SKUTECZNOŚĆ CZUJNIKÓW PRZEPŁYWU PRĄDU ZWARCIOWEGO PODCZAS ZWARĆ DOZIEMNYCH OPOROWYCH

Transkrypt

1 SKUTECZNOŚĆ CZUJNKÓW PRZEPŁYWU PRĄDU ZWARCOWEGO PODCZAS ZWARĆ DOZEMNYCH OPOROWYCH Bartosz Olejnik nstytut Elektroenergetyki Politechniki Poznańskiej 1. Wstęp Czujniki przepływu prądu zwarciowego (nazywane też inaczej detektorami bądź też wskaźnikami zwarć) pracują w sieciach średniego napięcia od wielu lat. Nawet pomimo ich, często, prostej konstrukcji skutecznie wspomagają i ułatwiają eksploatację sieci. Wykorzystywane są do odcinkowej lokalizacji i sygnalizacji zwarć tak doziemnych jak i międzyfazowych. Urządzenia tego typu często wyposażone są w układy służące do ich łączności z systemem nadzoru operatora systemu dystrybucyjnego (OSD), dzięki czemu informacja o lokalizacji uszkodzonego odcinka sieci dostarczana jest niemal natychmiastowo do dyspozycji ruchu [1]. Stosując w sieci odpowiednio dużą liczbę wskaźników przepływu prądu zwarciowego można kilkukrotnie skrócić czas przerwy w zasilaniu odbiorców oraz, co ważne dla OSD, zmniejszyć straty z tytułu niedostarczonej energii. Czujniki przepływu prądu zwarciowego są urządzeniami zwykle tanimi, wyposażonymi w większości w proste układy detekcji zakłóceń oparte na pomiarze składowej zerowej prądu. Tego typu kryteria są dostatecznymi w przypadku detekcji zwarć niskooporowych, jednakże w zasadzie w ogóle nie nadają się do wykrywania zwarć doziemnych oporowych, podczas których rezystancja przejścia między przewodem fazowym a ziemią może sięgać kilku kiloomów. W niniejszym artykule teza ta zostanie potwierdzona w oparciu o przeprowadzone analizy i obliczenia.. Obliczanie wartości prądów zwarć doziemnych w sieci średniego napięcia i nastaw wskaźników Najczęściej spotykane zależności opisujące wielkości ziemnozwarciowe w sieciach SN o nieskutecznie uziemionym punkcie neutralnym nie uwzględniają impedancji wzdłużnych elementów systemu elektroenergetycznego. Chociaż postępowanie takie nie jest do końca uzasadnione, to zależności te zapewniają wystarczającą dokładność i mogą z powodzeniem służyć do obliczania nastaw różnego typu zabezpieczeń []. Zależności pomijające impedancje wzdłużne przedstawiają wzory:

2 U U 0 L (1) k 1 ULCS ( d 0 js) () We wzorach (1) oraz (): U 0 - składowa zerowa napięcia w sieci, - współczynnik ziemnozwarciowy, U L - napięcie fazowe, przyjmowane jako napięcie w warunkach znamionowych, np. 15/3 kv, k1 - prąd w miejscu zwarcia doziemnego, C S - zastępcza pojemność doziemna sieci, d 0 - współczynnik tłumienia sieci, s - współczynnik rozstrojenia kompensacji ziemnozwarciowej. Współczynnik ziemnozwarciowy może być wyznaczony według zależności: 1 (3) 1 R C ( d 0 js) F w której R F - rezystancja przejścia między przewodem fazowym a ziemią w miejscu zwarcia. Współczynnik rozstrojenia kompensacji ziemnozwarciowej s jest wyznaczany z uproszczonej zależności: s L CS s (4) CS W przypadku sieci skompensowanej (także z AWSCz) L to wartość składowej biernej prądu dławika kompensacyjnego (w przybliżeniu równa prądowi pracy na wybranym zaczepie) natomiast CS to prąd pojemnościowy sieci []. Współczynnik rozstrojenia kompensacji s ma wartość dodatnią w sieci przekompensowanej, ujemną w sieci niedokompensowanej. W sieciach uziemionych przez rezystor lub izolowanych przyjmuje się wartość s = -1. Współczynnik tłumienia sieci d 0 oblicza się z wystarczającą dokładnością z bardzo uproszczonej zależności: R d0 (5) za R przyjmując znamionową wartość prądu ziemnozwarciowego rezystora w punkcie neutralnym (dla sieci z rezystorem) lub też, dla sieci skompensowanych, wartość prądu wymuszanego po stronie pierwotnej przez układ AWSCz. CS

