OSNOVE NUMERIČKE ZAŠTITE SUSTAVA ZA DISTRIBUCIJU ELEKTRIČNE ENERGIJE Prof. dr. sc. Ante Marušić, dipl.ing. Fakultet elektrotehnike i računarstva, Zavod za visoki napon i energetiku Unska 3, 10000 Zagreb, Hrvatska e-mail:
[email protected] http://www.fer.hr/ante.marusic 1.
UVOD
Na kvalitetu odreñene distribucijske mreže, koja se prvenstveno mjeri pouzdanošću isporuke električne energije bitno utječe oblik mreže, način uzemljenja neutralne točke, vrste kvarova i smetnji, te odabrana relejna zaštita. Postoji niz uzroka poremećajai u elektroenergetskoj distribucijskoj mreži. Najčešći uzroci su mehanička naprezanja, električna naprezanja izolacije, onečišćenje izolacije, premoštenja ili oštećenja izolacije stranim predmetima, te termički i kemijski utjecaji na izolaciju zbog kojih ona postepeno stari i gubi svoja osnovna svojstva. Potpuno otklanjanje uzroka kvarova je nemoguće, te se zbog toga u distribucijska postrojenja ugrañuju zaštitni ureñaji sa zadaćom da otkriju i dojave nastanak poremećaja, te brzo i selektivno izoliraju mjesto pogoñeno kvarom, od preostalog zdravog dijela elektroenergetskog sustava. Izvedba ovih zaštitnih ureñaja se mijenjala tijekom vremena. Dugi niz godina su se ugrañivali elektromehanički i statički releji (elektronički zaštitni ureñaji s analognom obradom signala, dok se danas proizvode i ugrañuju digitalni, odnosno numerički releji (elektronički zaštitni ureñaji s digitalnom obradom signala). Razvoj i primjena pojedinačnih digitalnih ureñaja u elektroenergetskim postrojenjima (npr. daljinska stanica, kronološki registrator dogañaja, lokator kvara na visokonaponskom vodu, ureñaji telekomunikacije) započela je prije četvrt stoljeća, kada je mikroračunarska oprema uspješno uvedena u sustave automatizacije procesa, sustav voñenja pogona u elektranama i sustav daljinskog voñenja pogona elektroenergetskog sustava. Primjena centraliziranih sustava zaštite i voñenja u elektroenergetskim postrojenjima počela je prije petnaestak godina. Paralelno s razvojem računarske tehnike usavršavale su se i proširivale zadaće ovog sustava. To sustav sa zaokruženom cjelinom koja objedinjuje funkcije zaštite, upravljanja, signalizacije, nadzora i mjerenja. Moderni sustavi voñenja elektroenergetskih postrojenja su decentralizirani, s distribuiranim zadaćama i modularne izvedbe, te zadovoljavaju gotovo sve zahtjeve koji se postavljaju na ureñaje zaštite i voñenja glede pouzdanosti, funkcionalnosti i raspoloživosti. S obzirom na izvedbu, moderni koordinirani sekundarni sustavi zaštite i voñenja omogućuju ugradnju i povezivanje numeričkih releja različitih proizvoñača, ali i kombinaciju s postojećim, klasičnim analognim relejima. Ovo je od osobite važnosti pri rekonstrukciji, modernizaciji ili proširenju postojećeg postrojenja. Potrebno je istaknuti da prijelaz sa statičke analogne na digitalnu opremu u području zaštite i voñenja u elektroenergetskim postrojenjima predstavlja radikalniju sustavnu promjenu nego svojedobno prijelaz s elektromehaničke na statičku analognu opremu. To nije samo promjena tehnologije i koncepcije zaštite i voñenja, već i potreba za promjenom u planiranju, projektiranju i održavanju sekundarnog sustava i postrojenja u cjelini, uz neminovne promjene u strukturi organizacije, kako proizvoñača opreme tako i krajnjeg korisnika.
2.
