BADANIE ZABEZPIECZEŃ RÓŻNICOWYCH LINII

Transkrypt

1 ĆWICZENIE 7 BADANIE ZABEZPIECZEŃ RÓŻNICOWYCH LINII 1. WIADOMOŚCI OGÓLNE System elektroenergetyczny to złożony układ, na który składa się wiele elementów. Podstawowym zadaniem realizowanym jest dostarczenie energii do odbiorcy. Jednakże musi to zostać zrealizowane z zachowaniem pewności dostaw oraz bezpieczeństwa użytkowników i osób postronnych. Dział elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej jest niezwykle ważnym elementem składowym tego układu. Zapewnia on bezpieczeństwo systemu poprzez monitorowanie na bieżąco jego pracy, a w sytuacjach awaryjnych jest w stanie zareagować i wyeliminować zagrożenie, natomiast w stanach poawaryjnych pomaga na powrót do pracy normalnej systemu. W krajowym systemie elektroenergetycznym dominowały zabezpieczenia oparte na przekaźnikach elektromechanicznych. Wraz z modernizacją obiektów elektroenergetycznych w naszym kraju zakłady i przedsiębiorstwa sukcesywnie wymieniają je na nowoczesne zabezpieczenia cyfrowe, których największą zaletą jest ich kompleksowość. Kryterium różnicowoprądowe wykorzystywane jest do bezzwłocznego i selektywnego wyłączania zwarć wielkoprądowych. Kryterium to działa na zasadzie porównania sygnałów na początku i końcu zabezpieczanego obiektu. W tabeli 1 przedstawiono obiekty, w których stosuje się zabezpieczenia różnicowe. Tabela 1. Zakres stosowania zabezpieczeń różnicowoprądowych Lp. Obiekt Zakres stosowania Generatory synchroniczne pracujące bezpośrednio na szyny zbiorcze Generatory pracujące w układach blokowych P G > 2 MW P G 25 MW 3. Transformatory S T > 5 MVA 4. Bloki generator - transformator dla wszystkich mocy znamionowych 5. Linie elektroenergetyczne 6. Szyny zbiorcze 7. Silniki elektryczne WN ważne linie dwustronnie zasilane dla wszystkich stacji o U N 220 kv oraz w złożonych stacjach 110 kv Gdy P M > 2 MW i posiada wyprowadzenie na zewnątrz 6 końcówek uzwojenia stojana Zasada działania została wyjaśniona na podstawie rys.1. Obiekt stanowi linia elektroenergetyczna jednostronnie zasilana. Na obu końcach zabezpieczanej strefy zainstalowano przekładniki prądowe PPA oraz PPB wykorzystywane do pomiaru prądu różnicowego sterującego

2 przekaźnikiem różnicowym RI. Umiejscowienie tych przekładników wyznacza zabezpieczaną strefę. Wymaga się, aby wszystkie zwarcia wielkoprądowe występujące w tej strefie muszą zostać bezwzględnie wyłączone, innymi słowy charakteryzować się dużą wartością prądu różnicowego Id. Z kolei podczas zwarć poza strefą zabezpieczaną (przykładowo zwarcie w punkcie F1) oraz podczas pracy normalnej systemu prąd różnicowy Id powinien być bliski zeru. Rys.1. Schemat ideowy zabezpieczenia różnicowoprądowego niestabilizowanego Używając oznaczeń przedstawionych na rys.1., prądy pierwotne przekładników IpA oraz IpB i prądy wtórne IsA oraz IsB prąd różnicowy Id w przypadku zwarcia w punkcie F1 można obliczyć z następującej zależności (1). (1) W przypadku linii krótkiej, w której nie trzeba uwzględniać prądów upływu zależność IpA = IpB jest słuszna. Czyli po pominięciu prądów uchybowych przekładników prądowych prądy po stronie wtórnej IsA = IsB również są sobie równe, a więc prąd różnicowy Id ma wartość zero, zatem nie występuje wyzwolenie przekaźnika RI. Gdy zwarcie będzie miało miejsce w strefie zabezpieczonej (punkt F2) prąd zasilający zwarcie będzie płynął jedynie od stacji A, ponieważ przyjęto linię jednostronnie zasilaną. Prąd zwarciowy przepływa przez przekładnik PPA(IpB = 0). Po uwzględnieniu tej sytuacji zależność (1) przyjmie postać przedstawioną jako (2) (2) gdzie I " KA prąd zwarciowy początkowy płynący przez uzwojenie pierwotne przekładnika PPA. Oznacza to, że Id» 0. Jeśli wartość Id przekroczy wartość rozruchową przekaźnika RI spowoduje to wysłanie sygnału na wyłączenie linii. STABILIZACJA ZABEZPIECZEŃ RÓŻNICOWOPRĄDOWYCH Zabezpieczenie różnicowe niestabilizowane linii ma zastosowanie głównie dydaktyczne do przedstawienia zasady działania. W rzeczywistości prądy upływowe linii oraz prądy uchy-

