Projekt modelu laboratoryjnego linii napowietrznej do badania zabezpieczeń sieci elektroenergetycznych WN
Concept of laboratory model to test high voltage transmission lines protection devices
Główną funkcją systemu elektroenergetycznego jest przesył energii elektrycznej, realizowany przez linie przesyłowe wysokiego napięcia (w Polskim Systemie Elektroenergetycznym 110, 220 i 400 kV), od których sprawności działania
zależy działanie całego systemu. Stwarza to wysokie wymagania podczas doboru urządzeń elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej.
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...
W artykule:• Automatyka zabezpieczeniowa linii przesyłowych 110 kV• Wymagania prawne • Automatyka zabezpieczeniowa • Model linii napowietrznej 110 kV • Symulacja zwarć wielkoprądowych w programie MATLAB • Koncepcja stanowiska laboratoryjnego |
Podstawą do przygotowania nastaw oraz analizy warunków pracy elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej są wyniki obliczeń prądów zwarciowych i rozpływowych. Obliczenia wielkości elektrycznych w sieciach dokonywane są na podstawie modeli (schematów zastępczych) odwzorowujących rzeczywiste parametry rozpatrywanego elementu [1].
Podstawowym zabezpieczeniem stosowanym w liniach przesyłowych 110 kV jest zabezpieczenie odległościowe, zwane również zabezpieczeniem podimpedancyjnym. Umożliwia ono nie tylko wybiórcze eliminowanie zakłóceń zwarciowych w dowolnie złożonych sieciach z możliwie najmniejszą zwłoką czasową, ale również stanowi rezerwę zdalną sąsiednich zabezpieczeń. Wybiórczość uzyskuje dzięki uzależnieniu czasu działania od wartości impedancji pętli zwarciowej, która również jest miarą odległości do miejsca zwarcia [1].
W artykule przedstawiono zasady wyposażania i rodzaje automatyki zabezpieczeniowej linii przesyłowych 110 kV, opracowany model linii typu P oraz dobór jego parametrów, symulację zwarć wielkoprądowych na opracowanym modelu linii w programie MATLAB oraz koncepcję stanowiska laboratoryjnego wraz z realizującym funkcje zabezpieczeniowe zespołem automatyki zabezpieczeniowej CZAZ-RL.
Automatyka zabezpieczeniowa linii przesyłowych 110 kV
Linie w sieciach 110 kV, przesyłowo-rozdzielcze, pracują zazwyczaj w układach zamkniętych (choć zdarzają się i linie promieniowe). Spotyka się linie krótkie i bardzo krótkie, głównie na terenach uprzemysłowionych [2].
W dobie skracania linii coraz częstszego stosowania linii kablowych i rozpowszechnienia się generacji rozproszonej, uzasadniona wydaje się zmiana podejścia do zabezpieczania sieci 110 kV poprzez instalowanie dwóch zabezpieczeń podstawowych (odległościowych, różnicowych, porównawczo-fazowych), szczególnie w sieciach wielkomiejskich. W tym przypadku zabezpieczenia odległościowe powinny współpracować ze sobą za pomocą łączy telekomunikacyjnych, aby zwarcia były likwidowane bezzwłocznie na całej długości linii. Zabezpieczenia zwarciowe pełniłyby funkcję głębokiej rezerwy dla zwarć wysokooporowych, na wypadek nieczynnych zabezpieczeń różnicowych, uruchamianych jako funkcja w sterownikach polowych [3].
Wymagania prawne
Według Rozporządzenia Ministra Gospodarki z 4 maja 2007 r. [4] linie elektroenergetyczne 110 kV powinny zawierać:
- jedno zabezpieczenie podstawowe odległościowe lub odcinkowe (w przypadku linii kablowych lub napowietrznych o długości do 2 km należy stosować zabezpieczenie odcinkowe);
- jedno zabezpieczenie rezerwowe odległościowe lub ziemnozwarciowe, a dla linii promieniowych prądowe;
- urządzenia automatyki, 3-fazowego samoczynnego ponownego załączenia (SPZ).
Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej [5] dzieli zasady dobierania zestawu zabezpieczeń na trzy kategorie w zależności od rodzaju linii: pierścieniowe, promieniowe i kablowe. Linie pracujące w układzie pierścieniowym wyposaża się w:
- zabezpieczenie podstawowe odcinkowe lub odległościowe;
- zabezpieczenie rezerwowe odległościowe lub reagujące na zwarcie z ziemią (gdy zabezpieczenie odcinkowe jest zabezpieczeniem podstawowym, należy stosować zabezpieczenie odległościowe jako rezerwę);
- urządzenia automatyki SPZ;
- w uzasadnionych przypadkach urządzenia do synchronizacji.
Linie pracujące w układzie promieniowym powinny być wyposażone w:
- zabezpieczenie podstawowe odległościowe lub nadprądowe;
- rezerwowe reagujące na zwarcia z ziemią;
- urządzenia automatyki trójfazowego SPZ.
Dla linii kablowych wymagania prezentują się następująco:
- dwa zabezpieczenia podstawowe (odcinkowe i odległościowe);
- jedno dwustopniowe zabezpieczenie prądowe reagujące na zwarcia z ziemią.
Automatyka zabezpieczeniowa
Zabezpieczenie odległościowe (podstawowe) jest to takie zabezpieczenie, którego czas działania jest funkcją odległości miejsca zainstalowania przekaźnika od miejsca zwarcia. Miarą tej odległości może być impedancja pętli zwarciowej lub ogólnie wielkość będąca funkcją impedancji Zp widzianej z zacisków przekaźnika [6].
W przypadku powstania zwarcia w układzie sieciowym zamkniętym zostają pobudzone wszystkie przekaźniki odległościowe, które powodują wyłączanie jednego dotkniętego zakłóceniem odcinka sieci. Dla spełnienia tego warunku zależność zwłoki czasowej t od impedancji pętli zwarciowej powinna przebiegać w taki sposób, aby większym impedancjom pętli zwarciowej odpowiadały dłuższe czasy zadziałania.
Przekaźniki odległościowe do poprawnej pracy wymagają zaopatrzenia w blokadę kierunkową, która podobnie jak w przypadku zabezpieczenia nadprądowego zwłocznego z blokadą kierunkową, umożliwia zadziałanie przekaźnika odległościowego w przypadku, gdy energia zwarciowa dopływa do szyn zbiorczych stacji rozdzielczej. Blokady tej da się uniknąć tylko w przypadku linii otwartych, w których kierunek przepływu energii zwarciowej jest zawsze taki sam bez względu na położenie miejsca zwarcia.
W celu uzyskania możliwości łatwego odstrajania się od nastaw poszczególnych zabezpieczeń w ciągu liniowym charakterystyka robocza zabezpieczenia odległościowego ma kształt linii schodkowej (rys. 1). Najczęściej wykorzystuje się trójstrefową charakterystykę o zasięgu poszczególnych stref uzależnionych od parametrów i konfiguracji zabezpieczanej sieci.
W rzeczywistym skomplikowanym układzie sieciowym nie można podać sztywnych wzorów dla obliczenia zasięgu stref zabezpieczenia odległościowego, lecz każdorazowo analizuje się konkretny przypadek. Bierzemy tutaj pod uwagę zjawisko fałszowania pomiarów, wynikające z podparcia prądowego na szynach kolejnej stacji.
Zabezpieczenie ziemnozwarciowe (rezerwowe) ma zapewnić eliminację zakłóceń przy zwarciach poza strefą działania lub przy zawiedzeniu zabezpieczenia podstawowego. Ponadto ma poprawić wybiórczość i skrócić czas wyłączenia zwarć doziemnych poprzez duże rezystancje przejścia.
W sieci WN ze skutecznie uziemionym punktem neutralnym każdy rodzaj zwarcia, w tym również zwarcia doziemne, powoduje przepływ dużych wartości prądów zwarcia, zapewnia to szybkie i wybiórcze wyłączenie uszkodzonej linii. W sieciach tych, ze względu na częstotliwość występowania zwarć doziemnych (ok. 70% wszystkich zakłóceń zwarciowych), wymaga się stosowania dodatkowego zabezpieczenia ziemnozwarciowego, które pełni funkcję zabezpieczenia rezerwowego i uzupełniającego, szczególnie gdy linia nie ma zabezpieczenia odcinkowego, a zabezpieczeniem podstawowym jest zabezpieczenie odległościowe.
