Wybrane zagadnienia zabezpieczeń odległościowych linii (część 1) Kryterium podimpedancyjne oraz parametryzacja zasięgów reaktancyjnych stref pomiarowych
W artykule scharakteryzowano wybrane zagadnienia związane z zabezpieczeniami odległościowymi linii elektroenergetycznych wysokich i najwyższych napięć.
Fot. arch. redakcji
Zabezpieczenia odległościowe stanowią jeden z podstawowych typów zabezpieczeń stosowanych w Elektroenergetycznej Automatyce Zabezpieczeniowej (EAZ) linii przesyłowych wysokich (WN) i najwyższych napięć (NN). Ich podstawowym
zadaniem jest skuteczna i selektywna ochrona linii elektroenergetycznych przed negatywnymi skutkami zakłóceń (w szczególności zwarć wielkoprądowych). Efekt wystąpienia takich zwarć to przede wszystkim dynamiczne i termiczne oddziaływanie prądu zwarciowego na obiekt, co w konsekwencji doprowadziłoby do jego uszkodzenia lub zniszczenia.
Zobacz także
dr inż. Andrzej Książkiewicz - Astat Sp. z o.o. Stacjonarny analizator PQI-DA Smart – niezawodne narzędzie do monitorowania i rejestracji zakłóceń w sieciach elektroenergetycznych
Współczesne sieci elektroenergetyczne – zarówno publiczne, jak i przemysłowe – stawiają czoła rosnącym wyzwaniom związanym z jakością energii elektrycznej. Dynamiczny rozwój odnawialnych źródeł energii,...
Współczesne sieci elektroenergetyczne – zarówno publiczne, jak i przemysłowe – stawiają czoła rosnącym wyzwaniom związanym z jakością energii elektrycznej. Dynamiczny rozwój odnawialnych źródeł energii, elektromobilności oraz urządzeń energoelektronicznych powoduje wzrost zjawisk zakłócających, takich jak poziom harmonicznych, asymetria napięć, migotanie światła czy wahania napięcia. W odpowiedzi na te wyzwania firma A. Eberle proponuje stacjonarny analizator PQI-DA Smart – urządzenie, które przeobraża...
dr hab. inż. Andrzej Ł. Chojnacki Modele matematyczne funkcji niezawodnościowych napowietrznych linii dystrybucyjnych 110 kV, SN oraz nn
Problem niezawodności urządzeń elektroenergetycznych jest bardzo ważny ze względu na pewność dostaw energii elektrycznej do znacznej grupy jej odbiorców. W wielu przypadkach przerwy w dostawie energii...
Problem niezawodności urządzeń elektroenergetycznych jest bardzo ważny ze względu na pewność dostaw energii elektrycznej do znacznej grupy jej odbiorców. W wielu przypadkach przerwy w dostawie energii stwarzają realne zagrożenie dla życia lub zdrowia ludzkiego, np. w przypadku osób korzystających z profesjonalnej aparatury medycznej podtrzymującej życie. Stałe więc nadzorowanie pracy sieci elektroenergetycznych oraz analiza awarii w nich występujących są konieczne, aby ustalić metody właściwej eksploatacji...
dr inż. Aleksander Lisowiec, mgr inż. Jerzy Chudorliński Pomiary w sieciach elektroenergetycznych z wysokim udziałem OZE – wyzwania i trendy
Sieci dystrybucyjne o dużym nasyceniu OZE charakteryzują się częstymi zmianami wielkości i kierunku przepływu energii w gałęziach, co wynika z zależności produkcji energii przez OZE od warunków pogodowych....
Sieci dystrybucyjne o dużym nasyceniu OZE charakteryzują się częstymi zmianami wielkości i kierunku przepływu energii w gałęziach, co wynika z zależności produkcji energii przez OZE od warunków pogodowych. Operatorzy sieci dystrybucyjnych dążą do zapewnienia stabilności pracy sieci oraz bezprzerwowych dostaw energii elektrycznej o właściwych parametrach jakościowych odbiorcom. Ze względu na konieczność uniezależnienia się od kopalnianych źródeł energii należy dążyć również do maksymalizacji produkcji...
