dr inż. Witold HOPPEL DOBÓR NASTAW ZABEZPECZEŃ NADPRĄDOWYCH ZWARCOWYCH DLA LN ŚREDNEGO NAPĘCA 1. Wprowadzenie W liniach SN od sutów zwarć międzyfazowych (tylo taich załóceń dotyczy artyuł) stosuje się głównie dwa rodzaje zabezpieczeń nadprądowych, przy czym ich nazwy wyniają raczej z tradycji niż merytorycznego uzasadnienia: zwłoczne (często używane symbole to > lub R>), tórego opóźnienie czasowe wynosi nie mniej niż 0,4 s. Przeważnie jest stosowany zares 0,5 s 1,0 s, czasy powyżej 1 s występują w liniach zasilających rozdzielnie sieciowe (dalej nazywane srótem RS) lub są w nich zainstalowane łącznii wyposażone w zabezpieczenia (tzw. relozery taie pojęcie będzie używane w dalszej części testu, ponieważ chętnie jest stosowane w pratyce), zwarciowe (symbol >> lub R>>), tórego opóźnienie czasowe zawiera się w granicach 0,05 s 0,35 s, najczęściej wynosi 0,15 s 0,2 s, a nazwa nie wiąże się z fatem, że zabezpieczają od sutów zwarć, ale od tego, że nastawa zależy od wartości prądów zwarciowych. Zasady doboru nastaw dla zabezpieczeń nadprądowych zwłocznych są dobrze rozpracowane i podawane w wielu siążach [1, 2] i publiacjach [9, 10, 11]. Dobierając nastawy dla nowych lub modernizowanych pól wyposażonych w zabezpieczenia cyfrowe warto zwrócić uwagę, że ze względu na ogromny postęp w doładności przeaźniów czasowych warto zrezygnować z czasu stopniowania pomiędzy poszczególnymi puntami zabezpieczeniowymi oznaczanego przeważnie jao Δt o wartości 0,5 s na rzecz wartości 0,3 s, co zresztą jest wyraźnie zalecane w najnowszej wersji RiESD [7]. W zależności od liczby stopni czasowych w promieniowym uładzie zasilania, sraca to przynajmniej o 0,6 s nastawę zabezpieczenia > po stronie SN transformatora 110 V/SN (nazywanego też transformatorem zasilającym lub mocy dla odróżnienia od transformatora uziemiającego). Wadą tego zabezpieczenia jest onieczność zwięszania opóźnienia czasowego w miarę zbliżania się do źródła mocy, czyli przeważnie szyn zasilających, iedy jednocześnie wzrastają prądy zwarciowe. Prowadzi do zagrożenia uszodzeniami cieplnymi początowych odcinów linii. Problem współcześnie narasta, ponieważ w związu z rozwojem energetyi odnawialnej, szczególnie wiatrowej, wzrastają moce zwarciowe na szynach rozdzielni SN energetyi zawodowej. Już w tym miejscu warto zwrócić uwagę na nieprecyzyjność pojęcia początowy odcine linii. 18
2. Zabezpieczenie zwarciowe Zabezpieczenie zwarciowe jest stosowane dla osiągnięcia szybiego wyłączania zwarć w liniach w pobliżu szyn zbiorczych, z tórych są zasilane. W publiacjach sprzed 40 50 lat zauważano, że głównym celem tego zabezpieczenia jest uninięcie działania zabezpieczeń podnapięciowych silniów u odbiorców zasilanych z linii niedotniętych zwarciem, ponieważ wiadomo o zapadach napięcia powodowanych przez zwarcia międzyfazowe. Dopiero w latach 80. poprzedniego stulecia lub być może nawet później, iedy silnie zaczęły wzrastać moce zwarciowe, pojawił się pogląd, że celem zabezpieczenia zwarciowego jest ochrona początowych odcinów linii przed cieplnymi sutami przepływu prądu zwarciowego. Dość powszechna jest opinia, że zabezpieczenie powinno swoim zasięgiem obejmować przynajmniej 20% długości linii. Autor zauważa, że w więszości załadów dystrybucyjnych nie analizuje się wcale nastaw tego zabezpieczenia przyjmując je wg starych doumentacji czy na wyczucie doświadczonych pracowniów. Problemu pratycznie nie ma, jeśli linia posiada zabezpieczenia tylo na początu. Nie ma zagrożenia, że zabezpieczenie swym zasięgiem obejmie stronę nn nawet najbliższego transformatora SN/nN i nie będzie seletywności z bezpieczniami w stacji. Może wystąpić problem z seletywnością, jeśli zwarcie będzie na rótim odcinu pomiędzy bezpieczniami w stacji SN/nN a zacisami transformatora. Bardzo często, szczególnie w liniach ablowych, zabezpieczenie obejmuje całą ich długość. Nietórzy fachowcy twierdzą, że ta ma być, ponieważ zabezpieczenie w nazwie ma słowo zwarciowe, czyli chroni od sutów zwarć, natomiast zabezpieczenie zwłoczne nazywają zabezpieczeniem przeciążeniowym, czyli ma działać podczas przeciążeń linii. Nie ma wymagania, aby linie SN zabezpieczać od sutów przeciążeń! Nie jest to zabronione i w jednym z oddziałów dystrybucji taie zabezpieczenie jest stosowane, jednaże z działaniem na sygnał, co jest bardzo dobrym rozwiązaniem. Jest to jedna trzecie zabezpieczenie używające jao ryterium prądów fazowych w linii i wyraźnie nazwane. 3. Dobór nastawy prądowej Nastawę zabezpieczenia zwarciowego dobiera się obecnie wyłącznie z puntu widzenia seletywności zabezpieczenie nie powinno mieć zasięgu przeraczającego miejsce zainstalowania następnego zabezpieczenia nadprądowego zwłocznego, czyli stosuje się wzór: b max, (1) nast ϑ gdzie: nast nastawa zabezpieczenia zwarciowego po stronie wtórnej przeładniów prądowych, i Nr 181 19
max masymalny prąd zwarciowy na szynach przed następnym zabezpieczeniem nadprądowym zwłocznym, w przypadu łącznia wyposażonego w zabezpieczenia w głębi sieci na słupie, na tórym jest zainstalowany, współczynni bezpieczeństwa, literatura zaleca 1,2 1,6 bez żadnych wsa- b θ i zówe dodatowych, przeładnia przeładniów prądowych. Warune (1) wyraźnie dotyczy wymagania oniecznego dla uzysania seletywności, aby zabezpieczenie zwarciowe na początu linii nie miało zasięgu poza następne zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne lub nieco ogólniej: za zabezpieczenia znajdujące się dalej w linii o nastawionym dłuższym lub zbliżonym czasie. W liniach, gdzie zabezpieczenie jest wyłącznie na jej początu, jest nieczytelny lub nawet zbędny. Rzado sprawdza się przy tym, czy zabezpieczenie obejmuje 20% długości linii. Przy małych impedancjach linii (do następnych szyn zbiorczych) zdarzają się wyjątowe sytuacje, iedy ze względu na warune wyniający ze wzoru (1) zabezpieczenie nie zadziała w żadnych warunach, ponieważ wartość nastawy jest więsza od wartości prądu zwarciowego na szynach zbiorczych szczególnie dla zwarć dwufazowych. Powinna być przynajmniej sprawdzana zależność, czy: min (2), nast < cϑi gdzie: s min minimalny prąd zwarciowy (dla zwarcia dwufazowego) na szynach zbiorczych zasilających linię, c współczynni czułości w granicach 1,2 1,5, ale w srajnym przypadu może to być nawet wartość 1. Zależność (2) nie gwarantuje objęcia zabezpieczeniem 20% długości linii, ale przynajmniej wiadomo, że z odpowiednią czułością wyłączy zwarcia na początu linii. Prawidłowy i nieprawidłowy sposób doboru nastawy dla linii z drugim puntem zabezpieczeniowym poazano na rys. 1, na tórym x oznacza odległość miejsca zwarcia od szyn zbiorczych zasilających linię, a l długość linii. Niebiesa rzywa oznaczona max to wartość masymalnego prądu zwarcia (trójfazowego) w danym miejscu linii, a min to wartość prądu minimalnego (przy zwarciu dwufazowym). Prawidłowo dobrana nastawa to prosta nast1. Masymalny zasięg zabezpieczenia oznaczono x max, a minimalny x min i wg spotyanych zaleceń ma on (x min ) być więszy niż 20% długości linii. Prosta nast1 to nastawa właściwa. Zabezpieczenie będzie działało podczas zwarć trójfazowych na ooło 40% długości linii, podczas zwarć dwufazowych na ooło 25% długości linii. s 20
Prosta nast2 to nastawa za duża. Zabezpieczenie będzie działało tylo podczas zwarć trójfazowych na ooło 5% długości linii, podczas zwarć dwufazowych nie zadziała wcale. Prosta nast3 to nastawa za mała. Zabezpieczenie będzie działało podczas zwarć trójfazowych również za zabezpieczeniem >, czyli nie będzie seletywności. Rys. 1. Ogólna zasada doboru nastawy zabezpieczenia zwarciowego Przy obliczaniu prądów zwarciowych najlepiej jest orzystać z gotowych programów, tóre uwzględniają zmiany mocy zwarciowej na szynach zasilających linię. Jeśli taich programów bra lub nie zawierają odpowiedniej bazy danych, to można orzystać ze wzorów: na masymalny prąd zwarciowy max (zwarcia trójfazowego ze współczynniiem 1,1 w liczniu): n = 1, 1U, (3) max 3 Z na minimalny prąd zwarciowy (zwarcia dwufazowego ze współczynniiem 1 w liczniu): Un =, (4) max 2Z gdzie: U n napięcie nominalne sieci, Z impedancja pętli zwarciowej sieci (dla sładowej zgodnej). Nr 181 21
