ELEKTROMAGNETSKI IMPULSI ATMOSFERSKOG I UNUTRAŠNJEG POREKLA

Elektromagnetske smetnje u sekundarnim kolima su najčešće posledica elektromagnetskih prelaznih procesa (impulsa) u primarnim kolima, sekundarnim kolima ili van njih Primarna (visokonaponska) kola se odnose na električna kola EES-a, a sekundarna (niskonaponska) kola obuhvataju telekomunikaciona kola, elektronska kola tehničkih uređaja, pomoćna, merna i upravljačka kola, sekundarna kola mernih transformatora, itd. Najčešće postoji srazmera između elektromagnetskih impulsa u primarnim i smetnji u sekundarnim kolima Prema svom poreklu elektromagnetski impulsi mogu biti - atmosferskog porekla - unutrašnjeg porekla

1. ELEKTROMAGNETSKI IMPULSI ATMOSFERSKOG POREKLA Načini nastanka elektromagnetskih impulsa atmosferskog porekla: - direktno atmosfersko pražnjenje u fazni provodnik dalekovoda - pražnjenje u stub ili zaštitno uže bez preskoka na fazni provodnik - pražnjenje u stub ili zaštitno uže sa povratnim preskokom na fazni provodnik - indukovani prenaponi u faznim provodnicima usled udara groma u blizinu dalekovoda - indukovani prenaponi u faznim provodnicima usled pražnjenja između oblaka Prenaponi nastali direktnim pražnjenjem u fazni provodnik su najopasniji po izolaciju sa stanovišta amplitude talasa, prenaponi nastali pri povratnom preskoku najopasniji su sa stanovišta strmine talasa Izolacija namotaja transformatora i generatora je više ugrožena prenaponima pri povratnom preskoku Ukoliko je otpor uzemljenja stuba veliki, postoji velika verovatnoća da će doći do povratnog preskoka

2. ELEKTROMAGNETNI IMPULSI UNUTRAŠNJEG POREKLA Izvori elektromagnetnih impulsa unutrašnjeg porekla: - primarni izvori smetnji - sekundarni izvori smetnji Primarni izvori smetnji - jednopolni kratki spojevi koji prouzrokuju nesimetrične struje - zemljospojevi u mrežama sa izolovanom neutralnom tačkom sa intermitentnim gorenjem luka - sklopne operacije sa rastavljačima i prekidačima - tiristori u kolima za napajanje pobuda sinhronih mašina i pretvarački uređaji u slučaju prenosa energije jednosmernom strujom - korona kod visokonaponskih vodova Sekundarni izvori smetnji - jednopolni kvarovi u pomoćnim kolima - sklopne operacije kontaktora kada se isključuju induktivna opterećenja (kalemovi drugih releja, kontaktora i motora) - tiristori koji se koriste pri napajanju kontrolne opreme

Slika 1: Zajednički i poprečni prenapon Prema načinu nastanka prenapona u sekundarnom kolu: - zajednički (uzdužni) prenapon - poprečni (transferzalni) prenapon Slika 1: Zajednički i poprečni prenapon

3.1 Provodno (galvansko) sprezanje 3. MEHANIZMI SPREZANJA Primarna i sekundarna kola mogu biti spregnuta: provodno (galvanski), induktivno, kapacitivno i kombinovano 3.1 Provodno (galvansko) sprezanje Provodno sprezanje postoji ako su primarno i sekundarno kolo spojeni preko otpora, najčešći je to zajednički uzemljivač ili zajednički povratni put kroz zemlju Provodno sprezanje izaziva pojavu zajedničkog prenapona Slika 2: Provodno sprezanje kola različitih funkcija preko povezanog radnog i zaštitnog uzemljenja

Slika 3: Induktivno sprezanje faznog provodnika i sekundarnog kola Induktivno sprezanje predstavlja prenošenje energije iz primarnog u sekundarno kolo putem magnetskog polja Slika 3: Induktivno sprezanje faznog provodnika i sekundarnog kola Elementarni indukovani zajednički prenapon u sekundarnom kolu: (1) Elementarni indukovani transferzalni prenapon u sekundarnom kolu: (2) Rastojanje između provodnika utiče na transferzalni prenapon Indukovani prenapon se povećava sa povećanjem strmine talasa

3.3 Kapacitivno sprezanje Kapacitivno sprezanje predstavlja prenošenje energije iz primarnog u sekundarno kolo putem kapacitivnosti između primarnog i sekundarnog kola Slika 4: Kapacitivno sprezanje faznog provodnika i sekundarnog kola U slučaju kada je sekundarni sistem neuzemljen i otvoren zT → ∞ - zajednički prenapon u sekundarnom kolu: (3) - transferzalni prenapon u sekundarnom kolu: (4)

