TEHNIKO VELEUILITE U ZAGREBUPOLITEHNIKI STRUNI SPECIJALISTIKI STUDIJ SPECIJALIZACIJA ELEKTROTEHNIKA

KONSTRUKCIJSKI RADOdvodnici prenapona

Kolegij: SKLOPNI APARATI

SADRAJ: UVOD..........................................................................................................................21. PRENAPON.............................................................................................................3 1.1 Podjela prenapona i njegove znaajke................................................................3 1.1.1 Unutranji prenapon.........................................................................................3 1.1.2 Vanjski prenapon.............................................................................................4 1.2 Karakteristike prenapona....................................................................................42.ODVODNICI PRENAPONA......................................................................................6 2.1 Openito.............................................................................................................6 2.1.1 Klasini odvodnici prenapona ( sa iskritem ) ........................................................6 2.1.2 Metal-oksidni odvodnici prenapona ( bez iskrita ) .................................................8 2.2 Princip djelovanja..............................................................................................103. PRORAUN KARAKTERISTIKA I IZBOR TIPOVA ODVODNIKA .......................12 3.1 Izbor odvodnika u RH.......................................................................................13 3.2 Kontrola energetske podnosivosti.....................................................................154. UGRADNJA ODVODNIKA PRENAPONA..............................................................175. IMBENICI KOJI UTJEU NA DEGRADACIJU ODVODNIKA ...........................196. ZAKLJUAK...........................................................................................................207. LITERATURA.........................................................................................................21

UVOD Bilo na poslu ili u kui, naa ovisnost elektrinim i elektronikim ureajima postaje sve vea. Informacijske mree u poslovanju, ustanove za pruanje pomoi poput bolnica ili vatrogasaca, ivotno su vane veze za neometanu razmjenu informacija stvarnom vremenu. Osjetljivi podaci, npr. iz banaka ili medijskih kua zahtijevaju siguran prijenos. Skrivenu opasnost za ove instalacije ne ine samo izravni udari munja. U dananje vrijeme znatno ee nastaju oteenja na elektronikim pomagalima zbog prenapona, koji su uzrokovani atmosferskim pranjenjima ili sklopnim procesima ukljuivanja elektrinih sustava. I tijekom oluja dolazi do kratkoronog oslobaanja velike koliine energije. Prenaponi mogu preko razliitih elektrinih spojeva prodrijeti u graevinu i uzrokovati znatna oteenja. Direktne tete koje esto iznose vie od desetak tisua eura, zanemarljivo su male u odnosu na indirektne tete upada prenapona zbog unitenja podataka sadranih u raunalima, kao tete zbog prestanka rada tehnolokih instalacija. Svi inducirani prenaponi i svi transportirani prenaponski valovi i valovi struja kratkog spoja predstavljaju primarnu prijetnju izolaciji niskonaponskih prijemnika, niskonaponske opreme, instalacije i opreme malog napona kao i osjetljive elektronske opreme za upravljanje i komunikaciju. Zbog toga je cijeli tehniki razvijeni svijet, zatitu skupocijenih i nezamjenjivih instalacija i opreme od prodora prenapona u njih, rijeio na odgovarajui nain: postavljanjem dovoljnog broja i odgovarajuih vrsta odvodnika prenapona.

1. PRENAPON Prenapon je napon koji se u elektrinim mreama kratkotrajno pojavljuje izmeu dva vodia ili izmeu pojedinih vodia i zemlje, a kojemu je vrna vrijednost vea od vrijednosti pogonskoga (nazivnoga) napona mree. U mreama i ureajima, prenapon moe uzrokovati proboj izolacije, smetnje ili kvarove u elektronskim ureajima te dulje prekide u dobavi elektrine energije.Kao zatita protiv munje na dalekovodima slui dozemna uad, a u elektrinim se mreama provodi i tzv.koordinacija izolacije,kojom se postie da se proboj izolacije, kada se ve ne moe sprijeiti, dogodi na jeftinijim i lako zamjenljivim ureajima sa slabijom izolacijom. Kao opa zatita protiv prenapona primjenjuju seodvodnici prenapona.1.1 PODJELA PRENAPONA I NJIHOVE ZNAAJKE

Prenapon moemo podjeliti u dvije glavne skupine:

Unutranji prenapon Vanjski prenapon

1.1.1 Unutranji prenapon

Unutranji prenaponstvara se u samoj elektrinoj mrei zbog prijelaznih pojava koje nastupaju npr. pri uklapanju i isklapanju dijelova mree, pri kratkom spoju, pri proboju izolacije i zbog pojave rezonancije. Iznos takva prenapona moe biti nekoliko puta vei od iznosa pogonskoga napona.Unutranji prenaponi se dijele prema uzroku na:

sklopne ili komutacione prenapone (nastale radom rasklopne opreme) traju od dijelova periode industrijske uestalosti do nekoliko perioda industrijske uestalosti. Njihova uestalost varira od nekoliko stotina Hz do nekoliko desetina kHz. Poseban tip ultrabrzih sklopnih prenapona nastaje pri operacijama rastavljaima, kada dolazi do viestrukih paljenja i gaenja elektrinog luka pri ukljuivanju ili iskljuivanju malih kapacitivnih struja.

privremene ili povremene prenapone (nastale usljed zemljospojeva, rezonanse, ferorezonanse, naglog rastereenja) imaju trajanje due od atmosferskih i sklopnih prenapona. Njihovo trajanje je od nekoliko perioda napona industrijske uestalosti do nekoliko sati. Obino nisu puno vii od najvieg napona mrea. U pravilu ne ugroavaju izolaciju opreme, ve mogu izazvati probleme u radu pojedinih aparata kao to su odvodnici prenapona ili naponski mjerni transformatori.

1.1.2 Vanjski prenapon

Vanjski (atmosferski) prenapon pojavljuje se najee zbog izravnog udara munje u vodove, to je praeno velikim strujama (40 do 150kA) i vrlo visokim udarnim naponima (0,8-6MV). Prenapon u elektrinim mreama moe nastati i pri elektrinom pranjenju oblaka na bliskim objektima ili u atmosferi, jer se tada u elektrinom vodu oslobaa znatna koliina prethodno influencijom prikupljenog elektriciteta. Taj se naboj kao udarni strujni (putujui) val iri prema jednom i drugomu kraju elektrinoga voda, reflektira na njegovim krajevima i ravama te stvara visoke prenapone. Osim zbog munje, u zranim mreama niskoga napona i zranim telekomunikacijskim vodovima prenapon moe nastati i onda kada se vodi visokoga napona na krianju s visokonaponskim vodom prekine i doe u dodir s vodiem niskoga napona, kada s bliskim vodovima visokoga napona postoji zajedniko ili blisko uzemljenje, a i zbog induktivnog, odnosno kapacitivnoga djelovanja bliskoga visokonaponskog voda na niskonaponski vod.

2.1 KARAKTERISTIKE PRENAPONA

Osim pogonskog napona u nekoj mrei pojavljuju se i prenaponi koji mogu dostii znatne iznose. Svaka vrsta prenapona napree izolaciju na poseban nain. Na slici 1. suprikazani prenaponi prema iznosu i duini trajanja.To su: Najvii pogonski napon - izraen kao efektivna vrijednost odgovarajueg naponskog nivoa Privremena povienja napona Prelazni prenaponi: Polaganog porasta ela (sklopni prenaponi) Brzog porasta ela (atmosferski prenaponi) Vrlo brzi (VFT- very fast transient )

Slika 1. Klasifikacija prenapona prema trajanju i faktoru prenapona

NaordinatijedatfaktorprenaponaKp, koji se daje u odnosu na faznu vrijednost maksimalnog napona, tj.

gdje je:Umax- amplituda prenapona,U- efektivnavrijednostpogonskognapona(linijskinapon)

Sklopni, atmosferski i ultra brzi prenaponi imaju prelazni karakter. Oni dostiu amplituduposlijekratkogvremena,nakon ega se priguuju ili nestaju. Atmosferski prenaponi, koji imaju najviu amplitudu, ujedno i najkrae traju, dok privremeni prenaponi, koji traju dugo, imaju amplitudu neto viu od najvieg napona mree. S druge strane, izolacija moe kratkotrajno podnjeti vie prenapona, dok prenaponi dueg trajanja mogu otetiti izolaciju ak iako su nie amplitude. U mreama najviih napona, gdje su izolacijski zrani razmaci dugaki, preskoni napon pokazuje najniu vrijednost pri trajanju prenapona koji odgovara sklopnim prenaponima. Kod prenapona dueg trajanja dolazi do izvjesnog povienja preskonog napona, dok kod atmosferskih prenapona kratkog trajanja dolazi do izrazitog povienja prekonog napona.

