Introduction to Electrical Faults

Elektrische netwerken, machines en apparatuur worden tijdens het gebruik vaak blootgesteld aan verschillende soorten storingen. Wanneer zich een storing voordoet, kunnen de karakteristieke waarden (zoals impedantie) van de machines veranderen van bestaande waarden in andere waarden totdat de storing is verholpen.

Er kunnen veel storingen optreden in het elektriciteitsnet, waaronder verlichting, wind, bomen die op leidingen vallen, defecte apparatuur, enz.

Elektrische storingen

Een storing in een elektrisch systeem kan worden gedefinieerd als , elke abnormale toestand van het systeem waarbij de apparatuur, zoals , transformatoren, generatoren, stroomrails, enz. elektrisch uitvalt.

Bij het optreden van een storing gaat het ook om isolatiefouten en storingen in de geleiderbanen, met als gevolg kortsluiting en open circuit van geleiders.

Onder normale of veilige bedrijfsomstandigheden werken de elektrische apparaten in een elektriciteitsnet met een normale spanning en stroomsterkte. Zodra de fout in een circuit of apparaat optreedt, wijken de spannings- en stroomwaarden af van hun nominale bereiken.

De fouten in het stroomvoorzieningssysteem veroorzaken overstroom, onderspanning, onbalans van de fasen, omgekeerde stroom en hoge spanningspieken. Dit resulteert in de onderbreking van de normale werking van het netwerk, uitval van apparatuur, elektrische branden, enz.

Normaal gesproken worden elektriciteitsnetten beschermd met schakelapparatuur zoals stroomonderbrekers en relais om het verlies van service als gevolg van de elektrische storingen te beperken.

Soorten storingen

Elektrische storingen in driefasige elektriciteitsnetten worden hoofdzakelijk ingedeeld in twee soorten, namelijk open en kortsluitfouten. Verder kunnen deze storingen symmetrisch of onsymmetrisch zijn. Laten we deze storingen in detail bespreken.

Open-circuitfouten

Deze storingen ontstaan door het falen van een of meer geleiders. De onderstaande figuur illustreert de open circuit fouten voor enkele, twee en drie fasen (of geleiders) open toestand.

De meest voorkomende oorzaken van deze fouten zijn gezamenlijke storingen van kabels en bovengrondse leidingen, en het falen van een of meer fasen van stroomonderbreker en ook als gevolg van het smelten van een zekering of geleider in een of meer fasen.

Open circuit fouten worden ook wel serie fouten genoemd. Dit zijn onsymmetrische of onevenwichtige storingen, met uitzondering van driefasige open storingen.

Bedenk dat een transmissielijn werkt met een evenwichtige belasting voordat een open circuitfout optreedt. Als een van de fasen gesmolten raakt, wordt de feitelijke belasting van de alternator verminderd en dit veroorzaakt een verhoging van de versnelling van de alternator, waardoor deze op een snelheid draait die iets hoger is dan de synchrone snelheid. Deze oversnelheid veroorzaakt overspanningen in andere transmissielijnen.

Dus kunnen enkele en twee fase open condities de onbalans van de spanningen en stromen van het energiesysteem produceren die grote schade aan de apparatuur veroorzaken.

Oorzaken

Gescheurde geleider en slecht functioneren van de stroomonderbreker in een of meer fasen.

Gevolgen

• Normale werking van het systeem
• Gevaar voor zowel personeel als dieren
• Overschrijden van de spanningen boven de normale waarden in bepaalde delen van het netwerk, wat verder leidt tot isolatiefouten en het ontstaan van kortsluitingsfouten.

Hoewel open-circuit fouten langer getolereerd kunnen worden dan kort-circuit fouten, moeten deze zo vroeg mogelijk worden opgeheven om de grotere schade te beperken.

Kortsluitfouten

Een kortsluiting kan worden gedefinieerd als een abnormale verbinding van zeer lage impedantie tussen twee punten met verschillende potentiëlen, ongeacht of deze opzettelijk of per ongeluk tot stand is gebracht.

