spz

ĆWICZENIE 6
BADANIE AUTOMATYKI SAMOCZYNNEGO PONOWNEGO
ZAŁĄCZANIA (SPZ)
1. WIADOMOŚCI OGÓLNE
W liniach napowietrznych znaczna część zwarć (70 – 90%) jest spowodowana przyczynami
o charakterze przemijającym (wyładowania atmosferyczne, wiatry, ptaki itp.). Zwarciom tym
towarzyszy palenie się łuku, który gaśnie po wyłączeniu linii spod napięcia i najczęściej nie
zapala się przy jej ponownym załączeniu. Z punktu widzenia niezawodności zasilania celowe
jest zatem dokonanie próby szybkiego załączenia linii pod napięcie, po jej wyłączeniu przez
zabezpieczenia. Podane fakty uzasadniają celowość stosowania urządzeń SPZ (tzw. Automatyka zabezpieczeniowa restytucyjna). Ich działanie polega na samoczynnym podaniu sygnału
załączającego na wyłącznik danej linii, wyłączony uprzednio przez zabezpieczenia. Jeżeli
zwarcie ma charakter przemijający, to po zadziałaniu urządzeń do SPZ linia powraca do stanu
normalnej pracy, natomiast w razie zwarcia trwałego następuje ponowne, najczęściej definitywne wyłączenie linii przez automatykę zabezpieczeniową eliminacyjną.
Skuteczność działania SPZ zależy przede wszystkim od właściwego doboru tzw. czasu przerwy bezprądowej tp. Przez pojęcie to rozumie się czas, jaki upływa od chwili przerwania łuku
między stykami otwierającego się wyłącznika do chwili jego ponownego załączenia. Czas przerwy powinien być jak najkrótszy, jednak musi być na tyle długi, aby przerwa beznapięciowa
linii trwała dostatecznie długo do spowodowania dejonizacji przestrzeni połukowej. Z doświadczeń eksploatacyjnych wynika, że czas przerwy beznapięciowej nie powinien być krótszy od
około 0,2-0,5 s. Zwykle w liniach jednostronnie zasilanych czas przerwy beznapięciowej jest
nieco krótszy od czasu przerwy bezprądowej z powodu podtrzymywania napięcia w linii przez
wybiegające silniki. Ze względu na długość czasu przerwy urządzenia SPZ dzieli się na szybkie
(tp < 1 s) i powolne (tp > 1 s).
Badania awaryjności napowietrznych sieci rozdzielczych 15 kV i 20 kV wykazały, że ok
75% zwarć międzyfazowych stanowią zwarcia tzw. szybkoprzemijające, które zanikają w czasie przerwy beznapięciowej ok. 0,5 s. około 15% zwarć międzyfazowych przypada na zwarcia
wolnoprzemijające (w czasie ok. 15 s). Dane te wskazują na celowość stosowania w sieciach
napowietrznych średnich napięć urządzeń do dwukrotnego SPZ. Z reguły w pierwszym cyklu
działania urządzeń do SPZ dwukrotnego zachodzi szybkie SPZ, charakteryzujące się czasem
przerwy beznapięciowej ok. 0,5 s, natomiast w drugim cyklu czas przerwy beznapięciowej jest
znacznie dłuższy (rzędu kilkunastu sekund). Stosowanie takich urządzeń wpływa na zwiększenie współczynnika skuteczności działania urządzeń do SPZ do ok 80%. Wadą dwukrotnego
SPZ jest szybsze zużycie wyłączników.
W sieciach średnich napięć stosuje się wyłącznie trójfazowe SPZ. W sieciach wysokiego
napięcia o bezpośrednio uziemionym punkcie gwiazdowym, oprócz trójfazowego SPZ jest stosowane powszechnie SPZ jednofazowe. Współpracuje ono z zabezpieczeniem, które w wypadku zwarć jednofazowych wyłącza tylko fazę uszkodzoną. Po czasie przerwy urządzenie SPZ
załącza ją pod napięcie. Jeśli miało miejsce trwałe zwarcie, to najczęściej po cyklu SPZ następuje definitywne wyłączenie wszystkich faz linii. Przy zwarciach międzyfazowych zachodzi
trójfazowe SPZ. Stosowanie jednofazowego SPZ jest specjalnie korzystne w przypadku długich
i silnie obciążonych linii, sprzęgających współpracujące ze sobą elektrownie, gdy zastosowanie
chwilowej pracy niepełnofazowej podczas przerwy SPZ sprzyja utrzymaniu się w pracy równoległej współpracujących elektrowni. Jednofazowe SPZ wymaga jednak stosowania nieco
dłuższych czasów przerwy niż trójfazowe SPZ, gdyż obecność napięcia w zdrowych fazach
linii wydłuża czas dejonizacji przestrzeni połukowej. Wadą urządzeń do jednofazowego SPZ
jest konieczność stosowania zabezpieczeń bardziej skomplikowanych, stwierdzających, która
z faz została doziemiona oraz stosowania wyłączników, wyposażonych w oddzielne napędy do
każdej fazy.