2. ODVODNICI PRENAPONA1. 2.1 OPENITO

Odvodnici prenapona su ureaji koji tite energetske transformatore i ostalu skupocjenu opremu u postrojenju od prenapona. Spojeni su u paralelu sa opremom koju tite kako bi preusmjerili struju koja se javlja prilikom prenapona. Najee se prikljuuju izmeu faznih vodia i zemlje, obino na ulazu u rasklopno postrojenje, a posebno ispred transformatora. Ponaaju se kao nelinearni otpori, iji se iznos mijenja u zavisnosti od veliine narinutog napona. Odvodnici prenapona osim amplitude nailazeeg naponskog vala smanjuje i njegovu strminu.Prema konstrukciji, suvremeni odvodnici prenapona se mogu podijeliti u dvije osnovne skupine:

Sicilij-karbidni ili klasini odvodnici prenapona ( sa iskritem ) Metal oksidni ili cink-oksidni odvodnici prenapona ( bez iskrita )

1. 2. 3. 3.1 2.1.1 Klasini odvodnici prenapona ( sa iskritem )

"Klasini" ventilni odvodnik prenapona s iskritem se i danas esto susree u postrojenjima. Sastoji se od : serijski povezanih otpornika izraenih od silicium karbida (SiC odvodnici) iskrita (nalaze se u izolacionom materijalu od kojeg je sastavljen otpornik odvodnika). Kada se na takav materijal narine visoki napon, stvara se izmeu SiC estica jako elektrino polje, pri emu se prostor izmeu njih ionizira i postaje vodljiv. Uz vei napon biti e jae i polje, kao i ionizacija, koja omoguuje stvaranje vodljivih kanala, tako da vrijednost otpora pada (pri smanjenom naponu slabi elektrino polje, a time i ionizacija oko SiC estica, pa se smanjuju i vodljivi kanali, to djeluje na porast otpora odvodnika).

Slika 2. SiC odvodnik

Proradni napon je napon pri kojem prorauju iskrita odvodnika prenapona. On moe biti izmjenini, istosmjerni i udarni napon. Kod ventilnih odvodnika koji se ugrauju za zatitu postrojenja od 220kV proradni napon mora biti toliko visok da odvodnici ne prorade zbog nailaska unutarnjih prenapona.Pri pojavi prenapona dolazi do preskoka na iskritu odvodnika i napon na izolatorskom lancu je ogranien preostalim naponom odvodnika, koji je nii od preskonog napona izolatora. Energija groma se apsorbira te je izolacijska oprema sigurna. Preostali napon na stezaljkama odvodnika je ogranien nadoputenu razinu zbog nelinearne karakteristike. Nakon prolaska prenapona dolazi do gaenja el.luka na iskritu. Nema potrebe za iskljuenjem prekidaa u postrojenju.

Slika 3. Proces odvoenja prenapona kod SiC odvodnika (proradni napon)

Za izbor klasinog odvodnika vana su dva parametra: Nazivni napon Nazivna odvodna struja

Nazivni napon se bira tako da se zadovolje dva uvjeta:1. Donja granica nazivnog napona najmanje jednaka ili vea od maksimalnog napona koji se moe pojaviti na mjestu ugradnje odvodnika.2. Gornja granica bira se na osnovu koeficijenta zatite k k=Ui/Uzn

Ui podnosivi udarni napon izolacijeUzn udarna zatitna razina odvodnika

2. 3. 3.1 2.1.2 Metal-oksidni odvodnici prenapona ( bez iskrita )

Kod izgradnje novih postrojenja uglavnom se ugrauju MO odvodnici, dok se u starijm postrojenjima nalaze klasini odvodnici. MO odvodnik je izveden od metal-oksidnih blokova za vrlo velikim koeficijentom nelinearnosti.

Slika 4. MO odvodnik

Za razliku od SiC kod MO odvodnika proces odvoenja poinje pojavom prenapona i traje samo za vrijeme trajanja prenapona, a zbog visokog koeficijenta nelinearnosti, za gaenje struje nisu potrebna iskrita. MO nema izolaciju vrlo neugodnih pica napona, te problema povratne struje.