OPĆENITO O ZAŠTITI U DISTRIBUCIJSKIM TRANSFORMATORSKIM STANICAMA
2.1
Kvarovi i smetnje u pogonu energetskoga sustava
Odabrati relejnu zaštitu za bilo koji element elektroenergetskoga sustava znači donijeti odluku o njenom opsegu s obzirom na njegovu ulogu u elektroenergetskom sustavu, tj. na njegov značaj s obzirom na nazivnu snagu i način priključka na mrežu, te očekivane poremećaje. Stoga se može reći da su elementi koji utječu na opseg relejne zaštite slijedeći: očekivani kvarovi i smetnje, način uzemljenja zvjezdišta, nazivni napon i oblik mreže, priključak štićenog objekta na elektroenergetski sustav, snaga štićenog objekta, odnosno duljina visokonaponskoga voda, položaj i uloga štićenog objekta u elektroenergetskome sustavu, te prilike pri kvarovima i smetnjama u mreži. Osnovni je zadatak, prilikom pristupa izboru relejne zaštite u elektroenergetskome sustavu, utvrditi očekivane kvarove i smetnje za svaki štićeni objekt. Energetski se transformatori, kao važni elementi elektroenergetskoga sustava, štite pri unutarnjim i vanjskim kvarovima, te pri smetnjama.
Izolacija je energetskoga transformatora u pogonu izvrgnuta raznovrsnim naprezanjima i utjecajima. Na nju djeluju mehanička naprezanja zbog vibracija i dinamičkih sila kratkih spojeva, te zbog rastezanja i skupljanja pri grijanju i hlañenju. Izolacija je takoñer izložena termičkim i kemijskim utjecajima zbog kojih ona postepeno stari i gubi svoja osnovna svojstva. Na stanje izolacije mogu utjecati i ostali vanjski uzroci, kao naprimjer: taloženje nečistoća na površini izolacije, mehanička oštećenja pri postavljanju ili tijekom remonta transformatora. Osim toga, izolacija može biti u pogonu izvrgnuta previsokim električnim naprezanjima, do kojih može doći zbog atmosferskih ili pogonskih prenapona. Sva navedena naprezanja mogu samostalno ili u kombinaciji jedni s drugim dovesti do proboja izolacije energetskoga transformatora. Dakle, kvar je poremećaj u radu energetskoga transformatora pri kojem su značajna odstupanja od normalnih električnih prilika uzrokovana probojem ili preskokom izolacije. Uzimajući u obzir način uzemljenja zvjezdišta u transformatoru se mogu pojaviti slijedeći kvarovi: • • • •
kratki spoj izmeñu pojedinih faza u transformatoru ili na izvodima iz transformatora, kratki spojevi meñu zavojima iste faze, zemljospojevi namota ili pojedinih izvoda iz transformatora, lokalna tinjanja izolacije usljed previsokih termičkih i električnih naprezanja.
Prilikom raznih kvarova i smetnji u mreži mogu se pojaviti takvi pogonski uvjeti koji sami po sebi ne predstavljaju kvar u transformatoru, ali koji dovode do nedozvoljeno visokih termičkih, električkih ili mehaničkih naprezanja. Ukoliko se ne bi pravovremeno poduzele potrebne mjere da se takovo opasno pogonsko stanje ukloni, moglo bi doći do težeg oštećenja i pojave kvara na transformatoru. Prema tome, smetnje su nedozvoljena odstupanja od normalnih električnih prilika u pogonu, koja nisu uzrokovana probojem ili preskokom izolacije. Uzroci smetnji su najčešće ispadi drugih transformatora ili vodova koji napajaju isto područje. Nenormalna pogonska stanja opasna za rad transformatora su: • preveliko strujno opterećenje transformatora, • prevelika struja pri kratkim spojevima u mreži koja teče kroz transformator, • nedozvojeno zagrijavanje. S obzirom na važnost transformatora kao elementa mreže, zahtijeva se sveobuhvatnost sa stanovišta relejne zaštite, te što je moguće brže isključenje transformatora pri pojavi kvara. Meñutim, postoji razlika izmeñu transformatora kako po snazi tako i po naponskim razinama mreža koje povezuju. Prema tome, podjela transformatora na "velike" i "male" ima smisla. Zaštita transformatora, osim podjele prema snazi, razlikuje se i prema broju namota (dvonamotni, tronamotni, autotransformator) i načinu pogona transformatora (spojni transformatori, distribucijski transformatori, paralelni rad više transformatora na iste sabirnice, blok transformatori). Prema tome, u slučaju transformatora postoje dvije osnovne podjele relejne zaštite: zaštita od unutarnjih kvarova i rezervna zaštita od vanjskih kvarova. Kao zaštite od unutarnjih kvarova transformatora mogu se primijeniti: • • • • • •
diferencijalna zaštita transformatora, Buchholz relej (plinska zaštita), kotlovska zaštita, zemljospojna zaštita, nadstrujna zaštita bez vremenskog usporenja, distantna zaštita.
