wyklad_zaklocenia.pdf

Prof. dr hab. Jan Machowski GM pok.12 lub GM pok. 9a

ZAKýìCENIA W SYSTEMACH ELEKTROENERGETYCZNYCH

Wykþad dla 3-go roku studiw kierunku "Elektrotechnika" specjalnoĻci "Elektroenergetyka"

PoniŇszy tekst oparto na fragmentach podrħcznika

P.Kacejko, J.Machowski: áZwarcia w systemach elektroenergetycznychÑ. WNT, 2002, 2009

W SEE jednym z najczħĻciej wystħpujĢcych stanw zakþceniowych sĢ zwarcia.

Zwarciem nazywa siħ poþĢczenie dwu lub wiħcej punktw systemu elektroenergetycznego

nieprzewidziane w normalnym stanie pracy, przy czym napiħcia zwieranych punktw w

stanie normalnym majĢ rŇne wartoĻci. Za punkt systemu uwaŇa siħ rwnieŇ ziemiħ.

PoþĢczenie to moŇe nastĢpię poprzez þuk elektryczny lub przedmiot o maþej impedancji.

PrĢd pþynĢcy bezpoĻrednio do punktu zwarcia nazywany jest prĢdem zwarcia. Wszystkie inne

wielkoĻci towarzyszĢce stanowi zwarcia (jak napiħcia w innych punktach sieci, prĢdy pþynĢce

w elementach sieci lub odpowiadajĢce im moce oraz impedancje mierzone przez przekaŅniki)

nazywane sĢ wielkoĻciami zwarciowymi. Obliczenia zwiĢzane ze stanami zwarcia nazywa siħ

obliczeniami zwarciowymi.

I K

Sieę

I K

Sieę

K (I)

I K (I)

I K (II)

Ilustracja pojħcia prĢdu zwarcia w miejscu zwarcia oraz

prĢdu zwarciowego obciĢŇajĢcego dany aparat

Zwarcia moŇna klasyfikowaę (dzielię na klasy) wedþug rozmaitych kryteriw, np. liczby

zwartych punktw, liczby zaangaŇowanych faz systemu 3-fazowego, poþoŇenia zwarcia

wzglħdem jakiegoĻ konkretnego elementu systemu, istnienia w zwarciu (lub nie) maþej

impedancji, zaangaŇowania ziemi w zwarciu (lub nie) itp. NajczħĻciej wyrŇnia siħ

nastħpujĢce klasy zwarę:

- zwarcia pojedyncze i wielomiejscowe,

- zwarcia symetryczne i niesymetryczne,

- zwarcia jednoczesne i niejednoczesne,

- zwarcia zewnħtrzne i wewnħtrzne,

- zwarcia trwaþe i przemijajĢce,

- zwarcia bezimpedancyjne (zwane metalicznymi lub bezpoĻrednimi) oraz za

poĻrednictwem impedancji (zwane zwarciami oporowym),

- zwarcia doziemne i bez udziaþu ziemi,

- zwarcia maþoprĢdowe i wielkoprĢdowe.

Zwarcia pojedyncze zachodzĢ w jednym miejscu sieci. W sensie przestrzennym przez miejsce

rozumie siħ przekrj przez trzy fazy i ziemiħ. Zwarcia wielomiejscowe zachodzĢ w rŇnych

miejscach sieci. ZaleŇnie od liczby miejsc mwi siħ odpowiednio o zwarciach podwjnych,

potrjnych itp.

L L2

Ilustracja: (a) pojħcia miejsca zwarcia oraz (b) zwarcia dwumiejscowego

Przy zwarciu symetrycznym wszystkie fazy symetrycznego systemu sĢ jednakowo

zaangaŇowane w zwarcie. W przypadku powszechnie stosowanego systemu 3-fazowego

zwarcie symetryczne moŇe byę trjfazowe (rys.1.2a) lub trjfazowe z udziaþem ziemi (linia

przerywana na rys.1.2a). Zwarcia niesymetryczne (rys.1.2b,c,d) to zwarcia jednofazowe,

dwufazowe oraz dwufazowe z ziemiĢ. W przypadku zwarę niesymetrycznych zwarciem nie

sĢ dotkniħte wszystkie fazy. Fazħ, ktra nie jest dotkniħta zwarciem nazywa siħ fazĢ zdrowĢ.

