TEORETICKÁ ANALÝZA OCHRANY ROZVÁDZAČOV PRED PREPÄTÍM PRI REŠPEKTOVANÍ EMC K. Marton, J. Balogh, J.
Download ReportTranscript TEORETICKÁ ANALÝZA OCHRANY ROZVÁDZAČOV PRED PREPÄTÍM PRI REŠPEKTOVANÍ EMC K. Marton, J. Balogh, J.
Slide 1
TEORETICKÁ ANALÝZA OCHRANY
ROZVÁDZAČOV PRED PREPÄTÍM PRI
REŠPEKTOVANÍ EMC
K. Marton, J. Balogh, J. Džmura, J. Petráš
Technická univerzita v Košiciach
Fakulta elektrotechniky a informatiky
Slide 2
„Systém sám o sebe môže byť dokonale
spoľahlivý - bude však bezcenný v prevádzke
pokiaľ súčasne nebude elektromagneticky
kompatibilný. Spoľahlivosť a elektromagnetická
kompatibilita sú neoddeliteľné požiadavky
systému, ktorý má byť v chode v každej dobe a
za každých okolností“
H. M . Schlike
Slide 3
Obsah:
1. Úvod
2. Predpokladané rozmiestnenie
elektrických obvodov v budove
3. Teoretická analýza
impedančných pomerov pri
pôsobení prepätí
4. Dynamické účinky prepätí na
elektrické rozvody
5. Záver
Slide 4
Bytová jednotka
Slide 5
Malé výpočtové
stredisko
Slide 6
Priemyselný objekt
Slide 7
Skôr než rozmiestnime
ochrany proti prepätiam,
musíme zabezpečiť
dokonalé uzemnenie.
Slide 8
Vyrovnanie potenciálov v sústave chránenej samočinným
odpojením napájania v sieťach TN
Slide 9
Inštalácia zvodičov prepätia v sústave chránenej samočinným
odpojením napájania v sieťach TT
Slide 10
Zóny bleskovej ochrany (ZBO)
Slide 11
Indukované pozdĺžne a priečne napätie
Priečne napätie indukované v jadrách vodičov môže
dosiahnuť niekoľko kilovoltov. Pozdĺžne napätie dosiahne
niekoľko desiatok kilovoltov.
Slide 12
Galvanický vplyv bleskových prúdov
Slide 13
PREPÄTIA A ROZVOD NN
B
Zvodič bleskového
prúdu, napr. 100 kA
10/350 (HR)
C
Obmedzovače
prepätí
(R, PR)
D
Kombinované
prepäťové ochrany
priamo pri objekte
Slide 14
Príklady zapojenia ochrán
Slide 15
Koncepcia trojstupňovej ochrany
Slide 16
Koordinácia prepäťových ochrán
Koordinácia B-C
Koordinácia C-D
Aplikácia obmedzovacej
tlmivky
Slide 17
Zapojenie zvodičov v sieti TN-C-S
HR – hlavný rozvádzač
PR – podružný
rozvádzač
ZO/KZ – zásuvkový
obvod/koncové
zariadenie
EP – ekvipotenciálna
prípojnica
EM – elektromer
B - zvodič triedy B
C – zvodič triedy C
D – zvodič triedy D
I - selektívny prúdový
chránič
Slide 18
Zapojenie zvodičov v sieti TN-S
HR – hlavný rozvádzač
PR – podružný
rozvádzač
ZO/KZ – zásuvkový
obvod/koncové
zariadenie
EP – ekvipotenciálna
prípojnica
EM – elektromer
B - zvodič triedy B
C – zvodič triedy C
D – zvodič triedy D
I - selektívny prúdový
chránič
Slide 19
Zapojenie zvodičov v sieti TT alebo TN-S
HR – hlavný rozvádzač
PR – podružný
rozvádzač
ZO/KZ – zásuvkový
obvod/koncové
zariadenie
EP – ekvipotenciálna
prípojnica
EM – elektromer
B1 - zvodič triedy B
B2 - zvodič triedy B
C1 – zvodič triedy C
C2 – zvodič triedy C
D – zvodič triedy D
I - selektívny prúdový
chránič
Slide 20
Teoretická analýza impedančných pomerov pri vlnových
procesoch
Základné údaje:
• vlnová impedancia vonkajšieho vedenia ZV = 250 – 500 ,
vlnová rýchlosť v=300 m/s (300 000 km/s)
• vlnová impedancia kábelového vedenia ZK = 40 – 150 ,
vlnová rýchlosť v=150 - 200 m/s (v=c/√εrμr).
