15. UKŁDY POŁĄCZEŃ PRZEKŁDNIKÓW PRĄDOWYCH I NPIĘCIOWYCH 15.1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z najczęściej spotykanymi układami połączeń przekładników prądowych i napięciowych stosowanymi w sieciach i stacjach elektroenergetycznych. W ramach ćwiczenia badane są wybrane układy przekładników pracujące w sieci trójfazowej. 15.2. Wiadomości podstawowe Pomiar prądu i napięcia w sieci trójfazowej wymaga zastosowania określonego układu połączeń przekładników prądowych i napięciowych. Łączenie przekładników w odpowiednie układy ma na celu przede wszystkim uzyskanie sygnałów wypadkowych będących wynikiem różnych operacji na sygnałach wyjściowych (np. sumowanie, odejmowanie), dostosowanych do określonego celu pomiarów w układach zabezpieczeń i automatyki. Nie bez znaczenia są również względy oszczędnościowe, pozwalające na zmniejszenie liczby przekładników oraz przewodów łączących je z zasilanymi obwodami. Ze względu na bezpieczeństwo obsługi wymaga się, aby jeden punkt obwodu, galwanicznie połączony z uzwojeniem wtórnym przekładników, był uziemiony. Jako zasadę przyjęto uziemienie punktu bezpośrednio przy przekładniku, a nie przy miernikach, które przekładnik zasila. Należy również pamiętać o tym, że przerwa w obwodzie wtórnym przekładnika prądowego może spowodować wzrost napięcia na jego zaciskach do wartości niebezpiecznych dla obsługi oraz przegrzanie rdzenia, prowadzące do uszkodzenia izolacji przekładnika. Dlatego połączenia w obwodach wtórnych przekładników prądowych powinny być wykonane w taki sposób, aby zmniejszyć do minimum ryzyko powstania przerwy. Układy połączeń przekładników prądowych. W zależności od potrzeb przekładniki prądowe w zainstalowane w sieci trójfazowej mogą pracować w następujących układach połączeń: gwiazdowym, niepełnej gwizdy, trójkątowym, krzyżowym, Holmgreena. Układ gwiazdowy (rys. 15.1) jest stosowany w sieciach o uziemionym punkcie neutralnym Przyrządy pomiarowe bądź przekaźniki są zainstalowane w przewodach fazowych oraz w przewodzie łączącym punkty gwiazdowe obwodu wtórnego. Dzięki
temu możliwy jest pomiar zarówno prądów fazowych jak i prądu składowej kolejności zerowej, wynikającej z sumy geometrycznej tych prądów (przy założeniu, że przebiegi prądów są nieodkształconymi przebiegami sinusoidalnymi). W automatyce zabezpieczeniowej układ gwiazdowy służy do zasilania zabezpieczeń od zwarć międzyfazowych i doziemnych. I' I I' I I' I' + I' + I' I Rys. 15.1. Schemat układu gwiazdowego przekładników prądowych. Układ trójkątowy (rys. 15.2) jest stosowany zwykle w układach automatyki zabezpieczeniowej do zasilania zabezpieczeń wykorzystujących w swym działaniu różnicę prądów fazowych (zabezpieczenia odległościowe, zabezpieczenia transformatorów o przynajmniej jednym uzwojeniu połączonym w gwiazdę, przekaźniki różnicowe). W układzie tym przekaźniki lub przyrządy pomiarowe mierzą różnicę prądów fazowych. Prąd składowej kolejności zerowej nie jest mierzony, gdyż zamyka się wewnątrz trójkąta uzwojeń wtórnych przekładników. Urządzenia pomiarowe reagują w tym układzie w różny sposób na różne rodzaje zwarć, dlatego układ trójkątowy nie może być wykorzystywany do zasilania zabezpieczeń nadprądowych. Układ niepełnej gwiazdy (rys. 15.3), nazywany również układem V umożliwia pomiar prądu w fazach, w których zainstalowane są przekładniki, natomiast pomiar w fazie trzeciej jest możliwy w przypadku obciążenia symetrycznego (suma prądów fazowych jest równa zeru). Układ ten nie reaguje na jednofazowe zwarcia doziemne występujące w fazie, w której nie zainstalowano przekładnika. Z tego względu jest stosowany w sieciach z izolowanym punktem neutralnym, o niewielkim prądzie zwarcia doziemnego.
I' - I' I I' - I' I I' - I' I Rys. 15.2. Schemat układu połączeń przekładników prądowych w trójkąt. I' I I' I I' + I' I Rys. 15.3. Schemat układu połączeń przekładników prądowych połączonych w niepełną gwiazdę. Układ krzyżowy (rys. 15.4) umożliwia pomiar różnicy geometrycznej prądów dwóch faz. Jest stosowany w układach automatyki zabezpieczeniowej w sieciach o nieuziemionym bezpośrednio punkcie neutralnym. Podobnie jak układ niepełnej gwiazdy, nie reaguje on na zwarcia z ziemią tej fazy, w której nie ma przekładnika. Wartość mierzonego prądu w różny sposób zależy od rodzaju zwarcia w sieci, jak to zilustrowano na ry. 15.4. Układ Holmgreena (rys. 15.5) jest stosowany do pomiaru składowej symetrycznej zerowej prądu w sieci trójfazowej i przeznaczony zasadniczo do zasilania zabezpieczeń ziemnozwarciowych. Przekładniki prądowe stosowane w tym układzie powinny mieć identyczne parametry, gdyż w przeciwnym razie pojawiają się w układzie prądy wyrównawcze zmniejszające czułość zabezpieczenia.
I I - I I I Zwarcie trójfazowe I I I I P = 3 I' I' I' -I' Zwarcie dwufazowe, -I' I P =2I' I I' Zwarcie dwufazowe, I I' I P =I' I I' I Rys. 15.4. Schemat połączeń przekładników prądowych w układzie krzyżowym oraz wykresy wskazowe prądów dla charakterystycznych stanów zwarcia I' I I' I I' I I' + I' + I' Rys. 15.5. Schemat połączeń przekładników prądowych w układzie Holmgreena. Układy połączeń przekładników napięciowych. Przekładniki napięciowe służą do transformacji wysokiego napięcia na niższe, przy którym jest możliwe bezpośrednie podłączenie przyrządów pomiarowych i zabezpieczeniowych. W przeciwieństwie do przekładników prądowych, uzwojenia pierwotne przekładników napięciowych są włączane do sieci równolegle, a więc ich działanie jest identyczne jak transformatorów. Wyróżnia się dwie konstrukcje przekładników napięciowych [15.3]: indukcyjne, które są transformatorami pomiarowymi z uzwojeniem pierwotnym przyłączonym bezpośrednio do sieci; są one budowane przeważnie na napięcia znamionowe strony pierwotnej w zakresie napięć średnich, tj. od 6 kv do 30 kv,
pojemnościowe, w których transformator pomiarowy jest zasilany z pojemnościowego dzielnika napięciowego, dzięki czemu izolacja samego transformatora może być zbudowana na znacznie niższe napięcie niż w przekładnikach indukcyjnych; przekładniki pojemnościowe są stosowane w sieciach najwyższych napięć, tj. dla napięć znamionowych 110 kv i wyższych. C a c Rys. 15.6. Schemat układu połączeń przekładników napięciowych w niepełną gwiazdę (układ V). W zakres ćwiczenia wchodzi badanie przekładników napięciowych indukcyjnych. Przekładniki napięciowe budowane są zwykle jako aparaty jednofazowe, które do pracy w sieci trójfazowej są łączone w odpowiednie układy połączeń. Najczęściej są stosowane dwa układy połączeń przekładników napięciowych: układ niepełnej gwiazdy (układ oszczędnościowy nazywany układem V ), układy gwiazdowe. Układ niepełnej gwiazdy (rys. 15.6) składa się z dwóch przekładników włączonych na napięcia międzyprzewodowe, dzięki czemu można odtworzyć wartości wszystkich trzech napięć międzyprzewodowych. Układ ten jest stosowany na ogół w sieciach z izolowanym punktem neutralnym. Układy gwiazdowe (rys. 15.7) są stosowane zarówno w sieciach z uziemionym jak i izolowanym punktem neutralnym, odpowiednio z uziemionym (rys. 15a) lub izolowanym (rys. 15b) punktem gwiazdowym uzwojeń pierwotnych. Produkowane są również przekładniki napięciowe trójuzwojeniowe, wyposażone w dwa uzwojenia wtórne (rys.15.7c). Uzwojenia dodatkowe łączy się w otwarty trójkąt. Przekładnik trójuzwojeniowy umożliwia pomiar napięć fazowych i przewodowych (rys. 15.8) oraz pomiar napięć w przypadku asymetrii sieci trójfazowej względem ziemi.
a) b) c) B C B C B C a b c a b c 1a 1b 1c 2a 2b 2c Rys. 15.7. Układy gwiazdowe połączeń przekładników napięciowych; a) b) U Z U U N U N N U N U Z U Z U U N U ZN U N N U Z U N U U U U' U Z U Z U' U' 3 x U ZN = 3 x U 0 Rys. 15.8. Wykresy wskazowe napięć mierzonych w układzie przekładników z rys. 15.7.c podczas normalnej pracy sieci (a) oraz podczas doziemienia fazy poprzez impedancję; U, U, U napięcia międzyprzewodowe, U Z, U Z, U Z napięcia względem faz i ziemi, U N, U N, U N napięcia względem faz i punktu neutralnego sieci, U ZN = U 0 napięcie pomiędzy ziemią a punktem neutralnym sieci podczas doziemienia jednej z faz przez impedancję, równe napięciu kolejności zerowej. U Z
15.3. Niezbędne przygotowanie studenta Przed przystąpieniem do ćwiczenia studenci powinni zapoznać się z materiałem dotyczącym układów połączeń przekładników zawartym m.in. w pozycjach [15.3 i 15.4]. 15.4. Opis stanowiska laboratoryjnego Stanowisko laboratoryjne jest wyposażone w trójfazowy autotransformator, zestaw przekładników prądowych i napięciowych, regulowanych dławików i rezystorów oraz zestaw przyrządów pomiarowych, umożliwiających budowę różnych układów połączeń, zgodnie ze schematami z rys. 15.1 15.7. Schemat połączenia obwodów pierwotnych układu laboratoryjnego do badania przekładników prądowych przedstawiono na rys. 15.9. Obwody wtórne przekładników w tym układzie należy połączyć zgodnie ze wskazaniami prowadzącego ćwiczenie, wykorzystując schematy z rys. 15.1 15.5. Podobnie należy połączyć układ badanych przekładników napięciowych. Symulacja określonego rodzaju obciążenia układu przekładników (symetrycznego lub niesymetrycznego, dla stanu obciążenia roboczego i stanu zwarcia) przeprowadzana jest przez odpowiednią kombinację połączeń łączników K1, K2 i K3 oraz dobór odpowiedniej reaktancji L i rezystancji R obwodu. Podczas łączenia układu pomiarowego należy pamiętać, aby jeden punkt obwodu wtórnego przekładników, znajdujący się bezpośrednio przy zaciskach wtórnych, był uziemiony. N tr W L R K1 K2 K3 Rys. 15.9. Schemat układu laboratoryjnego ilustrujący połączenie obwodów pierwotnych przekładników prądowych; tr autotransformator trójfazowy, L, R zestaw regulowanych indukcyjności i rezystancji trójfazowych, W łącznik główny, K1, K2, K3 łączniki do symulacji symetrycznych i niesymetrycznych stanów obciążenia. 15.5. Program ćwiczenia Program ćwiczenia przewiduje zestawienie i przebadanie wybranych, wskazanych przez prowadzącego, układów połączeń przekładników prądowych i napięciowych,
przedstawionych na schematach z rys. 15.1 15.7, w układzie laboratoryjnym z rys. 15.9. Badania należy przeprowadzić z uwzględnieniem właściwości poszczególnych układów opisanych w punkcie 15.2 oraz zgodnie z zakresem prac podanych przez prowadzącego. 15.6. Opracowanie wyników badań Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać: 1. Opis przebadanych układów połączeń przekładników wraz z ich schematami. 2. Zestawienie wyników pomiarów dla różnych, charakterystycznych stanów obciążenia. 3. Wnioski wynikające z przeprowadzonych badań. 15.7. Literatura [15.1] PN-EN 60044-1 Przekładniki. Przekładniki prądowe. PKN 2000. [15.2] PN-EN 60044-2 Przekładniki. Przekładniki napięciowe indukcyjne. PKN 2001. [15.3] Markiewicz H.: Urządzenia elektroenergetyczne, WNT, Warszawa, 2001. [15.4] Markiewicz H.: paraty elektryczne, PWN, Warszawa 1989.