Zasady doboru aparatury pomiarowej dla układów elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej jednostek wytwórczych

Stosowanie przekładników w układach elektroenergetycznych umożliwia [5, 6, 7]:

• separację galwaniczną elementów obwodów wtórnych od wysokonapięciowych obwodów pierwotnych,
• przetworzenie prądów i napięć z wartości ruchowych na poziom wtórny z wymaganą dokładnością,
• sumowanie prądów lub napięć odwzorowujących wielkości pierwotne w różnych punktach systemu elektroenergetycznego,
• typizację obwodów wejściowych urządzeń pomiarowych i zabezpieczających, z uwagi na znormalizowany szereg znamionowych wartości wtórnych,
• umieszczenie urządzeń pomiarowych, przekaźników lub zespołów automatyki zabezpieczeniowej w miejscu niebezpośrednio sąsiadującym z punktem zainstalowania przekładników.

Podstawowym zadaniem przekładników prądowych, wykorzystywanych przez układy elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej, jest dostarczanie informacji o prądach przy zwarciach w obiekcie chronionym lub systemie elektroenergetycznym (SEE) w warunkach znacznych przetężeń. Wymaga się przy tym względnie dokładnej transformacji, tj. obarczonej błędem całkowitym przetwarzania, niewykraczającym poza zakres określony w normie dla przekładnika danej klasy obciążonego znamionowo.

Dodatkowo przebieg prądu zwarciowego może być silnie odkształcony przez składowe przejściowe o znacznej wartości i długiej stałej czasowej zanikania, wywołane wystąpieniem stanu zakłóceniowego. Skutkuje to nasyceniem rdzenia ferromagnetycznego aparatu pomiarowego, co prowadzi do deformacji przebiegu prądu wtórnego. Ryzyko nasycenia rdzenia występuje również w przypadkach [8]:

• przekroczenia przez wartość skuteczną prądu płynącego w miejscu zainstalowania przetwornika pomiarowego poziomu wynikającego z granicznego współczynnika dokładności przekładnika prądowego do zabezpieczeń,
• zjawiska pozostałości magnetycznej – indukcja resztkowa, sumując się z indukcją wywołaną przepływem prądu pierwotnego, może doprowadzić do przekroczenia granicznego progu.

Te szczególne i różnorodne warunki pracy przekładników prądowych do zabezpieczeń sprawiają, że wraz z rozwojem techniki zabezpieczeniowej i zaostrzeniem wymagań stawianych zabezpieczeniom, problem poprawnej transformacji prądu, szczególnie w stanach zakłóceniowych, jest jednym z czynników decydujących o poprawności działania urządzeń elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej [3] – zniekształcenia sygnałów, spowodowane nasyceniem rdzenia aparatów pomiarowych, mogą prowadzić do bardzo dużych, trudno korygowalnych, błędów pomiaru wielkości kryterialnych, powodując zbędne lub brakujące zadziałanie zabezpieczeń. Przekładnikom napięciowym, przeznaczonym do współpracy z układami elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej (EAZ), stawia się wymagania dotyczące jakości przetwarzania sygnałów zdeterminowanej dokładnością wynikającą z klasy zastosowanej aparatury pomiarowej. W szczególności, w przypadku obniżenia, zapadu lub zaniku napięcia pierwotnego, analogiczny przebieg zmian wartości napięcia powinien być odwzorowany na zaciskach strony wtórnej przekładnika napięciowego.

