INTERNACIONALNI UNIVERZITET TRAVNIK POLITEHNIČKI FAKULTET TRAVNIK
Uzemljenja u elektroenergetskim postrojenjima i zaštita elektroenergetskih vodova prilikom zemljospoja SEMINARSKI RAD
Predmet: Elektroenrgetska postrojenja Mentor: Doc.dr. Miladin Jurošević
Student: Ismet Kulović
Sadržaj: 1 2
3
4
5 6
UVOD............................................................................................................................ 2 Uzemljenja ..................................................................................................................... 4 2.1 Izvedbe i karakteristike uzemljenja ........................................................................ 4 2.2 Osnovne karakteristike uzemljivača ....................................................................... 6 2.3 Dimenzioniranje uzemljivača ............................................................................... 12 2.3.1 Dimenzioniranje s obzirom na koroziju i mehaničku čvrstoću ..................... 13 2.3.2 Dimenzioniranje s obzirom na toplotno naprezanje ...................................... 14 2.3.3 Dimenzioniranje s obzirom na napon dodira i koraka ................................... 18 Zaštita elektroenergetskih vodova prilikom semljospoja ............................................ 21 3.1 Mreže sa izolovanom neutralnom tačkom ............................................................ 22 3.2 Neutralna tačka uzemljeno preko Petersenove prigušnice (rezonantno uzemljena neutralna tačka)................................................................................................................ 25 3.3 Mreža uzemljena preko otpornosti za ograničenje struje kratkog spoja ............... 28 Zemljospojni releji ....................................................................................................... 31 4.1 Opći principi rada zemljospojnih releja ................................................................ 31 4.2 Naponski releji za indikaciju zemljospoja u mreži ............................................... 32 4.3 Neusmjereni zemljospojni relej ............................................................................ 34 4.4 Usmjereni zemljospojni releji ............................................................................... 37 4.5 Numeričke višefunkcijske zaštite ......................................................................... 39 4.5.1 Komunikacije ................................................................................................ 41 Zključak ....................................................................................................................... 43 Literatura: .................................................................................................................... 44
1
1 UVOD Zadatak elektroenergetskog sistema je da, u suštini, pomiri dva oprečna zahtjeva, koji se odnose na sigurnost i ekonomićnost kontinuirane opskrbe potrošača električne energije, standardom propisane kvalitete. Sigurnost pogona podrazumjeva da je što veći broj komponenti sistema u radu, kako bi se obezbjedila potrebna rezerva. Sa druge strane, obzirom da je svaka komponenta sistema karakterizirana sopstvenim gubicima, sa aspekta ekonomičnosti pogona, teži se minimalnom broju komponenti sistema koje su istovremeno u radu. Svaka promjena stanja u sistemu, neizbježno, rezultira prelaznim procesima u kojima dolazi do meĎusobno uslovljenih promjena varijabli stanja, odnosno parametara režima električne i mehaničke prirode. Ako su inicijalni dogaĎaji takvi da su promjene parametara režima lagane, te ih regulacioni sistemi održavaju u propisanim opsezima, kaže se da je sistem u normalnom, ustaljenom, stacionarnom režimu. Ovo se, uglavnom, odnosi na regulacione resurse za reguliranje frekvencije i aktivne snage i reguliranje napona u sistemu. Kvantitativni pokazatelji normalnog režima mogu se ukratko predstaviti slijedećim: - odstupanja napona u tačkama priključenja potrošača kreću se u standardom dozvoljenim granicama (npr: + 5% , - 10%) - odstupanja frekvencije u odnosu na nominalnu vrijednost nalazi se u preporučenim granicama (npr: +/- 0,1%) - strujna opterećenja, temperature, pritisci ili druge karakteristične veličine pojedinih komponenti su u okviru granica trajno dozvoljenih vrijednosti. Uloga zaštitnih ureĎaja elektroenergetskog sistema je da ne djeluju nepotrebno tokom normalnog stanja i prelaznih procesa do kojih dolazi tokom ovog stanja. MeĎutim, u odnosu na normalno stanje elektroenergetski sistem izložen je dogaĎanjima koji rezultiraju poremećajem normalnig režima i kao posljedica toga javljaju se opasna stanja za pojedine komponente i ukupan elektroenergetski sistem. Inicijalni dogaĎaji poremećaja normalnog režima elelktroenergetskog sistema su kvarovi na pojedinim komponentama, pogrešne manipulacije i atmosferska pražnjenja. Pojava poremećaja u elektroenergetskom sistemu uzrokuje složen skup, uzajamno uslovljenih prelaznih procesa, a osnovni fizički sadržaj ovih procesa je debalans mehaničkih i električnih snaga u sistemu. Odlučujuću ulogu tokom poremećenih režima, nazvanih havarijski režimi, imaju sistemi uzemljenja i zaštitni ureĎaji, koji brzim i selektivnim djelovanjem hirurški izdvajaju kvarnu komponentu ili odgovarajući dio sistema od ostalog zdravog sistema. Globalni cilj upravljanja i voĎenja elektroenergetskih sistema je održavanje sistema u normalnom radnom režimu i spriječavanje ili minimiziranje vremena tokom koga elektroenergetski sistem funkcionira u havarijskom ili postahavarijskom režimu. Osnova za djelovanje zaštitnih ureĎaja i ureĎaja autmatske regulacije i sistema automatike su karakteristične, kako električne, tako i neelektrične veličine na pojedinim komponentama elektroenergetskog sistema. Zato je neophodno poznavanje promjena svih relevantnih veličina tokom svih mogućih radnih režima elektroenergetskog sistema. Jedan od najtežih inicijalnih dogaĎaja, koji vodi havarijskom režimu, su kratki spojevi, odnosno zemljospojevi u elektroenergetskom sistemu. Znatan kvalitativan i kvantitativan uticaj na električne veličine napona i struja, u poremećenom stanju elektroenergetskog
2
sistema, ima i treman neutralne tačke, odnosno uzemljenje neutralne tačke elektroenergetske mreže. Obzirom da se neutralna tačka elektroenergetske mreže može uzemljiti ili ostaviti izolovanom, interesantno je još u fazi planiranja, projektovanja i izgradnje, odnosno proširenja, utvrditi kriterije za izbor tretmana neutralne tačke.
3
2 Uzemljenja 2.1 Izvedbe i karakteristike uzemljenja Pod uzemljenjem podrazumjeva se ostvarivanje vodljive veze izmeĎu dijelova elektroenergetskih postrojenja i zemlje. Ostvarivanje ove veze postiže se ukopavanjem u zemlju metalnih vodiča različitih oblika i dimenzija i njihovim povezivanjem s dijelovima postrojenja. Osnovni su elementi svakog uzemljenja uzemljivač, to jest vodič (jedan ili više) položen u zemlju i s njom je u neposrednom kontaktu i zemljovod koji povezuje dio postrojenja (koje treba uzemljiti) sa uzemljivačem. Uzemljenje u postrojenju ima zadatak: - da zaštiti ljude od opasnih napona dodira i koraka, - da odvede struju atmosferskih pražnjenja u zemlju, - da vodi radnu struju i osigurava radne karakteristike strujnoga kola. S obzirom na ulogu uzemljenja razlikuju se radno, zaštitno i gromobransko uzemljenje. Najpotpunije definicije vrsta uzemljenja date su u standardu IEC 60364–5– 54AMD1:2000. Radno uzemljenje je uzemljenje dijela pogonskog strujnog kruga kojim se osigurava željena funkcija i radne karakteristike strujnog kola. Radno uzemljenje može biti direktno, ako je izvedeno neposrednim vezivanjem za sistem uzemljenja (ne sadrži nikakav drugi otpor osim impedanse uzemljenja) ili indirektno, ako se izvodi vezivanjem za sistem uzemljenja preko dodatnih impedansi (aktivne otpornosti, induktivne otpornosti ili njihovih kombinacija). Gromobransko uzemljenje je uzemljenje gromobranske instalacije koja služi za odvoĎenje struje atmosferskog pražnjenja u tlo. Gromobransko uzemljenje ograničava napon na koji dolazi gromobranska instalacija kako bi se spriječili povratni preskoci s tih instalacija na radne strujne krugove i metalne objekte. Zaštitno uzemljenje je uzemljenje metalnih djelova koji ne pripadaju strujnom krugu niti su posredno u električnom kontaktu s njim, ali u slučaju kvara mogu doći pod napon. Zaštitno uzemljenje smanjuje ovaj napon, kao i potencijalne razlike dodira i koraka kojima mogu biti izloženi ljudi i na taj način ih štiti. Ukoliko se isto uzemljenje koristi i kao radno i kao zaštitno uzemljenje govori se o združenom uzemljenju. U uvodnom dijelu korisno bi bilo dati neke osnovne definicije pojmova i elemenata uzemljenja u skladu s evropskim standardom HD 637 S1:1999. Referentna zemlja je dio zemlje izvan područja utjecaja uzemljivača ili sistema uzemljenja gdje se izmeĎu bilo kojih dviju tačaka, ne pojavljuje nikakav napon zbog struje prema zemlji. Općenito se smatra površinom zemlje. Uzemljivač je vodič koji je u vodljivom dodiru s zemljom ili vodič položen u beton i koji je velikom površinom u dodiru s zemljom. Zemljovod je vodič koji dio postrojenja, koji treba uzemljiti, spaja s uzemljivačem ili koji meĎusobno spaja uzemljivače, bilo da je izvan zemlje ili da je izoliran položen u zemlju. Ako je spajanje dijela postrojenja i uzemljivača izvedeno preko rastavne spojnice, rastavne sklopke, itd., zemljovodom se smatra samo dio koji je trajno spojen s uzemljivačem. Sabirni zemljovod je vodič na koji je priključeno više zemljovoda. Sabirni zemljovod se na više mjesta povezuje s uzemljivačem. Otpor uzemljenja (otpor rasprostiranja uzemljivača) je otpor zemlje izmeĎu uzemljivača i referentne zemlje.
4
Impedansa uzemljenja (sistem uzemljenja) je impedansa izmeĎu sistema uzemljenja i referentne zemlje. Impedansa uzemljenja ovisi o direktno spojenim uzemljivačima i o zaštitnim užadima nadzemnih vodova, kabelima s uzemljivačkim učinkom te o drugim sistemima uzemljenja koji su vodljivim kabelskim plaštevima, zaslonima PEN vodiča ili na drugi način spojeni na dotični sistem uzemljenja. Potencijal (napon) uzemljivača je napon izmeĎu uzemljivačkog sistema i referentne zemlje. Potencijal površine zemlje je napon izmeĎu neke tačke na površini zemlje i referentne zemlje. Napon dodira je dio potencijala uzemljenja zbog zemljospoja, koji može premostiti čovjek, uz predpostavku da struja kroz ljudsko tijelo teče od ruke prema stopalu (vodoravni razmak od dostupnoga dijela je 1m). Očekivani napon dodira je napon napajanja, koji postoji u dodirnom krugu pri zemljospoju, kad se ti dijelovi ne dodiruju. Napon koraka je dio potencijala uzemljenja zbog zemljospoja koji može premostiti čovjek pri koraku od 1m, uz predpostavku da struja kroz ljudsko tijelo teče od jednog stopala prema drugom stopalu. Preneseni potencijal je potencijal uzemljivačkoga sistema izazvan strujom prema zemlji koji se preko spojenog vodiča (npr. metalni omotač kabela) prenosi u područje niskoga ili nikakvog potencijala prema referentnoj zemlji. To dovodi do razlike potencijala izmeĎu vodiča i njegove okoline. Oblikovanje potencijala je metoda smanjivanja dodirnog napona i potencijala na površini zemlje pomoću elemenata uzemljivača.
Slika 1. Osnovne veličine kod uzemljenja
Uzemljivači, kao glavni dio uzemljenja, mogu biti izvedeni od različitih materijala, kao što su bakar, pocinčani čelik ili različite kombinacije tih materijala, meĎusobno ili s drugim metalima. Prema obliku materijala i osobinama uzemljivači se mogu podijeliti na: - trakaste uzemljivače, - uzemljivače okrugloga punog presjeka ili u obliku užeta, - cijevne uzemljivače, - uzemljivače od profilnoga metala,
5
- armature u betonu, - ostale ukopane metalne instalacije (cjevovodi i slično). Po načinu izvoĎenja uzemljivači se mogu podijeliti na: - horizontalne (površinske) uzemljivače, koji su sastavljeni od horizontalno položenih vodiča koji su ukopani u tlo na manjoj dubini. Horizontalni uzemljivači mogu biti mrežasti, zrakasti, u vidu prstenova ili kombinacija ovih oblika, - vertikalne (dubinske) uzemljivače, koji su sastavljeni od jednoga ili više štapnih uzemljivača okomito položenih u odnosu na tlo na većim dubinama i meĎusobno povezani. Mogu biti cijevnoga, okrugloga ili nekoga drugog oblika, - kose uzemljivače koji su u osnovi štapni uzemljivači položeni pod uglom u odnosu na tlo i obično služe za oblikovanje potencijala.
