C4-06 1/7

ЧЕТВРТО СОВЕТУВАЊЕОхрид, 26–29 септември 2004

d-r Petar Vukelja, Jovan Mrvi, Dejan Hrvi Elektrotehni~ki institut “Nikola Tesla”, Beograd d-r Risto Minovski, Elektrotehni~ki fakultet, Skopje

EFIKASNOST NA PRENAPONSKATA ZA[TITA VO MRE@ATA OD 400 V Sodr`ina

Vo trudot e razgledana zatitata na potrouva~ite vo 400 V mre`a so odvodnici na prenaponi od atmosferski prenaponi. So pomo na eksperimentalni istra`uvawa i so presmetki e konstatirano deka najefikasna zatita na potrouva~ite e postavuvaweto na odvodnik na prenaponi vo merno razvodniot ormar vo zgradata. Opremata so osetlivi elektronski komponenti potrebno e posebno da se titi so dopolnitelni zatitni uredi. Klu~ni zborovi: prenaponska zatita, odvodnik na prenaponi. ABSTRACT

This paper presents protection of the loads in 400 V power network with surge arresters of lighting overvoltages. With experiments and calculations it was found that the best protection for loads is positioning surge arresters at measuring-switching box in the building (substation). It is necessary to protect the equipment with sensitive electronic parts with extra protective devices. Keywords: Overvoltage protection, surge arrester. 1 VOVED Atmosferskite praznewa pome|u oblacite i zemjata se mnogu opasni za opremata na elektroenergetskiot sistem pred se ako nastanuvaat vo elektroenergetskite objekti. Me|utoa i praznewata vo neposredna blizina na elektroenergetskite objekti mo`at da bidat opasni za izolacijata na mre`ite od poniskite naponski nivoa, posebno za potrouva~i koi se napojuvaat od nadzemnite mre`i so napon od 400 V, kako posledica na induciranite prenaponi. Prostiraji se po vozdunite vodovi upa|aat vo kunite instalacii i mo`at da predizvikat otetuvawe na priklu~enite potrouva~i. Ne doveduvaat do tolku razorni otetuvawa koi bi se javile pri direktnite atmosferski praznewa vo nadzemnite vodovi ili stolbovi. Mnogu e po~esta pojavata na inducirani prenaponi na nadzemnite vodovi odko-lku prenaponi kako posledica na direktni atmosferski praznewa.

Vo trudov vo kratki crti se razgledani prenaponite kako posledica na atmosferski praznewa i se razgleduvani zatitite na potrouva~ite od niv so odvodnici na prenaponi od 400 V. 2 PRENAPONI KAKO POSLEDICA NA ATMOSFERSKI PRENAPONI Atmosferskoto praznewe (udar na molwa) naj~esto e poveestruko. Strujata na molwata ima povee komponenti koi sledat edna po druga. Prvata e so najgolema energija i

C4-06 2/7

amplituda, me|utoa so pomala strmnina od onie koi sledat zad nejze. Eksperimentalnite istra`uvawa na struite na atmosferskite praznewa poka`uvaat deka tie mo`at da dostignat amplitudi i nad 200 kA. Vo prosek amplitudata na prvata komponenta na strujata na molwata e okolu 30 kA. Pri direktno atmosfersko praznewe na vodovite od 400 V nastanuvaat mnogu visoki prenaponi, so razorni praznewa pome|u faznite sprovodnici i pome|u faznite sprovodnici i zemjata i pogolemi havarii vo mestoto na praznewe. Pritoa po nadzemnite vodovi se prostiraat visoki prenaponi, upa|aat vo kuite koi se nao|aat vo blizina, pa duri i podaleku od mestoto na praznewe. Induciranite prenaponi nemaat golema energija. Tie se od bipolaren karakter. Obi~no dostignuvaat svoj maksimum okolu 1 µs i imaat traewe od redot 10 – 20 µs. Nivnata veli~ina zavisi od rastojanieto na nadzemniot vod od mestoto na atmosferskoto praznewe, kako i od strmninata i amplitudata na strujata na atmosferskoto praznewe. So zgolemuvawe na strmninata nivniot porast e prakti~ki linearen, dodeka so zgolemuvaweto na amplitudata rastat se posporo za da posle nekoja vrednost ostanuvaat na ista viso~ina. Pri bliski atmosferski praznewa na nadzemnite vodovi mo`at da se o~ekuvaat prenaponi od ne-kolku desetini kV. 3 ZA[TITA NA POTRO[UVA^ITE OD PRENAPONI VO MRE@ATA SO