Ekvivalentna kapacitivnost je: (5) U slučaju uzemljenja sekundarnog sistema mogu se posmatrati prenaponi nastali kapacitivnom spregom samo dinamički u periodu dok talasi ne stignu do uzemljenja Slika 5: Kapacitivno sprezanje faznog provodnika i uzemljenog sekundarnog kola

3.4 Elektromagnetsko sprezanje Elektromagnetni impulsi su najčešće visokofrekventne pojave koje se odlikuju osobinom prostiranja po vodovima Slika 6: Mehanizam elektromagnetnog prenošenja energije z1 – karakteristična impedansa provodnika primarnog kola, z2 – karakterisična impedansa provodnika sekundarnog kola: z12 – međusobna karakteristična impedansa između primarnog i sekunarnog kola:

- dubina povratnog puta struje kroz zemlju: - sopstvene induktivnosti provodnika primarnog i sekundarnog kola sa povratnim putem i međusobna induktivnost provodnika primarnog i sekundarnog kola: (6) - kapacitivnosti provodnika primarnog i sekundarnog kola i njihova međusobna kapacivnost (7)

Karaktektiristične impedanse: (8) Prenošenje impulsa iz primarnog u sekundarno kolo na primeru dva neograničeno dugačka paralelna provodnika (slika 6): (9) Izvor prenaponskog talasa je provodnik visokog napona, Iup2=0 (10) (11) Odnos Z12/ Z1 se naziva geometrijski koeficijent sprege

3.3.1 Prelamanje talasa po paralelnim spregnutim vodovima Određivanje koeficijenata prelamanja za n elektromagnetno spregnutih vodova sa tačkama nehomogeniteta Slika 8: Elektromagnetno spregnututi vodovi sa tačkama nehomogenita (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) - Matrični koeficijent prelamanja: (18)

3.3.2 Nailazak talasa na koncentrisani omski otpor u sekundarnom kolu B Slika 9: Nailazak talasa na koncentrisani omski otpor u sekundarnom kolu (19) (20) (21) (22)

Nivo napona u sekundarnom kolu se može smanjiti (23) Nivo napona u sekundarnom kolu se može smanjiti - smanjenjem ulazne impedanse Ru uređaja niskog napona - povećanjem broja priključenih vodova na sabirnice - postavljanjem nelinearnih otpornika u tački B

3.3.3 Nailazak talasa na koncentrisani kapacitet u sekundarnom kolu B Slika 10: Nailazak talasa na koncentrisani kapacitet u sekundarnom kolu (24) (25) (26) (27)

Slika 11: Vremenska promena napona u sekundarnom kolu (28) (29) Slika 11: Vremenska promena napona u sekundarnom kolu Ukoliko je prenaponski talas pravougaonog oblika ograničenog trajanja τ: (30)

Slika 12: Vremenska promena napona u sekundarnom kolu u slučaju kada je prenaponski talas ograničenog trajanja Efekat kapaciteta ugrađenog u sekundarno kolo je smanjenje strmine, a slučaju prenaponskog talas ograničenog trajanja i smanjene aplitude Kondenzator može da se koristi kao zaštitno sredstvo u sekundarnim kolima kada ona ne služe prenos informacija putem digitalnih i visokofrekventnih signala (zbog izobličenja signala)

3.3.4 Uključenje dela visokonaponskih sabirnica Slika 13: Uključenje (isključenje) neopterećenih sabirnica pomoću rastavljača Do trenutka uključenja sabirnica t=t1 na vodu 1 postoje upadna komponenta Uup1 i odbijena komponenta Uod1=β1Uup1=Uup1 jer je β1=1, napon na vodu je: U=Uup1+Uod1=2Uup1 Nakon trenutka uključenja sabirnica t=t1, u tački A je α1=1 i β1=0, u tački C je β2=1 Slika 14: Mrežni dijagram za slučaj uključenja sabirnica

Slika 15: Vremenska promena napona na sabirnicama (u tački B) T je vreme prostiranja talasa po sabirnicama Indukovani prenapon u sekundarnom kolu srazmeran je naponu u primarnom kolu Prenaponski talasi nastali uključenjem rastavljača su veoma strmi, proces dovođenja sabirnica pod napon odvija se u kratkom vremenskom periodu reda mikrosekunde

