Typy uszkodzeń w systemie energetycznym

Układy Elektryczne: Definicja i Klasyfikacja Awarii

Awaria w układzie elektrycznym to anomalie lub defekt, który powoduje odchylenie prądu elektrycznego od jego zamierzonej ścieżki. Gdy wystąpi awaria, tworzy ona nietypowe warunki pracy, głównie poprzez zmniejszenie wytrzymałości izolacji między przewodnikami. Ta degradacja izolacji może prowadzić do poważnych uszkodzeń komponentów układu elektrycznego, zakłócać normalne zaopatrzenie w energię oraz stwarzać zagrożenia bezpieczeństwa.

Awarie w układach elektrycznych są podzielone na dwie główne kategorie:

• Awaria otwartego obwodu: Ten typ awarii występuje, gdy jest przerwa lub nieciągłość w obwodzie elektrycznym, co uniemożliwia normalny przepływ prądu. Może wynikać z uszkodzenia przewodników, luźnych połączeń lub awarii elementów elektrycznych.

• Awaria krótkiego obwodu: W przypadku awarii krótkiego obwodu występuje niezamierzona ścieżka o niskim oporze między dwoma lub więcej przewodnikami, co powoduje przepływ dużych ilości prądu. Może to być spowodowane zerwaniem izolacji, fizycznym kontaktem między przewodnikami lub awarią sprzętu.

Różne podtypy i przejawy tych awarii w układach elektrycznych są przedstawione na poniższym rysunku.

Przyczyny i Klasyfikacja Awarii Układów Elektrycznych

Awarie w układach elektrycznych mogą występować z powodu wielu naturalnych zakłóceń. Zdarzenia takie jak uderzenia piorunów, silne wiatry i trzęsienia ziemi mogą wszyscy wywoływać awarie. Pioruny, ze swoimi intensywnymi rozładowaniami elektrycznymi, mogą uszkadzać izolację i zakłócać normalny przepływ prądu. Silne wiatry mogą powalać linie energetyczne lub powodować, że przewodniki kołyszą się i stykają z innymi obiektami, podczas gdy trzęsienia ziemi mogą przemieszczać infrastrukturę, prowadząc do zerwania przewodników i uszkodzenia elementów elektrycznych.

Awarie mogą również być rezultatem różnych wypadków. Na przykład, upadek drzewa na linie energetyczne, kolizja pojazdu z konstrukcją nośną lub katastrofa samolotu w infrastrukturze elektrycznej mogą wszystkie prowadzić do zakłóceń w układzie elektrycznym. Te przypadkowe zdarzenia mogą bezpośrednio uszkadzać przewodniki, izolatory lub inne kluczowe części sieci elektrycznej, powodując awarie.

1. Awaria Otwartego Obwodu

Awaria otwartego obwodu występuje przede wszystkim, gdy jeden lub dwa przewodniki ulegają awarii. Ponieważ ten typ awarii występuje szeregowo w linii elektrycznej, nazywany jest także awarią szeregową. Awarie otwartego obwodu mają znaczący wpływ na niezawodność układu elektrycznego, często prowadząc do zakłóceń w zaopatrzeniu w energię i potencjalnych uszkodzeń sprzętu połączonych z systemem.

Awarie otwartego obwodu można dalej podzielić na następujące typy:

• Awaria przewodnika: Występuje, gdy pojedynczy przewodnik w obwodzie elektrycznym pęka lub zostaje odłączony, co zakłóca przepływ prądu przez tę określoną ścieżkę.

• Awaria dwóch przewodników: W tym scenariuszu dwa przewodniki w systemie ulegają awarii, co tworzy bardziej poważne zakłócenie przepływu elektrycznego. Ten typ awarii może prowadzić do nierównoważnych warunków i może powodować dodatkowy napięcie na pozostałe komponenty systemu.

• Awaria trzech przewodników: Najrzadsza i najbardziej poważna forma awarii otwartego obwodu, obejmuje awarię wszystkich trzech przewodników w systemie trójfazowym. To prowadzi do całkowitego utraty transmisji energii i może mieć daleko idące konsekwencje dla sieci elektrycznej i połączonych obciążeń.

Różne konfiguracje awarii otwartego obwodu są przedstawione na poniższym rysunku, dostarczając wizualną reprezentację, jak te awarie manifestują się w układzie elektrycznym.

2. Awaria Krótkiego Obwodu

Awaria krótkiego obwodu występuje, gdy przewodniki z różnych faz kontaktują się ze sobą w linii energetycznej, transformatorze mocy lub innych elementach obwodu. Ta niezamierzona połączenie powoduje, że duża ilość prądu przepływa przez jedną lub dwie fazy systemu elektrycznego. Awarie krótkiego obwodu można dalej podzielić na dwie główne kategorie: symetryczne i niesymetryczne awarie.

