potek dela - leon.fe.uni-lj.sileon.fe.uni-lj.si/media/uploads/files/pedagosko delo cepin... · •...

POSTROJI ZA TRANSFORMACIJO IN PRENOS ELEKTRIČNE ENERGIJE

UNI-E-ME

Predavanja2010/2011

Marko Č[email protected]

Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani

Marko Čepin, 2010, Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani 2

Potek dela

• Predavanja

– Zapiski predavanj – lastni zapiski študenta

– Knjiga (prosojnice predavanj)

– Sodelovanje

• Vaje

– Sodelovanje

– Skupine

– Izdelki

• Izpiti: pisni in ustni

– Pogoji za izpit: opravljene in ocenjene vaje, prijava v e-študent, ZNANJE

• Komunikacije:

– govorilne ure so objavljene pred kabinetom: petek, 11:00 – 12:00

– elektronska pošta: ustrezna oblika (zadeva: priimek, predmet), slovnična pravilnost, vedno podpis (ime, priimek, št., podatki o študiju, o predmetu, GSM ali tel. št.)

– Dobiti mailing listo študentov za komunikacijo


Vsebina

• Kratki stiki – teorija in izračuni– Vrste kratkih stikov, časovni poteki

– Metode za izračun: poenostavljene (Steglichova metoda za izračun), s simetričnimi komponentami

• Zgradba in delovanje stikalnih postaj in aparatov– Zbiralčne sheme, dimenzioniranje zbiralk

– Odklopniki, ločilniki, ločilna stikala – vrste, prednosti

• Pregled tem za seminarje in diplome– Teoretične

– Praktične – uporabniški programi

– Praktične – lastno programiranje


Natečaj Reaktor

Navodila za diplomo

Pismo/dopis

E-sporočilo

Ustanovitev podjetja

Uporaba urejevalnika besedila - pravilno

Uporaba programa za urejanje tabel - pravilno

Uporaba programskega jezika

Uporaba uporabniškega računalniškega programa

Uporaba programa za elektronsko pošto


KRATKOSTIČNI TOKOVI, VELIKOST, ČASOVNI POTEK

- Tokovne obremenitve v normalnih obratovalnih stanjih- Tokovne obremenitve v nenormalnih obratovalnih stanjih- Vrste kratkih stikov- Kratki stik na sponkah generatorja v praznem teku- Kratki stik na sponkah obremenjenega generatorja

IZRAČUN IMPEDANC OBRATOVALNIH ELEMENTOV IN KRATKOSTIČNIH IMPEDANC OMREŽJA- Sinhronski stroji, asinhronski stroji, transformatorji, dušilke, zbiralke, kabli, vodi

PRAVILA TRANSFORMACIJE ELEKTRIČNEGA OMREŽJA

IZRAČUN KRATKOSTIČNIH TOKOV

- Tripolni kratki stik – poenostavljena metoda- Izračun kratkostične moči- Izračun delnih prispevkov kratkostičnih moči- Izračun izklopilne moči in toka- Izračun trajnega kratkostičnega toka- Dušilke za omejevanje kratkostičnega toka


Pri dimenzioniranju in izbiri električnih obratovalnih elementov in naprav je potrebno z upoštevanjem predpisov poleg nazivne tokovne obremenitveupoštevati tudi obremenitve, ki se pojavljajo v obliki kratkih stikov.

Kratkostični tokovi se pojavljajo kot mnogokratnik nazivnega toka.

Pri tem se pojavijo velike dinamične in termične obremenitve.

Kratkostični tokovi, ki se zaključujejo preko zemlje lahko povzročajonedopustne napetosti dotika in druge vplive.

Če velikost kratkostičnih tokov pri projektiranju ni upoštevana, lahko privededo uničenja naprav in do nevarnih posledic za ljudi.

Pomembni so tudi najmanjši kratkostični tokovi, na osnovi katerih se izbirajo in dimenzionirajo naprave za zaščito električnega omrežja.

TOKOVNE OBREMENITVE V NORMALNIH OBRATOVALNIH STANJIHNazivne tokovne obremenitve

TOKOVNE OBREMENITVE V NENORMALNIH OBRATOVALNIH STANJIH


Vrste kratkih stikov (simetrični, nesimetrični)

a) tripolni kratki stik (okoli 5% kratkih stikov je tripolnih)b) dvopolni kratki stik brez dotika z zemljo (okoli 5%-15% kratkih stikov je dvopolnih brez dotika z zemljo)c) dvopolni kratki stik z dotikom z zemljo (okoli 15%-25% kratkih stikov je dvopolnih z dotikom z zemljod) enopolni zemeljski stik (okoli 60%-75% kratkih stikov je enopolnih zemeljskih)e) dvojni zemeljski stik (napaki nista na enem mestu)

delni kratkostični

tokovi v vodih in zemlji

RST

I"k3

a)

k2

RST

I"

b)

k2E

kE2Ec)

I"I"

kEE

e)

I"kEEI"k1

d)

I"


Vrste kratkih stikov in lastnosti

Pri trifaznem kratkem stiku so na kratkostičnem mestu vse tri napetosti enake nič.Kratkostični tokovi, ki so med seboj premaknjeni za 120 stopinj, simetrično obremenjujejo vse tri faze

in to ne glede ali je kratkostično mesto povezano z zemljo ali ne. Izračun kratkostičnih tokov je zaradi tega tako kot pri simetričnih obremenitvenih razmerah izveden

samo za en fazni vodnik.Pri ostalih štirih vrstah kratkih stikov je govora o nesimetričnih kratkih stikih. Če nastopa dodatni dotik z zemljo je postopek izračuna bistveno zahtevnejši. V teh primerih niso vse

napetosti na kratkostičnem mestu enake nič. Zaradi nesimetričnih obratovalnih pogojev obstaja medsebojna povezava med zunanjimi vodniki kakor

tudi med zunanjimi vodniki in eventualno obstoječim vodnikom, ki nadomešča zemljo.Pri dvopolnem kratkem stiku brez dotika z zemljo se pojavlja začetni izmenični kratkostični tok, ki je

manjši kot pri tripolnem kratkem stiku. Če nastopa kratkostično mesto v bližini sinhronskega ali asinhronskega stroja odgovarjajoče moči, je

lahko kratkostični tok v njegovem nadaljnjem poteku večji, kot pri tripolnem kratkem stiku.Podobne razmere nastopajo pri dvopolnem kratkem stiku z dotikom z zemljoEnopolni zemeljski stik se pojavlja pogosteje, kot druge vrste kratkih stikov. V omrežjih z nizko ohmsko

ozemljitvijo v zvezdišču lahko tokovi zemeljskega stika presegajo največje vrednosti tripolnih kratkostičnih tokov.

Dvojni zemeljski stik se pojavlja v omrežjih z neozemljenim zvezdiščem ali z zemeljskostičnokompenzacijo. Dvojni zemeljskostični tok ne more biti večji od toka pri dvopolnem kratkem stiku z ali brez dotika z zemljo.

Kratkostični tokovi pri enopolnem kratkem stiku in pri dvojnem zemeljskem stiku morajo biti upoštevani pri ugotavljanju napetosti dotika, pri ugotavljanju vplivov in pri dimenzioniranju ozemljitvenih naprav.


Parametri kratkih stikov

• Vrsta kratkega stika• Trenutek nastopa kratkega stika (odločilno vpliva na največjo

amplitudo kratkostičnega toka)• Prisotnost tokovnega izvora (Sinhronski stroji: e.g. turbogenerator,

stroji z izraženimi poli. Asinhronski generatorji sinhronski in asinhronski motorji ter usmerniške in razsmerniške naprave. Kratkostična moč tujega vira)

• Stanje obremenitve pred nastopom kratkega stika (velika ali majhna)• Trajanje kratkega stika (odvisno od stikalnih in zaščitnih elementov

in naprav)• Karakteristične vrednosti in obnašanje prisotnih obratovalnih

elementov (impedanca omrežja je odvisna od vrste prenosnih elementov: e.g. vod, kabel)

• Parametri potekov električnih veličin (e.g. tok, napetost)


Predpostavke - poenostavitve

• Zanemarjamo vzbujalne toke transformatorjev (ti se navadno zanemarijo tudi v natančnejših izračunih)

• Zanemarjamo ohmske upornosti vodov, transformatorjev, generatorjev ali pa vse impedance smatramo za skalarne veličine

• Zanemarjamo bremena, ker so bremenski tokovi majhni v primerjavis kratkostičnimi

• Napetosti vseh generatorjev smatramo enake po velikosti in fazi• Kapacitivnosti daljnovodov zanemarjamo (pri srednjenapetostnih

omrežjih včasih niso zanemarljive)

S tem lahko računamo tudi z omrežnimi modeli (analizatorji) na enosmerni tok.

Natančnosti računanja so lahko bistveno manjše kot pri izračunavanju parametrov omrežij, če smo le na varni strani negotovih ocen.


ANSI (American National Standards Institute) / IEEE (Institute of Electrical and Electronics

Engineers) Standards • IEEE C37.04, Standard Rating Structure for AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a

Symmetrical Current including Supplements: IEEE C37.04f, IEEE C37.04g, IEEE C37.04h, IEEE C37.04i

• IEEE C37.010, Standard Application Guide for AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current

• IEEE C37.010b, Standard and Emergency Load Current-Carrying Capability

• IEEE C37.010e, Supplement to IEEE C37.010

• IEEE C37.13, Standard for Low-Voltage AC Power Circuit Breakers Used in Enclosures

• IEEE C37.013, Standard for AC High-Voltage Generator Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis

• IEEE C37.20.1, Standard for Metal Enclosed Low-Voltage Power Circuit Breaker Switchgear

• IEEE 399, Power System Analysis – the Brown Book

• IEEE 141, Electric Power Distribution for Industrial Plants – the Red Book

• IEEE 242, IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems – the Buff Book

• UL 489_9, Standard for Safety for Molded-Case Circuit Breakers, Molded-Case Switches, and Circuit Breaker Enclosure


IEC (International ElectrotechnicalCommission) Standards

• IEC 62271-100, High-Voltage Switchgear and Controlgear, Part 100:High-Voltage Alternating-Current Circuit Breakers

• IEC 62271-200, High-Voltage Switchgear and Controlgear, Part 200: AC Metal-Enclosed Switchgear and Controlgear for Rated Voltages Above 1 kV and up to and including 52 kV

• IEC 62271-203, High-Voltage Switchgear and Controlgear, Part 203: Gas-Insulated Metal-Enclosed Switchgear for Rated Voltages Above 52 kV

• IEC 60282-2, High-Voltage Fuses, Part 2: Expulsion Fuses

• IEC 60909-0, Short Circuit Currents in Three-Phase AC Systems, Part 0: Calculation of Currents (including 2002 Corrigendum 1)

• IEC 60909-1, Short Circuit Currents in Three-Phase AC Systems, Part 1: Factors for the Calculation of Short Circuit Currents According to IEC 60909-0

• IEC 60909-2, Electrical Equipment – Data for Short Circuit Current Calculations in Accordance with IEC 909 (1988)

• IEC 60909-4, Short Circuit Currents in Three-Phase AC Systems, Part 4: Examples for the Calculation of Short Circuit Currents

• IEC 60947-1, Low Voltage Switchgear and Controlgear, Part 1: General Rules

• IEC 60947-2, Low Voltage Switchgear and Controlgear, Part 2: Circuit Breakers

• IEC 61363-1, Electrical Installations of Ships and Mobile and Fixed Offshore Units, Part 1: Procedures for Calculating Short Circuit Currents in Three-Phase AC


Primer enofaznega omrežja

)sin(2 tUu ω=

Temenska vrednost napetosti √2U in krožna frekvenca ω = 2πf sta konstantni.

Aktivni upor Rk in induktivna reaktanca Xk sta konstantna in linearna. S priklopom stikala v trenutku prehoda napetosti skozi nič (t=0) nastopikratek stik.Razmerje X/R je v močnostnih sistemih veliko: npr. za 100MVA sinhronskigenerator s faktorjem moči 0.85 je to razmerje lahko 110, za ustrezni transformator je to razmerje lahko 45. Za sisteme nižje napetosti je to razmerje med 2 in 8.


Potek napetosti in kratkostičnega tokau ki

Primer enofaznega omrežja

)sin(2 tUu ω=

Nastop kratkega stika na koncu odprtega daljnovoda pod napetostjo

Tok zaostaja za napetostjo –breme induktivne narave.

(od generatorja oddaljen kratek stik)


''kI - Začetni izmenični kratkostični tok

us II = - Udarni tok kratkega stika

A - Začetna vrednost enosmerne komponente toka

gi - Enosmerna komponenta toka

- Izmenični kratkostični tok

kϕ - Kot kratkostične impedance omrežja

kI - Trajni tok kratkega stika

Potek kratkostičnega toka se lahko poda z naslednjo enačbo: i i ik g = +~

k

k

R

Xarctgk =ϕ


k

k

R

Xarctgk =ϕ

k

k

k

k

R

L

R

XTg ==

ω

( ) ( )[ ]kkk

sinsin2 g ϕψϕψω −⋅−−+= − Tt

k etZ

UI

ffrekvencakrožna πω 2... =t … čas

Enosmerna časovna konstanta

Kot kratkostične impedance omrežja

Ψ … vklopni kot napetosti u pri nastopu kratkega stika

( ) ( )[ ]kk"k sinsin2 g ϕψϕψω −⋅−−+= − Tt

k etII

Največja začetna vrednost enosmerne komponente ig nastopi pri vklopnem kotu: Ψ=φk-90º, najmanjša pri: Ψ=φk

0≈ψ



k etII

a) 0=ψ b) ( ) 0450 =−= kϕψ1)

2) ( ) 00 4590 −=−= kϕψR

XTk

kg s= =0 03 011. ; .

R

XTk

kg s= =1 0 0032; .

Udarni tok kratkega stika Is je največji pri Ψ=0

PRIMERI KRATKOSTIČNIH TOKOV PRI RAZLIČNIH PARAMETRIH

090≈kϕ


R

XTk

kg s= =0 03 011. ; .

R

XTk

kg s= =1 0 0032; .

kϕψ =kϕψ =

090≈kϕ045≈kϕ

Ni enosmerne komponente kratkostičnega toka


Časovna konstanta Tg enosmerne komponente toka v odvisnosti od razmerjakk XR

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

b)

Tg

s

Rk

Xk

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

s

a)

b)

RkXk

Tg

Dva mejna primera: Rk=0 ⇒ Zk=j·Xk (enosmerna komponenta ne upada)Xk=0 ⇒ Zk=Rk (ni enosmerne komponente kratkostičnega toka)


2.0

1.8

1.6

1.4

1.2

1.00 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

ψ= 030

6045

7590

90 4580 70 60 50

ϕk

R /X k k

ksI / 2I "

Kvocient udarnega toka kratkega stika in temenske vrednosti začetnega

kratkostičnega izmeničnega toka v odvisnosti od razmerja kk XR


K bremenom

G1Y

G2Y

G3Y

Primer tripolnega kratkega stika

Točka kratkega stika

Nadomestno vezje

1.0 1.0 pu [V]

1.0

a b

c

d

e

j0.2 j0.2

j0.1j0.1

j0.05 j0.1 j0.05

j0.2


Poenostavljeno nadomestno vezje

e0.3 0.051.0

a

b

c

d

0.2

0.3 0.15

e 0.051.0

c0.2

0.3

1.00.17

Ik=1.0/0,17=5.88 pu [A]


0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

s

cel. kr. tok

izm. komp. kr. t.

enosm. komp. kr. t.

napetost

psi=0;fi=pi/2

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

s

cel. kr. tok

izm. komp. kr. t.

enosm. komp. kr. t.

napetost

psi=0;fi=pi/4

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

s

cel. kr. tok

izm. komp. kr. t.

enosm. komp. kr. t.

napetost

psi=-pi/4;fi=pi/4


k etII

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

s

cel. kr. tok

izm. komp. kr. t.

enosm. komp. kr. t.

napetost

psi=pi/4;fi=pi/4



k etII

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

s

cel. kr. tok

izm. komp. kr. t.

enosm. komp. kr. t.

napetost

psi=pi/2;fi=pi/2

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

s

cel. kr. tok

izm. komp. kr. t.

enosm. komp. kr. t.

napetost

psi=-pi/4;fi=pi/2


Kratek stik na sponkah obremenjenega generatorja

Nadomestna stikalna shema izmeničnega tokokroga z obremenitvijoZa nastanek kratkega stika velja pogoj, da je ik = ibDva primera z različnimi parametri tokokroga:

R

X

R

XTk

k

b

bg s= = =0 33 011. ; .

R

X

R

XTk

k

b

bg s= = =1 0 0032; .

0=ψa)

b) 0=ψ


( ) ( ) ( )= + − + − − −⎡⎣⎢

⎤⎦⎥

⎧⎨⎩

⎫⎬⎭

−2U

Zt

Z

Ze t T

kk

kk

gsin sin sin /ω ψ ϕ ψ ϕ ψ ϕ

( ) ( ) ( )= + − + − − −⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

⎧⎨⎩

⎫⎬⎭

−2 I tI

Ie t T

k"

kb

kk

gsin sin sin"

/ω ψ ϕ ψ ϕ ψ ϕ

gb~k iiii ++=

( )( )ϕϕ

ϕϕψ−−

−=

kb

"k

k

cos

sinarctg

II

Z = Zk + Zb

V obeh primerih se mora pričeti kratkostični tok ik s trenutno vrednostjo obremenilnega toka ib.

V primeru b je vpliv enosmerne komponente na velikost prve temenske vrednostikratkostičnega toka zmanjšan zato, ker zelo hitro upada s časom.

Primerjava s slikami brez bližine obremenjenega generatorja kaže, da so si kratkostičniizmenični tokovi identični, medtem ko je začetna vrednost kratkostičnega toka zmanjšanazaradi obremenilnega toka.

celotna impedanca tokokroga

ϕ = kot celotne impedance

( ) ( ) ( )⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−−−−+= − g/

"k

bkk

"k sinsinsin2 Tte

I

ItI ϕψϕψϕψω


Trifazno omrežje

Nadomestna stikalna shema trifaznega omrežja brez obremenitve

( ) ( )[ ]kk"kRk sinsin2 g ϕψϕψω −−−+= − TtetIi

( ) ( )[ ]k0

k0"

kSk 240sin240sin2 g ϕψϕψω −+−−++= − TtetIi

( ) ( )[ ]k0

k0"

kTk 120sin120sin2 g ϕψϕψω −+−−++= − TtetIi

Rk

Rk

Rk

Xk

Xk

X k

U

u

u

R

S

T

iiTk

Sk

iRk

UL1 = √2U sinωt

UL2 = √2U sin(ωt +240°)

UL3 = √2U sin(ωt +120°)

Temenska vrednost napetosti in krožna frekvenca sta konstantni, fazni premik je 120º.

V različnih fazah trifaznega omrežja so kratkostični tokovi in tudi enosmerne komponente teh tokov različno veliki in povzročijo časovno spremenljive efektivne vrednosti.


Trifazno omrežje

a) časovni potek napetosti in kratkostičnega toka za tripolnikratki stik v trenutku prehodanapetosti UR skozi nič, karodgovarja vklopnemu kotu ψ=0. Zavodnik R veljajo iste vrednosti, kotso bile upoštevane prej. V primerjavi z izmeničnimtokokrogom (prejšnji primer) je pritem prisotna bistvena razlika, ki se kaže v povratnih tokovih S in T v vodniku.

V navedenem primeru imajoimpedance Zk skoraj povseminduktivni značaj tako, da je v časut=0 kratkostični izmenični tok iS ≈ iT≈ −0 5 iR. Za začetne vrednostienosmerne komponente toka veljaenaka medsebojna odvisnost.

0≈ψa)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

s

cel. kr. tok

izm. komp. kr. t.

enosm. komp. kr. t.

napetost

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

s

cel. kr. tok

izm. komp. kr. t.

enosm. komp. kr. t.

napetost

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

s

cel. kr. tok

izm. komp. kr. t.

enosm. komp. kr. t.

napetost


Trifazno omrežje

b) Slika odgovarja primeru, kovelja za vodnik R v času t=0 pogoj ψ = ϕk . Kratkostičnitok iRk ne vsebujeenosmerne komponentetoka in je enakkratkostičnemuizmeničnemu toku.

Ker je v praksi najboljpomembna ekstremnavrednost kratkostičnegatoka, zadostuje, da pritripolnem kratkem stikuopazujemo samo eno fazo.

b)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

s

cel. kr. tok

izm. komp. kr. t.

enosm. komp. kr. t.

napetost

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

s

cel. kr. tok

izm. komp. kr. t.

enosm. komp. kr. t.

napetost

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

s

cel. kr. tok

izm. komp. kr. t.

enosm. komp. kr. t.

napetost


Prispevek enosmerne komponente po vseh treh fazah

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

s

enosm. komp. - faza Renosm. komp. - faza Senosm. komp. - faza Tenosm. komp. vseh treh faz


A R

u

u

u

u

u

R

A S AT

S

i iTS

TT

iS iT=

=

iR = iR

S

90

AR

u

u

u

u

u

R

AS

AT

S

i

iT

S

T T

i S

iT

iRiR

S

75º

a) b)

Diagram kompleksnih rotirajočih kazalcev in trenutne vrednosti napetosti in

tokov pri različnih razmerjih kk XR

Kompleksni rotirajoči kazalec napetosti uR leži v odvisnosti od stikalnih pogojev v smeri realneosi. Napram kazalcu uR zaostaja napetost uS za 120°, medtem ko napetost uT prehiteva za120°.

Kompleksni rotirajoči kazalci kratkostičnega izmeničnega toka zaostajajo za napetostmi za 90°.

Trenutne vrednosti tokov iS~ in iT~ dobimo s projekcijo njihovih kompleksnih vrednosti naimaginarno os.

Za začetno vrednost enosmerne komponente velja AR = √2 Ik" in AS = AT =−0,5 √2 Ik"

a)


Potekkratkostičnega tokapri kratkem stiku nasponkahturbogeneratorja v praznem teku, z nazivnim številomvrtljajev in nazivnonapetostjo

Kratki stiki pri obratovanju s sinhronskimi generatorji

0=ψ


i~

Potek kratkostičnega toka in tokov in , v vodniku Rki gi

Kratkostični izmenični tok lahko dokaj natančno razdelimo na - trajni del,- tranzientni del in- subtranzientni del.


trajni del

Trajni del (stacionarni kratkostični izmenični tok, trajni tok kratkega stika) ima konstantnotemensko vrednost:

Efektivna vrednost je kvocient nazivne napetosti UҮN in sinhronske reaktance Xd

Stacionarnemu izmeničnemu toku se doda sorazmerno počasi iznihajoči tranzientni del.

Reaktanca v tranzientnem delu je bistveno manjša, kot pri trajnem kratkostičnem toku.

tranzientni del

subtranzientni del

Tranzientnemu pojavu se doda še subtranzientni pojav.

Pri sinhronskih strojih z lameliranimi poli brez dušilnega navitja ne nastopa subtranzientnipojav: Ik”=Ik’


Ta potek kratkostičnega toka je vezan na nastopajoči elektromagnetni pojav v generatorju ter na posreden vpliv napetosti. Za predstavitev in izračun kratkostičnihrazmerij, se v praksi izhaja iz konstantne napetosti in predpostavke, da je iznihajočipojav kratkostičnega izmeničnega toka odvisen od naraščajoče generatorskereaktance. Pripadajoče reaktance označujemo enako kot tokovna območja in sicerkot:

- sinhronska reaktanca,- tranzientna reaktanca in- subtranzientna reaktanca.

Reaktanca v tranzientnem delu je bistveno manjša, kot pri trajnem kratkostičnemtoku.

( ) ( )[ ] ( ) k"kkkk

'k

'k

"kk sin2sin2 g

'd

"d ϕϕω TtTtTt eItIeIIeIIi −−− +−+−+−=

Časovni potek kratkostičnega toka od trenutka nastanka kratkega stika do stacionarnega stanja, lahko opišemo z naslednjo enačbo:

"dX

X d' X d

Subtranz. del, tranzientni del, trajni del, enosmerna komp. kr. toka

Ker je pri velikih sinhronskih generatorjih R<<X je ϕk=90°.

( ) g'

d"d

"2cos

11

'

1

'

1

"

12k

Tt

d

YN

d

Tt

dd

Tt

ddYN e

X

Ut

Xe

XXe

XXUi −−− +⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= ω



Vpliv izklopnega časa

Reaktance v času trajanja kratkega stika

Omenjeno je bilo, da je generatorska napetost upoštevana kot konstantna vrednost, in da je iznihalni pojav kratkostičnega izmeničnega toka okarakteriziran z naraščajočo impedanco generatorja. Za izračun trenutnih vrednosti so potrebne:- subtranzientna reaktanca Xd”- tranzientna reaktanca Xd’ Xd’/ Xd”≈1.2 do 1.6- sinhronska reaktanca Xd

V praksi se izvaja hiter izklop kratkostičnega toka.Trenutek izklopa je odvisen od najmanjše stikalne zakasnitve močnostnega stikala.Glede na zaščito in vrsto stikala znaša v VN omrežjih ta čas med 0.06s in 0.2s.V posebnih primerih je ta čas lahko celo pod 0.06s.V NN omrežjih se giblje najmanjša časovna zakasnitev stikala med 0.01s in 0.03s.


2V

"d

2VG

"

"k

""k

)()( XXRR

E

Z

EI

+++==

2V

'd

2VG

'

'k

''k

)()( XXRR

E

Z

EI

+++==

IE

Z

E

R R X Xk

k G V d V

= =+ + +( ) ( )2 2

Sinhronski generator in impedanca omrežja

Na priključnih sponkah generatorja nastopa kratki stik relativno poredkoma. Tako je med generatorjem in mestom kratkega stika navadno impedanca omrežja Zv. Ob upoštevanju generatorja in impedance omrežja oz. voda zapišimo za 3 polni kratek stik:

.