W praktyce jako zabezpieczenie ziemnozwarciowe elektroenergetycznych linii WN stosuje się zabezpieczenie nadprądowe kierunkowe zwłoczne. Charakterystykę czasowo-prądową zabezpieczenia ziemnozwarciowego zastosowanego w sterowniku polowym CZAZ-RL przedstawiono na rys. 2.
Automatyka SPZ, stosuje się ją w sieciach o napięciu 6 kV i wyższych na linii napowietrznych i napowietrzno-kablowych, pracujących promieniowo i równolegle, zasilanych jednostronnie i dwustronnie.
Działanie urządzeń automatyki SPZ powinno być jednokrotne dla sieci o napięciu znamionowym 110 kV i wyższym, powinno występować po wyłączeniu wyłącznika wskutek działania wybranych zabezpieczeń.
Automatyka SPZ nie może działać przy ręcznym, lokalnym i zdalnym wyłączeniu wyłącznika z ruchu, przy ręcznym załączeniu linii, nawet jeśli załączono linię na zwarcie, przy uszkodzeniach obwodu załączającego oraz przy działaniu zabezpieczeń nieprzewidzianych do współpracy z automatyką. Sterownik polowy CZAZ‑RL został wyposażony w automatykę SPZ trójfazową, jednokrotną, z kontrolą synchronizmu.
Lokalizator miejsca zwarcia w liniach napowietrznych działa zwykle na zasadzie pomiaru reaktancji pętli zwarcia dla składowej symetrycznej zgodnej. Wartość tej reaktancji jest miarą odległości między punktem zainstalowania lokalizatora a miejscem zwarcia.
W algorytmach pomiarowych takich lokalizatorów powinien być wyeliminowany (lub znacznie ograniczony) wpływ szeregu czynników na wynik pomiaru reaktancji [7]. Do takich czynników należą:
- rezystancja przejścia w miejscu zwarcia;
- dwustronne (albo wielostronne) zasilanie miejsca zwarcia,
- niesymetria trójfazowa linii,
- niejednakowa wartość impedancji dla składowych zerowych wzdłuż linii oraz zależność jej od warunków pogodowych.
Przy pomiarze reaktancji pętli zwarcia niezbędne jest też uwzględnienie istnienia odczepów w linii oraz, przy dłuższych liniach (powyżej 50 km), jej pojemności.
Cyfrowe sterowniki polowe stosowane w sieci 110 kV wyposażone są w funkcję pomiaru odległości do miejsca zwarcia. Stosowane algorytmy pomiarowe wykorzystują wartości prądów i napięć zwarciowych linii. W algorytmie obliczeniowym uwzględnia się parametry linii (np.: reaktancję i rezystancję jednostkową dla składowych zgodnej i zerowej oraz reaktancję i rezystancję jednostkową wzajemną linii równoległej).
Model linii napowietrznej 110 kV
Do budowy modelu linii zastosowano postać czwórnika typu P o skupionych parametrach podłużnych (reaktancja X1 i rezystancja R1) oraz poprzecznym parametrze (susceptancja B1), który jest rozdzielony po połowie na dwa końce (rys. 3a).
Wykorzystując zgodne i zerowe parametry linii jednotorowej zbudowano trójfazowy model z przewodem powrotnym (rys. 3b). W modelu tym nie występują międzyfazowe sprzężenia, które zostały wyeliminowane dzięki właściwościom składowych symetrycznych. Modele takie jak ten często stosowane są w budowie laboratoryjnych modeli linii, w przypadku zwarcia na końcu modelu utrzymuje się napięcia identyczne z napięciem linii rzeczywistej, na jej początku [5].
