Zabezpieczenia ziemnozwarciowe w sieciach SN
Transkrypt
Zabezpieczenia ziemnozwarciowe w sieciach SN
Zabezpieczenia ziemnozwarciowe w sieciach SN Zagadnienia ogólne dr inż. Andrzej Juszczyk AREVA T&D sp. z o.o. Zabezpieczenia ziemnozwarciowe. Zagadnienia ogólne. e-mail: [email protected] Zabezpieczenia ziemnozwarciowe w sieciach SN Ze względu na kryteria działania zabezpieczenia ziemnozwarciowe można podzielić na następujące typy: - zabezpieczenia nadprądowe - zabezpieczenia kierunkowe - zabezpieczenia admitancyjne Najnowszymi zabezpieczeniami w powyższej grupie są zabezpieczenia admitancyjne, które zostały opracowane do eliminacji zwarć doziemnych dla najmniej korzystnego sposobu uziemienia punktu gwiazdowego sieci – uziemienia poprzez cewkę Petersena. W tym sposobie uziemienia kryteria kierunkowe i mocowe nie są w stanie w pełni selektywnie eliminować zwarcia doziemne. Zabezpieczenia admitancyjne znalazły zastosowanie również w sieci izolowanej oraz uziemionej przez rezystor. Decydujący wpływ na wybór oraz skuteczność działania zabezpieczeń ziemnozwarciowych ma rodzaj uziemienia punktu gwiazdowego sieci. 1. Sposoby uziemienia punktu gwiazdowego sieci SN: – – – – izolowany punkt gwiazdowy sieć kompensowana punkt gwiazdowy sieci uziemiony przez rezystor mieszany układ: rezystor + cewka Petersena 1.2 Cechy i własności rodzajów typu sieci: Zalety sieci izolowanej: – – – brak dodatkowej aparatury związanej z lokalizacją zwarć doziemnych stosunkowo dobra lokalizacja zwarć doziemnych przez zabezpieczenia kierunkowe mała wrażliwość na zwarcia oporowe Wady sieci izolowanej: – – duży współczynnik przepięć podczas doziemień (3.5-4.5) duża tendencja do zwarć z łukiem przerywanym, duże prądy zwarć doziemnych (konieczność działania na wyłącz) Zalety sieci kompensownej: – – – – średnia wrażliwość na zwarcia oporowe możliwość pracy przy doziemieniu (prądy doziemne ograniczane są przez kompensację) brak konieczności uzyskania niskiej wartości uziemień w sieci, mniejsza tendencja do zwarć z łukiem przerywanym, 1/111 Wady sieci kompensowanej: – – – konieczność stosowania dodatkowej aparatury związanej z lokalizacją zwarć doziemnych (wymuszanie) średni współczynnik przepięć podczas doziemień (poniżej 3) bardzo zła lokalizacja zwarć doziemnych przez zabezpieczenia kierunkowe, Zalety sieci uziemionej przez rezystor: – – – mały współczynnik przepięć podczas doziemień (poniżej 2.5) mniejsza tendencja do zwarć z łukiem przerywanym, dość dobra lokalizacja zwarć doziemnych przez zabezpieczenia kierunkowe, Wady sieci uziemionej przez rezystor: – – – – – duża wrażliwość na zwarcia oporowe, konieczność uzyskania niskiej wartości uziemień w sieci, konieczność stosowania dodatkowej aparatury związanej z lokalizacją zwarć doziemnych (rezystor) brak możliwości pracy przy doziemieniu brak możliwości pracy awaryjnej z innymi typami sieci. 2. Punkt gwiazdowy sieci uziemiony przez cewkę Petersena. Przy takim sposobie uziemienia sieci, prąd pojemnościowy, będący źródłem prądu ziemnozwarciowego jest kompensowany poprzez cewkę Petersena. Przy idealnej kompensacji prąd doziemny w linii doziemionej równa się zero. W związku z tym przy takim sposobie uziemienia dodatkowo wymusza się przepływ prądu czynnego, poprzez załączenie na stałe, lub na określony czas rezystora, przyłączonego do punktu gwiazdowego sieci. Prąd czynny wymuszany przez rezystor jest źródłem informacji o doziemieniu w linii. 