3.3.5 Dovođenje sabirnica pod napon preko velikog rednog otpora Slika 16: Uključenje sabirnica preko velikog rednog otpora Slika 17: Mrežni dijagram za slučaj uključenja sabirnica preko rednog otpora

Slika 18: Vremenska promena napona u tački C Napon u tački C na sabirnicama iza otpornika: (31) Za R=100z dobija se α1=0.0196 i β1=0.9804 (32) Slika 18: Vremenska promena napona u tački C Posle većeg broja refleksija relativno sporo se uspostavlja napon: (33)

Broj refkleksija potrebnih da napon dostigne vrednost kU: (34) (35) Vreme potrebno da se uspostavi napon kU na sabirnicama: (36) gde su: d – dužina sabirnica (m) v=3·108 m/s vreme prostiranja talasa po sabirnicama Pod uticajem višestrukih refleksija talasa u primarnom kolu napon u sekundarnom kolu gubi strminu na isti način kao i napon u primarnom kolu

3.5 Sprega primarnog i sekundarnog kola preko koncentrisanih parametara Prenošenje elektromagnetnih smetnji iz primarnog u sekundarno kolo može da se vrši induktivnih i kapacitivnim putem posredstvom mernih transformatora Slika 19: Ekvivalentna šema koja objašnjava prenošenje prenapona iz primarnog u sekundarno kolo C1 – ekvivalentni kapacitet primarnog namotaja prema zemlji C2 – ekvivalentni kapacitet sekundarnog namotaja prema zemlji C12 – međusobni kapacitet primarnog i sekundarnog namotaja L1 – induktivnost primarnog namotaja L2 – induktivnost sekundarnog namotaja M – međusobna induktivnost primarnog i sekundarnog namotaja

Slika 20: Ekvivalentna šema pri procesima vrlo visoke učestanosti Pri prelaznim procesima vrlo visoke frekvencije induktivnost prestaje da bude element od značaja Slika 20: Ekvivalentna šema pri procesima vrlo visoke učestanosti Amplituda kapacitivno prenetog prenapona uz uvažavanje kapaciteta sekundarnog kola Csk: (37) Nivo smetnji u sekundarnom kolu može da se smanji povećanjem kapaciteta sekundarnog kola

gde su T1 i T2 vremenske konstante primarnog i sekundarnog kola: Odziv sekundarnog kola na jedinični odskočni umpuls koji naizlazi po visokonaponskom vodu (u intervalu dok ne dođe do refleksije talasa u sekundarnom kolu): (38) gde su T1 i T2 vremenske konstante primarnog i sekundarnog kola: (39) (40) Slika 21: Odziv sekundarnog kola na jedinični odskočni impuls po visokonaponskom vodu Prolazak prenapona kroz transformator izaziva smanjenje njegove strmine Zanemareni su raspodeljeni parametri namotaja i moguće visokofrekventne oscilacije koje mogu da se jave unutar namotaja

3.6 Prenošenje elektromagnetnih impulsa kroz energetski transformator Slika 22: Detaljan model transformatora za analizu brzih prelaznih procesa

Slika 23: Pojednostavljeno kapacitivno kolo transformatora Slika 24: Model transformatora za analizu prenosa prenapona kapacitivnim putem Slika 23: Pojednostavljeno kapacitivno kolo transformatora Slika 25: Model za analizu kapacitivnog prenosa kroz transformator sa kapacitivnim opterećenjem na niskonaponskoj strani Slika 26: Model za analizu kapacitivnog prenosa kroz transformator sa prenosnim vodom i kapacitivnim opterećenjem na niskonaponskoj strani

Odnos deljenja kapacitivnog delitelja napona: (41) Tabela 1: Faktor h koji uzima u obzir superpoziciju prenaponskog talasa na napon industrijske frekvencije Sprega namotaja transformatora h (r.j.) Zvezda-trougao ili Trougao-zvezda 1.15 Zvezda-zvezda iliTrougao-trougao 1.07 Vrednost prenetog prenapona kapacitivnim putem na niskonaponskoj strani (42)

Vrednost prenetog prenapona induktivnim putem na niskonaponskoj strani (43) - gde su: h je faktor povećanja napona usled napona mrežne frekvencije, za talase sa malom strminom čela h=1, za talase sa velikom strminom čela: - za sprege zvezda/trougao ili trougao/zvezda h =1.15 - za sprege zvezda/zvezda ili trougao/trougao h=1.07 q je faktor reakcije niskonaponskog kola koji određuje amplitudu oscilacija (q=0.3-2), ako je transformator povezan sa kablom vrednost q je manja od 1 (za talase sa malom ili velikom strminom čela) J je faktor koji zavisi od sprege transformatora: - kada su i VN i NN namotaji spregnuti u zvezdu (Y), J=1. - kada su sa strane nailaska prenapona namotaji spregnuti u zvezdu (Y) i sa druge strane namotaji spregnuti u trougao (), - kada su sa strane nailaska prenapona namotaji spregnuti u trougao () i sa druge strane namotaji spregnuti u zvezdu (Y), - U slučaju da su sa obe strane namotjaji spregnuti u trougao (), J=1:2/3 W je odnos međufaznog napona na sekundarnoj strani i međufaznog napona na primarnoj strani.

