III/1. Kisfeszültségű vezetékméretezés általános szempontjai (feszültségesés, teljesítményveszteség fogalma, méretezésben szokásos értékei. A vezetékméretezés során, mint minden műszaki berendezés tervezésénél négy alapszempontot kell figyelembe venni, amelyek a következők: a műszaki-, emberi- (személy-, vagyon-, baleset védelem), gazdaságossági-, szakmai jogi szempont. A műszaki szempontból való megfelelés a vezetékméretezés esetében egyrészt a villamosenergia-szolgáltatás minőségi jellemzőinek (pl. névleges feszültség,) biztosítását jelenti a fogyasztói pontokon, másrészt a folyamatos energiaellátás követelményének kielégítését jelenti, azaz azt, hogy a vezető mind villamos-, mind melegedési-, mind szilárdsági szempontból tartósan megfeleljen. A biztonság a létesítési- és az érintésvédelmi előírások (szabványok) betartásával biztosítható. A gazdaságosság követelményének kielégítése a beruházási és üzemeltetési költségek együttes minimumára, rövid létesítési időre és hosszú élettartamra való törekvés. A törvényes előírások (szabványok), rendeletek betartása és betartatása teszi lehetővé az esetleges vitás kérdések jogi elbírálását. A feszültség megengedett tűréshatárai: - kisfeszültségű elosztóhálózatokon: ± 7,5 %, - nagyfeszültségű hálózatokon: + 15 %, 10 %, A fogyasztói feszültség névleges feszültséghatárok között tartásának aktív módja a feszültségszabályozás, passzív módja a vezeték feszültségesésre méretezése. A villamosenergia-rendszer üzemében mindkét megoldást egyidejűleg alkalmazzuk. Feszültségesés: Vizsgáljuk meg, hogyan változik meg egy egyfázisú váltakozó áramú fogyasztó tápponti feszültsége, ha egy fázis és egy nulla vezetéken keresztül tápláljuk. Az U T tápoldali feszültség, I a táppontból a vezetékbe folyó áram, amely jelen esetben a távvezeték söntágainak áramát elhanyagolva megegyezik az I F, fogyasztói árammal, "ϕ " az U F és I F közötti szög, azaz a fogyasztói impedancia szöge. A fogyasztó feszültsége a távvezetéken át folyó áram ( I ) és a távvezeték ( Z ) impedanciájának ismeretében az U T tápfeszültségből számítható: U T -IZ-U F =0 azaz U T -U F =IZ Feszültségesésen a két végponti feszültség abszolút értékének különbségét értjük: A feszültségesés százalékos értéke a névleges fázisfeszültséghez viszonyított értéke:
hosszirányú feszültségesés: keresztirányú feszültségesés: egyenáram, egyfázisú váltó áram: e=2e háromfázis váltó, szimmetrikus: háromfázis, váltó, vegyes terhelés: Teljesítményveszteség: A vezetéken az átfolyó áram hatására wattos veszteség keletkezik, amely hő formájában melegíti a környezetét. Miután ezen veszteség fedezéséről a táppontban a fogyasztói teljesítmény-igényen túlmenően gondoskodni kell, így ez az átvitel hatásfokát jelentősen befolyásolja. Az energiaszolgáltatás szempontjából az a fontos, hogy a hálózati veszteség gazdaságilag elfogadható minimumára törekedjünk. Jelölje a tápponton betáplált teljesítményt P T, és a fogyasztó felvett teljesítményét P F. A vezetéken keletkező wattos veszteség (ѵ): ѵ = P T - P F W. A veszteség mértékének megítélésére, annak százalékos értéke, a százalékos teljesítményveszteség (α ) alkalmas, amely a veszteség összfogyasztáshoz való viszonya: A gyakorlatban a százalékos teljesítményveszteség elfogadható értéke kb. 5 %. a) Egyfázisú váltakozó áramú, valamint egyenáramú táplálás esetén; mivel az oda és visszavezetés ellenállását azonosnak tételezzük fel, v = I 2 (2R). Az egy vezetékszálon keletkező ún. mértékadó teljesítményveszteség: v = I 2 R, azaz v = 2v. Ha tehát adott α (%) értékének betartása a feladat, akkor a vezetékméretezéshez szükséges mértékadó teljesítményveszteség a fenn említett táplálásmódok esetén: b) Háromfázisú táplálás és teljes szimmetria esetében a teljesítményveszteség az előző esethez hasonlóan számítható. A három fázisvezetőben folyó áramok pillanatnyi értékének összege nulla, így a nullavezetőben nem folyik áram, azon veszteség sem keletkezik. A vezetékek azonos ellenállásúak, így az egy vezetékre jutó vezetékveszteség a teljes veszteség harmada, azaz : v = 3I 2 R, azaz v = 3v. Fel kell felhívni a figyelmet arra, hogy a legtöbb esetben a kisfeszültségű hálózat vezetékeinek csak az ohmos ellenállását vesszük figyelembe. A vezetéken a teljesítményveszteséget a fogyasztó tényleges áramával, míg a feszültségesést a fogyasztói áram wattos összetevőjével kell számolni!
III/2. Egyoldalról táplált vezeték méretezése feszültségesésre. A fogyasztókat csatlakozási pontjaikon a felvett állandó nagyságú árammal és az állandó értékű teljesítménytényezővel képezzük le, melyek rendre: I 1,cosϕ 1, I 2,cosϕ 2, I 3,cosϕ 3,... I n, cosϕ n A fogyasztók tápponttól vett nyomvonaltávolsága rendre: l 1, l 2, l 3, l n Az egyes szakaszokon (két fogyasztói csatlakozás között) folyó áramok: I 01, I 02, I 03,.. I (n-1)n Az egyes szakaszokban a szakaszáram hatására fellépő mértékadó feszültségesések: e 01, e 12, e 23,.. e (n-1)n A méretezés során minden szakasz vezeték keresztmetszete ugyanakkora, ez az állandó keresztmetszet (végigfutó keresztmetszet) módszere. Méretezés feszültségesésre: Mint az előzőekben elmondtuk, a vezetékek induktív reaktanciáját elhanyagoljuk, így feszültségesést csak a fogyasztói áramok wattos komponensei hoznak létre, amelyek rendre: I 1W = I 1 cosϕ 1, I 2W = I 2 cosϕ 2, I 3W = I 3 cosϕ 3, I nw = I n cosϕ n A vezeték keresztmetszetét jelen esetben úgy kell meghatároznunk, hogy a táppont és a legtávolabb eső pont között a vezetéken fellépő feszültségesések összege ne haladja meg az egész hálózatra megengedett feszültségesés értékét, és a vezeték maga végig azonos keresztmetszetű és anyagú legyen. Ennek alapján tehát egy vezetékszálon fellépő feszültségesés: Egy-egy vezetékszakasz ellenállása az állandó keresztmetszet figyelembe vételével: A megengedett legnagyobb (mértékadó) feszültségesés: ahonnan az állandó, ún. végigfutó keresztmetszet:
III/3. Egyoldalról táplált vezeték méretezése teljesítményvesztésre. A fogyasztókat csatlakozási pontjaikon a felvett állandó nagyságú árammal és az állandó értékű teljesítménytényezővel képezzük le, melyek rendre: I 1,cosϕ 1, I 2,cosϕ 2, I 3,cosϕ 3,... I n, cosϕ n A fogyasztók tápponttól vett nyomvonaltávolsága rendre: l 1, l 2, l 3, l n Az egyes szakaszokon (két fogyasztói csatlakozás között) folyó áramok: I 01, I 02, I 03,.. I (n-1)n Az egyes szakaszokban a szakaszáram hatására fellépő mértékadó feszültségesések: e 01, e 12, e 23,.. e (n-1)n A méretezés során minden szakasz vezeték keresztmetszete ugyanakkora, ez az állandó keresztmetszet (végigfutó keresztmetszet) módszere. Méretezés teljesítményveszteségre: A vezető végig állandó (végigfutó) keresztmetszetét hogy úgy kell megválasztanunk, hogy az azon fellépő veszteség ne lépje túl a megengedett értéket. A mértékadó vezetékveszteséget az egyes szakaszokban fellépő veszteségek összegeként felírva: v =v 01 +v 12 +v 23 + +v (n-1)n szakaszáramokkal és szakaszhosszakkal kifejezve: a kívánt keresztmetszet (méretezési összefüggés): Az egyes fogyasztói áramok összetevőikkel kifejezve:
