DZIAŁANIE CZUJNIKÓW PRZEPŁYWU PRĄDU ZWARCIOWEGO PODCZAS ZWARĆ DOZIEMNYCH W SIECI SN

Transkrypt

1 DZIAŁANIE CZUJNIKÓW PRZEPŁYWU PRĄDU ZWARCIOWEGO PODCZAS ZWARĆ DOZIEMNYCH W SIECI SN mgr inż. Brtosz Olejnik Politechnik Poznńsk, Instytut Elektroenergetyki Niniejszy rtykuł przedstwi zgdnieni związne z prcą czujników przepływu prądu zwrciowego podczs zwrć doziemnych w sieci SN. Urządzeni tego typu są corz częściej instlowne przez opertorów systemu dystrybucyjnego (OSD) w ich siecich, jednkże nie zwsze spełniją powierzne im zdni w sposób wystrczjący. W prcy przenlizowne zostło dziłnie czujników w dwóch typch sieci: z punktem neutrlnym uziemionym przez rezystor orz z punktem neutrlnym uziemionym przez dłwik gszący z utomtyką wymuszni skłdowej czynnej. Bdn był prc czujników oprtych n kryterium ndprądowym I0> z uwgi n to, że ten sposób dziłni jest w rozptrywnych urządzenich njbrdziej rozpowszechniony. W końcowej części prcy zwrte zostły propozycje poprwy skuteczności dziłni czujników przepływu prądu zwrciowego, które mogą zostć wdrożone w njbliższej przyszłości. Słow kluczowe: zwrcie doziemne, prąd zwrciowy, wskźnik przepływu zwrci doziemnego, kryterium ndprądowe, kryterium dmitncyjne. WORKING PERFORMANCE OF FAULT CURRENT PASSAGE INDICATOR DURING EARTH FAULTS IN MV GRID This rticle explins the opertion of the fult current pssge indictor (FCPI) during erth fults in MV networks. These devices re incresingly being instlled by distribution system opertors (DSOs) in their networks, however, do not lwys meet the tsks entrusted to them sufficiently. The pper exmined the opertion of sensors in two types of networks: with the neutrl point grounded through resistor nd grounded by rc suppression coil with ctive component forcing utomtion. The study ws the work of sensors bsed on the criterion of overcurrent I0>, due to the fct tht this pproch is considered the most widespred devices. In the finl prt of this pper re contined proposls to improve the effectiveness of the FCPI tht cn be implemented in the ner future. Key words: erth fult, fult current, fult current pssge indictor, overcurrent criterion, dmittnce criterion.

2 1. Wstęp Czujniki przepływu prądu zwrciowego (nzywne też inczej detektormi bądź wskźnikmi zwrć, z ngielskiego FCPI fult current pssge indictor) prcują w siecich średniego npięci od dłuższego czsu. Nwet pomimo ich, często, prostej konstrukcji dość skutecznie wspomgją i ułtwiją eksplotcję sieci. Wykorzystywne są głównie do odcinkowej loklizcji i sygnlizcji zwrć międzyfzowych le tkże, w mniejszym stopniu, doziemień. Urządzeni, o schemtycznej strukturze przedstwionej n rysunku 1, często wyposżone są w ukłdy służące do ich łączności z systemem ndzoru opertor systemu dystrybucyjnego (OSD), dzięki czemu informcj o loklizcji uszkodzonego odcink sieci dostrczn jest nieml ntychmistowo do dyspozycji ruchu 1. Czujnik przepływu prądu zwrciowego Człon decyzyjny Sygnlizcj Komunikcj Rys. 1. Uproszczon struktur czujnik przepływu prądu zwrciowego Stosując w sieci odpowiednio dużą liczbę wskźników przepływu prądu zwrciowego możn kilkukrotnie skrócić czs przerwy w zsilniu odbiorców orz, co wżne dl OSD, zmniejszyć strty z tytułu niedostrczonej energii. Czujniki przepływu prądu zwrciowego prcują zwykle w oprciu o kryteri ndprądowe, które są dosttecznymi w przypdku detekcji zwrć niskooporowych. W zsdzie w ogóle nie ndją się do wykrywni zwrć doziemnych oporowych, podczs których rezystncj przejści między przewodem fzowym ziemią może sięgć kilku kiloomów. 1 L. Mrcinik, Efektywność ziemnozwrciowych zbezpieczeń impulsowoprądowych, Przegląd Elektrotechniczny 2014, nr 4, s. 133.