3 bowe przekładników prądowych mogłyby skutkować niepotrzebnymi zadziałaniami zabezpieczenia. Aby wyeliminować te problemy wprowadzono zabezpieczenie różnicowe stabilizowane przedstawione na rysunku 2. Rys.2. Schemat ideowy zabezpieczenia różnicowego stabilizowanego W porównaniu z zabezpieczeniem różnicowym niestabilizowanym w obwodzie służącym do pomiaru prądu wprowadzono pomiar prądu stabilizującego (hamującego) Ist. W zabezpieczeniu dochodzi do porównania amplitud prądu różnicowego oraz stabilizującego i na podstawie tej operacji podejmowana jest decyzja o działaniu zabezpieczenia. Gdy zwarcie ma miejsce poza strefą chronioną (punkt F1) wartość prądu różnicowego wyznaczana jest za pomocą zależności (1), a prąd stabilizujący wyraża się zależnością (3) (3) Oznacza to, że prąd stabilizujący ma znacznie większą wartość od prądu różnicowego i zabezpieczenie nie zadziała. Gdy zwarcie wystąpi w strefie chronionej (punkt F2) prąd dopływający do zwarcia od strony SEE2 zmienia swój kierunek i zależności na prąd różnicowy i stabilizujący wyglądają następująco (4) Uwzględniając zależności przedstawione w (4) można stwierdzić, że w przypadku zwarcia w strefie chronionego obiektu prąd różnicowy będzie miał o wiele większą wartość niż prąd stabilizujący, co spowoduje zadziałanie zabezpieczenia. CHARAKTERYSTYKA DZIAŁANIA ZABEZPIECZEŃ RÓŻNICOWOPRĄDOWYCH W praktycznych rozwiązaniach używa się współczynnik stabilizacji kst, który zdefiniowany jest za pomocą wzoru (5) (5) gdzie: ΔId, ΔIst przyrosty prądów różnicowego i stabilizującego.

4 Na rysunku 4 przedstawiono charakterystykę rozruchową zabezpieczenia różnicowoprądowego stabilizowanego. Charakterystyka Id = f(ist) wyznacza obszar działania zabezpieczenia. Pole ponad charakterystyką jest obszarem działania zabezpieczenia. Rys. 4. Charakterystyka rozruchowa zabezpieczenia różnicowego stabilizowanego W zabezpieczeniu współczynnik stabilizacji może być zmieniany. Powoduje to zmianę nachylenia charakterystyki. Współczynnik jest dobierany w zależności od rodzaju chronionego obiektu. Zmiana nachylenia charakterystyki skutkuje zmianą czułości zabezpieczenia. Wiele zabezpieczeń posiada możliwość ustawienia dwóch współczynników stabilizujących i otrzymanie charakterystyki o zmieniającym się nachyleniu. W praktyce pierwsza część charakterystyki ma małe nachylenie eliminujące niedoskonałości przekładników prądowych, a przejście na bardziej stromą część charakterystyki ma za zadanie wymuszenie szybszego działania na zwarcia wielkoprądowe. 2. BADANIE ZABEZPIECZEŃ RÓŻNICOWYCH NA MODELU LINII WN W Laboratorium Zabezpieczeń Elektroenergetycznych znajduje się stanowisko do badania zabezpieczeń różnicowych linii, składające się ze stołu laboratoryjnego oraz trójfazowego modelu linii dwustronnie zasilanej. Model linii trójfazowej (rys.5), jednotorowej, dwustronnie zasilanej, o napięciu znamionowym 100V i prądzie znamionowym 5A umożliwia odtwarzanie wszelkiego rodzaju zwarć symetrycznych i niesymetrycznych, bezpośrednich i pośrednich. Dzięki zastosowaniu transformatorowego przesuwnika fazowego Tr2 oraz regulacji zaczepowej po stronie wtórnej transformatorów, możliwe jest wymuszenie obciążenia wstępnego linii w szerokim zakresie.

5 Rys.5. Widok modelu linii wysokiego napięcia Jest to model typu R, L, wykonany z pomocą dławików wieloodczepowych. Umożliwia on modelowanie zastępczych impedancji systemu zasilającego linię od strony A, impedancji systemu od strony stacji B oraz impedancji linii. Wartości reaktancji i rezystancji, odpowiadające poszczególnym zaczepom dławików modelujących zestawiono w tabeli 2. Tabela 2. Wartość reaktancji X i rezystancji R dławików modelujących

6 Liniowość charakterystyk X=f(I) dławików jest zachowana dla prądów do 30 A. Na dławikach zainstalowanych w poszczególnych fazach nastawia się impedancję składowej zgodnej, na dławiku natomiast w przewodzie zerowym nastawia się wartość określoną zależnością: (6) X = Z 0L(s) Z 1L(s) 3 gdzie: Z0l(s) impedancja linii lub systemu dla składowej zerowej. Do modelu linii należy przyłączyć przekaźniki różnicowe linii - S31, wg schematu pokazanego na rysunku 6. Rys.6. Schemat ideowy zabezpieczenia różnicowego linii z przekaźnikami typu S31 Należy przeprowadzić badania dla następujących wariantów: - dla wybranych prób zwarciowych, - dla przerwy w linii pilotowej, - dla przerwy w jednej fazie linii zabezpieczonej. Próby te należy wykonać zarówno dla linii obciążonej, jak i nieobciążonej. Wyniki badań zestawić w tabeli 3.

7 Tabela 3. Wyniki badań zabezpieczeń różnicowych linii Lp. Rodzaj zwarcia Prąd obciążenia wstępnego [A] Rp Linii pilotowej [ ] Zadziałanie przekaźnika różnicowego A B 1 3. BADANIE ZABEZPIECZENIA MICOM P543 Urządzenie wyprodukowane przez firmę Schneider Electric należy do najnowszej generacji urządzeń służących do zabezpieczania obiektów elektroenergetycznych. Przekaźnik Mi- COM P543 jest bardzo szybkim zabezpieczeniem różnicowo - prądowym służącym do zabezpieczania linii napowietrznych oraz kablowych o dwóch lub trzech końcach. Kryterium różnicowo prądowe pozwala na szybkie wykrycie oraz eliminację zwarć doziemnych i wysokooporowych. Zabezpieczenie to stworzono z myślą o sieciach ŚN i wyższych. Zabezpieczenie realizuje się poprzez umieszczenie na końcach zabezpieczanej strefy urządzeń i połączenie ich za pomocą łącza komunikacyjnego, którym jest światłowód. Poza zabezpieczeniem różnicowym zabezpieczenie oferuje również inne kryteria zabezpieczeniowe. Niewątpliwą zaletą zabezpieczeń cyfrowych jest ich możliwość obsługi i programowania za pomocą komputera. MiCOM P543 wyposażony jest w port komunikacji szeregowej oraz port RJ-45. Do obsługi zabezpieczenia służy program MiCOM Studio S1 dostępny na stronie producenta. W zależności od potrzeb do zabezpieczenia można zamówić opcjonalne zabezpieczenie odległościowe, które pozwala na ustawienie pięciu stref zabezpieczanych, wykrycie zwartej fazy. Zabezpieczenie odległościowe działa bezpiecznie dzięki decyzji kierunkowej. Dostępne są charakterystyki kołowa i poligonalna. Rys. 7. Zabezpieczenie różnicowe linii produkcji Schneider Electric

8 Zalety: Kompletne zabezpieczenie różnicowe linii Łatwa obsługa i łączenie z komputerem Programowalna logika za pomocą dostępnego w programie Studio S1 edytora logiki PSL 4 grupy nastaw zabezpieczeń Możliwa rejestracja 15 wyłączeń oraz 512 zdarzeń Rejestracja zakłóceń z liczbą 48 próbek na cykl Rys. 8. Schemat połączeń zabezpieczenia MiCOM P543 wejścia analogowe

9 Rys. 8. Schemat połączeń zabezpieczenie MiCOM P543 wyjścia przekaźnikowe Na rysunku 8 przedstawiono wejścia analogowe zabezpieczenia MiCOM P543. Zabezpieczenie posiada wejście prądowe 1 A oraz 5 A. Możliwe jest również podłączenie przekładnika Ferrantiego do badania prądu składowej zerowej. Występują również zaciski wejścia prądu do kompensacji linii dwutorowej oraz wejście służące do podłączenia przekładnika napięciowego. Rysunek 9 przedstawia oznaczenia wyjść przekaźnikowych urządzenia wraz z zaznaczeniem rodzajów styków zwiernych oraz rozwiernych.

