Kurs praktycznego wykorzystania programu ATP - EMTP (część 8.)
Przepięcia atmosferyczne w sieciach elektroenergetycznych
![Przekrój warystora [3]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/e85e67abe07c22b1a64481eb5949bc17.jpg)
Przekrój warystora [3]
W ósmej części kursu zostanie zaprezentowany praktyczny przykład wykorzystania pakietu ATP do obliczania i oceny skuteczności ochrony przed przepięciami powstającymi podczas wyładowań piorunowych w linie średniego napięcia. Specjalna grupa elementów dedykowana do takich zastosowań zostanie dodatkowo szczegółowo opisana.
Zobacz także
SR Tech Miernik promieniowania 5G
Czym jest sieć 5G? Jakie korzyści i zagrożenia niesie ze sobą ta nowa, budzącą wiele kontrowersji technologia? Czy sieci tego typu mają negatywny wpływ na nasze zdrowie? Czym jest promieniowanie 5G i czy...
Czym jest sieć 5G? Jakie korzyści i zagrożenia niesie ze sobą ta nowa, budzącą wiele kontrowersji technologia? Czy sieci tego typu mają negatywny wpływ na nasze zdrowie? Czym jest promieniowanie 5G i czy istnieje sprawdzony miernik promieniowania 5G? Na te pytania postaramy się tu odpowiedzieć.
Sterownik polowy CZIP®-PRO Relpol otrzymał Puchar Prezesa Polskiego Towarzystwa Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej
Co roku podczas Międzynarodowych Energetycznych Targów Bielskich ENERGETAB odbywa się konkurs targowy organizowany przez pomysłodawców wydarzenia ZIAD Bielsko-Biała SA. W tym roku Puchar Prezesa Polskiego...
Co roku podczas Międzynarodowych Energetycznych Targów Bielskich ENERGETAB odbywa się konkurs targowy organizowany przez pomysłodawców wydarzenia ZIAD Bielsko-Biała SA. W tym roku Puchar Prezesa Polskiego Towarzystwa Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej otrzymał produkty firmy Relpol – CZIP®-PRO Sterownik polowy nowej generacji.
dr. inż. Jarosław Wiater Kurs praktycznego wykorzystania programu ATP – EMTP (część 20.)
W dwudziestej części kursu zostaną zaprezentowane wielostopniowe układy ograniczające przepięcia przeznaczone do wykorzystania w pakiecie EMTP. Dzięki nim będzie możliwe przeprowadzenie obliczeń między...
W dwudziestej części kursu zostaną zaprezentowane wielostopniowe układy ograniczające przepięcia przeznaczone do wykorzystania w pakiecie EMTP. Dzięki nim będzie możliwe przeprowadzenie obliczeń między innymi skuteczności ochrony zapewnianej urządzeniom i układom przesyłu sygnałów narażonych na bezpośrednie i pośrednie skutki wyładowań atmosferycznych.
Oceniając skuteczność ochrony przed przepięciami instalacji elektrycznej oraz zasilanych urządzeń należy przeanalizować wszelkiego rodzaju zagrożenia, jakie mogą wystąpić w danym przypadku. W obiektach posiadających urządzenia piorunochronne największe zagrożenie podczas bezpośredniego wyładowania atmosferycznego w ten obiekt stwarza prąd piorunowy. Od miejsca udaru prąd piorunowy spływa zwodami i przewodami odprowadzającymi do systemu uziomowego oraz do instalacji przewodzących dochodzących do tego obiektu poprzez system uziomowy. Zakładając, iż wartość szczytowa prądu piorunowego wynosi 200 kA, przyjmuje się następujący jego podział [3]:
- przewody instalacji elektrycznej – 33 kA,
- przewodząca instalacja wodno-kanalizacyjna – 33 kA,
- przewodząca instalacja gazowa – 33 kA,
- linie telefoniczne – 10 kA.