Z večanjem impedance omrežja, se razlike med navedenimi toki manjšajo. Pri zelo oddaljenih kratkih stikih so podobne stacionarnemu kratkostičnemu toku.

impedanca omrežja Zv

bdY IjXUE "" +=

bdY IjXUE '' +=

bdY IjXUE +=

YUdoE 23.105.1" =

YUdoE 36.108.1'=Pri turbogeneratorjih

YUdoE 28.109.1" =

YUdoE 4.113.1'= Pri generatorjih z izraženimi poli


Za predstavitev časovnega poteka kratkostičnega toka, moramo poznati reaktance in pripadajoče časovne konstante.Te so:- subtranzientna časovna konstanta Td”- tranzientna časovna konstanta Td’- enosmerna tokovna časovna konstanta Tg

Časovne konstante

"d0

V'd

V"d"

d TXX

XXT

++

=Subtranzientna časovna konstanta v praznem teku v vzdolžni osi generatorja in znaša približno 30ms

Reaktanca voda (impedanca omrežja)


'd0

Vd

V'd'

d TXX

XXT

++

=Tranzientna časovna konstanta v praznem teku. Za turbo generatorje večjih moči je Td’okoli 1s.Pri gen. z izraženimi poli pa okoli 2s. Pri majhnih močeh je <= 200ms.

TX X

R R

X X

R RgV

G V

d"

V

G V

=++

≈++

2

ω ω( ) ( )

Enosmerna časovna konstanta od 0,07 do 0,1 s

Protifazna reaktanca X2 (inverzna reaktanca) je tista reaktanca generatorja, ki se pojavi, čegeneratorju v sinhronem teku pritisnemo nasproti se vrteči napetostni sistem. Ta imanapram rotorju dvojno relativno hitrost, medtem ko ima sofazni sistem napram rotorjurelativno hitrost nič.

Enosmerna tokovna časovna konstanta Tg je odvisna od dušilnih lastnosti statorskega tokokroga (to je od razmerja reaktance in ohmske upornosti statorskega navitja) in od impedance omrežja.

Protifazna reaktanca generatorja:

Rg ohmska upornost statorskega navitja


Napetostni diagram za obremenjen sinhronski generator


Primer realnega sistema – izračun kratkostičnih tokov



IZRAČUN IMPEDANC OBRATOVALNIH ELEMENTOV IN KRATKOSTIČNIH IMPEDANC OMREŽJA

Impedance obratovalnih elementov

V nasprotju z nadzemnimi vodi in kabli na splošno ne izražamo impedance in reaktance zageneratorje, transformatorje in dušilke v absolutnih vrednostih ohm/fazo, ampak, kotrelativne vrednosti (v per unit ali v %). Podatek na fazo pomeni, da gre za vrednostimpedance ene faze, ki je vezana v zvezdo oziroma trikot in preračunana na impedancozvezde. Med absolutno vrednostjo v ohmih in relativno vrednostjo, velja naslednja zveza

N

2N

N

N

NNk

3 S

Uz

I

UzZ ==

.%1003%100 N

2NN

N

NNk S

Uz

I

UzZ ==

absolutna kratkostična impedanca v ohm/fazo

zn relativna vrednost (pu) kratkostične impedance, reducirane na nazivno napetost, ki mora biti prikratkosklenjenem navitju prisotna, da steče nazivnitok (kratkostična napetost),

v %

UN nazivna napetost

IN nazivni tok

SN nazivna moč.


Napajanje iz omrežja

Pri omrežnem napajanju je za velikost kratkostičnega toka pomembno, kakšnaje prisotna kratkostična moč na kratkostičnem mestu Q.

Q

NQ"kQ

"kQNQ

"kQ

33

Z

cUIIUS =⋅=

QQQ jXRZ += "kQ

2NQ

Q S

UcZ =ali

Faktor c definira povišanje napetosti ob nastopu kratkega stikaIn znaša 1,1

V kolikor nam podatki niso znani, lahko za upornost upoštevamo vrednosti

QQ 1.0 XR = QQ 995.0 ZX =in

a)

b)

Z_

Q

cUN Q_

3

Q

UNQ nazivna napetost omrežja na priključnem mestu Q; faktor 1.1 odgovarja faktorju c.Faktor c definira povišanje napetosti ob nastopu kratkega stika.SkQ” … začetna kratkostična izmenična moč na kratkostičnem mestu Q,IkQ” … začetni kratkostični izmenični tok na kratkostičnem mestu Q.


Sinhronski stroji

)j "dG XRZ += G(

NG

2NG

"d"

d %100 S

UxX ⋅=

Za GR lahko z zadostno natančnostjo upoštevamo:

R xG d"= 0 05. pri generatorjih z

U

SNG

NG

kV in

MVA

> 1

100≥

R xdG"= 0 07. pri generatorjih z

U

SNG

NG

kV in

MVA

><

1

100

R xG d= 015. " pri generatorjih z V1NG kU <

Sinhronski motorji in sinhronski stroji za jalovo moč, se pri kratkem stiku vedejo, kot generatorji.

Elektroenergetski element - generator

Impedančna shema

Z_G

G

E"


Asinhronski motorji

a)

b)

Z_

M

M

cU_

3N

Aktivno impedanco potrebno za izračun začetnegakratkostičnega izmeničnega toka določimo iz zagonskega tokamotorja pri motorski napetosti.

MMM jXRZ +=

NM

2NM

an

NM

an

NMM

3 S

U

I

I

I

UZ ==

zagonski tok motorja

nazivna napetost motorja

10.0MM =XRMM 995.0 ZX = pri visokonapetostnih motorjih (moč/polov par > 1 MW)

15.0MM =XR X ZM M= 0 989. pri visokonapetostnih motorjih (moč/polov par < 1 MW)

30.0MM =XRMM 958.0 ZX = pri nizkonapetostnih motorjih

Z usmerniškimi pogoni moramo ravnati tako kot z asinhronskimi motorji.


Transformatorji

Nadomestna stikalna shema sofaznega, protifaznega in ničnega sistema, je dobljena na osnovištevila in vezave navitij transformatorjev. Protifazna impedanca je po iznosu identična sofazniimpedanci.

Transformator z dvema navitjema

b)

a)

Z_T

Tp s

p s

TTTps1 jXRZZZ +===

2T

2T

NT

2NTkN

T %100XR

S

UuZ +=⋅=

2NT

CuN

NT

2NTRN

T 3%100 I

P

S

UuR =⋅=

Xu U

S

U

Su uT

xN NT

NT

NT

NTkN RN= ⋅ = ⋅ +

100%

1

100%

2 22 2

UNT nazivna napetost transformatorja,

SNT nazivna moč transformatorja,

ukN nazivna kratkostična napetost v %,

uRN ohmski nazivni padec napetosti (kratkostične izgube) v %,

uxN nazivna napetost stresanja v %

PCuN izgube v bakru pri nazivni moči,

INT nazivni tok transformatorja


Transformatorji

Transformator s tremi navitji

p

s

a)

t

T

Z_

Z_

Z_b)

p

s

t

s

t

p

Zu

S

u

S

u

S

U

Zu

S

u

S

u

S

U

Zu

S

u

S

u

S

U

pps

ps

tp

tp st

N

sst

st

ps

ps

tp

tp

N

ttp

tp

st

st

ps

ps

N

= + −⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟ ⋅⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

= + −⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟ ⋅⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

= + −⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟ ⋅⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

st

%

%

%

2

2

2

2 100

2 100

2 100

−u %


Dušilke za omejevanje kratkostičnega toka

Z

D

D

a)

b) Z Xu U

I

u U

QD DND ND

ND

ND ND2

ND%≅ = ⋅ = ⋅

100 3 100%

Zaporedno vezani kondenzatorji

QNC nazivna moč (trifazna moč)

INC nazivni tok

Ker so izgube enake 0.2 do 0.45% moči kondenzatorja, ni nujno, da Rc napram Xc upoštevamo.

Z L

ALAL C12 L C1

2 L2R 2R

Prostozračni vodnadomestna shema - Π člen


Zbiralke v stikalnih napravah

Zbiralke so različne. Ločimo jih po obliki in po nazivnih podatkih stikalnega postroja. Po obliki so lahko iz profiliranega vodnika, cevnega vodnika ali vrvi, material pa jelahko baker, aluminij in aluminij/jeklo.Ker so zbiralke relativno kratke, so tudi na splošno impedančne vrednosti (posebno pripostrojih, ki so za napetosti > od 1kV) manjše v primerjavi z ostalimi impedančnimivrednostmi (n.pr.generatorji, transformatorji itd.)Nadomestna shema je v principu enaka, kot pri nadzemnih vodih.

Impedančne vrednosti so odvisne od prereza in materiala vodnika, vrste kabla, konstrukcije kabla, kakor tudi načina polaganja kabla.

Pri nični impedanci pridejo v poštev tudi vplivi okolice, kot n.pr. paralelni kabli in metalnicevni vodi.

Zaradi tega ni možno podati univerzalne enačbe za natančen izračun ohmske in induktivneupornosti.

Impedančne vrednosti so dane od proizvajalca ali pa jih določimo z meritvijo. Slednje veljaposebno za nične impedance.

Obratovalne impedance pri kablih so pogojene z zmanjšano razdaljo med vodniki in so vnasprotju s prostozračnimi vodi bistveno nižje. Kapacitivnosti so znatno večje.

Kabel


Možnosti napajanja kratkostičnega mesta

Pogosto računamo kratkostične tokove za kratkostična mesta, ki so napajana iz večkratkostičnih tokovnih izvorov. Tokovi tečejo preko ločenih ali zazankanih prenosnih poti. Za različne oblike omrežij, so podane enačbe za izračun kratkostične impedance omrežja.

Enostransko napajani kratki stik

Z G T L DZ Z Z

DLTGk ZZZZZ +++=

Pri enostransko napajanem kratkem stiku je kratkostična impedanca Zk enaka vsotiimpedanc posameznih obratovalnih elementov.

ZG ZT ZL ZD

Shema sistema

Impedančna shema


Večkratno napajani kratki stik preko ločenih tokovnih poti

Z G T LZ Z

Z G TZ

A A A

B B

A

B

Z Z Z Z Z Z ZA GA TA LA B GB TB= + + = +;

ZZ Z

Z ZkA B

A B

=⋅+

TCBA

BAk Z

ZZ

ZZZ +

+⋅

=

Večkratno napajani kratki stik preko skupnih tokovnih poti

Pri večkratno napajanem kratkem stiku preko delno skupne tokovne poti, je možnoizračunati paralelno impedanco ZAB do točke C ter k tej prišteti impedanco ZD, prekokatere teče skupni kratkostični tok.

TCZ

Pri večkratno napajanem kratkem stiku z ločenimi tokovnimi potmi, lahko kratkostičnetokove v vejah A in B računamo z impedancama ZA in ZB.

Rezultirajočo impedanco Zk dobimo na osnovi paralelne vezave impedanc ZA in ZB. Tako je možen neposreden izračun kratkostičnega toka.


Večkratno napajani kratki stik preko zazankanih tokovnih poti

Z G TZA A

A

Z G TZB B

B

DZ

LZ A

LZ B

Z B

Z

a

b c

A

CZ

Z

ZZ

bZ

aZ

cZ

Z GB

Z G A

B

A

DC

LBTBB

LATAA

ZZ

ZZZ

ZZZ

=+=+=

CBA

BAc

CBA

CBb

CBA

ACa ;

ZZZ

ZZZ

ZZZ

ZZZ

ZZZ

ZZZ

++⋅

=

++⋅

=++

⋅=

Pri večkratno napajanem kratkem stiku preko zazankanih tokovnih poti izvajamotransfiguracijo omrežja. Odgovarjajoče nadomestne sheme so narejene. Prikazana jepretvorba iz trikota v zvezdo.


A

B

C

A

B

CA

B

C

Postopno pretvarjanje zazankanega omrežja

Nadaljujemo s pretvarjanjem, oziroma transfiguracijo do ene same impedance obravnavanega sistema. Izračunamo kratkostično moč, po eni od metod - priporočam izračun s pomočjo reduciranih procentualnihpadcev napetosti – glej Steghlichovo metodo. Transfiguracijo izvajamo z impedancami ali reduciranimi padci napetosti. Računske operacije so enake.

A

B

C


PRAVILA TRANSFORMACIJE ELEKTRIČNEGA OMREŽJA

Računske operacije pri računanju z reduciranimi padci napetosti so enake kakor priračunanju z impedancami

Nadomestna impedanca zaporednih impedancNadomestna impedanca vzporednih impedancPretvorba trikotnika v zvezdo (zgubimo vsaj eno vozlišče)Pretvorba zvezde v trikotnikPri močno zazankanih omrežjih se pojavijo pogosto zvezde z več kakor tremi žarki. Take

n- žarkaste zvezde lahko pretvorimo v impedančno ekvivalentne n- kotnike, prikaterih je vsako vozlišče zvezano z drugim. Impedanco n-kotnika dobimo iz zvezdnihimpedanc

Pri transformaciji omrežja se poslužujemo pravila, da se v omrežju nič ne spremeni, čeneposredno zvežemo točke z enakim potencijalom. Take točke so zlasti zvezdiščatransformatorjev - imajo potencial nič. V primeru, da imamo štiri ali večkotnik je združevanje zelo uporabno.Po izvedbi transfiguracije pričnemo z izračunom delnih kratkostičnih moči v vseh fiktivnihimpedančnih shemah. Ko pridemo do dejanske impedančne sheme, dobimo vse prispevkekratkostičnih moči, ki jih na mesto kratkega stika posredujejo posamezni generatorji in tujiviri. Uporabimo prvi in drugi Kirchoffov zakon.

∑ =

==

nk

kkZ

ZZZ1

1νμμν


Poenostavljanje shem

Paralelno vezani generatorji enake relativne reaktance se lahko nadomestijo z enim generatorjem pri katerem reaktanca ostane enaka, moči pa seštejemo.V primeru, da so reaktance različne, se lahko moč vseh generatorjev preračuna na eno reaktanco, kot kaže primer.

GG1 G2

≡

GG1 G2

≡

G1->SN1=20MVA, Xd1”=20%

G2->SN2=30MVA, Xd2”=20%

G->SN=50MVA, Xd”=20%

G1->SN1=20MVA, Xd1”=20%

G2->SN2=30MVA, Xd2”=25%

MVA44S24MVA;25

2030

X

XXS'SG N

d2

d1redN2N ==⋅=

=→ ⋅=

SN=SN1+SN2

Xd”=Xd1”=Xd2”

Enake reaktance

Različne reaktance


Poenostavljanje shem

GG1

≡

G1->SG1=20MVA, XdG1”=20%

Tr->STr=20MW, XTr=10%

G->SN=20MVA, Xd”=30%

%5.32"%;5.1216

20%10';20SG

1N ==⋅=⋅=→ = dG

Tr

gTrTr X

S

SXXMVA

Tr

GG1

≡Tr

G1->SG1=20MVA, XdG1”=20%

Tr->STr=16MW, XTr=10%

Če je moč generatorja in transformatorja v blok vezavi enaka, lahko izrazimo ekvivalent z nadomestnim generatorjem z reaktanco, ki je enaka vsoti reaktance generatorja in transformatorja (oz. procentualnega padca napetosti transformatorja: uk). Moč generatorja ostane enaka.Če moč generatorja in transformatorja nista enaki, je potrebno reaktanco transformatorja preračunati na moč generatorja.

Enaki moči

SN=SG1=STr

Xd”=XdG1”+XTr

Različni moči


Izračun z absolutnimi impedančnimi vrednostmi

Absolutne impedančne vrednosti se spreminjajo s kvadratom napetosti.

Za prostozračne vode in kable

in za generatorje, transformatorje, motorje in dušilke

Z ZU

UB NB

N

= ⋅2

2

Z zU

SB NB

N

= ⋅2

Za bazno napetost je lahko izbrana poljubna vrednost. Primerno je, da izberemo tistobazno napetost, ki vlada na mestu kratkega stika ob normalnih obratovalnih pogojih.

Začetno kratkostično izmenično moč in začetni kratkostični izmenični tok dobimo izenačb

B

2B"

k Z

UcS ⋅=

N

"k"

k33U

SI =

UN = nazivna napetost na kratkostičnem mestu

V elektroenergetskih sistemih imamo opravka z elementi omrežij na različnih napetostnih nivojih, zato je potrebno njihove impedance reducirati na enotni napetostni nivo.


Izračun z brezdimenzijskimi impedančnimi vrednostmi

Ker so nazivne moči posameznih obratovalnih elementov različne (npr. za nadzemne vodesploh niso definirane), je potrebno uvesti bazno moč

Za relativno impedančno vrednost dobimo naslednje relacije:

2N

BNB

U

SZz ⋅=Za prostozračne vode in kable

in za generatorje, transformatorje, motorje in dušilkeN

BNB

S

Szz ⋅=

Pri tem postopku lahko za bazno moč izberemo katerokoli vrednost. Primerno je, da izberemo moč največjega generatorja ali transformatorja, ali vrednost, ki izračunpoenostavi, kot npr. 100 ali 1000 MVA.

Začetno kratkostično izmenično moč in začetni kratkostični izmenični tok dobimo izenačb

B

B"k z

ScS ⋅=

N

"k"

k33U

SI =

UN = nazivna napetost na kratkostičnem mestu


Upoštevanje prestavnega razmerja transformatorjev

Različni nivoji omrežja so povezani preko transformatorjev s prestavnim razmerjem nx(prestavno razmerje opazujemo od kratkostičnega mesta do določene impedance).


Upoštevanje prestavnega razmerja transformatorjev

Za pretvorbo posameznih impedanc nekega nivoja omrežja x, na bazni nivo, veljajo zveze:

Absolutne impedance zaprostozračne vode in kable

Absolutne impedance za generatorje, transformatorje, motorje in dušilke

Brezdimenzijske impedance zaprostozračne vode in kable

Brezdimenzijske impedance za generatorje, transformatorje, motorje in dušilke


Tripolni kratki stik - Steglichova metoda

Pri postopku dimenzioniranja elektroenergetskih postrojev, naprav in aparatov je potrebnopoznati tokove, ki obremenjujejo naprave pri kratkih stikih. Najpogosteje velja, da so tripolni kratkostični tokovi najbolj neugodni, oziroma največji. Pri tem nastopasimetrična obremenitev vseh trifaznih vodnikov.

Velikokrat se lahko zadovoljimo z nenatančnimi izračuni. Iz tega razloga se često posegapo metodah, ki so enostavne in hitro izračunljive.

Značilnost poenostavljene metode je, da so izračunane vrednosti kratkostičnih tokov zaokoli 10% večje. To iz razloga, ker se ohmske upornosti impedanc ne upoštevajo. Upošteva se le reaktanca določenega elektroenergetskega elementa.

Poenostavljena metoda govori o padcih napetosti, ki se pojavljajo pri različnih tokovih vposameznih delih tokokrogov.

Pri nazivnem toku, ki se zaključuje preko določenega elektroenergetskega elementa jeprocentualni padec napetosti enak:

medtem ko pri poljubni tokovni obremenitvi :

%1003

⋅=n

n

U

ZIu

%1003

⋅=n

xx U

ZIu


Zato velja razmerje:

V enačbo vstavimo vrednost za moč Sx=1 MVA in primerjamo padec napetosti, ki ga

povzroči moč 1 MVA s procentualnim padcem napetosti pri nazivni moči. Iz primerjave

dobimo, da je takoimenovani procentualni padec napetosti, ki ga označimo z u′ enak:

Na ta način je možno zapisati reducirani procentualni padec napetosti za generator intransformator.

Generator(enačba velja tudi za sinhronske motorje in asinhronske motorje)

Transformator



Daljnovod, vod, kablovod

Enačbo za vod modificiramo tako, da ulomek razširimo z Un (v števcu in imenovalcu) in se moč okrajša

Kratkostična dušilka

Pri kratkostični dušilki se podatki nanašajo lahko na takoimenovano redno napetost UD, za

katero je dušilka zgrajena in tudi vgrajena v okolje te napetosti, in na obratovalno napetost

UD,o, kjer se napetost omrežja razlikuje od redne napetosti dušilke. Iz tega razloga se

procentualni padci napetosti razlikujejo kot sledi:



Po izvedeni predhodni transfiguraciji električnega omrežja želimo izračunati na mestukratkega stika kratkostično moč. Izpeljimo kratkostično moč iz enačbe za procentni padecnapetosti za vod.

)(3

"" kA

U

SI

N

kk =

"2

100100

kSZ

Uu ==

Hkrati povečamo za faktor 1.1 njegovo vrednost zaradi povečanja napetosti ob nastanku kratkega stika.

Suk

'''=

110

Iz predstavitve osnovne teorije o prehodnem pojavu v času trajanja kratkega stika je udarni tok kratkega stika enak prvi amplitudni vrednosti krakostičnega toka. Na to vrednostima vpliv fazni kot, trenutek nastanka kratkega stika ter razmerje Rk/Xk

Efektivna vrednost izmeničnega kratkostičnega toka v trenutku kratkega stika je:

Kako je z največjo amplitudo kratkostičnega toka?



Predpisi tako IEC, VDE predpisujejo upoštevanje povečanja maksimalne vrednosti

izmeničnega toka za faktor Enačba se glasi:κ )(2 '' kAII ku κ=

κodčitamo lahko iz slike spodaj. Poudariti je potrebno, da upoštevamo vedno maksimalni faktor

kajti ta vrednost ustreza realnim razmeram pri vklopnem kotu ψ=0 in razmerju

Ta vrednost upošteva najbolj neugodno dejstvo, da nastopa kratek stik na sponkah generatorja. Čeprav je kratkostično mesto oddaljeno od generatorja, upoštevamo vedno v izračunu omenjenomaksimalno vrednost. V tem primeru se moramo zavedati, da smo s tem sigurnostni faktor povečali.

κR

Xk

k

= 0 1, .

Izračun izklopilne moči Sk''

Celovito predstavo postopka dobimo, če opazujemo primer zazankanega omrežja, ki je napajano s strani večjega številageneratorjev in večjega števila tujih virov. Za vsak generator moramo ločeno ugotoviti takoimenovani faktor dušenja μ, kiga odčitamo iz diagrama na sliki.

na mestu kratkega stika je

predvsem pomemben, poleg ostalega, zaradi izbire odklopnika.

=1,8

k

k

X

R

e3

98.002.1−

+=κ Faktor amplitude udarnega toka


Določitev faktorja dušenja μ za izračun izklopilnega kratkostičnega toka Ia

Najmanjša stikalna časovna zakasnitev

"ka II ⋅= μPribližna ocena:

Faktor dušenja μ je odvisen od najmanjše stikalne zakasnitve odklopnika

Ir=IntrofazniI

zemljedotikabrezdvofazniI

enofazniI

k

k

k

=

=

=

"3

"2

"1

)( kratkostični tok


Enačba za izračun izklopilne kratkostične moči na mestu kratkega stika je enaka:

S S S MVAizk iGi

n

kiG kjTVj

m

= +=∑ ∑μ

1

'' '' ( )

Meja pri dvakratnem nazivnem toku je kriterij za kratek stik daleč od generatorja. V tem primeru imamo opravka s togim omrežjem. To pomeni, da je

kkizkkizk IIISS === '''' ;

Trajni kratkostični tok je odvisen od vzbujanja generatorjev, nasičenja in od sprememb stikalnega stanja.

Računski postopki se omejujejo na zgornjo in spodnjo vrednost.

Maksimalni in minimalni trajni kratkostični tok izračunamo na osnovi enačb

I I kA

I I kAk n

k n

max max

min min

( )

( )

==λλ

NI Računamo pri nazivni napetosti namestu kratkega stika

Za generatorje Za tuje vire

Kratek stik daleč od elektrarne pomeni, da je komponenta začetnega simetričnega trifaznegakratkostičnega toka na sinhronskem ali asinhronskem stroju manjša od dvojne vrednostinjegovega nazivnega toka.Kratek stik blizu elektrarne pomeni, da je komponenta začetnega simetričnega trifaznegakratkostičnega toka na sinhronskem ali asinhronskem stroju večja od dvojne vrednostinjegovega nazivnega toka.


Določitev maksimalnega in minimalnega

faktorja za turbogeneratorjeλ

Določitev maksimalnega in minimalnega

faktorja za generatorje z izraženimi poliλ

Serija 1 ustreza 1,3 kratnemu nazivnemuvzbujanju, medtem ko serija 2; 1,6 kratnemu nazivnemu vzbujanju



Unq=20kV

IkQ”=10kA

T (Δ/Y)

SrT=400kVAUrTHV=20kVUrTLV=410V

Ukr=4%PKrT=4.6kWR(0)T/RT=1

X(0)T/XT=0.95Kabel L (l=4m)

Un=400V

20kV omrežje napaja transformator T, ki je na zbiralko priključen s kablom L.

PRIMER IZRAČUNA PREPROSTEGA PRIMERA Z ODDALJENIM OMREŽJEM PO METODI IZ STANDARDA IEC 60909

Impedanca med omrežjem in transformatorjem je lahko zanemarjena. Kabel L je narejen iz dveh trožilnih vzporednih kablov: dolžine: l=4m in dimenzij: 3*185mm2 Al ter impedance ZL=(0.208+j0.068)Ω/km; R(0)L=4.23RL; X(0)L=1.21XL

Rešitevimpedanca omrežja


Rešitevimpedanca transformatorja

Unq=20kV

IkQ”=10kA

T (Δ/Y)




Un=400VImpedanco lahko popravimo s korekcijskim faktorjem



Rešitevimpedanca kabla

Unq=20kV

IkQ”=10kA

T (Δ/Y)




Un=400V

celotna impedanca na kratkostičnem mestu

Izračun trifaznega kratkostičnega toka

iu


j


T (Δ/Y)

Unq=220kV

PRIMER IZRAČUNA PREPROSTEGA PRIMERA Z GENERATORJEM PO METODI IZ STANDARDA IEC 60909

G

F1

F2

Elektrarno sestavljata generator G (turbogenerator) in transformator T s podatki na sliki. Potrebno je izračunati začetni izmenični kratkostični tok I”k, udarni tok kratkega stika Iu=Ip in maksimalni trajni kratkostični tok Ikmaxna dveh mestih: F1 in F2 za trifazni kratek stik.Impedanca med generatorjem in transformatorjem je lahko zanemarljiva. Faktor c=1.1. Najmanjša stikalna časovna zakasnitev tmin=0.1s. Bremena so vsa pasivna.


