POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

Zakłócenia elektromagnetyczne

Temat: zakłócenia w sieciach elektroenergetycznych

Studia: niestacjonarne

Prowadzący:

dr inż. Aleksander Gąsiorski

opracował:

Tomasz Dróżdż

CZĘSTOCHOWA 2011

Spis treści

Podział zakłóceń w sieciach elektroenergetycznych

Zakłócenie - jest to powstanie warunków zakłócających lub nawet uniemożliwiających normalną pracę układu elektroenergetycznego.

Zakłócenia można podzielić na:

• zaburzenie

• zagrożenia

Zaburzenia uniemożliwiają pracę systemu elektroenergetycznego lub jego elementów, powinny być eliminowane samoczynnie w odpowiednim, zwykle krótkim czasie.
Do najczęściej występujących zaburzeń należą zwarcia i praca niepełno fazowa.
W sieciach elektroenergetycznych mogą się również pojawić zaburzenia bardziej skomplikowane, np. zwarcie jednofazowe doziemne z jednoczesną przerwą w fazie doziemionej. Zaburzenie takie występuje, gdy zerwany przewód linii napowietrznej opadnie na ziemię lub zetknie się z uziemioną konstrukcją wsporczą. Do zaburzeń można zaliczyć również likwidujące się samorzutnie kołysania mocy.

Zagrożenia to takie zakłócenia przy których normalna praca systemy elektroenergetycznego lub jego elementów jest dopuszczona przez pewien okres czasu, przed upływem którego powinna być usunięta przyczyna powodująca zakłócenie. Zagrożenia powinny być sygnalizowane lub w przypadku nadmiernego ich przedłużania się również eliminowane jak w przypadku zaburzeń.

Najczęściej spotykanym zagrożeniem w pracy SEE lub któregokolwiek z jego elementów jest przeciążenie cieplne, które może być spowodowane przez nadmierny wzrost prądu płynącego w częściach wiodących prąd (np. uzwojeniach prądowych maszyn elektrycznych lub transformatorów, przewodów fazowych linii kablowych lub napowietrznych) lub przez pogorszenie warunków chłodzenia tych części.

Innym zagrożeniem w pracy SEE jest przeciążenie mocą czynną generatorów synchronicznych lub linii przesyłowych, spowodowane powstaniem deficytu mocy czynnej w systemie elektroenergetycznym lub jego części.

1. Zakłócenia w liniach energetycznych

Zakłócenia w liniach energetycznych stanowią nierozdzielną część badania kompatybilności elektromagnetycznej. Rodzaj zakłóceń w sieciach energetycznych jest szczególnie szeroki, wystarczy wymienić zakłócenia w sieci energetycznej generowane przez aparaturę coraz powszechniej wykorzystującą tzw. zasilacze impulsowe lub aparaty do diatermii.

W ogólności, zakłócenia w sieci można sklasyfikować następująco:

1.      napięcie sieci poza zakresem tolerancji

a)      przepięcia

b)      zaniki napięcia

2.      zakłócenia częstotliwości

3.      zakłócenia fazowe

4.      zmienna oporność sieci

Zakłócenia w sieci energetycznej mają swoje źródło zarówno w sprzęcie do niej podłączonym jak i "naturalne" jakim jest przyroda. W przypadku zakłóceń pochodzących od aparatury istotne są zakłócenia od zasilaczy impulsowych. Źle zaprojektowane lub wykonane zasilacze wprowadzają do sieci tzw. zakłócenia impulsowe.

 

 

Rys. 1. Przykładowy zapis wartości skutecznej w sieci w ciągu kilku dni

 

