijeva elektroenergetske objekte nazivnog napona iznad 1 kV i dijeli ih na postojeće i nove, odnosno rekonstruirane. Pri tome u I. ili II. područje ulaze lokacije vanjskog prostora (otvoreni prostor) kao i sami objekti. Osim toga slovenska Uredba zahtijeva, da se za svaki novi nadzemni vod ili vod u rekonstrukciji prije uključivanja u prostor provede provjera odnosno stručna ocjena elektromagnetskog polja. Nakon izgradnje dalekovoda potrebno je izvršiti odgovarajuća mjerenja tih polja. Švicarska uredba usvojena ju u veljači 2000. godine. Propisana emisijska vrijednost za pojedinačni novi izvor zračenja na području »osjetljive upotrebe« je: •
B=1
T.
Vrlo niska granična vrijednost je argumentirana motivom upotrebe sigurnosnog principa. Granične vrijednosti za trajnu izloženost i kod 50 Hz su: •
E = 5 kV/m i B = 100
T.
Propisi u Italiji i Švicarskoj, koji su propisali mnogo niže vrijednosti dozvoljenih magnetskih polja usvojili su preventivni pristup u problematici utjecaja električnih i magnetskih polja.
6.6.1.4. Hrvatski propisi Ovdje će se dati neke osnovne napomene iz važećeg Pravilnika o zaštiti od elektromagnetskih polja koji vrijedi u Republici Hrvatskoj u svezi elektroenergetskih objekata. Razlikuju se dva područja: •
područja povećane osjetljivosti su: o o o
•
područja profesionalne izloženosti su: o
64
područja stambenih zona u kojima se osobe mogu zadržavati i 24 sata dnevno; škole, ustanove predškolskog odgoja, rodilišta, bolnice, smještajni turistički objekti, te dječja igrališta (prema urbanističkom planu); površine neizgrađenih parcela namijenjene prema urbanističkom planu za a) ili b);
područja radnih mjesta koja nisu u području povećane osjetljivosti i na kojima se pojedinci mogu zadržavati do 8 sati dnevno, pri čemu je kontrolirana njihova izloženost elektromagnetskim poljima.
U nastavku su dane osnovne definicije izvora elektromagnetskog polja i njihove rekonstrukcije. Stacionarni izvor je onaj izvor elektromagnetskog polja koji ima određeno stalno mjesto djelovanja. U stacionarne izvore ne ubrajaju se ugradni kućanski aparati (kao što je npr. mikrovalna pećnica i sl.); Novi izvor je onaj stacionarni izvor elektromagnetskog polja koji na dan stupanja na snagu ovoga Pravilnika nije imao pravovaljanu dozvolu za rad prema propisima koji su vrijedili prije stupanja na snagu ovog Pravilnika, a također se novim smatra svaki izvor elektromagnetskog polja nakon rekonstrukcije; Zatečeni izvor je onaj stacionarni izvor elektromagnetskog polja koji je na dan stupanja na snagu ovoga Pravilnika imao pravovaljanu dozvolu za rad prema propisima koji su vrijedili prije stupanja na snagu ovog Pravilnika; Rekonstrukcija izvora elektromagnetskog polja jest svaki zahvat kojim se bitno mijenjaju osnovne tehničke značajke, način uporabe ili djelovanja, snaga ili smještaj stacionarnog izvora, a ima za posljedicu promjenu razina ili vrste elektromagnetskog polja izvora.
6.6.1.5. Temeljna ograničenja Tablica 2-1.
Frekvencija
Ograničenja gustoće struje za glavu i trup, specifična apsorbirana snaga uprosječena po cijelom tijelu, lokalizirana specifična apsorbirana snaga u glavi i trupu i lokalizirana specifična apsorbirana snaga za udove za vremenski promjenjiva električna i magnetska polja za pojedinačne frekvencije za područje profesionalne izloženosti. Ograničenja su dana za efektivne vrijednosti gustoće struje. Gustoća struje u glavi i trupu
f 2
J (mA/m ) 4 Hz–1 kHz
Specifična apsorbirana snaga uprosječena po cijelom tijelu
Specifična apsorbirana snaga lokalizirana u glavi i trupu
SAR (W/kg)
SAR (W/kg)
-
-
10
Specifična apsorbirana snaga lokalizirana u ekstremitetima SAR (W/kg)
Gustoća snage 2
S (W/m )
-
-
Tablica 2-2.
Frekvencija
Ograničenja gustoće struje za glavu i trup, specifična apsorbirana snaga uprosječena po cijelom tijelu, lokalizirana specifična apsorbirana snaga u glavi i trupu i lokalizirana specifična apsorbirana snaga za udove za vremenski promjenjiva električna i magnetska polja za pojedinačne frekvencije za područje povećane osjetljivosti. Ograničenja su dana za efektivne vrijednosti gustoće struje. Gustoća struje u glavi i trupu J (mA/m )
Specifična apsorbirana snaga uprosječena po cijelom tijelu SAR (W/kg)
2
-
f 2
4 Hz–1 kHz
Specifična apsorbirana snaga lokalizirana u glavi i trupu SAR (W/kg) -
Specifična apsorbirana snaga lokalizirana u ekstremitetima SAR (W/kg) -
Gustoća snage 2
S (W/m ) 2
Zbog električne nehomogenosti tijela gustoće struje trebaju se uprosječiti preko presjeka od 1 cm , okomitog na smjer struje.
65
6.6.1.6. Granične razine referentnih veličina Tablica 2-3.
Granične razine električnog i magnetskog polja, gustoće magnetskog toka i gustoće snage ekvivalentnog ravnog vala za pojedinačnu frekvenciju za područja profesionalne izloženosti. Granične razine dane su za efektivne vrijednosti jakosti nesmetanog polja i gustoće magnetskog toka, a vrijede za jednoliku izloženost cijelog ljudskog tijela elektromagnetskim poljima.
