TEORETICKÁ ANALÝZA OCHRANY ROZVÁDZAČOV PRED PREPÄTÍM PRI REŠPEKTOVANÍ EMC Technická univerzita v Košiciach Fakulta elektrotechniky a informatiky K. Marton, J. Balogh, J. Džmura, J. Petráš
Jan 10, 2016
TEORETICKÁ ANALÝZA OCHRANY ROZVÁDZAČOV PRED PREPÄTÍM PRI
REŠPEKTOVANÍ EMC
TEORETICKÁ ANALÝZA OCHRANY ROZVÁDZAČOV PRED PREPÄTÍM PRI
REŠPEKTOVANÍ EMC
Technická univerzita v Košiciach
Fakulta elektrotechniky a informatiky
Technická univerzita v Košiciach
Fakulta elektrotechniky a informatiky
K. Marton, J. Balogh, J. Džmura, J. PetrášK. Marton, J. Balogh, J. Džmura, J. Petráš
„Systém sám o sebe môže byť dokonale spoľahlivý - bude však bezcenný v prevádzke pokiaľ súčasne nebude elektromagneticky kompatibilný. Spoľahlivosť a elektromagnetická kompatibilita sú neoddeliteľné požiadavky systému, ktorý má byť v chode v každej dobe a za každých okolností“
H. M . Schlike
„Systém sám o sebe môže byť dokonale spoľahlivý - bude však bezcenný v prevádzke pokiaľ súčasne nebude elektromagneticky kompatibilný. Spoľahlivosť a elektromagnetická kompatibilita sú neoddeliteľné požiadavky systému, ktorý má byť v chode v každej dobe a za každých okolností“
H. M . Schlike
Obsah:Obsah:
1. Úvod
2. Predpokladané rozmiestnenie elektrických obvodov v budove
3. Teoretická analýza impedančných pomerov pri pôsobení prepätí
4. Dynamické účinky prepätí na elektrické rozvody
5. Záver
1. Úvod
2. Predpokladané rozmiestnenie elektrických obvodov v budove
3. Teoretická analýza impedančných pomerov pri pôsobení prepätí
4. Dynamické účinky prepätí na elektrické rozvody
5. Záver
Bytová jednotkaBytová jednotka
Malé výpočtové strediskoMalé výpočtové stredisko
Priemyselný objektPriemyselný objekt
Skôr než rozmiestnime ochrany proti prepätiam, musíme zabezpečiť dokonalé uzemnenie.
Skôr než rozmiestnime ochrany proti prepätiam, musíme zabezpečiť dokonalé uzemnenie.
Vyrovnanie potenciálov v sústave chránenej samočinným odpojením napájania v sieťach TNVyrovnanie potenciálov v sústave chránenej samočinným odpojením napájania v sieťach TN
Inštalácia zvodičov prepätia v sústave chránenej samočinným odpojením napájania v sieťach TTInštalácia zvodičov prepätia v sústave chránenej samočinným odpojením napájania v sieťach TT
Zóny bleskovej ochrany (ZBO)Zóny bleskovej ochrany (ZBO)
Indukované pozdĺžne a priečne napätieIndukované pozdĺžne a priečne napätie
Priečne napätie indukované v jadrách vodičov môže dosiahnuť niekoľko kilovoltov. Pozdĺžne napätie dosiahne niekoľko desiatok kilovoltov.
Priečne napätie indukované v jadrách vodičov môže dosiahnuť niekoľko kilovoltov. Pozdĺžne napätie dosiahne niekoľko desiatok kilovoltov.