NAPON 400 V Direktnite atmosferski praznewa na nadzemnite vodovi od napon 400 V ili praznewa vo nivnata blizina mo`at da dovedat do otetuvawe na potrouva~ot. Sprema postojnite pravilnici i preporaki vo niskonaponskata mre`a za zatita od prenaponi se postavuvaat odvodnici na prenaponi samo po potreba: na mestoto na granewe na vodovite, na kraevite na podolgite delnici, na kunite priklu~oci, na spoevite na kabelskiot i nadzemniot vod. Moraat samo da se postavat na priklu~ocite na nadzemnite vodovi kaj osamenite kui vo pod-ra~jeto so izokerauni~ko nivo nad 40. 3.1 Zatita na potrouva~ite so odvodnici na prenaponi na stolbot na nadzemniot vod

od napon 400 V Odvodnicite na prenaponi se postavuvaat na stolbot na nadzemniot vod so napon 400 V od koj sprovodnicite po nadzemen ili podzemen pat se doveduvaat do merniot razvoden ormar vo zgradata na potrouva~ot. Vo mre`ata so TT napoen sistem (nultiot sprovodnik e zazemjen samo kaj transformatorot) odvodnicite na prenaponi se vrzuvaat pome|u sekoj sprovodnik (tri fazni sprovodnici i nultiot sprovodnik) i zazemjuva~kiot sprovodnik – zemjovod postaven vdol` stolbot i povrzan so zazemjuva~. Odvodnicite na prenaponi vo mre`ata so TN – C sistem na napojuvawe (nultiot sprovodnik e zazemjen na povee mesta vdol` vodot i kaj potrouva~ite) se povrzuvaat pome|u faznite i nultiot sprovodnik koj e zazemjen na stolbot. Efikasnosta na zatitata na potrouva~ot so odvodnici na prenaponi na stolbot e razgledana eksperimentalno i presmetkovno [1,2]. Za presmetki se koristi programot EMTP – ATP. Kako zatita od prenaponi se koristeni odvodnici na prenaponi od domaen proizoditel koi se so sli~ni karakteristiki so odvodnicite na prenaponi od stransko proizvodstvo. Vo istra`uvaweto se koristat dva vida na odvodnici na prenaponi, edni so otpornik so nelinearna otpornost i iskrite i drugi metaloksidni bez iskrita, obata so nominalni naponi 500 V. Nivnite U – I karakteristiki, kako i maksimalnite naponi na reagirawe za odvodnici na prenaponi so otpornik so nelinearna otpornost i iskrite, se dadeni vo tabelata 1.

C4-06 3/7

Tabela 1. U-I karakteristiki i maksimalni naponi na reagirawe na odvodnicite na prenaponi

Maks. napon na reagirawe

Odvodnik na prenaponi

U- I karakteristika 1,2/50

Na ~elo strmnina 10 kV/µs

U, V 2400 2700 3100 Odvodnik na prena-poni so nelinearna otpornost i iskri-te

I, kA 2,55 5 10

2600

2800

U, V 855 980 1340 1915 2975 Metaloksidni odvodnik na prena- poni bez iskrite I, kA 1 2 5 10 20

