Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Elektrotechnikai-Elektronikai Tanszék Villamosmérnöki szak Villamos energetikai szakirány Miskolc-Észak 120/20 kv-os alállomásban teljesítménynövekedés miatti transzformátor csere követelményrendszere Szakdolgozat Anga Zsolt YMO9IY 2014.
Tartalomjegyzék Bevezetés... 4 1. A főtranszformátorok megváltozott műszaki paramétereinek hatásai... 8 1.1 Főtranszformátorok... 8 1.2 A transzformátorok kiválasztása... 9 1.3 Zárlatszámítások... 12 1.3.1 A zárlatok keletkezése és számítása... 12 1.3.2 A 20 kv-os gyűjtősín zárlati teljesítményeinek és áramainak meghatározása... 13 1.3.2.1 Sajóecsegi vonal (Légvezetékes hálózat)... 16 1.3.2.2 Bosch2 vonal (Kábeles hálózat)... 18 1.3.3 Zárlati teljesítmények és áramok alakulása az új 40 MVA-s trafók beüzemelése után... 19 2. Csillagpont kezelés... 20 2.1 A hálózat csillagpont-kezelésének módszerei... 20 2.1.1 Földeletlen (szigetelt) csillagpontú hálózat... 21 2.1.2 Közvetlenül földelt csillagpontú hálózat... 22 2.1.3 Közvetetten földelt csillagpontú hálózat... 23 2.1.4 Hatásosan földelt csillagpontú hálózat... 24 2.1.5 Mereven földelt csillagpontú hálózat... 25 2.2 A kompenzáció megvalósítása... 27 2.2.1 Centralizált kompenzáció... 27 2.2.2 Decentralizált kompenzáció... 28 2.2.3 Hatásos kompenzáció... 29 2.3 A csillagpont-kezelés hatása a hálózatokra... 30 2.4 Földelt csillagpontú hálózat hatásosan földelt csillagpontú hálózat... 31 2.5 A szigetelt csillagpont... 31 2.6 A nagy/középfeszültségű transzformátorok szerepe az elválasztásban... 33 2.7 A közép/kisfeszültségű transzformátorok szerepe... 33 2.8 A kábelhálózatok csillagpont kezelésének lehetőségei... 34 2.9 A csillagpontban lévő készülékek áttekintése... 36 2.9.1 Csillagpontképző transzformátor... 36 2
2.9.1 Földzárlati Áramnövelő Nagyfeszültségű Olajszigetelésű Ellenállás (FÁNOE)... 37 3. Hangfrekvenciás központi vezérlés... 39 3.1 Fogalom meghatározások... 40 3.2 A hangfrekvenciás központi vezérlés megoldása... 42 3.3 A jelenlegi magyar hangfrekvenciás központi vezérlő rendszer (HFKV)... 44 3.4 A HFKV vevőkészülékek alkalmazási területei, a telepítés, kódolás rendje.. 45 3.4.1 Hőtárolós berendezések kapcsolása... 45 3.4.2 Köz- és díszvilágítás... 46 3.4.3 Tarifa átkapcsolások... 46 3.4.4 Bérkapcsolások... 47 3.5 HFKV hibajelzések... 47 3.6 A berendezések üzemszerűen feszültség alatt lévő részeinek megközelítése, megérintése, karbantartása... 48 3.7 Az általános csatoló transzformátorokkal kapcsolatos számítások... 50 3.7.1 Az 1,8%-os jelszintű (régi) csatolótranszformátor számításai... 50 3.7.2 A 2%-os jelszintű (új) csatolótranszformátor számításai... 51 3.7.3 Következtetések... 51 4. Bontási, létesítési munkák... 52 4.1 A 120/20 kv-os transzformátor mező... 52 4.2 HFKV csatolás... 53 4.3 Hónalj csillagpontképző blokk módosítása... 54 Összefoglalás... 56 Summary... 57 Köszönetnyilvánítás... 58 Irodalomjegyzék... 59 Mellékletek... 60 3
BEVEZETÉS A műszaki specifikáció elkészítésének célja, a tervezés határainak meghatározása Szakdolgozatom tárgya a 2008. évben zöldmezős beruházásként, a fogyasztói terület biztonságosabb ellátása érdekében létesült Miskolc Észak 120/20 kv-os alállomásban teljesítménynövekedés miatti transzformátor csere követelményrendszerét behatárolni és ismertetni. Feladatom a teljesítménynövekedéssel kapcsolatosan felmerülő problémák felkutatása és a transzformátor csere következményeinek, a hálózatra és az alállomás egyéb berendezéseire gyakorolt hatásainak vizsgálata és értékelése. Célom egy olyan követelményrendszer megalkotása, mely elősegíti azt, hogy az alállomás gazdaságosan és üzembiztosan működjön, a fogyasztók igényeit maximálisan kiszolgálva. A helyzetfelmérés során adatgyűjtő tevékenységet kell végeznem a meglévő és létesítendő transzformátorokról, a terhelést befolyásoló körülményekről és berendezésekről, valamint a változások kivitelezhetőségéről. Ezeket az adatokat a meglévő írásos dokumentumok, és személyes megfigyeléseim során kell megszereznem. A szakdolgozatom első részében a Miskolc Észak alállomást, illetve a teljesítménynövekedés okait mutatom be röviden, majd a transzformátorok paramétereit és kiválasztásának főbb szempontjait fejtem ki. Az ehhez kapcsolódó fejezetben a régi és az új transzformátorok hatásait hasonlítom össze a hálózaton esetlegesen keletkező zárlatok szempontjából. A szemléletesebb bemutatásért, két (jelentős) 20 kv-os vonal zárlatszámítását is elvégzem kritikus üzemállapotokra. A következő részben a hálózat csillagpont kezelésével és hatásos kompenzálásával, valamint a csillagpontban lévő készülékekkel foglalkozom, melyek jelentősége a hálózat biztonságos és gazdaságos üzemvitelében összpontosul. A sorban következő fejezetben, a hangfrekvenciás központi vezérlést és ennek megvalósítását mutatom be, majd a megváltozott állapot következményeit és ezzel kapcsolatos számításokat ismertetem. 4
Feladatom utolsó egységében kitérek az alállomáson végzendő bontási, létesítési munkákra is. A dolgozatomban kifejtett anyagot megpróbálom színesebbé és érthetőbbé tenni az ábrák és a helyszínen készült fotók segítségével. A transzformátor csere előzményei, alapadatok felvétele 1. ábra. Miskolc Észak alállomás a bejárati oldal felől nézve Az állomás, helyileg az OBI áruház mögötti külterületen, a 11114/4, 11116/2 ill. a 11115 helyrajzi számú területek egyesítésével alakult ki, Miskolc, Szentpéteri kapu 130. postacímmel. A transzformátorállomás táplálása a DAM-BÉM 120 kv-os távvezeték felhasításával valósult meg. Kapcsolásilag a klasszikus H diszpozíciójú. Tartalmaz 120 kv-on: 2 db távvezetéki mezőt 2 db 120/20 kv-os transzformátor mezőt 1 db gyűjtősín mezőt 5