Zgodnie z obowiązującymi przepisami przesyłowe linie elektroenergetyczne muszą być wyposażone w zabezpieczenie podstawowe (odcinkowe) oraz rezerwowe ziemnozwarciowe lub odległościowe bezłączowe.
W niniejszym artykule zostaną przybliżone wybrane aspekty działania i parametryzacji zabezpieczenia odległościowego linii przesyłowych.
Kryterium podimpedancyjne
Zwarciom wielkoprądowym towarzyszy jednoczesny wzrost prądu fazowego ponad wartość dopuszczalną długotrwale obiektu elektroenergetycznego przy jednoczesnym obniżeniu napięcia (fazowego lub międzyfazowego) fazy lub faz dotkniętych zwarciem.
Wykorzystując te cechy, na bazie dostępnych pomiarowo napięć i prądów wyznaczana jest impedancja pętli zwarciowej.
Rys. 1. Idea wyznaczania impedancji w zabezpieczeniu odległościowym linii LAB, gdzie: W – wyłącznik, F1, F2 – miejsca zwarcia; rys. T. Bednarczyk
Na rys. 1. przedstawiono schemat ideowy zasady wyznaczania impedancji w zabezpieczeniu odległościowym linii elektroenergetycznej LAB. Linia LAB jest zasilana jednostronnie i wyposażona w układ zabezpieczeniowy składający się z zabezpieczenia odległościowego Z<, przekładników prądowych (PP) oraz napięciowych (PN).
Wzór 1
gdzie:
Up, Ip – fazory napięcia i prądu pomiarowego.
Zakładając, że zwarcie ma charakter metaliczny zależność (1) można przedstawić jako:
Wzór 2
gdzie:
UAFx – fazor napięcia określający spadek napięcia na odcinku stacja A miejsce zwarcia Fx, spowodowany przepływem prądu zwarciowego Ip = IAFx
Zależność (2) pozwala wyznaczyć zarówno wartość impedancji zwarcia (moduł), jak i jej charakter (kąt), co pozwala wyznaczyć, m.in. kierunek przepływu prądu zwarciowego („kierunek zwarcia”) oraz jego zasięg obszarowy, tj. jaką część linii LAB zwarcie obejmuje.
Zakładając, że linia LAB jest impedancyjnie jednorodna, z zależności (2) wynika, że wartość impedancji ZAFx wyznaczonej przez zabezpieczenie jest proporcjonalna do długości LAFx, stanowiącej odległość miejsca zwarcia Fx od stacji A.
W miarę zbliżania się miejsca zwarcia do stacji A impedancja ZAFx będzie liniowo malała, ponieważ zmniejszy się wartość napięcia UAFx przy jednoczesnym wzroście prądu IAFx (rys. 1.).
W przypadku oddalania się miejsca zwarcia Fx od stacji A, impedancja ZAFx będzie rosła, ponieważ wartość napięcia UAFx mierzonego w stacji A będzie rosła w miarę oddalania się miejsca zwarcia od miejsca zainstalowania zabezpieczenia (rys. 1.).
Ogólnie, zmianie miejsca zwarcia na linii LAB towarzyszy zmiana wartości wyznaczanej przez zabezpieczenie impedancji ZAFx. Zatem wyznaczając wartość ZAFx, a następnie odnosząc ją do impedancji ZAB całej linii LAB, można wprost wyznaczyć względną odległość miejsca zwarcia od stacji A, tj.:
Wzór 3
gdzie:
Z’ – jednostkowa impedancja linii LAB.
Stąd nazwa „zabezpieczenie odległościowe”, ponieważ wartość wyznaczonej impedancji pomiarowej jest „elektryczną” interpretacją odległości do miejsca zwarcia.
Przedstawione dotychczas rozważania dotyczyły przypadku zwarcia metalicznego.
Istnieje jednak szereg czynników fałszujących pomiar impedancji w zabezpieczeniach odległościowych, co przekłada się m.in. na błędną interpretację uzyskanych wyników, a w konsekwencji błędną lokalizację miejsca zwarcia.