Kryteria doboru aparatury pomiarowej dla celów elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej

Dobór przekładników prądowych i napięciowych, przeznaczonych do współpracy z układami realizującymi funkcje zabezpieczeniowe, nie ogranicza się tylko do określenia wymaganych wartości parametrów technicznych. Należy również sprecyzować ich lokalizację oraz liczbę. Przy doborze miejsc zainstalowania oraz liczby aparatów pomiarowych wykorzystywanych dla celów układów EAZ należy uwzględnić:

• konieczność ochrony przed skutkami zakłóceń wszystkich elementów składowych układu elektroenergetycznego w obrębie obiektu wytwórczego, niezależnie od stanu pracy rozpatrywanego fragmentu systemu elektroenergetycznego,
• potrzebę rozdzielenia przekładników prądowych dostarczających sygnały wejściowe do modułów systemu automatyki realizujących funkcje różnicowoprądowe od przekładników prądowych wykorzystywanych przez inne zabezpieczenia – pozwala to na prawidłową pracę zabezpieczeń różnicowoprądowych nawet w przypadku wystąpienia stanów zakłóceniowych w obwodach pomiarowych pozostałych modułów, z uwagi na brak połączeń galwanicznych pomiędzy stronami wtórnymi obu powyższych układów automatyki,
• zalecenia dotyczące klasy dokładności przekładników przeznaczonych do współpracy z zabezpieczeniami; w przypadku zabezpieczenia generatora od pracy silnikowej w większości opracowań traktujących o tej tematyce postuluje się wybór przekładników prądowych o klasie nie gorszej niż 0,5 i napięciowych klasy 1,0; dla pozostałych zabezpieczeń zaleca się stosowanie przekładników prądowych klasy 5P, natomiast napięciowych – klasy 3P,
• zasadę rezerwowania lokalnego zespołów automatyki zabezpieczeniowej, która wymusza stosowanie odrębnej aparatury pomiarowej dla każdego redundantnego modułu układu EAZ.

Właściwy dobór przekładników zależy nie tylko od spodziewanych przebiegów wielkości pierwotnych w stanach pracy normalnej i zakłóceniowej obiektu chronionego oraz od typu przyłączonego zabezpieczenia – należy również uwzględnić sposób realizacji pomiaru wielkości kryterialnych. W układach EAZ opartych na urządzeniach cyfrowych istnieje możliwość wykonywania złożonych operacji na zbiorze próbek sygnałów wejściowych. Pozwala to w znacznym stopniu skompensować błędy transformacji przekładników w stanach przetężeniowych (dotyczy to przede wszystkim przekładników prądowych).

W takich przypadkach dobór parametrów technicznych aparatury pomiarowej musi uwzględniać specyfikę algorytmów filtracyjnych i pomiarowych wielkości kryterialnych. Dlatego powinien być dokonywany indywidualnie w zależności od typu i rodzaju zainstalowanych urządzeń elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej. Jednak w kolejnych punktach artykułu przedstawiono zasady doboru przekładników do zabezpieczeń, w których zaimplementowano „klasyczne” algorytmy pomiarowe i decyzyjne. Umożliwia to wykorzystanie opisywanego zbioru kryteriów do określenia zalecanych wartości parametrów technicznych obwodów pomiarowych, niezależnie od indywidualnej specyfiki układów EAZ różnych producentów.

Kryteria doboru parametrów technicznych przekładników prądowych

Dobór przekładników prądowych, wykorzystywanych przez układy elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej polega na ustaleniu wartości następujących parametrów technicznych (korzystając z [8]):

• napięcie znamionowe izolacji przekładnika (kryterium nr 1):

gdzie:

U_s – międzyprzewodowe napięcie robocze sieci w miejscu zainstalowania przekładnika prądowego.

• znamionowy prąd pierwotny (kryterium nr 2):

gdzie:

I_obl – maksymalna wartość prądu obciążenia płynącego w miejscu zainstalowania przekładnika prądowego spośród wszystkich stabilnych stanów pracy rozpatrywanego układu elektroenergetycznego,

gdzie:

S_max – maksymalna wartość obciążenia elementu układu elektroenergetycznego w miejscu zainstalowania aparatury pomiarowej.

Znamionowy prąd pierwotny przekładnika prądowego wyznacza się przez zaokrąglenie w górę obliczonej wartości prądu I_obl do najbliższej wartości znormalizowanej.

