Ocena skuteczności wybranych kryteriów identyfikacji zakłóceń ziemnozwarciowych implementowanych w urządzeniach EAZ w głębi sieci SN

Zwarcia doziemne związane są z różnymi zjawiskami, które mają wpływ na jakość i niezawodność dostaw energii elektrycznej. Ponadto zwarcia doziemne są źródłem przepięć, które stanowią zagrożenie dla urządzeń instalowanych w sieci, w szczególności dla izolacji kabli. Bardzo niebezpieczne są przepięcia wywołane przez zwarcia przerywane, które mogą doprowadzić do całkowitej degradacji izolacji urządzeń. To z kolei może spowodować przekształcenie zwarcia jednofazowego w zwarcie dwu- lub trójfazowe. W czasie trwania zwarcia doziemnego w sieci SN występuje także znaczne ryzyko porażenia. Zagrożenie to może wystąpić nie tylko w sieci SN, ale też przenieść się na stronę niskiego napięcia transformatorów dystrybucyjnych.

Sieci średniego napięcia pracują, w warunkach krajowych, z nieskutecznie uziemionym punktem neutralnym – podstawowe warianty to uziemienie punktu neutralnego przez rezystor lub dławik gaszący. Skutkuje to przeważnie dość małą amplitudą prądu ziemnozwarciowego. Jest on, co najwyżej, zbliżony do wartości prądu obciążenia linii. W związku z tym detekcja zwarcia doziemnego w sieci SN jest utrudniona. Zjawisko to nabiera szczególnie dużego znaczenia w sieciach skompensowanych, w których punkt neutralny uziemiony jest za pomocą dławika, zwykle z dodatkowymi układami wymuszania składowej czynnej prądu ziemnozwarciowego, a prąd ziemnozwarciowy ma wartość kilkunastu amperów.

Podstawowym kryterium zabezpieczeniowym do detekcji zwarć doziemnych w sieci z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor jest kryterium zerowoprądowe (ANSI 50N/51N) [4].

Współcześnie podstawowymi kryteriami zabezpieczeniowymi do detekcji zwarć doziemnych w sieciach skompensowanych są kryteria admitancyjne. Zostały one opracowane w latach 80. w Instytucie Elektroenergetyki Politechniki Poznańskiej, w szczególności przez prof. J. Lorenca. Są one oparte na analizie tzw. admitancji zerowej, konduktancji zerowej oraz susceptancji zerowej – wielkości obliczanych na podstawie pomiaru składowej zerowej prądu i napięcia. Dużą zaletą tych kryteriów jest ich uniwersalność – chociaż stosowane są głównie w sieciach skompensowanych, nie ma problemów z ich eksploatacją w sieciach z innym sposobem pracy punktu neutralnego [5].

Obecnie największym wyzwaniem dla automatyki zabezpieczeniowej są zwarcia przerywane oraz wysokooporowe (HIF – high impedance fault), przy czym w tym artykule poruszone będą problemy związane ze zwarciami wysokooporowymi.

Parametrem związanym z HIF jest rezystancja przejścia R_F w miejscu wystąpienia zwarcia, czyli rezystancja przejścia pomiędzy przewodem fazowym a elementem uziemionym lub ziemią. Dla zwarć niskooporowych R_F wynosi kilka, maksymalnie kilkadziesiąt omów. Zwarcia wysokooporowe to zwarcia o rezystancji przejścia powyżej 1000 Ω, przy czym ta granica nie jest w żadnym dokumencie literalnie podana.

Oprócz samego wykrywania wystąpienia zwarcia doziemnego w sieci, we współczesnej elektroenergetyce istotna jest także możliwie precyzyjna lokalizacja takiego zwarcia. Korzystne jest w tym celu stosowanie wskaźników przepływu prądu zwarciowego (WPPZ). WPPZ są urządzeniami cyfrowymi, które wykrywają przepływ prądu zwarciowego w punkcie systemu elektroenergetycznego, w którym są zainstalowane. Mogą być zasilane z baterii, małych paneli PV lub z napięcia sieciowego – za pomocą małych transformatorów potrzeb własnych. WPPZ mogą wykrywać tak zwarcia międzyfazowe (i z tym zadaniem radzą sobie zwykle bardzo dobrze), jak i zwarcia doziemne. Wskaźniki przepływu prądu zwarciowego są często wykorzystywane przez dyspozytorów do prowadzenia ruchu w sieci SN w stanach normalnych i – przede wszystkim – w stanach awaryjnych. Ponadto WPPZ są ważnymi elementami inteligentnych systemów FDIR (Fault Detection, Isolation and Restoration) [6, 7]. Kluczowymi dla tych systemów urządzeniami, poza WPPZ, są reklozery, czyli zdalnie sterowane wyłączniki instalowane w głębi sieci SN.