Przedstawione wyniki otrzymano przy założeniu równomiernego podziału prądu piorunowego pomiędzy system uziomowy obiektu a przewodzące instalacje do niego dochodzące. Część prądu wpływa bezpośrednio od instalacji elektrycznej. Ochrona przed działaniem tego prądu wymaga zastosowania urządzeń do ograniczania przepięć SPD (Surge Protective Devices). W uproszczonych rozważaniach można przyjąć, że zastosowanie ograniczników w instalacji elektrycznej i liniach telefonicznych najczęściej tylko w nieznacznym stopniu ogranicza skok potencjału całego obiektu wywołany przez prąd piorunowy wpływający do systemu uziomowego. Zastosowanie ograniczników klasy I ogranicza różnice napięć pomiędzy poszczególnymi przewodami instalacji, ale każdy z tych przewodów znajduje się na wysokim potencjale względem pozostałych instalacji uziemionych w innym punkcie niż instalacja elektryczna rozpatrywanego obiektu.
Warystory
Warystory są napięciowo zależnymi nieliniowymi rezystorami charakteryzującymi się właściwościami podobnymi do dwóch równolegle połączonych i przeciwnie spolaryzowanych diod Zenera. Symetryczne dla napięć o biegunowości dodatniej i ujemnej, gwałtownie narastające charakterystyki przebicia umożliwiają doskonałe tłumienie stanów nieustalonych przez warystor. Ograniczenie napięcia stanu nieustalonego do bezpiecznego poziomu następuje, jeśli poddana działaniu przepięcia impedancja warystora zmniejsza swą wartość o kilka rzędów wielkości, od stanu praktycznie rozwartego obwodu do stanu o wysokiej przewodności. Z tego powodu potencjalnie destrukcyjna energia szkodliwego impulsu jest absorbowana przez warystor, chroniący tym samym czułe miejsca obwodu. Jednym z dwóch powszechnie stosowanych warystorowych materiałów proszkowych jest węglik krzemu SiC. Warystory na bazie SiC są obecnie często stosowane w telekomunikacji, energetyce i automatyce. Ze względu na charakterystyczny dla nich niski współczynnik nieliniowości rzędu 2 - 5 - 10 i łatwość ich zniszczenia po przebiciu, w zabezpieczeniach współczesnych układów elektronicznych stosuje się elementy o lepszych parametrach elektrycznych. Drugim często stosowanym tworzywem warystorowym jest tlenek cynku ZnO. Warystory wykonane z ZnO znacznie przewyższają parametrami elektrycznymi elementy wykonane na bazie SiC.
Warystory charakteryzowane są następującymi parametrami:
UDCM – maksymalne ciągłe napięcie stałe, które może być zastosowane, w [V],
Upkm – szczytowe napięcie powtarzalne (maksymalne napięcie powtarzalne dla wymaganych cykli roboczych i kształtu fali), w [V],
UNOM – napięcie znamionowe, napięcie na warystorze przy konkretnym prądzie stałym (zazwyczaj Inom=1 mA) i określonym czasie pomiaru, w [V],
Uc – napięcie ograniczenia (szczytowe napięcie na warystorze podawane dla określonej szczytowej wartości prądu i kształtu fali), w [V],
Id – prąd warystora zmierzony przy napięciu UDCM, w [A],
Ip – wartość szczytowa prądu w stanie nieustalonym – jego wielkość jest funkcją kształtu impulsu, częstotliwości powtarzania impulsów i ich ogólnej liczby, w [A],
C – pojemność własna warystora, w [pF].
