Typer av fel i elkraftsystem

Energisystemets fel: Definition och klassificering

Ett fel i ett energisystem definieras som en avvikelse eller defekt som orsakar att elektriska strömmar avviker från sin avsedda flödesbana. När ett fel uppstår skapas ovanliga driftförhållanden, främst genom att isoleringsförmågan mellan ledare minskas. Denna försvagning av isoleringen kan leda till allvarliga skador på komponenter i energisystemet, störa den normala eldistributionen och utgöra säkerhetsrisker.

Fel i energisystem delas huvudsakligen in i två huvudtyper:

• Öppna kretsfelet: Detta typ av fel uppstår när det finns en avbrott eller avbrott i den elektriska kretsen, vilket hindrar det normala strömflödet. Det kan bero på skadade ledare, lösa kopplingar eller misslyckande hos elektriska komponenter.

• Kortslutningsfel: Vid ett kortslutningsfel finns det en oväntad lågresistansväg mellan två eller flera ledare, vilket orsakar att en stor mängd ström flödar. Detta kan bero på isoleringsbrott, fysisk kontakt mellan ledare eller utrustningsfel.

De olika underkategorier och manifestationerna av dessa fel i energisystem illustreras i bilden nedan.

Orsaker och klassificering av fel i energisystem

Fel i energisystem kan uppstå på grund av en rad naturliga störningar. Händelser som blixtnedslag, höghastighet vindar och jordbävningar kan alla utlösa fel. Blixt, med sina intensiva elektriska utsläpp, kan skada isoleringen och störa det normala strömflödet. Höghastighet vindar kan omkasta elkablar eller orsaka att ledare svajar och kommer i kontakt med andra objekt, medan jordbävningar kan flytta infrastruktur, vilket leder till trasiga ledare och skadad elektrisk utrustning.

Felen kan också vara resultatet av olika olyckor. Till exempel kan ett träd som faller ner över elkablar, en bil som kolliderar med en stödjande konstruktion eller ett flygplan som kraschar in i elektrisk infrastruktur alla leda till störningar i energisystemet. Dessa olycksfall kan direkt skada ledare, isolatorer eller andra viktiga delar av det elektriska nätverket, vilket leder till att fel uppstår.

1. Öppna kretsfelet

Ett öppet kretsfel uppstår främst när en eller två ledare misslyckas. Eftersom detta typ av fel uppstår i serie med den elektriska linjen kallas det också för seriefel. Öppna kretsfel har en betydande inverkan på energisystemets tillförlitlighet, vilket ofta leder till störningar i elförsörjningen och potentiell skada på ansluten utrustning.

Öppna kretsfel kan vidare indelas i följande typer:

• Öppet ledarfel: Detta inträffar när en enskild ledare i den elektriska kretsen bryts eller blir avkopplad, vilket stör strömflödet genom den specifika vägen.

• Två ledare öppet fel: I detta scenario misslyckas två av ledarna i systemet, vilket skapar en mer allvarlig störning i det elektriska flödet. Detta typ av fel kan leda till obalanserade förhållanden och kan orsaka ytterligare belastning på de återstående komponenterna i systemet.

• Tre ledare öppet fel: Den sällsyntaste och mest allvarliga formen av öppet kretsfel, där alla tre ledare i ett trefas-system misslyckas. Detta resulterar i en fullständig förlust av elförsörjning och kan ha långtgående konsekvenser för det elektriska nätet och de anslutna belastningarna.

De olika konfigurationerna av öppna kretsfel illustreras i figuren nedan, vilket ger en visuell representation av hur dessa fel manifesterar sig inom energisystemet.

2. Kortslutningsfel

Ett kortslutningsfel uppstår när ledare från olika faser kommer i kontakt med varandra inom en elledning, en strömförstärkare eller andra kretsdelar. Denna oväntade koppling orsakar att en betydande mängd ström flödar genom en eller två faser av det elektriska systemet. Kortslutningsfel kan vidare indelas i två huvudkategorier: symmetriska och osymmetriska fel.

