Detekcja zwarć doziemnych w sieciach średniego napięcia
Earth fault detection in medium voltage networks
Zasada działania kryterium ziemnozwarciowego I0> rys. M. Wieczorek
W artykule opisano sposoby pracy punktu neutralnego sieci średnich napięć (SN). Przedstawiono zalety i wady każdego z zaprezentowanych układów pracy sieci. Na bazie tego przeglądu zaprezentowano podstawowe kryteria detekcji zwarć doziemnych w sieciach SN w zależności od układu pracy punktu neutralnego.
StreszczenieW artykule w krótki sposób opisano sposoby pracy punktu neutralnego sieci średnich napięć (SN). Przedstawiono zalety i wady każdego z zaprezentowanych układów pracy sieci. Na bazie tego przeglądu, zaprezentowano podstawowe kryteria detekcji zwarć doziemnych w sieciach SN w zależności od układu pracy punktu neutralnego. Dla każdego kryterium (nadprądowego I0, kierunkowo czynno- i biernomocowego oraz admitancyjnego) podano sposób obliczania nastaw. Artykuł podsumowano wnioskami i rekomendacjami użycia poszczególnych kryteriów oraz koordynacji współpracy z innymi zabezpieczeniami w zależności od topologii sieci. |
AbstractArticle is presented short description operating conditions of neutral point in the medium voltage (MV) distribution networks. Paper is shown negative and positive feature for different working conditions of the network neutral point. Based on this review, the basic criteria for detecting earth faults in MV networks depending on the neutral point operating system are presented. For each criteria (earth fault overcurrent I0, directional earth fault overcurrent and admittance) is given method of the setting calculation. The paper is summarized by conclusions and recommendations for the use of individual criteria and coordination of cooperation with other protections depending on the network topology. |
Sieci średnich napięć różnicuje się ze względu na sposób pracy punktu neutralnego sieci. Można zatem przedstawić następujące układy pracy sieci średniego napięcia:
a) izolowane,
b) kompensowane z automatyką wymuszenia składowej czynnej (AWSCz),
c) kompensowane bez automatyki wymuszenia składowej czynnej (AWSCz),
d) kompensowane z automatyką wymuszenia składowej biernej (AWSB),
e) uziemione przez rezystor,
f) uziemione przez układ równoległy dławika i rezystora,
g) dekompensowane,
h) uziemione przez reaktancję.
W Polsce wszystkie sieci średniego napięcia pracują z nieskutecznie uziemionym punktem neutralnym [5]. W zależności od sposobu pracy punktu neutralnego, w sieci występują różne wartości: prądów zwarć doziemnych, napięć rażeniowych i zjawisk łukowych.
Dwa ostatnie sposoby pracy punktu neutralnego sieci występują w jednostkowych sieciach w Polsce i nie będą omawiane w niniejszym artykule. Ponadto sieci skompensowane niewyposażone w automatykę AWSCz są zdecydowanie nierekomendowanym układem pracy sieci. Takie podejście jest spowodowane dużymi problemami z detekcją zwartej linii i nierzadko potrzebą ręcznej identyfikacji miejsca zwarcia. Sieci izolowane są najczęściej stosowane w aplikacjach kopalnianych i szeroko rozwiniętym przemyśle. Zdecydowanie rzadziej sieci izolowane są spotykane w energetyce zawodowej [5].
Sieci pracujące z izolowanym punktem neutralnym mają następujące właściwości: niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne, prosta struktura, stosunkowo mały pojemnościowy prąd doziemny (do 40 A) oraz dobre warunki do gaszenia łuku. Ze względu na niewielkie wartości prądów doziemnych, zwarciom towarzyszą duże przepięcia. Podczas zwarcia jednofazowego składowa czynna i bierna przepływają niemalże analogicznie – z tą różnicą, że składowa czynna „zamyka się” przez konduktancję (składowa bierna przez pojemności faz „zdrowych”). Ze względu na duże wartości rezystancji izolacji, określonej w normie PN-E-04700 (100 MΩ – izolacja polietylenowa i 40 MΩ – izolacja polwinitowa) [2], składowa czynna jest pomijalnie mała.