a) L1

b) L1

c) L1

d) L1

I K3

I K2

I K2E

I E K2E

I K1

Rodzaje zwarę: a) trjfazowe, b) jednofazowe, c) dwufazowe, d) dwufazowe z ziemiĢ

Zwarcia jednoczesne zachodzĢ w tej samej chwili. Zwarcia niejednoczesne zachodzĢ w

rŇnych chwilach, najczħĻciej odlegþych od siebie o czas odpowiadajĢcy niewielkiej czħĻci

okresu sinusoidy napiħcia.

Przez zwarcia wewnħtrzne rozumie siħ zwarcia wewnĢtrz maszyn elektrycznych (generatory,

transformatory, silniki) oraz wewnĢtrz aparatw elektrycznych. Zwarcia szyn rozdzielni,

zaciskw aparatw, przeskoki na izolatorach oraz zwarcia pomiħdzy konstrukcjami

wsporczymi a przewodami linii traktowane sĢ jako zwarcia zewnħtrzne.

Podziaþ na zwarcia maþoprĢdowe i wielkoprĢdowe stosowany jest w elektroenergetycznej

automatyce zabezpieczeniowej. Zwarcia wielkoprĢdowe sĢ to wszystkie zwarcia wielofazowe

oraz zwarcia jednofazowe (doziemne) w sieciach z uziemionym punktem neutralnym.

Zwarciami maþoprĢdowymi sĢ zwarcia jednofazowe (doziemne) w sieciach z punktem

neutralnym izolowanym lub uziemionym przez dþawik kompensujĢcy.

Wymienione klasy zwarę sĢ nie rozþĢczne tzn. dane zwarcie moŇe naleŇeę do dwu lub wiħcej

klas. Przykþadem moŇe tu byę zwarcie w linii WN dajĢce siħ sklasyfikowaę jako: zewnħtrzne,

pojedyncze, wielkoprĢdowe, doziemne, niesymetryczne, trwaþe, bezimpedancyjne. MwiĢc o

danym zwarciu zwykle nie ma potrzeby wymieniania jego moŇliwej przynaleŇnoĻci do

wszystkich moŇliwych klas.

Przyczyny zwarę moŇna podzielię na elektryczne i nieelektryczne.

Do przyczyn elektrycznych moŇna zaliczyę:

• przepiħcia atmosferyczne,

• przepiħcia þĢczeniowe,

• omyþki þĢczeniowe (np. przyþĢczenie napiħcia do elementu celowo zwartego lub celowo

uziemionego),

• dþugotrwaþe przeciĢŇenia ruchowe (maszyn, kabli i przewodw izolowanych)

powodujĢce przegrzanie izolacji i jej przebicie.

Do przyczyn nieelektrycznych moŇna zaliczyę:

• zawilgocenie izolacji,

• zniszczenie izolatorw,

• zbliŇenia przewodw linii napowietrznych na wskutek ich koþysania wywoþanego

wiatrem lub nagþym odpadniħciem sadzi,

• uszkodzenia mechaniczne (sþupw, izolatorw, przewodw, kabli) wywoþane robotami

ziemnymi lub kataklizmami (powdŅ, poŇar),

• wady fabryczne urzĢdzeı,

• dziaþanie zwierzĢt (duŇe ptaki lub gryzonie) bĢdŅ ludzi (celowe zarzucanie drutw

zwierajĢcych przewody linii napowietrznych, niszczenie izolatorw, uszkadzanie kabli

w celu pozyskania metali kolorowych),

• niefachowe obchodzenie siħ z urzĢdzeniami elektrycznymi.

W liniach napowietrznych (mimo stosowania ochrony odgromowej) najczħstszĢ przyczynĢ

zwarę sĢ przepiħcia atmosferyczne. NajczħĻciej wystħpujĢcymi zwarciami sĢ zwarcia

jednofazowe lub dwufazowe z ziemiĢ powstajĢce ze zwarcia jednofazowego w wyniku

przeniesienia siħ þuku na drugĢ fazħ.