Galvanický vplyv bleskových prúdovGalvanický vplyv bleskových prúdov
PREPÄTIA A ROZVOD NNPREPÄTIA A ROZVOD NN
BZvodič bleskového prúdu, napr. 100 kA
10/350 (HR)
CObmedzovače
prepätí(R, PR)
DKombinované
prepäťové ochrany priamo pri objekte
Príklady zapojenia ochránPríklady zapojenia ochrán
Koncepcia trojstupňovej ochranyKoncepcia trojstupňovej ochrany
Koordinácia prepäťových ochránKoordinácia prepäťových ochrán
Koordinácia B-CKoordinácia B-C
Koordinácia C-DKoordinácia C-D
Aplikácia obmedzovacej tlmivkyAplikácia obmedzovacej tlmivky
Zapojenie zvodičov v sieti TN-C-SZapojenie zvodičov v sieti TN-C-S
HR – hlavný rozvádzačPR – podružný rozvádzačZO/KZ – zásuvkový obvod/koncové zariadenieEP – ekvipotenciálna prípojnicaEM – elektromerB - zvodič triedy BC – zvodič triedy CD – zvodič triedy DI - selektívny prúdový chránič
HR – hlavný rozvádzačPR – podružný rozvádzačZO/KZ – zásuvkový obvod/koncové zariadenieEP – ekvipotenciálna prípojnicaEM – elektromerB - zvodič triedy BC – zvodič triedy CD – zvodič triedy DI - selektívny prúdový chránič
Zapojenie zvodičov v sieti TN-SZapojenie zvodičov v sieti TN-S
HR – hlavný rozvádzačPR – podružný rozvádzačZO/KZ – zásuvkový obvod/koncové zariadenieEP – ekvipotenciálna prípojnicaEM – elektromerB - zvodič triedy BC – zvodič triedy CD – zvodič triedy DI - selektívny prúdový
chránič
HR – hlavný rozvádzačPR – podružný rozvádzačZO/KZ – zásuvkový obvod/koncové zariadenieEP – ekvipotenciálna prípojnicaEM – elektromerB - zvodič triedy BC – zvodič triedy CD – zvodič triedy DI - selektívny prúdový
chránič
Zapojenie zvodičov v sieti TT alebo TN-SZapojenie zvodičov v sieti TT alebo TN-S
HR – hlavný rozvádzačPR – podružný rozvádzačZO/KZ – zásuvkový obvod/koncové zariadenieEP – ekvipotenciálna prípojnicaEM – elektromerB1 - zvodič triedy B
B2 - zvodič triedy B
C1 – zvodič triedy C
C2 – zvodič triedy C
D – zvodič triedy DI - selektívny prúdový
chránič
HR – hlavný rozvádzačPR – podružný rozvádzačZO/KZ – zásuvkový obvod/koncové zariadenieEP – ekvipotenciálna prípojnicaEM – elektromerB1 - zvodič triedy B
B2 - zvodič triedy B
C1 – zvodič triedy C
C2 – zvodič triedy C
D – zvodič triedy DI - selektívny prúdový
chránič
Teoretická analýza impedančných pomerov pri vlnových procesoch
Teoretická analýza impedančných pomerov pri vlnových procesoch
Základné údaje:• vlnová impedancia vonkajšieho vedenia ZV = 250 – 500 ,
vlnová rýchlosť v=300 m/s (300 000 km/s)• vlnová impedancia kábelového vedenia ZK = 40 – 150 ,
vlnová rýchlosť v=150 - 200 m/s (v=c/√εrμr).Tvar napäťovej vlny T1/T2 .....1,2/50
prúdovej vlny T1/T2 .....8/20 .....10/350
Charakter objektov v obvode: R; L; CSledované veličiny: uP – postupujúca vlna napätia
u0 – odrazená napäťová vlna
u2 – lomená napäťová vlna
IP – postupujúca prúdová vlna
i0 – odrazená prúdová vlna
i2 – prúdová vlna cez Z2
Z – vlnová impedancia
Základné údaje:• vlnová impedancia vonkajšieho vedenia ZV = 250 – 500 ,
vlnová rýchlosť v=300 m/s (300 000 km/s)• vlnová impedancia kábelového vedenia ZK = 40 – 150 ,
vlnová rýchlosť v=150 - 200 m/s (v=c/√εrμr).Tvar napäťovej vlny T1/T2 .....1,2/50
prúdovej vlny T1/T2 .....8/20 .....10/350