Rešitev v točki F1 – trifazni kratek stikimpedanca transformatorja

T (Δ/Y)

Unq=220kV

G

F1

F2

Rešitevimpedanca generatorja


Ω

Ω


če bi upoštevali

Izračun trifaznega kratkostičnega toka

Izračun udarnega toka kratkega stika


celotna impedanca

Ω

Ω

Ω

kA


Izračun izklopilnega kratkostičnega toka (Ia=Ib) – pozor druga oznaka

Izračun maksimalnega trajnega kratkostičnega toka


Rešitev v točki F2 – trifazni kratek stik – izračun trifaznega kratkostičnega toka

IrG=SrG/√3UrG

(podatek)

tmin=0.1s (podatek)85.0=μ

Izračun udarnega toka kratkega stika


Izračun izklopilnega kratkostičnega toka (Ia=Ib) – pozor druga oznaka


Izračun maksimalnega trajnega kratkostičnega toka


Theveninova poenostavljena metoda

ZZ

UI nk

+= +

Aktivno omrežje

Z+

Unk

Aktivno omrežje

Z+

IZ U’nk

n

k

Imamo aktivno omrežje z viri. Med zbiralkama n in k je napetost Unk.Upornosti v omrežju zanemarimo. Sistem predpostavljamo brez bremena.

Če dodamo novo impedanco Z med ti zbiralki ne da bi se viri spremenili bo tok I

nknk UZZ

ZU ⋅

+= +'

pasivno omrežje

Z+

Z

Možna razširitev tudi po metodi s simetričnimi komponentami

n

k

n

k


Sistem Impedančna shema sistema





Računanje tripolnih kratkih stikov pri nepopolnih podatkih in na periferiji

elektroenergetskega omrežjaPri računanju tokov kratkih stikov pogosto naletimo na primere, ko nam manjkajo podatki o

omrežju. Posebno pri perifernih napravah, ko je n.pr. neka industrijska transformatorska postaja preko voda priključena na visokonapetostne zbiralke. Velikokrat ne dobimo podatke o izklopni moči na visokonapetostnih zbiralkah. V takem primeru si uspešno pomagamo na ta način, da za izklopno moč vstavimo:

1. Najvišjo izklopilno moč, ki jo je še mogoče pričakovati2. Najnižjo izklopilno moč, ki jo je še mogoče pričakovati

Kratek izračun pokaže, kako predpostavljene izklopne moči vplivajo na končni rezultat.

Če sta primerjalna rezultata istega velikostnega razreda, je to dokaz, da lahko napravimo izračun z nepopolnimi podatki.


Problematika prevelikih in premajhnih kratkostičnih moči

Prevelike kratkostične moči

Kratkostične moči lahko zmanjšamo:

- zvišanje upornosti – v tokokrog vgradimo kratkostične dušilke- zamenjamo transformator z večjo kratkostično napetostjo- zvišanje napetosti pri generatorjih – n.pr. Iz 6kV na 20kV- sekcioniranje omrežja – primer RTP 400/110kV Maribor-Dogoše

Premajhne kratkostične moči

- težave nastopijo, če imamo v omrežju nemirne porabnike - flikerji


Postopek z upoštevanjem obremenitve omrežja:

1. Določitev tokov v normalnem obratovanju in napetosti na mestu kratkega stika.

2. Tokovna razdelitev z vključitvijo napetosti na kratkostičnem mestu kot edinim izvorom.

3. Preračun tokovne porazdelitve z upoštevanjem obremenitev in kratkostičnega toka.

Postopek brez upoštevanja obremenitve omrežja:

1. Določitev napetosti na mestu kratkega stika ni pri normalni obremenitvi ampak izhaja iz nazivne vrednosti.

2. Tokovna razdelitev z vključitvijo napetosti na kratkostičnem mestu kot edinim izvorom.


OBRAVNAVA POSAMEZNIH KRATKOSTIČNIH PRIMEROV S SIMETRIČNIMI KOMPONENTAMI - PONOVITEV TEORIJE

Sofazni sistem(tudi direktni)

Protifazni sistem (tudi inverzni)

Nični sistem

Fortescue je leta 1918 začel s teorijo in uporabo simetričnih komponent.

Uporaba simetričnih komponent je način, kako sistem z n kazalci razstavimo v n podsistemov.

S simetričnimi komponentami lahko zapišemo tako tokove kot napetosti trifaznega sistema.

Uporaba simetričnih komponent je posebej pomembna za izračune (nesimetričnih) kratkostičnih tokov.


Fazorji - sofazni sistem Fazorji - protifazni sistem

Fazorji - nični sistem

Operator a



Tokove trofaznega sistema lahko zapišemo s sistemom enačb neposredno ali v matrični obliki



Podobno velja za napetosti trofaznega sistema

Tudi moč trofaznega sistema lahko zapišemo s simetričnimi komponentami



Sofazni sistemProtifazni sistem

Nični sistem

Zapišemo lahko nesimetrični sistem s simetričnimi komponentami



Gre pa tudi obratno - zapis nesimetričnega sistema s simetričnimi komponentami

Sofazni sistem Protifazni sistemNični sistem

nesimetrični sistem



OBRAVNAVA POSAMEZNIH KRATKOSTIČNIH PRIMEROV S SIMETRIČNIMI KOMPONENTAMI – PRIMER MODELA DALJNOVODA


Postopek merjenja impedanc

R

S

T

~

U1Z1

I1R

S

T

~

U2Z2

I2R

S

T

~U0 Z0 3I0

I0

I0

I0

Sofazni sistem Protifazni sistem Nični sistem

Sofazna impedanca ali impedanca sofaznega sistema Z1 je kvocient napetosti zvezde in faznega toka pri napajanju s simetričnim sofaznim sistemom. Sofazna impedanca ustreza obratovalni impedanci voda, kratkostični impedanci transformatorjev in dušilk ter impedanci generatorja, ki je prisotna v trenutku nastanka kratkega stika.Protifazna impedanca ali impedanca protifaznega sistema Z2 je kvocient napetosti zvezde in faznega toka pri napajanju s simetričnim protifaznim sistemom. Protifazna impedanca ustreza obratovalni impedanci za vode, kratkostični impedanci transformatorjev in dušilk. Zanje ostane nespremenjena, če nanjo pritisnemo protifazni simetrični napetostni sistem. Protifazna impedanca turbogeneratorja je skoraj enaka kot sofaznav trenutku nastopa kratkega stika (začetna reaktanca). Pri generatorjih z izraženimi poli je enaka začetni reaktanci. Pri asinhronskih strojih je približno enaka kratkostični reaktanci (reaktanci pri nič vrtljajih).Nična impedanca se navezuje na vezavo zvezde (trikotna impedanca ne dopušča nične impedance). Pri vodih je odvisna od vrste voda (prostozračni vod, ali kabel), od izgradnje (izvedba zaščitne vrvi) od prevodnosti tal. Pri vodih je večkratnik sofazne impedance. Pri transformatorjih je odvisna od vezave. Pri generatorjih je precej manjša od začetne reaktance.

Precej manjša od začetne reaktanceOdvisna od vezave, manjša od sofazneVečkratnik sofazneNIČNA IMPEDANCA

Približno enaka začetni reaktanciEnaka sofazniEnaka sofazniPROTIFAZNA IMPEDANCA

Začetna impedanca (reaktanca)Kratkostična impedancaObratovalna impedancaSOFAZNA IMPEDANCA

GENERATORTRANSFORMATOR VOD


kratkostična impedanca generatorja,

kratkostična impedanca transformatorja,

impedanca voda,

impedanca dozemne kapacitivnosti voda,

impedanca zvezdiščne točke transformatorja.EZ

LZ

GZ

CZ

TZ

Trifazni sinhronski generatorji vzpostavljajo v trifaznem omrežju napetost, katerezačetna vrednost bo simetrična v treh fazah in neodvisna od obremenitve. Imela boisto smer vrtenja, kot sofazni sistem. Zaradi tega bo generatorska napetost prisimetričnih in nesimetričnih kratkih stikih izražena le v sofaznem sistemu. V protifaznem in ničnem sistemu napetost ne obstaja.

OBRAVNAVA POSAMEZNIH KRATKOSTIČNIH PRIMEROV S SIMETRIČNIMI KOMPONENTAMI

Stikalna shema ki jo sestavljajo generator G, transformator T in vod L, naj predstavljaosnovo za nadaljno obravnavo.

Vod je na koncu odprt, torej brez obremenitve. Zaradi tega veljajo izpeljane relacije nasplošno tudi tedaj, kadar je vod napajan iz dveh ali več izvorov. V nadomestni shemipomenijo:


E E E E1 2 00 0" " " ", ,= = =

Pri simetričnem in tudi nesimetričnem kratkem stiku bo upoštevan vodnik R, kot osnovni vodnik zato, ker je tako lahko dan odnos do ostalih dveh vodnikov.G T L

RST

Z E

a) Stikalna shema omrežja E"

Z "G

C

L

ZE

R

S

T

ZZ

Z

T

b) Nadomestna stikalna shemaAktivne impedance omrežja pri kratkem stiku


V nadaljevanju bodo za posamezne kratkostične primere izpeljane enačbe za izračun kratkostičnih tokov z upoštevanjem napetosti prisotnih generatorjev in tujihvirov. V predstavljenih kazalčnih diagramih ne bo upoštevana fazna premaknitev med napetostmi in tokovi, ker bodo prikazani le osnovni odnosi veličin vsakokratnihsistemov.

022

1

0212

021

UUaUaU

UUaUaU

UUUU

T

S

R

++=

++=

++=

)(3

1

)(3

1

)(3

1

0

22

21

TSR

TSR

TSR

IIII

IaIaII

IaIaII

++=

++=

++=

022

1

0212

021

IIaIaI

IIaIaI

IIII

T

S

R

++=

++=

++=

)(3

1

)(3

1

)(3

1

0

22

21

TSR

TSR

TSR

UUUU

UaUaUU

UaUaUU

++=

++=

++=


Tripolni kratki stiki

Tripolni kratki stiki na sliki predstavljajo za omrežje simetrično obremenitev. Napetost treh vodnikov na mestu kratkega stika je nič.

RST

Z E

F 3

0=== TSR UUU

Stikalna shema omrežja s tripolnim kratkim stikom

Za omrežje, kjer je direktna ozemljitev: ZE=0Za omrežje z izoliranim zvezdiščem: ZE=∞


Iz teorije simetričnih komponent dobimo, ob upoštevanju, da je vodnik R osnovnivodnik, za tokove omrežja in komponentne tokove oziroma napetosti naslednjeodnose.

U U U1 2 00 0 0= = =; ;

Sofazni sistem

Protifazni sistem

Nični sistem

Nadomestna impedančna shema simetričnih komponent omrežja za tripolni kratki stikz začetno generatorsko napetostjo E "

1

"

111"

1 ;0Z

EIZIEU ==−=

0;0 2222 ==−= IZIU

0;0 0000 ==−= IZIU


1

"

111"

1 ;0Z

EIZIEU ==−=

0;0 2222 ==−= IZIU

0;0 0000 ==−= IZIU

sofazni sistem:

protifazni sistem

nični sistem

Predstavljeni odnosi v enačbah izraženi s faznimi tokovi dajo:

1022

1

12

0212

1021

IaIIaIaI

IaIIaIaI

IIIII

T

S

R

=++=

=++=

=++=

1

"

1

"2

1

"

Z

EaI

Z

EaI

Z

EI

T

S

R

=

=

=

Ker so trije fazni tokovi po iznosu enako veliki, bo začetnikratkostični izmenični tok 1

""

3 Z

EI k =


Protifazni in nični sistem ne nastopata, ker gre za primer simetričnega kratkega stika.

TT

SS

RR

IIaI

IIaI

III

====

==

11

12

1

11

0

0

0

11

12

1

11

====

==

UaU

UaU

UU

T

S

R

1R

1SI

I

I1T

0)(3

1

0)(3

13

3)(

3

1

0

22

21

=++=

=++=

=⋅

=++=

TSR

TSR

RR

TSR

IIII

IaIaII

II

IaIaII

0

0

0

22

2

22

22

==

====

IaI

IaI

II

T

S

R

0

0

0

00

00

00

======

II

II

II

T

S

R

0

0

0

22

2

22

22

==

====

UaU

UaU

UU

T

S

R

0

0

0

00

00

00

======

UU

UU

UU

T

S

R

0

0

0

===

T

S

R

U

U

U

SI 2

TI 2RI 2

SI 0TI 0

RI 0


RST

Z E

F 2

Stikalna shema omrežja z dvopolnim kratkim stikom brez dotika z zemljo

212121 )( UUUUaUU =⇒−⋅=−

0003 00 =⇒=+−=++= IIIIIII TTTSR

21021R 0 IIIIII −=⇒=++=

Dvopolni kratki stik brez dotika z zemljo

Dvopolni kratki stik brez dotika z zemljo predstavlja za omrežje nesimetrično obremenitev

Predpostavka: vodnik R je osnovni vodnik

TSRTS IIIUU −=== ;0;

022

10212 UUaUaUUUaUaU TS ++==++=


Sofazni sistem

Protifazni sistem

Nični sistemNadomestna stikalna shema simetričnih komponent omrežja za dvopolni kratki stikbrez dotika z zemljo z generatorsko začetno napetostjo E"

Nični sistem

11"

1 ZIEU −=

222 ZIU −=

000 ZIU −=


0

00 Z

UI

−=

In za tokove I S in I T 12

212 )( IaaIIaIaI SS −=⇒+=

12

22

1 )( IaaIIaIaI TT −=⇒+=

Ker je 21 UU = 21 II −= sledi

21

"

1211" in)(

ZZ

EIZZIE

+=+=

Če vstavimo izraz za 1I v enačbi zaSI in TI dobimo

21

"

21

"2 3)(

ZZ

Ej

ZZ

EaaI S +

−=+−

=21

"

21

"2 3)(

ZZ

Ej

ZZ

EaaIT +

=+

−=

00=I00 =U

22211"

1 ZIUZIEU −==−=


I 2T

1R

1S

= 0

I

I

I 1T

2RI

2SI

I T

RI

SI

U 1T

1SU

1RU 2RU

2TU

U 2S

UT

RUSU

Tokovne in napetostne komponente pri dvopolnem kratkem stiku brez dotika z zemljo - kazalčni diagrami


Oba toka IS in IT sta po iznosu enako velika. Tako dobimo za dvopolni začetni kratkostičniizmenični tok brez dotika z zemljo naslednjo zvezo:

21

""

2

3

ZZ

EI k +

= Za najpogostejenastopajoči primer, da je 21 ZZ = I

E

ZIk2 k3

""

"= =3

2

3

21

021 UUUU R ++= 00 =U21 UUU R +=

Če se vstavijo ustrezne vrednosti za 1U in 2U dobimo (upoštevamo še U1=U2):

21

2" 2

ZZ

ZEU R +

= V primeru, da je 21 ZZ = bo "EU R=

Impedanca ozemljitveEZ zaradi 00=U v času kratkostičnega pojava ni prisotna.

21

"

221

"

1"

11"

1 ZZ

EZ

ZZ

EZEZIEU

+=

+−=−=


Dvopolni kratki stik z dotikom z zemljo

Za dvopolni kratki stik z dotikom z zemljo velja

RST

Z E

F 2

Stikalna shema omrežja z dvopolnim kratkim stikom z dotikom z zemljo

0

0

===

R

TS

I

UUPredpostavka: vodnikR je osnovni vodnik

Za osnovni vodnik velja:021021 0 IIIIIII R −−==++=

RTSR UUaUaUU =++= 213

3/3 0212

2 RRTSR UUUUUUaUaUU ====++=

RTSR UUUUU =++=03


Slika 4.7a Nadomestna stikalna shema simetričnih komponent omrežja za dvopolni kratki stik z dotikom z zemljo

U E I Z1 1 1= −"

222 ZIU −=

000 ZIU −=


IE

ZU

Z Z Z Z Z Z

Z Z ZR = −+ +

="

11

1 2 2 0 0 1

1 2 0

0U E

Z Z

Z Z Z Z Z Z12 0

1 2 2 0 0 1

=+ +

"

velja:A

ZZEI 02"

1

+=

A

ZEI 0"

2 −=A

ZEI 2"

0 −=

pri čemer je: A Z Z Z Z Z Z= + +1 2 2 0 0 1

Fazni tokovi znašajo

100221

02""2 3

ZZZZZZ

ZZaEjII SESk ++

−+==

I I Ea Z Z

Z Z Z Z Z Zk2ET"

T j= = −−

+ +3

22 0

1 2 2 0 0 1

"

0021 =++= IIII R

U E I Z1 1 1= −"Ker je:

222 ZIU −=000 ZIU −=021 UUU ==

022

1

0212

0

IIaIaI

IIaIaI

I

T

S

R

++=

++=

=

U E I Z1 1 1= −"

222 ZIU −=000 ZIU −=


Tok, ki se zaključuje preko zemlje I E je torej enak vsoti I S in I T oziroma

I I I EZ

Z Z Z Z Z ZIkE2E

"S T= + =

+ +=3 32

1 2 2 0 0 10

"

U U U1 2 0= = U U U UR = + +1 2 0 velja, da je napetost zdrave faze U R

nasproti zemljiU E

Z Z

Z Z Z Z Z ZR =+ +

3 2 0

1 2 2 0 0 1

"

Nadaljni pregled nad začetnimi vrednostmi kratkostičnih tokov pri dvopolnem kratkem stiku z dotikom z zemljo dobimo na slikah. V njih je prikazan potek kratkostičnega toka, ki teče prekozemlje (za vodnike, ki so v okvari) v odvisnosti od Z Z0 1

in od razlike impedančnega kota Z Z1 0−


I 2T

1R

1S

= 0

I

I

I 1T

2RI2SI

I T

RI

SI

U 1T

1SU

1RU 2RU

2TU

U 2S

UT

RUSU

0I

U0

= = 0

Komponente toka in napetosti pri dvopolnem kratkem stiku z dotikom z zemljo


I EaZ Z

Z Z Z Z Z Zk2ES" j= +

−+ +

3 2 0

1 2 2 0 0 1

"

Dvopolni kratkostični tok z dotikom z zemljo. Primerjava kratkostičnega toka v fazi S s trifaznim kratkostičnim tokom

Z1 … sofazna impedanca (impedanca sofaznega sistema)Z2 …protifazna impedanca(impedanca protifaznega sistema)Z0 … nična impedanca(impedanca ničnega sistema)ϕ1-ϕ0 …kotna razlika Z1-Z0

21 ZZ =

)2(3

01

01"

3

"2

ZZ

ZZaj

I

I

k

ESk

+−

+=


I Ea Z Z

Z Z Z Z Z Zk2ET j" "= −−

+ +3

22 0

1 2 2 0 0 1

Dvopolni kratkostični tok z dotikom z zemljo. Primerjava kratkostičnega toka v fazi T s trifaznim kratkostičnim tokom


I EZ

Z Z Z Z Z ZkE2E" =

+ +3 2

1 2 2 0 0 1

"

I k"

I k"

3

Dvopolni kratkostični tok z dotikom z zemljo. Primerjava kratkostičnega toka, ki se zaključuje preko zemlje, s trifaznim kratkostičnim tokom


.

.

Dvopolni kratki stik z dotikom z zemljo. Primerjava napetosti Ur zdravega vodnika R nasproti zemlji

U EZ Z

Z Z Z Z Z ZR =+ +

3 0 2

1 2 2 0 0 1

"


Enopolni zemeljski stik

Za enopolni zemeljski stik veljajo pogoji U I IR S T= = =0 0 0; ;

vodnik R je upoštevankot osnovni vodnik

3 12I I a I a I I= + + =R S RT

33 021

22

RRTSR

IIIIIIaIaII ====++=

3 0I I I I I= + + =R S T R ;

U U U U U U UR = + + = = − −1 2 0 1 2 00 ;

RST

Z E

F 1

Stikalna shema omrežja z enopolnim zemeljskim stikom


Nadomestna stikalna shema. Simetrične komponente omrežja za enopolni zemeljski stik.

U E I Z1 1 1= −"

222 ZIU −=

000 ZIU −=


I I I1 2 0= =

U U U1 2 0 0+ + =

U E I Z I Z I ZR = − − − ="1 1 2 2 0 0 0

I I IE

Z Z Z1 2 01 2 0

= = =+ +

"

I I I I IR = + + =1 2 0 13 za začetni kratkostični tok I Ik1"

R=

IE

Z Z Zk1"

"

=+ +

3

1 2 0

Fazne napetosti v zdravih vodnikih S in T dobimo na osnovi vstavljanja napetostnih enačbiz nadomestne impedančne sheme in enačb tokov I1, I2, I0 v osnovne enačbe sistema simetričnih komponent.

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

++++

−=021

0212

2"

ZZZ

ZZaZaaEU S

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

++++

−=021

022

1"

ZZZ

ZZaZaaEU T

0022112

0212 )"( ZIZIaZIEaUUaUaU S −−−=++=

U E I Z1 1 1= −"

022

1 UUaUaU T ++=

222 ZIU −=

000 ZIU −=analogno


Komponente toka in napetosti pri enopolnem zemeljskem stiku

I 2S

1R

1S

=0I

I

I 1T

2RI

2TII T

RI

SI

U 1T

1SU

1RU2RU

2SU

U 2T UT

RU

SU

0I

U0

=

=0


Enopolni zemeljski stik. Primerjava kratkostičnega toka

021

""1

13

ZZZEI Rk ++

=

"k3Iz

"k1RI

Vrednost razlike kotov ϕ ϕ1 0090− >

pomeni, da mora imeti nična impedancakapacitivni karakter. To je teoretično možnole pri omrežjih z neozemljenim zvezdiščem. V praksi ne dopuščamo tako velikekapacitivnosti v omrežju in s tem majhnihkratkostičnih moči v omrežju.

ϕ ϕ1 0030− ≤

tako, da je kratkostični tok lahko prienopolnem kratkem stiku do 50% večji odtoka pri tripolnem kratkem stiku.

V omrežjih z nizkoohmsko ozemljitvijo zvezdiščne točke, je običajna kotna razlika


U E aa Z aZ Z

Z Z ZS = ⋅ −+ ++ +

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥" 2

21 2 0

1 2 0

Enopolni zemeljski stik. Primerjava fazne napetosti US vodnika S obratovalne frekvence,

3 ⋅ E" in E "

.

z


U E aaZ a Z Z

Z Z ZT = ⋅ −+ ++ +

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥" 1

22 0

1 2 0

Enopolni zemeljski stik. Primerjava fazne napetosti UT vodnika T, z 3 ⋅ E" in E "

Posebno visoka napetostse pojavi takrat, kadar je razlika impedančnih kotovvečja od praktično samo v omrežjih z neozemljenimzvezdiščem.

090


Dvojni zemeljski stikDvojni zemeljski stik je kratki stik na različnih mestih omrežja in na različnih vodnikih. Pretežno nastopa v omrežjih z neozemljenim zvezdiščem ali v omrežjih z zemeljskostičnokompenzacijo. Samo v omenjenih omrežjih lahko nastopi povečanje napetosti v zdravihfazah ob enopolnem zemeljskem stiku, kar lahko ima za posledico, da pride do preskoka na še enem od zdravih vodnikov (torej do dvojnega zemeljskega kratkega stika). Pri temkratkostični tok ni večji, kot pri dvopolnem kratkem stiku z in brez dotika z zemljo. Velikostiteh tokov so predvsem pomembne za preizkušanje zaščitnih naprav in za ugotavljanjeostalih vplivov (npr. na telefonske vode).Primer (enostransko napajani vod s kratkostičnim mestom A in B na vodniku R in S) bopokazal pogoje in način izpeljave relacij, ki ustrezajo izračunu toka dvojnega zemeljskegastika, s pomočjo simetričnih komponent. Pri tem bo upoštevano omrežje z izoliranimzvezdiščem ali z izvedeno zemeljskostično kompenzacijo, kjer toke, ki tečejo prekokapacitivnosti nasproti zemlji in toke, ki se zaključujejo preko dušilke, na splošno ne upoštevamo.Za kratkostično mesto A vodnika R veljajo drugi pogoji kot za kratkostično mesto B..

0=SAI

I TA = 0

U RA = 0

RST

I

A B

AB

a b

= IAI

Stikalna shema omrežja z dvojnim zemeljskim stikom na enostransko napajanem vodu

I RB = 0

I TB = 0

U SB = 0


Z vstavljanjem v enačbo simetričnih komponent dobimo za kratkostično mesto A

3 2I I a I a I I1A RA SA TA RA= + + =

31

32I I a I aI I I I I I2A RA SA TA RA 1A 2A 0A RA= + + = = = =, .

3I I I I I0A RA SA TA RA= + + =U U U URA 1A 2A 0A= + + = 0

Za kratkostično mesto B vodnika S velja

I RB = 0I TB = 0 U SB = 0

3 2I I a I a I aI1B RB SB TB SB= + + =

31

32 2 2I I a I aI a I a I aI I I2B RB SB TB SB 1B 2B 0B SB= + + = = = =,

3I I I I I0B RB SB TB SB= + + = U a U aU USB 1B 2B 0B= + + =2 0


Pri izračunu potrebne nadomestne sheme, lahko izhajamo tudi iz navadnega kratkega stika z dotikom z zemljo. To pa zahteva vmesno shemo s transformatorji zato, ker pri obehkratkostičnih mestih na posameznih vodnikih napetosti glede na fazni kot niso enake. Vezavatransformatorjev ustreza enačbama za simetrične komponente napetosti. V povezavitransformatorjev, teče med R in 0 kratkostični tok IRA in med S in 0 tok ISB ki teče preko obeh kratkostičnih mest (dvojni zemeljskostični tok). Pri stiku z zemljo preko upora, (prehodna upornost do zemlje ali upornost električnega obloka) obstajata povezavi preko upornosti ZEA in ZEB. Glede na dane predpostavke, gre prečna impedanca ničnega sistema proti neskončno,torej teče dvojni zemeljskostični tok le med kratkostičnima mestoma A in B.

Trifazna shema vsebuje skupno 18 transformatorjev, pri čemer jih 12 ni aktivnih. Zato jih nipotrebno upoštevati. S tem potemtakem komponentna shema za dvojni zemeljski stikpreide v shemo s štirimi realnimi in dvema kompleksnima transformatorjema. Realnitransformator prevaja 1:1, kompleksni zavrti napetost in tok v istem smislu v prenosnemrazmerju 1:a in 1:a2 za kot 120° oziroma za 240°, pri čemer ostane amplitudanespremenjena.