A 20 kv-os kapcsoló-berendezés beltéri, ZS1 (ABB) típusú. Tartalmaz: 19 db kábeles indítású leágazó mezőt 2 db 120/20 kv-os transzformátor betáplálási mezőt 1 db gyűjtősín bontó mezőt, amely fizikailag két cellából áll További 2-2 mező kiépítésének az építészeti lehetősége adott, a cellasor két végén. Az alállomás létesítésére vonatkozó megvalósíthatósági tanulmány, az első kiépítésben 2x25 MVA-es transzformátor kapacitással számolt. Az időközben eltelt néhány évben az alábbi terhelést befolyásoló - változások történtek, illetve fognak történni: A MESZ vonzási körzetében korábban 35 kv-ról ellátott fogyasztók fokozatosan átkerültek a 20 kv-os feszültségszintre és be lettek forgatva a Miskolc-Észak (továbbiakban MÉSZ) állomásba. A Mechatronik Ipari Parkba amely a MÉSZ-ből van két kábelgyűrűn keresztül ellátva folyamatosan új fogyasztók települnek be, több MW-os teljesítmény igényekkel. A 35 kv-os feszültségszint folyamatos áttérítésének egyik nagy lépése a Miskolc - Központi 35/10 kv-os transzformátorállomás (továbbiakban röviden MKÖZ) 20 kv-on történő ellátása volt. Az MKÖZ terhelése 10 12 MW, szintén az Északi állomást fogja terhelni. Mivel napjainkban a MÉSZ saját terhelése 14 18 MW a Központi állomás terhelésével együtt, a 25 MVA-es transzformátor teljesítmény kevésnek bizonyult. További gondot jelent a táppont meddőkompenzációja, amely már most is csúcson volt. Fentieket figyelembe véve, az ÉMÁSZ Hálózati Kft. az alábbi beavatkozásokat tervezte: A 25 MVA-es transzformátorok cseréje 40 MVA-re, A transzformátorcsere következményeként a HFKV berendezés cseréje, A kompenzáló berendezések ívoltó kapacitásának növelése. 6
2. ábra. Miskolc Észak 120/20 kv-os állomás kapcsolási vázlata 7
1. A főtranszformátorok megváltozott műszaki paramétereinek hatásai 1.1. Főtranszformátorok A Miskolc - Észak 20 kv-os fogyasztóit jelenleg ellátó transzformátorok adatai: 1.1 táblázat. Transzformátorok adatai [1]. I. sz. transzformátor II. sz. transzformátor Típus: TNORE 25000/126PN Gyártó: ABB Névleges teljesítmény: 25 MVA Névleges primer feszültség: 120±15 % kv Névleges szekunder feszültség: 22 kv Névleges primer áram: 114,6 A Névleges szekunder áram: 656,1 A Kapcsolási csoport: YNyn6 + d11 Rövidzárási feszültség: 9,53 % Üresjárási veszteség: 10,97 kw Rövidzárási veszteség: 91,993 kw Hűtési mód: ONAN Összsúly: 63,5 t Olajsúly: 16 t Gyártási szám: 1133830 Gyártási év: 2008 Típus: TNORE 25000/126PN Gyártó: ABB Névleges teljesítmény: 25 MVA Névleges primer feszültség: 120±15 % kv Névleges szekunder feszültség: 22 kv Névleges primer áram: 114,6 A Névleges szekunder áram: 656,1 A Kapcsolási csoport: YNyn6 + d11 Rövidzárási feszültség: 9,64 % Üresjárási veszteség: 11,73 kw Rövidzárási veszteség: 92,232 kw Hűtési mód: ONAN Összsúly: 63,5 t Olajsúly: 16 t Gyártási szám: 1133701 Gyártási év: 2006 1.1 ábra. II. sz. 120/20 kv-os transzformátor 8
A beépítésre kerülő új 40 MVA-es transzformátorok adatai: 1.2 táblázat. Új transzformátorok adatai [2]. Típus: HOKS 40000/145 Gyártó: CG Névleges teljesítmény: 40 MVA Névleges primer feszültség: 126±15 % kv Névleges szekunder feszültség: 22 kv Névleges primer áram: 183,3 A Névleges szekunder áram: 1049,7 A Kapcsolási csoport: YNyn6(d) Rövidzárási feszültség: 12 % Üresjárási veszteség: 14 kw Rövidzárási veszteség: 125 kw (11. fokozatnál) Hűtési mód: ONAN Összsúly: 74 t Olajsúly: 16 t Gyártási szám: 136873 ill. 136874 Gyártási év: 2012 1.2 A transzformátorok kiválasztása: A transzformátorok kiválasztásánál a következő főbb szempontokat kell figyelembe venni: - szigetelés anyaga - csatlakozás fázisszáma - tekercselések száma - névleges feszültségáttétel és szabályozhatóság - kapcsolási jel - névleges teljesítmény és kiválasztási szempontjai - védettség, veszélyeztetettség - környezeti viszonyok - hűtési mód Szigetelése szerint a transzformátor lehet olaj-, levegő-, valamint egyéb szigetelésű. Az erőátviteli transzformátorok legelterjedtebb főszigetelése az olaj, amely kiváló villamos- és hűtőtulajdonsággal rendelkezik. Így az olajszigetelést, amely évtizedek óta 9
jól bevált a gyakorlatban, csak különleges esetekben szükséges egyéb szigeteléssel felcserélni. Ilyen esetekben (pl.: fokozott tűzveszélyesség) alkalmaznak száraztranszformátorokat (lég-, avagy műgyanta-szigetelés), klórozott szénhidrogénszigetelésű (pl.: Clophen), vagy SF 6 gázszigetelésű transzformátorokat. A csatlakozás fázisszáma szerint a transzformátor lehet egy-, három- és többfázisú. A tekercselések száma szerint megkülönböztetünk két- és kettőnél több tekercselésű transzformátorokat. Ha a transzformátornak legalább két tekercselése részben közös, takaréktranszformátornak (vagy auto-, ill. booster-transzformátornak) nevezzük. A névleges feszültségáttétel az egyes tekercselések névleges üresjárási feszültségeinek hányadosa. Ha kettőnél több tekercselésű transzformátorról van szó, akkor a transzformátornak annyi névleges feszültségáttétele van, amennyi a tekercseléspár-kombinációk száma (pl.: háromtekercselésű transzformátorhoz három névleges feszültségáttétel tartozik). A transzformátorok egyes tekercseinek névleges feszültségértékei a szabványban rögzített feszültségsorból választhatók ki. Az egyes tekercseléseket névleges feszültségen kívül az ún. legnagyobb feszültség értéke is jellemzi. Ez az érték nem lehet kisebb annak a hálózatnak a legnagyobb feszültségénél, amelyhez a transzformátort kapcsolják. A transzformátor áttételének megváltoztathatósága szempontjából készülhet megcsapolás nélküli tekercseléssel, (fix áttétel), vagy megcsapolásos tekercseléssel változtatható áttétel). Ebben az esetben a különböző megcsapolásokra való áttérés vagy feszültségmentes állapotban (fix megcsapolások, pl.: 5% (pl.: ), vagy terhelés alatt 15% ) történhet. A gyári katalógusok mind a névleges feszültségek, mind a legnagyobb feszültség, mind pedig az áttételváltoztatásnak az egyik névleges feszültségre vonatkozó százalékos értékeit megadják. A transzformátorok kapcsolási módjának (kapcsolási jelének) helyes megválasztásánál figyelembe kell venni a terhelések aszimmetriáját, a transzformátorok párhuzamos üzemének vonatkozó követelményét (pl.: a fázisforgatás szögének azonosságát), a kompenzálás igényét, valamint a gazdaságosságot. Egy transzformátor kapcsolási módját a fáziskivezetések cseréjével és/vagy a belső átkötések megváltoztatásával módosítani lehet. A szabványos fázisfordításokat és a hozzájuk tartozó kapcsolási jelet, fazorábrát és kapcsolási rajzot a kapocsjelölésekkel együtt hazai szabvány rögzíti. A hazai transzformátorok névleges teljesítményei a típusteljesítmény- 10