Tvar napäťovej vlny T1/T2 .....1,2/50
prúdovej vlny T1/T2 .....8/20 .....10/350
Charakter objektov v obvode: R; L; C
Sledované veličiny: uP – postupujúca vlna napätia
u0 – odrazená napäťová vlna
u2 – lomená napäťová vlna
IP – postupujúca prúdová vlna
i0 – odrazená prúdová vlna
i2 – prúdová vlna cez Z2
Z – vlnová impedancia
Slide 21
Všeobecné údaje o vedení
Vychádzame z týchto základných rovníc:
UP
Z
u0
Z
1
Z
U P u0
u 2 U p u0
i2 I p i0
Up
Z
u0
Z
0
Špeciálne prípady:
- Z= , i2=0, Up=u0, po odraze u2=2Up
- Z = 0, u2=0, Up=-u0, a i2=2Ip
Slide 22
Vedenie zakončené odporom R
u2 i2 R U p u0
i2 Z U p u0
R
u0 Z
R
Z
1
U p
1
u0
RZ
RZ
U p
Úbytok napätia na odpore R bude:
2
u2
R
Z
R
Z U
p
1
alebo
u2
2R
RZ
Up
Slide 23
Vedenie zakončené indukčnosťou L
u2 L
di2
dt
U p u0
i2 Z U p u0
Z toho vyplýva:
u2 2U p e
t
a
t
Up
1 e
i2 2
Z
pričom =L/Z,
pri exponenciálnom poklese u2 na konci vedenia, prúd i2 bude
stúpať exponenciálne a stabilizuje sa pri hodnote 2U p Z
Slide 24
Vedenie zakončené kapacitou C
Prúd i2 tečúci vetvou 2 - zem bude
i2 C
du2
dt
napätie na C: u2=Up+u0; takže rovnica napätia sa vyjadrí
vzťahom: i2.Z=Up-u0. Z tejto úvahy plynie, že u2 bude
exponenciálne narastať a ustáli sa na hodnote 2Up. Prúd i2
má exponenciálne klesajúcu tendenciu, čo možno pre oba
prípady vyjadriť
t
u2 2U p 1 e
a
i2 2
Up
Z
e
t
pričom
CZ
Slide 25
Spojené vedenia o rôznych vlnových impedanciách
u p 2 U p1 u01
i
u p2
Z2
u01
Pre odrazenú vlnu platí
U p1 u0
Z1
Z 2 Z1
Z 2 Z1
U p1
ďalej postupujúca napäťová vlna po vedení o impedancii Z2
bude mať amplitúdu
u p2
2Z 2
Z1 Z 2
U p1
Faktor odrazu napäťovej vlny
vypočítame zo vzťahu Z 2
u
Z1
Z2
Z1
1
1
Z 2 Z1
Z 2 Z1
Slide 26
Rozvetvenie vedení
-
Najčastejším prípadom v praxi je rozvetvenie vedení, pričom
impedancie môžu mať rozdielnu hodnotu. Budeme riešiť
jednoduchší prípad, keď Z1=Z2=....=Zn o celkovom počte vetví
n. Takže z hľadiska bodu 2, bude
Z celk .
Z
n
a napätie
2
u p2
1
Z
nZ celk .