V odgovarjajoči komponentni shemi, ki vsebuje tudi impedance omrežja, potrebne za izračun, niso upoštevani trije realni transformatorji v fazi R zaradi tega, ker je transformacija1:1. To ne vodi do nikakršne spremembe pri razdelitvi tokov in napetosti zato, ker so sistemimed seboj povezani galvansko le na enem mestu. Na osnovi vezalne sheme lahko s pomočjo Kirchhoffovega pravila zapišemo enačbe (prečno impedanco ne upoštevamo) za sofazni, protifazni in nični sistem.


Tripolna stikalna shema za dvopolni zemeljski stik RS s simetričnimi komponentami priuporabi realnih in kompleksnih transformatorjev.

A B

0 T S R

1

3Z EA RA SB EB

1

2

0

3ZI

1 1 1 1 11 1

11111111

1 11 1 1 1 1 11 1 1

Z

Z

Z

a a

aa a a22

0TSR

13 I1

3

a2

A B

a2

A B

10=SAI

I TA = 0 I RB = 0

I TB = 0


Nadomestna stikalna shema z impedanco omrežja, pri uporabi simetričnih komponent s kompleksnimi transformacijami za dvojni zemeljski stik. Predpostavljena primerjava ne upošteva prečne impedance v ničnem sistemu.

SB

EB3Z

I13

a

1 a2

S

3Z EA 1

IRA

1a1A

1b 1B

2a

2A

2b

2B

0a

0A

0b

0BU

A B

1 1

U

R I13

I

E"Z 1a

U U

1B

Z 1b

I

II I

Z 2a

2A

Z

I 1b

I 2b

2B

U

II

I

I

Z Z0a

0A

0b

U

0B

Nični sistem

Protifazni sistem

Sofazni sistem

A B

A B

bbaaB ZIZIEU 1111"

1 −−=

bbaaB ZIZIU 22222 −−=

0b0b2a2a"

1aa10B ZIZIEZIU −+−=


sofazni sistem: U E I Z I Z1B 1a 1a 1b 1b= − −"

U I Z I Z2B 2a 2a 2b 2b= − −

U I Z E I Z I Z0B a 1a 2a 2a 0b 0b= − + −1"

protifazni sistem

nični sistem

V sofaznem in protifaznem sistemu vodnika S, povzroči vgrajeni transformator s kompleksnimprenosnim razmerjem 1:a in 1:a2 kotni zasuk toka, kot je bilo prej omenjeno.

V sofaznem sistemu je npr.: I I a1B 0B: := 1 2

I a I1B 0B=

v protifaznem sistemu je I I a2B 0B: := 1

I a I2B 0B= 2

in v ničnem sistemu brez kompleksne transformacije I I0B 0B=


Na kratkostičnem mestu A se pojavijo naslednje napetosti:

U a EZ Z

Z Z Z Z ZSA1a 2a

a 2a b 2b 0b

j= −+

+ + + +

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥3 1

3

3 1 1

" ( )

( ) ( )

U a E aaZ a Z

Z Z Z Z ZTAa a

1a a 1b 2b b

j= − −+

+ + + +

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥3

3

31

22

2 0

" ( )

( ) ( )

Na enak način lahko zapišemo za kratkostično mesto B, da so enačbe za napetosti

U a EaZ a Z Z

Z Z Z Z ZRB1b 2b 0b

1a 2a 1b 2b b

j= −+ +

+ + + +3

3

2

0

"

( ) ( )

U SB = 0

U a E aaZ a Z a Z aZ Z

Z Z Z Z ZTB1a 2a 1b 2b 0b

a 2a 1b b 0b

j)

)= − −

+ − + ++ + + +

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥3

3

3

2 2

1 2

" ( ( )

( ( )

U RA = 0


Kratkostično mesto A


Kratkostično mesto B


Primerjava dvojnega kratkostičnega toka med vodnikom R (kratkostično mesto A) in vodnikomS (kratkostično mesto B) s tokom pri dvopolnem kratkem stiku brez dotika z zemljo v točki A

Z1a=Z2a Impedance do točke A, vključno napetostni izvori

Z1b=Z2b:Z0b Impedance med točkama A do B


Primerjava kratkostičnih primerov pri različnih stanjih zvezdiščne točke

Omrežje z izoliranim zvezdiščemPri omrežjih z izoliranim zvezdiščem nastopi največja začetna vrednost kratkostičnegaizmeničnega toka vedno pri tripolnem kratkem stiku.

Omrežja z zemeljskostično kompenzacijoV teh omrežjih zvezdišče ni izolirano ampak je vezano z zemljo preko induktivne reaktance.Sicer ločimo več razmer glede na vrednosti vplivnih parametrov, velja pa, da največjazačetna vrednost kratkostičnega izmeničnega toka nastopi pri tripolnem kratkem stiku.

Omrežje z nizkoohmsko ozemljitvijo zvezdiščne točkePri enopolnem zemeljskem stiku lahko nastopi pod določenimi okoliščinami, začetnavrednost kratkostičnega toka, ki za cca 30% presega vrednosti tripolnega kratkega stika. Pridvopolnem kratkem stiku z dotikom z zemljo, so možne vrednosti, ki dosegajo 50% večjevrednosti od kratkostičnega izmeničnega toka pri tripolnem kratkem stiku.Fazna napetost (obratovalne frekvence) nepoškodovanega vodnika, doseže v najboljneugodnem primeru 1,1 kratno vrednost obratovalne napetosti.

Omrežja z neposredno ozemljitvijoNajvečje začetne kratkostične izmenične toke dobimo pri eno ali dvopolnih kratkih stikih z dotikom z zemljo.


PRIMER - PODATKI

Generatorja sta ozemljena preko upornosti 8.333% pri nazivni moči 100MVA. Neobremenjena se vrtita pri nazivni napetosti in v fazi. Vsi podatki komponent so vezani na moč100MVA. Določiti je potrebno kratkostične tokove za posamezne primere kratkih stikov.


Sofazni sistem

PRIMER - REŠEVANJE


Protifazni sistem

PRIMER - REŠEVANJE


nični sistem

PRIMER - REŠEVANJE


I”k3

I”k1=3*I1=3*(-j1.266pu)=-j3.80pu

I”k2

PRIMER - REŠITVE

I”k2E


Relacije med impedancami elektroenergetskih elementov in med impedancami zapisa simetričnih komponent: sofaznega, protifaznega in

ničnega sistema

Dušilke za omejevanje kratkostičnega tokaImpedance sofaznega, protifaznega in ničnega sistema so pri dušilkah za omejevanjekratkostičnih tokov enako velike in ustrezajo vzdolžni impedanci: Z1=Z2=Z0=ZD

Sinhronski generatorReaktance sofaznega sistema združuje pojme subtranzientna reaktanca, tranzientnareaktanca in sinhronska reaktanca. Reaktanca protifaznega sistema je za turbogeneratorje približno enaka subtranzientnireaktanci in za generatorje s statorjem z izraženimi poli ter z dušilnim navitjem za do 20% večja od subtranzientne reaktance.Nična reaktanca je prisotna le v primeru kratkega stika med sponkami generatorja in zvezdiščem generatorskega navitja ali pri zemeljskem kratkem stiku in posredni ali direktni ozemljitvi zvezdišča generatorja.

"0

"2

11"

1

43

61

d

d

gd

XdoX

XX

jXZZXX

≈

≈

+=⇒=

Zaporedno vezan kondenzatorImpedance sofaznega, protifaznega in ničnega sistema so enako velike in ustrezajo vzdolžniimpedanci: Z1=Z2=Z0=ZC



ničnega sistema

Transformator-dvonavitni: - tronavitni:

Z1=Zps=ZTZ2=Zps=ZT

p

s

a)

t

T

Z_

Z_

Z_b)

p

s

t

s

t

pb)

a)

Z_T

Tp s

p s

Nična impedanca trifaznih transformatorjev, je odvisna od vezave navitij in od zgradbe jedra:trojedrni, pet jedrni, enofazni transformator. V omrežju lahko nični sistem obstaja le takrat, kadar je najmanj eno navitje vezano v zvezdi, in je zvezdiščna točka vezana z zemljo direktno ali preko induktivne ali ohmske upornosti. Izjema je autotransformator, kjer nična impedanca obstaja tudi, če ni izvedena ozemljitev z zvezdiščem. Dodatna impedanca zvezdiščne točke bo upoštevana pri enopolni nadomestni shemi s trikratno vrednostjo, to je 3Ze.Pri transformatorjih z dvojnim navitjem in vezavo zvezda-trikot ter ozemljenim zvezdiščem bo nična impedanca Z0=0.8ZT.Pri enofaznih in pri trifaznih oklopljnih transformatorjih je ničnemu fluksu na razpolago celotni prerez jedra, zato je nična impedanca enaka impedanci praznega teka Z0=ZL.


p s

p s

p s

p s t

p s t

p ts

ZE

p s

ZE

ZE

ZEZE

ZE

ZE1(2)

1p sZ

1(2)

1(2)

1p sZ

1(2)

1p sZ

1Z 1ZZ1

s

t

p

1(2)

1Z 1ZZ1

s

t

p

1(2)

1Z 1ZZ1

s

t

p

p sZE Z3 0p

p sZEZ 30

p sZE Z3 0p

p sZE Z3 0p

s

p ZE Z3 0p

Z

Z0p

s

tp

ZE3 ps

p

t

0s

p ZE Z3 0p

Z

Z0p

s

tp

ZE3 sp

t

0s

ZE3 t

VezavaProtifazni in sofazni

sistem Nični sistem

p

s

t

t

t

s

s

p

p

ZEps

ZE

=

(ps_ - 1)ZE p=

ZE s (ps_)2

ZE s = ZE (ps_)(s - 1)_p

ZE = ZE (ps_)t

;

Slika kaže najpogostejše vezave transformatorjev.


Nadzemni vodi

)j( 'L

'L

'L

'2

'1 XRZZZ +===

Zb)

L

ALAL C12 L C1

2 L

a)

Z Z LZ=1 2=

1(2)

c)

Zd)

C12

C12

0

0

0E0E

2R 2R

Sofazni in protifazni sistem

Nični sistem

Nadomestna shema - Π člen


ničnega sistema


Tipične impedance prenosnih daljnovodov

napetost R1 XL1 XC1 R0 XL0 XC0 X0/X1 kV Ω/mi Ω/mi MΩ/mi Ω/mi Ω/mi MΩ/mi69 0.280 0.709 0.166 0.687 2.74 0.315 3.86 115 0.119 0.723 0.169 0.625 2.45 0.265 3.39 230 0.100 0.777 0.182 0.591 2.26 0.275 2.91 345 0.060 0.590 0.138 0.551 1.99 0.208 3.37 500 0.028 0.543 0.127 0.463 1.90 0.198 3.50 765 0.019 0.548 0.128 0.428 1.77 0.185 3.23

R1, XL1, R0, XL0 -> ohm/miljo; XC0, XC1 megaohm/miljo (1 milja = 1.61 km).


ZGRADBA IN DELOVANJE STIKALNIH POSTAJ IN NAPRAV

Uvod in definicijeStikalne postaje: razdelilne transformatorske postaje, razdelilne postajeKonfiguracije stikalnih postaj - zbiralčne shemeIzvedbe stikalnih postajStikalne celice, izvedbeZanesljivost stikališčDimenzioniranje zbiralkStikalni aparati visoke napetostiLastnosti električnega obloka



Stikalne postaje so sklopi naprav nameščeni v vozliščih prenosnih in razdelilnih omrežjih. Njihova naloga je usmerjanje energije od proizvodnje do uporabnikov. Stikalne postaje omogočajo zanesljivo in istočasno elastično obratovanje omrežja. V ta namen so v njih nameščene stikalne naprave kot odklopniki in ločilke, poleg tega pa še naprave za meritve, naprave za vodenje in nadzor, naprave za zaščito.Ločimo visokonapetostne in nizkonapetostne postaje. Med nizkonapetostne postaje stikališča uvrščamo vse, ki delujejo v omrežju z nazivno napetostjo do 1 kV. Visoka napetost je v domeni prenosnih omrežij, razdelilnih omrežij, industrije in električne vleke. Pokriva napetosti od 1 kV navzgor. Običajna napetostna nivoja v visokonapetostnih razdelilnih omrežjih sta 10 kV in 20 kV. V uporabi je še 35 kV napetost, ki pa se počasi opušča. V industriji je pogosto uporabljena napetost 6,3 kV (npr. JEK). Električna omrežja nad 110 kV uvrščamo v visokonapetostna prenosna omrežja. V slovenskem prostoru se uporablja visokonapetostno prenosno omrežje napetosti 110 kV, 220 kV in 400 kV.Po IEC 60071-1 in DIN VDE 0111 delimo visokonapetostne naprave v dva razreda:� Razred 1 – nad 1kV do 300 kV� Razred 2 – nad 300 kVMaksimalna obratovalna napetost naprav je po IEC predpisih omejena na 110% nazivne napetosti.



Podatki o najvišji obratovalni napetosti in zdržnih napetostih so osnova za načrtovanje izolacije in razdalj med posameznimi elementi stikališč. Za napetostne nivoje prenosnega omrežja je podanih več zdržnih nivojev, ki nam omogočajo koordinacijo stopenj izolacije. Dražje elemente omrežij želimo bolj zaščititi, zato izberemo najvišji zdržnostni nivo (polna stopnja izolacije), za cenejše elemente, ki jih je lažje popraviti, pa izberemo nižji nivo (znižana stopnja izolacije). Transformatorji so tako navadno kot najdražji in najzahtevnejši elementi za zamenjavo načrtovani glede na najvišjo zdržno napetost, stikališča na eno stopnjo nižjo napetost in daljnovodi na še nižjo. V slovenskem prostoru imata 220 kV in 400 kV omrežje vse elemente načrtovane po tem principu, medtem ko na 110 kV omrežju ni dosledne koordinacije izolacije.

Praksa pri načrtovanju VN postaj je, da se vedno načrtuje opremo na najvišji nivo izolacije in izvede koordinacijo od najvišje stopnje navzdol. Stopnje izolacije v Sloveniji še vedno predpisuje »Pravilnik o tehničnih normativih za elektroenergetske postroje nazivne napetosti nad 1000« iz leta 1974, čeprav se v nekaterih določbah razlikuje od novejših IEC predpisov, ki so v zadnjih desetletjih bili dopolnjeni. IEC predpisi na primer ne poznajo najvišjega izolacijskega nivoja, ki predpisuje zdržno udarno napetost 1550 kV.Nazivna zdržna atmosferska udarna prenapetost standardiziranega udarnega vala 1.2/50 μs (kV): oznaka pomeni, da v 1.2 μs udarni val doseže želeno napetost in da po 50 μs pade na njeno polovico.


U =1300 kVvzd

r med fazami =2960 mm

Daljnovod

U =1425 kVvzd

Stikališče


U =1550 kVvzd

Transformator


Primer koordinacije izolacije za 400 kV omrežje po slovenskih predpisih

znižanznižanznižanznižanceloten

(650)(750)8509501050

(275)(325)360395460

245

znižanznižanceloten

(550)650750

(230)275325

170

znižanznižanceloten

(450)550650

(185)230325

145

znižanceloten

450550

(185)230

123

celoten32514072,5

celoten2509552

Izolacijski nivoNazivna zdržna atmosferska udarna prenapetost -standardiziranega udarnega vala 1,2/50 μs (kV)

Nazivna kratkotrajna zdržna napetost industrijske frekvence – efektivna vrednost (kV)

Najvišja dovoljena obratovalna napetost opreme – efektivna vrednost (kV)

Standardni nivoji izolacije za najvišje dovoljene napetosti naprav med 52 kV in 245 kV


Standardni nivoji izolacije za najvišje dovoljene napetosti naprav nad 300 kV

znižanznižanznižanznižanznižanceloten

105011751175130013001425

1,61,51,5

8509501050

850950950

420

znižanznižanznižanceloten

950105010501175

1,51,5

850950

850850

362

znižanznižanznižanceloten

8509509501050

1,51,5

750850

750750

300

Faktor razmerja koničnih vrednosti napetosti faza-faza in faza-zemlja

Napetost med faznim delom in zemljo (temenska vrednost)(kV)

Vzdolžna izolacija (temenska vrednost)(kV)

Izolacijski nivo

Nazivna zdržna atmosferska udarna prenapetost –standardiziranega udarnega vala 1,2/50ms (kV)

Nazivna zdržna stikalna prenapetost -standardiziran val stikalnega manevra

Najvišja dovoljena obratovalna napetost opreme – efektivna vrednost (kV)


PRENOS ELEKTRIČNE ENERGIJE –INFRASTRUKTURA SO NASLEDNJI OBJEKTI, OMREŽJA ALI NAPRAVE

Daljnovod – obsega objekt v celoti od odponskega portala enega objekta, do odponskega portaladrugega objekta, vključno z odponsko izolatorsko verigo. Del daljnovoda so tudi telekomunikacijskivodi v strelovodni vrvi ter telekomunikacijski vodi v faznem vodniku.Daljnovodno polje – obsega VN elemente do vključno odponskega portala, vključno z izolatorskoverigo in priključkom na DV, pripadajoče kabelske povezave in krmilno omarico, VF kondenzator, VF dušilko in spojno vezje za VF elemente.Transformatorsko polje – obsega VN elemente od zbiralke do energetskega transformatorja, vključno z VN ločilnikom za ozemljitev nevtralne točke, vendar brez energetskega transformatorja, pripadajoče kabelske povezave in krmilno omarico.Zvezno polje – obsega VN elemente, krmilno omarico in pripadajoče kabelske povezave.Merilno polje – obsega VN elemente, krmilno omarico in pripadajoče kabelske povezave.Energetski transformator – je naprava, ki transformira napetost z enega na drug napetostni nivo.Sekundarna oprema – obsega elemente, ki niso neposredno povezani s prenosnim omrežjem, vendar so bistven element pri zanesljivosti prenosnega sistema. Elementi sekundarne opreme so energetski kabli, kabelske povezave sekundarne opreme, naprave zaščite, vodenja in meritve,zaščitni releji, naprave za prenos kriterija, komandna plošča, AKU baterije, diesel agregati, razvodin omare lastne rabe, usmernik/razsmernik, napajalni del relejnih hišic.Telekomunikacijska oprema – obsega programsko in strojno opremo, ki je potrebna za nemotenodelovanje telekomunikacij za delovanje prenosnega sistema, vključno z napajanjem.Gradbeni objekti in konstrukcije – obsega naprave, ki so bistven element pri delovanjuprenosnega sistema in obsega daljnovodne stebre s temelji, portale (betonski/kovinski) in ostalekovinske konstrukcije v stikališču s temelji, kabelske kanale v stikališču, kanalizacijo – komunalnirazvodi, vodovod, zgradbe v RTP, relejne hišice, ograje objektov ter ozemljitvene sisteme objektov.


DISTRIBUCIJA ELEKTRIČNE ENERGIJE –INFRASTRUKTURA SO NASLEDNJI OBJEKTI, OMREŽJA ALI NAPRAVE

Primarna SN in NN oprema – obsega objekte in naprave, ki neposredno predstavljajodistribucijsko omrežje in je sestavljeno iz daljnovodnega, transformatorskega, zveznega termerilnega polja.VN – visoko napetostni nivo 110 kV in več.SN – srednje napetostni nivo: 35 kV, 20 kVin 10 kV.NN – nizko napetostni nivo: 0,4 kV.Vodi in kablovodi, ki so del distribucijskega omrežja.Nadzemni vodi – obsegajo objekte v celoti od odponskega portala enega objekta, do odponskegaportala drugega objekta, vključno z odponsko izolatorsko verigo.Merilne naprave – so električni števci, stikalne ure, omrežni tonsko-frekvenčni komandnisprejemniki.Stavbe transformatorskih postajRTP – Razdelilno transformatorska postaja.TP – Transformatorska postaja je objekt namenjen transformaciji električne napetosti in se lahkonahaja na železnih stebrih oziroma v zaprtih gradbenih objektih.Objekti in omrežja javne razsvetljave (JR – Javna razsvetljava).Distribucijski center vodenja – so programska in strojna oprema za nadzor in upravljanjedistribucijskega omrežja.


ELEKTRARNE –INFRASTRUKTURA SO NASLEDNJI OBJEKTI, OMREŽJA ALI NAPRAVE

Generator – je naprava za pretvorbo mehanske v električno energijo in ga sestavljajo vzbujalnisistemi, napetostni regulatorji in hladilni ter zavorni sistemi. Turbine – (vodne) so naprave za pretvarjanje potencialne energije v mehanično in jih sestavljajosame turbine z regulatorji hitrosti in pripadajočimi zapirali. Energetski transformator – je naprava, ki transformira generatorsko napetost na napetostomrežja. Stikališča – so objekti in naprave, ki omogočajo proces prenosa energije od generatorja do daljnovoda na prenosnem sistemu. Center vodenja elektrarn – je porazdeljen računalniški sistem za daljinsko vodenje in nadzor večelektrarn. Oprema pomožnih sistemov – je oprema za drenažo, zrak, mazanje, gašenje požara, oprema zameritev vodostaja ter druga oprema za nemoteno delo hidroelektrarn.VN, SN kabli (110 kV, 20 kV, 10 kV in 6,3 kV).Jezovna zgradba s pretočnimi polji in dotočnimi oziroma odtočnimi kanali; Naprave tehnološke lastne rabe agregatov.Oprema za krmiljenje zapornic pretočnih polj.Oprema, naprave in napeljave 0,4 kV tehnološke lastne rabe agregatov.

VEČ: Uredba o energetski infrastrukturi(http://www.uradni-list.si/1/objava.jsp?urlid=200362&stevilka=3034)


ZGRADBA IN DELOVANJE STIKALNIH POSTAJ IN APARATOV

Stikalne postaje so povezane z daljnovodi. Prenosni daljnovodi povezujejo elektrarne kotproizvajalce električne energije in odjemalce na visokonapetosnem nivoju: Sistemskegaoperaterja distribucijskega omrežja (SODO) v imenu petih distribucijskih družb in pet velikihindustrijskih porabnikov. 508 kilometrov daljnovodov na 400 kV napetostnem nivoju, 328 kilometrov daljnovodov na 220 kV napetosti in 1.736 kilometrov 110 kV daljnovodov.

V stikalnih postajah imamo naprave za vklapljanje ali izklapljanje, transformatorje, napraveza zaščito, merilne naprave za kontrolo obratovanja in obračun energije, naprave zaupravljanje stikalnih naprav, signalizacijo, daljinsko merjenje in daljinsko vodenje.Razlikujemo torej najrazličnejše stikalne postaje, ki so glede na svojo vlogo različnoopremljene.

Ločimo: Razdelilne transformatorske postaje – RTPRazdelilne postaje – RPTransformatorske postaje – TP


ZGRADBA IN DELOVANJE STIKALNIH POSTAJ IN APARATOV

RAZDELILNA TRANSFORMATORSKA POSTAJA - RTP je povezana z več vodi prenosnega ali razdelilnega omrežja. Prisotno je stikališče določene napetosti, kjer se preko transformatorjev transformira napetost na nižji napetostni nivo in izvaja povezava v stikališču z vodi določene napetosti.

Prenos v SlovenijiIz visokonapetostnih razdelilnih transformatorskih postaj potekajo daljnovodne povezavedirektno ali preko transformatorjev od proizvajalcev električne energije do mesta prevzema električne energije na prenosnem omrežju uporabnikov na tem nivoju. V Sloveniji 21 razdelilnih transformatorskih postaj z 27 energetskimi transformatorji s skupno močjo 4.767,5 MVA. Največje med njimi so v Beričevem, Podlogu, Mariboru, Divači, Okroglem in Krškem.


RAZDELILNA POSTAJA - RP povezuje več vodoviste napetosti. V postaji imamo stikališče v katerem vežemo vode v različne kombinacije. Postaje so opremljene enotno, posebna oprema je zaščita za selektivno izklapljanje vodov pridefektih.

TRANSFORMATORSKE POSTAJE - TP za napajanjenizkonapetostnih omrežij so najenostavnejše stikalnepostaje, kjer vodi v postajo en dovod določene srednjevisoke napetosti. Preko transformatorja s transformacijona 0.4 kV zbiralke vodijo nizkonapetostni vodi do potrošnikov.


nerjavne pločevinaste transformatorske postaje

kompaktne in montažne betonske transformatorske postaje

kontejnerske in prevozne transformatorske postaje

http://www.tsn.si/


Totalni blok pomeni zaporedno vezavogeneratorja in transformatorja ter kotla in turbine z direktnim izvodom v daljnovodvisoke napetosti primer TE Šoštanj IV in V.

ZBIRALČNA vezava, kjer so med transformatorjem in generatorjem prisotni elementi na nivoju srednje visoke napetosti(6, 10, 20 kV). Take primere zasledimo v HEelektrarnah Mariborski otok, Dravograd, Fala, Medvode, Doblar(hidroelektrarne)

BLOKOVNA vezava se je pojavila iz razloga, ker je stikalnapostaja za generatorsko napetost zaradi relativno nizkenapetosti v pogledu učinkov kratkostičnih tokov zelozahtevna. Iz omenjenega razloga sta generator in transformator vezana neposredno v taoimenovani blok. Primer take vezave lahko zasledimo v HE Vuzenica, Vuhred, Ožbalt, Zlatoličje, Formin pa tudi v TE Šoštanj.

Čisti blok pomeni zaporednovezavo generatorja in transformatorja z direktnimizvodom v daljnovod visokenapetosti - primer TE Šoštanj III in IV.