sorozat egyes tagjainak felelnek meg. A sorozat egyes teljesítményértékeit úgy állapították meg, hogy a sorozatban a teljesítménylépcső, veszteséglépcső és a veszteségarány együtt összhangban változik, ami által biztosítható az egyes típusok azonos, gazdaságos kihasználhatósága. A teljesítménylépcső értéke kb. 1,6, míg a hozzá tartozó veszteséglépcső kb. 1,4. Ennek megfelelően a transzformátorok VA-ben vagy MVA-ben kifejezett névleges teljesítményeinek szabványos sorozata: 6,3; 10; 16; 25; 40; és ezek 10 egész kitevőjű hatványaival való szorzatai (a szabványos típusteljesítmények tehát: 40, 63, 100 1600 kva, illetve 2,5; 4; 6,3; 10; 16; 25; 40; 63; 100; 250 MVA). A gyakorlatban a típussorozattól eltérő teljesítményértékek is találhatóak (pl. 80 MVA, 200 MVA). A transzformátor szükséges névleges teljesítményének kiválasztását több szempont, befolyásoló tényező együttes figyelembevételével kell elvégezni. Ezek a következők: a terhelés adottságai (állandó, avagy változó terhelés; legnagyobb terhelés nagysága); a terhelés várható időbeli fejlődése; a transzformátor túlterhelhetősége; a gazdaságosság (a létesítési-, és veszteségköltségek együttes minimuma); a tartalékolás igénye; a zárlati teljesítményviszonyok, a párhuzamos üzem lehetősége. (Pl.: csúcsidőben mindkét transzformátor üzemelhet, egyikük esetleges kiesését a másik csúcsidei túlterhelése pótolja.) Az előbbi követelmények közös figyelembevételével úgy is fogalmazhatjuk, hogy a transzformátor névleges teljesítményének helyes kiválasztását a műszaki-gazdasági szempontok együttes kielégítése alapján végezzük. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy a műszakilag helyes megoldás választása mellett arra törekszünk, hogy lehetőleg gazdaságossági szempontból is a leghelyesebb (azaz a beruházási, üzemelési költségek együttes minimumát adó) megoldást válasszuk ki. A transzformátorok kiválasztásának további szempontját a védettség követelménye adja. Ilyen szempontból azt kell vizsgálni, hogy az alkalmazási belsőtéri, vagy szabadtéri kivitelű transzformátort igényel-e. Veszélyeztetettség szerint vannak túlfeszültség által veszélyeztetett és nem veszélyeztetett üzemben (környezetben) alkalmazható transzformátorok. A környezeti viszonyok vizsgálatakor figyelembe kell venni a környezeti hőmérsékletet, a légnedvességet, a tengerszint feletti magasságot és a szennyeződés mértékét (pl.: erősen szennyezett környezetben nagyobb névleges feszültségű szigetelők alkalmazandók). 11
A hűtés módjának megválasztásához mértékadó jellemzők olajszigetelésű erőátviteli transzformátorokra a következők: - 10 MVA teljesítményig: természetes olaj- és levegőáramlás (jele: ONAN) - 16 MVA teljesítményig: természetes olajáramlás és mesterséges levegőhűtés (jele: ONAF) - 16 MVA-nál nagyobb teljesítménynél: mesterséges olajáramlás és mesterséges levegőhűtés (jele OFAF) A fellépő fogyasztói terhelés fedezéséhez szükséges lehet az üzemelő transzformátorral párhuzamosan további transzformátort bekapcsolni. Ilyen esetekben a transzformátoroknak ki kell elégíteniük a párhuzamos üzemre vonatkozó feltételeket, nevezetesen: - a kapcsolási jel azonossága (a kapcsolódó gyűjtősínekre vonatkozóan) - a feszültségáttétel azonossága - a rövidzárási feszültségek egyenlősége (fazorokra értendő) A gyakorlatban kialakult szabály szerint nem célszerű olyan transzformátorokat párhuzamosan járatni, amelyeknek névleges teljesítményei 3:1-nél nagyobb arányban eltérnek. 1.3 Zárlatszámítások: 1.3.1 A zárlatok keletkezése és számítása A zárlat a villamos hálózat olyan sönthibája, 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 összekapcsolása idéz elő. A különféle zárlatok hatására a zárlat keletkezésének helyén az ún. hibahelyen egyrészt a normál üzemi feszültség kisebb-nagyobb mértékben csökken, sőt szélső esetekben nullaértékű 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. 12
Az üzemi áramnak 10 100-szorosát elérő zárlati áram a zárlati áramkör soros elemeiben (vezeték, transzformátorok, készülékek) káros túlmelegedéseket okozhat, a zárlati áram dinamikus erőhatása pedig ugyancsak a zárlati áramkör elemeinek épségét veszélyezteti. A zárlatok ilyen hatásainak megakadályozása, illetve az esetleges rongálódások lehető legkisebb mértékűre való korlátozása érdekében a hálózatok zárlatait nagy biztonsággal kell érzékelni és igen gyorsan meg kell szüntetni. 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 szimmetrikus 3F zárlatok áramának és teljesítményének ismerete azért fontos, mert a hálózatokon általában a 3F zárlatok adják a különféle készülékek és berendezések méretezéséhez, illetve kiválasztásához mértékadó legnagyobb zárlati igénybevételt. A számítási módszer az alábbi az átlagos gyakorlati igényeket még kielégítő pontosságot biztosító elhanyagolásokat tesszük: a zárlatokat állandó feszültségről tápláltnak tekintjük, a szinkrongenerátorokat tranziens reaktanciájukkal vesszük figyelembe, a hálózatokat terheletlennek tekintjük A három zárlatszámítási módszer (reaktanciák ohmos-, %-os értékeivel, ill. az elemek saját zárlati teljesítményével) közül az elemek saját zárlati teljesítményével való számítási módszert választottam, mivel a leggyorsabb és legegyszerűbb eljárás, ugyanis sem feszültség, sem teljesítmény redukciót nem igényel. Ez a módszer célszerűen csak nyitott (hurkot nem tartalmazó) hálózatokon alkalmazható. 1.3.2 A 20kV-os gyűjtősín zárlati teljesítményeinek és áramainak meghatározása Kiindulási adatok ismertetése és szemléltető ábra: A mögöttes hálózat maximális és minimális zárlati teljesítményét, mint ismert adat megkaptam, amelyet az ÉMÁSZ által használt NETCALC program számolt ki. 13
1.2 ábra. A számításra kerülő hálózat egyvonalas elvi rajza M.H.- Mögöttes hálózat Tr 120/20 kv-os transzformátor v távvezeték; kábel A maximális zárlati teljesítmény és áram a DAM és BÉM 120 kv-os távvezetékek bekapcsolt állapotában van. 120 kv-os gyűjtősín 3F maximális zárlati teljesítménye: S MH 3F max z 2579 MVA 120 kv-os gyűjtősín 3F maximális zárlati árama: I MH z3f max MH 6 Sz3F max 2579 10 12,4 kv 3 U 3 120 10 3 n A minimális zárlati teljesítmény és áram a BÉM bekapcsolt és a DAM kikapcsolt állapotában van. 120 kv-os gyűjtősín 3F minimális zárlati teljesítménye: S MH 3Fmin z 1254 MVA 14
120 kv-os gyűjtősín 3F minimális zárlati árama: I MH z3f min MH 6 Sz3F min 1254 10 6,03 kv 3 U 3 120 10 3 n A tápláló 120/20 kv-os transzformátor saját zárlati teljesítménye: Ismert transzformátor adatok: S ntr 25 MVA tr 9,6% U ntr 120/ 20 kv Transzformátor saját zárlati teljesítménye: ' S tr 100 100 Sntr 25 260,4 MVA 9,6 tr A középfeszültségű gyűjtősín zárlati teljesítményei és áramai: Az áramnövekedés érzékelés elvű védelmek beállítása szempontjából a várható legkisebb zárlati áram a mértékadó. Mivel ha a kisebb áramnál már biztosan megszólalnak, akkor nyílván a nagyobb zárlati áramnál is működni fognak. A számításban, ezért a mögöttes hálózat minimális zárlati teljesítményét használjuk fel. A középfeszültségű gyűjtősín háromfázisú zárlati teljesítménye: S B z3f MH ' Sz3F min Str 1254 260,4 215,6 MVA MH ' S S 1254 260,4 z3fmin tr A középfeszültségű gyűjtősín háromfázisú zárlati árama: I B z3f B 6 Sz3F 215,6 10 5659 A 3 3 U 3 22 10 nb 15