Napięcie w sieci nie charakteryzuje się parametrami jakich życzyłby sobie odbiorca, tzn. Stałą amplitudą i częstotliwością oraz zerowym przesunięciem fazowym. Przykład rejestracji wartość napięcia w sieci energetycznej pokazano na rysunku 1. Jak widać w przeciągu 6 dni zarejestrowano wiele epizodów o różnej intensywności, a tym samym możliwych skutkach. W większości przypadków były to incydenty zaniku sieci. W sieci mogą się pojawić także przepięcia, które nawet w sieci odpowiednio zabezpieczonej mogę być groźne w skutkach. Szczególnie przepięcia o bardzo dużej energii mogą uszkadzać transformatory lub całe zasilacze. Poprawnie zaprojektowany aparat powinien być odporny na zakłócenia w sieci. Każde poprawnie zaprojektowane urządzenie powinno pracować bez zakłóceń w zakresie przewidzianym przez odpowiednią normę. Przykładem może tutaj być zaleceń ANSI/IEEE dotyczące poprawnej pracy aparatury. Na rys. 2 pokazano rodzaj zakłóceń dopuszczalnych w sieci, przy których aparat powinien pracować poprawnie. Aparatura powinna pracować poprawnie dla zakłóceń mieszczących się w obszarze ograniczonym układem współrzędnych i dwiema krzywymi. Jak widać, akceptowalne zakłócenia o krótkim czasie trwania mogą wynosić kilkaset procent wartości nominalnej napięcia.

 

 

Rys. 2. Zakres dopuszczalnych zmian w sieci

 

Im zmiana ma krótszy czas trwania tym może być większa, niemniej napięcia w sieci nie mogą przekraczać 400% wartości nominalnej. Najdłuższy, dopuszczalny w sieci zanik napięcia wynosi 10 ms co jest równe połowie okresu. Jednakże wskazane jest aby projektujący urządzenia przewidział, w miarę możliwości, dłuższy czas zaniku napięcia. Aby osiągnąć odporność na zakłócenia impulsowe część sieciowa musi być rozbudowana o dodatkowe układy(jest to szczególnie istotne w przypadku aparatury medycznej wykorzystującej technikę mikroprocesorową). Podsumowując należy stwierdzić, że urządzenia elektroniczne pracujące w obszarze działania wyładowań atmosferycznych oraz przepięć pochodzących od innych urządzeń podlegają ciągłemu oddziaływaniu udarów o różnym kształcie i wartości. To ciągłe oddziaływanie może być przyczyną ich uszkodzenia lub przynajmniej niepoprawnej pracy. Stąd zaleca się stosowanie odpowiednich zabezpieczeń. Oprócz zabezpieczeń w samej aparaturze wskazane jest aby sieć zasilająca była wyposażona w odpowiednie zabezpieczenia. Przykładem takich rozwiązań może tu być podejście prezentowane przez firmę Siemens. Optymalnym zabezpieczeniem sprzętu o różnej odporności na przepięcia jest wydzielenie stref, w których są zdefiniowane maksymalne wartości dopuszczalne. Dzięki temu zabezpieczymy sprzęt i tym samym pacjentów oraz personel przed możliwymi skutkami uszkodzenia aparatury. Wg firm produkujących urządzenia zabezpieczające takich stref może być 6, począwszy od strefy 0 a na strefie 5 skończywszy. Idea takiego podziału przedstawiona jest na rys. 3. Strefa 0 to obszar w którym urządzenia narażone są na bezpośrednie wyładowania atmosferyczne. I tak przykładowo, w strefie tej zakłada się, że maksymalna wartość prądu może wynosić 100 kA i jest osiągana czasie do 10 s. Strefa 1 to obszar wewnątrz konstrukcji budowlanych, np. budynki mieszkalne i tutaj zakłada się, że impulsowe pole elektromagnetyczne pochodzące np. od wyładowań atmosferycznych jest znacznie tłumione przez przewodzące elementy konstrukcyjne budowli, które tworzą rodzaj ekranu. Należy jednak pamiętać, że ekran ten nie jest idealny (np. otwory okienne, budynki o konstrukcji drewnianej) i w budynku mogą występować obszary zaliczane do strefy 0. W strefie 1 umieszczone też są podstawowe elementy ochrony przepięciowej.

 

 

Rys. 3. Strefowy system ochrony odgromowej i przeciw przepięciowej

 

Przyjęta zasada w strefowym systemie ochronnym jest taka, że przy przejściu do kolejnej strefy umieszczone są kolejne elementy ochronne i zabezpieczające. Im wyższa strefa tym lepiej zabezpieczona przed zagrożeniami pochodzącymi od zakłóceń w sieci energetycznej.