Frekvencija f 0,025–0,8 kHz
Jakost električnog
Jakost magnetskog
Gustoća
Gustoća snage
magnetskog
(ekvivalentnog
polja
polja
toka
ravnog vala)
E (V/m)
H (A/m)
B (µT)
Sekv (W/m )
250/f= 5 kV/m
4/f= 80 A/m
5/f= 100 µT
2
Vrijeme uprosječenja t (minute) *
Tablica 2-4.
Granične razine električnog i magnetskog polja, gustoće magnetskog toka i gustoće snage ekvivalentnog ravnog vala za pojedinačnu frekvenciju za područja povećane osjetljivosti. Granične razine dane su za efektivne vrijednosti jakosti nesmetanog polja i gustoće magnetskog toka, a vrijede za jednoliku izloženost cijelog ljudskog tijela elektromagnetskim poljima.
Frekvencija f 0,025–0,8 kHz
Jakost električnog
Jakost magnetskog
Gustoća
Gustoća snage
magnetskog
(ekvivalentnog
polja
polja
toka
ravnog vala)
E (V/m)
H (A/m)
B (µT)
Sekv (W/m )
100/f= 2 kV/m
1,6/f= 32 A/m
2/f= 40 µT
2
Vrijeme uprosječenja t (minute) *
*Relevantna je najviša efektivna vrijednost. Vrijednost frekvencije f za proračun efektivnih vrijednosti jakosti električnog i magnetskog polja, gustoće magnetskog toka i gustoće snage ekvivalentnog ravnog vala u pojedinom retku obiju tablica uzima se u jedinicama za frekvenciju navedenim u prvom stupcu. Tablica 2-5.
Granične razine za vremenski promjenjive dodirne struje za vodljive objekte u području profesionalne izloženost.
Frekvencija
Najveća dodirna struja
f
I (mA)
< 2,5 kHz
1,0
Tablica 2-6.
Granične razine za vremenski promjenjive dodirne struje za vodljive objekte u području povećane osjetljivosti.
Frekvencija
Najveća dodirna struja
f
I (mA)
< 2,5 kHz
0,5
Izvor elektromagnetskog polja smije se upotrebljavati i stavljati u promet samo ako pri normalnoj uporabi razine elektromagnetskog polja u njegovoj okolini zadovoljavaju uvjete iz članaka 7., 8., 10., 11. i 13. ovoga Pravilnika odnosno vrijednosti u gornjim tablicama.
66
Za zatečeni izvor koji je zračni elektroenergetski vod razina elektromagnetskog polja za pojedinačnu frekvenciju na području povećane osjetljivosti smije prelaziti granične razine navedene u Tablici 3-4, ali ne smije prelaziti granične razine navedene tablici 2-3. Zatečeni izvor elektromagnetskog polja, koji ne udovoljava ovim uvjetima mora se rekonstruirati. Značajna je i slijedeći dio članka 23. Pravilnika: Za stacionarni izvor koji uobičajeno radi sa snagom manjom od nazivne (npr. elektroenergetski objekti), procjena udovoljavanja uvjetima iz članka 14. ovoga Pravilnika može se dati na temelju prvih mjerenja obavljenih pri radu izvora s uobičajenom snagom koja je manja od nazivne, uz prilaganje dijagrama dnevnih i tjednih opterećenja dotičnog izvora.
6.6.1.7. Usporedba najviših dozvoljenih vrijednosti električkog i magnetskog polja Tablica 2-7 daje najviše dozvoljene efektivne vrijednosti jakosti električkog polja i gustoće magnetskog toka za industrijsku frekvenciju 50 Hz ili 60 Hz za neke države, odnosno međunarodne institucije. Tablica 2-7. Dopuštene vrijednosti za E [kV/m] i B [µT] frekvencija 50 Hz i 60 Hz prema propisima nekih država, odnosno institucija Država / institucija
Populacija – vrijeme izloženosti [sati]
Dozvoljeno E [kV/m]
Dozvoljeno B [µT]
CENELEC (1995) SIST ENV 50166
opća populacija radnici t ≤ 80/E
10 30
640 1600
ICNIRP (1998)
opća populacija radnici
5 10
100 500
THE COUNCIL OF THE EUROPEN UNION (1999)
opća populacija
5
100
20
300
CIGRÉ & WHO izjava za javnost (1983) Njemačka (1996)*
opća populacija
5
100
5
100
Italija (1992)*
opća populacija profesionalno izloženi - nekoliko sati dnevno (propis udaljenost od vodiča do boravišta!)
