Výpočty zratů v technicé praxi 1. Josef Voál, 01 Výpočty zratů v technicé praxi členění textu (Ing. Josef Voál) 1.Zrat, zratový proud, stanovení poměrů při zratu... Výpočty zratových proudů 3... Něco z historie norem pro výpočty zratů 4... Obrázy a teoreticé zálady výpočtům zratů 5.. Výpočet zratových proudů podle platných norem 6... Literatura Text přednášy ve formě článu bude zveřejněn na stránách http://www.powerwii.cz/wii/vyua Co je to zrat? Platná norma [] definuje zrat jao náhodné nebo úmyslné vodivé spojení mezi dvěma nebo více vodivými částmi, vedoucí tomu, že rozdíl eletricých potenciálů mezi těmito vodivými částmi je roven nule nebo má hodnotu blízou nule. Můžeme se ovšem setat i s jina formulovanými definicemi nebo popisy tohoto jevu. Při zratu protéají obvodem zratové proudy, v blízosti místa zratu obvyle něolianásobně převyšující běžné provozní proudy, v síti dochází polesu napětí. V místě zratu se často vyvine eletricý oblou a zrat se projevuje i dalšími efety. Vo_ zraty_ prednasafel 1. Zrat, zratový proud, stanovení poměrů při zratu 1
Výpočty zratů v technicé praxi 1. Josef Voál, 01 Zratové proudy Hovoříme-li o zratových proudech, pa musíme odlišit celový zratový proud teoucí místem poruchy zratové příspěvy přitéající do zratu po větvích připojených do místa zratu dílčí zratové proudy protéající jednotlivými větvemi schématu příspěvy jednotlivých zdrojů podílejících se na napájení zratu zratové proudy protéající zemí a s ní spojenými vodivými prvy Záladní typy zratů v trojfázové soustavě TROJFÁZOVÝ DVOUFÁZOVÝ DVOUFÁZOVÝ ZEMNÍ JEDNOFÁZOVÝ Vo_ zraty_ prednasafel 1. Zrat, zratový proud, stanovení poměrů při zratu
Výpočty zratů v technicé praxi 1. Josef Voál, 01 Další druhy zratů Ze záladních typů zratů v trojfázových soustavách lze odvodit, případně nim připojit, celou řadu dalších, složitějších poruch, teré mají charater zratu. Vesměs se jedná o změnu typu poruchy nebo jejího napájení během trvání poruchy, tedy o časový průběh poruchy. Napřílad jednoduchá porucha, terá není včas eliminována, se změní na poruchu postihující více fází: jednofázový nebo dvoufázový zrat přejde na dvoufázový zemní, dvoufázový nebo dvoufázový zemní zrat může přejít na trojfázový zrat. Kovový zrat vznilý dotyem vodičů může přejít ve zrat oblouový. Působením eletricých ochran dojde během zratu přerušení napájecích cest a odpojení zdrojů zratového proudu, e terému nemusí dojít ve stejném oamžiu - mění se tedy onfigurace sítě během trvání zratu. Při neúspěšném působení automatiy opětného zapínání (OZ) se úmyslně rátodobě přeruší napájení zratu, definitivnímu vypnutí napájecí cesty pa dochází až následně. Jao specificý případ jednofázového zratu v trojfázovém rozvodu můžeme brát též zrat na jednofázovém vývodu. Rozdíl mezi zratem a zemním spojením V soustavách s neúčinně uzemněným uzlem, tedy v soustavách s uzlem izolovaným, uzemněným přes resonanční tlumivu nebo obecně přes velou impedanci, nedochází pří spojení jedné fáze na zem e zratu, ale zemnímu spojení. K jednofázovému zratu nebo dvojfázovému zemnímu zratu tedy může dojít pouze v sítích pracujících s uzlem přímo uzemněným, nebo uzemněným přes malou impedanci, přesněji v sítích, de činitel zemního spojení (earth fault factor) je menší než 1,4. (Činitel zemního spojení je pro dané místo a onfiguraci trojfázové soustavy dán poměrem největší efetivní hodnoty napětí zdravé fáze proti zemi při spojení jedné nebo více fází na zem v libovolném místě soustavy efetivnímu napětí této fáze proti zemi v daném místě v soustavě bez spojení na zem, tedy před poruchou.) Poud dojde při provozu sítě se zemním spojením e spojení další fáze se zemí, hovoříme o dvojitém zemním spojení, teré se svým charaterem blíží dvojfázovému zratu. (Výpočtem zratových proudů při taovéto poruše vyvolané současným zemním spojením dvou fází v různých místech sítě a výpočtem zratových proudů teoucích zemí při jednofázovém zratu se zabývá norma [6].) Vo_ zraty_ prednasafel 1. Zrat, zratový proud, stanovení poměrů při zratu 3
Výpočty zratů v technicé praxi 1. Josef Voál, 01 Odlišnosti anglicé terminologie V souvislosti s lasifiací poruch ve střídavých eletricých soustavách je snad vhodné upozornit na nebezpečí, teré je sryto v odlišnostech anglicé a česé terminologie. Anglicé line-to-line short circuit může označovat dvoufázový zrat, ale taé zrat mezi dvěma vodiči jednofázového vývodu nebo hlavními vodiči jednofázové soustavy. Porucha line-to-earth foult pa může být jednofázový zrat, nebo jednofázové zemní spojení. Line-to-earth protection není zemní ochrana, ale ochrana působící při poruše line-to-earth, tedy při jednofázovém zratu. Zdroje zratových proudů Ve střídavých soustavách průmyslového mitočtu se za zdroje zratových proudů považují synchronní stroje (střídavé generátory, tj. turboalternátory a hydroalternátory, synchronní motory a synchronní ompenzátory) asynchronní (induční) stroje síťové napáječe, zahrnující synchronní stroje eletricy vzdálené od místa zratu polovodičové systémy, poud mohou při zratu dodávat zratový proud Střídavá a stejnosměrná složa zratového proudu Dojde-li ve střídavém eletricém obvodu e zratu, vyvine se obvyle zratový proud, terý má mimo střídavé složy též složu stejnosměrnou. Veliost této aperiodicé složy závisí na počáteční veliosti střídavého zratového proudu, na proudu procházejícím obvodem před zratem a především na oamžiu vzniu zratu vzhledem e střídavému průběhu napětí v místě zratu. V jednoduchém obvodu stejnosměrná složa zaniá s časovou onstantou T a, veliost této časové onstanty a tedy i rychlost zániu je dána poměrem R/X zratového obvodu. Vo_ zraty_ prednasafel 1. Zrat, zratový proud, stanovení poměrů při zratu 4
Výpočty zratů v technicé praxi 1. Josef Voál, 01 Zrat eletricy vzdálený Poud je místo zratu dostatečně eletricy vzdáleno od zdrojů zratového proudu jaými jsou synchronní stroje, nebo poud je podíl asynchronních motorů na počátečním zratovém proudu zanedbatelný (do 5 %), potom veliost souměrné střídavé složy zratového proudu (jeho efetivní hodnota) se s časem praticy nemění, časový průběh se blíží průběhu zratu s ideálním napěťovým zdrojem a hovoříme o zratu eletricy vzdáleném. Zrat eletricy blízý Jestliže příspěve alespoň jednoho synchronního stroje předpoládanému počátečnímu souměrnému rázovému zratovému proudu I přeračuje dvojnásobe jmenovitého proudu stroje, nebo není-li příspěve asynchronních motorů zanedbatelný, hovoříme o eletricy blízém zratu. Zvláštní případy zratů Výpočty zratů ve stejnosměrných obvodech vyžadují odlišný přístup než zraty v obvodech střídavých. Standardy [9], [10] a [11] se zabývají zraty ve stejnosměrných instalacích vlastní spotřeby eletráren a stejnosměrných obvodech eletráren a rozvodných stanic. Přestože tyto instalace jsou důležitou součástí eletráren a stanic přenosové soustavy i distribučních soustav a spoluvytváří proto eletrizační soustavu (ES), je výpočet zratových proudů ve stejnosměrných rozvodech natoli specificý, že pouze odazujeme na uvedené normy. Zcela mimo oblast ES by byly výpočty zratových proudů v dopravních prostředcích (automobily, vlay, lodě, letadla). Norma [] rovněž neplatí pro zušební zařízení, ve terých jsou zraty úmyslně vytvářeny a řízeny (zratovny). Poměry při zratu a jejich stanovení Průběhy zratových proudů v závislosti na čase (nebo jejich charateristicé hodnoty parametry), jejich rozložení v soustavě a průběhy (nebo hodnoty) napětí ve vybraných bodech soustavy se souhrnně označují jao poměry při zratu. (Pojem poměry při zratu nesmí být zaměňován s termínem zratový poměr, terý je jedním ze záladních onstručních parametrů synchronních strojů a s výpočty zratů přímo nesouvisí.) Poměry při zratu lze zjišťovat měřením na sutečném zařízení nebo na modelu, zoušami nebo výpočtem. Záladním prostředem pro určování poměrů při zratu pro existující i projetovaná zařízení jsou výpočty, jejichž výsledy prediují, více či méně doonale, chování sutečného zařízení na záladě jeho matematicého modelu. V současné době platné normy jsou převážně zaměřeny pouze na výpočet zratových proudů. Vo_ zraty_ prednasafel 1. Zrat, zratový proud, stanovení poměrů při zratu 5
Výpočty zratů v technicé praxi. Josef Voál, 01 Výpočty zratových proudů Proč se zraty počítají Výpočty zratů se obvyle provádějí v souvislosti s následujícími činnostmi: dimenzování eletricého zařízení s ohledem na tepelné a silové (dynamicé) účiny zratového proudu ontrola vypínačů s ohledem na průběh zratového proudu a parametry zotaveného napětí v místě instalace návrh uzemňovacích soustav, stanovení dotyových napětí (včetně roových napětí) a zavlečených napětí návrh a ontrola činnosti eletricých ochran a jistících prvů ontrola stability paralelně pracujících synchronních strojů ontrola napěťových poměrů, při zratu a při rozběhu pohonů s asynchronními motory stanovení napětí induovaných soustavami vvn nebo zvn ve sdělovacích vedeních, v pláštích abelů a v ovových potrubích uložených v zemi nebo na povrchu země ontrola šíření a vlivu vyšších harmonicých v eletrizační soustavě posouzení výsytu přepětí při zemních zratech a zemních spojeních ontrola vhodnosti provozního zapojení dílčích částí eletrizační soustavy Matematicý přístup Podrobný a co nejpřesnější výpočet časového průběhu složitého přechodného děje, terým zrat v eletricé soustavě tvořené zdroji, přenosovými cestami a spotřebiči zcela jistě je, vede na řešení soustavy diferenciálních rovnic, teré popisují chování jednotlivých prvů soustavy. I při využití výpočetní techniy je tento postup pro zrat v soustavě - sestávající z desíte a stove zdrojů, spotřebičů různých druhů, vedení, transformátorů a dalších prvů neschůdný. Praticy se uplatňuje, s řadou přijatých zjednodušení, pouze při řešení vybrané části soustavy, napřílad při analýze chování jednoho nebo něolia málo synchronních strojů, při výpočtu zratů ve vývodu generátoru nebo při analýze provozních přepětí. Ze všeobecného matematicého popisu fyziálních dějů se pro praticé řešení úlohy vybírají ty procesy, teré umožňují inženýrsé řešení problému Pro výpočet průběhu zratového proudu ve vývodu generátoru lze zjednodušené analyticé výrazy nalézt např. v 0, [3], [13] nebo [14]. Vo_ zraty_ prednasafel. Výpočty zratových proudů 6
Výpočty zratů v technicé praxi. Josef Voál, 01 Parametry zratového proudu Pro většinu apliací zratových výpočtů vša, naštěstí, není nutné znát přesné průběhy zratových proudů ve všech případech, teré se mohou v provozu vysytnout. Projetant či provozovatel potřebuje, aby navržené zařízení plnilo požadované funce s dostatečnou spolehlivostí a bezpečností. Spoojí se proto s výpočtem jednodušším, jehož výsledem jsou charateristicé hodnoty odpovídající mezním hodnotám možných průběhů zratových proudů, tzv. parametry zratového proudu. Parametry, terými může být charaterizován průběh zratového proudu, jsou: počáteční souměrný rázový zratový proud ( initial symmetrical short-circuit current ) I dysi bylo používáno i označení I s nárazový zratový proud ( pea short-circuit current ) i p - v dávné minulosti nědy též označován jao dynamicý zratový proud ( maing current ), dřívější a nědy ještě přežívající označení I m evivalentní oteplovací proud ( thermal equivalent short-circuit current ) I th, pro dobu trvání zratu T K - dřívější a nědy ještě přežívající označení I e pro dobu t souměrný zratový vypínací (dříve a zřejmě i správněji vypínaný ) proud ( symmetrical short-circuit breaing current ) I b, určovaný obvyle pro minimální (nejratší) dobu vypnutí t min - dřívější označení I vyp pro dobu t vyp stejnosměrná (aperiodicá) složa zratového proudu ( decaying (aperiodic) component of short-circuit current ) i d.c. obvyle se určuje její maximální možná hodnota pro minimální dobu vypnutí t min, dříve označovaná jao I a vyp ustálený zratový proud ( steady-state short-circuit current ) I může být ovlivněn buzením generátorů účiní zratového proudu je vyžadován v něterých apliacích pro zařízení nn, stejně jao poměr R/X nebo časová onstanta T a charaterizuje tlumení stejnosměrné složy zratového proudu Přejdeme obrázům, na stranu 19! Vo_ zraty_ prednasafel. Výpočty zratových proudů 7
Výpočty zratů v technicé praxi. Josef Voál, 01 Maximální, minimální a omezený zratový proud Při určování parametrů zratového proudu se zraty počítají pro nejméně příznivý případ, avša s provozně přípustným zapojením. Pro dimenzování zařízení to jsou obvyle hodnoty odpovídající maximálnímu zratovému proudu, pro návrh a ontrolu činnosti eletricých ochran a jistících prvů a ověřování rozběhu asynchronních motorů to mohou být hodnoty odpovídající minimálnímu zratovému proudu. Při aždém výpočtu zratů pro dimenzování eletricého zařízení by měl být určován, mimo počáteční rázový zratový proud I, též alespoň nárazový zratový proud i p. Poud jsou ochraně rozvodného zařízení použity pojisty nebo jističe omezující zratový proud, spočítá se nejdříve předpoládaný počáteční souměrný rázový zratový proud bez těchto přístrojů. Z tohoto zratového proudu a omezovacích charateristi pojiste nebo jističů se stanoví parametry omezeného zratového proudu, terým je namáháno zařízení za jistícím přístrojem. Vo_ zraty_ prednasafel. Výpočty zratových proudů 8
Výpočty zratů v technicé praxi. Josef Voál, 01 Zjednodušující předpolady, přibližné a upřesňující výpočty Výpočty zratových proudů jsou prováděny vždy s řadou zjednodušení a jejich výsledy jsou ve srovnání s fyziální realitou, více či méně přibližné Analýza poměrů při zratu by měla být v souladu s přesností vstupních údajů, použitými výpočetními prostředy a především v souladu s účelem výpočtu, tedy s tím, čemu budou výsledy výpočtu sloužit.. Z nejčastějších zjednodušení můžeme uvést napřílad tato: Při výpočtu zratového proudu předpoládá ovový zrat, neuvažuje se vliv eletricého oblouu v místě zratu nebo přechodových odporů Po dobu trvání zratu se nemění typ zratu Po dobu zratu nedochází žádné změně v síti Uvažují se jmenovité impedance strojů a jmenovité převody transformátorů Zanedbávají se něteré prvy příčných admitancí vedení a strojů Synchronní stroje s vynilými póly se modelují jao stroje s válcovým rotorem Ke zratu dojde na nezatížené větvi při jmenovitém zatížení synchronního stroje Neuvažuje se, nebo se uvažuje zjednodušeně, vliv změn v budícím obvodu stroje během zratu Dříve též: výpočet se provádí pouze s rezistancemi (sítě nn) nebo pouze s reatancemi (sítě vvn) vedení Přijatá zjednodušení bývají volena obvyle ta, aby zásadně výpočet neovlivnila, nebo aby výsledy výpočtu byla onzervativní, tedy na straně bezpečnosti. Provádění přibližného výpočtu hodnot zratového proudu je oprávněno tím, že již samotná používaná vstupní data nejsou a nemohou být zcela přesná. Výpočet se provádí v podmínách nejistoty či neurčitosti informací o dlouhodobém vývoji soustavy, zařízení přitom musí obvyle vyhovět po celou dobu své životnosti, tedy i v období, pro teré můžeme jen stěží předvídat vstupní údaje potřebné pro výpočet. Přitom rozvodná zařízení a eletricé přístroje se vyrábějí pro odstupňované hodnoty zratových odolností. Při ontrole existujícího zařízení, teré již je v provozu delší dobu a je provozováno za oolností lišících se od předpoladů přijatých při jeho návrhu, se ovšem mohou uplatnit podrobnější, upřesňující výpočty. Upřesňující výpočet může oddálit požadave reonstruce zařízení s ohledem na vzrůst zratových proudů. Dnes již historicý, ale stále platný, standard ČSN 33 3015 Zásady dimenzování podle eletrodynamicé a tepelné odolnosti při zratech z rou 1983 (norma RVHP - ST SEV 76-80) v něterých případech doonce připouští, aby zratová odolnost zařízení byla menší než očeávané hodnoty zratových proudů. Tento přístup vychází ze srovnání pravděpodobnostního rozložení dosahovaných zratových proudů s maximálními hodnotami zratů určenými výpočtem pro mezní, nejméně příznivé stavy, vysytující se s malou četností. Vo_ zraty_ prednasafel. Výpočty zratových proudů 9
Výpočty zratů v technicé praxi. Josef Voál, 01 Něteré postupy a metody používané při výpočtech zratů Pro určení parametrů zratových proudů byla v průběhu doby vypracována řada více či méně zjednodušených postupů. Rozlad do souměrných složových soustav Při výpočtu nesouměrných zratů se vychází z metody rozladu do souměrných složových soustav: sousledné, zpětné a netočivé. Zratové řivy pro typový stroj a analyticý výpočet blízého zratu Pro výpočet zratu eletricy blízého synchronnímu stroji byly vypracovány pro typové stroje zratové řivy, prezentované ve formě diagramů nebo tabule, nebo je prováděn analyticý výpočet, s použitím vzorců. Při eletricy blízém zratu se může uplatnit rozdílnost eletricých parametru stroje v podélné a příčné ose, vliv napěťové regulace synchronních generátorů, vysoý podíl stejnosměrné složy zratového proudu v oamžiu jeho vypínání a vliv pracovního bodu při provozu stroje před zratem něteré postupy vša tyto vlivy neuvažují. Problematia společné cesty Rozdílný může být taé přístup problematice společné cesty zratových příspěvů z různých zdrojů zratových proudů, terý je třeba uplatnit při řešení zratů v zauzlených, tzv. mřížových sítích. V nejjednodušším případě si tento problém můžeme demonstrovat na zapojení sítě do trojcípé hvězdy, dy zrat na onci jednoho ramene je napájen ze dvou zdrojů s odlišnými parametry, tedy s různým časovým průběhem proudu při zratu na svorách stroje (Obr.4). Jednoduchými postupy, bez iteračních výpočtů, můžeme analyticy určit pouze počáteční souměrný rázový zratový I, nioliv vša další parametry zratového proudu, závislé na rychlosti zániu střídavých a stejnosměrných slože z obou zdrojů. Po provedení transfigurace schématu z hvězdy na trojúhelní sice společnou cestu zratových příspěvů do místa zratu odstraníme, ale oba zdroje zratového proudu jsou vzájemně propojeny třetí stranou trojúhelníové sítě. Časový průběh zratových příspěvů do místa zratu je ovlivněn vyrovnávacími proudy protéajícími touto větví a časové onstanty zániu jednotlivých slože zratových proudů nelze proto z parametrů obvodu na počátu zratu jednoduše stanovit. Vo_ zraty_ prednasafel. Výpočty zratových proudů 10
Výpočty zratů v technicé praxi. Josef Voál, 01 Metoda superpozice Fyziálně odůvodněný a relativně přesný výpočet rozložení symetricých zratových proudů v oamžiu vzniu zratu, tedy určení hodnot I v místě zratu i v jednotlivých větvích schématu, vychází z metody superpozice, ja je prezentována např. v [3]. Výpočet zratů přitom navazuje na výpočet rozložení proudů a napětí v soustavě před zratem ( load-flow analysis ). Je tedy třeba vycházet ze znalosti odběrů a zatížení zdrojů v ustáleném chodu soustavy. Ze známých hodnot vetorů napětí na svorách generátorů, jejich proudového zatížení a vnitřních impedancí se pa stanoví vnitřní napětí generátorů a rozložení napětí a proudů v soustavě při zratu. Výpočtem, obvyle prováděným výpočetním programem s využitím počítače, se ovšem neurčuje časový průběh zratových proudů (jejich střídavých a stejnosměrných slože). Při modelování synchronních generátorů jejich vnitřní rázovou reatancí X d je výsledem výpočtu rozložení počátečních rázových zratových proudů I, ze terých se odvozuje nárazový zratový proud i p. Pro různé rozdělení zátěže na jednotlivé generátory se ovšem dostávají též různá vnitřní napětí generátorů a tedy taé různé hodnoty zratového proudu pro jedno a totéž místo zratu. Vypočtená hodnota proto nemusí být pro dané místo zratu ta nejméně příznivá. Pro zísání, poud možno, nejméně příznivých hodnot je třeba zadat vhodné rozložení a zatížení zdrojů i odběrů, což je úloha řešená převážně empiricy. Závislost výpočtu zratů na předchozím výpočtu chodu sítě v ustáleném stavu odstraňují něteré výpočetní postupy tím, že u všech modelovaných generátorů předpoládají jejich zatížení jmenovitým výonem, vliv odběrů na rozložení zratových proudů je zanedbán. Dalšího zjednodušení může být dosaženo tím, že se u všech generátorů definuje stejné poměrné vnitřní napětí za rázovou reatancí E d zavedením součinitele respetování vlivu předchozího zatížení (např. pro zrat v soustavě =1,1 pro stroj zatížený, =1,0 pro stroj nezatížený). Při těchto zjednodušeních se výpočet metodou superpozice silně přibližuje výpočtu metodou evivalentního napěťového zdroje v místě zratu. Vo_ zraty_ prednasafel. Výpočty zratových proudů 11
Výpočty zratů v technicé praxi. Josef Voál, 01 Metoda evivalentního napěťového zdroje v místě zratu Standardní postup výpočtu zratů podle platných norem a technicých zpráv [], [3], [5], [6] a [7] je založen na metodě evivalentního napěťového zdroje situovaného v místě zratu, terý je jediným zdrojem napětí v soustavě. Všechny ostatní prvy jsou nahrazeny svými zratovými impedancemi a místo vnitřních napětí zdrojů zratového proudu jsou uvažovány zratující spoje. Napětí evivalentního napěťového zdroje je odvozeno ze jmenovitého (fázového) napětí sítě v místě zratu vynásobením napěťovým součinitelem c. Zavedení tohoto součinitele je v normě [] zdůvodňováno olísáním napětí v závislosti na čase a místě, přepínáním odboče transformátorů, zanedbáním zátěže a apacitních reatancí a chováním generátorů a motorů při přechodném ději. Při výpočtu maximálních zratů se používá napěťový součinitel c max, terý v podstatě odpovídá dovolenému nejvyššímu napětí pro zařízení na dané napěťové hladině a v normě doporučené hodnoty jsou 1,05 a 1,10. Pro výpočet minimálních zratových proudů norma uvádí pro součinitel c min hodnotu 0,95 pro zrat v síti nn a 1,00 pro zrat v sítích vyšších napětí. Při použití metody evivalentního napěťového zdroje v místě zratu odpadá nutnost provádět výpočty toů výonů v různých stavech před zratem. Postradatelné jsou údaje o odběrech, poloze přepínače odboče transformátorů, buzení generátorů apod. Vzhledem tomu, že vnitřní napětí zdrojů mohou být odlišná od napětí evivalentního zdroje v místě zratu a transformátory bývají vybaveny přepínatelnými odbočami, musí se impedance generátorů, síťových transformátorů a eletrárensých bloů při výpočtu zratových proudů origovat příslušnými orečními součiniteli. Vo_ zraty_ prednasafel. Výpočty zratových proudů 1
Výpočty zratů v technicé praxi. Josef Voál, 01 Použití metody superpozice a metody evivalentního zdroje K charaterizování obou postupů sloužících e stanovení hodnot počátečního rázového souměrného zratového proudu I lze uvést: V minulosti byla metoda superpozice přednostně používána pří výpočtech rozsáhlých přenosových a distribučních sítí, ve terých se neuplatňuje eletricá blízost synchronních strojů a vliv asynchronních motorů a teré mohly být, i při něterých dalších zjednodušeních (v sítích vvn a zvn byly uvažovány pouze podélné reatance prvů) s přiměřenou pracností prováděny pouze s nasazením výpočetní techniy. Metoda evivalentního napěťového zdroje v místě zratu se zase blíží postupům, teré byly používány pro výpočet zratů v průmyslových rozvodech, vlastní spotřebě eletráren a eletricých stanic, často pouze s nejjednoduššími výpočetními prostředy. Její apliace podle platné normy bez využití výpočetního programu je sice možná, ale v dnešní době již těžo představitelná. Hlavní předností této metody je to, že nevyžaduje předchozí výpočet proudů a napětí v ustáleném stavu před vzniem zratu. K dalším výhodám patří relativní jednoduchost a standardizace, terá ujednocuje i další procedury pro určení všech požadovaných parametrů zratového proudu. Nejen metoda výpočtu, ale i jeho rozsah a způsob zpracování, volba míst zratu, typu zratu a požadavy na zjištění těch či oněch parametrů zratového proudu závisí především na účelu, e terému mají být výsledy výpočtu zratových proudů využity. Napřílad výpočet maximálních zratových proudů sám o sobě je pouhým uměním pro umění a nemá žádnou vypovídací schopnost, není-li provedeno navazující srovnání zísaných výsledů se zratovou odolností zařízení, nebo porovnání s výsledy výpočtu pro alternativní zapojení, nebo nejsou-li výsledy jina využity, napřílad pro návrh nebo ontrolu dimenzování či ontrolu činnosti něterých prvů. Žádný standard ovšem rozsah výpočtu, jeho způsob zpracování, doložení použitých vstupních hodnot a výsledů výpočtu, případně jejich apliaci pro onrétní eletricé zařízení, nepředepisuje. Definování těchto požadavů je tedy předmětem dohody mezi objednatelem a zpracovatelem výpočtu. Vo_ zraty_ prednasafel. Výpočty zratových proudů 13
Výpočty zratů v technicé praxi 3. Josef Voál, 01 Něco z historie norem pro výpočty zratů Původní normy ČSN Problematia zratů se vynořila již s počátem eletrizace, především v souvislosti s návrhem hlavních parametrů eletricého zařízení, s jeho dimenzováním. Výpočet počátečního rázového souměrného zratového proudu I v jednoduchém obvodu v podstatě spočívá v apliaci Ohmova záona na výpočtovou impedanci, při znalosti vnitřního napětí a vnitřní impedance zdroje. Pro technicou potřebu byla v průběhu doby vypracována celá řada praticých postupů, lišících se nejen mírou zjednodušení. Výpočet byl často prováděn s využitím procentních nebo poměrných hodnot impedancí při zvoleném vztažném výonu, jeho výstupem pa byly zratové proudy nebo zratové výony. Snaha sjednotit rozdílné přístupy používané jednotlivými subjety v různých oblastech hospodářství se promítla do postupné standardizace výpočtu zratů (ČSN 305 z února 195, ČSN 38 1754 Stavba transformoven a rozvoden vn z rou 1957). V roce 1960 byla vydána ČSN 38 0411 Výpočet poměrů při zratech v trojfázové eletrizační soustavě, jao doporučená norma, upravená a doplněná změnou v roce 1970. Podle této normy byla navržena celá řada dosud provozovaných zařízení a norma byla v technicé praxi využívána i po jejím zrušení až do 90. let minulého století. Výpočet bylo možné provádět s poměrnými nebo procentními impedancemi, nebo se sutečnými hodnotami impedancí. Pro tehdejší jmenovitá napětí sítí a přístrojů (0,0-0,380 0,500 3 6 10 15 35 110 0 380 a později 400 V) norma definovala řadu výpočtových napětí (0,3 0,400 0,55 3,15 6,3 10,5 15,75 3,00 36,75 115 30 400 V). Fitivní převody transformátorů odpovídaly výpočtovým napětím, taže se zjednodušil přepočet impedancí z jedné napěťové hladiny na druhou. Při zběžném výpočtu bylo možné provést výpočet pouze s reatancemi nebo jen s činnými odpory. Nárazový zratový proud I m se odvozoval z počátečního souměrného rázového zratového proudu podle poměru R/X zratového obvodu, nebo pomocí součinitele K udaného v tabulce pro různá místa zratu. Obdobným postupem se určoval i evivalentní oteplovací proud tabulovým součinitelem, jehož hodnota závisela na místě a délce trvání zratu. Příspěve od asynchronních motorů se uvažoval pouze při výpočtu nárazového (dynamicého) zratového proudu. V soustavách nn se vypočtené hodnoty zratových proudů reduovaly o 15 až 5 % s ohledem na vnitřní impedanci přístrojů a spojů nn. Pro upřesňující výpočty a stanovení průběhu zratových proudů norma obsahovala tabuly a řivy poměrných hodnot odvozených pro typový turboalternátor a typový hydroalternátor. V normě byly též vztahy pro zjednodušování náhradního schématu a řada řešených příladů. Vo_ zraty_ prednasafel 3. Něco z historie 14
Výpočty zratů v technicé praxi 3. Josef Voál, 01 V roce 1981 byl zveřejněn návrh normy ověření (s modrým pruhem) ČSN 33 300 Výpočet poměrů při zratech v trojfázové eletrizační soustavě. Zpracovatelem návrhu byl Doc. Ing. Františe Němeče, CSc., z Eletrotechnicé faulty ČVUT. Návrh přepracoval velice důsledně a omplexně starou ČSN 38 0411. Byl založen na metodě součinitelů (pro eletricy vzdálené zraty), pro zraty eletricy blízé synchronnímu stroji byly v normě tabuly vypočtené pro typový generátor. Ponechával výpočtová napětí a fitivní převody transformátorů, požadoval podrobnější zahrnutí vlivu asynchronních motorů. Vypočet podle této normy měl sloužit rychlému zjištění zratových poměrů. Poud by výsledy nebylo možno považovat za dostačující, měl by se provést výpočet něterou z přesnějších metod (výpočet pomocí matematicého modelu respetujícího zatížení v soustavě před poruchou, výpočet vycházející z řešení soustavy diferenciálních rovnic.) V praxi se návrh nevžil, pro většinu techniů byl asi, ve srovnání s platnou ČSN 38 0411, málo praticý a nedotažený. ČSN 33 300 Výpočet poměrů při zratech v trojfázové eletrizační soustavě z rou 1988. Normu zpracoval ing. Vladislav Reimar (Energoprojet Praha). Podle tehdy platného systému ČSN byla normou závaznou. Oproti předchozímu návrhu normy ověření došlo podstatným úpravám, zahrnuty byly již něteré postupy podle návrhu mezinárodní normy IEC 909. Pro řešení zratu eletricy blízého alternátoru byly v normě analyticé vzorce pro výpočet zratových násobitelů. Při praticém používání této normy byla zjištěna řada tisových chyb a něteré nedostaty metodicé. Ve druhém vydání normy byla převážná část tisových chyb odstraněna, metodicé nedostaty vša zůstaly. (Jednalo se např. o způsob respetování asynchronních motorů jedním evivalentním motorem, jehož zratový příspěve se uplatňuje společně s příspěvem z nadřazené sítě, vliv společné cesty zratových příspěvů různého charateru, použití fitivních převodů transformátorů odpovídajících jmenovitým napětím sítí, výpočet zjednodušenými vzorci při stanovování hodnoty Jouleova integrálu a chyby ve vztazích pro výpočet parametrů eletricy blízého zratu.) Vo_ zraty_ prednasafel 3. Něco z historie 15
Výpočty zratů v technicé praxi 3. Josef Voál, 01 ČSN 33 300 Výpočet poměrů při zratech v trojfázové eletrizační soustavě z rou 199. V roce 1989 zpracoval ing. Josef Voál (Energoprojet Praha) návrh změny ČSN 33 300 z rou 1988, terý sledoval tyto cíle: - odstranit tisové chyby - provést metodicé úpravy s ohledem na praticé zušenosti při provádění výpočtů - upravit způsob respetování asynchronních motorů - zdůraznit v textu normy místa, de výpočet může být prováděn, v souladu s jeho účelem a použitými výpočetními prostředy, různým způsobem - podle možnosti ověřit něteré vztahy a upřesnit a doplnit orientační hodnoty parametrů a oeficientů - uvést výpočet do vztahu s postupem podle IEC 909, umožnit provádění výpočtu podle zásad IEC 909 a IEC 865 Návrh změn přitom musel respetovat uspořádání a členění ČSN 33 300 z rou 1988. Po připomínovém řízení byl zpracován onečný návrh normy se zapracovanými změnami, v září 1990 byl předán Úřadu pro normalizaci a měření, terý jej vydal v září 199 jao revidovanou normu. Tato norma platila do 1.7.004, jejím zrušením se plně v této oblasti přešlo na normy IEC a EU, zaváděné do soustavy ČSN přeladem. Vo_ zraty_ prednasafel 3. Něco z historie 16
Výpočty zratů v technicé praxi 3. Josef Voál, 01 Publiace IEC Počínaje roem 1988 vydalo IEC řadu publiací (norem a technicých informací nebo zpráv), vypracovaných Technicou omisí 73 této organizace, teré se zabývají výpočty zratových proudů a jejich účinů: - IEC 909:1988 Short-circuit current calculation in three-phase a.c. systems. Záladní norma pro výpočet zratových proudů. Nahrazena revidovanou normou IEC 60909-0:001 - IEC 781:1989 Application guide for calculation of short-circuit currents in low-voltage radial systems. Již dříve připravovaná publiace IEC, dnes praticy bez významu. - IEC 909-1:1991 Factors for the calculation of short-circuit currents in three-phase a.c. systems according to IEC 909. Důležitá technicá informace, vysvětlující a doplňující něteré postupy v IEC 909. Nahrazena revidovaným vydáním technicé zprávy IEC TR 60909-1:00. - IEC 909-:199 Electrical equipoment. Data for short-circuit calculations in accordance with IEC 909. Technicá informace obsahující soubory výchozích údajů pro výpočty a typicé parametry něterých zařízení. Nahrazena revidovanou normou. - IEC 865-1:1993 Short-circuit currents. Calculation of effects. Part 1: Definitions and calculation methods. Druhé vydání, teré ruší a nahrazuje první vydání z rou 1986. Norma se zabývá výpočtem silových účinů na tuhé vodiče i lanové vodiče a tepelných účinů na holé vodiče a eletricé přístroje. V roce 010 byl předložen e schválení návrh třetího revidovaného vydání, jao norma IEC 60865-1. - IEC 60865-:1994 Short-circuit currents. Calculation of effects. Part : Examples of calculations. Technicá zpráva s přílady výpočtu silových a tepelných účinů zratových proudů. - IEC 60909-3:1995 Short-circuit currents in three-phase AC systems Part 3: Currents during two separate simultaneous line-toearth short circuits and partial currents flowing through earth. Norma nahrazena druhým vydáním IEC 60909-3:003 a poté třetím vydáním IEC 60909-3:009. - IEC 61660-1:1997 Short-circuit currents in d.c. auxiliary installations in power plants and substations Part 1: Calculation of short-circuit currents. Vo_ zraty_ prednasafel 3. Něco z historie 17
Výpočty zratů v technicé praxi 3. Josef Voál, 01 - IEC 61660-:1997 Short-circuit currents in d.c. auxiliary installations in power plants and substations Part : Calculation of effects. - IEC 61660-3:000 Short-circuit currents in d.c. auxiliary installations in power plants and substations Part 3: Examples of calculations. - IEC TR 60909-4:000 Short-circuit currents in three-phase a.c. systems Part 4: Examples for the calculation of short-circuit currents. První vydání dlouho čeávaných příladů výpočtů podle IEC 909. Tato technicá zpráva byla vydána dříve než druhé, revidované vydání záladní normy IEC 60909-0:001, přílady vša jsou zřejmě již upraveny podle revidované normy. - IEC 60909-0:001 Short-circuit currents in three-phase a.c. systems Part 0: Calculation of currents. Norma nahrazuje první vydání IEC 909-0:1988. - IEC TR 60909-1:00 Short-circuit currents in three-phase a.c. systems Part 1: Factors for the calculation of short-circuit currents in three-phase a.c. systems according to IEC 909.. Norma nahrazuje první vydání IEC 909-1:1991. - IEC 60909-3:003 Short-circuit currents in three-phase a.c. systems Part 3: Currents during two separate simultaneous line-toearth short circuits and partial currents flowing through earth. Norma nahrazuje první vydání IEC 60909-3:1995, byla vša již nahrazena třetím vydáním IEC 60909-3:009. - IEC TR 60909-:008 Short-circuit currents in three-phase a.c. systems Part : Data of electrical equipment for short-circuit current calculations. Tato technicá zpráva nahrazuje IEC 909-:199. - IEC 60909-3:009 Short-circuit currents in three-phase a.c. systems Part 3: Currents during two separate simultaneous line-toearth short circuits and partial currents flowing through earth. Norma nahrazuje druhé vydání IEC 60909-3:003. - IEC 60865-1:011 Short-circuit currents. Calculation of effects. Part 1: Definitions and calculation methods. Třetí vydání, teré ruší a nahrazuje druhé vydání z rou 1986. Norma se zabývá výpočtem silových účinů na tuhé vodiče i lanové vodiče a tepelných účinů na holé vodiče, část zabývající se tepelnými účiny na eletricé přístroje je vypuštěna. V současnosti se připravuje vydání česého přeladu jao druhé vydání ČSN EN 60865-1. Vo_ zraty_ prednasafel 3. Něco z historie 18
Výpočty zratů v technicé praxi 5. Josef Voál, 01 Obrázy a teoreticé zálady výpočtům zratů Používaná symbolia V této apitole je upřednostněno tradiční česé označování fyziálních veličin a parametrů zratového proudu, ta, ja bylo použito v normě ČSN 33 300 z rou 199 a ja je dosud často používáno v naší odborné literatuře. Současně je vša upozorněno na odlišnosti symboliy podle norem IEC, ja je prezentována v apitole 5 Výpočet zratových proudů podle platných norem. Porovnání obou symboli pro výrazy použité v této apitole je v následující tabulce. Pro označení omplexních veličin je v obou případech použito podtržení dřívější symbolia upřednostňovala stříšu. V textu zařazené přílady jednoduchých eletricých obvodů mají osvětlit postupy praticého výpočtu zaotveného v normách a nezahrnují problematiu nesouměrných zratů. tradiční Symbol podle IEC Význam symbolu i (t) nepoužívá se Průběh zratového proudu v závislosti na čase I I Počáteční souměrný rázový zratový proud (efetivní hodnota) I I Ustálený zratový proud I m i p Nárazový zratový proud I e I th Evivalentní oteplovací proud I vyp I b Vypínací zratový proud (symetricý, střídavá složa) I a vyp nepoužívá se Stejnosměrná (aperiodicá) složa vypínacího zratového proudu i a i d.c. Stejnosměrná (aperiodicá) složa zratového proudu i st i a.c. Střídavá (symetricá) složa zratového proudu t T Doba trvání zratu Vo_ zraty_ prednasafel 4. Obrázy a teoreticé zálady výpočtům zratů 19
Výpočty zratů v technicé praxi 5. Josef Voál, 01 tradiční Symbol podle IEC Význam symbolu t min t min Nejratší doba vypnutí E d / 3 E Rázové (subtranzitní) napětí synchronního stroje, fázové cu n /3 cu n /3 Napětí evivalentního zdroje (efetivní hodnota) U n U n Jmenovité napětí soustavy, sdružené (efetivní hodnota) U ng U rg Jmenovité napětí synchronního stroje, sdružené (efetivní hodnota) U nm U rm Jmenovité napětí asynchronního motoru I ng I rg Jmenovitý proud synchronního stroje c c Napěťový součinitel K Součinitel nárazového zratového proudu Součinitel pro výpočet souměrného zratového vypínacího proudu Z Z Impedance Z V nepoužívá se Vnější impedance Z G Z G Impedance synchronního stroje Z M Z M Impedance asynchronního motoru R st R G Střídavá rezistance synchronního stroje R M R M Rezistance asynchronního motoru R 1 R Rezistance na jednotu dély vedení X d X d Rázová (subtranzitní) reatance synchronního stroje (nasyc. hodnota), podélná X nepoužívá se Přechodná (tranzitní) reatance synchronního stroje, podélná d X d X d Synchronní reatance (nenasycená hodnota), podélná Vo_ zraty_ prednasafel 4. Obrázy a teoreticé zálady výpočtům zratů 0