A kétfázisú zárlat (2F) és a kettős földzárlat (2Ff) közelítő jellegű számítása a következőkben áll: 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 táplálást A kettős földzárlat a kompenzált vagy szigetelt csillagpontú hálózatok gyakori jellegzetes hibája. A középfeszültségű gyűjtősín kétfázisú zárlati teljesítménye: S B z2f 3 B 3 Sz3F 215,6 186,7 MVA 2 2 A középfeszültségű gyűjtősín kétfázisú zárlati árama: I B z2f 3 B 3 Iz3F 5659 4901 A 2 2 1.3.2.1 Sajóecsegi vonal zárlati teljesítményeinek és áramainak meghatározása (Légvezetékes hálózat) A választott vonalak közül az első (Sajóecseg) egy jellemzően hosszú, lakossági fogyasztókkal terhelt vonal. A számításra került Sajóecsegi vonal ismert adatai: Sajóecseg összekötő vezeték és kábel adatok: Kábel: 0,2 km ( 3 1 240 mm 2 ); 0,6 km ( 3 1 150 mm 2 ) Vezeték: 11,3 km ( 3 95 mm 2 ) 16
A távvezetékek, kábelek reaktancia értékét általában egységnyi hosszra vonatkoztatva, eleve ohmban kifejezve ismerjük. x x kábel távvezeték 0, 2 / km 0, 45 / km Sajóecsegi szakasz teljes kábel és vezeték reaktanciája: X ' v X ' v x kábel (l kábel1 l kábel2 ) x távvezeték l távvezeték 0,2 (0,2 0,6) 0,45 11,3 5,24 A távvezeték és kábel saját zárlati teljesítménye: ' S v 2 2 U n 22 92,3 MVA X 5,24 v A leágazás 3F zárlati teljesítménye a vezeték végén: S C,Sajóecseg z3f B ' Sz3F Sv 215,6 92,3 64,6 MVA B ' 1.3 ábra. Sajóecsegi Sz3F Sv 215,6 92,3 leágazás egyvonalas rajza A leágazás 3F zárlati árama a vezeték végén: I C,Sajóecseg z3f C,Sajóecseg 6 Sz3F 64,6 10 1696 A 3 3 U 3 22 10 n A leágazás 2F zárlati teljesítménye a vezeték végén: S C,Sajóecseg z2f 3 C,Sajóecseg 3 Sz3F 64,6 56 MVA 2 2 A leágazás zárlati árama 2F zárlat esetén: I C,Sajóecseg z2f 3 C,Sajóecseg 3 Iz3F 1696 1469 A 2 2 17
1.3.2.2 Bosch2 vonal zárlati teljesítményeinek és áramainak meghatározása (Kábeles hálózat) A második (Bosch2) egy rövid, ipari fogyasztót ellátó vonal. A számításra került Bosch2 vonal ismert adatai: Bosch2 összekötő kábel adat: Kábel: 1,2 km ( 3 1 150 mm 2 ) X kábel 0,2 / km Bosch2 szakasz teljes kábel reaktanciája: X Bosch2' v X l 0,2 1,2 0,24 kábel kábel A távvezeték és kábel saját zárlati teljesítménye: S Bosch2' v 2 2 U n 22 2016,7 MVA X 0,24 v A leágazás 3F zárlati teljesítménye a vezeték végén: S C,Bosch2 z3f B ' Sz3F Sv 215,6 2016,7 194,8 MVA B ' S S 215,6 2016,7 z3f v 1.4 ábra. Bosch2 leágazás egyvonalas rajza A leágazás 3F zárlati árama a vezeték végén: I C,Bosch2 z3f C,Bosch2 6 Sz3F 194,8 10 5112 A 3 3 U 3 22 10 n A leágazás 2F zárlati teljesítménye a vezeték végén: S C,Bosch2 z2f 3 C,Bosch2 3 Sz3F 194,8 168,7 MVA 2 2 A leágazás zárlati árama 2F zárlat esetén: I C,Bosch2 z2f 3 C,Bosch2 3 Iz3F 5112 4427 A 2 2 18
1.3.3 Zárlati teljesítmények és áramok alakulása az új 40 MVA-s trafók beüzemelése után 1.5 ábra. A számított hálózat egyvonalas elvi rajza, amelyen feltüntetésre kerültek a kiszámított zárlati teljesítmények. (a különböző zárlatok nem egy időben lépnek fel) S ntr [MVA] 40 tr [%] 12 MH S z3f min [MVA] 1254 MH S z3fmax [MVA] 2579 ' S tr [MVA] 333,3 B S z3f [MVA] 263,3 B S z2f [MVA] 228,1 B I z3f [A] 6910 B I z2f [A] 5985 1.3 táblázat. A, B gyűjtősín zárlati teljesítményei és áramai; ismert adatok Sajóecseg Bosch2 ' X v [ ] 5,24 0,24 ' S v [MVA] 92,3 2016,7 C S z3f [MVA] 68,3 232,9 C S z2f [MVA] 59,1 201,7 C I z3f [A] 1793 6112 C I z2f [A] 1553 5293 1.4 táblázat. Mindkét leágazásban kiszámított értékek táblázatos összefoglalása 19
A fent számított értékek és a két táblázat összehasonlításából kivehető, hogy a transzformátor csere miatt, a zárlati teljesítmény és áram értékek is megnőttek. Ezért a védelmek, illetve a belőlük kialakított védelmi rendszer megfelelő után állítása elengedhetetlen a hálózat üzembiztonsága szempontjából. 2. Csillagpont-kezelés A 120/20 kv-os transzformátorok hónaljában az alábbi berendezések üzemelnek: DOTPH 1000H20 (SGB) csillagpont-képző trafó ASR 1,6 (EGE) ívoltó tekercs FÁNOE 20/200 áramnövelő ellenállás A FÁNOE közvetlenül a főtranszformátor csillagpontjába, az ívoltó tekercs pedig a csillagpont-képző transzformátor csillagpontjába csatlakozik. 2.1 ábra. 1.sz. 120/20 kv-os tr. kompenzálás 2.1 A hálózatok csillagpont-kezelésének módszerei A hálózatok csillagpontjait a fémesen összefüggő hálózathoz csatlakozó transzformátorok az adott hálózattal megegyező feszültségszintű tekercseinél 20
kiképzett csillagpontjai jelentik. (Pl.: a 120 kv-os hálózat csillagpontját a 400/120, a 120/20 és a 120/10 kv-os transzformátorok 120 kv-os tekercselési csillagpontjainak összege jelenti.) A hálózatok csillagpont kezelésén az adott hálózat csillagpontjai és a föld közötti kapcsolat - vagyis a hálózati csillagpontok földelésének - módjait értjük. A csillagpont földelésének módja jelentősen befolyásolja a hálózat üzemének számos paraméterét, így például az egyfázisú földérintéses hibák esetében a fellépő hibaáram nagyságát, az üzemi frekvenciájú feszültségemelkedéseket és a tranziens túlfeszültségeket, az érintésvédelmi megoldásokat, a hálózaton alkalmazott készülékek szigetelési igényeit, a relévédelem kialakítását, a távközlési berendezések zavarását és veszélyeztetését, a szimultán hibák keletkezésének lehetőségét és így tovább. Általánosságban elmondható, hogyha a csillagpont földelése olyan, hogy földérintéses zárlatkor a földben jelentős áram folyik, akkor ezt a védelmekkel automatikusan ki kell kapcsoltatni, az üzem nem tartható fenn tovább. Ha földérintéses zárlat esetén a földben folyó áram nem nagy értékű, akkor a tartós földzárlatos üzem elvileg fenntartható, de a szigeteléseket igénybevevő megemelkedett feszültség hatására fennáll egy másik fázisban az átütés és ezzel a kettős földzárlat kialakulásának a veszélye. Egy hálózat csillagpont földelési módjának megválasztásakor számos tényezőt kell egyidejűleg mérlegelni, míg végül általában műszaki-gazdaságossági kompromisszumok alapján lehet csak eldönteni az alkalmazandó módszert. A csillagpontkezelés szempontjából alapvetően a hálózatok két nagy csoportját különböztetjük meg: 2.1.1 Földeletlen (szigetelt) csillagpontú hálózat Földeletlen csillagpontú (szigetelt) hálózat minden olyan hálózat, amelynek egyetlen pontja sincs a földdel üzemszerűen (szándékoltan) összekötve. A földeletlen csillagpontú hálózat csillagpontkezelését a következő ábra szemlélteti. 21