• znamionowy prąd wtórny (kryterium nr 3):

Zalecana wartość znamionowego prądu wtórnego przekładnika prądowego wynosi 5 A (na podstawie [5, 6, 7, 8]). Jednak w przypadkach szczególnych, np. przy dużych odległościach aparatury pomiarowej od przekaźników lub zespołów automatyki zabezpieczeniowej, można stosować przekładniki o znamionowym prądzie wtórnym 1 A [8], co pozwala znacząco zmniejszyć straty mocy w przewodach łączących uzwojenia wtórne przetworników pomiarowych z przyłączonymi układami EAZ.

• znamionowy prąd krótkotrwały wytrzymywany (kryterium nr 4):

gdzie:

I_th(tk) – prąd cieplny zastępczy dla czasu trwania zwarcia tk.

• znamionowy prąd szczytowy (kryterium nr 5):

gdzie:

i_p – maksymalna wartość udarowego prądu zwarcia w miejscu zainstalowania przekładnika prądowego spośród wszystkich analizowanych stanów zakłóceniowych rozpatrywanego układu elektroenergetycznego.

• klasa dokładności (kryterium nr 6):

Normy wprowadzają dwie klasy dokładności przekładników prądowych przeznaczonych do współpracy z zabezpieczeniami: 5P i 10P – liczba oznaczająca klasę określa dopuszczalny błąd całkowity przy znamionowym granicznym prądzie pierwotnym i znamionowej impedancji obciążenia. Dobierając klasę dokładności aparatury pomiarowej, należy uwzględnić rodzaj funkcji zabezpieczeniowej realizowanej w przyłączonym module układu EAZ.

• moc znamionowa (kryterium nr 7):
  • dla przekładników klasy 0,2; 0,5; 1:

• • dla przekładników klasy 3; 5P; 10P:

S2 – moc pozorna obciążenia uzwojeń wtórnych przekładnika – suma mocy: pobieranej przez układ elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej, traconej w przewodach oraz traconej na rezystancjach zestyków.

• znamionowy współczynnik graniczny dokładności (kryterium nr 8):

Znamionowy współczynnik graniczny dokładności określa zakres poprawnej transformacji wielkości pierwotnych na wtórne. Jest to krotność prądu I1N, dla którego przekładnik prądowy obciążony znamionowo spełnia wymagania określone w normie dla danej klasy w zakresie błędu całkowitego.

Dla stanu ustalonego poprawność transformacji jest zapewniona, gdy:

gdzie:

I”_k – największa spodziewana wartość skuteczna składowej okresowej prądu zwarciowego płynącego w miejscu zainstalowania przekładnika.

Jednak warunek poprawnej transformacji w stanie ustalonym jest niewystarczający w odniesieniu do przekładników przeznaczonych do współpracy z zabezpieczeniami: nadprądowym bezzwłocznym (lub zwłocznym, ale o krótkim opóźnieniu czasowym), odległościowym oraz różnicowym. Wymienione układy wymagają przekładników prądowych, które także w stanie nieustalonym spełniają warunek nienasycania się rdzenia ferromagnetycznego, tj. utrzymania wymaganej dokładności przetwarzania prądu pierwotnego na wtórny, bądź nie ulegną nasyceniu w czasie potrzebnym do zadziałania przyłączonych układów EAZ.

Dla stanu nieustalonego poprawność transformacji jest zapewniona, gdy:

gdzie:

K_tfmx – maksymalna wartość współczynnika przejściowego, określającego wpływ składowej nieokresowej w strumieniu,

K_R – współczynnik pozostałości magnetycznej (wartości współczynników określono, korzystając z [5]):

• dla zabezpieczenia nadprądowego i odległościowego: K_tfmx=7, K_R=0,3;
• dla zabezpieczenia różnicowoprądowego: K_tfmx=14, K_R=0,6.

Kryteria doboru parametrów technicznych przekładników napięciowych

Dobierając parametry przekładników napięciowych, przeznaczonych do współpracy z układami EAZ, powinno się kierować następującymi zasadami:

• napięcie znamionowe pierwotne (kryterium nr 1):

gdzie:

U_Ns – napięcie znamionowe sieci w miejscu zainstalowania przekładnika napięciowego

• sposób łączenia zacisków pierwotnych (kryterium nr 2):
  • układ pełnej gwiazdy z uziemionym punktem zerowym umozliwia pomiar napięć międzyprzewodowych i fazowych,
  • układ niepełnego trójkąta (układ V) umożliwia pomiar napięć międzyprzewodowych,
  • układ otwartego trójkąta umożliwia pomiar składowej zerowej napięć fazowych.
• moc znamionowa (kryterium nr 4):
  • dla układu pełnej gwiazdy: U_2N=100/√3 V,
  • dla układu niepełnego trójkąta: U_2N=100 V,
  • dla układu otwartego trójkąta: U_2N=100/3 V.

Układ połączeń przekładników napięciowych jest zdeterminowany przez wymaganą postać wejściowych sygnałów napięciowych:

• liczba uzwojeń wtórnych i ich przekładnia (kryterium nr 3):

gdzie:

S2 – moc pozorna obciążenia obwodu wtórnego przekładnika.

• klasa dokładności (kryterium nr 5):

Normy wprowadzają dwie klasy przekładników napięciowych przeznaczonych do współpracy z zabezpieczeniami: 3P i 6P, przy czym dla zabezpieczenia generatora od pracy silnikowej – zgodnie z [5] – postuluje się wybór przekładnika napięciowego klasy 1,0.

Charakterystyka części elektrycznej bloku energetycznego

Na rysunku 1. przedstawiono schemat ideowy części elektrycznej rozpatrywanego obiektu wytwórczego, składającego się z generatora G, transformatora blokowego TB i transformatora potrzeb własnych blokowych Tpw. W układzie blokowym zastosowano wyłączniki: blokowy W1 po stronie GN transformatora TB, generatorowy W2 oraz strony GN transformatora Tpw – łącznik W3. Ze względu na dostępność niezbędnych danych do analizy wybrano jednostkę średniej mocy. W Krajowym Systemie Elektroenergetycznym w układach elektrycznych wymienionych obiektów wytwórczych zwykle stosuje się wyłącznie wyłącznik blokowy bądź wyłączniki blokowy i generatorowy (korzystając z [1, 2]). Jednak w artykule rozpatrywano najbardziej rozbudowaną strukturę konfiguracyjną bloku, z uwagi na większy uniwersalizm przyjętej topologii obiektu wytwórczego. Pozwala to wykorzystać przedstawione kryteria doboru aparatury pomiarowej również dla jednostek wytwórczych o mocy osiągalnej znacznie przekraczającej 100 MVA.

Określenie wymaganych wartości parametrów technicznych przekładników prądowych i napięciowych wymusza przeprowadzenie obliczeń najbardziej prawdopodobnego scenariusza zwarć w obrębie analizowanego fragmentu systemu elektroenergetycznego. Konieczne jest również sporządzenie zestawienia obciążeń mocą pozorną elementów cząstkowych części elektrycznej jednostki wytwórczej zarówno podczas pracy w warunkach normalnych, jak i w warunkach zakłóceniowych lub pracy awaryjnej różnych składników obiektu wytwórczego.

W tabeli 1. zamieszczono wartości początkowych prądów zwarć trójfazowych, stanowiące podstawę do obliczenia parametrów odniesienia kryterium nr 4, 5 i 8 doboru danych technicznych przekładników prądowych. Wyróżnione wielkości to maksymalne wartości prądów zwarciowych poszczególnych obiektów cząstkowych jednostki wytwórczej spośród wszystkich analizowanych stanów zakłóceniowych rozpatrywanego układu elektroenergetycznego. Przedstawione wartości – wyrażone w kA – odnoszą się do napięć znamionowych elementów składowych bloku.