2.2 Osnovne karakteristike uzemljivača Veličina struje koja protiče kroz zemljovod do uzemljivača i kroz sam uzemljivač ovisi o načinu uzemljenja neutralne tačke mreže. Prolaskom struje kroz uzemljivač u zemlju površina zemlje dolazi pod napon (naravno da to vrijedi i za slojeve ispod površine, ali su za zaštitu bitne prilike na površini), pa izmeĎu pojednih tačaka vlada razlika potencijala, kao što je prikazano na slici 1. Osnovne su karakteristike uzemljivača otpor rasprostiranja, maksimalan potencijal uzemljivača u postrojenju i maksimalan potencijal na površini zemlje unutar ili izvan postrojenja. Otpor rasprostiranja uzemljivača ovisi o specifičnom električnom otporu zemlje, te dimenzijama i izvedbi uzemljivača. Otpor rasprostiranja uzemljivača u homogenoj zemlji može se, u općem slučaju, odrediti pomoću izraza:
gdje je: ρ – specifični električni otpor tla (Ωm) k – koeficijent ovisan o geometriji uzemljivača (m-1) Dakle, kao što je vidljivo iz gornje relacije otpor uzemljivača neposredno ovisi o specifičnom električnom otporu tla. Zbog toga je potrebno ovu veličinu što tačnije fizikalno poznavati, kako bi se prilikom mjerenja, a zatim i proračuna izbjegle moguće greške. Preuveličavanjem specifičnog električnog otpora tla dobijaju se nepotrebno veliki i skupi uzemljivači, dok se sa suviše malim specifičnim električnim otporom dobivaju uzemljivači koji ne pružaju dovoljnu sigurnost od napona dodira. Srednje vrijednosti specifične električne otpornosti tla koje se usvajaju pri projektiranju sistema uzemljenja postrojenja nazivnog napona do 110 kV navedene su u tabeli 1. Tabela 1. Vrijednosti specifićne električne otpornosti tla Vrste tla ρ (Ωm) Vrsta tla ρ (Ωm) Morska voda 0,2 Glinasta zemlja 100 Riječna voda 50 Pjeskulja 300 Treset 20 Pijesak 500 Humus 20 Krečnjak 700 Baštenska zemlja 40 Šljunkovita zemlja 3000 Ilovača 40 Kamenito tlo 10000
6
U tabeli 2. date su formule za izračunavanje otpora rasprostiranja nekih pojedinačnih uzemljivača. Tabela 2. Prelazni otpor rasprostiranja pojedinačnih uzemljivača Naziv
Uzemljivač
Otpornost rasprostiranja uzemljivača
( Štapni (cjevasti) uzemljivač
Trakasti uzemljivač (traka d<<1)
)
(
)
D Vd √
Prstenasti uzemljivač (traka d<
√
Kružna ploča
Poluloptasti uzemljivač
Vertikalana pravokutna ploča
√
Na slici 2. prikazani su otpori raprostiranja trakastoga uzemljivača u ovisnosti o dužini L i prstenastog uzemljivača u ovisnosti o promjeru prstena D za nekoliko vrijednosti specifičnog električnog otpora. Vrijednosti su izračunate prema formulama iz tabele 2. U proračunu je uzeto H = 0 m i d = 15 mm. Otpor rasprostiranja uzemljivača, uglavnom, ovisi o dužini uzemljivača, a manje ovisi o njegovom presjeku. U većini postrojenja nije dovoljno postaviti pojedinačne uzemljivače, već se uzemljenje izvodi s više meĎusobno spojenih uzemljivača. Otpor rasprostiranja površinskih uzemljivača s horizontalnim elementima, koji su meĎusobno povezani kako bi činili mrežu koja dominantno ovisi o ukupnoj površini koju uzemljivač zahvata, a u manjoj mjeri od ukupne dužine elemenata i dubine ukopavanja.
7
Slika 2. Otpori rasprostiranja trakastog uzemljivača
Oblikovanjem mreže uzemljivača postiže se ravnomjerna raspodjela potencijala i niski gradijenti na površini tla, čime se u odreĎenoj mjeri mogu ograničiti naponi dodira i koraka. Kod vertikalnih uzemljivača otpor rasprostiranja uzemljivača ovisi, u osnovi, od dužine elemenata i njihovog meĎusobnog rastojanja, to jest zahvaćenim volumenom. Uzemljivači sačinjeni od kombinacije horizontalnih i vertikalnih uzemljivača odlikuju se većom stabilnošću otpora prema klimatskim promjenama, i po pravilu nemaju mnogo niži otpor od uzemljenja koji bi se postigao samo s horizontalnim ili samo s vertikalnim elementima. Proračuni otpora uzemljivača dosta su opisani u literaturi i u upotrebi su mnoge formule za pojednostavljeni proračun kao što su na primjer Schwartzova, Laurantova itd. Sve navedene formule daju samo približne procjene vrijednosti otpora rasprostiranja uzemljivača. Prva navedena formula u tabeli 3. (formula P.G Lauranta) za složeni uzemljivač, ne uzima u obzir dubinu ukopavanja uzemljivača H. Otpor rasprostiranja mrežastog uzemljivača računa se kao suma otpora ploče koju pokriva mreža i člana koji uzima u obzir korekciju stvarnog uzemljivača koji nije ploča, nego mreža s većim otporom rasprostiranja. Pogreške u računanju otpora rasprostiranja su više od 20%. Preporučuje se za upotrebu samo ako je dubina ukopavanja uzemljivača do 0,25 m. Druga navedena formula je tačnija jer uzima u obzir i dubinu ukopavanja uzemljivača. Koristi se u mnogim evropskim državama i u skladu je s preporukama CENELEC-a. Pogreške računanja otpora rasprostiranja su unutar prihvatljivih granica i znatno su manje nego kod Lauranove formule.
8
Tabela 3. Formule za proračun nekih složenijih površinskih uzemljivača S – površina koju pokriva mreža L – ukupna dužina vodiča mreže
√
zrakasti, horizontalno položeni simetrični uzemljivač
(
)
L – ukupna dužina vodiča uzemljivača H – dubina ukopavanja d – ekvivalentni promjer vodiča – specifični električni otpor tla A – konstanta koja ovisi od oblika uzemljivača Napomena: za mrežaste uzemljivače koji su postavljeni na dubini do 2,5 m može se koristiti Sverakova aproksimacija, koja eliminira konstantu koja ovisi od oblika uzemljivača.
√
[ Uzemljivačke mreže
√
(
)]
a/b:
1
1,5
2
3
4
A:
1,69
1,76
1,86
2,10
2,34
A:
4,95
5,16
5,44
6,00
6,52
A:
8,55
8,74
9,40
10,3
11,1
U svim navedenim formulama predpostavlja se da je tlo homogeno, što je često dosta gruba procjena, jer je tlo, u općem slučaju, nehomogeno i sastoji se od više slojeva zemlje različitog geološkog sastava. Osim toga, potrebno je istaknuti da specifični otpor zemlje, osim o strukturi, ovisi i o vlažnosti, temperaturi, zbijenosti tla itd. Za tlo se može reći da je homogeno, uz prihvatljive granice pogreške, ako su razlike najmanje i najveće vrijednosti specifičnoga otpora tla na nekom području manje od 30%. U tom slučaju može se uzeti da je specifični električni otpor homogenog tla jednak srednjoj vrijednosti specifičnoga otpora tla. Kad je mjerenjem ustanovljen dvoslojni model tla i ako je uzemljivački sistem u gornjem sloju, onda se uzimanjem jednoslojnog modela tla specifičnoga otpora gornjega sloja dobiju za otpornost rasprostiranja više vrijednosti od stvarnih, što je na strani sigurnosti. Ako je uzemljivač sastavljen od kombinacije horizintalne mreže i vertikalnih štapnih uzemljivača američki standard Std 80–1986. (Guide for Safety in AC Substitution Grounding) propisuje za upotrebu Schwarz-ovu formulu za proračun gdje se ukupan otpor rasprostiranja uzemljivača dobije kao: (2)
9
gdje je: R1 – otpor uzemljivačke mreže, (
√
√
)
R2 – otpor vertikalnih štapnihuzemljivača, (
√
√
√
)
R12 – otpor zbog meĎusobnog utjecaja uzemljivačke mreže i štapnih uzemljivača. (
√
)
U prethodnim jednačinama je: ρ1 – specifični otpor tla na dubini polaganja površinskoga uzemljivača h, ρsr – srednja vrijednost specifičnog otpora tla dobijena kao aritmetička sredina vrijednosti specifičnog otpora gornjeg i donjeg sloja tla, l1 – ukupna dužina mrežastog uzemljivača, l2 – prosječna dužina štapnoga uzemljivača, S – površina uzemljivačke mreže dimenzija a x b n – broj štapnih uzemljivača u zoni površine S d1 – promjer mrežastoga uzemljivača, d2 – promjer štapnoga uzemljivača. h – dubina polaganja horizontalnog uzemljivača K1, K2 – konstante ovisne o geometriji sustava (Slika 3.)
Slika 3. Vrijednosti konstanti K1, K2
Proračun i analizu uzemljivačkih sistema, u cilju postizanja potrebne tačnosti i efikasnosti nužno je provoditi numeričkim proračunom strujnog polja uzemljivača.
10
Primjenom računarske tehnike parametri uzemljivača se mnogo lakše i tačnije odreĎuju. Za proračun kvazistatičkog strujnog polja uzemljivača i parametara uzemljivačkih sistema na raspolaganju su različiti softverski paketi koji omogućavaju kvalitetnu analizu uzemljivačkih sistema, sigurniji pristup optimizaciji geometrije uzemljivača i tačniji proračun raspodjele potencijala. U proračunima je sasvim dovoljno tlo ekvivalentirati kao dvoslojno. Sistem uzemljenja je onaj sistem koji čine meĎusobno galvanski povezani uzemljivači, temeljni uzemljivači, zaštitni vodiči nadzemnih vodova, plaštevi kabela i druge metalne instalacije koje su u kontaktu s tlom (npr. metalni cjevovodi). Osnovna karakteristika sistema uzemljenja je impedansa uzemljenja. To je impedansa koja pravi otpor pri frekvenciji od 50 Hz odvoĎenju struje ka referentnoj zemlji. Ova se impedansa izračunava kao paralelna veza otpornosti rasprostiranja uzemljivača i impedanse uzemljenja nadzemnih i kabelskih vodova. Impedansom uzemljenja obuhvaćaju se ostali uzemljivači koji se nalaze izvan područja gdje je postavljen uzemljivač, ili su prostorno odvojeni uzemljivači (cjevovodi, armiranobetonske konstrukcije i sl.) ako su uključeni u sistem uzemljenja, kao i uzemljivači susjednih postrojenja ili objekta ako s tim uzemljivačima postoji galvanska veza (npr. veza preko električne zaštite kabela, veza preko neutralnog vodiča niskonaponske mreže i sl.). Pri proticanju struje kroz uzemljivački sistem pojaviće se na njemu pad napona. Ako se mjeri potencijal na površini zemlje, zbog postojanja uzemljivača u zemlji, dobije se dijagram potencijala prikazan na slici 1.. Ta promjena potencijala jednaka je u svim smjerovima oko uzemljivača, ako se radi o homogenoj zemlji i naziva se naponski lijevak. Očekivani napon dodira Udoč, to jest napon kvara u dodirnom krugu, nešto je veći od predhodno definirane vrijednosti dodirnog napona, zbog prijelaznog otpora na mjestu stajanja, koji se sastoji od otpora obuće i prijelaznog otpora stajališta. Na Slici 4. prikazana je principijelna shema dodirnog kruga.
Slika 4. Principijelna šema dodirnog kruga
Očekivani napon dodira može se izračunati:
gdje je: Rd – ukupan dodatni otpor Rd2 – dodatni otpor stajališta
Rd1 – dodatni otpor obuće IT – struja kroz tijelo čovjeka
Kako se struja kroz tijelo čovjeka može dobiti kao količnik napona dodira Ud i impedanse čovjekovog tijela ZT predhodna relacija može se pisati kao:
11
(
)
odnosno:
Standard HD 637 S1: 1999 propisuje da impedansa tijela čovjeka ovisi o vremenu proticanja struje, odnosno vrijednostima dodirnih napona ZT = f(Udoč), a za dodatni prijelazni otpor obuće preporučuje se vrijednost 1000 Ω. Dodatni prijelazni otpor stajališta računa se kao pa je ukupan dodatni prijelazni otpor jednak:
Sada je napon dodira jednak:
Za napon dodira Ud propisane su granične vrijednosti koje ne smiju biti prekoračene, odnosno mora biti zadovoljen uvjet da je napon dodira niži od dopuštenih napona dodira . Naši propisi zanemaruju dodatni otpor obuće (Rdl = 0), a za impedansu čovjekovog tijela uzima se konstantna vrijednost od 1000 Ω tako da se napon dodira računa kao:
Napon koraka manji je od očekivanog napona koraka, zbog prijelaznog otpora stopala i stajališta koji su redno uključeni u kolo noga - noga. Kako se u ovom slučaju radi o serijski vezanim otporima dva stopala i dva prijelazna otpora na mjestu stajališta, smatra se da se opasni naponi koraka neće pojaviti ako uzemljivački sistem zadovoljava zahtjeve za napon dodira. Za visinu napona koraka nisu propisane dopuštene granične vrijednosti.
