Villamosságtan | Felsőoktatás » A zárlati áram korlátozása

A ZÁRLATI ÁRAM KORÁTOZÁSA A zárlati teljesítmények növekedése Az energia egyre nagyobb szerepet játszik a társadalmak életében, és a felhasznált energia mennyisége évről-évre nő. A legutóbbi időkig a növekedés üteme is gyorsult, amely alapvetően három fő okra vezethető vissza: - az ipari termelés állandó növekedése; - a motorizálás térhódítása (közlekedés, mezőgazdaság gépesítése); - a lakosság villamosenergia-fogyasztásának állandó növekedése. Így a világ energiafelhasználásának egyre nagyobb részét a villamosenergiafogyasztás képezi, amelyet az ezredfordulóra 30% feletti arányszámra becsülnek. Miután az évente igényelt és termelt villamos energia mennyisége állandóan nő, mindig újabb és újabb erőműveket, vezetékeket és transzformátorokat kell az energiarendszerbe beépíteni, és így a hálózat soros impedanciája csökkenő jelleget mutat. Ennek megfelelően a zárlati áramok, s a belőlük

számolt zárlati teljesítmények növekednek. A zárlati teljesítmények növekedési üteme eltér a fogyasztás növekedési ütemétől és a hálózat jellegétől függően igen különböző értékű lehet. A leggyorsabban a zárlati teljesítmények a legnagyobb feszültségű kooperációs hálózatokban nőnek, világviszonylatban évi 13,6%-kal. A legkisebb a növekedés a sugaras közép- és kisfeszültségű hálózatokban, mivel ezekben a növekvő fogyasztói igényeket gazdasági okokból elsősorban új transzformátorállomások létesítésével elégítik ki, és a meglevő transzformátoroknak nagyobb teljesítményűvel való kicserélésére ami a zárlati teljesítmények növekedésével jár együtt csak nagyobb időközökben kerül sor. E hálózatokban a zárlati teljesítmény növekedési üteme nagyobb fogyasztói terület és sok éves időszak átlagában 2.5% szokott lenni A legkézenfekvőbb megoldás a megnövekedett igényeknek

megfelelően a hálózat gyenge részeinek átépítése, készülékeinek kicserélése újabbakra, amelyek a megnövekedett és még 15.20 évig várhatóan tovább növekvő zárlati áramokra is alkalmasak Ezt a megoldást alkalmazták hazánkban is, amíg a megszakítók képezték az alállomás leggyengébb elemeit (pl. a zuglói 220/120 kV-os alállomás 2400 MVA-es 120 kV-os megszakítóit már több mint 10 éve 4000 MVA-esekre cserélték). Azonban ez az út az állomás átépítésének igen nagy költségét, és az üzem igen hosszú időn át történő zavarását tekintve nem járható. Mivel pedig a növekedés állandó és a hálózat egy bizonyos idő eltelte, azaz egy adott zárlati áramszint elérése után már nem felelne meg a fokozott zárlati igénybevételnek, ezért alakultak ki a zárlatkorlátozási módszerek. Egy berendezés meghibásodásakor a zárlati igénybevétel minél kisebb értékre való szorítása a feladat. A zárlati áram a

kapcsolóberendezésben háromféle káros hatást idézhet elő: - a megszakítók vagy biztosítók túlterhelését; - dinamikus hatást; - termikus hatást. A dinamikus hatás az áram csúcsértékének négyzetével, míg a termikus hatás az áram effektív érték négyzetének és az áramfolyás időtartamának a szorzatával arányos. Ha az áram dinamikus hatását kívánjuk korlátozni, a zárlati áramcsúcsot kell csökkenteni, ha pedig a zárlati áram hőhatását, akkor ennek effektív értékét ajánlatos csökkenteni, időtartamát pedig feltétlenül korlátozni kell. A zárlati időtartam lehető legkisebb értékre való korlátozásával érhető el a zárlati áram által okozott kár és rombolás hatásos csökkentése. Ehhez igen gyors működésű megszakítókra van szükség 1 Az áramkorlátozó megszakítóknak és az olvadóbiztosítók egyik csoportjának, az ún. áramkorlátozó biztosítóknak az a jellegzetes tulajdonsága, hogy a zárlati

