BADANIE ZABEZPIECZEŃ CYFROWYCH NA PRZYKŁADZIE PRZEKAŹNIKA KIERUNKOWEGO MiCOM P Przeznaczenie i zastosowanie przekaźników kierunkowych

Transkrypt

1 Ćwiczenie 6 BADANIE ZABEZPIECZEŃ CYFROWYCH NA PRZYKŁADZIE PRZEKAŹNIKA KIERNKOWEGO MiCOM P Przeznaczenie i zasosowanie przekaźników kierunkowych Przekaźniki kierunkowe, zwane eż kąowymi, przeznaczone są do konroli kierunku przepływu mocy zwarciowej. Sosowane są w różnych układach zabezpieczeń, kóre ze względu na warunek wybiórczości działania wymagają określenia kierunku przepływu mocy zwarciowej. Są o najczęściej zabezpieczenia nadprądowe sieci pierścieniowej lub dwusronnie zasilanej, a akże zabezpieczenia odległościowe. Jako samodzielne człony mierzące przekaźniki kierunkowe znajdują szerokie zasosowanie w zabezpieczeniach ziemnozwarciowych sieci rozdzielczych średnich napięć. ~ E a) b) A 1 2 PP (-) OW (-) (+) L1 L2 (+) 3 4 PP z PN PN B Rys. 1. Przykład zasosowania przekaźników kierunkowych; a) układ linii dwuorowej z zabezpieczeniami nadprądowo-kierunkowymi, b) schema ideowy zabezpieczenia nadprądowokierunkowego zwłocznego Przykład zasosowania przekaźników kierunkowych w układzie zabezpieczeń nadprądowokierunkowych zwłocznych w najprosszej sieci pierścieniowej pokazano na rys. 1. 1

2 Najprosszą sieć pierścieniową worzy linia 2-orowa (L1, L2) zasilana jednosronnie ze źródła E, jak na rys. 1a). W celu zapewnienia wybiórczości działania zabezpieczeń nadprądowych zwłocznych linii w akim układzie sieciowym, konieczne jes zasosowanie przekaźników kierunkowych am, gdzie moc zwarciowa może zmieniać kierunek w zależności od położenia miejsca zwarcia. W ym wypadku zabezpieczenia obu linii w sacji B muszą być wyposażone w przekaźniki kierunkowe, kóre powinny blokować zabezpieczenie w przypadku wykrycia przepływu mocy zwarciowej w kierunku szyn sacji B. Opóźnienia czasowe ( B ) zabezpieczeń w sacji B są mniejsze od opóźnień ( A ) w sacji A o czas sopniowania. W razie wysąpienia zwarcia, np. w orze L2 (jak na rys. 1) pobudzają się człony prądowe wszyskich zabezpieczeń w układzie sieciowym. Impuls na wyłączenie, jako pierwszy, poda z opóźnieniem B przekaźnik 4 w sacji B, gdyż jego człon kierunkowy na o zezwoli z uwagi na przepływ mocy zwarciowej od szyn sacji B. W ym samym czasie człon kierunkowy zabezpieczenia 3 działa blokująco. Po owarciu wyłącznika oru L2 w sacji B prąd zwarciowy w zdrowym orze L1 zanika i jego zabezpieczenia (1 i 3) wracają do sanu spoczynku. W sanie pobudzenia pozosaje zabezpieczenie nadprądowo-zwłoczne 2 oru L2 w sacji A, kóre po nasawionym czasie A spowoduje owarcie wyłącznika, dokonując w en sposób osaecznej wybiórczej eliminacji zwarcia. Prąd rozruchowy członów prądowych omawianych zabezpieczeń dobiera się wg akich samych zasad jak dla linii promieniowych, zn. powyżej maksymalnej warości prądu obciążenia oru, z uwzględnieniem chwilowych przeciążeń ruchowych linii i współczynnika powrou zasosowanych członów prądowych zabezpieczenia. Czasy opóźnień dobiera się wg ogólnych zasad sopniowania czasowego zabezpieczeń nadprądowo-zwłocznych, sosowanych w sieciach promieniowych i magisralnych, j. i = i-1 +. Pełny układ zabezpieczenia nadprądowo-kierunkowego w sieci rójfazowej jes realizowany według zasady zilusrowanej na rys. 1b), kóre może być w wykonaniu dwu lub rójfazowym. Wykonanie dwufazowe sosowane jes w sieciach rozdzielczych z nieuziemionym skuecznie punkem zerowym. 2. Zasady realizacji i podsawowe charakerysyki przekaźników kierunkowych Przekaźniki kierunkowe idenyfikują kierunek przepływu mocy zwarciowej na zasadzie konroli kąa przesunięcia fazowego między napięciem i prądem wejściowym. Gdy warość ego kąa zawiera się w obszarze określonym charakerysyką kąową przekaźnika, przekaźnik działa, a gdy wykracza poza ę charakerysykę przekaźnik blokuje. Przekaźniki kierunkowe realizowane są na bazie komparaorów fazy elekromechanicznych (sarsze rozwiązania) i saycznych, kórych sygnałami wejściowymi są prąd I i napięcie pochodzące z obieku zabezpieczanego. srój pomiarowy przekaźnika kierunkowego, ze względów echnicznych, nie może działać przy dowolnie małych warościach sygnałów wejściowych, dlaego w zasosowaniach prakycznych przekaźnik kierunkowy nie może być rakowany jako idealny komparaor fazy. Porzebna jes znajomość rzeczywisych charakerysyk eksploaacyjnych przekaźników kierunkowych. Podsawową wielkością, kóra charakeryzuje zakres kąowy działania przekaźnika kierunkowego, bez względu na jego konsrukcję, jes zw. ką przesunięcia wewnęrznego (ką maksymalnej czułości). 2