ezek segítségével a szakaszáramok: általánosan felírható a szakaszáram, ha n a fogyasztók száma: a (k-1)k-adik szakaszáram fázistényezője: III/4. Sugaras vezeték méretezése feszültségesésre. Sugarasnak nevezzük az egyik végéről táplált, tetszőlegesen szétágazó nyílt vezetékrendszert, amelyben minden fogyasztóhoz az áram csakis egy meghatározott úton juthat el. Ha a vezetékrendszer jellemzői (keresztmetszet, hossz) és terhelési adatai adottak, akkor a tápponttól bármely vezetékág végéig fellépő feszültségesés egyszerűen úgy számítható ki, hogy az egyes sorbakapcsolt vezetékszakaszokon fellépő feszültségeséseket összegezzük. Sugaras vezeték méretezése feszültségesésre: Ha a vezetékrendszert méretezni kívánjuk, akkor a vezetékszakaszok keresztmetszetét kell úgy meghatározni, hogy a feszültségesés a tápponttól valamennyi ág végéig lehetőleg ugyanakkora legyen. Azaz minden fogyasztó a néveges feszültséget kapja. A megoldásnak egyik gyakorlati módszere a végigfutó keresztmetszet módszere. A módszer lényege, hogy minden szétágazásnál a közvetlenül szétágazó összes vezeték keresztmetszetének összege azonos a szétágazás
előtti vezeték keresztmetszettel. Természetesen több újabb elágazás esetén az összes elágazás előtti és az összes elágazás utáni vezetékkeresztmetszet összegére igazak az elmondottak. A végigfutó keresztmetszet elvéből tehát az következik, hogy az eredő wattos áramsűrűség állandó. Ez nem jelenti azt, hogy az egyes vezetékágakban is egyenlő és állandó nagyságú az áramsűrűség. A megállapítás csak az egész wattos áram és az összes keresztmetszet hányadosára vonatkozik. A méretezési összefüggések meghatározására először vizsgáljuk a sugaras rendszer egy elemét, amely törzsvezetékből és annak végéhez csatlakozó n számú elágazó vezetékből áll. A teljes feszültségesés tehát két részből áll, úgymint a törzsvezeték feszültségeséséből és az elágazási pont utáni vezetéken fellépő feszültségesésből: e =e 0 +e k valamint A 0 =A 1 +A 2 + +A n Az elágazás utáni vezetékek mindegyikére ugyanakkora feszültségesés (e k ) jut, így az egyes keresztmetszetekre a korábbiak szerint írható: ebből: Az elágazási pont (K) utáni szétágazó hálózat adatainak ismeretében a törzsvezeték keresztmetszete alapján számítható lenne, de nem ismerjük e k értékét, csak az egész hálózatra jutó e értékét. A törzsvezeték keresztmetszetének segítségével a törzsvezetékre jutó feszültségesés e 0 ) értéke is meghatározható: Vezessük be a j -edik fogyasztó tápponttól mért távolságára az l 0j kifejezést amivel: ebből meghatározható a keresztmetszet: A K elágazó pont mögötti hálózatra jutó mértékadó feszültségesés ismeretében az összefüggésekkel az elágazó vezetékek keresztmetszete rendre meghatározható. Fentiek alapján a méretezés menete:1. A megengedett százalékos feszültségesés ismeretében meghatározzuk a mértékadófeszültségesést, 2. Kiszámítjuk az egyes fogyasztók áramainak hatásos összetevőjét, 3. A fogyasztók tápponttól vett távolságainak ismeretében kiszámítjuk a törzsvezeték keresztmetszetét, 4. A törzsvezeték névleges keresztmetszetét meghatározzuk és ellenőrizzük terhelhetőségre. 5. Kiszámítjuk a törzsvezetéken eső tényleges feszültségesést, 6. Meghatározzuk a törzsvezeték mögötti hálózatrészre jutó megengedett feszültségesést.)
Ezután a sugaras hálózatot a törzsvezeték végén lévő elágazási pontban felhasítjuk, minek következtében a törzsvezeték mögötti hálózatrész sugaras vezetékekre esik szét. Ezen sugaras vezetékek első vezetékszakaszát törzsvezetéknek tekinthetjük. Megismételve ezen újabb vezetékszakaszok keresztmetszete meghatározható. Majd újabb felhasítást követően a méretezési lépéseket addig ismételjük ameddig az összes vezető keresztmetszetét meg nem határoztuk. A (63) összefüggés azt bizonyítja, hogy bármely elágazási pont előtti vezeték törzsvezetéknek tekinthető, és keresztmetszetét megkapjuk, ha ezen törzsvezetéknek tekintett vezeték elejére felírjuk a mögötte lévő hálózat áramnyomatékát és megszorozzuk ρ/e -vel, ahol e ezen törzsvezeték elejétől a mögötte levő hálózat legtávolabbi pontjáig megengedett mértékadó feszültségesés. III/5. Egyenletesen terhelt vezeték méretezése. Legyen az egyik végéről táplált, egyszerű nyitott vezeték nagyszámú fogyasztóval úgy terhelve, hogy a fogyasztók egyenlő teljesítményűek, és csatlakozási pontjuk egymástól egyenlő távolságra van. Más szóval a fogyasztói áramok és szakaszhosszak egyenlők: I 1 =I 2 =I 3 = =I n =I és cosφ 1 = cosφ 2 = cosφ 3 =...=cosφ n =cosφ valamint l 01 =l 12 =l 23 =..=l (n-1)n =l a mértékadó feszültségesés: L=n*l ebből az egyenletesen terhelt vezeték méretezése: Ebből az összefüggésből látható, hogy egyenletesen elosztott terhelés esetén a vezeték végén fellépő (legnagyobb) feszültségesés feleakkora, mint a vezeték végén ugyanakkora összárammal terhelt vezetéké. III/6. Hálózatok hibaállapotai, a hibák osztályozása. A hibák osztályozása. A hibák keletkezése, okai, következményei. A különböző hibaállapotok gyakorlati példái. A villamos energiát szállító és elosztó hálózatok egyes elemein (távvezetékek és kábelek, transzformátorok, kapcsolókészülékek, mérőváltók stb.) bekövetkező mindazon váratlan eseményt, amelyek a hálózatok rendeltetésszerű üzemállapotát megváltoztatják vagy károsan befolyásolják, üzemi hibáknak nevezzük. A hálózatok különféle hibái a berendezések effektív károsodásán túlmenően megbonthatják a kooperációs villamosenergia-rendszer üzemét, teljesen vagy részlegesen megszüntethetik a fogyasztók villamosenergia-ellátását, adott esetben közvetlen életveszélyt jelenthetnek a berendezéseket kezelő személyzet számára. Az élet- és vagyonbiztonság követelményeinek kielégítése, a villamosenergia-ellátás folyamatosságának biztosítása megkövetelik a hálózatok üzemi hibái elleni hatékony védekezést. Ehhez viszont feltétlenül szükséges a hibák fajtáinak, keletkezésük okainak, a hibaállapotban fellépő hálózati viszonyoknak, a hálózat jellemző paraméterei (pl, áram, feszültség, teljesítmény stb.) változásának a részletes ismerete. A hálózati hibáknak három fajtáját különböztetjük meg: - sönthibák, - soros hibák, - szimultán hibák. A sönthibák azok a hálózati hibák, amelyek sönt ágként kapcsolódnak a főáramkörbe. A hálózati sönthibák eszerint a hálózaton fellépő különféle zárlatok.
