Streszczenie: Niewłaściwe zabezpieczanie urządzeń elektrycznych może prowadzić do skrócenia żywotności lub ich zniszczenia oraz do wystąpienia poważnych awarii. Szczególnie dotyczy to przypadków, gdzie dotychczasowe urządzenia zostają zastępowane przez nowe urządzenia o rozszerzonej funkcjonalności – na przykład dławiki kompensacyjne z uzwojeniem potrzeb własnych. Na podstawie przypadków, w których nieprawidłowy dobór zabezpieczeń doprowadził do poważnych konsekwencji artykuł opisuje aspekty jakie należy wziąć pod uwagę, aby zapewnić długą i niezawodną eksploatację oraz przekazuje wytyczne do poprawnego zabezpieczania takich urządzeń.

Abstract: Insufficient or inadequate protection of electrical devices can lead to their lifespan decrease, destruction or to occurrence of serious malfunction. It concerns especially situations where the existing devices are being replaced by new ones having increased functionality, for example shunt reactors with self-needs winding. Upon cases where the improper protection led to serious damages, the paper deals with some aspects which have to be taken into consideration to secure the reliable operation and gives the guidelines for proper protection.

Słowa kluczowe: transformatory, dławiki,  układy zabezpieczeń

Keywords: transformers, reactors, protection devices

1. Wstęp

W ostatnich latach pojawia się w sieciach elektrycznych średnich napięć coraz więcej dławików kompensacyjnych. Związane to jest z tendencją zamiany linii napowietrznych średnich napięć liniami kablowymi. Linie kablowe charakteryzują się znacznie większymi pojemnościami międzyfazowymi i doziemnymi niż linie napowietrzne, a to z kolei powoduje zapotrzebowanie na dużo wyższą moc bierną pojemnościową. Z uwagi na fakt, że płynący prąd pojemnościowy przez transformator zasilający sieć powoduje wzrost napięcia, czasem powyżej wartości dopuszczalnych, to opłaty taryfowe za pobór energii pojemnościowej są znacznie wyższe, niż za pobór energii czynnej, co sprawia, że zakup odpowiedniego dławika ma swoje uzasadnienie ekonomiczne. Jednak dla prawidłowej pracy dławik musi być odpowiednio zasilony i zabezpieczony. Inspiracją do napisania artykułu były informacje od użytkowników dławików, gdzie doszło do awarii w rozdzielniach zasilających dławiki (Fot.1). Niejednokrotnie po takiej awarii dławik pozostawał sprawny elektrycznie. Było to przesłanką, by dokładnie przyjrzeć się w jaki sposób te konkretne dławiki były zasilane i zabezpieczane.

Fot.1. Ślady działania wysokich temperatur w polu zasilającym dławik

Pozwoliło to określić, jakie czynniki należy wziąć pod uwagę projektując układy zasilania dławików oraz w jaki sposób odpowiednio i prawidłowo je chronić. Kolejne rozdziały poruszać będą różne aspekty związane z zabezpieczeniami dławików

Przepięcia pojawiające się na zaciskach dławika są jednym z czynników mogących doprowadzić do awarii dławika. Dławiki instalowane na zewnątrz są narażone na występowanie udarów piorunowych pochodzenia atmosferycznego. Nie jest to jednak jedyne zagrożenie. Znacznie częściej do przepięć dochodzi w trakcie prowadzenia czynności łączeniowych w obwodach zawierających dławiki.  Z uwagi na wysoką indukcyjność procesowi wyłączania dławika towarzyszy powstawanie silnych przepięć zgodnie z zależnością (1).

Jest to zjawisko niebezpieczne, szczególnie w przypadku bardzo szybkich i częstych procesów łączeniowych realizowanych przez wyłączniki próżniowe. Prowadzić one mogą do przebicia izolacji międzyzwojowej lub między-warstwowej dławika. Standardowo izolacja dławika jest projektowana zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 60076-3 „Transformatory. Poziomy izolacji, próby wytrzymałości elektrycznej i zewnętrzne odstępy izolacyjne w powietrzu” [1] dotyczącej prób napięciowych z uwzględnieniem poziomu napięcia znamionowego i związanych z tą wartością poziomów napięć probierczych. Dlatego też w sytuacjach powodujących możliwość generowania narażeń większych niż określone napięcia probiercze dławiki powinny być zabezpieczane ogranicznikami przepięć, zwłaszcza zaś te, które podlegają częstym procesom załączania i wyłączania. O ile w przypadku udarów pochodzenia atmosferycznego istotne jest, by pomiędzy miejscem uderzenia pioruna a zaciskami dławika w dowolnym miejscu występował ogranicznik, o tyle w przypadku przepięć łączeniowych, które w naturalny sposób mogą generować się wewnątrz dławika istotne jest, by ograniczniki były zainstalowane jak najbliżej zacisków dławika.

