Badanie cyfrowych zabezpieczeń różnicowych

Wstęp

              Od momentu wynalezienia koła, aż do czasów współczesnych, ludzkość dokonywała coraz to nowych odkryć i wynalazków. Jedne były udane, inne nie, jedne były przydatne, a inne mniej. Pewnym jest, że: “ Potrzeba jest matką wynalazku” i w myśl tej zasady powstały właśnie pierwsze urządzenia elektroenergetyczne. Były one wynikiem zaistniałej sytuacji, a więc właśnie potrzeby.

              Z chwilą odkrycia prądu i związanymi z nim możliwościami, naukowcy konstruowali maszyny wykorzystujące elektryczność. To jednak nie wystarczyło. Wkrótce bowiem okazało się, że potrzebne są urządzenia zabezpieczające przed wszelkiego typu zakłóceniami. Mogą one mieć różny charakter, w zależności od zabezpieczanego obiektu. Są to np.:

- transformatory

- generatory

- silniki, itp.

              Celem naszej pracy jest zbadanie i przeanalizowanie cyfrowych zabezpieczeń różnicowych. Są to najbardziej zaawansowane urządzenia, a jednocześnie najprostsze i najszybsze.

              Zanim jednak nauka doszła do momentu wykorzystania technologii cyfrowej, elektroenergetyka stosowała inne zabezpieczenia. W latach 60-tych królowały zabezpieczenia elektromechaniczne. Potem nastąpiła era zabezpieczeń statycznych. Okres panowania cyfrowych zabezpieczeń przypada na lata 90-te i trwa do chwili obecnej z ciągłymi modyfikacjami.

             Szczególną uwagę poświęcimy dwóm rodzajom zabezpieczeń, a mianowicie WN CZAZ- M oraz SPAD346C. Skupimy się na cechach charakterystycznych obu urządzeń, dokonamy pomiarów parametrów oraz opiszemy metody ich działania.

              Pracę naszą zakończymy wnioskami, które wysnujemy na podstawie wyników owych badań. Chcemy w ten sposób ukazać różnorodność zastosowania i wszechstronność działania cyfrowych zabezpieczeń różnicowych.

Rozdział I

Zabezpieczenia różnicowe

1.  Kryterium różnicowoprądowe

              Kryterium różnicowoprądowe jest stosowane do selektywnego i bezzwłocz­nego wyłączenia zwarć wielkoprądowych. To, co w sposób niedoskonały i niepełny uzyskuje się za pomocą zabezpieczenia nadprądowego bezzwłocz­nego, można osiągnąć przez porównywanie wartości prądów na wejściu i wyjściu danego elementu układu elektroenergetycznego. W najprost­szym przypadku, np. w transformatorze dwuuzwojeniowym, istnieje jedno wejście i jedno wyjście, w najbardziej skomplikowanym zaś, tj. gdy elementem zabezpieczanym są szyny zbiorcze wielopolowej rozdzielni WN, wejść i wyjść jest wiele. Niezależnie jednak od rodzaju zabezpieczanego elementu systemu elektroenergetycznego, ogólna zasada stosowania kryterium różnicowoprądowego jest taka sama, różne natomiast mogą być techniczne sposoby realizacji zabezpieczeń opartych na tym kryterium.

              - 32 -

Tablica 1. Zakres stosowania zabezpieczeń różnicowoprądowych, wg [N2]

W tablicy 1 podano zestawienie obiektów elektroenergetycznych, w któ­rych zgodnie         z przepisami krajowymi [N2] powinno się stosować zabezpiecze­nia różnicowoprądowe. Należy jednak dodać, że obecnie w wielu przypadkach są one przydatne także w obiektach o mniejszych mocach znamionowych, i to nie tylko w rozwiązaniach wytwórców zagranicznych lub według ich zaleceń.

2.      Ogólna zasada pomiaru prądu różnicowego

Zasadę zastosowania kryterium różnicowoprądowego do wykrywania zwarć wielkoprądowych można najprościej wyjaśnić na podstawie układu przed­stawionego na rys. 1. Celowo jako obiekt zabezpieczany wybrano krótką linię elektroenergetyczną, łączącą stacje A i B; założono przy tym, że istnieje tylko jedno źródło zasilające - w stacji A.