Jednym z czynników mogących znacząco wpłynąć na poprawność wyznaczanej impedancji przez zabezpieczenie odległościowe jest dodatkowa rezystancja w obwodzie zwarciowym. Przypadek taki przedstawiono na rys. 2.
Rys. 2. Wektor impedancji wyznaczanej w punkcie zabezpieczeniowym (stacja A) podczas zwarcia: a) bezpośredniego, b) pośredniego; rys. T. Bednarczyk
W przypadku zwarć bezpośrednich (metalicznych) na odcinku linii LAB koniec wektora impedancji „mierzonej” znajduje się na odcinku AB odpowiadającym wartości impedancji chronionej linii. Kąt nachylenia wektora impedancji odpowiada tzw. kątowi zwarcia linii, opisanego zależnością:
Wzór 4
gdzie:
R, X – rezystancja i reaktancja indukcyjna zabezpieczanej linii.
W sytuacji, gdy występujące na linii przesyłowej zwarcie nie ma charakteru bezpośredniego (pojawia się tzw. rezystancja przejścia) zarówno wartość, jak i argument wyznaczanej przez zabezpieczenie impedancji ZAFx ulega zmianie.
Należy dodać, iż zwarcia występujące w sieciach przesyłowych nie zawsze mają charakter bezpośredni. Często pomiędzy zwartą fazą (fazami) występuje dodatkowa rezystancja, która powoduje zmianę wartości impedancji ZAFx widzianej w punkcie zabezpieczenia.
Dodatkowa rezystancja RF w obwodzie zwarciowym fałszuje (zwiększa wartość i zmniejsza kąt) wyznaczanej wartości impedancji w stosunku do wartości impedancji odpowiadającej długości odcinka linii pomiędzy stacją A (miejscem pomiaru) a miejscem zwarcia Fx, co przedstawiono na rys. 2b. Efektem zafałszowania jest błędna identyfikacja miejsca zwarcia – jest ono lokalizowane dalej w głąb linii niż występuje w rzeczywistości.
Na rys. 3. przedstawiono wektorową interpretację impedancji pomiarowej wyznaczanej przez zabezpieczenie odległościowe dla charakterystycznych przypadków pracy chronionej linii:
Rys. 3. Graficzna ilustracja wyznaczania impedancji pomiarowej przy różnych stanach pracy linii, gdzie: LAB ZAB – wektor impedancji zabezpieczanej linii LAB, ZAF – wektor wyznaczonej impedancji zwarcia, Zobc – wektor wyznaczonej impedancji obciążenia; rys. T. Bednarczyk
Wykorzystywanie kryterium podimpedancyjnego w zabezpieczeniu odległościowym
W celu zachowania odpowiedniej selektywności działania i spełniania zadań rezerwowania funkcjonalności zabezpieczeń obiektów sąsiednich, zabezpieczenie odległościowe charakteryzuje się czasem generacji decyzji wyłączającej zależnym od umiejscowienia punktu zwarciowego Fx w stosunku do miejsca zainstalowania zabezpieczenia A (miejsca pozyskiwania sygnałów pomiarowych). Przykładową charakterystykę czasowo-impedancyjną zabezpieczenia odległościowego przedstawiono na rys. 4.
Rys. 4. Przykładowa charakterystyka czasowo-impedancyjna zabezpieczenia odległościowego w układzie promieniowym; rys. T. Bednarczyk
Wynika z niej wielostrefowość działania zabezpieczenia, które obejmuje swoim zasięgiem ochrony nie tylko linię LAB, ale również linie (obiekty) w najbliższym otoczeniu sieciowym.
Zabezpieczenia odległościowe charakteryzują się tzw. strefami pomiarowymi reprezentowanymi przez wydzielone obszary na płaszczyźnie impedancji zespolonej, do których przypisane są odpowiednie czasy opóźnień działania.