2.2 ábra. Földeletlen (szigetelt) csillagpontú hálózat Az ábrán H a hálózatot, a hálózathoz csatlakozó transzformátorok fázistekercseit pedig a hálózat elé rajzolt tekercselések jelképezik. Ezek csillagpontját n betűvel, a földpotenciálú pontot pedig f betűvel jelöltem. A hálózatok egyfázisú földkapacitását jelöltem C betűvel. Az ábrából látható, hogy a szigetelt csillagpontú hálózatok csillagpontja és a föld között szakadás van, vagyis a csillagpont és a föld közötti ún. földelőimpedancia (Z f ) értéke végtelen nagy. 2.1.2 Közvetlenül földelt csillagpontú hálózat Földelt csillagpontú hálózat minden olyan hálózat, amelynek legalább egy csillagpontja a földdel közvetlenül vagy közvetve össze van kötve. A közvetlenül földelt csillagpontú hálózat legalább egy transzformátorának csillagpontja jól vezető, fémes összeköttetésben áll a földdel (következő a. ábra). Ez esetben tehát a csillagpont és a föld közötti földelő impedancia (Z f I) értéke gyakorlatilag nulla. A közvetlenül földelt csillagpontú hálózatokon az egyfázisú földérintéses hibák esetében folyó hibaáram nagysága a rövidzárlati áramok nagyságrendjébe esik (földrövidzárlat), sőt előfordulhat olyan eset is, hogy az egyfázisú földrövidzárlati áram nagyobb, mint a háromfázisú rövidzárlati áram. Az ép fázisok feszültségemelkedése viszont ezeken a hálózatokon a legkisebb. 22
2.3 ábra. Földelt csillagpontú hálózat a) közvetlenül földelt; b) közvetett földelés ellenálláson keresztül ("hosszúföldelés"); c) közvetett földelés reaktancián keresztül (kompenzálás) A hazai gyakorlatban közvetlenül földelt csillagponttal üzemelnek a 120 kv-os és az annál nagyobb feszültségű hálózatok és a 400 V/230 V-os (0,4 kv-os) kisfeszültségű elosztóhálózatok. (Megjegyezem, hogy a kisfeszültségű elosztóhálózatokat elsősorban a hatékony érintésvédelem megvalósíthatósága érdekében üzemeltetik közvetlenül földelt csillagponttal.) 2.1.3 Közvetetten földelt csillagpontú hálózat A közvetve földelt csillagpontú hálózatok legalább egy csillagpontja ellenálláson vagy reaktancián (fojtótekercsen) keresztül csatlakozik a földhöz. Az ellenálláson keresztül földelt csillagpontú hálózatok esetében (b. ábra) tehát a földelőimpedancia véges értékű ohmos ellenállás (Z f = R), a reaktancián keresztül föidelt csillagpontú hálózatok esetében (c. ábra) pedig egy gyakorlatilag tisztán reaktív fojtótekercs (Z f = jx f ). Ez utóbbi két csillagpont-kezelési módszerrel az egyfázisú 23
földzárlati áramok értéke - a közvetlenül földelt csillagpontú hálózatokéhoz képest hatásosan csökkenthető, ugyanakkor a csillagpont potenciálja is kellően rögzített. A csillagpont reaktancián keresztül való földelésével a földzárlatok íve kioltható, mivel a hibahelyen folyó kapacitív földzárlati áramot a földelőreaktancia induktív árama kompenzálja. Ezért ezt a módszert kompenzálásnak, ill. a reaktancián (fojtótekercsen) keresztül földelt csillagpontú hálózatokat kompenzált hálózatoknak is nevezik. A hazai gyakorlatban ellenálláson keresztül földelik a 10 kv-os középfeszültségű kábelhálózatok csillagpontjait, míg a 20 kv-os (35 kv-os) középfeszültségű szabadvezetékes elosztó-hálózataink tipikusan kompenzált hálózatok. A hálózatok csillagpontkezelési módja nagymértékben befolyásolja az ún. belső túlfeszültségek nagyságát. A belső túlfeszültségek a feszültség alatt álló hálózatok egyes készülékeiben, berendezéseiben lejátszódó folyamatok révén keletkeznek. Eredetük szerint ezek lehetnek: kapcsolási túlfeszültségek, üzemi frekvenciájú túlfeszültségek és rezonanciás túlfeszültségek. A túlfeszültség védelem szempontjából nem a csillagpont földelések közvetlen vagy közvetett módja a döntő, hanem e földelések hatásossága. 2.1.4 Hatásosan földelt csillagpontú hálózat Hatásosan földelt a hálózat, ha a hálózaton bárhol bekövetkező egyfázisú földérintéses hiba alkalmával az ép fázisok feszültsége a földhöz képest nem nagyobb, mint a hálózat névleges vonali feszültségének 80%-a. (Hibamentes állapotban a fázisfeszültség vonali feszültség aránya, U f / U v = 1/ 3, azaz 58%). Ez a követelmény azokra a hálózatokra teljesül, amelyekre igaz, hogy: X 0 0 R 3 és 0 0 1 (1) X X 1 1 ahol: X 0 a zérus sorrendű reaktancia; X 1 a pozitív sorrendű reaktancia és R 0 a zérus sorrendű ellenállás - valamennyi érték a hiba helyéről értelmezett mérésponti érték. A különböző sorrendű hálózatok az aszimmetrikus hibák számításakor alkalmazott módszerből adódnak. A számítási eljárás során az aszimmetrikus rendszert (áram, feszültség, impedancia) három szimmetrikus rendszerre bontják föl. A pozitív sorrendű 24
rendszer áram és feszültségvektorainak forgási iránya megegyezik az eredeti, hiba előtti szimmetrikus rendszerével, a negatív sorrendű ezzel ellentétes, a zérus sorrendű mennyiségek pedig valamennyi fázisban egyirányúak. A hálózat csillagpont földelése akkor lesz a leghatásosabb, ha valamennyi transzformátorának csillagpontját közvetlenül földelik. 2.1.5 Mereven földelt csillagpontú hálózat Mereven földelt hálózatról beszélünk, ha: X 0 1 (2) X 1 Ebben az esetben az egyfázisú rövidzárlati áram nagyobb lesz, mint a háromfázisú. Ez több szempontból hátrányos (például erősen megnő a távközlési berendezések hibaáram okozta zavartatása), ezért ilyen esetben "lazítani" szokás a csillagpont földeléseket, például oly módon, hogy nem földelik az összes transzformátor csillagpontját, vagy néhány transzformátor csillagpontját reaktancián keresztül földelik. 2.4 ábra. Lazított csillagpontú transzformátor helyettesítő kapcsolása Összefoglalás: A hálózat csillagpontja A hálózat csillagpontja az az egy vagy több, alkalmasan megválasztott villamos csatlakozási hely, amelye(-ke)t vagy a főtranszformátorok természetes csillagpontjának felhasználásával, vagy csillagpontképző transzformátorokkal képeznek ki a különböző típusú csillagpont kezelési módoknak megfelelő berendezések csatlakoztatására. 25
