kp_loeng4

Kõrgepingetehnika

Ü. Treufeldt. TTÜ elektroenergeetika instituut 101

5 Atmosfääri liigpinged

5.1 Välk

5.1.1 Äikese ja välgu kujunemine Äikese kujunemine

Maakera ja teda ümbritsev ionosfäär on laetud:

• maa laeng on negatiivne

• ionosfääri laeng on positiivne

Seega moodustavad ionosfäär ja maakera suure kerakondensaatori, milles elektroodidevahelise dielektrikuna toimib atmosfäär.

Maa pinna ja ionosfääri keskmine potentsiaalide vahe on umbes 300 kV Elektriväljatugevus maa pinna lähedal on keskmiselt 100…200 V/m.

Elektriväljatugevus kõrgemal nõrgeneb ja 50 km kõrguselt algab ionosfäär.

Atmosfäär ei ole ideaalne isolaator. Isegi ilusa ilmaga läbib seda lekkevool voolutihedusega ligikaudu 3pA/m2 , mis teeb kogu maakera pinna kohta 2kA.

Lekkevool neutraliseerib ilusa ilmaga piirkondades osa maa negatiivsest laengust ja seega vähendab elektriväljatugevust “elektroodide” vahel.

Tegelikult maa ja ionosfääri vaheline potentsiaalide vahe ei kao. Tasakaalu hoidvaks protsessiks on äike. Välgulöökidega kanduvad positiivsed laengud tagasi atmosfääri ning ionosfääri ja maakera vaheline potentsiaalide vahe säilib.

Selle protsessi energia tuleb päikeselt.

Mõõtmised on näidanud, et ühe keskmise äikesepilve välgulahenduste ekvivalentne kestev vool aastas on 1 A.

Arvestades, et kogu atmosfääri lekkevool aastas on 2 kA, peab tasakaalu säilimiseks tekkima ligikaudu 2000 äikesepilve aastas.

Äikesepilve tekkimise tingimused:

• võimsad vertikaalsed õhumasside liikumised • piisavalt niiskust • temperatuuri suur vertikaalne gradient

Äikeseid on kahte liiki: • konvektsioonäikesed (tekivad soojal suvepäeval) • frontaaläikesed (tekivad külma õhumassi sissetungimisel)

Kõrgepingetehnika


Joonis 5.1 Positiivsete laengute liikumine maa atmosfääris

Välgu kujunemine

Joonis 5.2 Välgu kujunemise etapid

Ionosfäär

50…75 km

Kõrgepingetehnika


Selgitused joonise 5.1 juurde:

• äikesepilve kõrgus võib ulatuda 10 kilomeetrini ja rohkem

• äikesepilves moodustuvad üksteisest isoleeritud suured ruumilaengud

• negatiivsed laengud kogunevad tavaliselt pilve alasosas

• välk on suure pikkusega (kuni mitu km) gaaslahendus

• ruumilaengust hakkab arenema nn. liiderlahendus (joonis 5.2 – 1)

• esialgu ei ole liider orienteeritud maa objektide laengu suhtes

• liider areneb astmeliselt, kuna laengud ei jõua kohe liidri arengule järele

• laskudes hakkab liidri suunda üha enam määrama laengute kogunemine maas

• teatud kõrgusel muutub elektrivälja tugevus mingi maa punkti (objekti) suhtes suurimaks ja liider orienteerub kindlale objektile

• seda kõrgust nimetatakse orienteerimiskõrguseks (umbes 100 m)

• kui liider on jõudnud maani või vastutuleva liidrini, algab vastassuunaline pealahendus (joonis 5.2 – 2,3)

• liiderlahendus ja pealahendus koos moodustavad välgulöögi

• pealahendusel võrdsustub liiderkanali potentsiaal maa potentsiaaliga

• pealahenduse laengute kontsentratsioon on 100 korda suurem liiderlahenduse laengute kontsentratsioonist

• kui positiivsed laengud on jõudnud pilvesse, võib hakata arenema liider pilves leiduva teise negatiivse ruumilaengu suunas (joonis 5.1 – 4)

• pilvesse tekkinud liiderkanali ning pilve ja maa vahelise liiderkanali kaudu toimub teise negatiivse ruumilaengu liiderlahendus (joonis 5.1 – 5)

• sellele järgneb uus pealahendus – toimub edasine välgulöök (joonis 5.1 – 6)

• esmase liiderlahenduse arenemiskiirus 1,5.105 m/s, edasistel liidritel 2.106 m/s, pealahenduse arenemiskiirus on 1,5.107…8 m/s

Kõrgepingetehnika


5.1.2 Välkude liigitus

Liiderkanali arenemissuuna järgi esinevad:

• allasuunatud välgud (tasased alad, mitte esilekerkivad ehitised) • ülessuunatud välgud (esilekerkivad ehitised, mäetipud)

Välku algatanud laengu alusel määratakse välgu polaarsus:

• negatiivsed välgud (90% kõikidest välkudest) • positiivsed välgud (10% kõikidest välkudest)

Välk koosneb ühest või mitmest välgulöögist:

• lühikestest välgulöökidest kestusega vähem kui 2 ms (joonis 5.3)

• pikkadest välgulöökidest kestusega enam kui 2 ms (joonis 5.4).