Slika 27: Vrenosti faktora J kada prenapon nailazi smo na jednu fazu i kad naize prenaponi suprotnih polariteta na preostale dve faze

Slika 28: Model za simulaciju prenošenja prenapona atmosferskog porekla kroz transformator

Slika 30: Zamenska šema sistema sa sklopnim opreracijama rastavljača 3.6 Sklopne operacije rastavljačem – izvor elektromagnetnih impulsnih smetnji u sekundarnim kolima Kada se pomoću rastavljača prekidaju ili uključuju male kapacitivne struje neopterećenih sabirnica ili otvorenog prekidača u mrežama visokog napona javljaju se vrlo strmi elektromagnetski impulsi Slika 29: Principijelna šema sistema sa sklopnim operacijama rastavljača Slika 30: Zamenska šema sistema sa sklopnim opreracijama rastavljača P1, R1 – prekidač i rastavljač preko kojih se napajaju sabirnice R2 – rastavljač koji uključuje i isključuje prekidač P2 u otvorenom položaju E – elektromotorna sila sistema L1, r1 – induktivnost i otpornost sistema C1 – kapacitivnost sistema levo od rastavljača R2 (uključujući sabirnice) L2, r2 – induktivnost i otpornost u petlji koju čine sabirnice i provodnici do R2 C2 – kapacitet prekidača P2

3.6.1 Proces otvaranja rastavljača U procesu otvaranja kontakata rastavljača dolazi do pojave iskrenja između kontakata rastavljača, iskra se gasi u trenutku maksimuma napona (i=0) i ponovo pali kada Upn=U12=U1-U2 postane veći od Udiel Slika 31: Intermitentno paljenje i gašenje iskre pri otvaranju kontakata rastavljača

Odlike prelaznog procesa pri gašenju iskre: napon na kondenzatoru C2 je približno konstantan i jednak je maksimalnom faznom naponu u postrojenju: U2=Um napon na sabirnicama je: (44) gde su: ΔU amplituda prelazne komponente napona, ω1 i δ1 sopstvena učestanost i prigušenje kola levo od rastavljača R2: (45) (46)

Odlike prelaznog procesa pri paljenju iskre: naponi na kondenzatorima C1 i C2 postaju međusobno jednaki kroz prelazni proces preraspodele napona visoke učestanosti (glavni izvor elektromagnetnih impulsa reda MHz sa periodom javljanja 0.01s): (47) napon U0 na kapacitivnostima C1 i C2 posle preraspodele se dobija iz: (48) gde su: U1=UmcosΨ napon na kapacitetu C1 neposredno pre preraspodele Ψ=ω(tP-tG) početna faza napona u trenutku ponovnog paljenja iskre U2≈-Um napon na kapacitetu C2 neposredno pre preraspodele (49) posle izjednačavanja napona na kondenzatorima javlja se prelazni proces na kapacitetima C1 i C2 zajedno: (50) (51)

3.6.2 Proces zatvaranja rastavljača U procesu zatvaranja rastavljača pojava iskrenja se odvija na isti način kao i kod otvaranja kontakata, jedina razlika je što se dielektrična izdržljivost u periodu zatvaranja kontakata smanjuje Iskra se pali kada U12=U1-U2 postane veći od Udiel i gasi u trenutku prolaska struje kroz nulu Slika 32: Intermitentno paljenje i gašenje iskre pri zatvaranju kontakata rastavljača

Tumačenje pojave iskrenje između kontakata rastavljača izvedeno je na osnovu sledećih pretpostavki: do gašenja iskre u vazduhu uvek dolazi pri prolasku struje industrijske učestanosti kroz nulu posle paljenja iskre prelazni proces se brzo prigušuje zbog uticaja dugačkih vodova koji se pri impulsnim procesima ponašaju kao omske otpornosti Zaostali napon na kapacitetu C2 je jednak temenoj vrednosti napona sistema, zbog toga maksimalni napon pri ponovnom paljenju iskre ne može da pređe vrednost: Umax=3Um Na osnovu istraživanja je utvrđeno da prenaponski faktor realno ne prelazi vrednost 2.