Przyjęta struktura części elektrycznej bloku energetycznego umożliwia pracę obiektu wytwórczego w sześciu stabilnych stanach pracy – wyniki przeprowadzonych obliczeń rozpływowych zamieszczono w tabeli 2. Wyróżnione wielkości to maksymalne wartości obciążeń poszczególnych elementów rozpatrywanej jednostki wytwórczej.

Dobór aparatury pomiarowej układów EAZ jednostki wytwórczej średniej mocy

Dobór parametrów technicznych przekładników prądowych i napięciowych, dostarczających sygnały wejściowe do układów elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej, przedstawiono na przykładzie bloku energetycznego, którego schemat ideowy układu elektrycznego pokazano na rysunku 1.

Dobór parametrów technicznych przekładników prądowych

W tym punkcie ograniczono się do określenia wymaganych wartości lub zakresu wartości poszczególnych parametrów technicznych przekładnika prądowego zainstalowanego po stronie DN transformatora blokowego. Prezentowane w tabeli 3. zestawienie to zbiór wytycznych, który może posłużyć do wyboru konkretnych, aktualnie produkowanych przekładników. Ponieważ wartości mocy pobieranej przez zespoły automatyki zabezpieczeniowej zależą od typu i rodzaju wykorzystywanych modułów, dlatego dobierając parametry techniczne aparatury pomiarowej, pominięto kryterium nr 7, odnoszące się do wymaganego poziomu mocy znamionowej uzwojenia wtórnego. Z uwagi na niewielkie odległości przekładników od modułów systemu EAZ, proponuje się zainstalowanie przetworników prądowych o znamionowym prądzie wtórnym I2N=5 A – kryterium nr 3.

Postępując analogicznie w przypadku pozostałych przekładników prądowych, przeznaczonych do współpracy z układem EAZ, należy oszacować wartości parametrów technicznych, uwzględniając wymagania wynikające z rodzaju funkcji zabezpieczeniowych zaimplementowanych i aktywowanych w przyłączonych modułach automatyki elektroenergetycznej.

Dobór parametrów technicznych przekładników napięciowych

Do doboru parametrów przekładników napięciowych wykorzystano kryteria charakteryzujące obwody pomiarowe w układach EAZ. W artykule ograniczono się do określenia wymaganych wartości poszczególnych danych technicznych przekładników przeznaczonych do współpracy z urządzeniami elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej generatora. Dobierając parametry techniczne aparatury pomiarowej, pominięto kryterium nr 4, odnoszące się do wymaganego poziomu mocy znamionowej uzwojeń wtórnych, ponieważ wartość mocy pobieranej przez zespoły automatyki zabezpieczeniowej zależy od typu i rodzaju wykorzystywanych modułów. Prezentowane w tabeli 4. zestawienie to zbiór wytycznych, który może posłużyć do wyboru konkretnych, aktualnie produkowanych, przekładników napięciowych.

Uwagi końcowe

Kryteria doboru parametrów technicznych przekładników prądowych, przedstawione w artykule, odnoszą się do przekładników indukcyjnych wykorzystywanych w obwodach pomiarowych układów elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej. Ich największą wadą jest nieliniowa charakterystyka przetwarzania, wynikająca z własności ferromagnetycznego materiału rdzenia – indukcja magnetyczna nie jest w całym zakresie pracy przekładnika proporcjonalna do wywołującego tę indukcję prądu magnesującego. Wskutek nasycania się rdzenia przetwornika następuje deformacja przebiegu prądu wtórnego, co niekorzystnie wpływa na pracę zabezpieczeń. Przekroczenie przez prąd pierwotny poziomu granicznego, wynikającego z wartości współczynnika granicznego dokładności, powoduje zwiększenie błędu transformacji ponad zakres dopuszczalny dla danej klasy przekładników.

