MEODIKA KONROLY OCHRAN Ing. Mečislav Hudeczek, Ph.D. HDECZEK SERVICE, s. r. o. 735 43 Albrechtice Druhy zkratů V každém elektrickém zařízení je nutno počítat nejen s normálními provozními stavy, ale i s různými poruchovými jevy, jako je přepětí, přetížení a zkrat. dyž je zařízení projektováno a vybudováno podle platných předpisů a norem s ohledem na provozní bezpečnost a spolehlivost a na bezpečnost obsluhujících osob, není možné se vyhnout uvedeným poruchám. Je třeba uvažovat o tom, jak je rychle a vhodně omezit a odstranit je dříve, než se projeví svými škodlivými účinky. Jednou z nejvážnějších poruch, které je nutno předpokládat v elektrických zařízeních, je zkrat. Zkratem je chybné, vodivé spojení, mezi jednotlivými fázemi elektrizační soustavy, popř. mezi některou fází a zemí v soustavě účinně uzemněné. oto chybné spojení způsobí nadměrný vzrůst proudu nad obvyklou provozní hodnotu tím, že jsou z elektrického obvodu vyřazeny spotřebiče, které představují hlavní část odporu obvodu. Obvod mezi místem zkratu a zdroji, které jej napájejí, nazýváme zkratovým obvodem. Kdyby spojovací vedení, transformátory, generátory a ostatní části elektrického obvodu neměly žádný odpor, pak by zkratovým obvodem protékal podle Ohmova zákona proud nekonečně velký. Ve skutečnosti je však ve zkratovém obvodu vždy zařazen určitý odpor, který se skládá z vnitřních impedancí generátorů a transformátorů, z impedancí vedení (kabelů, přípojnic, venkovních vedení) a z přechodových odporů jak na spojích, tak i v místě zkratu samém, takže zkratový proud dosáhne nějaké konečné velikosti. Avšak i za těchto okolností jsou zkratové proudy tak velké, že téměř ve všech případech vážně ohrožují jak celé elektrické zařízení, tak i životy obsluhujících pracovníků. Napětí v místě zkratu klesne na nepatrnou velikost (při dokonalém zkratu teoreticky až na nulu), takže celé vnitřní napětí zdroje se spotřebuje na úbytky napětí v alternátorech, transformátorech, venkovních, popř. kabelových vedeních, nebo dalších prvcích sítě (viz např. obr. 1). V celém postiženém obvodu se projeví pokles napětí, který vzrůstá od zdrojů až k místu zkratu. Napětí v jednotlivých místech zkratového obvodu jsou napětí zbytková, kterým pak odpovídají proudy tekoucí při zkratu ještě do připojených odběrů do nepostižených větví (např. na přípojnicích r 1 v obr. 1). 1
r 1 r 2 R V RK R a zb b) Obr. 1. Úbytek napětí v obvodu při trojfázovém zkratu, a) při normálním zatížení, b) při zkratu Z K chybnému spojení může dojít v trojfázové soustavě mezi různými vodiči. Mluvíme pak o těchto druzích zkratu: trojfázový zkrat (obr. 2) nastane při spojení všech tří fází elektrizační soustavy v jednom místě Obr. č. 2 rojfázový zkrat trojfázový zemní zkrat (obr. 3) nastane při spojení všech tří fází navzájem a jejich současném spojení se zemí, Obr. 3. rojfázový zemní dvojfázový zkrat (obr. 4) nastane při spojení kterýchkoli dvou fází trojfázové soustavy v jednom místě 2
(2) (2) Obr. 4 Dvoufázový zkrat dvojfázový zemní zkrat (obr. 5) nastane, jsou-li dvě spojené fáze současně spojeny se zemí, (20) (20) I KZ Obr. 5. Dvoufázový zemní jednofázový zkrat (obr. 6) nastane v soustavě s uzemněným nulovým bodem, popř. vyvedeným středním vodičem při spojení jedné z fází se zemí nebo se středním vodičem, I K (1) I K (1) Obr. 6. Jednofázový zemní spojení (obr. 7) nastane v soustavě s izolovaným nulovým bodem při spojení jedné z fází se zemí. Nepovažuje se za zkrat. I C Obr. 7- Zemní spojení 3