W niniejszym artykule przedstawiona zostanie problematyka skuteczności detekcji zwarć doziemnych przez urządzenia instalowane w głębi kablowo-napowietrznej sieci SN (w szczególności przez WPPZ), które współcześnie w dużej części bazują jeszcze na kryteriach zerowoprądowych.

Skuteczność kryteriów zerowoprądowych

Wiele ze współcześnie eksploatowanych sygnalizatorów przepływu prądu zwarciowego, zwłaszcza tych montowanych przed 2015 rokiem, pracuje w oparciu tylko o kryterium zerowoprądowe. W celu wykazania, na ile skutecznie tego typu urządzenia wykrywają zwarcia doziemne, a ściślej – zwarcia o jakiej wartości rezystancji przejścia są w danych warunkach wykrywane – przeprowadzone zostały analizy przedstawione poniżej. Rozpatrywano sieci z dwoma najpopularniejszymi sposobami pracy punktu neutralnego, czyli sieć z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor oraz sieć skompensowaną.

Sieć z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor

Do celów obliczeniowych założono, że prąd pojemnościowy sieci jest równy I_CS = 120 A. Wartość znamionowego prądu ziemnozwarciowego rezystora uziemiającego przyjęto równą I_R = 180 A, co przy napięciu nominalnym sieci równym 15 kV daje jego rezystancję znamionową równą R_R = 48,11 Ω.

Współczynnik tłumienia sieci oblicza się z zależności:

gdzie:

I_cz – wartość prądu czynnego przepływającego przez punkt neutralny sieci w trakcie zwarcia metalicznego – dla sieci z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor I_cz = I_R. W związku z tym dla sieci, jak podano wyżej, wartość współczynnika tłumienia d₀ = 1,5.

W tabeli 1. przedstawione zostały wartości współczynników ziemnozwarciowych β dla różnych rezystancji przejścia w sieci o parametrach podanych wyżej, przy czym współczynnik obliczany był z zależności:

gdzie:

R_F – rezystancja przejścia między przewodem fazowym a ziemią w miejscu zwarcia,

ω – pulsacja napięcia sieciowego,

s – współczynnik rozstrojenia kompensacji ziemnozwarciowej, obliczany z zależności:

– przyjmując za I_L znamionowy prąd dławika gaszącego. Oczywiście w sieci z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor takiego dławika nie ma, zatem współczynnik rozstrojenia kompensacji ziemnozwarciowej przyjmuje wartość s = –1.

Obliczone wartości prądu ziemnozwarciowego w miejscu zainstalowania wskaźnika przepływu prądu zwarciowego zgodnie z zależnością:

dla różnych wartości prądu pojemnościowego linii za miejscem zainstalowania sygnalizatora przedstawiono w tabeli 2. 

W zależności (4) a to względny udział pojemnościowego prądu zwarcia doziemnego linii za rozpatrywanym punktem, patrząc od strony szyn w rozdzielni SN z pracującym polem transformatora uziemiającego w prądzie pojemnościowym całej sieci.

Nastawa prądowa kryterium zerowoprądowego dobierana jest we wskaźnikach przepływu prądu zwarciowego z klasycznej zależności:

gdzie:

k_b – współczynnik bezpieczeństwa, przyjmowany w sieciach z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor równy 2,

I_CLi – pojemnościowy prąd zwarcia doziemnego linii za miejscem zainstalowania wskaźnika przepływu prądu zwarciowego,

k_p – współczynnik powrotu, przyjmowany z zakresu 0,85–0,98, tutaj 0,98,

ΔI_0µ – błąd prądowy filtru składowej zerowej prądu.

Nastawa kryterium musi także spełniać drugi warunek:

gdzie:

k_c – współczynnik czułości zabezpieczenia, który dla dobranej nastawy I_0nast powinien być większy co najmniej od 1,2 a najlepiej od 2. Współczynnik a_i to współczynnik udziału prądu pojemnościowego za miejscem zainstalowania urządzenia EAZ do prądu pojemnościowego sieci, czyli:

Problemy z właściwym doborem nastawy prądowej kryterium zerowoprądowego wynikają przede wszystkim z tego, że kryteria te w układach ze wskaźnikami przepływu prądu zwarciowego pozyskują sygnały z nietypowych filtrów, np. w postaci trzech połączonych szeregowo cewek Rogowskiego, trzech przekładników prądowych o budowie przelotowej, w izolacji z silikonu (rys. 1.) lub innych rozwiązań nietypowych, np. potencjalnie cewki pomiarowe wykonane w technologii PCB HDI. 