2.3 Dimenzioniranje uzemljivača Uzemljivač, kao osnovni element zaštite od napona dodira i koraka, zahtijeva da se posebna pažnja posveti njegovom pravilnom izboru već u fazi projektiranja nekog elektroenergetskoga objekta, kako bi isti zadovoljio sve propisane kriterije. Posebno je važno oblikovanje naponskog lijevka preko odgovarajućeg rasporeda uzemljivačkih traka. Projekt sistema uzemljenja nekoga objekta elektroenergetskog sistema mora zadovoljiti četiri osnovna zahtjeva: - osigurati mehaničku čvrstoću i otpornost na koroziju; - osigurati toplotno podnošenje najveće struje kvara (koja se odreĎuje proračunima); - osigurati da neće doći do oštećenja opreme i imovine; i 12
- osigurati sigurnost ljudi obzirom na napone koji se na sistemima uzemljenja javljaju pri najvećim strujama zemljospoja. Kod postrojenja sa različitim naponskim nivoima četiri osnovna zahtjeva moraju se zadovoljiti za svaki visokonaponski sistem. U obzir se ne moraju uzeti istovremeni kvarovi u sistemima različitih naponskih nivoa. Osnovni parametri mjerodavni za dimenzioniranje sistema uzemljenja nekog objekta elektroenergetskog sistema su: - vrijednost struje kvara, - trajanje struje kvara, i - karakteristike tla. Prva dva parametra, uglavnom, ovise o tretmanu neutralne tačke visokonaponskog sistema. 2.3.1 Dimenzioniranje s obzirom na koroziju i mehaničku čvrstoću Budući da su uzemljivači u direktnom dodiru s tlom, moraju biti od materijala koji su otporni na koroziju (kemijsko ili biološko djelovanje, oksidacija, stvaranje galvanskih elemenata, elektroliza, itd.). Oni moraju biti otporni na mehaničke utjecaje pri ugradnji i na mehaničke utjecaje u normalnom pogonu. Kao materijal za uzemljivače može se koristiti: - čelik toplo pocinčan ili prevučen bakrenim plaštom, - bakar goli ili pocinčan, i - drugi metali, koji imaju potrebna toplotna, mehanička i kemijska svojstva. Za uzemljivače se ne preporučuje upotreba nepocinčanih cijevi, lima ili profila. Lahki se metali u, pravilu, ne upotrebljavaju za izradu uzemljivača. Položene željezne armature i čelični stupovi u betonu mogu se iskoristiti kao uzemljivači. Tabela 4. Materijali za uzemljivače i njihove dimenzije Materijal
Č E L I K
Toplo Pocinčan1
S olovnim plaštem2 S bakrenim plaštem Elektrolitski pobakren B A K A R
Goli Pocinčano Pocinčana S olovnim plaštem2
Oblik uzemljivača Traka3 Profilni Cijev Okrugli štap za dubinski uzemljivač Okrugla žica za površin. uzemljivač Okrugla žica za površin. uzemljivač Okrugla šipka za dubinski uzemljivač Okrugla šipka za dubinski uzemljivač Traka Okrugla žica za površin. uzemljivač Uže Cijev Uže Traka4 Uže Okrugla žica
Promjer (mm)
Jezgra Presjek (mm2) 100 100
25
Najmanje dimenzije Nanošenje sloja/plašt Debljina Pojedin. Pred. vrijed. (mm) vrijed. (µm) (µm) 3 63 70 3 63 70 2 47 55
20
63
70 505
10 8
1000
15
2000
14,2
90
100
1 20 1000 1000
5 40
50
2
25 1,8 po žici
25
1,8 po žici
25 50 25 25
2 2
1-može se ubetonirati; 2-ne može se ubetonirati; 3-traka u valjanom obliku ili odrezana sa zaobljenim bridovima; 4-traka sa zaobljenim bridovima; 5-kod pocinčavanja na tekučoj vrpci tehnički se ne može izvoditi 50 (µm).
13
Izbor materijala i presjeka uzemljivača predmet je više standarda, propisa i tehničkih preporuka. Svi su oni meĎusobno usaglašeni, samo što neki daju prednost jednom, a drugi drugom materijalu, ovisno od vrste instalacije ili postrojenja. Upotrijebljeni materijal i način izvoĎenja moraju biti takvi da uzemljivač izdrži mehanička naprezanja i nakon djelovanja korozije, zbog čega uzemljivač ne smije biti manjeg presjeka od utvrĎenih. U tabeli 4. dati su materijali za uzemljivače i njihove najmanje dimenzije obzirom na koroziju i mehaničku čvrstoću prema standardu Europske unije HD 637 S1: 1999, Annex A. Uzemljivači u obliku pletene mreže, koji služe samo za oblikovanje potencijala, moraju imati najmanji presjek žice od pocinčanog čelika 16 mm2 odnosno 10 mm2 ako su od bakra. Iz mehaničkih i električnih razloga najmanji dopušteni presjeci za zemljovode su: - 50 mm2, za pocinčani čelik, - 16 mm2, za bakar, - 35 mm2, za aluminij. Čelični vodiči za uzemljenje moraju se odgovarajuće zaštititi od korozije. Ako se u odreĎenom području očekuje jača korozija, uzimaju se za cca 50% veći presjeci od navedenih vrijednosti u tabeli 4. 2.3.2 Dimenzioniranje s obzirom na toplotno naprezanje Prilikom odvoĎenja struje sa uzemljivača u zemlju zagrijava se okolno zemljište što dovodi do promjene njegovih električnih karakteristika. Pri povećanju temperature do 100 oC osloboĎena toplota dovodi do razlaganja pojedinih organskih spojeva što smanjuje specifični otpor tla. MeĎutim, kod temperatura većih od 100 oC dolazi do brzog isušivanja zemlje u neposrednoj okolini uzemljivača, a samim tim i do povećanja specifičnog električnog otpora odnosno ukupnog otpora rasprostiranja uzemljivača. Ova vrijednost otpora rasprostiranja može se povećati i nekoliko puta. Preporučuje se povremena kontrola vrijednosti otpora rasprostiranja uzemljivača koji su projektirani za velike i dugotrajne struje odvoĎenja. Može se predpostaviti da, u toku odvoĎenja struje zemljospoja, ne dolazi do bitnog hlaĎenja preko površine tla i zraka i kondukcijom kroz tlo, odnosno da se sva toplota zadržava u tlu (adijabatski proces). U tomu slučaju, može se izvesti sljedeća veza izmeĎu gustoće struje odvoĎenja s površine uzemljivača i temperature tla: √ gdje je c – specifična toplota materijala (J/kg0C), γ – specifična težina materijala (kg/m3), t – trajanje odvoĎenja struje (s), ρ – specifični otpor tla (Ωm), - temperatura tla nakon i prije odvoĎenja struje (oC). Navedena jednačina vrijedi za svaki oblik uzemljivača, jer kao što se vidi, gustoća struje ovisi o karakteristikama materijala, vremenu proticanja i vrijednostima temperatura, a ne ovisi o dimenzijama uzemljivača.
14
Struje mjerodavne za toplotno dimenzioniranje uzemljivača, napon uzemljivača i dodirni napon elektroenergetskih postrojenja, u ovisnosti o izvedbi uzemljivača zvjezdišta, date su u tabeli 5. ¸ Tabela 5. Struje mjerodavne za toplotno dimenzionisanje uzemljenja Struja mjerodavna za toplotno dimenzioniranje1 uzemljivači zemljovodi *5 I''2Z
Vrste Mreže Mreža sa izoliranim zvjezdištem U postrojenjima sa dozemnom Mreža sa prigušnicom komšenzacijom dozemnog U postrojenjima bez dozemnih spoja prigušnica Mreža sa direktnim uzemljenjem zvjezdišta ili uzemljenjem zvjezdišta preko aktivnog otpora Mreža s U postrojenjima u kojima se kompenzacijom prolazno uzemljuje dozemnog spoja i S dozemnim prolaznim prigušnicama U svim ostalim niskoomskim postrojenjima Bez dozemnih uzemljenjem prigušnica zvjezdišta
*5
I''2Z *3
I''1P *4
I''1P
I''1P *4
I''1P
*5
I''2Z
Struja mjerodavna za napon uzemljenja i napon dodira *6 √
*2
√
*2
*3
1-treba uzeti u obzir najmanje presjeke obzirom na koroziju i ovisno o dopuštenoj konačnoj temperaturi materijala; 2-vrijedi samo za dobro kompenzirane mreže; 3-zemljovode dozemnih prigušnica treba dimenzionirati prema njihovim nazivnim strujama; 4-ako su mogući razni strujni tokovi, tada treba uzeti u obzir stvarnu raspodjelu struje; 5-zadovoljavaju najmanji presjeci prema tabeli 4. za materijal; 6-ako zemljospoj može trajati duže vremena npr. preko dva sata mjerodavna je struja I''2Z.
Oznake upotrebljene u tabeli 5. su: Ic – kapacitivna struja zemljospoja, Ipr – preostala (aktivna) komponenta struje zemljospoja koja iznosi 0,1· Ic, Is – zbir nazivnih struja paralelno spojenih dozemnih prigušnica za kompenzaciju, I”2z – početna struja dvostrukog zemljospoja koja iznosi 85% tropolne početne izmjenične struje kratkoga spoja, I”1p – početna struja jednopolnog kratkog spoja, Iu – ukupna struja uzemljenja, r – redukcijski faktor voda. Struja kratkog spoja, koja se pojavi u bilo kojoj tački strujnog kola, mora biti prekinuta u granicama vremena koje dovodi vodiče do dopuštene granične temperature. Za struje kvara, koji traju do 5 s presjek zemljovoda ili uzemljivača mora se izračunati prema sljedećem izrazu (u skladu s IEC 60724: 1984 formula F1): √ gdje je: S – poprečni presjek zemljovoda ili uzemljivača (mm2), I – struja odvoĎenja (struja kratkog spoja) u A, t – trajanje struje kvara (s), K – konstanta materijala, (Tabela 6), β – inverzni temperaturni koeficijent otpornosti za vodiče, (0C), , – početna i konačna temperatura (0C).
15
Tabela 6. Konstanta materijala K Konstanta materijala √ ( )
Bakar
Čelik
Aluminij
Olovo
226
78
148
42
β(0C)
235
202
228
230
Za uobičajene uvjete, kada je zemljovod u zraku, a uzemljivač u zemlji, gustoća struje kratkog spoja u ovisnosti o trajanju kvara može se uzeti prema slici 5. i to za početne temperature 20 0C i konačne temperature 3000 0C. Za struje kvara, koje teku duže vrijeme, kao u sistemima sa izoliranom neutralnom tačkom ili rezonantno uzemljenim sistemima, dopušteni presjeci zemljovoda kružnog presjeka dati su na slici 6. linije 1,2 i 4 odnose se na konačne temperature od 300 0C, a linija 3 na konačnu temperaturu od 150 0C.
Slika 5. Gustoća struje kratkog spoja u ovisnosti o trajanju kvara 1-goli ili pocinčani bakar; 2-pocinčani bakar ili bakar sa pocinčanim plaštom; 3-aluminij – zemljovodi; 4-pocinčani čelik
Slika 6. Dopušteni presjeci zemljovoda kružnog presjeka 1-goli ili pocinčani bakar; 2-aluminij; 3-pocinčani bakar ili bakar s olovnim plaštom; 4-pocinčani čelik
16
Ako izabrana konačna temperatura nije 300 0C struja se može izračunati pomoću faktora za preračunavanje iz tabele 7. Na primjer, manje konačne temperature preporučuju se za izolirane vodiče i vodiče položene u beton. Tabela 7. Vrijednost faktora preračunavanja Konačna temperatura (0C) Faktor preračunavanja 400 1,20 350 1,10 300 1,00 250 0,90 200 0,80 150 0,70 100 0,55
Na slici 7. dati su dijagrami za trajne struje Id za zemljovode pravougaonoga presjeka u ovisnosti o umnošku presjeka S i dužine oboda s (Sxs). 1-goli i pocinčani bakar; 2-aluminij; 3-pocinčani bakar ili bakar s olovnim plaštom; 4-pocinčani čelik
Slika 7. Trajne struje zemljovoda u ovisnosti o umnošku presjeka S i duljine oboda s Tabela 8. dopuštene struje mjerodavne za zagrijavanje Presjek (mm2) 16 25 35 50 70 100 200
Dopuštena trajna struja za vodiće od (A) Fe Al Cu 150 160 200 200 250 100 250 300 175 200 300 -
Najveća dopuštena struja za vrijeme od 1s u (A) Fe Al Cu 2500 2500 4000 3500 5500 3000 5000 8000 4500 7000 11000 6000 10000 16000 12500 20000 32000
U tabeli 8. date su vrijednosti dopuštene struje za odreĎene presjeke i vrste materijala sa stanovišta zagrijavanja (granična dopuštena temperatura zagrijavanja je 1500C).
