14 Smerna in diferenčna zaščita

 Razdelilna in industrijska omrežja Seminarska naloga SMERNA IN DIFERENČNA ZAŠČITA
Aljaž Smrkolj, april 2015 KAZALO VSEBINE SMERNA ZAŠČITA............................................................................................................................ 3 1.1 SMERNI NADTOKOVNI RELE................................................................................................. 5 1.2 DELOVANJE SMERNEGA RELEJA ........................................................................................... 6 1.3 SMERNA ZEMELJSKOSTIČNA ZAŠČITA .................................................................................. 8 DIFERENČNA ZAŠČITA ..................................................................................................................... 9 2.1 Ščitenje medfaznih kratkih stikov ....................................................................................... 10 2.2 Ščitenje faznih stikov z zemljo ............................................................................................ 11 2.3 Motorska diferenčna zaščita............................................................................................... 17 2.4 Generatorska diferenčna zaščita ........................................................................................ 18 2.5 Transformatorska diferenčna zaščita ................................................................................. 20 2.6 Zbiralčna diferenčna zaščita................................................................................................ 23 2.7 Diferenčna zaščita kablovoda/daljnovoda.......................................................................... 24 Viri in literatura:.................................................................................................................... 25 Aljaž Smrkolj, april 2015 UVOD Smerna zaščita je zaščita, ki nam omogoča vpeljavo selektivnosti izklopa ob okvarah na distribucijskem omrežju in je predvidena predvsem za omrežja večih virov, ki paralelno napajajo porabnike oz. so zazankana. To nam omogoča večjo zanesljivost obratovanja, saj si želimo, da porabniki ne bi občutili morabitnih okvar na omrežju. Smerna zaščita tako v svojem bistvu “gleda” smer pretoka energije oz. toka in tako izklopi oz. izolira vode, vire ob okvarah. Na drugi strain pa imamo opravka še z diferenčno zaščito, katera temelji na dejstvu, da je v normalnem obratovanju vsota vseh tokov, ki pritekajo npr. v neko trifazno breme enaka nič. V kolikor to ni res, pa je znak, da nam nekje tok “uhaja” , na kar nas opozori diferenčna zaščita in posledično ustrezno reagira. SMERNA ZAŠČITA Smerna zaščita se uporablja v distribucijskih omrežjih, ki vsebujejo večje število virov, vzporednih vodov in zank. Za takšna omrežja je nujna uporaba smerne zaščite, saj le z njo lahko dosežemo selektivnost izklopa In preprečimo okvarne toke, ki bi lahko krožili v zankah in se hkrati izognemo nepotrebnim izklopom porabnikov. Tega s samo nadtokovno zaščito ne moremo storiti, zato k releju za nadtokovno zaščito prigradimo še enoto za zaznavanje smeri toka. Ta v primeru toka, ki bi tekel v prednastavljeni smeri izda ukaz za izklop releja. Na sliki vidimo primer distribucijskega omrežja, ki je sestavljen iz dveh virov in transformatorjev, ki paralelno napajajo porabnike spodaj. Omrežje je ščiteno z štirimi odklopniki(circuit breaker 1, CB 2,CB 3, CB 4). CB1 in CB4 sta klasična tokovna releja, ki ščitita le pred previsokim tokom. CB2 in CB3 pa sta nadtokovna releja s prigrajeno smerno zaščito in preddoločeno smerjo proženja. Aljaž Smrkolj, april 2015 Pa si poglejmo delovanje zaščite v primeru okvare na prvem vodu, ki je označena s F(fault). Prvi vir in transformator ne zagotavljata več oskrbe porabnikov,le deloma to nalogo prevzame vir št. 2., čigar primarna naloga je v trenutku okvare