A zárlat a villamos hálózat olyan hibája, amelyet a hálózat különböző fázisvezetői közötti vagy a fázisvezető és a föld vagy a földelt nullavezető közötti szigetelés teljes letörése (átütés, átívelés, vezetők összelengése stb.), vagy a vezetők összekapcsolódása idéz elő. A különféle zárlatok hatására a zárlat keletkezésének helyén az ún. hibahelyen egyrészt a normál üzemi feszültség kisebb-nagyobb mértékben csökken, sőt szélső esetben nulla értékű lesz, másrészt a hibahely felé, általában az üzemi áramot többszörösen meghaladó, zárlati áram fog folyni. A zárlatok okozta feszültségletörés gyakran igen nagy kiterjedésű hálózatrészeken érezteti hatását, megbonthatja a kooperációs hálózatra dolgozó erőművek stabil üzemét. Az üzemi áramnak gyakran 10...20-szorosát elérő zárlati áram a zárlati áramkör soros elemeiben (vezetékek, transzformátorok, készülékek) káros túlmelegedéseket okozhat, a zárlati ív termikus hatása nagymértékű pusztítást okozhat a hibahelyen, a zárlati áram dinamikus erőhatása pedig ugyancsak a zárlati áramkör elemeinek épségét veszélyezteti. A zárlatok ilyen hatásainak megakadályozása, ill. az esetleges rongálódások lehető legkisebb mértékűre való korlátozása érdekében a hálózatok zárlatait nagy biztonsággal kell érzékelni, és igen gyorsan meg kell szüntetni. (Ennek eszközei a különféle zárlatvédelmi készülékek.) Ahhoz, hogy a zárlatok káros hatásai ellen kellőképpen védekezhessünk, részletesen ismernünk kell a zárlatok fizikai sajátosságait. Pontosan meg kell tudnunk határozni a hálózat különféle helyein, az egymástól eltérő üzemállapotokban fellépő, különféle zárlatok áram- és feszültségviszonyait. A zárlatok fajtáit többféle szempont szerint lehet csoportosítani. Ha az üzemszerűen feszültség alatt álló vezetők közvetlenül, fémesen záródnak egymáshoz, akkor fémes vagy másképpen merev zárlatról beszélünk. Ellenkező esetben íves zárlat lép fel. A háromfázisú, váltakozó áramú villamosenergia-rendszerekben a zárlat által érintett fázisok száma szerint tehát abból a szempontból, hogy hány feszültség alatt álló fázisvezető záródik egymással vagy a földdel a következő zárlatfajtákat különböztetjük meg: - 3F háromfázisú rövidzárlat földérintés nélkül, - 3FN háromfázisú földrövidzárlat, - 2F kétfázisú rövidzárlat földérintés nélkül, - 2FN kétfázisú földrövidzárlat, - FN egyfázisú földrövidzárlat, - Ff egyfázisú földzárlat. A műszaki gyakorlatban akkor használjuk a rövidzárlat terminológiát, ha a különböző fázisvezetők egymással vagy a földdel való összezáródása oly módon jön létre, hogy egészen kis impedancián keresztül alakul ki zárt áramkör. Ellenkező esetben zárlatról beszélünk. Tekintettel arra, hogy a vizsgálati módszer szempontjából közömbös, hogy rövidzárlati vagy zárlati jelenség problémájával állunk szemben, a következőkben hacsak erre nincs valami különleges indokunk (pl. megkülönböztető figyelemfelhívás) mindig a zárlat szót fogjuk használni. A felsorolt zárlatfajták közül a 3F és 3FN zárlatokat mivel azok mindhárom fázist érintenek szimmetrikus zárlatnak, míg a többit aszimmetrikus zárlatnak is nevezik. A 3FN zárlatot csak elméletben különböztetjük meg a 3F zárlattól, ugyanis a földérintéssel együtt fellépő háromfázisú rövidzárlat (3FN) esetén kialakuló zárlati áram- és feszültség-viszonyok gyakorlatilag teljesen azonosak a "tiszta" 3F zárlatnál kialakulókkal, így a továbbiakban a 3FN zárlattal nem is foglalkozunk. A 3F és 2F zárlatoknál kialakuló áram- ás feszültségviszonyok függetlenek attól, hogy a hálózatot tápláló transzformátorok csillagpontja földelt-e, vagy sem. Az egyes zárlatfajták jelölésében szereplő N betű a közvetlenül földelt csillagpontú hálózatok földérintéses zárlatait (földrövidzárlatok), míg az f betű a nem közvetlenül földelt vagy
szigetelt csillagpontú hálózatok földérintéses zárlatait (földzárlatok) jelöli. A 2FN és FN zárlatot tehát csak a közvetlenül földelt csillagpontú hálózatokon értelmezzük, amikor is a rövidzárlati áramkör a földön át záródik. Ezért nevezik ezeket kétfázisú, ill. egy-fázisú földrövidzárlatnak. Az Ff zárlat viszont csak a nem közvetlenül földelt csillagpontú (pl. szigetelt vagy kompenzált) hálózatokon van értelmezve. Az ilyen hálózatok egy fázisának a földhöz való záródása csak kapacitást zár rövidre, így a kialakuló áram nem esik a rövidzárlati áramok nagyságrendjébe, még az üzemi áramnak is csak néhány százaléka. A zárlatok kiváltó okait tekintve beszélhetünk spontán és művi eredetű zárlatokról, Az emberi beavatkozás nélkül létrejövő spontán zárlatok leggyakoribb okai: villámcsapás, vezetékszakadás, a vezetékek összelengése vagy felcsapódása, a szigetelők átívelése vagy átütése, ill. kábelhálózatokon a kábelszigetelések elöregedése, kábelszerelvények helytelen szerelése. A művi zárlatok leggyakoribb oka a téves kezelés vagy a helytelen beavatkozás pl. kábelek "megcsákányozása", téves szakaszolás stb. miatti külső sérülés. A hálózatokon és a kapcsolóberendezésekben fellépő zárlatok döntő többsége spontán zárlat. Megjegyezzük, hogy a szabadvezetékes hálózatokon fellépő spontán zárlatok jelentős része ún. múló jellegű zárlat, ami azt jelenti, hogy a zárlat kikapcsolása után a hiba megszűnik, tehát a berendezés azonnal ismét üzembe vehető. (Emiatt alkalmaznak a szabadvezetékes hálózatok távvezetéki zárlatainak kikapcsolása után önműködő visszakapcsolást.) Ez azért lehetséges, mert egyrészt a spontán zárlatok kiváltó oka általában igen gyorsan megszűnik (pl. villámcsapás), másrészt a korszerű zárlatvédelmek igen gyorsan érzékelik a zárlatot, és a lehető leggyorsabban kikapcsolják a zárlatos objektum megszakítóját, megakadályozva ezzel a hibahelynek az üzemfolytonosságot lehetetlenné tevő mértékű (maradó) sérülését. (Korszerű védelmi berendezés és gyors működésű megszakító esetén a teljes zárlathárítási idő 100...150ms, vagy még ennél is kevesebb lehet.) A zárlatok előfordulási gyakorisága a különféle hálózatokon más és más, a hálózat kialakításától, az oszlopképtől, a földrajzi, éghajlati viszonyoktól stb. függően. A statisztikai adatok tanúsága szerint a hazai 400 kv-os nagyfeszültségű szabadvezetékes hálózatok távvezetékein 100km-enként átlagosan kb. 1-2 zárlat lép fel évente, a 220 kv-os távvezetékeken pedig átlagosan kb. 2-3 zárlat. A 400 és 220 kv-os hálózatok zárlatai szinte kivétel nélkül FN zárlatok. A 120 kv-os szabadvezetékes hálózat távvezetékein az éves átlagos zárlati gyakoriság 8-10 zárlat/100km, amelyek nagy többsége (kb. 90 %-a) szintén FN zárlat. A nagyfeszültségű szabadvezetékes hálózatok zárlati gyakorisága tehát viszonylag nem nagy, aminek elsősorban az az oka, hogy e hálózatok távvezetékei mindig villámvédő vezetővel létesülnek, vagyis a fázisvezetők a légköri túlfeszültségek (villámcsapás) behatolása ellen viszonylag hatékonyan védettek, a zárlatfajták közül itt azért uralkodó az FN zárlat, mert e feszültségszinteken az egyes vezetők fázistávolsága viszonylag nagy (több méter), így kicsi az esély arra, hogy a fázisvezetők egymással érintkezzenek. A távvezetékek zárlati szempontból legveszélyesebb pontjai a szigetelők, amelyek átütése vagy átívelése okozza általában a fázisvezetőnek a földpotenciálon levő oszlophoz való záródását, vagyis az FN zárlatot. Az FN zárlati gyakoriság viszont korrelál a szigetelőlánc hosszával, ezt bizonyítja a 120 kv-os hálózati FN zárlatoknak pl. a 400 kv-os FN zárlatokhoz képest 5-10-szer nagyobb gyakorisága. A hazai középfeszültségű (túlnyomórészt 20kV-os) kompenzált, szabadvezetékes elosztóhálózatok zárlati gyakorisága a statisztikák tanúsága szerint 20-30 rövidzárlat évenként 100 kmre számítva. Ezt a viszonylag nagyobb rövidzárlati gyakoriságot az magyarázza, hogy ezeknek a hálózatoknak a távvezetékei védővezető nélkül készülnek (kivéve a tápállomásokból kiinduló kezdeti rövid szakaszokat), és a fázisvezetők egymástól való távolsága is viszonylag kicsi. Ezeken a hálózatokon az egyfázisú földzárlatok (Ff) gyakorisága a rövidzárlatokét meghaladja. A kábelhálózatok zárlati gyakorisága általában egy nagyságrenddel kisebb, mint a szabadvezetékes hálózatoké, ami érthető is, ha meggondoljuk, hogy a kábelhálózatok gyakorlatilag teljesen védettek a légköri behatásoktól. A hazai 10 kv-os kábelhálózaton pl. évente átlagosan kb. 2-3 zárlat lép fel 100 km hosszon. Soros hiba a szimmetrikus háromfázisú hálózatok mindazon hibája, amelynél legalább az egyik fázisvezető soros impedanciája egy rövid szakaszon eltér a többi fázisvezető impedanciájától (vagyis például egy vagy több fázisban vezetőszakadás lép fel). A vezetékszakadás a nagyfeszültségű hálózatokon viszonylag ritka jelenség. A fázisvezető elszakadását okozhatják külső mechanikai hatások (pl. nagymennyiségű zúzmara ráfagyása) vagy hibásan kivitelezett, ill. korrodált vezeték-összekötés (ez az ún. áramkötés, ahol a vezetékszálak nem kellő érintkezése miatt megnő az átmeneti ellenállás, amelyen az átfolyó üzemi áram akkora hőmérséklet-növekedést okoz, ami a vezető anyagát kilágyítja és az kicsúszik az áramkötésből. A nagy feszültségű hálózatokon soros hiba lehet a hálózat soros elemei megszakítóinak ún. beragadása. A megszakító beragadás azt jelenti, hogy adott hálózati elem megszakítójával végzett kapcsolási művelet során valamilyen (mechanikai vagy villamos) hiba miatt a megszakító egy vagy két fázisa nem hajtja végre a vezérelt kivagy bekapcsolási műveletet.