3.1.1 Eksperimentalni istra`uvawa

Eksperimentalnite istra`uvawa se izvreni vo laboratorijata za visok napon. Od

generatorot na impulsni naponi se doveduvaat impulsi so oblik 1,3/50 µs/µs i 0,5/50 µs/µs na eden od priklu~ocite na odvodnikot na prenaponi. Vtoriot priklu~ok na odvodnikot na prenaponi e vrzan preku zemjovodot so zazemjuvaweto na laboratorijata. Naponite, koi se pojavile pome|u gorniot priklu~ok na odvodnikot na prenaponi i priklu~okot na zazemjuva~ot na laboratorijata za visok napon se snimani so digitalen osciloskop koristeji kapacitiven naponski meren sistem. Istra`uvawata se izvreni za povee razli~ni dol`ini na zemjovodot na odvodnikot na prenaponi. I pokraj toa to odvodnicite na prenaponi gi ograni~uvaat visokite impulsni naponi koi se injektirani od generatorot na impulsni naponi, pome|u nivniot goren priklu~ok i priklu~okot na zazemjuva~ot na laboratorijata mo`at da se pojavat zna~itelni prenaponi. Nivnata amplituda zna~itelno raste so zgolemuvawe na strmninata na impulsnite naponi na generatorot i so zgolemuvawe na dol`inata na zemjovodot na odvodnikot na prenaponi. Kako primer, za impulsniot napon so oblik 0,5/50 µs/µs i amplitudi od redot na 20 kV, koj e injektiran od generatorot za impulsni naponi, naponot pome|u gorniot priklu~ok na metaloksidniot odvodnik na prenaponi bez iskrita i priklu~okot na zazemjuva~ot na visokonaponskata laboratorija Uod,z (zemjovodot na odvodnikot na prenaponi e so dol`ina 9 m) e od redot na 7 kV, a naponot na samiot odvodnik – Uod (vkupna dol`ina na vrskite od ednata i drugata strana na odvodnikot na prenaponi e 0,5 m) e od redot na 2 kV. Nema bitna razlika vo efikasnosta na ograni~uvaweto na impulsnite naponi pome|u metaloksidniot odvodnik na prenaponi bez iskrita i odvodnikot na prenaponi so otpornik so nelinearna otpornost i iskrite koga impulsnite naponi se visoki (nekolku desetici kV i povisoki). Za poniski impulsni naponi poefikasno ograni~uvawe se postignuva so metaloksidni odvodnici na prenaponi bez iskrita. Na sl. 1, 2, 3 i 4 kako primer, dadeni se naponskite branovi so oblik 1,3/50 i 0,5/50 µs/µs koi se injektirani od generator na impulsni naponi i naponi koi pritoa se pojavuvaat pome|u gorniot priklu~ok na metaloksidniot odvodnik na prenaponi bez iskrita i priklu~okot na zazemjuva~ot na laboratorijata koga zemjovodot na odvodnikot na prenaponi e so dol`ina 1 m i 9 m.

C4-06 4/7

Sl.1. Naponski bran UG so oblik 1,3/50 µs/µs injektiran od generatorot na impulsni naponi i

naponot Uod,z koj pritoa se pojavuva pome|u gorniot priklu~ok na metaloksidniot odvodnik na prenaponi i priklu~okot na zazemjuva~ot na laboratorijata koga e zemjovodot na odvodnikot so dol`ina 1 m

Sl 2. Naponski bran na UG so oblik 0,5/50 µs/µs injektiran od generatorot na impulsni naponi i naponot Uod,z koj pritoa se pojavuva pome|u gorniot priklu~ok na metaloksidniot odvodnik na prenaponi i priklu~okot na zazemjuva~ot na laboratorijata koga e zemjovodot na odvodnikot so dol`ina 1 m

Sl. 3. Naponski bran na UG so oblik 1,3/50 µs/µs injektiran od generatorot na impulsni naponi i

naponot Uod,z koj pritoa se pojavuva pome|u gorniot priklu~ok na metaloksidniot odvodnik na prenaponi i priklu~okot na zazemjuva~ot na laboratorijata koga e zemjovodot na odvodnikot so dol`ina 9 m

C4-06 5/7

Sl. 4. Naponski bran na UG so oblik 0,5/50 µs/µs injektiran od generatorot na impulsni naponi i

naponot Uod,z koj pritoa se pojavuva pome|u gorniot priklu~ok na metaloksidniot odvodnik na prenaponi i priklu~okot na zazemjuva~ot na laboratorijata koga e zemjovodot na odvodnikot so dol`ina 9 m

So cel da se utvrdi efikasnosta na zatitata na potrouva~ite od atmosferski prenaponi so odvodnici na prenaponi na stolbot izvreni se slednite presmetki na prenaponite:

- pri upa|awe na naponskite branovi po vodot 400 V, - pri injektirawe na impulsnite strui na vodot 400 V.

