PDF version - Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny

ELEKTRYKA
Zeszyt 2 (234)
2015
Rok LXI
Marcin NIEDOPYTALSKI
Instytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów, Politechnika Śląska w Gliwicach
OCENA ZDOLNOŚCI WYKRYWANIA ZWARĆ POŚREDNICH DLA
RÓŻNYCH SPOSOBÓW PARAMETRYZACJI ZABEZPIECZEŃ
ODLEGŁOŚCIOWYCH LINII WYSOKICH NAPIĘĆ
O ZINTENSYFIKOWANYCH ZDOLNOŚCIACH PRZESYŁOWYCH –
CZĘŚĆ I (SPOSOBY PARAMETRYZACJI)
Streszczenie. W artykule przedstawiono wybrane sposoby określania zasięgów
rezystancyjnych stref działania zabezpieczenia odległościowego linii napowietrznych
WN o zintensyfikowanych zdolnościach przesyłowych. Dla przykładowego układu
sieciowego dobrano zasięgi stref działania zabezpieczenia odległościowego oraz
określono efektywność jego działania pod kątem wartości rezystancji przejścia
wykrywanych zwarć.
Słowa kluczowe: zabezpieczenia odległościowe, parametryzacja, linie napowietrzne WN, intensyfikacja zdolności przesyłowych linii
ASSESSMENT OF RESISTIVE FAULT DETECTION ABILITY FOR
DIFFERENT DISTANCE PROTECTION PARAMETRIZATION OF HIGH
VOLTAGE OVERHED LINES WITH INCREASED CAPACITY LIMIT –
PART I (PARAMETRIZATION METHODS)
Summary. The article presents selected methods for determining the resistive ranges
of operating zones of distance protection measures HV overhead lines with increased
capacity limit. The ranges of distance protection devices have been selected for a given
network system. Efficiency of the device has been calculated from the viewpoint of
transition resistance of detected faults.
Keywords: distance protection, parameterization, HV overhead line, increased line transmission
capacity limit
1. ZABEZPIECZENIE ODLEGŁOŚCIOWE
Jednymi z najczęściej stosowanych zabezpieczeń linii napowietrznych WN chroniących
je przed skutkami zwarć zarówno jednofazowych, jak i międzyfazowych są zabezpieczenia
odległościowe. Ich działanie bazuje na kryterium podimpedancyjnym, w którym na podstawie
102
M. Niedopytalski
mierzonych na początku linii prądów i napięć wyznaczane są impedancje. Proces
wyznaczania impedancji Zp w zabezpieczeniach odległościowych, nazywany często
pomiarem, polega na obliczaniu ilorazu napięcia U’p i prądu I’p:
Zp 
U 'p
I 'p

