Predavanje 16

Uzemljenje neutralne tačke

Distributivne i industrijske mreže, TF Čačak

Drugačiji naziv je uzemljenje zvezdišta.

Ova problematika je tesno povezana sa proračunima struja kratkih spojeva.

Način uzemljenja neutralne tačke utiče na uslove rada u mreži, vrstu i cenu ugrađene opreme, izbor zaštite i automatike.

Mreže najviših napona (reda 110 kV i više)

Investicije najviše zavise od stupnja izolacije koji treba da ima ugrađena oprema. Stupanj izolacije zavisi od prenapona koji se javljaju u mreži. Ove mreže su petljaste i višestruko napajane. Zbog toga se po pravilu može obezbediti napajanje potrošačkih transformatora pri isključenju elemenata sa spojem. Pošto su potrošači najčešće udaljeni od postrojenja najviših napona, velike struje kvara ne stvaraju teškoće. Zato su mreže najviših napona direktno uzemljene, čime se maksimalno ograničavaju naponi faza i neutralne tačke.

Mreže srednjih napona

Uslovi uzemljenja su znatno složeniji. Postoji više činilaca podjednake važnosti. Znatno je važnije ograničiti struje zemljospoja. Zato je to izuzetno važno pitanje u distributivnim mrežama.

Sa gledišta tretmana zvezdišta (neutralne tačke) bitni su nesimetrični režimi rada, koji mogu biti u normalnim radnim stanjima i u poremećenim stanjima sistema (kratki spojevi i prekidi provodnika).

Drugi tip uzemljenja u elektroenergetskim sistemima (EES-ima) je uzemljenje metalnih delova koji normalno nisu pod naponom, a u akcidentnim situacijama mogu doći pod napon. Razlog je bezbednost ljudi i zaštita opreme.

Razlikuju se četiri tipa uzemljenja zvezdišta:

Direktno uzemljenje
Uzemljenje preko impedanse (čista otpornost ili čista induktivnost)
Uzemljenje preko rezonantne (Petersenove) prigušnice
Izolovano zvezdište

Koji su razlozi uzemljenja zvezdišta?

U slučaju nesimetričnih kvarova u sistemu na impedansu kvara (ulazna impedansa gledana otočno sa mesta kvara) presudan uticaj ima način uzemljenja zvezdišta. Naime, kod proračuna nesimetričnog kvara (zemljospoja) najveći problem je nulta komponenta. Ona ima uticaja kod jednopolnog zemljospoja, a takvih kvarova je više od 70 % u EES-u.

Trofazni generator je izvor simetrije u sistemu. Izvor nesimetrije u sistemu je mesto kvara. Na mestu kvara generišu se nulti i inverzni sistem.

Dakle, može se zaključiti da različiti načini uzemljenja direktno određuju nivo struje kratkog spoja.

Mreže sa izolovanim zvezdištem

Kod ovih sistema nastankom jednopolnog kratkog spoja naponi zdravih faza postaju linijski naponi.

Pošto su struje kod jednopolnog kratkog spoja (zemljospoja) male, on može da traje nekoliko sati.

Za analizu će se posmatrati jedan tipičan slučaj. To je pretpostavka da je na nekom radijalnom distributivnom vodu došlo do jednofaznog zemljospoja.

Transformator sa izolovanim zvezdištem napaja trofazni vod sa fazama a, b i c; faza a je spojena sa zemljom između delova voda 2 (prema transformatoru) i 1 (prema kraju voda), a u zemlju teče struja I_z.

U opštem slučaju struja jednofaznog zemljospoja se određuje iz izraza:

\ph{I}_z = \frac{3\ph{V}_{ar}}{\ph{Z}^d + \ph{Z}^i + \ph{Z}^0} = \frac{3\ph{V}_{ar}}{2\ph{Z}^d + \ph{Z}^0},

gde je $\ph{V}_{ar}$ radni napon faze a u trenutku nastanka kvara.