2.1 Przyczyny złej selektywności zabezpieczeń Przyczynami złego działania dotychczasowych kryteriów ziemnozwarciowych w sieci uziemionej poprzez cewkę Petersena, są: - algorytmy pomiarowe, które nie uwzględniają dużej zawartości harmonicznych w prądzie ziemnozwarciowym, oraz przebiegów nieustalonych związanych z ładowaniem się pojemności faz zdrowych, oraz rozładowanie się pojemności fazy doziemionej. Prądy związane ze stanami nieustalonymi mogą osiągać, w zależności od parametrów sieci, wartości rzędu kiloamperów, i częstotliwości rzędu kilku kiloherców. - Błędy kątowe filtrów składowej zerowej, wynikające z klasy przekładników, oraz wpływu stanów nieustalonych (nasycanie się rdzenia) i zwarć łukowych na dodatkowe błędy kątowe filtru składowej zerowej. - Zwarcia z łukiem przerywanym, które podczas kolejnych zapłonów generują stany nieustalone, oraz powodują odwzbudzanie się, w tradycyjnych zabezpieczeniach, członów czasowych zabezpieczenia ziemnozwarciowego. - Zwarcia oporowe. - Zła kierunkowość w obwodach wtórnych napięcia składowej zerowej oraz filtru składowej zerowej. 2.2 Stosowane kryteria ziemnozwarciowe dla tego typu sieci: - zabezpieczenie nadprądowe kierunkowe czynnomocowe, Zabezpieczenie admitancyjne Go konduktancyjne bezkierunkowe Zabezpieczenie admitancyjne Yo bezkierunkowe 2/111 Cechy i własności kryteriów: - Zabezpieczenie nadprądowe kierunkowe czynnomocowe: – – – – – – - wyłączenia towarzyszące - zła selektywność należy odstroić się od uchybów prądowych przy zwarciu metalicznym, mniej wrażliwe na zwarcia oporowe trudniejsza lokalizacja przy zwarciach łukowych konieczność fazowania obwodów pomiarowych I0 i U0 Zabezpieczenie admitancyjne Go konduktancyjne bezkierunkowe – – – – – – - kąt maksymalnej czułości: 0° zabezpieczenie podstawowe wysoka nastawa przy bardzo dużej czułości działania ograniczonej jedynie progiem Uo należy odstroić się od uchybów, nie wrażliwe na zwarcia oporowe skuteczna lokalizacja przy zwarciach łukowych brak konieczności fazowania obwodów pomiarowych I0 i U0 Zabezpieczenie admitancyjne Yo bezkierunkowe – – – – – zabezpieczenie rezerwowe należy odstroić się od pojemności własnej linii, nie wrażliwe na zwarcia oporowe proste obliczeniowo i skuteczne kryterium działa w przypadku przekompensowania lub susceptancji pojemnościowej własnej mniejszej od admitancji wymuszanej przez rezystor 2.3 Zabezpieczenie admitancyjne Go> w sieci kompensowanej W celu ograniczenia wpływu powyższych zjawisk na selektywność działania zabezpieczeń ziemnozwarciowych opracowano nowe kryterium ziemnozwarciowe: Go. Podstawowym kryterium dla tej sieci jest kryterium konduktancyjne. Zabezpieczenie konduktancyjne ( i – tej linii) reaguje na wartość konduktancji zerowej G0 i , która jest określona zależnością: G0 i = 3 ⋅ I0 ⋅ cos ϕ 0 3 ⋅ U0 (1) Warunek zadziałania tego zabezpieczenia opisują nierówności: G0 i ≥ G 0 r (2) oraz U 0 ≥ U 0 PR , Nastawa : (3) U 0 PR powinna być tak dobrana, ażeby próg rozruchowy był odstrojony od naturalnego napięcia asymetrii pojemnościowej sieci 3/111 Dla prawidłowego doboru G0 r ≥ G0 r powinny być spełnione następujące warunki: I Cz i + I µ F ϑ F Uo ⋅ 3 ⋅ U F S ϑ F Io (4) 1 I Cz R ϑF Uo ⋅ ⋅ k b 3 ⋅ U F S ϑF Io (5) oraz: G0 r ≤ oraz U 0 PR ≥ U 0 NP (6) gdzie: G0 r - konduktancja rozruchowa, nastawiona na przekaźniku, I Cz i - pierwotna wartość składowej czynnej prądu ziemnozwarciowego własnego i-tego odpływu (prąd wynikający z upływności i-tej linii); I µ F - pierwotna wartość prądu uchybowego o charakterze czynnym filtru składowej zerowej prądu, wygenerowana podczas przepływu prądu pojemnościowego własnego całego zabezpieczanego ciągu liniowego (Największy wpływ na prąd uchybowy mają uchyby kątowe filtru składowej zerowej). U 0 PR - próg rozruchowy napięciowy ustawiony w przekaźniku poniżej którego kryterium admitancyjne jest blokowane. I CzR - pierwotna wartość prądu czynnego wymuszanego przez dodatkowy rezystor włączony w punkt gwiazdowy sieci. ϑ F Uo - przekładnia filtru składowej zerowej napięcia ϑ F Io - przekładnia filtru składowej zerowej prądu dla i-tego odpływu. k b - współczynnik bezpieczeństwa, gdzie: k b ≥ 1,5 U 0 NP - naturalne napięcie niesymetrii pojemnościowej sieci (największa wartość napięcia punktu zerowego sieci względem ziemi podczas normalnej pracy sieci) 4/111 Charakterystyki rozruchowe zabezpieczenia konduktancyjnego: Charakterystyki rozruchowe zabezpieczenia konduktancyjnego mogą być kierunkowe lub bezkierunkowe. Podstawową opcją jest charakterystyka bezkierunkowa. W przypadku, gdy wybrana jest opcja bezkierunkowa nie ma potrzeby fazować obwodów prądowych i napięciowych. Charakterystyka rozruchowa przekaźnika konduktancyjnego Go dla opcji bezkierunkowej: jBo Obszar działania Obszar działania Obszar braku działania Obszar braku działania Obszar braku działania Obszar braku działania Obszar działania Obszar działania Go Charakterystyka rozruchowa przekaźnika konduktancyjnego Go dla opcji kierunkowej: jBo Obszar braku działania Obszar braku działania Obszar braku działania Obszar braku działania Obszar działania Obszar działania 5/111 Go Nastawa zabezpieczenia konduktancyjnego: Zgodnie z równaniem (5) dla przekładni ϑ F Io ≤ 120 / 1 [ A / A] , prądu czynnego wymuszanego przez rezystor Nastawa I CzR ≥ 15 A , współczynniku bezpieczeństwa k b = 1.5 nastawa G0 r = 0.8 [mS ] G0 r = 0.8 [mS ] jest w większości przypadków bezpieczną nastawą z punktu widzenia równana (4) dla przekładnika Ferrantiego, stąd nawet przy wymuszaniu przez rezystor większych wartości prądu czynnego – nastawa ta może pozostać niezmieniona ( jest to nastawa fabryczna). Dla układu Holgreena najczęściej wystarczającą nastawą jest 2mS, jednak w tym przypadku należy sprawdzić warunek czułości równanie (5), gdyż przy takim filtrze składowej zerowej przekładnia prądowa może zmieniać się w bardzo szerokim zakresie. W przypadku nie spełnienia równania (4) należy wybrać jedną z trzech dróg: - zwiększyć nastawę G0 r , sprawdzając warunek czułości (równanie (5)), - wybrać opcję zabezpieczenia konduktancyjnego jako zabezpieczenie kierunkowe, wprowadzić w menu korekcję uchybu kątowego filtru składowej zerowej. Zbyt duża wartość korekcji kątowej może spowodować, w opcji bezkierunkowej zadziałania kryterium na skutek ujemnej wartości G0 , spowodowanej uchybem kątowym, wynikającym z korekcji kątowej. Zwarcia z łukiem przerywanym: Algorytmy zabezpieczenia