Ograniczniki przepięć SN i WN. Charakterystyka i wymagania dotyczące ograniczników przepięć

Ograniczniki przepięć stosuje się do ochrony układów izolacyjnych, które powinny być tak zaprojektowane i zbudowane, aby wytrzymywały określony poziom przepięć. Jego przekroczenie może prowadzić do poważnych skutków, mających wpływ na pracę całego systemu elektroenergetycznego.

Artykuł ukazał się w publikacji „Sektor Elektroenergetyczny” 2017
Zobacz e-wydanie

Przepięcia w instalacjach - czym są i jak powstają?

Przepięcia są specyficznymi zaburzeniami elektromagnetycznymi, powstającymi wskutek niekontrolowanych zjawisk w atmosferze ziemskiej (przede wszystkim wyładowań atmosferycznych) i rozmaitych stanów nieustalonych występujących w sieciach elektroenergetycznych. Z punktu widzenia elektroenergetyki przepięcie stanowi każdy wzrost napięcia ponad umowny poziom odniesienia, którym w sieci trójfazowej jest wartość szczytowa najwyższego doziemnego napięcia roboczego Ö2U_m/Ö3 (dla przepięć doziemnych) lub międzyprzewodowego Ö2U_m (dla przepięć międzyfazowych).
Wartości szczytowe (amplitudy) przepięć wyraża się najczęściej jako względne, stosując umowne oznaczenie p.u. (z ang. per unit – na jednostkę), czyli w postaci tzw. współczynnika przepięć, będącego stosunkiem bezwzględnej wartości szczytowej przepięcia U_pmax do poziomu odniesienia, tj. wartości szczytowej najwyższego napięcia roboczego.

Patrz też: Jak dobierać ograniczniki przepięć? Co jest ważne przy ich instalacji?

Źródła przepięć w instalacjach

Rozróżnia się dwa podstawowe źródła przepięć:

1. elektryczność burzowa - źródła przepięć nazywane zewnętrznymi lub piorunowymi. W miejscu uderzenia pioruna przepięcia bezpośrednie piorunowe mogą osiągać znaczne wartości szczytowe oraz stromości narastania przebiegu. Następnie przenoszone są z dużą prędkością wzdłuż przewodów sieci i choć mają bardzo krótkie czasy trwania (do kilkuset mikrosekund), to stanowią zagrożenie dla linii i stacji elektroenergetycznych mimo stosowania odpowiednich środków ochrony odgromowej. Rozróżnia się również przepięcia piorunowe indukowane. Są one znacznie mniejsze – ich wartości szczytowe rzadko przekraczają 500 kV, a stromości czoła 10 kV/ms, jednak zagrażają układom izolacyjnym w napowietrznych liniach rozdzielczych niskiego i średniego napięcia.

2. stany nieustalone w układach sieciowych - przepięcia związane ze stanami nieustalonymi w systemie elektroenergetycznym nazywane są wewnętrznymi. Ich wartości szczytowe nie przekraczają na ogół 3,5–4 p.u., ale czasy trwania mieszczą się w bardzo szerokim przedziale – od kilku mikrosekund do kilkudziesięciu godzin. Można je podzielić na dwie grupy:

• przepięcia łączeniowe szybkozmienne (manewrowe i awaryjne) – wywołane nagłymi zmianami konfiguracji sieci, mające charakter silnie tłumionych szybkozmiennych przebiegów wyrównawczych mo czasach trwania mieszczących się najczęściej w przedziale od 10 ms do 0,01 s,
• przepięcia dorywcze wolnozmienne – rozważane na ogół odrębnie jako:

– ziemnozwarciowe – o częstotliwości zbliżonej do znamionowej, trwające od kilku do kilkudziesięciu godzin,
– dynamiczne – o czasach trwania od dziesiątych części sekundy do kilkunastu sekund (np. nagłe i duże mzmiany obciążenia, pojemnościowe wzrosty napięcia na końcu nieobciążonych długich linii, zakłócenia symetrii napięć sieci podczas niezanikających samoczynnie jedno- lub dwufazowych zwarć z ziemią),
– rezonansowe (ferrorezonansowe) – występujące niekiedy w sieciach średnich napięć o izolowanym punkcie neutralnym, zazwyczaj w wyniku pewnych operacji łączeniowych lub zwarć niesymetrycznych.