Skutki zwarę mogĢ mieę znaczenie tylko lokalne (dla uszkodzonych elementw systemu) lub

szersze dla obszaru systemu (z udziaþem elementw sĢsiadujĢcych z elementem

uszkodzonym) a nawet dla caþego systemu. Do najwaŇniejszych skutkw zwarę moŇna

zaliczyę:

• Silne nagrzewanie duŇym prĢdem zwarciowym, co przyĻpiesza starzenie izolacji

maszyn elektrycznych i kabli, a w przypadku linii napowietrznych moŇe byę przyczynĢ

powstawania nadmiernych zwisw przewodw (dla przykþadu prĢd zwarcia rzħdu 63

kA na rezystancji 1 podczas zwarcia trwajĢcego 0,1s wydziela energiħ okoþo 400 MJ).

• Powstawanie duŇych siþ dynamicznych miħdzy czħĻciami wiodĢcymi prĢdy zwarciowe,

co moŇe byę przyczynĢ deformacji szynoprzewodw lub pħkniħę izolatorw

wsporczych (oddziaþywanie dynamiczne prĢdu zwarciowego rzħdu kilkudziesiħciu kA

na przewody znajdujĢce siħ w bliskiej od siebie odlegþoĻci jest rzħdu tysiħcy niutonw).

• Niszczenie Ňelbetonowej konstrukcji sþupw (w sieciach Ļrednich napiħę pracujĢcych z

izolowanym punktem neutralnym). W przypadku sieci SN pracujĢcych z izolowanym

punktem neutralnym zwarcia jednofazowe (doziemienia) nie powodujĢ wprawdzie

duŇych prĢdw zwarcia lecz mogĢ doprowadzię do zniszczenia sþupw Ňelbetonowych.

Nawet nieduŇy prĢd zwarciowy pþynĢc dþugo przez zbrojenie sþupa powoduje

kumulowanie siħ ciepþa i tak silny wzrost temperatury, Ňe moŇe dojĻę do wytopienia siħ

zbrojenia, co bardzo osþabia konstrukcjħ sþupa. W razie pojawienia siħ wichury tak

uszkodzone sþupy przewracajĢ siħ na ziemiħ zrywajĢc liniħ oraz powodujĢc zwarcia

wielofazowe.

• Powstawanie niebezpiecznych napiħę miħdzy bliskimi punktami ziemi (napiħcie

krokowe) oraz napiħę na czħĻciach normalnie nie bħdĢcych pod napiħciem (napiħcie

dotykowe). Jest to szczeglnie groŅne w przypadku sieci z uziemionym punktem

neutralnym. Dla przykþadu jeĻli w wyniku zwarcia na sþupie linii WN przepþywa do

ziemi prĢd 5 kA, a rezystancja ukþadu uziomowego jest np. 5 (wartoĻci spotykane w

krajowej sieci WN), to spadek napiħcia na uziomie wyniesie ok. 25 kV. WiĢŇe siħ to

oczywiĻcie z duŇym zagroŇeniem poraŇeniowym ludzi i zwierzĢt przebywajĢcych w

pobliŇu sþupa, o ile rozkþad napiħcia na uziomie nie zostaþ wþaĻciwie uksztaþtowany

poprzez jego konstrukcjħ.

• Powstawanie przepiħę ziemnozwarciowych towarzyszĢcych zwarciom þukowym, co jest

szczeglnie groŅne w sieciach SN z izolowanym punktem neutralnym.

• Powstawanie zakþceı elektromagnetycznych odziaþywujĢcych na urzĢdzenia

telekomunikacyjne.

• MoŇliwoĻę zniszczenia wyþĢcznika przy wyþĢczaniu lub zaþĢczaniu na zwarcie (o ile

wyþĢcznik nie zostaþ odpowiednio dobrany do warunkw zwarciowych).

• MoŇliwoĻę utraty stabilnoĻci systemu przez utratħ synchronizmu generatorw bliskich

miejsca zwarcia. Zwarcia w sieciach WN w pobliŇu szyn elektrowni mogĢ spowodowaę

utratħ stabilnoĻci systemu. Spowodowane jest to faktem, Ňe w trakcie zwarcia

blokowany jest przepþyw mocy czynnej z generatorw do systemu i moc mechaniczna

ich turbin zostaje zuŇyta na rozpħdzanie wirnikw. Przy duŇych przyspieszeniach moŇe

to doprowadzię do wypadniħcia generatorw z synchronizmu. Zagadnienia te stanowiĢ

odrħbnĢ dziedzinħ wiedzy.