Umiejscowienie wektora impedancji pomiarowej w jednej ze stref pomiarowych powoduje generację sygnału wyłączającego z opóźnieniem zależnym od przyjętego stopniowania czasowego. Ze względu na różne wykonanie konstrukcyjne zabezpieczeń odległościowych można wyróżnić kilka rodzajów kształtów charakterystyk pomiarowych, co zostanie opisane w dalszej części artykułu.
Ogólne wytyczne doboru nastaw
W tym miejscu zostaną przedstawione ogólne zasady doboru nastaw zabezpieczeń odległościowych. Należy podkreślić, że mogą one ulec zmianie w zależności od charakteru i złożoności otoczenia sieciowego zabezpieczanej linii (jednotorowa, wielotorowa, z kompensacją szeregową itp.), jak i funkcjonalności samego zabezpieczenia (forma rozruchu, sposób i kształt charakterystyk pomiarowych itp.).
Przystępując do obliczeń założono, że: analizowany fragment sieci przedstawia sieć promieniową, jednostronnie zasilaną, linie przesyłowe są liniami jednotorowymi o tych samych parametrach elektrycznych.
W artykule skupiono się na trzech kwestiach:
- nastawie rozruchowego członu podimpedancyjnego Zr,
- nastawie zasięgów reaktancyjnych stref pomiarowych XI, XII, XIII,
- nastawie opóźnień czasowych poszczególnych stref pomiarowych.
W drugiej części artykułu zostaną przedstawione zagadnienia związane z:
- nastawą zasięgów rezystancyjnych stref pomiarowych RI, RII, RIII,
- nastawą współczynnika kompensacji ziemnozwarciowej.
Dobór nastaw członu rozruchowego podimpedancyjnego
Człon rozruchowy impedancyjny odpowiedzialny jest za pobudzenie zabezpieczenia i uruchomienie procedury wyznaczenia impedancji pętli zwarcia oraz identyfikacji położenia wyznaczonego wektora impedancji zwarcia na płaszczyźnie impedancji zespolonej (R, jX).
Zazwyczaj, jeżeli koniec tego wektora znajduje się w obszarze impedancyjnym identyfikowanym jako obszar odpowiadający „możliwym” przypadkom zwarć doziemnych i międzyfazowych, następuje aktywacja funkcji kryterium odległościowego.
Istotne przy doborze wartości impedancji rozruchowej Zr jest to, aby określony za jej pomocą obszar (charakterystyka rozruchowa) nie obejmował impedancji uzyskiwanych w stanie normalnej pracy linii przesyłowej.
Przyjmuje się, że za stan pracy normalnej linii uznaje się stany impedancyjne, w których koniec wektora impedancji pomiarowej znajduje się w obszarach przedstawionych na rys. 5. kolorem zielonym.
Rys. 5. Przykładowy obszar impedancyjny charakterystyki rozruchowej oraz normalnego obciążenia linii; rys. T. Bednarczyk
Wobec tego obszar impedancyjny charakterystyki rozruchowej zabezpieczenia jest ograniczony następującymi nierównościami:
Wzór 5
gdzie:
Umin – najmniejsza dopuszczalna wartość skuteczna napięcia fazowego w warunkach pracy normalnej, wg [1] należy przyjąć 0,9Un,
Imax – największa spodziewana wartość prądu fazowego obciążeniowego przepływającego przez punkt zabezpieczeniowy,
kb – współczynnik bezpieczeństwa w celu odstrojenia się od obszaru normalnego obciążenia (0,85–0,9),
kp – współczynnik powrotu zabezpieczenia.
Na płaszczyźnie impedancji obszar charakterystyki rozruchowej jest ograniczony m.in. półprostymi określającymi dopuszczalne – dla warunków pracy normalnej – zmiany charakteru obciążenia i kierunku przepływu mocy, np. dla kierunku przesyłu mocy od szyn zbiorczych stacji do linii są one nachylone pod kątem –35° i +35°; w przypadku przepływu mocy w kierunku przeciwnym kąty te wynoszą odpowiednio –145° oraz +145° (rys. 5.).