(Tételezzük fel például, hogy két csomóponti állomást összekötő nagyfeszültségű távvezetéket karbantartási munkák után be akarnak kapcsolni, ezzel helyreállítva a két állomás gyűjtősínjei közötti közvetlen összeköttetést. Ennek szokásos menete az, hogy az egyik állomási gyűjtősínről feszültség alá helyezik a távvezetéket majd az esetleg szükséges szinkronállapot-ellenőrzéssel a másik állomáson az adott vezetéki leágazás megszakítójára kiadják a háromfázisú bekapcsolási parancsot. Ha ez utóbbi megszakítónak az egyik fázisa valamilyen hiba miatt nem kapcsolódik be (beragad), akkor a két állomást összekötő távvezetéken az egyfázisú szakadásnak megfelelő soros hiba lép fel.) Megjegyezzük, hogy a tisztán soros hiba eléggé ritkán fordult elő, ugyanis ha az elszakadt vezeték a földre esik vagy az oszlophoz, ill. a többi fázisvezetőhöz csapódik, akkor ez már zárlatot is okoz, vagyis szimultán hiba keletkezik. (Hasonló helyzet állhat elő olyan megszakító beragadás esetén, amely védelmi készülékek által indított zárlathárító kikapcsolási művelet során lép fel.) Szimultán hibának nevezzük tehát azt a hibaállapotot, amikor a fémesen összefüggő hálózat bármely - gyakran egymástól távol levő - pontjain egyidejűleg több hiba lép fel. A földeletlen csillagpontú és a kompenzált hálózatok gyakori és tipikusnak mondható szimultán hibája a kettős földzárlat (2Ff). Kettős földzárlatról akkor beszélünk, ha a hálózat két különböző - gyakran egymástól távol eső - pontján, két különböző fázisban egyidőben egyfázisú földzárlat lép fel. A kettős földzárlatok döntő többsége egyfázisú földzárlattal indul, akkor a földeletlen csillagpontú hálózatokon az ép fázisok feszültsége megemelkedik, s ennek hatására a hálózat elszennyeződött (ezáltal leromlott szigetelési képességű), vagy sérült (pl. repedt) szigetelői közül valamelyik átüt vagy átível, ami az addig még ép fázisok valamelyikén szintén egyfázisú földzárlatot jelent, tehát kialakul a kettős földzárlat. (A gyakorlatban úgy mondják, hogy a hálózatokon az egyfázisú földzárlat "megkeresi a párját".) A 2Ff zárlatok árama a rövidzárlati áramok nagyságrendjébe esik, tehát az üzemi áramnak általában többszöröse. III/7. Állandó feszültségről táplált zárlat fogalma. 3F zárlat számítása a reaktancia ohmos értékeivel. A szimmetrikus 3F zárlatok áramának és teljesítményének ismerete azért fontos, mert a hálózatokon általában a 3F zárlatok adják a különféle készülékek és berendezések méretezéséhez ill. kiválasztásához mértékadó legnagyobb zárlati igénybevételt. A számítási módszerekben az alábbi az átlagos gyakorlati igényeket még kielégítő pontosságot biztosító elhanyagolásokat tesszük: - a zárlatokat állandó feszültségről tápláltnak tekintjük, - a szinkron generátorokat tranziens reaktanciájukkal vesszük figyelembe, - a hálózatokat terheletlennek tekintjük. Az erőművektől viszonylag távol eső zárlatokat állandó feszültségről táplált zárlatnak nevezzük. Mivel a 3F zárlat szimmetrikus és a távvezetékek is szimmetrizáltak, azaz az átvitel is szimmetrikus, ezért egyfázisú helyettesíthető vázlat készíthető. Így elegendő egy fázisra elvégezni a számítást, hiszen a fázisáramok ill. a fázisfeszültségek abszolút értékei azonosak, szöghelyzetük pedig egymáshoz képest 120 -kal elforgatott. Első lépésként felrajzoljuk az adott hálózat egyfázisú helyettesítő kapcsolási rajzát. A mögöttes hálózatot leképezhetjük egy Usz/ 3 feszültségű, egyfázisú generátorral és egy Xm reaktanciával. A mögöttes hálózatot, a mögöttes hálózat csatlakozási pontján fellépő zárlat zárlati teljesítményével jellemzik (Szm). Ebből a mögöttes hálózat reaktanciája: Ebből az áramkörből a hibahelyen, egy fázisban folyó zárlati áram, és a zárlati teljesítmény:
Ha a zárlati áram értékére nemcsak a hibahelyen van szükségünk, hanem annak a hálózaton való eloszlását isw tudni akarjuk, akkor az eredő impedancia kiszámításakor visszafelé követjük az összevonások lépéseit és így határozzuk meg az egyes hálózati ágakban folyó zárlati áramokat. A hálózat egyes elemeinek komplex impedanciái helyett skaláris értékekkel számolunk: - a, csak a reaktanciákat vesszük figyelembe, az ohmos ellenállásokat elhanyagoljuk (gyorsabb, a ténylegesnél nagyobb zárlati áramot ad, elterjedtebb) - b, az impedanciák abszolút értékével skalárként számolunk (elhanyagoljuk a fázisszög különbséget, pontosabb, számolásigényesebb, a ténylegesnél kisebb zárlati áramot ad) Az egyes hálózati elemek reaktanciáit az alábbiak szerint határozhatjuk meg: Távvezetékek, kábelek: X = xl (Ω) távvezeték x = 0,4 0,5 W/km kábel x = 0,1 0,2 W/km. Generátorok, transzformátorok, fojtótekercsek: a százalékos reaktanciából (ԑ) az ohmos érték: A reaktanciák ohmos értékével való számításhoz ki kell jelölni egy U sz számítási feszültségszintet, és a transzformátorok miatt különböző feszültségszintű hálózatok elemeinek reaktanciáit erre a közös számítási feszültségre kell redukálni. Az átszámítás a teljesítményazonosság elvén alapul: amiből Az X reaktancia az U n névleges feszültségű hálózati elem X reaktanciájának az U sz számítási feszültségre redukált értéke. Egy transzformátor reaktanciájának U n -ról, U sz feszültségszintre való átszámított értéke: vagyis az átszámított reaktancia értékét azonnal megkapjuk, ha a névleges feszültség helyett a számítási feszültség négyzetével számolunk. III/8. A százalékos impedancia fogalma, a 3F zárlat számítása az impedanciák százalékos értékeivel. A hálózati elemek jelentős részénél (generátorok, transzformátorok, fojtótekercsek) a reaktanciák százalékos értékét alapadatként ismerjük. Ezen hálózatok zárlatait az egyszerűbb redukálhatóság miatt célszerű a reaktanciák százalékos értékeivel számolni.