skonstruowano tak, aby mogły działać selektywnie podczas zwarć z łukiem przerywanym. Zwiększenie współczynnika bezpieczeństwa k b , powoduje zwiększenie odporności na zaniki składowej zerowej podczas zwarć z łukiem przerywanym. Zwarcia oporowe a uchyby kątowe filtru składowej zerowej: Nastawa G0 r = 0.8 [mS ] oznacza, że przy zwarciu metalicznym, w przypadku, gdy przekładnia napięciowa dla składowej zerowej napięcia jest tak dobrana, iż po stronie wtórnej napięcie 3Uo wynosi 100V, zabezpieczenie konduktancyjne zadziała przy prądzie składowej czynnej równemu 80mA po stronie wtórnej filtru składowej zerowej prądu. Jest to wysoka nastawa zapewniająca odstrojenie się od prądów uchybowych filtrów składowej zerowej prądu. W przypadku gdy zwarcie oporowe obniży napięcie do poziomu 10V po stronie wtórnej filtru składowej zerowej napięcia - zabezpieczenie konduktancyjne zadziała przy prądzie składowej czynnej równemu 8mA po stronie wtórnej filtru składowej zerowej prądu, zapewniając wysoką czułość działania dla zwarć oporowych. Czułość działania ograniczona jest więc jedynie progiem rozruchowym napięciowym dla składowej zerowej (równanie (3)). Typowa nastawa dla sieci uziemionej przez cewkę Petersena wynosi po stronie wtórnej filtru składowej napięcia: U 0 PR = 5V . Bardzo częstymi zwarciami na liniach napowietrznych w Zakładach Energetycznych są zwarcia z napięciem ok. 10V. 2.4 Zabezpieczenie admitancyjne Yo> w sieci kompensowanej Dodatkowo przy uziemieniu sieci poprzez cewkę Petersena, można ustawić dodatkowe rezerwowe kryterium ziemnozwarciowe – kryterium admitancyjne Y0 . Kryterium to pełni funkcję rezerwową w przypadku uszkodzenia się rezystora uziemiającego, a ma szansę działać w przypadku przekompensowania lub niedokompensowania sieci poprzez cewkę Petersena. Zabezpieczenie admitancyjne ( i – tej linii) reaguje na wartość admitancji zerowej Y0 i , która jest określona zależnością: Y0 i = I0 U0 (7) Warunek zadziałania tego zabezpieczenia opisują nierówności: 6/111 Y0 i ≥ Y0 r oraz U 0 ≥ U 0 PR , Nastawa : (8, 9) U 0 PR powinna być tak dobrana, ażeby próg rozruchowy był odstrojony od naturalnego napięcia asymetrii pojemnościowej sieci Dla prawidłowego doboru Y0 r powinny być spełnione następujące warunki: Y0 r ≥ k b ⋅ I CW i 3 ⋅UF S ⋅ ϑ F Uo ϑ F Io (10) oraz U 0 PR ≥ U 0 NP (11) gdzie: Y0 r - admitancja rozruchowa, nastawiona na przekaźniku, I CW i - pierwotna wartość prądu ziemnozwarciowego własnego i-tego odpływu (prąd wynikający z upływności oraz pojemności i-tej linii), k b = 2 - współczynnik bezpieczeństwa pozostałe parametry jak w kryterium konduktancyjnym. Charakterystyka rozruchowa zabezpieczenia admitancyjnego jest bezkierunkowa jBo Obszar działania Obszar działania Obszar braku działania Obszar braku działania Obszar braku działania Obszar braku działania Obszar działania Go Obszar działania 3. Punkt gwiazdowy sieci uziemiony przez rezystor. Przy takim sposobie uziemienia sieci, prąd pojemnościowy, będący źródłem prądu ziemnozwarciowego jest powiększony o składową czynną wprowadzaną przez rezystor uziemiający. - Przy takim sposobie uziemienia możliwe jest zastosowanie takich samych kryteriów co przy cewce Petersena: Go> Yo> zabezpieczenie nadprądowe Io>. Nastawa Go> może być tak samo nastawiona jak dla sieci kompensowanej, jednak w tym przypadku można zastosować większy współczynnik bezpieczeństwa. Podobnie w przypadku Yo>. Oba kryteria są bardzo ważne w przypadku występowania zwarć oporowych, i z łukiem przerywanym. 