áram időtartamát és nagyságát egyaránt korlátozzák. Zárlatkorlátozás alkalmazására kétféle szempontból kerülhet sor: - üzembiztonsági, ill. műszaki okok indokolhatják, ekkor okvetlenül alkalmazni kell a később ismertetendő megoldások valamelyikét; - gazdaságossági megfontolások. Ezen esetben gazdaságossági számítások alapján kell dönteni, mert például a leggyakrabban alkalmazott soros fojtótekercs esetében is a készülékkel szemben támasztott kisebb zárlatbiztonsági követelmények folytán elérhető megtakarítással szemben áll a zárlatkorlátozó fojtótekercsek és az esetlegesen szükségessé váló feszültségszabályozó berendezés beruházási és üzemi költsége. (A feszültségszabályozó transzformátorra, a fojtótekercsen létrejövő terheléstől függő feszültségingadozás kiegyenlítése céljából lehet szükség.) Ha a zárlati számítások szerint a hálózat valamely helyén várható zárlati áram

meghaladja a berendezés üzembiztos működésének megfelelő paramétereket, akkor a most ismertetendő zárlatkorlátozó megoldásokat lehet alkalmazni. 2. A zárlatkorlátozó fojtótekercs A lineáris karakterisztikájú (légmagos) soros fojtótekercs a legrégibb zárlatkorlátozási eszköz, melyet ma is nagy számban használnak, főleg városi és ipari kábelhálózatokon. Mivel a kábelek soros impedanciája jóval kisebb a szabadvezetékénél, és átlagos hosszuk is egy nagyságrenddel kisebb az átlagos szabadvezeték-hosszaknál (lévén létesítésük jóval költségesebb), a rajtuk áthaladó zárlati áramokat szinte alig korlátozzák. A zárlati áramok korlátozására maguknak a kábeleknek a termikus és a dinamikus zárlati igénybevételektől való kímélése miatt is szükség van A zárlatkorlátozó fojtótekercsek alkalmazásának nagy előnye, hogy minden kapcsolási művelet, mozgó alkatrész, felügyelet, regenerálás nélkül állandóan

üzemkészen korlátozzák a bármikor fellépő zárlati áramot, fellépésének pillanatától kezdve a zárlat megszűntéig, beleértve természetesen a zárlati csúcsáramot is. A feszültség visszatérte után azonnal ismét üzemkészek. A fojtótekercseket általában egyfázisú egységekben gyártják, és a három fázistekercset a kisebb egységeknél egymás fölé szokták szerelni, a nagyobb egységek egymás mellé egy szintre kerülnek. A tekercsek légmagosak és természetes hűtésűek A jelentős zárlati erőhatásoknak ellenálló mechanikai váz betongyűrű, vagy AlMgSi fémötvözetből készült rögzítőkereszt A tekercselés anyaga alumínium, szigetelése impregnált papír Az egyes tekercseket egymástól porcelán támszigetelők választják el. A zárlatkorlátozó fojtók alkalmazásának a különféle kapcsolású erőművekben és állomásokban sokféle módja van, amelyeket a következő csoportokba sorolhatjuk: a) a betáplálások

fojtózása, b) a leágazások fojtózása, c) sínszakaszok közötti fojtók. A fojtótekercs kapcsolási képbe való illesztése a következő szempontok figyelembevételével határozható meg: a) adott Sze (MVA) zárlati teljesítményű sín leágazásának Szu (MVA)-ra való korlátozásához Xf (Ω) reaktanciájú fojtótekercs kell; b) a fojtótekercs százalékos üzemi feszültségesése 2 εf = U −U f U ⋅ 100 ≈ 3X ⋅ I f ⋅ 1 − cos 2 ϕ ⋅ 100 % U ahol U (kV) a fojtó tápoldali vonali feszültsége; Uf (kV) a fojtó fogyasztóoldali vonali feszültsége; X (Ω) a fojtó reaktanciája fázisonként; If (kA) a fojtót terhelő áram; ϕ az Uf és If közötti fázisszög; c) az elérni kívánt korlátozás mértéke. E szempontok alapján hasonlítsuk össze a betáplálási és a leágazási fojtózást (1. ábra) Az ábrán a) esetben a fojtótekercsek a betáplálásnál vannak elhelyezve, míg b) esetben a leágazásokban. 1. ábra

Fojtótekercsek elhelyezése a) betáplálásban; b) a fogyasztói leágazásokban Az összehasonlítás alapját az képezheti, hogyha a kétféle megoldással ugyanolyan mértékű zárlatkorlátozást kívánunk elérni, akkor a fojtótekercset vagy tekercseket akárhol helyezzük is el az áramkörben, reaktanciájuknak azonosnak kell lennie. Műszaki szempontból a betáplálási fojtózás előnyei: - nemcsak a leágazásokban, hanem a gyűjtősínen fellépő zárlatot is korlátozza. Így a gyűjtősínt csak korlátozott zárlati teljesítményre kell méretezni; - kevesebb fojtótekercsre van szükség, mint a leágazási fojtózásnál; - a leágazási mezőkhöz nem kell a drága, nagyméretű épített és szellőzött fojtócellák sora, hanem azok korszerű és kis helyigényű tokozott kapcsolóberendezésként is kialakíthatók. A megoldás hátrányai: - a transzformátor üzemi árama (a leágazások összárama) nagyobb feszültségesést okoz annál, mint ami a