U p K I Z AF 1


KU I p
KZ
(1)
gdzie:
Ip
– wektor prądu odpowiadający prądowi pomiarowemu w PZ w obwodzie pierwotnym,
Up
– wektor napięcia odpowiadający napięciu pomiarowemu w PZ w obwodzie
pierwotnym,
I’p
– wektor prądu odpowiadający prądowi pomiarowemu w PZ w obwodzie wtórnym,
U’p
– wektor napięcia odpowiadający napięciu pomiarowemu w PZ w obwodzie wtórnym,
KU, KI – przekładnia przekładników: napięciowego i prądowego,
KZ
– umowna przekładnia impedancyjna,
ZAF1
 impedancja składowej zgodnej odcinka pomiędzy stacją A i miejscem zwarcia F.
Do wykrycia stanu zwarcia wielkoprądowego wykorzystuje się zjawisko zmniejszania
impedancji wyznaczonej dla punktu zabezpieczeniowego PZ podczas trwania zwarcia
w porównaniu do impedancji w stanie pracy normalnej. Wynika to z obserwowanego
w czasie zwarcia zwiększania się poziomu wartości prądu, a zmniejszania napięcia.
W stanie zwarcia impedancja Zp stanowi impedancję pętli zwarciowej od PZ (stacja A na
rys. 1a) do miejsca zwarcia (punkt F na rys. 1a).
Z AB
 obc
Z obc
Rys. 1. Miejsca pomiaru sygnałów wejściowych dla zabezpieczenia odległościowego linii: a) schemat
ideowy, b) przykładowe położenie na płaszczyźnie impedancji zespolonej obszarów działania
zabezpieczenia odległościowego linii (1) i obszarów obciążeń dopuszczalnych (2)
Fig. 1. Measurement point of input signals for transmission line distance protection: a) schematic
diagram, b) examples of location on impedance characteristics: operating characteristics of
distance protection (1) and limited load areas (2)
Różnica, występująca pomiędzy położeniami na płaszczyźnie impedancji zespolonej
końców wektorów impedancji wyznaczanych w normalnych stanach pracy linii oraz
w stanach zwarcia, umożliwia rozróżnienie obszaru obciążenia dopuszczalnego chronionej
linii (obszar (2) na rys. 1b) oraz obszaru odpowiadającego stanom zwarciowym w chronionej
Ocena zdolności wykrywania…
103
części układu, dedykowanym wyłączeniom (obszary (1) na rys. 1b). W obecnie
produkowanych zabezpieczeniach cyfrowych obszary działania często mają kształty
poligonalne, co ma zapewnić coraz dokładniejsze dopasowanie tych obszarów do możliwych
położeń wektorów impedancji dla zwarć w strefach działania.
Istnieją różne sposoby określania położenia obszaru obciążeń dopuszczalnych, jednak
najczęściej w źródłach literaturowych obszar ten ograniczony jest wycinkiem okręgu o środku
w początku układu współrzędnych i promieniu równym modułowi minimalnej dopuszczalnej
impedancji obciążenia Zobc_min (ograniczając obszar obciążeń dopuszczalnych od strony
małych rezystancji) oraz półprostymi o kącie nachylenia wynikającym z dopuszczalnego
współczynnika mocy i przechodzącymi przez początek układu współrzędnych (rys. 1b) [2],
[3], [5]. Ze względu na możliwość przesyłu mocy w obu kierunkach, tak samo definiuje się
obszar obciążeń dopuszczalnych dla „ujemnych” rezystancji. Wobec czego obszary obciążeń
dopuszczalnych są symetryczne względem obu osi.
Minimalną dopuszczalną wartość modułu impedancji obciążenia Zobc_min wyznaczyć
można, przykładowo, ze wzoru [2]:
Z obc_min =
U min
3  I dop
=
0,9 U n
.
(2)
3  I dop_z
Za minimalne dopuszczalne napięcie linii Umin przyjmuje się 90% napięcia
znamionowego, a za obciążalność prądową dopuszczalną Idop przyjmuje się najczęściej
obciążalność prądową dopuszczalną linii dla sezonu zimowego Idop_z. Współczynniki
nachylenia półprostych wynikają z dopuszczalnych współczynników mocy, przyjmowanych
najczęściej jako cosmax = 0,8 o charakterze pojemnościowym i indukcyjnym. Tak określony
obszar pracy dopuszczalnej obowiązuje podczas całego roku.
Intensyfikacja zdolności przesyłowych linii poprzez wykorzystanie przewodów
niskozwisowych lub obciążalności dynamicznej linii spowodować może nawet dwukrotne
zwiększenie wartości dopuszczalnego obciążenia linii w stosunku do obciążalności
standardowych linii [4]. Tak duże możliwe zwiększenie wartości prądu dopuszczalnego linii
wpływa na zmniejszenie modułu minimalnej dopuszczalnej impedancji obciążenia linii
Zobc_min, wyznaczonego zgodnie z zależnością (2). W tabeli 1 zostały przedstawione obliczone
minimalne dopuszczalne wartości modułów impedancji obciążenia w zależności od
przyjętych obciążalności dopuszczalnych dynamicznie linii Idop_dyn. Za wartość odniesienia
obciążalności prądowej dopuszczalnej przyjęto zimowe obciążenie dopuszczalne zalecanego
dla linii WN przewodu AFL-6 240 [1].
104
M. Niedopytalski
Tabela 1
Minimalne dopuszczalne wartości modułów impedancji
obciążenia linii WN dla obciążalności dopuszczalnej
dynamicznej
Z obc_min
Idop_dyn
[%]Idop_z
[A]
[]
88 (Idop_l)
645
88,62
100
735
77,77
150
1102
51,84
200
1470
38,88
Opisana zmiana minimalnej dopuszczalnej wartości modułu impedancji obciążenia
powoduje zwiększenie obszaru obciążeń dopuszczalnych z obszaru (2) na rysunku 2 do
obszaru (3), co może spowodować, że obszar ten będzie w części wspólny (4) z obszarami
działania zabezpieczenia odległościowego (1). Dla obciążeń linii, dla których koniec
wyznaczonego wektora impedancji znajdzie się w obszarze (4), linia zostanie wyłączona
z czasem zależnym od strefy, do jakiej wniknął koniec tego wektora impedancji.
Z AB
Rys. 2. Przykładowe obszary działania zabezpieczenia odległościowego linii i obciążeń
dopuszczalnych
Fig. 2. Examples of location operating characteristics of distance protection and limited load areas
Dla zabezpieczenia odległościowego w sezonie letnim lub obciążalności dynamicznej
linii dla niekorzystnych warunków pogodowych (duże nasłonecznienie, niewielka prędkość
wiatru) obszar obciążeń dopuszczalnych ulega ograniczeniu na skutek zmniejszenia
dopuszczalnej wartości prądu (tabela 1). Jednak nie przekłada się to na dostosowanie obszaru
działania zabezpieczenia. Poszerzenie (w wymienionych okolicznościach) obszaru działania
w kierunku większych rezystancji, dopasowanego do obszaru obciążeń dopuszczalnych
wyznaczonego dla obciążalności prądowej dopuszczalnej dla sezonu letniego Idop_l przyczynić
się może do zwiększenia zdolności wykrywania zwarć pośrednich w porównaniu do zdolności
wynikającej z obszaru działania dopasowanego do obszaru obciążeń dopuszczalnych
wyznaczonego dla obciążalności prądowej Idop_z [6].
Ocena zdolności wykrywania…
105
2. OKREŚLANIE ZASIĘGÓW CHARAKTERYSTYK POMIAROWYCH
Na zasięg działania zabezpieczenia odległościowego ma wpływ przede wszystkim
nastawa zasięgu reaktancyjnego, natomiast o czułości zabezpieczenia (zdolność wykrywania
zwarć pośrednich - wykrywanie zwarć o możliwie dużej rezystancji przejścia) decyduje
przede wszystkim nastawa zasięgu rezystancyjnego.
Dla zabezpieczeń o charakterystykach poligonalnych można wyróżnić wiele sposobów
określania zasięgów poszczególnych stref pomiarowych, przy czym parametryzacji podlegają
osobno zasięgi rezystancyjny i reaktancyjny, a parametry te dla każdej ze stref ustawiane są
niezależnie. Określenie parametrów zasięgów poszczególnych stref jest ściśle uwarunkowane:
otoczeniem sieciowym, obszarem pracy dopuszczalnej chronionej linii oraz czynnikami
fałszującymi wyznaczane impedancje. Opisu sposobów parametryzacji zasięgów dokonano
dla układu o schemacie zastępczym przedstawionym na rysunku 3, dla zabezpieczenia linii
LAB w stacji A (punkt zabezpieczeniowy PZ).
Rys. 3. Schemat zastępczy dla wyznaczania przykładowych zasięgów stref międzyfazowych
i doziemnych
Fig. 3. Equivalent circuit diagram for determining the ranges: phase-to-phase zones and phase-toground zones
Taka, lub podobna, struktura (ciąg liniowy z powiązaniami w węzłach pośrednich
z innymi węzłami zasilającymi) jest często spotykana w sieci 110 kV, stąd przedstawione
zależności wprost (lub nieznacznie zmodyfikowane) można wykorzystać do parametryzacji
zabezpieczeń podobnych struktur. Bazując na następujących wzorach, można wyznaczyć
nastawy zasięgów reaktancyjnych stref I, II i III zabezpieczenia odległościowego linii LAB,
pełniącego ochronę elementów sieci zamkniętych:
 nastawa zasięgu reaktancyjnego pierwszej strefy XI:
X I  0,9  X AB1 ,

