Metody badania funkcji zabezpieczeń nadprądowych przekaźników elektroenergetycznych

Bardzo często do ochrony elementów SEE wykorzystywane są funkcje zabezpieczeń nadprądowych (funkcje nadprądowe). Funkcje te można podzielić wg różnych kryteriów. Do kryteriów tych można m.in. zaliczyć: rodzaj charakterystyki (zależna, niezależna), rodzaj zwarcia (międzyfazowe, doziemne), kierunkowość (kierunkowe, bezkierunkowe).

Od przekaźników elektroenergetycznych wymaga się niezawodnej i poprawnej pracy. Z tego powodu urządzenia te poddawane są testom. Pierwsze testy przeprowadzane są już na etapie produkcji samego urządzenia, jak również przed oddaniem go do użytku. Bardzo istotną rzeczą jest dokonywanie rutynowych przeglądów urządzeń EAZ. Zapewnia to długotrwałą, wieloletnią i niezawodną pracę takich urządzeń. Jest wiele rodzajów testów przekaźników elektroenergetycznych, ich podział można znaleźć m.in. w [1]. Testy te można podzielić na dwie grupy:

• testy typu (ang. type tests), wśród których wyróżnia się: (a) testy zgodności (ang. conformance tests), (b) testy działania (ang. performance tests) i (c) uaktualniające testy typu (ang. upgrade type tests);
• testy indywidualne (ang. individual tests), wśród których wyróżnia się: (a) testy akceptacji (ang. acceptance tests), (b) testy dopuszczające (ang. commisioning tests) i (c) testy okresowe (ang. periodic tests).

Niniejszy artykuł poświęcony został się funkcjonalnym testom zgodności funkcji zabezpieczeń nadprądowych wybranego przekaźnika elektroenergetycznego. Do przeprowadzenia testów wykorzystano moduł testowy Overcurrent oprogramowania Test Universe sterującego pracą testera typu CMC firmy OMICRON electronics [2].

Rodzaje i miejsca stosowania zabezpieczeń nadprądowych

Przekaźniki prądowe zaliczane są do grupy przekaźników pomiarowych. Zmieniają one swój stan w wyniku przekroczenia doprowadzonej wielkości pomiarowej powyżej lub poniżej ustalonego progu. Wielkością kryterialną w tym przypadku jest prąd. Najczęściej spotykanymi przekaźnikami prądowymi są przekaźniki naprądowe. Z tego powodu, że przekaźniki elektroenergetyczne w wykonaniu cyfrowym mają zaimplementowane w swoich algorytmach wiele różnych funkcji, używa się określenia „funkcja zabezpieczenia nadprądowego” lub „funkcja nadprądowa”.

Zasada działania funkcji nadprądowej opiera się na wystawieniu sygnału (logiczna „1”) na wyjście dwustanowe przekaźnika w odpowiedzi na przekroczenie wartości rozruchowej Ir prądu. Taki stan określa się jako pobudzenie. W chwili powrotu wartości mierzonej do poziomu poniżej prądu powrotu (odpadania) I_p, przekaźnik powinien zaprzestać wystawiania sygnału na wyjście dwustanowe (logiczne „0”). Wartości prądu rozruchowego oraz prądu powrotu nie mogą być takie same.

Stosunek prądu powrotu do prądu rozruchowego nazywany jest współczynnikiem powrotu k_p = I_p/I_r, który dla zabezpieczeń nadprądowych jest mniejszy od jedności (np. k_p = 0,95). Funkcja nadprądowa może być czasowo zależna lub niezależna, oznacza to, że posiada ona swoją charakterystykę t(I). Charakterystyka ta opisuje czas zadziałania od wartości prądu. Na rysunku 1. pokazano przykładowe charakterystyki działania zabezpieczeń nadprądowych: (a) czasowo niezależną (rys. 1a) i (b) czasowo-zależną (rys. 1b).

