Overspanningen in Energienetten: Oorzaken en Impact Begrijpen

In dit artikel bespreken we overspanningen en hun oorzaken. Er zijn veel bronnen die overspanningen veroorzaken, zoals generatoren, transformatoren en transmissielijnen. Overspanningen kunnen ontstaan door bliksem, het openen van stroomonderbrekers, het aarden van een geleider, enz. Deze overspanningen zijn misschien niet groot in magnitude, maar hun effect kan het beveiligingssysteem of aangesloten apparaten storen. Ingenieurs proberen altijd de impact van overspanningen op werkende apparatuur te beperken en te controleren. We onderzoeken nu de hoofdoorzaken van overspanningen, hoe ze ontstaan en het systeem beïnvloeden.

Deze transiënten of golven zijn van tijdelijke aard en korte duur (een paar honderden µs), maar veroorzaken overspanningen in het energienet. Ze ontstaan door schakeloperaties en andere oorzaken, maar de belangrijkste transiënten zijn die gegenereerd door natuurlijke bliksemslagen op transmissielijnen. Wanneer bliksem een lijn treft, rast de golf langs de lijn en stroomt een bui van enorme spanningen in het systeem, in staat om elk beschermings- en elektrisch apparaat te beschadigen.

De bovenstaande afbeelding toont de golfvorm van een bliksemgolf. De spanning op de x-as en de tijd op de y-as. Het is duidelijk dat de golf een zeer steile voorwaartse golf genereert in een zeer korte tijd, de sogenannte golfvoorwand. Deze opbouw is extreem snel, in de orde van 1–5 µs. De achterkant, de golfstaart, verloopt langzamer dan de voorwand.

Oorzaken van overspanningen

Overspanningen in het energienet kunnen breed worden verdeeld in twee hoofdcategorieën:

A) Interne oorzaken B) Externe oorzaken

Interne oorzaken produceren geen golven van grote magnitude. Ervaring leert dat interne golven de systeemspanning nauwelijks tot tweemaal de normale spanning doen stijgen.

• Schakelgolven: De eerste interne overspanning. Overspanningen door schakeloperaties heten schakelgolven. 1) Kan ontstaan wanneer een onbelaste lijn aan een spanningsbron wordt aangesloten. 2) Ook bij aangesloten belaste lijn. Als een last plotseling wordt onderbroken, ontstaat een transiënte spanning. 3) De belangrijkste oorzaak van overspanningen in schakelgolven is stroomafsnijden (current chopping). Dit produceert hoge transiënte spanningen over de contacten van een luchtblasstroomonderbreker.
• Isolatiefout: Het belangrijkste geval van isolatiefout is het aarden van een geleider. Stel een geleider wordt in het midden geaard. Dit produceert negatieve spanningen die in beide richtingen voortplanten.
• Boogaarding: Het fenomeen van intermittierende boog bij een eenzelfout in een 3-fasensysteem, met transiënten als gevolg, heet boogaarding. Deze transiënten zijn cumulatief; ze kunnen gevaarlijk zijn en ernstige schade veroorzaken door isolatiefout. Boogaarding kan worden voorkomen door de nul te áarden.
• Resonantie: Resonantie treedt op wanneer de inductieve reactantie van de schakeling gelijk wordt aan de capacitieve reactantie. Bij resonantie worden impedantie en weerstand gelijk en is de vermogensfactor 1. Resonantie veroorzaakt hoge spanningen in transmissielijnen.
• Externe oorzaak: De enige externe oorzaak is bliksem. „Een elektrische ontlading tussen wolk en aarde, tussen wolken of tussen de ladingcentra van dezelfde wolk heet bliksem.” Deze oorzaak bespreken we gedetailleerd in het volgende artikel.