Henryk KLEIN Przedsiębiorstwo OPA LABOR Sp. z o.o Marek KRUSZYNA Zakład Wytwórczy Przekaźników i Łączników Energetycznych JM-TONIK Wykorzystanie funkcji dodatkowych cyfrowych przekaźników zabezpieczeniowych do optymalizacji doboru nastawień i poprawy niezawodności ich działania. Streszczenie: W referacie, na bazie przekaźników typu MuliMUZ i MegaMUZ przedstawiono przykłady wykorzystania funkcji rejestracyjnych i pomiarowych przekaźników w celu optymalnego doboru nastawień funkcji zabezpieczeniowych, oraz w celu poprawy niezawodności ich pracy w pewnych specyficznych warunkach zainstalowania. 1. Wstęp. Dobór nastawień zabezpieczeń dokonywany jest najczęściej na podstawie obliczeń technicznych, których wynikiem z jednej strony jest wyznaczenie wartości odpowiednich wielkości występujących w stanie zakłócenia (np. prądy zwarciowe, ziemnozwarciowe, napięcie na szynach rozdzielnicy, kąt mocy w czasie zwarcia itp.), z drugiej zaś graniczne wartości tych samych wielkości, mogące występować w normalnych warunkach ruchowych, kiedy działanie zabezpieczenia byłoby niepoŝądane (np. prąd rozruchowy silnika lub grupy maszyn, prąd magnesowania transformatora załączanego pod napięcie na biegu jałowym, pojemnościowy prąd własny linii elektroenergetycznej, dopuszczalne i moŝliwe w określonych warunkach zasilania obniŝenie napięcia itp.). Dane do obliczeń przyjmowane są na podstawie informacji uzyskanych od producentów maszyn i urządzeń, katalogów i literatury przedmiotowej. Wyniki obliczeń mogą jednak odbiegać czasem znacznie od stanu faktycznego. Spowodowane to jest zazwyczaj następującymi przyczynami: Dokumentacja sieci lub urządzenia nie jest w pełni aktualna lub niekompletna. Dotyczy to głównie starych i rozbudowanych sieci lub w instalacji, w których na przestrzeni lat wykonywane były wielokrotnie prace naprawcze lub remontowe (np. wymiana odcinków kabli na kable innego typu lub wprowadzanie wstawek w istniejących liniach), które nie zawsze zostawiały ślad w dokumentacji sieci. Parametry ruchowe zabezpieczanego obiektu odbiegają od danych katalogowych. Dotyczy to najczęściej urządzeń lub układów będących w eksploatacji, które zostały zmodernizowane lub wyremontowane. Przykładem mogą tu być silniki po remoncie wirnika, lub teŝ silniki w których zmieniony został sposób rozruchu z bezpośredniego na pośredni, albo zmieniony został układ rozruchu pośredniego. Czynniki te wpływają zarówno na wartość prądu rozruchowego, jaki na czas trwania rozruchu silnika. Z braku źródeł informacji, parametry obiektu zostały zgrubnie oszacowane. Przy wykonywaniu obliczeń nie uwzględniono zjawisk fizycznych występujących w rzeczywistych układach technicznych, zaburzających pomiar wielkości kryterialnych. Dobrym przykładem jest rozpływ prądów wyrównawczych w równoległych, odrębnie zabezpieczonych liniach elektroenergetycznych.