Symmetriska fel

Symmetriska fel är de som involverar alla tre faser av ett elektriskt system. Markant nog bibehåller dessa fel en balanserad tillstånd även efter felhändelsen. Symmetriska fel uppstår främst vid terminalerna av generatorer. Inledandet av sådana fel kan tillskrivas olika faktorer, såsom resistansen i den elektriska bågen som bildas mellan ledare under felet eller närvaron av låg markningsresistans i jordningsystemet.

Symmetriska fel indelas i två distinkta typer: fas-fas-fasfel och trefas-fas-jordfel.

a. Fas – Fas – Fas Fel

Fas-fas-fas (F-F-F) fel karakteriseras av sin balanserade natur. Även efter att felet har inträffat behåller det elektriska systemet sin symmetri. Trots att de är relativt sällsynta är F-F-F fel bland de allvarligaste typerna av kortslutningsfel. De genererar de största felströmmarna inom systemet, vilka spelar en viktig roll för att bestämma kraven på strömbrytarens kapacitet. Förmågan hos strömbrytare att avbryta dessa extremt stora strömmar på ett säkert och effektivt sätt informeras direkt av egenskaperna hos F-F-F fel, vilket gör dem till en viktig övervägande i design och skydd av energisystem.

b. F–F–F–J (Trefas-fas-jordfel)

Ett trefas-fas-jord (F–F–F–J) fel inkluderar alla tre faser av det elektriska systemet. I detta felscenario etableras en koppling mellan alla tre faser och systemets jord. Fastän mindre vanligt jämfört med vissa andra felslut, har F–F–F–J fel en betydande vikt i analys av energisystem. Statistiskt sett är sannolikheten för att ett sådant fel ska inträffa ungefär 2 till 3 procent. Trots denna relativt låga sannolikhet, när ett F–F–F–J fel inträffar, kan det generera stora felströmmar och orsaka omfattande störningar i energisystemet, vilket kräver robusta skyddsåtgärder och noggrann övervägande i systemdesign och drift.

Osymmetriska fel

Ett osymmetriskt fel definieras som en situation i energisystemet som genererar osymmetriska strömmar, där magnituderna och faserna av strömmarna i de tre faserna skiljer sig betydligt åt. Detta typ av fel involverar vanligtvis en eller två faser, såsom fas-jord (F-J), fas-fas (F-F) eller dubbel fas-jord (F-F-J) fel. Som ett resultat av dessa fel blir det elektriska systemet obalanserat, vilket kan leda till en mängd driftproblem och potentiell skada på utrustning.

Osymmetriska fel kan huvudsakligen indelas i tre distinkta typer:

• Enkel fas-jord (F–J) fel

• Fas-fas fel (F–F)

• Dubbel fas-jord (F–F–J) fel

Bland alla typer av fel i energisystem är osymmetriska fel de mest vanligt förekommande.

1. Enkel fas-jord (F–J) fel

Ett enkelt fas-jord fel inträffar när en av ledarna kommer i kontakt med jorden eller rör den neutrala ledaren. Detta typ av fel är extremt vanligt, vilket utgör en förbluffande 70-80 procent av alla fel som inträffar inom energisystem. Dess höga frekvens gör det till en kritisk fråga för energisystems operatörer och ingenjörer, som måste implementera effektiva skyddsåtgärder för att mildra dess potentiala effekter på systemets stabilitet och tillförlitlighet.

3. Dubbel fas-jord (F-F-J) fel

Vid ett dubbelt fas-jord fel kommer två ledare samtidigt i kontakt med varandra och jorden. Detta felscenario skapar en komplex elektrisk väg som stör den normala driften av energisystemet. Fastän mindre vanligt än enkla fas-jord fel, utgör dubbla fas-jord fel fortfarande betydande risker för systemets stabilitet och utrustningens integritet. Statistiskt sett är sannolikheten för att ett dubbelt fas-jord fel ska inträffa ungefär 10% av alla fel i energisystem. Denna relativt låga men icke försumbara sannolikhet understryker vikten av att införliva omfattande skydds- och lindringsstrategier inom energisystem för att skydda mot den potentiella skadan och driftstörningarna som orsakas av sådana fel.