Kształty charakterystyk czasowo zależnych mogą być różne. Istnieją dokumenty standaryzujące kształty charakterystyk. Należą do nich m.in. normy IEEE Std C37.112-1996 [3] oraz PN EN 60255-155:2010 [4]. Niekiedy producenci przekaźników wprowadzają własne niestandardowe kształty charakterystyk funkcji zabezpieczeń nadprądowych. Organizacja ANSI (ang. American National Standards Institute) zebrała i usystematyzowała istniejące na rynku funkcje zabezpieczeniowe i oznaczyła je odpowiednimi kodami. Przykładowo, kod 51P oznacza funkcję zabezpieczeniową nadprądową od zwarć międzyfazowych o charakterystyce działania czasowo zależnej. Zgodnie z nomenklaturą ANSI funkcje nadprądowe dzieli się na:

• ziemnozwarciowe opisywane dodatkowo literą „G” lub „N”;
• fazowe opisywane dodatkowo literą „P”;
• reagujące na składową symetryczną przeciwną opisywane dodatkowo oznaczeniem „_2”.

Zabezpieczenia nadprądowe wykorzystywane są do ochrony przed skutkami zakłóceń praktycznie każdego elementu SEE (linie, transformatory, silniki, generatory). Wykorzystywane są zabezpieczenia o charakterystykach zarówno czasowo niezależnych, jak i zależnych. Przykładowo, w sieciach średniego napięcia (SN) głównym środkiem ochrony przed skutkami zwarć wielkoprądowych są zabezpieczenia nadprądowe w wykonaniu dwufazowym lub trójfazowym [5]. Ogólną zasadę stosowania zabezpieczeń nadprądowych w sieciach SN przedstawiono na rysunku 2. Na rysunku 2b przedstawiono zasadę stopniowania czasów działania zabezpieczeń nadprądowych (w celu zachowania selektywności) w przypadku zastosowania zabezpieczeń o charakterystykach czasowo niezależnych. Jest to sposób zabezpieczania linii SN w większości państw europejskich. W USA oraz krajach anglosaskich stosuje się rozwiązania w postaci zabezpieczeń naprądowych o charakterystykach czasowo zależnych. Zasadę stopniowania czasów w tym przypadku przedstawionych na rysunku 2c.

Nastawiane czasy zwłoki zabezpieczeń nadprądowych zwłocznych (I>) powinny być dłuższe o czas stopniowania Δt (zwykle Δt mieści się w zakresie od 0,3 s do 0,5 s) od najdłuższego czasu nastawionego na zabezpieczeniu odcinka położonego dalej od źródła (rys. 2b). Z tego powodu czas zwłoki zabezpieczeń nadprądowych zwłocznych powinien być tym dłuższy, im bliżej źródła znajduje się zabezpieczenie. Warto zauważyć, że takie postępowanie, mimo że gwarantuje zachowanie selektywności, niesie za sobą jednocześnie poważne konsekwencje wynikające ze zbyt dużego wydłużenia czasu zadziałania w odcinkach linii bliżej źródła, czyli niezachowaniem warunku szybkości działania. Negatywne skutki cieplne niedostatecznie szybko wyłączonego prądu zwarciowego są niebezpieczne i kosztowne. Rozwiązaniem tego problemu jest stosowanie dodatkowych funkcji nadprądowych zwarciowych (I>>) o wyższych nastawach progu rozruchowego niż w przypadku funkcji nadprądowych zwłocznych. Zasada działania takiego kompletu zabezpieczeń nadprądowych: zwłocznego i zwarciowego została przedstawiona na rysunkach 2a i 2b.

W przypadku zabezpieczeń nadprądowych o charakterystykach czasowo zależnych (rys. 2c) czasy działania poszczególnych zabezpieczeń są krótsze w przypadku większych prądów zwarciowych, a dłuższe w przypadku mniejszych prądów zwarciowych. Selektywność działania zabezpieczeń umieszczonych na poszczególnych odcinkach linii jest zapewniona przez odpowiednie kształtowanie ich charakterystyk działania t(I). Zastosowanie funkcji zabezpieczeniowych nadprądowych bezkierunkowych w niektórych sytuacjach może być niewystarczające. W przeciwieństwie do sieci przesyłowych sieci rozdzielcze SN zazwyczaj pracują w układach promieniowych.