leágazási esetben fellép, amikor az ugyanolyan reaktanciájú fojtótekercsen csak egy leágazás árama folyik át; - minél több leágazásról van szó, annál nagyobb az üzemi feszültségesésen kívül a hatásos és a meddőteljesítmény-veszteség is. - a nagyméretű betáplálási fojtótekercs elhelyezése általában csak külön szellőzött épületben vagy szabadtéren, drága olajszigetelésű típussal oldható meg. 3 Az 1.b ábrán a fojtótekercsek a leágazásokban vannak Ezen elhelyezés műszaki előnyei a következők: - az üzemi feszültségesés kisebb, azaz sokkal kisebb százalékos fojtással lehet a kívánt csökkentett zárlati teljesítményt elérni, mint az a) megoldásnál; - hálózati zárlat esetén az ép leágazások feszültsége kevésbé törik le. Hátránya, hogy az a) megoldással szemben a gyűjtősínek és a transzformátorok igénybevételét sínzárlatok esetén nem korlátozzák fojtótekercsek. A két megoldás

gazdaságossági összehasonlítását tekintve a következők mondhatók el. Ha az összehasonlítás során nem vesszük figyelembe az építészeti költségeket, amelyek az a) megoldás esetén nagyobbak, sem a hatásos veszteségeket, amelyek viszont a b) megoldás esetén nagyobbak, s így részben a költségeltérések kompenzálják egymást, hanem az összehasonlítást leegyszerűsítjük maguknak a fojtóknak a rajtuk keletkező meddőteljesítmény veszteségnek kompenzálásához szükséges kondenzátortelepek beruházási költségeinek vizsgálatára, akkor elmondható, hogy: - maguknak a fojtóknak a beruházási költsége az a) esetben valamivel kisebb, mint a b) esetben, de a keletkező meddőveszteség kompenzálásához szükséges kondenzátorok költségei oly jelentősek, hogy ez egyértelműen a leágazásonkénti fojtózás javára billenti a mérleget: - a betáplálási fojtó nagy leágazási szám (pl. 10) esetén már elviselhetetlenül nagy

feszültségesést is okoz. Az összehasonlítás alapját az képezheti, hogyha a kétféle megoldással ugyanolyan mértékű zárlatkorlátozást kívánunk elérni, akkor fojtótekercset vagy tekercseket kell beépíteni. A tekercset akárhol is helyezzük el az áramkörben, ha azonos mértékű korlátozást akarunk elérni akkor a reaktanciájuknak (XF) azonosnak kell lenniük. Ha a korlátozás előtti zárlati teljesítményt (SZE) adott értékre (SZU) kívánjuk korlátozni, akkor a beépítendő reaktancia szükséges értéke: U2 U2 XF = n − n S ZU S ZE Természetesen a fojtótekercs szükséges reaktanciája meghatározhatjuk az X-módszerrel is, ha az egyes áramköri elemek reaktanciáját meghatározzuk, és a zárlati áram értékét ismerjük. A betáplálási fojtótekercs kedvezőtlen üzemi viszonyain sokat lehet javítani ikerfojtó alkalmazásával. Az ikerfojtó kapcsolási elrendezését és helyettesítő kapcsolási vázlatát a 2 ábra mutatja. 2. ábra

A tápláló mezőben alkalmazott ikerfojtó tekercs a) kapcsolási elrendezés; b) helyettesítő vázlat 4 Mindegyik fázistekercsén középső megcsapolás van, ez csatlakozik a tápoldalhoz. A tekercs két vége két különálló fogyasztót lát el. Ha a két fogyasztó terhelőárama egymással egyenlő, a két féltekercs mágneses tere a közöttük levő k csatolási tényező arányában egymás ellen hat, és így csökkenti a feszültségesést és a meddő veszteséget. A helyettesítő vázlatból jól látható, hogy az egyik ágon fellépő zárlati árammal szemben az ikerfojtó igen jó közelítéssel (X+Xm)-Xm=X reaktanciát képvisel. További előnye még az ikerfojtónak, hogy a zárlat által nem érintett sínről leágazó fogyasztók feszültsége a zárlat fennállása alatt sokkal kisebb mértékben csökken, mint amilyen mértékben a soros fojtótekercs leágazásba történő beépítése esetén, vagy a soros fojtótekercs betáplálási