(3)
nastawa zasięgu reaktancyjnego drugiej strefy XII:




X II  0,9  X AB1  0, 9  1  Re  krg   X BC1 ,

(4)
nastawa zasięgu reaktancyjnego trzeciej strefy XIII:




X III  0, 9  X AB1  0,9  1  Re  krg    X BC1  0,9  X CD1  .
(5)
106
M. Niedopytalski
Występujący we wzorach (4) i (5) współczynnik rozgałęzieniowy krg wynika
z uwzględnienia zjawiska spływu prądów zwarciowych w stacji zdalnej B (dla zwarć
w liniach zabezpieczanych rezerwowo). Zjawisko to może wystąpić w układach, w których
w stacji zdalnej występują źródła lokalne lub stacja ta powiązana jest z innymi źródłami prądów zwarciowych. Współczynnik krg równy jest stosunkowi prądów zwarciowych od źródła
w stacji zdalnej do prądu z linii chronionej (IB1/IA1 na rys. 3). W przypadku układów bez
dodatkowych źródeł prądów zwarciowych (brak EB) współczynnik ten przyjmuje wartość 0.
Dla zabezpieczenia odległościowego linii LAB zainstalowanego w PZ w układzie
sieciowym z rysunku 3 oraz przy założeniach występowania zwarć metalicznych
i zespolonego charakteru współczynnika rozgałęzieniowego krg, wyznaczyć można strefy
ochrony: podstawową DI i rezerwowe DII, DIII. Strefa ochrony linii określa dla danej strefy
działania (I, II, III) najdalszą część linii (licząc od PZ) i objętej ochroną w tej strefie:
 dla strefy I i linii LAB:
DI 