Rysunek 1. Schemat ideowy zabezpieczenia różnicowoprądowego niestabilizowanego

Układ do pomiaru prądu różnicowego Id składa się z przekładników prądowych, zainstalowanych na obydwu krańcach linii LAB. Zaciski wtórne tych przekładników są połączone przeciwsobnie, tzn. zacisk S l przekładnika PPA z zaciskiem S2 przekładnika PPB. W gałęzi poprzecznej, zwanej też gałęzią różnicową, jest włączony przekaźnik różnicowy prądowy RI (lub człon pomia­rowy jedno wejściowy). Odcinek linii LAB miedzy przekładnikami prądowymi przyjęto nazywać strefą zabezpieczoną lub strefą działania zabezpieczenia. Oznacza to, że wszystkie zwarcia wielkoprądowe występujące w tej strefie muszą być wyłączone, tzn. muszą charakteryzować się dużą wartością prądu różnicowego Id. Z kolei, podczas wszystkich zwarć wielkoprądowych położo­nych poza strefą zabezpieczoną (np. w punkcie F1), a także w warunkach normalnego obciążenia linii prąd Id powinien być bliski zeru.

              Oznaczając prądy pierwotne, płynące przez miejsca zainstalowania przekładników, IpA i IpB, prądy wtórne zaś IsA oraz IsB można w przypadku zwarcia poza strefą, tj. w punkcie F1, napisać zależność opisującą prąd Id w gałęzi różnicowej

Id=IsA- IsB=

(1)

Z założenia wynika, że celowo wybrano linię krótką, tzn. taką, w której można nie uwzględniać prądu upływu, stąd słuszna jest równość IpA = IpB. Jeśli więc pominąć uchyby przekładników prądowych, to także IsA = IsB, co oznacza, że Id = O, a zatem nie ma warunków do zadziałania przekaźnika RI.

              W przypadkach, gdy zwarcie wielkoprądowe występuje wewnątrz strefy zabezpieczonej (punkt F2 na rys. 1.), prąd zwarciowy przepływa tylko przez uzwojenie pierwotne przekładników PPA; stąd IpB = 0. Wtedy zależność (1) przyjmie postać

Id=IsA =

(2)

gdzie I”kA prąd zwarciowy początkowy, płynący przez uzwojenie pierwotne przekładnika prądowego PPA podczas zwarcia w punkcie F2. W praktyce prąd I”kA jest najczęściej wielokrotnie większy od największego dopuszczalnie trwałego obciążenia prądowego zabezpieczonej linii, a zatem Id>>0. Dlatego istnieją warunki do zadziałania przekaźnika RI, jeśli tylko przyjąć, że jego wartość rozruchowa lrp spełnia nierówność

I”kAmin>Irp>0

(3)

przy czym I”kAmin — najmniejsza spodziewana wartość prądu zwarciowego początkowego, obliczona dla zwarcia położonego na końcu strefy zabez­pieczonej.

              Opisane zabezpieczenie różnicowoprądowe oprócz pewnych zalet ma jedną zasadniczą wadę: jest nią występowanie prądu różnicowego także w warun­kach normalnego obciążenia. Dotyczy to przede wszystkim przypadków, gdy elementem zabezpieczonym jest transformator. Przyczyny takiego stanu są następujące:

              - brak możliwości ścisłego dopasowania przekładni przekładników prądowych do przekładni transformatora, zwłaszcza, gdy transformator jest wyposażony w przełącznik zaczepów o szerokim zakresie zmian tej przekładni;

              - różne typy przekładników prądowych zainstalowanych po obydwu stro­nach transformatora dwuuzwojeniowego lub po trzech stronach transformatora trójuzwojeniowego; nie sposób zapewnić wówczas tych samych wartości rzeczywistych współczynników granicznej dokładności.

Spełnienie warunku, aby zabezpieczenia różnicowoprądowe nie reagowały na prądy różnicowe płynące w układzie na rys. 1 w warunkach normalnych, a zatem także w czasie zwarcia zewnętrznego (tj. poza strefą zabezpieczoną) powoduje zmniejszenie czułości zabezpieczenia podczas zwarć w strefie. W celu usunięcia tej wady, zamiast układu z rys. 1 znanego pod nazwą zabez­pieczenia różnicowego niestabilizowanego, wprowadzono układ różnicowoprądowy stabilizowany.

3. Stabilizacja zabezpieczeń różnicowoprądowych

Na rysunku 2 przedstawiono ideę zabezpieczenia różnicowoprądowego stabilizowanego. W gałęzi różnicowej znajduje się uzwojenie różnicowe o licz­bie zwojów Nd, przez które płynie prąd różnicowy Id Nowością w stosunku do układu z rys. 1 jest pomiar prądu Ist, zwanego prądem stabilizującym (lub hamującym), płynącym przez uzwojenie stabilizujące Ns. Obydwa prądy: Id oraz Ist są porównywane pod względem amplitud, które różnią się w zależności od położenia miejsca zwarcia.

...