Patrz też: Rozdzielnice SN. Rodzaje rozdzielnic średniego napięcia, charakterystyka techniczna

Funkcje ograniczników przepięć

Stosowanie ograniczników przepięć wynika z konieczności ochrony układów izolacyjnych, które powinny być tak zaprojektowane i zbudowane, maby wytrzymywały określony poziom przepięć. Jego przekroczenie może prowadzić do poważnych skutków, mających wpływ na pracę całego systemu elektroenergetycznego. O ile w liniach napowietrznych przepięcia o wartościach przewyższających poziom odporności układów izolacyjnych powodują na ogół przeskoki w powietrzu lub po powierzchni izolacji (skutecznie likwidowane przez automatykę SPZ), to w układach izolacji bezpowietrznej (np. linii kablowych transformatorów czy aparatury stacyjnej) mogą doprowadzić do przebicia izolacji czy nieodwracalnych zmian w ich strukturze, które uniemożliwiają pracę danego urządzenia. Powoduje to niejednokrotnie konieczność przeprowadzania bardzo kosztownych napraw.

Podstawowym zadaniem ogranicznika przepięć jest zatem zmniejszenie wartości szczytowej przepięcia do poziomu bezpiecznego dla układu izolacyjnego w chronionym elemencie sieci lub urządzeniu. Nie jest on jednak w stanie zniwelować wszystkich rodzajów przepięć. Ich działanie ogranicza się głównie do przypadków występowania przepięć piorunowych oraz szybkozmiennych i silnie tłumionych (stąd krótkotrwałych) przepięć łączeniowych. W przypadku przepięć wewnętrznych długotrwałych w ograniczniku mogłoby wydzielić się zbyt dużo energii powodującej wzrost temperatury, a tym samym jego uszkodzenie. Stąd działanie ogranicznika powinno rozpoczynać się dopiero w chwili wystąpienia wartości napięć wyższych niż spodziewane poziomy przepięć długotrwałych.

Ograniczniki przepięć SN i WN - wymagania prawne odnośnie stosowania

W systemie elektroenergetycznym powinny być ograniczane zarówno przyczyny powstawania przepięć, jak i skutki, jakie wywołują. Natomiast ograniczniki nie likwidują przyczyn, a jedynie ograniczają skutki (obniżają wartości szczytowe przepięć). W myśl Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego, ograniczniki przepięć powinny być zaliczone do urządzeń współpracujących z elektroenergetyczną automatyką zabezpieczeniową. Przepisy wymagają, aby zakłócenia, w tym niebezpieczny wzrost napięcia, były samoczynnie i selektywnie likwidowane. Rozporządzenie wskazuje również, że szczegółowe wymagania techniczne i zalecenia dla urządzeń współpracujących z elektroenergetyczną automatyką zabezpieczeniową określane są w instrukcjach opracowywanych przez operatorów systemu dystrybucyjnego lub przesyłowego.
O urządzeniach ochrony przeciwprzepięciowej mówi również Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dn. 12 kwietnia 2002 r. (z późn. zm.) w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Dokument ten dotyczy głównie instalacji niskiego napięcia, ale przywołuje także normę odnoszącą się do instalacji elektroenergetycznych prądu przemiennego o napięciu wyższym od 1 kV.

Szczegółowe wymagania odnośnie ograniczników przepięć definiuje norma PN-EN 60099. Poszczególne jej części dotyczą m.in. wymaganych badań, doboru, lokalizacji oraz diagnostyki urządzeń zarówno iskiernikowych, jak i beziskiernikowych. Przy korzystaniu z tej normy należy równocześnie sprawdzać, czy odpowiednie instrukcje operatorów systemów dystrybucyjnego i przesyłowego nie stawiają ostrzejszych warunków odnośnie doboru lub lokalizacji ograniczników.

Ograniczniki przepięć SN i WN - charakterystyka

Najprostszymi i najtańszymi, ale jednocześnie najbardziej zawodnymi ogranicznikami przepięć są iskierniki ochronne. Mają one szereg wad i obecnie mogą być z powodzeniem zastąpione innymi, znacznie skuteczniejszymi rozwiązaniami. Do urządzeń nierozwojowych należą odgromniki wydmuchowe, które mają niezbyt korzystne właściwości zapłonowe i ochronne. Ich parametry techniczne pogarszają się podczas eksploatacji, a zdolności gaszeniowe są uwarunkowane prądem następczym uzależnionym od prądu zwarcia doziemnego sieci w miejscu jego zainstalowania.
Warystorowe ograniczniki przepięć – zwane również niekiedy odgromnikami zaworowymi – są wyposażone w warystory. Dzięki nim urządzenia te wykazują właściwość „zaworową”, bardzo pożądaną w technice ochrony przed przepięciami. Szybko i znacząco zmniejszają swoją rezystancję przy przepływie dużego prądu udarowego („zawór” jest otwarty), a po zaniku wyładowania, przy przepływie prądu następczego, odbudowują ją do wartości rzędu megaomów („zawór” jest zamknięty, ewentualnie płynie niewielki prąd).

