Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Nr 6

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Nr 6

Ćwiczenie 6
BADANIE ZABEZPIECZEŃ CYFROWYCH NA PRZYKŁADZIE
PRZEKAŹNIKA KIERUNKOWEGO MiCOM P127
1. Przeznaczenie i zastosowanie przekaźników kierunkowych
Przekaźniki kierunkowe, zwane też kątowymi, przeznaczone są do kontroli kierunku
przepływu mocy zwarciowej. Stosowane są w różnych układach zabezpieczeń, które ze względu
na warunek wybiórczości działania wymagają określenia kierunku przepływu mocy zwarciowej.
Są to najczęściej zabezpieczenia nadprądowe sieci pierścieniowej lub dwustronnie zasilanej, a
także zabezpieczenia odległościowe. Jako samodzielne człony mierzące przekaźniki kierunkowe
znajdują szerokie zastosowanie w zabezpieczeniach ziemnozwarciowych sieci rozdzielczych
średnich napięć.
~
a)
E
b)
A
t
I>
1
2
(+)
OW
t
(-)
I>
t
PP
(-)
L1
L2
(+)
t
I>
3
4
t
I>
I>
PP
U
z PN
PN
B
Rys. 1. Przykład zastosowania przekaźników kierunkowych; a) układ linii dwutorowej z
zabezpieczeniami nadprądowo-kierunkowymi, b) schemat ideowy zabezpieczenia nadprądowokierunkowego zwłocznego
Przykład zastosowania przekaźników kierunkowych w układzie zabezpieczeń nadprądowokierunkowych zwłocznych w najprostszej sieci pierścieniowej pokazano na rys. 1.
1
Najprostszą sieć pierścieniową tworzy linia 2-torowa (L1, L2) zasilana jednostronnie ze
źródła E, jak na rys. 1a). W celu zapewnienia wybiórczości działania zabezpieczeń
nadprądowych zwłocznych linii w takim układzie sieciowym, konieczne jest zastosowanie
przekaźników kierunkowych tam, gdzie moc zwarciowa może zmieniać kierunek w zależności
od położenia miejsca zwarcia. W tym wypadku zabezpieczenia obu linii w stacji B muszą być
wyposażone w przekaźniki kierunkowe, które powinny blokować zabezpieczenie w przypadku
wykrycia przepływu mocy zwarciowej w kierunku szyn stacji B. Opóźnienia czasowe (tB)
zabezpieczeń w stacji B są mniejsze od opóźnień (tA) w stacji A o czas stopniowania t. W razie
wystąpienia zwarcia, np. w torze L2 (jak na rys. 1) pobudzają się człony prądowe wszystkich
zabezpieczeń w układzie sieciowym. Impuls na wyłączenie, jako pierwszy, poda z opóźnieniem
tB przekaźnik 4 w stacji B, gdyż jego człon kierunkowy na to zezwoli z uwagi na przepływ
mocy zwarciowej od szyn stacji B. W tym samym czasie człon kierunkowy zabezpieczenia 3
działa blokująco. Po otwarciu wyłącznika toru L2 w stacji B prąd zwarciowy w zdrowym torze
L1 zanika i jego zabezpieczenia (1 i 3) wracają do stanu spoczynku. W stanie pobudzenia
pozostaje zabezpieczenie nadprądowo-zwłoczne 2 toru L2 w stacji A, które po nastawionym
czasie tA spowoduje otwarcie wyłącznika, dokonując w ten sposób ostatecznej wybiórczej
eliminacji zwarcia.
Prąd rozruchowy członów prądowych omawianych zabezpieczeń dobiera się wg takich
samych zasad jak dla linii promieniowych, tzn. powyżej maksymalnej wartości prądu obciążenia
toru , z uwzględnieniem chwilowych przeciążeń ruchowych linii i współczynnika powrotu
zastosowanych członów prądowych zabezpieczenia. Czasy opóźnień dobiera się wg ogólnych
zasad stopniowania czasowego zabezpieczeń nadprądowo-zwłocznych, stosowanych w sieciach
promieniowych i magistralnych, tj. ti = ti-1 + t.