alkalmazásakor. A betáplálási ikerfojtó költségeit illetően közbülső helyet foglal el a leágazási és a betáplálási fojtók költségeihez képest, ugyanakkor egyéb műszaki előnyökkel rendelkezik mindkét megoldással szemben. A gyűjtősín hosszában elhelyezett fojtótekercsek segítségével (3. ábra) három részre osztott gyűjtősín zárlati teljesítménye jelentékenyen kisebb az osztatlan gyűjtősín zárlati teljesítményénél. Ha az egyes sínszakaszon belül a betáplált és a fogyasztott áramok nincsenek egyensúlyban, akkor a sínbontó fojtótekercsen átfolyó üzemi áram a fojtótekercsen feszültségesést okoz. A fojtótekercs használatát legtöbbször gazdasági okok döntik el. Megtakarítást tesz lehetővé a kisebb zárlati igénybevételű berendezésben és még a sín és a fojtó közötti megszakítót is elegendő a korlátozott zárlati teljesítményre méretezni. Ugyanakkor a meddőteljesítmény-igényének fedezéséről

gondoskodni kell, és az ellenállásán keletkező veszteség is költséget jelent. Műszaki hátránya az üzemi feszültségesésen kívül az, hogy a megszakító visszaszökő feszültségének meredekségét, ill. a rezgési frekvenciáját megnöveli, ami a megszakítóra kedvezőtlen. 3. ábra A gyűjtősín hosszában elhelyezett fojtótekercsek 5 3. A zárlatkorlátozás egyéb módszerei A transzformátorok rövidzárási feszültségének növelése A módszer célja itt is a soros áramút reaktanciájának növelése. Előnyei és hátrányai azonosak az előző fejezetben tárgyalt soros fojtótekercsével, de annál mégis hátrányosabb, mert: - a transzformátor soros reaktanciájának X-szel történő megnövelése mindig költségesebb, mint egy X reaktanciájú fojtó; - ez a táplálás fojtózásának felel meg, ami viszont költségesebb, mint a leágazások fojtózása. Léptetett megszakítás Mint zárlatkorlátozási módszer abban áll, hogy az

alállomás egy vagy több, viszonylag nagy zárlati áramot tápláló mezőjében - vagy a sínáthidaló mezőben - olyan gyors védelemmel ellátott megszakítót alkalmaznak, amely közeli zárlat esetén azonnal nyit, s ezáltal a hibás vonal megszakítójának már kisebb zárlati áramot kell megszakítani, mint amekkora eredetileg fellépett. Előnye az, hogy olcsón és rövid idő alatt bevezethető, és a hurkolt hálózati üzem fenntartható. Hátránya, hogy egyedül a zárlatos leágazás megszakítójának magszakítási feladatát könnyíti meg, de nem csökkenti magának a megszakítónak és a berendezés többi részének a teljes zárlati csúcsáram által okozott dinamikus igénybevételét. Zárlatkorlátozó hálózati kapcsolások, hálózatbontás A hálózat hurkoltságának üzemszerű lazításából, ezáltal a zárlati impedanciák növeléséből áll. Természetesen erősen csökkennek a korábban jobban hurkolt hálózat előnyei, csökken az

üzembiztonság, nőnek a hálózati veszteségek. Így ezt a megoldást, miként az előzőt is, csak átmeneti, kényszermegoldásnak lehet tekinteni. Áramkorlátozó biztosító Igen hatásos eszköz a zárlati áramok korlátozására, mert egyrészt gyors működése következtében képes a zárlati csúcsáramot is korlátozni, másrészt lényegesen olcsóbb, mint a fojtótekercs, és nincsenek wattos és meddő veszteségei. Hátránya, hogy kis névleges áramra (50.250 A) és maximum középfeszültségre gyártható További hátránya, hogy kioldásától kicseréléséig az általa védett leágazásban az áramszolgáltatás kényszerűen szünetel. Ez alkalmazását igen kérdésessé teszi, mert a mai fogyasztók egyre érzékenyebbek az áramkimaradásra. Tény viszont, hogy a zárlatvédelem és zárlatkorlátozás legolcsóbb és leghatásosabb eszköze Zárlatkorlátozó készülékek Az eddig tárgyalt megoldásoknak igen sok hátránya van, így a rohamosan

növő zárlati áramok hatásos korlátozására elvileg új módszerre és eszközre van szükség. A zárlati áramot korlátozni csak valamilyen soros impedanciának az áramkörbe való beiktatásával lehet. Mivel az e célra beváltan alkalmazott soros fojtótekercseknek sok hátrányuk van, a fojtót üzemi állapotban megfelelő kapcsolókészülékkel söntölni kell, és ha zárlat lép fel, e kapcsolókészüléket nyitni. Ez a készülék lehet pl biztosító vagy megszakító E megoldás viszont a zárlati áram okozta dinamikus igénybevételt nem korlátozza. 6