W pakiecie EMTP warystory mogą być modelowane za pomocą elementu o nazwie MOV Type 92 z grupy o nazwie Branch Nonlinear. Stosując uproszczenia dla układów 3-fazowych wykorzystywany może być element o nazwie MOV Type 92 3-ph. Charakteryzowany jest on następującymi parametrami (rys. 4.) [1]:
Vref – napięcie ograniczenia dla pojedynczego warystora stanowiącego stos warystorowy (odpowiednik Uc), w [V],
Vflash – napięcie przeskoku między kolejnymi elementami stosu warystorowego, w przypadku stosowania warystorów monolitycznych parametr ten winien być równy -1, w [V],
Vzero – napięcie, powyżej którego element będzie uwzględniany w EMTP. Jeśli napięcie u(t) nie przekroczy Vzero, wtedy rMOV(t)=∞, w [V],
COL – liczba równoległych kolumn w stosie warystorowym (pojedynczy stos COL=0 lub 1, ewentualnie brak jakiejkolwiek wartości, zaś dla dwóch kolumn COL=2), w [-],
SER – liczba elementów składających się na stos warystorowy, w [-],
ErrLim – dopuszczalny błąd wynikający z aproksymacji brakujących punktów charakterystyki napięciowo-prądowej warystora, w [-].
Możliwe jest również zdefiniowanie ręczne do 29 punktów charakterystyki napięciowo-prądowej warystora. W tym celu należy przejść do zakładki „Characteristic” (rys. 5.). Podczas wprowadzania poszczególnych wartości należy pominąć punkt (0,0). Możliwy jest również zapis wprowadzonych danych w celu ich późniejszego wykorzystania, a także wykorzystanie charakterystyki już wprowadzonej – opcja EDIT i SAVE [1]. Pakiet EMTP wymaga wprowadzenia minimum 2 punktów charakterystyki napięciowo-prądowej!
Iskiernikowe ograniczniki przepięć
Typowy odgromnik gazowany charakteryzowany jest następującymi parametrami [3]:
Ustat – statyczne napięcie zapłonu, w [V],
Uzdyn – udarowe napięcie zapłonu odgromnika, w [V],
IS – udarowy prąd wyładowania, w [kA],
ISG – maksymalny prąd udarowy wyładowania, w [kA],
I50 – znamionowy przemienny prąd wyładowania, w [A],
UB – maksymalne napięcie resztkowe w przypadku wyładowania jarzeniowego, w [V],
Uarc – napięcie resztkowe w przypadku wyładowania łukowego, w [V],
Riz – rezystancja izolacji, w [Ω],
C – pojemność własna odgromnika, w [pF].
Najprostszym sposobem użycia w EMTP odgromnika/iskiernika jest wykorzystanie elementu o nazwie „Switch voltage contr” z grupy SWITCHES – 1-fazowy element przełączający sterowany przyłożonym napięciem. Jest to najprostszy z możliwych modeli. Parametry jego są następujące:
T-cl – czas niezbędny do zamknięcia przełącznika, w [s],
T-de – minimalny czas, przez który przełącznik będzie zamknięty po załączeniu, w [s],
Imar – prąd podtrzymania. Jeśli w danej chwili czasowej zostanie wydany rozkaz otwarcia styków (czyli t>T-op) oraz wartość chwilowa prądu spadnie poniżej Imar, wtedy dopiero nastąpi otwarcie przełącznika. W przypadku tego elementu nie zaleca się stosowania Imar=0, w [A]
V-fl – napięcie, po przekroczeniu którego przełącznik zostanie zamknięty – oczywiście z opóźnieniem T-de, w [V].
Ostatni element nie uwzględnia dynamicznego i statycznego napięcia zapłonu, pojemności własnej, napięcia wyładowania jarzeniowego, napięcia łuku oraz rezystancji izolacji. Te ograniczenia mogą być usunięte dzięki zastosowaniu elementu typu MOD [2].
Prosty przykład modelu iskiernika prętowego został zamieszczony w części 6. kursu. Parametry, które można wprowadzić w przypadku korzystania z pliku FLASH.MOD, są następujące:
UINF – napięcie zapłonu iskiernika, w [V],
tau – opóźnienie zapłonu iskiernika, w [s],
UINI – statyczne napięcie zapłonu iskiernika, w [V],
UO – napięcie zapłonu przy najmniejszym możliwym czasie zadziałania, w [pF].