            W przypadku placówek w których nie jest dopuszczalne zakłócenia, np. służby zdrowia należy zabezpieczyć sieć nie tylko przed przepięciami ale także przed możliwością zaniku napięcia. W tym celu przewidziane są układy krótkotrwałego podtrzymania sieci jak i generatory pozwalające dostarczać energię elektryczną przez dłuższe okresy. Obydwa typy podtrzymywania powinny być ze sobą zsynchronizowane podczas czasu rozruchu generatora, aż do osiągnięcia przez niego nominalnych parametrów.

2. Zwarcia przyczyny i skutki

W SEE jednym z najczęściej występujących stanów zakłóceniowych są zwarcia.

Zwarciem nazywa się połączenie dwu lub więcej punktów systemu elektroenergetycznego nieprzewidziane w normalnym stanie pracy, przy czym napięcia zwieranych punktów
w stanie normalnym maja różne wartości. Za punkt systemu uważa się również ziemie.

Połączenie to może nastąpić poprzez łuk elektryczny lub przedmiot o małej impedancji. Prąd płynący bezpośrednio do punktu zwarcia nazywany jest prądem zwarcia. Wszystkie inne wielkości towarzyszące stanowi zwarcia (jak napięcia w innych punktach sieci, prądy płynące w elementach sieci lub odpowiadające im moce oraz impedancje mierzone przez przekaźniki) nazywane są wielkościami zwarciowymi.

Rys.1 pojęcia prądu zwarcia w miejscu zwarcia a) oraz prądu zwarciowego obciążającego dany aparat b)

Zwarcia można klasyfikować według rozmaitych kryteriów, np. liczby zwartych punktów, liczby zaangażowanych faz systemu 3-fazowego, położenia zwarcia względem jakiegoś konkretnego elementu systemu, istnienia w zwarciu (lub nie) małej impedancji, zaangażowania ziemi w zwarciu (lub nie) itp. Najczęściej wyróżnia się następujące klasy zwarć:

• zwarcia pojedyncze i wielomiejscowe,

• zwarcia symetryczne i niesymetryczne,

• zwarcia jednoczesne i niejednoczesne,

• zwarcia zewnętrzne i wewnętrzne,

• zwarcia trwałe i przemijające,

• zwarcia bezimpedancyjne (zwane metalicznymi lub bezpośrednimi) oraz za pośrednictwem impedancji (zwane zwarciami oporowym),

• zwarcia doziemne i bez udziału ziemi,

• zwarcia małoprądowe i wielkoprądowe.

Zwarcia pojedyncze zachodzą w jednym miejscu sieci. W sensie przestrzennym przez miejsce rozumie się przekrój przez trzy fazy i ziemie. Zwarcia wielomiejscowe zachodzą w różnych miejscach sieci. Zależnie od liczby miejsc mówi się odpowiednio o zwarciach podwójnych, potrójnych itp.

Rys.2 pojęcia miejsca zwarcia a) zwarcie dwumiejscowe b)

Przy zwarciu symetrycznym wszystkie fazy symetrycznego systemu są jednakowo zaangażowane w zwarcie. W przypadku powszechnie stosowanego systemu 3-fazowego zwarcie symetryczne może być trójfazowe (rys.1.2a) lub trójfazowe z udziałem ziemi (linia przerywana na rys.1.2a). Zwarcia niesymetryczne (rys.1.2b,c,d) to zwarcia jednofazowe, dwufazowe oraz dwufazowe z ziemia. W przypadku zwarć niesymetrycznych zwarciem nie są dotknięte wszystkie fazy. Fazę, która nie jest dotknięta zwarciem nazywa się faza zdrowa.

Rys.3 rodzaje zwarć: a) trójfazowe, b) jednofazowe, c) dwufazowe, d) dwufazowe z ziemia

Zwarcia jednoczesne zachodzą w tej samej chwili. Zwarcia niejednoczesne zachodzą
w różnych chwilach, najczęściej odległych od siebie o czas odpowiadający niewielkiej części okresu sinusoidy napięcia.