Sieci izolowane są najczęściej stosowane w układach potrzeb własnych elektrowni, sieciach przemysłowych, sieciach o bardzo małym prądzie pojemnościowym (mało rozległe sieci kablowe). Natomiast w odróżnieniu do sieci izolowanych, sieci kompensowane cechuje wysoki koszt inwestycyjny i eksploatacyjny oraz skomplikowana struktura i zabezpieczenia. Historycznie układy sieci kompensowanej były stosowane jako usprawnienie sieci izolowanych, nawet w przypadku miejskich sieci kablowych. Obecnie w zdecydowanej większości stosowane są w sieciach napowietrznych z niewielkim procentem odcinków kablowych oraz na terenach wiejskich.
Sieci kompensowane mają następujące cechy charakterystyczne: bardzo dobre warunki do gaszenia łuku, stosunkowo mały prąd ziemnozwarciowy, mniej rygorystyczne wymagania (w porównaniu do sieci uziemionej przez rezystor) dotyczące doboru uziemień słupów. Podobnie jak w przypadku sieci izolowanych, cechują się dużymi przepięciami.
Sieci uziemione przez rezystor wyróżniają się następującymi właściwościami: małe przepięcia ziemnozwarciowe, brak występowania zakłóceń lawinowych oraz bardzo dobre warunki do pracy zabezpieczeń. Wartość rezystora należy dobrać tak, aby w przypadku zwarcia jednofazowego składowa czynna prądu nie przekraczała 500 A (dotyczy sieci kablowych) oraz 120 A (dotyczy sieci napowietrznych). Jak zatem widać, w sieciach uziemionych przez rezystor występują duże wartości prądów ziemnozwarciowych. Aby zapewnić niezawodność działania przekaźników zabezpieczeniowych (ziemnozwarciowych), a tym samym ograniczyć przepięcia ziemnozwarciowe, wymagana jest jak największa wartość prądu zwarcia. Ograniczanie wartości prądu w tychże sieciach jest spowodowane rygorystycznymi wymaganiami dotyczącymi ochrony przeciwporażeniowej – spadki napięć na uziemieniach słupów i stacji rosną wprost proporcjonalnie do wartości prądu ziemnozwarciowego [1]. Z tego właśnie powodu (wysokie wartości prądów ziemnozwarciowych) stawia się wysokie wymagania odnośnie do ochrony przeciwporażeniowej uziomów stacji oraz słupów linii napowietrznych. Ponadto, ze względu na brak warunków do gaszenia łuku, zwiększa się częstotliwość działania automatyki SPZ.
Przedstawione powyżej właściwości sieci z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor świadczą o tym, że ten układ pracy jest rekomendowany w przypadku sieci o zdecydowanym udziale linii kablowych [1]. Sieci te są również popularne w przypadku miejskich sieci kablowych o dużej pojemności.
Detekcja zwarć z ziemią
Do wykrywania zwarć doziemnych stosuje się różne układy zabezpieczeniowe oparte na pomiarze składowej zerowej prądu, napięcia lub ich kombinacji. W zależności od wymagań, stosuje się następujące zabezpieczenia ziemnozwarciowe:
a) Nadnapięciowe (U0>)
Składowa zerowa napięcia jest wielkością kryterialną przeznaczoną do detekcji zwarć doziemnych dla wszystkich sposobów pracy punktu neutralnego sieci. Przekroczenie progu nastawy (U0>) jest warunkiem rozruchu klasycznych kryteriów wykrywania zwarć doziemnych, co ogranicza liczbę ich zbędnych zadziałań wynikających z naturalnej asymetrii doziemnej sieci. Ponadto, w sieci kompensowanej z AWSCz kryterium U0> działa na załączenie rezystora z określonym opóźnieniem czasowym, umożliwiając w ten sposób zgaszenie łuku.
Pola liniowe średniego napięcia w większości przypadków nie są wyposażane w przekładniki napięciowe, a napięcie U0 mierzone jest w polu pomiaru napięcia przez uzwojenie wtórne przekładnika napięciowego połączone w otwarty trójkąt. Z tego powodu kryterium U0> może służyć jedynie do wykrycia doziemienia w całej sekcji/stacji, bez określenia uszkodzonej linii. Innymi słowy: rezerwuje zabezpieczenia w polach liniowych. Spotykane są natomiast aplikacje, kiedy kryterium U0> jest zabezpieczeniem podstawowym, ale działającym wówczas na sygnalizację. Bardzo często U0> stanowi próg rozruchowy dla innych, mniej lub bardziej zaawansowanych kryteriów – kierunkowych i admitancyjnych. Najczęściej stosowane w praktyce nastawy dla tego kryterium to U0> = (10–20) V.
b) Nadprądowe (I0>)
Stosowane w sieciach z punktem neutralnym izolowanym oraz uziemionym przez rezystor/dławik. Instaluje się je na początku każdej linii i zasila prądem I0.