Na potrzeby stworzenia modelu przyjęto napięcie znamionowe linii 110 kV, co daje 63,51 kV napięcia fazowego. Wybrano przewód AFL-6 o przekroju 240 mm2 oraz konstrukcję wsporczą słupa B2, jest to typowa konstrukcja wykorzystywana w liniach 110 kV. Parametry każdej z części (odcinek 20 km) modelu linii WN zostały obliczone z następujących zależności [8]:
- rezystancja linii:
- indukcyjność linii:
- reaktancja jednostkowa linii:
- pojemność jednostkowa linii:
- susceptancja linii:
Symulacja zwarć wielkoprądowych w programie MATLAB
Opracowany model matematyczny linii napowietrznej 110 kV został przeniesiony do środowiska MATLAB w celu przeprowadzenia symulacji zwarć międzyfazowych i doziemnych. Użyty do symulacji w programie komputerowym model linii wraz z obciążeniem, elementem zwarciowym i elementami pomiarowymi widoczny jest na rys. 4.
Komputerowy model zawiera generator reprezentowany przez trzy źródła napięciowe o wartości szczytowej 110 000 V i częstotliwości 50 Hz. Wektory napięć w każdym z tych źródeł przesunięte są wobec siebie o kąt 120°. Model linii obciążony jest równoległym elementem RLC. Elementy pomiarowe zawarte w modelu umożliwiają pomiar prądów i napięć fazowych na początku i na końcu linii, jak również pomiar składowej zerowej prądu. Zwarcia zasymulowane zostały przez element „Three-Phase Fault”. Czas wyłączenia zwarcia został ustawiony na 150 ms, natomiast czas przerwy beznapięciowej trójfazowego jednokrotnego SPZ na 500 ms. Dzięki zmianie trybu pracy bloku możliwa jest symulacja zwarć międzyfazowych i doziemnych.
Zwarcia międzyfazowe
Przebiegi prądów i napięć uzyskanych podczas symulacji zwarcia międzyfazowego (zwarcie między fazą pierwszą a drugą) na zaprojektowanym modelu zaprezentowane są na rys. 5.
Z powyższych wykresów można wywnioskować, iż uzyskane przebiegi zbliżone są kształtem do spodziewanych przebiegów rzeczywistych. Jedyne wątpliwości może budzić pojedynczy „pik”, widoczny w momencie zwarcia, zarówno na składowej zerowej, jak i na prądzie fazowym. Jest to wynik podłączenia naładowanego kondensatora, wchodzącego w skład modelu, na zwarcie.
Zwarcie doziemne
Rezultaty zasymulowania zwarcia doziemnego w pierwszej fazie opracowanego modelu przedstawiono na rys. 6.
Również w tym przypadku przebiegi kształtem zbliżone są do spodziewanych przebiegów rzeczywistych. Tak jak poprzednio widoczny jest jednostkowy skok prądu w chwili zwarcia. Dodatkowo dla zwarcia doziemnego można zauważyć lekkie zawahanie mocy podczas zwarcia.
Koncepcja stanowiska laboratoryjnego
Zaprojektowany model linii 110 kV posłuży do budowy stanowiska laboratoryjnego, dzięki czemu możliwe będzie symulowanie zwarć międzyfazowych i doziemnych. Model linii będzie się składał z czterech odcinków o długości 20 km, możliwe układy pracy: dwustronnie zasilany i promieniowy.
Zabezpieczeniem modelowanej linii będzie cyfrowy sterownik polowy CZAZ-RL. Zespół CZAZ-RL, wykonany z zastosowaniem nowoczesnej techniki mikroprocesorowej, przeznaczony jest do zabezpieczania linii elektroenergetycznych wysokich napięć, pracujących w sieci z bezpośrednio uziemionym punktem zerowym, wyłączanych trójfazowo przy wszystkich rodzajach zwarć.
W skład zespołu wchodzą następujące zabezpieczenia i układy funkcjonalne:
- zabezpieczenie odległościowe PX;
- zabezpieczenie ziemnozwarciowe kierunkowe PloK;
- zabezpieczenie nadprądowe PI;
- automatyka SPZ;
- układ kontroli synchronizmu KS;
- lokalizator miejsca zwarcia LZ;
- rejestrator zakłóceń RZ.