Obarczone znacznymi błędami wyniki obliczeń powodować mogą niepotrzebne obniŝenie czułości nastawień zabezpieczeń, lub teŝ nastawienie nadmiernie w danych warunkach czułe. W skrajnych wypadkach powoduje to nieprawidłowe (brakujące lub zbędne) działania układów EAZ. Do niedawna stwierdzenie rzeczywistych parametrów zabezpieczanych urządzeń i instalacji wiązało się z koniecznością dodatkowego (i kosztownego) ich opomiarowania. Rozbudowane funkcje zabezpieczeń cyfrowych pozwalają na wyznaczenie części budzących wątpliwość parametrów bez dodatkowych nakładów, poprzez pełniejsze wykorzystanie ich moŝliwości. 2. Baza sprzętowa. Dla zilustrowania przedmiotowych zagadnień wykorzystano moŝliwości oferowane przez przekaźniki multimuz i megamuz. Jako przykładowe wielkości, których wartości mogą zostać ustalone przy uŝyciu dodatkowych funkcji przekaźników wybrano pojemnościowy prąd własny linii elektroenergetycznej. Jako przykład moŝliwej poprawy niezawodności pracy zabezpieczenia wybrano nadzór nad wartością prądu wyrównawczego w liniach równoległych. W związku z wybranymi przykładami posłuŝono się przekaźnikami multimuz LR (megamuz LR) z zaimplementowanym rejestratorem kryterialnym admitancyjnym. 3. Optymalizacja nastawień zabezpieczeń ziemnozwarciowych w sieciach izolowanych. Nastawienie bezkierunkowego, zerowoprądowego zabezpieczania ziemnozwarciowego powinno spełnić układ nierówności: I c I cx knz I cx I nast (1) kc gdzie I cx jest ziemnozwarciowym prądem chronionego odcinka x, I c prądem ziemnozwarciowym całkowitym sieci, k nz współczynnikiem niezawodności (dla tego kryterium przyjmuje się k nz 4) a k c współczynnikiem czułości, którego wartość nie powinna być niŝsza niŝ 2,0. Nastawienie zabezpieczenia kierunkowego spełnić musi jedynie prawą stronę układu nierówności (1). W obu przypadkach do wyznaczenia prawidłowego nastawienia niezbędna jest znajomość prądów I c i I cx. W sieciach rozległych, w większości pól rozdzielczych, szczególnie na odcinkach końcowych, zachodzi I c >>I cx, wobec czego dobór prawidłowego i zarazem czułego nastawienia nie stwarza problemu. Jednak w części pól zasilających rozległe fragmenty sieci (np. pola rozdzielnicy głównej zasilające duŝe podrozdzielnie) obie wartości bywają tego samego rzędu, wobec czego I c I cx wyraŝenie moŝe się zbliŝyć do dolnej granicy zakresu nastawczego zabezpieczenia kc ziemnozwarciowego. Dla takich miejsc w sieci szczególnie istotne jest jak najdokładniejsze wyznaczenie wartości składowej zerowej prądu, jaka będzie mierzona przez zabezpieczenie zarówno przy doziemieniu w strefie chronionej (I c -I cx ), jak i poza nią (I cx ). Wyznaczenie obu wartości moŝliwe jest przy wykorzystaniu zarówno rejestratora zakłóceń, jak i admitancyjnego rejestratora kryterialnego. W celu zabezpieczenia chronionego odcinka sieci i jednoczesnego wykorzystania wspomnianych rejestratorów do wyznaczenia pomiarowego prądów (I c -I cx ) oraz I cx, funkcje ziemnozwarciowe oraz rejestratory przekaźnika naleŝałoby skonfigurować w sposób następujący:
Zabezpieczenie ziemnozwarciowe kierunkowe lub admitancyjne kierunkowe ustawić tak, aby w oparciu o istniejące obliczenia spełniona była prawa strona nierówności (1) (przy uwzględnieniu przekładni filtrów składowej zerowej napięcia i prądu). JeŜeli zabezpieczenie ziemnozwarciowe powinno powodować wyłączenie wyłącznika, parametr OTW. naleŝy ustawić na TAK. Zabezpieczenie ziemnozwarciowe niekierunkowe oraz admitancyjne niekierunkowe naleŝy ustawić na dolną granicę zakresu nastawczego, parametr OTW. ustawić na NIE, parametr A.U> (blokowanie przy braku napięcia zerowego) ustawić na NIE. Rejestrator zakłóceń skonfigurować tak, aby jako jedna z przyczyn pobudzenia rejestratora ustawiony został parametr POB.I0+Y0. JeŜeli