Obecnie najczęściej instalowane są ograniczniki przepięć zbudowane z elementu nieliniowego na bazie warystora z tlenku cynku ZnO. Charakteryzują się one brakiem prądu następczego, odpowiednią szybkością zadziałania i precyzją nastawy napięcia zapłonu. Do ich wad należy stosunkowo duży prąd upływu i duża pojemność. Ważne jest by zainstalowane ograniczniki przepięć posiadały odpowiednio dobrane parametry. Do najistotniejszych parametrów należy napięcie trwałej pracy ogranicznika U_c oraz napięcie obniżone U_o pojawiające się na ograniczniku przy przepływie prądu związanego z udarem. Należy zwrócić uwagę, że wartości napięć obniżonych są znacznie większe od napięcia trwałej pracy (około czterokrotnie), stąd zastosowanie ograniczników o zbyt wysokim napięciu pracy trwałej U_c nie będzie chroniło urządzenia w sposób odpowiedni.  Dobór parametrów uzależniony jest od sposobu połączenia punktu neutralnego uzwojenia chronionego. Z punktu widzenia ochrony przed przepięciami łączeniowymi najbardziej korzystny sposób podłączenia ograniczników to połączenie ich w trójkąt do poszczególnych zacisków liniowych dławika. Wówczas ich parametry powinny być dobrane zgodnie z roboczymi napięciami miedzyprzewodowymi. Zalecany przez producentów ograniczników sposób połączenia w gwiazdę przy doborze parametrów na napięcie miedzyprzewodowe nie będzie chroniło dławika przed przepięciami łączeniowymi w sposób odpowiedni. Z punktu widzenia ochrony dławika połączenie w gwiazdę może być zastosowane, jeśli punkt gwiazdowy dławika jest uziemiony, co jest raczej rzadkim rozwiązaniem, a parametry ograniczników są dobrane zgodnie z napięciami fazowymi.

W przypadku zastosowania ograniczników przepięć nie bez znaczenia jest też fakt, że ograniczniki przepięć pozwalają także sprawniej wyłączyć dławik przez bezpiecznik. Powstający impuls napięcia podtrzymujący palenie łuku zostaje rozładowany przez ogranicznik przepięć i tym samym skraca czas wyłączania.

Ważnym aspektem mającym wpływ na pracę dławika jest zmienność napięcia zasilania. O ile w transformatorze wzrost napięcia jedynie minimalnie wpływa na wydzielane w nim straty, o tyle w dławiku zjawisko to jest nie do pominięcia, co szerzej opisano w [2], a w przybliżeniu zależy od kwadratu zmienności napięcia.

∆P ~ ∆U²                         (2)

Spotykane są lokalizacje dławików, gdzie możliwy wzrost napięcia sięga 20%. Jeśli taki fakt jest znany, to konieczne jest poinformowanie producenta, by dostarczył dławik dobrany na takie warunki pracy. W takim też przypadku zabezpieczenia powinny być dostosowane do maksymalnego dopuszczalnego długotrwale napięcia i w konsekwencji prądu dławika. Ponadto, jeżeli napięcie dławika wzrasta powyżej wartości dopuszczalnej długotrwale, co równoznaczne jest z wydzielaniem wyższych strat i tym samym stwarza ryzyko jego przegrzania, zabezpieczenie nadnapięciowe lub przeciążeniowe powinno skutecznie taki dławik odłączyć. Taką funkcję w ostateczności może spełniać termometr z kontaktami zainstalowany w kieszeni dławika, pobudzający cewkę wyzwalającą rozłącznika.

[1] PN-EN 60076-3 „Transformatory. Poziomy izolacji, próby wytrzymałości elektrycznej i zewnętrzne odstępy izolacyjne w powietrzu”, PKN, 02 2014.

[2] J. Dziura: “Właściwe określenie warunków pracy urządzeń elektrycznych kluczowym czynnikiem ich niezawodnej eksploatacji”, , Maszyny Elektryczne, Zeszyty Problemowe, INiME Komel, 2018

Autorzy

dr inż. Jacek Dziura – Dyrektor do spraw badań i rozwoju firmy TRAFTA Sp.z o.o. Myszków, ul.1.Maja 152.