W ramach badań laboratoryjnych zabezpieczenia CZAZ-RL na opracowanym stanowisku laboratoryjnym, studenci mogą realizować następujące zadania:
- zapoznanie się ze sterownikiem polowym CZAZ-RL (obsługa menu z poziomu klawiatury lokalnej i łącza inżynierskiego) wraz ze specjalnym oprogramowaniem SMiS – system monitoringu i sterowania dla cyfrowych zespołów automatyki zabezpieczeniowej oraz RejZak – program do analizy rejestracji rakłóceń,
- obliczenie i wprowadzenie do sterownika polowego, na podstawie symulowanego modelu linii, nastaw poszczególnych zabezpieczeń (odległościowego, ziemnozwarciowego, nadprądowego);
- generowanie wybranych zakłóceń na modelowanej linii i analiza pracy poszczególnych zabezpieczeń;
- odczyt i analiza zarejestrowanych przebiegów w rejestratorze zakłóceń.
Podsumowanie
Zaprojektowany model linii napowietrznej 110 kV umożliwi poprawne modelowanie zwarć wielkoprądowych międzyfazowych i doziemnych, potwierdziły to przeprowadzone symulacje w programie MATLAB.
Wykonane na podstawie tego projektu stanowisko laboratoryjne pozwoli studentom na zapoznanie się z zakłóceniami występującymi w elektroenergetycznych liniach WN, funkcjami zabezpieczeniowymi sterowników polowych stosowanych do zabezpieczania tego rodzaju sieci oraz wykonanie szeregu badań sprawdzających zasadę działania poszczególnych zabezpieczeń i automatyki.
Literatura
- K. Makar: Opracowanie koncepcji stanowiska laboratoryjnego do badania zabezpieczenia odległościowego linii 110kV typu CZAZ-RL. Praca dyplomowa Magisterska. Politechnika Białostocka 2014.
- B. Synal, W. Rojewski, W. Dzierżanowski: Elektroenergetyczna Automatyka Zabezpieczeniowa Podstawy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2000.
- Kujszczyk Sz. (pod red.): Elektroenergetyczne układy przesyłowe. WNT, Warszawa 1997.
- Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego Dziennik ustawa NR 93, poz.623.
- PSE-Operator Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Przesyłowej – Warunki korzystania, prowadzenia ruchu, eksploatacji i planowania rozwoju sieci, Wersja 1.2, 2007.
- T. Białas, A. Dobroczek, H. Dytry, Z. Lubośny, J. Machowski, M. Tomica, K. Romantowska, S. Wróblewska, A. Wójcik: Zasady doboru i nastawiania zabezpieczeń elementów systemu elektroenergetycznego wysokiego napięcia. Instytut Elektroenergetyki Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2010.
- W. Korniluk, K.W. Woliński: Elektroenergetyczna Automatyka Zabezpieczeniowa. Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej. Wydanie III rozszerzone. Białystok 2012.
- P. Kacejko, J. Machowski: Zwarcia w systemach elektroenergetycznych. WNT, Warszawa 2002.
- Kopex Electric Systems S.A., karta katalogowa: CYFROWY ZESPÓŁ AUTOMATYKI ZABEZPIECZENIOWEJ LINII WN CZAZ-RL. Tychy 2014.
![Rys. 1. Pięciostrefowa charakterystyka zabezpieczenia odległościowego na płaszczyźnie impedancji, sterownik polowy CZAZ-RL [źródło: Kopex Electric Systems S.A., karta katalogowa: CYFROWY ZESPÓŁ AUTOMATYKI ZABEZPIECZENIOWEJ LINII WN CZAZ-RL. Tychy 2014]; .](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/projekt-modelu-laboratoryjnego-rys1.jpg)
![Rys. 2. Charakterystyka czasowo-prądowa zabezpieczenia ziemnozwarciowego kierunkowego, sterownik polowy CZAZ-RL [źródło: Kopex Electric Systems S.A., karta katalogowa: CYFROWY ZESPÓŁ AUTOMATYKI ZABEZPIECZENIOWEJ LINII WN CZAZ-RL. Tychy 2014]; rys. D. Saj.](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/projekt-modelu-laboratoryjnego-rys2.jpg)