Ponadto błąd prądowy filtru składowej zerowej prądu w zależnościach (5) i (6) należy podawać po stronie pierwotnej filtru, bo nastawa dobierana jest po stronie pierwotnej. Obecnie można przyjmować, że wartość tego błędu jest równa ΔI_0µ = 0,5 A, jednak nie ma żadnych badań, które tę wartość jednoznacznie by potwierdzały. Można zakładać, że to wartość zbyt niska. Bezpieczniej byłoby uznawać, że ΔI_0µ = 0,75 A, a nawet 1 A, ponieważ właściwości konkretnych rozwiązań zależą od producenta urządzeń. W dalszych analizach przyjmowana będzie jednak wartość ΔI_0µ = 0,5 A – z nadzieją, że jest ona poprawna, a już na pewno z uwzględnieniem ciągłego rozwoju i poprawy jakości instrumentów pomiarowych.

Tabela 2. zawiera dodatkowo nastawy sygnalizatorów przepływu prądu zwarciowego I0nast obliczone zgodnie z zależnością (5) i zaokrąglone w górę do wartości całkowitej. Za podwójną linią i wyróżnione pochyłą czcionką znajdują się takie rezystancje przejścia, które nie zostaną wykryte przez poprawnie nastawione wskaźniki przepływu prądu zwarciowego, przy czym oznacza to, że I_kZ < I_0nast. Wyraźnie widać, że w sytuacji, gdy prąd pojemnościowy linii za miejscem zainstalowania sygnalizatora jest niewielki, czyli w praktyce za sygnalizatorem jest tylko linia napowietrzna, skuteczność kryterium I₀> jest dość wysoka. Mogą być wykryte zwarcia o rezystancji przejścia sięgającej kilku kΩ. Wzrost I_CLi (rys. 2.) nie powoduje znacznego spadku wartości składowej zerowej prądu w miejscu zainstalowania sygnalizatora I_kZ, jednakże w celu uniknięcia zadziałań zbędnych należy zwiększyć jego nastawę. Sprawia to, że w liniach o większym prądzie pojemnościowym za miejscem zainstalowania wskaźnika przepływu prądu zwarciowego kryterium I₀> ma bardzo ograniczoną skuteczność.

Należy pamiętać, że w przypadku nastawy, dla której współczynnik czułości k_c – liczony według zależności (6) – osiągnie wartość mniejszą od 1, wskaźnik przepływu prądu zwarciowego nie wykryje żadnego zwarcia, nawet metalicznego.

Wyznaczone maksymalne możliwe wykrywane rezystancje przejścia w funkcji współczynnika udziału a dla różnych wartości tłumienności w sieci rozpatrywanej w tym podrozdziale przedstawia rysunek 3.

Sieć skompensowana z AWSCz

Do analizy pracy wskaźników przepływu prądu zwarciowego w sieci skompensowanej z AWSCz założono, że wartość prądu pojemnościowego całej sieci będzie równa I_CS = 120 A, co jest wartością typową dla polskich sieci średniego napięcia. Optymalna wartość prądu indukcyjnego dławika kompensującego powinna zawierać się w przedziale:

w związku z czym założono I_L = 132 A. Dla takiej sieci wartość współczynnika rozstrojenia kompensacji ziemnozwarciowej (wg zależności (3)) jest równa s = 0,1. Przyjęto także, że w układzie uziemiającym pracuje automatyka wymuszania składowej czynnej, przy czym prąd czynny wymuszany w trakcie doziemienia jest równy I_AWSCz = 20 A. Współczynnik tłumienia sieci (wg wzoru (1)) w takim przypadku jest równy d₀ = 0,167. Napięcie nominalne sieci przyjęto równe U_n = 15 kV.

Tabela 3. przedstawia wartości współczynników ziemnozwarciowych β dla różnych wartości rezystancji przejścia R_F i sieci z założeniami jak wyżej. Współczynnik ziemnozwarciowy obliczany był z zależności (2).

Prąd zwarciowy w miejscu zainstalowania wskaźnika przepływu prądu zwarciowego I_kZ dla sieci skompensowanej oblicza się, podobnie jak dla sieci uziemionej przez rezystor, z zależności (4). Obliczone nastawy kryterium zerowoprądowego umieszczone są w kolumnie I_0nast w tabeli 4.