Charakter objektov v obvode: R; L; CSledované veličiny: uP – postupujúca vlna napätia
u0 – odrazená napäťová vlna
u2 – lomená napäťová vlna
IP – postupujúca prúdová vlna
i0 – odrazená prúdová vlna
i2 – prúdová vlna cez Z2
Z – vlnová impedancia
Všeobecné údaje o vedeníVšeobecné údaje o vedení
Vychádzame z týchto základných rovníc:Vychádzame z týchto základných rovníc:
00 1
uUZZ
u
Z
UP
P 00 1
uUZZ
u
Z
UP
P
02 uUu p 02 uUu p 0
002 Z
u
Z
UiIi p
p 0
002 Z
u
Z
UiIi p
p
Špeciálne prípady: - Z= , i2=0, Up=u0, po odraze u2=2Up
- Z = 0, u2=0, Up=-u0, a i2=2Ip
Špeciálne prípady: - Z= , i2=0, Up=u0, po odraze u2=2Up
- Z = 0, u2=0, Up=-u0, a i2=2Ip
Vedenie zakončené odporom RVedenie zakončené odporom R
022 uURiu p 022 uURiu p
02 uUZi p 02 uUZi p
pU
ZRZR
u
1
1
0 pU
ZRZR
u
1
1
0 pUZR
ZRu
0 pUZR
ZRu
0
Úbytok napätia na odpore R bude:Úbytok napätia na odpore R bude:
pU
ZRZR
u
1
2
2 pU
ZRZR
u
1
2
2 pUZR
Ru
22 pUZR
Ru
22aleboalebo
Vedenie zakončené indukčnosťou LVedenie zakončené indukčnosťou L
02
2 uUdt
diLu p 0
22 uU
dt
diLu p
02 uUZi p 02 uUZi p
Z toho vyplýva:Z toho vyplýva:
aat
peUu
22t
peUu
22
t
p eZ
Ui 122
t
p eZ
Ui 122 pričom =L/Z,pričom =L/Z,
pri exponenciálnom poklese u2 na konci vedenia, prúd i2 bude
stúpať exponenciálne a stabilizuje sa pri hodnote
pri exponenciálnom poklese u2 na konci vedenia, prúd i2 bude
stúpať exponenciálne a stabilizuje sa pri hodnote ZU p2 ZU p2
Vedenie zakončené kapacitou CVedenie zakončené kapacitou C
Prúd i2 tečúci vetvou 2 - zem bude Prúd i2 tečúci vetvou 2 - zem bude
dt
duCi 2
2 dt
duCi 2
2
napätie na C: u2=Up+u0; takže rovnica napätia sa vyjadrí vzťahom: i2.Z=Up-u0. Z tejto úvahy plynie, že u2 bude
exponenciálne narastať a ustáli sa na hodnote 2Up. Prúd i2
má exponenciálne klesajúcu tendenciu, čo možno pre oba prípady vyjadriť
napätie na C: u2=Up+u0; takže rovnica napätia sa vyjadrí vzťahom: i2.Z=Up-u0. Z tejto úvahy plynie, že u2 bude
exponenciálne narastať a ustáli sa na hodnote 2Up. Prúd i2
má exponenciálne klesajúcu tendenciu, čo možno pre oba prípady vyjadriť
t
p eUu 122
t
p eUu 122t
p eZ
Ui
22
t
p eZ
Ui
22
Z C Z C
a a pričom pričom
Spojené vedenia o rôznych vlnových impedanciáchSpojené vedenia o rôznych vlnových impedanciách
0112 uUu pp 0112 uUu pp 1
01
2
2
Z
uU
Z
ui pp
1
01
2
2
Z
uU
Z
ui pp
Pre odrazenú vlnu platíPre odrazenú vlnu platí 112
1201 pUZZ
ZZu
112
1201 pUZZ
ZZu
ďalej postupujúca napäťová vlna po vedení o impedancii Z2
bude mať amplitúdu
ďalej postupujúca napäťová vlna po vedení o impedancii Z2
bude mať amplitúdu
121
22
2pp U
ZZ
Zu
1
21
22
2pp U
ZZ
Zu
Faktor odrazu napäťovej vlny vypočítame zo vzťahu Faktor odrazu napäťovej vlny vypočítame zo vzťahu
12
12
1
2
1
2
1
1
ZZ
ZZ
ZZZZ
u
12
12
1
2
1
2
1
1
ZZ
ZZ
ZZZZ
u
Rozvetvenie vedeníRozvetvenie vedení
-
Najčastejším prípadom v praxi je rozvetvenie vedení, pričom impedancie môžu mať rozdielnu hodnotu. Budeme riešiť jednoduchší prípad, keď Z1=Z2=....=Zn o celkovom počte vetví
n. Takže z hľadiska bodu 2, bude
Najčastejším prípadom v praxi je rozvetvenie vedení, pričom impedancie môžu mať rozdielnu hodnotu. Budeme riešiť jednoduchší prípad, keď Z1=Z2=....=Zn o celkovom počte vetví
n. Takže z hľadiska bodu 2, bude
n
ZZcelk . n
ZZcelk . a napätiea napätie 1
.