G G G4 4 4

4

3 3

5 5 5

3

1

2

1 - glavna stikalna postaja2 - stikalna postaja za napajanje lastne rabe elektrarne3 - stikalna postaja za lastno rabo elektrarne4 - transformatorji za lastno rabo5 - blok transformator

Stikalna postaja elektrarne vključena v sistem

ZBIRALČNA SHEMA

1,2 napajanje - dovod, 3 merilni transformator, 4 ločilnik,5,6,7 odvodi


G05

TR5

QO400

TR5B

G5

5BB

5BB-P

5BN 5BP

5BN 5BP

5BS

TR5BS

G03

TR3

E06Q0

E06Q0

ZB110

E03Q0

E03Q0

E10Q0

E10Q0

TR2

G02

E12Q0

E12Q0

TR1

G015BA

5B

5BB5BA

M01 M02 M03 M04 M05

POD400A

PODLOG

5BA-N

G3 G2 G1

POD400

DV400

T400/220

P400/220

POD400

G04

TR4

DV220B

T220A T220B

M05M02

M06

P400

P220POD220BPODLG2

PODLG1

5BA1

5BB1

Yy0

5BAKS

Yy0

Yy0 Yy0

Yd5

Yd5 Yd5 Yd5 Yd5

P110A

DV110A DV110B

P110B

Yd5

G4

POD220

POD110

I

I

10,5 kV 10,5 kV 10,5 kV 10,5 kV

10,5 kV10,5 kV

110 kV

400 kV

400 kV

400 kV

220 kV 220 kV220 kV 15,75 kV

110 kV

10,5 kV 10,5 kV 10,5 kV

RTP 400/220/110 kV Podlog

Povezava TEŠ z RTP Podlog – poudarek na napajanju lastne rabe elektrarne


Jedrska elektrarna v Krškem – poudarek na napajanju lastne rabe elektrarne


Konfiguracije stikalnih postaj - ZBIRALČNE SHEME

Funkcionalna karakteristika stikalne postaje je definirana s shemo. Z njo določimo število potrebnih zbiralk, povezav in pripadajočih naprav. Enopolna shema se izbere po analizi zahtev posamezne vozliščne točke, z njo pa se opredeli zanesljivost, preglednost, fleksibilnost, kompaktnost in ceno posamezne kofiguracije. Obstaja veliko število konfiguracij in njihovih variacij, vendar se jih v posameznih elektroenergetskih sistemih uporablja le peščica.

OPOMBA:V shemah so večinoma prikazani samo stikalni elementi, ki vplivajo na obratovalne karakteristike shem. Večinoma niso prikazani merilni transformatorji in zaščitni elementi (prenapetostni odvodniki), prav tako večinoma niso prikazani ozemljilni ločilniki, ki tudi predstavljajo nujen element za varno obratovanje.

Zaradi poenostavitve so prikazane enopolne sheme.


H shema H shema z odklopnikom v prečni zbiralki

H shema je enostavna oblika stikališča, kinavkljub nizki ceni izvedbe omogočarazmeroma elastično obratovanje sistema. Iz tega razloga se izrazito veliko uporablja v razdelilnem omrežju pri transformatorskihpostajah 110/20 kV. Njihova uporabnost je omejena na dva dovoda in dva odvoda(transformatorja). Njena uporaba v večjihvozliščih (razširjena H shema) izrazitoposlabša fleksibilnost obratovanja. Prednosti uporabe H sheme so še v majhniporabi prostora in nizki ceni.


Enojne zbiralke

Shema z enojnimi zbiralkami (1G) je enostavna in cenovno ugodna za izvedbo. Za izvedbo potrebujemo najmanj prostora. Uporablja se zgolj za enostavne manjše instalacije, čeprav število polj ni omejeno. Slabost je nefleksibilnost in z njo povezana nezanesljivost, saj vsi posegi na zbiralkah ali zbiralničnih ločilnikih zahtevajo izklop vseh vodov na zbiralkah. Več zanesljivosti obratovanja in fleksibilnosti pridobimo z namestitvijo vzdolžne ločilke v zbiralkah, saj lahko v tem primeru zbiralko sekcioniramo in zadržimo del sistema v obratovanju.- uporaba pri sistemih za dislociranetransformacije, za manjša stikališčaoziroma tista, ki nimajo vozliščnegaznačaja.

Shema s sekcioniranimi enojnimizbiralkami je cenena in pregledna. Pri nas se uporablja na nivoju 220 kV, veliko pa seuporablja v električnih omrežjih Italije.

1G


Shema dvojnih zbiralk (2G) je v največkrat uporabljena shema za visokonapetostne stikališča. Je dražja od izvedbe z enojnimi zbiralkami, vendar se zanesljivost obratovanja in fleksibilnost bistveno povečata. Omogoča vzdrževanje in odpravo napak brez izklopa večjih delov stikališča. Med obratovanjem je smiselna razdelitev polj delno na prve in delno na druge zbiralke z vklopljenim zveznim poljem. V primeru okvare znotraj stikališča se samodejno (preko posredovanja releja zaščite zbiralk) izklapljajo vsi odklopniki na zbiralkah, kjer se jepojavila napaka. Izklopi se tudi odklopnik zveznega polja, vendar v obratovanju ostanejo vsi sistemi priključeni na zbiralke, na katerih ni prišlo do napake. Po posredovanju zaščite se nato z ročnimi stikalnimi manevri vsa zdrava polja preklopijo na zbiralko, ki je obratovalno sposobna. Manevre prestavljanja odvodov iz ene na drugo zbiralko izvedemo z uporabo zveznega polja. Z namestitvijo vzdolžne ločilke na zbiralko lahko fleksibilnost še povečamo.

Zvezno polje

1G2G

Varianta sheme 2G

Varianta sheme 2G z izvlečljivo celico


Dvojne zbiralke z U obliko

Izvedba z dvojnimi zbiralkami, od katerih je ena ukrivljena v U obliko, prinaša cenovno ugodno rešitev dvojnih zbiralk, s katero se prihrani veliko prostora. Uporablja se na lokacijah, kjer lahko visokonapetostna polja razdelimo enakomerno na obe strani zbiralk.

1G 2G 1G


Dvojne zbiralke s pomožnimi zbiralkamiV Evropi je v veliki meri uporabljena na 220 kV in 380 kV napetostnem nivoju. Takoimenovanorezervno polje, ki jo sestavlja ločilnik, odklopnik, ločilnik, omogoča povezovanje ene od glavnihzbiralk s pomožno zbiralko v primeru okvare katerega od stikalnih elementov na določenemodvodu. V normalnih obratovalnih razmerah je pomožna zbiralka neobremenjena.

Shema dvojnih zbiralk s pomožnimi zbiralkami2G+P se uporablja za najpomembnejšastikališča, saj omogoča zelo zanesljivoobratovanje. Pomožne zbiralke omogočajonaslednje:

- Odvodno polje (DV, transformatorsko,...) lahko med obratovanjem preko pomožnezbiralke preusmerimo na drug daljnovod in takoobidemo celotno stikališče razen pomožnihzbiralk. Stikalne funkcije v tem primeruprevzamejo odklopniki sosednjih stikališč.

- Odvodno polje lahko med obratovanjem prekopomožnih zbiralk preusmerimo preko transfer ali kombiniranega zveznega in transfer polja naglavne zbiralke. Ob tem manevru moramopreklopiti tudi zaščito, zato je zahtevnost take gradnje velika.

1G2G

P

Enopolna shema dvojnih zbiralk s pomožno (transfer) zbiralko in s kombiniranim zveznim in transfer poljem


Izvedba s trojnimi zbiralkami (3G) se uporablja pri stikališčih z velikim številom polj in v točkah omrežja, kjer je velika koncentracija kratkostičnih moči. Omogoča namreč tudi sekcioniranje posameznih delov mreže ob še primerni elastičnosti obratovanja. Je sicer cenovno neugodna, vendar kompaktnejša od 2G+P in potrebuje manj prostora. Uporablja se za najpomembnejša stikališča (npr. RTP Ljubljana II - Beričevo 110 kV). Tudi tukaj lahko z namestitvijo vzdolžne ločilke na zbiralko fleksibilnost še povečamo.

1G2G3G

Trojne zbiralke

Varianta s sekcioniranimi trojnimi zbiralkami


Shema zbiralk v obliki prstana se navadno uporablja kot prvastopnja izgradnje stikališča po metodi 1 ½ odklopnika. Vsakaveja potrebuje le en odklopnik, vendar se kljub temu lahkovsak odklopnik med obratovanjem izolira in vzdržuje. Shemaje kompaktna in omogoča uporabo modularnih elementov(ločilka-odklopnik-ločilka so združeni v enem aparatu).Priporoča se predvsem za vozliščne postaje ne pa toliko zaRTP z mnogimi odvodi. Ker izpad odklopnika ne pomeni izpadnapajanja, velja da je shema zelo sigurna. Ne zahteva večjepovršine. Velja, da je do pet odvodov konkurenčna shemi2G+P. V ZDA je ta izvedba zelo uporabljena.

Metoda 1 ½ odklopnikaV slovenskem prostoru se ne uporablja. Odvodi namreč nimajo enake teže in je potrebno vnaprejpredvideti pomembnost posameznih daljnovodnih povezav med seboj ter jih ustrezno umestiti v shemo. Zveznega polja ni, vendar omogoča shema veliko fleksibilnost. Vsak par polj potrebuje tri odklopnike, zato je cena takšnih stikališč velika. Uporablja se predvsem v anglosaškem svetu. Dobra lastnost sheme je možnost uporabe modulov ločilnik-odklopnik-ločilnik.

1G 2G

Enopolna shema z obročno zbiralko


Prečni prerez 400kV stikališča v tipičnem daljnovodnem polju


cevne Cu ZB 1G110HE Doblar15

vrvi1G110HE Plave14

vrvini zbiralk110HE Solkan13

vrvi 1G z vzd. loč.110RTP N. Gorica12

vrvi 1G z vzd. loč.110RTP Vrtojba11

vrvi 1G z vzd. loč.110RTP Ajdovščina10

vrvi H modificirana110RTP Logatec9

vrvi 1G 110RTP Cerknica8

vrvi 1G 110RTP Postojna7

vrvi 1G z vzd. loč.110RTP Pivka6

vrvi H110RTP Dekani5

vrvi H110RTP Il. Bistrica4

vrvivrvivrvi

2G v U obliki2G2G+P

110 220 400

RTP Divača3

vrvi (predviden GIS)1G 110RTP Lucija2

GIS 2G (v gradnji)1G z vzd. loč.110 RTP Koper1

Tip zbiralkShema zbiralkVN napetostni nivoji kVImeŠt.

PRIMER: Pregled izbranih konfiguracij VN stikalnih postaj v Sloveniji

GIS = Gas Insulated Switchgear


DELEŽ POSAMEZNIH SHEM V SLOVENSKIH RTP

1G, 2G zvzdolžno ločitvijo

1G, 2G+P

1G, 2Gvezana v obroč

1G z vzdolžnoločitvijo

1G vezanaV obroč

1G z dvojnimNapajanjem 2%

1G, 2G brez ločitve

25%

36%

8%

6%

15%

8%


Enopolna shema RTP Beričevo



Stikalna shema napajanja v elektrarni

Stikalna shema el. omrežja 380kV/110kV

Stikalna shema el. omrežja 110/10kV

Tipična stikalna shema el. omrežja 110/10 ali 20kV


Pri gradnji oz. izdelavi projektne dokumentacije stikalne postaje moramo na osnovi 18. in 30. členaZakona o graditvi objektov upoštevati zahteve projektne naloge investitorja, zahteve določene z lokacijskim dovoljenjem, zahteve soglasodajalcev, ter naslednje predpise, standarde in normative:

Zakoni:

Zakon o graditvi objektov ZGO-1, uradno prečiščeno besedilo (Ur.l. RS 102/04, 14/05). ZGO-1 ureja pogoje graditve vseh objektov, določa bistvene zahteve, predpisuje način in pogoje zaupravljanje dejavnosti, ki so v zvezi z gradnjo objektov, določa sankcije za prekrške, in ureja drugavprašanja povezana z gradnjo objektov. Ta zakon je temeljni zakon, ki določa izhodišča zaprojektiranje ter gradnjo stikalnih postaj.Zakon o meroslovju (Ur.l. RS 1/95)Zakon o standardizaciji (Ur.l. RS 1/95)Zakon o varstvu okolja in Zakon o spremembah in dopolnitvah zakona o varstvu okolja ZVO-A (Ur.l. RS 32/93, 1/96, 44/95)

Predpisi:

DIN VDE 0103 – osnovni predpisi za načrtovanje mehanskih in termičnih obremenitev ob kratkemstikuIEC 60865 – Izračun posledic kratkostičnih tokovIEC 60071 in DIN VDE 0111 – Koordinacija izolacijeIEC 60664 in DIN VDE 0110 – Koordinacija izolacije za opremo NN sistemovDIN 1050 - Varovanje opreme – principi ocenjevanja tveganjaDIN 4113 Konstrukcije iz aluminija pri večinsko statičnih obremenitvah, statična analiza in sestavastruktureDIN 1055 – gradbeni predpisi za izračun obremenitev gradbenih materialov


Pravilniki:

Pravilnik o varstvu pri delu pred nevarnostjo električnega toka (Ur.l. RS 29/92)Pravilnik o tehničnih predpisih za strelovode (Ur. l. SFRJ 13/68)Odločba o jugoslovanskih standardih za strelovode (Ur. l. SFRJ 29/72)Pravilnik o tehničnih predpisih za obratovanje in vzdrževanje elektroenergetskih postrojev (Ur. l. SFRJ 19/68)Pravilnik o tehničnih ukrepih za zaščito elektroenergetskih postrojev pred prenapetostjo (Ur. l. SFRJ 7/71) določa tehnične ukrepe za zaščito pred prenapetostjo, ki so obvezni pri gradnji, rekonstrukciji in eksploataciji elektroenergetskih stikalnih postaj. Poleg pravilnika morajo stikalnepostaje izpolnjevati še predpise: JUS N.B0.030 – koordinacija izolacije v elektrotehniki, JUS N.B2.050 – ventilni prenapetostni odvodniki in Tehnični predpisi za elektroenergetske postroje nad1000 V (Ur. l. SFRJ 14/67)Pravilnik o tehničnih normativih za varstvo pred statično elektriko (Ur. l. SFRJ 62/73)Pravilnik o tehničnih normativih za elektroenergetske postroje nazivne napetosti nad 1000 V (Ur. l. SFRJ 4/74, 13/78) posnema standard DIN VDE 0670 in ureja tehnične normative, ki jih je potrebnoupoštevati pri gradnji in rekonstrukciji elektroenergetskih postrojev nazivne napetosti nad 1000 V med katerikolimi deli v postroju, da se zagotovi pravilno delovanje postroja in varnost osebja, zaposlenega pri njegovem obratovanju in vzdrževanju, ter varnost okolja [12].Pravilnik o tehničnih normativih za graditev nadzemnih elektroenergetskih vodov z nazivnonapetostjo od 1 kV do 400 kV (Ur. l. SFRJ 51/73 in 65/88)Pravilnik o podrobnejši vsebini projektne dokumentacije Ur.l. RS 66/04Pravilnik o tehničnih normativih za NN elektro instalacije (Ur. l. SFRJ 53/88)Pravilnik o tehničnih normativih za zaščito NN omrežij in pripadajočih transformatorskih postaj (Ur. l. SFRJ 13/78)


IZVEDBE STIKALNIH POSTAJ- z zrakom izolirana stikališča na prostem- z zrakom izolirana stikališča v zaprtih prostorih- stikališča z oklopljenimi celicami

Z zrakom izolirana stikališča so v prenosnem omrežju najpogosteje uporabljana. Omogočajonajvečjo prilagodljivost, saj lahko poljubno kombiniramo naprave stikališč različnihproizvajalcev in izdelamo shemo stikališča glede na dejanske potrebe. Neodvisnost odproizvajalca opreme za celo življenjsko dobo je pri vzdrževanju in nadgradnjah stikališča izekonomskega stališča zelo pomembna.

Pri zaprtih stikališčih, ki so izolirana z zrakom, je prostor bolj omejen. Predvsem se taproblem pokaže pri nadgradnjah in razširitvah stikališča. Ta način gradnje stikališč se uporablja v bližini urbanih naselij in pri elektrarnah, kjer ni dovolj prostora za namestitev z zrakom izoliranih stikalnih postaj. V zadnjih desetletjih tovrstne rešitve izpodrivajo oklopljenepostaje, ki so polnjene s plinom.

Prednost oklopljenih postaj so predvsem majhne dimenzije celic, zato se jih uporablja v mestih in na lokacijah, kjer je zemljišče drago. Druga dobra lastnost oklopljene postaje je, daonesnaženje in vremenske razmere nanjo nimajo vpliva. Slabost je visoka cena. Zaizolacijsko sredstvo se uporablja največkrat žveplov heksafluorid SF6. V zadnjem času se zaradi toplogrednih učinkov in toksičnosti razpadlin, ki nastajajo ob visokih temperaturah kotposledica stikalnih manevrov, veliko vlaga v razvoj novih izolacijskih medijev.

Angleški izraz za oklopljene postaje je GIS (gas insulated switchgear) ali po slovensko PISN (plinsko izolirane stikalne naprave).


IZVEDBE STIKALNIH POSTAJ

- Izvedbe stikalnih postaj visoke napetosti na planem- Izvedbe stikališč visoke napetosti v zgradbi- Klasična izvedba stikališč – odprtega tipa- Kovinsko oklopljena stikališča – izolacija zrak- Izvedbe kovinsko oklopljenih stikališč za manjše kratkostične moči- Izvedba kovinsko oklopljenih stikališč za večje kratkostične moči- Kovinsko oklopljena stikališča z izvlečljivimi celicami- Kovinsko oklopljena stikališča – izolacija SF6

Prednosti stikalnih postaj na prostem:1. Prihranek na investicijskih stroških (20 do 25%)2. Hitrejša izgradnja3. Lažja zamenjava delov in možna razširitev4. Manjša možnost širjenja električnega obloka na druge dele.Slabosti stikalnih postaj na prostem:1. Nabiranje nečistoče2. Težje upravljanje v slabem vremenu3. Vpliv mraza na viskoznost olja v napravah4. Vse naprave morajo biti posebno grajene za na prostem (cena).


NA RAZVOJ STIKALNIH POSTAJ VPLIVAJO RAZLIČNI VIDIKI

Tlorisni pogled možnih namestitev stikališč v stikalnih postajah

a - namestitev postaje v eni zgradbib - na odprtem prostoru so nameščeni samo transformatorjic - na odprtem prostoru so nameščeni samo postaje visoke napetostid - na odprtem prostoru so transformatorji in postaja visoke napetostie - celotna postaja je narejena na odprtem prostoru

·spremeba tehnologij·vidik varčnosti·vpliv na okolje·zahteve okolja·povečanje kratkostične moči·varnost·zanesljivost in razpoložljivost·zahteve vzdrževanja


1 Odklopnik, 2 varovalka, 3 ločilnik, 4 obremenilno stikalo, 5 varovalka – ločilno stikalo, 6 motorsko zaščitno stikalo, 7 kontaktor, 8 pretokovni termični rele, 9 varovalka - ločilnostikalo, 10 zaščitno stikalo, 11 zaščitno stikalo voda, 12 zaščitno stikalo s pretokovnimsprožnikom, 13 zaščitno stikalo voda z diferencialno zaščito.

Nizkonapetostne stikalne naprave so namenjene za stikanje in zaščitonizkonapetostnih elementov in naprav. Izbira je vezana na naloge, ki jih morajo opraviti. Gre zavklapljanje in izklapljanje v neobremenjenemstanju, v obremenjenem stanju večjih ali manjšihmoči, motorjev in drugo.

Opravka imamo z napravami, ki ščitijo pred

tokovnimipreobremenitvami ter proti

človeku nevarnimnapetostim. Stikalne

variante so sestavljene izrazličnih stikalnih aparatov


Dopustne tokovne obremenitve odprtih stikališč - stikališča v zgradbah

Odprte stikalne postaje v zgradbahzahtevajo v primerjavi z ostalimi izvedbamiposebne pogoje, ki so vezani na zaščitopred dotikom delov pod napetostjo. Zaradi tega moramo biti pozorni nanajmanjše dopustne razdalje. Tehniškipredpisi za elektroenergetske postaje nad1000 V opredeljujejo za različnenapetostne nivoje te dopustne razdaljedelov pod napetostjo. Poleg tega so s predpisi določene tudi najmanjše višinenezaščitenih vodnikov nad podom v hodnikih in drugih dostopnih mestih ternajmanjše razdalje med vodniki in ograjami, mrežami in drugo. Predpisidoločajo tudi minimalne hodnike, kjerločimo hodnike za posluževanje in nadzorin hodnike samo za nadzor. V osnovi delimo tovrstne stikalne postaje v skupine A, B, C in D.


Glede izvedbe stikalnih celic ločimo:

• odprte – klasične stikalne celice (običajno zidane) v zgradbi• oklopljene stikalne celice izolirane z zrakom v zgradbi - ZIS

• izvlečljive in fiksne celice• kovinsko oklopljene – kovinsko pregrajene ( metal clad

switchgear)• kovinsko oklopljene (cubicle switchgear)• kovinsko oklopljene z izoliranimi pregradami• Izvlečljive stikalne celice

• Oklopljene stikalne celice v zgradbi polnjene z SF6 - PIS

NEPOMIČNO montiranimi aparati, ki se v principu skorajda ne ločijo od odprte celice v zgradbi. Osnovna razlika je namreč v tem, da so celice popolnoma obdane s pločevino in dase aparati montirajo že v sami tovarni. Na mestu kjer so postavljeni je potrebno izvesti samopriključke.POMIČNO montiranimi aparati. Ta izvedba je vedno bolj aktualna, saj omogoča konstrukcijobrez ločilnika kar ima za posledico velik prihranek na prostoru. Izključevanje tokokroga se v vseh primerih opravlja izključno z odklopnikom s čimer se deblokira naprava za izvlečenjeodklopnika. Odklopnik se izvleče ročno ali s pomočjo motorskega pogona. S tem dosežemotudi vidno ločitev tokokroga s čimer je odklopnik prevzel tudi vlogo ločilke.


Shematski prikaz nepotkletene klasične stikalne celica z enim in dvema sistemoma zbiralk

1 - zbiralčni prostor2 - prostor za namestitev ločilnika3 - prostor za namestitev odklopnika4 - merilni transformator in odvodni ločilnik5 - prostor za nizkonapetostni del, kot tudi pogon odklopnika, ločilnik, meritve, regulacija6 - kabelski kanal


Klasične izvedbe celic – v zgradbi

Nepodkletena celica z enojno zbiralko

Nepodkletena celica z enojnozbiralko in obločno steno

1 - zbiralka2 - potporni izolator3 - skoznik4 - obločna stena5 - zbiralčna ločilka6 - odklopnik7 - zaščitna mreža

8 – varovalka

9 - kabelski odvod10 - napetostni transformator

Stranski pogled podkletene celice

SN celice z odklopniki SN celice z ločilnimi stikali


Delitev oklopljenih celic:

· Kovinsko oklopljene - kovinsko pregrajene· Kovinsko oklopljene - izolacijske pregrade· Kovinsko oklopljene - brez pregrad

S plinom izolirane kovinsko oklopljene stikalne celice:- aktivni deli so napolnjeni s plinom in oklopljeni- na napravo ne vpliva vlaga, kondenzacija, živali- kontakti in povezave ne oksidirajo- ni nevarnosti strjevanja maziv- pogonski deli so dostopni

Obratovalne lastnosti oklopljenih stikalnih celic:- Enostavnost in preglednost opravljanja stikalnih manevrov- celo vrsto zapahov in blokad- dobra klimatska prilagodljivost


OKLOPLJENA STIKALNA CELICA BREZ PREGRAD - IMP tip SM


V - vodna celicaVz - vodna z ozemljitvenim ločilnikomT - transformatorskaVpz - vodno priključnaVzk - vodna s prenapetostnim odvodnikom

in ozemljitvenim ločilnikomVk - vodna s prenapetostnik odvodnikomM - merilna celica

Oklopljena vodna celica z leve je tipa CN4k 24 Vzkproizvajalca TSN Maribor

Oklopljene stikalne celice z ločilnimi stikali – tovarniško izdelane zavisoko napetost 10 ali 20kV


1 - kovinska pregrada2 - kamin3 - nepomični del izvlečljive celice4 - zbiralka5 - podporni izolator6 - skoznik z izvlečljivim kontaktom

7 - tokovni transformator8 - kabelski priključek9 - ozemljitveni ločilnik10 - kovinska drsna zaslonka11 - relejna omarica12 - konektor

13 - vakuumski odklopnik14 - voziček17 - indikator napetosti18 - zaščitni rele

Kovinsko oklopljena in kovinsko pregrajena izvlečljiva celica 24kV


Vpogled na oklopljene stikalne postaje 110kV ali več

polnjene s SF6

1 - dvojne zbiralke2 - zbiralčni ločilnik3 - regulacijska omarica4 - pogonsko ohišje5 - ozemljitveni ločilnik6 - odklopnik7 - merilni tokovni transformator8 - merilni napetostni transformator9 - odvodni ločilnik10- kabelski priključek11- kabelski odvod


Enofazno oklopljen odklopnik

V GIS postrojih so deli pod napetostjo oklopljeni v ohišju, ki je pod tlakom napolnjeno s plinom SF6.

Celoten postroj je razdeljen na več ločenih (plinotesno) odsekov. To omogoča, da se nek odsek ob vzdrževanju ali popravilu obdeluje ločeno, medtem ko ostane ostali del stikališča pod tlakom.Ohišje celotnega GIS postroja je kovinsko in predstavlja električno združeno in ozemljeno enoto. Ohišje je konstrukcijsko lahko:- enofazno oklopljeno- trifazno oklopljeno


Trifazno oklopljen odklopnik

Pri enofazno oklopljeni izvedbi imamo za vsako fazo zbiralke in ostale naprave ločeno izolirane v cevastem ohišju, pri trifazno oklopljeni izvedbi pa so vse tri faze v skupnem ohišju.