Presmetkite se izvreni za naponski i strujni branovi so razli~ni amplitudi i strmnini. Podatocite za U–I karakteristikata na odvodnicite na prenaponi se zemeni od tabela 1. Vodovite, zemjovodovite i vrskite na odvodnikot na prenaponi so sprovodnicite na vodot i zemjovodot se predstaveni preku karakteristi~ni impedansi i dol`ini. Otpornosta na zazemjuva~ot na stolbot e varirana od 1 Ω do 100 Ω, a dol`inata na zemjovodot iznesuvala 8 m. So presmetki e utvrdeno da naponite pome|u gorniot priklu~ok na odvodnikot na prenaponi i priklu~okot na zazemjuva~ot na stolbot – Uod,z (napon na odvod-nikot na prenaponi + napon na zemjovodot) i naponot pome|u gorniot priklu~ok na odvod-nikot na prenaponi i referentnata zemja Urz (napon na odvodnikot na prenaponi + naponot na zemjovodot + naponot na zazemjuva~ot na stolbot) mo`at da bidat mnogu visoki. Rastat so zgolemuvawe na amplitudata i strmninata na strujnite i naponskite branovi. Naponite Urz rastat i so zgolemuvaweto na otpornosta na zazemjuva~ot na stolbot. Na primer za naponskite branovi od oblik 1/10 µs/µs i amplituda od redot na 50 kV, koga otpornosta na zazemjuva~ot na stolbot e 10 Ω, naponite Uod,z i Urz se pribli`no isti po viso~ina i iznesuva-at okolu 10 kV, a za strujnite branovi so amplituda 10 kA i strmnina 10 kA/µs se Uod,z okolu 20 kV i Urz okolu 110 kV. Vo TT sistemot za napojuvawe naponite pome|u sprovodnikot vo merno razvodniot ormar i zazemjuva~ot na objektot (kua) malku se razlikuvaat po amplituda od naponot Urz koga zazemjuva~ot na stolbot ne e povrzan so zazemjuva~ot na objektot; koga ovie zazemjuva~i se povrzani toga naponite se bliski po amplituda na naponot Uod,z. Vo TN–C sistemot na napojuvawe naponite pome|u faznite sprovodnici i nultiot sprovodnik vo merno razvodniot ormar se neto povisoki od naponite koi se pojavuvaat na priklu~ocite na odvodnicite na prenaponi na stolbot. Samo pri direktnite atmosferski praznewa vo sprovodnicite na vodot vo blizina na stolbot mo`at da se o~ekuvaat povisoki prenaponi pome|u faznite i nultiot sprovodnik vo merno-razvodniot ormar na zgradata. Retko preminuvaat 2,5 kV, koga e zatitata so metaloksidni odvodnici bez iskrita i 4 kV, koga na stolbot ima odvodnici na prenaponi so iskrite.

3.2 Zatita na potrouva~ite so odvodnici na prenaponi vo merno-razvodniot ormar

Izvreni se presmetki na prenaponite na uredite koi se priklu~eni na kunata instalacija koga odvodnicite na prenaponi se postaveni vo merno-razvodniot ormar na

C4-06 6/7

potrouva~ite, kako posledica na upa|awe na strujnite i naponskite branovi na vodot 400 V [1]. Uredite se predstaveni so kondenzatori od 0,5 do 1 nF, a odvodnicite na prenaponi preku svoite U–I karakteristiki dadeni vo tabelata 1. Vrskite na odvodnicite na prenaponi so nultiot i faznite sprovodnici, kako i so zazemjuva~ot na objektot i sprovodnicite na kunite instalacii se prika`uvaat so karakteristi~ni impedansi i dol`ini. Prenaponite koi se pojavuvaat vo kunata instalacija prakti~no ne nadminuva naponi definirani so U-I karakteristikata za metaloksidni odvodnici na prenaponi bez iskrita, a za odvodnicite na prenaponi so iskrite ne gi nadminuvaat naponite koi se definirani so U-I karakter-istikata, odnosno nivnite naponi na reagirawe. Ovo e pod uslov koga dol`inite na vrskite na odvodnicite na prenaponi so sprovodnicite i zazemjuva~ot na objektot prakti~no se ednakvi na nula. So zgolemuvawe na dol`inata na ovie vrski se zgolemuvaat i amplitudite na prenaponite vo kunata instalacija. Zatitata so metaloksidnite odvodnici na prenaponi bez iskrita e popogodna od zatitata so odvodnici na prenaponi so iskrite. Malku e verojatno da se pojavat pogolemi prenaponi vo kuna instalacija od 2 kV koga e zatitena so metaloksidni odvodnici na prenaponi bez iskrita i pogolem od 3,5 kV koga e zatitena so odvodnici so iskrite.