Slika 5. Proces odvoenja prenapona kod MO odvodnika

Zbog ovakve izvedbe, proizlaze i druge prednosti MO odvodnika u odnosu na klasine, a to su: Bolja zatitna karakteristika (nia zatitna razina) Znatno bolja energetska karakteristika. Ovi odvodnici imaju 3-5 puta veu sposobnost apsorpcije energije od SiC odvodnika

Kod klasinih odvodnika, ovi prenaponi na mjestu ugradnje odvodnika, ne smiju prekoraiti nazivni napon odvodnika jer u tom sluaju ne bi dolo do gaenja povratne struje to bi imalo za posljedicu unitenje odvodnika. MO odvodnik moe zbog svojih karakteristika, zavisno od duine trajanja prenapona, uspjeno titi od prenapona ije amplitude prelaze nazivni napon odvodnika.Zatitna karakteristika mu se tijekom vremena uporabe ne mijenja, ve ostaje stabilna, to nije sluaj kod SiC odvodnika. Ima veu zatitnu zonu u podruju atmosferskih prenapona.Mogunost paralelnog rada kod ogranienja sklopnih prenapona, gdje svu energiju odvoenja ne preuzima odvodnik koji prvi proradi kao kod SiC odvodnika, ve odvoenje na sebe preuzimaju ostali odvodnici ugraeni u blizini

Za izbor MO odvodnika vana su tri parametra:1. Trajni radni napon Uc odvodnika prenapona je maksimalno dozvoljena efektivna vrijednost napona nazivne frekvencije koji moe biti trajno primijenjen izmeu prikljuaka odvodnika2. Nazivni napon odvodnika prenapona Ur predstavlja maksimalno dozvoljenu efektivnu vrijednost napona, nazivne frekvencije, ogranienog trajanja (10 s), koji se moe primijeniti izmeu prikljuaka odvodnika prenapona poto je odvodnik apsorbirao dozvoljeni (nazivni) iznos energije3. Nazivna odvodna struja odvodnika prenapona (In) je tjemena vrijednost impulsne (udarne) struje oblika 8/20 s

Konstrukcija Raychemovog odvodnika prenapona:

1. - Metaloksidni otpornici (varistori) 2. Elektrode 3. - Povezna ovojnica od staklenih vlakana 4. - Polimerno kuite otporno na puzne staze

2.2 PRINCIP DJELOVANJA

Za zatitu elektroenergetskih postrojenja, objekata, a posebno transformatora, upotrebljavaju se odvodnici prenapona. Danas redovito koriteni metal oksidni (MO) ili cink oksidovi (ZnO) odvodnici imaju izrazito nelinearnu strujno-naponsku karakteristiku. Keramiki otpornici-varistori sastoje se uglavnom od zrnaca ZnO uz dodatak jo nekih aditiva, poput bizmut-oksida Bi2O3, magnezij-oksida i drugih, ukupno 9 aditiva. U najnovije vrijeme razvijene su posebne izvedbe odvodnika prenapona, kojise postavljaju na nadzemne vodove.Odvodnici prenapona ponaaju se kao nelinearni otpori, iji se iznos mijenja u ovisnosti od veliine narinutog napona. Na slici 7. je prikazana nelinearna strujno-naponska (I-U) karakteristika idealnoga) i nekog realnog b) odvodnika prenapona.

Slika 7. Strujno-naponska (I-U) karakteristika a) idealnog i b) realnog odvodnika prenapona Idealni odvodnik prenapona i uz vrlo velike struje odrava uvijek stalnu vrijednost napona. U praksi to nije mogue ostvariti, ali se svojstva realnih odvodnika nastoje im vie pribliiti idealnim. Odvodnik prenapona osim amplitude nailazeeg naponskog vala smanjuje i njegovu strminu.

3. PRORAUN KARAKTERISTIKA I IZBOR TIPOVA ODVODNIKA

Proraun :Uc, Ur, izbor nazivne odvodne struje te izbor odgovarajuih tipova odvodnika za srednjenaponske mree Un = 35, 20, 10 kV, prikazan je na slijedeim tablicama:Ur nazivni naponUc trajni radni napon

Istaknuti podaci se odnose na reim rada srednjenaponske mree.

Kod mree 35/38kV

Kod mree 20/24kV

Kod mree 10/12kV

Trajni radni napon UC je dozvoljena efektivna vrijednost napona pogonske frekvencije, koji moe biti trajno prikljuen izmeu stezaljki odvodnika.Nazivni napon Ur definira ponaanje odvodnika kod privremenih prenapona TOV (temporary overvoltage). Naime, nazivni napon odvodnika mora biti tako odabran da pri djelovanju privremenih prenapona ne proradi. TOV a) Izolirano zvijezdite, t