Välgulööke eristatakse ka nende positsiooni alusel välgu kestel:

• esmane

• edasine

• kattev

O1

90 %

10 %

T1

T2

50 % I

±i

t

O1 – virtuaalne algus

I – voolu tippväärtus

Voolu tõus 1T

Ia = kA/µs

Joonis 5.3 Lühikese välgulöögi vooluimpulss (T2 <2 ms)

T1 – frondikestus

T2 – poolväärtusaeg

Kõrgepingetehnika


10 % 10 %

±i

Qlong

Tlong T

Tlong – pika välgulöögi voolu kestus

Qlong – pika välgulöögi laeng

Pika välgulöögi vool long

long

T

QI = kA

Joonis 5.4 Pika välgulöögi vooluimpulss (2 ms <Tlong <1 s)

Allasuunatud välkude võimalikke komponente on kujutatud joonisel 5.5 ja ülessuunatud välkude võimalikke komponente joonisel 5.6.

±i

Esmane lühike välgulöök

Positiivne või negatiivne T

±i

Pikk välgulöök

Positiivne või negatiivne T

–i Edasised lühikesed

välgulöögid

Negatiivne T

–i

Negatiivne T

Joonis 5.5 Allasuunatud välgu võimalikud komponendid (tüüpilised tasasel alal ja madalamate ehitiste korral)

Kõrgepingetehnika


Lühike välgulöök

Positiivne või negatiivne

Edasine pikk välgulöök

–i Edasised lühikesed välgulöögid

Üksik pikk välgulöök

Katvad lühikesed välgulöögid

Esmane pikk välgulöök

±i

T Positiivne või negatiivne

Negatiivne

Positiivne või negatiivne

T

±i

±i

T T

T

–i

Negatiivne

Joonis 5.6 Ülessuunatud välgu võimalikud komponendid (tüüpilised välgualtide ja/või kõrgemate ehitiste korral)

Allasuunatud välkude suurima vooluga põhikomponendiks on esmane lühike välgulöök. Sellele võivad järgneda edasised lühikesed või pikad välgulöögid.

Ülessuunatud välkude põhikomponendiks on esmane pikk välgulöök koos kuni mõnekümne katva lühikese välgulöögiga või ilma nendeta.

Kõik lühikese välgulöögi parameetrid ülessuunatud välkude korral on väik-semad kui allasuunatud välkude korral.

Kõrgepingetehnika


5.2 Välguvoolu parameetrid Välguvoolu olulisemad parameetrid on:

• Voolu tippväärtus I , kA

• Erienergia W/R, kJ/Ω

• Laeng Q, C

• Välguvoolu frondi keskmine järskus di/dt, kA/µs

• Voolu lainekuju

Voolu lainekuju

• esmasel välgulöögil 10/350 µs

• edasistel välgulöökidel 0,25/100 µs

on määratletud valemiga:

)/( exp )/(+1

)/( = 210

1

101

τtτt

t

k

Ii −⋅⋅ τ

kus: I – voolu tippväärtus;

k – voolu tippväärtuse parandustegur;

t – aeg (kestus);

τ1 – vooolufrondi ajakonstant;

τ2 – voolusaba ajakonstant.

Tabel 5.1 Eri piksekaitsetasemete (LPL) jaoks normeeritud voolu lainekuju parameetrid

Esmane lühike välgulöök Edasine lühike välgulöök

LPL LPL Parameetrid

I II III-IV I II III-IV

I (kA) 200 150 100 50 37,5 25

k 0,93 0,93 0,93 0,993 0,993 0,993

τ1 (µs) 19 19 19 0,454 0,454 0,454

τ2 (µs) 485 485 485 143 143 143

Kõrgepingetehnika


Olulisemad välguvoolu parameetrid CIGRE andmetel on koondatud tabelisse 5.2. Eeldatakse, et välkude polaarsuste suhe on 10 % positiivseid ja 90 % negatiivseid.

Tabel 5.2 Välguvoolu parameetrite tõenäosuslikud väärtused CIGRE andmetel

Väärtused Parameeter

95 % 50 % 5 %

Välgulöögi tüüp

4(98 %) 20(80 %) 90 Esmane negatiivne lühike

4,9 11,8 28,6 Edasine negatiivne lühike

I kA

4,6 35 250 Esmane positiivne lühike (üksik)

1,3 7,5 40 Negatiivne välk Qflash C

20 80 350 Positiivne välk

1,1 4,5 20 Esmane negatiivne lühike

0,22 0,95 4 Edasine negatiivne lühike

Qshort C

2 16 150 Esmane positiivne lühike (üksik)

6 55 550 Esmane negatiivne lühike

0,55 6 52 Edasine negatiivne lühike W/R kJ/Ω

25 650 15 000 Esmane positiivne lühike


9,9 39,9 161,5 Edasine negatiivne lühike di/dtmax kA/µs

0,2 2,4 32 Esmane positiivne lühike

Qlong C 200 (normeeritud) Pikk

tlong s 0,5 (normeeritud) Pikk


0,22 1,1 4,5 Edasine negatiivne lühike

Frondikestus µs

3,5 22 200 Esmane positiivne lühike (üksik)

