Okvare in kratki stiki v omrežju

 Razdelila in industrijska omrežja Seminar: Okvare in kratki stiki v omrežju Profesor: prof. dr. Grega Bizjak, univ. dipl. inž. el. Avtor: Rok Ciglar Vpisna št.: 64100396 Študijsko leto: 2014/15 Razdelilna in industrijska omrežja Okvare in kratki stiki v omrežju 2014/2015 2 Rok Ciglar Razdelilna in industrijska omrežja Okvare in kratki stiki v omrežju 2014/2015 Kazalo Uvod ........................................................................................................................................................ 4 Okvare v omrežju .................................................................................................................................... 5 Delitev okvar............................................................................................................................................ 6 Trenutne okvare .................................................................................................................................. 6 Trajne okvare....................................................................................................................................... 6 Kratki stiki ............................................................................................................................................ 7 Enopolni zemeljski stik .................................................................................................................... 8 Dvopolni medfazni kratek stik......................................................................................................... 8 Tripolni kratek stik........................................................................................................................... 8 Prenapetosti ........................................................................................................................................ 9 Preobremenitve................................................................................................................................... 9 Upad frekvence in napetosti ............................................................................................................... 9 Vzroki in pogostost okvar ...................................................................................................................... 11 Drevesa.............................................................................................................................................. 11 Vreme in udari strel........................................................................................................................... 11 Živali................................................................................................................................................... 12 Napake na opremi ............................................................................................................................. 12 Drugo ................................................................................................................................................. 12 Pogostost okvar................................................................................................................................. 13 Preprečevanje okvar.............................................................................................................................. 14 Vprašanja in odgovori............................................................................................................................ 15 Naloga.................................................................................................................................................... 16 Viri ......................................................................................................................................................... 