10
1000
Austrija (1988)
opća populacija profesionalno izloženi
10 20
500 2000
Nizozemska (1998)
cijelo tijelo
8
120
Slovenija (1996)*
I. područje II. područje
0.5 10
10 100
Švicarska (1999)*
opća populacija dopuštena emisija kod novih vodova na osjetljivim područjima
5
Velika Britanija NRPB (1993) (60Hz)
opća populacija profesionalno izloženi
10 10
1333 1333
SAD, ACGIH (1998) (60Hz)
profesionalno izloženi
25
1000
100 1
67
Država / institucija
Populacija – vrijeme izloženosti [sati]
Dozvoljeno E [kV/m]
Dozvoljeno B [µT]
Australia, NH&MRC (1989)
opća populacija profesionalno izloženi
5 10
100 500
Hrvatska
profesionalno izloženi - 8 h područja povećane osjetljivosti
5 2
100 40
Napomena: Oznaka * u Tablici 2-7 označava vladine Uredbe. Kratice institucija: ACGIH
American Conference of Governmental Industrial Hygienists
CENELEC Comité Européen de Normalisation Electrotechnique (European Committee for Electrotechnical Standardization) ICNIRP
International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection
NH&MR
National Health & Medical Research Council
NRPB
National Radiological Protection Board
6.6.2. Utjecaj polja na osoblje i opremu Utjecaj električnog polja na ljude može se zapaziti pri dodirivanju neke metalne površine (npr. vrata automobila ili metalne ograde), koja se nalazi u električnom polju sabirnica ili prijenosnog voda (posebno kod 400 kV DV). Pri tom može doći do malog pražnjenja između vrha prsta i metalne površine. To je posebno izraženo ako je ta metalna površina neuzemljena, dok je osoba u dodiru sa zemljom. U ovom slučaju je moguće osjetiti samo malo prijelazno pražnjenje, dok je trajnu malu kapacitivnu struju nemoguće zapaziti ljudskim osjetilima. Kod metalnih objekata velike površine, npr. metalne ploče, upravo zbog toga je važno ispravno uzemljenje, kako bi se izbjegle trajne kapacitivne struje koje mogu doseći nekoliko mA, te prouzročiti ozbiljne ili čak opasne električne udare. Kod djelovanja električnog polja na ljude treba razlikovati utjecaje poput neugodnog peckanja i malih pražnjenja od tzv. biofizioloških utjecaja, koje je zasad teško dokazati i predmetom su rasprava. U nekim prilikama radnici moraju obavljati poslove u električnim poljima intenziteta većih i od 20 kV/m. Stoga se javila i potreba za proučavanjem kapacitivnih struja pražnjenja, koje se javljaju kod rukovanja alatom. Brojne studije i rasprave proučavaju moguće psihološke utjecaje na ljude. Kod jakosti električnog polja između 20 kV/m i 30 kV/m, ovisno o tome koliko je pojedina osoba osjetljiva, osjeća se neugodno ježenje kože i kostrešenje kose. Radovi na vodovima pod naponom, doveli su do potrebe provođenja medicinskih studija. Praćenje zdravstvenog stanja osoblja i pokusi provedeni na laboratorijskim životinjama koje su izlagane jakim poljima kratkog trajanja ne ukazuju na nikakve štetne utjecaje poja. Primjena zaštitnih vodljivih odjela potpuno uklanja utjecaj polja i u potpunosti štiti radnika od neugodnih utjecaja. Zadnjih godina istraživanja su se koncentrirale oko načina smanjivanja polja i poboljšanja mjerenih metoda. Pokušavaju se pronaći brzi i jednostavni načini za predviđanje i prevenciju smetnji i problema uzrokovanih poljima. Navedeni problemi su veći što je jače polje, kao i veličina promatranog objekta. S višim prijenosnim naponima povećava se i jakost polja. Elektrostatska energija se mora pretvoriti u toplinskuu, mehaničku, električnu ili elektromagnetsku energiju. Uglavnom je objekt na kojem će se ta energija disipirati slabo povezan s "izvorom" pa je brzina prijenosa te energije ograničena. Tek kada se ta energija koncentrira unutar malog vremena ili prostora (iskra) moguće je zapaziti njene efekte. Osim elektrostatskog polja, zbog korone se javljaju ioni koji putuju prema zemlji. Mnogi opažani efekti mogu zbog tog biti posljedica ionizacije, a ne samog polja. Također prostorni naboj može znatno promijeniti jakosti polja dobivene proračunima.
68
U prirodi također postoje jaka električna polja, npr. prije oluje su polja blizu površine zemlje ispod oblaka i do 20 kV/m. Razlika je međutim u tome što to polje ne oscilira. Efekti koji se mogu osjetiti uslijed električnih polja pogonskih frekvencija u VN postrojenjima su: • •
•
Osjećaj titranja ili peckanja na površini kože. Uslijed dodira s većim neuzemljenim metalnim objektima, može poteći struja, koja može biti bolna (a u nekim slučajevima čak i smrtonosna). Posljedice mogu biti prestanak disanja, poremećaj ili prestanka rada srca, kao i kod struja iz bilo kakvog drugog izvora. Treba napomenuti da gustoća struje bitno utječe na percepciju te struje. Moguće je osjetiti vrlo male struje ako protiču kroz vrlo malu površinu tijela.