(6)
dla strefy II i linii LBC:
DII 

XI
,
X AB1
X II  X AB1


1  Re  krg   X BC1
,
(7)
dla strefy III i linii LCD:
DIII 


X III  X AB1  1  Re krg   X BC1
1  Re  k   X
rg
.
(8)
CD1
Wykorzystując określone w ten sposób strefy ochrony linii DI, DII, DIII, można
wyznaczyć zasięg działania xI, xII, xIII poszczególnych stref dla zwarć metalicznych:
xI  DI  l AB ,
(9)
xII  l AB  DII  lBC ,
(10)
xIII  l AB  lBC  DIII  lCD .
(11)
Parametryzacja zasięgów rezystancyjnych charakterystyk pomiarowych przysparza dużo
więcej problemów od parametryzacji zasięgów reaktancyjnych. Publikacji traktujących
o konkretnych metodach i wzorach parametryzacji zasięgów rezystancyjnych jest niewiele.
Dlatego, poza literaturowym sposobem parametryzacji (opisanym w podpunkcie a),
zaproponowano kilka autorskich sposobów określania zasięgów stref rezystancyjnych.
W przypadku gdy wyznaczony zasięg rezystancyjny strefy przekroczy wartość
maksymalną Rmax, należy przyjąć ją za nastawę. Proponowany dla autorskich sposobów
parametryzacji sposób wyznaczania maksymalnej nastawy zasięgu rezystancyjnego Rmax
Ocena zdolności wykrywania…
107
(rys. 4) wynika z wartości minimalnej rezystancji obciążenia Robc_min, pomniejszonej o 20%
modułu impedancji Zobc_min (stanowiąc strefę bezpieczeństwa):
Rmax  Robc_min  0, 2  Z obc_min  0,8  Z obc_min  0, 2  Z obc_min  0, 6  Z obc_min .
(12)
Minimalna rezystancja obciążenia (rys. 4), będąca częścią rzeczywistą minimalnej
impedancji obciążenia, określona dla obciążenia prądowego dopuszczalnego dla sezonu
zimowego i przyjętych dopuszczalnych współczynników mocy obciążenia wynosi
0,8Zobc_min.
Z AB
0, 2  Z obc _ min
Z obc _ min
 AB
Rmax
Robc _ min
Rys. 4. Sposób wyznaczania maksymalnej nastawy zasięgu rezystancyjnego Rmax na tle obszaru
obciążeń dopuszczalnych dla sezonu zimowego (2) i obszaru działania zabezpieczenia
odległościowego linii (1)
Fig. 4. Evaluation of the maximal resistive range of distance protection zones on impedance plane for:
limited load areas for winter season (2) and operating characteristic of line distance protection
(1)
Opracowane sposoby parametryzacji (opisane w podpunktach b  f), w znacznej części,
opierają się na określaniu zasięgów rezystancyjnych stref względem obszaru obciążeń
dopuszczalnych. Wyznaczone w ten sposób wartości mogą być większe od Rmax, pod
warunkiem że zachowana będzie określona na 20% modułu impedancji Zobc_min strefa
bezpieczeństwa względem obszaru obciążeń dopuszczalnych.
Dla określania zasięgów rezystancyjnych stref można stosować dwojakie podejście.
Pierwsze z nich polega na określaniu niezależnie nastaw dla modułów pomiarowych
międzyfazowych oraz doziemnych. Dla takiego sposobu określania zasięgu zakłada się
zazwyczaj mniejszą wartość rezystancji przejścia wykrywanych zwarć dla modułów
pomiarowych międzyfazowych. W drugim podejściu zarówno moduły pomiarowe
międzyfazowe, jak i doziemne mają te same zasięgi. W przypadku takiej parametryzacji dla
modułów pomiarowych międzyfazowych uzyskuje się zwiększenie zdolności wykrywania
zwarć pośrednich w porównaniu do pierwszego podejścia.
Zestawienie przykładowych charakterystyk pomiarowych dla opisywanych sposobów
wyznaczania zasięgów rezystancyjnych przedstawiono po opisie wszystkich sposobów
parametryzacji na rysunku 5.
108
M. Niedopytalski
a. Parametryzacja klasyczna
W dokumencie [9] przedstawiono metodę parametryzacji zabezpieczeń odległościowych
linii wykorzystywaną przez Operatora Systemu Przesyłowego (podmiot uprawniony do
wyznaczania nastawień EAZ elementów sieci o napięciu znamionowym od 110 kV do
750 kV [7], [8]). Z tego powodu metoda ta będzie traktowana jako metoda klasyczna.
W tym sposobie moduł minimalnej impedancji obciążenia dopuszczalnego wyznacza się
ze wzoru:
Z obc_min 
0,9  U n
.
3 1, 2  I dop
(13)
Maksymalna nastawa zasięgu rezystancyjnego stanowi 80% modułu minimalnej
impedancji obciążenia. Uwzględniając zastosowany kształt charakterystyk pomiarowych oraz
wartość rezystancji określaną dla przecięcia z osią rezystancji – od wyznaczonej wartości
rezystancji należy odjąć wartość wynikającą z nachylenia odcinka zasięgu rezystancyjnego
o kąt charakterystyczny linii, odpowiadający wartości (RAB1 / XAB1):
Rmax  0,8  Z obc_min  Z obc_min  1  cos 2 max 
RAB1
.
X AB1
(14)
W sposobie tym – dla modułów pomiarowych międzyfazowych – do określenia zasięgu
rezystancyjnego stref do rezystancji stanowiącej taki sam procent długości linii jak dla
zasięgu reaktancyjnego dodaje się RF = 2  jako przewidywaną rezystancję przejścia.
Dodatkowo, wartość przyjętego RF mnoży się przez współczynnik uwzględniający
dwustronne zasilanie miejsca zwarcia, którego wartość dla wszystkich stref wynosi 2, co
oznacza przyjęcie stałego stosunku prądów zwarciowych równego 1, niezależnie od miejsca
wystąpienia zwarcia. Dla wszystkich stref mnożnik ten jest taki sam, co oznacza, że nie
uwzględnia się zjawiska spływu prądu. Następnie wartość otrzymanych zasięgów
rezystancyjnych powiększana jest o 10%. Tak otrzymane wartości porównywane są
z wartością maksymalną nastawy zasięgu rezystancyjnego. W razie nachodzenia na siebie
obszarów działania i obciążeń dopuszczalnych zasięgi są zmniejszane. Dla modułów
pomiarowych doziemnych do przyjętej wartości RF dodaje się rezystancję uziemienia słupów
10 . Pozostała część procesu parametryzacji odbywa się jak dla modułów pomiarowych
międzyfazowych.
b. Stała, założona wartość RF wykrywanych zwarć na końcach stref
Sposób ten jest zbliżony do sposobu poprzedniego, jednak uwzględnia on wpływ
konfiguracji sieci na wyznaczanie zasięgu rezystancyjnego stref działania zabezpieczenia.
Taki sposób parametryzacji przyczyni się do skuteczniejszej, w stosunku do poprzedniego
sposobu parametryzacji, ochrony linii w strefach rezerwowych, w tym także końcowego
odcinka linii podstawowej. Dla takiego sposobu parametryzacji strefy działania mogą być
Ocena zdolności wykrywania…
109
znacznie odsunięte od obszaru pracy dopuszczalnej linii. Przykładowa zakładana zdolność
wykrywania zwarć pośrednich na końcach stref:

dla stref międzyfazowych: RF_LL = 4 ,

dla stref doziemnych: RF_LE = 12 .
Maksymalna nastawa zasięgu rezystancyjnego wyznaczona jest z zależności (12) i wynika z przyjętego sposobu określania minimalnej dopuszczalnej wartości modułu impedancji
obciążenia. Ze względu na zastosowany kształt stref zabezpieczenia oraz parametryzowaną
wartość rezystancji określaną dla przecięcia z osią rezystancji, od wyznaczonej wartości
należy odjąć wartość wynikającą z nachylenia zasięgu rezystancyjnego o kąt charakterystyczny linii. Wobec tego do wzoru (12) należy dodać składnik wynikający z kształtu
strefy:
Rmax  0,8  Z obc_min  0, 2  Z obc_min  Z obc_min  1  cos 2  max 
RAB1
.
X AB1
(15)
Dla nastaw zasięgów rezystancyjnych stref przekraczających wartość Rmax należy przyjąć
ją za nastawę.
Przyjmując miejsce zwarcia zgodne z wyznaczonym zasięgiem strefy I, wartość strefy
ochrony DI i ww. dane, można wyznaczyć nastawę zasięgów rezystancyjnych pierwszych
stref modułów pomiarowych międzyfazowego RI i doziemnego RIE:

Z A1 + DI  Z AB1
RI  DI  RAB1  RF _ LL  Re  1 
 Z B1 + 1 - D   Z AB1
I


R
  X I  AB1 ,
XAB1


Z A1  Z AE + DI   Z AB1  Z ABE  
R
RIE  DI  RAB1  RF _ LE  Re  1 
 X I  AB1

 Z B1 +Z BE  1 - D    Z AB1  Z ABE  
XAB1
I


(16)
(17)
gdzie:
ZA1, ZB1, ZAE, ZBE  impedancje źródeł zastępczych A i B dla składowej zgodnej i doziemne.
W wyznaczaniu zasięgów rezystancyjnych drugich stref należy wziąć pod uwagę
zarówno zjawisko spływu prądów, jak i dwustronnego zasilania miejsca zwarcia
(wynikającego z wyznaczonego zasięgu strefy II), co ujmuje zależność:

 I 
 I
I 
R
RII  RAB 1  Re  DII  Z BC1  1  B1   RF _ LL  1  B1  D1    X II  AB 1 
X AB1
 I A1 
 I A1 I A1  


 Z + Z AB 1  
 RAB 1  Re  DII  Z BC1   1  A1
 
Z B1



 Z + Z AB 1  Z A1 + Z AB 1   Z B1  DII  Z BC1   Z A1 + Z AB 1  Z B1  
R
 RF _ LL  Re 1  A1

  X II  AB1


Z B1
X AB 1
Z D1 + ZCD1  1  DII   Z BC1   Z B1


gdzie:
ZD1
 impedancja źródła zastępczego D dla składowej zgodnej.
(18)
110
M. Niedopytalski
Analogicznie do wzoru (18), uwzględniając dodatkowo składowe ziemnozwarciowe,
można wyznaczyć zasięg dla stref doziemnych o założonej zdolności wykrywania zwarć
pośrednich.
Podobne zależności do (18) opisują nastawy zasięgów rezystancyjnych stref III:

 I 
 I
I 
R
RIII  RAB1  Re   Z BC1  DIII  Z CD1   1  B1   RF _ LL  1  B1  D1    X III  AB1 
X AB 1
 I A1 
 I A1 I A1  


 Z + Z AB 1
 RAB1  Re   Z BC1  DIII  Z CD1   1  A1
Z B1


(19)

 

 Z + Z AB1  Z A1 + Z AB 1   Z B1  Z BC1  DIII  Z CD1    Z A1 + Z AB1  Z B1  
R
 RF _ LL  Re 1  A1

  X III  AB1 .


Z B1
XAB1
Z D1  1  DIII   Z CD1   Z B1


c. Stała, maksymalna wartość RF wykrywanych zwarć na końcu strefy III, wynikająca
z obszaru pracy dopuszczalnej linii
Taka parametryzacja zapewni maksymalizację wykrywania zwarć dla strefy III
(o największym zasięgu), względem której następuje określenie wartości wykrywanych
rezystancji przejścia dla zwarć na jej końcu, w połączeniu z klasycznym podejściem do
określania zasięgów.
Proces parametryzacji polega na wyznaczeniu obszaru najdalej sięgającej strefy (tak by
zapewniona była strefa bezpieczeństwa), a następnie określeniu dla niej maksymalnej rezystancji przejścia RF_obl przy zwarciu na końcu tej strefy. Parametry zasięgów dla innych stref
wyznaczane są na podstawie obliczonego RF, podobnie jak przedstawiono w podpunkcie b).

RIII  max R  f  Zobc _ min , X III
 ,
(20)
Dla tego sposobu określania zasięgów, dla wszystkich stref, zarówno dla modułów
pomiarowych doziemnych, jak i międzyfazowych, nastawy są takie same.
RIIIE  RIII .
(21)
Na podstawie przekształconej zależności (19) oraz topologii układu sieciowego (rys. 3)
obliczona zostaje maksymalna rezystancja przejścia wykrywanych zwarć na końcu III strefy:
RF _ obl