3 Wartość prądu ziemnozwarciowego płynącego przez zabezpieczenie lub czujnik zainstalowane na początku odcinka sieci (rys. 1) oblicza się korzystając z zależności: kz 0 ( s a) CS d (6) gdzie a - względny udział pojemnościowego prądu zwarcia doziemnego danej linii w pojemnościowym prądzie całej sieci. Rys. 1. Prąd w miejscu zwarcia oraz prąd w miejscu zainstalowania czujnika (zabezpieczenia) podczas doziemienia w sieci SN Czujniki przepływu prądu zwarciowego oparte na kryterium prądowym powinno się nastawiać tożsamo z zabezpieczeniami tego samego typu. Należy zatem do wyznaczenia nastawy korzystać z zależności: k (7) b CL 0nast 0 k pi0 W powyższym wzorze: k b - współczynnik bezpieczeństwa, przyjmowany zwykle równy 1,1, CL - prąd pojemnościowy zabezpieczanego odcinka linii, k p - współczynnik powrotu, przyjmowany równy 0,98, ϑ i0 - przekładnia przekładnika Ferrantiego/Holmgreena w polu liniowym, tutaj przyjmowana równa 1, 0µ - prąd uchybowy, przyjmowany równy 0,0 A. Warunek czułości dany jest zależnością: k c CS d 0 ( a s) 0nast i0 0 (8)

4 3. Sieć z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor Do celów obliczeniowych założono, że prąd pojemnościowy sieci CS = 10 A. Ponieważ w tego typu układach zakłada się, że współczynnik tłumienia d 0 powinien wynosić około d 0 = 1,, wartość znamionowego prądu ziemnozwarciowego rezystora przyjętą równą R = 150 A, co daje jego rezystancję znamionową równą R R = 57,74. W tablicy 1. przedstawione zostały wartości współczynników ziemnozwarciowych dla różnych przejścia w sieci o parametrach podanych wyżej, przy czym współczynnik obliczany był z zależności (3). Tablica 1. Wartości współczynników ziemnozwarciowych dla różnych rezystancji przejścia R F w sieci z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor R F [] ,997-0,976-0,753-0,558-0,81-0,144-0,071-0,07 - j0,003 j0,033 j0,1 j0,45 j0,6 j0,151 j0,087 j0,038 Obliczone wartości prądu ziemnozwarciowego w miejscu zainstalowania czujnika zgodnie z zależnością (6), dla różnych wartości prądu pojemnościowego linii, przedstawiono w tablicy. Tablica zawiera także nastawy czujników przepływu prądu zwarciowego 0nast obliczone zgodnie z zależnością (7) i zaokrąglone w górę do wielokrotności 5. W tablicy. za podwójną linią i wyróżnione pogrubieniem znajdują się takie zwarcia, które nie zostaną wykryte przez poprawnie nastawione czujniki przepływu prądu zwarciowego zainstalowane na początku linii. Wyraźnie widać, że w liniach o niewielkim prądzie pojemnościowym (czyli w praktyce w ciągach napowietrznych) skuteczność kryterium 0> jest wysoka. Można wykrywać zwarcia o rezystancji przejścia sięgającej kilku kiloomów. Wzrost CL nie powoduje znacznego spadku wartości składowej zerowej prądu w miejscu zainstalowania czujnika, jednakże w celu uniknięcia zadziałań zbędnych, należy zwiększyć jego nastawę. Sprawia to, że w liniach o dużym prądzie pojemnościowym kryterium 0> ma bardzo ograniczoną skuteczność.