Przechodzeniu rdzenia przekładnika prądowego w stan nasycenia, pod wpływem przepływu przez uzwojenie pierwotne prądu zwarciowego, można zapobiec przez odpowiedni dobór znamionowego współczynnika granicznego dokładności – kryterium nr 8. Jednak działanie takie może być niewystarczające w przypadku wystąpienia w prądzie zwarciowym składowej nieokresowej o znacznej wartości i długiej stałej czasowej zanikania (we wzorze 9 odzwierciedla to współczynnik Ktfmx). W [6] proponuje się stosowanie przekładnika o większym znamionowym prądzie pierwotnym niż by to wynikało z kryterium nr 2 – tj. doboru parametrów przetwornika z uwagi na maksymalną wartość prądu obciążenia płynącego przez przekładnik. Dodatkowym czynnikiem, znacznie zwiększającym zagrożenie nasycenia rdzenia, jest zjawisko pozostałości magnetycznej (obrazuje to współczynnik KR).

Dla przekładników prądowych zainstalowanych po stronie GN transformatora potrzeb własnych blokowych, pomimo wykorzystania wymienionych zaleceń, tj. zastosowania największej możliwej wartości współczynnika FEN oraz największego możliwego znamionowego prądu pierwotnego z szeregu wartości znormalizowanych, nie jest możliwe spełnienie wszystkich kryteriów technicznych dotyczących doboru parametrów. Dlatego można zaproponować zainstalowanie w rozpatrywanej jednostce wytwórczej niekonwencjonalnych przetworników prądu. Tego typu układy zapewniają m.in. (korzystając z [4, 5]):

• niewielkie błędy transformacji,
• szeroki zakres poprawnej transformacji,
• poprawną transformację wyższych harmonicznych,
• poprawne odwzorowanie składowych nieokresowych.

Niewielka moc zapotrzebowana przez cyfrowe urządzenia elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej (w przypadku modułów SIPROTEC firmy Siemens parametr ten nie przekracza 0,3 VA [9]), niweluje podstawową wadę niekonwencjonalnych przetworników pomiarowych, tj. stosunkowo małą moc wyjściową. Pozwala to zastosować w strukturze części elektrycznej rozpatrywanej jednostki wytwórczej wymienione aparaty pomiarowe, eliminując tym samym niektóre wady przekładników napięciowych indukcyjnych (wysokie nakłady finansowe) i pojemnościowych (znaczne prawdopodobieństwo wystąpienia składowej swobodnej w sygnale napięciowym w stanach przejściowych [5]). Natomiast w przypadku przetworników prądowych – istnieje możliwość poprawnego doboru aparatury pomiarowej zainstalowanej po stronie GN transformatora potrzeb własnych blokowych – dla przekładników konwencjonalnych trudno określić wymagane wartości poszczególnych parametrów technicznych spełniające wszystkie kryteria doboru.

Literatura

1. R. S. Janiczek, Eksploatacja elektrowni parowych, WNT, Warszawa 1992.
2. D. Laudyn, M. Pawlik, F. Strzelczyk, Elektrownie, WNT, Warszawa 2000.
3. K. Musierowicz, Zniekształcenia sygnałów pomiarowych w elektroenergetycznej automatyce zabezpieczeniowej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2001.
4. B. Wilczyński, Niekonwencjonalne przekładniki pomiarowe NCIT w zabezpieczeniach serii MiCOM P40, „Wiadomości elektrotechniczne” 9/2007.
5. W. Winkler, A. Wiszniewski, Automatyki zabezpieczeniowa w systemach elektroenergetycznych, WNT, Warszawa 2004.
6. J. Żydanowicz, Elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa, WNT, Warszawa 1985.
7. Laboratorium elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1999.
8. Poradnik Inżyniera Elektryka. WNT, Warszawa 1997.
9. SIPROTEC, Numerical Protection Relays, Protection System. Catalog SIP 2008.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!