17
Najmanji dopušteni presjek vodiča u sistemu uzemljenja (Smin) pri kratkotrajnom zagrijavanju odreĎuje se pomoću izraza: √ gdje su: k – faktor koji ovisi od vrste materijala vodiča (mm2/kA s2) i to – za čelik k = 15.0 – za bakar k = 6.25 Smin – najmanji dopušteni presjek vodiča (mm2) za struju I I – struja mjerodavna za toplotni proračun (kA) t – trajanje struje (s). U mreži sa izoliranom neutralnom tačkom, provodnici uzemljivača se ne provjeravaju na toplotna naprezanja kod kvarova. Ako se jednofazni zemljospoj u mreži isključuje u vremenu koje nije dulje od 2 h, sabirni zemljovod i zemljovodi se ne provjeravaju na toplotna naprezanja. Ako se jednofazni zemljospoj u mreži isključuje u vremenu koje je dulje od 2 h, sabirni zemljovod i zemljovodi se dimenzioniraju: - prema tranzijentnoj struji dvofaznog zemljospoja u postrojenju, koja se računa prema izrazu I2 = 0,85xI3 gdje je I3 tranzijentna struja trofaznoga kratkog spoja za kvar u postrojenju, i - prema struji jednofaznog zemljospoja kao trajnoj struji. U mrežama s neutralnom tačkom, koja je uzemljena direktno ili preko impedanse, sabirni zemljovod i zemljovodi dimenzioniraju se prema tranzijentnoj struji jednofaznog zemljospoja. Struje mjerodavne za proračun uzemljenja su: trostruke nulte komponente struja koje u tranzijentnom periodu teku u trofaznim elementima elektroenergetskog sistema (generatori, energetski transformatori, vodovi) pri zemljospoju u postrojenju. MeĎutim, ako je trostruka nulta komponenta struje koja u mjesto kvara dotiče sa strane transformatora bar 1.5 puta veća od zbira trostrukih nultih komponenti struja koje dotiču u postrojenje po vodovima, računa se i raspodjela struja u sistemu uzemljenja za zemljospoj na vodu izvan postrojenja, a za proračun je mjerodavan zemljospoj koji daje veće napone uzemljenja. 2.3.3
Dimenzioniranje s obzirom na napon dodira i koraka
Za proračun dopuštenih vrijednosti napona dodira u elektroenergetskim postrojenjima evropski standard HD 637 S1:1999 uzima slijedeće predpostavke: - strujna staza je od jedne ruke do nogu, - 50% vjerojatnost impedanse tijela, - 5% vjerojatnost ventrikularne fibrilacije, - nema dodatnih otpora. Ove predpostavke upućuju na vrijednosti napona dodira čiji je procjenjeni rizik prihvatljiv za zemljospojeve u postrojenju, uzimajući u obzir iskustvo, uvježbanost osoblja, opravdanost troškova itd. Struja koja teče kroz ljudsko tijelo uzrok je opasnosti. IEC/TR2 60479–1 daje uputstvo o učincima struje koja teče kroz ljudsko tijelo u ovisnosti o veličini i trajanju te struje. Dopuštene vrijednosti struje kroz tijelo u ovisnosti o trajanju kvara prema evropskom propisu HD 637 S1:1999 date su u tabeli 9.
18
Tabela 9. Dopuštene vrijednosti struje prema evropskom propisu HD 637 S1:1999 Trajanje kvara (s) 0,05 0,1 0,2 0,5
Jačina struje kroz tijelo (mA) 900 750 600 200
Trajanje kvara (s) 1 2 5 10
Jačina struje kroz tijelo (mA) 80 60 51 50
Kako bi se dobio mjerodavan dopušteni napon dodira, potrebno je odrediti ukupnu impedansu ljudskog tijela. Ta impedansa ovisi o naponima dodira i strujnoj stazi. U standardu IEC/TR2 60479–1 date su vrijednosti za strujnu stazu od ruke do ruke ili od ruke do noge. U tabeli 10. date su vrijednosti ukupnih impedansi ljudskog tijela u ovisnosti o naponu dodira za navedene strujne staze. Tabela 10. Impedanse ljudskog tijela u ovisnosti o naponu dodira Npon dodira (V) 25 50 75 100
Ukupna impedansa ljudskog tijela (Ω) 3250 2625 2200 1875
Napon dodira (V) 125 220 700 1000
Ukupna impedansa ljudskog tijela (Ω) 1625 1350 1100 1050
Na osnovi datih tabela moguće je izračunati granični napon dodira za svaku vrijednost trajanja kvara. Rezultat toga je dijagram na slici 8. Vlasnik postrojenja dužan je raspolagati dokazom o očekivanom trajanju kvara te ispitnim protokolima zaštitnih ureĎaja koji štite razmatrano postrojenje od zemljospojeva.
Slika 8. Dozvoljeni naponi dodira prema HD 637 S1:1999
Prema standardu HD 637 S1:1999. dopušteno je uzimanje u obzir dodatnih otpora obuće i prijelaznog otpora stajališta, kako je to prikazano na slici 4. Postupak proračuna je sljedeći: - za očekivano vrijeme trajanja kvara t sa slike 8. očita se vrijednost Ud; - iz tabele 10. za tako dobijeni napon dodira očita se vrijednost impedanse ljudskog tijela;
19
-
dodatni otpor Rd računa se kao Rd = Rd1 + Rd2 = Rd1 + za Rd1 je 1000 Ω. na osnovi tih podataka prema jednačini proračuna se očekivani napon dodira Udoč.
. Uobičajena vrijednost
Slika 9. Dozvoljeni napon dodira za različite vrijednosti dodatnog otpora
Na slici 9. prikazane su krivulje očekivanoga napona dodira za četiri vrijednosti dodatnoga otpora Rd. Oznake za krive na slici su: (1) bez dodatnih otpora (prema slici 8.) (2) Rd = 750 Ω (Rd1 = 0 Ω, ρst = 500 Ωm) (3) Rd = 1750 Ω (Rd1 =1000 Ω, ρst = 500 Ωm) (4) Rd = 2550 Ω (Rd1 =1000 Ω, ρst = 1000 Ωm) (5) Rd = 4000 Ω (Rd1 =1000 Ω, ρst = 2000 Ωm) Uzemljivač se prema dodirnim naponima dimenzionira tako da dodirni naponi ne prijelaze dopuštene vrijednosti. Navedeni zahtjev dokazuje se proračunom i mjerenjima na već uraĎenom objektu prije njegova puštanja u pogon. Vrijeme trajanja zemljospoja odreĎuje se za uvjete normalnog djelovanja zaštitnih ureĎaja i prekidača. U slučaju uzastopnog uspostavljanja struje zemljospoja (npr automatski ponovni uklop) vrijeme t se dobija kao zbir pojedinačnih vremena trajanja zemljospojeva, ako beznaponske stanke nisu duže od 0,5s. Ako su te pauze duže od 0,5s uzima se vrijeme trajanja jednog zemljospoja.
20
3 Zaštita elektroenergetskih vodova prilikom zemljospoja Izbor optimalne konfiguracije elektroenergetskog sistema vrši se na osnovu provjera varijantnih šema za očekivane režime rada elektroenergetskog sistema preko proračuna pokazatelja pouzdanosti, analize nivoa sigurnosti, ispitivanja stabilnosti tokom prelaznih procesa elektromehaničkog karaktera, analize tokova snaga i naponskih prilika, istraživanja prelaznih procesa prenaponskog karaktera i proračuna struja i snaga poremečaja. Potreban nivo investicija u prenosnoj elektroenergetskoj mreži definiran je, sa jedne strane, naponskim naprezanjima i potrebnim izolacionim nivoima opreme, a sa druge strane, strujnim naprezanjima kao rezultat povečanih struja i snaga tokom poremećenog stanja. To znači da je neophodno poznavati struje i napone u mreži za vrijeme poremečenog režima. Na iznose napona i struja u poremečenom sistemu veliki utjecaj ima tretman neutralne tačke elektroenergetske mreže. Za ilustraciju, neka se razmotri neka elektroenergetska mreža koja ima ulaznu impedansu u bilo kom čvorištu definisanu preko odgovarajućih simetričnih komponenti direktnog, inverznog i nultog redosljeda Zd, Zi i Z0. Struja jednopolnog kratkog spoja u tom čvorištu iznosi:
Neka se definira referentna struja za slučaj spoja faze sa zemljom, za teoretski slučaj kada je Z0 = 0. Tada je:
odnosno:
Porastom nulte impedanse pojaviće se nulta komponenta napona U0 pa je:
odnosno:
Ako napravimo omjer izmeĎu relacija dobija se
Posljednja relacija pokazuje da je suma relativne struje poremećaja i relativnog napona nultog reda, kao posljedica poremećaja, konstantna. Smanjenjem struje Ik dolazi do porasta napona U0 za isti relativni iznos. U skladu sa predhdno navedenim uzemljenje zvjezdišta igra veliku ulogu u zaštiti elektroenergetskih vodova od zemljospoja. U elektronergetskim mrežama se vrši izbor
21
načina uzemljenja zvjezdišta jer utiče na rad sistema kako u havarijskom tako i u normalnom radnom stanju. Naime, kod izolovanog zvjezdišta naponska naprezanja su najveća, dok su strujna svedena na minimum, da bi se kod direktno uzemljenog zvjezdišta imala maksimalna strujna naprezanja i najmanja naponska naprezanja (posljednja relacija). U osnovi se mogu uočiti 4 karakteristična načina uzemljenja: - izolovana neutralna tačka, - neutralna tačka uzemljeno preko Petersenove prigušnice (rezonantno uzemljena neutralna tačka), - neutralna tačka uzemljena preko male impedancije i - direktno uzemljena neutralna tačka.
3.1 Mreže sa izolovanom neutralnom tačkom Mreža sa izolovanom neutralnom tačkom definisana je ako mreža kod koje su neutralne tačke svih energetskih transformatora izolirane prema zemlji. U normalnom pogonu , zbog postojanja dozemnih kapaciteta vodova prem zemlji, teku kapacitivne struje izmeĎu svake faze i zemlje. Struje su kapacitivnog karaktera i pomjerenu su za 900 u odnosu na svoje fazne napone i čine sistem fazora i njihov zbir je jednak nuli: I1c + I2c + I3c = 0 Ako doĎe do kontakta jedne faze sa zemljom (zemljospoj – npr faza 1) nastupiće sljedeće promjene, prema fazorskom dijagramu: - napon faze 1 poprima vrijednost nula, pa će i dozemna kapacitivna struja ove faze takoĎe pasti na nulu, - u odnosu na zemlju naponi ispravnih faza 2 i 3 poprimit će vrijednost meĎufaznih napona, usljed čega će porasti i dozemne kapacitivne struje ovih faza, - neutralna tačka transformatora doći će na fazni napon u odnosu na zemlju, - kroz mjesto zemljospoja poteći će struja zemljospoja Iz. Ako je kvar stabilani sa malim prelaznim otporom na mjestu zemljospoja, te uz jednakost impedansi direktnog i inverznog redoslijeda, aplituda kompleksne struje zemljospoja ima vrijednost:
(
)
gdje je: Zd = Z+jX – direktna impedansa Z0 = 1/(G0+jωC0) – nulta impedansa Z – impedansa faze koja je u kvaru do napojnog transformatora X – reaktansa transformatora i napojne mreže G0 – ukupna odvodnost mreže C0 – ukupna kapacitivnost mreže Pri tome je zanemarena nulta impedansa faze koja je u kvaru, jer je njen utjecaj znatno manji od utjecaja odvodnosti i kapacitivnosti mreže i transformatora. 22
Za mreže sa izoliranom neutralnom tačkom nulta impedansa je znatno veća od direktne impedanse, pa se može pisati:
tako da je:
Slika 10. Mreža sa izoliranom neutralnom tačkom u režimu zemljospoja
Ako se radi o mreži čiji vodovi imaju istu vrijednost dozemne kapacitivnosti i uz zanemarenje aktivne komponenete, struja zemljospoja ima vrijednost: ∑
23