Oznacza to, że kierunek przepływu prądu zwarciowego zawsze jest jednakowy i nie jest wymagane ustalanie kierunku jego przepływu. Wyjątkiem od tej reguły są sieci SN o układzie pierścieniowym oraz sieci SN, w których zainstalowano odnawialne źródła energii. W takich przypadkach kierunek przepływu prądu zwarciowego może ulegać zmianie w zależności od miejsca wystąpienia zwarcia. Wobec takich przypadków stosowanie tylko funkcji zabezpieczeniowych nadprądowych bezkierunkowych do selektywnego wyłączania zwarć jest niewystarczające i muszą one zostać uzupełnione o człony kierunkowe pozwalające ustalić kierunek przepływu prądu zwarciowego. Na rysunku 3. został przedstawiony schemat zastępczy przykładowego układu sieci pierścieniowej. Na rysunku tym zaznaczono, które z zabezpieczeń nadprądowych powinny być wyposażone w człony kierunkowe (oznaczenia w postaci strzałek).

Opis modułu testowego overcurrent do badania funkcji zabezpieczeń nadprądowych

Testowanie funkcji zabezpieczeń nadprądowych jest stosunkowo proste. Ze względu na fakt, że w przekaźnikach elektroenergetycznych zwykle dostępnych jest wiele rodzajów charakterystyk funkcji nadprądowych, to dokładne ich sprawdzanie jest procesem żmudnym i długotrwałym. Podczas testowania funkcji nadprądowych należy wziąć pod uwagę również to, że funkcja nadprądowa dla wybranego rodzaju charakterystyki t(I) działania powinna być sprawdzona dla różnych rodzajów zwarć (zwarcia międzyfazowe i doziemne w przypadku różnych kombinacji prądów zwarciowych) z uwzględnieniem lub nie członu kierunkowego.

Testowanie poprawności działania wykonuje się za pomocą testerów mikroprocesorowych. Testowanie takie można wykonać „na piechotę” poprzez ręczne wymuszanie prądu, sprawdzenie czasu działania i porównanie go z czasem teoretycznym odpowiadającym danemu rodzajowi charakterystyki. Z przyczyn wymienionych wyżej (duża liczba możliwych wariantów testowych) jest to proces długotrwały. Do tego typu testowania funkcji zabezpieczeń nadprądowych można wykorzystać np. moduł testowy QuickCMC oprogramowania Test Universe (TU) testera mikroprocesorowego typu CMC firmy OMICRON electronics [2].

Znacznie szybciej można sprawdzić poprawność działania funkcji nadprądowych, jeśli proces testowania zostanie zautomatyzowany. Automatyzacja procesu testowania może polegać na tym, że prądy testowe odpowiadające różnym rodzajom zwarć będą wymuszane przez tester automatycznie „wzdłuż” charakterystyki t(I) działania funkcji. Rzeczywisty czas działania przekaźnika zostanie w sposób automatyczny porównany z czasem teoretycznym wynikającym ze zdefiniowanej wcześniej charakterystyki i na tej podstawie mogą zostać automatycznie obliczone błędy względne i bezwzględne czasu działania przekaźnika. Do tego typu testowania można wykorzystać np. moduł testowy Overcurrent oprogramowania TU testera mikroprocesorowego typu CMC firmy OMICRON electronics [2]. W świetle podziału testów zabezpieczeń przedstawionego na początku artykułu za pomocą modułu Overcurrent można wykonać funkcjonalne testy zgodności.

