Introduction to Electrical Faults

Electrical networks, machines and equipments are often subjected to various types of faults while they are in operation. Kiedy pojawia się usterka, wartości charakterystyczne (takie jak impedancja) maszyn mogą zmieniać się z istniejących wartości na inne, aż do usunięcia usterki.

Prawdopodobnie istnieje wiele prawdopodobieństw pojawienia się usterek w sieci systemu elektroenergetycznego, w tym oświetlenie, wiatr, drzewa spadające na linie, awarie aparatury itp.

Usterki elektryczne

Usterkę w systemie elektroenergetycznym można zdefiniować jako każdy nieprawidłowy stan systemu, który wiąże się z awarią elektryczną urządzeń, takich jak transformatory, generatory, szyny zbiorcze itp.

Występowanie awarii obejmuje również awarie izolacji i awarie ścieżek przewodzących, które powodują zwarcie i rozwarcie obwodu przewodników.

W normalnych lub bezpiecznych warunkach pracy, urządzenia elektryczne w sieci systemu elektroenergetycznego działają przy normalnym napięciu i prądzie znamionowym. Po wystąpieniu usterki w obwodzie lub urządzeniu, wartości napięcia i prądu odbiegają od ich nominalnych zakresów.

Usterki w systemie elektroenergetycznym powodują nadprąd, podnapięcie, niezrównoważenie faz, odwrócenie mocy i przepięcia wysokonapięciowe. Skutkuje to przerwaniem normalnej pracy sieci, awariami urządzeń, pożarami elektrycznymi itp.

Sieci systemów elektroenergetycznych są zazwyczaj chronione za pomocą urządzeń zabezpieczających, takich jak wyłączniki i przekaźniki, w celu ograniczenia strat spowodowanych awariami elektrycznymi.

Rodzaje uszkodzeń

Uszkodzenia elektryczne w trójfazowym systemie elektroenergetycznym są głównie sklasyfikowane w dwóch typach, a mianowicie jako otwarte i zwarte. Usterki te mogą być symetryczne lub niesymetryczne. Omówmy je szczegółowo.

Usterki obwodu otwartego

Usterki te powstają w wyniku uszkodzenia jednego lub więcej przewodników. Poniższy rysunek ilustruje usterki obwodu otwartego dla jednej, dwóch i trzech faz (lub przewodników) w stanie otwartym.

Najczęstsze przyczyny tych usterek to wspólne awarie kabli i linii napowietrznych, awaria jednej lub więcej faz wyłącznika automatycznego, a także z powodu stopienia bezpiecznika lub przewodnika w jednej lub więcej fazach.

Usterki obwodu otwartego są również nazywane usterkami szeregowymi. Są to niesymetryczne lub niezrównoważone rodzaje usterek z wyjątkiem trójfazowych usterek otwartych.

Uważając, że linia przesyłowa pracuje ze zrównoważonym obciążeniem przed wystąpieniem usterki otwartego obwodu. Jeżeli jedna z faz ulegnie stopieniu, rzeczywiste obciążenie alternatora zmniejsza się, a to powoduje zwiększenie przyspieszenia alternatora, przez co pracuje on z prędkością nieco większą od prędkości synchronicznej. Ta nadmierna prędkość powoduje nadmierne napięcia w innych liniach przesyłowych.

Tak więc, jedno i dwufazowe otwarte warunki mogą produkować niezrównoważenie napięć i prądów w systemie energetycznym, który powoduje duże szkody dla sprzętu.

Przyczyny

Pęknięty przewód i nieprawidłowe działanie wyłącznika w jednej lub więcej faz.

Skutki

• Nieprawidłowa praca systemu
• Zagrożenie dla personelu oraz zwierząt
• Przekroczenie napięć poza normalne wartości w niektórych częściach sieci, co dalej prowadzi do uszkodzenia izolacji i rozwoju zwarć.

Pomimo że usterki obwodu otwartego mogą być tolerowane przez dłuższy czas niż usterki zwarciowe, muszą być one usuwane jak najwcześniej, aby ograniczyć większe szkody.

Usterki zwarciowe

Zwarcie może być zdefiniowane jako nieprawidłowe połączenie o bardzo niskiej impedancji pomiędzy dwoma punktami o różnym potencjale, wykonane celowo lub przypadkowo.

Są to najbardziej powszechne i poważne rodzaje usterek, powodujące przepływ nienormalnie wysokich prądów przez urządzenia lub linie przesyłowe. Jeśli usterki te utrzymują się nawet przez krótki okres czasu, prowadzą do rozległych uszkodzeń sprzętu.