2
1 n
.U p1
Slide 27
Reálny odpor R zapojený v sérii na rozhraní dvoch vlnových
impedancií
Platí i=i2 a pre napäťovú bilanciu vychádza u p 2 U p1 u01 R i
i
Prúd impulznej vlny cez Z2 vyjadríme
odrazená vlna bude
pričom u p 2
u01
2Z 2
Z 2 Z1 R
Z 2 Z1 R
Z 2 Z1 R
U p1
U p
1
u p2
Z2
U p1 u01
Z1
Slide 28
Zaradenie objektu s čisto ohmickým charakterom (R) do
uzlového bodu vedení o rôznej vlnovej impedancii.
Na základe Kirchhoffových zákonov:
I1=i2+iR
u01
a
Z 2 Z1
Z 2 Z1
Up2=Up1+u01
Z1Z 2
R U
p1
Z1 Z 2
R
u p2
2Z 2
Z1 Z 2
Z1 Z 2
R
U p1
Slide 29
V sieťach elektroenergetiky sa vyskytujú v sérii zapojené indukčnosti L buď vo
forme tlmiviek alebo vinutia prístrojového transformátora
u p 2 U p1 u01 L
Rovnica napätia:
Rovnica prúdu:
i i2
Hľadané priebehy:
pričom
L
Z1 Z 2
u p2
u p2
Z2
dt
U p1 u01
Z1
U p1 1 e
Z1
1
Z2
2
di
t
Z1
u01
t
Z
U p1 2 e 1 2
Z1
Z1
1
Z2
Z2
charakterizuje strmosť priebehu
Slide 30
Kapacita C voči zemi v uzlovom bode vedenia o rôznych
vlnových impedanciách Z1 a Z2
Riešenie: I1 i2 ic u p 2 U p1 u01
a po úprave
U p1 u 01
Z
Postupujúca
vlna na Z2 :
u
p2
Z2
u p2
C
du p 2
2
1
Z1
dt
t
U p1 1 e
Z2
Amplitúda odrazenej
vlny:
u01
t
Z1
U p1 1
2e
Z1
Z2
1
Z2
1
pričom
Z C
1
Z1
Z2
Slide 31
Dôležitá úloha Z1/Z2 : Nech Z1=500 a Z2 =50 ,
Up2: potom pre Z1>> Z2 bude Z1/Z2 ...10 a pravá časť
rovnice je 0,18
ak Z1<< Z2 bude Z1/Z2 ...0,1 a pravá časť
rovnice je 1,81
U01:
pre Z1>> Z2
rovnice je 0,0909
Z1/Z2 ...10 a pravá časť
Z1/Z2 ...0,1 a pravá časť
rovnice je 0,909
Slide 32
DYNAMICKÉ ÚČINKY PREPÄTÍ NA ELEKTRICKÉ
OBVODY
Elektrické a mechanické namáhanie
Slide 33
DYNAMICKÉ ÚČINKY PREPÄTÍ NA ELEKTRICKÉ
OBVODY
Slide 34
DYNAMICKÉ ÚČINKY PREPÄTÍ NA ELEKTRICKÉ
OBVODY
Slide 35
DYNAMICKÉ ÚČINKY PREPÄTÍ NA ELEKTRICKÉ
OBVODY
Slide 36
Exaktné riešenie
Dva paralelné vodiče
F
0 r l
2
a
i1 i2
Sila v magnetickom poli
všeobecne: F=i.l.B
pričom - 0 = 410-7 H/m permeabilita vákua
- r = 1 relatívna permeabilita vzduchu
Slide 37
Pričom B v okolí líniového vodiča v závislosti od vzdialenosti r
bude:
iw
B H 0 r
0 r
l
2r
Slide 38
Umiestnenie fázových vodičov v rozvádzačoch
Príklad: Bleskový prúd I=50 kA, dĺžka vodičov l=1 m,
vzdialenosť vodičov a=0,1 m. F=5 kN=5 kWs/m.