Przez zabezpieczenia linii zdrowych płyną prądy własne linii, zaś w linii zwartej – całkowity prąd zwarcia doziemnego, pomniejszony o prąd pojemnościowy własny linii zwartej (rys. 1.).
Rys. 1. Zasada działania kryterium ziemnozwarciowego I0>
rys. M. Wieczorek
Warunkiem wybiórczego działania zabezpieczenia jest nastawienie wartości rozruchowej zabezpieczenia na prąd większy od pojemnościowego prądu własnego linii.
W sieci o izolowanym punkcie neutralnym można zastosować to kryterium tylko w przypadku,
gdy udział tej linii w pojemnościowym prądzie zwarcia doziemnego sieci nie przekracza wartości 0,3–0,4 [3].
We wszelkich obliczeniach nastaw zabezpieczeń, jeśli nie podano inaczej, w rozdzielni dwusekcyjnej jako prąd pojemnościowy sieci należy przyjmować prąd sekcji, do której jest przyłączona zabezpieczana linia, i w stosunku do niego należy obliczać udziały poszczególnych linii.
Nastawa kryterium I0> (I0nast), niezależnie od sposobu pracy punktu neutralnego, powinna spełniać zależność [4]:
gdzie:
kb – współczynnik bezpieczeństwa o wartości 1,1–1,2,
kp – współczynnik powrotu wynoszący 0,85 dla przekaźników elektromechanicznych, 0,95 – 0,99 dla statycznych i cyfrowych;
ϑi0 – przekładnia filtru składowej zerowej prądu,
ICL – prąd pojemnościowy chronionej linii (należy brać za podstawę największą spodziewaną wartość prądu),
ΔI0μ – prąd uchybowy w obwodach filtru składowej zerowej prądu; zaleca się przyjmować 10–20 mA dla przekładnika Ferrantiego, a 30–50 mA – dla układu Holmgreena
c) Kierunkowe czynno- lub biernomocowe
Kryterium to działa w oparciu o pomiar U0 i Iz (3I0), doprowadzonych do zabezpieczenia z odpowiednich filtrów składowej zerowej (rys. 2.).
Rys. 2. Idea działania kryterium czynno- i biernomocowego,
rys. M. Wieczorek
Kryterium czynno- i biernomocowe do swojego działania wykorzystuje kąt między napięciem U0 i prądem I0. Kryterium zostaje pobudzone z chwilą przekroczenia nastawionej wartości prądu I0> lub iloczynu prądu I0 i kąta pomiędzy I0 i U0. Wykorzystanie tej własności limituje zbędne zadziałania w sytuacji naturalnej asymetrii pojemności doziemnych sieci czy też uszkodzeń w obwodach pomiarowych.
Kryterium to jest bardziej czułe od I0>. W zależności od układu pracy punktu neutralnego sieci (w przypadku tego kryterium) należy dokonać odpowiedniego wyboru kąta maksymalnej czułości Ψ:
- w sieciach uziemionych przez rezystor lub kompensowanych (z AWSCz) stosujemy kryterium czynnomocowe, gdzie:
w związku z tym:
a warunek zadziałania kryterium ma postać:
gdzie I0nast – nastawa przekaźnika;
- w sieciach izolowanych stosujemy kryterium biernomocowe, gdzie:
w związku z tym
a warunek zadziałania kryterium ma postać:
d) Kryterium admitancyjne, konduktancyjne i susceptancyjne
Kryterium admitancyjne Y0> bazuje na obu składnikach admitancji. Jest względnie uniwersalne i może pracować w układzie sieci, gdzie punkt neutralny jest uziemiony przez: rezystor, równoległy układ dławika i rezystora oraz uziemiony przez dławik z dorywczym uziemieniem przez rezystor. Może także pracować w pozostałych układach pracy punktu neutralnego – izolowany, uziemiony przez dławik bez AWSCz oraz uziemiony przez dławik z AWSCz. Jednakże zastosowanie tego kryterium w trzech ostatnich układach pracy jest ograniczone [3]. Ze względu na uniwersalność tego kryterium, jest ono bardziej podatne na zbędne zadziałania niż kryteria bazujące tylko na jednej ze składowych admitancji. Kryterium to jest bezkierunkowe, a obszar zadziałania leży na zewnątrz okręgu o promieniu odpowiadającym wartości nastawionej (rys. 3.).
Rys. 3. Kryterium admitancyjne Y0> rys. M. Wieczorek
Warunek zadziałania tego zabezpieczenia opisują nierówności:
oraz
Kryterium admitancyjne Y0> – niezależnie od sposobu pracy punktu neutralnego nastawę dobiera się według zależności:
gdzie:
kb – współczynnik bezpieczeństwa o zalecanej wartości 1,2,
ICL – prąd pojemnościowy zabezpieczanej linii,
U0max – największa wartość napięcia po stronie wtórnej filtru składowej zerowej napięcia (z reguły 100 V),
υi0 – przekładnia filtra składowej zerowej prądu,
ΔY0μ – admitancja uchybowa, którą można przyjąć z zakresu 0,6–0,8 mS dla przekładnika Ferrantiego oraz 2–2,5 mS dla układu Holmgreena.
Kryterium konduktancyjne G0>:
W celu zapewnienia selektywnego działania zabezpieczeń ziemnozwarciowych w sieciach kompensowanych z AWSCz oraz uziemionych przez rezystor rekomenduje się stosowanie kryterium ziemnozwarciowego konduktancyjnego G0>.
Zabezpieczenie konduktancyjne reaguje na wartość konduktancji zerowej G0, która jest określona zależnością:
Zadziałanie następuje, gdy mierzona konduktancja znajdzie się w zaznaczonym obszarze (rys. 4.).
Rys. 4. Zasada działania zabezpieczenia ziemnozwarciowego G0
rys. M. Wieczorek
Warunek zadziałania tego zabezpieczenia oparty jest na poniższych nierównościach:
dla kryterium bezkierunkowego
- G0p ≥ G0nast dla kryterium kierunkowego
oraz
- U0p ≥ U0nast dla kryterium bezkierunkowego
- G0p ≥ G0n dla kryterium bezkierunkowego
gdzie:
G0nast – nastawa zabezpieczenia konduktancyjnego
U0nast – nastawa powinna być tak dobrana, aby próg rozruchowy był odstrojony od naturalnego napięcia asymetrii pojemnościowej sieci.
Jak już wspomniano powyżej – charakterystyki rozruchowe zabezpieczenia konduktancyjnego mogą być kierunkowe lub bezkierunkowe. Podstawową opcją jest charakterystyka bezkierunkowa. W przypadku, gdy wybrana jest opcja bezkierunkowa, nie ma potrzeby fazować obwodów prądowych i napięciowych. Na rysunku 4. zaprezentowano obszary działania oraz blokowania dla kryterium konduktancyjnego: a) dla konfiguracji bezkierunkowej, b) dla konfiguracji kierunkowej.
Kryterium susceptancyjne B0>:
W celu zapewnienia selektywnego działania zabezpieczeń ziemnozwarciowych w sieciach z punktem neutralnym izolowanym rekomenduje się stosowanie kryterium kierunkowego susceptancyjnego B0>.
Zabezpieczenie reaguje na wartość susceptancji zerowej B0, która jest określona zależnością:
Warunek zadziałania tego kryterium opisują nierówności:
oraz:
gdzie:
B0nast – nastawa zabezpieczenia susceptancyjnego.
Charakterystyki rozruchowe zabezpieczenia susceptancyjnego mogą być kierunkowe (zdecydowanie rekomendowane) lub bezkierunkowe. Na rysunku 5. zaprezentowano obszary działania oraz blokowania dla kryterium susceptancyjnego: a) dla konfiguracji bezkierunkowej, b) dla konfiguracji kierunkowej.