Zamenska šema direktnog redosleda ovog sistema je:

Zamenska šema direktnog redosleda: reaktansa jX, otočne grane 1/G2 i 1/jωC2 čitave mreže do mesta kvara, impedansa Z2, mesto kvara sa kog se vidi Z^d, impedansa Z1 koja teži nuli i otočne grane 1/jωC1 i 1/G1 dela od mesta kvara do potrošača.

Na prethodnoj slici su:

$\mathrm{j}X$ – reaktansa transformatora i napojne mreže;
$\ph{Z}_2$ – impedansa voda u kvaru od mesta kvara do napojnog transformatora;
$\ph{Z}_1$ – impedansa voda u kvaru od mesta kvara do kraja sa potrošačima (može se zanemariti, pošto je vezana na red sa velikom impedansom).

Pošto je:

\begin{gathered} X \ll \frac{1}{\left|G_2 + \mathrm{j}\omega C_2\right|}; \\ \ph{Z}_1 \ll \frac{1}{\left|G_1 + \mathrm{j}\omega C_1\right|}; \\ \left|\mathrm{j}X + \ph{Z}_2\right| \ll \frac{1}{\left|G_1 + \mathrm{j}\omega C_1\right|}. \end{gathered}

Onda je:

\boxed{\ph{Z}^d = \mathrm{j}X + \ph{Z}_2}.

Zamenska šema nultog redosleda ovog sistema je:

Zamenska šema nultog redosleda mreže sa izolovanim zvezdištem: na strani transformatora prekid (beskonačna impedansa), otočne grane 1/G2^0 i 1/jωC2^0, impedansa Z2^0, mesto kvara sa kog se vidi Z^0 i otočne grane 1/jωC1^0 i 1/G1^0.

Pošto je:

\ph{Z}_2^0 \ll \frac{1}{\left|G_2 + \mathrm{j}\omega C_2\right|},

onda je:

\boxed{\ph{Z}^0 = \frac{1}{(G_2^0 + G_1^0) + \mathrm{j}\omega(C_2^0 + C_1^0)} = \frac{1}{G^0 + \mathrm{j}\omega C^0}},

gde su $G^0$ i $C^0$ ukupna odvodnost i kapacitivnost mreže.

Po pravilu je:

\boxed{\frac{\ph{Z}^d}{\ph{Z}^0} = \left|G^0 + \mathrm{j}\omega C^0\right|\left|\mathrm{j}X + \ph{Z}_2\right| \ll 1}.

To znači da je:

\ph{I}_z = \frac{3\ph{V}_{ar}}{2\ph{Z}^d + \ph{Z}^0} = \frac{3\ph{V}_{ar}}{\ph{Z}^0\left(\dfrac{2\ph{Z}^d}{\ph{Z}^0} + 1\right)} = \frac{3\ph{V}_{ar}}{\ph{Z}^0}.

Dakle, može se zaključiti da u slučaju zemljospoja u distributivnoj mreži, prenosna mreža nema velikog uticaja na struju kvara, već samo distributivna, i to samo otočni elementi, odnosno nulta impedansa.

To znači da je:

\ph{I}_z = I_G + \mathrm{j}I_C = 3G^0\ph{V}_{ar} + \mathrm{j}3\omega C^0\ph{V}_{ar}.

Aktivna komponenta struje zemljospoja ( $I_G$ ) obično nije veća od 4 do 8 % kapacitivne komponente ( $I_C$ ).

To znači da je za $\ph{V}_{ar} = V_n$ :

I_C = 3\omega C^0 V_n.

Kod homogenih mreža (istog poprečnog preseka) može se pisati:

I_C = 3\omega c^0 V_n \sum l,

gde je $\sum l$ ukupna dužina vodova.