Zastosowane SPZ w liniach dwutorowych oraz w liniach zasilanych dwustronnie może być
szybkie lub powolne. Czas przerwy bezprądowej SPZ w takich liniach jest ograniczony dopuszczalnym czasem decydującym o warunkach równowagi dynamicznej współpracujących
systemów (elektrowni), powiązanych rozpatrywaną linią. Szybkie trójfazowe SPZ w liniach
dwutorowych charakteryzuje się krótkim czasem przerwy bezprądowej, rzędu od 0,3 do 0,5 s.
Urządzenia takie są prostsze od urządzeń trójfazowego SPZ powolnego, lecz nie zawsze są
skuteczne w działaniu, zwłaszcza w przypadku długich, silnie obciążonych linii łączących dwa
układy elektroenergetyczne.
Stosowalność tych urządzeń wymaga zapewnienia jednoczesności wyłączania odcinka linii
na obu końcach, warunkującego uzyskanie krótkiego czasu przerwy bezprądowej. Jeżeli wyłączenie z pracy danego odcinka linii nie grozi utratą synchronizmu współpracujących systemów
(gdy np. są co najmniej dwa inne połączenia między systemami), można stosować powolne
SPZ. Jeżeli istnieje możliwość utraty synchronizmu, to układ powolnego SPZ na jednym końcu
linii uzupełnia się przekaźnikiem kontroli synchronizmu napięć (KS), a na drugim końcu –
przekaźnikiem kontroli braku napięcia w odcinku linii (KN) (rys.1).
Rys. 1. Schemat współpracy układów do trójfazowego powolnego SPZ w linii zasilanej dwustronnie:
KS – przekaźnik kontroli synchronizmu, KN – przekaźnik kontroli braku napięcia, ZWA, ZWB – impulsy na zamknięcie wyłączników WA i WB
Wyłącznikiem sprzęgającym stacje (załączonym jako drugi) w czasie cyklu SPZ jest wyłącznik tej stacji, w której zainstalowano przekaźnik KS. Zaleca się instalowanie przekaźników
KN w stacji o mniejszej mocy zwarciowej, ponieważ urządzenie SPZ tej stacji dokonuje próby
trwałości zwarcia.
W praktyce są spotykane dwa rodzaje przekaźników kontroli synchronizmu napięć:
 przekaźnik z oczekiwaniem na synchronizm,
 przekaźnik z jednorazową kontrola synchronizmu.
Przekaźnik z oczekiwaniem na synchronizm pełni rolę układu synchronizacji sieciowej półautomatycznej. Rozkaz na zamknięcie wyłącznika wysyłany przez urządzenie SPZ jest zapamiętywany przez ten przekaźnik do chwili stwierdzenia synchronizmu. Przekaźnik z jednorazową
kontrolą synchronizmu zezwala na zamknięcie wyłącznika pod warunkiem, że w chwili dokonywania pomiaru obydwa napięcia są w przybliżeniu równe sobie oraz, że kąt fazowy między
tymi napięciami nie przekracza dopuszczalnej wartości. Wadą urządzeń do powolnego SPZ z
kontrolą synchronizmu jest konieczność stosowania dodatkowego wyposażenia oraz stosunkowo długi czas przerwy, dlatego do linii wysokiego napięcia zasilanych dwustronnie obecnie
najczęściej stosuje się niesynchroniczne, szybkie SPZ, które z powodu dużej szybkości działania nie wymaga urządzeń do kontroli synchronizmu.
Zastosowanie urządzeń do SPZ, oprócz zasadniczej korzyści, polegającej na zwiększeniu
niezawodności zasilania, umożliwia znaczne skracanie opóźnienia w działaniu zabezpieczeń
linii. Możliwe jest przyspieszenie reakcji zabezpieczeń przed lub po zadziałaniu urządzeń do
SPZ. Przyspieszenie zabezpieczeń przed cyklem SPZ w liniach promieniowych polega na
sprawdzeniu trwałości zwarcia za pomocą urządzeń SPZ zainstalowanych tylko na początku
linii. Podczas zwarcia w dowolnym odcinku linii, np. w p. K (rys. 2) następuje niewybiórcze,
bezzwłoczne (z czasem własnym t0) otwarcie wyłącznika WA, po czym następuje próba trwałości zwarcia (SPZ wyłącza WA).
Rys. 2. Przebiegi czasowe prądów w linii przy zastosowaniu automatyki SPZ; a) schemat linii
promieniowej, b) charakterystyka stopniowania czasowego zabezpieczeń, c) SPZ bez skracania czasów działania zabezpieczeń, d) SPZ ze skracaniem czasów działania zabezpieczeń po
SPZ
Jeżeli zwarcie było trwałe, następuje jego wyłączenie, lecz tym razem wybiórcze przez oddziaływanie zabezpieczenia w stacji B na wyłącznik WB. Przyspieszenie zabezpieczeń linii
zasilanej jednostronnie po cyklu SPZ polega na wybiórczym wyłączeniu zwartego odcinka linii
i przeprowadzeniu próby trwałości zwarcia. Jeżeli jest ono trwałe, to następuje ponowne wyłą-
czenie tego odcinka linii, lecz już bezzwłocznie. Ten sposób przyspieszania zabezpieczeń wymaga zastosowania układów do SPZ dla każdego odcinka linii, koszty są zatem wyższe. Poza
tym czas wyłączania zwarć jest stosunkowo długi, co grozi przekształceniem zwarcia przemijającego w trwałe.
W liniach sieci przesyłowych urządzenia do SPZ współpracują najczęściej z zabezpieczeniami odległościowymi. Powszechnie stosowane skracanie czasu działania zabezpieczeń przed
cyklem SPZ sprowadza się wtedy do wydłużania I strefy zabezpieczeń odległościowych. Ilustruje to rys. 3.
Rys. 3. Schemat skracania wydłużonych pierwszych stref zabezpieczenia odległościowego, współpracującego z urządzeniem do trójfazowego SPZ; a) przebieg charakterystyk czasowo-odległościowych
przed SPZ, b) przebieg charakterystyk czasowo-odległościowych po SPZ
Strefę szybką przekaźników odległościowych nastawia się tak, aby obejmowała swoim zasięgiem szyny stacji przeciwległej (ok. 115% impedancji zabezpieczonego odcinka linii). Takie
nastawienie zapewnia wyłączanie zwarć powstałych w dowolnym punkcie linii z czasem I
strefy. Podczas przerwy SPZ następuje automatyczne przełączenie I strefy na normalny zasięg
(ok. 85% impedancji linii). Jeśli zwarcie miało charakter trwały, następuje definitywne wyłączenie tego zwarcia z czasem I lub II strefy, zależnie od lokalizacji punktu zwarciowego. Takie
rozwiązania są stosowane wówczas, gdy nie ma łączy do zabezpieczeń zapewniających szybkie
obustronne wyłączenie linii uszkodzonej bez potrzeby stosowania strefy wydłużonej. Strefę
wydłużoną stosuje się zwykle tylko do SPZ 1-fazowego.
2. BADANIE UKŁADU SPZ – OPIS ĆWICZENIA.
Przedmiotem badań laboratoryjnych jest układ trójfazowego powolnego SPZ linii dwustronnie zasilanej. Układ ten zamontowano na stanowisku laboratoryjnym nr VI, które współpracuje z niskoomowym, rezystancyjnym modelem linii, zainstalowanym w odrębnej celce.
Uproszczony schemat ideowy stanowiska przedstawiono na rysunku nr 4.
Rys. 4. Uproszczony schemat ideowy stanowiska laboratoryjnego do badania układu automatyki SPZ
Rozwiązanie urządzenia SPZ oparto na przekaźnikach do SPZ typu RPZ-U23, przekaźniku
kontroli synchronizmu typu RkE i przekaźniku kontroli braku napięcia na linii typu REp-3.
Współpracuje ono z zabezpieczeniem odległościowym linii typu RD7-SIo, zainstalowanym na
obu jej końcach. Rozruch urządzenia SPZ następuje na skutek zadziałania zabezpieczeń linii,
lub otwarcia się dowolnego z wyłączników linii. Przekaźnik kontroli synchronizmu kontroluje
kąt przesunięcia fazowego pomiędzy dwoma doprowadzonymi do niego napięciami. Ma on
dwa uzwojenia, z których jedno jest zasilane z szyn stacji A, a drugie z linii (za wyłącznikiem
w stacji A). Zakres nastawień kąta pobudzenia przekaźnika wynosi 20-50°. Przekaźnik kontroli
braku napięcia na linii jest zainstalowany w stacji B i zasilany napięciem linii. Zakres jego
nastawień wynosi 40-90 V.
Wszystkie przekaźniki zamontowano na wieszakach stołu. W lewej nadstawce stołu wyprowadzono ponadto zaciski napięciowych i prądowych obwodów wtórnych poszczególnych
faz linii od strony stacji A, a w prawej nadstawce – zaciski tych obwodów od strony stacji B.
Stanowisko wyposażono poza tym w przyciski do ręcznego załączania i wyłączania wyłączników na obu końcach linii, przełączniki do blokowania urządzeń SPZ w stacji A lub B, przełącznik do wybierania charakteru modelowego zwarcia (trwałe, przemijające), przycisk do inicjowania zwarć oraz przyciski do wydłużania pierwszej strefy zabezpieczeń odległościowych.
Rezystancyjny, trójfazowy model linii (rys. 5) umożliwia inicjowanie trwałych i przemijających zwarć jedno-, dwu- i trójfazowych doziemnych lub bez udziału ziemi. Model ten wykonano na napięcie znamionowe 100 V i prąd znamionowy 15 A.
Rys. 5. Schemat modelu linii
Impedancję rzeczywistej linii modeluje się za pomocą rezystancji modelu, które można
zmienić w sposób płynny w granicach 0-30 / fazę. Zmiany wartości rezystancji dokonuje się za
pomocą odpowiedniego pokrętła, umieszczonego na przedniej ściance celki nr 2, aktualną jej
wartość wskazuje przyrząd tablicowy. Za pomocą innego pokrętła można zmieniać w dowolny
sposób położenie punktu zwarcia na linii. Określa je przyrząd tablicowy, wyskalowany w procentach długości linii, przy czym wskazanie 0% oznacza, że miejsce zwarcia znajduje się w
stacji A, a 100% - stacji B. Oprócz tego w celce wyprowadzono zaciski do modelowania różnych rodzajów zwarć (międzyfazowych i doziemnych). Model wyposażono w przekładniki prądowe o przekładni 15/5A, z których zasilane są obwody prądowe przekaźników odległościowych. Obwody napięciowe tych przekaźników są zasilane z przekładników napięciowych o
przekładni 100/100 V.
W związku z tym, że przekaźnik odległościowy typu RD7-SIo nie jest przedmiotem badań
w żadnym z ćwiczeń laboratoryjnych, a jest wykorzystywany jedynie do rozruchu układu SPZ,
podaje się tylko podstawowe informacje o tym przekaźniku.
Przekaźnik RD7-SIo jest przeznaczony dla linii z małym prądem zwarcia doziemnego. Jest
przystosowany do współpracy z urządzeniami SPZ. Można w nim realizować przyspieszenie
zadziałania przed cyklem SPZ przez wydłużenie strefy szybkiej. Wydłużenie tej trefy następuje
przez wciśnięcie odpowiedniego przycisku umieszczonego w nadstawce stołu. Po zadziałaniu
zabezpieczenia następuje samoczynne przełączenie strefy szybkiej przekaźnika na normalną.
Przekaźnik składa się z następujących podstawowych elementów:
a) 3 członów rozruchowych (przekaźniki nadprądowe w fazach S, T, i O),
b) członu mierzącego (przekaźnik impedancyjny o charakterystyce pełnoimpedancyjnej),
c) członu kierunkowego (przekaźnik elektrodynamiczny),
d) członu czasowego (szeregowy silniczek prądu stałego z odśrodkowym regulatorem
obrotów),
e) bloku sygnalizacyjnego i nastawczego,
f) przystawki oporowej, w odrębnej obudowie.
Człon pomiarowy mierzy impedancję 2Z, tzn. impedancję pętli zwarcia dla wszystkich rodzajów zwarć. Należy na to zwrócić uwagę podczas obliczania nastawień przekaźnika.
Podstawowe dane techniczne przekaźnika RD7-SIo:
prąd znamionowy
- 5 A,
napięcie znamionowe
- 100 V,
napięcie pomocniczce
- 60 V,
zakres członów rozruchowych
- 4 do 10 A,
zakres członu mierzącego
- 0,2 do 12 Ω,
zakres członu czasowego
-0,3 do 7 s.
Celem ćwiczenia jest poznanie zasad nastawiania i spółdziałania urządzeń do SPZ z zabezpieczeniami odległościowymi w linii dwustronnie zasilanej. Zakres ćwiczenia obejmuje:
a) zamodelowanie rzeczywistej linii jednotorowej, dwustronnie zasilanej,
b) obliczenie nastawień i nastawienie zabezpieczeń odległościowych i układu SPZ,
c) zaobserwowanie sposobu funkcjonowania układu SPZ przy różnych zwarciach w linii
zabezpieczanej, omyłkowych włączeniach linii oraz przy różnych założonych zasadach współdziałania układu SPZ z zabezpieczeniami odległościowymi,
d) przeanalizowanie wyników obserwacji.
Należy zamodelować rzeczywistą linię o prądzie znamionowym 200A i napięciu znamionowym 30 kV. Długość linii poda prowadzący ćwiczenie. Należy pamiętać o tym, że w poszczególnych fazach modelu nastawia się impedancję Z1L linii dla składowej zgodnej, a w przewodzie zerowym – wartość równą 1/3 (Z0L – Z1L), gdzie Z0L jest impedancją linii dla składowej
symetrycznej zerowej.
Badania funkcjonalne układu automatyki SPZ należy wykonać dla następujących przypadków:
a) niezamierzone wyłączenie wyłącznika linii w stacji A (uwaga: jako niezamierzone
wyłączenie wyłącznika należy tu rozumieć ręczne wyłączenie wyłącznika przez naciśnięcie odpowiedniego przycisku sterującego),
b) niezamierzone wyłącznie wyłącznika w stacji B,
c) zwarcie trwałe na linii w pobliżu stacji A,
d) zwarcie przemijające na linii w pobliżu stacji A,
e) zwarcie trwałe na linii w pobliżu stacji b,
f) zwarcie przemijające na linii w pobliżu stacji B,
g) punkty c), d), e), f) powtórzyć z zablokowanym przekaźnikiem do SPZ w stacji A, a
później w stacji B.
Badania wykonać ze skracaniem czasów działania. W sprawozdaniu należy umieścić m.in.
analizę prawidłowości działania układu SPZ w badanych przypadkach wraz z uzasadnieniem oraz analizę doboru czasu blokady SPZ (tb).
3. BADANIA
AUTOMATYKI
SPZ
Z
WYKORZYSTANIEM
ZABEZPIECZENIA MICOM P116
Do badania automatyki SPZ, zaimplementowanego w cyfrowym zabezpieczeniu MiCOM
P116, firmy Schneider Electric, należy użyć następującej aparatury:
- wymuszalnik Omicron CMC 356,
- komputer Fujitsu Siemens,
- komputer HP Pavilion ,
- nadprądowe zabezpieczenie cyfrowe MiCOM P116.
Układ należy połączyć zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 6.
Rys. 6. Schemat pomiarowy automatyki SPZ z wykorzystaniem zabezpieczenia cyfrowego MiCOM
P116
Rys.7. Ustawienia parametrów wymuszalnika Omicron CMC 356
Rys.8. Przykładowe okno doboru parametrów zabezpieczenia MiCOM P116 w programie S1 Studio
U/V
75
50
25
0
0,0
-25
1,0
2,0
3,0
4,0
t/s
-50
-75
-100
UL1
UL2
UL3
Rys. 9. Przebieg napięcia względem czasu dla pomiaru udanego cyklu SPZ jednokrotnego
I/A
7,5
5,0
2,5
0,0
0,0
-2,5
1,0
2,0
3,0
4,0
t/s
-5,0
-7,5
-10,0
IL1
IL2
IL3
Rys. 10 Przebieg prądu zwarciowego względem czasu dla pomiaru udanego cyklu SPZ jednokrotnego
U/V
75
50
25
0
0,0
-25
1,0
2,0
3,0
4,0
t/s
-50
-75
-100
UL1
UL2
UL3
Rys. 11. Przebieg napięcia względem czasu dla pomiaru nieudanego cyklu SPZ jednokrotnego
I/A
7,5
5,0
2,5
0,0
0,0
-2,5
1,0
2,0
3,0
4,0
t/s
-5,0
-7,5
-10,0
IL1
IL2
IL3
Rys. 12. Przebieg prądu zwarciowego względem czasu dla pomiaru nieudanego cyklu SPZ jednokrotnego