oskrbovanje mesta napake F z tokom . V primeru, da bi bili vsi 4 odklopniki le nadtokovni, bi prišli v stanje, da bi bil odklopnik št. 3 preobremenjen in bi prvi izklopil. To bi pomenilo nadalje odklop vira št. 2 in porabniki bi ostali brez energije. Aljaž Smrkolj, april 2015 Zato je potrebno, da imata releja št. 2 in 3 prigrajeno smerno zaščito in predefinirano smerjo proženja, ki je označena na sliki. V tem primeru pa v primeru okvare F rele št. 2 zazna smer toka v napačni smeri in izklopi, S tem odklopi vod od zbiralke in s pomočko releja št. 1 izolira okvarjeno mesto, ki ga lahko varno popravimo.Potrebno je še poudariti, da je prednastvljeni čas proženja smernega releja krajši od pretokovnega. Najvažnejše pa je dejstvo, da se porabniki lahko še naprej napajajo iz vira št. 2 saj tam ni prišlo do nobene okvare in bi ga bilo nesmiselno izklapljati. Na ta način smo dosegli selektivnost izklopa. 1.1 SMERNI NADTOKOVNI RELE Smerni nadtokovni rele sestoji iz dveh enot: nadtokovna enota in smerna enota. Nadtokovna enota je praktično identična kot v samostojni enoti. Smerna enota pa določa smer toka, ki bo prožila rele in sicer to stori z primerjanjem faznega kota tega toka z referenčno napetostjo med seosednima dvema fazama. Se pravi če pride do napake v fazi a se primerja fazni kot faze a z kotom refrenčne napetosti Ubc. Tako obe enoti skupaj ščitita pred preveliko magnitudo toka, hkrati pa pred napačno smerjo tega toka. Tako je rele aktiviran le za okvarne toke v eni izmed prej definirani smeri, medtem, ko je na obratno smer toka neobčutljiv. Aljaž Smrkolj, april 2015 1.2 DELOVANJE SMERNEGA RELEJA Smer toka se določa s primerjavo faznega kota okvarnega toka z referenčno napetostjo med sosednjima fazama. Tako določimo smer pretoka energije na način, da je pretok pozitiven v primeru, da je ‐‐ < ϕ > in negativen za primer < ϕ > . Za primer, da je okvarni tok nastopil v fazi “a” , je referenčna napetost, s katero bomo primerjavi fazni kot enaka Ubc. Podobno ustreza okvarnemu toku v fazi “b” napetost Uac. Tako je pri normalnem obratovanju fazni kot med tokom in referenčno napetostjo enak 90 pri ϕ=0. Razlog, zakaj primerjamo kot med tokom ene faze in napetostjo med ostalima dvema je ta, da je zagotovljena zgledna amplituda napetosti, ki jo lahko brez problema detektiramo. Vemo, da je pri popolnem kratkem stiku neke faze njena napetost praktično 0V in bi bila kot referenčna napetost neuporabna. Pogoji za proženje smernega releja: ‐Okvarni tok je višji od prednastavljenega prožilnega ‐Okvarni tok teče vsaj toliko časa kot je zakasnitev releja ‐Okvarni tok oz. njegov fazni kot je v območju proženja releja Aljaž Smrkolj, april 2015 Območje proženja releja je definirano z t.i. karakterističnim kotom theta. Theta je kot med referenčno napetostjo in premico, ki je pravokotna na mejno črto, ki prepolovi krog. Običajne vrednosti kota theta so 30, 45, 60. Iz slike lahko vidimo, da je tok Ia v območju proženja ko je theta ‐ < psi > theta + , in ni v ombočju proženja, ko theta + < psi > theta + . Podobno velja za tok Ic, ki je v območju proženja, ko Theta ‐ < psi > theta + , in ni v območju proženja, ko velja theta + < psi > theta + . Kot theta ima povezavo s kotom ϕ in sicer je ϕ=theta + 90. Aljaž Smrkolj, april 2015 1.3 SMERNA ZEMELJSKOSTIČNA ZAŠČITA Princip delovanja smerne zemeljskostične zaščite je zelo podoben delovanju navadne smerne zaščite. Zaščita je aktivirana, ko uhajavi tok preseže nastavljeno limitno vrednost in je hkrati in njegova faza v primerjavi z referenčno napetostjo v območju proženja. Tako je uhajavi tok merjen podobno kot pri diferenčni zaščiti, refrenčna napoetost pa je kar napetost, ki jo povzroča uhajavi tok in je vektorska vsota vseh treh napetosti do zemlje. Te napetosti so lahko zmerljive na enega od naslednjih načinov: ‐z uporabo naprave, ki zagotavlja vektorski seštevek vseh treh faz do