A használatos csillagpont kezelési módok az alábbiak: 1. Szigetelt csillagpontú hálózat Szigetelt csillagpontú az a fémesen összefüggő hálózat, amelynek - az esetleges jelző, mérő vagy védelmi berendezések nagy impedanciájú elemeinek kivételével - egyik pontja sincs a földdel üzemszerűen összekötve. 2. Közvetlenül földelt csillagpontú hálózat Közvetlenül földelt csillagpontú az a fémesen összefüggő hálózat, melynek legalább egy pontja (pl. a természetes csillagpontja) üzemszerűen impedancia mentesen földelt. Ilyen hálózat a hatásosan földelt kritériumnak is megfelelő 132 kv-os hálózat. 3. Közvetetten (impedancián át) földelt csillagpontú hálózat Közvetetten (impedancián át) földelt csillagpontú az olyan fémesen összefüggő hálózat, amely közvetlenül nem földelt és nem kompenzált, de legalább egy alkalmas pontja (pl.: a természetes csillagpontja) a földzárlati áram korlátozása, a biztos potenciál rögzítés céljából impedancián (ellenálláson) keresztül földelt. Ilyen hálózat a 12 kv-os kábelhálózat. 4. Hatásosan földelt csillagpontú hálózat Olyan hálózat, amelyben az ép fázisok feszültsége az egyik fázis földzárlata esetén nem lépi túl a földhöz képesti fázisfeszültség 1,4-szeresét. Ezeknek a hálózatoknak a csillagpontja vagy közvetlenül vagy ellenálláson vagy reaktancián át földelt. Ilyen hálózat a 132 kv-os hálózat. 5. Kompenzált hálózat A kompenzált (ívoltótekercsen keresztül földelt) hálózat olyan fémesen összefüggő, sem közvetlenül, sem közvetve nem földelt hálózat, ahol legalább egy transzformátor vagy csillagpontképző transzformátor csillagpontja olyan ívoltó tekercse(ke)n keresztül van üzemszerűen földelve, amelynek, vagy amelyeknek eredő induktivitása ipari frekvencián hangolt rezgőkört képez a fémesen összefüggő hálózat eredő zérussorrendű földkapacitásával. Ilyen hálózat a 22 kv-os és a 35 kv-os szabadvezeték hálózat. 26
2.2 A kompenzáció megvalósítása 2.2.1 Centralizált kompenzáció A centralizált kompenzáció a kompenzálás megvalósításának az a változata, amelynél a kompenzáló áramot létrehozó ívoltó tekercs(ek)et a tápponti alállomásban helyezik el. 1. Csillagponti kompenzáció Csillagponti kompenzáció a centralizált kompenzációnak az a változata, amelynél az I L kompenzáló áramot létrehozó ívoltó tekercs(ek) a 132 kv/közép-, vagy a közép/középfeszültségű transzformátor középfeszültségű tekercselésének kivezetett csillagpontjához csatlakozik(-nak). 2.5 ábra. Az ívoltó fojtótekercs (x p ) elhelyezése a transzformátor csillagpontjában 2.6 ábra. Az ívoltó fojtótekercs (xp) elhelyezése csillagpontképző transzformátor csillagpontjában 2. Hónalj-kompenzáció A hónalj-kompenzáció a centralizált kompenzációnak az a változata, amelynél az I L kompenzáló áramot létrehozó ívoltó tekercs(-ek) a 132 kv/közép-, illetve közép / középfeszültségű transzformátor 35 kv-os vagy 22 kv-os kapcsai és a gyűjtősín között csatlakozik(-nak) a fémesen összefüggő hálózatra a csillagpontképző tr.-on keresztül. 27
3. Gyűjtősín-kompenzáció A gyűjtősín-kompenzáció a centralizált kompenzációnak az a változata, amelynél az I L kompenzáló áramot létrehozó ívoltó tekercs(-ek) az állomás gyűjtősínjére, mint külön leágazás csatlakozik(-nak) a csillagpontképző transzformátoron keresztül. Megjegyzés: A csillagponti-, hónalj- és a gyűjtősín-kompenzáció és ezek bármely kombinációja egy fémesen összefüggő hálózaton az ívoltás hatásossága szempontjából egyenértékűen alkalmazható. A hónalj- és a gyűjtősín-kompenzációhoz csillagpontképző transzformátor szükséges. 2.2.2 Decentralizált kompenzáció A decentralizált kompenzáció a kompenzálás megvalósításának az a változata, amelynél az I L kompenzáló áramot létrehozó ívoltó tekercseket az alállomáson kívül, a csillagpontképzésre alkalmas általában fogyasztókat is tápláló transzformátorokon keresztül csatlakoztatjuk a hálózatra. 2.2.3 Hatásos kompenzáció feltételei (22 kv-os hálózat) A hatásos kompenzáció fogalma alatt a kompenzált hálózat olyan biztonságos, gazdaságos üzemvitele értendő, amikor is a kompenzációtól elvárható üzemi, üzemviteli előnyök a gyakorlatban minden tekintetben érvényesülnek. - Összességében jó szigetelési állapotú, kis természetes aszimmetriájú hálózat. - Az előírásokat kielégítő érintésvédelem, a gyakorlatban ismertnek tekinthető földelési ellenállással. Kezelő helyeken maximum 8 Ω (túlfeszültség levezető esetén 5 Ω), lakott területen húzódó fém- vagy beton oszlopos hálózatnál 10 Ω szétterjedési ellenállással, illetve amennyiben a 130 V-os maximális hibahelyi feszültség ennél kisebb értéket kíván meg, úgy azt kell betartani. (A földelési ellenállás gyakorlatban ismertnek tekinthető jelzője azt fejezi ki, hogy az üzemeltető a földelési ellenállásokat, a vonatkozó előírást kielégítő módon ellenőrzi és karbantartja). 28
- Nagyobb kapacitív áramigényű hálózatokon az automatikusan szabályozott kompenzáció, míg az egészen kis kapacitív áramigényű hálózatok esetében e mellett az emberi beavatkozással való hangolás lehetősége is megfelelő. (A 15 A-nál nagyobb hálózatok esetében már szükség van ívoltószabályozóra.) - A felharmonikus maradékáram előírások szerinti ellenőrzése és számításba vétele. A főbb előnyök a következők: - más csillagpont kezelési módokhoz képest kismértékű hibahelyi veszélyeztetés - a kicsiny értékű hibahelyi áram és a nem számottevő meredekségű visszatérő feszültség következtében a hibák legnagyobb része magától megszűnik - az energiaellátás fenntartásának lehetősége a hiba behatárolásáig - mérsékelt nagyságú belső eredetű túlfeszültségek A kompenzáció mértékének beállítása is fontos a hálózat megfelelő üzemvitele szempontjából. 2.3 A csillagpont-kezelés hatása a hálózatokra A csillagpont földelési módjával befolyásolható az aszimmetrikus (elsősorban FN) zárlatok árama és az ép fázisok feszültsége Fontos körülmények: A villamos-energia rendszeren bekövetkező zárlatok mintegy 80 %-a FN zárlat. Íves, ívelő (intermittens) zárlat. A nem túlságosan nagy áramú és nem fémes zárlatokat is rövid idő alatt fel kell számolni, mert a teljesítményív magas hőfoka miatt a vezetéket károsíthatja. Az ív súlytalansága miatt gyorsan terjed, és további zárlatokat okozhat. A zárlati áram a földben potenciálemelkedés, veszélyes érintési-, valamint lépésfeszültség okozója lehet. Az alaphálózati transzformátorok nagyfeszültségű oldala földelt csillagkapcsolású. Ha tehát a nagyfeszültségű fázis-földzárlat (FN zárlat) következik be, akkor a zárlatos fázis földpotenciálra kerül, és a zárlati áramkör ki tud alakulni. A zárlati hurok a 29