2 .1
2
1
2p
celk
p Un
nZZ
u
1
.
2 .1
2
1
2p
celk
p Un
nZZ
u
Reálny odpor R zapojený v sérii na rozhraní dvoch vlnových impedanciíReálny odpor R zapojený v sérii na rozhraní dvoch vlnových impedancií
Platí i=i2 a pre napäťovú bilanciu vychádza Platí i=i2 a pre napäťovú bilanciu vychádza
odrazená vlna budeodrazená vlna bude
iRuUu pp 0112 iRuUu pp 0112
Prúd impulznej vlny cez Z2 vyjadríme Prúd impulznej vlny cez Z2 vyjadríme 1
011
2
2
Z
uU
Z
ui pp
1
011
2
2
Z
uU
Z
ui pp
pričompričom
112
1201 pURZZ
RZZu
1
12
1201 pURZZ
RZZu
112
22
2pp U
RZZ
Zu
1
12
22
2pp U
RZZ
Zu
Zaradenie objektu s čisto ohmickým charakterom (R) do uzlového bodu vedení o rôznej vlnovej impedancii. Zaradenie objektu s čisto ohmickým charakterom (R) do uzlového bodu vedení o rôznej vlnovej impedancii.
Na základe Kirchhoffových zákonov:Na základe Kirchhoffových zákonov:
I1=i2+iR a Up2=Up1+u01 I1=i2+iR a Up2=Up1+u01
121
12
2112
01 pU
RZZ
ZZ
RZZ
ZZu
1
2112
2112
01 pU
RZZ
ZZ
RZZ
ZZu
1
2121
22
2pp U
RZZ
ZZ
Zu
1
2121
22
2pp U
RZZ
ZZ
Zu
V sieťach elektroenergetiky sa vyskytujú v sérii zapojené indukčnosti L buď vo forme tlmiviek alebo vinutia prístrojového transformátora V sieťach elektroenergetiky sa vyskytujú v sérii zapojené indukčnosti L buď vo forme tlmiviek alebo vinutia prístrojového transformátora
Rovnica napätia:Rovnica napätia:
pričompričom
Hľadané priebehy: Hľadané priebehy:
Rovnica prúdu:Rovnica prúdu:
dt
diLuUu pp 0112 dt
diLuUu pp 0112
1
011
2
22 Z
uU
Z
uii pp
1
011
2
22 Z
uU
Z
uii pp
t
pp eU
ZZ
u 11
21
2
12
t
pp eU
ZZ
u 11
21
2
12
1
21
1
2
1
01 121
2
Z
ZeU
ZZZ
ut
p
Z
1
21
1
2
1
01 121
2
Z
ZeU
ZZZ
ut
p
Z
21 ZZ
L
21 ZZ
L
charakterizuje strmosť priebehucharakterizuje strmosť priebehu
Kapacita C voči zemi v uzlovom bode vedenia o rôznych vlnových impedanciách Z1 a Z2
Kapacita C voči zemi v uzlovom bode vedenia o rôznych vlnových impedanciách Z1 a Z2
Postupujúca vlna na Z2 :Postupujúca vlna na Z2 :
Riešenie:Riešenie:
pričompričom
Amplitúda odrazenej vlny: Amplitúda odrazenej vlny:
a po úpravea po úprave
ciiI 21 ciiI 21 0112 uUu pp 0112 uUu pp
dt
duC
Z
u
Z
uU pp p 2
2
011 2
dt
duC
Z
u
Z
uU pp p 2