Pełny układ zabezpieczenia nadprądowo-kierunkowego w sieci trójfazowej jest realizowany
według zasady zilustrowanej na rys. 1b), które może być w wykonaniu dwu lub trójfazowym.
Wykonanie dwufazowe stosowane jest w sieciach rozdzielczych z nieuziemionym skutecznie
punktem zerowym.
2. Zasady realizacji i podstawowe charakterystyki przekaźników kierunkowych
Przekaźniki kierunkowe identyfikują kierunek przepływu mocy zwarciowej na zasadzie
kontroli kąta przesunięcia fazowego między napięciem i prądem wejściowym. Gdy wartość tego
kąta zawiera się w obszarze określonym charakterystyką kątową przekaźnika, przekaźnik działa,
a gdy wykracza poza tę charakterystykę – przekaźnik blokuje. Przekaźniki kierunkowe
realizowane są na bazie komparatorów fazy elektromechanicznych (starsze rozwiązania) i
statycznych, których sygnałami wejściowymi są prąd I i napięcie U pochodzące z obiektu
zabezpieczanego.
Ustrój pomiarowy przekaźnika kierunkowego, ze względów technicznych, nie może działać
przy dowolnie małych wartościach sygnałów wejściowych, dlatego w zastosowaniach
praktycznych przekaźnik kierunkowy nie może być traktowany jako idealny komparator fazy.
Potrzebna jest znajomość rzeczywistych charakterystyk eksploatacyjnych przekaźników
kierunkowych.
Podstawową wielkością, która charakteryzuje zakres kątowy działania przekaźnika
kierunkowego, bez względu na jego konstrukcję, jest tzw. kąt przesunięcia wewnętrznego (kąt
maksymalnej czułości).
2
Kąt przesunięcia wewnętrznego  jest to taki kąt, o jaki należy obrócić wektor prądu I z
położenia zgodnego z napięciem U w kierunku wyprzedzenia, aby moc rozruchowa Pr , wyrażona
zależnością (1):
Pr  kUI cos   
(1)
osiągnęła maksymalną wartość.
gdzie:
U – napięcie przyłożone do napięciowego obwodu wejściowego przekaźnika,
I – prąd płynący w prądowym obwodzie wejściowym przekaźnika,
 - kąt przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem U i prądem I w zabezpieczanym obiekcie,
Warunek działania przekaźnika kierunkowego można zapisać następująco:
Pr  kUI cos    Pro
(2)
gdzie Pro – wartość mocy wejściowej potrzebna do zadziałania przekaźnika kierunkowego (w
komparatorze idealnym Pro=0).
Jak widać z zal. (2), na warunki działania przekaźnika kierunkowego mają wpływ zarówno
wartości amplitud sygnałów wejściowych U oraz I, jak i wartości: kąta przesunięcia fazowego 
pomiędzy tymi sygnałami i kąta wewnętrznego . Dla konkretnego zastosowania przekaźnika
kierunkowego określona jest wartość kąta , natomiast kąt wewnętrzny powinien być tak
dobrany, aby w warunkach zwarciowych moc rozruchowa przekaźnika osiągała wartość
maksymalną, co jest spełnione, gdy =
Warunki działania przekaźników kierunkowych analizuje się na podstawie przebiegu ich
charakterystyk rozruchowych. Wyróżnia się trzy podstawowe charakterystyki rzeczywistych
przekaźników kierunkowych:
1. Ur=f(I) przy  =  = const
Wychodząc z warunku działania przekaźnika kierunkowego (zal. 2), przy  =  otrzymuje
się:
P
U r  ro
(3)
I
Na rys. 2 pokazano ilustrację graficzną tej zależności. Wartość napięcia rozruchowego U r =
Ucz przy prądzie znamionowym nazywana jest czułością kierunkową przekaźnika. Wyrażana jest
ona często w procentach wartości znamionowego napięcia przekaźnika, jak niżej:
U cz % 
U cz
 100
Un
(4)
3
Rys. 2. Charakterystyka Ur = f(I) przekaźnika kierunkowego.