4 ANALIZA NA REZULTATITE OD ISTRA@UVAWATA

So presmetki i eksperimentalni istra`uvawa se simulirani direktnite atmosferski praznewa i pojavite na induciranite prenaponi na 400 V vodovi. Odvodnicite na prenaponi na stolbot gi ograni~uvaat prenaponite koi se pojavuvaat na vodot vo soglasnost so svoite karakteristiki. Me|utoa, efikasnosta na nivnoto dejstvuvawe vrz TT sistemot na napojuvawe ne e golema bideji vo merno razvodniot ormar na zgradite mo`at da se pojavat zna~itelni prenaponi. Vo pogolem broj slu~ai, zemjiteto vo koe se nao|aat temelite i zazemjuva~ot na zgradata e na dovolno rastojanie od stolbot so odvodnici na prenaponi taka to predstavuva referentna zemja pri odveduvawe na struite na atmosferskoto praznewe so odvodnici na prenaponi. Faznite i nultite sprovodnici vo zgradata sprema nejziniot zazemjuva~ dobivaat napon Urz. Ovoj napon e mnogu visok pri direktni atmosferski praznewa vo 400 V vod vo blizina na stolbot so odvodnici na prenaponi. Induciranite prenaponi ne doveduvaat do taka visok napon, me|utoa dovolen, koga e golema otpornosta na zazemjuva~ot na stolbot, za da mo`e da ja zagrozi izolacijata na instalacijata vo zgradata. So povrzuvawe na zazemjuva~ot na zgradata i zazemjuva~ot na stolbot, ako rastojanieto na zgradata i stolbot ne e golemo, zna~ajno se namaluvaat prenaponite koi se pojavuvaat vo instalacijata na zgradata, me|utoa ne i dovolno za da odvod-nicite na prenaponi na stolbot predstavuvaat edinstvena prenaponska zatita. Pravoto reenie e postavuvawe na odvodnici na prenaponi vo merno razvodniot ormar vo zgradata. Efikasnosta na odvodnikot na prenaponi na stolbot vo TN-C napoen sistem e zna~itelno pogolema, posebno ako se toa metaloksidni odvodnici na prenaponi bez iskrita so U-I karakteristiki sli~ni na onie dadeni vo tabela 1. Mo`e da se smeta deka e zadovolitelna vo slu~aj na naiduvawe po vodot na inducirani prenaponi. Koga se raboti za direktni atmosferski praznewa na vod efikasnosta e namalena i zatoa od toj aspekt zna~itelno e popovolna zatita so odvodnici na prenaponi vo merno razvodniot ormar na zgradata. Prenaponite koi se pojavuvaat vo instalacijata na zgradata vo TT i TN-C sistemi na napojuvawe, iako se ograni~eni so odvodnici na prenapon vo merno razvodniot ormar, mo`at da gi otetat uredite so elektronski komponenti. Takvi uredi treba posebno da se titat so dopolnitelni zatitni uredi kako to se: varistori, prenaponski diodi i sli~no.

5 ZAKLU^OCI

Vrz osnova na istra`uvawata na zatitata na potrouva~ite vo 400 V mre`a od atmosferski prenaponi so odvodnici na prenaponi mo`e da se zaklu~i slednoto:

C4-06 7/7

o Odvodnicite na prenaponi na stolbot ne se zadovolitelna zatita za potrouva~ite od atmosferski prenaponi vo TT sistemot na napojuvawe; efikasna zatita se postignuva so nivno priklu~uvawe pome|u faznite sprovodnici i zazemjuva~ot i pome|u nultiot sprovodnik i zazemjuva~ot vo merno razvodniot ormar na zgradata;

o Vo TN-C sistemot na napojuvawe poefikasna zatita se postignuva so priklu~uvawe na odvodnikot na prenaponi pome|u faznite sprovodnici i zazemjuva~ot vo merno razvodniot ormar na zgradata, odkolku so nivnoto priklu~uvawe pome|u faznite sprovodnici i nultiot sprovodnik na prviot stolb do zgradata;

o Vo obata sistemi na napojuvawe TT i TN-C uredite so elektronski komponenti potrebno e da se titat od prenaponi so dopolnitelni zatitni uredi.

LITERATURA [1] P. Vukelja, M. Savi i drugi: “Prenaponska zatita elektrodistributivnih mre`a”,

Studija br. 310007, Elektrotehni~ki institut “N. Tesla”, Beograd, 2000 god., str. 194. [2] P. Vukelja, J. Mrvi, D. Hrvi: “Zatita potroa~a od atmosferskih prenapona

odvodnicima prenapona na stubu”, JUKO CIRED, Tree jugoslovensko savetovawe o elektrodistributivnim mre`ama. Vrwa~ka Bawa 15 – 18 oktobar 2002.