Ha az ohmokban kifejezett X értékek helyett, százalékokkal ԑ kívánunk számolni, csak úgy tehetjük meg, hogyha a százalékos értékek ugyanarra a vonatkozási alapra értelmezettek: ahol [Z n ]=Ω a névleges terheléshez tartozó impedancia. Két azonos névleges feszültségű hálózatelem azonos ohm értékű reaktanciájának százalékos értéke eltérő, ha a két hálózatelem különböző névleges terhelésű. Ekkor azok különböző névleges teljesítményűek is. Közös alapra úgy hozhatjuk, ha választunk egy terhelésalapot, amely jelen esetben egyenlő egy teljesítményalap (S a ) megválasztásával. Ezek után minden ԑ értéket erre a jözös teljesítményalapra kell átszámítani: A távvezetékek (soros fojtótekercsek) ohmos értékben megadott reaktanciáját is kifejezhetjük százalékos értékben: a százalékos reaktanciák soros és párhuzamos eredője: A hálózat eredő reaktanciája a választott alapteljesítményre vonatkoztatva: ennek ismeretében a hibahelyen uralkodó zárlati teljesítmény: a zárlati áram pedig: adott táppont mögötti hálózat (mögöttes hálózat) százalékos reaktanciája (ԑ m ) a választott teljesítményalapra, ahol S zm a táppontra megadott ún. mögöttes zárlati teljesítmény.
III/9. A 2F zárlat közelítő számítása. A számítás közelítő jellege abban áll, hogy: - vonali feszültséggel tápláltnak képzeljük el - a vezeték reaktanciájánál az egyfázisú reaktanciát vesszük figyelembe, holott korrekten ez csak szimmetrikus zárlat esetén tehető meg - végtelen merevnek képzeljük el a táplálását A 2F zárlat közelítő számításánál a két vezeték egyfázisú reaktanciájával számolva: A 3F zárlati árammal számolva: ahol: III/10. A 2Ff zárlat közelítő számítása. A különböző fázisokban fellépő két egyfázisú földzárlati hibahely között a zárlati áram a vezeték nyomvonalát követvea földben folyik. A két zárlati hely között csak egyetlen fázisvezetőben folyik zárlati áram. A hálózat ama részein pedig, ahol a földben nem halad áram, a két fázisvezetőben folyó zárlati áramok úgy folynak, mint a tiszta kétfázisú (2F) zárlat esetén. Adott hálózaton a kettős földzárlatok áramának nagysága a zárlatok helyétől függően széles határok között mozoghat. Egymástól távoli hibahelyek esetén a teljes zárlati áramhurok nagy impedanciája miatt a zárlati áram viszonylag kicsi. A zárlatvédelmek érzékelési szempontjából viszont éppen ezek a kritikus esetek, tehát többnyire ilyen esetekben van szükség a zárlati áram számszerű ismeretére. Minthogy azonban ilyenkor a táppont feszültsége gyakorlatilag ép marad, egyszerű módszer adódik a 2Ff zárlati áram kiszámítására. Nevezetesen a merev feszültségűnek tekintett táppontból kiindulva összegezzük a zárlati árampálya reaktanciáit, és a zárlati áramot az így nyert egyfázisú
áramkörből amelyet a hálózat két fázisa közötti feszültség, vagyis a vonali feszültség táplál meghatározzuk. Ezzel a módszerrel jó közelítéssel, a gyakorlati igényeket kielégítő pontossággal lehet számítani a 2Ff zárlati áramot. A módszer gyakorlati alkalmazását példán mutatjuk be. Az ábrán látható hálózaton kettős földzárlat lép fel. A két hibahely két különböző fázisban, a hálózat D és E pontján keletkezik. Kiszámítandó a 2Ff zárlati áram. Először vizsgáljuk meg a zárlati árampálya alakulását. Az AB tápponti transzformátoron és a BC vezetéken a zárlati áram a két érintett fázisvezetőben folyik. A CD és CE vezetékek zárlatos fázisvezetőiben folyik zárlati áram, a zárlati áramhurok pedig e vezetékek nyomvonalát követve a földben záródik. Ennek alapján felrajzolható az egyfázisú helyettesítő áramkör, amely a zárlati árampálya számítási feszültségre vonatkozó reaktanciáit tartalmazza. Az ábra alapján az eredő reaktancia az árampálya reaktanciáinak összege: az XF földreaktancia értéke a gyakorlatban 0,3 Ω/km értékkel számítható. A 2Ff zárlati áram: III/11. A védelmekkel szemben támasztott követelmények. Védelem, illetve védelmi rendszer feladata: a villamos energiarendszerekben vagy azok egyes részeiben bekövetkezett hibát vagy rendellenes üzemállapotot érzékelni, és emberi beavatkozástól függetlenül, a hiba helyének megállapítása vagy a normálistól eltérő üzemállapot kimutatása UTÁN a hibás berendezést kikapcsolni, illetőleg a személyzetnek jelzést adni. A védelmi rendszer funkcionálisan a következő részfeladatokat látja el: - érzékelés - kiértékelés - parancsadás - beavatkozás - jelzés - naplózás A védelmekkel szemben általában a következő követelményeket támasztjuk: 1. Gyorsaság: egyrészt a berendezés sérülését csökkenti, másrészt a rendszer üzemének zavartalan folytatását biztosítja. A zárlati ív romboló hatása a zárlat időtartamától függ. (Pl. a több másodpercig fennálló ív súlyos károkat okozhat.) Ezért a gyors lekapcsolás fontos követelmény. 2. Szelektivitás (kiválasztás). E fontos követelmény azt írja elő, hogy a védelem csak a zárlatos, sérült részt válassza le. Így válik lehetővé az ép berendezések további zavartalan üzemeltetése. A védelmi rendszer szelektivitása a következő módon érhető el: a) Időkésleltetések különböző beállítása. Ez azt jelenti, hogy pl. a független késleltetésű túláramvédelmeket - a hálózat végétől a táppontig- különböző időbeállítással látjuk el. Az időbeállítás a táppont felé általában minden védelemnél
azonos értékkel (időlépcsővel) nő. A zárlathoz legközelebb eső relé időkésleltetése a legkisebb. Így az A helyen bekövetkező zárlatot a legrövidebb időbeállítású túláramrelé fogja lekapcsolni. A többi relé is megindul, de a zárlat lekapcsolása után, azaz 0,5 s múlva visszatérnek alaphelyzetükbe. b) Az érzékelőelemek különböző beállítása. A táppontból kiindulva a vezetékek impedanciája nő, így a rajtuk létrejövő zárlati áram nagysága a távolság növekedésével csökken. Ez lehetővé teszi, hogy árambeállítással is megállapítható, ill. megkülönböztethető legyen a zárlat helye. Az áramszelektív védelmek ezért megfelelő áramlépcsőzéssel rendelkeznek. Mindig az a védelem kapcsol le, amely az adott zárlatot a beállítási tartományán belül érzékeli. 3. Érzékenység. A védelmekkel kapcsolatban általános követelmény, hogy érzékenységük különböző zavaró tényezők ellenére is biztosítsa a szükséges működést bármely üzemállapotban. Ilyen zavaró tényező lehet, pl. a hibahely átmeneti ellenállása, lengési jelenség stb. 4. Üzembiztonság, gazdaságosság. Ez a legfontosabb követelmény. Ezt a szempontot a védelmeknél azért kell igen hangsúlyozottan kiemelni, mert bármely védelem hibája, azaz felesleges működése, vagy a szükséges működés elmaradása súlyos következményt von maga után, a védelem teljes beépítési árához képest nagyságrendekkel nagyobb kár keletkezik. A szelektivitásnál már említettük, hogy a fellépő zárlatot a hozzá legközelebb eső megszakító kapcsolja le. Ezt a megszakítót működtető védelmet, általában pedig azt a védelmet, amelynek egy adott zárlatra elsősorban működnie kell, alapvédelemnek nevezzük. Amennyiben az alapvédelem valamilyen okból nem működik egy ugyanarra a megszakítóra ható, s az alapvédelmet pótló tartalékvédelem (közeli tartalék) működik. Az alapvédelem hibája miatt, ha nincs tartalékvédelem vagy a megszakító hibája miatt még a tartalékvédelem esetén is a következő berendezés védelme szünteti meg a zárlatot. Ezt fedővédelmi (távoli tartalék) működésnek nevezzük. A fedővédelmi működés lekapcsolási idővel jár, és nagyobb terület kiesését eredményezi. 