Ponieważ najczęściej Un = 100 V, przeto wartość mierzona Ucz wyrażona w [V] stanowi
jednocześnie wartość procentową czułości kierunkowej.
Charakterystyka pokazana na rys. 2 jest charakterystyką teoretyczną, ważną przy stałej
wartości mocy rozruchowej Pro. W rzeczywistych przekaźnikach kierunkowych często w
obwodzie napięciowym stosowane są elementy nieliniowe (np. żarówki), o malejącej wartości
rezystancji wraz z napięciem, w celu zwiększenia czułości przekaźnika przy zwarciach bliskich.
Ponadto w elektromechanicznych przekaźnikach kierunkowych zmniejszanie się Ur wraz ze
wzrostem prądu następuje wyraźnie tylko w zakresie do ok. 2In. Przy większych wartościach
prądu wartość napięcia Ur zmniejsza się niewiele ze względu na nasycanie się obwodu
magnetycznego przekaźnika.
2. Charakterystyka kątowa Ur = f() przy I = In = const
Charakterystyki tego rodzaju są wyznaczane dla przekaźników stosowanych w
zabezpieczeniach od zwarć wielofazowych, gdzie wartość napięcia pętli zwarciowej zmienia się
wraz z odległością zwarcia od miejsca zainstalowania zabezpieczenia. Dla przekaźników
kierunkowych ziemnozwarciowych natomiast, których wielkościami wejściowymi są napięcie i
prąd kolejności zerowej, wyznacza się charakterystykę Ir = f() przy U = Un = const. W
warunkach zwarcia doziemnego bowiem (zwłaszcza w sieciach nieuziemionych skutecznie)
wartość napięcia U0 jest relatywnie wysoka i w niewielkim stopniu zależy od miejsca zwarcia
doziemnego w sieci.
Równanie tej charakterystyki, otrzymuje się wprost z wyrażenia (2) i ma ono postać
następującą:
Ur 
C
cos(   )
(5)
gdzie: C = Pro/In = const.
Obraz graficzny teoretycznej charakterystyki kątowej przekaźnika kierunkowego, określonej
równaniem (5), pokazano na rys. 3.
4
Rys. 3. Charakterystyka kątowa przekaźnika kierunkowego
Wyznacza ją krzywa zawarta między dwoma asymptotami odległymi o kąt /2 od kąta
maksymalnej czułości . W praktyce charakterystyka taka wyznaczana jest pomiarowo w
laboratorium za pomocą przesuwnika fazowego jako źródła napięcia z regulacją modułu i fazy,
niezależnego od źródła prądu przemiennego. Należy zaznaczyć, że rzeczywista charakterystyka
może odbiegać od charakterystyki teoretycznej, ze względu na nieliniowości w obwodzie
napięciowym lub prądowym przekaźnika. Kąt maksymalnej czułości  przekaźnika wyznacza
symetralna charakterystyki kątowej, prostopadła do osi odciętych układu współrzędnych
Ur=f().
3. Charakterystyka na płaszczyźnie impedancji Z przy I = In.
Charakterystyka na płaszczyźnie Z = U/I = R + jX wyznacza kontur rozgraniczający obszary
działania i blokowania przekaźnika na tej płaszczyźnie, przy czym Z jest impedancją widzianą z
zacisków przekaźnika.
Przebieg tej charakterystyki, pokazany na rys. 4, wynika również bezpośrednio z równania
(2). Jeśli obie strony tego równania podzielimy przez I2, to otrzymamy wyrażenie:
w którym:
Z cos(  )  a
Z = U/I – moduł impedancji,
  arg Z  arg U / I
a = Pro/I2
(6)
Charakterystykę na płaszczyźnie impedancji stanowi prosta prostopadła do osi maksymalnej
czułości przekaźnika, przecinająca ją w odległości „a” od początku układu współrzędnych.
Wartość „a”, mająca wymiar impedancji, określana jest mianem „strefy martwej” przekaźnika
kierunkowego.
Interpretacja fizyczna strefy martwej może być łatwo wyjaśniona na podstawie rys. 5.