Za zaštitu od nedozvoljenih struja preoterećenja primjenjuju se toplinske zaštite, a od struja vanjskih kratkih spojeva nadstrujna zaštita s vremenskim usporenjem ili distantna zaštita. Za zaštitu od prekomjenog zagrijavanja koriste se termoprotektori, kontaktni termometri i termo slika. 2.2
Zaštita transformatora 110/x kV
Prijenosnu i distribucijsku mrežu povezuje transformator 110/x kV, odnosno 110/35(10,20) kV. Zbog toga se i zaštita u distribucijskim postrojenjima analizira od ovih transformatora prema nižim naponskim razinama. Diferencijalna zaštita ovih transformatora (slika 2.1) pokazala se kao vrlo dobra zaštita od unutrašnjih kvarova i od proboja prema uzemljenim dijalovima ako je zvjezdište mreže izravno uzemljeno. Zbog mogućnosti pojave većih struja neravnoteže tijekom nornalnog pogona, nego pri zaštiti generatora, naročito kod regulacijskih transformatora, diferencijalna zaštita podešava se na veću minimalnu proradnu struju, uz veći utjecaj stabilizacije nego kod zaštite generatora. Kod transformatora koji nisu regulacijski odabire se oko g=20 % nazivne struje, dok je za regulacijske transformatore potrebno g=30-40%.
2
Na slikama 2.1 i 2.2 je prikazan oubičajeni opseg relejne zaštite koji se primjenjuje u transformatorskim stanicama 110/x kV Hrvatske elektroprivrede. DV Io > (51N)
Legenda:
I> (51),Ith 110 kV
Distantna zaštita
Z< (21)
Nadstrujna zaštita za višepolne kvarove I> (51), I th (49)
Usmjerena nadstrujna zaštita za višepolne kvarove Nadstrujna zaštita za jednopolne kvarove
Bu ϑ Ts Zk PPZ
Io >> (50N)
Usmjerena nadstrujna zaštita za jednopolne kvarove
MT
Id 87T
Io > (51N)
R
I> (51) Io > (51N)
x kV
Id
Diferencijalna zaštita transformatora
I th
Termička zaštita (nadstrujna)
Bu
Plinska (Buchholz) zaštita
ϑ
Termička zaštita transformatora
Ts
Termo slika transformatora
Zk
Zaštita kotla transformatora
PPZ
Protupožarna zaštita
35/20/10 kV
Slika 2.1 Uobičajena zaštita u TS 110/35(10, 20) Hrvatske elektroprivrede 110 kV
I>
MT
I>>
I>>
I>
T1
T2 Io>
Id
MT
MT
Io>
Io>
R
Id
Io>
MT
Io>> 35 kV
Slika 2.2 Zaštita transformatora u većoj TS 110/35/10 kV 2.3
Zaštita distribucijskih transformatora
Opseg zaštite distribucijskih transformatora znatno ovisi o veličini, tj. nazivnoj snazi transformatora. Pojedini proizvoñači ureñaja relejne zaštite nude različite prijedloge za izbor zaštite transformatora [7]. Manji transformatori se u pravilu štite nadstrujnim i termičkim zaštitama, plinskim (Buchholz) relejem i kotlovskom zaštitom, dok se veći transformatori (u pravilu iznad 1 MVA) štite i diferencijalnom zaštitom.
2.3.1 Zaštita transformatora 35/10(20) kV Distribucijski transformatori 35/10(20) kV povezuju dvije naponske razine srednjenaponske mreže, te se po svojoj snazi mogu razvrstati u veće transformatore. Prema tome, primjenjuje se složeniji sustav njihove zaštite. Na slikama 2.4 i 2.5 je prikazan uobičajeni opseg zaštite distribucijskih transformatora 35/10(20) kV u tzv. statičkoj, odnosno numeričkoj izvedbi. Slikom 2.4 je prikazana zaštita distribucijskog transformatora 35/10(20) kV uz pretpostavku da su obje mreže neuzemljene, dok je slikom 2.5 prikazana zaštita transformatora čija je 35 kV-na strana uzemljena preko malog otpornika.