3 2. Prc czujników w sieci SN z punktem neutrlnym uziemionym przez rezystor Wrtość prądu ziemnozwrciowego w miejscu zinstlowni czujnik (lub też innego urządzeni EAZ, np. zbezpieczeni) może zostć obliczon z wykorzystniem zleżności: I k det = βi CS d (s + i ) 2 (1) w której: - β współczynnik ziemnozwrciowy opisny zleżnością (2), - I CS pojemnościowy prąd zwrci doziemnego sieci, - d 0 współczynnik tłumieni sieci obliczny wg wzoru (3), - s współczynnik rozkompensowni sieci wyznczny zgodnie z (4), - współczynnik udziłu pojemnościowego prądu ziemnozwrciowego i-tego frgmentu linii w cłym prądzie pojemnościowym sieci. Współczynnik ziemnozwrciowy obliczny jest ze wzoru: 1 β = (2) 1+ R ωc ( d 0 js) F s + w którym R F - rezystncj przejści między przewodem fzowym ziemią w miejscu zwrci. Współczynnik tłumieni sieci d się wyznczyć korzystjąc z zleżności: I R d 0 = (3) I gdzie I R znmionowy prąd ziemnozwrciowy rezystor w punkcie neutrlnym sieci (w przypdku sieci z punktem neutrlnym uziemionym przez rezystor) lub wrtość prądu wymusznego po stronie pierwotnej przez ukłd AWSCz (zwykle z przedziłu A) 2. Kolejny współczynnik rozkompensowni sieci, możn wyznczyć n bzie zleżności: CS I CS I L s = (4) I CS gdzie I L znmionow wrtość prądu dłwik w punkcie neutrlnym w sieci skompensownej. W sieci z rezystorem przyjmuje się współczynnik rozkompensowni równy 1. 2 W. Hoppel, J. Lorenc, Współczesne rozwiązni zbezpieczeń ziemnozwrciowych w siecich średnich npięć o nieskutecznie uziemionym punkcie neutrlnym, Automtyk, Elektryk, Zkłóceni 2013, nr 4, s

4 Czujniki przepływu prądu zwrciowego oprte n kryterium prądowym nstwi się tożsmo z zbezpieczenimi tego smego typu. Nleży ztem korzystć z zleżności: I k I (5) b CL 0nst + ΔI 0µ k p We wzorze (5): k b współczynnik bezpieczeństw, przyjmowny zwykle równy 1,1, I CL prąd pojemnościowy zbezpiecznego odcink linii, k p współczynnik powrotu, przyjmowny równy 0,98, I 0µ prąd uchybowy filtru skłdowej zerowej, w zleżności od typu filtru przyjmowny równy 2 A dl Ferrntiego orz 5 A dl Holmgreen. Zgodnie z złożenimi wskźnik przepływu prądu zwrciowego zdził jeśli spełniony będzie wrunek opisny zleżnością (6), tzn. w przypdku, gdy wrtość prądu zwrciowego w miejscu zinstlowni czujnik będzie większ bądź równ jego nstwie. I k I0nst det (6) Złożone do celów obliczeniowych wrtości poszczególnych prmetrów sieci zostły przedstwione w tblicy 1. Tblic 1. Wrtości prądu pojemnościowego sieci I CS, znmionowego prądu ziemnozwrciowego rezystor I R, współczynnik rozstrojeni kompenscji s orz współczynnik tłumieni d 0 dl rozptrywnej sieci z punktem neutrlnym uziemionym przez rezystor I CS w A I R w A s d ,5 Z punktu widzeni określeni skuteczności czujników przepływu prądu zwrciowego istotne jest wyznczenie wrtości prądu zwrci doziemnego mierzonej w miejscu zinstlowni czujnik. Wielkość t może być wyznczon z zleżności (1). Wcześniej jednk konieczne jest określenie wrtości współczynników ziemnozwrciowych β dl różnych wrtości rezystncji przejści między przewodem fzowym ziemią w miejscu zwrci R F. Wyniki obliczeń zostły zestwione w tblicy 2. Czujnik zsygnlizuje wystąpienie zwrci jeżeli spełniony będzie wrunek podny w zleżności (6). Uwzględnijąc dodtkowo wzory (5) orz (2) możn wyprowdzić zleżność do wyznczni mksymlnej widzinej przez wskźnik rezystncji przejści R F podczs zwrci doziemnego. Zleżność t przedstwi się nstępująco:

5 R F mx = I CS d kbi k 2 0 CL p + ( + ΔI W przypdku wyznczni mksymlnej wykrywnej rezystncji przejści przyjmuje się wrtości: - współczynnik powrotu k p = 0,98, - współczynnik bezpieczeństw k b = 1,1. Tblic 2. Wrtości współczynników ziemnozwrciowych β dl różnych wrtości rezystncji przejści R F w rozptrywnej sieci R F w Ω β 0,983-0,844-0,311-0,177-0,076-0,039-0,020-0,008 - j0,011 j0,083 j0,131 j0,091 j0,046 j0,025 j0,013 j0,005 i s) 0µ 2 ωc kbi k s p d CL 2 o + ΔI + s 2 0µ (7) Dl tkich wrtości współczynników ziemnozwrciowych wyznczono wrtości prądów zwrci doziemnego dl różnych współczynników udziłu prądu pojemnościowego chronionego odcink w stosunku do prądu pojemnościowego cłej sieci zostły one przedstwione w tblicy 3. Tblic 3. Wrtości prądów ziemnozwrciowych w miejscu zinstlowni wskźnik I kdet w A dl różnych wrtości rezystncji przejści R F orz współczynnik udziłu R F w Ω ,01 177,8 153,4 61,0 36,0 16,1 8,4 4,3 1,7 0,05 180,0 155,3 61,8 36,4 16,3 8,5 4,4 1,7 0,1 182,9 157,8 62,8 37,0 16,5 8,6 4,4 1,8 0,15 185,8 160,3 63,8 37,6 16,8 8,8 4,5 1,8 0,2 188,8 162,9 64,8 38,2 17,1 8,9 4,6 1,8 0,25 191,9 165,6 65,9 38,9 17,3 9,0 4,7 1,8 Korzystjąc z zleżności opisnej wzorem (7) możn wyznczyć mksymlne wykrywne przez czujnik rezystncje przejści dl odcinków linii o różnych wrtościch

6 współczynnik udziłu. Wrtości tych rezystncji zostły zestwione w tblicy 4. orz przedstwione n rysunku 2. Tblic 4. Mksymlne wykrywne rezystncje przejści R Fmx w Ω między przewodem fzowym ziemią podczs zwrci doziemnego w sieci SN uziemionej przez rezystor o prmetrch podnych w tekście Typ filtru Ferrnti Holmgreen 0, , , , , , W rzeczywistych przypdkch zwrć występujących w sieci SN rezystncje przejści mieszczą się w większości w przedzile od 100 Ω do 1 kω. W tkich przypdkch czujniki oprte n nlizie skłdowej zerowej prądu sprwdzją się tylko w określonych sytucjch, tzn. przede wszystkim w odcinkch linii o niewielkiej wrtości doziemnego prądu pojemnościowego. Są to głównie końcowe, npowietrzne frgmenty ciągów. W przypdkch linii kblowych zstosownie czujników omwinego typu jest mło uzsdnione. Nleży tutj podkreślić, że włśnie w tego typu siecich (czyli kblowych i kblowo npowietrznych) w większości przypdków stosuje się uziemienie punktu neutrlnego przez rezystor pierwotny. Duży wpływ n zkres wykrywnych rezystncji przejści m też jkość filtru dokłdniej jego uchyby. Nturlną rzeczą jest, że ukłdy typu Holmgreen są mniej precyzyjne od filtrów Ferrntiego, stąd te drugie gwrntują większe zkresy wykrywnych R F.

7 3000 R Fmx w Ω Ferrnti Holmgreen ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Rys. 2. Mksymlne wykrywne rezystncje przejści R Fmx w sieci SN z punktem neutrlnym uziemionym przez rezystor o prmetrch podnych w tekście 3. Prc czujników w sieci SN z punktem neutrlnym uziemionym dłwik gszący (sieć skompensown) Korzystjąc z zleżności (1) (7) możn dokonć nlizy prcy czujników przepływu prądu zwrciowego nie tylko w sieci z punktem neutrlnym uziemionym przez rezystor le tkże w sieci skompensownej. Do tego celu konieczne jest złożenie podstwowych jej prmetrów, które zostły przedstwione w tblicy 5. Tblic 5. Wrtości prądu pojemnościowego sieci I CS, prądu znmionowego dłwik I L, współczynnik rozstrojeni kompenscji s orz współczynnik tłumieni d 0 dl rozptrywnej sieci skompensownej I CS w A I L w A s d ,05 0,2 Zkłd się, że w punkcie neutrlnym funkcjonuje utomtyk AWSCz dołączjąc w momencie wystąpieni zwrci rezystor o znmionowym prądzie po stronie pierwotnej ukłdu równym I AWSCz = 20 A. Jest to wrtość przeciętnie spotykn w Polsce. Wrtości współczynników ziemnozwrciowych β, liczonych wg zleżności (2), przedstwione zostły w tblicy 6.

8 β Tblic 6. Wrtości współczynników ziemnozwrciowych β dl różnych wrtości rezystncji przejści R F w rozptrywnej sieci R F w Ω , , , , , , ,171 + j0,001 j0,006 j0,038 j0,054 j0,061 j0,051 j0,035 0,076 + j0,017 Dl podnych w tblicy 6. wrtości współczynników ziemnozwrciowych wyznczone zostły wrtości prądów zwrci doziemnego dl różnych współczynników udziłu prądu pojemnościowego chronionego odcink w stosunku do prądu pojemnościowego cłej sieci. Zostły one przedstwione w tblicy 7. Tblic 7. Wrtości prądów ziemnozwrciowych w miejscu zinstlowni wskźnik I kdet w A dl różnych wrtości rezystncji przejści R F orz współczynnik udziłu R F w Ω ,01 20,4 19,9 16,6 13,9 9,4 6,1 3,6 1,6 0,05 20,0 19,5 16,2 13,6 9,2 5,9 3,5 1,6 0,1 20,6 20,1 16,7 14,1 9,5 6,1 3,6 1,6 0,15 22,3 21,8 18,2 15,3 10,3 6,7 3,9 1,7 0,2 25,0 24,4 20,3 17,1 11,5 7,4 4,4 1,9 0,25 28,2 27,6 23,0 19,3 13,0 8,4 4,9 2,2 Podobnie jk w sieci z punktem neutrlnym uziemionym przez rezystor, z zleżności (7) wyzncz się mksymlną wykrywną rezystncję przejści między przewodem fzowym ziemią podczs zwrci, którą czujnik jest jeszcze zdolny wykryć. Zestwienie rezystncji mksymlnych R Fmx dl sieci skompensownej o włściwościch podnych w tblicy 5. znjduje się w tblicy 8. Wyniki obliczeń zostły zobrzowne n rysunku 3. Czujniki oprte n kryterium I0> są skuteczne dl dość wąskiego spektrum rezystncji przejści R F. Dl rozptrywnej sieci i zkresu współczynnik nie m ryzyk cłkowitego brku możliwości zdziłni czujnik, jednkże wrto dodć, że rezystncje przejści niższe od 100 Ω są w prktyce spotykne brdzo rzdko. Wiąże się z tym fkt, że czujniki w siecich

9 z punktem neutrlnym uziemionym przez dłwik mją trudne wrunki prcy i dziłć będą poprwnie prktycznie tylko n tzw. końcówkch sieci. Tblic 8. Mksymlne wykrywne rezystncje przejści R Fmx w Ω między przewodem fzowym ziemią podczs zwrci doziemnego w skompensownej sieci SN o prmetrch podnych w tekście Ferrnti Typ filtru Holmgreen 0, ,4 989,9 0,05 736,5 424,5 0,1 317, ,15 163,2 88,3 0,2 87,6 36 0,25 44,4 5, R Fmx w Ω Ferrnti Holmgreen ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Rys. 3. Mksymlne wykrywne rezystncje przejści R Fmx w sieci SN z punktem neutrlnym uziemionym przez dłwik o prmetrch podnych w tekście 4. Porównnie wrunków prcy w sieci z punktem neutrlnym uziemionym przez rezystor orz sieci skompensownej. Wrto n smym początku tej części rtykułu ndmienić, że prmetry sieci (przede wszystkim wrtości współczynników d 0 orz s) nie są dobrne przypdkowo odnoszą się w kżdym przypdku do sieci o poprwnie dobrnych urządzenich w punkcie neutrlnym.

10 Stąd też możn porównywć wyniki uzyskne w drodze obliczeń dl sieci skompensownej orz z punktem neutrlnym uziemionym przez rezystor. Rysunek 4. pokzuje porównnie mksymlnych wykrywnych rezystncji przejści przez czujniki bzujące n nlizie skłdowej zerowej prądu w sieci uziemionej przez rezystor orz w sieci skompensownej R Fmx w Ω kompenscj, Ferrnti kompenscj, Holmgreen rezystor, Ferrnti rezystor, Holmgreen ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Rys. 4. Porównnie mksymlnych rezystncji przejści podczs zwrci doziemnego wykrywnych przez czujniki przepływu prądu zwrciowego w siecich o różnym sposobie prcy punktu neutrlnego i różnych wrtościch współczynnik udziłu Prktycznie wszystkie stosowne obecnie wskźniki przepływu prądu zwrciowego relizują pomir prądu nie z pomocą klsycznych filtrów n postwie pomiru ntężeni pol mgnetycznego wokół przewodów. Podejście to, słuszne z eksplotcyjnego punktu widzeni, wprowdz błędy pomirowe większe niż w przypdku filtru Holmgreen, zmniejszjąc tym smym zkres wykrywnych rezystncji przejści i pogrszjąc, i tk już trudne, wrunki prcy omwinych urządzeń. 5. Metody poprwy skuteczności czujników przepływu prądu zwrciowego w sieci SN Kryterium dmitncyjne 3, oprcowne przez prof. J. Lorenc w ltch 80. XX wieku, jest obecnie jednym z njczęściej stosownych kryteriów do wykrywni zwrć doziemnych w siecich średniego npięci z punktem neutrlnym uziemionym przez dłwik gszący lub 3 J. Lorenc: Admitncyjne zbezpieczeni ziemnozwrciowe, Poznń 2007.

11 rezystor. Wysok skuteczność zbezpieczeń oprtych n pomirze Y0> orz ich stosunkowo prost konstrukcj rokują ndzieję n możliwość przeniesieni tych zsd tkże do czujników przepływu prądu zwrciowego. Istnieje podstwowy problem, który z pozoru uniemożliwi stosownie kryterium Y0> w czujnikch przepływu prądu zwrciowego. Mow tu o trudnościch z wirygodnym pomirem skłdowej zerowej npięci w miejscu zinstlowni zbezpieczeni. Prce nd rozwiązniem tego problemu trwją obecnie w Instytucie Elektroenergetyki Politechniki Poznńskiej. Zwrcie zostnie przez czujnik wykryte, jeżeli spełnione zostną jednocześnie wrunki określone zleżnościmi: Y Y0nst 0 (8) U U 0nst 0 (9) Tkie podejście pozwl zncznie poprwić skuteczność czujników. Bez wprowdzni w teorię pokzuje się n rysunku 5. Korzyści wynikjące z wprowdzeni czujników oprtych n pomirze Y 0 w sieci skompensownej jko tej z gorszymi wrunkmi prcy. R Fmx w Ω I0, Ferrnti I0, Holmgreen Y0, Ferrnti Y0, Holmgreen 0 0,05 0,1 0,15 0,2 Rys. 5. Mksymlne wykrywne rezystncje przejści podczs zwrci doziemnego w sieci skompensownej przez czujniki oprte n nlizie I 0 orz Y 0

12 Drugą, dość oczywistą metodą poprwy skuteczności prcy czujników przepływu prądu zwrciowego, któr wynik z obliczeń prowdzonych w początkowej części rtykułu jest stosownie możliwie dokłdnych filtrów skłdowej zerowej prądu. 6. Podsumownie W niniejszym rtykule przedstwione zostły problemy związne ze skutecznością czujników przepływu prądu zwrciowego, montownymi współcześnie w siecich średniego npięci prcujących z dowolnym sposobem prcy punktu neutrlnego. Tutj skupiono się jednk tylko n ukłdch prcujących z punktem neutrlnym uziemionym przez rezystor orz sieci skompensownej jko tych njczęściej spotyknych w prktyce. Anliz wskzuje jednozncznie, że czujniki oprte tylko n pomirze skłdowej zerowej prądu i operujące tylko n kryterium I0> mją w omwinych siecich trudne wrunki prcy. W obu przypdkch mogą wystąpić sytucje, że nwet poprwnie nstwione czujniki mogą nie zsygnlizowć wystąpieni doziemieni. Problem występuje szczególnie w linich o dużej wrtości prądu pojemnościowego I CL i, co oczywiste, przy dużych rezystncjch przejści R F. Zleżność skuteczności wykrywni zwrć w sieci z rezystorem jest w zsdzie niezleżn od wrtości współczynnik d 0, ntomist w przypdku kompenscji istnieje brdzo silne powiąznie między współczynnikiem rozstrojeni kompenscji s efektywnością czujników. Nleży ztem, w siecich wyposżonych w czujniki, szczególnie dbć o jego poprwną wrtość. Nleży jednocześnie wyrźnie podkreślić, że wszystkie nlizy prowdzone były dl njbrdziej optymistycznych złożeń, tzn. współczynnik czułości k c przy wyznczniu mksymlnej wykrywnej rezystncji przejści wynosił zwsze k c = 1,1. W prktyce, w celu uniknięci zbędnych lrmów i zdziłń, czujniki nstwi się tk, by k c 1,5, co zncznie zmniejsz skuteczność tych urządzeń. Wydje się, że jedną z możliwości poprwieni efektywności dziłni wskźników przepływu prądu zwrciowego jest modyfikcj kryteriów i lgorytmów decyzyjnych, np. zstosownie wrunku Y0> co zostło udowodnione obliczeniowo. Litertur 1. L. Mrcinik, Efektywność ziemnozwrciowych zbezpieczeń impulsowoprądowych, Przegląd Elektrotechniczny 2014, nr 4, s. 133.

13 2. W. Hoppel, J. Lorenc, Współczesne rozwiązni zbezpieczeń ziemnozwrciowych w siecich średnich npięć o nieskutecznie uziemionym punkcie neutrlnym, Automtyk, Elektryk, Zkłóceni 2013, nr 4, s J. Lorenc: Admitncyjne zbezpieczeni ziemnozwrciowe, Poznń mgr inż. Brtosz Olejnik Urodzony w 1988 roku. W 2012 roku ukończył z wyróżnieniem studi mgisterskie n Wydzile Elektrycznym Politechniki Poznńskiej (kierunek elektrotechnik, spec. sieci i utomtyk elektroenergetyczn). Aktulnie słuchcz studium doktornckiego prowdzonego n tymże wydzile. Asystent w Instytucie Elektroenergetyki Politechniki Poznńskiej. Główny obszr zinteresowń utor to zgdnieni związne ze zwrcimi doziemnymi w sieci SN, sposobem prcy punktu neutrlnego tejże orz nowymi metodmi pomiru prądu i npięci.