Skuteczność wykrywania zwarć doziemnych przez czujniki przepływu prądu zwarciowego, bazujące tylko na kryterium I₀>, jest niższa w sieci skompensowanej z AWSCz niż w sieci z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor. W tym przypadku prawdopodobne jest niewykrycie zwarcia także w linii o bardzo małym prądzie pojemnościowym. Graniczne wartości wykrywania zwarć doziemnych w przypadku sieci skompensowanej z AWSCz dla różnych wartości współczynnika a oraz różnych wartości współczynnika rozstrojenia kompensacji ziemnozwarciowej przedstawia rysunek 4.

Z punktu widzenia skuteczności detekcji zwarć doziemnych przez wskaźniki przepływu prądu zwarciowego bardzo istotna jest poprawna wartość współczynnika rozstrojenia kompensacji s, tzn. należy dobrać do danej sieci dławik kompensacyjny o takim prądzie jak w zależności (3). Jakiekolwiek zwarcie może być wykryte w sieci idealnie skompensowanej (czyli I_CS= I_dł) tylko w liniach, których udział a < 0,22, czyli w rozpatrywanym przypadku I_CL < 26,4 A. W sieciach niedokompensowanych wskaźniki przepływu prądu zwarciowego (i zabezpieczenia) bazujące na kryterium I₀> będą działać tylko w specyficznych przypadkach zwarć o bardzo małych rezystancjach przejścia.

Warto tutaj wspomnieć, że analizy są prowadzone dla minimalnej możliwej nastawy, czyli maksymalnego możliwego do osiągnięcia współczynnika czułości wskaźnika. Zwiększenie nastawy, a więc zmniejszenie czułości, pociągnie za sobą pogorszenie skuteczności wskaźników.

Podsumowanie

Wskaźniki przepływu prądu zwarciowego są ważnym elementem współczesnej sieci SN. Instalowane najczęściej przy zdalnie sterowanych rozłącznikach są cennym źródłem informacji dla dyspozytora czy automatyki FDIR. Niestety, urządzenia pracujące w oparciu o kryteria zerowoprądowe (czyli większość instalowanych kilka lat temu i ciągle jeszcze eksploatowanych) nie są wystarczająco skuteczne w detekcji zwarć doziemnych, tzn. istnieje szereg różnych uszkodzeń, które mogą pozostać niewykryte przez poprawnie nastawione wskaźniki przepływu prądu zwarciowego. Aby takim sytuacjom zapobiec, należy w sieci instalować takie sygnalizatory, które poza kryterium zerowoprądowym korzystają także z innych – np. konduktancyjnych czy admitancyjnych. W ciągu ostatnich kilku lat na rynku krajowym pojawiły się wskaźniki przepływu prądu zwarciowego, które te funkcje realizują. Ponadto w Instytucie Elektroenergetyki Politechniki Poznańskiej zostały opracowane inne kryteria zabezpieczeniowe (np. grupa adaptacyjnych kryteriów nadprądowych), które także cechują się licznymi zaletami, w tym szerokim spektrum wykrywanych rezystancji przejścia w sieciach z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor oraz w sieciach skompensowanych.

***
Artykuł był prezentowany w formie referatu podczas XVIII Konferencji Naukowo-Technicznej z cyklu „Instalacje elektryczne niskiego, średniego i wysokiego napięcia” STACJE ELEKTROENERGETYCZNE 2023, która odbyła się podczas targów EXPOPOWER 2023 w Poznaniu.

Literatura

1. X. Wang et al.: Location of Single Phase to Ground Faults in Distribution Networks Based on Synchronous Transients Energy Analysis, IEEE Transactions on Smart Grid, vol. 11, no. 1, pp. 774–785.
2. B. Olejnik, Adaptive Zero-Sequence Overcurrent Criterion for Earth Fault Detection for Fault Current Passage Indicators in Resistor Grounded Medium Voltage Networks, IEEE Access, vol. 9, pp. 63952–63965, 2021.
3. K. Makar, Rejestracja zakłóceń w sieci średniego napięcia, Poznan University of Technology Academic Journals. Electrical Engineering, 2016.
4. W. Hoppel, Sieci średnich napięć. Automatyka zabezpieczeniowa i ochrona od porażeń, WNT, Warszawa2017.
5. J. Lorenc, Admitancyjne zabezpieczenia ziemnozwarciowe, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2007.
6. L. Chia-Hung, C. Hui-Jen, C. Chao-Shun, L. Chung-Sheng, Chin-Ying H.: Fault detection, isolation and restoration using a multiagent-based distribution automation system. 2009 4th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, 2009, pp. 2528–2533.
7. J. Lorenc, J. Andruszkiewicz, B. Olejnik, B. Staszak, P. Balcerek, Earth fault detection and isolation system for MV network, Proceedings of the Modern Electric Power Systems 2015 – MEPS 2015, Wrocław 2015.