118
Ograniczniki przepięć SN i WN
Przepięcia są specyficznymi zaburzeniami elektromagnetycznymi,
powstającymi wskutek niekontrolowanych zjawisk w atmosferze
ziemskiej (przede wszystkim wyładowań atmosferycznych) i roz-
maitych stanów nieustalonych występujących w sieciach elektro-
energetycznych. Z punktu widzenia elektroenergetyki przepięcie
stanowi każdy wzrost napięcia ponad umowny poziom odniesie-
nia, którym w sieci trójfazowej jest wartość szczytowa najwyższego
doziemnego napięcia roboczego
Ö
2U
m
/
Ö
3 (dla przepięć doziem-
nych) lub międzyprzewodowego
Ö
2U
m
(dla przepięć międzyfazo-
wych). Wartości szczytowe (amplitudy) przepięć wyraża się najczęś-
ciej jako względne, stosując umowne oznaczenie p.u. (z ang.
per
unit
– na jednostkę), czyli w postaci tzw. współczynnika przepięć,
będącego stosunkiem bezwzględnej wartości szczytowej przepięcia
U
pmax
do poziomu odniesienia, tj. wartości szczytowej najwyższego
napięcia roboczego.
Jak wcześniej wspomniano, rozróżnia się dwa podstawowe
źródła przepięć: elektryczność burzową oraz stany nieustalone
w układach sieciowych. Te pierwsze nazywane są zewnętrznymi
lub piorunowymi. W miejscu uderzenia pioruna przepięcia bez-
pośrednie piorunowe mogą osiągać znaczne wartości szczytowe
oraz stromości narastania przebiegu. Następnie przenoszone są
z dużą prędkością wzdłuż przewodów sieci i choć mają bardzo
krótkie czasy trwania (do kilkuset mikrosekund), to stanowią
zagrożenie dla linii i stacji elektroenergetycznych mimo stoso-
wania odpowiednich środków ochrony odgromowej. Rozróżnia
się również przepięcia piorunowe indukowane. Są one znacznie
mniejsze – ich wartości szczytowe rzadko przekraczają 500 kV,
a stromości czoła 10 kV/
m
s, jednak zagrażają układom izolacyj-
nym w napowietrznych liniach rozdzielczych niskiego i średniego
napięcia.
Przepięcia związane ze stanami nieustalonymi w systemie elektro-
energetycznym nazywane są wewnętrznymi. Ich wartości szczytowe
nie przekraczają na ogół 3,5–4 p.u., ale czasy trwania mieszczą się
w bardzo szerokim przedziale – od kilku mikrosekund do kilkudzie-
sięciu godzin. Można je podzielić na dwie grupy [2]:
• przepięcia łączeniowe szybkozmienne (manewrowe i awaryjne) –
wywołane nagłymi zmianami konfiguracji sieci, mające charakter
silnie tłumionych szybkozmiennych przebiegów wyrównawczych
o czasach trwania mieszczących się najczęściej w przedziale od
10
m
s do 0,01 s,
• przepięcia dorywcze wolnozmienne – rozważane na ogół odręb-
nie jako:
– ziemnozwarciowe – o częstotliwości zbliżonej do znamionowej,
trwające od kilku do kilkudziesięciu godzin,
– dynamiczne – o czasach trwania od dziesiątych części sekundy do
kilkunastu sekund (np. nagłe i duże zmiany obciążenia, pojemnoś-
ciowe wzrosty napięcia na końcu nieobciążonych długich linii, zakłó-
cenia symetrii napięć sieci podczas niezanikających samoczynnie
jedno- lub dwufazowych zwarć z ziemią),
– rezonansowe (ferrorezonansowe) – występujące niekiedy
w sieciach średnich napięć o izolowanym punkcie neutralnym,
zazwyczaj w wyniku pewnych operacji łączeniowych lub zwarć
niesymetrycznych.
Stosowanie ograniczników wynika z konieczności ochrony układów
izolacyjnych, które powinny być tak zaprojektowane i zbudowane,
aby wytrzymywały określony poziom przepięć. Jego przekroczenie
może prowadzić do poważnych skutków, mających wpływ na pracę
całego systemu elektroenergetycznego. O ile w liniach napowietrz-
nych przepięcia o wartościach przewyższających poziom odporno-
ści układów izolacyjnych powodują na ogół przeskoki w powietrzu
lub po powierzchni izolacji (skutecznie likwidowane przez automa-
tykę SPZ), to w układach izolacji bezpowietrznej (np. linii kablo-
wych transformatorów czy aparatury stacyjnej) mogą doprowadzić
do przebicia izolacji czy nieodwracalnych zmian w ich strukturze,
które uniemożliwiają pracę danego urządzenia. Powoduje to
niejednokrotnie konieczność przeprowadzania bardzo kosztow-
nych napraw.
Podstawowym zadaniem ogranicznika przepięć jest zatem zmniej-
szenie wartości szczytowej przepięcia do poziomu bezpiecznego dla
układu izolacyjnego w chronionym elemencie sieci lub urządzeniu.
Nie jest on jednak w stanie zniwelować wszystkich rodzajów prze-
pięć. Ich działanie ogranicza się głownie do przypadków występowa-
nia przepięć piorunowych oraz szybkozmiennych i silnie tłumionych
(stąd krótkotrwałych) przepięć łączeniowych. W przypadku prze-
pięć wewnętrznych długotrwałych w ograniczniku mogłoby wydzielić
się zbyt dużo energii powodującej wzrost temperatury, a tym samym
jego uszkodzenie. Stąd działanie ogranicznika powinno rozpoczynać
się dopiero w chwili wystąpienia wartości napięć wyższych niż spo-
dziewane poziomy przepięć długotrwałych.
x x x
Wymogi prawne związane ze stosowaniem
ograniczników przepięć SN i WN
W systemie elektroenergetycznym powinny być ograniczane zarówno
przyczyny powstawania przepięć, jak i skutki, jakie wywołują. Nato-
miast ograniczniki nie likwidują przyczyn, a jedynie ograniczają
skutki (obniżają wartości szczytowe przepięć). W myśl Rozporządze-
nia Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegó-
łowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego,
ograniczniki przepięć powinny być zaliczone do urządzeń współpra-
cujących z elektroenergetyczną automatyką zabezpieczeniową. Prze-
pisy wymagają, aby zakłócenia, w tym niebezpieczny wzrost napię-
cia, były samoczynnie i selektywnie likwidowane. Rozporządzenie
wskazuje również, że szczegółowe wymagania techniczne i zalece-
nia dla urządzeń współpracujących z elektroenergetyczną automa-
tyką zabezpieczeniową określane są w instrukcjach opracowywa-
nych przez operatorów systemu dystrybucyjnego lub przesyłowego.
O urządzeniach ochrony przeciwprzepięciowej mówi również Rozpo-
rządzenie Ministra Infrastruktury z dn. 12 kwietnia 2002 r. (z późn.
zm.) w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowia-
dać budynki i ich usytuowanie. Dokument ten dotyczy głównie insta-
lacji niskiego napięcia, ale przywołuje także normę odnoszącą się
do instalacji elektroenergetycznych prądu przemiennego o napięciu
wyższym od 1 kV.
Ograniczniki przepięć SN i WN
dr inż. Dominik Duda
Instytut Elektroenergetyki i Sterowania
Układów, Wydział Elektryczny, Politechnika
Śląska
