Dimensjonering ved kortslutning

Høgskolen i AgderFakultet for Teknologi, Grimstad

Våren 2006Egil Hagen

Termiske påkjenninger ved kortslutning

• De store strømmene som flyter ved kortslutning kan gi temperaturer som skader komponenter

• Produsenten oppgir hvor stor strøm komponenten tåler– Kontinuerlig– Kortvarig (1 sekund)

Termisk grensestrøm

• Termisk grensestrøm er den strøm som varmer opp komponenten til maksimal tillatt driftstemperatur i løpet av en viss tid (It 1sek)

• Komponenten tilføres en energi:

W = R It2 tt

• Om vi antar at under en kortslutning går all varmeproduksjon med til å varme opp komponenten (og ikke omgivelsene) vil:

Wk = R Ik”2 tk

Krav til vern

• For at komponenten ikke skal bli skadet under en kortslutning er det avgjørende at:

Wk ≤ W• For å oppnå dette installerer vi

kortslutningsvern foran komponenten• Utkoblingstiden til vernet (pluss

brytertiden) må innstilles slik at kriteriet er oppfylt

tk = It2 tt / Ik”2

Dimensjonering for jordslutning

• Jordslutning kan være 1 faset, 2 faset eller 3 faset

• 2 faset og 3 faset jordslutning tilsvarer 2 faset og 3 faset kortslutning fordi det da også blir forbindelse mellom fasene

• Jordslutning kan føre til:– Oppvarming og brannfare på jordslutningsstedet– Farlig berøringsspenning på anleggsdeler som

normalt ikke skal være spenningsførende

Nullpunktsjording

• Jordslutningsstrømmene er avhengige av hvordan systemets nullpunkt er jordet– Isolert nullpunkt– Jordet over en resistans/impedans– Jordet over en reaktans (spolejording)– Direkte jordet

• Viktig at vernet kobler bort jordslutningen raskt• Forskriftene krever at jordfeil kobles bort innen

rimelig tid (?)

Isolert nullpunkt

• På de feilfrie fasene øker spenningen mot jord

• Dersom isolasjonen i disse fasene er svekket, kan det føre til at flere faser får jordslutning

• Vanlig på nett opp til 22 kV, også lavspent

• Fører til lave jordslutningsstrømmer

Spolejording

• Jordslutningsstrømmene kan i nett mellom 66 kV og 220 kV reduseres ved at nullpunktet jordes over en spole (Petersenspole)

• Petersenspolen innstilles slik at den kompenserer nettets kapasitans – feilstrømmen kan dermed justeres til null og eventuelle lysbuer slukker

• Spolen er vanligvis regulerbar - For å unngå resonans ved utkobling av nettdeler, drives nettet vanligvis overkompensert

• Kan drive nettet til reserve er etablert eller inntil et bedre tidspunkt for utkobling

Direkte jordet nullpunkt

• En full 1 fase jordslutning vil være som en 1 fase kortslutning

• Vanlig på 300 kV og 400 kV (?)

Kortslutningsstrømmer

• Støtstrøm• Subtransient, transient, stasjonær• Overstrøm• Kortslutning er en forbindelse med ubetydelig

impedans mellom to eller flere faser• Kortslutningsstrømmen er ofte mange ganger

større enn den maksimalt tillatte belastningsstrømmen

• Ledninger og apparater må dimensjoneres for å tåle kortslutningsstrømmen

Beregning av kortslutningsstrøm

• Kortslutningsstrømmen består av en symmetrisk vekselstrøm overlagret en avtakende (transient) likestrøm

• Størrelsen på kortslutningsstrømmen er avhengig av tidspunkt for kortslutningen

• Kortslutningsstrømmen blir størst dersom kortslutningen skjer i spenningens nullgjennomgang

Støtstrøm

• Maksimal kortslutningsstrøm kalles:– Støtstrøm– Maksimal assymetrisk kortslutningsstrøm

• Støtstrømmen er:

is = κ √2 Ik

• Der κ kalles støtfaktoren som maksimalt kan bli κ = 2,0

• Det gir: is = 2,8 Ik

Typiske verdier

• Ved kortslutning på generatorklemmene:

is = 3 Ik

• Ved kortslutning ute i fordelingsnettet kan κ = 1,6 være en god tilnærming

is = 2,5 Ik

Mekaniske påkjenninger ved kortslutning

• Når to parallelle ledere fører strøm, vil det oppstå en kraftvirkning mellom dem

• Denne kraften er proporsjonal med kvadratet av strømstyrken:

F = 2 i2 / D 10-7 l

Sinusformet strøm

• Ved sinusformet strøm vil i være:i = î sin(ωt)

• Da vil F være lik 0 når sin(ωt) er lik 0• F får sin maksimale verdi hver gang

sin(ωt) er 1

• Dermed vil lederne utsettes for en pulserende kraft med frekvens 100 Hz

Dimensjonering

• Alle anleggsdeler må tåle de krefter som oppstår ved en kortslutning

• Det er først og fremst stive anleggsdeler som skinneføringer, samleskinner og deres støtter som blir utsatt for så store krefter at beregning er nødvendig

• Ved egenfrekvens for skinnene nær 100 Hz kommer skinnene i resonans

Mekanisk dimensjonering av samleskinner og isolatorer

• Ta utgangspunkt i en statisk beregning av de kreftene som oppstår under en kortslutning

• Evnt. korrigere for de dynamiske forhold

• Antar fast innspente skinner i isolatorene

• Kraften er jevnt fordelt over skinnelengden

Korreksjonsfaktor k1

• K1 er 1,0 for runde skinner• K1 varierer fra 0,4 til 1,4 avhengig av skinnenes

høyde og bredde, om de er stående eller liggende, og avstanden mellom skinnene

• Høyeste verdi ved brede skinner montert nær hverandre

• Laveste verdi ved høye skinner montert nær hverandre

• Jo større avstand mellom skinnene, desto mindre blir korreksjonen

Resonansfaktor k2