Zvláštním případem dvojfázového zkratu je zemní spojení, vzniklé spojením dvou různých fází trojfázové soustavy se zemí na dvou různých místech. V takovém případě mluvíme o tzv. simultánním zkratu (obr. 8). Obr. Č.8 Simultánní zkrat Zkrat může nastat dokonalým pojením fází nebo fáze a země, při kterém je impedance v místě spojení zanedbatelná, nebo nedokonalým spojením, kdy impedance zkratového spojení je značná a ovlivňuje velikost zkratového proudu. V prvém případě mluvíme o zkratu dokonalém např. způsobeným kovovým předmětem a v druhém případě mluvíme o zkratu nedokonalým, který může být způsoben částečným stlačením kabelu. Místo stlačení má určitý ohmický odpor a ve většině případu místo stlačení shoří nebo se natáhne oblouk. Dva poslední druhy zkratů jsou velice choulostivé z titulu nastavení hodnot na ochranách pro vypnutí příslušného obvodu. Poměry na hořícím oblouku se těžko definují a taktéž se obtížně stanovují vypínací proudy. o platí pro případy, kdy zkratové výkony jsou malé. Velikost zkratového proudu vyplývá z Ohmová zákona. Předpokládejme pro naše úvahy jednoduchý zkratový obvod podle obr. 9. Zdroj o stálém napětí napájí přes vedení o impedanci Z v [Ω] spotřebič S o impedanci Z s [Ω]. Při normálním bezporuchovém provozu protéká obvodem proud: I n = Z + Z v s Napětí na spotřebiči je: s = = I n Z s V případě zkratu v místě a (na svorkách spotřebiče) je z proudového obvodu vyřazena impedance Z s a proud, tentokrát zkratový, je omezen pouze impedancí Z v. Jeho velikost je: I = k Z V 4
Protože je impedance spotřebiče Z s mnohokrát větší než impedance vedení, takže Z v + Z s Z c, je i zkratový proud mnohokrát větší než normální provozní proud, tj. I n. Napětí v místě zkratu aa je nulové (předpokládáme dokonalý zkrat), celé napětí se spotřebuje na úbytky na impedanci vedení Z v. k Z V a Z S Z a, Z 1 k Zk 2 S Obr. 9 Úbytek napětí ve zkratovém obvodu Příčiny vzniku zkratu Zkrat vznikne v elektrickém zařízení a rozvodu spojením vodičů různého potenciálu. K tomuto spojení může v elektrických zařízeních a rozvodech dojít z několika příčin: nedokonalostmi a vadami, nedostatečnou zkratovou odolností a nedostatečnými vzdušnými vzdálenostmi, poškozením cizími zásahy a povětrnostními vlivy, chybnou manipulací, cizími kovovými (vodivými) částmi na holých spojích, přepětím, nedokonalým dimenzováním, technickým stárnutím elektrického zařízení 5
Následky zkratů Zkraty se v elektrickém zařízení projevují četnými nepříznivými následky, které mohou nejen ohrozit bezpečnost provozu, bezpečnost zařízení, ale vážně ohrožují i bezpečnost obsluhujících pracovníků. Elektrické zařízení je proto nutno dimenzovat nejen s ohledem na provozní poměry, ale i na poměry při zkratu, aby následky zkratů byly omezeny jen na neodstranitelné průvodní jevy. Účinky zkratových proudů jsou: dynamické, tepelné, elektrický oblouk, přepětí, indukovaná napětí, pokles napětí ve zkratovém obvodu a ohrožení stability přenosů elektrické energie. Jak se chránit proti negativním účinkům zkratových proudů Především každý elektrický rozvod musí mít zpracován výpočet zkratových proudů a to bez rozdílů napětí a zatížení. Z těchto povinnosti výpočtu zkratových proudů vyjímaje telefonní rozvody, jiskrově bezpečné rozvody, komunikační vedení, zabezpečovací technika včetně požární. Na základě výpočtů zkratových proudů nutno zpřesnit odpovídající konfiguraci elektrické sítě, vybrat odpovídající jistící prvky a určit nastavení příslušných proudových hodnot kdy mají ochrany zapůsobit. Kontrola ochran v provozních podmínkách Kontrola ochran v provozních podmínkách je realizována přímo v kobkách jednotlivých vývodů. V prostředí s nebezpečím výbuchu jsou ochrany kontrolovány výměnným způsobem. V normálním prostředí je povinnost u VN zařízení ochrany kontrolovat ve tříletých intervalech u ostatních zařízení včetně NN tato povinut se strany provozovatele není. Zkušenosti při kontrolách nn ochran jsou takové, že ne vždy ochrany vypínají v časech podle příslušné charakteristiky. Někdy ochrany nevypnou vůbec. Při kontrole NN ochran v jisté organizaci, která spadá pod vrchní dozor Státní báňské správy, v počtů 340 kusů bylo měřením zjištěno, že 21 ks ochran nevypnulo max. proud což je chyba 6,1 %. Postup při kontrole ochran Revize proudových měničů včetně měření. Provádí se v příslušné kobce nebo skříni vn na příkaz B. 6
Vizuálně a mechanicky se zkontrolují všechny šroubové spoje primární a i sekundární strany PP včetně přizemnění. Dále se provede kontrola všech připojených přístrojů a kontrola správnosti jejich zapojení podle dokumentace. Opíšeme štítkové údaje PP v jednotlivých fázích případně porovnáme s údaji v protokolu nastavení ochrany. Na primární stranu PP připojíme regulovatelný proudový zdroj tak, aby uzavíral okruh přes PP v jedné fázi. Nastavíme na jmenovitou hodnotu proudu PP. Na sekundární straně PP bez rozpojení připojené zátěže, změříme klešťovým ampérmetrem převodní proud, současně kontrolujeme přesnost rozváděčových ampérmetrů. Současně změříme voltmetrem úbytek napětí na sekundárních svorkách PP. Provedeme výpočtem kontrolu zařízení. Naměříme-li úbytek 2V, pak 5Ax2V=10 VA, při jmenovitém výkonu PP 15 VA tento vyhovuje. Přesáhne-li jmenovitý výkon PP hledáme příčinu. Naměřené hodnoty úbytků napětí zapíšeme do protokolu a porovnáme s minulým stavem. Měření provedeme ve všech fázích u PP. Revize ochrany 1. Kontrola typu ochrany a výrobního čísla, porovnat s předchozím protokolem. 2. Kontrola správnosti napojení dle dokumentace. 3. Očištění ochrany, dotažení všech šroubových spojů. 4. Kontrola mechanického stavu ochrany, promazání všech kluzných částí včetně bowdenů a vyzkoušení jejich funkce. 5. Kontrola mechanického a elektrického stavu všech spínacích kontaktů ochrany, případné vyčištění. 6. Kontrola pomocného stejnosměrného napětí. Sekundární zkouška ochrany Do svorek proudových článků ochrany spojených v sérií připojíme regulovatelný proudový zdroj. Do svorek kontaktů připojíme elektrické stopky, čas časového článku ochrany nastavíme na minimum. Zapneme pomocné ovládací ss napětí na ochranu. Rozsah proudových článků nastavíme na 2 In. Na zdroji nastavíme proud 1,2 In a necháme působit po dobu 20 min, při uzavřeném víku 7
ochrany. průběžně kontrolujeme, nedošlo-li k nadměrnému zvýšení teploty proudových článků. Po této teplotní stabilizaci zapojíme proudové články ochran jen v jedné fázi. Rozsah článku nastavíme na požadovanou hodnotu. Pomalu zvyšujeme proud až do působení článků (překlopení kotvy), kontrolujeme přesnost nastavení, případnou nepřesnost opravíme, opětovným zvyšováním proudu provedeme kontrolu. Po přesném nastavení náběhu proudu snižujeme hodnotu proudu k okamžiku odpadu článku. Obě tyto hodnoty zapíšeme do protokolu. Odpad náběh nesmí být nižší než 0,85. oto měření a nastavení se provede ve všech fázích. Proudový zdroj připojíme v jedné fázi. Časový článek ochrany nastavíme na požadovanou hodnotu. Proud zdroje nastavíme na 105 % In a zdroj vypneme hlavním vypínačem. Vynulujeme elektrické stopky, vynulujeme ukazatel časového článku ochrany. Zapneme proudový zdroj a vyčkáme dobu působení časového článku. Případnou nepřesnost upravíme opětovným najetím. Čas článku zapíšeme do protokolu. Postupně změříme vypínací časy ostatních článků v dalších fázích, diference neopravujeme, ale skutečné hodnoty zapíšeme. Po proměření provedeme odpojení měřícího zařízení a provedeme napojení podle původního stavu. Zkontrolujeme dle dokumentace. Funkční ověření Je to ověření, zda výstupním impulsem ochrany dojde k vypnutí chráněného zařízení. Pokud je práce prováděná na příkaz B, tento se přeruší nebo ukončí, manipulant nebo pracovní odpovídá za zajišťování bezpečnosti na daném pracovišti, připraví zařízení k odzkoušení. Mechanicky provedeme překlopení kotvy nadproudového článku, vypínač musí vypnout a zároveň musí signalizovat poruchová signalizace působení ochrany. Ochrana se zaplombuje. Provede se zápis od knihy ochran, dokončí se zápis, dle kterého se napíše protokol ochrany. 8
Napěťové relé nadpěťové a podpěťové Revize napěťových měničů Vizuálně a mechanicky se zkontrolují všechny šroubové spoje primární i sekundární strany PN včetně přizemnění. Dále se provede kontrola všech připojených přístrojů (ochrany, V-metry, W-metry, elektroměry atd.) a kontrola správnosti zapojení podle dokumentace. 1. Opíšeme štítkové údaje PN v jednotlivých fázích. 2. Provedeme kontrolu fázových a sdružených napětí na sekundární straně PN. 3. Kontrola sledu fází (sfázování s jiným PN). 4. Kontrola jističů v sekundárních obvodech a měření velikosti zátěže. Revize ochrany 1. Kontrola typu ochrany a výrobní čísla, porovnat s předchozím protokolem. 2. Kontrola správnosti napojení dle dokumentace. 3. Očištění ochrany včetně krytu, dotažení všech šroubových spojů. 4. Kontrola mechanického stavu ochrany, promazání všech kluzných částí včetně bovdenů a vyzkoušení jejich funkce. 5. Kontrola mechanického a elektrického stavu všech spínacích kontaktů ochrany a vyčištění. Sekundární zkouška podpěťové ochrany Na svorky napěťového článku ochrany připojíme regulovatelné střídavé napětí, měříme voltmetrem s přesností 0,5 %. Na svorky zapnuto (vypnuto) kontaktů příslušného napěťového článku připojíme elektrické stopky. Pomalu zvyšujeme napětí až působení článku, kontrolujeme přesnost náběhu relé případnou nepřesnost opravíme nastavením. Hodnotu náběhu zapíšeme. Snižujeme napětí až do odpadu článku, hodnotu opět zapíšeme a vypočítáme přídržný poměr, který nesmí být nižší než 0,85. oto měření několikrát opakujeme v každém článku zda se hodnoty nemění. Po proměření provedeme odpojení měřícího zařízení a provedeme napojení podle původního stavu. 9
Sekundární zkouška nadpěťové ochrany Provedeme napojení dle výše uvedeného. 1. Pomalu zvyšujeme napětí až do zapůsobení napěťového článku, zatlačením padáčku vynulujeme červený terčík. 2. Pomalu snižujeme napětí až zapůsobí článek a objeví se červený terčík. ato hodnota napětí se musí rovnat hodnotě požadované. pravíme nastavením článku. Hodnotu zapíšeme jako odpad. 3. Zvyšujeme pomalu napětí až dojde k zapůsobení článku. Hodnotu zapíšeme jako náběh. Přídržný poměr odpad: náběh nesmí být nižší než 0,85. 4. oto měření několikrát opakujeme v každém článku, zda se hodnoty nemění. 5. Po proměření provedeme odpojení měřícího zařízení a provedeme napojení podle původního stavu. Funkční ověření Je to ověření, zda výstupním impulsem ochrany dojde k vypnutí chráněného zařízení. Pokud je práce prováděna na příkaz B, tento se přeruší nebo ukončí, manipulant odpovídá za zajišťování bezpečnosti na daném pracovišti, připraví zařízení k odzkoušení, zapne jističe ovládaní a PN. podpěťové ochrany provedeme ztrátu napětí odpojením drátu od svorky napěťového článku, zařízení musí vypnout. Při odzkoušení druhého, případně třetího článku, se odzkouší jen působení poruchové signalizace. přepěťové ochrany spojíme zapnuté kontakty napěťového článku, (odpojíme drát od svorky vypnutí kontaktu napěťového článku, zařízení musí vypnout a zároveň musí signál poruchové signalizace působení ochran. Ochrana se zaplombuje. Provede se zápis do knihy ochran, dokončí se zápis dle kterého se napíše protokol ochrany. 10