2
011 2
t
pp eU
Z
Zu 1
1
21
2
12
t
pp eU
Z
Zu 1
1
21
2
12
t
p eZ
ZU
ZZ
u 211
1
2
11
2
101
t
p eZ
ZU
ZZ
u 211
1
2
11
2
101
2
11ZZ
CZ
2
11ZZ
CZ
Dôležitá úloha Z1/Z2 : Nech Z1=500 a Z2 =50
Up2: potom pre Z1>> Z2 bude Z1/Z2 ...10 a pravá časť rovnice je 0,18
ak Z1<< Z2 bude Z1/Z2 ...0,1 a pravá časť rovnice je 1,81
U01: pre Z1>> Z2 Z1/Z2 ...10 a pravá časť rovnice je 0,0909
Z1/Z2 ...0,1 a pravá časťrovnice je 0,909
Dôležitá úloha Z1/Z2 : Nech Z1=500 a Z2 =50
Up2: potom pre Z1>> Z2 bude Z1/Z2 ...10 a pravá časť rovnice je 0,18
ak Z1<< Z2 bude Z1/Z2 ...0,1 a pravá časť rovnice je 1,81
U01: pre Z1>> Z2 Z1/Z2 ...10 a pravá časť rovnice je 0,0909
Z1/Z2 ...0,1 a pravá časťrovnice je 0,909
DYNAMICKÉ ÚČINKY PREPÄTÍ NA ELEKTRICKÉ OBVODY
DYNAMICKÉ ÚČINKY PREPÄTÍ NA ELEKTRICKÉ OBVODY
Elektrické a mechanické namáhanieElektrické a mechanické namáhanie
DYNAMICKÉ ÚČINKY PREPÄTÍ NA ELEKTRICKÉ OBVODY
DYNAMICKÉ ÚČINKY PREPÄTÍ NA ELEKTRICKÉ OBVODY
DYNAMICKÉ ÚČINKY PREPÄTÍ NA ELEKTRICKÉ OBVODY
DYNAMICKÉ ÚČINKY PREPÄTÍ NA ELEKTRICKÉ OBVODY
DYNAMICKÉ ÚČINKY PREPÄTÍ NA ELEKTRICKÉ OBVODY
DYNAMICKÉ ÚČINKY PREPÄTÍ NA ELEKTRICKÉ OBVODY
Exaktné riešenieExaktné riešenie
Dva paralelné vodičeDva paralelné vodiče
Sila v magnetickom poli všeobecne: F=i.l.BSila v magnetickom poli všeobecne: F=i.l.B21
0
2ii
a
lF r
210
2ii
a
lF r
pričom - 0 = 410-7 H/m permeabilita vákua
- r = 1 relatívna permeabilita vzduchu
pričom - 0 = 410-7 H/m permeabilita vákua
- r = 1 relatívna permeabilita vzduchu
Pričom B v okolí líniového vodiča v závislosti od vzdialenosti r bude:Pričom B v okolí líniového vodiča v závislosti od vzdialenosti r bude:
r
iw
lHB rr
200
r
iw
lHB rr
200
Umiestnenie fázových vodičov v rozvádzačochUmiestnenie fázových vodičov v rozvádzačoch
Príklad: Bleskový prúd I=50 kA, dĺžka vodičov l=1 m, vzdialenosť vodičov a=0,1 m. F=5 kN=5 kWs/m.Ak poškodenie trvá 1 μs, potom F bude 5.103 MWμs/m alebo
5 GWμs/m
Príklad: Bleskový prúd I=50 kA, dĺžka vodičov l=1 m, vzdialenosť vodičov a=0,1 m. F=5 kN=5 kWs/m.Ak poškodenie trvá 1 μs, potom F bude 5.103 MWμs/m alebo
5 GWμs/m
Ďakujem za pozornosťĎakujem za pozornosť