5 Tablica. Wartości prądu ziemnozwarciowego kz w miejscu zainstalowania czujnika podczas zwarć w liniach o różnej wartości prądu pojemnościowego i dla różnych rezystancji przejścia R F w sieci uziemionej przez rezystor CL 0nast R F [] [A] [A] ,19 16,07 6,49 36,43 16,10 8,33 4,4 3, ,77 159,99 61,69 35,96 15,90 8,3 4,19 3, ,83 157,45 60,71 35,39 15,64 8,10 4,1 3, ,96 154,98 59,76 34,84 15,40 7,97 4,05 3, ,19 15,59 58,84 34,30 15,16 7,85 3,99 3, ,5 150,9 57,95 33,78 14,93 7,73 3,93 3, ,93 148,07 57,09 33,8 14,71 7,61 3,87 3,11 Należy pamiętać, że w przypadku nastawy, dla której współczynnik czułości k c, liczony według zależności (8), osiągnie wartość niższą od 1, czujnik nie wykryje żadnego zwarcia, nawet metalicznego. Najczęściej wymaga się, aby k c wynosiło nie mniej niż 1,5, a nawet. W przypadku rozpatrywania zagadnienia skuteczności detekcji zwarć doziemnych istotne jest rozpatrzenie także wpływu wartości współczynnika tłumienia sieci d 0 na wartość wykrywanej rezystancji przejścia zwarcia doziemnego. Wyniki zostały przedstawione na rysunku. Omawiana analiza przeprowadzona została dla nastawy czujnika z maksymalnym możliwym współczynnikiem czułości (k c = 1), natomiast rezystancja przejścia obliczana była z zależności (9) przyjmując za 0µ = 3 A. R F max CS d kb k 0 CL p ( s a) 0 C kb k s p d CL o s 0 (9)

6 Rys.. Wpływ wartości współczynnika tłumienia d 0 i prądu pojemnościowego linii na wartość wykrywanej rezystancji przejścia zwarcia doziemnego w sieci z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor Wniosek częściowy z tej części artykułu jest taki, że kryterium 0> stosowane do wykrywania doziemień przez czujniki przepływu prądów zwarć doziemnych w sieci z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor jest skuteczne dla stosunkowo niewielkiego spektrum rezystancji przejścia, zwłaszcza dla linii o dużym udziale prądu pojemnościowego w prądzie całej sieci. Wpływ współczynnika tłumienia sieci d 0 (a więc wartość znamionowego prądu ziemnozwarciowego rezystora) jest niewielki, przy czym logicznym jest, że jego zwiększenie poprawia skuteczność detekcji doziemień. Należy jednak pamiętać o bardzo znacznym wzroście zagrożenia porażeniowego w sieci z rezystorami pierwotnymi o dużej wartości znamionowego prądu ziemnozwarciowego. 4. Sieć skompensowana Do analizy zachowania się czujników przepływu prądu zwarciowego w sieci skompensowanej założono, że, podobnie jak w przypadku sieci z rezystorem opisywanej w punkcie 3, wartość prądu pojemnościowego całej sieci będzie równa CS = 10 A. W takim przypadku optymalna wartość prądu dławika kompensującego zawiera się w przedziale: 1,05 1, A dł CS dł (10)

7 Założono dł = 13 A. Dla takiej sieci wartość współczynnika kompensacji ziemnozwarciowej s = 0,1. Przyjęto także, że w układzie pracuje automatyka wymuszania składowej czynnej (AWSCz), przy czym AWSCz = 0 A. Współczynnik tłumienia sieci w takim przypadku jest równy d 0 = 0,167. Tablica 3. przedstawia wartości współczynników ziemnozwarciowych β dla różnych wartości rezystancji przejścia R F i sieci z założeniami jak wyżej. Tablica 3. Wartości współczynników ziemnozwarciowych dla różnych rezystancji przejścia R F w sieci skompensowanej o parametrach jak w punkcie 4. R F [] ,997 + j0,001 0,977 + j0,013 0,80 + j0,090 0,660 + j0,15 0,40 + j0,135 0,57 + j0,108 0,143 + j0,170 0,061 + j0,033 Prąd zwarciowy w miejscu zainstalowania czujnika kz dla sieci skompensowanej oblicza się, podobnie jak dla sieci uziemionej przez rezystor, z zależności (6). Obliczone nastawy czujników doziemień umieszczone są w kolumnie nast tablicy 4. Tablica 4. Wartości prądu ziemnozwarciowego kz w miejscu zainstalowania czujnika podczas zwarć w liniach o różnej wartości prądu pojemnościowego i dla różnych rezystancji przejścia R F w sieci uziemionej przez rezystor CL 0nast R F [] [A] [A] ,80 3,31 19,5 16,03 10,54 6,65 3,81 1, ,19 5,66 1,19 17,64 11,60 7,3 4,19 1, ,66 9,06 4,00 19,98 13,13 8,8 4,74, ,5 3,84 7,1,58 14,84 9,36 5,36, ,65 36,88 30,47 5,36 16,67 10,5 6,0, ,96 41,10 33,95 8,6 18,58 11,7 6,71, ,41 45,46 37,55 31,6 0,55 1,96 7,4 3,4

8 Skuteczność wykrywania zwarć doziemnych przez czujniki przepływu prądu zwarciowego bazujące tylko na kryterium 0> jest dużo 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 prądów pojemnościowych linii CL oraz różnych wartości współczynnika rozstrojenia kompensacji przedstawia rysunek 3. Rys. 3. Wpływ wartości współczynnika rozstrojenia kompensacji i prądu pojemnościowego linii na wartość wykrywanej rezystancji przejścia zwarcia doziemnego w sieci skomepensowanej Z punktu widzenia skuteczności detekcji zwarć doziemnych przez czujniki przepływu prądu zwarciowego bardzo istotna jest poprawna wartość współczynnika rozstrojenia kompensacji s, tzn. należy dobrać do danej sieci dławik kompensacyjny o takim prądzie znamionowym jak w zależności (10). Jakiekolwiek zwarcie może być wykryte w sieci idealnie skompensowanej (czyli CS = dł ) tylko w liniach, których udział a < 0,17, czyli w rozpatrywanym przypadku CL < 0 A. W sieciach niedokompensowanych czujniki (i zabezpieczenia) bazujące na kryterium 0> będą działać tylko w bardzo 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 czujników.

9 5. Wnioski W niniejszym artykule przedstawione zostały problemy związane ze skutecznością czujników przepływu prądu zwarciowego, montowanymi współcześnie w sieciach średniego napięcia pracujących z dowolnym sposobem pracy punktu neutralnego. Tutaj skupiono się jednak tylko na układach pracujących z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor oraz sieci skompensowanej jako tych najczęściej spotykanych w praktyce. Analiza wskazuje jednoznacznie, że czujniki oparte tylko na pomiarze składowej zerowej prądu i operujące tylko na kryterium 0> mają w omawianych sieciach trudne warunki pracy. W obu przypadkach nawet poprawnie nastawione czujniki mogą nie zasygnalizować wystąpienia doziemienia. Problem występuje szczególnie w liniach o dużej wartości prądu pojemnościowego CL i, co oczywiste, przy dużych rezystancjach przejścia R F. Zależność skuteczności wykrywania zwarć w sieci z rezystorem jest w zasadzie niezależna od wartości współczynnika d 0, natomiast w przypadku kompensacji istnieje bardzo silne powiązanie między współczynnikiem rozstrojenia kompensacji s a efektywnością czujników. Należy zatem, w sieciach wyposażonych w czujniki, szczególnie dbać o jego poprawną wartość. Warto także dodać, że gdy s < 0,1 to może zajść sytuacja, że nawet zwarcie metaliczne nie zostanie wykryte przez poprawnie nastawiony czujnik. Należy jednocześnie wyraźnie podkreślić, że wszystkie analizy prowadzone były dla najbardziej optymistycznych założeń, tzn. współczynnik czułości kc przy wyznaczaniu maksymalnej wykrywanej rezystancji przejścia wynosił zawsze k c = 1. W praktyce, w celu uniknięcia zbędnych alarmów i zadziałań, czujniki nastawia się tak, aby k c 1,5, co znacznie zmniejsza skuteczność tych urządzeń. Wydaje się, że jedną z możliwości poprawienia efektywności działania wskaźników przepływu prądu zwarciowego jest modyfikacja kryteriów i algorytmów decyzyjnych, np. zastosowanie warunku Y0> [3]. Literatura [1] Marciniak L.: Efektywność ziemnozwarciowych zabezpieczeń impulsowoprądowych, Przegląd Elektrotechniczny, 04/014, str. 133, wyd. SGMA-NOT. [] Hoppel W.: Współczesne rozwiązania zabezpieczeń ziemnozwarciowych w sieciach średnich napięć o nieskutecznie uziemionym punkcie neutralnym, NPE, /014, str. 4, wyd. SEP. [3] Lorenc J.: Admitancyjne zabezpieczenia ziemnozwarciowe, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 007.