transzformátor csillagpontján keresztül záródik. Mivel a transzformátor csillagpontja mereven földelt, az ép fázisok feszültsége a zárlatok alatt nem emelkedik. Szigetelt csillagpont esetén az ép fázisok feszültsége vonalira emelkedne, tehát a hálózat összes szigetelését erre az értékre kellene méretezni. Az alaphálózaton inkább azt az olcsóbb megoldást választották, hogy a nagy zárlati áramok megszakítására képes megszakítókat építenek be. Az FN zárlatokkal is azért kell foglalkozni, mert a nagyfeszültségű hálózatokon bekövetkező zárlatok 97 %-a FN zárlat. Ilyen zárlat esetén lép fel a zérussorrendű áram, amely mindhárom fázisban azonos amplitúdójú és fázishelyzetű váltakozó áram. Ennek a háromszorosa folyik a transzformátor csillagpontján. 2.4 Földelt csillagpontú hálózat - Hatásosan földelt csillagpontú hálózat 2.7 ábra. Az a fázis zárlatának szimulálása hatásosan földelt csillagpontú hálózat esetén - Ha valamely hálózaton az ép fázisvezetők feszültségemelkedése FN zárlatkor nem haladja meg a vonali feszültség 80 %-át, tehát a fázisfeszültség 138 %-át - Az, hogy a hálózat eleget tesz-e a fenti követelménynek, vagy sem, azt az X 0 /X 1, valamint az R 0 /R 1 viszony határozza meg, valamint az adott hálózaton lévő transzformátorok csillagpont földelésének jellemzői. A hatásosan földelt meghatározás nem valamely transzformátor csillagpontjának földelését jellemzi, hanem az egész hálózatra vonatkozó kritérium, illetve minősítés! 30
a) b) 2.8 ábra. A három fázisfeszültség alakulása FN zárlatkor a) helyettesítő kapcsolás tekercsekkel b) helyettesítő kapcsolás föld kapacitásokkal A készülékek szigeteléseivel szembeni követelmények kisebbek, és így áruk alacsonyabb. Az FN zárlat időtartamában fellépő, időszakos túlfeszültség (TOV) szintje alacsonyabb, így a túlfeszültség védelem hatásosabb, mert alacsonyabb védelmi szinttel valósítható meg. A relévédelem egyszerű és hatásos. A megszakítók sokszor működnek, nagy zárlati áramokat szakítanak meg (drága konstrukciót, sok karbantartást igényelnek). A nagy földzárlati áramok a gyengeáramú vezetékekre erős befolyást fejtenek ki, nagy lépés- és érintési feszültséget okoznak. 2.5 A szigetelt csillagpont Előnyei: - Kicsi az FN zárlati áram, ezért fennáll az ív spontán kialvásának lehetősége - Jelentős valószínűséggel elkerülhetők a hálózati kiesések 31
Hátrányok: - Fennáll az ívelő földzárlat lehetősége, amikor az ép fázisok is meghibásodnak - Az adott transzformátor(ok)ról ellátott hálózat kiterjedését jelentősen korlátozza a zárlati áram (megengedett érték: 10A 35 kv-os és 15A 20 kv-os hálózaton, ami pl.: 35 kv-on 100 km távvezeték összhosszat, vagy 5 km össz-kábelhosszat jelent) - Az íves zárlatos állapot nem megengedhető hosszabb időn át A középfeszültségű hálózatnál csak a hangolt induktivitással kompenzált hálózattal foglalkozunk. A hálózat külső pontján bekövetkező FN zárlat esetén, a zárlatos fázisnak a kapacitív reaktanciáját rövidrezárja és a referenciára kerül. Ezért a két ép fázis feszültsége a vonali értékre emelkedik a tranziens folyamatok lezajlása után. A kompenzálás módszere, vagyis Petersen tekercs beiktatása a csillagpont és a föld közé (a módszer angol elnevezése: resonance grounding). Ez a csillagpont kezelési mód ugyanis: elnyomja a zárlati áram 50 Hz-es komponensét az ív helyén a visszatérő feszültséget igen enyhévé, lassan emelkedővé teszi és ezzel csökkenti a hosszú időn át fennálló ívelő földzárlatok valószínűségét Ha a Petersen tekercs induktív árama akkora, mint a (kapacitív) zárlati áram, akkor a hibahelyi áramot kikompenzáltuk. Tökéletesen pontos kompenzálást megvalósítani a gyakorlatban nem lehet, az alábbi okok miatt: Mind a Petersen tekercs, mind pedig a hálózat többi komponense veszteséges. Ezért a kapacitív íváramnak induktív árammal való kompenzálása csupán elméleti feltételezés, a valóságban ohmos-induktív árammal kellene ohmoskapacitív áramot kompenzálni, ami maradékáram nélkül nem lehetséges. A hálózati feszültségben, illetve áramban jelenlévő felharmonikusokat a Petersen tekercs nem kompenzálja. A Petersen tekercs általában nem képes követni a hálózat kapacitásában vezetékek kikapcsolása, bekapcsolása által okozott kismértékű kapacitásváltozásokat. 32
A kapacitív zárlati áram kikompenzálása csak elméletileg lehetséges. Ha azonban a maradék áram 5-10 A-nél kisebb, akkor remélhetjük, hogy az ív kialszik, és a zárlat magától megszűnik. Amíg a zárlati áram 50 A alatt van, addig a kompenzálás hatásos, a 100 A-es zárlati áramnál az ív kialvással már nem számíthatunk. A 100 A-os hibahelyi áramhoz tartozó vezetékhossz 2157 km. Egy 120/középfeszültségű transzformátorhoz ennél jóval kisebb hosszúságú vezetékek csatlakoznak, tehát a Petersen tekerccsel való kompenzálás hatásos lesz. 2.6 A nagy/középfeszültségű transzformátorok szerepe az elválasztásban A nagy/középfeszültségű transzformátorok középfeszültségű oldalon delta vagy szigetelt csillagkapcsolású tekercsei földpotenciál szempontjából függetlenítik a középfeszültségű hálózatot, és lehetővé teszik ennek az alaphálózattól eltérő csillagpont kezelését. Ha a nagy/középfeszültségű transzformátor kisebb feszültségű oldala deltakapcsolású, akkor a tekercsbe ki tud alakulni a nagyfeszültségű tekercs zérussorrendű áramának ellengerjesztése. A kisebb feszültségű oldalról azonban még akkor sem tud befolyni a transzformátor delta tekercseibe, ha a kisfeszültségű oldalon ki tudna alakulni. A delta tekercs üzemzavarmentes állapotban a referenciától mért feszültsége (elvileg) bármekkora lehet. A szivárgási ellenállások, szórt kapacitások, feszültségváltók, valamint a védelmi elemek okozta terhelések miatt a szigetelt csillagpont gyakorlatilag mégis referenciafeszültségen van. Ha testzárlat lép fel, akkor a zárlatos fázis referencia potenciálra kerül, az ép fázisok feszültsége vonali értékre emelkedik. Zárlati nagyságú áram azonban nem tud folyni, mivel nincs fémesen záródó áramkör. A védelmek figyelmeztető jelzéseket adnak, vagy lekapcsolnak. Ezen feszültségszinten nem jelent a szigetelésben számottevő többletköltséget az, hogy az ép fázisok tartósan a vonali feszültségre kerülnek. 2.7 A közép/kisfeszültségű transzformátorok szerepe A 0,4 kv-os kisfeszültségű hálózatok csillagpontja minden esetben közvetlenül földelt, sőt a csillagpontból induló nullavezető több ponton is földelt. Így a fázisfeszültségnél 33
