4.3.1
Distribuční sítě vysokého napětí 02: Sítě s izolovaným uzlem
Doc. Ing. Petr Toman, Ph.D. a kolektiv autorů
V případě provozu sítí izolovaných není nulový bod transformátoru spojen se zemnící soustavou, je od ní izolován (Obr. 3.1a v kapitole Distribuční sítě vysokého napětí 01: Úvod). Tento systém uzemnění je nejčastěji provozován zejména u malých (průmyslových) distribučních sítí, kde hodnota celkového kapacitního proudu nepřesahuje hodnotu 20 A. Tento kapacitní zemní proud je dán fázorovým součtem kapacitních proudů převážně nepostižených fází celé sítě, uzavírajících se přes místo zemního spojení, a je úměrný velikosti takto provozované sítě. Pokud však díky velké rozloze sítě dojde k překročení hodnoty 20 A kapacitního proudu, je nezbytné provést jeho kompenzaci.
Pro provoz soustavy izolované uvažujme hodnotu obecné impedance ZN → ∞ Pak pro velikost netočivé složky impedance Z(0) lze psát Z(0)i = ZC + Z(0)V. Pokud je uvažován rozsah sítě s kapacitním proudem řádově jednotky ampérů, lze zanedbat podélnou impedanci vedení, čímž se celková netočivá impedance soustavy zjednoduší na tvar (3.14):
To znamená, že napěťové poměry a velikost proudu nezávisí na tom, ve kterém místě sítě k poruše dojde. Dosazením vztahu (3.14) do rovnice (3.12) pro nulový odpor poruchy, tedy pro případ vzniku kovového zemního spojení a při zanedbání sousledné a zpětné impedance, je možné určit velikost proudu místem zemního spojení, který představuje kapacitní proud zemního spojení (3.15):
případně po vyjádření jmenovitého napětí soustavy (3.16):
Protože poruchový proud má kapacitní charakter, je jeho zhášení obtížné a provázené znovu-zápaly. Takto vzniklé přechodné děje vyvolávají v síti přepětí. Z uvedených důvodů je používání izolovaného uzlu omezeno na malé sítě. Rovněž hledisko bezpečnosti spojené s výskytem velkých krokových napětí, která vznikají při průchodu proudů zemí, je nutné brát v úvahu. V normách pro provoz vn sítí se připouští mezní rozsah kapacitního proudu 20 A, přičemž od hodnoty 10 A se již doporučuje kompenzace zemních proudů.
Na Obr. 3.6 je uveden fázorový diagram sestavený na základě simulace jednopólové zemní poruchy v izolované soustavě 6 kV pro případ kovového zemního spojení, tedy pro případ nulového odporu poruchy RP = 0. Jelikož svodové (konduktanční) proudy dosahují u běžně provozovaných sítí hodnoty do 10 % proudu kapacitního, nemají zásadní vliv na provoz izolované soustavy. Dominantní složkou proudu uzavírajícího se přes příčné admitance vedení jsou kapacitní proudy, jak vyplývá také z Obr. 3.6.
Obr. 3.6: Fázorový diagram napětí a proudů v případě vzniku kovového zemního spojení v izolované soustavě
Za předpokladu ideálního kovového zemního spojení s RP = 0 Ω lze tedy konstatovat:
-
napětí zdravých fází proti zemi vzrostou na sdruženou hodnotu napětí sítě (viz rovnice (3.11) a Obr. 3.6),
-
napětí postižené fáze klesne na nulu (rovnice (3.11) a Obr. 3.6),
-
napětí uzlu vzroste na fázovou hodnotu napětí sítě (3.13),
-
poruchový proud je kapacitního charakteru a jeho velikost odpovídá rozsahu sítě – úroveň poruchového proudu nezávisí na místě poruchy (3.15).
Příklad průběhu okamžitých hodnot fázových napětí v místě poruchy při vzniku kovového zemního spojení je uveden na Obr. 3.7.
Obr. 3.7: Průběh okamžitých hodnot napětí v okamžiku vzniku kovového zemního spojení v izolované síti 6 kV
Výskyt kovového zemního spojení je z hlediska četnosti ojedinělým případem. Převážná většina jednopólových poruch má charakter odporového zemního spojení s časovou změnou odporu poruchy; jedná se o oblouková zemní spojení. Velikost hodnoty odporu poruchy má výrazný vliv na charakter přechodných dějů analyzovaných veličin. Jde především o přepětí, strmost změny napětí a rázovou složku proudu (vybíjecí proud) místem zemního spojení. Výrazně však ovlivňuje také ustálenou hodnotu napětí a proud místem zemního spojení.
Vliv hodnoty odporu poruchy na ustálené hodnoty napětí v místě nesymetrie a proudu místem zemního spojení byl určen s využitím výsledků realizovaného experimentu zemního spojení v izolované soustavě 6kV blokové vlastní spotřeby elektrárny Chvaletice. V rámci experimentu byla provedena simulace kovového a odporového (800 1600, 4500 Ω) zemního spojení v elektrárně Chvaletice. Výsledný fázorový diagram sledovaných veličin je zobrazen na Obr. 3.8.
Obr. 3.8: Fázorový diagram napětí při změně odporu poruchy
Z Obr. 3.8 je zřejmé "vysunutí" nulového bodu systému při změně odporu poruchy zemního spojení. V okamžiku kovového zemního spojení pro RP = 0 Ω je fázor napětí v uzlu systému roven fázovému napětí. Trajektorie pohybu fázoru napětí v uzlu systému opisuje Thaletovu kružnici s průsečíky v nulovém bodě systému a koncovém bodu fázoru napětí fáze bez poruchy. Plnou čarou je znázorněn stav kovového zemního spojení. S využitím výpočtu trajektorie Thaletovy kružnice a extrapolací změny poruchového proudu při změně odporu poruchy zemního spojení je možno získat mezní hodnoty poruchového odporu RPMEZ. V okamžiku vzniku zemního spojení s odporem poruchy RPMEZ se systém jeví jako bez poruchy. Místem zemního spojení protéká jen minimální poruchový proud, napětí v nulovém bodě (v uzlu) systému se blíží k nulové hodnotě.
Při maximálním zjednodušení můžeme na základě výše uvedených vztahů psát při ZS ve fázi A pro jednotlivá napětí tyto závislosti na odporu poruchy (3.17):
Závislost efektivní ustálené hodnoty poruchového proudu a napětí v nulovém bodě systému v místě nesymetrie na změně odporu poruchy je znázorněna na Obr. 3.9. Extrapolací je určena hodnota mezního odporu poruchy 8700 Ω.
Obr. 3.9: Průběh závislosti poruchového proudu (zelená) a napětí uzlu soustavy (červená) na odporu poruchy
Příklad relace mezi okamžitými hodnotami napětí systému a proudu místem zemního spojení je pro odpor poruchy 4500 Ω uveden na Obr. 3.10, kde fázová napětí před vznikem poruchy jsou označena jako Ū1[0], Ū2[0], Ū3[0] a napětí během zemního spojení jsou označena Ū1, Ū2, Ū3.
Obr. 3.10: Průběh okamžitých hodnot fázových napětí a proudu místem zemního spojení v…