Ako se za kablovske vodove usvoji u proseku:

\omega c^0 = 80 \cdot 10^{-6}\ \frac{\text{S}}{\text{km}},

a za vazdušne vodove:

\omega c^0 = 1{,}6 \cdot 10^{-6}\ \frac{\text{S}}{\text{km}},

onda je za kablovske vodove:

\boxed{I_C = \frac{1}{7}V_n\ [\text{kV}]\sum l\ [\text{km}] \qquad [\text{A}]},

a za vazdušne vodove:

\boxed{I_C = \frac{1}{350}V_n\ [\text{kV}]\sum l\ [\text{km}] \qquad [\text{A}]}.

Ove relacije mogu vrlo lepo poslužiti za orijentacione proračune. Može se zaključiti da su za male dužine mreža male i struje zemljospoja. Sa povećanjem mreže rastu i struje zemljospoja.

Međutim, za analizu uzemljenja vrlo su važni i naponi.

Kod jednofaznog zemljospoja u trenutku kvara ispravne faze dolaze na međufazni napon, odnosno dobijaju za $\sqrt{3}$ veću vrednost nego pre kvara.

Jedno od osnovnih svojstava izolovane neutralne tačke jeste da se jednofazni zemljospojevi zbog malih struja ne moraju isključivati automatski, nego posle isteka vremena potrebnog za nalaženje mesta kvara i njegovo izdvajanje. Time se omogućava samogašenje prolaznih zemljospojeva. Njih je najviše, naročito kod vazdušnih mreža izloženih atmosferskim pražnjenjima.

Generalno postoje dve vrste prolaznih zemljospojeva:

Zemljospojevi zbog prolaznih uzroka, posle čijeg delovanja nema oštećenja izolacije (mnogi zemljospojevi usled atmosferskih pražnjenja, ptica, grana drveća, preskoka usled zaprljanosti izolatora i drugi).
Zemljospojevi usled delimičnog narušavanja mreže, koji posle prolaska uzroka ostavljaju oštećenu izolaciju. To su kvarovi na uljnoj izolaciji usled vlage, fabričkih grešaka i loše montaže. Ovo su zemljospojevi “lažno prolaznog” karaktera. Samogašenje ovih zemljospojeva obezbeđuje privremeno normalan pogon električne mreže. Međutim, moraju se vršiti profilaktička ispitivanja izolacije.

Jedno od vrlo važnih pitanja je koje su to granične struje samogašenja zemljospojeva?

Da li će doći do samogašenja zemljospoja zavisi od više uzroka: brzina i pravac vetra, vlažnost vazduha, atmosferski uticaji i slično. Međutim, to su statističke promenljive.

Međutim, pored ovih postoje i neki drugi faktori koji utiču na samogašenje:

Vrednost struje zemljospoja
Nazivni napon mreže
Način uzemljenja neutralne tačke

U našim mrežama se pretpostavlja da se pri strujama $I_C \approx 20\ \text{A}$ za kablovsku, odnosno $I_C \approx 15\ \text{A}$ za mešovitu mrežu mora preći sa izolovane neutralne tačke na neki drugi način uzemljenja. Nadzemne mreže praktično nikada nisu kritične.

Ako je struja zemljospoja veća od struje samogašenja dolazi do uspostavljanja intermitentnog zemljospoja, koji znači da dolazi do uzastopnih paljenja i gašenja električnog luka na mestu kvara. To može izazvati velike prenapone na ispravnim fazama, kao i na fazi u kvaru.

Znači, ako se pređu ove struje verovatnoća samogašenja se znatno smanjuje.

U izolovanim mrežama zemljospoj se ne mora automatski isključivati ako kapacitivna struja zemljospoja ne prelazi 10 A, ali se i tada mora imati signalizacija zemljospoja. Ovakvo stanje ne sme da traje duže od 2 sata.

Ako kapacitivna struja zemljospoja prelazi 10 A primenjuje se usmerena homopolarna zemljospojna zaštita, čije se vreme delovanja podešava u opsegu 0,5 do 3 s.

Uzemljenje preko male impedanse

Ovim rešenjem se ograničavaju prelazni prenaponi.