4. Egyszerűség. Ez a követelmény bizonyos engedményeket kíván. Ezeket szinte egyedileg kell meghatározni. Az egyszerűség a védelemben esetleg megkötöttséget jelenthet a berendezés egyes üzemállapotaival kapcsolatban. Pl. bizonyos üzemállapotokat le kell tiltani. Egy egyszerű felépítésű védelem sokkal nagyobb biztonságot nyújthat, mint egy bonyolultabb, sok elemből álló berendezés. Az utóbbinak ugyanis az esetleges belső hibája gyakoribb lehet. A védelmi rendszer kialakításának alapvető problémája az, hogy milyen módon, milyen eszközökkel történjen a zárlat érzékelése: - túláram érzékelés: túláramvédelmek - feszültség érzékelés: feszültségcsökkenési és emelkedési védelmek - impedancia érzékelés: impedancia védelmek, távolsági védelmek
- differenciálelvű érzékelés: differenciálvédelmek, szakaszvédelmek, igen-nem jelet összehasonlító logikai védelmek - egyéb, speciális célú és érzékelési elvű védelmek Védelmi generációk: - elektromechanikus védelmek - egyenirányítós, nullindikátoros elektromechanikus védelmek - analóg mérést végző elektronikus védelmek - analóg leképezésű, de impulzustechnikai feldolgozást végző elektronikus védelmek - analóg-digitális átalakítós (mintavételes), mikroprocesszoros védelmek. III/12. A relék fajtái, és működési módjuk, jellemzői (ejtőviszony, tartóviszony, hiba, szórás). A relék feladata valamilyen fizikai mennyiség (folyadék szint, áramerősség stb.) a villamosenergia-rendszerben alkalmazott relék esetében többnyire villamos mennyiség (áramerősség, feszültség, frekvencia, impedancia, energiairány stb.) nagyságának meghatározott, beállított értéket átlép, akkor bekövetkezik a relé működése, megszólalása. Ez a megszólalás kiváltja az előre beprogramozott vezérlési feladatokat. A relék feladata tehát kettős: érzékelés és parancsadás, ennek megfelelően a legegyszerűbb relének is legalább két áramköre, és így négy csatlakozókapcsa van. Működésük nem folyamatos, hanem billenő jellegű. Működési elv szerint megkülönböztetünk: - elektromágneses, - indukciós, - elektrodinamikus, - hőhatáson alapuló - egyenirányítós, - elektronikus (félvezetős), - egyéb elven működő reléket. Az első öt típus működési elve azonos az ugyanilyen elnevezésű mérőműszerekével. A hatodik elektronikus relé többnyire nem elemi relé, hanem kapcsolási kombináció, amelynek legfeljebb csak kimeneti oldala tartalmaz egy elektromechanikus segédrelét. Az utolsó csoportba tartoznak pl. a transzformátorok gázképződésére és olajáramlására reagáló Buchholz-relék, nyomásváltozásra működő relék stb. A megszólalást kiváltó jellemző mennyiség szerint az alábbi csoportok állíthatók fel: - Áramrelék. A relé tekercsén átfolyó áram beállítással meghatározott értékének túllépésekor működnek. Rendszerint In = 5 A, ritkábban In = 1 A névleges szekunder áramú áram-váltóhoz való csatlakozásra készülnek. A megszólalási áram az egyes típusoknál általában (l...2) In, esetleg (0,5...1,0) In között állítható be. Egyes célokra (4...8) In és (8...16) In sávon belül megszólaló relék is készülnek. - Feszültségrelék. Az érintkező kialakítási módjától függően feszültségemelkedési és feszültségcsökkenési változata van. Többnyire 100 V vagy ritkábban 200 V névleges szekunder feszültségű feszültségváltókról való táplálásra készítik. A beállítási skálatartomány többféle, de a skála-határok aránya rendszerint 1:2, pl. 60...120 V, vagy 30...60 V. - Teljesitményirányrelék vagy más néven energiairány-relék a wattos vagy meddő teljesítmény irányát, vagy általánosabban az áram és feszültség egymáshoz képesti viszonylagos vektorhelyzetét érzékelik. Két tekercsük van: áramtekercs és feszültségtekercs. Nyomatékuk nagysága és előjele az áram, a feszültség és köztük lévő szög valamelyik szögfüggvényének szorzatától függ, ezért szorzatreléknek is nevezzük. Elmozdulásuk mindkét irányban lehetséges, így két érintkezőjük van, amelyek az egyik és másik energiairánynak felelnek meg. Beállítási lehetőségük nincs. Rendszerint In=5 A és Un=100 V névleges csatlakozási értékre készülnek. - Impedanciacsökkenési relék. Szintén két tekercsük van, egy áram- és egy feszültség-tekercs. A nyomatékukat a feszültség és áram hányadosa szabja meg. Megszólalnak, ha a hányados a beállítással meghatározott érték alá süllyed.
Módosított változata a reaktanciarelé és az admittanciarelé. Többnyire In = 5 A, vagy In =1 A és U =100 V névleges értékre készülnek. - Frekvencia-relék. A váltakozó áram frekvenciáját érzékelik. Un=100 V névleges feszültségű feszültségváltóhoz csatlakoznak. Megszólalnak, ha a frekvencia a beállított érték alá csökken, vagy föléje emelkedik. Európában a névleges frekvencia 50 Hz, a relék beállítási tartománya rendszerint 45...55 Hz. - Impulzusra működő relék. E kategóriába sorolhatók a segédrelék és az időrelék, amelyek tekercse az áramforrásból csak nulla, vagy gyakorlatilag névleges működtető feszültséget kaphat és ennek megfelelően húz meg vagy enged el. Feladatuk tehát az előző csoportoktól eltérően nem a kapcsaikon megjelenő villamos mennyiség nagyságának megítélése, hanem csupán annak jelenléte és hiánya közötti megkülönböztetés. Az ábrán látható, hogy a relé működésének hiszterézise van. A meghúzáshoz és az elengedéséhez (azaz a működéshez és a működés utáni visszatéréshez) az érzékelt fizikai jellemző más és más értéke tartozik. Ennek alapján a relé két fontos jellemzője definiálható: Ejtőviszony= elengedési érték/megszólalási érték A tartóviszony az ejtőviszony reciproka. A relék nagy részénél a megszólalási érték az e célra szolgáló skálán adott határok között beállítható. A tényleges megszólalási érték és a skálán beállított érték különbsége a skálahiba, amit a skálaértékhez viszonyítva százalékosan adnak meg: Jó minőségű relénél az 3-5 %-ot nem haladja meg. Adott beállítású relé többszöri megszólalása a mért mennyiség nem pontosan azonos értékénél következik be. E tulajdonság a relé szórása. Mennyiségileg úgy fejezik ki, hogy több - rendszerint tíz - működésből megállapítják a megszólalást kiváltó legnagyobb és legkisebb érték különbségét, és ezt viszonyítják az átlagos értékhez. A védelmi célokat szolgáló relék szórása 3-5 %. III/13. Zárlatkezelési módok. Túláram érzékelés: zárlat hatására általában megnő az áram. Ha a zárlati áram minden üzemállapotban nagyobb, mint az üzemi terhelő áram, a zárlat érzékelésére túláramvédelem alkalmazható, melynek feltétele: ahol I zmin a védett szakaszon fellépő zárlati áram minimális értéke, I Ümax a lehetséges legnagyobb üzemi áram.