3.6.3 Sklopne operacije rastavljača u postrojenjima izolovanim gasom SF6 Usled iskrenja između kontakata može doći do preskoka prema masi u oklopljnenim i SF6 gasom izolovanim postrojenjima Razlike u odnosu na iskrenje u vazduhu: relativno velika kapacitivnost oklopljenih postrojenja uslovi gašenja iskre u SF6 gasu su drugačiji Kriva uspostavljanja napona na kapacitetu je izvedena pod sledećim pretpostavkama: do gašenja iskre dolazi kada su naponi između dva dela postrojenja izjednačeni, to znači da se iskra usled struje industrijske učestanosti ne može održati u postrojenju iskra se pali kada napon između kontakata poraste iznad Udiel

U trenutku razdvajanja kontakata napon na kapacitivnosti C2 ostaje konstantan sve dok U12 ne poraste iznad Udiel kada dolazi do paljenja iskre koje dovodi do izjednačavanja potencijala između kapaciteta C1 i C2 kroz brz prelazni proces i tada dolazi ponovo do gašenja iskre Slika 33: Naponi na kapacitetima C1 i C2 pri zatvaranju kontakata rastavljača

Slika 34: Naponi na kapacitetima C1 i C2 pri otvaranju kontakata rastavljača

Prethodno tumačenje ima sledeće zamerke: smatra da se preraspodela opterećenja odvija trenutno dolazi do izuzetne brze promene napona ali ne i do pojave prenapona, iako su naponi zapaženi pri merenjima Rezultati merenja su pokazali sledeće činjenice: paljenje iskre praćeno je brzim prelaznim procesom sa prenaponom do gašenja iskre dolazi vrlo brzo nakon njenog paljenja, što znači da iskra ne može samostalno da se održi u gasu SF6 Slika 35: Izmereni naponi na strani izvora i na strani kapaciteta C2 pri otvaranju rastavljača

Slika 36: Tumačenje pojava pri paljenju iskre Pojave su protumačene na sledeći način: u trenutku pojave iskre dolazi do brzog prelaznog procesa, učestanosti reda MHz, koji odgovara procesu izjednačavanja potencijala na kontaktima rastavljača u kolu nastaje spor, ali izražen prelazni proces usled postojanja induktivnosti izvora (ili induktivnosti transformatora), napon nakon paljenja iskre dostiže vrednost U0, da bi zatim kroz relativno spor prelazni proces dostigao sinusoidalnu promenu Ne pojavljuju se prenaponi čiji je faktor veći od 2 Struja u trenutku paljenja iskre može dostići vrednost reda kA, ali u kratkom intervalu reda 10 μs ona postaje toliko mala da se iskra gasi Slika 36: Tumačenje pojava pri paljenju iskre

3.6.4 Prenošenje elektromagnetnih impulsa usled komutacija rastavljačem u sekundarna kola Do prenošenja impulsa dolazi induktivnim, kapacitivnim i provodnim putem Slika 37: Primer kapacitivno-provodnog sprezanja preko kapacitivnih naponskih mernih transformatora

E – elektromotorna sila izvora Slika 38: Ekvivalentna šema sprezanja preko kapacitivnih naponskih mernih transformatora E – elektromotorna sila izvora Z – impedansa izvora ili karakteristična impedansa napojnih vodova L1 – induktivnost provodnika do sabirnica do rastavljača L2 – induktivnost naponskog mernog transformatora L3 – induktivnost uzemljivačkog sistema prema idealnoj zemlji C1 – kapacitet delova postrojenja prema uzemljenju C2 – ekvivalentna kapacitivnost naponskog transformatora

Sopstvena učestanost visokofrekventnih oscilacija: (52) gde je lB dužina sabirnica u (m) između naponskog transformatora i otvorenog kraja sabirnica Sopstvena učestanost za spore prelazne procese: (53) Znajući da je L1 za red veličine veće od L3 i da je približno: (54) gde je l dužina spojnog voda, dobija se: (55)

Preneti prenapon određen induktivnim odnosom deljenja je: (56) gde je Umax maksimalni prenapon u primarnom kolu Vrednosti za L2 i L3 je teško odrediti, tako da se predlaže sledeća empirijska formula za procenu amplitude prenapona: (57) gde je r redukcioni faktor usled prisustva zaštitnih provodnika ili plašta kabla (58)