W obu przypadkach pojemność własną można wprowadzić podłączając równolegle do ogranicznika pojemność skupioną o zadanej wartości, zgodnie z parametrami katalogowymi modelowanego elementu.
Półprzewodnikowe diody zabezpieczające
Diody zabezpieczające produkowane są jako jednokierunkowe o nieliniowej charakterystyce napięciowo-prądowej lub dwukierunkowe odpowiadające połączeniu szeregowego przeciwsobnego dwóch diod zabezpieczających. Parametry je charakteryzujące to [3]:
IRM – prąd upływności diody, w [A],
URM – maksymalna wartość napięcia, przy którym dioda stanowi dużą rezystancję (IRM <1 mA), w [V],
UBR – napięcie przebicia lawinowego, w [V],
IRSM – maksymalna szczytowa wartość prądu płynącego przez diodę w czasie badań impulsem standardowym, w [A],
URSM – maksymalne napięcie, jakie może się pojawić na zaciskach diody zabezpieczającej, w [V],
TCL – czas potrzebny do wystąpienia zjawiska przebicia lawinowego, w [s],
C – pojemność własna diody, w [pF].
EMTP daje użytkownikowi możliwość wykorzystania w celu zamodelowania diody zabezpieczającej element z grupy SWITCHES o nazwie „DIODE Type 11” o następujących parametrach:
Vig – napięcie, po przekroczeniu którego dioda zaczyna przewodzić, w [V],
Ihold – prąd podtrzymania (w momencie, gdy i(t) spadnie poniżej Ihold, dioda przestanie przewodzić), w [A],
Tdeion – czas dejonizacji struktury wewnętrznej (w momencie, gdy nie upłynął czas Tdeion i dodatkowo u(t)>Vig, dioda ponownie zacznie przewodzić), w [s],
CLOSED [0/1] – stan pracy diody przy wykorzystaniu EMTP do obliczeń w ustalonym stanie pracy (wyświetlanie wyników na tle schematu – patrz poprzednie części kursu): 0 – dioda nie przewodzi, 1 – dioda przewodzi.
Uzyskanie modelu typowej diody dostępnej w handlu wymaga użycia dwóch elementów DIODE Type 11 połączonych szeregowo i przeciwsobnie, zaś ich parametry muszą być ustawione identycznie.
Źródła udarowe
Podstawowe parametry charakteryzujące prąd piorunowy wyładowania doziemnego to:
- wartość szczytowa Im,
- maksymalna stromość narastania:
- ładunek przenoszony przez prąd piorunowy:
- impuls kwadratu prądu:
(energia właściwa wydzielona przez prąd piorunowy na rezystancji 1 Ω), - czas narastania czoła T1 i czas trwania do półszczytu na grzbiecie fali prądu piorunowego T2,
- liczba udarów prądowych w wyładowaniu wielokrotnym.
Ze względu na różne typy wyładowań atmosferycznych, rozkładów ładunków w chmurze, zmiennych warunków geograficznych, geologicznych i hydrologicznych wymienione parametry nie są we wszystkich przypadkach jednakowe. Rozkład prawdopodobieństwa występowania podstawowych parametrów prądu piorunowego określa norma PN-IEC 61312-1 [5]. Określono w niej podstawowe parametry charakteryzujące przebiegi czasowe prądów piorunowych pierwszego, kolejnego wyładowania w kanale oraz składowej długotrwałej. Wybór parametrów uzależniony jest od przyjętego poziomu skuteczności ochrony (tab. 1.).
Pierwsze i następne wyładowania opisywane są za pomocą różnych funkcji (dwuwykładniczej, Heidlera, zaproponowanej przez komitet CIGRE). W przypadku udarów długotrwałych składowa prądu piorunowego opisywana jest falą prostokątną charakteryzowaną przez średni prąd I i czas trwania T, zgodnie z tab. 2.