1 - 50MVA transf.2 - SF6 stikalna postaja 110kV3 - SF6 stikalna postaja 10kV4 - tokovni omejevalec5 - dušilka6 - izravnalna posoda za olje7 - kanal za olje8 - nadzemni priključek9 - kabelski odvod10-transf. za reg. napravo11-neizolirani vodnik12-del dovodne kovinske cevi

Stikalna postaja 110/10kV


Stikalna postaja 10/0,4kV

Zvezno polje

1 - kabelski odvod2 - SF6 stikalna naprava 10kV3 - SF6 Visokonapetostne varovalke5 - stikalna naprava 0,4kV6 - kabelski odvod 0,4k>V


PRIMERJAVA POTREBNE PROSTORNINE ZA STIKALNO CELICO

zidana Zračnoizolirana skov. oklopom

Plinskoizolirana skov. oklopom

0

2

4

6

8

10

12

14

3m


UGOTOVITVE

· TP 10 (20)kV/0.4kV - zankane stikalne enote (Ring Main Unit)· ZIS popolnoma oklopljena tehnologija· PIS tehnologija za elektrarniške stikalne postaje in v onesnaženih

industrijskih okoljih· enopolne sheme se bodo poenostavljale· delež gradbenih objektov se bo še zmanjšal· kontejnerske izvedbe· Kot glavni stikalni aparat se bo vgrajeval vakuumski odklopnik


1218Stroški vzdrževanja (za 30 let)

11,215,1Gradbena dela

14218Kovinske konstrukcije

0,7210,661Inženiring, montaža, transport

3,311,51VN oprema

11,913Projektiranje

GISAISGISAIS

Stroškovna primerjava RTP zlato polje

Stroškovna primerjava povprečje

Dela

primerjava stroškov AIS:GIS


a - goli vodniki c - z izolacijo zaščiteni vodnikib - izolirani vodniki d - oklopljeni vodniki - medij SF6

Vrste izolacije vodnikov v stikalnih napravah

ZAKLJUČEK· ZIS popolnoma oklopljena tehnologija (zračno izolirane stikalne postaje)· PIS tehnologija za elektrarniške stikalne postaje in v onesnaženih industrijskih okoljih

(plinsko izolirane)· enopolne sheme se bodo poenostavljale· delež gradbenih objektov se bo še zmanjšal· kontejnerske izvedbe· Kot glavni stikalni aparat se bo vgrajeval vakuumski odklopnik


Vloga zbiralk v stikalni postaji

• Čeprav so zbiralke samo primerno načrtovani vodniki in kot take najenostavnejši del stikalnihpostaj, predstavljajo njihov pomemben element. Sposobne morajo biti zdržati vse termične in dinamične tokove, ki tečejo.

• Če so dovodi in odvodi energije (priključna polja) primerno razporejeni, tečejo preko zbiralkrazmeroma majhni tokovi in jih je mogoče zgraditi z vodniki manjših presekov. Celovito gledanostikalna postaja s tako racionalizirano načrtovanimi zbiralkami izgubi precejšen deleželastičnosti, zato se zbiralke vedno načrtuje na najmanj ugoden scenarij oziroma glede nanajvečje možne pretoke energije. Posledica so zbiralke izdelane večinoma z vodniki večjihpresekov, kot so uporabljeni v posameznih odvodih in dovodih.

• Opremo in povezave ter zbiralke se načrtuje glede na pričakovane kratkostične tokove, pričemer se poizkuša oceniti pričakovane energetske razmere v pričakovani življenjski dobistikališča, ki znaša vsaj 30 let. V slovenskem prostoru se ta čas oprema prenosnih omrežij 110-400 kV izbira za tipično kratkostično moč 40 kA (efektivno), oziroma dinamično moč kratkegastika 100 kA.

• Tipično z zrakom izolirano visokonapetostno stikališče se je dolga leta gradilo z vodniki iz vrvi. Material vrvi je bil baker, aluminij ali aluminij, ojačan z železnim jedrom. V 70 letih se je kotnajprimernejši material, z zadostno prevodnostjo in mehansko trdnostjo, uveljavila AlFe vrv, to je vrv z aluminijastim vodnikom in jedrom iz galvaniziranih jeklenih žic. Danes se drugihmaterialov za neizolirane vrvne vodnike praktično ne uporablja več. Tipično se uporabljajovodniki s preseki:

• za 110 kV zbiralke AlFe 240/40, 490/65, 2x 490/65 ter 3x 490/65 mm2

• za 220 kV zbiralke AlFe 490/65 ali 2x490/65 mm2

• za 400 kV zbiralke snop dveh ali treh vrvi AlFe 490/65 mm2 (z uporabo snopov povečamopovršino vodnikov, zmanjšamo električno poljsko jakost in znižamo koronske izgube; številovodnikov v snopu je odvisno od energije, ki jo moramo prenašati; trajna obremenitev za vodnikAlFe 240/40 je 645 A, za AlFe 490/65 pa 960 A)


Prednosti in slabosti togih zbiralk

Prednosti togih zbiralk v primerjavi z vrvjo so:• zmanjšanje potrebne tlorisne površine za razmestitev elementov stikališča, v primerjavi s

klasično izvedbo z vodniki oziroma snopi vodnikov,• odprtost stikališč za razširitve in fazno gradnjo,• znatni prihranki pri železnih konstrukcijah in portalih, ki nosijo zbiralke,• prihranki pri glavnih in pomožnih komunikacijah, kabelskih kanalih, signalnih in energetskih

kablih in ostali pomožni opremi (zunanja razsvetljava, ozemljitve, strelovodna zaščita) in• prihranki zaradi manjših gradbenih konstrukcij, kot so temelji portalov, kanalizacija, ograje.

Prednosti zbiralk z vrvjo so:• oprema stikališč je enostavnejša, cenejša in lažja za vzdrževanje,• proizvodnja cevi za zbiralke je tehnološko zahtevna,• transport dolgih zbiralk od proizvajalca do mesta vgradnje je drag in logistično zahteven

Profili togih zbiralk• Za razliko od visokonapetostnih postaj do 35 kV se v visokonapetostnih postajah nad 110 kV

ne sme uporabljati vodnikov zbiralk pravokotnih oblik z ostrimi robovi, ki povečujejo jakostelektričnega polja v bližini vodnika in s tem pripomorejo k večjim koronskim izgubam, večjišumnosti. Pri cevastih vodnikih teh težav ni, je pa potrebno ustrezno prilagoditi spojno opremo– to so pritrdilni elementi, s katerimi vodnike pritrjujemo na aparate in nosilne izolatorje. V zadnjih desetletjih se za visokonapetostne toge zbiralke uporabljajo izključno cevni profilivodnikov.

Dimenzije cevnih vodnikovv Sloveniji -> po italijanski praksi. Tako se na 400 kV in 110 kV stikališčih uporabljajo cevi premera

100 mm, za zbiralke pa se na 400 kV nivoju uporabljajo cevi premera 220 mm.


Procentualna primerjava cen stikališč

85%65%46%111%cevi2G+P400109%120%116%104%vrvi2G+P40079%55%43%104%cevi2G400

100%100%100%100%vrvi2G40097%81%58%129%cevi2G+P220

109%126%111%107%vrvi2G+P22086%64%53%113%cevi2G220

100%100%100%100%vrvi2G220102%67%57%125%cevi2G110100%100%100%100%vrvi2G110

Cena skupaj Cena zemljišča

Cena jeklenih konst., temeljev

Cena VN opreme

Tip zbiralkShemaNap. nivo(kV)

V evropskem prostoru se za toge vodnike uporablja izključno material E-AlMgSi 0,5 F20-F25, v Sloveniji pa uporabljamo material E-AlMgSi 0,5 F22. Karakteristike tega materiala so naslednje:

specifična teža mg = 2.700 kg/m3

modul elastičnost E = 70.000 N/mm2

trdnost na vlek σm= 220 N/mm2

meja elastičnosti σ0,2= 160 N/mm2


Oblikovanje stikališča se začne z določitvijo enopolne sheme. Pri tem določimo sistem zbiralk v skladu z našimi zahtevami in pričakovanji, upoštevamo pa tudi število priključnih polj in možnost razporeditve odvodov v prostoru. Določijo se pričakovani pretoki energije, istočasno pa se izračunajo tudi pretoki na zbiralkah v različnihstanjih elektroenergetskega omrežja. Za načrtovanje zbiralk, ki so eden od pomembnejših elementov stikalne postaje potrebujemonaslednje podatke:

nazivni tok, udarni tok kratkega stika,efektivno vrednost kratkega stika inmeteorološke podatke (temperatura, možnost dodatnega bremena, veter).

Določitev izvedbe stikališča: e.g. z zrakom izolirano stikališče v izvedbi s togimi zbiralnicami. Načrtovanje posameznih elementov vključuje: zbiralke ter dovodi in odvodi energije vključnoz vso opremo. Če se odločimo za toge zbiralke in cevne zveze v poljih najprej določimo zahtevaneelektrične karakteristike in preseke vodnikov, nato pa pristopimo k določanju ustreznihmehanskih karakteristik zbiralk. V tabelah in v literaturi je poznan okvir materialov in dimenzij, ki se jih lahko izbira. Načrtovanje se zato reducira na preverjanje izbranihmaterialov in dimenzij.

Načrtovanje togih zbiralk


DIMENZIONIRANJE ZBIRALK

Vodniki zbiralk

Izbira prereza vodnika zbiralk glede na nazivni tok

Mehanska obremenitev zbiralkMinimalne razdaljeIzračun sile med vodniki zbiralkeDoločitev lastne frekvence vodnika zbiralkeIzračun dopustne natezne napetosti

Termična obremenitev zbiralkDopustne temperature vodnikov zbiralkKratek stik blizu generatorjaKratek stik daleč od generatorja

Izbira podpornih izolatorjev


Osnovni podatki togih cevnih vodnikov so naslednji:

zunanji premer,debelina stene,površinamasa,odpornostni moment W,vztrajnostni moment J innazivni tok vodnika.

Nazivni tok vodnika proizvajalec definira za specifičen profil in tip po standardu DIN 43670 glede na temperaturo okolice, končno temperaturo zbiralke, koeficient absorpcije in radiacijo. Zbiralka mora zdržati naslednje obremenitve:

Vodniki:• Lastna teža• Lastna teža in dodatno breme (led)• Lastna teža in obremenitev zaradi vetra• Lastna teža in obremenitev ob kratkem stiku• Obremenitve ob kritičnih lastnostih vetra, ki povzročajo nihanja zbiralk

Podporni izolatorji:• Podpore morajo trajno prenesti silo vsled delovanja vetra (ta naj bi bila manjša od1/4 prelomne trdnosti podpornega izolatorja)• Podpore morajo kratkotrajno prenesti silo vsled delovanja vetra in kratkega stika, kimora biti manjša od prelomne trdnosti podpornega izolatorja• Izolatorji morajo prenesti vertikalne obremenitve zaradi teže vodnikov in opreme


Izbira prerezov zbiralk se izvaja glede na:

a) maksimalni tok pri normalnih obratovalnih pogojihb) mehanska obremenitev ob nastopu kratkega stika (prva kontrola prereza),c) povišanje temperature zbiralk za čas trajanja kratkega stika (druga kontrola prereza)

PROFILI VODNIKOV ZBIRALK

pravokotni okrogli votli U V

Namestitev podpornih izolatorjev


Zaradi mehanske trdnosti, je priporočljivo, da do 35 kV izbiramo prerez vodnikov zbiralke,ki niso manjši od prereza 40x5 mm2.

Dopustne tokovne obremenitve zbiralk s pravokotnim profilom


Dopustne tokovne obremenitve zbiralk s pravokotnim profilom


Vzemimo, da si toka nasprotujeta po smeri, kar ustreza odbojni sili ter da sta si po velikostienako velika. Sila na enoto dolžine izračunamo po enačbi.

Magnetna poljska jakost H [A/m] pada z oddaljenostjo od vodnika (a).Gostota magnetnega pretoka B [T=Vs/m2] tudi.V zraku je μr=1. B Hr= μ μ0H

i

a=

2π

a

iF

20'

2πμ

= (N/m)a

lIF uG

26102,0 −⋅= (N)

Am

Vs70 104 −⋅= πμ

Delovanje sile na vodnike zbiralke

1221' BiBiF ==

FG - sila, ki deluje na vodnik zbiralke na razdalji l med dvema podpornima izolatorjema.


Maksimalni upogibni moment, ki ga predpisujejo predpisiIEC, je pomemben za dimenzioniranje zbiralk in je enak: 88

2'

max

lFlFM G ==

Zaradi sile se pojavlja ustrezna natezna napetost, ki jo izračunamo po enačbi in bi biladosežena, če bi bila sila, ki deluje na vodnik zbiralke konstantna

σ ' max=M

W

W

MVV r

maxβσ σ=

Wb h

Jb h

=

=

2

3

6

12

Wbh

Jbh

=

=

2

3

6

12

WD

JD

=

=

π

π

2

4

32

64)(

64

32

44

44

dDJ

D

dDW

−=

−=

π

π

)/( 2mN

)/( 2mN

Odpornostni moment

Vztrajnostni moment

Zaradi spremembe sile nastopi vibriranje vodnika nakar vpliva tudi lastna frekvenca zbiralke. Zaradi tega je potrebno upoštevati resonančni faktor Vσ, faktor zaneuspešno prekinitev tripolnega kratkega stika Vr(brez trifaznega ponovnega vklopa) ter faktor β, kiupošteva namestitev vodnika na podporne izolatorje.

σ…natezna napetost

F F

D D

d

h

b


2,0max 2σβσ σ ≤=

W

MVV r (N/m2)

2,0'σ - maksimalna vrednost

2,0σ - minimalna vrednost meje tečenja

Izbira resonančnega faktorja

σV - resonančni faktor za fazni vodnik zbiralke

FV - resonančni faktor za podporni izolator

rV

rV - faktor, ki je odvisen od vrste kratkega stika in od tega, ali je prisotnost trifaznega avtomatskega ponovnega vklopa ali ne. Vrednost se giblje med 1,0 in 2,0

β - faktor, ki je odvisen od tipa in števila podpornih izolatorjev. Giblje se med 0,5 in 1,0

Pri dvostransko vpetem nosilcu je faktor β=1, v kolikor se ne izvede trifazni ponovni vklop je Vr=1,medtem ko je ob izvedenem ponovnem vklopupotrebno upoštevati faktor Vr =1,8.

6 20,2 150 10 N/mσ = ⋅


Določitev resonančnih faktorjev


Lastna frekvenca vodnika zbiralke je določena z enačbo fs

l

EJ

q11

22=

π γ

- dolžina med podpornimi izolatorji v (m)- modul elastičnosti v (N/m2) (za baker je 125*109N/m2)- vztrajnostni moment prereza zbiralke z ozirom na os, ki je pravokotna na smersile v (m4)- površina prereza zbiralke v (m2)- masa na enoto volumna v (kg/m3)γ

q

JEl

Faktor vpetja s1 določimo glede na tri karakteristične možnosti vpetja zbiralk oz. njihovo pritrditev:

4,73 - oklepajoči nosilec - vpetje je na obeh straneh fiksno ali drsno3,93 - nosilec samo iz ene strani - vpetje je na eni strani elastično, na drugi strani pa

fiksno ali drsno3,14 - premikajoči se nosilec - vpetje je na obeh straneh elastično


Povišanje temperature vodnika zbiralke za čas trajanja kratkega stika

ϑΔ=GcRtI k2 G ql= γ

ct

q

I

γρϑ

2

2

=Δ ρ ρ αϑ ϑ

ϑ= +−

−⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎡

⎣⎢⎤

⎦⎥01 2

012

Kratek stik traja kratek čas, vendar se zaradi velikih kratkostičnih tokov razvije velika toplota. Vodniki se ob tem segrevajo in po preteku določenega časa nastane nevarnost, da bi se poškodovala ali uničila izolacija. Material s tem izgubi tako električno kot mehansko trdnost. Iz tega razloga moramo pri tej drugi kontroli prereza, ki je bil izbran na osnovi nazivnetokovne obremenitve ter potrjen glede na mehansko obremenitev, dokončno potrditi pravopredhodno izbiro prereza ali pa izbrati novi prerez. Predpostavljeno je, da se v časukratkega stika vodnik ne hladi in da se vsa toplota porabi za zvišanje temperature vodnika.

q I tck=ρ

γ ϑΔ

q - površina prereza zbiralke v (m2)γ- masa na enoto volumna v (kg/m3)c – specifična toplota materiala vodnika zbiralke (J/kg°)ϑ1 – temperatura preobremenitve vodnika zbiralke (°)ϑ2 – največja dovoljena temperatura vodnika zbiralke (°)ρ - specifični upor materiala vodnika zbiralke (Ωmm2/m)

ϑγρΔ

⋅=c

tIq k1000

Pozor enote!

Praksa za baker (kratek stik je daleč od izvora ): tIq k5.7=


Povišanje temperature vodnika zbiralke začas trajanja kratkega stika


q I tck=ρ

γ ϑΔ

tkIq k=

I I m nk sr k, "= +

tkIq srk ,= (mm2)

(mm2)

V primeru kratkega stika daleč od izvora računamo dopustni prerez s trajnim tokom kratkega stika

Izklopilni čas odklopnika

V primeru kratkega stika blizu izvora računamo dopustni prerez s srednjo vrednostjo trajnega toka kratkega stika


STIKALNI APARATI VISOKE NAPETOSTI

Glede na velikost toka, ki ga odklopijo ločimo:-Odklopnike-Ločilna stikala-LočilnikeGlede na pogon pa stikalne naprave ločimo na naprave na:-Ročni pogon-Motorni pogon-Pogon z magnetnim aktuatorjem

Električna stikala so aparati, ki med seboj sklenejo ali razstavijo električne vodnike.Sprememba stanja stikala je stikalni manever. Kako se manever izvede, je odvisno odvrste stikala. Osnovne funkcije stikala so:- prevajanje električnega toka med vodniki- ločitev vodnikov pri električni napetosti- vklop električnega toka- izklop električnega toka

Plinski odklopnikiZračni odklopnikiPnevmatski odklopnikiSF6 odklopnikiVakuumski odklopnikiTekočinski odklopnikiOljni odklopnikiMalooljni odklopnikiHidromatski odklopniki


Stikalni aparat je sestavljen iz sledečih glavnih delov

- kontakti glavnega tokokroga, ki opravljajo osnovne funkcije stikalnega aparata, prikontaktni deli za zanesljivo opravljanje teh funkcij- izolacija med vodniki s kontakti- mehanizem za premikanje kontaktov- pnevmatski in pomožni mehanski sistemi, pomožni krmilni tokokrogi (če so potrebni zadelovanje stikalnega aparata)- priključni sistem, ohišje in nosilna konstrukcija stikalnega aparata


Razvrstitev stikalnih aparatov po načinu delovanja

Glede na področje uporabe v elektroenergetskih omrežjih so stikalni aparati razvrščeni na:

- stikalni aparati za nizko napetost- stikalni aparati za visoko napetost

Stikalni aparati za nizko napetost se po konstrukcijskih zasnovah razlikujejo od stikalnihaparatov za visoko napetost zaradi večje napetostne obremenitve in zahtev delovanja.

Nizkonapetostni stikalni aparati v elektroenergetiki

Nizkonapetostni stikalni aparati so namenjeni za krmiljenje dovajanja električne energijeporabnikom v glavnih tokokrogih, kot elementi krmilnih in kontrolnih organov v pomožnihtokokrogih in kot zaščitni elementi. V te skupine sodijo sledeči aparati:

stikalni aparati za glavne tokokroge

- ločilnik- bremensko stikalo- motorsko stikalo- kontaktor- zaščitno stikalo- odklopnik

stikalni aparati za pomožne tokokroge

- krmilno stikalo- signalno stikalo- blokirno stikalo- izbiralno stikalo- mejno stikalo


Stikalni aparati glavnih nizkonapetostnih tokokrogov se razlikujejo med seboj po stikalnizmogljivosti. Ločilniki lahko preklapljajo le neobremenjene tokokroge v praznem teku in jih uporabljamoza zanesljivo ločevanje tokokrogov v neobremenjenem stanju S tem dosežemo hkrati tudi vidno izklopitve tokokroga.Bremenska stikala so namenjena za vklapljanje in prevajanje toka v obremenjenemtokokrogu, nikakor pa z njimi na moremo izklapljati velikih tokov. Motorska stikala uporabljamo za zagon elektromotorjev, ker prenesejo ob zagonu 6 do 8krat večji vklopni tok, kot je nazivni.Kontaktorji so elektromagnetno krmiljena stikala, ki jih lahko uporabimo za pogon motorjevin drugih bremen. Za pogon motorjev morajo ustrezati zahtevam motorskih stikal. Zaščitna stikala uporabljamo za zaščito porabnikov pred poškodbami zaradi nenormalnih stanj delovanja. Tokovna zaščitna stikala uporabljamo za zaščito porabnikov s poškodbami izolacije, preden nastane kratek stik. Motorska zašćitna stikala varujejo elektromotor pred termičnimi preobremenitvami in kratkostičnimi tokovi pri poškodbah navitja. Odklopniki so stikala, s katerimi vklapljamo tokokroge v normalnih stanjih obremenitve. Vprimeru kratkih stikov in podobnih nenormalnih preobremenitev pa zmorejo izklopiti nenormalno velike tokove. Za izklopno gašenje obloka uporabljamo dvojno prekinjanje tokovne poti in razdelitev obločnega stolpca na več delnih oblokov v "deionizacijskih" komorah.


Varovalke in prenapetostni odvodniki so brezkontaktni stikalni aparati, pojavi v njih pa so podobni pojavom v stikalnih aparatih. V varovalki s talilnim vloškom se prekine preobremenitveni tok in tok kratkega stika s stalitvijokovinskega talilnega elementa. Kontakti stikalnih aparatov morajo ustrezati posebnim zahtevamza zanesljivo vzpostavljanje kontakta in prevajanje toka v sklenjenem stanju, odpornost protitermičnim učinkom pri preklapljanju in sposobnost, da stikalo prenese dovolj veliko številozanesljivih ponovitev stikalnega manevra. Zato je gradivo kontaktov skrbno izbrano glede na vrsto obremenitve kontaktov. Kot najbolj uporabljena kovina v elektrotehniki je nedvomno baker (Cu). Ima veliko električnoprevodnost, vendar pa rad v običajni atmosferi korodira in zato ni primeren za preklopne kontakte, ker se tvori na površini kompaktna tenka plast izolacije iz Cu oksidov. Največjo električno prevodnost med kovinami ima srebro (Ag). Zaradi njegove obstojnosti protioksidaciji ga v stikalni tehniki pogosto uporabljamo, največkrat v zlitinah z nekaj %Cu ali kakih0.1%Ni za povečanje trdnosti in nekaj 10% Pd zaradi povečanja tališča ter obstojnosti protisulfidiranju v industrijski klimi. Za velike obremenitve kontaktov je manj primeren, ker imarelativno nizko tališče 960°C in se zato kontakti pogosto pri preklapljanju zvarijo skupaj zaradi termičnih učinkov preklapljanja ali zalepijo pod vplivom mehanskih obremenitev pri vklopu. Pri obloku se kontaktno gradivo iz srebra tali in izpareva hitreje kot pri kovinah z višjim tališčem. V elektroenergetiki za kontakte uporabljamo kompozitna gradiva, kjer so srebru primešana zrna ali vlakna niklja, grafita, kadmijevega ali kositrovega oksida: Ag/Ni 10%, Ag/C 5%, Ag/CdO 10 -12%, Ag/SnO2 12 -15%. Tako gradivo je odporno proti zvarjenju kontaktov in izkazuje večjo obstojnost proti obločnemu izžiganju kontaktov.


LOČILNIK

Ločilniki se uporabljajo zato, da vidljivo ločijo del razklopnega postrojenja, ki ni pod napetostjo od dela, ki je pod napetostjo. S tem povečamo sigurnost posluževalcev.Izbira ločilnikov se izvaja glede na nazivno napetost, maksimalni tok pri normalnih pogojihobratovanja s kontrolo glede na udarni tok kratkega stika - mehansko obremenitev in kontrolo na tok kratkega stika, ki je merodajna za segrevanje (dopustno povečanjetemperature).Maksimalen tok skozi ločilnik v normalnih obratovalnih pogojih je merodajen za izbiroločilnika glede na nazivni tok. Število tokov, po katerih izbiramo ločilnik, je manjše čim večja je napetost, ker so stroški za kontakte in vodljive dele majhni v primerjavi s stroški zaizolatorje in podstavke. Zato se za napetost 110 kV proizvaja običajno samo en tip ločilnikain to za največji nazivni tok, ki praktično lahko pride v obzir.Ko je ločilnik izbran glede na nazivni tok se prične s kontrolo. Mehanska obremenitev je določena z udarnim tokom. Vzdržljivost ločilnika pa je odvisna od njegove konstrukcije. Proizvajalci ločilnikov navajajo podatke o udarnem toku in o termičnem toku, ki je merodajen za segrevanje. Ta tok ločilnik lahko prenese 1 sekundo. Če kratek stik traja dalj časa od 1 sek, se dopustni tok odmeri po enačbi.

II

tktk s

izk

= 1 Ob ugotovitvi, da ločilnik, ki je bil izbran ne more vzdržatimehanske ali termične obremenitve, izberemo ločilnik za večjitermični tok.

Nefizikalnaenačba


V določenih primerih (daljnovodna ali vodna celica) uporabljamo ločilnike, ki imajo polegglavnih nožev tudi nože za ozemljitev (voda, kabla itd.)

Ločilniki do 35 kV so nameščenitako kot kaže slika

10 kV ločilnik z motorskim pogonom

Ločilnik z ozemljitvenimi noži

I AN = 630

I kAu = 50


Za vse višje napetosti pa obstajajo vse mogoče konstrukcije, ki omogočajo različne izvedbestikalnih postrojenj na prostem.

Težnja je, da ima ločilnik majhno tlorisno površino v zaprtem oziroma v odprtem stanju. Na sliki so prikazani ločilniki z dvemi ali tremi izolatorji, oziroma enim izolatorjem.

Ločilniki za visoko napetost

Normalno so ločilniki vseh treh faz takomehansko spojeni, da se istočasno izklapljajo. Upravljanje ločilnikov je lahko ročno alipnevmatsko. Ročno upravljanje se izvaja prekoprenosnega sistema, ki je vezano z osovinoločilnika. Za pnevmatski pogon je potrebenkompriminiran zrak, ki deluje na pomični sistemv cilindru izolatorja, ta pa na os ločilnika. Pnevmatsko upravljanje se izvaja daljinsko, medtem ko se mora ročno upravljati z ločilnikom na licu mesta. Imamo tudi izvedbe z motornim pogonom, kar omogoča daljinskoupravljanje. Pantografski ločilnik


Horizontalno montiran ločilnik

International Electrotechnical Commission (IEC) definira ločilnik kot:“A mechanical switching device which provides, in the open position, an isolating distance in accordance with specific requirements.NOTE: A disconnector is capable of opening and closing a circuit when either negligible current is broken or made, or when no significant change in the voltage across the terminals of each of the poles of the disconnector occurs. It is also capable of carrying currents under normal circuit conditions and carrying for a specified time currents under abnormal conditions such as short-circuit.