Dobór nastawień podimpedancyjnego członu pomiarowego
Ogólnie, zadaniem członu pomiarowego jest precyzyjna lokalizacja zakłócenia w nadzorowanym obszarze sieciowym na podstawie wyznaczonej wartości i kąta impedancji pętli zwarcia.
Uzyskanie dokładnej lokalizacji miejsca wystąpienia zakłócenia zwarciowego w zabezpieczanym ciągu liniowym wymusza zastosowanie kilku – zazwyczaj trzech lub czterech – stref pomiarowych identyfikujących zwarcie w kierunku chronionej linii.
Ze względu na szereg czynników mogących „zakłócić” poprawność wyznaczania impedancji, stosuje się w większości przypadków odrębną parametryzację tzw. zasięgu rezystancyjnego i reaktancyjnego stref pomiarowych.
Wielostrefowość działania zabezpieczenia odległościowego jest jego istotną zaletą, ponieważ swoim zasięgiem działania jest w stanie „objąć” nie tylko przypisaną mu linię, ale również kolejne odcinki linii w danym ciągu.
Strefa pierwsza – aby zachować selektywność działania zabezpieczeń odległościowych, zasięg pierwszej strefy powinien obejmować swym działaniem niecały odcinek chronionej linii AB, a jej fragment. Ograniczenie to wynika m.in. z niedokładności układów pomiarowych transformujących prądy i napięcia pomiarowe, jak i potencjalnego błędu oszacowania impedancji zabezpieczanej linii. Zasięg reaktancyjny pierwszej strefy oznaczony symbolem XIA (rys. 4.) powinien spełniać nierówność:
Wzór 6
gdzie:
kb – współczynnik bezpieczeństwa uwzględniający uchyb wyznaczenia impedancji zwarciowej (zazwyczaj przyjmuje wartość z zakresu 0,85¸0,95.),
XAB – reaktancja zgodna linii LAB.
Czas opóźnienia działania pierwszej strefy tIA (rys. 4.) zgodnie z wymaganiami [1] powinien być tak dobrany, aby całkowity czas trwania zwarcia nie przekroczył 150 ms (uwzględniając czas własny zabezpieczenia oraz wyłącznika).
Aby spełnić to wymaganie, przyjmuje się czas opóźnienia jako bezzwłoczny, a opóźnienie w generacji decyzji wyłączającej zakłócenie wynika jedynie z czasu własnego zabezpieczenia (30–80 ms).
Strefa druga – swym zasięgiem obejmuje całą chronioną linię LAB, szyny zbiorcze sąsiedniej stacji (stacja B) oraz fragment linii LBC (rys. 4.). Dzięki temu zabezpieczenie odległościowe RZA – w przypadku uszkodzenia zabezpieczenia RZB – będzie pełniło funkcję zabezpieczenia rezerwowego od skutków zwarć na szynach stacji naprzeciwległej (stacja B) oraz części linii LBC. Zasięg tej strefy powinien być możliwie jak najdłuższy, spełniając nierówność:
Wzór 7
gdzie:
XBC – reaktancja zgodna linii LBC.
W celu zachowania selektywności działania zabezpieczeń odległościowych w stacjach A i B, czas opóźnienia działania tIIA zabezpieczenia RZA w przypadku detekcji zwarć w strefie drugiej powinien być o stopień wyższy Δt od czasu działania pierwszej strefy tIA zabezpieczenia RZA, co przedstawiono na rys. 4. Wobec tego:
Wzór 8
Strefa trzecia – zasięg trzeciej strefy wybiera się podobnie jak dla strefy drugiej, z tą jednak różnicą, że zasięg trzeciej strefy zabezpieczenia RZA powinien objąć swym działaniem co najmniej szyby zbiorcze stacji C. Zatem:
Wzór 9
gdzie:
XC – reaktancja zgodna linii LC.
Czas opóźnienia działania dla trzeciej strefy zabezpieczenia RZA – tIIIA powinien być większy od czasu działania drugiej strefy tIIA zabezpieczenia RZA z uwzględnieniem stopniowania czasowego Δt, co przedstawia zależność:
Wzór 10
Bazując na przedstawionych zależnościach doboru nastaw zasięgów reaktancyjnych strefy rozruchowej, pomiarowych oraz ich stopniowania czasowego, w tab. 1. zestawiono zbiorcze podsumowanie najważniejszych informacji dotyczących poszczególnych stref pomiarowych.