Rys. 5. Zasada działania zabezpieczenia ziemnozwarciowego B0
rys. M. Wieczorek
Nastawę B0nast dobiera się następująco:
gdzie:
ΔY0μ – admitancja uchybowa, dobierana zgodnie z zasadami takimi jak dla zabezpieczenia admitancyjnego
kb – współczynnik bezpieczeństwa o wartości 1,2–2,0.
Kryterium admitancyjno-konduktancyjne YG0>:
Działanie tego kryterium oparte jest na połączeniu kryterium admitancyjnego i konduktancyjnego. Takie podejście do kryterium identyfikacji zwarć doziemnych umożliwia detekcję doziemień w sieciach o różnych układach pracy punktu neutralnego. Charakterystykę działania zabezpieczenia w oparciu o to kryterium zaprezentowano na rysunku 6.
Rys. 6. Charakterystyka zabezpieczenia ziemnozwarciowego opartego na kryterium YG0> rys. M. Wieczorek
Warunek zadziałania tego kryterium opisują następujące nierówności:
oraz
Nastawa G0nast jest zależna od uchybów filtrów składowych zerowych prądu i powinna spełniać nierówność:
gdzie:
ΔY0μ – admitancja uchybowa, dobierana zgodnie z zasadami takimi jak dla zabezpieczenia admitancyjnego,
kb – współczynnik bezpieczeństwa o wartości 1,2 (rekomendowana dla sieci skompensowanych) do 2,0 (zalecana dla sieci uziemionych przez rezystor).
Podsumowanie
Kryteria kierunkowe admitancyjne, konduktancyjne i susceptancyjne mają napięciowy próg rozruchowy. Próg ten należy dobrać w taki sposób, aby odstroić się od zbędnych zadziałań wynikających chociażby z naturalnej asymetrii sieci. Rekomenduje się dobierać następujące wartości nastaw U0nast, mając na uwadze fakt, że większe dotyczą sieci napowietrznych albo sieci mieszanych o zdecydowanym udziale linii napowietrznych:
1) w sieciach o izolowanym punkcie neutralnym: 10–20 V,
2) w sieciach o punkcie neutralnym uziemionym przez rezystor: 5–10 V,
3) w sieciach skompensowanych: 15–25 V, ale często możliwa jest również nastawa 10 V.
Dobierając nastawy czasowe zabezpieczeń ziemnozwarciowych, należy kierować się różnymi aspektami. Najistotniejsze są normy oraz wszelkie przepisy dotyczące ochrony od porażeń i wynikające z nich dopuszczalne wartości napięcia zakłóceniowego czy też napięcia rażeniowego.
W sieciach kablowych, w których punkt neutralny uziemiony jest przez rezystor – nie ma ograniczeń czasowych i zaleca się nastawy z zakresu 0,3–1,0 s [4]. W sieciach napowietrzno-kablowych i napowietrznych rekomenduje się minimalne nastawy czasowe. Natomiast, aby odstroić się od wyłączeń dla stanów przejściowych – lepiej nie stosować nastaw poniżej 150 ms. Zaleca się nastawy na poziomie 0,2–0,3 s [4]. W sieciach pracujących z izolowanym punktem neutralnym opóźnienia czasowe podlegają wytycznym jak w przypadku sieci uziemionej przez rezystor.
Literatura:
- J. Andruszkiewicz, J. Lorenc, W. Hoppel, „Ograniczanie zagrożenia porażeniowego w zależności od sposobu uziemienia punktu neutralnego w sieciach SN”, International Conference on Electricity Distribution CIRED, 1999.
- Norma PN-E-04700: Urządzenia i układy elektryczne w obiektach elektroenergetycznych; Wytyczne przeprowadzania pomontażowych badań odbiorczych, Polski Komitet Normalizacyjny, 1998.
- W. Hoppel, J. Lorenc, Podstawy doboru nastaw zabezpieczeń w polach rozdzielni SN, „Automatyka Elektroenergetyczna” nr 1/2003.
- W. Hoppel, J. Lorenc, Dobór nastaw zabezpieczeń w polach linii średniego napięcia, „Automatyka Elektroenergetyczna” nr 2/2003.
- W. Hoppel, Współczesne rozwiązania zabezpieczeń ziemnozwarciowych w sieciach średnich napięć o nieskutecznie uziemionym punkcie neutralnym, „Automatyka, Elektryka, Zakłócenia” nr 14, s. 18–43, 2013.