Dit zijn de meest voorkomende en ernstigste soort fouten, die resulteren in de stroom van abnormaal hoge stromen door de apparatuur of transmissielijnen. Als deze storingen zelfs maar even aanhouden, leidt dit tot grote schade aan de apparatuur.

Kortsluitingsfouten worden ook wel shuntfouten genoemd. Deze fouten worden veroorzaakt door de isolatiefout tussen fasegeleiders of tussen aarde en fasegeleiders of beide.

De verschillende mogelijke kortsluitingsfouten omvatten drie fasen naar aarde, drie fasen vrij van aarde, fase naar fase, één fase naar aarde, twee fasen naar aarde en fase naar fase plus één fase naar aarde zoals getoond in figuur.

De drie fasen fout vrij van aarde en drie fasen fout naar aarde zijn evenwichtige of symmetrische kortsluitingsfouten terwijl andere resterende fouten onsymmetrische fouten zijn.

Oorzaken

Deze kunnen het gevolg zijn van interne of externe effecten

• Interne effecten zijn onder meer defecten in transmissielijnen of apparatuur, veroudering van de isolatie, verslechtering van de isolatie in generator, transformator en andere elektrische apparatuur, onjuiste installaties en inadequaat ontwerp.
• Externe effecten zijn onder meer overbelasting van apparatuur, defecten in de isolatie als gevolg van lichtpieken en mechanische schade door het publiek.

Gevolgen

• Warmtefouten kunnen leiden tot brand en explosie in apparatuur zoals transformatoren en stroomonderbrekers.
• Normale stromen veroorzaken dat de apparatuur oververhit raakt, wat verder leidt tot vermindering van de levensduur van hun isolatie.
• De bedrijfsspanningen van het systeem kunnen onder of boven hun acceptatiewaarden komen die een schadelijk effect hebben op de service die door het energiesysteem wordt geleverd.
• De stroom wordt ernstig beperkt of zelfs volledig geblokkeerd zolang de kortsluitfout voortduurt.

Symmetrische en onsymmetrische storingen

Zoals hierboven besproken worden storingen hoofdzakelijk ingedeeld in open en kortsluitfouten en ook deze kunnen symmetrische of onsymmetrische storingen zijn.

Symmetrische storingen

Een symmetrische storing geeft aanleiding tot symmetrische foutstromen die met 1200 van elkaar verschoven zijn. Een symmetrische fout wordt ook wel een gebalanceerde fout genoemd. Deze storing treedt op wanneer alle drie fasen gelijktijdig worden kortgesloten.

Deze storingen komen in de praktijk zelden voor in vergelijking met onsymmetrische storingen. Twee soorten symmetrische fouten zijn lijn-lijn-tot-lijn (L-L-L) en lijn-lijn-tot-lijn-massa (L-L-L-G), zoals weergegeven in de onderstaande figuur.

Het voorkomen van symmetrische fouten ligt ruwweg tussen de 2 en 5% van het totale aantal systeemfouten. Als deze fouten echter optreden, veroorzaken zij zeer ernstige schade aan de apparatuur, ook al blijft het systeem in evenwicht.

De analyse van deze fouten is nodig voor het selecteren van de breekcapaciteit van de stroomonderbrekers, het kiezen van set-fase relais en andere beschermende schakelinrichtingen. Deze storingen worden per fase geanalyseerd met behulp van een busimpedantiematrix of de stelling van Thevenins.

Unsymmetrische storingen

De meest voorkomende storingen in het elektriciteitsnet zijn unsymmetrische storingen. Dit soort storingen geeft aanleiding tot onsymmetrische foutstromen (met verschillende magnitudes en ongelijke faseverplaatsing). Deze storingen worden ook wel onevenwichtige storingen genoemd, omdat zij onevenwichtige stromen in het systeem veroorzaken.

Op grond van de bovenstaande bespreking omvatten onsymmetrische storingen zowel open-kringsfouten (enkele en tweefasige open toestand) als kortsluitingsfouten (met uitzondering van L-L-L-G en L-L-L).

De onderstaande figuur toont de drie soorten symmetrische fouten die optreden als gevolg van de kortsluiting, namelijk fase- of lijn-naar-aarde-fout (L-G), fase-naar-fase-fout (L-L) en dubbele lijn-naar-aarde-fout (L-L-G).