Zbog velikih struja ima se stabilan luk, čime se olakšava nalaženje kvara i pojednostavljuje zaštita.

Negativni efekti ovog rešenja su:

Zbog povećanih struja kvara otežani su uslovi uzemljenja.
Ima se veći uticaj na telekomunikacione vodove.
Uzemljenje može biti izvedeno preko otpornika (metalnog ili elektrolitskog), ili preko reaktanse.

Za analizu će se posmatrati napred analiziran tipičan slučaj.

Isti radijalni vod sa zemljospojem faze a između delova 2 i 1, sa strujom I_z, ali je zvezdište transformatora uzemljeno preko impedanse Z_N.

Impedansa direktnog redosleda je ista kao i u slučaju mreže sa izolovanim zvezdištem (način uzemljenja zvezdišta ne utiče na direktni redosled):

\boxed{\ph{Z}^d = \mathrm{j}X + \ph{Z}_2}.

Zamenska šema nultog redosleda ovog sistema je:

Zamenska šema nultog redosleda sa zvezdištem uzemljenim preko impedanse: 3Z_N na početku, pa reaktansa jX^0, otočne grane 1/G2^0 i 1/jωC2^0, impedansa Z2^0, mesto kvara sa kog se vidi Z^0 i otočne grane 1/jωC1^0 i 1/G1^0.

Pošto je:

\ph{Z}_2^0 \ll \frac{1}{\left|G_2 + \mathrm{j}\omega C_2\right|},

onda je:

\boxed{\ph{Z}^0 \approx 3\ph{Z}_N + \ph{Z}_2^0 + \mathrm{j}X^0}.

Sada je struja kvara:

\boxed{\ph{I}_z = \frac{3\ph{V}_{ar}}{2\ph{Z}^d + \ph{Z}^0} = \frac{3\ph{V}_{ar}}{3\ph{Z}_N + \mathrm{j}(2X + X^0) + 2\ph{Z}_2 + \ph{Z}_2^0}}.

Kod direktno uzemljenih mreža je $\ph{Z}_N = 0$ .

Ovde se neće vršiti detaljna analiza napona kvara, pošto se dobijaju komplikovaniji izrazi.

U slučaju uzemljenja neutralne tačke kod namotaja spregnutog u trougao formira se “veštačka neutralna tačka”. To se radi pomoću jednonamotajnog transformatora za uzemljenje sprege Zn (slomljena zvezda) sa izvedenom neutralnom tačkom. Nulta impedansa ovog transformatora je mala, tako da se vezivanjem otpornika za uzemljenje struja zemljospoja ograniči na 300 A.

Za uzemljenje zvezdišta preko male impedanse važe sledeći zaključci:

Oblast primene uzemljenja preko male impedanse (kod nas uglavnom otpornika) nema tehničkih granica. Jedino ograničenje može biti dimenzija otpornika.
Maksimalan faktor prenapona zavisi od usvojene impedanse za uzemljenje i karakterističnih parametara mreže. Praktično može biti od 1,8 do 2,5 (u prelaznom procesu), a u stacionarnom stanju oko 1,8 (za uzemljenje neutralne tačke preko otpornika) ili 1,73 (za uzemljenje neutralne tačke preko reaktanse).
Oštećenja na mestu zemljospoja su veća nego kod izolovanih mreža, ali se izborom struje kvara mogu smanjiti.
Ovako se isključuju svi zemljospojevi (i trajni i prolazni), što je nepovoljno za prolazne zemljospojeve. Međutim, time je sprečena mogućnost prelaska u dvostruke zemljospojeve.
Zbog velikih struja kvara mogući su uticaji na telekomunikacione vodove.
Gradnja, pogon i održavanje mreža su jednostavni.
Kod nas se struje zemljospoja ograničavaju otpornikom na vrednost 300 A (u nekim zemljama na 1000 A).