30 75 200 Esmane negatiivne lühike

6,5 32 140 Edasine negatiivne lühike

Välgulöögi kestus µs

25 230 2 000 Esmane positiivne lühike (üksik)

0,15 13 1 100 Negatiivne välk (koguvälk)

31 180 900 Negatiivne välk (ilma üksikuta)

Välgu kogukestus ms

14 85 500 Positiivne välk

Kõrgepingetehnika


Tabel 5.3 Keskmised välgulahenduse parameetrite tõenäosuslikud väärtused

Tõenäosus Voolu tippväärtus

Voolu tõus Lahenduste arv kanalis

Kogukestus

% kA kA/µs s

95 7 9 1 0,001

50 33 24 2 0,01

5 85 65 6 1,1

Joonis 5.7 Välguvoolu tippväärtuste keskmine logaritmiline jaotusseadus (CIGRE soovitatud)

1 2 5 10 20 50 100 200 kA

99,9

99

95

80

50

20

5

1

0,1

0,01

p %

I

Kõrgepingetehnika


5.3 Välgulahenduste geograafiline tihedus Äikese esinemistihedust kirjeldavad

• äikesepäevade arv aastas Td

• äikesetundide arv aastas Th

Joonis 5.8 Eestis esinevate äikesepäevade arv aastas Td

Joonis 5.9 Eestis esinevate äikesetundide arv aastas Th

Kõrgepingetehnika


Välgulahenduste tihedust ühe ruutkilomeetri kohta aastas leitakse valemitega

25,104,0 dg TN = või hg TN 067,0=

Joonis 5.10 Välgulahenduste arv ühe ruutkilomeetri kohta aastas Ng

Kõrgepingetehnika


5.2 Kaitse välgu otselöögi vastu

Välgu otselööke seadmeisse saab suure tõenäosusega vältida

• piksevarraste abil

• piksetrosside abil

• välgupüüdursüsteemide abil

Piksekaitse kaitsetsoonid sõltuvad kaitstavate objektide kõrgusest

Allpool vaadeldavad kaitsetsoonid kehtivad kuni 25 m kõrgustele seadmetele.

Selle kõrguse piiridesse jäävad kõik Eesti elektrivõrkude seadmed.

Kõrgemate paigaldiste korral on kaitsetsoonid suhteliselt väiksemad.

5.2.1 Piksevardad

Piksevardast arenevad lahenduskanalid kiiremini, kui piksetrossidelt.

Seega on piksevarraste kaitsetsoonid laiemad kui samal kõrgusel paiknevate piksetrosside kaitsetsoonid.

Üksiku piksevarda kaitsetsoon on nõguskoonuse kujuline, mille moodustaja on piksevarda tippu läbiv kaar raadiusega 3H (joonis 5.11).

Joonis 5.11 Üksiku piksevarda kaitsetsoon

Kõrgepingetehnika


Kahe teineteisest vähem kui 3H kaugusel asuva piksevarda vaheline kaitsetsoon moodustub varraste tippusid läbiva kaarega raadiusega R, mille keskpunkt MR on kõrgusel 3H (joonis 5.12).

Joonis 5.12 Kahe lähedase piksevarda kaitsetsoon

5.2.2 Piksetrossid

Üksik piksetross tekitab piki trossi telgikujulise kaitsetsooni, mille ristlõike piirjooneks on trossi läbiv kaar raadiusega 2H

Joonis 5.13 Üksiku piksetrossi kaitsetsoon

Kõrgepingetehnika


Kaks piksetrossi, mille vahekaugus on väiksem kui 2H , tekitavad koos kaitsetsooni, mille piiri piksekaitsetrosside vahel moodustab trossidele toetuv kaar raadiusega 2H . Väliskülgedel on kaitsetsoon sama kui ühe trossi korral.

Joonis 5.14 Kahe piksetrossi kaitsetsoon

Kaitsetsoon on kogu trosside ulatuses pidev

5.2.3 Õhuliini kaitsenurk

Joonis 5.15 Õhuliini kaitsenurk

α

H

Kõrgepingetehnika


Õhuliini keskmine faasijuht on välgu otsetabamuse eest tavaliselt kaitstud suure varuga.

Kahe trossiga õhuliini välimiste faasijuhtide või ühe trossiga õhuliini kõik faasijuhid ei ole välgu otselöögi eest kaitstud 100% tõenäosusega.

Sel juhul iseloomustatakse faasijuhtide kaitstust kaitsenurgaga α.

Normaalselt peaks kaitsenurk olema piirides α = 15…30°.

Piksetrossi kõrguse H ja kaitsenurga α järgi saab arvutada välgu otselöögi tõenäosust:

−= 4

90lg

HPvl

α

Näiteks, kui α = 30° ja H = 16 m, siis faasijuhi tabamistõenäosus Pvl = 0,002; aga kui H = 32 m, siis Pvl = 0,01.

Faasijuhi tabamistõenäosuse vähendamiseks tuleb vähendada kaitsenurka α.