W pratyce obserwuje się często, szczególnie w liniach, w tórych nie ma innych puntów zabezpieczeniowych, że zabezpieczenie zwarciowe obejmuje całą linię, ponieważ nastawiane jest na zbyt małą wartość prądu. Przy wprowadzaniu relozerów istnieją wówczas problemy ze soordynowaniem nastaw i uzysaniem seletywności. Konieczna jest czasem wymiana zabezpieczenia w polu liniowym rozdzielni zasilającej lub nawet przeładniów prądowych, ponieważ stosowane dawniej i spotyane do dzisiaj zabezpieczenia eletromechaniczne lub analogowe miały znacznie mniejsze zaresy nastaw niż współczesne cyfrowe. Jeśli zrezygnować z warunu (1), to należy zadbać przynajmniej, aby zabezpieczenie zwarciowe nie miało rozruchu podczas masymalnego obciążenia linii, ponieważ przy jego małym opóźnieniu czasowym łatwo o zbędne zadziałanie podczas stanów nieustalonych np. przy załączaniu linii. Podczas tej normalnej dla linii operacji mogą występować dwa rodzaje udarów: od odbiorniów, np. dużych silniów asynchronicznych, od prądu magnesującego wielu transformatorów, przy czym zjawiso ma nieco inny charater niż dla transformatora pojedynczego. Nie wystarczy postawienie wymagania, że nastawa prądowa ma być więsza niż zabezpieczenia nadprądowego zwłocznego, ponieważ rozruch tego zabezpieczenia nie spowoduje zbędnego wyłączenia przeważnie jego nastawa czasowa zawiera się w przedziale 0,5 s 1,5 s. Można zaproponować zależność: 22, (5) >> nast > b>> nast w tórej: >> nast nastawa prądowa zabezpieczenia zwarciowego, > nast nastawa prądowa zabezpieczenia zwłocznego. b>> współczynni bezpieczeństwa, tórego wartość można zalecić w granicach 2 4, ale jeśli jest wystarczająca czułość, to nie mniej niż 4. Zależność (5) i podane wartości współczynnia b>> wyniają wyłącznie z doświadczeń autora i trudno udowodnić nauowo tę wartość. 4. Ochrona początowego odcina linii Dla ochrony przewodów linii napowietrznej przed sutami rótotrwałego nagrzewania prądem zwarciowym (gołych lub izolowanych, nazywanych też przewodami w osłonie) lub linii ablowej, zabezpieczenie powinno mieć zasięg tai, aby wyłączać zwarcia groźne z tego puntu widzenia. Nastawy zabezpieczenia nie należy rozpatrywać w oderwaniu od nastaw zabezpieczenia zwłocznego, a ta obecnie powszechnie się robi. Warto przeanalizować, jai początowy odcine linii jest zagrożony podczas zwarć wyłączanych przez zabezpieczenie zwłoczne i tai odcine należy objąć zabezpieczeniem zwarciowym. Podjęta zostanie próba wyazania w zależności od mocy zwarciowej na szynach zbiorczych, parametrów linii i nastaw zabezpieczenia zwłocznego, co należy rozumieć pod pojęciem początowy odcine
t ow linii i czy dla ażdych warunów jest potrzeba zastosowania zabezpieczenia zwarciowego. Przedstawiony sposób jest słuszny dla zwarć trwających nie dłużej niż 5 s, przy czym uwzględnia się możliwość wystąpienia cylu SPZ o przerwie szacunowo do 1,5 s, czyli standardowo stosowanej w polsich liniach SN. Autor nie znalazł pewnych analiz, jaa przerwa bezprądowa w cylu SPZ wpływa na to, czy czasy trwania należy sumować czy nie. Wiąże się to ze stałą czasową stygnięcia przewodów. Stąd wydaje się, że w SPZ-cie jednorotnym należy sumować obydwa czasy prądowe, a w cylu SPZ dwurotnego tylo dwa pierwsze. Druga przerwa beznapięciowa trwa przeważnie 10 s 15 s, a nawet więcej i będzie miała już znaczenie wymiana ciepła pomiędzy przewodem a otaczającym go środowisiem, tórym przeważnie będzie powietrze lub grunt, czyli można jej nie uwzględniać. Stąd czas zwarcia t można dla linii wyposażonej w SPZ jednorotny lub dwurotny przyjąć jao równy: t = tnast1 + tnast2 + 2t, (6) ow gdzie: t nast1 nastawione opóźnienie zabezpieczenia zwłocznego podczas pierwszego zwarcia w cylu SPZ, t nast2 nastawione opóźnienie zabezpieczenia zwłocznego podczas drugiego zwarcia w cylu SPZ, czas własny wyłącznia przy wyłączaniu (indes o od otwierania). W zależności (6) przyjęto, że czas pierwszego zwarcia może być inny od czasu drugiego taie zjawiso występuje, jeśli stosuje się tzw. przyspieszanie wyłączenia w olejnych działaniach zabezpieczenia nadprądowego zwłocznego podczas cylu SPZ. Zabezpieczenie zwłoczne może działać z mniejszym opóźnieniem specjalnie wyodrębnionym w nastawach lub z czasem zabezpieczenia zwarciowego. Dla linii bez SPZ należy zastosować zależność: t = t + t. (7) nast 5. Ochrona przed sutami nagrzewania przewodu podczas zwarcia W celu oreślenia dopuszczalnego prądu zwarciowego oznaczanego jao thdop, należy sorzystać z zależności [3]: lub ow thdop = s j th (8a) = thdop s j t (8b). j th najwięsza dopuszczalna gęstość prądu w rozpatrywanym przewodzie podczas zwarcia, przy czym: jthn j th = (9) t thn Nr 181 23
j thn najwięsza dopuszczalna jednoseundowa gęstość prądu jaą w żyle przewodu można dopuścić podczas zwarcia (nazywana też: znamionową wytrzymywaną gęstością prądu) odczytana z wyresu na rys. 2 lub 3, czasem z tablic), czas trwania zwarcia w rozpatrywanym obwodzie prądu (linii). t Pod pojęciem dopuszczalny prąd zwarciowy w niniejszym artyule uważać się będzie najwięszą wartość prądu, tóra może płynąć w przewodzie w oreślonym czasie bez przeroczenia jego temperatury dopuszczalnej rótotrwale przy założeniu, że temperatura początowa była równa temperaturze granicznej dopuszczalnej długotrwale (związanej z dopuszczalną obciążalnością długotrwałą). Przyjmuje się, że zjawiso nagrzewania uważa się za rótotrwałe, jeśli trwa do 5 s (można spotać też wartość 3 s). Dla oreślenia j thn na podstawie wyresów na rys. 2 lub 3, tóre dotyczą przewodów narażonych na oddziaływania mechaniczne, należy znać materiał przewodu, czyli czy to jest miedź (Cu), czy aluminium (Al). Nie uwzględnia się przy tym udziału stali w rdzeniu przewodu stalowo-aluminiowego dla linii napowietrznych, ponieważ jej zdolność gromadzenia ciepła w porównaniu z aluminium jest ooło czterorotnie mniejsza i dodatowo jej przerój stanowi tylo ¹ ₆ ¹ ₈ przeroju aluminium. Należy znać taże dwie temperatury: θ B ustaloną temperaturę przewodu podczas długotrwałego obciążenia roboczego poprzedzającego zwarcie, θ zalecaną najwyższą temperaturę podczas zwarcia, temperatura ta jest podana przy poszczególnych rzywych na rys. 2 i 3 bez jednoste, są to C. Dla przewodów narażonych na oddziaływania mechaniczne, czyli w liniach napowietrznych, temperaturę θ na podstawie tablicy 1 przyjmuje się dla przewodów stalowo-aluminiowych równą 200 C Tablica 1. Zalecane najwyższe temperatury podczas zwarcia dla przewodów narażonych na oddziaływania mechaniczne (wsute dynamicznego działania prądu) wg [4] Rodzaj przewodu Najwyższa zalecana temperatura Przewody szynowe, materiał lity bądź lina: Cu, Al, stopy Al 200 C 24 Przewody szynowe, materiał lity bądź lina: stal 300 C Ustaloną temperaturę początową θ B należy dla przewodów AFL przyjmować równą 80 C jao dopuszczalną temperaturę przy trwałym obciążeniu. Dla abli te dwie temperatury należy przyjmować na podstawie art atalogowych producenta. Kila taich wartości zestawiono w tablicy 2 [5]. Prościej jest sorzystać bezpośrednio z wartości dopuszczalnych gęstości prądu zwarciowego 1-seundowego podanych w tablicy [5] przyjmując wiersz dla temperatury żyły przed zwarciem wynoszącej 80 C. Dla abli papierowo-olejowych Telefonia niestety nie podaje żadnych danych. Można tutaj posłuży się starymi przepisami [12], tóre w wielu miejscach podają bardzo pratyczną i sprawdzoną wiedzę.
Rys. 2. Najwięsza dopuszczalna jednoseundowa gęstość prądu dla przewodów Cu Rys. 3. Najwięsza dopuszczalna jednoseundowa gęstość prądu dla przewodów AL i AFL Dla bardzo ostatnio popularnych przewodów EXCEL i AXCES producent podaje bezpośrednio dopuszczalny prąd zwarciowy jednoseundowy, co zacytowano w tablicy 4 [6]. Prąd ten należy przeliczyć na rzeczywisty czas zwarcia t wg zależności: thn, (10) thdop = t w tórej: thn jednoseundowy dopuszczalny prąd zwarcia. Zwraca się uwagę, że producent przewodów AXCES podaje dopuszczalną temperaturę rótotrwałą przewodu 250 C, a z normy [4] wynia, że powinno to być 200 C. Artyuł dotyczy zabezpieczeń, a nie przewodów dla linii, stąd nie podejmuje się dysusji na ten temat. Wiadomo, że AXCES jest przewodem specyficznym i być może producent ma uzasadnienie dla taiego parametru. Tablica 2. Charaterystyczne temperatury dla nietórych rodzajów abli i przewodów Typ abla Kable w izolacji z polietylenu usieciowanego Kable do podwieszania np. XRaUHAKXS+Fe Kable w izolacji polwinitowej (w liniach SN nie stosuje się) Kable w izolacji papierowej przesyconej syciwem nieścieającym na napięcie 15 V Mas. temp. żyły dla obciążenia długotrwałego Mas. temp. żyły roboczej przy zwarciu 5 se. +90 C +250 C bra danych w arcie atalogowej, wg autora ja dla linii napowietrznych +70 C bra danych w arcie atalogowej, wg autora ja dla linii napowietrznych +160 C dla przeroju 300 mm 2 +140 C dla przeroju > 300 mm 2 +65 C +170 C Nr 181 25
Typ abla Mas. temp. żyły dla obciążenia długotrwałego Mas. temp. żyły roboczej przy zwarciu 5 se. Kable w izolacji papierowej przesyconej syciwem nieścieającym na +65 C +150 C napięcie 20 V EXCEL i AXCES 65 C dla abla zawieszonego na słupach jao samonośny 250 C 90 C dla abla bez naprężeń mechanicznych ułożonego na ziemi lub na onstrucjach wsporczych 250 C Tablica 3. Dopuszczalna gęstość prądu zwarciowego 1-seundowego [A/mm 2 ] w żyłach abli [5] Temperatura żyły przed zwarciem ( C) miedziane Rodzaj żył aluminiowe 90 143 94 80 149 98 70 154 102 65 157 104 60 159 105 50 165 109 40 170 113 20 181 120 Tablica 4. Dopuszczalny 1-seundowy prąd zwarcia dla abli EXCEL i AXCES [6] Temperatura przewodu przed zwarciem EXCEL 3 10/10 12/20 V AXCES 3 70/25 12/20 V 65 C 1800 7100 90 C 1600 6600 6. Zagrożenia przy działaniu zabezpieczenia zwłocznego Na długość odcina, tóry jest zagrożony cieplnym oddziaływaniem prądu zwarciowego przy działaniu tylo zabezpieczenia zwłocznego w liniach SN wpływają następujące czynnii: moc zwarciowa na szynach, przerój, materiał i rodzaj przewodu, obciążenie mechaniczne przewodu lub jego bra, czas zwarcia, na tóry wpływają: czas zadziałania zabezpieczenia (można przyjąć równy czasowi nastawionemu), czas własny wyłącznia, rodzaj i właściwości SPZ. 26
Dla danego rodzaju przewodu i rodzaju linii ocena długości zagrożonej uszodzeniem przez cieplne oddziaływanie prądu zwarciowego została przeprowadzona w następujący sposób: przyjęto czas zwarcia, odczytano jeden z parametrów w zależności od dostępności: dopuszczalny 1-seundowy prąd zwarcia thn lub najwięszą dopuszczalną jednoseundową gęstość prądu j thn, obliczono najwięszy dopuszczalny prąd zwarcia thdop, obliczono prąd zwarcia trójfazowego w danym miejscu linii, jeśli zachodzi > thdop, to zagrożenie istnieje. Wszystie obliczenia wyonano przy założeniu, że linia na całej długości jest wyonana z jednolitego przewodu. Wynii obliczeń dla linii napowietrznych o napięciu nominalnym 15 V podano w tablicy 5. Dla wszystich linii reatancję jednostową wzdłużną przyjęto 0,4 Ω/m, a moc zwarciową na szynach zasilających 250 MVA. Nie podawano wyniów powyżej 5 m, a ich doładność wynosi 50 m. Jest to doładność z puntu widzenia zabezpieczeń zupełnie wystarczająca. Dla linii ablowych wynii podano w tablicy 6, przy czym przyjęto moc zwarciową również 250 MVA, a jednostową reatancję wzdłużną jednaową dla wszystich abli 0,1 Ω/m. Warto zauważyć, że dla najczęściej stosowanych typów przewodów gołych i abli, dla tych drugich odcini niezagrożone przeciętnie są o wiele dłuższe. Wartość 0 w tablicy oznacza, że dla danego typu przewodu i czasu zwarcia nie ma zagrożenia już od samych szyn zbiorczych. Tablica 5. Długości [m] linii napowietrznych 15 V zagrożonych przez cieplne oddziaływanie prądu zwarciowego Czas zwarcia (s) Typ przewodu EXCEL 3 10 (dla temp. AFL6-35 AFL6-50 AFL6-70 początowej 90 C) AXCES 3 70 0,20 750 <50 0 800 0 0,25 950 300 0 900 0 0,50 1800 500 350 1350 100 0,75 2350 1700 850 1650 600 1,00 2850 2150 1300 1900 1000 1,25 3250 2500 1650 2150 1300 1,50 3650 2900 1950 2400 1600 1,75 3800 3200 2250 2600 1900 2,00 4300 3500 2500 2750 2100 2,50 4900 4050 3000 3100 2550 3,00 4550 3450 3400 2950 3,50 5000 3850 3700 3300 4,00 4200 3950 3650 4,50 4550 4200 3950 5,00 4850 4450 4250 Nr 181 27
Tablica 6. Długości linii [m] wyonanych z abli polietylenowych 15 V o żyłach aluminiowych zagrożonych przez cieplne oddziaływanie prądu zwarciowego 28 Czas zwarcia (s) Przerój żyły roboczej (mm 2 ) 70 120 150 240 0,20 0 0 0 0 0,25 0 0 0 0 0,50 0 0 0 0 0,75 1100 0 0 0 1,0 1800 0 0 0 1,25 2300 0 0 0 1,50 2700 <50 0 0 1,75 3100 700 0 0 2,00 3400 1200 0 0 2,50 4050 1950 350 0 3,00 4550 2600 1100 0 3,50 >5000 3150 1750 0 4,00 >5000 3650 2250 0 4,50 >5000 4050 2750 0 5,00 >5000 4450 3200 0 7. Oreślenie wartości nastawczej z puntu widzenia zjawis cieplnych przy przepływie prądu zwarciowego Przeglądając tablice można oreślić, jaa długość linii licząc od początu powinna być objęta zabezpieczeniem naprądowym zwarciowym, ponieważ przy działaniu zabezpieczenia zwłocznego przeroczona będzie dopuszczalna wartość prądu z puntu widzenia rótotrwałego nagrzewania prądem zwarciowym. Jednaże dla obliczenia nastawy zabezpieczenia zwarciowego z omawianego puntu widzenia nie ma potrzeby analizowania żadnych tych zasięgów zagrożenia czy też jego czułości. Nastawa po stronie wtórnej przeładniów prądowych powinna spełniać warune: thdop, (11) nast ϑ w tórym: thdop dopuszczalna wartość prądu zwarciowego obliczona dla danego przewodu i czasu trwania zwarcia przy działaniu zabezpieczenia zwłocznego oraz oreślonych właściwościach automatyi SPZ, zwraca się przy tym uwagę, że abel na początu linii nie wylucza tej automatyi, bo linia może przechodzić w napowietrzną, bth współczynni bezpieczeństwa dla nastawy, proponuje się zares od 1,05 do 1,2. Współczynni bezpieczeństwa można przyjmować wg zaleceń w tablicy 7. Lepsze byłoby uzależnienie go od impedancji linii, ale dopasowanie go zawsze jest możliwe. bth i
Zmniejszanie wartości bth przy rótich liniach wynia z doświadczeń autora z uzysaniem w taich sytuacjach seletywności zabezpieczeń (zwarciowego z następnym zwłocznym). Za długość linii rozumie się: jeśli linia nie jest nigdzie wyposażona w zabezpieczenia poza rozdzielnią zasilającą jej głównego ciągu do miejsca podziału lub odbiorcy, jeśli linia jest wyposażona w zabezpieczenia np. w rozłączniach (tzw. relozerach) lub zasila RS, to do następnego zabezpieczenia zwłocznego lub szyn tuż przed nim. Tablica 7. Proponowane wartości współczynnia bezpieczeństwa bth Lp. Długość linii Zalecana wartość bth 1 do 2 m 1,05 2 powyżej 2 m do 4 m 1,1 3 powyżej 4 m do 10 m 1,15 4 powyżej 10 m 1,2 8. Bloada SPZ od zadziałania >> Więszość zabezpieczeń spotyanych na rynu ma jedną z możliwości: wybór zabezpieczeń, od tórych jest uruchamiana automatya SPZ, SPZ uruchamiany od wszystich zabezpieczeń działających na wyłączenie linii, ale z możliwością bloowania przy zadziałaniu zabezpieczenia zwarciowego. Autor nigdy nie spotał się w polsiej literaturze z wyjaśnieniem, iedy SPZ uruchamiać, a iedy bloować. Można sądzić, że zagadnienie to było rozpracowane przed roiem 1960, a nawet przed 1939, a ponieważ jest zagadnieniem inżyniersim, nauowcy niechętnie się nim zajmowali, jao zbyt prozaicznym. Jeśli przyjąć ogólną zasadę, że ważna jest ochrona przewodów linii przed cieplnymi sutami zwarć, to uruchomienie SPZ od zabezpieczenia zwarciowego będzie zależało od tego, czy zwarcie wyłączane przez to zabezpieczenie spowoduje przeroczenie dopuszczalnego prądu zwarciowego. Należy zwrócić uwagę, że wiele linii napowietrznych z rozdzielni jest wyprowadzana ablem. Będzie występować sytuacja, że dla abla SPZ jest dozwolony, a dla linii napowietrznej nie. Z puntu widzenia esploatacji linii lepiej stosować mniejsze nastawy czasowe zabezpieczeń zwarciowych, ale nie bloować SPZ-tu. Jest to bardziej orzystne dla odbiorców, bo rótsza jest wówczas przerwa w zasilaniu dla odbiorców bytowo-omunalnych nawet niezauważalna. Jeśli długość abla jest mała i nie powoduje znaczącego zmniejszenia prądu zwarciowego w miejscu przejścia w linie napowietrzną (np. tylo za granicę stacji), to można ocenę prowadzić dla prądu zwarciowego na szynach rozdzielni SN. Podczas SPZ uruchamianego od zabezpieczenia >> czas zwarcia jest dwurotnie więszy niż przy jego brau. Nr 181 29
Dopuszczalne wartości prądów zwarciowych (zwarcia trójfazowego) dla różnych typów przewodów i czasów zwarcia podano w tablicy 8. Nie umieszczono danych dla abla 240 mm 2, ponieważ przy spotyanych w Polsce mocach zwarciowych może on być zawsze w analizowanym zaresie czasowym poddany SPZ-towi. Z tablicy należy orzystać w ten sposób, że należy dobierać z niej czas trwania zwarcia tai, aby był możliwy SPZ. Po dobraniu masymalnego czasu zwarcia należy od niego odjąć czas własny wyłącznia i obliczyć masymalną nastawę czasową zabezpieczenia. Wartości prądu zwarciowego należy analizować na początu linii, czyli pratycznie na szynach zbiorczych rozdzielni. Tablica 8. Wartości prądu zwarciowego, powyżej tórych należy stosować bloadę SPZ od zabezpieczenia zwarciowego Rodzaj przewodu Czas pojedynczego zwarcia (s) 30 abel w izolacji AFL AXCES polietylenowej 35 50 70 70 120 3 70 0,10 6652 9503 13305 15339 26296 14758 0,15 5432 7759 10863 12525 21471 12050 0,20 4704 6720 9408 10847 18594 10436 0,25 4207 6010 8415 9702 16631 9334 0,30 3841 5487 7681 8856 15182 8521 0,35 3556 5080 7112 8199 14056 7889 0,40 3326 4752 6652 7670 13148 7379 0,45 3136 4480 6272 7231 12396 6957 0,50 2975 4250 5950 6860 11760 6600 9. Metodya doboru nastawy Nastawa zabezpieczenia nadprądowego zwarciowego powinna więc spełniać trzy zależności oznaczone (1), (2) i (10). Należy dobrać nastawę z puntu widzenia zjawis cieplnych (10), potem seletywności (1) i sprawdzić zależność (2). Sprawdzanie wg zależności (2) jest uproszczoną formą ontroli, czy zabezpieczenie obejmuje 20% linii. Zawsze dla oceny działania zamiast obliczenia wg wzoru (2) orzystne jest wyonanie wyresu minimalnego i masymalnego prądu zwarciowego wzdłuż linii i sprawdzenie, ta ja poazano to wg rys. 1. Rzado iedy linie są jednorodne, wyonane z tego samego rodzaju przewodu. Dla analizy wytrzymałości cieplej zwarciowej należy przyjąć parametry odcina o najmniejszej wartości dopuszczalnego cieplnego prądu zwarciowego sprawdzając, czy ostateczna wartość przyjętej nastawy powoduje, że ten odcine jest objęty zasięgiem zabezpieczenia. Metodya postępowania w taich przypadach jest poazana w przyładzie 7. We wszystich przyładach przyjęto, że jednostowa reatancja wzdłużna dla linii napowietrznych wynosi 0,4 Ω/m, a dla linii ablowych 0,1 Ω/m. Obliczanie minimalnego i masymalnego prądu zwarciowego wyonano odpowiednio dla
zwarcia trój- i dwufazowego. Nie uwzględniono możliwych zmian mocy zwarciowej na szynach zasilających linię. Możliwość zmniejszenia prądu zwarciowego uwzględniono poprzez bra współczynnia 1,1 w liczniu wzoru na obliczanie prądu zwarcia dwufazowego. Dla doboru nastaw zabezpieczenia zwarciowego nie ma znaczenia rozmieszczenie stacji SN/nN wzdłuż linii, jeśli są zasilane bezpośrednio z tego ciągu. Zagrożenie może wystąpić w odgałęzieniach od głównego ciągu linii. Współczesne linie są ta bardzo rozbudowane, że przy analizie należałoby rozpatrzyć bardzo wiele różnych uładów, co jest bardzo pracochłonne i trudne, a uzysany efet będzie podobny do pochodzącego z analizy uproszczonej. Stąd autor uważa, że należy analizować tylo ciąg główny. Odgałęzienie należy analizować tylo wtedy, jeśli odchodzi od niego linia wyposażona w zabezpieczenie nadprądowe (nie bezpiecznii) na ońcu lub relozer. Również przy występowaniu w linii ilu relozerów przeważnie wystarczy analizować współpracę tylo z najbliższym. Autor uważa, że zrozumienie przedstawionych zasad zostanie ułatwione przez przytoczenie ilu przyładów, ponieważ ułady sieci spotyane w esploatacji są bardzo różne. Dopiero na uładzie onretnej linii widoczne są problemy z doborem nastaw. Przyład 1 Linia 15 V wyonana jest z przewodu AFL-6 o przeroju s = 70 mm 2 i długości l = 9,5 m. Wyposażona jest w zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne nastawione na 1 s, SPZ dwurotny z czasem pierwszej przerwy 0,8 s, drugiej przerwy 15 s. Moc zwarciowa na szynach zbiorczych zasilających linię wynosi S = 220 MVA. Czas własny wyłącznia wynosi 75 ms. Nie zastosowano przyspieszania wyłączania podczas cylu SPZ. W rozwiązaniu przyładu 1 przytoczono ponownie wzory. W pozostałych przyładach podano tylo podstawienia wartości do tych wzorów. W analizie używać się będzie nastaw po stronie pierwotnej przeładniów prądowych oznaczonych jao nastp. W tym celu prawe strony wzorów (1), (2) i (10) należy przemnożyć przez θ i. Nastawy tzw. wtórne są bardziej pratyczne przy samym wprowadzaniu do zabezpieczeń, natomiast nastawy pierwotne łatwiej porównywać bezpośrednio z wartościami prądów w linii, np. zwarciowych. a) Czas zwarcia przy działaniu zabezpieczenia zwłocznego: t = t nast1 + t nast2 + 2t ow = 1,0 + 1,0 + 2 0,075 = 2,15 s b) Z wyresu na rys. 3 dla θ B = 80 C i θ K = 200 C odczytuje się j thn = 85 A/mm 2. Na tej podstawie: s jthn 70 85 = = = 4011 A. (P1) thdop t 2,2 Nr 181 31
c) Nastawa ze względu na dopuszczalny cieplny prąd zwarciowy powinna spełniać warune: 4011 thdop = = 3343 A. (P2). nastp 1,2 bth d) mpedancję pętli zwarciowej dla sładowej zgodnej obliczono wg wzoru: 2 1,1 Un ' l Z = j + jlx L + S sγ gdzie: ' X jednostowa reatancja wzdłużna linii w Ω/m, L l długość linii do miejsca zwarcia, m γ przewodność aluminium (przyjęto 34 ). 2 Ω Stąd: mm Z = (3,99+j4,925) Ω, Z = 6,34 Ω. Masymalny prąd zwarcia na ońcu linii wynosi: 1,1 Un max = 3Z 1,1 15000 max = = 1503 A. 3 6,34 (P3) (P4) e) Ze względu na to, że w dalszej części linii nie ma już żadnych zabezpieczeń, waruni: b max (P5) nast ; nastp bmax ϑ nie są wymagane. Dla orientacji nastawa pierwotna została jedna obliczona: nastp 1,4 1503 = 2104 A. f) Sprawdzony zostaje jeszcze warune: s min nastp <. 2 i (P6) Minimalny prąd zwarciowy s f (czyli podczas zwarcia dwufazowego) na szynach zbiorczych obliczony został na podstawie prądu zwarcia trójfazowego s 3f, przy czym założono, że liczy się go wg wzoru bez współczynnia 1,1 w liczniu: s Un = (P7) 2 f 2Z c 32
S 220 MVA 8467 A 3U 3 15 V s 3 s 2 f = 3f = 6666 A. 2 1,1 s 3 f = = = n Czyli główny warune z tego puntu jest następujący: (P8) (P9) < nastp 6666 = 5555 1,2 A. g) Podsumowanie i ostateczny dobór nastawy wynia z dwóch niesprzecznych nierówności: nastp 3343 A czyli nastp < 5555 A, 2104 A nastp 3343 A, pamiętając, że lewa strona nierówności nie jest obowiązująca, jest tylo wsazówą. Można przyjąć np. nastawy 2500 A, 3000 A. Ostateczną wartość wtórną należy dobrać na podstawie możliwych do uzysania wartości nastawczych na zastosowanym urządzeniu zabezpieczeniowym i przeładni przeładniów prądowych. h) Na podstawie tablicy dla prądu zwarciowego = 8468 A możliwy jest czas pojedynczego zwarcia w cylu SPZ 0,2 s. Przy czasie własnym wyłącznia 0,075 s pozwala to na zastosowanie nastawy nie więszej niż 0,125 s. Jeśli nastawa czasowa będzie więsza, SPZ należy zabloować. Na rys. 3 przedstawiono wyres prądów zwarciowych w zależności od miejsca zwarcia z zaznaczonymi pewnymi charaterystycznymi wielościami. Wyonywanie taich wyresów zaleca się w przypadu sytuacji bardziej złożonych, ale jest to bardzo dobry sposób oceny nastaw zabezpieczenia. Na wszystich rysunach dotyczących przyładów: rzywe w olorze niebiesim to masymalny prąd zwarcia, a w olorze ciemnoszarym minimalny prąd zwarcia wg wzorów (3) i (4), jasnoszara prosta to przyjęta wartość nastawy nast, przy czym ciągła ostateczna, przerywana wersja, x odległość miejsca zwarcia od szyn zbiorczych zasilających linię, x min minimalny zasięg zabezpieczenia, x max masymalny zasięg zabezpieczenia. Przyład 1 jest prosty, minimalny zasięg zabezpieczenia przy nastawie 3000 A wynosi ooło 2,8 m, co stanowi 29% długości linii. Można też podać, że właściwe by- Nr 181 33
łyby inne nastawy orientacyjnie w zaresie od 1700 do 3300 A. Wynia to z dwóch przesłane: przy nastawie 1700 A zabezpieczenie podczas zwarć trójfazowych obejmie całą linię, ale bez zasilanych nią szyn zbiorczych lub samego ońca, a ze względu na bra tam zabezpieczeń, odstrojenie od prądu zwarciowego na ońcu linii nie jest onieczne, przy nastawie 3300 A linia jest właściwie chroniona przed sutami cieplnymi przepływu prądu zwarciowego, a zasięg minimalny wynosi ooło 2400 m. Rys. 4. Wyres prądów dla przyładu 1 Przyład 2: Wszystie dane ja w przyładzie 1, ale na ońcu linii jest odbiorca, tóry posiada zainstalowane zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne z nastawą czasową 0,7 s. a) Wszystie obliczenia wyonane w przyładzie 1 są atualne. Warune (P5) już jest wymagalny, ze względu na zabezpieczenie zwłoczne na ońcu linii. Czyli musi zachodzić 2104 A nastp 3343 A, i dobrana poprzednio nastawa 3000 A jest prawidłowa. Taie same są wymagania dla nastawy czasowej i automatyi SPZ. 34
b) Rys. 4 również jest słuszny. Zmiana dotyczy możliwego zaresu nastaw wartości poniżej 2104 A są niezalecane, ponieważ grozi nieseletywne zadziałanie zabezpieczeń w przypadu zwarć za zabezpieczeniem zwłocznym na ońcu linii. Współczynni bezpieczeństwa we wzorze (P5) byłby poniżej 1,2. Można jeszcze obniżyć nastawę do ooło 1600 A, ale widać z wyresu, że wówczas podczas zwarć trójfazowych zasięg zabezpieczenia zwarciowego ończy się prawie na zasilanych szynach zbiorczych. Przyład 3 Wszystie dane ja poprzednio, ale w odległości 4,5 m od szyn zbiorczych w linii został zainstalowany relozer R1 wyposażony w zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne. Punty a, b i c ja w przyładzie 1. d) mpedancja pętli zwarciowej do relozera R1: Z = (1,89+j2,93) Ω, Z = 3,48 Ω. Masymalny prąd zwarcia w miejscu zainstalowania relozera R1: 1,1 15000 max = = 2737 A. 3 3,48 e) Ze względu na to, że w linii jest zabezpieczenie zwłoczne, obowiązuje warune (P5): nastp 1,4 2737 = 3831 A. f) Warune f pozostał bez zmiany w stosunu do przyładu 1, czyli: nastp < 5555 A. g) Ocena uzysanych wyniów: ze względu na seletywność: nastp 3831 A, ze względu na wytrzymałość cieplną przewodów: nastp 3343 A, ontrola czułości przy zwarciu na szynach zbiorczych: nastp < 5555 A. Dwa pierwsze waruni są sprzeczne. Jedna w zależności (1) przyjęto b = 1,4, a możliwy podany zares to 1,2 1,6. Ponownie wyonuje się obliczenie dla puntu e ze współczynniiem b = 1,2 i otrzymuje się: nastp 1,2 2737 = 3284 A. Przy taim warunu możliwe jest przyjęcie nastawy: nastp = 3300 A. lustracja graficzna poazana jest na rys. 5. Ostatecznie dobrana nastawa została opisana jao nast. Zwraca się uwagę, że gdyby pozostać przy doborze nastawy wg pierwszego warunu seletywności ze współczynniiem bezpieczeństwa 1,4 opisanej na rysunu jao nast-14, część linii byłaby niewłaściwie chroniona przed sutami cieplnymi zwarć. Uwidacznia się tutaj zaleta zaproponowanego sposobu doboru. Nr 181 35
Rys. 5. Wyres prądów dla przyładu 3 Przyład 4 Wszystie dane ja w przyładzie 3 (również relozer R1), ale dodatowo zainstalowano relozer R2 w odległości 1,4 m od szyn zbiorczych, również wyposażony w zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne. Punty a, b i c ja w przyładzie 1, co daje warune: nastp 3343 A. d) mpedancja pętli zwarciowej do relozera R2 wynosi: 36 Z = (0,50+j1,69) Ω, Z = 1,78 Ω. a masymalny prąd zwarcia w miejscu jego zainstalowania: 1,1 15000 max = = 5887 A. 3 1,78 e) Ze względu na to, że w linii jest zabezpieczenie zwłoczne, obowiązuje warune (P5). Korzystając z wniosu w przyładzie 3, że współczynni bezpieczeństwa b wynoszący 1,4 nie pozwolił na prawidłowe zabezpieczenie linii przez sutami cieplnymi, użyto wartości 1,2 i uzysano wyni: nastp 1,2 5587 = 6704 A.
f) Warune f pozostał bez zmiany w stosunu do przyładu 1, czyli: nastp < 5555 A. nstalacje i sieci eletryczne g) Ocena uzysanych wyniów: ze względu na seletywność: nastp 6704 A, ze względu na wytrzymałość cieplną przewodów: nastp 3343 A, ontrola czułości przy zwarciu na szynach zbiorczych: nastp < 5555 A. Pierwszy warune jest sprzeczny z pozostałymi i nie ma możliwości orety współczynniów. Rys. 6. Wyres prądów dla przyładu 4 lustracja graficzna poazana jest na rys. 6. Prosta jasnoszara przerywana oznaczona nast-1 to nastawa wyniająca z warunu seletywności. Widać, że przy taim doborze nie tylo nie jest chroniona linia z puntu widzenia wytrzymałości cieplnej zwarciowej, ale zabezpieczenie zwarciowe podczas zwarć dwufazowych nie zadziała nigdy, nawet podczas zwarcia tuż za szynami zbiorczymi. Ostatecznie dobrana nastawa została opisana jao nast. Zapewnia ona ochronę odpowiedniego odcina linii. Jednaże wyraźnie widać, że zasięg zabezpieczenia zwarciowego znacznie wyracza poza miejsce zainstalowania relozera, ta więc zwarcia dwufazowe od x = 1,2 m do x = 2,2 m, a trójfazowe do x = 3,4 m będą wyłączane w polu liniowym w stacji, a nie przez relozer. Powstaje pytanie: co ważniejsze seletywność zabezpieczeń czy uchronienie linii przed uszodzeniem. Suti nieseletywnego wyłączenia można zliwidować w ciągu ilu minut, ponieważ prawie ażdy relozer ma zdalne sterowanie, natomiast suti awarii w postaci zerwania przewodów liwiduje się w ciągu ilu godzin i oszty są znacznie więsze. Powstaje też problem Nr 181 37
bezpieczeństwa, nawet jeśli przewody się nie zerwią. Zwisy liczy się dla temperatury otoczenia 40 C, dopuszczalna temperatura przewodu przy obciążeniu trwałym to 80 C, a podczas zwarcia 200 C. Przeroczenie dopuszczalnej temperatury z powodu przepływu prądu zwarciowego może spowodować znaczne zwięszenie zwisu i zmniejszenie odległości przewodów od ziemi, a w onsewencji osłabienia ochrony przeciwporażeniowej podstawowej. h) Wymagania dla nastawy czasowej i parametrów SPZ ja w przyładzie 1. Przyład 5 Linia 15 V wyonana ablem polietylenowym o żyłach aluminiowych i przeroju 240 mm 2, długości l = 3 m, ma zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne nastawione na 1 s, bra SPZ (zwraca się uwagę, że SPZ może być atywny przy wyprowadzeniu linii ablowej, ponieważ może ona w dalszej części przechodzić w linię napowietrzną). Moc zwarciowa na szynach zbiorczych zasilających linię wynosi S = 220 MVA. Czas własny wyłączniów wynosi 80 ms. Linia zasila RS, z tórej odchodzą linie wyonane ablami tego samego rodzaju o przeroju 120 mm 2 i wyposażone w zabezpieczenia nadprądowe zwłoczne nastawione na 0,7 s. Długości tych linii nie są doładnie znane, ale przeraczają 4 m. Ocenić onieczność i miejsce zainstalowania zabezpieczeń zwarciowych. a) Czas trwania zwarcia t w ablu 240 mm 2 wynosi 1,08 s. b) Z tablicy 3 dopuszczalna gęstość prądu w taim ablu wynosi 98 A/mm 2, stąd: s jthn 240 98 thdop = = = 22632 A. t 1,08 c) Nastawa ze względu na dopuszczalny cieplny prąd zwarciowy powinna spełniać warune: thdop 22632 nastp = = 18860 A. 1,2 a masymalny prąd zwarcia na szynach zasilających linię tylo 8468 A. Z puntu widzenia cieplnego oddziaływania prądu zwarciowego zabezpieczenie zwarciowe jest zbędne. d) mpedancja pętli zwarciowej przy zwarciu na szynach RS wynosi: 38 Z = (0,367+j1,425) Ω, Z = 1,47 Ω. Masymalny prąd zwarciowy na szynach RS-u: RS 1,1 Un 11, 15000 = = = 6480 A, max 3Z 3 1, 47 a minimalny: RS min bth Un 15000 = = = 5102 A. 2Z 2 1, 47
e) Zabezpieczenie zwarciowe na początu linii jest zbędne, ale nie zabronione i może być zastosowane w celu ograniczenia czasu trwania zapadu napięcia na szynach. Musi być spełniona zależność (P5), czyli po podstawieniu: nastp 1,2 6480 = 7776 A. f) Jeszcze warune czułości przy zwarciu tuż za szynami zbiorczymi (P6). Minimalny prąd zwarciowy s 2f (czyli podczas zwarcia dwufazowego) na szynach zbiorczych obliczony został na podstawie prądu zwarcia trójfazowego s 3f, przy czym założono, że liczy się go ze wzoru bez współczynnia 1,1 w liczniu: s Un = 2 f 2Z s S 220 MVA 3 f = = = 8467 A. 3U 3 15 V Czyli warune główny z tego puntu jest następujący: 6666 nastp < = 5555 A. 1,2 n s 3 f 2 1,1 s 2 = 3f = 6666 A. g) Nie biorąc pod uwagę warunu z puntu c, ponieważ zabezpieczenie jest z puntu widzenia nagrzewania zbędne, pozostają dwa waruni: nastp < 5555 A, nastp 7776 A, czyli przy zachowaniu seletywności nie udaje się objąć zabezpieczeniem żadnej części linii, co poazano na rys. 7. h) Prąd zwarcia trójfazowego na szynach RS-u wynosi 6480 A. Przy zabezpieczeniu nastawionym na 0,7 s i czasie własnym wyłącznia 0,08 czas zwarcia wynosi 0,78 s. Stąd dopuszczalny prąd zwarciowy dla abla aluminiowego 120 mm 2 wynosi. thdop 120 98 = = 13315 A, 0,78 czyli jest więszy od prądu zwarciowego. W liniach odchodzących od RS-u nie ma taże potrzeby instalowania zabezpieczeń zwarciowych. Sytuacja dla tego przyładu poazana jest na rys. 7. Prosta nast1 to nastawa wyniająca z warunu seletywności zabezpieczenie ma tylo niewieli zasięg rządu 0,6 m przy zwarciu trójfazowym, czyli tai dobór jest zupełnie bezsensowny. Z olei przy nastawie nast2 zasięg wyracza poza szyny RS i nie będzie seletywności. Nr 181 39
Rys. 7. Wyres prądów do przyładu 5 Przyład 6 Linia 15 V wyonana ablem polietylenowym o żyłach aluminiowych przeroju 240 mm 2, ta ja w przyładzie 5, zasila RS, z tórego odchodzą linie wyonane przewodami: Linia 1: AFL-6 35 mm 2 o długości 5 m, Linia 2: AFL-6 50 mm 2 o długości 8 m, Linia 3: AFL-6 70 mm 2 o długości 9 m. Wszystie te linie posiadają automatyę jednorotnego SPZ i zabezpieczenie zwłoczne z opóźnieniem czasowym 0,7 s oraz wyłącznii z czasem własnym 0,1 s. Za RS nie ma już żadnych zabezpieczeń. Przeanalizować potrzebę zastosowania i ewentualnie nastawy zabezpieczeń zwarciowych w tym uładzie. Wiadomo z przyładu 5, że w linii wyonanej ablem 240 mm 2 nie potrzeba zabezpieczenia zwarciowego. Poniżej przeanalizowano potrzebę wyposażenia pól w RS-ie w te zabezpieczenia. a) Czas zwarcia t we wszystich ablachwynosi 1,6 s. b) Z wyresu na rys. 2 dla θ B = 80 C i θ K = 200 C odczytuje się j thn = 85 A/mm 2. Na tej podstawie dla: linii 1: L1 35 85 thdop = = 2351 A, 1,6 40
linii 2: linii 3: L2 thdop L3 thdop 50 85 = = 3360 A, 1,6 70 85 = = 6652 A. 1,6 nstalacje i sieci eletryczne c) Nastawa ze względu na dopuszczalny cieplny prąd zwarciowy powinna spełniać warune: linia 1: L1 2351 nast = 2044 A, 1,15 linia 2: L2 nast 3360 = 2800 A, 1,2 L3 linia 3: zabezpieczenie jest zbędne, ponieważ thdop = 6652 A i jest więszy od RS masymalnego prądu zwarciowego na początu tej linii, czyli = 6480 max A (obliczenie max w przyładzie poprzednim). RS d) Warunu seletywności nie potrzeba sprawdzać, ponieważ w liniach nie ma innych zabezpieczeń. Jeśli będą dobrane nastawy zabezpieczenia zwłocznego, można sprawdzić warune, czy proponowane nastawy zabezpieczenia zwarciowego są więsze od niego przynajmniej 2 4 razy. Zwyle nie ma problemu ze spełnieniem tego warunu. Przyład 7 Linia 15 V wyonana jest z ilu różnych przewodów olejno od szyn zasilających (wg rys. 8): AB abel polietylenowy 120 mm 2 Al o długości 1,2 m, BC przewód AFL-6 70 mm 2 o długości 1,8 m, CD przewód AFL-6 50 mm 2 o długości 3,2 m, DE przewód AFL-6 35 mm 2 o długości 2,8 m. Moc zwarciowa na szynach zbiorczych zasilających linię wynosi S = 220 MVA. Czas własny wyłącznia na początu linii wynosi 100 ms, a zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne nastawione jest na 1,2 s, automatya SPZ jednorotnego. Na ońcu linii jest zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne nastawione na czas 0,9 s. a) Czas zwarcia t wynosi 2,6 s. b) Dla odcina ablowego z tablicy 3 odczytuje się j thn = 98 A/mm 2. Dla odcinów napowietrznych z wyresu na rys. 2 dla θ B = 80 C i θ K = 200 C odczytuje się Nr 181 41
j thn = 85 A/mm 2. Na tej podstawie dla poszczególnych odcinów linii dopuszczalne prądy zwarciowe wynoszą: AB: AB 120 98 = = 7293 A, thdop 2,6 BC 70 85 BC: thdop = = 3690 A, 2,6 CD: CD 50 85 = = 2635 A, thdop 2,6 DE 35 85 DE: thdop = = 1845 A. 2,6 c) Masymalne prądy zwarciowe w poszczególnych puntach linii wynoszą: A 8468 A, B 7635 A, C 4458 A, D 2261 A, E 1258 A. W ocenie przydatna będzie tablica P1, w tórej podano w poszczególnych odcinach linii prądy zwarciowe na ich początu i ońcu oraz dopuszczalną wartość prądu zwarciowego przy działaniu zabezpieczenia zwłocznego. Z porównania tych wielości wynia, czy rozpatrywany odcine musi być objęty zabezpieczeniem zwarciowym. 42 Tablica P1. Ocena parametrów zwarciowych w poszczególnych odcinach linii Masymalny prąd zwarciowy Dopuszczalna wartość Odcine Wniose prądu zwarciowego na początu odcina na ońcu odcina AB 7293 A 8468 A 7635A cały BC 3690 A 7635 A 4458 A cały CD 2635 A 4458 A 2261 A część DE 1845 A 2261 A 1258 A część Objaśnienia do tablicy P1: cały cały odcine musi być objęty zabezpieczeniem zwarciowym, część część odcina musi być objęta zabezpieczeniem zwarciowym. Z tablicy P1 wynia, że nastawę zabezpieczenia należy dobrać do parametrów odcina DE, czyli: DE = thdop nast bth 1845 = 1604 A. 1,15 d) Ze względu na to, że na ońcu linii jest zabezpieczenie zwłoczne, obowiązuje warune (P5). Masymalny prąd zwarcia trójfazowego na szynach przed następnym zabezpieczeniem zwłocznym wynosi 1258 A. Stąd: nastp 1,6 1258 = 2013 A. Jest on sprzeczny z waruniem obliczonym w puncie c, ale jest możliwość zmniejszenia współczynnia bezpieczeństwa do 1,2. (Poprzednio podawano, że
im więsza impedancja linii, to współczynni może być więszy. Przy linii niejednorodnej ta teoria nie sprawdza się.) Stąd: nastp 1,2 1258 = 1509 A. e) Można przyjąć nastawę ostateczną w granicach 1503 A 1604 A i już tylo uzależnić ją od przeładni przeładniów prądowych i możliwości nastawczych zabezpieczenia. Na rys. 8 poazano zasięgi zabezpieczenia dla 1600 A. Widać, że parametry przewodu AFL-6 35 mm 2 wymusiły zasięg zabezpieczenia prawie na całą linię. f) Z puntu widzenia esploatacji (długie odcini napowietrzne) wsazana jest automatya SPZ przy działaniu zabezpieczenia zwarciowego, a nie bloada tej automatyi. Trzeba ta dobrać nastawę czasową, aby to nie groziło przegrzaniem przewodów linii. Można sorzystać z tablicy 8, a wynii zestawiono w tablicy P2. Najmniejszy dopuszczalny czas pojedynczego zwarcia jest dla odcina linii BC wyonanego przewodem AFL-6 70 mm 2 wynosi 0,35 s. Stąd przy czasie własnym wyłącznia 0,1 s masymalne opóźnienie czasowe możliwe do nastawienia wynosi 0,25 s. Rys. 8. Wyres prądów do przyładu 5 Analizując rys. 8 dochodzi się do wniosu, że w tym przypadu dawne wymaganie, że zabezpieczenie ma obejmować przynajmniej 20%, brzmi przynajmniej dziwnie tutaj trzeba było objąć ooło 80% długości linii. Przyład może był srajny, bo w głównych ciągach nie stosuje się raczej przewodów o przeroju 35 mm 2, ale jedna możliwy. Nr 181 43
Tablica P2. Oreślenie masymalnego czasu zwarcia przy brau bloady SPZ od zabezpieczenia zwarciowego Odcine Rodzaj przewodu Masymalny prąd zwarciowy na początu odcina Masymalny czas pojedynczego zwarcia AB K 120 mm 2 8468 A >0,5 s BC AFL-6 70 mm 2 7635 A 0,35 s CD AFL-6 50 mm 2 4458 A 0,45 s DE AFL-6 35 mm 2 2261 A 0,5 s 10. Zaończenie i wniosi Zabezpieczenie nadprądowe zwarciowe od sutów zwarć międzyfazowych powinno być stosowane w prawie wszystich jednolitych pod względem zastosowanego przewodu polsich liniach SN. Wyjątiem mogą być able o przerojach więszych od 120 mm 2, ale wymaga to sprawdzenia w onretnych warunach. W liniach napowietrznych wyonywanych z najczęściej spotyanych przerojów przewodów stalowo-aluminiowych stosowanie tego zabezpieczenia jest onieczne. Zadaniem zabezpieczenia zwarciowego jest ochrona początowego odcina linii przed cieplnymi sutami przepływu prądu zwarciowego. Ten początowy odcine linii może nie być wyznaczany w prosty sposób na podstawie np. 20% długości linii, ale na podstawie porównania rzeczywistego prądu zwarciowego i dopuszczalnego obliczonego dla czasu trwania zwarcia, parametrów cylu SPZ i rodzaju przewodu. Obecnie stosowana metoda oparta na uzysaniu seletywności zupełnie się nie sprawdza szczególnie w przypadu linii o małej odległości (ściślej byłoby stwierdzenie odnosić do impedancji) do następnego zabezpieczenia zwłocznego. Problem narasta przy wprowadzaniu do sieci tzw. relozerów, czyli łączniów w głębi sieci wyposażonych w zabezpieczenia. Autor uważa, że ochrona przed cieplnymi sutami przepływu prądu zwarciowego jest ważniejsza niż zapewnienie seletywności zabezpieczeń, ponieważ niewłaściwa loalizacja miejsca zwarcia może być przy obecnej technice bardzo szybo poprawiona przez dyspozycję, a naprawa uszodzonej linii jest znacznie dłuższa. Artyuł został napisany przy założeniu, że przy nagrzewaniu przewodów w cylu SPZ bierze się pod uwagę dwa pierwsze czasy przepływu prądu zwarciowego, a pomija trzeci, jeśli druga przerwa beznapięciowa trwa w więcej niż 10 s. Pomija się stygnięcie przewodu w pierwszej przerwie beznapięciowej, a uważa się, że wpływ drugiej przerwy pozwala na częściowe ostygnięcie przewodu tym bardziej, że nie ma wówczas nawet obciążenia roboczego. Do ompletności artyułu oniecznie trzeba przeanalizować przyłady, ponieważ część teoretyczna wsazuje tylo ieruni analizy. Różnorodność uładów sieci SN w Polsce jest ogromna, stąd trudności w doborze nastaw pojawiają się w szczegółowych obliczeniach. Dla doboru nastaw zabezpieczenia zwarciowego nie ma znaczenia rozmieszczenie stacji SN/nN wzdłuż linii, jeśli są zasilane bezpośrednio z tego ciągu. Autor uwa- 44
ża, że należy analizować tylo ciąg główny. Odgałęzienie należy analizować tylo wtedy, jeśli odchodzi od niego linia wyposażona w zabezpieczenie nadprądowe (nie bezpiecznii) na ońcu lub relozer. Również przy występowaniu w linii ilu relozerów przeważnie wystarczy analizować współpracę tylo z najbliższym. Wniose ten nie wynia z uzasadnienia merytorycznego, ale z tego, że polsie linie SN są przeważnie silnie porozgałęziane i analiza ażdego odcina niesamowicie by zwięszyła liczbę obliczeń. Z przeprowadzonych analiz wynia również, że zwyle nie ma potrzeby bloowania automatyi SPZ od zadziałania zabezpieczenia zwarciowego pod waruniem odpowiedniego doboru jego nastawy czasowej na podstawie masymalnego czasu zwarcia. Jest to wniose nadzwyczaj orzystny, ponieważ w polsiej rzeczywistości zwyle zabezpieczenie obejmuje znacznie więcej niż 20% długości linii, nawet czasem całą, w związu z tym można uninąć dłuższych przerw w dostawie energii (zwyle po definitywnym wyłączeniu podejmuje się jedną próbę załączenia linii trwa to jedna ila minut, a nie seund ja w przypadu sutecznego SPZ). Wniosiem uzysanym jaby przy oazji jest zalecenie, aby relozerów nie instalować zbyt bliso szyn zbiorczych zasilających linię, jeśli chce się uzysać seletywność zabezpieczeń. 11. Literatura 1 Żydanowicz J.: Eletroenergetyczna automatya zabezpieczeniowa, t., WNT, Warszawa, 1979, 1985, 1987. 2 Żydanowicz J., Namiotiewicz M.: Automatya zabezpieczeniowa w eletroenergetyce. WNT, Warszawa, 1983. 3 Obciążalność robocza i zwarciowa przewodów szynowych. http://www.zue.pwr. wroc.pl/dydatya/materialy_dla_studentow, styczeń 2014 r. 4 PN-EN 60865-1 Obliczanie sutów prądów zwarciowych. Część 1, Definicje, metody obliczania, 2002. 5 Kable i przewody energetyczne. Katalog. Telefonia Kable Sp. z o.o. S.K.A., pobrane ze strony internetowej producenta w styczniu 2014 r. 6 http://www.ensto.com/download/22271_09. Katalog_do_projetowania_linii_sn_06.11.pdf, styczeń 2014 r. 7 nstrucja Ruchu i Esploatacji Sieci Dystrybucyjnej. Strona internetowa: http://www.operator.enea.pl, 22 stycznia 2014 r. 9 Hoppel W., Lorenc J.: Podstawy doboru nastaw zabezpieczeń w polach SN. Automatya Eletroenergetyczna, 1/2003, ss. 45 50. 10 Hoppel W., Lorenc J.: Dobór nastaw zabezpieczeń w polach linii średniego napięcia. Automatya Eletroenergetyczna, 2003, nr 2, s. 35 39. 11 Hoppel W., Lorenc J.: Ja dobierać nastawy zabezpieczeń w polach funcyjnych rozdzielni średniego napięcia. Automatya Eletroenergetyczna, 3/2003, ss. 35 39. 12 Przepisy budowy urządzeń eletroenergetycznych. Wydawnictwa Przemysłowe WEMA, Warszawa 1997 r. Artyuł wpłynął do redacji 1 październia 2014 r. Nr 181 45