Prema smjernicama ICNIRP ovi efekti se osjećaju kod vrijednosti struja navedenih u tablici 2-8. Tablica 2-8. Vrijednost struje i utjecaj na čovjeka Efekt
Struja I (mA) kod 50 Hz
Osjećaj titranja
0.2-0.4
Osjećaj peckanja na površini kože
0.9 - 1.8
Bolni udar
8 - 16
Ozbiljan udar (prestanak disanja, poremećaj ili prestanka rada srca)
12 - 23
Kod VF polja poput mikrovalova kod radara ili mikrovalnih pećnica, dolazi do disipacije topline u tkivima ljudi. Taj utjecaj ne postoji kod polja niskih frekvencija, već kroz vodljivo tijelo može teći samo mala inducirana struja. Ograničena je gustoća struje kako bi se izbjegao utjecaj na funkcioniranje nervnog sustava. -6
-5
Magnetska polja ispod sabirnica ili dalekovoda imaju red veličina 10 do 10 T na površini zemlje, što je reda veličine magnetskog polja Zemlje, koje se kreće oko 50 µT. Razlika je u tome što magnetsko polje Zemlje ne oscilira. Promjenjiva magnetska polja mogu inducirati struje u osjetljivima mjernim aparatima ili drugoj opremi. Te struje se mogu izračunati, jer se radi o petljama. Međutim proračun lutajućih struja moguć je samo u nekim posebnim slučajevima. Magnetsko polje prijenosnih vodova ili sabirnica u elektroenergetskim postrojenjima može se smanjiti odgovarajućim odabirom rasporeda faza ili kompenzacionim poljem. Oklapanje, kojim bi se izbjegao utjecaj magnetskih polja, je daleko teže nego kod električnih polja. Upotrebljavaju se materijali koji imaju daleko veću susceptanciju nego zrak. Potrebno je uzeti u obzir ne samo permeabilnost, već i debljinu stjenki, dimenzije i smjer polja. Zasićenje i lutajuće struje mogu bitno smanjiti efikasnost oklapanja. Utjecaj induciranih struja na osjetljivu elektroničku opremu, poput pacemakera nije zanemariv. Pad napona na otporu tijela između elektrode unutar srca i kućišta implantata može biti dovoljan da smeta radu pacemakera, koji neće prestati raditi, ali će početi davati prisilne impulse. To se može desiti kod jakosti polja 3.4 kV/m. Veće struje kroz tijelo osobe mogu izazvati prestanak ili nepravilan rad pacemakera. Mjernu opremu (poput mikrovoltmetara) moguće je zaštiti oklapanjem od utjecaja električnog polja, ali je to teže u slučaju magnetskog polja. 6.6.3. Biofiziološki utjecaji elektromagnetskih polja pogonske frekvencije Jaki interes koji u posljednje vrijeme vlada s obzirom na biofiziološke utjecaje električnih i magnetskih polja na ljude, životinje, biljke ili mikroorganizme rezultirao je izjavom o stajalištu CIGRÉ-a na temu »Elektromagnetska polja pogonske frekvencije i zdravlje«, koje je oblikovano i objavljeno u obliku izjave u reviji ELECTRA, br. 196, jun 2001. str. 17. U nastavku je ovdje preneseno u cijelosti: Izvještaj o izlaganjima pogonskog osoblja električnim poljima i utjecaj na zdravlje podnesen na sjednici CIGRÉ-a 1972 prvi je uzbunio međunarodne elektroprivrede. Sedam godina kasnije, epidemiološka
69
studija u Denveru, Colorado prva je ukazala da izlaganje djece magnetskim poljima pogonske frekvencije može utjecati na povećani rizik od raka. Mnoge druge bolesti su pripisane izlaganju uobičajenim nivoima EM polja u kući ili na poslu. U proteklih 20 godina mnoge su zemlje istraživale moguće utjecaje na zdravlje. CIGRÉ je uvijek prepoznavao važnost ovog pitanja, jer je izlaganje ovakvim poljima neosporno (dalekovodi, distribucijske mreže, instalacije u domaćinstvima i industriji, električni uređaji). 1987. godine je upravni odbor CIGRÉ-a osnovao grupu medicinskih stručnjaka (kasnije WG 36.06) sastavljenu od liječnika, biologa, epidemiologa i inžinjera, s ciljem informiranja predsjednika i članova o ovoj problematici. Kako se je znanje o EM poljima širilo, postalo je jasno da ukoliko i postoji, utjecaj na zdravlje populacije je vrlo mali. Nedavne epidemiološke studije, provedene na širokoj populaciji, nisu uspostavile nikakvu vezu između karcinoma kod ljudi i djece i izlaganja magnetskim poljima, iako slaba i još neobjašnjiva stalna statistička veza ipak postoji. Istovremeno, provedene laboratorijske studije na stanicama, tkivima i životinjama nisu pronašle postojani ili uvjerljivi dokaz da elektromagnetska polja pogonske frekvencije na radnim mjestima ili domovima imaju štetne biološke uticaje - niti je predložen nikakav uvjerljivi mehanizam kroz koji bi takvi utjecaji mogli nastati. Znanje stečeno iz ovih istraživanja uvjerava nas i u skladu je s izjavom o stavovima Svjetske zdrastvene organizacije (WHO) i Američkog nacionalnog instituta za medicinske znanosti (NIEHS). Stajalište CIGRÉ je da ne postoje nikakvo znanstveno opravdanje za smanjivanje dozvoljenog nivoa izloženosti EM poljima, kroz promjene u tehnologiji i upravljanju postojećim VN sistemima. No ipak, s obzirom na zabrinutost javnosti i neke znanstvene nesigurnosti, CIGRÉ će nastaviti s praćenjem daljnjeg razvoja ovog pitanja kako bi bila u toku sa novim razvojem mišljenja.