Obecnie wyraźnie wyróżnia się dwie kategorie warystorowych ograniczników przepięć:

• iskiernikowe – zwane tradycyjnie odgromnikami zaworowymi, wyposażone w warystory wykonane z węglika krzemu (SiC) oraz iskierniki wieloprzerwowe,
• beziskiernikowe – z warystorami z tlenków metali (głównie ZnO).

Należy podkreślić, że odgromniki zaworowe cechuje wprawdzie znacznie większa zdolność gaszenia łuku i stabilność zapłonu niż wydmuchowe, ale nie są to rozwiązania konstrukcyjnie rozwojowe.
Pozostaną jednak w sieci aż do ich wycofania z eksploatacji, a na ich miejsce wprowadzone zostaną beziskiernikowe ograniczniki przepięć. Są one najnowszą i ciągle udoskonalaną generacją urządzeń wyposażonych w warystory z tlenków metali (na bazie tlenku cynku). Ciągłe utrzymywanie w nich napięcia jest możliwe dzięki ich silnie nieliniowej charakterystyce napięciowo-prądowej.

Podstawowy człon ogranicznika beziskiernikowego zawiera co najmniej jedną (zależnie od obciążenia) kolumnę warystorów w szczelnej obudowie porcelanowej lub kompozytowej. Obecnie obudowy wykonuje się najczęściej z kompozytów w postaci elementów z włókien szklanych przesyconych żywicą epoksydową (odpowiedzialnych za właściwości mechaniczne) i elastomerów (kauczuków) silikonowych. Poza zaletami, takimi jak: mniejsza masa, hydrofobowość czy odporność na uderzenia, tego typu obudowy są bardziej bezpieczne dla personelu i sąsiednich urządzeń w stosunku do porcelanowych. W wyniku nadmiernego wzrostu ciśnienia wewnątrz (wynikającego z uszkodzenie warystorów lub zbyt dużej energii wydzielonej przy przepływie prądu wyładowczego) może wprawdzie dojść do ich uszkodzenia, ale nie będzie miało ono charakteru eksplozji.

Beziskiernikowe ograniczniki przepięć są urządzeniami bardzo prostymi, niezawodnymi, o mniejszej masie i wymiarach w porównaniu z odgromnikami iskiernikowymi, a ponadto wykazują dobre lub bardzo dobre właściwości ochronne:

• mają zdolność do pochłaniania znacznych energii, zapewniając jednoczesną ochronę układów izolacyjnych od większości rodzajów przepięć,
• wyróżniają je prawie idealne i ciągłe charakterystyki napięciowo-prądowe,
• nieustannie reagują na każdą zmianę napięcia na zaciskach urządzenia ochronnego,
• gwarantują płynne, chociaż gwałtowne, przejście od małych (upływ) do dużych prądów wyładowczych,
• charakteryzują się większą powtarzalnością i krótszym czasem zadziałania (kilkadziesiąt nanosekund) w porównaniu z ogranicznikami opartymi na warystorach SiC,
• umożliwiają równoległe łączenie warystorów, co zwiększa ich obciążalność prądową,
• przy napięciu roboczym płyną w nich prądy rzędu zaledwie kilku miliamperów.

Beziskiernikowe ograniczniki przepięć, w zależności od obudowy, mogą stanowić niezależne konstrukcje w wykonaniu napowietrznym lub wnętrzowym (przeznaczone do pracy bezpośrednio w oleju lub SF6). Szczególnie w USA popularne są rozwiązania ograniczników pozwalające na montaż i demontaż bez wyłączania napięcia, tzw. deadfront arresters. Oprócz urządzeń stacyjnych istnieją również liniowe ograniczniki przepięć, montowane bezpośrednio w liniach. W sieciach wysokonapięciowych wyróżnia się dwa typy takich urządzeń: z zewnętrzną przerwą izolacyjną (EGLA) oraz bez niej (NGLA). W zakresie napięć średnich istnieją z kolei konstrukcje pełniące jednocześnie rolę izolatorów odciągowych.

Artykuł ukazał się w publikacji „Sektor Elektroenergetyczny” 2017
Zobacz e-wydanie