Tab. 1. Zestawienie koordynacji stref pomiarowych i rozruchowej
Przykładowe kształty charakterystyk pomiarowych
Obszar impedancyjny działania strefy rozruchowej, jak i stref pomiarowych, ograniczony jest za pośrednictwem kształtów różnego typu charakterystyk.
Dostępność kształtu zależy przede wszystkim od typu i konstrukcji zastosowanego zabezpieczenia oraz sposobu jego realizacji (analogowe, mikroprocesorowe czy cyfrowe).
Na rys. 6. przedstawiono przykładowe kształty charakterystyk pomiarowych/rozruchowej współczesnych zabezpieczeń odległościowych, mianowicie:
Rys. 6. Wybrane kształty charakterystyk pomiarowych/rozruchowych typu: a) MHO, b) poligonalna, c) odcinkowa; rys. T. Bednarczyk
Definiując obszar działania stref pomiarowych w zależności od wybranego kształtu obszaru impedancyjnego należy wykorzystać parametry zestawione w tab. 2.
Tab. 2. Parametryzacja wybranych kształtów charakterystyk pomiarowych/rozruchowej
Podsumowanie
W artykule:
- scharakteryzowano wybrane zagadnienia związane z zabezpieczeniami odległościowymi linii elektroenergetycznych wysokich i najwyższych napięć,
- przedstawiono istotę i podstawowe zasady formułowania kryterium podimpedancyjnego („odległościowego”) oraz funkcjonalność impedancyjnej strefy rozruchowej i stref pomiarowych zabezpieczenia,
- omówiono jego charakterystykę impedancyjno-czasową w kontekście zapewnienia wysokiej selektywności działania,
- zaprezentowano zasady formowania zasięgów reaktancyjnych stref pomiarowych dla wybranych ich kształtów oraz w zależności od rozwiązań konstrukcyjnych,
- zasygnalizowano potrzebę uwzględniania – szczególnie na etapie kształtowania zasięgów rezystancyjnych – szeregu czynników fałszujących „pomiar impedancji”, które mogą w sposób zasadniczy wpłynąć na dokładność i poprawność działania tej klasy zabezpieczeń.
Ze względu na dużą złożoność pomiarową i decyzyjną algorytmów zaimplementowanych w zabezpieczeniach cyfrowych przedstawiono jedynie ogólny zarys ich funkcjonowania i wpływu różnych czynników zarówno wewnętrznych, jak i zewnętrznych na poprawność ich działania.
Jest to pierwszy z artykułów poświęconych problematyce zabezpieczeń odległościowych. Intencją autora była próba przybliżenia czytelnikowi zabezpieczeń tej klasy, zarysowanie ich złożoności funkcjonalnej oraz różnorodności konstrukcyjnej.
Literatura
- Alstom Power: Instrukcja obsługi zabezpieczenia odległościowego MiCOM P441 442, 443.
- Computers&Control: Instrukcja obsługi zabezpieczenia odległościowego UTXvZ.
- Horowitz H., Phadke G.: Power System Relaying 3th Edition. Research Studies Press Limited 2014.
- Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Przesyłowej - Warunki korzystania, prowadzenia ruchu, eksploatacji i planowania rozwoju sieci. Wersja 2.0.
- PSE Operator S.A. Zasady doboru i nastawiania zabezpieczeń elementów systemu elektroenergetycznego wysokiego napięcia. Biblioteka Operatora Systemu Przesyłowego. Warszawa 2010.
- SIEMENS: Aplication for SIPROTEC Protection Relays. 2005.
- Winkler W., Wiszniewski A.: Automatyka zabezpieczeniowa w Systemach elektroenergetycznych. WNT Warszawa 1999.
- ZEG Tychy: Instrukcja obsługi zabezpieczenia odległościowego RTx-35b.