5.2.4 Kõrgete ehitiste kaitsmine

Üle 100 m kõrgeid objekte võib välk tabada kümneid kordi aastas.

Üle 60 m kõrgeid ehitisi võib välk tabada ka küljelt

Seepärast on kõrgete ehitiste kaitsmine välgu otsetabamuse eest eriti oluline

Kõrge ehitise kaitsmisel kasutatakse paljudest komponentidest (vardad, trossid, võrgud) koosnevaid ja vaadeldavale ehitisele sobivaid välgupüüdursüsteeme.

Kuna kõrgehitised sisaldavad metall- ja raudbetoonkonstruktsioone, siis lisaks spetsiaalsetele maandusjuhtidele kasutatakse ka neid konstruktsioone välgupüüdurite maandusjuhtidena.

Seepärast peab ehitamisel tagama metallosade kindla ühendamise.

Oluline on vältida välgutabamuse korral horisontaalseid pingegradiente. Selleks kasutatakse horisontaalset potentsiaaliühtlustust: igal korrusel või 10…15 m järel ühendatakse omavahel kokku kõik vertikaalsed juhtivad kontuurid (metalltorud, liftirööpad, kaablite metallkestad) ning ka maandusjuhtide süsteemiga.

Ehitise metallkarkassi välisosad ühendatakse iga 20…30 m järgi maandusjuhiga.

Seadmete kaitseks tuleb:

• kõik madalpingejuhtmed paigaldada metalltorudesse • kõikide ehitisse sisenevate kaablite metallkestad ühendada • elektriseadmete kestad ja trafode neutraalid ühendada ehitise metall-

karkassiga

Kõrgepingetehnika


α

2

h

1

4

5

3

1 - Välgupüüdurjuht

2 - Piksevarras

3 - Võrgu mõõtmed

4 - Maandusjuht

5 - Rõngasjuhiga maandussüsteem

h - Piksevarda tipu kõrgus maapinnast

α - Kaitsenurk

Joonis 5.16 Välgupüüdursüsteemi elementide üldine paigutus

Maandusjuhid Maandusjuhid juhivad välguvoolu välgupüüduritest maanduspaigaldistesse.

Võimaluse korral kasutatakse maandusjuhtidena nn. loomulikke maandusjuhte (metallist kõrgepingeliini mastid, raudbetooni karkass).

Loomulike maandusjuhtide puudumisel kasutatakse spetsiaalseid allaviikjuhte (näiteks puitmastidel)

Sageli on maandusjuht ümarjuht ristlõikega 50 mm2 (ümar terasjuht läbimõõduga 8 mm – suurima välgu laengu korral kuumeneb kuni 600°C)

Kõrgepingetehnika


5.3 Maandurid Piksekaitsesüsteem koosneb välgupüüduritest, maandusjuhtidest ja maanduritest

Joonis 5.17 Piksekaitsesüsteemi põhimõtteskeem

Maandurid võivad olla:

• rõhtmaandurid (paigaldussügavus 0,5…1 m)

o sirgmaandurid (ühe- või mitmekiirelised: 2…6 kiirt )

o kontuurmaandurid (rõngas-, ristkülik- ja võrkmaandurid; Dmin ≥ 2 m, võrgu silma laius kuni 20 m )

• püstmaandurid

Maandurid koosnevad elektroodist või elektroodide süsteemist.

Elektroodiks võib olla:

• ümarjuht (teras: Ø vähemalt 10 mm, vask: vähemalt 25 mm2)

• kiudjuht (vask: vähemalt 25 mm2)

• riba (teras: ristlõige vähemalt 90 mm2 , paksus vähemalt 3 mm)

Maanduri ülesanne on juhtida välguvool maasse.

Maanduri efektiivsust näitab maandus- e. valgumistakistus. Valgumistakistus sõltub pinnase eritakistusest, maanduri mõõtmetest (peamiselt pikkusest, vähesel määral ka ristlõikest)

Pinnase eritakistus on paikkonniti erinev, sõltudes pinnase liigist, pinnaosakeste suurusest, pinnase tihedusest ja niiskusesisaldusest.

Niiskuse muutumine põhjustab pinnase eritakistuse ajalist muutumist.

Sügavuse muutumisel võib pinnase eritakistus muutuda pinnase kihilise struktuuri tõttu.

Välgupüüdur

Maandusjuht

Maandur

Kaitstav objekt

Kõrgepingetehnika


Tabel 5.4 Pinnase eritakistus võrgusagedusel

Pinnase liik Eritakistus ρE Ωm

Soopinnas 5…40

Liivsavi, savi, mustmuld 20…200

Liiv 200…2500

Kruus 2000…3000

Murenenud kivim alla 1000

Liivakivi 2000…3000

Graniit kuni 50000

Moreen kuni 30000

Rõhtmaanduri valgumistakistust saab arvutada valemitega:

• sirgmaandur: d

L

LR E

EB2

lnπρ

=

• rõngasmaandur d

D

DR E

ERπ

π

ρ 2ln

2=

kus: ρE on maa eritakistus Ωm

L on sirgmaanduri pikkus m

D on rõngasmaanduri läbimõõt m

d on ümarelektroodi või kiudjuhtme läbimõõt või ribaelektroodi pool laiust m

Püstmaanduri valgumistakistust saab arvutada valemiga:

d

L

LR E

EB4

ln2πρ

=

kus: ρE on maa eritakistus Ωm

L on maandusvarda pikkus m

d on maandusvarda läbimõõt m

Graafiliselt saab valgumistakistusi leida joonistelt 5.18 ja 5.19.