Gdje je: C0 - podužna kapacitivnost mreže ∑ - ukupna dužina vodova mreže Struje ispravnih faza teku od neutralne tačke napojnog transformatora i odgovaraju struji faze koja je u zemljospoju. Kako su vodovi elementi sa raspodjeljenim parametrima, struje ispravnih faza postepeno opadaju prema kraju voda od napojnih sabirnica. U slučaju jednofaznog zemljospoja, u odnosu na struje kratkih spojeva, pojavit će se male vrijednosti struje, te se vod ne mora isključivati automatski i mreža može da radi izvjesno vrijeme sa zemljospojem. Jedna od osnovnih prednosti mreže sa izoliranom neutralnom tačkom je mogučnost samogašenja struje jednofaznog zemljospoja, što omogučava samogašenje prolaznog zemljospoja. Uvjeti za gašenje struje jednofaznog zemljospoja poslije prolaska uzroka kvara, znatno zavise i od brzine kojom se uspostavlja napon na fazi u kvaru, kada se struja zemljospoja prekine. Ovaj napon se ćesto naziva povratni napon, jer teži da ponovo uspostavi zemljospoj. Povratni napon se uspostavlja dosta brzo i zavisi od frekvencije. Pri tome može da ima znatno veću amplitudu od amplitude nazivnog faznog napona, naročito u prvoj periodi poslije smogašenja struje, kada jednosmjerna komponenta još nije prigušena. Maksimalna vrijednost povratnog napona može da bude i do dva puta veća od amplitude nazivnog napona mreže, što može da dovede do ponovnog uspostavljanja zemljospoja, a što je opet pračeno pojavom još većih prenapona. Ukoliko je struja zemljospoja mala, tako da ne može da upostavi stacionaran luk na mjestu kvara, može doći do višestrukog uzastopnog gašenja i ponovnog paljenja električnog luka na mjestu kvara, što ima za posljedicu pojavu znatnih prenapona koji se povećavaju sa svakom narednom pojavom, kako na fazi koja je u kvaru, tako i na ispravnim fazama. Ovi prenaponi su rezultat superpozicije napona osnovne frekvencije i viših harmoničkih komponenti sa zaostalim istosmjernim naponom od prethodnog gašenja luka kao rezultat statičkog naboja faze u kvaru nakog prekidanja struje. Zbog samog svojstva uzastopnog paljenja i gašenja struje kvara ovi kvarovi nazivaju se intermitirajući, a prenaponi kao posljedica prekidanja luka struje zemljospoja nazivaju se intermitirani prenaponi. Dužina trajanja rada mreže u zemljospoju u principu nije ograničena, ali se u praksi uzima da ovo vrijeme nije veće od 2 h. Ukoliko struja zemljospoja nije velika, ne ide se direktno na isključenje nego je dovoljna prvo signalizacija nastanka zemljospoja u mreži, a rad mreže se nastavlja pod zemljospojem. U objektima primarne distribucije električne energije uobičajeno je da se signalizacija zemljospoja realizuje pomoću nadnaponskog releja u mjernom polju koji je priključen na napon otvorenog trokuta sekundarnih namotaja tri jednopolno izolirana naponska mjerna transformatora. S obzirom da se iz objekta obično napaja više srednjenaponskih odlaza, na ovaj način nije moguće tačno utvrditi na kojem od odlaza je zemljospoj. Eliminacija zemljospoja se svodi na ručno ili automatizirano isključenje jednog po jednog odlaza do eliminiranja zemljospoja. Vrijeme isključenja u pravilu nije duže od propisanih 2 h. U suprotnom, povećava se vjerovatnoća pojave dvostrukog zemljospoja koji bi mogao termički da ugrozi uzemljivač postrojenja i izazove veoma visoke napone dodira u postrojenju i u distributivnoj mreži. TakoĎer, dugotrajan rad pod zemljospojem nepovoljno utiče na sigurnost pojedinih elemenata postrojenja, kao što su jednopolno izolirani naponski mjerni transformatori, odvodnici prenapona i dr. U pravilu, ovo vrijeme trajanja zemljospoja u objektima primarne distribucije, s obzirom da se radi o objektima u kojima postoji posada, u većini slučajeva 24
ne iznosi više od nekoliko minuta, što je ipak dugo u slučaju intermitirajućih kvarova i pojave prenapona u mreži. Ukoliko se želi selektivno isključenje kvarnog odlaza djelovanjem odgovarajuće zaštite, potrebna je ugradnja veoma osjetljive usmjerene zemljospojne zaštite. Izbor releja normalno zavisi od vrijednosti zemljospojne struje u mreži. Ukoliko je ta struja reda nekoliko ampera, osjetljivost releja mora biti jako velika, što nije uvijek lagano postići. U takvim slučajevima teško je postići potrebnu osjetljivost i selektivnost releja istovremeno. Na kraju možemo ponoviti koje su to osnovne karakteristike zemljospojeva u izoliranim mrežama: - Pad napona u onoj fazi koja je u zemljospoju. Vrijednost napona varira gotovo od pune vrijednosti faznog napona (u slučaju visokoomskih kvarova) do veoma malih vrijednosti u slučaju metalnih spojeva sa zemljom. - Porast napona u zdravim fazama proporcionalno padu napona u kvarnoj fazi. Fazni naponi mogu dostići vrijednost linijskog napona u slučaju direktnih metalnih zemnih spojeva. - Pojava intermitirajućih zemljospojeva (pojava paljenja i gašenja luka na mjestu zemljospoja) ukoliko je vrijednost struje zemljospoja veća od vrijednosti struje samogašenja luka na mjestu kvara. Pojava intermitirajućeg zemljospoja uzrokuje pojavu opasnih prenapona tzv. intermitirajućih prenapona koji mogu dostići i vrijednost od 1,8x√ puta veću vrijednost od faznog napona, a u toku trajanja prelaznog procesa ova vrijednost može biti i veća. - Kao posljedica prenapona može doći do otkaza opreme, posebno proboja izolacije jednopolno izoliranih naponskih mjernih transformatora, proboja odvodnika prenapona, opterećenja kablovske izolacije i dr.. - Iznos struje zemljospoja zavisi od konfiguracije i karaktera mreže. U slučaju da vrijednost struje prelazi vrijednost struje samogašenja luka na mjestu kvara, ne može doći do samoeliminacije zemljospoja, tako da je neophodno brzo djelovanje zaštitnih ureĎaja prije nego što doĎe do značajnijeg poremećaja u pogonu. - Kada struja zemljospoja prekorači tehnički dozvoljenu graničnu vrijednost, rad mreže sa izoliranim zvjezdištem ne zadovoljava više svoje potrebe tako da treba priječi na druge alternativne načine uzemljenja neutralne tačke. Ovdje još jednom treba istaći prednost ovakvog načina uzemljenja mreže, koja se ogleda u činjenici da kod zemljospoja u mreži, sistem može nastaviti rad u režimu zemljospoja, a to znači da su potrošači i dalje napojeni električnom energijom. To posebno dolazi do izražaja kod napajanja potrošača osjetljivih na prekide u napajanju, koji ne ostaju bez napajanja usljed čestih i nepotrebnih ispada kod pojave prolaznih zemljospojeva u distributivnoj mreži.
3.2 Neutralna tačka uzemljeno preko Petersenove prigušnice (rezonantno uzemljena neutralna tačka) Mreža sa kompenzacijskim (rezonantnim) uzemljenjem predstavlja mrežu u kojoj su zvjezdišta energetskih transformatora spojena sa zemljom preko induktivne reaktanse (u praksi poznata kao Petersenka). Kada kapacitivne struje jednofaznog zemljospoja prelaze neke granične vrijednosti mreža sa izoliranom neutralnom tačkom gubi svoju značajnu prednost, to jest mogučnost samogašenja zemljospoja. S ciljem smanjenja kapacitivnih struja zemljospoja, koje su veće od graničnih vrijednosti, moguće je priključiti induktivnu reaktnasu izmeĎu zvjezdišta transformatora i zemlje. Na taj način induktivna struja kompenzira kapacitivnu struju zemljospoja. Induktivna reaktansa se podešava da se ostvari
25
rezonansa izmeĎu nje i dozemnog kapaciteta po fazi mreže, pa se kaže da se radi o mreži sa rezonantnim uzemljenjem. Raspodjela struje pri jednofaznom zemljospoju u fazi 1, u mreži sa kompenzacionim uzemljenjem i odgovarajući fazorski dijagram prikazani su na slici 11.
Slika 11 . Zenljospoj u kompenziranoj mreži
Sa slike 11. se vidi da se kapacitivne struje i struje aktivnih odvodnosti ispravnih faza teku od neutralne tačke transformatora. Ovo vrijedi i za sve druge ispravne vodove mreže. Kroz fazu u kvaru teku struje aktivnih kapacitivnih odvodnosti i aktivna i reaktivna komponenta struje prigušnice. Struje imju iste tokove kao u izoliranoj mreži , s tom razlikom što u fazi koja je u kvaru do mjesta zemljospoja teče znatno manja struja zemljospoja, koja iznosi:
Kada se radi o potpunoj kompenzaciji dolazi do poništavanja kapacitivne i induktivne komponente struje zemljospoja, te vrijedi:
U tom slučaju struja zemljospoja odgovora samo komponentama struja aktivnih odvoda vodova i aktivnoj komponenti struje prigušnice:
26
Polazeći od uvjeta potpune kompenzacije obliku:
, što se može iskazati u
∑ slijedi da je: ∑ odnosno: ∑ Zvjezdište transformatora, u slučaju zemljospoja, dolazi na fazni napon mreže, a naponi ispravnih faza na meĎufazni napon, što je slučaj i kod mreže sa izoliranom neutralnom tačkom. U slučaju nepotpune kompenzacije mogu nastupiti dva slučaja. Prvi kada je kapacitivna komponenta struje zemljospoja veća od induktivne komponente struje prigušnice i kada je i drugi slučaj kada je , odnosno kapacitivna komponenta struje zemljospoja je manja od induktivne. U prvom slučaju govori se o „podkompenzovanoj“ mreži, a u drugom slučaju o „prekompenzovanoj“ mreži. U ovom slučaju u preostaloj struji zemljospoja egzistira i reaktivna komponenta struje IZxpr (induktivna i kapacitivna). Ova struja se često naziva preostala struja zemljospoja, a u slučaju potpune kompenzacije sastoji se samo od aktivne komponente. U mrežama sa kompenzovanim uzemljenjem neutralne tačke kompenzira se samo kapacitivna struja zemljospoja osnovne frekvencije. Struje zemljospoja nastale usljed viših harmonika nisu kompenzirane, sadržane su u preostaloj struji i potrebno ih je uključiti kod odreĎivanja modula preostale struje zemljospoja. Red veličine preostalih struja zemljospoja kod nadzemnih vodova iznosi 5 – 10 %, a kod kablovskih vodova 3 – 6 % od ukupne struje zemljospoja. Uvjeti samogašenja jednofaznog zemljospoja, kao jedna od osnovnih prednosti ovih mreža, kako je to navedeno u predhodnom poglavlju zavise, u prvom redu, o vrijednosti struje zemljospoja. U ovom slučaju, to se odnosi na preostalu struju zemljospoja. Uslovi za gašenje zemljospoja, poslije prolaska uzroka kvara, znatno ovise i od brzine kojom se uspostavlja napon na fazi koja je bila u kvaru, tzv povratni napon koji teži da ponovo uspostavi zemljospoj. Kod nepotpuno kompenziranih mreža povratni napon ima oscilatorno pulsirajući tok. Kod većih netačnosti u kompenzaciji povratni napon može da ima faktor prenapona i do 1,7. MeĎutim, i u ovom slučaju amplituda povratnog napona raste sporo, tako da se smanjuje vjerovatnoća ponovnog uspostavljanja zemljospoja. Može se zaključiti da je, u odnosu na izolirane mreže, kod dobro kompenzirane mreže, vjerovatnoća nastanka intermitiranih napona vrlo mala. Ako i doĎe do ponovnog uspostavljanja zemljospoja, proces se odvija znatno sporije tako da je pročen i nižim vrijednostima prenapona. Nakon nastanka zemljospoja naponi ispravnih faza poprimaju meĎufazne napone. Prelazak na novo stacionarno stanje odvija se po oscilatornom režimu. Kompenzaciona prigušnica zbog svoje velike induktiovnosti neznatno utjeće na tok brzo promjenjivih 27
komponenti napona i struja u mreži. Naime, proces opterećivanja prigušnica je vrlo spor zbog njene velike vremenske konstante, tako da se može smatrati da proces uspostavljanja struje kroz prigušnicu počinje poslije završetka prelaznog procesa opterećivanja ispravnih faza. Vremenske promjene napona ispravnih faza, koje su posljedica nastanka zemljospoja, mogu se, dakle, kao kod izoliranih mreža. Dakle, koeficijenti prenapona u ispravnim fazama usljed nastanka zemljospoja imaju iste karakteristične vrijednosti kao kod mreža sa izoliranom neutralnom tačkom. Kompenzaciona prigušnica, u trenutku manipulacije u mreži može da ima znatnu magnetnu energiju, koja mora da se prazni preko malih kapaciteta vodova i drugih elemenata mreža, što može da uzrokuje značajne prenapone. Naročito veliki prenaponi mogu se pojaviti kod isključivanja dvofaznih zemljospojeva, jer je struja vodava u kvaru fazno pomjerena za 900 u odnosu na struju kroz prigušnicu, pa u prigušnici može ostati znatna magnetna energija. Osnovne prednosti rada mreže sa kompenzovanim uzemljenjem su: - struja kroz mjesto kvara je ogranićena i smanjena je brzina uspostavljanja povratnog napon, što rezultira samogašenjem većeg broja jednofaznih zemljospojeva; - zbog sporog uspostavljanja povratnog napona, nakon gasenja zemljospoja, pojava inermitiranih prenapona je zanemariva; - zaštita od napona dodira je obično jednostavna; - zbog malih vrijednosti struja utjecaj na telekomunikacione vodove esljed elektromagnetne indukcije je neznatan. Osnovni nedostaci rada mreže sa rezonantno uzemljenom neutralnom tačkom su: - mogućnost pojave prenapona pri različitim manipulacijama u mreži; - potreba za podešavanjem reaktanse prigušnice, pri promjenama uklopnog stanja mreže; - otežano otkrivanje voda u kvaru zbog malih struja; - vjerovatnoća pojave dvostrukih zemljospojeva nije zanemariva; - unutarnji prenaponi su relativno visoki, kao i kod izoliranih mreža; - veći investicioni troškovi nego kod izoliranih mreža.