Moduł Overcurrent jest profesjonalnym oprogramowaniem przeznaczonym do szczegółowego, zautomatyzowanego badania funkcji zabezpieczeń nadprądowych reagujących na składowe symetryczne zgodne, przeciwne i zerowe prądu. Narzędzie to jest bardzo rozbudowane i pozwala na przeprowadzenie praktycznie wszystkich możliwych testów tych funkcji zabezpieczeniowych. Badaniom można poddać funkcje nadprądowe o charakterystykach czasowo zależnych lub niezależnych z uwzględnieniem członu kierunkowego, lub jego braku. Moduł pozwala na sprawdzenie zarówno funkcji zabezpieczeń ziemnozwarciowych, funkcji zabezpieczeń od zwarć międzyfazowych, jak też funkcji zabezpieczeń reagujących na obecność składowej przeciwnej prądu. Symulowane zwarcia mogą być wybrane z pełnego zakresu wszystkich możliwych kombinacji. Mogą to być zwarcia trójfazowe, dwufazowe oraz jednofazowe. Ponadto można wyznaczyć charakterystyki działania funkcji w przypadku wymuszenia „czystej” składowej symetrycznej przeciwnej lub zerowej prądu. Istnieje też możliwość automatycznego wyznaczenia współczynnika powrotu funkcji nadprądowej dla określonego rodzaju zwarcia.

W module predefiniowano wiele rodzajów charakterystyk działania czasowo zależnych t(I) opisanych m.in. normami: IEC 60255-4 (BS 142), IAC, IEEE (PC37.112). Sposób wyboru rodzaju charakterystyki w module Overcurrent pokazano na rysunku 4. Charakterystyki te są opisane ogólnym wzorem, który może być przez użytkownika w zależności od potrzeb modyfikowany. W przypadku nietypowej charakterystyki, której nie da się opisać wzorem przedstawionym na rysunku 4. istnieje możliwość zdefiniowania własnej charakterystyki (a potem wgrania jej do modułu Overcurrent) wykorzystując do tego jej rysunek lub zdefiniowane punkty. Do tego celu można wykorzystać dodatkowe narzędzie oprogramowania TU o nazwie Overcurrent Characteristics Grabber. Przykład zdefiniowanej niestandardowej charakterystyki w tym narzędziu pokazano na rysunku 5.

Oprócz charakterystyk czasowych działania t(I) w module Overcurrent istnieje możliwość sprawdzenia członów kierunkowych zabezpieczeń nadprądowych. Sposób definiowania członu kierunkowego zabezpieczenia nadprądowego przedstawiono na rysunku 6. Na rysunku tym kolorem zielonym oznaczono strefę działania funkcji nadprądowej (kierunek do przodu). Po zdefiniowaniu rodzajów i kształtów charakterystyk należy zdefiniować punkty testowe (rodzaje zwarć, miejsca zwarć na charakterystyce t(I) i kierunkowej), które będą sprawdzane podczas automatycznych testów. Przykłady charakterystyk (czasowej i kierunkowej) ze zdefiniowanymi punktami testowymi przedstawiono na rysunku 7.

Przykładowe wyniki badań funkcji nadprądowych

W ramach pracy [6] wykonano, za pomocą modułu Ovecurrent, badania wybranych funkcji nadprądowych dostępnych w przekaźniku L90 [7]. Sprawdzono m.in. funkcje nadprądowe od zwarć międzyfazowych o charakterystyce zależnej (51P) i niezależnej (50P) oraz funkcję kierunkową (67P).

W ramach badań funkcji 51P wyznaczone zostały wartości prądu rozruchowego i odpadania, a na ich podstawie wyznaczony został współczynnik powrotu. Wyznaczone zostały charakterystyki t(I) działania funkcji dla zwarć L1-E, L1-L2 oraz L1-L2-L3. W tabeli 1. przedstawiono wyniki przeprowadzonego badania wyznaczania prądu rozruchowego, odpadania oraz współczynnika powrotu funkcji nadprądowej 51P przekaźnika L90. Producent deklaruje błąd δI pomiaru prądu rozruchowego dla badanej funkcji nie większy niż ±0,5% względem nastawionej wartości rozruchowej lub ±1 względem wartości znamionowej (należy wybrać większy błąd) [7]. Błąd względny δI dla każdego z symulowanych zwarć wynosi 1% i nie przekracza podanej przez producenta dopuszczalnej wartości [7]. Uzyskana w badaniu wartość współczynnika powrotu dla wszystkich symulowanych zwarć wyniosła 0,97 i tym samym mieściła się w deklarowanej przez producenta granicy, która zawiera się miedzy 0,97, a 0,98 [7].