Zgodnie z tym rysunkiem, przekaźnik RK zainstalowany w stacji A, stanowiący element
kontrolujący kierunek przepływu mocy zwarciowej linii, otrzymuje następujące wielkości
wejściowe pomiarowe: napięcie na pętli zwarcia U i prąd zwarciowy I. Napięcie na pętli zwarcia
jest określone wyrażeniem:
5
Rys. 4. Charakterystyka przekaźnika kierunkowego na płaszczyźnie impedancji Z.
RK
A
Zs
Zl
I
K
U
E
Rys. 5. Warunki pracy przekaźnika kierunkowego podczas zwarcia w zabezpieczanej linii
U  I Z1 
E
Z1
Z s  Z1
(7)
Przemieszczając miejsce zwarcia od punktu „K” do „A” zmniejsza się impedancja zwarciowa
Z1 a wraz z nią napięcie U. W pewnej odległości od p. A napięcie U osiąga wartość graniczną,
poniżej której moc wejściowa przekaźnika jest mniejsza od mocy rozruchowej Pro potrzebnej do
zadziałania i przekaźnik nie działa ani na wyzwolenie, ani na blokowanie.
6
3. Przebieg ćwiczenia
3.1. Wyznaczenie kąta przesunięcia wewnętrznego przekaźnika kierunkowego
Schemat układu pomiarowego do określenia charakterystyki kątowej przekaźnika
kierunkowego przedstawiono na rys. 6.
Rys. 6. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki kątowej przekaźnika
kierunkowego
Obwód prądowy badanego przekaźnika kierunkowego zasilany jest z autotransformatora AT2
przyłączonego bezpośrednio do sieci nn, natomiast obwód napięciowy – z autotransformatora
AT1 przyłączonego do przesuwnika fazowego PF. Watomierz W jest wykorzystywany w
układzie pomiarowym tylko do ustalenia położenia zerowego przesuwnika fazowego. Do
sygnalizacji zadziałania przekaźnika kierunkowego można wykorzystać obwód z żarówką do
którego zacisków dostępnych w stole laboratoryjnym należy podłączyć zestyki wyjściowe
przekaźnika.
Sposób przeprowadzenia pomiarów.
Pierwszą czynnością jest wyznaczenie położenia zerowego przesuwnika fazowego. W tym
celu w obwodzie prądowym wymusza się prąd o wartości równej prądowi znamionowemu
przekaźnika a napięcie zasilające obwód napięciowy doprowadza się do wartości ok. 50 V.
Następnie, przez zmianę położenia wirnika przesuwnika fazowego, przesuwa się fazę napięcia
tak długo, aż wskazówka watomierza wskaże wartość zerową. Oznacza to, że przesunięcie
fazowe pomiędzy prądem i napięciem jest równe 900. Strzałkę przesuwnika fazowego przesuwa
się do punktu oznaczonego na skali jako 900 i w tym położeniu należy ją zablokować
mechanicznie. Należy dodatkowo sprawdzić, czy w przypadku ustawienia przesuwnika
fazowego w położeniu 00 watomierz wskazuje maksymalne wychylenie.
Ważną sprawą jest też ustalenie charakteru kąta przesunięcia fazowego pomiędzy prądem i
napięciem (pojemnościowy, czy indukcyjny). Wykonuje się to również za pomocą watomierza.
Przy położeniu strzałki przesuwnika na wartości 900 krótkotrwale zwiera się cewkę prądową
watomierza. Jeżeli przesunięcie fazowe jest indukcyjne, to moment obrotowy działający na
układ ruchomy watomierza jest ujemny i jego wskazówka wychyla się w lewo, poza skalę. Jeżeli
kątjest pojemnościowy, to moment obrotowy watomierza jest dodatni i wskazówka wychyli się
w prawo.