Przez zwarcia wewnętrzne rozumie się zwarcia wewnątrz maszyn elektrycznych (generatory, transformatory, silniki) oraz wewnątrz aparatów elektrycznych. Zwarcia szyn rozdzielni, zacisków aparatów, przeskoki na izolatorach oraz zwarcia pomiędzy konstrukcjami wsporczymi a przewodami linii traktowane są jako zwarcia zewnętrzne. Podział na zwarcia małoprądowe i wielkoprądowe stosowany jest w elektroenergetycznej automatyce zabezpieczeniowej. Zwarcia wielkoprądowe są to wszystkie zwarcia wielofazowe oraz zwarcia jednofazowe (doziemne) w sieciach z uziemionym punktem neutralnym. Zwarciami małoprądowymi są zwarcia jednofazowe (doziemne) w sieciach z punktem neutralnym izolowanym lub uziemionym przez dławik kompensujący. Wymienione klasy zwarć są nie rozłączne tzn. dane zwarcie może należąc do dwu lub więcej klas. Przykładem może tu być zwarcie w linii WN dające się sklasyfikować jako: zewnętrzne, pojedyncze, wielkoprądowe, doziemne, niesymetryczne, trwałe, bezimpedancyjne. Mówiąc o danym zwarciu zwykle nie ma potrzeby wymieniania jego możliwej przynależności do wszystkich możliwych klas. Przyczyny zwarć można podzielić na elektryczne i nieelektryczne.

Do przyczyn elektrycznych można zaliczyć:

• przepięcia atmosferyczne,

• przepięcia łączeniowe,

• omyłki łączeniowe (np. przyłączenie napięcia do elementu celowo zwartego lub celowo uziemionego),

• długotrwałe przeciążenia ruchowe (maszyn, kabli i przewodów izolowanych) powodujące przegrzanie izolacji i jej przebicie.

• Do przyczyn nieelektrycznych można zaliczyć:

• zawilgocenie izolacji,

• zniszczenie izolatorów,

• zbliżenia przewodów linii napowietrznych na wskutek ich kołysania wywołanego wiatrem lub nagłym odpadnięciem sądzi,

• uszkodzenia mechaniczne (słupów, izolatorów, przewodów, kabli) wywołane robotami

ziemnymi lub kataklizmami (powódź, pożar),

• wady fabryczne urządzeń,

• działanie zwierzą (duże ptaki lub gryzonie) bądź ludzi (celowe zarzucanie drutów zwierających przewody linii napowietrznych, niszczenie izolatorów, uszkadzanie kabli w celu pozyskania metali kolorowych),

• niefachowe obchodzenie się z urządzeniami elektrycznymi.

• W liniach napowietrznych (mimo stosowania ochrony odgromowej) najczęstszą przyczyna zwarć są przepięcia atmosferyczne. Najczęściej występującymi zwarciami są zwarcia jednofazowe lub dwufazowe z ziemia powstające ze zwarcia jednofazowego w wyniku przeniesienia się łuku na druga fazę.

• Skutki zwarć mogą mieć znaczenie tylko lokalne (dla uszkodzonych elementów systemu) lub szersze dla obszaru systemu (z udziałem elementów sąsiadujących z elementem uszkodzonym) a nawet dla całego systemu. Do najważniejszych skutków zwarć można zaliczyć:

• Silne nagrzewanie dużym prądem zwarciowym, co przyspiesza starzenie izolacji maszyn elektrycznych i kabli, a w przypadku linii napowietrznych może być przyczyna powstawania nadmiernych zwisów przewodów (dla przykładu prąd zwarcia rzędu 63kA na rezystancji 1Ώ podczas zwarcia trwającego 0,1s wydziela energie około 400 MJ).

• Powstawanie dużych sił dynamicznych miedzy częściami wiodącymi prądy zwarciowe, co może być przyczyna deformacji szynoprzewodów lub pęknięcia izolatorów wsporczych (oddziaływanie dynamiczne prądu zwarciowego rzędu kilkudziesięciu kA na przewody znajdujące się w bliskiej od siebie odległości jest rzędu tysięcy niutonów).

• Niszczenie żelbetonowej konstrukcji słupów (w sieciach średnich napiec pracujących
  z izolowanym punktem neutralnym). W przypadku sieci SN pracujących z izolowanym punktem neutralnym zwarcia jednofazowe (doziemienia) nie powodują wprawdzie dużych prądów zwarcia lecz mogą doprowadzić do zniszczenia słupów żelbetonowych. Nawet nieduży prąd zwarciowy płynąc długo przez zbrojenie słupa powoduje kumulowanie się ciepła i tak silny wzrost temperatury, że może dojść do wytopienia się zbrojenia, co bardzo osłabia konstrukcje słupa. W razie pojawienia się wichury tak uszkodzone słupy przewracają się na ziemie zrywając linie oraz powodując zwarcia wielofazowe.