Pantografski ločilnik


Ločilno stikalo

Ločilno stikalo se od ločilnika razlikuje potem, da omogoča izklop manjšihobremenitev. Razlikujemo ločilna stikalaopremljena z deionizacijskimi ploščami terločilna stikala z odmično ločitvijo.

Deionizacijsko ločilno stikalo na sliki zgorajvsebuje glavni in pomožni premični kontakt(nož). Pomožni premični nož se premika ob izklopu z zakasnitvijo. Preko njega potujeelektrični oblok med deionizaciskimiploščami, kjer se izvaja postopekdeionizacije.

Ločilno stikalo z odmično ločitvijo omogoča gašenje električnega obloka na osnovikomprimiranega zraka ali plina, ki se ob izklopu sprošča med fiksnim in premičnimkontaktom.

Ločilna stikala se pogosto uporabljajo v kombinaciji z visokonapetostnimi varovalkami. Izklopvarovalke v enem polu, ob nastopu kratkega stika sproži tripolni izklop ločilnega stikala.


Visokonapetostni odklopniki različnih konstrukcijskih rešitev:

- oljni odklopnik- malooljni odklopnik- hidromatski odklopnik- pnevmatski odklopnik- odklopnik z žveplovim heksafluoridom (SF6 odklopnik)- odklopnik z ozko režo- odklopnik z "deionizacijsko" komoro- vakuumski odklopnik

Največja pomankljivost oljnih odklopnikov je v tem, da v slučaju eksplozijepride do zelo težkih posledic (mehanično razdejanje zgradbe, vnetje olja itd.) Eksplozija lahko nastane zaradi poškodbe kotla ali zaradi visoke temperature plinov (metan, vodik, etilen) pri zelo velikih kratkostičnih tokovih.


Na skozniku so eventuelno nameščeni tudi tokovnitransformatorji 4 za napajanje zaščite. Na pokrovu kotlaje tudi pogonski mehanizem 1, ki s pomočjo izolacijskihpalic 7 premika premične kontakte.Nad površino olja je nekaj zraka za kompenzacijospremembe tlaka. Pri izklopu odklopnika nastane v oljumed kontakti oblok, ki segreje okoliško olje do vrelišča, tako da nastane okoli obločnega stolpca mehur z oljnoparo, ki v bližini obloka razpada na enostavnejšekomponente in vodik. Ta zaradi velike toplotneprevodnosti omogoča dobro prevajanje toplote iz oblokav olje. Plini se zbirajo nad površino olja in lahko ustvarijo zračno blazino eksplozivno zmes. Ta zmes bo tem hladnejša čim bolj je gladina olja nad kontakti.Od ostalih pomanjkljivosti velja omeniti dimenzije in težo (okoli 20 ton olja po polu za napetost 220 kV) ter močne mehanske reakcije na podnožje odklopnika v času odklapljanja.

Kotel 9 je napolnjen z oljem do določene višine. Zračna blazina nad njegovo površino blažiporast tlaka v času gorenja električnega obloka. Na pokrovu kotla so nameščeniskozniki 3 iz katerih izhajajo na enem koncu priključki 2 odklopnika na drugem koncu panepremični kontakti 5 z gasilnima komorama 6.

Oljni odklopnik


Oljni odklopnik

1 skoznik2 indikator olja3 ventilator4 tokovni transformator5 hidravlični odbijač6 vodilo bata7 gasilna komora8 nepremični kontakt9 nepremični kontakt


Odklopnik z ozemljenim kotlom (dead tank CB)Odklopnik s komoro pod napetostjo (live tank CB)

Oljni odklopnik


Oljni odklopnik(enotočkovni)


Oljni odklopnik(dvotočkovni)


Malooljni odklopnik

Pri teh odklopnikih so komore za gašenje in kontaktnisistem vsakega odklopnika nameščeni v posebniizolacijski cevi. Olje ne služi več za izolacijo med fazamiin napram masi temveč le za gašenje električnegaobloka. Pod vplivom električnega obloka in oljnih par nastopa pri vseh malooljnih odklopnikih razmeroma veliktlak. V ugodnem trenutku vzdolžni, prečni ali kombiniranitokovi olja (odvisno od izvedbe komore za gašenje) podaljšajo električni oblok in odnesejo ionizirane pline. Princip dela malooljnega odklopnika s shematskimprikazom je dan na sliki, ki vsebuje olje v manjši količinile okrog kontaktov v kontaktno-obločni komori. S primerno konstrukcijsko zasnovo obločne komore priizklopu zadržimo olje ob obločnem stolpcu, obenem pa izkoristimo tlak nastalih oljnih par in plinov za dodatnokonvektivno hlajenje obločnega stolpca. Obstaja večrazličic malooljnih odklopnikov s prisilnim obtekanjemolja ob obloku, z dodatno deionizacijsko komoro in drugimi podobnimi variantami.


Malooljni odklopnik

1 odzračnik2 izolator3 indikator olja4 premični kontakt5 nepremični kontakt6 ločilni bat7 spodnji nastavek8 zgornji ventil olja9 spodnji ventil olja (za izpust)


Hidromatski odklopnik Nevarnost vžiga olja je odpravljena. Namesto olja je nevnetljiva voda. Voda ima podobne gasilne lastnosti za oblok kot olje, vendar ne zagotavlja dovolj velikenapetostne trdnosti stikala, zato ima odklopnik vgrajeno dodatno ločilko.Hidromatski odklopniki so v bistvu malooljni odklopniki z elastično komoro za gašenjeelektričnega obloka. Na sliki prikazujemo izvedbo elastične komore.

Ko tlak znotraj komore toliko naraste, da premaga silo elastičnegaprstana, ki pritiska navzdol in zapira odprtine za prehod tekočine, se slednje odprejo. Zaradi tlaka, ki je nastal v spodnjem delukomore voda, ki pogasi električni oblok. Gasilni medij se torejuporablja voda z dodatkom glikola proti zmrzovanju, ki obenem tudipovečuje količino pare v času trajanja električnega obloka karugodno vpliva na njegovo gašenje.Zaradi omejene izolacijske sposobnosti vode je potrebno na samem odklopniku predvideti dodatne nože, ki se hitro odprejo, kopomični kontakti odklopnika dosežejo končni položaj. Odklopnikinad 10 kV imajo posebno napravo, ki dovaja vodo v gasilnokomoro samo v času odklapljanja. Ta naprava je dodana zato, kerpri višjih napetostih lahko pride do prenaglega prevajanja vode in s tem električnega obloka tudi pri vklapljanju odklopnika. Zaradi ne najboljših izolacijskih lastnosti vode se hidromatski odklopnikiizdelujejo samo za napetosti do 60 kV.


Pnevmatski odklopnik Sodobna izvedba - visoke napetosti

V pnevmatskih odklopnikih gasi oblok močan curek zraka, ki teče prečno ali vzdolžno na obločni stolpec. Kontakti so oblikovani v šobe, tako da oblok nastane in se hladi v curkuplina, v končni fazi pa ga curek pretrga.

V starejši zasnovi pnevmatskega odklopnika prikazujemo presek stikalnega pola. Vsak pol ima lastenpodstavek sestavljen iz tlačnega sprejemnika 23 in dveh pokrovov 3 in 21 z vgrajenimi organi za upravljanje in pogon. Na levem podpornem izolatorju 6 je gasilna komora (komora za gašenje električnega obloka) 13 nadesnem izolatorju 18 pa zobniški prenos 16 razstavnega noža 11. VN dovod in odvod posamezne faze se priključuje na priključke 8 in 17. Med tema priključkoma poteka glavni tokokrog, ki se v danem položaju sestojiiz razstavnega noža in dveh v serijo vezanih gasilnih komor s pomičnim 10 in nepomičnim glavnim kontaktom11. S trenutnim odklopom glavnih kontaktov prekinemo električni tokokrog, z naknadno postavitvijorazstavnega noža v položaj pa dosežemo potreben trajni dielektrični razmik. Ker so glavni kontakti, razen v intervalu izklapljanja stalno sklenjeni, se pnevmatski odklopnik vklaplja s hitrim zapiranjem razstavnega noža.


1,61*103Pa.sViskoznost

1,41*107W/m/KToplotna prevodnost

0,599 J/gSpecifična toplota pri 30 oC

5,10Relativna gostota glede na zrak (1)

1,329 g/mlGostota (v tekočem stanju) pri 25 oC

1,98 g/mlGostota (v tekočem stanju) pri 50 oC

10,62 barTlak delnega uplinjanja pri 20 oC

-63,0 0CTočka uplinjanja

146,05Molekularna teža

VrednostVeličina

osnovne fizikalne lastnosti plina SF6

Molekularna zgradba SF6

Odklopnik z žveplovim heksafluoridom


Odklopnik z žveplovim heksafluoridomPlin SF6 sodi v grupo tako imenovanih električno negativnih plinov, ki absorbirajo svobodne elektrone iz obločne plazme (iz njenih molekul), ki nastane med kontakti v trenutku odklopa. Te absorbirane elektrone nato plin SF6 veže s svojimi nevtralnimi molekulami tako, da dobimo težko gibljive negativne ione, ki se v prostoru med kontakti praktično obnašajo kot dielektrik.Plin ima odlične dielektrične lastnosti. Njegova prebojna (izolacijska) trdnost je pri atmosferskem tlaku okoli 30% manjša, pri tlaku (165 kPa = 1.65 at) približno enaka, pri tlaku (230 kPa = 3.2 at) pa je prebojna trdnost plina SF6 okoli 15% večja od prebojne trdnosti olja. Zaradi vseh teh opisanih lastnosti (tako deionizacijskih kot dielektričnih) se lahko ob sicer enakih pogojih v plinu SF6 izklaplja približno 100 krat večje tokove, kot bi se jih lahko izklapljalo v zraku. SF6 je brezbarven, nestrupen plin brez vonja in negorljiv. Ne reagira z vodo in ne napada noben material do temperature 500°C. Pod delovanjem električnega obloka zelo malo razpada v nižje fluoride, ki so strupeni in agresivni proti nekaterim izolacijam in materialom. Pri enaki temperaturi plin SF6 prehaja iz plinastega stanja v tekoče pri mnogo nižjem tlaku kot zrak.

Zato v odklopnike za zunanjo montažo, ki delajo s povišanim tlakom vgrajujemo grelce, da ne bi SF6prešel pri visokih tlakih v tekoče stanje že pri razmeroma visokih temperaturah (n.pr. pri 293 K = 20°C pri tlaku 2 MPa = 20 at.) Pri atmosferskemu tlaku in temperaturi 20°C je SF6 5 krat gostejši od zraka. Poznamo 2 osnovna tipa odklopnikov z uporabo plina SF6: dvotlačni SF6 odklopnik predstavlja hermetično zaprt sistem. Glavni deli aparata A so nameščeni v kovinskem kotlu 4, ki je napolnjen s plinom nizkega tlaka (200 kPa, kar je približno 2 at).


Iz kotla 4 se plin s pomočjo kompresorja 10 tlači v pomožni kotel 9 in z njim spojeni glavni kotel 13. Da se prepreči vtekočinjanje plina je v visoko tlačnem delu avtomatsko upravljani grelnik 8. Glavni električnitokokrog prehaja od levega priključka 1 skozi votel prevodni izolator (skoznik) 2 napolnjen s plinom in natoskozi premični kontakt 17 in nepremični kontakt 14 na steno glavnega kotla 13 od tam pa na desni priključek1. Za vklaplanje služi pogonski cilinder 6, ki je vezan s pogonskimi palicami 7, s katerimi pomika v desnokontakt 17 in stiska izklopno vzmet 5. Ko se ta vzmet osvobodi, pride do izklopa tako da se s pomikom palice7 odpre ventil 12 in odprejo kontakti 17 in 11. Pri tem pihne SF6 iz visokotlačnega kotla 13 v teflonsko gasilnokomoro 16 ter se skozi votli kontakt 17 vrača v nizkotlačni sprejemnik 1. Električni oblok gori med koncemapomičnega kontakta 17 in obločnega kontakta 15 tako, da ploskve ki trajno vodijo električni tok ostanejonepoškodovane. Da se iz kotla odstranijo škodljivi produkti plina in da se prepreči njihov vdor v prevodneizolatorje (skoznike) so prigrajeni filtri 11 in 3 z aktivnim aluminijevim oksidom.

Enotlačni SF6 odklopnik je bil razvit za nizke tlake z namenom, da se zmanjša cena na katero zelo vplivajo kompresorji in grelnikis pripadajočo avtomatiko. Slika prikazuje gasilno komoro takegaodklopnika v katerem je hermetično zaprt SF6 pod tlakom 400 kPa(4 at) pri 200C. S spreminjanjem temperature se tlak spreminja od300 kPa pri -30C do 450 kPa pri 50C (v tem področju ne more pritido kondenzacije). Odklopnik deluje na avtomatskem principu in v trenutku prekinjanja proizvaja prisilno gibanje plina na računizklopnih vzmeti.

Nepremični del komore sestavljajo porcelanski izolator 8 z izolacijsko cevjo 5, spodnji priključek 10 s čvrstimkontaktom 9, bat 7 in zgornji kontakt 1. Ko se kontakt 11 umakne navzdol se skupaj z njim gibljejo tudikompresijski cilinder 6 kontakti 3 in 4 in teflonska šoba 2. Na ta način se SF6 stisne v cilindru 6 in pihne vzdolžobloka v šobi 2.




Odklopniki z magnetnim gašenjem električnega obloka. Tok, ki ga je treba prekiniti tečeskozi navitje. Na ta način ta tok proizvaja magnetno polje, ki s silo F deluje na električnioblok. Zaradi sile F se električni oblok pomika navzgor po rogljih kontaktov in to toliko časa, da je dovolj dolg, da ugasne, ker večja dolžina obloka izzove močnejše hlajenje in deionizacijo.

Boljše lastnosti gašenja dosežemo, če električni oblok z delovanjemmagnetnega polja privedemo v ozko režo med dvema ploščama izizolacijskega materiala. S tem dosežemo neposredni dotikelektričnega obloka s hladnim izolacijskim materialom. Razvoj je šelv tej smeri naprej in pojavile so se nove konstrukcijske rešitve, ker s podaljševanjem in razbijanjem električnega obloka na večmanjšihelektričnih oblokov dosežemo boljše izklopne rezultate.Kontakti za visokonapetostno področje uporabe morajo biti predvsemodporni proti intenzivnemu izžiganje zaradi obloka in imeti morajodobro električno prevodnost. Tvorba tankih električno neprevodnihoksidnih plasti ne vpliva na njihovo funkcionalnost, zato odpornost nakorozijske vplive ni poudarjena. Tem zahtevam ustreza kompozitnogradivo iz sintranega volframa, ki je prepojen z bakrom, kontaktnogradivo W/Cu. Zaradi osnovne strukture iz težko taljivega W so takikontakti zelo odporni proti zvarjenju in izžiganju z oblokom, velikoelektrično prevodnost pa jim daje prepojenost s Cu.


Vakuumski odklopniki izkoriščajo prednosti ugasnitve obloka v vakuumu. Tehnologija izdelave vakuumskestikalne komore zahteva vakuumsko-tesno spajanje steklenega ali keramičnega ohišja s kovino. Spoj morabiti odporen na mehanske obremenitve zaradi udarcev pri preklapljanju in termične mehanske napetostizaradi različnih dilatacijskih koeficientov. Vakuum zahtevane stopnje mora biti zagotovljen v vsem obdobju delovanja odklopnika, npr. 20 let. Zato so vsi vgrajeni deli v vakuumski komori izdelani iz gradiva, ki ne vsebuje raztopljenih plinov. Električno prevodnideli so iz OHFC bakra ("oxigen-free-high-conductivity copper"). Emitirani plini bi lahko pokvarili kvalitetovakuuma v stikalni komori in zmanjšali stikalno zmogljivost. Na srečo kovinske pare, ki med gorenjem oblokaizhajajo iz kontaktov, delujejo kot geter, ko pri kondenzaciji na stene vakuumske komore vežejo nasemolekule plinov. Mehanizem vakuumskega odklopnika je zelo enostaven, saj je hod kontaktov reda nekajmm.

Kontakti so ločeni od okolice in vedno kovinsko čisti.. Vakuumsko stikalo je zlasti primerno za uporabo v eksplozijsko nevarnih okoljih. Hkrati ne zahteva veliko vzdrževalne aktivnosti, ker je ta potreba reducirana na minimum.

Napetostna trdnost pri gašenju el. obloka za posamezne medije


Zgornja komora prikazuje zaščitne zaslonke za preprečevanje kratkih stikov med enim in drugim polom po izklopu. Napetostno trdnost med posameznimi mediji za gašenjeelektričnega obloka prikazuje diagram. Na sliki je prikaz obeh kontaktov, ki so v različnihizvedbah zaradi ustrezne vspostavitve magnetnega polja, ki povzroča, da se električni oblokgiblje krožno na kontaktih.Vakuumski odklopnik je primeren za naprave v kemijski in naftni industriji ter rudniškihpostrojih. V primerjavi s klasičnimi stikali je vakuumski odklopnik za visoke nazivne napetostiprecej manjših dimenzij in mase. Spodnjo mejo nazivne napetosti za uporabo vakuumskegaodklopnika določa velikost prenapetosti zaradi toka odsekanja in cena zaradi dokaj zahtevnetehnologije izdelave. Zgornjo mejo določa izklopna zmogljivost, ki jo omejuje dobra termičnaemisija elektronov iz kontaktov v vakuumu, kar zmanjšuje napetostno trdnost stikala poizklopu. Zato je napetostni interval za smotrno uporabo vakuumskih stikal od 1000 V do 35 kV.Kontaktno gradivo za vakuumsko stikalo mora izpolnjevati več električnih in mehanskihpogojev. Zaradi stikanja v vakuumu so kontaktne površine vedno kovinsko čiste. Kontakti se zavarijo lahko že pri mehanskem stisku, še bolje pa pri termičnih obremenitvah zaradipreklapljanja. Zato mora kontaktno gradivo poleg splošnih lastnosti za kontakte (dobraelektrična prevodnost, dobra mehanska trdnost, velika odpornost proti izžiganju in velikotališče, majhna vrednost odsekanega toka) ustrezati tudi posebnim zahtevam (majhnavsebnost raztopljenih plinov in lahko izparljivih nečistoč, majhna raztržna sila konaktnegazvara). Kontakti so zato iz težko taljive osnove, prepojene s dobrim električnim prevodnikom, ki mu je primešan dodatek za doseganje večje krhkosti zvara in zmanjšanje toka odsekanja. To so sintrane kovine W/Cu in Mo/Cu z dodatkom Sb (antimon), ali zlitine Cu/Cr, ki se je izkazala kot najbolj primerna. Oblika kontaktov je običajno diskasta z spiralnimi zarezami alilončasta s poševnimi zarezami (na sliki), da tako dosežemo hitro potovanje obloka proti robukontaktov s pomočjo lastnega magnetnega polja.


Primer antivibratorja z vzmetjo Stockbridge antivibrator

Helikoida spremeni tok vetra okoli vodnika zbiralke in odpravi vzrok nastajanja nihanj na zbiralki kot posledico vpliva vetra. Helikoida je iz gume, odporne na atmosferske vplive, in trikotnega profila, navita v dve spirali okoli zbiralke. Metoda je bila najprej razvita v okviru raziskav za odpravo nihanj zbiralk v RTP Krško in testno preizkušena v RTP Žerjavinec na Hrvaškem. Testi so pokazali, da helikoida z dvojno spiralo uspešno razbija Karmanove vrtince, zaradi česar namesto ene karakteristične frekvence vodnika zbiralke brez helikoide dobimo celo vrsto različnih frekvenc.

Odprava težav z nihanjem zbiralk


ODVODNIKNamenjeni so za zaščito srednje napetostnih elektroenergetskih omrežij pred vsemi vrstamiprenapetosti. Varistorji iz cinkovega oksida so nelinearni upori, pri katerih je tok odvisen odnapetosti. Odvodniki z vgrajenimi ZnO varistorji imajo veliko upornost. Ob nastopuprenapetosti se upornost zmanjša v času 25 ns. Zaradi tega ima odvodnik sposobnostodvajanja velikih impulzivnih tokov v kratkem času. Po prenehanju prenapetosti se upornostponovno poveča na prvotno stanje.


Dogajanja Dogajanja v medkontaktnem prostoru pri izvajanju stikalnega manevra


Prevajanje električnega toka

Tok, ki prehaja skozi mejno površino med dvema staknjenima vodnikoma, čuti ta prehoddrugače, kot v neprekinjenem vodniku. Na meji dveh vodnikov -kontaktu, teče tok le skozi majhen del naležne površine dvehvodnikov v mehanskem dotiku. Tok čuti pri prehodu električno upornost zožitve(konstrikcijsko prehodno upornost) in upornost pri prehajanju skozi tanko površinskoizolacijsko plast, ki je vedno prisotna na kovinskih površinah. Skupni učinek obehzazna tok kot prehodno upornost med kontakti Rk.


kk UT 3200max =

mkk CFR −= 5.01 >> m

Kot posledico tega opazimo napetostni padec med kontakti in segrevanje stičnegamesta. Največja temperatura stika Tk je sorazmerna napetosti med sklenjenima kontaktoma

Napetost med kontaktoma s tokom je posledica kontaktne upornosti. Ta je odvisna odkontaktnega gradiva in stanja površine kontaktov. Vodnika sta v stiku vedno pod vplivom stične sile, ki zaradi mehanske deformacijegradiva kontaktov omogoča dober električni stik. Kontaktna upornost Rk se z večanjem sile zmanjšuje po relaciji

Matematični odnos med obemakoličinama je prikazan na sliki.


Zaradi gretja kontaktnega mesta nastaja pogosto na površini okoli njega plast oksidov in drugih električno neprevodnih korozijskih produktov, ki počasi omejujejo prevodno področjestika, zato se lahko po nekaj letih tokovna pot prekine sama od sebe. Ta proces na stičnemmestu kontaktov lahko pospešijo vibracije med njimi. Pri velikih tokih je zaradi zožitve toka na stiku tudi magnetno polje zelo koncentrirano okolističnega mesta, zato pri velikih tokovnih sunkih elektrodinamična sila lahko prevlada nad silo kontaktnega stiska in razmakne kontaktna dela.

Ločitev vodnikov pri električni napetosti

Stikalni aparat mora v izklopljenem stanju zagotavljatiizolacijo med vodniki pod napetostjo.Izklopljeno stikalo je obremenjeno z:-obratovalno napetostjo-napetostnimi sunki-napetostjo prehodnih pojavov

Električni tok ne sme teči po izklopljenemtokokrogu pri obratovalni napetosti, ki je lahko večja za predpisani faktor, izolacijamora vzdržati udarno napetost predpisanestrmine (hitrost porasta in upadanja v kV/μs s predpisano konično vrednostjo v kV) in hitre oscilacije napetosti reda kHz in temenske vrednosti reda kV zaradipreklopnih prehodnih pojavov v tokokrogu.


V izklopljenem stanju lahko steče v tokokrogu električni tok pri sledečih napakah- razelektritveni preskok v reši med razmaknjenimi kontakti- plazeči preskok po površinah izolirnih delov stikala- razelektritveni preskok skozi izolirne dele stikala

Odvisnost napetosti preskoka Ub od produkta tlak razdalja med elektrodama (pd) za različnepline pri homogenem električnem polju je podana grafično (merilo na koordinatnih oseh je logaritemsko!).

Preskok med kontakti nastane pripremajhnem razmiku kontaktnih delov ali pa je sredstvo med kontakti delno električnoprevodno (npr. zrak med kontakti prvih nekajs po izklopu, koronska razelektritev nakonicah ali tankih žicah z napetostjo). Napetostna obremenljivost razmaka med prevodnimi deli je odvisna od razdalje med njima, njihove oblike ter vrste in tlaka plina.


Zato so npr. iskrišča opremljena s konicami, v visokonapetostni tehniki uporabljamo plin SF6, dušik pri velikem tlaku itd. Izolacijska napetostna trdnost preskoka skozi izolant je odvisnaod njegove debeline in od vrste in čistoče izolacijskega gradiva (npr. keramika iz čistegakaolina za visoko napetost), odpornost proti plazečemu preskoku pa je odvisna predvsem odstanja površine in površinske razdalje med prevodnimi deli. Mikrorelief, raze in razpoke napovršini izolatorja, onesnaženost površine, vlaga in prisotnost elektrolitov lahko zelozmanjšajo napetostno trdnost izolatorja.

Vklop tokokrogaPri vklopu stikala se njegovi kontaktni deli v zahtevanem kratkem času mehansko sklenejomed seboj. To jim omogoča stikalni mehanizem, ki pospeši kontakte do potrebne hitrosti. Prisrečanju se dogodi trk, pri katerem se stične površine de formirajo elastično in plastično. Posledica elastične deformacije je več prehodnih odbojev kontaktov, preden se ti pri vklopudokončno sklenejo.

Časovni potek potovanja gibljivega kontakta je prikazan na grafu pot - čas. Zaradi plastične deformacije pa se kontaktni deli mehanskopreoblikujejo, lahko pa se medsebojno zalepijo alicelo hladno zvarijo.

Pri vklopu toka mehansko obremenitev kontaktov spremlja še termična obremenitev zaradielektričnih kontaktnih pojavov: tik pred stikom kontaktnih površin je razdalja med kontakti žedovolj majhna, da se opravi preskok med njima, razelektritev pa lokalno močno segrevapovršino kontaktov na stičnem mestu; po odskoku kontakta so kontaktni pojavi podobninekajkratnim hitrim zaporednim izklopom toka, pri katerih so kontakti termično zeloobremenenjeni. Zato se pri vklopu kontakti pogosto zvarijo med seboj.