nie koliduje to z przydatnością rejestracji wyzwolonych innymi przyczynami, zaleca się ustawienie parametru Procent czasu rejestracji po wyzwoleniu na wartość 90%. Rejestrator kryterialny naleŝy skonfigurować tak, aby parametr czas powodujący zatrzask rejestratora ustawiony został na 0,1s, natomiast parametr napięcie U0 pobudzenia rejestracji na wartość nie większą niŝ 10 V. W obu rejestratorach parametry określające długość okna rejestracji powinny zostać ustawione tak, aby okno obejmowało zwłokę czasową ustawioną w kierunkowym lub admitancyjnym kierunkowym zabezpieczeniu wyłączającym pole przy doziemieniu. Zaproponowana konfiguracja przekaźnika spowoduje, iŝ pole rozdzielcze będzie skutecznie chronione od doziemień z wybraną na podstawie obliczeń czułością i selektywnością przy doziemieniach w strefie chronionej przez zabezpieczenie kierunkowe lub admitancyjne kierunkowe, natomiast kaŝde doziemienie powstałe w dowolnym punkcie sieci spowoduje bezzwłoczne wyzwolenie obu rejestratorów. W efekcie rejestracje uzyskane przy doziemieniach poza strefą chronioną pozwolą na wyznaczenie prądu I cx i admitancji Y cx, natomiast uzyskane przy doziemieniach w strefie chronionej prądu (I c -I c ) i admitancji (Y c -Y cx ), pozwalając na tej podstawie na weryfikację pierwotnych nastawień. Na Rys. 1 przedstawiono fragment okna pomiarowego rejestratora zakłóceń podczas rzeczywistego doziemienia poza strefą chronioną zabezpieczeniem, natomiast na Rys. 2 miejsca geometryczne admitancji w całym czasie trwania tego samego doziemienia. Rejestracje wykonano w polu rozdzielczym zasilanym z izolowanej sieci 6 kv, której całkowity prąd ziemnozwarciowy sieci (w zaleŝności od przyłączenia pola do systemu 1 lub 2 rozdzielni głównej i od konfiguracji sieci) zawiera się w przedziale 32 84 A. Prąd ziemnozwarciowy chronionego odcinka moŝe zawierać się w przedziale 1 2,3 A. Pole wyposaŝone jest w przekładnik Ferrantiego typu IO-1s o przekładni 1/120. Ciekawą cechą zarejestrowanego doziemienia jest jego liniowość cechująca się prawie sinusoidalnym przebiegiem prądu zerowego przez pierwszych 420ms czasu jego trwania, po czym następuje przejście w doziemienie o charakterze zdecydowanie nieliniowym, z silnie odkształconym przebiegiem prądu. NaleŜy zaznaczyć, iŝ znaczna część doziemień rzeczywistych ma charakter nieliniowy. ZaleŜności określające nastawienia zabezpieczeń opisują doziemienie wielkościami ściśle sinusoidalnymi o częstotliwości podstawowej, wobec czego przebieg prądu zarejestrowany przy takim doziemieniu jest dość trudny do wykorzystania. W związku z tym, aby uzyskać informację przydatną do weryfikacji obliczanych parametrów linii i sieci z odkształconego przebiegu prądu zerowego, naleŝy poddać go obróbce matematycznej poza programem rejestracyjnym w celu wyznaczenia harmonicznej podstawowej, np. przy uŝyciu transformaty FFT.
Rys. 1 Rys.2 W tych przypadkach duŝo bardziej uŝyteczne wydają się być wyniki rejestracji rejestratora kryterialnego, wyznaczającego admitancje na podstawie odfiltrowanych harmonicznych podstawowych U0 i I0, których wartości dla kaŝdego zarejestrowanego punktu są podawane w postaci liczbowej. Obraz miejsc geometrycznych admitancji (wraz z przypisanymi wartościami U0 i I0) pozwala przy tym na określenie zakresu zmienności tych wielkości wyznaczanych przez zabezpieczenie w czasie zakłóceń o charakterze nieliniowym. Na Rys. 3 przedstawiono obraz admitancji widoczny na Rys. 2, lecz w powiększeniu. W górnej części okna widoczny jest skupiony zbiór wartości admitancji (B0 18mS, G0-3mS), odpowiadający sinusoidalnemu odcinkowi omawianego zakłócenia. Pozostała, na znacznie większym obszarze rozrzucona część punktów pomiarowych odpowiada doziemieniu o przebiegach odkształconych.
Na podstawie obrazu innych doziemień rejestrowanych w tym samym polu (zarejestrowano 4 zakłócenia) moŝna stwierdzić, iŝ zarówno obszar miejsc geometrycznych na którym lokują się wyniki pomiaru admitancji przy zakłóceniach z przebiegami silnie odkształconymi, jak i przy zakłóceniach z przebiegami zbliŝonymi do sinusoidy, jest powtarzalny. Z kolei analiza przebiegów prądów zerowych zarejestrowanych przez rejestrator zakłóceń pozwala na określenie spodziewanych wartości maksymalnych prądu zerowego. Parametr ten moŝe być istotny dla doboru nastawień innych zabezpieczeń zerowoprądowych, nie wyposaŝonych w wejściowe filtry dolnoprzepustowe, lub wyposaŝonych w filtru mało skuteczne. Rys. 3 4. Monitorowanie wartości prądów wyrównawczych w liniach równoległych. W sieciach przemysłowych, na przykład w sieciach podziemnych zakładów górniczych, niejednokrotnie stosowane są konfiguracje w których równolegle pracują dwie lub więcej linii elektroenergetycznych, z których kaŝda zasilana jest z własnego pola rozdzielczego i indywidualnie zabezpieczona. Konfiguracja taka jest dość niewdzięczna z punktu widzenia doboru zabezpieczeń i ich nastawień. Jednak z ruchowego punktu widzenia posiada ona pewne niezaprzeczalne zalety, do których naleŝy duŝa elastyczność (moŝliwość szybkiej zmiany konfiguracji sieci w razie potrzeby) oraz duŝa niezawodność zasilania (uszkodzenie jednej z linii nie powoduje utraty zasilania a jedynie zmniejszenie łącznej przepustowości linii zasilających). Ta ostatnia zaleta uzaleŝniona jest jednak od pokonania wspomnianych problemów z doborem zabezpieczeń i ich nastawień, gdyŝ układ zabezpieczeń nie spełniający swoich funkcji w konkretnym miejscu zamiast wzrostu niezawodności, doprowadzić moŝe do utraty zasilania znacznie większego fragmentu sieci na skutek zadziałania zabezpieczeń rezerwowych, zlokalizowanych bliŝej źródła zasilania. Jednym z problemów w takich układach jest obecność prądów wyrównawczych, powstałych w wyniku niesymetrii wzdłuŝnych impedancji fazowych współpracujących linii. Źródłem niesymetrii mogą być połączenia skręcane, mufy kablowe, a nawet w róŝnym stopniu obciąŝone przekładniki prądowe w torach prądowych linii równoległych. Przepływ prądów wyrównawczych między liniami powoduje, Ŝe geometryczna suma prądów w kaŝdym z nich jest niezerowa, powodując obecność prądu na wyjściu filtra składowej
zerowej. Wartość i zwrot tego prądu zaleŝą od rodzaju i stopnia niesymetri wzdłuŝnej linii, jej fazowej lokalizacji a takŝe od wartości i kąta fazowego prądu obciąŝenia przenoszonego liniami. Wszystkie te czynniki są zmienne w róŝnych przedziałach czasu: obciąŝenie jest szybkozmienne (zmienia się bardzo znacznie na przestrzeni sekund), niesymetria wzdłuŝna, której przyczyną są niewłaściwej jakości połączenia zmienia się w skali tygodni lub miesięcy na skutek postępującej erozji połączenia, itd. Ostatecznie powoduje to Ŝe dodatkowa składowa zerowa jest silnie zmienna, i nie sposób przewidzieć tendencji jej zmian. W chwili zaistnienia doziemienia do składowej zerowej prądu, której przyczyną jest doziemienie, dodaje się owa dodatkowa składowa zerowa. Na Rys. 4 przedstawiono zarejestrowany przebieg rzeczywistego doziemienia w polu jednej z trzech linii równoległych. Rejestracje wykonano w polu zasilanym z sieci izolowanej 6 kv o całkowitym prądzie ziemnozwarciowym 116 A. Pojemnościowy prąd własny chronionego fragmentu sieci (zasilanego trzema liniami równoległymi) wynosił 77 A. ObciąŜenie robocze kaŝdej z linii równoległych wahało się w przedziale 100 250A. Jako filtr składowej kolejności zerowej prądu, w polu zainstalowano przekładnik IO-2 o przekładni 1/75. Początek doziemienia określony jest przez pojawienie się składowej zerowej napięcia U0. Prąd I0 płynący przed tą chwilą jest obrazem prądu wyrównawczego, zaś po zaistnieniu doziemienia sumarycznym przebiegiem złoŝonym z prądu wyrównawczego i składowej zerowej powstałej w wyniku zwarcia doziemnego. Rys. 4 Potencjalnie moŝliwe połoŝenie wypadkowego wektora prądu zerowego I0 (będącego złoŝeniem wektora prądu ziemnozwarciowego lub prądu pojemnościowego udziału własnego z prądem wyrównawczym) w czasie zwarcia z ziemią dla maksymalnej wartości prądu wyrównawczego I w zilustrowano na Rys.5. Obwód okręgu jest miejscem geometrycznym, na którym moŝe znaleźć się koniec wektora I0. W takiej sytuacji kryterium prawidłowego nastawienia zabezpieczenia ziemnozwarciowego kierunkowego przybiera postać: I c ( I wmax + I cx ) knz ( I wmax I cx ) I nast (2) k c
gdzie I w max jest maksymalną występującą w rozpatrywanym polu wartością prądu wyrównawczego. U0 U0 I0 I0 I0' I0' Iw Iw a) 0=90st Linia doziemiona b) 0=-90st Linia zdrowa Rys. 5 Dopóki maksymalne wartości I w max są na tyle małe Ŝe przy określonej nastawie I nast układ nierówności (2) jest spełniony, zabezpieczenie działać będzie prawidłowo. Przy braku spełnienia lewej strony nierówności, moŝliwe staną się nieselektywne pobudzenia zabezpieczenia przy doziemieniach poza strefą chronioną. Przy niespełnieniu prawej strony nierówności, współczynnik czułości zmniejszy się poniŝej wartości akceptowalnej, w skrajnym przypadku powodując brak pobudzenia przy doziemieniu w strefie chronionej. Po to aby zapewnić prawidłową pracę zabezpieczenia przy określonym nastawieniu, naleŝałoby monitorować wartość prądu I w max. Z tego punktu widzenia powinien on spełnić układ nierówności: I nast I wmax + I cx = I w1 (3) k nz I I I k I = I (4) wmax c cx c nast w2 Konfiguracja zabezpieczenia zapewniającego skuteczne i niezawodne działanie powinna zatem składać się z dwu funkcji: kierunkowego zabezpieczenia ziemnozwarciowego o prądzie rozruchowym I nast i odpowiednim opóźnieniu czasowym, chroniącego rozpatrywany odpływ; funkcji zerowoprądowej, aktywnej przy braku doziemienia, o prądzie rozruchu I r =min(i w1 ;I w2 ), powodującej pobudzenie wybranej sygnalizacji (optycznej, akustycznej) i uruchamiającej rejestrator zakłóceń. Pobudzenie sygnalizacji o przekroczeniu akceptowalnej wartości prądu wyrównawczego jest dla słuŝb ruchu informacją o konieczności podjęcia działań, takich jak analiza moŝliwości zmniejszenia prądów wyrównawczych (kontrola połączeń prądowych itp.), zmiana konfiguracji sieci bądź teŝ ponowna analiza nastawienia zabezpieczenia ziemnozwarciowego kierunkowego. NaleŜy zaznaczyć, iŝ w rozpatrywanym przypadku, nie jest zalecane korzystanie z funkcji admitancyjnej kierunkowej, jako Ŝe w przypadku doziemień niestabilnych lub rozwijających