• Powstawanie niebezpiecznych napiec miedzy bliskimi punktami ziemi (napięcie krokowe) oraz napiec na częściach normalnie nie będących pod napięciem (napięcie dotykowe). Jest to szczególnie groźne w przypadku sieci z uziemionym punktem neutralnym. Dla przykładu jeśli w wyniku zwarcia na słupie linii WN przepływa do ziemi prąd 5 kA, a rezystancja układu uziomowego jest np. 5_ (wartości spotykane w krajowej sieci WN), to spadek napięcia na uziomie wyniesie ok. 25 kV. Wiąże się to oczywiście z dużym zagrożeniem porażeniowym ludzi i zwierząt przebywających w pobliżu słupa, o ile rozkład napięcia na uziomie nie został właściwie ukształtowany poprzez jego konstrukcje.

• Powstawanie przepiec ziemnozwarciowych towarzyszących zwarciom łukowym, co jest szczególnie groźne w sieciach SN z izolowanym punktem neutralnym.

• Powstawanie zakłóceń elektromagnetycznych oddziaływujących na urządzenia telekomunikacyjne.

• Możliwość zniszczenia wyłącznika przy wyłączaniu lub załączaniu na zwarcie (o ile wyłącznik nie został odpowiednio dobrany do warunków zwarciowych).

• Możliwość utraty stabilności systemu przez utratę synchronizmu generatorów bliskich miejsca zwarcia. Zwarcia w sieciach WN w pobliżu szyn elektrowni mogą spowodować utratę stabilności systemu. Spowodowane jest to faktem, że w trakcie zwarcia

1. Oddziaływanie przekształtników energoelektronicznych na sieć zasilającą

Przekształtniki energoelektroniczne pobierają energię elektryczną z sieci prądu przemiennego w sposób bezpośredni lub pośredni, Najliczniejszą grupę przekształtników  zasilanych bezpośrednio z sieci stanowią prostowniki zaliczane do odbiorników nieliniowych. Ich praca wywiera bardzo niekorzystny wpływ na sieć zasilającą, a przede wszystkim na jakość pobieranej energii elektrycznej.  Do podstawowych negatywnych zjawisk w tym zakresie należy: komutacyjne załamania napięcia sieciowego, odkształcenia przebiegów prądu sieci oraz opóźnienie prądu względem napięcia sieci  Główną przyczyną są przyrządy półprzewodnikowe, których charakterystyki napięciowo-prądowe są nieliniowe.

• W czasie pracy przekształtnika tyrystorowego wyróżnić można wiele jego niekorzystnych oddziaływań na sieć zasilającą i wynikające stąd zakłócenia pracy innych urządzeń zasilanych z tej sieci. Do bezpośrednich zjawisk związanych z negatywnym oddziaływaniem przekształtników tyrystorowych na sieć zasilającą zalicza się:

• występowanie komutacyjnych załamań w przebiegach napięć zasilających.

• występowanie mocy biernej,

• niesinusoidalny przebieg prądów pobieranych z sieci,

• generacja wyższych harmonicznych,

• Ponadto, do pochodnych zjawisk związanych z negatywnym oddziaływaniem zalicza się:

• możliwość wystąpienia rezonansów szeregowych i równoległych dla harmonicznych generowanych przez przekształtniki,

• występowanie szybkozmiennych spadków napięcia pierwszej harmonicznej na skutek poboru mocy biernej sterowania

Bibliografia

[1] Wtorek J. Katedra Elektroniki Medycznej i Ekologicznej, Politechnika Gdańska

[2] http://astrophysics.fic.uni.lodz.pl/medtech/pakiet14/pkt_14_8.html

[3] http://bezel.com.pl/index.php/urzdzenia-energoelektroniczne/wpyw-urzdze-na-się-zasilajc.html

[4]http://pl.wikipedia.org/wiki/Zak%C5%82%C3%B3cenie_%28elektroenergetyka%29

---