 Z + Z AB1 
RAB1
RIII  RAB1   Z BC 1  DIII  Z CD1    1  A1


  X III 
Z B1
XAB1



.
 Re
 Z +Z
 Z + Z AB1   Z B1   Z BC1  DIII  Z CD1    Z A1 +Z AB 1  Z B1  
AB 1
 A1
 1  A1


Z B1
 Z D1  1  DIII   Z CD1   Z B1


(22)
Wobec powyższego zasięgi pozostałych stref powinny być tak dobrane, by możliwa była
detekcja przez kryterium podimpedancyjne zwarć pośrednich na końcach tych stref
o rezystancji przejścia równej wyznaczonej wartości RF_obl.
Podejście takie spowoduje, że – o ile w przypadku modułów pomiarowych
międzyfazowych wzrośnie zdolność wykrywania zwarć pośrednich dla wszystkich stref, to
dla modułów pomiarowych doziemnych dla stref pierwszej i drugiej ulegnie ona ograniczeniu
Ocena zdolności wykrywania…
111
(dla trzeciej, ze względu na parametry otoczenia sieciowego i zabezpieczanej linii, może nie
ulec zmianie).
Zasięgi rezystancyjne międzyfazowych stref pierwszej i drugiej wyznaczone zostają
z wykorzystaniem zależności (16) i (18) przy założeniu zdolności wykrywania zwarć
pośrednich na końcach stref o wartości RF_obl. Z kolei zasięgi rezystancyjne stref doziemnych
I i II, zgodnie z założeniem, są równe zasięgom stref międzyfazowych:
RIIE  RII ,
(23)
RIE  RI .
(24)
d. Maksymalizacja zasięgu rezystancyjnego ostatniej strefy z utrzymaniem 10%
rozsunięcia między zasięgami rezystancyjnymi kolejnych stref
Taka parametryzacja zapewni wykrywanie zwarć pośrednich o możliwie dużej
rezystancji przejścia (dla ostatniej aktywnej strefy, względem której następuje określenie
rezystancji przejścia wykrywanych zwarć). Zdolność wykrywania zwarć pośrednich na
końcach stref jest różna (zależna od czynników fałszujących wyznaczenie impedancji)
i zmniejsza się dla stref coraz dalszych.
Proces parametryzacji polega na wyznaczeniu maksymalnego możliwego zasięgu
rezystancyjnego najdalej sięgającej strefy i musi być przy tym zapewniona strefa
rozgraniczająca (bezpieczeństwa) względem obszaru pracy dopuszczalnej chronionej linii.
Zasięg rezystancyjny każdej poprzedniej strefy określany jest jako 90% zasięgu strefy po niej
następującej.
Dla przedstawionego sposobu określania zasięgów, zarówno dla modułów pomiarowych
doziemnych, jak i międzyfazowych nastawy są takie same i wyznaczane zgodnie
z zależnościami (20), (21).
Wobec powyższego zasięgi rezystancyjne stref drugich powinny stanowić 90% wartości
zasięgu strefy trzeciej. Z kolei stref pierwszych – 90% zasięgu strefy drugiej:
RIIE  RII  0, 9  RIII ,
(25)
RIE  RI  0,9  RII .
(26)
e. Maksymalizacja zasięgu rezystancyjnego ostatniej strefy z powieleniem zasięgu dla
innych stref
Taka parametryzacja zapewni wykrywanie zwarć pośrednich o możliwie dużej
rezystancji przejścia (dla ostatniej aktywnej strefy, względem której następuje określenie
rezystancji przejścia wykrywanych zwarć). Ze względu na pokrywanie się zasięgu
rezystancyjnego stref istnieje możliwość działań nieselektywnych – np. na skutek
dynamicznych zmian impedancji związanych z przyjętym sposobem wyznaczania impedancji
pętli zwarcia i algorytmem wyznaczania składowych impedancji wyznaczonych podczas
112
M. Niedopytalski
zwarć pośrednich. Zdolność wykrywania zwarć pośrednich na końcach stref jest różna
i największa dla strefy pierwszej, a zmniejszająca się dla stref coraz dalszych.
Proces parametryzacji polega na wyznaczeniu maksymalnego możliwego zasięgu
rezystancyjnego najdalej sięgającej strefy i musi być przy tym zapewniona strefa rozgraniczająca (bezpieczeństwa) względem obszaru pracy dopuszczalnej chronionej linii. Zasięg
rezystancyjny pozostałych stref jest taki sam.
Dla przedstawionego sposobu określania zasięgów, zarówno dla modułów pomiarowych
doziemnych, jak i międzyfazowych wszystkich stref, parametry zasięgów rezystancyjnych są
takie same i wyznaczane zgodnie z nierównościami (20), (21) oraz równaniami:
RII  RIIE  RIII ,
(27)
RI  RIE  RIII .
(28)
f. Maksymalizacja zasięgów rezystancyjnych każdej ze stref z osobna
Taka parametryzacja zapewni wykrywanie zwarć pośrednich o możliwie dużej
rezystancji przejścia dla każdej strefy. Tak sparametryzowane zabezpieczenie wymaga
podobnie sparametryzowanych zabezpieczeń w ciągu liniowym. Ma to na celu zapewnienie
selektywności w przypadku wystąpienia zwarć pośrednich na odcinakach objętych ochroną
rezerwową.
Proces parametryzacji polega na niezależnym wyznaczeniu obszaru każdej ze stref, tak
by zapewniona była odpowiednio szeroka strefa rozgraniczająca (bezpieczeństwa) względem
obszaru pracy dopuszczalnej chronionej linii.
Dla przedstawionego sposobu określania zasięgów zarówno dla modułów pomiarowych
doziemnych, jak i międzyfazowych nastawy są takie same i wyznaczane zgodnie
z nierównościami (20), (21) oraz wzorami:
RII  RIIE  max R  f  Zobc _ min , X II