Direktno uzemljeno zvezdište

Kod ovog načina uzemljenja neutralna tačka jednog ili više transformatora je direktno vezana na uzemljivač. Ovaj način se koristi kod najviših napona: 110 kV, 220 kV i 400 kV. U ovom slučaju struje zemljospoja su vrlo velike (nekoliko kA do nekoliko desetina kA). Naponi za vreme kvara nisu visoki, tako da su naponska naprezanja minimalna.

Direktno se uzemljuje onoliko transformatora da bi se obezbedili uslovi efikasnog uzemljenja neutralne tačke, dati preko izraza:

\frac{X^0}{X^d} \le 3; \quad \frac{R^0}{X^d} \le 1.

Mreže sa kompenzacijom struje zemljospoja

Kada se verovatnoća samogašenja zemljospojeva kod izolovane neutralne tačke smanji, mora se preći na neki od načina uzemljenja neutralne tačke.

Kod ovog načina to se radi na taj način što se na pretežno kapacitivnu struju zemljospoja superponira induktivna struja od prigušnice vezane u neutralnu tačku. Ovaj postupak se naziva kompenzacija struje zemljospoja.

Impedansa direktnog redosleda je ista kao u prethodna dva slučaja.

Zamenska šema nultog redosleda ovog sistema je:

Zamenska šema nultog redosleda sa kompenzacijom: prigušnica 3jX_P na početku, pa reaktansa jX^0, otočne grane 1/G2^0 i 1/jωC2^0, impedansa Z2^0, mesto kvara sa kog se vidi Z^0 i otočne grane 1/jωC1^0 i 1/G1^0.

Pošto je:

\begin{gathered} \ph{Z}_2^0 \ll \frac{1}{\left|\dfrac{1}{3\mathrm{j}X_P + \mathrm{j}X^0} + G_1 + \mathrm{j}\omega C_1\right|}; \\ X^0 \ll 3X_P, \end{gathered}

onda je na sličan način kao kod izolovanog zvezdišta, ili zvezdišta uzemljenog preko male impedanse:

\boxed{\ph{Z}^0 = \frac{1}{G^0 + \mathrm{j}\omega C^0 + \dfrac{1}{3\mathrm{j}X_P}}}.

Pošto je:

\frac{\ph{Z}^d}{\ph{Z}^0} \ll 1,

struja zemljospoja je:

\ph{I}_z = \frac{3\ph{V}_{ar}}{2\ph{Z}^d + \ph{Z}^0} \approx \frac{3\ph{V}_{ar}}{\ph{Z}^0} = \ph{V}_{ar}\left[3(G^0 + \mathrm{j}\omega C^0) + \frac{1}{\mathrm{j}X_P}\right];

\boxed{\ph{I}_z = 3G^0\ph{V}_{ar} + \mathrm{j}\left(3\omega C^0 - \frac{1}{X_P}\right)\ph{V}_{ar}}.

U pogledu uzemljenja kompenzacijom struje zemljospoja mogu se izvesti sledeći zaključci:

Tehničke granice primenljivosti pojedinih rešenja su određene uslovima samogašenja struje zemljospoja na mestu kvara, pošto se kompenzacijom samo kompenzuje kapacitivna komponenta struje zemljospoja.
Faktori prenapona su isti kao kod izolovanih mreža.
U pogledu oštećenja na mestu kvara i uticaja na telekomunikacione vodove situacija je ista kao kod izolovanih mreža.
Pogon mreže je složen, zbog potrebe prepodešavanja prigušnice, zavisno od radnog stanja.
Može se obezbediti stalnost isporuke električne energije, kao kod izolovanih mreža.
Investicioni troškovi veći nego kod izolovanih mreža, pošto je potrebna ugradnja prigušnice i automatike za njenu regulaciju.
Njihova primena dolazi do izražaja kod prostranih vazdušnih mreža sa velikim brojem prolaznih zemljospojeva.

Teme

Uzemljenje · Kratki spojevi · Distributivne mreže

Predavanje u PDF-u, na Drive-u

Folder predmeta Distributivne i industrijske mrežeNa Drive-u: Predavanja