zemlje ‐z uporabo napetostnega transformatorja s tremi navitji, kot je prikazano na skici Aljaž Smrkolj, april 2015 DIFERENČNA ZAŠČITA Diferenčna zaščita temelji na primerjavi faznih tokov, ki vstopajo v zaščiteno območje, oz. napravo s tokovi, ki to napravo zapuščajo. Tako sta v normalnem obratovanju ta dva tokova praktično enaka. V primer pa,da se pojavi razlika med tema tokovoma pa je to znak, da je znotraj naprave prišlo do neke napake, oz. da nam tok nekje uhaja. Ta razlika tokov je sorazmerna višini okvarnega toka,ki se je znotraj ščitenega območja pojavil. Na sliki lahko vidimo kako je diferenčna zaščita zasnovana. Pred ščitenim območjem imamo instaliran tokovni transformator z n ovoji in prav tako je tokovni transformator nameščen za ščitenim območjem.Ko oba transformatorja izmerita enak tok, ki se od realnega seveda razlikuje za razmerje števila ovojev naprava deluje normalno, v primeru razlike med tema tokovoma pa j prišlo do okvarnega toka. Aljaž Smrkolj, april 2015 2.1 Ščitenje medfaznih kratkih stikov Zgornja slika nam prikazuje trifazno ditribucijsko omrežje zaščiteno z diferenčno zaščito proti simetričnim in nesimetričnim okvarnim tokom. Vidimo, da vsaka faza vsebuje diferenčni rele v seriji z dodanim stabilizacijskim uporom, skozi katerega se potem zaključujejo diferenčni tokovi vsake faze. Tako je diferenčni tok enak : Idifer. = (Iin‐ Iout)/n, pri čemer je n št. Ovojev tokovnega transformatorja. Aljaž Smrkolj, april 2015 2.2 Ščitenje faznih stikov z zemljo Za ščitenje distribucijskih elementov pred stiki z zemljo see uporablja shema zaščite na spodnji sliki. Tako nam vsota tokov na sekundarjih tokovnih transformatojev na obeh straneh distribucijskega elementa daje razliko tokov Iin in Iout. Tako je tok skozi upor paralelne veje že Aljaž Smrkolj, april 2015 hkrati kar naš iskani diferenčni tok, ki nam zaradi napake uhaja v zemljo. Idifer. in je tako vsota vseh tokov tokovnih transformatojev na levi strani. Podobno velja za Idifer. out. Da zagotovimo ustrezno delovanje diferenčne zaščite moramo že primarno poskrbeti za nekatere pogoje: 1. Zaščita je neobčutljiva na zunanje napake(se pravi napake izven ščitenega območja) 2. Prisotnost zadostne napetosti v diferenčni veji(na uporu), ki omogoči aktivacijo releja 3. Omejevanje napetosti na sekundarju tokovnih transformatorjev, da zagotovimo njihovo zaščito in dolgo življensko dobo 4. Zaščita je v osnovi zmožna zaznati minimalne okvarne toke 1. Zaščita je neobčutljiva na zunanje napake Pomembno je zagotoviti, da diferenčni tok, ki teče po paralelnem uporu v osnovi posledica okvare znotraj ščitenega elementa in ni posledica kratkih stikov zunaj tega območja. Velik problem je kratek stik zunaj ščitenega območja,saj se lahko zaradi nasičenja tokovnih transformatorjev dogodi, da steče nek diferenčni tok, ki je posledica teh zunanjih stikov. Na nasičenje jeder teh tokovnih transformatorjev vpliva predvsem enosmerna komponenta, ki se pojavi ob kratkih stikih in lahko doseže kar 80 % vršne vrednosti izmeničnega toka za nekaj ciklov. To pomeni, da lahko kljub normalnemu delovanju naše ščitene naprave pride ob kratkem stiku zunaj nje pride do diferenčnih tokov in v primeru, da so višji od nastavljenih prožilnih povzročijo nepotrebno aktivacijo zaščite. Težava je tudi, da jedra tokovih transformatorjev niso enaka in so tako ob pojavu enosmerne komponente v različnih območjih magnetilne krivulje kar Aljaž Smrkolj, april 2015 spet lahko povzroči diferenčne toke. Tem težavam, predvsem problem nasičenja se lahko izognemo z dodajanjem stabilizacijskega upora v paralelno vejo, kar nam omeji diferenčni tok med nasičenjem in ne preseže prednastavljene mejne vrednosti za proženje v primeru kratkega stika zunaj našega ščitenega območja. Vezalna shema z vključenim stabilizacijskim uporom je prikazana na spodnji sliki. Privzemimo, da Rst(stabilizacijski upor) vsebuje upornost releja, tokovni transformator na koncu A je nasičen, medtem, ko je tokovnik na koncu B nenasičen. To je praktično najslabši Aljaž Smrkolj, april 2015 primer, ko nastane kratek stik na koncu B, saj tam teče kratkodtični tok. Zanemarimo induktivnosti tokovnika, saj prevladujejo upornosti. Po preračunavanjih in izpeljavi pridemo do rezultatov, ki nam narekujejo velikost Rst in sicer: Rst > Rmax