Usterki zwarciowe są również nazywane usterkami bocznikowymi. Usterki te są spowodowane uszkodzeniem izolacji pomiędzy przewodnikami fazowymi lub pomiędzy uziemieniem a przewodnikami fazowymi lub obydwoma tymi elementami.

Różne możliwe warunki zwarcia obejmują zwarcie trzech faz do ziemi, zwarcie trzech faz z ziemią, zwarcie fazy z fazą, zwarcie jednej fazy z ziemią, zwarcie dwóch faz z ziemią oraz zwarcie fazy z fazą plus zwarcie jednej fazy z ziemią, jak pokazano na rysunku.

Usterka trzech faz z ziemią oraz zwarcie trzech faz z ziemią są zwarciami symetrycznymi, podczas gdy inne pozostałe zwarcia są zwarciami niesymetrycznymi.

Przyczyny

Mogą być spowodowane skutkami wewnętrznymi lub zewnętrznymi

• Skutki wewnętrzne obejmują awarię linii przesyłowych lub urządzeń, starzenie się izolacji, pogorszenie stanu izolacji w generatorze, transformatorze i innych urządzeniach elektrycznych, niewłaściwe instalacje i nieodpowiedni projekt.
• Skutki zewnętrzne obejmują przeciążenie urządzeń, uszkodzenie izolacji spowodowane przepięciami w oświetleniu i uszkodzeniami mechanicznymi przez osoby postronne.

Skutki

• Usterki łukowe mogą prowadzić do pożaru i eksplozji w urządzeniach takich jak transformatory i wyłączniki.
• Nienormalne prądy powodują przegrzewanie się urządzeń, co z kolei prowadzi do skrócenia żywotności ich izolacji.
• Napięcia robocze systemu mogą spadać poniżej lub powyżej ich wartości akceptowalnych, co powoduje szkodliwe skutki dla usług świadczonych przez system elektroenergetyczny.
• Przepływ energii jest poważnie ograniczony lub nawet całkowicie zablokowany tak długo, jak długo trwa usterka zwarciowa.

Usterki symetryczne i niesymetryczne

Jak omówiono powyżej, usterki są głównie klasyfikowane jako usterki otwarte i zwarciowe i ponownie mogą to być usterki symetryczne lub niesymetryczne.

Usterki symetryczne

Usterka symetryczna powoduje powstanie symetrycznych prądów uszkodzeniowych, które są przesunięte względem siebie o 1200. Usterka symetryczna jest również nazywana usterką zrównoważoną. Usterka ta występuje, gdy wszystkie trzy fazy są jednocześnie zwarte.

Usterki te rzadko występują w praktyce w porównaniu z usterkami niesymetrycznymi. Dwa rodzaje uszkodzeń symetrycznych obejmują zwarcie między linią a linią (L-L-L) oraz zwarcie między linią a ziemią (L-L-L-G), jak pokazano na rysunku poniżej.

Przybliżona częstość występowania uszkodzeń symetrycznych mieści się w zakresie od 2 do 5% wszystkich uszkodzeń systemu. Jednak w przypadku ich wystąpienia, powodują one bardzo poważne uszkodzenia urządzeń, nawet jeśli system pozostaje w stanie równowagi.

Analiza tych uszkodzeń jest wymagana do doboru zdolności wyłączania wyłączników, doboru przekaźników fazowych i innych urządzeń zabezpieczających. Usterki te są analizowane dla każdej fazy przy użyciu macierzy impedancji magistrali lub twierdzenia Theveninsa.

Usterki niesymetryczne

Najczęstszymi usterkami występującymi w sieci systemu elektroenergetycznego są usterki niesymetryczne. Tego typu uszkodzenia powodują powstawanie niesymetrycznych prądów uszkodzeniowych (o różnych wielkościach i nierównomiernym przesunięciu fazowym). Usterki te są również nazywane usterkami niesymetrycznymi, ponieważ powodują powstawanie niezrównoważonych prądów w systemie.

W nawiązaniu do powyższej dyskusji, usterki niesymetryczne obejmują zarówno usterki obwodu otwartego (jedno- i dwufazowe w stanie otwartym), jak i usterki zwarciowe (z wyłączeniem L-L-L-G i L-L-L).

