Zabezpieczenia ziemnozwarciowe w sieciach SN. Zagadnienia ogólne

Transkrypt

1 Zaezpieczenia ziemnozwarciowe w sieciach SN Zagadnienia ogólne

2 dr inż. Andrzej Juszczyk AREVA T&D sp. z o.o. Zaezpieczenia ziemnozwarciowe. Zagadnienia ogólne. andrzej.juszczyk@areva-td.com Zaezpieczenia ziemnozwarciowe w sieciach SN Ze względu na kryteria zaezpieczenia ziemnozwarciowe można podzielić na następujące typy: - zaezpieczenia nadprądowe - zaezpieczenia kierunkowe - zaezpieczenia admitancyjne Najnowszymi zaezpieczeniami w powyższej grupie są zaezpieczenia admitancyjne, które zostały opracowane do eliminacji zwarć doziemnych dla najmniej korzystnego sposou uziemienia punktu gwiazdowego sieci uziemienia poprzez cewkę Petersena. W tym sposoie uziemienia kryteria kierunkowe i mocowe nie są w stanie w pełni selektywnie eliminować zwarcia doziemne. Zaezpieczenia admitancyjne znalazły zastosowanie również w sieci izolowanej uziemionej przez rezystor. Decydujący wpływ na wyór skuteczność zaezpieczeń ziemnozwarciowych ma rodzaj uziemienia punktu gwiazdowego sieci. 1. Sposoy 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: rak dodatkowej aparatury związanej z lokalizacją zwarć doziemnych stosunkowo dora lokalizacja zwarć doziemnych przez zaezpieczenia kierunkowe mała wrażliwość na zwarcia oporowe Wady sieci izolowanej: duży współczynnik przepięć podczas doziemień ( ) duża tendencja do zwarć z łukiem przerywanym, duże prądy zwarć doziemnych (konieczność na wyłącz) Zalety sieci kompensownej: średnia wrażliwość na zwarcia oporowe możliwość pracy przy doziemieniu (prądy doziemne ograniczane są przez kompensację) rak konieczności uzyskania niskiej wartości uziemień w sieci, mniejsza tendencja do zwarć z łukiem przerywanym, 1/111

3 Wady sieci kompensowanej: konieczność stosowania dodatkowej aparatury związanej z lokalizacją zwarć doziemnych (wymuszanie) średni współczynnik przepięć podczas doziemień (poniżej 3) ardzo zła lokalizacja zwarć doziemnych przez zaezpieczenia kierunkowe, Zalety sieci uziemionej przez rezystor: mały współczynnik przepięć podczas doziemień (poniżej 2.5) mniejsza tendencja do zwarć z łukiem przerywanym, dość dora lokalizacja zwarć doziemnych przez zaezpieczenia 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) rak możliwości pracy przy doziemieniu rak możliwości pracy awaryjnej z innymi typami sieci. 2. Punkt gwiazdowy sieci uziemiony przez cewkę Petersena. Przy takim sposoie uziemienia sieci, prąd pojemnościowy, ędący 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 sposoie uziemienia dodatkowo wymusza się przepływ prądu czynnego, poprzez załączenie na stałe, lu 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 zaezpieczeń Przyczynami złego dotychczasowych kryteriów ziemnozwarciowych w sieci uziemionej poprzez cewkę Petersena, są: - algorytmy pomiarowe, które nie uwzględniają dużej zawartości harmonicznych w prądzie ziemnozwarciowym, przeiegów nieustalonych związanych z ładowaniem się pojemności faz zdrowych, 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, wpływu stanów nieustalonych (nasycanie się rdzenia) i zwarć łukowych na dodatkowe łędy kątowe filtru składowej zerowej. - Zwarcia z łukiem przerywanym, które podczas kolejnych zapłonów generują stany nieustalone, powodują odwzudzanie się, w tradycyjnych zaezpieczeniach, członów czasowych zaezpieczenia ziemnozwarciowego. - Zwarcia oporowe. - Zła kierunkowość w owodach wtórnych napięcia składowej zerowej filtru składowej zerowej. 2.2 Stosowane kryteria ziemnozwarciowe dla tego typu sieci: - zaezpieczenie nadprądowe kierunkowe czynnomocowe, - Zaezpieczenie admitancyjne Go konduktancyjne ezkierunkowe - Zaezpieczenie admitancyjne Yo ezkierunkowe 2/111

4 Cechy i własności kryteriów: - Zaezpieczenie nadprądowe kierunkowe czynnomocowe: kąt maksymalnej czułości: wyłączenia towarzyszące - zła selektywność należy odstroić się od uchyów prądowych przy zwarciu metalicznym, mniej wrażliwe na zwarcia oporowe trudniejsza lokalizacja przy zwarciach łukowych konieczność fazowania owodów pomiarowych i U - Zaezpieczenie admitancyjne Go konduktancyjne ezkierunkowe zaezpieczenie podstawowe wysoka nastawa przy ardzo dużej czułości ograniczonej jedynie progiem Uo należy odstroić się od uchyów, nie wrażliwe na zwarcia oporowe skuteczna lokalizacja przy zwarciach łukowych rak konieczności fazowania owodów pomiarowych i U - Zaezpieczenie admitancyjne Yo ezkierunkowe zaezpieczenie rezerwowe należy odstroić się od pojemności własnej linii, nie wrażliwe na zwarcia oporowe proste oliczeniowo i skuteczne kryterium działa w przypadku przekompensowania lu susceptancji pojemnościowej własnej mniejszej od admitancji wymuszanej przez rezystor 2.3 Zaezpieczenie admitancyjne Go> w sieci kompensowanej W celu ograniczenia wpływu powyższych zjawisk na selektywność zaezpieczeń ziemnozwarciowych opracowano nowe kryterium ziemnozwarciowe: Go. Podstawowym kryterium dla tej sieci jest kryterium konduktancyjne. Zaezpieczenie konduktancyjne ( i tej linii) reaguje na wartość konduktancji zerowej zależnością: 3 G i = cos 3 U ϕ Warunek za tego zaezpieczenia opisują nierówności: G G i r G i, która jest określona (2) U U PR (3) Nastawa : U powinna yć tak dorana, ażey próg rozruchowy ył odstrojony od naturalnego napięcia PR asymetrii pojemnościowej sieci (1) 3/111

5 Dla prawidłowego dooru G r + Cz i 3 U µ F F S G r powinny yć spełnione następujące warunki: (4) : G r 1 k 3 U Cz R F S (5) U U PR NP (6) gdzie: G r - konduktancja rozruchowa, nastawiona na przekaźniku, - pierwotna wartość składowej czynnej prądu ziemnozwarciowego własnego i-tego odpływu (prąd Cz i wynikający z upływności i-tej linii); µ - pierwotna wartość prądu uchyowego o charakterze czynnym filtru składowej zerowej prądu, F wygenerowana podczas przepływu prądu pojemnościowego własnego całego zaezpieczanego ciągu liniowego (Największy wpływ na prąd uchyowy mają uchyy kątowe filtru składowej zerowej). U PR lokowane. CzR - próg rozruchowy napięciowy ustawiony w przekaźniku poniżej którego kryterium admitancyjne jest - pierwotna wartość prądu czynnego wymuszanego przez dodatkowy rezystor włączony w punkt gwiazdowy sieci. - przekładnia filtru składowej zerowej napięcia - przekładnia filtru składowej zerowej prądu dla i-tego odpływu. k - współczynnik ezpieczeństwa, gdzie: 1, 5 U NP k - naturalne napięcie niesymetrii pojemnościowej sieci (największa wartość napięcia punktu zerowego sieci względem ziemi podczas normalnej pracy sieci) 4/111

6 Charakterystyki rozruchowe zaezpieczenia konduktancyjnego: Charakterystyki rozruchowe zaezpieczenia konduktancyjnego mogą yć kierunkowe lu ezkierunkowe. Podstawową opcją jest charakterystyka ezkierunkowa. W przypadku, gdy wyrana jest opcja ezkierunkowa nie ma potrzey fazować owodów prądowych i napięciowych. Charakterystyka rozruchowa przekaźnika konduktancyjnego Go dla opcji ezkierunkowej: jbo Go Charakterystyka rozruchowa przekaźnika konduktancyjnego Go dla opcji kierunkowej: jbo Go 5/111

7 Nastawa zaezpieczenia konduktancyjnego: przez rezystor 12 A A Zgodnie z równaniem (5) dla przekładni /1 [ / ], prądu czynnego wymuszanego CzR 15A, współczynniku ezpieczeństwa k = 1. 5 nastawa G.8 [ ms] r = G.8 [ ms r = jest w większości przypadków ezpieczną nastawą z punktu widzenia równana (4) Nastawa ] dla przekładnika Ferrantiego, stąd nawet przy wymuszaniu przez rezystor większych wartości prądu czynnego nastawa ta może pozostać niezmieniona ( jest to nastawa faryczna). 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 ardzo szerokim zakresie. W przypadku nie spełnienia równania (4) należy wyrać jedną z trzech dróg: - zwiększyć nastawę G, sprawdzając warunek czułości (równanie (5)), r - wyrać opcję zaezpieczenia konduktancyjnego jako zaezpieczenie kierunkowe, - wprowadzić w menu korekcję uchyu kątowego filtru składowej zerowej. Zyt duża wartość korekcji kątowej może spowodować, w opcji ezkierunkowej za kryterium na skutek ujemnej wartości G, spowodowanej uchyem kątowym, wynikającym z korekcji kątowej. Zwarcia z łukiem przerywanym: Algorytmy zaezpieczenia skonstruowano tak, ay mogły działać selektywnie podczas zwarć z łukiem przerywanym. Zwiększenie współczynnika ezpieczeństwa podczas zwarć z łukiem przerywanym. k, powoduje zwiększenie odporności na zaniki składowej zerowej Zwarcia oporowe a uchyy kątowe filtru składowej zerowej: Nastawa G.8 [ ms] r = oznacza, że przy zwarciu metalicznym, w przypadku, gdy przekładnia napięciowa dla składowej zerowej napięcia jest tak dorana, iż po stronie wtórnej napięcie 3Uo wynosi 1V, zaezpieczenie konduktancyjne zadziała przy prądzie składowej czynnej równemu 8mA po stronie wtórnej filtru składowej zerowej prądu. Jest to wysoka nastawa zapewniająca odstrojenie się od prądów uchyowych filtrów składowej zerowej prądu. W przypadku gdy zwarcie oporowe oniży napięcie do poziomu 1V po stronie wtórnej filtru składowej zerowej napięcia - zaezpieczenie konduktancyjne zadziała przy prądzie składowej czynnej równemu 8mA po stronie wtórnej filtru składowej zerowej prądu, zapewniając wysoką czułość dla zwarć oporowych. Czułość 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 PR = 5V. Bardzo częstymi zwarciami na liniach napowietrznych w Zakładach Energetycznych są zwarcia z napięciem ok. 1V. 2.4 Zaezpieczenie admitancyjne Yo> w sieci kompensowanej Dodatkowo przy uziemieniu sieci poprzez cewkę Petersena, można ustawić dodatkowe rezerwowe kryterium ziemnozwarciowe kryterium admitancyjne Y. Kryterium to pełni funkcję rezerwową w przypadku uszkodzenia się rezystora uziemiającego, a ma szansę działać w przypadku przekompensowania lu niedokompensowania sieci poprzez cewkę Petersena. Zaezpieczenie admitancyjne ( i tej linii) reaguje na wartość admitancji zerowej zależnością: Y i = U Warunek za tego zaezpieczenia opisują nierówności: Y i, która jest określona (7) 6/111

8 Y Y i r U U, (8, 9) PR Nastawa : U powinna yć tak dorana, ażey próg rozruchowy ył odstrojony od naturalnego napięcia PR asymetrii pojemnościowej sieci Dla prawidłowego dooru Y r k 3 U U U PR NP CW i F S Y r powinny yć spełnione następujące warunki: (1) (11) gdzie: Y r - admitancja rozruchowa, nastawiona na przekaźniku, - pierwotna wartość prądu ziemnozwarciowego własnego i-tego odpływu (prąd wynikający z upływności CW i pojemności i-tej linii), k = 2 - współczynnik ezpieczeństwa pozostałe parametry jak w kryterium konduktancyjnym. Charakterystyka rozruchowa zaezpieczenia admitancyjnego jest ezkierunkowa jbo Go 3. Punkt gwiazdowy sieci uziemiony przez rezystor. Przy takim sposoie uziemienia sieci, prąd pojemnościowy, ędący źródłem prądu ziemnozwarciowego jest powiększony o składową czynną wprowadzaną przez rezystor uziemiający. Przy takim sposoie uziemienia możliwe jest zastosowanie takich samych kryteriów co przy cewce Petersena: - Go> - Yo> - zaezpieczenie nadprądowe o>. Nastawa Go> może yć tak samo nastawiona jak dla sieci kompensowanej, jednak w tym przypadku można zastosować większy współczynnik ezpieczeństwa. Podonie w przypadku Yo>. Oa kryteria są ardzo ważne w przypadku występowania zwarć oporowych, i z łukiem przerywanym. 7/111

9 Ze względu na tłumienie asymetrii pojemnościowej na skutek dołączonego rezystora, poziom progu rozruchowego napięciowego może zostać oniżony w stosunku do sieci kompensowanej. Typową nastawą U PR 2V jest =. Dodatkowo zaleca się zastosowanie zaezpieczenia nadprądowego ezkierunkowego o>. Zaezpieczenie to musi yć odstrojone od prądów pojemnościowych własnych linii. Zaezpieczenie to mało czułe na zwarcia oporowe, stanowi rezerwę zaezpieczeń admitancyjnych w przypadku awarii w owodach wtórnych Uo (np. przepalenie się ezpiecznika po stronie wtórnej filtru składowej zerowej napięcia). 4. zolowany punkt gwiazdowy sieci. Przy takim sposoie uziemienia sieci, prąd pojemnościowy w linii uszkodzonej jest równy sumie prądów pojemnościowych własnych linii zdrowych. 4.1 Przyczyny złej selektywności zaezpieczeń w sieci izolowanej Przyczynami złego dotychczasowych kryteriów ziemnozwarciowych w sieci izolowanej, są: - algorytmy pomiarowe, które nie uwzględniają dużej zawartości harmonicznych w prądzie ziemnozwarciowym, przeiegów nieustalonych związanych z ładowaniem się pojemności faz zdrowych, 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 łędy kątowe filtru składowej zerowej. - Zwarcia z łukiem przerywanym, które podczas kolejnych zapłonów generują stany nieustalone, powodują odwzudzanie się, w tradycyjnych zaezpieczeniach, członów czasowych zaezpieczenia ziemnozwarciowego. - Zwarcia oporowe. - Zła kierunkowość w owodach wtórnych napięcia składowej zerowej filtru składowej zerowej. - Zły montaż przekładników Ferrantiego 4.2 Kryteria zaezpieczeniowe Przy takim sposoie uziemienia możliwe jest zastosowanie następujących kryteriów: - Bo> - podstawowe kryterium admitancyjne - kierunkowe zaezpieczenie susceptancyjne, - Yo> - rezerwowe kryterium admitancyjne - ezkierunkowe zaezpieczenie admitancyjne, - Kierunkowe iernomocowe, - Nadprądowe o> ezkierunkowe 4.3 Cechy i własności kryteriów: - Zaezpieczenie nadprądowe o> ezkierunkowe konieczność odstrojenia się od prądów pojemności własnej linii wrażliwość na zwarcia oporowe proste oliczeniowo i skuteczne kryterium sens stosowania gdy cw < (1/3 Σ c ) - Yo> - ezkierunkowe zaezpieczenie admitancyjne, należy odstroić się od pojemności własnej linii, nie wrażliwe na zwarcia oporowe proste oliczeniowo i skuteczne kryterium sens stosowania gdy cw < (1/3 Σ c ) 8/111

10 - Kierunkowe iernomocowe, kąt maksymalnej czułości: 9 należy odstroić się od uchyów prądowych przy zwarciu metalicznym, mniej wrażliwe na zwarcia oporowe trudniejsza lokalizacja przy zwarciach łukowych konieczność fazowania owodów pomiarowych i U - Bo> - kierunkowe zaezpieczenie susceptancyjne, kąt maksymalnej czułości: 9 należy odstroić się od uchyów, nie wrażliwe na zwarcia oporowe skuteczna lokalizacja przy zwarciach łukowych konieczność fazowania owodów pomiarowych i U 4.4 Zaezpieczenie kierunkowe iernomocowe Podstawowym kryterium stosowanym przy tego typu sieci jest kryterium kierunkowe iernomocowe _ iern r = 3 sin ϕ Warunek za tego zaezpieczenia opisują nierówności: iern i _ iern r _ (12) U U PR, (13) Nastawa powinna yć większa od możliwych uchyów związanych ze zwarciami łukowymi, uchyami filtrów składowej zerowej, itp. 4.5 Zaezpieczenie kierunkowe admitancyjne Bo (susceptancyjne) Podstawowym kryterium admitancyjnym dla tej sieci jest kryterium susceptancyjne Bo>. Zaezpieczenie konduktancyjne ( i tej linii) reaguje na wartość konduktancji zerowej zależnością: 3 B i = sin 3 U ϕ B i, która jest określona Ze względu na kierunkowy charakter kryterium - Bo> odstrojone powinno yć jedynie od uchyów filtru składowej zerowej. Warunek za tego zaezpieczenia opisują nierówności: B B i r (15) U U PR (16) Nastawa : U powinna yć tak dorana, ażey próg rozruchowy ył odstrojony od naturalnego napięcia PR asymetrii pojemnościowej sieci (14) 9/111

11 Dla prawidłowego dooru B r 3 U µ F F S B r powinny yć spełnione następujące warunki: (17) : B r B r 1 k U o MN o s 3 U O PR U U PR NP F S (18) (19) gdzie: B r - susceptancja rozruchowa, nastawiona na przekaźniku, - pierwotna wartość prądu ziemnozwarciowego widziana przez filtr składowej zerowej w i-tym odpływie; o s µ - pierwotna wartość prądu uchyowego o charakterze iernym filtru składowej zerowej prądu, F wygenerowana podczas przepływu prądu pojemnościowego własnego całego zaezpieczanego ciągu liniowego (Największy wpływ na prąd uchyowy mają uchyy kątowe filtru składowej zerowej). U PR lokowane. o MN - próg rozruchowy napięciowy ustawiony w przekaźniku poniżej którego kryterium admitancyjne jest - minimalny prąd ziemnozwarciowy dla przekaźnika: dla przekładnika Ferrantiego 3mA, dla układu Holmgreena 25mA (prąd na zaciskach przekaźnika). - przekładnia filtru składowej zerowej napięcia - przekładnia filtru składowej zerowej prądu dla i-tego odpływu. k - współczynnik ezpieczeństwa, gdzie: 3 U NP k - naturalne napięcie niesymetrii pojemnościowej sieci (największa wartość napięcia punktu zerowego sieci względem ziemi podczas normalnej pracy sieci) Charakterystyki rozruchowe zaezpieczenia susceptancyjnego: jbo Go 1/111

12 4.6 Zaezpieczenie admitancyjne Yo> w sieci izolowanej. Kryterium Yo> należy nastawiać jak dla sieci z cewką Petersena, jednak kryterium to ma sens w przypadku spełnienia nierówności: Y r gdzie: 1 o 3 3 U F S (2) o - prąd pojemnościowy całej sieci. 11/111

13 Schneider Electric Energy Poland Sp. z o.o. Zakład Automatyki i Systemów Elektroenergetycznych Świeodzice, ul. Strzegomska 23/27 Tel. +48 (74) , Fax +48 (74)