14: Poruchové stavy

sítě TN, TT, TI přepětí, povaha vzniku, účinky, ochrana před účinky přepětí Ferantiho jev, přirozený výkon vedení, korona, opatření zkrat, vznik, průběh, následky, opatření

sítě TN, TT, TI 1) Rozdělení sítí ss/stř, počet vodičů, barevné značení, 2) Vysvětli význam písmen T/I, T/N, C S  C/S3) Síť TN - Jaké je zapojení fázových ( L ), pracovních ( N ) a ochranných vodičů

( PE ) u elektrických zařízení jednofázových a třífázových (s pracovní nulou a bez)4) Síť TT Jaké je zapojení fázových ( L ), pracovních ( N ) a ochranných vodičů ( PE ) u

elektrických zařízení jednofázových a třífázových (s pracovní nulou a bez) Zemnění samostatné a skupinové

5) Síť IT Jaké je zapojení fázových ( L ), pracovních ( N ) a ochranných vodičů ( PE ) u elektrických zařízení jednofázových a třífázových (s pracovní nulou a bez)

Přepětí, povaha vzniku, účinky, ochrana před účinky přepětí

Ferantiho jev, přirozený výkon vedení, korona, opatření

6) Definice přepětí, podpětí a nadpětí, 3 skupiny ( Atm, Prov (FJ, ZS), Zot.nap. )7) Atmosférické přepětí. Statistika, průběh, hodnoty, ochrana před přímým ůderem

blesku, a před předpětím.8) Provozní přepětí – Ferantiho jev, definice, schéma vedení , fázorový diagram, opatření

k potlačení Ferantiho jevu9) Provozní přepětí - zemní spojení. Síť možného výskytu, fázorový diagram, opatření

k omezení nepříznivých jevů10) Zotavené napětí, definice, vzorec11) Přirozený výkon vedení, definice, hodnota impedance zátěže pro přirozený výkon,

vzorec pro výpočet přirozeného výkonu.12) Korona. Popis, projevy, jak se jí čelí.

zkrat, vznik, průběh, následky, opatření

13) Zotavené napětí, definice, vzorec14) Zkrat, definice, (bezodporový – odporový) příčiny, druhy zkratů (počet zasažených

fází, následky15) Průběh zkratového proudu, grafické znázornění, jednotlivé složky.16) Definice proudových hodnot Iku, Iko, Ike, ika, In, Ikm, Ikv17) Popis postupu výpočtu zkratových proudů metodou poměrných hodnot v soustavě vn

a v soustavě nn18) Opatření k omezení zkratových proudů.

Rozdělení elektrických rozvodných sítí upravuje norma ČSN 33 2000-3.

Podle pracovních vodičů máme sítě střídavé a stejnosměrné, které se dále dělí následovně.

StřídavéJednofázové

- 2vodičové

- 3vodičové

Dvoufázové

- 3vodičové

- 5vodičové

Třífázové

- 3vodičové

- 4vodičové

Stejnosměrné2 vodičové

3 vodičové

Podle způsobu spojení se zemí se označují dvou až čtyřpísmenným kódem (např. TT, TN-C, TN-S,…).

1. Písmeno - Vztah sítě a uzemnění

- T – Spojení jednoho bodu sítě se zemí

- I – Síť oddělená od země, případně spojení

jednoho bodu sítě se zemí přes velkou impedanci

2. Písmeno – Vztah neživých částí elektrických

zařízení a uzemnění- N – přímě spojení neživých částí EZ s uzemněným bodem

sítě (obvykle střed zdroje)

- T – Nepřímé spojení neživých částí EZ s uzemněným

bodem sítě zpravidla nezávislým zemničem

Další písmena (nemusí být) – Uspořádání středního a

ochranného vodiče

- S – Ochranný vodič PE je veden odděleně od pracovních

vodičů

- C – Funkci ochranného a středního vodiče v sobě slučuje

jediný vodič PEN

Sítě TNSítě TN patří k nejběžnějším sítím v ČR. Neživé části elektrických zařízení jsou spojeny prostřednictvím ochranného vodiče s jedním uzlem sítě, který je uzemněn.