Pakiet EMTP oferuje użytkownikowi kilka typów źródeł dostosowanych do wymagań różnych norm. Wyróżniamy ich trzy rodzaje (wszystkie dostępne są w grupie elementów SOURCES):
- źródło udarowe opisane równaniem dwuwykładniczym (element o nazwie Surge Type 15):
- źródło udarowe opisane równaniem Heidlera (element o nazwie Heidler Type 15):
gdzie:
I – wartość szczytowa prądu,
η – współczynnik korekcyjny wartości szczytowej,
t – czas,
τ1 – stała czasowa czoła,
τ2 – stała czasowa grzbietu. - źródło udarowe zgodne z wytycznymi CIGRE (element o nazwie Cigre Type 15).
gdzie:
I – wartość szczytowa prądu,
α i β – współczynniki opisujące kształt udaru,
t – czas,
Wzór określający kształt czoła udaru dla czasu tStart≥t≥ tStop [4]:
gdzie:
oraz kształt zbocza opadającego dla czasu t≥tn+tStart [4]:
gdzie:
Parametry źródła Surge Type 15 (rys. 10.) [2]:
Amp – amplituda udaru, w [A] lub [V],
A – współczynnik definiujący zbocze opadające, w [1/s],
B – współczynnik definiujący zbocze narastające, w [1/s],
Tsta – chwila czasowa, w której udar ma być wygenerowany, w [s],
Tsto – chwila czasowa, w której udar ma przestać być wygenerowany, w [s].
Parametry źródła Heidler Type 15 (rys. 11.) [2]:
Amp – współczynnik określający wartość udaru zgodnie z równaniem Seidlera opisującym udar (UWAGA! Nie odpowiada on wartości szczytowej!), w [A] lub [V],
T_f – czas czoła udaru (liczony między chwilą czasową t=0 a wartością szczytową udaru), w [s],
tau – czas trwania udaru (liczony między chwilą czasową t=0 a chwilą, gdyspadnie on do 37 % wartości szczytowej udaru), w [s],
n – współczynnik opisujący szybkość narastania udaru (UWAGA! Zwiększenie parametru n daje możliwość skrócenia kroku obliczeń),
Tsta – chwila czasowa, w której udar ma być wygenerowany, w [s],
Tsto – chwila czasowa, w której udar ma przestać być wygenerowany, w [s].
Parametry źródła CIGRE Type 15 [2]:
Amp – amplituda funkcji opisującej udar, w [A] lub [V],
tf – czas czoła, w [s],
th – czas do półszczytu, w [s],
Smax – maksymalna szybkość narastania udaru, w [A] lub [V/s],
Tsta – chwila czasowa, w której udar ma być wygenerowany, w [s],
Tsto – chwila czasowa, w której udar ma przestać być wygenerowany, w [s].
Praktyczny przykład
W analizowanym wycinku systemu elektroenergetycznego do stacji SN/nn dochodzi napowietrzna linia średniego napięcia, a poszczególni odbiorcy są zasilani z podziemnych linii kablowych (rys. 12.). Stacja SN/nn pracuje z punktem neutralnym izolowanym po stronie średniego napięcia i uziemionym po stronie niskonapięciowej (układ połączeń uzwojeń transformatora – Dyn). Przyjęto następujące założenia:
- rezystancyjne obciążenie transformatora po stronie nn (układ rezystorów o wartości 5 Ω połączonych w gwiazdę),
- wewnątrz obiektu budowlanego instalacja elektryczna wykonana jest w systemie TN-C-S,
- rezystancja uziomu stacji SN/nn w warunkach dynamicznych wynosi 2 Ω,
- rezystancja dynamiczna uziomu otokowego obiektu budowlanego wynosi 10 Ω,
- wartość impedancji falowej pojedynczego przewodu linii napowietrznej SN przyjęto równą 400 Ω.