7/111 Ze względu na tłumienie asymetrii pojemnościowej na skutek dołączonego rezystora, poziom progu rozruchowego napięciowego może zostać obniżony – w stosunku do sieci kompensowanej. Typową nastawą jest U 0 PR = 2V . Dodatkowo zaleca się zastosowanie zabezpieczenia nadprądowego bezkierunkowego Io>. Zabezpieczenie to musi być odstrojone od prądów pojemnościowych własnych linii. Zabezpieczenie to mało czułe na zwarcia oporowe, stanowi rezerwę zabezpieczeń admitancyjnych w przypadku awarii w obwodach wtórnych Uo (np. przepalenie się bezpiecznika po stronie wtórnej filtru składowej zerowej napięcia). 4. Izolowany punkt gwiazdowy sieci. Przy takim sposobie uziemienia sieci, prąd pojemnościowy w linii uszkodzonej jest równy sumie prądów pojemnościowych własnych linii zdrowych. 4.1 Przyczyny złej selektywności zabezpieczeń w sieci izolowanej Przyczynami złego działania dotychczasowych kryteriów ziemnozwarciowych w sieci izolowanej, są: - algorytmy pomiarowe, które nie uwzględniają dużej zawartości harmonicznych w prądzie ziemnozwarciowym, oraz przebiegów nieustalonych związanych z ładowaniem się pojemności faz zdrowych, oraz rozładowanie się pojemności fazy doziemionej. Prądy związane ze stanami nieustalonymi mogą osiągać, w zależności od parametrów sieci, wartości rzędu kiloamperów, i częstotliwości rzędu kilku kiloherców. - Błędy kątowe filtrów składowej zerowej, wynikające z wpływu stanów nieustalonych (nasycanie się rdzenia) i zwarć łukowych na dodatkowe błędy kątowe filtru składowej zerowej. - Zwarcia z łukiem przerywanym, które podczas kolejnych zapłonów generują stany nieustalone, oraz powodują odwzbudzanie się, w tradycyjnych zabezpieczeniach, członów czasowych zabezpieczenia ziemnozwarciowego. - Zwarcia oporowe. - Zła kierunkowość w obwodach wtórnych napięcia składowej zerowej oraz filtru składowej zerowej. - Zły montaż przekładników Ferrantiego 4.2 Kryteria zabezpieczeniowe - Przy takim sposobie uziemienia możliwe jest zastosowanie następujących kryteriów: Bo> - podstawowe kryterium admitancyjne - kierunkowe zabezpieczenie susceptancyjne, Yo> - rezerwowe kryterium admitancyjne - bezkierunkowe zabezpieczenie admitancyjne, Kierunkowe biernomocowe, Nadprądowe Io> bezkierunkowe 4.3 Cechy i własności kryteriów: - Zabezpieczenie nadprądowe Io> bezkierunkowe – – – – - konieczność odstrojenia się od prądów pojemności własnej linii wrażliwość na zwarcia oporowe proste obliczeniowo i skuteczne kryterium sens stosowania gdy Icw< (1/3• ΣIc) Yo> - bezkierunkowe zabezpieczenie admitancyjne, – – – – należy odstroić się od pojemności własnej linii, nie wrażliwe na zwarcia oporowe proste obliczeniowo i skuteczne kryterium sens stosowania gdy Icw< (1/3• ΣIc) 8/111 - Kierunkowe biernomocowe, – – – – – - kąt maksymalnej czułości: 90° należy odstroić się od uchybów prądowych przy zwarciu metalicznym, mniej wrażliwe na zwarcia oporowe trudniejsza lokalizacja przy zwarciach łukowych konieczność fazowania obwodów pomiarowych I0 i U0 Bo> - kierunkowe zabezpieczenie susceptancyjne, – – – – – kąt maksymalnej czułości: 