Podle uspořádání středního a ochranného vodiče dělíme tyto sítě následujícím způsobem takto:

TN - S v celé síti je ochranný vodič veden odděleně (S – Separated , Separé )

TN - C funkce středního a ochranného vodiče jsou sloučeny do jednoho vodiče (PEN vodič C –

Combined, Combiné)

TN - C - S v části sítě jsou funkce středního a ochranného vodiče sloučeny do jednoho vodiče (PEN

vodič), v další části sítě jsou střední a ochranný vodič vedeny odděleně a již nesmí být vzájemně

spojovány.

Síť TN - SStřední vodič (N) a ochranný vodič (PE) jsou v celé síti vedeny odděleně

Síť TN - CFunkce ochranného a středního vodiče je sloučena (PEN)

TN - C - S V první části sítě je funkce ochranného a středního vodiče sloučena (PEN), ve druhé části je vodič

PEN rozdělen na ochranný (PE) a střední vodič (N), místo rozdělení má být přizemněno

Sítě TTSíť TT má jeden bod přímo uzemněný a neživé části připojených elektrických zařízení jsou v této síti spojeny se zemí zemniči nezávislými na uzemnění sítě.

Síť TTNeživé části elektrických zařízení jsou zemněny nezávisle na uzemnění sítě, první spotřebič

samostatně, zbývající dva skupinově

Sítě ITSíť IT má všechny živé části izolovány od země nebo jeden uzel spojený se zemí přes velkou impedanci. Neživé části připojených elektrických zařízení jsou spojeny se zemí uzemněním, a to jednotlivě nebo po skupinách.

Síť IT

Síť může být zcela oddělena od země, nebo mít jeden uzel zdroje spojen se zemí přes velkou impedanci (zde střední vodič). Neživé části elektrických zařízení jsou zemněny

Stejnosměrné sítěV zásadě je možná realizace stejnosměrných sítí TN, TT i IT, obdobně jako u sítí střídavých. Níže jsou uvedeny ilustrativní příklady s uspořádáním TN-S a TN-C.

Stejnosměrná síť TN - S (d.c.)

Ochranný vodič (PE) je veden zvlášť. Střední vodič (M) může, ale nemusí být vyveden

Stejnosměrná síť TN - C (d.c.)

Střední vodič (M) plní zároveň funkci ochranného vodiče (PEM)

Přepětí

Přepětí je napětí, které je vyšší než jmenovité napětí. Je-li však napětí v povelené toleranci (± 5% nn a ± 10% vn) hovoříme o úbytku napětí a podpětí (-) nebo o nadpětí (+).

O přepětí hovoříme tedy tehdy platí-li UU (N )> 1,1

Přepětí rozdělujeme na - atmosférické (blesk, indukovaný náboj, kosmické ⇐ sluneční bouře) - provozní (např. Ferrantiho jev, zemní spojení) - zotavené napětí (na el. přístrojích při přerušení proudu)

Vznik přepětí

Atmosférické přepětí na vedení

Atmosférické přepětí vzniká při úderu blesku do vedení nebo v jeho blízkosti. Další případ je elektrostatická indukce podél vedení. Tato přepětí ohrožují hlavně venkovní vedení. Na Zemi udeří každou sekundu přibližně 100 blesků. V ČR bylo změřeno, že do 100 km vedení udeří ročně 30 blesků.

Délka trvání atmosférického výboje je do 100 mikrosekund. Elektrostatickou indukcí vznikají ve vedení náboje, které se od místa úderu šíří na obě stany. Velikost napětí se může pohybovat do 300 kV. Zpravidla jsou však menší, okolo 20 kV.Ochrana před přímým úderem blesku – hromosvodové lano natažené nad vedením.

Ochrany proti přepětí (svodiče přepětí) – jednofázové, zapojují se mezi fázi a zem.