W programie zamodelowano rozważany układ stacji SN/nn 15/0,4 kV wraz z instalacją elektryczną po stronie SN i nn. W prowadzonej analizie teoretycznej wykorzystano modele:
- rzeczywistego transformatora typu TNOSCF 1000/15 PN w układzie połączeń Dyn5 o mocy znamionowej 1000 kVA (element HYBRID TRANSFORMER – patrz poprzednie części kursu),
- typowych ograniczników przepięć w stosowanych liniach SN (elementy MOV),
- urządzeń do ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym (elementy MOV).
Użytkownik w tym momencie powinien już potrafić samodzielnie stworzyć schemat zgodnie z podanym schematem na rys. 13. i o zadanych parametrach elementów zamieszczonych w tab. 3. Na schemacie zastosowano dotychczas nieomawiane uproszczenie. Polega ono na niestosowaniu elementu o nazwie SPLITTER (3 phase) (rys. 14.).
Uproszczony sposób tworzenia bezpośredniego połączenia przewodu 3-fazowego z 1-fazowym jest następujący:
Krok 1.: doprowadzamy przewód 3-fazowy w pobliże przewodu 1-fazowego (rys. 15.).
Krok 2.: łączymy 2 elementy zaczynając od 1-fazowego w kierunku do 3-fazowego.
Krok 3.: w oknie EDIT CONNECTION wybieramy, do której fazy przewodu 3-fazowego chcemy wykonać połączenie, i tak, na przykład łącząc go z fazą A wybieramy Phase index=1-A (rys. 16.). Parametr Phases pozostawiamy bez zmian.
Krok 4.: akceptujemy wybór.
Krok 5.: ewentualnych zmian można dokonać ponownie zmieniając parametry EDIT CONNECTION – wywołanie okna otrzymujemy po dwukrotnym naciśnięciu wskazanego połączenia lewym klawiszem myszy.
Symulując występujące zagrożenie piorunowe wprowadzano prądy udarowe do pojedynczego przewodu fazy A. Do obliczeń wybrano prąd o wartości szczytowej 10 kA i kształcie 10/350 μs – odpowiadający zagrożeniu stwarzanemu przez prąd piorunowy pierwszego wyładowania w kanale. Wybrane wyniki obliczeń przedstawiono na rys. 17., rys. 18., rys. 19. i rys. 20.
Podsumowanie
Stany nieustalone w systemie elektroenergetycznym powstają przy nagłych zmianach konfiguracji układu lub napięcia zasilającego. Ich źródłem mogą być:
- operacje załączenia lub wyłączenia nieobciążonych linii lub baterii kondensatorów,
- operacje związane z nagłymi zmianami obciążenia,
- różnego rodzaju zwarcia,
- zjawiska występujące po zadziałaniu układów lub elementów służących do ograniczania przepięć, np. iskierników,
- wyładowania atmosferyczne (zostaną opisane szczegółowo w kolejnych częściach kursu).
Pakiet ATP umożliwia obliczanie napięć i prądów w zadanej przez użytkownika sieci dla każdego z wymienionych wyżej źródeł zaburzeń.
W obiekcie niewymagającym ochrony przed bezpośrednim uderzeniem pioruna (obiekt bez urządzenia piorunochronnego) największe zagrożenie wystąpi podczas bezpośredniego uderzenia pioruna w przewody napowietrznych linii niskiego (przy zasilaniu podstacji z linii napowietrznych średniego napięcia) lub średniego napięcia (przy zasilaniu obiektu linią kablową niskiego napięcia), co również może być przedmiotem analizy w ATP.
Literatura
- ElectroMagnetic Transients Program (EMTP) Rule Book, http://www.eeug.org
- User Guide to Models in ATP http://www.eeug.org
- A. Sowa, Kompleksowa ochrona odgromowa i przepięciowa, COSiW SEP, Warszawa 2005.
- Guide to procedures for estimating the lightning performance of transmission lines, Working Group 01 (Lightning) of Study Committee 33 (Overvoltages and Insulation Co-ordination), October 1991, CIGRÉ.
- PN-IEC 61312-1:2001 Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Zasady ogólne.