3.3 Mreža uzemljena preko otpornosti za ograničenje struje kratkog spoja Ako kapacitivne struje jednofaznog zemljospoja prelaze granične dopuštene vrijednosti, te ne dolazi do samogašenja jednofaznog zemljospoja, moguće je ići na kompenzaciju struje zemljospoja, koristeći Petersenovu prigušnicu ili izvršiti uzemljenje neutralne tačke. Uzemljenje može biti kruto ili preko otpora za ograničenje struje jednopolnog kratkog spoja. Mreža uzemljena preko niskoomske impedanse je mreža, u kojoj je neutralna tačka jednog ili više energetskih transformatora vezana za uzemljivač sistema preko aktivne otpornosti reaktanse ili impedanse odreĎene vrijednosti ćime se ograničava iznos struje jednofaznog kratkog spoja. U tom slučaju, kod spoja jedne faze sa zemljom, pojavljuje se struja jednopčolnog kratkog spoja značajnog iznosa u odnosu na struju zemljospoja, tako da je osigurana pouzdana prorada zaštite. Mreža sa direktno uzemljenom neutralnom tačkom je mreža kod koje je neutralna tačka jednog ili više energetskih transformatora neposredno direktno spojena na uzemljivača i naziva se mreža sa direktnim ili krutim uzemljenjem. Ovo se može smatrati
28
specijalnim slučajem uzemljenja preko impedanse, pri čemu je vrijednost impedanse uzemljenja jednaka nuli. Uzemljenje neutralne tačke preko niskoomske impedanse rezultira smanjenjem unutarnjeg prenapona pri nastanku jednofaznog zemljospoja. Struja kvara odgovara struji jednopolnog kratkog spoja:
gdje su: Zd, Zi, Z0, - direktna, inverzna i nulta impedansa mreže na mjestu kvara, , - pogonska i nulta impedansa napojnog transformatora i voda u kvaru, ZN – impedansa u zvjezdištu transformatora. Uz predpostavku da se radi o niskoomskoj otpornosti ZN za ograničenje struje | | | može se jednopolnog kratkog spoja i činjenicu da je obično | pisati aproksimativna relacija:
Raspodjela struja pri jednofaznom kratkom spoju u fazi 1 prikazana je na slici 12.
Slika 12. Mreža sa uzemljenom neutralnom tačkom preko impedanse za ograničavanje struje kratkog spoja u režimu jednopolnog kratkog spoja
29
Struja u neispravnoj fazi može da bude znatna, ovisno od izbora impednase za uzemljenje neutralne tačke. Kako je razlika struje kroz neispravnu fazu i struja kroz ispravne faze znatna, moguće je pouzdano otkrivanje i isključivanje neispravne faze. Zbog velike vrijednosti struje kroz fazu, kod jednofaznog zemljospoja (300 – 1000 A), kako kod trajnih, tako i prolaznih, oni se moraju brzo isključiti da bi se izbjegla oštećenja elemenata mreže. Jedna od osnovnih prednosti koja se postiže prelaskom mreže sa izoliranom neutralnom tačkom, na pogon sa uzemljenom neutralnom tačkom, je visina unutrašnjih prenapona koji se javljaju zbog jednofaznog zemljospoja. Osim toga, u uzemljenim mrežama otklonjena je mogučnost nastanka neugodnih intermitirajućih prenapona, jer je zbog veličine struje jednofaznog zemljospoja električni luk stabilan. Na osnovu eksperimentalnih istraživanja i računarskih simulacija uočene su sljedeće karakteristike mreža uzemljenih preko otpornika za ograničenje struja jednopolnih kratkih spojeva: - uzemljenje preko otpornika bolje prigušuje unutrašnje prenapone u odnosu na uzemljenje preko reaktanse, - prelazni otpor na mjestu zemljospoja smanjuje unutrašnje prenapone, - smanjenje veličine otpornika za uzemljenje, tj povečanje struje jednopolnog kvara dovodi do sniženja unutrašnjih prenapona, - porast opterečenja mreže smanjuje unutrašnje prenapone, - povečanje pogonskog kapaciteta mreže, u odnosu na nulti kapacitet mreže, djeluje u smislu smanjenja unutrašnjih prenapona, - porast dozemnog kapaciteta mreže uvjetuje porast unutrašnjih prenapona. Sa stanovišta unutrašnjih prenapona poželjno bi bilo ograničiti struju jednopolnog kratkog spoja na što višu vrijednost, odnosno bilo bi optimalno da se mreža direktno uzemlji. MeĎutim problemi izvedbe uzemljenja uvjetuju što niže vrijednosti struje jednopolnog kratkog spoja. Dakle, radi se o kontradiktornom zahtjevu i neophodne su analize po pitanju iznosa na koji treba ograničiti struje jednopolnog kratkog spoja, a da se zadrži efikasno uzemljenje neutralne tačke. Osnovne prednosti rada mreže uzemljene preko niskoomske impedanse su: - nema opasnosti od unutarnjih prenapona bilo koje vrste, što omogučava duži izolacioni vijek opreme, - zbog brzog djelovanja zaštite, otklonjena je mogučnost nastanka dvofaznih zemljospojeva, - za isključivanje jednofaznog kratkog spoja koristi se jednostavna, efikasna i selektivna zaštita, - olakšano je otkrivanje voda u kvaru zbog velikih iznosa struja, - projektovanje, pogon i održavanje mreže su relativno jednostavni. Osnovni nedostaci rada mreže sa neutralnom tačkom uzemljenom preko niskoomske impedanse su: - pošto se isključuju svi jednofazni kratki spojevi, pa i prolazni, ne može se postići stalnost isporuke energije potrošaću, - usljed velike struje kvara mora se napraviti dobro uzemljenje, da se ne prekorače dozvoljene vrijednosti napona dodira, - mogući su značajni elektromagnetni utjecaji na telekomunikacione vodove, - investiciona ulaganja su veča nogo kod mreže sa izoliranom neutralnom tačkom, a po pravilu manja nego kod kompenzovanih mreža, - mreža može da radi paralelno samo sa mrežama u kojima je primjenjen isti način uzemljenja i slične vrijednosti impedanse uzemljenja.
30
Uzemljenje neutralne tačke preko niskoomske impedanse će biti i dalje najviše zastupljeno kod kablovskih mreža, uz težnju automatskoj selektivnoj eliminaciji voda u kvaru i prebacivanjem na rezervno napajanje. Racionalnim rješenjem za vazdušne mreže smatra se uzemljenje preko niskoomske impedanse uz primjenu automatskog uklopa.
4
Zemljospojni releji
4.1 Opći principi rada zemljospojnih releja U elektroenergetskim mrežama prisutne su različite izvedbe releja za dojavu zemljospoja u mreži. U upotrebi su releji svih generacija, od elektromehaničkih releja prve izvedbe, preko statičkih zemljospojnih releja srednje generacije, do najnovijih numeričkih višefunkcijskih zaštitnih ureĎaja. U ovom radu će biti prikazani osnovni principi rada zemljospojnih releja bez obzira na tip i izvedbu releja, koje su to najvažnije fizikalne pojave i karakteristične veličine bitne s aspekta rada zemljospojnih zaštita, a koje su prisutne u mreži kod jednopolnih kvarova. Neovisno od načina tretmana neutralne tačke srednjenaponske mreže, jednopolni zemni spoj u mreži karakterišu sljedeće pojave: - pad napona u fazi koja je zahvaćena zemljospojem i pojava nesimetrije napona u sistemu, - pojava napona u zvjezdištu, odnosno u neutralnoj tački mreže, čiji iznos zavisi od vrijednosti prelaznog otpora na mjestu kvara i otpora u zvjezdištu energetskog transformatora, - novi tok kapacitivnih komponenti struja kvara u mreži koje teku od svih zdravih vodova prema mjestu kvara, neovisno od načina uzemljenja neutralne tačke mreže, - kapacitivne struje na zdravim odlazima imaju suprotan smjer u odnosu na kapacitivnu struju na odlazu koji je u zemljospoju, - pojava nulte komponente struje kao posljedice nesimetrije struja, odnosno kvara u mreži, bez obzira da li se radi samo o kapacitivnoj struji u izoliranim mrežama ili i aktivnoj komponeti struje kroz otpornik u slučaju mreže uzemljene preko niskoomskog otpornika. Kod izoliranih distributivnih sistema, dozvoljen je dugotrajniji rad mreže pod zemljospojem, dok u slučaju mreže uzemljene preko otpornika potrebno je što prije isključiti kvarnu dionici. TakoĎer i kod izoliranih mreža poželjno je što prije eliminirati mjesto kvara, jer se zbog pojave intermitiranih zemljospojeva mogu pojaviti visoki prenaponi opasni po opremu, što može imati za posljedicu veće kvarove u sistemu. U tom smislu, a u skladu s navedenim fizikalnim pojavama i električnim veličinama koje karakterišu zemljospoj u mreži, princip rada zemljospojnih zaštita u sistemu baziran je obično na: - mjerenju samo rezidualne (ili nulte) komponente napona 3U0 (ili U0), - mjerenju samo rezidualne (ili nulte) komponente struje 3I0 (ili I0) ili - mjerenju obje veličine i rezidualne (ili nulte) komponente napona i rezidualne (ili nulte) komponente struje i faznog ugla izmeĎu njih. Ukoliko se detekcija kvara vrši samo na osnovu mjerenja nulte komponente napona u sistemu, tada se upotrebljavaju relativno jednostavni nadnaponski releji koji mjere odgovarajuću vrijednost rezidualnog (ili nultog) napona u mreži i signaliziraju kvar ukoliko izmjerena vrijednost napona prekorači podešenu vrijednost na releju.
31
Ukoliko se detekcija vrši samo na osnovu mjerenja nulte komponente struje, upotrebljavaju se klasični prekostrujni releji, ali znatno veće osjetljivosti u odnosu na uobičajene prekostrujne releje. To su tzv. zemljospojni neusmjereni releji, na bazi mjerenja homopolarne ili nulte komponente struje kvara koji se pobuĎuju kada odgovarajuća nulta komponenta struje kvara (ili rezidualna struja) prekorači podešeni prag. Ukoliko zemljosponi relej za svoj radi koristi strujnu i naponsku informaciju tada je riječ o usmjerenim zemljospojnim relejima. Bez obzira na izvedbu i proradnu karakteristiku usmjerene zemljospojne zaštite, princip rada je zasnovan na mjerenju nulte komponente struje i napona, kako po iznosu tako i po faznom uglu izmeĎu napona i struje. Prorada zaštite je definisana podešenjem odgovarajućih parametara, a inicirana je ako: - nulta komponenta struje I0 ( ili 3I0) prekorači podešenu vrijednost, - nulta komponenta napona U0 (ili 3U0) prekorači podešenu vrijednost, - fazni ugao φ izmeĎu napona U0 i struje I0 je unutar odgovarajućeg opsega podešenja. U nastavku bit će navedene opće karakteristike zemljospojnih zaštita zavisno od toga na kojem principu je zasnovana detekcija kvara u mreži.
4.2 Naponski releji za indikaciju zemljospoja u mreži U slučaju trafostanica primarne distribucije električne energije sa malim brojem odlaza i izoliranom neutralnom tačkom, najjednostavniji i najjeftiniji način za detekciju zemljospojeva u mreži je upotreba releja koji mjeri napon sa otvorenog trokuta naponskih mjernih transformatora na sabirnicama napojne transformatorske stanice. Napon na krajevima otvorenog trokuta predstavlja sumu tri fazna napona ili rezidualni napon u mreži, koji je po definiciji simetričnih komponenti jednak trostrukoj vrijednosti neutralnog ili nultog napona. Zbog toga se često ovi releji nazivaju i naponski releji nulte komponente napona ili releji na bazi mjerenja neutralnog napona u mreži. S obzirom da je neutralni napon kod pojave zemljospoja gotovo isti u čitavoj mreži, to na ovaj način nije moguće izvršiti tačno lociranje mjesta kvara nego samo njegovu pojavu u sistemu. U tom slučaju, lociranje mjesta kvara svodi se na ručno isključenje jednog po jednog odlaza, odnosno dionice voda do eliminacije kvara. Ovaj način je efikasan u slučaju malog broja odlaza, a ima opravdanje jedino kod manje važnih potrošačkih mreža, zbog većeg broja manipulacija i nepotrebnih isključenja odlaza koji nisu u kvaru, s ciljem traženja i eliminiranja kvarne dionice. U nadzemnim mrežama česta je pojava visokoomskih kvarova koji se javljaju najčešće kao posljedica dodira ili pada vodiča na krošnju drveta, snijeg ili zaleĎenu zemlju. Tipična vrijednost otpora drveta kreće se izmeĎu 20-80 kΩ, dok u slučaju zaleĎene zemlje moguća je i vrijednost od nekoliko 100 kΩ. Da bi se detektovali visokoomski kvarovi potrebni su vrlo osjetljivi nadnaponski releji. Naponski prag takvog releja treba da bude što manji, a najniža granica osjetljivosti zavisi od iznosa nultog napona u normalnom pogonu. U izoliranim mrežama ovaj napon iznosi oko 1% nominalnog faznog napona (Un) u sistemu. Prema mjerenjima vrijednost napona na krajevima otvorenog trokuta sekundara naponskih transformatora u normalnom pogonu iznosi 0,3-0,7 V, zavisno od tipa mreže, što iznosi približno (0,5-1,5%)xUn. U tom slučaju, detekcija velikih rezistivnih kvarova je otežana zbog toga što je neutralni napon u izvjesnoj mjeri prisutan i tokom normalnog pogonskog stanja mreže. On je posljedica prirodne nesimetričnosti, neizbalansiranosti opterećenja na pojedinim odlazima iz objekta i na njega se ne može bitnije uticati. Pojava «lažne» nulte komponente napona uzrokovana je takoĎer i netačnošću naponskih mjernih transformatora i postojanju viših harmonijskih članova, posebno trećeg harmonika koji je istofazan pa se u punom 32
iznosu prenosi na relej. Zbog svega toga podešenje pobudnog člana nadnaponskog releja nulte komponente napona ne bi smjelo biti manje od 0,02xUn, odnosno 2% nazivnog napona sekundara naponskih mjernih transformatora. Zavisno od izvedbe releja, signalizacija zemljospoja se izvodi najčešće upotrebom nadnaponskog releja koji je spojen na krajeve otvorenog trokuta sekundarnih namotaja tri jednopolno izolovana naponska mjerna transformatora. Napon na krajevima trokuta srazmjeran je trostrukoj vrijednosti nulte komponente napona, tzv. rezidualni napon u mreži. 3U0 = UR+US+UT U normalnom pogonu zbir sva tri fazna napona je približno jednak nuli, tako da na krajevima otvorenog trokuta nema napona. Kod pojave zemljospoja u mreži dolazi do nesimetrije napona i pojave napona na krajevima otvorenog trokuta koji je jednak iznosu faznog napona u mreži. Npr. u slučaju metalnog zemljospoja u fazi T: 3U0 = URT+UST = (UR −UT+ US −UT) = −3UT Uobičajeni spoj otvorenog trokuta naponskih mjernih transformatora za potrebe mjerenja rezidualnog napona prikazan je na slici 13.