Izklop tokokroga

Izklop tokokroga je za stikalni aparat v elektroenergetskem sistemu ena najtežjih nalog, kizahteva hitro prekinitev električnega kroga. Z razmaknitvijo kontaktov tok še naprej teče skozistolpec električno prevodnega vročega plina, ki ga imenujemo "električni oblok". Prepoznamoga kot intenzivno svetleč del prostora med kontakti. Šele ko je oblok "ugašen", je električnaprevodnost reže med kontakti dovolj majhna, da tok v tokokrogu preneha teči. V trenutkuizklopa se tokokrog odzove na to spremembo s prehodnim pojavom v obliki oscilacij napetostiz visoko frekvenco in amplitudo, kar lahko povzroči ponovni "vžig" obloka med kontakti.

V obloku se sprošča velika električna moč, ki termično obremenjuje celoten stikalni aparat. Oblok izžiga kontaktno gradivo, zaradi visoke temperature oblok termično razgrajuje okoliškeizolatorje in zmanjšuje izolacijsko sposobnost. Stikalni aparat pod vplivom predolgega trajanjaobloka lahko uničimo, zato mora ta opraviti izklop v ustrezno kratkem času. Včasih je potrebno hitro izklopiti tok tudi zato, da preprečimo poškodbe tokokroga (npr. pri kratkem stikuin podobnih nenormalnih pogojih obratovanja).

Hitrost ugasnitve obloka in karakteristike prehodnega pojava določajo izklopno zmogljivoststikala, ki pove kakšno električno obremenitev je stikalo še sposobno izklopiti. Poleg jakostitoka je vplivna količina še obratovalna napetost (enosmerna, izmenična, njena velikost) in karakteristike tokokroga, ki jih podaja faktor moči.


Nadalje vpliva na stikalno zmogljivost tudi:

- lastna frekvenca prekinjenega električnega tokokroga- prenihalni faktor kot razmerje med temensko vrednostjo v prvi amplitudi napetostiprehodnega pojava in temensko vrednostjo obratovalne napetosti- hitrost naraščanja napetosti prehodnega pojava takoj po izklopu.

Posebno pozornost zahtevajo izklopi majhnih induktivnih in kapacitivnih tokov. Pri izklopuneobremenjenega transformatorja prekinjamo majhen tok i in se izklop opravi v obliki"odsekanja" toka predno ta zavzame ničelno vrednost. Energija v induktivnosti L se sprosti namajhni kapacitivnosti vodov C, med katerimi se pojavi napetost U s temensko vrednostjo, kotsledi iz enačbe

22

2

1

2

1CULi =

Pri izklopu tokovno neobremenjenih vodov pod napetostjo steče precej velik tok, ki gastikalo prekine v naravni ničli toka.

Zaradi kapacitivnosti med vodniki je napetost med njimi enaka temenski obratovalninapetosti, medtem ko drugi pol stikala na strani generatorja sledi časovnemu potekunjegove napetosti. zaradi prištevanja napetosti pride do preskoka med kontakti in kratkotrajnega ponovnega vžiga o bloka, ki povzroči ponovno prištevanje napetosti, karpostane nevarno zaradi izolacijske trdnosti sistemov v tokokrogu.


Izklop izmeničnega – izklop enosmernega toka

Trenutek izklopa Trenutek izklopa


Oblok in njegove lastnostiV električnem smislu je električni oblok upor z nekonstantno upornostjo. Pretežni del oblokatvori plin, ki je zaradi svoje visoke temperature delno ioniziran (v stanju plazme) in zatoelektrično prevoden. Temu delu pravimo tudi obločni stolpec. Tanki plasti med elektrodo in obločnim stolpcem izpolnjujeta na strani negativne polaritete katodna plast in na stranipozitivne polaritete anodna plast obloka. Kljub zelo majhni debelini je na vsaki od njijunapetostni padec reda 10 V, ta vrednost je pri katodni napetosti odvisna od vrsteelektrodnega gradiva in plina, pri anodni napetosti pa zlasti pri manjših tokih tudi od vrednostitega.

ll i

dlcblau

+++=

Stacionarne lastnosti oblokaCelotna napetost ul med obločnimielektrodami je vsota prielektrodnih napetosti, ki sta dokaj neodvisni od obločnega toka, in napetostjo na obločnem stolpcu kotplinskem vodniku. Ta je sorazmerna z njegovo dolžino l. Na sliki je govora o katodnem in anodnem padcu napetosti in o napetosti v stolpcu oz. strženu električnegaobloka. Tako za napetost obloka v mirujočem plinu približno velja zveza, ki je podana z Ayrtonovo enačbo.


ll i

glau +=

Konstante a, b, c in d so empirične in podane za posamezne primere v literaturi. Ker Ayrtonova enačba odraža približno stanje v obloku, je uporabna tudi enostavnejša zveza med obločno napetostjo ul in obločnim tokom il :

Ta zveza je grafično ponazorjena na sliki.

Oblok lahko eksistira, če je v tokokrogu pri toku i, ki teče tudi skozi oblok, dosegljiva napriključkih obloka napetost ul ustrezne vrednosti, ki obloku omogoča eksistenco. Iz razmer v tokokrogu, ki ga okarakteriziramo z elementi R in L, je pri napetosti na generatorju ug napetostobloka določena iz enačbe tokokroga:

lg uRidt

diLu +=−=


Dokler je spreminjanje i po času t zanemarljivo majhno, ali kadar je breme v tokokroguohmsko, ocenimo pogoje za eksistenco obloka z grafično prikazano zgornjo enačbo na sliki. Oblok lahko obstaja v področju vrednosti toka i, kjer je ul manjša od razlike ug-Ri. Pridodatnem induktivnem bremenu pa se pri izklopu tok začne zmanjševati, kar pomeni večjoelektrično napetost, ki je na voljo za eksistenco obloka. Enačbi je zadoščeno pri časovnemzmanjševanju toka i, pri tem pa se obločna napetost veča in sili tok proti ničelni vrednosti. Med izklopom povečujemo napetost obloka z razpiranjem kontaktov, ker ga s tem podaljšujemo. Pri tem se s povečanjem medkontaktnega razmaka selimo po šopu krivulj ul(i) od spodnjih, ki pripadajo manjšim obločnim dolžinam l, proti zgornjim z večjo vrednostjoparametra l. Z daljšanjem obloka se povečuje skupna upornost v tokokrogu, zato se hkratizmanjšuje tudi tok i. Tako končno preidemo minimalno vrednost toka, pri katerem oblok šeeksistira, zato ta ugasne.

Pri izklopu izmeničnega toka še zaradi njegovega časovnega poteka tok preide naravno ničlo v vsaki polperiodi, zato oblok ugasne v bližini prvega prehoda to ka i(t) skozi ničlo, ko v skladu s pogoji ugasnitve tok doseže vrednost, manjšo od minimalne.


Vžigi obloka lahko povzročijo katastrofalne učinke na stikalu in v tokokrogu, zato se pri izklopuv dobro konstruiranih stikalih ne pojavljajo, v nekaterih vrstah stikal pa se tolerira le nekajzaporednih povratnih vžigov obloka na izklop. Nastanek povratnega vžiga je pogojen z naslednjimi glavnimi vplivi: - s časovnim potekom povratne napetosti- z naraščanjem napetostne trdnosti kontaktne reže.Povratna napetost je vsota omrežne napetosti in oscilacij prehodnega pojava poopravljenem izklopu, rezultirajoči časovni potek pa je lahko hitro naraščanje povratnenapetosti s prenihalnim faktorjem, ki v elektroenergetskih tokokrogih doseže maksimalnovrednost 2.

V praksi se pogosto oblok v naslednji polperiodi ponovno vžge. V stacionarni predstavitvidogajanj v obloku razmer za povratni vžig obloka ne moremo zajeti, ker je potrebno upoštevatisposobnost sledenja obloka časovnim spremembam v tokokrogu. To pa obravnavamo z dinamično predstavitvijo obloka. Stacionarno obravnavan oblok izmeničnega toka s povratnimivžigi v vsaki polperiodi je pri kazan v časovnem grafu obločne napetosti ul(t) in toka il(t). Eksperimentalno posnet oscilogram teh količin v obloku se nekoliko razlikuje od tistega na slikizaradi dinamičnih učinkov v obloku.


Napetostna trdnost stikala je napetost, pri kateri se zgodi povratni vžig obloka. Odklopniki, kiso sposobni izklopiti tok zahtevane vrednosti pri podanih pogojih, morajo imeti dovolj velikostikalno zmogljivost. Sodobni odklopniki za izmenični tok opravijo izklop veliko hitreje, kot tokdoseže naravno ničlo, ker uporabljajo način izklopa enosmernega toka, kjer doseže oblokveliko napetost in pri tem tok hitro upada proti ničelni vrednosti.

Dinamične lastnosti obloka

V stacionarnem načinu obravnavanja obloka pri izklopu stikala je bilo privzeto, da se oblok v hipu in brez prehodnega obdobja odzove na vse časovne spremembe v tokokrogu. Posledicateh sprememb je prehod obloka v novo termično stanje, ki ga zaradi svoje termične vztrajnosti(oblokovo maso je treba segreti ali ohladiti!) in drugih, mnogo hitrejših relaksacijskih pojavovionizacije in vzbujanja osnovnih delcev, doseže šele po nekem času. Izkazalo se je, da je tudiv tehniški praksi potrebno pri obravnavanju razmer v obloku okrog prehoda toka skozi ničloupoštevati karakteristični čas obloka. Najbolj pregleden pristop vsebujeta modela oblokaCassieja in Mayra. V obeh so uporabljene poenostavljene izhodiščne predpostavke za opisdinamičnih lastnosti obloka: - v obloku se električna moč sprošča v toplotno- skozi površino obloka odteka v okolico zaradi toplotnega prevajanja in konvekcije toplotnamoč P - spremembe stanja v obloku povzroča časovna sprememba količine toplote v obloku Q/t.


Oba modela se razlikujeta le v tem, na kakšen način upoštevamo spremembo upornostiobločnega stolpca. Po Cassieju se ta spreminja s tokom zaradi spremembe presekaobločnega stolpca, po Mayru pa se s tokom spreminja temperatura obloka in s tem specifičnaupornost obločnega medija. Oba modela sta uporabna v omejenem območju pogojev. Pojavugasnitve in ponovnega vžiga obloka bolje opisuje Mayrova enačba, po razvitju iz osnovnerelacije dobi obliko, v kateri zasledujemo časovni potek električne prevodnosti G obločnegastolpca s časovno konstanto pri obločnem toku il :

Pt

iG

t

G l2

=+τδ

δ

Upoštevaje to enačbo dobimo za odvisnost ul(i) pri naraščanjuobločnega toka večje vrednosti za obločno napetostjo, pri upadanju tokapa manjše, kot je prikazano na sliki.


Pri ugasnitvi obloka po prehodu toka skoziničelno vrednost obločni medi j ostane vroč in imazato še neko zaostalo električno prevodnost. Po ugasnitvi obloka vrednost toka ne pade v hipu nanič in napetost med kontakti zraste postopoma navrednost ug , kot je prikazano na sliki. Pri izklopuizmeničnega toka in ponovnem naračanjunapetosti teče zato nek precej manjši nadaljevalni tok, ki lahko pri hitrem naraščanjunapetosti ponovno požene dovolj velik tok med kontakti, tako da je ponovno segrevanje in ionizacija obločnega medija hitrejše, kot potekahlajenje in deionizacija prejšnjega stanja.

Mayerjeva teorija, ki je merodajna v območju ob prehodu toka skozi nič govori, da je moč, ki se razvije v obloku konstantna in da ni odvisna od spremembe toka. Od toka naj bi bila odvisna le temperatura obloka.

Cassieva teorija, ki je merodajna v območju ponovnega vžiga električnega obloka pravi, da je temperatura v steblu obloka konstantna za ves presek in da je neodvisen od toka. Pri tem pa se moč, ki jo razvije oblok menja s tokom.


Zaradi vpliva časovne konstante oblokaje časovni potek obločne napetosti pritrajanju obloka več polperiodizmeničnega toka tak, kot je prikazanna sliki.

Pri uspešnem izklopu mora napetostna trdnostnaraščati hitreje, kot povratna napetost, da ne pride do povratnega vžiga. Primere ilustrira slika.


Veliko hitrost podaljševanja oblokadosegamo z nemehanskim načinom, z učinkom elektromagnetne sile na obločnistolpec. Ta poganja oblok z veliko hitrostjomed dvema razpirajočima se tračnicama in ga tako podaljšuje. S tem hitro narasteobločna napetost na primerno velikovrednost, kar zagotavlja hitro ugasnitevobloka in hiter izklop.

Hiter izklop toka pogojuje velike izklopne zmogljivosti sodobnih odklopnikov. V njih obločnanapetost doseže vrednosti, večje od napetosti vira. Učinkovito hlajenje obloka med izklopomin po njem ter deionizacija medkontaktnega prostora omogočata hiter porast napetostnetrdnosti odklopnika po izklopu. Veliko obločno napetost ali njeno hitro naraščanje dosegamoz vrsto načinov: Hitro podaljševanje oblokaRazdaljo med kontakti po izklopu lahko hitro povečamo z zmogljivim mehanizmom. Zaradimehanskih obremenitev in zahtevnosti hitrih mehanizmov potrebno hitrost podaljševanjaobloka ne dosešemo z neposrednim mehanskim postopkom, ampak posredno z dvojno (alivečkratno) hkratno prekinitvijo tokovne poti. Tako dosežemo pri isti hitrosti mehanizmadvakrat večje hitrosti podaljševanja obloka, kar uporabljamo npr. pri kontaktorjih za omrežno napetost nad 100 V.

Oblok potuje po tračnicah še zaradi sile lastnega magnetnega polja, hitrost njegovegapotovanja pa lahko povečamo z zunanjim magnetnim poljem. Pri nekaterih konstrukcijahodklopnikov je oblok speljan v špranjo iz izolacijskega gradiva, ki obločni stolpec dodatnopodaljša zaradi meanderne obliki špranje.


Razdelitev na delne obloke

Oblok, ki ga najprej razvlečemo na večjo dolžino med obločnimi tračnicami, vodimo dalje v komoro s sistemom kovinskih ploščic, v kateri se oblok razdeli na več krajših. Vsak delni oblokima svojo katodno in anodno napetost, tako da se stem poveča skupna napetost sistemadelnih oblokov. Pomemben prispevek pa je zlasti zelo povečana napetost ponovnega vžiga, kiznaša 200 do 300 V na delni oblok.

Intenzivno hlajenje obloka

Z intenzivnim odvajanjem toplote iz obločnega stolpca se poveča električna poljska jakost za vzdrževanje obloka in stem tudi obločna napetost. Če obločni stolpec obdamo s snovjo z veliko toplotno prevodnostjo, ali če odvajamo toploto z intenzivnim obtekanjem hladilnegasredstva.


Tako imamo izvedbe stikalnih aparatov, kjer električni oblok gori v:

- ozkem kanalu iz trdnega izolanta

- olju ali vodi

- toku zraka ali plina SF6 pri veliki hitrosti


V ozkem kanalu z toplotno dobro prevodnimi stenami je oblok v obliki tankega traku, kjer je razmerje med volumnom plazme in površino obločnega stolpca v stiku s steno še posebejveliko. Pretežni delež toplote se iz obloka odvaja s sevanjem. Stene kanala absorbirajotoplotno energijo, ki se porabi za izparevanje in razkrajanje sten, zaradi česar se v oblokdovaja hladnejši medij. Stene iz organskih materialov pri razkrajanju oddajajo večji deležvodika, ki znotraj obločnega stolpca poveča toplotno prevodnost. Ta učinek je izkoriščen tudi v taljivi varovalki. Tekočine so dobri prevodniki toplote in zato primerne za odvajanje sproščene energijeiz obloka v bližnjo okolico. V stiku z oblokom se tekočina segreje do vrelišča in celo do temperature kemijskega razkroja par. Pri tekočinah z veliko vsebnostjo vodika v molekuli, kotso voda in ogljikovodiki (mineralna olja), nastali vodik v plašču med oblokom in tekočino zaradisvoje velike toplotne prevodnosti skrbi za učinkovito odvajanje toplote iz obloka v tekočino. Nastale pare izkoriščamo tudi za to, da poženejo hladno tekočino v obtok okoli obloka in takododatno intenzivirajo hlajenje. V tekočinskih odklopnikih je čas trajanja nadaljevalnih tokovprecej daljši, kot v ostalih vrstah odklopnikov.

Hlajenje obloka s plinom je v odklopnikih izvedeno z močnim curkom plina, ki piha pod velikim tlakom skozi šobe ob kontaktih ali pa so že kontakti oblikovani v šobe za izpih.Plinski tok velike hitrosti ustvarja turbulentno obtekanje obločnega stolpca in njegovo intenzivnokonvektivno hlajenje. V visokonapetostnih odklopnikih je ves kontaktno-obločni sistemnameščen v atmosferi elektronegativnega plina, kot žveplov heksafluorid SF6 ali freon CCl2F2 . Na molekule teh plinov se radi vežejo elektroni, ki so večinski nosilci električnega toka v obloku. Pri "nalepitvi" na molekule te privedejo v stanje negativnih ionovin, ki so za faktor 1000 manjgibljivi od elektronov in zato kot nosilci toka malo učinkoviti. Napetost preskoka v teh plinih je večja kot v drugih in tudi večja kot v vakuumu. Tudi trajanje nadaljevalnega toka je za faktor 100 krajše, kot v drugih plinih.


Vakuum kot stikalni medij ima več prednosti pred plini. V njem je zelo malo molekul in atomov, zato lahko nastane le malo električno nabitih ionov in elektronov, ni kemijsko agresivnih plinov, ki vplivajo na kontakte, ti pa so ločeni od vplivov okolice z vakuumsko tesno stikalno komoro. Pri prekinitvi toka v vakuumu oblok v vakuumski stikalni komori lahko nastane kljub vakuumu, saj kot obločni medij služijo kovinske pare, ki izhajajo iz kontaktov zaradi izparevanja kovinskepovršine v podnožjih obloka. Obločna napetost v vakuumu je manjša, kot v plinih, ker obloktvori le katodna plast, ki je pri zelo majhnih tlakih debela reda velikosti 1 cm. Zaradi odsotnostiobločnega stolpca je obločna napetost le malo odvisna od toka in manjša, kot v plinskemobloku. Tipične vrednosti obločne napetosti so med 12 in 20 V, odvisno od gradiva kontaktov. Zato se v stikalu sprošča manša toplotna moč in stikalo je manj termično obremenjeno. Oblokpotuje pod vplivom sile zaradi lastnega magnetnega polja proti robu kontaktov. Podnožjeobloka je sestavljeno iz več katodnih peg, njihovo število je odvisno od trenutne vrednostiobločnega toka. Na robu podnožja katodne pege ugašajo in ko ugasne zadnja, se tok pri nekivrednosti ich skokovito zmanjša na ničelno vrednost. Pojav imenujemo odsekani tok ("chopping current") in se pojavlja tudi v drugih tipih stikal, je pa najbolj izrazit v vakuumskih stikalih. Vrednosti toka odrezanja so v območju med 2 in 7 A. Vrednost se spreminja sorazmerno tališčukontaktnega gradiva. Z vključki kovin z nizkim tališčem je mogoče zmanjati odrezani tok navrednost 0.5 A. Pri izklopu vodov v kratkem stiku, kjer je upornost R zanemarljiva glede nainduktivnost L, upoštevati pa moramo tudi kapacitivnost C, nastanejo velike napetostneoscilacije zaradi prehodnega pojava s temensko vrednostjo Uc in frekvenco f, ki jih ocenimo izrelacij:

Oblok v vakuumu

LCf

π2

1=

C

LiU ch=0


Vakuumski oblok močno erodira površino kontaktov, kikaže znake intenzivnega površinskega taljenja. Zato so kontakti opremljeni s špiralnimi zarezami, ki ojačajoučinek magnetnega izpiha obloka z lastnim magnetnimpoljem proti robu kontaktov.

Pri toku odsekanja 10 A, induktivnosti 10 mH in kapacitivnosti 1 nF je temenska napetost v oscilacijah prehodnega pojava zaradi odsekanja toka reda 10 kV.

Odrezanje toka nastopi zaradi hitre difuzije kovinskih par iz kontaktne reže in njihovehitre rekombinacije. Časovna konstanta obloka je določena s procesom rekombinacijekovinskih par in je v redu velikosti s.

τμ

Pare se kondenzirajo znotraj vakuumske komore, zato lahko ustvarijo prevodno plast čezizolacijo stikala. To je preprečeno s kovinskim zaslonom okoli kontaktov, kot je shematskoprikazano na sliki.


Dodatek s področja električnega obloka: kratek povzetek iz raziskovalne dejavnosti



LITERATURA

-Lindmayer, M. (Hrsg.): Schaltgerete. Springer-Verlag, 1987 -Hrvoje Požar, Visokonaponska postrojenja, TehniČka knjiga, Zagreb 1967 -Kulicke, B.; Luxa, A.: Phenomenologisches Lichtbogenmodell fur Vakuumschalter. etzArchiv, Bd. 9 (1987), H. 5 -Habed ank, U.: On the mathematical description of arc behavior in the vicinity of current zero. etzArchiv, Bd.10(1988), H. 11 -Habedank U.: Improved evaluation of short-circuit breaking tests. Report at the Colloquium of CIGRE SC 13, Sarajevo (Yogoslavia), May 1989

-Ikeda, H.; Ishikawa, M.; Yanabu, S.: Analyses of Axial Energy Distribution in Decaying Arc of SF6 Gas Circuit Breaker. IEEE Tran s. on Plasma Science, Vol. PS-14, No. 4, 1986

-Browne, T.E.: Practical Modelling of the Circuit Breaker Arc as a Short Line Fault Interrupter. IEEE Trans. on Power –Apparatus and Systems, PAS-97 (1978)

-Hochrainer, A.: Eine regelungtechnische Betrachtung der elektrischen Lichtbogens ("Kybernetische Theorie des Lichtbogens"). etzArchiv, Bd. 92 (1971), H. 6

-Brinkhoff, R.; Kulicke, B.; Schramm, H. -H: Ausschalten nicht-simultaner Kurzschlusse mit ausbleibenden Stromnulldurchgangen durch SF6 -Blaskolbenschalter, Elektricitets-wirtschaft, Sonderdruck Nr. 3042, Bd. 77 (1978)

-Graber, W; Gysel, T.: Das Ausschalten von Kurzschlusstramen mit ausbleibenden Nulldurchgangen durch Hochspannungsschalter, Brown Boveri Mitt., 4-80

-Kulicke, B.: Netomac digital program for simulating electromechanical and electromagnetic transient phenomena in a.c.systems, Elektrizitetswirtschaft 78 (1979)

-Hochrainer, A.: Eine regelungtechnische Betrachtung der elektrischen Lichtbogens ("Kybernetische Theorie des Lichtbogens"). etzArchiv, Bd. 92, H. 6, 1971

-CIGRE WG 13-01: Applications of black-box modelling to circuit breakers. ELECTRA No. 149, August 1993, pp. 40-71 --Bizjak, G.; Povh, D.; Žunko, P.: Arc model for digital simulation program based on Mayr arc equation, XI-th InternationalSymposium on PHYSICS OF SWITCHING, Brno, ¨Češka republika ARC, 26. do 30. september 1994

-Bizjak, G.; Povh, D.; Žunko, P.: Circuit Breaker Model for Digital Simulation Based on Mayr’s and Cassie’s Differential Arc Equations, IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. 10, Num. 3, July 1995, pp 1310-1316

-Bizjak, G.; Žunko, P.: Modeliranje električnega obloka v odklopniku s pomočjo Mayrjeve in Cassiejeve diferencialne enačbe, 3. slovenska konferenca SLOKO CIGRE, Nova Gorica, Slovenija, 3. do 5. junij 1997

-Bizjak, G.: Razvoj modela SF6 odklopnika za potrebe digitalne simulacije stikalnih prehodnih pojavov v elektroenergetskihomrežjih, doktorska disertacija, Fakulteta za elektrotehniko, Ljubljana, 1997

-Jože Pihler, Stikalne naprave elektroenergetskega sistema, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko,Maribor 1999.

-Zgoščenka, Izbrana dela raziskovalne skupine LEO, Ljubljana, 2000 -Edited by C.H.Flurscheim, Power circuit breaker theory and design, 2.impr., IEE- power engineering, 1977.


LITERATURA:

1. H. Požar, Visokonaponska rasklopna postrojenja, Tehnička knjiga – Zagreb, 19732. M. Plaper, Elektroenergetska omrežja II. del, Ljubljana 19753. H. Happoldt, D. Oeding, Elektrische Kraftwerke und Netze, 5. Auflage, Springer Verlag Berlin,19784. A.T. Johns, G. Ratcliff, A. Wright, Power Circuit breaker theory and design, Revised Ed. 19825. H. Bätz, Elektroenergieanlagen, VEB Verlag Technik, Berlin,19846. A. J. Pansini, Electrical Distribution Engineering, McGraw-Hill, 19867. F. Robert Bergseth, S.S. Venkata, Introduction to Electric Energy Devices, Prenice Hall, 19878. R. Roeper (prevod P..Žunko), 6. izdaja, Kratkostični tokovi v trifaznih omrežjih, FE, Ljubljana, 19899. E. Lakervi, E.J. Holmes, Electricity distribution network design, 2nd Edition, 199810. B.M. Weedy, Elektric Power Systems, John Wiley&Sons, 5th Edition, 199911. K. Heuck, K.D. Dettmann, Elektrische Energieversorgung, 4. Auflage, 199912. J. Pihler, Stikalne naprave elektroenergetskega sistema, FERI Maribor, 1999.13. K. Heuck, K.D. Dettmann, Elektrische Energieversorgung, 4. Auflage, Braunschweig, 199914. ABB Taschenbuch, Schalttanlagen, 10. Auflage, 199915. V. Kristan, Elektrische Energieversorgung 1, Springer Verlag Heidelberg, 200016. P. Žunko, Stikalni aparati, del internih skript, CD, Ljubljana, 200517. P. Žunko, Stikalne postaje, del internih skript, CD, Ljubljana 200518. P. Žunko, Elektrifikacija, predavanja v PowerPoint-u, interno,CD, Ljubljana, 2005


Internetne strani

• http://www.metacafe.com/watch/404588/high_voltage_short_circuit/

potek dela - leon.fe.uni-lj.sileon.fe.uni-lj.si/media/uploads/files/pedagosko delo cepin... · •...

Documents