Kõrgepingetehnika


Joonis 5.17 Riba- või ümarprofiiliga või kiudjuhist rõhtsate sirg- ja rõngasmaandurite valgumistakistused homogeenses pinnases,

kui d = 0,015 m

Kõrgepingetehnika


Joonis 5.17 Püstmaandusvarda valgumistakistused homogeenses pinnases, kui d = 0,02 m

Kõrgepingetehnika


Puutepinge UP ja sammupinge US

Joonis 5.18 Puute- ja sammupinge ühest elektroodist koosneva maanduri korral

Pinge maanduri ja nullpotentsiaali vahel ehk maanduspinge avaldub valemiga

EEE RIU = ,

kus IE on maandusvool (maavool)

Ohutuse seisukohalt on oluline puutepinge. ligikaudselt loetakse, et

2E

PU

U ≅

Tegelik puutepinge ei tohi ületada standardis lubatud väärtust UTp

TpP UU ≤

Puutepinget saab vähendada mitmest elektroodist koosneva maanduri abil.

US

UP

U

IE

UE

1 m

1 m

Kõrgepingetehnika


Joonis 5.19 Kõrgepingevõrkudes lubatav puutepinge sõltuvus maavoolu kestusest (pikemalt kestva maavoolu korral UTP = 75 V)

Joonis 5.18 Puutepinge mitmest elektroodist koosneva maanduri korral

UP U

IE

UE

1 m

Kõrgepingetehnika


5.4 Liigpingepiirikud Liigpingepiirikud on seadmed, mis kaitsevad elektriseadmeid liigpinge-impulsside eest.

Tähtsamad liigpingepiirikud:

• sädemikud

• ventiillahendid

• metalloksiidpiirikud

5.4.1 Sädemikud

Joonis 5.19 Sädemikud kuni 200 kVA trafodel (a) ja keskpingel (b)

Sädemiku volt-sekund karakteristik peab olema madalam kui kaitstava isolatsiooni volt-sekund karakteristik.

Joonis 5.20 Sädemiku (1) ja kaitstava seadme (2) volt-sekund karakteristikud

a

d d

b

U

t

2

1

Uimp

Kõrgepingetehnika


Tabel 5.5 Sädemike parameetrid

Nimipinge kV Parameeter

3 6 10 20 35 110 220 330

Sädevahemiku pikkus d, mm 20 40 60 140 250 650 1350 1500

50 Hz lahenduspinge, kV 20 10 45 70 105 252 495 560

Impulsslahenduspinge, kV:

• positiivne

• negatiivne

33

34

51

53

66

68

121

134

195

220

466

510

735

817

945

1070

5.4.2 Ventiillahendid Koosnevad sädevahemikust ja sellega jadaühenduses olevast ebalineaarsest takistist

Joonis 5.21 Ventiillahendi takisti volt-amper karakteristik

Kui vool Ik läbib kaare kaudu takistit, tekib takistil nn jääkpinge Uj

Ventiillahendi läbilöögipinge Ull ja jääkpinge peavad olema ligikaudu 20…25 % madalamad kaitstava isolatsiooni lahenduspingest.

Impulssvoolu järel hakkab ventiillahendit läbima võrgusageduslik saatevool Is, mida põhjustab pingestatud elemendi talitluspinge.

Talitluspingel hakkab mittelineaarse takisti takistus kiiresti kasvama ja elektrikaar kustub.

U

Ik

I

Uj

Kõrgepingetehnika


Suurimat võrgusagedusliku pinge väärtust, mille juures ventiillahendi elektrikaar kindlasti kustub nimetatakse kustumispingeks Ukst ja vastavat voolu kustumisvooluks Ikst .

Joonis 5.22 Ventiillahendi ja tema volt-amper karakteristik

Mittelineaarne takisti koosneb kettakujulistest elementidest, mille sisuks elektrotehniline karborund SiC ja mis on kaetud õhukese kremniumdioksiidi SiO2 kihiga, mille eritakistus sõltub elektrivälja tugevusest ja muutub piirides 104…106 Ωm. Karborundi eritakistus on suhteliselt väike – 10-2 Ωm. Kettakeste sideainena kasutatakse vedelklaasi.

Ventiillahendit iselomustab nn. kaitsesuhe Kkaitse

kst

jkaitse

U

UK

2=

Ventiillahendi sädevahemik on mitmeosaline.

Lihtsaim sädevahemik koosneb kahest profileeritud valgevasest kettakujulisest elektroodist, mis on teineteisest eraldatud isolaatorrõngaga ja mille keskosade vahele on jäetud kuni millimeetrine sädevahemik. Sädevahemik moodustub kahe ringikujulise tasapinna vahele, kus tekib võrdlemisi ühtlane elektriväli.