3 Ką przesunięcia wewnęrznego jes o aki ką, o jaki należy obrócić wekor prądu I z położenia zgodnego z napięciem w kierunku wyprzedzenia, aby moc rozruchowa P r, wyrażona zależnością (1): osiągnęła maksymalną warość. P r ki cos (1) gdzie: napięcie przyłożone do napięciowego obwodu wejściowego przekaźnika, I prąd płynący w prądowym obwodzie wejściowym przekaźnika, - ką przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem I w zabezpieczanym obiekcie, Warunek działania przekaźnika kierunkowego można zapisać nasępująco: P r ki cos P (2) ro gdzie P ro warość mocy wejściowej porzebna do zadziałania przekaźnika kierunkowego (w komparaorze idealnym P ro =0). Jak widać z zal. (2), na warunki działania przekaźnika kierunkowego mają wpływ zarówno warości ampliud sygnałów wejściowych oraz I, jak i warości: kąa przesunięcia fazowego pomiędzy ymi sygnałami i kąa wewnęrznego. Dla konkrenego zasosowania przekaźnika kierunkowego określona jes warość kąa, naomias ką wewnęrzny powinien być ak dobrany, aby w warunkach zwarciowych moc rozruchowa przekaźnika osiągała warość maksymalną, co jes spełnione, gdy = Warunki działania przekaźników kierunkowych analizuje się na podsawie przebiegu ich charakerysyk rozruchowych. Wyróżnia się rzy podsawowe charakerysyki rzeczywisych przekaźników kierunkowych: 1. r =f(i) przy = = cons Wychodząc z warunku działania przekaźnika kierunkowego (zal. 2), przy = orzymuje się: P ro r (3) I Na rys. 2 pokazano ilusrację graficzną ej zależności. Warość napięcia rozruchowego r = cz przy prądzie znamionowym nazywana jes czułością kierunkową przekaźnika. Wyrażana jes ona częso w procenach warości znamionowego napięcia przekaźnika, jak niżej: cz cz% 100 n (4) 3

4 Rys. 2. Charakerysyka r = f(i) przekaźnika kierunkowego. Ponieważ najczęściej n = 100 V, przeo warość mierzona cz wyrażona w [V] sanowi jednocześnie warość procenową czułości kierunkowej. Charakerysyka pokazana na rys. 2 jes charakerysyką eoreyczną, ważną przy sałej warości mocy rozruchowej P ro. W rzeczywisych przekaźnikach kierunkowych częso w obwodzie napięciowym sosowane są elemeny nieliniowe (np. żarówki), o malejącej warości rezysancji wraz z napięciem, w celu zwiększenia czułości przekaźnika przy zwarciach bliskich. Ponado w elekromechanicznych przekaźnikach kierunkowych zmniejszanie się r wraz ze wzrosem prądu nasępuje wyraźnie ylko w zakresie do ok. 2I n. Przy większych warościach prądu warość napięcia r zmniejsza się niewiele ze względu na nasycanie się obwodu magneycznego przekaźnika. 2. Charakerysyka kąowa r = f( ) przy I = In = cons Charakerysyki ego rodzaju są wyznaczane dla przekaźników sosowanych w zabezpieczeniach od zwarć wielofazowych, gdzie warość napięcia pęli zwarciowej zmienia się wraz z odległością zwarcia od miejsca zainsalowania zabezpieczenia. Dla przekaźników kierunkowych ziemnozwarciowych naomias, kórych wielkościami wejściowymi są napięcie i prąd kolejności zerowej, wyznacza się charakerysykę I r = f( ) przy = n = cons. W warunkach zwarcia doziemnego bowiem (zwłaszcza w sieciach nieuziemionych skuecznie) warość napięcia 0 jes relaywnie wysoka i w niewielkim sopniu zależy od miejsca zwarcia doziemnego w sieci. Równanie ej charakerysyki, orzymuje się wpros z wyrażenia (2) i ma ono posać nasępującą: r C cos( ) (5) gdzie: C = P ro /I n = cons. Obraz graficzny eoreycznej charakerysyki kąowej przekaźnika kierunkowego, określonej równaniem (5), pokazano na rys. 3. 4

5 Rys. 3. Charakerysyka kąowa przekaźnika kierunkowego Wyznacza ją krzywa zawara między dwoma asympoami odległymi o ką /2 od kąa maksymalnej czułości. W prakyce charakerysyka aka wyznaczana jes pomiarowo w laboraorium za pomocą przesuwnika fazowego jako źródła napięcia z regulacją modułu i fazy, niezależnego od źródła prądu przemiennego. Należy zaznaczyć, że rzeczywisa charakerysyka może odbiegać od charakerysyki eoreycznej, ze względu na nieliniowości w obwodzie napięciowym lub prądowym przekaźnika. Ką maksymalnej czułości przekaźnika wyznacza symeralna charakerysyki kąowej, prosopadła do osi odcięych układu współrzędnych r =f( ). 3. Charakerysyka na płaszczyźnie impedancji Z przy I = I n. Charakerysyka na płaszczyźnie Z = /I = R + jx wyznacza konur rozgraniczający obszary działania i blokowania przekaźnika na ej płaszczyźnie, przy czym Z jes impedancją widzianą z zacisków przekaźnika. Przebieg ej charakerysyki, pokazany na rys. 4, wynika również bezpośrednio z równania (2). Jeśli obie srony ego równania podzielimy przez I 2, o orzymamy wyrażenie: w kórym: Z cos( ) a Z = /I moduł impedancji, arg Z arg / I a = P ro /I 2 (6) Charakerysykę na płaszczyźnie impedancji sanowi prosa prosopadła do osi maksymalnej czułości przekaźnika, przecinająca ją w odległości a od począku układu współrzędnych. Warość a, mająca wymiar impedancji, określana jes mianem srefy marwej przekaźnika kierunkowego. Inerpreacja fizyczna srefy marwej może być ławo wyjaśniona na podsawie rys. 5. Zgodnie z ym rysunkiem, przekaźnik RK zainsalowany w sacji A, sanowiący elemen konrolujący kierunek przepływu mocy zwarciowej linii, orzymuje nasępujące wielkości wejściowe pomiarowe: napięcie na pęli zwarcia i prąd zwarciowy I. Napięcie na pęli zwarcia jes określone wyrażeniem: 5

6 Rys. 4. Charakerysyka przekaźnika kierunkowego na płaszczyźnie impedancji Z. A RK Z s I Zl K E Rys. 5. Warunki pracy przekaźnika kierunkowego podczas zwarcia w zabezpieczanej linii I Z E 1 Z1 Zs Z1 (7) Przemieszczając miejsce zwarcia od punku K do A zmniejsza się impedancja zwarciowa Z 1 a wraz z nią napięcie. W pewnej odległości od p. A napięcie osiąga warość graniczną, poniżej kórej moc wejściowa przekaźnika jes mniejsza od mocy rozruchowej P ro porzebnej do zadziałania i przekaźnik nie działa ani na wyzwolenie, ani na blokowanie. 6

7 3. Przebieg ćwiczenia 3.1. Wyznaczenie kąa przesunięcia wewnęrznego przekaźnika kierunkowego Schema układu pomiarowego do określenia charakerysyki kąowej przekaźnika kierunkowego przedsawiono na rys. 6. Rys. 6. Schema układu pomiarowego do wyznaczania charakerysyki kąowej przekaźnika kierunkowego Obwód prądowy badanego przekaźnika kierunkowego zasilany jes z auoransformaora AT2 przyłączonego bezpośrednio do sieci nn, naomias obwód napięciowy z auoransformaora AT1 przyłączonego do przesuwnika fazowego PF. Waomierz W jes wykorzysywany w układzie pomiarowym ylko do usalenia położenia zerowego przesuwnika fazowego. Do sygnalizacji zadziałania przekaźnika kierunkowego można wykorzysać obwód z żarówką do kórego zacisków dosępnych w sole laboraoryjnym należy podłączyć zesyki wyjściowe przekaźnika. Sposób przeprowadzenia pomiarów. Pierwszą czynnością jes wyznaczenie położenia zerowego przesuwnika fazowego. W ym celu w obwodzie prądowym wymusza się prąd o warości równej prądowi znamionowemu przekaźnika a napięcie zasilające obwód napięciowy doprowadza się do warości ok. 50 V. Nasępnie, przez zmianę położenia wirnika przesuwnika fazowego, przesuwa się fazę napięcia ak długo, aż wskazówka waomierza wskaże warość zerową. Oznacza o, że przesunięcie fazowe pomiędzy prądem i napięciem jes równe Srzałkę przesuwnika fazowego przesuwa się do punku oznaczonego na skali jako 90 0 i w ym położeniu należy ją zablokować mechanicznie. Należy dodakowo sprawdzić, czy w przypadku usawienia przesuwnika fazowego w położeniu 0 0 waomierz wskazuje maksymalne wychylenie. Ważną sprawą jes eż usalenie charakeru kąa przesunięcia fazowego pomiędzy prądem i napięciem (pojemnościowy, czy indukcyjny). Wykonuje się o również za pomocą waomierza. Przy położeniu srzałki przesuwnika na warości 90 0 krókorwale zwiera się cewkę prądową waomierza. Jeżeli przesunięcie fazowe jes indukcyjne, o momen obroowy działający na układ ruchomy waomierza jes ujemny i jego wskazówka wychyla się w lewo, poza skalę. Jeżeli kąjes pojemnościowy, o momen obroowy waomierza jes dodani i wskazówka wychyli się w prawo. 7

8 Po wyskalowaniu przesuwnika fazowego przysępuje się do właściwych pomiarów. Warość prądu w obwodzie prądowym przez cały czas rwania pomiaru ma być sała i równa warości znamionowej badanego przekaźnika kierunkowego. Na przesuwniku fazowym nasawia się ką =0 0 i powoli zwiększa się napięcie obwodu napięciowego aż do zadziałania przekaźnika odczyując jednocześnie na wolomierzu warość rozruchową odpowiadającą nasawionemu kąowi. W analogiczny sposób wykonuje się pomiary dla kąów zmienianych co 5 0 do 20 0 w całym zakresie kąów, przy kórych wysępuje działanie przekaźnika. Pomiary należy zagęścić w okolicy asympo charakerysyki. Aby nie spowodować przegrzania obwodu napięciowego przekaźnika pomiary przerywa się wedy, gdy napięcie zadziałania przekroczy 50 V. Wyniki badań zapisuje się w abeli 1.Na podsawie wyników pomiarów sporządza się charakerysykę rśr = f( ). Symeralna orzymanej krzywej odcina na osi odcięych warość równą kąowi przesunięcia wewnęrznego. Ką en można również obliczyć znając kąy asympo charakerysyki rśr = f( ). Tabela 1: Wyniki pomiarów charakerysyki r = f( ) przekaźnika kierunkowego Przekaźnik kierunkowy: yp.., Nr.. I n =., n =, = Prąd w obwodzie pierwonym: I = A = cons Lp. r r śr wagi Wyznaczenie charakerysyk r = f(i) oraz S r = f(i) Jak wynika ze wzoru (3) charakerysyka r = f(i) jes hiperbolą. Ze względu jednak na nasycenie obwodu magneycznego przekaźnika elekromechanicznego, przy większych prądach hiperbola ulega zniekszałceniu, ponieważ wzrasa wedy moc rozruchowa S r przekaźnika (parz rys. 7). Pomiary niezbędne do wykreślenia ej charakerysyki wykonuje się w układzie pomiarowym przedsawionym na rys. 6. Podczas pomiarów powinna być sała warość rezysancji R w obwodzie prądowym. Sposób wykonywania pomiarów. Charakerysykę r = f(i) sporządza się bezpośrednio po pomiarze charakerysyki r = f( ), aby uniknąć powórnego skalowania przesuwnika fazowego. Przez cały czas pomiaru ką przesunięcia fazowego pomiędzy prądem a napięciem ma być sały, równy kąowi wewnęrznemu. Pomiary rozpoczyna się od warości prądu odpowiadającej prądowi znamionowemu badanego przekaźnika. Auoransformaorem AT1 zwiększa się napięcie w obwodzie napięciowym, aż do zadziałania przekaźnika kierunkowego. Pomiar powarza się pięciokronie noując wyniki w abeli 2. Dla innych warości prądu obwodzie prądowym pomiary przeprowadza się analogicznie. Należy zakończyć je na warości prądu, przy kórej napięcie rozruchowe przekracza 50 V. 8

9 Rys. 7. Przykładowe charakerysyki r = f(i) oraz S r = f(i) elekromechanicznego przekaźnika kierunkowego. Tabela 2: Wyniki pomiarów charakerysyki r = f(i) przekaźnika kierunkowego Przekaźnik kierunkowy: yp.., Nr.. I n =., n =, = I [A] r [V] 1 : 5 r śr [V] S r śr =I r śr [VA] Na podsawie wyników pomiarów wykreśla się charakerysyki r = f(i) oraz S r = f(i) a akże wyznacza się czułość kierunkową przekaźnika według wyrażenia: r min cz % 100 ( 8) n w kórym r min jes minimalną warością napięcia zadziałania przekaźnika przy I = I n oraz =. Najmniejsza moc S r porzebna do rozruchu przekaźnika oraz współczynnik czułości kierunkowej cz charakeryzują srefę marwą zabezpieczenia kierunkowego. Znajomość warości ych wielkości pozwala na obliczenie dla danej linii największej odległości między miejscem zainsalowania przekaźnika a miejscem rójfazowego zwarcia mealicznego, przy kórej przekaźnik kierunkowy nie zadziała. 9