nagyobb nem kerülhet a háztartási készülékekbe, és ezek testzárlata esetén a kisautomata az áramkört bontja. 2.8 A kábelhálózatok csillagpont kezelésének lehetőségei Leggyakoribb csillagpontrögzítési mód a hosszúföldelés, de előfordulhat a szigetelt és kompenzált megoldás is. Megjegyzés: A hosszúföldeléses csillagpontrögzítés az üzemviteli igényeket legjobban teljesítő megoldás. A földzárlatos üzem nem tartható, így a meghibásodás közvetlen kiesést jelent. Üzemszerűen fémesen összefüggő hálózaton, ha a kompenzálandó áramszükséglet 10 A alatt van, a csillagpont szigetelt is lehet. 120 A alatti kompenzálandó áramszükségletig a kompenzált üzemmód javasolt. 120 A feletti kompenzálandó áramszükséglet esetén a csillagpontot hosszúföldelten kell rögzíteni. Ennél a csillagpontkezelési módszernél a csillagpontot ellenálláson keresztül földelik, aminek kettős célja van: az ívkialvás után C 0 -ban maradt töltés gyors kisütése, tehát a zérus sorrendű feszültség lecsengésének elősegítése kellően nagy földzárlati áram előidézése ahhoz, hogy a védelem biztonságosan érzékelhesse a zárlatot A hosszú földelést megvalósító R n neutrális ellenállásra vonatkozó előírás: R n 1 0,8 X C0 0,8 (3) C 0 Elhanyagolva a transzformátor X tr soros reaktanciáját, a kondenzátor kisülésének C0 időállandója R n 0,8 X C 0 felvétellel T 3 R nc0 3 0,8 7,64ms 10ms. C Fenti időállandóval a zérus sorrendű feszültség 10 ms, vagyis egy félperiódus alatt eredeti értékének 27 %-ára csökken. 0 34
2.9 ábra. Hosszúföldeléses csillagpontrögzítés helyettesítő kapcsolás A középfeszültségű FAM tevékenység esetén a csillagpont rögzítést hosszúföldeltté kell tenni a védelmek pillanatműködtetésűvé tétele érdekében. 2.10 ábra. A csillagpont földelése különböző feszültségszintű hálózatok esetén 35
2.9 A csillagpontokban lévő készülékek áttekintése: 2.9.1 Csillagpontképző transzformátor A csillagpontképző transzformátor olyan, kis zérussorrendű impedanciájú, kéttekercselésű, általában közép/kisfeszültségű, zeg-zug/zeg-zug kapcsolású transzformátor, amelynek középfeszültségű csillagpontja csillagponti berendezés (ívoltó tekercs, ellenállás, stb.) csatlakoztatására van kiképezve. A transzformátort általában úgy méretezik, hogy háromfázisú teljesítmény átvitelére is alkalmas legyen, ezáltal háziüzemi transzformátornak is alkalmas. Az ilyen transzformátort az új szabványok háromfázisú földelő-transzformátornak vagy háromfázisú csillagpont-képző fojtótekercsnek is nevezik. 2.11 ábra. Kompenzálótekercs elhelyezése a mesterséges csillagpontban Ahol a főtranszformátor csillagpontjához Petersen tekercs csatlakozik, ott a csillagpontjához csatlakozó sínezést mindaddig feszültség alatt állónak kell tekinteni, amíg azt nem feszültségmentesítették. Ha a Petersen tekercs és a csillagpont között szakaszoló van, azzal csak földzárlatmentes üzemben szabad szakaszolni. A földzárlatmentes üzemet a parancsadó lámpa működése jelzi, ha közben földzárlat lép fel, akkor egy relé elveszi a parancsadó lámpa feszültségét. 36
A csillagpont-képző transzformátorok kapcsolása: - 35 kv-os szakaszolóval kapcsolni tilos! - 35 kv-os szakaszoló kapcsolóval (oszlopkapcsolóval) szabad kapcsolni, de csak földzárlatmentes üzemben (akkor is, ha a csillagpont-képzőnek van 0,4 kv-os segédtekercse) - 20 kv-os szakaszolóval szabad kapcsolni, de csak földzárlatmentes üzemben, és a csillagpontképző 0,4 kv-os segédtekercsének terheletlen állapotában - 20 kv-os szakaszoló kapcsolóval (oszlopkapcsolóval) szabad kapcsolni, de csak földzárlatmentes üzemben (akkor is, ha a csillagpontképzőnek van 0,4 kv-os segédtekercse) 2.9.2 Földzárlati Áramnövelő Nagyfeszültségű Olajszigetelésű Ellenállás (FÁNOE) A típusjelölésnél az első szám a névleges feszültséget jelenti, a törtvonal utáni számok pedig az ellenállás névleges áramát. A készülék rendeltetése és alkalmazási területe: A középfeszültségű kompenzált hálózatoknál a készülék feladata tartós egysarkú földzárlatok alkalmával a földzárlati hibahelyen folyó áram olymértékű megnövelése, hogy azt a vonalak áramváltói által táplált zérussorrendű túláramreléjével, vagy ha ilyen nincs, fázisonként beépített primer relével érzékelni lehessen. A készülék alkalmas arra, hogy földzárlat esetén, amennyiben tartós földzárlatról van szó, a szelektív földzárlatvédelem működéséhez szükséges I 0 áramot létrehozza. Amennyiben a földzárlatot az ívoltó tekercs nem szünteti meg, a vele párhuzamosan kötött ellenállást be kell kapcsolni. A földzárlat tartósságának megállapítását, az ellenállás előkésleltetett (kb. 2 sec) bekapcsolását és a védelmek működéséhez biztosan elegendő idő múlva (6 sec) történő kikapcsolását a FÁVA típusú automatika végzi. A készüléken belüli kapcsolást mágneses működtetésű megszakító végzi. Tekintettel arra, hogy egymás után bekövetkező földzárlatok esetén az ellenállás többször egymás után bekapcsolódhat, ami a fejlődött hőmennyiség szuperpozíciójával jár. 37
A készülék kapcsolója maximum 3 órán keresztül bekapcsolt állapotban lehet, így az ellenállás ezen idő alatt hosszúföldelő ellenállásként is alkalmazható. 2.12 ábra. Földzárlati áramnövelő ellenállás A készülék kialakítása, működtetése: Ugyanazok a jellemzői, mint az előző pontban ismertetett készüléknél. A készülék védelme: Ugyanazok a jellemzői, mint az előző pontban ismertetett készüléknél. A készülék csatlakozása: A FÁNOE készüléket a középfeszültségű hálózat kiképzett csillagpontjára, az ívoltó tekerccsel párhuzamosan csatlakoztatjuk. A csillagpontra kell csatlakoztatni a FÁNOE O -val jelzett kivezetését. Az ellenállás -el jelzett, a konzervátor felé eső kivezetését az állomás földelő hálójára kell az előírásoknak megfelelően csatlakoztatni. Az ellenállás E-vel jelzett kapcsa a készülék FAM kivezetése. Üzemzavar elhárítás, leggyakrabban előforduló hibák: A földzárlati áramnövelő ellenállásnak a hálózat üzeme során gyakran előforduló földzárlatok esetén, amikor a földzárlat tartósnak minősül működnie kell. A működési szám a FÁVA automatika számlálójáról állapítható meg. Gyakori földzárlat előidézheti az ellenállás túlmelegedését, így a védelem indokolt működését. A káros túlmelegedés látható és érzékelhető jelenségei: a kitágult szigetelő olaj nem fér el a konzervátor edényben, túlcsordulás van a felső levegőző csonkon. az ellenállás túlmelegedik, ez külső tapintással, esetleg méréssel megállapítható. 38