Joonis 5.23 Ventiillahendi lihtsaaim sädevahemik

t

U

Ull

Uj

Kõrgepingetehnika


Lihtsamas sädevahemikus soodustab elektrikaare kustumist

• õhupilu kitsus

• ühtlane elektriväli

• külmad elektroodid

Kustumisvool Ikst = 80…100 A ja kaitsesuhe on Kkaitse = 2,6.

Magnetilise kaarekustutusega sädevahemikus hakkab tekkinud elektrikaar püsimagneti magnetvälja ja kaare voolu vastastikusel toimel kiiresti pöörlema mööda rõngakujulist kitsast õhupilu.

Joonis 5.24 Magnetilise kaarekustutusega sädevahemiku põhimõtteskeem

Kaare kustumist soodustavad:

• kaare liikumisest tingitud jahutus

• õhu kiirem segunemine pärast kaare kustumist

A

N

S

A

A - A

Kõrgepingetehnika


Kustumisvool võiks olla Ikst ≤ 1000 A, kuid nii suurt voolu ei talu takisti. Seepärast piiratakse kustumisvoolu 300 amprini.

Kustumisvoolu suurendamine võimaldab suurendada saatevoolu, mis omakorda võimaldab sama kustumispinge juures vähendada mittelineaarset takistust ja seega vähendada ka jääkpinget. Kokkuvõttes kaitsesuhe väheneb:

Kkaitse = 2,2

Kaare takistust suurendavates sädevahemikes tõmmatakse elektrikaar magnetvälja toimel kitsasse ja pikka õhupilusse, kus kaare takistus suureneb ja kustumistingimused on oluliselt paremad. Selle tagajärjel pingelang kaarel suureneb ja kaitsesuhe väheneb:

Kkaitse = 1,7.

Kui kaar kustub, rakendub sädevahemikule tavaline võrgupinge. Kaare taastekkimise vältimiseks on oluline selle pinge ühtlane jagunemine sädevahemike vahel. Selleks šunteeritakse sädevahemikud võrdsete suure takistusega takistitega.

5.4.3 Metalloksiidpiirikud Metalloksiidpiirikud koostatakse tavaliselt ZnO põhistest keraamilistest takistitest.

Metalloksiidpiirikute takistus on tunduvalt mittelineaarsem kui ventiillahenditel.

Suure mittelineaarsuse tõttu on metalloksiidpiiriku takistus talitluspingele väga suur. Normaaltalitlusel läbib metalloksiidpiirikut vool I < 1 mA.

Seetõttu puudub vajadus sädevahemike järele.

Joonis 5.25 Metalloksiidpiiriku välisvaade ja läbilõige

Kõrgepingetehnika


Metalloksiidpiirikutega piiratakse:

• faaside ja maa vahelist liigpinget

• faasidevahelist liigpinget

Joonis 5.26 Metalloksiidpiirikute võimalik lülitusskeem

Joonis 5.27 Metalloksiidpiiriku tüüpiline volt-amper karakteristik (võrdluseks on ventiillahendi takisti karakteristik punktiiris)

I

U

Uvälguimpulsi kaitsenivoo

Ukommutatsiooniimpulsi kaitsenivoo

Unorm

Utalitlus

0,00001 0,001 0,1 10 1000 100000 A

Kõrgepingetehnika


5.5 Liinide piksekaitse

Joonis 5.28 Liinide piksekaitsesüsteemi toimimisskeem

Otselöögid liini

Lähtutakse välgulöökide arvust aastas km2-le: n = 0,06…0,1 (lööki/km2 aastas)

Liini otsetabamisalaks loetakse liinialune maa laiusega kuni 7h, kus h on liini kõrgus meetrites.

Joonis 5.29 Liini otsetabamisala

Välk liini tsoonis

Välk liini lähedusse

Indutseeritud liigpinged

Isolatsioonile ohutud liigpinged

Kaar kustub

Edukas ATL

Otselöök liini

Juhtmesse Masti Trossi

Isolatsiooni ülelöök

Kaar ei kustu

Mitteedukas ATL

Liini väljalülitamine

h

7h

Kõrgepingetehnika


Otsetabamisala pindala:

3107 −⋅= LhS km2

Tabamuste arv:

( ) ( ) 43 107...4101,0...06,07 −− ⋅=⋅⋅= LhLhN tabamust aastas

Välguvoolu arvutus:

• liini lainetakistus ZL = 400…500 Ω

• välgukanali lainetakistus ZK = 200…300 Ω

• välgu pinge Kmm ZIU = , kus Im on välguvoolu väärtus, kui välk tabaks maa “nullpotentsiaali”

• välguvool, kui välk tabab liini (arvestades, et ZL ≅ 2ZK ):

22

2

2

m

KK

Km

LK

Km

IZ

Z

ZI

ZZ

ZII =

+≈

+=

Joonis 5.30 Voolude jagunemine välgu otselöögil liini

Pinge juhtmel (arvestades, et ZL ≅ 400):

mLm

j IZI

U 1004

≈=

Isolatsiooni ülelöök toimub,

kui min.impj UU ≥

ehk üle minnes vooludele: 100

min.impm

UI ≥ =I KN ,

kus vool IKN on vaadeldava liini kaitsenivoo

Teades tõenäosust pi, et KNm II ≥ , saab leida liini isolaatorite ülelöökide arvu aastas:

ZK

ZL ZL

4mI

4mI

2mI

Kõrgepingetehnika


ipNN =1

Kui liin on piksekaitsetrossiga, siis enamus välgulööke tabab trossi ja faasiisolaatorite ülelööki ei toimu. Trossiga liini isolaatorite ülelöökide arv avaldub valemiga:

LMppNN i=2 ,

kus pLM on nn. läbimurdetõenäosus (tõenäosus, et välk lööb piksetrossist mööda otse faasijuhtmesse):

490

lg −=h

pLM

α,

kus: α on liini konstruktsioonist sõltuv tegur

h on liini kõrgus.

Kuid mitte iga isolaatorite ülelöök ei põhjusta püsivat kaart ja liini välja-lülitamist:

ηLMppNN iVL =

kus η on püsiva kaare tekkimise tõenäosus:

• teras- ja raudbetoonmastidega liinidel

o kuni 220 kV: η = 0,7

o 330 kV ja üle: η = 1,0

• puitmastidega liinidel: ( ) 21045,1 −−= kEη , kus (Ek, kV/m)

Kui liinil on ATL, siis

( )βη −= 1LMppNN iVL ,

kus: β on taaslülituste edukus: β = 0,8…0,9 (ainult ebaedukas taaslülitus põhjustab liini väljalülitamist: (1 – β ) ).

Lisaks tuleks arvestada ka ülelöögivõimalusega mastist juhtmesse:

( )βη −

+= 1

2

1MLM iiVL pppNN ,

kus: piM on sellise voolu esinemise tõenäosus, mis põhjustab ülelöögi mastist faasijuhtmesse.

Kõrgepingetehnika


Tegur 2

1 tuleneb sellest, et umbes pooled välgulöökidest tabavad trossi

visangusse ja pooled masti. Trossi visangusse tabanud välgulöök reeglina mastist faasijuhtmesse ülelööki ei põhjusta.

Välgu löök masti

Masti tipu potentsiaal:

( )dt

diLRtiU M

MMMM +=

hLL MM 0= :

5,00 =ML µH/m, portaalmast

6,00 =ML µH/m, tornmast

Lihtsustatult:

isolMisol UUU %50>=

hRiU MMisol δ+= ,

kus: δ = 0,15 kaks trossi

kus: δ = 0,3 üks tross

Joonis 5.30 Voolude jagunemine välgu otselöögil masti

iM

iM

iT

iT

im

RM

LM

Kõrgepingetehnika


Indutseeritud liigpinged

Joonis 5.31 Välgulöök liini lähedusse

Liidri negatiivne laeng indutseerib liini positiivse laengu.

Pealahenduse tekkimisel liidri laeng neutraliseerub ja liini kogunenud positiivne laeng vabaneb, tekitades pingeimpulsi.

Liini juhtmes indutseeritud pinge:

mindj Il

hU 30≈ ,

kus: h on liini keskmine kõrgus.

Liini isolaatorite ülelöögi-impulsspingete näiteid:

35 kV Uimp = 350 kV

110 kV Uimp = 700 kV

l l h

Kõrgepingetehnika


Joonis 5.32 Indutseeritud pingete integraalne jaotus, kui liini keskmine kõrgus h = 10 m

Kokkuvõtlik näide

Joonis 5.33 Välgulöökidest põhjustatud liini väljalülitamiste arv 100 km kohta 30 äikesetunni korral aastas sõltuvalt masti kõrgusest h ja

maandustakistusest RM (impulsstakistus).

Uj ind

Liini lähedaste välgulöökide arv 100 km kohta aastas

0,01 0,1 1 10 0

400

800

kV

RM

NVL 5

4

3

2

1

0 20 40 60 Ω

1

2

3

1

h =29,5 m

110 kV

2

h =41,4 m

330 kV

3

h =29,5 m

330 kV

Kõrgepingetehnika


5.6 Alajaamade piksekaitse Kaitse välgu otslöögi eest

Alajaamad on kaitstud välgu otselöökide eest mastidele, katustele ja portaalidele paigaldatud piksevarrastega.

Hoonete mittemetallist katuseid kaitstakse võrguga, mille samm on 5 m.

Maandusjuhtidena kasutatakse mastide ja portaalide metallkonstruktsioone.

Maanduritena kasutatakse vertikaalelektroodidega võrkmaandurit

Maandatakse kõik metallkonstruktsioonid ja seadmete kered

Alajaama maandustakistus peab olema piisavalt väike (üldiselt mitte rohkem kui 10 Ω, 110 kV alajaamal näiteks mitte üle 0,5 Ω).

Siiski on sellisel suhteliselt pikal maandussüsteemil välguvoolule märkimisväärne impulsstakistus, mis tekitab välgu otselöögil suhteliselt kõrgeid pingeid metallkonstruktsioonides (110 kV alajamas 60 kA ja 30 kA/µs välguvoolu korral kõrgusel 15 m on tekkiv liigpinge 780 kV, mille korral 110 kV isolaatorid löövad üle, kuid mida 220 kV isolaatorid taluvad.)