BiorĢc pod uwagħ wymienione skutki zwarę, nie dziwi dĢŇenie do zminimalizowania czasw

trwania zwarę. Wykrywaniem zwarę zajmuje siħ elektroenergetyczna automatyka

zabezpieczeniowa. W przypadku urzĢdzeı maþej mocy niskiego oraz Ļredniego napiħcia

zwarcia wyþĢczane sĢ przez odpowiednio dobrane bezpieczniki. W przypadku urzĢdzeı

duŇych mocy SN oraz sieci i urzĢdzeı WN zwarcia wykrywane sĢ przez zabezpieczenia a

uszkodzone elementy wyþĢczane przez wyþĢczniki.

Aby elementy systemu (np. wyþĢczniki, szyny, przewody) nie ulegaþy zniszczeniu pod

wpþywem termicznego lub dynamicznego dziaþania prĢdu zwarciowego muszĢ byę

odpowiednio zaprojektowane a takŇe przetestowane w laboratoriach posiadajĢcych

odpowiednie stanowisko do prb zwarciowych. Fizycznym testom (prbom zwarciowym)

poddaje siħ gþwnie aparaty elektryczne sprawdzajĢc ich wytrzymaþoĻę cieplnĢ i mechanicznĢ

oraz zdolnoĻci þĢczeniowe.

Obliczenia zwarciowe naleŇĢ do grupy najczħĻciej wykonywanych obliczeı, do ktrych

zalicza siħ: rozpþywy mocy w systemie, analiza zwarę, badanie stabilnoĻci systemu.

Obliczenia te powinny byę znane wszystkim inŇynierom zajmujĢcym siħ analizĢ pracy SEE.

W literaturze krajowej spotyka siħ takŇe termin obliczanie prĢdw zwarciowych, ktrego

zasiħg jest nieco wħŇszy niŇ terminu obliczenia zwarciowe. W praktyce, oprcz prĢdw

towarzyszĢcych zwarciom, interesujĢce sĢ napiħcia w wybranych wħzþach, charakterystyczne

impedancje oraz inne parametry. Dlatego teŇ w dalszych rozwaŇaniach stosowany bħdzie

termin obliczenia zwarciowe.

Zwarcia wpþywajĢ na pracħ urzĢdzeı pierwotnych i wtrnych systemu elektroenergetycznego

i z tego wzglħdu obliczenia zwarciowe niezbħdne sĢ zarwno w trakcie projektowania jak i

eksploatacji systemu. W szczeglnoĻci wyniki obliczeı zwarciowych sĢ potrzebne do takich

czynnoĻci jak:

- dobr przyrzĢdw (urzĢdzeı) elektroenergetycznych ze wzglħdu na ich wytrzymaþoĻę

zwarciowĢ Î mechanicznĢ i cieplnĢ,

- projektowanie odpowiednich ukþadw poþĢczeı elektrycznych (konfiguracji) sieci z uwagi

na spodziewane prĢdy zwarciowe,

- projektowanie szyn zbiorczych w rozdzielniach,

- dobr przekrojw przewodw i Ňyþ kabli,

- wybr metod i specjalnych Ļrodkw ograniczajĢcych prĢdy zwarciowe (o ile okaŇĢ siħ

niezbħdne),

- dobr nastawieı i analiza warunkw pracy automatyki zabezpieczeniowej,

- projektowanie i analiza skutecznoĻci systemu ochrony przeciwporaŇeniowej,

- okreĻlenie oddziaþywania prĢdw zwarciowych na pracħ urzĢdzeı elektrycznych i

elektronicznych.

W praktyce inŇynierskiej najczħĻciej wykonuje siħ obliczenia dla najprostszego przypadku

pojedynczych zwarę bezpoĻrednich. Czasami obliczenia zwarciowe ogranicza siħ dodatkowo

tylko do zwarę symetrycznych (trjfazowych).

Oglnie moŇna powiedzieę, Ňe gros awarii w energetyce to awarie w sieciach

elektroenergetycznych a spora w nich czħĻę to zwarcia:

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: