Ćwiczenie 4CbbbbĆWICZENIE NR 3 Ćwiczenie 4 BADANIE PRZEKAŹNIKÓW KIERNKOWYCH Instrukcja skrócona 1 1. Przeznaczenie i zastosowanie przekaźników kierunkowych Przekaźniki kierunkowe, zwane też kątowymi, przeznaczone są do kontroli kierunku przepływu mocy zwarciowej. Stosowane są w różnych układach zabezpieczeń, które ze względu na warunek wybiórczości działania wymagają określenia kierunku przepływu mocy zwarciowej. Są to najczęściej zabezpieczenia nadprądowe sieci pierścieniowej lub dwustronnie zasilanej, a także zabezpieczenia odległościowe. Jako samodzielne człony mierzące przekaźniki kierunkowe znajdują szerokie zastosowanie w zabezpieczeniach ziemnozwarciowych sieci rozdzielczych średnich napięć. ~ E a) b) A t I> 1 2 t I> PP (-) OW (-) t (+) L1 L2 (+) I> t I> 3 4 t I> PP z PN PN B Rys. 1. Przykład zastosowania przekaźników kierunkowych; a) układ linii dwutorowej z zabezpieczeniami nadprądowo-kierunkowymi, b) schemat ideowy zabezpieczenia nadprądowokierunkowego zwłocznego 1 Opracował dr inż. W. Dzierżanowski na podstawie skryptu pt. Automatyka elektroenergetyczna ćwiczenia laboratoryjne, cz.i, praca zbiorowa pod red. B. Synala, Wyd. Politechniki Wrocławskiej 1991 1
Przykład zastosowania przekaźników kierunkowych w układzie zabezpieczeń nadprądowokierunkowych zwłocznych w najprostszej sieci pierścieniowej pokazano na rys. 1. Najprostszą sieć pierścieniową tworzy linia 2-torowa (L1, L2) zasilana jednostronnie ze źródła E, jak na rys. 1a). W celu zapewnienia wybiórczości działania zabezpieczeń nadprądowych zwłocznych linii w takim układzie sieciowym, konieczne jest zastosowanie przekaźników kierunkowych tam, gdzie moc zwarciowa może zmieniać kierunek w zależności od położenia miejsca zwarcia. W tym wypadku zabezpieczenia obu linii w stacji B muszą być wyposażone w przekaźniki kierunkowe, które powinny blokować zabezpieczenie w przypadku wykrycia przepływu mocy zwarciowej w kierunku szyn stacji B. Opóźnienia czasowe (t B ) zabezpieczeń w stacji B są mniejsze od opóźnień (t A ) w stacji A o czas stopniowania t. W razie wystąpienia zwarcia, np. w torze L2 (jak na rys. 1) pobudzają się człony prądowe wszystkich zabezpieczeń w układzie sieciowym. Impuls na wyłączenie, jako pierwszy, poda z opóźnieniem t B przekaźnik 4 w stacji B, gdyż jego człon kierunkowy na to zezwoli z uwagi na przepływ mocy zwarciowej od szyn stacji B. W tym samym czasie człon kierunkowy zabezpieczenia 3 działa blokująco. Po otwarciu wyłącznika toru L2 w stacji B prąd zwarciowy w zdrowym torze L1 zanika i jego zabezpieczenia (1 i 3) wracają do stanu spoczynku. W stanie pobudzenia pozostaje zabezpieczenie nadprądowo-zwłoczne 2 toru L2 w stacji A, które po nastawionym czasie t A spowoduje otwarcie wyłącznika, dokonując w ten sposób ostatecznej wybiórczej eliminacji zwarcia. Prąd rozruchowy członów prądowych omawianych zabezpieczeń dobiera się wg takich samych zasad jak dla linii promieniowych, tzn. powyżej maksymalnej wartości prądu obciążenia toru, z uwzględnieniem chwilowych przeciążeń ruchowych linii i współczynnika powrotu zastosowanych członów prądowych zabezpieczenia. Czasy opóźnień dobiera się wg ogólnych zasad stopniowania czasowego zabezpieczeń nadprądowo-zwłocznych, stosowanych w sieciach promieniowych i magistralnych, tj. t i = t i-1 + t. Pełny układ zabezpieczenia nadprądowo-kierunkowego w sieci trójfazowej jest realizowany według zasady zilustrowanej na rys. 1b), które może być w wykonaniu dwu lub trójfazowym. Wykonanie dwufazowe stosowane jest w sieciach rozdzielczych z nieuziemionym skutecznie punktem zerowym. 2. Zasady realizacji i podstawowe charakterystyki przekaźników kierunkowych Przekaźniki kierunkowe identyfikują kierunek przepływu mocy zwarciowej na zasadzie kontroli kąta przesunięcia fazowego między napięciem i prądem wejściowym. Gdy wartość tego kąta zawiera się w obszarze określonym charakterystyką kątową przekaźnika, przekaźnik działa, a gdy wykracza poza tę charakterystykę przekaźnik blokuje. Przekaźniki kierunkowe realizowane są na bazie komparatorów fazy elektromechanicznych (starsze rozwiązania) i statycznych, których sygnałami wejściowymi są prąd I i napięcie pochodzące z obiektu zabezpieczanego. strój pomiarowy przekaźnika kierunkowego, ze względów technicznych, nie może działać przy dowolnie małych wartościach sygnałów wejściowych, dlatego w zastosowaniach praktycznych przekaźnik kierunkowy nie może być traktowany jako idealny komparator fazy. Potrzebna jest znajomość rzeczywistych charakterystyk eksploatacyjnych przekaźników kierunkowych. Podstawową wielkością, która charakteryzuje zakres kątowy działania przekaźnika kierunkowego, bez względu na jego konstrukcję, jest tzw. kąt przesunięcia wewnętrznego (kąt maksymalnej czułości). 2
Kąt przesunięcia wewnętrznego jest to taki kąt, o jaki należy obrócić wektor prądu I z położenia zgodnego z napięciem w kierunku wyprzedzenia, aby moc rozruchowa P r, wyrażona zależnością (1): osiągnęła maksymalną wartość. P r ki cos (1) gdzie: napięcie przyłożone do napięciowego obwodu wejściowego przekaźnika, I prąd płynący w prądowym obwodzie wejściowym przekaźnika, - kąt przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem I w zabezpieczanym obiekcie, Warunek działania przekaźnika kierunkowego można zapisać następująco: P r ki cos P (2) ro gdzie P ro wartość mocy wejściowej potrzebna do zadziałania przekaźnika kierunkowego (w komparatorze idealnym P ro =0). Jak widać z zal. (2), na warunki działania przekaźnika kierunkowego mają wpływ zarówno wartości amplitud sygnałów wejściowych oraz I, jak i wartości: kąta przesunięcia fazowego pomiędzy tymi sygnałami i kąta wewnętrznego. Dla konkretnego zastosowania przekaźnika kierunkowego określona jest wartość kąta, natomiast kąt wewnętrzny powinien być tak dobrany, aby w warunkach zwarciowych moc rozruchowa przekaźnika osiągała wartość maksymalną, co jest spełnione, gdy = Warunki działania przekaźników kierunkowych analizuje się na podstawie przebiegu ich charakterystyk rozruchowych. Wyróżnia się trzy podstawowe charakterystyki rzeczywistych przekaźników kierunkowych: 1. r =f(i) przy = = const Wychodząc z warunku działania przekaźnika kierunkowego (zal. 2), przy = otrzymuje się: P ro r (3) I Na rys. 2 pokazano ilustrację graficzną tej zależności. Wartość napięcia rozruchowego r = cz przy prądzie znamionowym nazywana jest czułością kierunkową przekaźnika. Wyrażana jest ona często w procentach wartości znamionowego napięcia przekaźnika, jak niżej: cz cz% 100 n (4) 3
Rys. 2. Charakterystyka r = f(i) przekaźnika kierunkowego. Ponieważ najczęściej n = 100 V, przeto wartość mierzona cz wyrażona w [V] stanowi jednocześnie wartość procentową czułości kierunkowej. Charakterystyka pokazana na rys. 2 jest charakterystyką teoretyczną, ważną przy stałej wartości mocy rozruchowej P ro. W rzeczywistych przekaźnikach kierunkowych często w obwodzie napięciowym stosowane są elementy nieliniowe (np. żarówki), o malejącej wartości rezystancji wraz z napięciem, w celu zwiększenia czułości przekaźnika przy zwarciach bliskich. Ponadto w elektromechanicznych przekaźnikach kierunkowych zmniejszanie się r wraz ze wzrostem prądu następuje wyraźnie tylko w zakresie do ok. 2I n. Przy większych wartościach prądu wartość napięcia r zmniejsza się niewiele ze względu na nasycanie się obwodu magnetycznego przekaźnika. 2. Charakterystyka kątowa r = f( ) przy I = In = const Charakterystyki tego rodzaju są wyznaczane dla przekaźników stosowanych w zabezpieczeniach od zwarć wielofazowych, gdzie wartość napięcia pętli zwarciowej zmienia się wraz z odległością zwarcia od miejsca zainstalowania zabezpieczenia. Dla przekaźników kierunkowych ziemnozwarciowych natomiast, których wielkościami wejściowymi są napięcie i prąd kolejności zerowej, wyznacza się charakterystykę I r = f( ) przy = n = const. W warunkach zwarcia doziemnego bowiem (zwłaszcza w sieciach nieuziemionych skutecznie) wartość napięcia 0 jest relatywnie wysoka i w niewielkim stopniu zależy od miejsca zwarcia doziemnego w sieci. Równanie tej charakterystyki, otrzymuje się wprost z wyrażenia (2) i ma ono postać następującą: r C cos( ) (5) gdzie: C = P ro /I n = const. Obraz graficzny teoretycznej charakterystyki kątowej przekaźnika kierunkowego, określonej równaniem (5), pokazano na rys. 3. 4
Rys. 3. Charakterystyka kątowa przekaźnika kierunkowego Wyznacza ją krzywa zawarta między dwoma asymptotami odległymi o kąt /2 od kąta maksymalnej czułości. W praktyce charakterystyka taka wyznaczana jest pomiarowo w laboratorium za pomocą przesuwnika fazowego jako źródła napięcia z regulacją modułu i fazy, niezależnego od źródła prądu przemiennego. Należy zaznaczyć, że rzeczywista charakterystyka może odbiegać od charakterystyki teoretycznej, ze względu na nieliniowości w obwodzie napięciowym lub prądowym przekaźnika. Kąt maksymalnej czułości przekaźnika wyznacza symetralna charakterystyki kątowej, prostopadła do osi odciętych układu współrzędnych r =f( ). 3. Charakterystyka na płaszczyźnie impedancji Z przy I = I n. Charakterystyka na płaszczyźnie Z = /I = R + jx wyznacza kontur rozgraniczający obszary działania i blokowania przekaźnika na tej płaszczyźnie, przy czym Z jest impedancją widzianą z zacisków przekaźnika. Przebieg tej charakterystyki, pokazany na rys. 4, wynika również bezpośrednio z równania (2). Jeśli obie strony tego równania podzielimy przez I 2, to otrzymamy wyrażenie: w którym: Z cos( ) a Z = /I moduł impedancji, arg Z arg / I a = P ro /I 2 (6) Charakterystykę na płaszczyźnie impedancji stanowi prosta prostopadła do osi maksymalnej czułości przekaźnika, przecinająca ją w odległości a od początku układu współrzędnych. Wartość a, mająca wymiar impedancji, określana jest mianem strefy martwej przekaźnika kierunkowego. Interpretacja fizyczna strefy martwej może być łatwo wyjaśniona na podstawie rys. 5. Zgodnie z tym rysunkiem, przekaźnik RK zainstalowany w stacji A, stanowiący element kontrolujący kierunek przepływu mocy zwarciowej linii, otrzymuje następujące wielkości wejściowe pomiarowe: napięcie na pętli zwarcia i prąd zwarciowy I. Napięcie na pętli zwarcia jest określone wyrażeniem: 5
Rys. 4. Charakterystyka przekaźnika kierunkowego na płaszczyźnie impedancji Z. A RK Z s I Zl K E Rys. 5. Warunki pracy przekaźnika kierunkowego podczas zwarcia w zabezpieczanej linii I Z E 1 Z1 Zs Z1 (7) Przemieszczając miejsce zwarcia od punktu K do A zmniejsza się impedancja zwarciowa Z 1 a wraz z nią napięcie. W pewnej odległości od p. A napięcie osiąga wartość graniczną, poniżej której moc wejściowa przekaźnika jest mniejsza od mocy rozruchowej P ro potrzebnej do zadziałania i przekaźnik nie działa ani na wyzwolenie, ani na blokowanie. 6
3. Przebieg ćwiczenia 3.1. Wyznaczenie kąta przesunięcia wewnętrznego przekaźnika kierunkowego Schemat układu pomiarowego do określenia charakterystyki kątowej przekaźnika kierunkowego przedstawiono na rys. 6. ~ ~ W1 W2 PF PS AT2 AT1 R V A * W * DR 1 2 3 4 5 6 7 8 7-8 output Rys. 6. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki kątowej przekaźnika kierunkowego Obwód prądowy badanego przekaźnika kierunkowego zasilany jest z autotransformatora AT2 przyłączonego bezpośrednio do sieci nn, natomiast obwód napięciowy z autotransformatora AT1 przyłączonego do przesuwnika fazowego PF. Watomierz W jest wykorzystywany w układzie pomiarowym tylko do ustalenia położenia zerowego przesuwnika fazowego. Do sygnalizacji zadziałania przekaźnika kierunkowego można wykorzystać obwód z żarówką do którego zacisków dostępnych w stole laboratoryjnym należy podłączyć zestyki wyjściowe przekaźnika. Sposób przeprowadzenia pomiarów. Pierwszą czynnością jest wyznaczenie położenia zerowego przesuwnika fazowego. W tym celu w obwodzie prądowym wymusza się prąd o wartości równej prądowi znamionowemu przekaźnika a napięcie zasilające obwód napięciowy doprowadza się do wartości ok. 50 V. Następnie, przez zmianę położenia wirnika przesuwnika fazowego, przesuwa się fazę napięcia tak długo, aż wskazówka watomierza wskaże wartość zerową. Oznacza to, że przesunięcie fazowe pomiędzy prądem i napięciem jest równe 90 0. Strzałkę przesuwnika fazowego przesuwa się do punktu oznaczonego na skali jako 90 0 i w tym położeniu należy ją zablokować mechanicznie. Należy dodatkowo sprawdzić, czy w przypadku ustawienia przesuwnika fazowego w położeniu 0 0 watomierz wskazuje maksymalne wychylenie. Ważną sprawą jest też ustalenie charakteru kąta przesunięcia fazowego pomiędzy prądem i napięciem (pojemnościowy, czy indukcyjny). Wykonuje się to również za pomocą watomierza. Przy położeniu strzałki przesuwnika na wartości 90 0 krótkotrwale zwiera się cewkę prądową watomierza. Jeżeli przesunięcie fazowe jest indukcyjne, to moment obrotowy działający na układ ruchomy watomierza jest ujemny i jego wskazówka wychyla się w lewo, poza skalę. Jeżeli kątjest pojemnościowy, to moment obrotowy watomierza jest dodatni i wskazówka wychyli się w prawo. 7
Po wyskalowaniu przesuwnika fazowego przystępuje się do właściwych pomiarów. Wartość prądu w obwodzie prądowym przez cały czas trwania pomiaru ma być stała i równa wartości znamionowej badanego przekaźnika kierunkowego. Na przesuwniku fazowym nastawia się kąt =0 0 i powoli zwiększa się napięcie obwodu napięciowego aż do zadziałania przekaźnika odczytując jednocześnie na woltomierzu wartość rozruchową odpowiadającą nastawionemu kątowi. W analogiczny sposób wykonuje się pomiary dla kątów zmienianych co 5 0 do 20 0 w całym zakresie kątów, przy których występuje działanie przekaźnika. Pomiary należy zagęścić w okolicy asymptot charakterystyki. Aby nie spowodować przegrzania obwodu napięciowego przekaźnika pomiary przerywa się wtedy, gdy napięcie zadziałania przekroczy 50 V. Wyniki badań zapisuje się w tabeli 1.Na podstawie wyników pomiarów sporządza się charakterystykę rśr = f( ). Symetralna otrzymanej krzywej odcina na osi odciętych wartość równą kątowi przesunięcia wewnętrznego. Kąt ten można również obliczyć znając kąty asymptot charakterystyki rśr = f( ). Tabela 1: Wyniki pomiarów charakterystyki r = f( ) przekaźnika kierunkowego Przekaźnik kierunkowy: typ.., Nr.. I n =., n =, = Prąd w obwodzie pierwotnym: I = A = const Lp. r r śr wagi 1 3.2. Wyznaczenie charakterystyk r = f(i) oraz S r = f(i) Jak wynika ze wzoru (3) charakterystyka r = f(i) jest hiperbolą. Ze względu jednak na nasycenie obwodu magnetycznego przekaźnika elektromechanicznego, przy większych prądach hiperbola ulega zniekształceniu, ponieważ wzrasta wtedy moc rozruchowa S r przekaźnika (patrz rys. 7). Pomiary niezbędne do wykreślenia tej charakterystyki wykonuje się w układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 6. Podczas pomiarów powinna być stała wartość rezystancji R w obwodzie prądowym. Sposób wykonywania pomiarów. Charakterystykę r = f(i) sporządza się bezpośrednio po pomiarze charakterystyki r = f( ), aby uniknąć powtórnego skalowania przesuwnika fazowego. Przez cały czas pomiaru kąt przesunięcia fazowego pomiędzy prądem a napięciem ma być stały, równy kątowi wewnętrznemu. Pomiary rozpoczyna się od wartości prądu odpowiadającej prądowi znamionowemu badanego przekaźnika. Autotransformatorem AT1 zwiększa się napięcie w obwodzie napięciowym, aż do zadziałania przekaźnika kierunkowego. Pomiar powtarza się pięciokrotnie notując wyniki w tabeli 2. Dla innych wartości prądu obwodzie prądowym pomiary przeprowadza się analogicznie. Należy zakończyć je na wartości prądu, przy której napięcie rozruchowe przekracza 50 V. 8
Rys. 7. Przykładowe charakterystyki r = f(i) oraz S r = f(i) elektromechanicznego przekaźnika kierunkowego. Tabela 2: Wyniki pomiarów charakterystyki r = f(i) przekaźnika kierunkowego Przekaźnik kierunkowy: typ.., Nr.. I n =., n =, = I [A] r [V] 1 : 5 r śr [V] S r śr =I r śr [VA] Na podstawie wyników pomiarów wykreśla się charakterystyki r = f(i) oraz S r = f(i) a także wyznacza się czułość kierunkową przekaźnika według wyrażenia: r min cz % 100 ( 8) n w którym r min jest minimalną wartością napięcia zadziałania przekaźnika przy I = I n oraz =. Najmniejsza moc S r potrzebna do rozruchu przekaźnika oraz współczynnik czułości kierunkowej cz charakteryzują strefę martwą zabezpieczenia kierunkowego. Znajomość wartości tych wielkości pozwala na obliczenie dla danej linii największej odległości między miejscem zainstalowania przekaźnika a miejscem trójfazowego zwarcia metalicznego, przy której przekaźnik kierunkowy nie zadziała. 9
3.4. Badanie zabezpieczenia kierunkowego MiCOM P127 Cyfrowe przekaźniki serii MiCOM P127 są uniwersalnymi przekaźnikami nadprądowymi kierunkowymi. Wielofunkcyjny P127 przeznaczony dla obwodów trójfazowych z pomiarem mocy i energii. Przekaźniki serii MiCOM zostały zaprojektowane do zabezpieczenia obwodów zasilania i odbiorów w stacjach przemysłowych oraz w sieciach o różnych układach uziemienia punktu gwiazdowego transformatora. Stanowią rezerwę dla zabezpieczeń na poziomie najwyższych napięć. Zabezpieczenie to zawiera: 3 niezależne stopnie nadprądowe zwarciowe oraz 3 niezależne stopnie ziemnozwarciowe, 12 rodzajów charakterystyk zależnych (dowolnie wybieralnych przez użytkownika), zabezpieczenie przeciążeniowe, podprądowe jak i od składowej przeciwnej prądu oraz funkcje napięciowe, mocowe i częstotliwościowe. Przekaźnik MiCOM P127 może komunikować się z systemem nadrzędnym poprzez zaimplementowane protokoły (MODBS RT lub IEC 60870-5-103). Dane przechowywane w pamięci przekaźnika, np. nastawy parametrów, pomiary, zdarzenia, zakłócenia lub przebiegi zakłóceń są w łatwy sposób przekazywane do systemu nadrzędnego poprzez protokoły komunikacyjne. Przekaźnik MiCOM P127 mierzy prądy fazowe (True RMS) i częstotliwość. Pomiary wyświetlane są na wyświetlaczu na panelu czołowym oraz dostępne są poprzez oprogramowanie lokalne lub zdalne. Każdy przekaźnik MiCOM P127 posiada wejścia i wyjścia binarne które są konfigurowalne, a kombinacje progów zadziałania są niezależnie programowalne dla każdego z wyjść. Aby podłączyć jednofazowo napięcie i prąd do zabezpieczenia MiCOM P127 (w kryterium kierunkowym) należy mieć na uwadze to, że wymaga się szczególnego porównania lub spolaryzowania sygnału. W systemie napięciowym używa się generalnie porównania i tak kąt okazuje się względnie stały w warunkach zwarciowych. Składniki zakłócenia fazowego w przekaźniku są wewnętrznie spolaryzowane przez kwadraturowe napięcia międzyfazowe, jak pokazano w tabeli 3. Tab. 3. Polaryzacja między wybranym prądem a napięciami w kryterium kierunkowym. Warunkiem w systemie zwarciowym jest to że, wektor prądu zwarciowego będzie opóźniony względem nominalnego napięcia fazowego o kąt zależny w stosunku X/R w systemie. Ważne jest działanie przekaźnika z maksymalną czułością dla prądów leżących w tym rejonie. Aby dokonać prawidłowego pomiaru należy sprawdzić czy wszystkie wejścia i wyjścia przekaźnika są prawidłowo podłączone. kłada do badania przekaźnika MiCOM P127 (kryterium kierunkowego) pokazano na rysunku 8. 10
Rys. 8. Schemat układu do badania kryterium kierunkowego w zabezpieczeniu MiCOM P127 11