, pri čemer je Rmax največja vrednost upornosti izmed obeh tokovnikov, Iset pa je nastavljena vrednost toka pri katerem bo rele prožil. Aljaž Smrkolj, april 2015 2. Prisotnost zadostne napetosti v diferenčni veji morajo biti ustrezno izbrani, da je v primeru okvranega toka znotraj ščitenega območja na diferenčni veji zadosten padec napetosti, ki omogoči delovanje zaščite. Spodnja slika prikazuje vezalni diagram in primer okvare F znotraj ščitenega območja. Pomemben je tudi podatek, da zvišanje napetosti na sekundarju ne pomeni prevelikega zvišanja magnetilnega toka. Primer: Če se napetost na sekundarju poveča za 10% se lahko magnetilni tok max poveča za 50%. Zagotoviti moramo relacijo: Uk > k*Rst*Iset(2< k >1.5) Zadostitev temu kriteriju je bistvena za primer, ko so okvarni toki precej višji od nastavljenih za proženje. Aljaž Smrkolj, april 2015 3. Omejevanje napetosti na sekundarju tokovnih transformatorjev V primeru kratkih stikov znotraj ščitenega območja se pojavijo zelo visoki kratkostični tokovi, ki povzročijo močno zasičenje jeder tokovih transformatorjev in posledično velike prenapetosti. Te napetostne konice so potencialno nevarne zaradi preboja in uničenja tokovnikov in hkrati tudi releja. Zato, da zmanjšamo te prenapetostne konice se paralelno k diferenčni veji doda nelinearni upor, ki omeji te prenapetosti na zdržne vrednosti, ter tako zaščiti naše elemente. 4. Zaznavanje minimalnih okvarnih tokov Spodnja slika prikazuje vezalni diagram, ki vključuje nelinearni upor in induktivnost obeh tokovih transformatrojev. Aljaž Smrkolj, april 2015 Napetost na nelinearnem uporu je posledica toka Iset, ki steče zaradi okvarnega toka znotraj ščitenega območja in tako povroča padec napetosti na uporu Rst(v diferenčni veji). Po izpeljavi tokov iz vezne sheme dobimo vrednost za minimalni okvarni tok, ki ga zaščita še prepozna: Iokvarni=n*(Iset + Inelinearni + 2*Im), pri čemer je Iset ‐ nsatavljeni doferenčni tok, pri katerem zaščita proži Inelin. – tok skozi nelinearni upor Im‐ magnetilni tok tokovnikov, ki je v večini primerov zanemarljiv 2.3 Motorska diferenčna zaščita Glavni vidik pri dimenzioniranju diferenčne zaščite za motorje je dejstvo, da je zagonski tok motorjev kar 5‐7‐kratnik nazivnega toka, na kar zaščita ne sme reagirati. Da temu zadostimo, mora veljati: Rst > Rmax Aljaž Smrkolj, april 2015 2.4 Generatorska diferenčna zaščita Ta zaščita ponavadi nima vgrajene nobene zakasnitve in deluje takoj. Kratki stik generatorja ponavadi pomeni kratkostični tok, ki doseže 5‐10 kratnik nazivnega toka. Da stabiliziramo zaščito in preprečimo neželene odklope je zelo pomembna izbira prave vrednosti stabilizacijskega upora: Rst > Rmax Minimalni zaznavni okvarni tok je tako If = n(Iset + Inon + 2Im). Aljaž Smrkolj, april 2015 Aljaž Smrkolj, april 2015 2.5 Transformatorska diferenčna zaščita Tu razlikujema med dvema tipoma zaščite in sicer: ‐transformator je ozemljen ‐transformator ni ozemljen, izoliran od zemlje 5.1 Transformator je ozemljen V tem primeru je transformator lahko ozemljen direktno ali pa prek impedance Aljaž Smrkolj, april 2015 Na sliki lahko vidimo, da je vsota sekundarnih tokov Isa, Isb, Isc diferenčni tok, ki je enak zemeljsko‐ stičnemu okvarnemu toku. Ko nastopi okvarni tok znotraj ščitenega območja preostali tok(ki je posledica okvare) teče v nasprotni smeri glede na zanko pri ozmeljitvi in tako povzroča tok v diferenčni veji, ki ga zaščita zazna. V primeru pa, da se pojavi okvara zunaj ščitenega območja pa zaščita na to ne reagira, kajti toliko toka kot ga steče zaradi okvare iz “neke faze” toliko se ga zaključi skozi ozemljitev transformatorja in tako ne pride do diferenčnega toka. Pomembno je, da diferenčna zaščita ostane stabilna za primer max okvarnega toka, ki je posledica trifaznega kratkega stika in zadosti naslednjim pogojem: ‐
‐
‐
Rst > Rmax Uk(padec napetosti na stabilizacijskem uporu) > k*Rmax*Ikratkega stika Minimalni zaznavni okvarni tok If = n(Iset + Inon + 4Im) Aljaž Smrkolj, april 2015 5.2 Transformator ni ozemljen Tudi tukaj je največji tok pri trifazanem kratkem stiku. Če se pojavi kratek stik z zemljo vzdolž sekundarja transformatorja praktično ne teče nikakršen tok. Na drugi strain pa se v primeru kratkega stika znotraj transformatorja pojavipreostali tok, ki je kar enak okvarnemu in povzroči tok v diferenčni veji. Da zaščita ustrezno deluje morajo biti izpolnjeni trije pogoji: ‐
‐
‐
Rst > Rmax Uk(padec napetosti na stabilizacijskem uporu) > k*Rmax*Ikratkega stika Minimalni zaznavni okvarni tok If = n(Iset + Inon + 3Im) Aljaž Smrkolj, april 2015 2.6 Zbiralčna diferenčna zaščita Zaščita deluje na osnovi primerjave toka, ki vstopa v zbiralko z tokom, ki jo zapušča. Ponavadi je zbiralka napajana z več kot enim vodom, zapušča pa jo precej večje število vodov. Poznamo tudi sekcionirane zbiralke, ki se po potrebi sklopijo oz. razklopijo. Vezalna shema zbiralke, ki je napajana z dvema vodoma, zapuščajo pa jo trije je prikazana na sliki. Zaščita deluje na fazno zemeljski stik. Normalno obratovanje zagotavlja vsota tokov vseh treh faz, ki vstopajo v zbiralko z tokovi, ki zbiralko zapuščajo. Tako se vrši primerjava vstopajočih z izstopajočimi tokovi. Maksimalni kratkostični tok, ki se lahko pojavi je vsota maksiamalnih kratkostičnih tokov posameznih napajalnih vodov, ki vstopajo v zbiralko. Pogoji za pravilno delovanje zaščite: ‐
‐
‐
Rst > Rmax Uk(padec napetosti na stabilizacijskem uporu) > k*Rmax*Ikratkega stika Minimalni zaznavni okvarni tok If = n(Iset + Inon + H*Im), H‐število vstopajoči in izstopajočih vodov na zbiralki Aljaž Smrkolj, april 2015 2.7 Diferenčna zaščita kablovoda/daljnovoda Zaščita kablovodov, daljnovodov na način s pomočjo dveh tokovnikov na konceh, povezanih z “pilot wire”. Osnovna ideja tega tipa zaščite je dejstvo, kako dobiti tokovni pretok v rele, ki je v sorazmerju s tokovno diferenco. To je zasnovano na način , Poznan pod imenom odstotkovna diferenčna zaščita, z poznanim dejstvom, da je tok v rele razlika tokov, ki priteka in odteka z zaščitenega območja. Shema vezeve je prikazana na sliki: Aljaž Smrkolj, april 2015 VPRAŠANJA: 1 . Kje se uporablja smerna zaščita? Smerna zaščita se uporablja v distribucijskih zazankanih omrežjih. 2. Kaj smerna zaščita ščiti in kako deluje? Ščiti nam naprave distribucijkega omrežja pred kratkimi stiki. Njeno delovanje bazira na primerjavi faznega kota okvarnega toka z referenčno napetostjo in tako ugotovi smer toka. Rele je nastavljen tako, da v eni smeri proži, v primeru toka v nasprotno smer pa je neobčutljiv. 3. Principelno delovanje diferenčne zaščite. Temelji na primerjavi toka v napravo z tokom, ki napravo zapušča. V normalnem obratovanju sta ta dva toka enaka. 4. Kako zagotovimo stabilno delovanje diferenčne zaščite v primeru velikih kratkostičnih tokov izven ščitenega območja‐ problem nasičenja jeder tokovnikov zaradi prisotnosti enosmerne komponente? Dodamo stabilizacijski upor v diferenčno vejo, ter s tem omejimo dif. tok. Aljaž Smrkolj, april 2015 Računski primer: Simetričen trifazni kratek stik se pojavi na točki z impedance R + jX, kjer je R/X v območju med 0.05‐ 0.3. Poišči fazni zamik ϕ. Rešitev : Tan(ϕ)= X/R Iskani kot je v območju 3 ̊ < ϕ < 17 ̊. Viri in literatura: ‐ Electric distribution system: Abdelhay A. Sallam, Malik Aljaž Smrkolj, april 2015 Aljaž Smrkolj, april 2015