 max  R  f  Z
 ,
(29)
RI  RIE
 .
(30)
obc _ min
, XI
Należy zaznaczyć, że dobrane wg tego sposobu parametryzacji strefy pierwsze mogą być
przyczyną nieprawidłowego lub nieselektywnego działania zabezpieczenia odległościowego.
Jest to związane ze znaczną możliwą dynamiką zmian wektora impedancji w stanach
przejściowych oraz praktycznie brakiem opóźnienia czasowego działania tych stref.
W celu ograniczenia ewentualności zaistnienia takich sytuacji zaproponowano
zwiększenie czasu, podczas którego koniec wektora impedancji musi cały czas znajdować się
wewnątrz strefy w części stref pierwszych wykraczających poza obszar innych stref, czyli de
facto wprowadzenie dodatkowego opóźnienia dla części (lub dla całych) stref pierwszych
wykraczających poza obszar innych stref o wartości przykładowo 10 ms.
Ocena zdolności wykrywania…
113
Zestawienie przykładowych charakterystyk pomiarowych dla opisanych sposobów
wyznaczania zasięgów rezystancyjnych przedstawiono na rysunku 5.
sposób a
sposób b
sposób c
sposób d
sposób e
sposób f
Rys. 5. Charakterystyki pomiarowe dla parametryzacji zasięgów rezystancyjnych różnymi sposobami
Fig. 5. Operating characteristics of distance protection for different methods of resistive range
parameterizations
3. PODSUMOWANIE
Dla często wykorzystywanego w liniach napowietrznych WN zabezpieczenia
odległościowego przedstawione sposoby parametryzacji zasięgów rezystancyjnych można
wykorzystać do określania stref działania zabezpieczeń linii o różnych przewodach, od
których m.in. zależy położenie obszarów obciążeń dopuszczalnych, a tym samym
i ograniczenie możliwych położeń obszarów działania zabezpieczenia. W praktyce nastawy
zabezpieczeń odległościowych są stałe i niezależne od zmian obciążalności linii.
Zgodnie z opisem sposobów parametryzacji zasięgów rezystancyjnych i przedstawionymi
przykładowymi charakterystykami działania w zależności od sposobu określania zasięgów
będzie zmieniał się obszar działania poszczególnych stref, a tym samym i zdolność
wykrywania zwarć pośrednich.
Szczególnie dla sposobów parametryzacji „a” i „b” może wystąpić szeroki obszar między
charakterystykami pomiarowymi a strefą obciążeń dopuszczalnych, co sugeruje niewielką
skuteczność wykrywania zwarć pośrednich.
114
M. Niedopytalski
Dla linii wykorzystującej zintensyfikowaną zdolność przesyłową ze względu na małą
wartość modułu minimalnej dopuszczalnej impedancji obciążenia obszar możliwych działań
także jest niewielki, co może skutkować zmniejszeniem zdolności wykrywania zwarć
pośrednich. W szczególności dotyczy to stref rezerwowych.
W przypadku gdy zabezpieczenie odległościowe linii byłoby sparametryzowane
klasycznym sposobem, a zabezpieczenie odległościowe rezerwy zdalnej tej linii
sparametryzowane byłoby sposobem „f”, to zabezpieczenie rezerwowe mogłoby wykryć
zwarcie pośrednie o większej rezystancji przejścia niż zabezpieczenie podstawowe.
Prowadziłoby to do nieselektywnych wyłączeń. Dlatego taki rodzaj parametryzacji wymaga
dokładnego przeanalizowania działania automatyki zabezpieczeniowej otoczenia sieciowego.
BIBLIOGRAFIA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Praca zbiorowa: Poradnik inżyniera elektryka. wydanie 3, tom 3, WNT, Warszawa 2011.
Winkler W., Wiszniewski A.: Automatyka zabezpieczeniowa w systemach
elektroenergetycznych. WNT, Warszawa 2004.
Ziegler G.: Numerical Distance Protection. Principles and Applications. Siemens AG,
Berlin and Munich 1999.
Babś A., Samotyjak T.: Zwiększenie zdolności przesyłowych linii 110 kV poprzez
monitorowanie ich dopuszczalnego obciążenia. „Wiadomości Elektrotechniczne”,
11/2009, s. 30-34.
Halinka A., Niedopytalski M., Rzepka P., Sowa P., Szewczyk M.: Wybrane czynniki
fałszujące pomiar impedancji w zabezpieczeniach odległościowych oraz ich wpływ na
kształtowanie charakterystyk impedancyjnych. „Prace Naukowe Politechniki Śląskiej
Seria Elektryka”, 2008, z. 3 (207), s. 97-116.
Halinka A., Niedopytalski M., Sowa P., Szewczyk M.: Działanie zabezpieczeń
odległościowych w liniach WN i NN o sezonowej zmianie obciążenia dopuszczalnego.
„Automatyka Elektroenergetyczna” 2010, nr 4, s. 21-26.
Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej. Tauron Dystrybucja S.A. z dnia
01. grudnia 2008 r. Dostępy w WWW: <www.taurondystrybucja.pl/pl/o_nas/td_gze/
dok_i_ins/instrukcje_operatora-malopolska_i_slask>. [Dostęp: 17 luty 2013].
Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Przesyłowej wraz z kartami aktualizacji. Tekst
jednolity obowiązujący od dnia 1 lutego 2013 r. Dostępy w WWW: <www.pseoperator.pl/index.php?modul=10&gd=1>. [Dostęp: 17 luty 2013].
Nastawy zabezpieczenia impedancyjnego, C&C sp. j. Dostępny w WWW
<www.nxcandc.com/urzadzenia/ZCR4ETP/dtr/Nastawy_zabezpieczenia_impedancyjneg
o.pdf>. [Dostęp: 17 luty 2013].
Dr inż. Marcin NIEDOPYTALSKI
Politechnika Śląska
Wydział Elektryczny, Instytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów
ul. B. Krzywoustego 2
44-100 Gliwice
Tel. (32) 237-22-13; [email protected]