10 KRYTERIUM RÓŻNICOWE Rys.9. Charakterystyka stabilizacji dla układów o dwóch lub trzech końcach Na rysunku 9 przedstawiono charakterystykę działania zabezpieczenia MiCOM P543. Prąd różnicowy obliczany jest jako różnica prądów wpływających i opuszczających strefę chronioną. Prąd różnicowy jest sumą wektorową prądów przepływających przez tą strefę. Prąd hamowania jest obliczany jako suma modułów prądów w każdym z końców strefy podzielona przez 2. Charakterystyka posiada punkt przegięcia zapewniający stabilizację dla zwarć zewnętrznych. Pierwsza część charakterystyki o współczynniku nachylenia k1 zapewnia odpowiednią czułość dla niewielkich zwarć. Dla większych zakłóceń zmienia się nachylenie charakterystyki o współczynniku nachylenia k2, pozwala to skompensować zjawiska wynikające z nasycania się przekładników prądowych. Sygnał wyłączenia członu różnicowo prądowego wysyłany jest również do drugiego kompletu, co zapewnia pewną eliminację zakłócenia i odłączenie zabezpieczanej strefy. Oznaczenia: Is1 nastawiony prąd pobudzenia zabezpieczenia różnicowego, k1 współczynnik nachylenia pierwszej części charakterystyki, Is2 wartość prądu hamującego od której charakterystyka zmienia swój współczynnik nachylenia na k2, K2 współczynnik nachylenia drugiej części charakterystyki.

11 Firma Schneider Electric do obsługi zabezpieczenia za pomocą komputera udostępnia program narzędziowy MiCOM Studio S1. Oprogramowanie to pozwala na konfigurację nastaw zabezpieczenia oraz pobranie rekordów zdarzeń na komputer. Studio S1 posiada również edytor logiki zabezpieczenia (PSL Editor), pozwalający na zmianę struktury logicznej w zależności od potrzeb. Połączenie konfiguruje się w następujący sposób: 1. Należy uruchomić program MiCOM Studio S1. 2. Wybrać opcję szybkiego połączenia 3. Stworzyć nowy system lub wybrać istniejący. Jest to miejsce, w którym zapisywane będą dane pobrane z urządzenia 4. Następnie należy wybrać typ urządzenia. Zabezpieczenie MiCOM P543 należy do serii Px40 Series 5. Kolejnym krokiem jest wybór sposobu połączenia. Podczas łączenia się z urządzeniem wykorzystywano przedni port komunikacji szeregowej, z komputerem łączono się przez przewód posiadający konwerter RS-485 na USB.

12 6. Należy ustawić parametry połączenia 7. Po wybraniu przycisku Zakończ w przypadku prawidłowej konfiguracji parametrów urządzenie połączy się z komputerem. KONFIGURWOANIE USTAWIEŃ ZABEZPIECZENIA Pobranie ustawień z urządzenia Po udanym połączeniu po lewej stronie głównego okna programu pojawia się w eksploratorze drzewo, z którego uzyskuje się dostęp do różnych opcji zabezpieczenia. Aby pobrać aktualne ustawienia zabezpieczenia należy prawym klawiszem myszy wybrać urządzenie, z którego pobierane będą ustawienia i wybrać opcję Pobieranie wszystkich wpisów. Po pobraniu w folderze Ustawienia utworzony zostanie plik zawierający wszystkie nastawy.

13 Wysłanie ustawień do urządzenia Po zakończeniu edycji pliku z nastawami zgodnie z potrzebami, klikając prawym klawiszem na urządzenie możemy wysłać zmienione parametry poprzez opcję Wyślij. Istnieje możliwość wysłania całego pliku, ale jest również opcja wysyłania jedynie zmienianego fragmentu pliku. Zgodnie z zaleceniami prowadzącego ustawić parametry zabezpieczenia różnicowego i wysłać je do urządzenia. Hasło umożliwiające modyfikację parametrów urządzenia AAAA.

14 Przeprowadzić badania laboratoryjne dla różnych typów zwarć z zmieniając również miejsce zwarcia.