7. SEKUNDARNI SUSTAVI UPRAVLJANJA, ZAŠTITE I MJERENJA TE POSTROJENJA POMOĆNIH NAPAJANJA 7.1. Sekundarni sustav upravljanja, zaštite i mjerenja Elektroenergetsko postrojenje mora biti opremljeno s pouzdanim i kvalitetnim sustavom upravljanja, zaštite i mjerenja potrebnim za siguran rad, sukladno njegovoj namjeni i važnosti, te naponskoj razini. Bez obzira na tehničko rješenje, kvarovi su uvijek mogući te mogu predstavljati ugrozu za život i imovinu (npr. visoki napon dodira, električni luk, požar, iznošenje potencijala, indirektne štete itd.). Zbog toga projektu i izvedbi sustava zaštite, upravljanja i mjerenja treba pristupiti s osobitom pažnjom uvažavajući sve okolnosti i uvjete pogona postrojenja. Sustav nadzora i upravljanja mora biti izveden tako da omogućuje selektivan i brz rad uz sigurno odvajanje od napona dijela postrojenja na kojem se obavljaju radovi održavanja. Bez opasnosti za osoblje i opremu mora biti moguće obaviti popravak, održavanje i/ili ispitivanje upravljačkih i zaštitnih uređaja za vrijeme dok su sklopni aparati u pogonu. Upravljački sustav mora jednoznačno pokazivati svako nepodudaranje položaja sklopnih aparata. Izvedba sustava treba na najmanju moguću mjeru svesti utjecaj elektromegnetskih smetnji. Kabelski sustav i međuveze treba izvesti na način da se na najmanju moguću mjeru svedu moguća oštećenja, kvar, nenamjerni pogon ili netočna informacija koja bi mogla izazvati opasnost. Današnji numerički uređaji koji se koriste u sustavima upravljanja, zaštite i mjerenja imaju integriranu funkciju samonadzora uz pravovremenu dojavu internog kvara s ciljem pravovremenog održavanja. Osim osnovnih navedenih funkcija upravljanja, zaštite i mjerenja, sustav uključuje i funkcije prikupljanja i pohrane podataka mjerenja (V, A, P, Q, E, cos φ, mA, analogni ulazi itd.), zapis događaja, zapis poremećaja, lokaciju kvara, automatski ponovni uklop itd. Funkcije su koordinirane i
70
distribuirane, projektirane na način da osiguraju trajni nadzor postrojenja uz fleksibilnost na više razina s ciljem osiguranja visoke pouzdanosti i raspoloživosti pogona, te sigurnosti za osoblje i imovinu. Mjerenja se odnose na navedene mjerne veličine za potrebe lokalnog i daljinskog nadzora i upravljanja elektroenergetskim postrojenjem i sustavom, te nadzora sigurnosti i kvalitete opskrbe i korištenja električne energije. Električna mjerenja moraju ispunjavati zahtjeve Općih uvjeta za opskrbu električnom energijom, Mrežnih pravila elektroenergetskog sustava, operatora prijenosnog sustava odnosno operatora distribucijskog sustava, zahtjeve vlasnika odnosno korisnika elektroenergetskog postrojenja i usvojenih europskih norma. Upravljanje postrojenjem organizirano je na više razina, obično 3 – 4: • • • • •
daljinski iz centra daljinskog vođenja; lokalno, na razini postrojenja, s operatorskog radnog mjesta; lokalno, na razini polja, na upravljačkoj jedinici ili terminalu polja; lokalno, na razini polja, s rezervnog upravljačkog panela (obično bez blokada, u slučaju krajnje potrebe ili prilikom održavanja); lokano na sklopnom aparatu, samo u svrhu održavanja.
Na svakoj razini upravljanja mora postojati mogućnost blokirati/isklopiti upravljanje s više razine. S obzirom na distribuirano i decentralizirano procesuiranje podataka na razini postrojenja, informacije se besprekidno razmjenjuju između pojedinih inteligentnih numeričkih jedinica (upravljačke jedinice, zaštitni releji i dr.) putem Ethernet sabirnice koristeći u novije vrijeme najčešće protokol prema IEC 61850, otvoreni normirani protokol, koji po prvi puta omogućuje komunikaciju između jedinica različitih proizvođača u realnom vremenu. Izbor i projekt sustava upravljanja, zaštite i mjerenja treba se temeljiti na vjerojatnosti kvara i važnosti postrojenja, uvažavajući uvjete okoliša. Izabrana koncepcija i shema u prvom redu ima zadatak osiguranje zdravlja i života ljudi, te sigurnosti imovine uz minimiziranje gubitaka zbog nestanka napajanja. Zavisno o veličini i važnosti elektroenergetskog postrojenja, bez obzira na naponsku razinu, sekundarni sustav upravljanja, zaštite i mjerenja može biti izveden korištenjem jednostavnih shema osnovnih funkcija koje ispunjavaju postavljene zadatke, do vrlo sofisticiranih, s velikom zalihošću. Sustav mora omogućiti jednostavno proširenje u budućnosti, te integraciju postojećeg sustava u slučaju proširenja korištenjem nove tehnologije. Zaštitni relej mora raditi tako da osigura visoki stupanj raspoloživosti i pouzdanosti, što uključuje pogonsku i funkcionalnu sigurnost, brzinu prorade, selektivnost, stabilnost i osjetljivost, te pouzdano i u najkraćem vremenu otkrije i isključi kvar prije nego li su ljudski životi unutar i/ili izvan postrojenja i imovina došli u opasnost. Na pouzdanost zaštitnog sustava mogu djelovati sljedeći čimbenici: • • •
pogrešna shema ili podešenje/parametriranje; pogrešna ugradnja i/ili ispitivanje; pogonska dotrajalost.
Zaštita mora ustanoviti tip kvara i djelovati samo unutar zone podešenja, a u slučaju zatajenja releja koji je trebao isključiti kvar djelovati s programiranim vremenskim zatezanjem. Selektivnost zaštite mora biti osigurana kako na razini postrojenja, tako i na razini elektroenergetske mreže. Zaštitni releji moraju biti koordinirani s primarnim zaštitama u postrojenju kao što je Buchholzov relej, plinski relej, termoslika itd. Isto tako moraju biti koordinirani s primarnom (VN) opremom, posebno prekidačem i elektroenergetskim sustavom kao cjelinom. Naime, kvar treba biti isklopljen prije nego li
71
su nadmašene nazivne podnosive vrijednosti opreme i sustava (npr. struja kratkog spoja i njezini toplinski i mehanički efekti). Prilikom definiranja koncepcije sheme sekundarnog sustava upravljanja, zaštite i mjerenja, posebnu pozornost treba obratiti projektu lokalne komunikacijske mreže (LAN) koja je od primarne važnosti kako za razmjenu podataka upravljanja, nadzora i mjerenja s centralnom jedinicom i dalje s nadređenim centrom daljinskog vođenja, tako i za komunikaciju između zaštitnih releja i drugih numeričkih uređaja (posebno s naglaskom na sabirničku zaštitu i zaštitu od zatajenja prekidača). Zavisno o važnosti elektroenergetskog postrojenja i zahtjevima na pouzdanost i raspoloživost, komunikacijska mreža može biti projektirana u konfiguraciji: • • • •
zvijezda; prsten; dvostruki prsten; hibridna shema – različite konfiguracije zvijejezda/prsten.