Slika 13. Spoj otvorenog trokuta naponskih transformatora za potrebe mjerenje 3U0
Nedostatak ovakvog spoja je što je u slučaju pregaranja osigurača na sekundaru namotaja spojenog u trokut napon na krajevima otvorenog trokuta jednak nuli, isto kao u normalnom pogonskom stanju. TakoĎer, uobičajena sekundarna vrijednost napona je 100/1,73 V ukoliko nije posebno predviĎen namotaj za formiranje otvorenog trokuta. U tom slučaju napon 3U0 kod zemljospoja u izolovanoj mreži ima vrijednost 300/1,73 V što je više od dopuštene vrijednosti naponskog ulaza releja. Zbog toga je potrebno imati poseban namotaj naponskih transformatora sa sekundarnom vrijednošću napona od 100/3V koji se koristi za formiranje rezidualnog napona za potrebe relejne zaštite. U novije vrijeme se sve više upotrebljavaju naponski releji s tri ili više naponskih ulaza na koje se sa sekundara naponskih transformatora dovode odgovarajuće vrijednosti
33
faznih ili linijskih napona. Ovi releji mjere ne samo amplitudnu vrijednost napona pojedinih faza nego i fazni pomak izmeĎu njih, te na osnovu toga izračunavaju vrijednost rezidualnog 3U0 ili nultog napona U0 u mreži. Obično u sebi posjeduju i nadnaponski i podnaponski mjerni član, što omogućava da se pomoću jednog releja signalizira nestanak ili pad napona na sabirnicama, porast napona iznad dozvoljene vrijednosti, kao i pojava nulte komponente napona usljed zemljospoja u mreži. Na slici 14. prikazan je jedan od takvih poboljšanih načina spoja releja na odgovarajuće vrijednosti faznih napona pomoću posebne izvedbe otvorenog trokuta naponskih mjernih transformatora, tako da se sva tri sekundarana napona uvode u relej. Na ovaj način relej može mjeriti sva tri fazna napona i rezidualni napon 3U0 za potrebe detekcije zemljospoja u mreži.
Slika 14. Jedan od načina spoja naponskog releja na odgovarajuće vrijednosti faznih napona preko posebne izvedbe otvorenog trokuta naponskih mjernih transformatora
4.3 Neusmjereni zemljospojni relej U radijalno napajanim sistemima sa izoliranom neutralnom tačkom, posebno u slučajevima kada su kapacitivne struje zemljospoja dovoljno velike, zemljospojna zaštita se može realizirati pomoću osjetljivog releja priključenog na odgovarajući spoj strujnih mjernih transformatora pogodan za mjerenje struje zemljospoja. U tom slučaju mjerni član zemljospojnih zaštita je obični prekostrujni relej, čija osjetljivost mjernog člana treba da bude što veća kako bi se mogli detektovati i kvarovi s malim iznosom struje kvara. Informacija o struji zemljospoja koju relej treba da mjeri može se dobiti na različite načine. Uobičajeno je da se strujna grana releja priključuje preko paralelne veze tri ista strujna mjerna transformatora ili se sve tri fazne struje uvode neovisno u relej i u samom releju formira njihova suma za potrebe mjerenja struje zemljospoja. U slučajevima kablovskih odlaza može se upotrijebiti i obuhvatni strujni transformator sa samo jednom željeznom jezgrom i jednim sekundarnim namotajem. Na slici 15. prikazan je uobičajeni način priključka zemljospojnog releja na sumarni spoj tri strujna transformatora.
34
Slika 15. Sumarni spoj tri strujna transformatora za mjerenje 3Io
Suma tri struje predstavlja trostruku nultu ili rezidualnu struju koju mjeri relej. 3I0 = IR+IS+IT S obzirom da relej mjeri sumarnu vrijednost tri fazne struje, odnosno rezidualnu struju trofaznog nesimetričnog sistema koja po definiciji simetričnih komponenti predstavlja trostruku vrijednost nulte komponente struje, ovi releji se često nazivaju i zemljospojni releji nulte komponente struje, odnosno homopolarni zemljospojni releji. U normalnom pogonu suma primarnih struja jednaka je nuli ili nekoj maloj vrijednosti koja je posljedica nejednakosti strujnih mjernih transformatora, moguće pojave viših istofaznih harmonijskih članova u primarnoj struji, kao i eventualne nesimetrije opterećenja u slučaju uzemljenih mreža. Zbog vlastite nejednakosti mjernih transformatora, različitih magnetskih osobina i razlike u opterećenju sekundarnih namotaja, mogu se pojaviti strujne pogreške i nulta komponenta struje kroz relej i kod normalnih pogonskih opterećenja, a posebno kod vanjskih kratkih spojeva. Zbog toga je ograničeno minimalno podešenje, odnosno osjetljivost zemljospojne zaštite, kako ne bi dolazilo do nepotrebnih i neselektivnih ispada usljed lažne struje kvara kroz relej. U slučaju potrebe za većom osjetljivošću zemljospojne zaštite, zaštita bi obavezno morala imati ugraĎen i filter koji propušta samo osnovni val struje, odnosno koji kompenzira struju trećeg harmonika koji se javlja u struji nulte komponente i koji može imati za posljedicu pojavu lažne nulte komponente struje kvara i uzrokovati nepotrebno djelovanje zaštite. Sekundarna lažna struja zbog nejednakosti strujnih transformatora u normalnom pogonu je relativno mala i iznosi oko 0,01-0,03 A , a maksimalno 0,1A, što ipak po iznosu struje ulazi u opseg podešenja zemljospojne zaštite i minimalnih vrijednosti struja zemljopoja u slučaju visokoomskih kvarova u mreži. Kod nesimetričnih kratkih spojeva i kratkih spojeva s velikom vrijednošću istosmjerne komponente struje koja uzrokuje velike struje magnetiziranja mogu se pojaviti kratkotrajne lažne struje nulte komponente koje iznose i reda nekoliko ampera. Zbog toga je potrebno, da bi se spriječilo nepotrebno djelovanje zaštite, imati odgovarajuće vremensko zatezanje od 0,2-do 0,5 s dok prelazni proces u mreži ne nestane. Kod upotrebe kablovskih obuhvatnih transformatora gornji problemi nisu prisutni, jer kroz sekundarni namotaj obuhvatnog strujnog transformatora protiče struja samo u slučaju proticanja struje zemljospoja kroz kabl. Zbog toga ne postoji mogućnost pogrešnog djelovanja usljed vanjskih kratkih spojeva, a struja djelovanja releja je neovisna od struje
35
opterećenja kabla. Na slici 16. prikazan je način spoja zemljospojnog releja na kablovski obuhvatni strujni transformator. Kablovski vod i plašt u ovom slučaju predstavljaju primarni vodič s potrebnom izolacijom, pa zbog toga kablovski obuhvatni transformatori mogu biti izvedeni i za niski napon. Mogu se upotrijebiti i kod nadzemnih vodova ako je priključak voda u objektu izveden kablovski. Zbog svega navedenog upotreba kablovskih transformatora omogućava vrlo osjetljivo podešenje zamljospojne zaštite, tako da proradne struje mogu da iznose 10-50 mA, a ukoliko je potrebno i još manje 5-10 mA.
Slika 16. Spoj zemljospojnog releja na kablovski obuhvatni strujni transformator (a-fazni vodič, b-plašt kabla, c-vod za uzemljenje)
Upotreba zemljospojnih releja bez smjernog člana opravdana je samo u radijalno napajanoj mreži uzemljenoj preko niskoomskog otpornika. U takvim mrežama struja kvara je dovoljno velika da se selektivnost zaštite može u većini slučajeva postići samo po iznosu struje bez poznavanja smjera struje u mreži. To važi onda kada kapacitivne struje kvara koje teku odvodima koji nisu zahvaćeni kvarom, nisu velike, odnosno po iznosu nisu bliske podešenju zemljospojnog člana na odlazu. Ovakav pristup zahtijeva dosta veliko podešenje strujnog praga zemljospojne zaštite, kako bi se eliminisao uticaj nulte struje kroz relej i moguća neselektivnost neusmjerenih zaštita na zdravim vodovima. U tom slučaju, kod visokoomskih kvarova, rizikujemo da zemljospojna zaštita uopće ne detektuje kvar, jer struja jednopolnog kratkog spoja može biti manja od pobudne struje zemljospojnog releja na odlazu. Činjenica je da se ovakvi kvarovi u uzemljenim mrežama rijetko javljaju posebno u slučaju kablovskih mreža, ali ipak treba uzeti u obzir i mogućnost pojave visokoomskih kvarova. To opet zahtijeva znatno manja podešenja po iznosu struje i znatno veću osjetljivost u odnosu na onu koju nam mogu ponuditi zemljospojne neusmjerene zaštite, a da bi se očuvala prijeko potrebna selektivnost, posebno u slučajevima kablovskih mreža s znatnim kapacitivnim strujama na svakom od pojedinačnih odlaza, kao i u slučajevima visokoomskih kvarova. Upotreba neusmjerenih zemljospojnih zaštita moguća je i u izoliranim radijalnim mrežama s relativno velikim iznosom struje zemljospoja. Kod zemljospoja na jednom odlazu sumiraju se kapacitivne struje svih odlaza, tako da je kapacitivna struja na kvarnom odlazu znatno veća od kapacitivnih struja pojedinačnih odlaza. Stoga se kod izbora podešenja releja mora voditi računa o tome da proradna struja releja bude veća od maksimalne kapacitivne struje vlastitog odvoda kod kvara na drugim odlazima, a s druge strane proradna struja releja treba da bude manja od minimalne sumarne struje najkraćeg odlaza koji se napaja iz objekta i odlaza na kojem se podešava zaštita. Ovakvo rješenje zahtijeva tačno poznavanje iznosa kapacitivnih struja svakog pojedinačnog odlaza za 36
odgovarajuće uklopno stanje u mreži. Zato se ovo rješenje može primjeniti samo u objektima gdje se ne očekuje bitna promjena uklopnog stanja u mreži, odnosno značajnija promjena kapacitivne struje. U suprotnom može doći do neselektivnih ispada ili zatajenja rada zemljospojne neusmjerene zaštite.
4.4 Usmjereni zemljospojni releji Usmjereni zemljospojni releji svoj rad temelje na zajedničkoj platformi prethodna dva opisana načina detekcije struje zemljospoja i rezidualnog napona u mreži. U tom slučaju detekcija kvara se vrši ne samo po iznosu struje nego i po njenom usmjerenju. Usmjerenje se odreĎuje na osnovu faznog ugla φ izmeĎu struje zemljospoja i rezidualnog napona koji predstavljaju ulazne mjerne veličine usmerenog zemljospojnog releja. Pri tome su moguće različite karakteristike prorade releja zavisno od izvedbe i tipa releja. Bez obzira na izvedbu i proradnu karakteristiku, princip rada usmjerenih zemljospojnih zaštita zasnovan je uopćeno na mjerenju rezidualne (ili nulte) komponente struje kvara, mjerenju rezidualnog (ili nultog) napona u sistemu i mjerenju faznog ugla izmeĎu njih. Prorada zaštite je definisana podešenjem odgovarajućih parametara, a inicirana je ako: - nulta komponenta struje I0 ( ili rezidualna struja 3I0) prekorači podešenu vrijednost, - nulta komponenta napona U0 (ili rezidualni napon 3U0) prekorači podešenu vrijednost, - fazni ugao izmeĎu napona U0 i struje I0 je unutar odgovarajućeg opsega podešenja (obično φb+Δφ , gdje je φb=00-900 i Δφ=± 700-900), odnosno unutar zone prorade, koja se različito definiše zavisno od tipa i izvedbe releja. Na slici 17. dat je mogući izgled karakteristike prorade usmjerene zemljospojne zaštite za primarne vrijednosti struja i napona na mjestu kvara u mreži. Promjenom baznog ugla φb, koji dijeli zonu prorade na dva dijela, podešava se položaj zone prorade u ravni I0, U0 . Na ovaj način se može odabrati potreban položaj zone prorade zavisno od tipa razmatrane mreže. U slučaju izolirane mreže φb=900 jer su u mreži dominantne kapacitivne struje zemljospoja, tako da zaštita detektuje kvara na osnovu kapacitivne komponente struje koja protiče kroz relej. Kod uzemljenih mreža preko malog otpora ili rezonantno uzemljene mreže detekcija kvara se vrši na osnovu aktivne komponente struje kvara. U tom slučaju struja koja protiče kroz relej je u fazi s naponom U0 tako da se bazni ugao podešava na φb=00.