Feszültségérzékelés: zárlat hatására a feszültség letörik. Ha a védelem a helyén a legkisebb zárlati áramot okozó zárlatkor fellépő feszültség (U Zmax ) lényegesen kisebb, mint a minimális üzemi feszültség (U Ümin ), azaz: akkor elvileg feszültségcsökkenési relével lehet zárlatot érzékelni. Ez azonban csak áramérzékeléssel együtt használható, mert a feszültségrelé önmaga párhuzamos elem, nincs az árampályában. Impedanciaérzékelés: A zárlati áramnövekedést és feszültségletörést együtt használják fel az impedanciaelvű védelmek: Így akkor is jó a zárlatérzékelés, ha önmagában az áram- vagy a feszültségkritérium nem teljesül. Különbözeti elvű (differenciál): Különbözeti elvű érzékelés esetén a védelem a védendő elem két, esetleg több határpontján fellépő mennyiségeket (áramnagyság, áramirány, zárlati teljesítményirány stb.) hasonlítja össze, és ebből állapítja meg, hogy belül vagy kívül van-e a zárlat. Hiba esetén az adott hálózati elem két végén folyó áramok nagyságra és fázisra nem azonosak. Egyéb speciális elvű érzékelés: akkor ha különleges feladatot kell megoldani. Ilyen pl. a visszteljesítmény-védelem, a gerjesztéskimaradás elleni védelem vagy a frekvenciacsökkenési védelem. III/14. Túlterhelés-védelem, zárlati túláramvédelmek elhangolása. Míg zárlatok fellépésekor a hibahelyi rombolódás elkerülése és az ép részek megóvása érdekében a védelemnek igen gyorsan kell működniük, addig a túlterhelések esetén hosszabb idő is kivárható, sőt egyes esetekben még az emberi észlelési és beavatkozási időszükséglete is megengedhető. A túlterhelésvédelmek megítélése alkalmával a védett elem rendszerbeli szerepe, a lehetséges túlterhelés mértéke, valamint a túlterhelés okozta kár, és a túlterhelés megengedhető ideje alapján kell dönteni, majd ennek megfelelően a védelmet kell kiválasztani.
Zárlati túláramvédelmek elhangolása: Zárlatelhárítás célból beépített túláramvédelemnek nem szabad megszólalnia az üzemi áramokra, sőt többnyire túlterhelési áramokra sem. Minden túláramvédelemre érvényes a következő elhangoló beállítási feltétel: Azaz a maximális üzemi (túlterhelési) áramnál a túláramrelék beállítási áramértéke mindig biztonsággal legyen nagyobb. Az egyenletben: - I be : a túláramvédelem beállítási áramértéke - I Ümax : az előforduló maximális üzemi (túlterhelési) áram, figyelembe véve az üzemzavari és karbantartási eseteket is. - ԑ: biztonsági tényező, a relék szórását, az áramváltó hibáját, adatismereti bizonytalanság, számítási hiba, (ԑ min =0,2) - C e : a túláramrelék ejtőviszonya, vagyis az ejtési és a meghúzási áramérték hányadosa. C emin =0,8 de manapság a relékre gyakran 0,9-0,95 értéket is garantálnak a gyártók. - C f : felfutási tényező, a zárlat stb. okozta feszültségzavar hatására előálló módosító tényező, befolyásolja: gyorsítási áramlökés, visszakapcsolási áramlökés és feszültségcsökkenési kioldók hatása. Tervezéskor a kommunális hálózaton, nagyobb ipartelep nélkül a (C e /C f ) tényező értéke 1-2 körülire vehető fel, de ipartelepeknél 3-6 is lehet. III/15. Sugaras hálózat független késleltetésű túláramvédelmének beállítási összefüggései. Késleltetett túláramvédelmek: a túláramvédelmek a leggyakrabban használt védelmek. Fő alakalmazási területük a túlterhelés védelem, sugaras vezetékek zárlati alapvédelme, nagyobb elosztóhálózati transzformátorok alapvédelme, sugaras hálózatot tápláló gyűjtősín védelme, földzárlatvédelem sugaras hálózaton, és általánosan alkalmazzák tartalék védelemként. A legegyszerűbb túláramvédelem az olvadó biztosító és a kismegszakító. Függetlenül késleltetett túláramvédelem: a védelem három, kettő, vagy egy túláramreléből és egyetlen közös időreléből, esetleg egy erősítő és érintkező sokszorozó segédreléből vagy reed reléből áll. A védelem túláramreléit úgy kell beállítani, hogy üzemi (túlterhelési) áramra ne szólaljanak meg: ugyanakkor a védett szakaszon, valamint a szükséges távoli tartalékvédelmi szakaszokon fellépő zárlatokra biztonsággal megszólaljanak: ahol I be a védelem túláramreléinek beállítási értéke, ԑ a szokásos biztonsági tényező (min:0,2), I Z min a védett alapvédelmi és tartalékvédelmi szakaszokon föllépő zárlat esetén a védelem felszerelési helyén átfolyó minimális zárlati áram. A független késleltetésű túláramvédelmek alkalmazása esetén a szelektivitás a különböző túláramvédelmeken különbözőre beállított késleltetéssel érhető el. Ezt időlépcsőzésnek nevezik, a gyakorlatban egy szelektív időlépcső értéke t=0,2-0,5s. A védelem feladata az, hogy a hálózaton fellépő hiba esetén a hibás hálózatrészt a lehető leggyorsabban kikapcsolja. A védelmektől megkívánjuk, hogy szelektíven működjenek, azaz hiba esetén csak a meghibásodott részt kapcsolják ki a védelmek által vezérelt megszakítók, a hálózat többi, ép része üzemben maradjon. Például az ábrán látható sugaras hálózat a pontján keletkező zárlatkor a zárlati áram végigfolyik a Tv1, Tv2 és Tv3 távvezetékeken. A zárlati áramot érzékelik az 1, 2 és 3 jelű védelmek, azonban a zárlatot csak a 3 jelű megszakítónak kell megszűntetnie (ez a Tv3 szakasz alapvédelme). Ha a hibát például a 2 jelű megszakító kapcsolná ki, akkor a C állomás, a TV4 vezeték és az általuk táplált fogyasztók is feleslegesen kiesnének.
Ha valamilyen oknál fogva a 3 jelű védelem nem tud kikapcsolni (szekunder kör hiba, védelem hiba, megszakító hiba, egyenáramú táplálás hibája, stb.), akkor a zárlatot a 2 jelű védelemnek kell megszűntetnie. A 2 jelű védelem a Tv3 vezeték taralék védelme, ugyanakkor tartalék védelme a Tv4 vezetéknek is. Így a tartalék védelmi működés már nem lehet szelektív. III/16. Kétlépcsős (kétfokozatú) túláramvédelem beállítási összefüggései. A védelemtechnikában gyakran szükséges, hogy a késleltetett túláramvédelmek a különösen nagy zárlati áramok tartományában ne várják meg a más védelmekkel való szelektív összehangolás alapján megállapított késleltetést, hanem azonnali kioldást adjanak. Ez nem jelenti a szelektivitás sérelmét, mivel a pillanatműködést kiváltó áram értékét a zárlati számítás alapján úgy állapítjuk meg, hogy az áramszelektivitás alapján egymaga eldönti az adott védelem illetékességét. Az ilyen összetett védelemben az időszelekció és áramszelekció együttesen van képviselve. Az első ábrán a magyarországi 20kV-os sugaras szabadvezetékek tipizált védelmi kapcsolása látható.