Distribuirani sustav upravljanja i zaštite koristi na razini lokalne mreže postrojenja uglavnom svjetlovodne kabele imune na elektromagnetske smetnje, osim u manjim, poglavito distributivnim postrojenjima gdje se zbog ekonomskih razloga koriste bakreni komunikacijski kabeli. Komunikacijski sustavi moraju, pored prihvaćenih normi navedenih u Pravilniku, zadovoljiti i Pravilnik o tehničkim uvjetima za elektroničku komunikacijsku mrežu poslovnih i stambenih zgrada (NN 155/09). Visokoraspoloživa hibridna konfiguracija prikazana je na slici 7-1.
Slika 7-1 Hibridna shema zvijezda/prsten Bez obzira na pouzdanost opreme, zalihost i kriterij n-1 igraju značajnu ulogu u postrojenjima visokih (> 220 kV) i vrlo visokih napona (> 400 kV). U tim postrojenjima obično se koristi udvojeni ravnopravni sustav zaštite, glavna 1 i glavna 2, najčešće s komponentama dvaju različitih proizvođača, kompletno nezavisne jedna o drugoj, s dvostrukim sustavom komunikacija, slika 7-2.
72
Slika 7-2 Primjer sheme sustava zaštite i upravljanja u VN postrojenju U rasklopnom postrojenju moraju postojati upute za siguran rad sa sustavom upravljanja, zaštite i mjerenja, te njihove strujne sheme, priključni planovi i liste parametara, kao i zapisnici o njihovom pregledu i provjeri sukladno normama i pravilima struke.. Može se zaključiti da se projekt sustava upravljanja, zaštite i mjerenja treba zasnivati na, ali ne isključivo, sljedećim čimbenicima: • • • • • • •
sigurnost ljudi, prirode, okoliša, postrojenja i ostale imovine i materijalnih dobara; shema postrojenja; način postupanja s neutralnom točkom; konfiguracija priključenih nadzemnih vodova i mreže; blizina elektrana; važnost postrojenja s obzirom na mjesto u elektroenergetskom sustavu; zahtjevi mreže s obzirom na stabilnost sustava.
Sva oprema i sustavi, uključivo kabelsku kanalizaciju, moraju zadovoljavati zahtjeve usvojenih norma. Sustav mora biti ispravno parametriran i funkcionalno ispitan prije puštanja postrojenja u rad. Svi elementi sustava upravljanja, zaštite, mjerenja i komunikacija moraju imati upute za ugradnju, parametriranje, pogon, rukovanje i održavanje, te biti tipski ispitani, a prije isporuke rutinski ispitani sukladno važećim normama. Sva ispitna izvješća moraju se čuvati na sigurnom mjestu u postrojenju.
7.2. Postrojenja pomoćnih napajanja Sustav pomoćnog izmjeničnog napona 400/230 V, 50 Hz napaja se iz jednog ili više kućnih transformatora SN/0,4 kV s kruto uzemljenom neutralnom točkom 0,4 kV. U slučaju vrlo važnih i velikih postrojenja kao dopunski izvor pomoćnog napajanja koriste se i diesel-električni generatori. Koristi se za napajanje trošila kao što su: • • • •
vanjska i unutarnja rasvjeta; instalacija utičnica, grijanja i/ili hlađenja; ispravljači za punjenje akumulatorskih baterija; motori i grijači regulacijskih sklopki energetskih transformatora;
73
• • •
elektromotorni pogoni prekidača i rastavljača (ako ne koriste istosmjerni napon); rasvjeta, utičnice i grijači u raznim razvodnim i upravljačkim ormarima; ostali specifični uređaji.
Potrošači priključeni na sustav izmjeničnog napajanja mogu se podijeliti u bitne i manje bitne odnosno nebitne skupine. Bitna napajanja (npr. UPS) moraju biti dostupna stalno i bez prekida, a za nebitna se dozvoljavaju kraći ili dulji prekidi. Projektiranje i izvođenje radova na instalacijama izmjeničnog napajanja mora, osim usvojenih europskih norma, zadovoljiti odredbe važećeg Tehničkog propisa za niskonaponske električne instalacije. Sustav zaštite od neizravnog dodira izvodi se uobičajeno kao TN-C-S. S ciljem izjednačenja potencijala i uzemljenja, sve metalne mase i kućišta aparata i uređaja, metalne mase svih ormara sekundarnog sustava i pomoćnih napajanja, kabelski plaštevi i ekrani, te metalne mase ostalih instalacija (vodovod, grijanje itd.), te metalni dijelovi zgrade i postrojenja (vrata, prozori, razni rukohvati, poklopci kabelskih kanala, betonska armatura itd.) i sve ostale metalne mase u postrojenju koje u normalnom pogonu nisu pod naponom moraju biti spojene na sabirni zemljovod koji se spaja na uzemljivač postrojenja. Presjek vodiča za uzemljenje mora zadovoljiti s obzirom na termičku struju kratkog spoja i njegovo trajanje. Svi strujni krugovi niskonaponskog razvoda moraju biti štićeni od kratkog spoja i preopterećenja odgovarajućim zaštitnim uređajima, osiguračima ili danas uobičajeno automatskim instalacijskim prekidačima, s prigrađenim signalnim sklopkama za daljinsku signalizaciju nestanka napona zbog namjernog isključenja ili isključenja kvara. Svi zaštitni uređaji trabaju biti izabrani tako da sigurno i selektivno štite pripadne strujne krugove. Selektivnost prorade osigurava se stupnjevanjem nazivnih struja i izborom odgovarajućih proradnih karakteristika. Padovi napona u instalacijskim strujnim krugovima moraju zadovoljiti odredbe usvojenih norma, te za elektroenergetska postrojenja napajana iz vlastitog izvora iznose 6% za rasvjetu i 8% za ostala trošila. Pomoćni istosmjerni naponi 220 V, 110 V i/ili 48 V koriste se za napajanje: • • • • • • •
sustava nadzora, upravljanja, zaštite i mjerenja uključivo centralno računalo i regulaciju napona; sustav komunikacija (uobičajeno 48 V); lokalna i daljinska signalizacija; sustav besprekidnog napajanja (UPS); elektromotorni pogoni prekidača i rastavljača (ako ne koriste izmjenično napajanje); sigurnosna rasvjeta; ostali specifični potrošači.
Akumulatorske baterije moraju biti dimenzionirane tako da osiguraju sigurno i pouzdano napajanje instalacije u slučaju potpunog nestanka izmjeničnog napona. Trebaju imati dovoljan kapacitet za napajanje trajnih potrošača, za isklop prekidača u slučaju sabirničkog kvara, te za uklop prekidača za ponovnu uspostavu pomoćnog izmjeničnog napajanja. Danas se redovito koriste zatvorene akumulatorske baterije (VRLA) koje mogu biti ugrađene u ormare u istoj prostoriji s ostalim ormarima pomoćnih napajanja i sekundarnih sustava. U slučaju korištenja klasičnih akumulatorskih baterija, iste moraju biti smještene u posebnu, ventiliranu prostoriju radi otklanjanja opasnosti od eksplozije. Zidovi, strop i pod takve prostorije mora zadovoljavati zahtjeve za zaštitu od korozivnih i plinovitih proizvoda, te treba biti spriječen prodor korozivnih tvari u kanalizaciju. Zaštita strujnih krugova istosmjernih razvoda provodi se odgovarajućim zaštitnim elementima (osigurači, automatski instalacijski prekidači) koji moraju osigurati pouzdano, brzo i selektivno isklapanje kvara, kao što je već spomenuto za izmjenični razvod. Svi zaštitni prekidači trebaju biti opremljeni signalnim sklopkama za dojavu isključenja, namjernog i/ili kvara.
74
Sustavi istosmjernih napajanja (akumulatorske baterije i ispravljači) trebaju biti opremljeni instrumentima za nadzor napona i struje s mogućnošću daljinskog mjerenja.
8. UZEMLJIVAČKI SUSTAVI Sustav uzemljenja ima ključnu ulogu u zaštiti ljudi i uređaja kao i stabilizaciji sustava u tranzijentnim stanjima. U nastavku će biti opisane razlike između sustava uzemljenja koji se koriste u zaštiti objekata. Sustav uzemljenja je povezani sustav uzemljivača ili metalnih komponenti koji se koriste za odvođenje struje groma ili kvara u okolnu zemlju i oblikovanje potencijala.
8.1. Specifični otpor tla Zemlja je vodljivo tlo čiji potencijal po dogovoru u svakoj točki iznosi nula. Referentna zemlja je dio zemlje izvan utjecaja uzemljivačkih elektroda gdje je razlika potencijala između dvije točke jednaka nuli. Specifični otpor tla ρE je funkcija temperature, sastava i vlažnosti tla. Vrijednosti specifičnih otpora za neke vrste tla prikazane su na slici 8-1.
Slika 8-1 - Specifični otpor različitih vrsta tla
Specifični otpor tla ovisi o godišnjem dobu (temperaturi zemlje) te ima maksimum u zimskom, a minimum u ljetnom razdoblju. Zbog toga je potrebno dobivene vrijednosti preračunati na najgore moguće uvjete kako se ne bi prekoračile dopuštene vrijednosti otpora uzemljivača. Funkcija ovisnosti specifičnog otpora tla o godišnjem dobi se može aproksimirati sinusnom krivuljom koja ima svoj maksimum sredinom veljače i minimum sredinom kolovoza. Ispitivanja su pokazala da za uzemljivače ukopane ne dublje od 1,5 m maksimalno odstupanje specifičnog otpora tla od srednje vrijednosti iznosi oko ±30%, a za dublje ukopane uzemljivače odstupanje iznosi ±10% (slika 8-2).
75
Slika 8-2 Specifični otpor tla u ovisnosti o dubini i godišnjem dobu
8.2. Vrste uzemljivača 8.2.1. Površinski uzemljivač Površinski uzemljivači se postavljaju horizontalno u zemlju na dubinu 0.5 - 1 m. Budući da se površinski sloj zemlje isuši ljeti i zamrzne zimi, otpor se računa kao da se uzemljivač nalazi na površini zemlje. Stoga se otpor uzemljivača računa prema sljedećoj formuli:
𝑅! =
𝜌! 𝑙 ∙ 𝑙𝑛 𝜋∙𝑙 𝑟
gdje je: RA ρE l r
otpor površinskog uzemljivača specifični otpor zemlje u Ωm duljina površinskog uzemljivača u m četvrtina širine čelične trake ili promjer okrugle žice u m
Za proračun otpora površinskog uzemljivača u praksi se najčešće koristi sljedeća formula:
𝑅! =
2 ∙ 𝜌! 𝑙
8.2.2. Štapni uzemljivač Štapni uzemljivači se obično zabijaju u zemlju na dubine veće od jednog metra. Može biti od različitih materijala i profila. Otpor štapnog uzemljivača se računa prema formuli:
𝑅! =
𝜌! 𝑙 ∙ 𝑙𝑛 2𝜋 ∙ 𝑙 𝑟
gdje je: RA
76
otpor površinskog uzemljivača
ρE l r
specifični otpor zemlje u Ωm duljina površinskog uzemljivača u m polumjer štapnog uzemljivača u m
Za proračun otpora štapnog uzemljivača u praksi se najčešće koristi sljedeća formula:
𝑅! =
𝜌! 𝑙
Ako su pojedinačni štapni uzemljivači postavljeni u krug i ako su približno jednake duljine tada se otpor uzemljenja računa prema sljedećoj formuli:
𝑅! =
𝑅!! 𝑝
gdje je: RA p
'
prosječni otpor korištenih štapnih uzemljivača korektivni faktor koji je funkcija duljine štapnog uzemljivača, udaljenosti među štapnim
uzemljivačima i broja štapnih uzemljivača (slika 8-‐3)
Slika 8-3 Korektivni faktor p (n - broj štapnih uzemljivača, a - srednja udaljenost između uzemljivača, l - srednja duljina štapnih uzemljivača)
8.2.3. Križni uzemljivač Ovaj tip uzemljivača se koristi kada je potrebno dobiti mali otpor uzemljenja u uvjetima loše vodljivosti tla uz prihvatljivu cijenu. Otpor križnog uzemljivača kad su elektrode pod kutom od 90° se računa prema sljedećoj formuli:
𝑅! =
𝜌! 𝑙 ∙ 𝑙𝑛 + 1.75 4𝜋 ∙ 𝑙 𝑟
gdje je: RA ρE
otpor križnog uzemljivača specifični otpor zemlje u Ωm
77
l r
polovica duljine elektrode u m polovica širine trake ili promjer okrugle žice u m
Za križni uzemljivač kut između elektroda mora biti veći od 60°.
8.2.4. Temeljni uzemljivač Otpor metalne konstrukcije u betonskim temeljima se može izračunati prema sljedećoj formuli:
𝑅! =
𝜌! 𝜋∙𝑑
gdje je:
𝑑 = 1.57 ∙
!
𝑉
Pri računanju otpora uzemljenja potrebno je imati na umu da temeljni uzemljivač učinkovit samo ako temelji imaju veliku dodirnu površinu s okolnim tlom. 8.2.5. Prstenasti uzemljivač Za prstenasti uzemljivač velikog promjera (d > 30 m) otpor uzemljenja aproksimira se formulom:
𝑅! =
𝜌! 𝜋∙𝑑 ∙ 𝑙𝑛 ∙𝑑 𝑟
𝜋!
gdje je: d r
promjer prstena uzemljivača polumjer okruglog vodiča ili četvrtina širine trakastog uzemljivača u m
Za prstenove koji nisu okrugli otpor uzemljivača se računa koristeći promjer d ekvivalentnog kruga jednake površine, pomoću formule:
𝑅! =
2 ∙ 𝜌! 3∙𝑑
𝑑=
𝐴∙4 𝜋
gdje je A površina obuhvaćena prstenom.
8.3. Naponi dodira i koraka U nekim slučajevima naponi dodira i koraka izvan objekta u blizini zemljovoda mogu predstavljati opasnost po život iako je sustav za zaštitu od groma dizajniran po standardima. To se može pojaviti na ulazima ili nadstrešnicama objekata. 8.3.1. Napon dodira Napon dodira je razlika potencijala između zemljovoda i tla na udaljenosti 1 m od zemljovoda (slika 84).
78
Slika 8-4 Naponi dodira i koraka
Za smanjivanje rizika od previsokog napona dodira mogu se koristiti sljedeće mjere: • • •
zemljovod je obložen izolacijom (min. 3 mm polietilenske izolacije koja može izdržati napon od 100 kV 1.2/50 µs); može se promijeniti položaj zemljovoda (npr. ne na ulazima u objekt); osigurati da površinski sloj do udaljenosti 3 m od zemljovoda ima specifični otpor od najmanje 5000 Ωm. Sloj asfalta debljine 5 cm može služiti u tu svrhu.
Opasno područje napona dodira je do visine od 3 m. 8.3.2. Napon koraka Napon koraka je razlika potencijala koju premosti čovjek sa dužinom koraka od 1 m (slika 8-4). Napon koraka se smanjuje što se udaljenost od objekta povećava. Za smanjivanje rizika od prevelikih napona koraka mogu se koristiti sljedeće mjere: • • •
sprječavanje osoba da dođu u rizično područje (ogradama); smanjivanje veličine uzemljivačke mreže – kontrola potencijala; osigurati da površinski sloj do udaljenosti 3 m od zemljovoda ima specifični otpor od najmanje 5000 Ωm. Sloj asfalta debljine 5 cm ili 15 cm šljunka može služiti u tu svrhu.
Ako se velik broj ljudi često okuplja u blizini zemljovoda, mora se provesti oblikovanje potencijala ugrađivanjem odgovarajućih uzemljivača. Oblikovanje potencijala se vrši dodavanjem dodatnih prstenastih uzemljivača koji se dodaju već postojećem uzemljivaču.
79
LITERATURA [1] Pravilnik o tehničkim normativima za elektroenergetska postrojenja nazivnog napona iznad 1000 V (Službeni list SFRJ, br. 4/74 i 13/78) [2] Zakon o normizaciji (Narodne novine br. 55/96) [3] HRN HD 637 S1:2001 Električna postrojenja nazivnih izmjeničnih napona iznad 1 kV, prvo izdanje (2002) [4] Pravilnik o tehničkim zahtjevima za elektroenergetska postrojenja nazivnih izmjeničnih napona iznad 1 kV (Narodne novine br. 105/10) [5] ABB Switchgear Manual, 11. izdanje [6] Pravilnik o sigurnosti i zdravlju pri radu s električnom energijom (Narodne novine br. 88/2012) [7] Pravilnika o temeljnim zahtjevima za zaštitu od požara elektroenergetskih postrojenja i uređaja (Narodne novine br. 146/2005) [8] Pravilnikom o zaštiti od elektromagnetskih polja (Narodne novine br. 98/2011) [9] Tehničkog propisa za sustave zaštite od djelovanja munje na građevinama (Narodne novine br. 87/2008, 33/2010)
80