Slika 17. Karakteristika prorade usmjerene zemljospojne zaštite
37
Zavisno od proizvoĎača i izvedbe relejna karakteristika prorade može biti definisana i na drugačiji način, odnosno ugao φb može biti i negativan, zavisno od načina spoja mjernih veličina struje i napona koji se priključuju na relej i logike mjerenja faznog ugla izmeĎu njih. Zbog toga svaki proizvoĎač definiše zonu prorade i usmjerenje releja prema vlastitoj šemi spoja odgovarajućih ulaznih mjernih veličina struje i napona koje se priključuju na relej. Referentna vrijednost za odreĎivanje faznog ugla, odnosno smjera struje je obično napon 3U0 koji predstavlja ulazni mjerni napon releja, dok ulazna struja koju mjeri relej može imati različit smjer. Većina proizvoĎača mjerni spoj i priključak releja definiše tako da struja koju mjeri relej na vodu u kvaru prednjači mjernom naponu 3U0 za 900 kod izolirane mreže, odnosno da je aktivna komponenta struje kvara u fazi s naponom 3U0 u slučaju uzemljene mreže, a da kapacitivne komponente struje zemljospoja kasne za naponom za 900 na vodovima na kojima nema kvara. Ovakva karakteristika prorade odgovara vektorskom dijagramu primarnih vrijednosti struje i napona na mjestu kvara i obićno se susreće kod većine zemljospojnih releja. MeĎutim, stvarni smjer struje na mjestu ugradnje releja je suprotan navedenom, tako da karakteristika prorade releja može biti definisana i na takav način. Bez obzira na izgled i način formiranja karakteristike prorade, zajedničko za sve releje u pogledu načina rada je to je ta da struja kvara koju mjeri relej se nalazi unutar zone prorade releja na vodu na kojem je kvar, odnosno izvan zone prorade na ostalim vodovima na kojima nema kvara. Zbog velike osjetljivosti i bolje selektivnosti, usmjereni zemljospojni releji su najviše u upotrebi, posebno u izolovanim srednjenaponskim mrežama s malim strujama kvara, gdje je detekcija i lociranje mjesta kvara praktično nemoguće bez upotrebe usmjerenih zemljospojnih zaštita. Pri tome postoje različiti principi rada, a samim tim i različite karakteristike i zone prorade usmjerenih zemljospojnih releja. Pored navedenog i najčešće korištenog proncipa rada usmjerenih zemljospojnih releja pojedine izvedbe releja bazirane su na mjerenju nulte komponente snage, tj. mjerenju napona U0 i struje I0sinφ ili I0cosφ zavisno od korištenog spoja, a shodno tipu štićene mreže. U mreži sa izoliranim zvjezdištem prilikom spoja jedne faze sa zemljom zbog porasta napona zdravih faza prema zemlji preko vlastitih dozemnih kapaciteta protečiće struje zemljospoja koja su u općem slučaju sastoji od aktivne i kapacitivne komponente. Veličina aktivne (radne) komponente zavisi od visine napona i vrijednosti odvodnosti u mreži (odvodnost izolacije izmeĎu faznog vodiča i zemlje), a veličina kapacitivne komponente struje od vrijednosti napona i kapacitivnosti vodova prema zemlji. Kako je kapacitivna komponenta mnogo veća od aktivne komponente struje to je zemljospojna struja gotovo čisto kapacitivnog karaktera. Zbog toga se kao kriterijum za djelovanje releja koristi kapacitivna komponenta struje zemljospoja i relej za svoj rad mjeri produkt U0I0sinφ, tzv. sinφ - spoj. U slučaju kompenzirane mreže ili mreže uzemljene preko otpornika više nije mjerodavna kapacitivna struja zemljospoja, tako da relej u ovom slučaju za svoj rad koristi aktivnu komponentu struje zemljospoja i mjeri proizvod U0I0 cosφ u tzv. cosφ - spoju. Ovakvi releji se često nazivaju i vatmetarski releji, a po svom principu rada najviše podsjećaju na brojila za mjerenje aktivne i reaktivne energije u mreži. Karakteristika prorade releja u zavisnosti od vrste spoja data je na slikama 18a. i 18b. Ovakva karakteristika je fiksno definisana na čitavu poluravan za razliku od većine usmjerenih zemljospojnih releja čije karaketristike prorade se podešavaju proizvoljnim izborom podešenja ugla zone prorade, a ponekad i širinom zone prorade.
38
Slika 18a. Karakteristika prorade sinj spoja
Slika 18b. Karakteristika prorade cosj spoja
Njena glavna prednost se ogleda upravo u jednostavnosti izbora podešenja zone prorade, a koje zadovoljava gotovo sve praktične slučajeve i potrebe korisnika.
4.5 Numeričke višefunkcijske zaštite Prvi mikroprocesorski releji pojavili su se još davne 1976 god. Svoj rad su bazirali na minikompjuterima koji su se tada prvobitno pojavili. Od 1985 god. počeli su se proizvoditi prvi numerički releji sa standardnim komunikacionim interfejsom. Od tada nastupa era numeričkih zaštita. Glavne prednosti numeričkih ureĎaja u odnosu na stare (elektromehaničke i statičke) releje su slijedeće: - integrisanost više funkcija u jednom ureĎaju što rezultira kompaktnijem dizajnu i nižim troškovima, - visoka pouzdanost zbog postojanja vlastitog monitoringa (self-monitoring) ureĎaja, - velika tačnost mjerenja zbog digitalnog filtriranja i obrade informacija i optimizacije mjernih algoritama, - konstantnost mjernih i radnih karakteristika zbog potpuno numeričkog procesa obrade informacija, - integrisanost mnogih dodatnih pomočnih funkcija (mjerenje, upravljanje i dr.), - snimanje i arhiviranje informacija o svim dogaĎanjima (alarmi, kvarovi, statusi i sl.), - meĎusobno komunikaciono povezivanje više ureĎaja i uvezivanje na stanični sistem upravljanja i nazora, - komunikaciono uvezivanje prema višem nivou upravljanja (regionalni centar upravljanja) korištenjem odgovarajućih komunikacionih interfejsa i komunikacionih protokola, - mogučnost integrisanosti funkcija upravljanja i blokade u jednom ureĎaju što rezultira jednostavnošču koncepta zaštite, upravljanja, projektovanja i održavanja. Prve generacije numeričkih uraĎaju su bili isključivo zaštitni releji sa odgovarajućim zaštitnim funkcijama integrisanim u jednom kučištu, bez pomočnih monitoring i mjernih funkcija i komunikacionih interfejsa. Podešenje ovih releja je bilo slično kao i kod statičkih releja i obavljalo se ručno na samom releju. Takve serije numeričkih releja se koriste i danas, uglavnom kao rezervene zaštite i zaštite distributivnih vodova sekundarne distribucije električne energije. Sljedeća serija numeričkih ureĎaja pored zaštitnih funkcija objedinjavala je i odgovarajuće monitoring i mjerne funkcije i imala je ugraĎen potrebni
39
komunikacioni interfej za vezu sa PC računarom. Podešenje i programiranje releja se vršilo preko PC računara i odgovarajućem softvera namjenjenog za te svrhe. U posljednje vrijeme od numeričkih ureĎaja se traži da dodatno posjeduju i odgovarajuće upravljačke funkcije i funkcije blokada tako da su u jednom ureĎaju integrisane sve potrebne funkcije zaštite, mjerenja i upravljanja na nivou polja, sa mogučnošću meĎusobnog komunikacionog povezivanja zaštita na staničnom nivou i prema višem centru upravljanja. Komunikacija sa ureĎajima je isključivo preko PC računara uz upotrebu odgovarajućih programa namjenjenih za te svrhe. Primjer izgleda hardverske strukture numeričkih ureĎaja prikazan je na slici 19. Ona se sastoji od modula analognih i binarnih ulaza, ulaznog pojačala, A/D konvertora, mikroprocesorskog modula, modula binarnih izlaza, komunikacionih portova i HMI interfejsa.
Slika 19. Izgled hardverske strukture numeričkog uređaja
Analogni mjerni ulazi (MI) sadrže strujne i naponske informacione transformatore za fazne i nulte komponente struja i napona. Analogne vrijednosti se vode na ulazno pojačalo IA koje se sastoji od filtera za procesiranje mjernih veličina prije A/D konvertora. A/D konvertor se sastoji od memorijskih komponenti, multipleksera i konvertora analognih signala u digitalne informacije pogodne za mikroprocesorsku obradu. Mikroprocesorski sistem obavlja slijedeće funkcije: filtriranje i obrada mjernih veličina, stalni monitoring mjernih veličina, monitoring proradnih vrijednosti za pojedine zaštitne funkcije, upravljanje signalima za logičke funkcije, izlazne upravljačke komande, pohranjivanje podataka i poruka o svim dogaĎajima, alarmima, kvarovima i komandama. Preko binarnih ulaza se uvode u relej potrebne informacije od drugih ureĎaja i aparata u polju (npr. položajna signalizacija aparata u polju, blokada od druge zaštite i dr.). Broj BI može biti različit zavisno od potreba korisnika, a svaki od BI je konfigurabilan prema vlastitim potrebama. Binarni izlazi omogučavaju izvršne komande rasklopnim aparatima u polju i daljinsku signalizaciju. Broj BO je različit zavisno od potrebe korisnika. Lokalni interfejs (HMI) sadrži konfigurabilne LED diode za potrebe lokalne alarmne signalizacije, LCD displej namjenjen za lokalnu signalizaciju, prikaz mjerenja i grafički prikaz uklopnog stanja aparata u polju i odgovarajućih programabilnih funkcijskih tipki.
40
4.5.1 Komunikacije Možda najvažnija prednost modernih numeričkih zaštita je mogućnost realizacije različitih komunikacih interfejsa namjenjenih za različite potrebe na nivou polja, objekta i sistema u cjelini. Novi numerički releji su uglavnom opremljeni sa više komunikacionih interfejsa za različite svrhe i to: - komunikacioni port (9-pinski konektor RS232) za direktnu komunikaciju numeričkog ureĎaja i PC računara korištenjem odgovarajućeg softverskog alata - meĎusobno povezivanje zaštita na nivou objekta preko odgovarajućih električnih ili optičkih portova (RS 485 ili FO) - daljinska komunikacija sa ureĎajem preko modema i komunikacionog porta na releju (Servis port-RS232 ili RS485) - uvezivanje zaštita u jedinstven sistem zaštite upravljan i nadzora (SCADA sistem) prema SCADA Port (Serijski interfejs-RS232/RS485/RS5 Profibus/Profibus-FMS FO Link prema IEC 60870) - daljinsko povezivanje zaštita na dva različita kraja voda za potrebe teleprotection funkcija (distantna zaštita, podužna diferencijalna zaštita i sl.) preko žičanog (RS485) ili FO kanala. - sinhronizacija vremena svih zaštita u objektu preko GPS ureĎaja za sinronizaciju vremena i odgovarajućeg ulaza u ureĎaj namjenjenog za ove svrhe. Na slici 20 i 21 je dat primjer komunikacionog povezivanja numeričkih ureĎaja različitih serija na lokalnom (staničnom) i daljinskom nivou upravljanja i nadzora, korištenjem FO veza, RS485 Profibus sabirnice, el./optičkog konvertora, star-cupler-a i raspoložive TK opreme.
Slika 20.
Od oktobra 2004. godine svi proizvoĎači releja su dužni standardizirati sve komunikacione protokole u skladu sa IEC60870 tako da je moguće povezivanje ureĎaja različitih proizvoĎaća u jedinstven sistem upravljanja i nadzora.
41
Slika 21.
Na slici 22. prikazana je komunikaciona struktura sistema stanične automatizacije trafostanicom (tzv. SAS) za realizaciju tzv. SCADA sistema. Svi zaštitno-upravljači numerički ureĎaji su povezani meĎusobno i sa centralnim staničnim ormarom daljinskog upravljanja preko PROFIBUS sabirnice ili FO komunikacionog protokola u skladu sa IEC 60870. Centralni ormar daljinskog upravljanja povezan je sa staničnim SCADA računarom namjenjenim za dežurno operativno osoblje za potrebe staničnog upravljanja i nadzora. Druga komunikaciona petlja je sa staničnim računarom inženjera SCADA sistema za potrebe parametriranja i direktne komunikacije sa svakim numeričkim ureĎajem u objektu.
Slika 22
Za komunikaciju i parametriranje numeričkih ureĎaja koriste se odgovarajući programski alati koji se kupuju od proizvoĎača ureĎaja.
42
5 Zključak
43
6 Literatura: [1]prof. dr. sc. Ivo Uglešić, dipl. ing.: Tehnika visokog napona, Zagreb 2002 [2] prof. Ljubiša Milanković: Tehnika visokog napona, Naučna knjiga Beograd 1987 [3] Internet: www.elektrotehnika.info\tvn-uvod
44