Ak poškodenie trvá 1 μs, potom F bude 5.103 MWμs/m alebo
5 GWμs/m
Slide 39
Ďakujem za pozornosť
TEORETICKÁ ANALÝZA OCHRANY
ROZVÁDZAČOV PRED PREPÄTÍM PRI
REŠPEKTOVANÍ EMC
K. Marton, J. Balogh, J. Džmura, J. Petráš
Technická univerzita v Košiciach
Fakulta elektrotechniky a informatiky
Slide 2
„Systém sám o sebe môže byť dokonale
spoľahlivý - bude však bezcenný v prevádzke
pokiaľ súčasne nebude elektromagneticky
kompatibilný. Spoľahlivosť a elektromagnetická
kompatibilita sú neoddeliteľné požiadavky
systému, ktorý má byť v chode v každej dobe a
za každých okolností“
H. M . Schlike
Slide 3
Obsah:
1. Úvod
2. Predpokladané rozmiestnenie
elektrických obvodov v budove
3. Teoretická analýza
impedančných pomerov pri
pôsobení prepätí
4. Dynamické účinky prepätí na
elektrické rozvody
5. Záver
Slide 4
Bytová jednotka
Slide 5
Malé výpočtové
stredisko
Slide 6
Priemyselný objekt
Slide 7
Skôr než rozmiestnime
ochrany proti prepätiam,
musíme zabezpečiť
dokonalé uzemnenie.
Slide 8
Vyrovnanie potenciálov v sústave chránenej samočinným
odpojením napájania v sieťach TN
Slide 9
Inštalácia zvodičov prepätia v sústave chránenej samočinným
odpojením napájania v sieťach TT
Slide 10
Zóny bleskovej ochrany (ZBO)
Slide 11
Indukované pozdĺžne a priečne napätie
Priečne napätie indukované v jadrách vodičov môže
dosiahnuť niekoľko kilovoltov. Pozdĺžne napätie dosiahne
niekoľko desiatok kilovoltov.
Slide 12
Galvanický vplyv bleskových prúdov
Slide 13
PREPÄTIA A ROZVOD NN
B
Zvodič bleskového
prúdu, napr. 100 kA
10/350 (HR)
C
Obmedzovače
prepätí
(R, PR)
D
Kombinované
prepäťové ochrany
priamo pri objekte
Slide 14
Príklady zapojenia ochrán
Slide 15
Koncepcia trojstupňovej ochrany
Slide 16
Koordinácia prepäťových ochrán
Koordinácia B-C
Koordinácia C-D
Aplikácia obmedzovacej
tlmivky
Slide 17
Zapojenie zvodičov v sieti TN-C-S
HR – hlavný rozvádzač
PR – podružný
rozvádzač
ZO/KZ – zásuvkový
obvod/koncové
zariadenie
EP – ekvipotenciálna
prípojnica
EM – elektromer
B - zvodič triedy B
C – zvodič triedy C
D – zvodič triedy D
I - selektívny prúdový
chránič
Slide 18
Zapojenie zvodičov v sieti TN-S
HR – hlavný rozvádzač
PR – podružný
rozvádzač
ZO/KZ – zásuvkový
obvod/koncové
zariadenie
EP – ekvipotenciálna
prípojnica
EM – elektromer
B - zvodič triedy B
C – zvodič triedy C
D – zvodič triedy D
I - selektívny prúdový
chránič
Slide 19
Zapojenie zvodičov v sieti TT alebo TN-S
HR – hlavný rozvádzač
PR – podružný
rozvádzač
ZO/KZ – zásuvkový
obvod/koncové
zariadenie
EP – ekvipotenciálna
prípojnica
EM – elektromer
B1 - zvodič triedy B
B2 - zvodič triedy B
C1 – zvodič triedy C
C2 – zvodič triedy C
D – zvodič triedy D
I - selektívny prúdový
chránič
Slide 20
Teoretická analýza impedančných pomerov pri vlnových
procesoch
Základné údaje:
• vlnová impedancia vonkajšieho vedenia ZV = 250 – 500 ,
vlnová rýchlosť v=300 m/s (300 000 km/s)
• vlnová impedancia kábelového vedenia ZK = 40 – 150 ,
vlnová rýchlosť v=150 - 200 m/s (v=c/√εrμr).