A második ábrán egy sugaras hálózatrész túláramvédelme és kioldási karakterisztikái láthatók. A V 4 védelem a közeli zárlatokat a nagyáramú fokozattal (I 4 >>) pillanatműködéssel, a távoli zárlatokat (I 4 >) időkésleltetéssel (T f4 ) kapcsolja le. A V 2 védelem a közeli zárlatokat a nagyáramú fokozattal (I 2 >>) pillanatműködéssel, a távoli zárlatokat (I 2 >) szelektív időlépcsővel növelt időkésleltetéssel (T f2 =T f4 + t) kapcsolja le, és távoli tartalékvédelmet biztosít a V 3 és V 4 védelmek meghibásodása esetére. A V 2 védelem a földzárlatot (I 2fz >) időkésleltetéssel (T fz2 ) hárítja, és távoli földzárlati tartalékvédelmet biztosít a V 3 és V 4 védelmek meghibásodása esetére. III/17. Kisfeszültségű vezeték túláramvédelme. Szigetelt vezetékek túláram védelmére, különösen a kis keresztmetszetű vezetékek tartományában nagyon gyakori a túlterhelés- és zárlatvédelem feladatát egymagában is teljesítő kismegszakítók alkalmazása (B karakterisztika). A kismegszakító névleges áramerősségét a szigetelt vezeték megengedett áramerőssége alapján kell megállapítani. A kismegszakító névleges áramerőssége ne haladja mag a tartós üzemi áramot. Mivel a kismegszakító zárlati kikapcsolóképessége viszonylag kicsi, ezért a kismegszakító rövidzárlati védelmére elé sorosan biztosítót kell kapcsolni. A szelektivitás teljesítése érdekében a kismegszakítók és az eléjük sorosan kapcsolt biztosítók közötti koordináció szempontjából a mértékadó követelmények: - a hozzárendelt fogyasztó túlterhelési tartományában csak a kismegszakító léphet működésbe. Ez meghatározza az alkalmazható biztosító legkisebb áramerősségét. - a biztosítót úgy kell megválasztani, hogy a kismegszakítót a névleges zárlati kapcsolóképessége felett ne lehessen igénybe venni. - a kismegszakítót úgy kell kiválasztani, hogy a beépítési helyükön lehetséges rövidzárlati áramot anélkül tudják lekapcsolni, hogy az eléjük beépített biztosító kiolvadási jelleggörbéjét maradandóan megváltoztatnánk. Ez a követelmény határozza meg a határáramot, ameddig a szelektivitás fennáll. A túlterhelési tartományban a szelektivitás feltételei akkor vannak kielégítve, ha az 1.ábra két jellegsávja nem metszi egymást. Egy kismegszakító zárlat elleni védelme egy elé kapcsolt biztosítóval akkor tekinthető teljes értékűnek, ha a névleges zárlati megszakítóképességnél meghatározott I2t érték a hozzá rendelt biztosító szórási sávjának középvonala felett helyezkedik el, feltéve ha a jelleggörbéket kétszer logaritmus léptékrendszerben ábrázoltuk. (3.ábra)
III/18. A visszakapcsoló automatikák alkalmazása. Az üzemzavari automatikákat azért létesítik, hogy a védelmek által megvalósított zárlathárítás után az automatikák az üzemet megkíséreljék helyreállítani. Fő feladatuk tehát a rendszerben bekövetkezett hibák, zárlatok miatti elkerülhetetlen kikapcsolások után olyan automatikus kapcsolások elvégeztetése, amelynek célja a villamosenergiaszolgáltatás folytonosságának biztosítása. - visszakapcsoló automatikák (a kikapcsolt berendezést megkísérli újra üzembe venni) - átkapcsoló automatikák (tartalék táplálást bekapcsoló automatika) - fogyasztói automatikák - együttműködő villamosenergia-rendszer speciális automatikái Visszakapcsoló automatika: Ha egy zárlat átívelés jellegű, azaz a levegőben keletkezett, a zárlat gyors megszüntetése után igen nagy valószínűséggel remélhető, hogy a berendezést újból feszültség alá lehet helyezni anélkül, hogy az ív újragyulladna. Az önműködő visszakapcsolás előnyösebb a visszakapcsolásnál. A visszakapcsolás sikerének feltételei: - a zárlat ne legyen tartós jellegű - a lekapcsolás olyan gyors legyen, hogy képes legyen megakadályozni a zárlat helyének rombolódását Gyorsvisszakapcsolásnál az üzem folytonossága gyakorlatilag nem szakad meg. A gyorsvisszakapcsolás előnyei a hagyományos próbakapcsoláshoz képest: - Sugaras hálózatokon a fogyasztók az egyetlen ellátási út zárlatainak többsége során nem kapcsolnak ki, csupán néhány tizedmásodperc szünetet észlelnek. - Hurkolt hálózatok zárlatos elemeinek gyorsvisszakapcsolásával elkerülhető a hálózat tartós gyengülése. - Kooperációs hálózatokon a gyorsvisszakapcsolás elősegíti a párhuzamosan járó erőművek stabilitásának megőrzését is. III/19. Átkapcsoló automatikák, és működésük. Átkapcsoló automatikát ott lehet alkalmazni, ahol a fogyasztókat egy kijelölt, fő betápláló berendezésen keresztül látják el, de van tartalék ellátási lehetőség is. A tartalék ellátás egyes esetekben azonos értékű, de lehet csökkent értékű tartalék is. A kisebb teljesítményű tartalék betáplálás esetén el kell kerülni az átkapcsoláskor létrejövő túlterhelést.
(előre kijelölt fogyasztók kikapcsolásával, automatikus terhelésledobással). Az átkapcsoló automatikáknak két alapvető csoportja van: - eseményvezérlésű automatika - állapotvezérlésű automatika Eseményvezérlésű: ha a védelem és az általa működtetett automatika egymással áramköri kapcsolatban vannak. Az automatikát a védelem működésének ténye, azaz pontosan meghatározott esemény indítja. Ebbe a kategóriába tartozik a visszakapcsolás valamennyi válfaja, továbbá azok, amelyek a hibára reagáló és intézkedő védelmi tagja és az üzem folytonosságát helyreállító automatikus része egymás közelében van, tehát közöttük közvetlen kapcsolat teremthető. Nem kell késleltetést adni neki, ezáltal elérhető, hogy a tartalék betáplálás olyan gyorsan bekapcsoljon, hogy a fogyasztók többsége nem is érzi. Állapotvezérlés: Az automatikákat nem védelmek, tehát nem az esemény indítja, hanem az esemény következtében előálló, érzékelhető állapot váltja ki (az esemény helyétől távol működnek). Ide tartoznak: - hálózati tartalékátkapcsolás - gyorsrágerjesztés - önműködő zárlatkorlátozás - az integrált nagy rendszerek stabilitásvédő különleges automatikái - frekvenciacsökkenésre reagáló fogyasztói korlátozás stb. Mivel egy bizonyos üzemzavari állapot többféle és több helyen fellépő ok miatt keletkezhet, a szükségszerűen állapotvezérlésű automatikák működési feltételeit az észlelhető jelenségek önműködő kritikai elemzésével, továbbá a tartós és átmeneti jelenségek szétválasztása céljából késleltetéssel lehet szabatossá tenni. A komplex, üzemzavar-elhárító automatika-rendszer logikájának alapkövetelménye: - ellentmondásmentes logikai egységet képezzen - legkisebb fogyasztói kiesésre törekedjen - fokozatosság elvén működjön működési előjog biztosítása az eredeti vagy azzal egyenértékű állapot visszaállításához - más úton történő ellátás automatikus igénybevétele ( a hálózati átkapcsolásnak meg kell várnia a gyorsvisszakapcsolási kísérlet kimenetelét)
III/20. Egyszerű vezetéken történő teljesítményáramlás feszültség- és áramviszonyai, ha a fogyasztót impedanciával képezzük le. a,mintahálózat; b,fogyasztó mint impedancia A mögöttes hálózatot mint valóságos generátort, a vezetéket mint rövid távvezetéket vesszük figyelembe, a betáplálási ponton a feszültség állandó, U f =állandó. A vezeték csatlakozási pontján a szállított háromfázisú teljesítmény: míg a fogyasztói ponton, a vezeték végén: a fogyasztói áram és fázisfeszültség: a fogyasztói teljesítmény:
III/21. Egyszerű vezetéken történő teljesítményáramlás feszültség- és áramviszonyai, ha a fogyasztót állandó árammal képezzük le. a,mintahálózat; c,fogyasztó mint áramterhelés A fogyasztó csatlakozási pontján legyen ismert az áram nagysága I F és a teljesítménytényező (cosφ F ), ahol φ F az U Ff és I F közötti szög. Legyen a fogyasztó teljesítményadata (P F ésq F ) adott, ebből kell I F értékét meghatározni anélkül, hogy U Ff tényleges értékét ismernénk. Így csak durva közelítéssel élhetünk, miszerint U Ff helyett a névleges fázisfeszültséget helyettesítjük be. (U nf / 3) III/22. Egyszerű vezetéken történő teljesítményáramlás feszültség- és áramviszonyai, ha a fogyasztót állandó teljesítménnyel képezzük le. a,mintahálózat; d,fogyasztó mint állandó teljesítményfelvétel Vegyük előre megadottnak a fogyasztói terhelést mint állandó hatásos- és meddőteljesítmény-felvételt. Azaz sem a fogyasztói impedancia, sem a fogyasztói áram nem állandó, így egy másodfokú feladattal állunk szemben, amelyet a következő iterációval oldhatunk meg. Ha: akkor: és: