Ochrona przeciwprzepięciowa dla linii energetycznych
Jednym z warunków bezpiecznego i prawidłowego funkcjonowania sieci elektroenergetycznej jest odpowiednia ochrona przeciwprzepięciowa. Zabezpieczenie sieci wymaga zastosowania właściwych narzędzi i środków oraz prawidłowego doboru i eksploatacji urządzeń, które mają chronić instalacje elektroenergetyczne. W jaki sposób linie napowietrzne są chronione przed przepięciami?
Ochrona przeciwprzepięciowa sieci elektroenergetycznej to złożone zagadnienie, które jest elementem zabezpieczenia prawidłowego działania sieci. Na początku należy zwrócić uwagę, że mowa o ochronie przeciwprzepięciowej w sieci elektroenergetycznej, nie zaś w obiektach budowlanych. Te mają bowiem charakter wtórny i mają chronić urządzenia, m.in. przed przepięciami przenoszonymi z sieci, a także powstającymi wewnątrz instalacji elektrycznej obiektu. Jednak sieć elektroenergetyczna i jej poszczególne elementy, m.in. stacja elektroenergetyczna, słupy energetyczne, przewody linii itd. również podlegają ochronie przed przepięciami. Jest ona jednym z warunków bezpiecznego i prawidłowego funkcjonowania sieci. Zanim omówimy metody i narzędzia wykorzystywane w tym celu, warto najpierw rozpoznać występujące zagrożenia.
Wpływ czynników atmosferycznych na sieć elektroenergetyczną
Podstawowym zagrożeniem, przed którym stosowana jest ochrona przed przepięciami w sieci elektroenergetycznej są czynniki atmosferyczne, a zwłaszcza wyładowania atmosferyczne.
Pierwszą kategorią zagrożeń są wyładowania bezpośrednie, czyli sytuacja, w której uderzenie pioruna następuje bezpośrednio w linię napowietrzną albo w jej pobliżu. Zagrożeniami w tej sytuacji są:
- wygenerowana wskutek wyładowania fala przepięciowa w przewodach linii
- przeskoki łukowe na izolatorach
- przeskoki łukowe pomiędzy przewodami linii
Jak wynika z obserwacji i praktyki, linia średniego napięcia czy linia napowietrzna nn (niskiego napięcia) najczęściej narażone są na bezpośrednie uderzenie pioruna w przewody. Przypadki trafienia w słupy energetyczne czy poprzecznik słupa to przypadki na tyle sporadyczne, że często są pomijane w studiach i analizach profilu bezpieczeństwa sieci.
W sytuacji, kiedy piorun trafi w linie napowietrzne, w linii powstaje fala o dużej wartości szczytowej napięcia, której towarzyszy przepięcie. Fale rozchodzą się w obie strony od miejsca uderzenia w kierunku słupów.
Druga kategoria zagrożeń to przepięcia indukowane, wywoływane przez wyładowania trafiające nie bezpośrednio w linię lub elementy sieci i jej najbliższe otoczenie, ale w jej pobliżu, np. drzewo czy w ziemię. O przepięciach indukowanych mówimy wtedy, kiedy uderzenie następuje w odległości co najmniej czterokrotnej wysokości zawieszenia przewodów linii. Jeżeli kanał wyładowczy znajduje się bliżej – mamy do czynienia z wyładowaniem bezpośrednim.
Zadaniem ochrony przeciwprzepięciowej w sytuacji wyładowania bezpośredniego, jak i indukowanego, jest oddziaływanie na energię fali przepięciowej poprzez jej dzielenie i osłabiane na jej drodze przepływu.
Ochrona przeciwprzepięciowa w liniach napowietrznych
Jeśli chodzi o linie średniego napięcia, dylematem, który należy rozważyć w przypadku ochrony przed przepięciami, jest rozstrzygnięcie, czy lepiej zastosować izolatory o większej wartości napięcia przeskoku, które w większym stopniu ograniczają wartość fali przepięciowej za izolatorem, ale mogą wiązać się z częstszym występowaniem zakłóceń w pracy linii, czy może izolatory o mniejszej wartości napięcia przeskoku, które ograniczają ryzyko występowania zakłóceń w pracy linii, ale z kolei w mniejszym stopniu ograniczają wartość fali przepięciowej za izolatorem.
Istotnym elementem w ochronie sieci są także ograniczniki przepięć. One z kolei mają za zadanie łagodzić stromość narastania czoła fali przepięciowej. W przypadku linii średniego napięcia (a także linii wysokiego napięcia) stosuje się, np. odgromniki wydmuchowe, odgromniki zaworowe czy beziskiernikowe ograniczniki przepięć z warystorami tlenkowymi. Te ostatnie ograniczniki przepięć zyskują aktualnie na popularności i stopniowo wypierają inne rozwiązania.
W kwestii linii napowietrznej niskiego napięcia, stosuje się tzw. ograniczniki przepięć SPD (Surge Protective Device). Są to ograniczniki z jednym przyłączem, z jedną gałęzią ochrony, typu 2. W celu montażu na przewodach powinny posiadać zacisk liniowy odpowiedni dla przekroju oraz typu przewodów, na których są montowane (przewody gołe lub izolowane). Powinny również być wyposażone w specjalne odłączniki, które umożliwiają odłączenie urządzenia, np. w przypadku awarii, aby zapobiec trwałemu zwarciu w sieci. Ponieważ narażone są na występowanie różnych niekorzystnych czynników atmosferycznych, ograniczniki przepięć powinny być umieszczane w obudowie z materiału odpornego na promieniowanie UV, korozję czy erozję.
Istotnym zagadnieniem dotyczącym ograniczników SPD jest kwestia ich instalacji. Powinny one być umieszczane między każdym przewodem fazowym a przewodem ochronno-neutralnym PEN. Należy je także stosować w stacjach zasilających sieć nn, załącznikami linii, wzdłuż linii, na podziałach linii – z obu stron słupa, na końcu linii, czy też przy przyłączach zasilających bezpośrednio instalacje w różnego rodzaju budynkach.