Tvar napäťovej vlny T1/T2 .....1,2/50
prúdovej vlny T1/T2 .....8/20 .....10/350
Charakter objektov v obvode: R; L; C
Sledované veličiny: uP – postupujúca vlna napätia
u0 – odrazená napäťová vlna
u2 – lomená napäťová vlna
IP – postupujúca prúdová vlna
i0 – odrazená prúdová vlna
i2 – prúdová vlna cez Z2
Z – vlnová impedancia
Slide 21
Všeobecné údaje o vedení
Vychádzame z týchto základných rovníc:
UP
Z
u0
Z
1
Z
U P u0
u 2 U p u0
i2 I p i0
Up
Z
u0
Z
0
Špeciálne prípady:
- Z= , i2=0, Up=u0, po odraze u2=2Up
- Z = 0, u2=0, Up=-u0, a i2=2Ip
Slide 22
Vedenie zakončené odporom R
u2 i2 R U p u0
i2 Z U p u0
R
u0 Z
R
Z
1
U p
1
u0
RZ
RZ
U p
Úbytok napätia na odpore R bude:
2
u2
R
Z
R
Z U
p
1
alebo
u2
2R
RZ
Up
Slide 23
Vedenie zakončené indukčnosťou L
u2 L
di2
dt
U p u0
i2 Z U p u0
Z toho vyplýva:
u2 2U p e
t
a
t
Up
1 e
i2 2
Z
pričom =L/Z,
pri exponenciálnom poklese u2 na konci vedenia, prúd i2 bude
stúpať exponenciálne a stabilizuje sa pri hodnote 2U p Z
Slide 24
Vedenie zakončené kapacitou C
Prúd i2 tečúci vetvou 2 - zem bude
i2 C
du2
dt
napätie na C: u2=Up+u0; takže rovnica napätia sa vyjadrí
vzťahom: i2.Z=Up-u0. Z tejto úvahy plynie, že u2 bude
exponenciálne narastať a ustáli sa na hodnote 2Up. Prúd i2
má exponenciálne klesajúcu tendenciu, čo možno pre oba
prípady vyjadriť
t
u2 2U p 1 e
a
i2 2
Up
Z
e
t
pričom
CZ
Slide 25
Spojené vedenia o rôznych vlnových impedanciách
u p 2 U p1 u01
i
u p2
Z2
u01
Pre odrazenú vlnu platí
U p1 u0
Z1
Z 2 Z1
Z 2 Z1
U p1
ďalej postupujúca napäťová vlna po vedení o impedancii Z2
bude mať amplitúdu
u p2
2Z 2
Z1 Z 2
U p1
Faktor odrazu napäťovej vlny
vypočítame zo vzťahu Z 2
u
Z1
Z2
Z1
1
1
Z 2 Z1
Z 2 Z1
Slide 26
Rozvetvenie vedení
-
Najčastejším prípadom v praxi je rozvetvenie vedení, pričom
impedancie môžu mať rozdielnu hodnotu. Budeme riešiť
jednoduchší prípad, keď Z1=Z2=....=Zn o celkovom počte vetví
n. Takže z hľadiska bodu 2, bude
Z celk .
Z
n
a napätie
2
u p2
1
Z
nZ celk .