Niniejszy rysunek przedstawia trzy typy uszkodzeń symetrycznych występujących w wyniku zwarć, a mianowicie uszkodzenie fazy lub linii do ziemi (L-G), uszkodzenie fazy do fazy (L-L) oraz podwójne uszkodzenie linii do ziemi (L-L-G).

Pojedyncze uszkodzenie linii do ziemi (LG) jest jednym z najczęściej występujących uszkodzeń, a doświadczenia pokazują, że 70-80 procent uszkodzeń występujących w systemie elektroenergetycznym jest tego typu. Tworzy to ścieżkę zwarcia pomiędzy linią a ziemią. Są to bardzo mniej poważne usterki w porównaniu do innych usterek.

Usterka liniowa występuje, gdy przewodnik pod napięciem wchodzi w kontakt z innym przewodnikiem pod napięciem. Główną przyczyną tego uszkodzenia są silne wiatry, podczas których wychylenia przewodów napowietrznych mogą się ze sobą stykać. Są to usterki mniej poważne, a zakres ich występowania może wynosić od 15-20%.

W usterkach podwójnych, dwie linie stykają się ze sobą oraz z ziemią. Są to poważne uszkodzenia, a częstość ich występowania wynosi około 10% w stosunku do wszystkich uszkodzeń systemu.

Usterki niesymetryczne są analizowane przy użyciu metod składowych niesymetrycznych w celu określenia napięć i prądów we wszystkich częściach systemu. Analiza tych uszkodzeń jest trudniejsza w porównaniu do uszkodzeń symetrycznych.

Analiza ta jest niezbędna do określenia wielkości wyłącznika dla największego prądu zwarciowego. Większy prąd występuje zazwyczaj dla zwarcia L-G lub L-L.

Urządzenia ochronne przed zwarciami

Gdy zwarcie występuje w jakiejkolwiek części systemu, musi być usunięte w bardzo krótkim czasie, aby uniknąć większych szkód w urządzeniach i personelu, a także aby uniknąć przerw w zasilaniu odbiorców.

System usuwania usterek wykorzystuje różne urządzenia zabezpieczające, takie jak przekaźniki i wyłączniki do wykrywania i usuwania usterek.
Niektóre z tych urządzeń do usuwania lub ograniczania usterek są podane poniżej.

Bezpiecznik

Otwiera obwód, gdy usterka występuje w systemie. Składa się z cienkiego drutu miedzianego zamkniętego w szklanej lub metalowej obudowie z dwoma metalowymi stykami. Duży prąd zwarcia powoduje wzrost temperatury drutu i jego stopienie. Bezpiecznik wymaga ręcznej wymiany drutu za każdym razem, gdy się przepali.

Lucznik

Wyłącznik automatyczny

Jest to najbardziej powszechne urządzenie zabezpieczające, które może wykonać lub przerwać obwód ręcznie lub za pomocą zdalnego sterowania w normalnych warunkach pracy.

Istnieje kilka typów wyłączników automatycznych dostępnych w zależności od napięcia roboczego, w tym wyłączniki z hamulcem pneumatycznym, olejowe, próżniowe i SF6. Aby uzyskać więcej informacji na temat wyłączników automatycznych, skorzystaj z załączonego linku.

Czytaj :Różne rodzaje wyłączników automatycznych

Przekaźniki ochronne

Są to urządzenia wykrywające usterki. Urządzenia te wykrywają błąd i zainicjować działanie wyłącznika tak, aby odizolować uszkodzony obwód. Przekaźnik składa się z cewki magnetycznej i styków (NC i NO). Prąd zakłóceniowy zasila cewkę i powoduje wytworzenie pola, dzięki czemu styki zostają uruchomione.

Niektóre z typów przekaźników ochronnych obejmują

• Przekaźniki magnetyczne
• Przekaźniki impedancyjne
• Przekaźniki kierunkowe
• Przekaźniki pilotowe
• Przekaźniki różnicowe

Czytaj :Klasyfikacja przekaźników

Ogranicznik przepięć

Przepięcia w sieci systemu elektroenergetycznego powstają w wyniku uderzeń pioruna w linie przesyłowe i urządzenia. Powoduje to wysokie napięcie i prądy w systemie. Te usterki świetlne są redukowane przez umieszczenie odgromników przy urządzeniach przesyłowych.

Kontrybutorzy zdjęć:

1)Usterki elektryczne: forschung-stromnetze.info

2) Bezpiecznik : hayley-group.co.uk

3)Wyłącznik : oez.com

4)Przekaźniki: epub1.rockwellautomation.com

.