Impulsstakistuse vähendamiseks paigaldatakse täiendavad vertikaalsed maandurid maandusjuhtide ja maandurite ühenduskohtadesse.

Halva juhtivusega pinnase korral on soovitatav kasutada välgupüüdurite maandamiseks eraldi maandussüsteemi.

Kaitse liigpingelainete vastu

Liinidest alajaama tulevate liigpingelainete vastu kaitstakse alajaama ventiillahendite ja liigpingepiirikutega.

Joonis 5.34 Kaitse liinilt tulevate liigpingelainete vastu

U

t

Isol.

Kaitse

Uj

( )MKKj RRIU +=

IK RK

RM

Kõrgepingetehnika


Liigpingelained võivad olla :

• täislained, kui Um<U imp.lah

• lõigatud lained, kui Um>U imp.lah

Lõigatud lainete esinemistõenäosus on kuni 330 kV liinidel umbes 90%, kõrgematel pingetel 50%.

Eriti järsu tõusuga laineid põhjustavad masti või trossi tabavad välgud, kui sellele järgneb isolaatorite ülelöök faasijuhtmesse.

Välgulöögist liini lähedusse võivad põhjustada isolaatorite ülelööki kuni 35 kV liinidel ja põhjustada faasijuhtmetes nn. indutseeritud pingelaineid.

Liinis leviv laine deformeerub ja sumbub:

• impulsskoroona

• maa takistus (impulssvool sulgub läbi maa)

Koroonakadu saab oma energia eeskätt laine frondist, mistõttu front pikeneb ja järskus väheneb.

Frondi pikenemine ühel liinikilomeetril:

Kh

UT m 1008,0

5,0

+=∆ , µs/km

kus: Um on pingeimpulsi amplituud, kV

h on liinijuhtmete keskmine kõrgus, m

K on lõhestustegur: K=1; 1.1; 1,45; ja 1,55 , kui lõhisfaasi juhtide arv on vastavalt 1,2,3,4 ja enam

Lühiskese impulsi (lõigatud) korral väheneb ka impulsi amplituud.

Impulsi amplituud väheneb peamiselt maa kaudu sulguva impulssvoolu maakadude arvelt:

xmx eUU α−= , kV

kus: Um on pingeimpulsi amplituud välgu tabamispunktis, kV

α = 0,07 km – 0,5 110 kV ja kõrgema pingega liinidel

x on kaugus välgu tabamispunktist

Kõrgepingetehnika


Kui pingelaine jõuab alajaama, tekivad alajaama seadmete ühenduskohtades pingelaine peegeldused. Peegelduste intensiivsus ja amplituud sõltub oluliselt pingelaine frondi järskusest. Peegelduste tulemusena rakendub alajaama seadmete isolatsioonile suurem pinge kui piiriku ühenduspunktist alajaama liikuv pinge. Pinge suurus sõltub otseselt ka piiriku ja seadme vahelisest kaugusest.

Joonis 5.35 Trafo pinge

L on ühendusjuhtmete induktiivsus jooksva meetri kohta (H/m)

2...1=∆∆

t

iL kV/m

t

u

∆∆

on pingelaine tõusukiirus (laine frondil)

v on liigpingelaine levimiskiirus: v = 300 m/µs (= c = 300 000 km/s)

Trafo isolatsioonile rakenduva impulsspinge amplituud:

21 UUUU jmTr ∆+∆+=

Seega peaksid pingepiirikud paiknema kaitstavatele seadmetele võimalikult lähedal.

Tegelik suurim pinge trafol mTrU

IK RK

RM

d1

d2

D

Jääkpinge piirikul

Pinge piiriku ühenduspunktis

U

t

u

v

DU

∆∆⋅=∆

22

( )t

iLddU∆∆

+=∆ 211

( )MKKj RRIU +=

Kõrgepingetehnika


Liigpingepiirik tuleb paigutada trafole nii lähedale kui võimalik, soovitavalt lüliti ja trafo vahele. Liigpingepiirik tuleb ühendada alajaama maandus-kontuuri võimalikult lühikest teed pidi. Trafo maandus ühendatakse samasse maanduspunkti kuhu piirik. Kui võimalik, tuleb sellesse maanduspunkti ühendada ka talitlusmaandus.

Trafo Y-mähise maandamata neutraali tuleb kaitsta liigpingepiirikuga.

Kui ühenduskaabli pikkus on alla 30 m, tuleb liigpingepiirik paigaldada kaabli trafopoolsesse otsa.

Kui trafo on õhuliiniga ühendatud kaabli kaudu, tuleb kaabli kest maan-dada liigpingepiiriku maanduspunkti võimalikult lühikese juhtmega.

Kui kaabli trafopoolsesse otsa ei saa liigpingepiirikut paigaldada, tuleb õhuliini kaitsta välgulöökide eest piksetrossiga võimalikult kindlalt.

Joonis 5.37 Liigpingepiirikute paigaldusjuhised

Kõrgepingetehnika


Joonis 5.38 Liigpingepiirikute kasutamisvõimalusi

kp_loeng4

Documents