7
Po wyskalowaniu przesuwnika fazowego przystępuje się do właściwych pomiarów. Wartość
prądu w obwodzie prądowym przez cały czas trwania pomiaru ma być stała i równa wartości
znamionowej badanego przekaźnika kierunkowego. Na przesuwniku fazowym nastawia się kąt
=00 i powoli zwiększa się napięcie obwodu napięciowego aż do zadziałania przekaźnika
odczytując jednocześnie na woltomierzu wartość rozruchową odpowiadającą nastawionemu
kątowi. W analogiczny sposób wykonuje się pomiary dla kątów zmienianych co 50 do 200 w
całym zakresie kątów, przy których występuje działanie przekaźnika. Pomiary należy zagęścić w
okolicy asymptot charakterystyki. Aby nie spowodować przegrzania obwodu napięciowego
przekaźnika pomiary przerywa się wtedy, gdy napięcie zadziałania przekroczy 50 V.
Wyniki badań zapisuje się w tabeli 1.Na podstawie wyników pomiarów sporządza się
charakterystykę Urśr = f(). Symetralna otrzymanej krzywej odcina na osi odciętych wartość
równą kątowi przesunięcia wewnętrznego . Kąt ten można również obliczyć znając kąty
asymptot charakterystyki Urśr = f().
Tabela 1: Wyniki pomiarów charakterystyki Ur = f() przekaźnika kierunkowego
Przekaźnik kierunkowy: typ…………….., Nr……………..
In = ……………., Un = ……………,  = ………………
Prąd w obwodzie pierwotnym: I = …………A = const
Lp.

Ur
Ur śr
Uwagi
1
3.2. Wyznaczenie charakterystyk Ur = f(I) oraz Sr = f(I)
Jak wynika ze wzoru (3) charakterystyka Ur = f(I) jest hiperbolą. Ze względu jednak na
nasycenie obwodu magnetycznego przekaźnika elektromechanicznego, przy większych prądach
hiperbola ulega zniekształceniu, ponieważ wzrasta wtedy moc rozruchowa Sr przekaźnika (patrz
rys. 7). Pomiary niezbędne do wykreślenia tej charakterystyki wykonuje się w układzie
pomiarowym przedstawionym na rys. 6. Podczas pomiarów powinna być stała wartość
rezystancji R w obwodzie prądowym.
Sposób wykonywania pomiarów.
Charakterystykę Ur = f(I) sporządza się bezpośrednio po pomiarze charakterystyki U r = f(),
aby uniknąć powtórnego skalowania przesuwnika fazowego. Przez cały czas pomiaru kąt
przesunięcia fazowego  pomiędzy prądem a napięciem ma być stały, równy kątowi
wewnętrznemu . Pomiary rozpoczyna się od wartości prądu odpowiadającej prądowi
znamionowemu badanego przekaźnika. Autotransformatorem AT1 zwiększa się napięcie w
obwodzie napięciowym, aż do zadziałania przekaźnika kierunkowego. Pomiar powtarza się
pięciokrotnie notując wyniki w tabeli 2. Dla innych wartości prądu obwodzie prądowym
pomiary przeprowadza się analogicznie. Należy zakończyć je na wartości prądu, przy której
napięcie rozruchowe przekracza 50 V.
8
Rys. 7. Przykładowe charakterystyki Ur = f(I) oraz Sr = f(I) elektromechanicznego przekaźnika
kierunkowego.
Tabela 2: Wyniki pomiarów charakterystyki Ur = f(I) przekaźnika kierunkowego
Przekaźnik kierunkowy: typ…………….., Nr……………..
In = ……………., Un = ……………,  = ………………
I
[A]
1
Ur
[V]
:
5
Ur śr [V]
Sr śr=IUr śr
[VA]
Na podstawie wyników pomiarów wykreśla się charakterystyki Ur = f(I) oraz Sr = f(I) a także
wyznacza się czułość kierunkową przekaźnika według wyrażenia:
U cz % 
U r min
Un
 100
(8)
w którym Ur min jest minimalną wartością napięcia zadziałania przekaźnika przy I = In oraz =.
Najmniejsza moc Sr potrzebna do rozruchu przekaźnika oraz współczynnik czułości
kierunkowej Ucz charakteryzują strefę martwą zabezpieczenia kierunkowego. Znajomość
wartości tych wielkości pozwala na obliczenie dla danej linii największej odległości między
miejscem zainstalowania przekaźnika a miejscem trójfazowego zwarcia metalicznego, przy
której przekaźnik kierunkowy nie zadziała.
9