Symetryczne Awarie

Symetryczne awarie to te, które obejmują wszystkie trzy fazy systemu elektrycznego. Zaskakująco, te awarie utrzymują stan równowagi nawet po wystąpieniu awarii. Symetryczne awarie najczęściej występują na zakończeniach generatorów. Powstanie takich awarii można przypisać różnym czynnikom, takim jak opór łuku elektrycznego utworzonego między przewodnikami podczas awarii lub obecności niskiego oporu podłoża w systemie ziemnym.

Symetryczne awarie są podzielone na dwa różne typy: awaria między fazami a ziemią (L-L-L) i trójfazowa awaria między linią a ziemią (L-L-L-G).

a. Awaria L-L-L

Awarie między fazami (L-L-L) charakteryzują się ich zbilansowaną naturą. Nawet po wystąpieniu awarii, system elektryczny zachowuje swoją symetrię. Chociaż stosunkowo rzadkie, awarie L-L-L są jednymi z najpoważniejszych typów awarii krótkiego obwodu. Generują one największe prądy awaryjne w systemie, które odgrywają kluczową rolę w określeniu wymagań dotyczących oceny przerywaczy. Możliwość bezpiecznego i skutecznego przerwania tych ekstremalnie dużych prądów przez przerywacze jest bezpośrednio związana z cechami awarii L-L-L, co czyni je kluczowym rozważaniem w projektowaniu i ochronie systemów elektrycznych.

b. L-L-L-G (Trójfazowa Awaria Między Linią a Ziemią)

Trójfazowa awaria między linią a ziemią (L-L-L-G) obejmuje wszystkie trzy fazy systemu elektrycznego. W tym scenariuszu awarii, połączenie jest ustanawiane między wszystkimi trzema fazami a ziemią systemu. Mimo że jest mniej powszechna w porównaniu z niektórymi innymi typami awarii, awaria L-L-L-G ma istotne znaczenie w analizie systemów elektrycznych. Statystycznie, prawdopodobieństwo wystąpienia takiej awarii wynosi około 2 do 3 procent. Mimo tego stosunkowo niskiego prawdopodobieństwa, gdy awaria L-L-L-G wystąpi, może generować znaczne prądy awaryjne i powodować szeroko zakrojone zakłócenia w systemie elektrycznym, co wymaga solidnych środków ochronnych i ostrożnego rozważania w projektowaniu i operacjach systemu.

Niesymetryczne Awarie

Niesymetryczna awaria to stan w systemie elektrycznym, który generuje niesymetryczne prądy, gdzie wielkości i fazy prądów w trzech fazach różnią się znacznie od siebie. Ten typ awarii zwykle obejmuje jedną lub dwie fazy, takie jak awaria między linią a ziemią (L-G), awaria między linią a linią (L-L) lub podwójna awaria między linią a ziemią (L-L-G). W wyniku tych awarii, system elektryczny staje się nierównoważny, co może prowadzić do różnych problemów operacyjnych i potencjalnych uszkodzeń sprzętu.

Niesymetryczne awarie można podzielić na trzy główne typy:

• Pojedyncza awaria między linią a ziemią (L-G)

• Awaria między linią a linią (L-L)

• Podwójna awaria między linią a ziemią (L-L-G)

Spośród wszystkich typów awarii w systemach elektrycznych, niesymetryczne awarie są najczęstszymi występującymi.

1. Pojedyncza Awaria Między Linią a Ziemią (L-G)

Pojedyncza awaria między linią a ziemią występuje, gdy jeden z przewodników dotyka ziemi lub neutralnego przewodnika. Ten typ awarii jest niezwykle powszechny, stanowiąc aż 70-80 procent wszystkich awarii występujących w systemach elektrycznych. Jego wysoka częstotliwość występowania sprawia, że jest kluczowym zmartwieniem dla operatorów i inżynierów systemów elektrycznych, którzy muszą wprowadzać skuteczne środki ochronne, aby ograniczyć jej potencjalny wpływ na stabilność i niezawodność systemu.

3. Podwójna Awaria Między Linią a Ziemią (L-L-G)

W przypadku podwójnej awarii między linią a ziemią, dwa przewodniki jednocześnie stykają się ze sobą i z ziemią. Ten scenariusz awarii tworzy złożoną ścieżkę elektryczną, która zakłóca normalne działanie systemu elektrycznego. Mimo że jest mniej powszechna niż pojedyncze awarie między linią a ziemią, podwójne awarie między linią a ziemią nadal stanowią istotne ryzyko dla stabilności systemu i integralności sprzętu. Statystycznie, prawdopodobieństwo wystąpienia podwójnej awarii między linią a ziemią wynosi około 10% wszystkich awarii w systemach elektrycznych. To stosunkowo niskie, ale niebagatelne prawdopodobieństwo podkreśla znaczenie wdrażania kompleksowych środków ochronnych i strategii redukcji ryzyka w systemach elektrycznych, aby chronić przed potencjalnymi uszkodzeniami i zakłóceniami operacyjnymi spowodowanymi takimi awariami.