2
1 n
.U p1
Slide 27
Reálny odpor R zapojený v sérii na rozhraní dvoch vlnových
impedancií
Platí i=i2 a pre napäťovú bilanciu vychádza u p 2 U p1 u01 R i
i
Prúd impulznej vlny cez Z2 vyjadríme
odrazená vlna bude
pričom u p 2
u01
2Z 2
Z 2 Z1 R
Z 2 Z1 R
Z 2 Z1 R
U p1
U p
1
u p2
Z2
U p1 u01
Z1
Slide 28
Zaradenie objektu s čisto ohmickým charakterom (R) do
uzlového bodu vedení o rôznej vlnovej impedancii.
Na základe Kirchhoffových zákonov:
I1=i2+iR
u01
a
Z 2 Z1
Z 2 Z1
Up2=Up1+u01
Z1Z 2
R U
p1
Z1 Z 2
R
u p2
2Z 2
Z1 Z 2
Z1 Z 2
R
U p1
Slide 29
V sieťach elektroenergetiky sa vyskytujú v sérii zapojené indukčnosti L buď vo
forme tlmiviek alebo vinutia prístrojového transformátora
u p 2 U p1 u01 L
Rovnica napätia:
Rovnica prúdu:
i i2
Hľadané priebehy:
pričom
L
Z1 Z 2
u p2
u p2
Z2
dt
U p1 u01
Z1
U p1 1 e
Z1
1
Z2
2
di
t
Z1
u01
t
Z
U p1 2 e 1 2
Z1
Z1
1
Z2
Z2
charakterizuje strmosť priebehu
Slide 30
Kapacita C voči zemi v uzlovom bode vedenia o rôznych
vlnových impedanciách Z1 a Z2
Riešenie: I1 i2 ic u p 2 U p1 u01
a po úprave
U p1 u 01
Z
Postupujúca
vlna na Z2 :
u
p2
Z2
u p2
C
du p 2
2
1
Z1
dt
t
U p1 1 e
Z2
Amplitúda odrazenej
vlny:
u01
t
Z1
U p1 1
2e
Z1
Z2
1
Z2
1
pričom
Z C
1
Z1
Z2
Slide 31
Dôležitá úloha Z1/Z2 : Nech Z1=500 a Z2 =50 ,
Up2: potom pre Z1>> Z2 bude Z1/Z2 ...10 a pravá časť
rovnice je 0,18
ak Z1<< Z2 bude Z1/Z2 ...0,1 a pravá časť
rovnice je 1,81
U01:
pre Z1>> Z2
rovnice je 0,0909
Z1/Z2 ...10 a pravá časť
Z1/Z2 ...0,1 a pravá časť
rovnice je 0,909
Slide 32
DYNAMICKÉ ÚČINKY PREPÄTÍ NA ELEKTRICKÉ
OBVODY
Elektrické a mechanické namáhanie
Slide 33
DYNAMICKÉ ÚČINKY PREPÄTÍ NA ELEKTRICKÉ
OBVODY
Slide 34
DYNAMICKÉ ÚČINKY PREPÄTÍ NA ELEKTRICKÉ
OBVODY
Slide 35
DYNAMICKÉ ÚČINKY PREPÄTÍ NA ELEKTRICKÉ
OBVODY
Slide 36
Exaktné riešenie
Dva paralelné vodiče
F
0 r l
2
a
i1 i2
Sila v magnetickom poli
všeobecne: F=i.l.B
pričom - 0 = 410-7 H/m permeabilita vákua
- r = 1 relatívna permeabilita vzduchu
Slide 37
Pričom B v okolí líniového vodiča v závislosti od vzdialenosti r
bude:
iw
B H 0 r
0 r
l
2r
Slide 38
Umiestnenie fázových vodičov v rozvádzačoch
Príklad: Bleskový prúd I=50 kA, dĺžka vodičov l=1 m,
vzdialenosť vodičov a=0,1 m. F=5 kN=5 kWs/m.
Ak poškodenie trvá 1 μs, potom F bude 5.103 MWμs/m alebo
5 GWμs/m
Slide 39
Ďakujem za pozornosť