17 3 Rok Ciglar Razdelilna in industrijska omrežja Okvare in kratki stiki v omrežju 2014/2015 Uvod Kot odjemalci električne energije pričakujemo, da je električna energija na voljo takrat ko jo potrebujemo, in da vse naprave katere priklopimo na električno omrežje tudi »dobro« delujejo. Ker se električni sistem se iz dneva v dan širi, tako po velikosti kakor po svoji kompleksnosti na vseh segmentih (generacija, prenos, distribucija, poraba), se je iz tega razloga do danes uvedlo veliko standardov, v katerih so natančno predpisane omejitve in pravila, s katerimi dosežemo da je omrežje zanesljivo, kvaliteta napetosti pa znotraj predpisanih mej. Kljub vsem preventivnim posegom da okvar in izpadov v omrežju ne bi bilo, pa se te še vedno pojavljajo. Ko pride do takšnih nenormalnih obratovalnih stanj, so največkrat prisotni zelo visoki kratkostični tokovi, kateri škodujejo opremi električnega omrežja in ob prisotnosti ljudi predstavljajo tudi smrtno nevarnost. Ravno iz tega razloga je nujno, da vemo do kakšnih okvar vse prihaja v omrežju, kaj je njihov vzrok nastanka in kako ukrepati, da se v bodoče ne bodo več ponovili, oziroma bo njihov vpliv na omrežje in okolico čim manjši. 4 Rok Ciglar Razdelilna in industrijska omrežja Okvare in kratki stiki v omrežju 2014/2015 Okvare v omrežju Preden začnemo podrobneje spoznavati okvare v omrežju je dobro vedeti, kaj sploh to okvara je. Kadar slišimo da je prišlo do okvare v električnem omrežju, si prestavljamo da je nekje v omrežju prišlo do kratkega stika. Ta prestava ni napačna, vendar je pa potrebno poudariti, da okvara ni zgolj kratek stik. Točne definicije, ki bi opisovala okvare v omrežju ni, vseeno pa najdemo v priročnikih o električnih omrežjih veliko splošnih definicij, s katerimi opisujejo pojem okvare. Eden izmed definicij, ki je zapisana v standardu ANSI/IEEE Std. 100‐1992 pravi, da je okvara definirana kot fizično stanje naprave, komponente ali elementa ko ta odpove, oziroma preneha opravljati funkcijo za katero je bil grajen. 5 Rok Ciglar Razdelilna in industrijska omrežja Okvare in kratki stiki v omrežju 2014/2015 Delitev okvar Kljub velikosti in kompleksnosti se okvare v električnem omrežju le redko dogajajo. Pogostejše so okvare, katerih vpliv na omrežje traja le kratek čas, redkeje pa pride do okvar, katerih posledica je prekinjena dobava električne energije za dlje časa. Na podlagi trajanja, lahko okvare delimo na trenutne okvare in trajne okvare. Najbolj pogosta in bržkone tudi najbolj poznana napaka je kratek stik. Med napake lahko štejemo tudi prenapetosti, ki pa pravo škodo povzročijo šele takrat, ko pride do preboja oz. preskoka na izolaciji, torej kratkega ali zemeljskega stika. Omeniti velja še preobremenitve omrežja, ki so nevarne zaradi prekomernega segrevanja komponent sistema, kar seveda pomeni nezaželeno skrajševanje življenjske dobe naprav. Trenutne okvare so okvare, ki jih odpravimo s pomočjo zaščitnih naprav, in se ne ponovijo ko ponovno vzpostavimo povezavo. Te okvare ne povzročijo trajnega uničenja katerega koli elementa sistema. V primeru da pride v sistemu do kratkega stika, se vrši avtomatski hitri izklop vodnika s pomočjo odklopnika ali katerega drugega stikalnega elementa, s čimer preprečimo da bi prišlo do trajne poškodbe. Čez nekaj časa se vrši ponovni avtomatski vklop vodnika, pri čemer ugotovimo, ali je napaka še prisotna ali ne. Ravno iz tega razloga so trenutne okvare glavni krivec, da se v vseh distribucijskih omrežjih po svetu uporabljajo odklopni ločilniki, s katerimi preprečujemo poškodbe na opremi in hkrati preverjamo, ali je napaka v omrežju še prisotna. Trenutne napake predstavljajo od 50 do 90% vseh napak ki se pojavljajo na nadzemeljskih vodih distribucijskega omrežja. Najpogostejši vzroki trenutnih napak so: udar strele, stiki zaradi vetra, vej in živali ter obloki, čigar vzrok so umazani oziroma onesnaženi izolatorji. Posledice ki jih občuti uporabnik zaradi trenutnih napak je upad oziroma sesedanje napetosti in jih v večino primerov občutijo le porabniki, kateri so priklopljeni na fazo katera je v okvari. Trajne okvare so napake, ki se ne odpravijo same po delovanju zaščite, oziroma je potrebna za ponovno vzpostavitev omrežja intervencija operaterja, ki napako odpravi. Pri teh okvarah pride do trajnega uničenja opreme. Najpogostejši primeri napak so uničenje izolatorjev, pretrgani vodi in poškodbe na transformatorjih. V distribucijskem omrežju v večini primerih povzročajo trajno prekinitev dobave 6 Rok Ciglar Razdelilna in industrijska omrežja Okvare in kratki stiki v omrežju 2014/2015 električne energije. Za odpravo trajne napake iz sistema uporabljamo varovalke, ločilnike ali odklopnike, kateri ob detekciji napake prekinejo tokokrog. Kratki stiki Kratki stiki povzročajo v električnih omrežjih spremembo stanja električnih veličin. Prehod v novo stanje je povezan z elektromagnetnimi in elektromehanskimi prehodnimi pojavi od katerih je odvisen časovni potek in velikost kratkostičnih tokov. Prehodni pojavi bodo poleg vrste kratkega stika odvisni od trenutka nastopa kratkega stika, prisotnega kratkostičnega tokovnega izvora, od stanja obremenitve pred nastopom kratkega stika, trajanjem kratkega stika, karakterističnih vrednosti in od vedenja prisotnih obratovalnih elementov. V trifaznem distribucijskem omrežju se najpogosteje pojavljajo: a) Tripolni kratek stik b) Dvopolni kratek stik c) Dvopolni zemeljski stik d) Enopoljni zemeljski stik Kot vidimo iz zgornjih shem ločimo kratke stike glede na to, koliko vodnikov sodeluje pri napaki ter ali je kratek stik povezan z zemljo ali ne. 7 Rok Ciglar Razdelilna in industrijska omrežja Okvare in kratki stiki v omrežju 2014/2015 Enopolni zemeljski stik Najbolj pogost kratek stik ki se pojavlja v distribucijskem omrežju je enopoljni zemeljski stik. Do tega pride tako, da se preko neke upornosti sklene prevodna pot od faznega vodnika do zemlje. Pri velikosti toka je pomembno, kakšna podlaga je na mestu, kjer pride do napake, saj je logično, da bodo kamnita tla imela veliko večjo upornost kakor pa razmočena tla. Prav tako pa je zelo pomembno na kakšen način imamo ozemljen sekundar transformatroja. Največji toki se praviloma pojavijo tam, kjer je transformator direktno ozemljen, najmanjši pa tam, kjer je zvezdišče sekundarja izolirano in lahko posledično tečejo le kapacitivni toki. Največjo težavo pri zemeljskih stikih predstavlja odkrivanje le‐teh oz. njihovo izklapljanje. Kot smo že omenili, so lahko kratkostični toki v rangu bremenskih zato jih ne moremo zaznavati na enak način kot kratkostične. Težava je lahko tudi pri preobčutljivost zaščitnih naprav, ki reagirajo ne samo na nevarne zemeljske stike, ampak tudi ob kakšnih drugih pojavih, ki pa niso nevarni in s tem močno poslabšajo zanesljivost oskrbe porabnikov z električno energijo. Proti temu, se lahko »borimo« z alarmom, ki vzdrževalce le opozori na pojav napake, ti pa morajo nato na teren, da vse skupaj preverijo. To zahteva kar nekaj časa, poleg tega pa se nam pojavi podoben problem kot pri avtomatskem izklopu. Ravno tako lahko pride do večjega števila lažnih alarmov in sčasoma lahko vzdrževalci nehajo preverjati napake in posledično morda ignorirajo realno napako, ki dejansko povzroča škodo in je nevarna ljudem in živalim. Zemeljskostični toki so še posebej problematični na srednjih napetostih, saj so na visoki napetosti večji in jih zaščitne naprave lažje zaznajo. Dvopolni kratek stik Ta kratek stik lahko nastane na več načinov. Ena izmed možnosti je, da se stakneta neposredno, brez kakršnekoli upornosti napake med njima. To se denimo lahko zgodi ob izrazito vetrovnem vremenu, ko vodniki na daljnovodih tako močno zanihajo, da med njimi pride do stika. Druga možnost pa je, da se stik sklene preko neke upornosti napake, denimo preko telesa živali ali pa veje, ki pade na daljnovod in povzroči, da med dotičnima fazama steče okvarni tok. Napaka je praviloma prehodne narave in ne povzroča škode na omrežju z izjemo kratkotrajne prekinitve napajanja. Tripolni kratek stik Tripolni kratek stek se v realnosti le redkokdaj pojavlja, vendar pa je zelo pomemben za dimenzioniranje odklopnih zaščitnih naprav, saj ravno pri tem kratkem stiku kratkostični tokovi dosežejo najvišje vrednosti. V nasprotju z intuitivnim mišljenjem, da so visoki kratkostični toki 8 Rok Ciglar Razdelilna in industrijska omrežja Okvare in kratki stiki v omrežju 2014/2015 problematični, pa si po navadi želimo prav to, saj nam to garantira, da bodo okvaro zaščitne naprave hitro zaznale in jo posledično tudi hitro izklopile. V posameznih situacijah, ko je kratkostični tok vendarle prevelik (stikala bi bila predraga) pa vendarle posežemo po omejitvah tokov kratkih stikov. Okvarne toke zmanjšamo tako, da povečamo impedanco omrežja (okvarne zanke). To lahko dosežemo na več različnih načinov (npr. ločitve zbiralk, povečanje kratkostične napetosti transformatorjev, itd.). Prenapetosti Po definiciji je prenapetost napetostni impulz, ki je »naložen« (superponiran) na nazivno napetost v omrežju in jo tako presega. Glede na to kje se pojavljajo jih delimo na zunanje in notranje prenapetosti. Najbolj znana zunanja prenapetost je udar strele. Notranja oblika prenapetosti pa se pojavlja predvsem pri stikalnih manevrih in posledično zaradi tega tudi traja dlje časa kakor zunanje prenapetosti. Preobremenitve Proti preobremenitvam je naše omrežje dobro odporno, saj lahko nekaj časa obratuje tudi nad svojo nazivno obremenitvijo brez, da bi mu bila povzročena trajna škoda. To seveda ne traja v nedogled, saj se ob toku, ki je večji od nazivnega, začnejo vse naprave počasi pregrevati kar ima vrsto negativnih učinkov. Kot že nekajkrat do sedaj, se tudi tu pokaže kot najbolj občutljiv del omrežja transformator, ki se mu zaradi povišanja temperature slabi dielektrična trdnost izolacijskega olja ter papirne izolacije, s tem pa se mu skrajšuje življenjska doba. Vodniki so na to občutljivi manj, saj je njihova maksimalna temperatura odvisna od meje, ko se ob ohladitvi vrne v prvotno stanje (meja elastičnosti) in torej ne utrpi trajnih deformacij. Naslednja omejitev na katero prav tako ne smemo pozabiti pa je ravno tako povezana s prvo, gre pa za ohranjanje potrebne varnostne višine na okolico pod vodniki. Upad frekvence in napetosti Večina modernih bremen ima izredno majhno toleranco glede nihanja napetosti in frekvence, ki naj bi v Sloveniji znašali čim bližje 50Hz in 400V (efektivna, medfazna). Na težave z nihanjem frekvence smo na veliki večini stare celine že pozabili, saj smo del zelo velikega EES, ki nam z množico elektrarn zagotavlja napajanje tudi ob izpadu katere od večjih enot v Sloveniji. Kljub temu omenimo, da je frekvenca zelo pomemben parameter, saj je z njo povezana prenesena delovna moč, predvsem pomembna pa je s stališča nasičenja transformatorskih jeder. Ob padcu frekvence in ohranjanju 9 Rok Ciglar Razdelilna in industrijska omrežja Okvare in kratki stiki v omrežju 2014/2015 enake efektivne vrednosti napetosti transformatorska jedra hitro preidejo v nasičenje kar ima poleg poslabšanja napetostnih razmer za posledico povečanje histereznih izgub in seveda pregrevanje. Nihanje napetosti v omrežju je sploh na podeželju, kjer omrežje ni tako močno, bolj pogost pojav. Zahtevnejša bremena kot so denimo motorji potrebujejo napetost čim bolj konstantne vrednosti. Moč oz. navor je namreč tesno povezan s priključeno napetostjo in v kolikor ne želimo močno poslabšati navorne karakteristike moramo zagotoviti napetost v bližini nazivne. 10 Rok Ciglar Razdelilna in industrijska omrežja Okvare in kratki stiki v omrežju 2014/2015 Vzroki in pogostost okvar Vzrokov zakaj pride do okvar v distribucijskem omrežju je zelo veliko. Ker je težnja na tem, da se okvare pojavljajo čim redkeje, je bilo v preteklosti narejenih veliko študij, s pomočjo katerih so inženirji dobili informacije, ne le kaj je povzročilo napako, temveč tudi kako pogosto se določena napaka pojavlja. Na podlagi teh raziskav je bilo ugotovljeno, da približno 40% vseh napak izvira iz narave in da človek pri teh nima direktnega vpliva. Glavni vzroki napak so: Drevesa Za večino operaterjev, so napake zaradi dreves najpogostejši vzrok zakaj pride do motenj v omrežju. Obrezovanje dreves je zelo drag postopek in je krhati tudi največji preventivni poseg, ki se izvaja. Hkrati pa je obrezovanje dreves tudi na splošno slabo sprejet s strani prebivalstva, saj le temu ni jasno, čemu je recimo potrebno podreti zdrav 150 let star hrast. Okvare povzročene s strani dreves so: 1. Podrti ali polomljeni stebri 2. Stik dveh faz zaradi vetra, ki posledično z vejo porine eno fazo k drugi 3. Dvopolni kratek stik zaradi padle veje na vodnika V večini primerov obravnavamo napake zaradi polomljenih vej, ki povzročijo dvopolni stik in so le trenutne. Povišan odstotek okvar povezanih z drevesi povezujemo z vremenskimi spremembami (nevihte, veter, sneg, led,…) Vreme in udari strel Prav tako so zraven dreves največji povzročitelj okvar omrežja vremenski pojavi: žled, veter in strele. Odstotek okvar se med nevihtami dramatično poveča, saj je večina stresnih dogodkov, ki takrat vplivajo na vod tako fizično kot električno stresno, in velikokrat tudi presegajo vrednosti, za katere je vod bil načrtovan. Strele v večini primerov ne povzročajo trajnih okvar omrežja, lahko pa tudi. Okoli 5 do 10% okvar zaradi strele je trajnih, saj ta povzroči škodo na opremi omrežja (transformator, odvodniki, izolatorji,….). Distribucijska omrežja nimajo nobene direktne zaščite proti strelam, saj izolacija na distribucijskih vodnikih ne vzdrži tako visokih napetosti. Torej če pride do udara strele v linijski vodnik, je verjetnost pojava napake 100%. Ker udare strele v večini primerov ne povzroči trajne napake, se za zaščito uporabnikov (zraven odvodnikov) uporabljajo odklopniki, kateri se ob udaru razklenejo in se po nekaj trenutkih ponovno sklenejo.
11 Rok Ciglar Razdelilna in industrijska omrežja Okvare in kratki stiki v omrežju 2014/2015 Živali Zelo pogosto so za okvare na distribucijskem omrežju krive živali. Izmed vseh živali, presenetljivo največ škode ne naredijo ptice, pač pa veverice. Ker se njihov življenjski prostor nahaja v sub urbanih območjih, kjer je veliko distribucijskih mrež, so ravno zato veverice glavni krivec pri izpadih. Analize so celo pokazale, da je okvar zaradi veveric vedno več, saj se zaradi pogozdovanja širi njihov življenjski prostor. V glavnem se za zaščito pred živalmi uporabljata dva načina: 1. Zaščitna ohišja 2. Kriti svinčeni vodniki Oba posega sta v splošnem ocenjena kot dobra kar se tiče reduciranja anomalij, nastalih zaradi živali. Je pa kar tudi nekaj pripomb s strani operaterjev, saj naj bi predvsem zaščitna ohišja preprečevala vpogled na stike in ne dopušča analize s termično kamero. Zraven zgoraj naštetih posegov lahko okvare zmanjšamo tudi z rednim obrezovanjem dreves, lociranjem kraja napake in identificiranjem krivca ter preprečevanjem križanja vodnikov. Napake na opremi Napake na opremi (transformatorji, kondenzatorji, izolatorji,…) povzročajo okvare. Ko pride do okvare na opremi, se večina primerov končna s kratkim stikom in le redko z odprtimi sponkami. V večini primerov do okvare pride na transformatorjih in sicer zaradi staranje izolacije. Vzrokov, da se izolacija stara hitreje kot je predvideno so predvsem ne nazivna obratovalna stanja, oziroma preobremenitve, katere povzročijo, da se temperatura znotraj transformatorja dvigne nad normalno. Drugo Med ostale vzroke okvar štejemo: 1. Avtomobilske nesreče 2. Dotiki žerjavov ali lestev 3. Zapleti balonov 4. Itd… 12 Rok Ciglar Razdelilna in industrijska omrežja Okvare in kratki stiki v omrežju 2014/2015 Za te vzroke nimamo predpisanih pravil, kako jih opraviti. Največ kar lahko naredimo je, da javnost ozaveščamo pred nevarnostmi visoke napetosti. Pogostost okvar Pomemben parameter pri odkrivanju vzrokov okvar je katere okvare se najpogosteje pojavljajo, ter kakšne posledice nosijo. Spodnja dva grafa prikazujeta rezultate analize, katero je v osemdesetih opravil inštitut EPRI (Eletric power reserch institute) s pomočjo 13 operaterjev na več kot 50 distribucijskih omrežjih. 13 Rok Ciglar Razdelilna in industrijska omrežja Okvare in kratki stiki v omrežju 2014/2015 Preprečevanje okvar Ker so okvare vzroki za motnje pri dobavi električne energije je logično, da če zmanjšamo število okvare, bo posledično tudi manj moten, s tem pa se bo povečala kvaliteta in zanesljivost sistema. Kot smo že omenili v poglavju vzroki in pogostosti napak, lahko okvare zmanjšamo na več načinov: •
Obrezovanje dreves •
Zaščita živali •
Varovanje odklopnikov •
Zaščita vodnikov •
Zemeljski kabli •
Lociranje in zamenjava slabe opreme •
Redni pregledi s pomočjo infrardeče tomografije Eden izmed načinov kako zmanjšati napake je, da odkrijemo kjer se napaka pogosto pojavlja ter kaj je vzrok te napake. Seveda je to dokaj enostavno, če imamo trajne napake in je mesto ter vzrok okvare več kot očiten. Te lahko glede na okvaro kategoriziramo in si s tem pomagamo, da ugotovimo kakšna vzdrževalna dela je treba opraviti. Ta način sledenja okvar se splača, saj dobimo informacijo kje je največji potencial da pride do napake in s tem preprečimo okvaro. Veliko težje je slediti napakam ki imajo trenutni karakter. Zaradi delovanja avtomatskih stikalnih elementov se po napaki električna povezava ponovno vzpostav, in lahko se zgodi da operater niti ne opazi da je do napake sploh prišlo. Najpomembnejši deli niso najnujneje deli, kjer je napak na kilometer voda največ, pač pa je število porabnikov in vrsta porabnikov tisto merilo, ki šteje kateri deli omrežja morajo biti kar se da dobro varovani. Veliko okvar se da tudi predvideti, zato se lahko izurijo posebne ekipe delavcev, ki nato preverjajo omrežje in locirajo kritične točke, kjer bi lahko prišlo do okvare.
14 Rok Ciglar Razdelilna in industrijska omrežja Okvare in kratki stiki v omrežju 2014/2015 Vprašanja in odgovori 1. Kakšne okvare lahko nastanejo v omrežju? V omrežju se pojavlja veliko različni okvar. Ena izmed delitev okvare kategorizira glede na njihovo trajanje. To so trenutne in trajne okvare. Znotraj teh se pa delimo okvare glede na tip, in sicer kratki stiki, prenapetosti, preobremenitve in upad frekvence ter napetosti. 2. Kaj je njihov vzrok? V večini primerov je vzrok za nastanek okvar in posledično kratkih stikov narava. Tipični primeri so udar strele, veter, sneg, led, dotik drevesa, živali itd,… 3. Kako pogoste so? Pogostost napak je zelo težko določiti, saj vidimo da jih je večina odvisnih od vremena. Obstajajo pa neki podatki, ki nam podajajo kako pogosto pride do okvar na notranjih okvarah omrežja. Rezultati analiz so podani v spodnji tabeli. Element Razmerje napak na leto Podeželje Mesto Transformatorji 0,0271% 0,0614% Stikala 0,126% 0,0775% Varovalke 0,45% 0,374% Kondenzatorji 1,05% 0,85% Odklopnik 1,50% 1,44% Regulator napetosti
2,88% / Vodniki 1,22/100 mi 1,98/10 mi
4. Kako jih lahko preprečimo oziroma odpravimo? Načinov kako lahko preprečimo oziroma odpravimo okvaro, je enako veliko ali celo več kot okvar samih. Nekaj teh sem naštel v poglavju o preprečevanju okvar. 15 Rok Ciglar Razdelilna in industrijska omrežja Okvare in kratki stiki v omrežju 2014/2015 Naloga S pomočjo interneta in literature raziščite, kako pogosto se pri nas izvaja preventivno čiščenje daljnovodnih tras, ter kdo to izvaja? 16 Rok Ciglar Razdelilna in industrijska omrežja Okvare in kratki stiki v omrežju 2014/2015 Viri •
Eletric power distribution handbook, T.A. Short, CRC Press •
Eletric Distribution systems, Abdelhay A Sallam, OM P. Malik; A John Wiley & Sons, INC., Publication •
Eletric power distribution system engineering, Turan Gonen 17 Rok Ciglar