Ochranná jiskřiště – nejjednodušší svodič přepětí (při přepětí vytváří přechodné spojení se zemí).

Průrazky – k ochraně vedení nn před vniknutím vn (po proražení se zničí).

Bleskojistky - Bleskojistka je prvek určený k ochraně elektrických zařízení a přístrojů před vysokými přechodnými přepětími a pro omezení doby trvání a velikosti následného proudu. Zejména omezuje přepětí atmosférického původu, avšak může selhat při zdolávání pomalejších jevů spínacích pro které se výhodně uplatní koordinační jiskřiště. Bleskojistka tedy působí jako dokonalý elektrický ventil, který se bez časového zpoždění otevírá při nebezpečném přepětí. V činnost se uvede po dosažení tzv. zapalovacího napětí a svede přepěťovou vlnu k zemi – spojí na chvíli vedení nakrátko. Hlavní části: jiskřiště s napěťově závislými odpory v sérii v dutém porcelánovém válci. Když je při velkém přepětí proud bleskojistkou tak velký, že by hrozilo její zničení, utrhne se vnitřním přetlakem její lehce přiletované dno, a odporové kotouče a jiskřiště vypadnou na zem.

Vyfukovací bleskojistka (Torokova trubice) má horší vlastnosti, neboť má omezenou schopnost zhášet následný proud a může vyvolat zkrat v síti a způsobuje vlnu se strmým poklesem. Je tvořena trubkou z tvrdé gumy, ve které vzniká při dosažení zapalovacího napětí oblouk. Oblouk způsobí částečné spálení vnitřního povrchu gumové trubice doprovázené prudkým vývojem nevodivých plynů, jež unikají velkou rychlostí spodním otvorem bleskojistky a vyfouknou oblouk, který zhasne. Používají se zejména pro ochranu vedení vysokého napětí a musí se po určitém počtu přeskoků vyměňovat.

Provozní přepětí

Provozní přepětí vzniká při provozování ES. Přepětí vzniká při zemních spojeních, zkratech, při zapínání a vypínání vypínačů a odpojovačů a při provozování vedení vvn naprázdno (Ferrantiův jev).

Zotavené napětí

Zotaveným napětím nazýváme takové napětí, které se objeví mezi vypínačem a sítí bezprostředně po přerušení proudu mezi kontakty vypínače. Přepětí vzniká vždy když výkonový vypínač nebo odpojovač přetrhne (odpojovač jen malý kapacitní) oblouk v jiném okamžiku, než v nule proudu.

Velikost zotaveného napětí vychází ze vztahu Ui = L* dI/dt

L - indukčnost vypínaného obvodu.

dI/dt - změna proudu během velmi malé časové jednotky.

Ferantiho jev - je jev, který způsobuje, že napětí na konci vedení v   chodu naprázdno (bez zatížení) nebo při malém zatížení ve srovnání s   přirozeným výkonem je vyšší než na jeho začátku. U vedení s délkou 1000 km lze za těchto poměrů počítat až s dvojnásobným napětím na konci proti napětí na jeho začátku.Je způsoben dílčími a dílčími kapacitami mezi vodiči a zemí, kterými protéká kapacitní (nabíjecí) proud úměrný napětí a celkové kapacitě vedení.

Opatření:

Nejvíce se tento jev projevuje u dlouhých vedení vvn. Aby se zabránilo vzniku přepětí, zapojují se na konci vedení při chodu naprázdno synchronní kompenzátory (podbuzené synchronní motory) nebo velké reaktory, které odebírají ze sítě jalový indukční (magnetizační) proud.

Postup: dáno R,X,B, známe I2 = 0; U2f. Do grafu naneseme U2f, I1 = IB U2f

vypočítáme UR/2 a UX/2; UR/2 = R/2 * I1(B); UX/2 = X/2 x I1(B); UR/2 I1; UX/2 IB

Spojením s počátkem získáme U1f. Z diagramu je patrné, že U1f na začátku vedení je při chodu naprázdno menší než U2f na konci vedení.

Nejvíce se tento jev projevuje u dlouhých vedení vvn. Aby se zabránilo vzniku přepětí, zapojují se na konci vedení při chodu naprázdno synchronní kompenzátory (podbuzené synchronní motory) nebo velké reaktory, které odebírají ze sítě jalový indukční (magnetizační) proud.

Přirozený výkon vedení – elektrický výkon, při jehož přenosu se rovná energie magnetického pole vedení energii jeho pole elektrického. V kapacitě vedení se mění periodicky kapacitní jalová

elektrická energie na energii elektrického pole. W E=

12CU 2

. V indukčnosti vedení se střídavě

mění indukční jalová elektrická energie na energii magnetického pole. WM= 1

2LI 2

PP=U 2

ZVZV=√ XKBK = √ LC , kde ZV (vlnová impedance) se rovná impedanci zátěže na

konci vedení. (ZV venkovních vedení = 300–350 ; ZV kabelových vedení = 35–45)

Když se vedením přenáší výkon větší než přirozený, je napětí na konci menší než na začátku.

Když se přenáší výkon menší než přirozený, je napětí na konci vedení větší než na začátku.

Při přenosu přirozeného výkonu se napětí na konci a na začátku rovnají.

Koróna znamená v elektrotechnice samostatný doutnavý výboj , vznikající na silně zakřivených elektrodách (vodičích) při překročení počátečního napětí , tj. napětí, při kterém výboj začíná být samostatný a nově nabité částice se tvoří nárazovou ionizací. Počáteční napětí závisí na hladkosti povrchu a poloměru zakřivení vodiče a na atmosférických podmínkách (tlak vzduchu, vlhkost vzduchu a pod.).

Koróna se projevuje slyšitelným praskáním a viditelným výbojem - modro-fialově slabě svítící vrstvou.

Vznik koróny na elektrických vedeních velmi vysokého napětí způsobuje energetické ztráty, rušení rozhlasu, korozi vodičů. Ztráty korónou jsou úměrné čtverci rozdílu provozního napětí a počátečního napětí koróny.

Koróně se čelí

- Použitím vodičů větších průřezů a svazkových vodičů.

- Napětím při kterém koróna nevzniká.

- Omezenim hrotů představujícím elektrody na živých částech.

+ V případě vzniku přepětí na vedení, koróna účinně tlumí přepěťovou vlnu.

Počáteční napětí koróny je možno vypočítat pro jednoduché konfigurace elektrod, výpočet však platí pro absolutně hladké elektrody daného tvaru zbavené nečistot, jinak bude hodnota napětí nižší.

Zemní spojení V sítích provozovaných s izolovaným uzlem nazýváme vodivé spojení jedné fáze se zemí zemním

spojením. Zásadní rozdíl mezi zkratem a zemním spojení je v tom, že zkratový proud je několikanásobně větší než proud provozní a má indukční charakter. V místě zemního spojení prochází pouze malý proud kapacitního charakteru, který je nezávislý na vzdálenosti od zdroje.

Nastane-li zemní spojení, je možno vedení dočasně provozovat dále do doby, než bude zemní spojení nalezeno a odstraněno. Při zemním spojení stoupne napětí na nepostižených fázích z fázové hodnoty na hodnotu sdruženou a napětí středu transformátoru (S) stoupne při zemním spojení z nuly na hodnotu fázového napětí.

Zkrat (definice)

Je bezodporové spojení dvou míst s různým potenciálem.

Zkraty – bezodporové např. spojení dvou fází

- odporové (např spadlá větev)

Příčiny

Porucha izolace způsobená přepětím

Přímý úder blesku

Stárnutí izolačních materiálů

Přímé poškození venkovních izolací a kabelů

Druhy zkratu

- trojfázový zemní- dvoufázový zemní- jednofázový zemní- trojfázový - dvoufázový

Následky zkratů:

Tepelné účinky ( Poškozená izolace, požár)

Dynamické účinky, mechanické poškození

Pokles napětí s soustavě

Přepětí (Zotavené napětí při vypínání zkratu, až pětinásobek jmenovité hodnoty napětí.)

u symetrického zkratu: Iks = Iku ( efektivní hodnoty )

Iku – ustálená složka zkratového proudu ( efektivní hodnota )

Iks – počáteční rázový zkratový proud ( efektivní hodnota )

Ike – ekvivalentní oteplovací zkratový proud ( efektivní hodnota )

ika - stejnosměrná složka zkratového proudu

IN – provozní proud do okamžiku zkratu ( efektivní hodnota )

Ikm – nárazový zkratový proud ( dynamický, maximální hodnota )

Ikv – vypínací zkratový proud ( efektivní hodnota v době vypínání )

U symetrického zkratu

Iks (t) = √2 *Ike * sin (ω*t) Ike = UZ (k)

ika - stejnosměrná složka zkratového proudu

i ka = I ka max *e−tTa Ta = LR

Postup výpočtu zkratových proudů

Školní příklad: Alternátor Sn = 105MVA, Un = 6,3 kV, xs = 0,10

TR 1 : Sn = 160 MVA, 6,3 /22 kV , Uk = 0,15

Vedení l = 4 km, doba trvání zkratu 0,5 s

X1= 0,0952 , x2 = 0,0938, x3=0,2647, xv = 0,4537

K respektuje zatížení alternátoru, zpravidla 1,1

V soustavě nn nelze zanedbat činnou složku zkratového proudu. V části vn uvažujeme pouze reaktance, v části nn se uvažují reaktance i činné odpory vedení. Obě složky se počítají samostatně. Na konci vedení se určí výsledná reaktance, výsledný činný odpor a z trojúhelníku spočítáme impedanci. (poměrné hodnoty)

Reaktance venkovního vedení

Reaktance kabelů

Řešení v soustavě nn:

1. Volba vztažného výkonu, vztažné napětí 0,4 kV2. Přepočet reaktancí na vztažný výkon3. Určení parametrů kabelu4. Výpočet celkové přepočtené reaktance a odporu5. Výpočet celkové impedance6. Počáteční rázový zkratový výkon7. Počáteční rázový zkratový proud8. Nárazový (dynamický) zkratový proud9. Ekvivalentní oteplovacé proud10. Kontrola průřezu – určení konstant11. Výpočet minimálního průřezu, závěr.

Výpočet minimálního průřezu venkovního nebo kabelového vedení na oteplení,

Smin = Ike∗√ tkK [ mm2 ]

I ke ekvivalentní oteplovací proud dosazujeme v ampérech (nikoli kA jako v předcházejícím počtu.

tk doba vypnutí zkratu [ s ]

Kontrola na dynamické účinky:

Pro každé elektrické zařízení je definován dynamický zkratový proud I dyn.

Musí platit I dyn > Ikm.

Omezení zkratových proudů 1. zamezení vzniku zkratu - použití zapouzdřených rozvoden (jednofázové zapouzdření)

2. omezení zkratových proudů • zvětšením zkratové impedance - použitím transformátorů s větší impedancí - použitím reaktorů • zmenšením výkonu zdrojů - podélné dělení přípojnic - příčné dělení přípojnic

Omezení zkratového proudu reaktorem Je-li hodnota předpokládaného zkratu v nějakém místě tak velká, že energetické zařízení na něj

není dimenzováno je nutné zkratovou impedanci zvětšit. Používáme k tomu cívky, které nazýváme tlumivky nebo častěji reaktory. Zařazením reaktoru vzroste zkratová impedance. Na obrázku A vlevo by byl případný zkratový proud omezen jen reaktancí generátoru a transformátoru. Na obrázku B vpravo je navíc omezen ještě reaktancí reaktoru. Podélné a příčné dělení přípojnic Tento způsob omezení zkratového proudu se používá v případě napájení zkratu z více zdrojů. Na obrázku C je zkratový proud největší, na obrázku D a E je poloviční.