90° należy odstroić się od uchybów, nie wrażliwe na zwarcia oporowe skuteczna lokalizacja przy zwarciach łukowych konieczność fazowania obwodów pomiarowych I0 i U0 4.4 Zabezpieczenie kierunkowe biernomocowe Podstawowym kryterium stosowanym przy tego typu sieci jest kryterium kierunkowe biernomocowe I _ biern 0 r = 3 ⋅ I 0 ⋅ sin ϕ 0 Warunek zadziałania tego zabezpieczenia opisują nierówności: I _ biern 0i ≥ I _ biern 0 r (12) oraz U 0 ≥ U 0 PR , (13) Nastawa powinna być większa od możliwych uchybów związanych ze zwarciami łukowymi, uchybami filtrów składowej zerowej, itp. 4.5 Zabezpieczenie kierunkowe admitancyjne Bo (susceptancyjne) Podstawowym kryterium admitancyjnym dla tej sieci jest kryterium susceptancyjne Bo>. Zabezpieczenie konduktancyjne ( i – tej linii) reaguje na wartość konduktancji zerowej B 0 i , która jest określona zależnością: B0i = 3 ⋅ I0 ⋅ sin ϕ 0 3 ⋅U0 (14) Ze względu na kierunkowy charakter kryterium - Bo> odstrojone powinno być jedynie od uchybów filtru składowej zerowej. Warunek zadziałania tego zabezpieczenia opisują nierówności: B0i ≥ B0r (15) oraz U 0 ≥ U 0 PR , Nastawa : (16) U 0 PR powinna być tak dobrana, ażeby próg rozruchowy był odstrojony od naturalnego napięcia asymetrii pojemnościowej sieci 9/111 Dla prawidłowego doboru B0 r ≥ Iµ bF 3 ⋅ UF S ⋅ B 0 r powinny być spełnione następujące warunki: ϑF Uo ϑF Io (17) oraz: B0 r ≤ Io s ϑ F Uo 1 ⋅ ⋅ k b 3 ⋅ U F S ϑ F Io (18) oraz B0 r ≥ I o MIN U O PR oraz U 0 PR ≥ U 0 NP (19) gdzie: B 0 r - susceptancja rozruchowa, nastawiona na przekaźniku, I o s - pierwotna wartość prądu ziemnozwarciowego widziana przez filtr składowej zerowej w i-tym odpływie; I µ b F - pierwotna wartość prądu uchybowego o charakterze biernym filtru składowej zerowej prądu, wygenerowana podczas przepływu prądu pojemnościowego własnego całego zabezpieczanego ciągu liniowego (Największy wpływ na prąd uchybowy mają uchyby kątowe filtru składowej zerowej). U 0 PR - próg rozruchowy napięciowy ustawiony w przekaźniku poniżej którego kryterium admitancyjne jest blokowane. I o MIN - minimalny prąd ziemnozwarciowy dla przekaźnika: dla przekładnika Ferrantiego – 3mA, dla układu Holmgreena – 25mA (prąd na zaciskach przekaźnika). ϑ F Uo - przekładnia filtru składowej zerowej napięcia ϑ F Io - przekładnia filtru składowej zerowej prądu dla i-tego odpływu. k b - współczynnik bezpieczeństwa, gdzie: k b ≥ 3 U 0 NP - naturalne napięcie niesymetrii pojemnościowej sieci (największa wartość napięcia punktu zerowego sieci względem ziemi podczas normalnej pracy sieci) Charakterystyki rozruchowe zabezpieczenia susceptancyjnego: jBo Obszar działania Obszar działania Obszar braku działania Obszar braku działania Obszar braku działania Obszar braku działania 10/111 Go 4.6 Zabezpieczenie admitancyjne Yo> w sieci izolowanej. Kryterium Yo> należy nastawiać jak dla sieci z cewką Petersena, jednak kryterium to ma sens działania w przypadku spełnienia nierówności: Y0 r ≤ Io ϑ F Uo 1 ⋅ ⋅ 3 3 ⋅ U F S ϑ F Io (20) gdzie: I o - prąd pojemnościowy całej sieci. 11/111 Schneider Electric Energy Poland Sp. z o.o. Zakład Automatyki i Systemów Elektroenergetycznych 58-160 Świebodzice, ul. Strzegomska 23/27 Tel. +48 (74) 854 84 10, Fax +48 (74) 854 86 98 www.schneider-electric.com www.schneider-electric.pl