Een enkele lijn-naar-aarde-fout (LG-fout) is een van de meest voorkomende fouten en de ervaring leert dat 70-80% van de fouten die zich in het elektriciteitssysteem voordoen, van dit type is. Hierbij ontstaat een kortsluiting tussen de leiding en de aarde. In vergelijking met andere storingen zijn dit minder ernstige storingen.

Een lijn-tot-lijn storing treedt op wanneer een stroomvoerende geleider in contact komt met een andere stroomvoerende geleider. Zware wind is de belangrijkste oorzaak voor deze fout, waarbij slingerende bovenleidingen elkaar kunnen raken. Dit zijn minder ernstige storingen en de frequentie ligt tussen 15-20%.

Bij dubbele lijn-aardefouten komen twee leidingen met elkaar en met de aarde in contact. Dit zijn ernstige storingen en het voorkomen van deze storingen is ongeveer 10% van het totale aantal systeemfouten.

Unsymmetrische storingen worden geanalyseerd met behulp van methoden van onsymmetrische componenten om de spanning en de stromen in alle delen van het systeem te bepalen. De analyse van deze storingen is moeilijker in vergelijking met symmetrische storingen.

Deze analyse is nodig voor het bepalen van de grootte van een stroomonderbreker voor de grootste kortsluitstroom. De grootste stroom treedt gewoonlijk op bij een L-G of L-L fout.

Beveiligingsinrichtingen tegen storingen

Wanneer de storing in een deel van het systeem optreedt, moet deze in zeer korte tijd worden verholpen om grotere schade aan apparatuur en personeel te voorkomen en ook om onderbreking van de stroomvoorziening aan de afnemers te voorkomen.

Het systeem voor het opheffen van storingen maakt gebruik van verschillende beveiligingsapparaten zoals relais en stroomonderbrekers om de storing op te sporen en op te heffen.
Enkele van deze voorzieningen voor het opheffen of beperken van storingen worden hieronder gegeven.

Zekering

Het opent het circuit wanneer er een storing in het systeem optreedt. Zij bestaat uit een dunne koperdraad, gevat in een glazen of een omhulsel met twee metalen contacten. De hoge foutstroom verhoogt de temperatuur van de draad en doet deze smelten. Een zekering vereist de handmatige vervanging van de draad telkens wanneer deze doorbrandt.

zekering

Stroomonderbreker

Het is de meest voorkomende beveiligingsinrichting die het circuit kan maken of verbreken, hetzij handmatig of via afstandsbediening onder normale bedrijfsomstandigheden.

Er zijn verschillende soorten stroomonderbrekers beschikbaar, afhankelijk van de bedrijfsspanning, waaronder luchtrem-, olie-, vacuüm- en SF6- stroomonderbrekers. Voor meer informatie over stroomonderbrekers, volg de bijgevoegde link.

Lees :Verschillende soorten stroomonderbrekers

Beveiligingsrelais

Dit zijn de apparaten die fouten detecteren. Deze apparaten detecteren de fout en starten de werking van de stroomonderbreker om het defecte circuit te isoleren. Een relais bestaat uit een magnetische spoel en contacten (NC en NO). De foutstroom bekrachtigt de spoel en dit veroorzaakt de productie van het veld, waardoor de contacten in werking worden gesteld.

Enkele soorten beveiligingsrelais zijn

• Magnituderelais
• Impedantierelais
• Dirigatierelais
• Pilotrelais
• Differentiële relais

Lees :Classificatie van relais

Bliksemafleider

Spanningen in het stroomnet ontstaan wanneer de bliksem inslaat op transmissielijnen en apparatuur. Dit veroorzaakt hoge spanningen en stromen in het systeem. Deze blikseminslagen worden verminderd door het plaatsen van bliksemafleiders bij transmissieapparatuur.

Image Contributors:

1)Electrical Faults: forschung-stromnetze.info

2) Zekering: hayley-group.co.uk

3)Stroomonderbreker: oez.com

4)Relais: epub1.rockwellautomation.com