Na rysunku 8. przedstawiono wyznaczoną rzeczywistą charakterystykę t(I) funkcji 51P (charakterystyka typu IEEE Moderately Inverse) dla zwarcia typu L1-L2-L3. Jak widać wyznaczona charakterystyka rzeczywista (punkty oznaczone plusami). Mieści się w przyjętym podczas badań, obszarze tolerancji (ciemniejszy obszar wzdłuż charakterystyki).

Na rysunku 9. przedstawiony wyniki sprawdzenia poprawności działania funkcji kierunkowej typu 67P, która skonfigurowana została w logice wewnętrznej przekaźnika L90 tak, że blokuje działanie funkcji nadprądowej o charakterystyce niezależnej 50P. Funkcja 67P blokuje działanie funkcji 50P w przypadku wystąpienia zwarcia międzyfazowego w obszarze jej działania. Pokazano wynik testu dla zwarcia typu L1-L2-L3. W analizowanym przypadku funkcja 67P działa poprawnie. Pole działania funkcji 50P (niedziałania funkcji 67P) oznaczono kolorem zielonym. Punkty testowe znajdujące się na zielonym obszarze oznaczone zielonymi plusami wskazują poprawne działanie funkcji 50P. Punkty testowe zlokalizowane w obszarze białym, strefie blokowania działania funkcji 50P, także oznaczono zielonymi plusami. Jest to również działanie poprawne polegające na blokowaniu działania funkcji 50P przez funkcję 67P.

Podsumowanie

Funkcje zabezpieczeń nadprądowych mimo swojej prostoty są stosowane do ochrony większości elementów SEE przed skutkami zakłóceń. Tak jak w przypadku innych funkcji zabezpieczeniowych funkcje nadprądowe powinny być sprawdzane. Sprawdzanie funkcji nadprądowych m.in. ze względu na wiele rodzajów stosowanych charakterystyk działania jest żmudne i czasochłonne. Z tego powodu dużym ułatwieniem, a co za tym idzie skróceniem procesu testowania jest jego automatyzacja. Do przeprowadzenia automatycznych testów funkcji nadprądowych z powodzenie można wykorzystać moduł testowy Overcurrent oprogramowania Test Universe testera typu CMC. Przeprowadzone w ramach pracy [6] badania wykazały jego skuteczność w sprawdzeniu poprawności działania funkcji zabezpieczeniowych wybranego przekaźnika elektroenergetycznego.

Literatura

1. A. Smolarczyk, Badanie przekaźników elektroenergetycznych, „Przegląd Elektrotechniczny”, Nr 11 (2004).
2. OMICRON electronics (2019), Informacje dostępne na stronie https://www.omicronenergy.comThe Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE Standard C37.
3. 112-1996: Standard Inverse-Time Characteristic Equations for Overcurrent Relays. IEEE. 1996.
4. Polska Norma, PN-EN 60255-155:2010: Przekaźniki pomiarowe i urządzenia zabezpieczeniowe – Część 151: Wymagania funkcjonalne dotyczące zabezpieczenia prądowego przekaźników nadprądowych/podprądowych. PN, 2010.
5. W. Winkler., A. Wiszniewski, Automatyka zabezpieczeniowa w systemach elektroenergetycznych, WNT, Warszawa 1999.
6. A. Wojtaszek, Wykorzystanie modułu Overcurrent oprogramowania Test Universe do sprawdzania funkcji zabezpieczeń nadprądowych, Praca dyplomowa inżynierska, Politechnika Warszawska, Warszawa 2015.
7. GE Multilin, L90 Revision: 4.9x Line Differential Relay UR Series Instruction Manual, 2006.