się (ze zmienną wartością U0) nie ma moŝliwości określenia bezpiecznego przedziału wartości I w dla określonej nastawy przekaźnika. Dla uzyskania omówionego uprzednio działania, przykładowa konfiguracja przekaźnika jest następująca: Zabezpieczenie ziemnozwarciowe kierunkowe ustawić tak, aby w oparciu o istniejące obliczenia spełniona była prawa strona nierówności (1) (przy uwzględnieniu przekładni filtrów składowej zerowej napięcia i prądu). JeŜeli zabezpieczenie ziemnozwarciowe powinno powodować wyłączenie wyłącznika, parametr OTW. naleŝy ustawić na TAK. Zabezpieczenie admitancyjne niekierunkowe naleŝy ustawić na minimalną wartość zakresu nastawczego. Parametr OTW. naleŝy ustawić na NIE. Zabezpieczenie ziemnozwarciowe niekierunkowe naleŝy ustawić na wartość I r =min(i w1 ;I w2 ). Parametr OTW. naleŝy ustawić na NIE. Zwłokę czasową nleŝy ustawić na minimum (100ms.) W zakładce LOGIKA naleŝy skonfigurować równanie logiczne przedstawione na Rys. 5. Rejestrator zakłóceń skonfigurować tak, aby jako jedna z przyczyn pobudzenia rejestratora ustawiony został parametr LOG> UśYTK. P Y 0 > Z I0 > A N D T M P 1 LED U P T R IG Rys. 5 Oznaczenia: PY0> pobudzenie zabezpieczenia admitancyjnego niekierunkowego; ZI0> - zadziałanie zabezpieczenia zerowoprądowego niekierunkowego; TEMP1 tymczasowy stan logiczny 1; LED pobudzenie jednej (wybranej) sygnalizacyjnej diody konfigurowalnej, UP pobudzenie sygnalizacji UP; TRIG start rejestratora zakłóceń W efekcie, podczas doziemień, w których przekroczona będzie wartość rozruchowa prądu zerowego, a kąt (U0,I0) odpowiadał będzie zakłóceniu w strefie chronionej, nastąpi pobudzenie i zadziałanie z nastawionym czasem zabezpieczenie ziemnowarciowego kierunkowego. Jednocześnie, dzięki niskiemu nastawieniu członu admitancyjnego niekierunkowego, kaŝde rzeczywiste doziemienie zablokuje ewentualne pobudzenie logiki wykrywania przekroczeń prądu wyrównawczego. Z kolei przekroczenie wartości I r przez prąd wyrównawczy w normalnym stanie pracy sieci (brak U0, zabezpieczenie Y0>nie pobudza się) spowoduje zmianę stanu logicznego na wyjściu bramki AND, zapalenie odpowiedniej diody LED, pobudzenie sygnalizacji UP i start rejestratora zakłóceń.
5. Podsumowanie. Wobec szybkiego w ostatnich latach rozwoju cyfrowych przekaźników zabezpieczeniowych o coraz doskonalszych algorytmach detekcji zakłóceń, wyraźny staje się fakt iŝ podstawowymi problemami współczesnej automatyki zabezpieczeniowej stają się dwa podstawowe zagadnienia: niedostateczna lub mało wiarygodna informacja na temat parametrów zabezpieczanych obiektów; brak moŝliwości oszacowania wpływu pewnych zjawisk na pomiar wartości wielkości kryterialnych. Jak wykazano w podanych przykładach, szerokie moŝliwości w zakresie konfiguracji przekaźników, połączone zazwyczaj z pewnym nadmiarem funkcji zabezpieczeniowych w stosunku do potrzeb oraz ich zdolności pomiarowo-rejestracyjne, pozwalają ów nadmiar wykorzystać dla stworzenia odpowiednich narzędzi. Narzędzia te mogą umoŝliwić lepsze poznanie obiektu zabezpieczanego lub teŝ kontrolować zdolność zabezpieczenia do niezawodnej pracy w określonych warunkach zainstalowania. 6. Literatura. 1. PN-G 42044:2000 Środki ochronne i zabezpieczające w elektroenergetyce kopalnianej. Zabezpieczenia ziemnozwarciowe. Wymagania i zasady doboru 2. W. Hoppel, J. Lorenc Podstawy doboru nastaw zabezpieczeń w polach rozdzielni SN. Automatyka Elektroenergetyczna, 1/2003 3. W. Hoppel, J. Lorenc Dobór nastaw zabezpieczeń w polach linii średniego napięcia. Automatyka Elektroenergetyczna, 2/2003 4. H. Klein Niektóre problemy koordynacji nastawień zabezpieczeń ziemnozwarciowych w izolowanych sieciach SN X Krajowa Konferencja Elektryki Górniczej, Jarnołtówek 2004 r 5. megamuz. Cyfrowy sterownik polowy. Informacja techniczna 09/2001. JM- TRONIK, 2001 r.