3
35(30) kV 35(30) kV
P1
U pom ///
Id
///
I>> I>
MT1
U pom
P1 DC/DC
DC/DC AC/DC
Nestanak napona napajanja
/// Signalizacija diferencijalne zaštite
MT1 Bu
Signalizacija nadstrujne zaštite
Id I>> I>
Nestanak napona napajanja Signalizacija djelovanja pojedinih zaštita Signalizacija kvara releja
KT Isključenje prekidača P1
Isključenje prekidača P1
T
T
Isključenje prekidača P2
Isključenje prekidača P2
R
I>> I> ///
P2
/
Signalizacija nadstrujne zaštite
Io>
///
MT2
P2
10(20) kV
Slika 2.4 Zaštita transformatora 35/10(20) kV
MT2
REF
Lokalna komunikacija Daljinska komunikacija
10(20) kV
Slika 2.5 Zaštita transformatora 35/10(20) kV
2.3.2 Zaštita transformatora 10(20)/0,4 kV Distribucijski transformatori 10(20)/0,4 kV povezuju srednjenaponsku mrežu s niskonaponskom mrežom za distribuciju električne energije, te se po svojoj snazi mogu razvrstati u manje transformatore. Prema tome, primjenjuje se jednostavniji sustav njihove zaštite. Zaštita distribucijskih uljnih transformatora 10(20)/0,4 kV obično je vrlo skromna i svodi se na zaštitu od kratkog spoja (najčešće VN i NN osiguračima) i zaštitu od preopterećenja nadtemperaturnim relejem (kontaktni termometar ili termoprotektor) ili nadstrujnim relejem. Obje zaštite, svaka za sebe, ne štite transformator od previsokih temperatura najtoplije točke namota i prebrzog toplinskog starenja izolacije [19]. Sama zaštita od kratkog spoja nije dovoljna, ukoliko se transformator želi ekonomično koristiti s obzirom na moguća preopterećenja u skladu s IEC preporukama [21]. Zbog toga je tipizacijom za TS 10(20)/0,4 kV kabelske izvedbe propisano da se transformator štiti od štetnih preopterećenja pomoću termoprotektora ugrañenog u džep za mjerenje temperature ulja na poklopcu transformatora. Teorijskom analizom pokazano je da samo nadtemperaturna zaštita termičkim protektorom nije dovoljna za zaštitu transformatora u svim radnim uvjetima, pa zaštitu treba nadopuniti nadstrujnim relejem [20]. Zaštita transformatora u tipskoj TS 10(20)/0,4 kV sastoji se od SN rastavne sklopke s okidačem i opružnim mehanizmom, tri SN visokoučinska osigurača s udarnom iglom, termičkog protektora i NN osigurača. Poboljšanje postojeće zaštite izvodi se zamjenom termoprotektora kontaktnim termometrom, te ugradnjom bimetalnog nadstrujnog releja, koji se spaja na postojeće strujne mjerne transformatore [20], a rješenje je predočeno slikom 2.6. Kontaktni termometar se može podesiti, ima mjernu skalu za pokazivanje trenutne i najveće postignute temperature ulja, te ima nižu cijenu od termičkog protektora. Ukupna cijena ovakve složene nadtemperaturne zaštite je niža od cijene zaštite samo termičkim protektorom [20]. Prilikom izgradnje modernih TS 10(20)/0,4 kV kabelske izvedbe zahtjevaju se male dimenzije, neosjetljivost na utjecaje okoline, visoka raspoloživost i pouzdanost. Gotovo idealno rješenje, koje će zadovoljiti sve ove zahtjeve, je izgradnja transformatorske stanice sa SN postrojenjem u metalom oklopljenom kućištu i izolirano SF6 plinom. Zaštita transformatora u izvodi se pomoću numeričkih nadstrujnih releja i kontaktnog termometra, koji pri poremećajima djeluju na SN prekidač [20]. Preko istog releja mogu djelovati i druge zaštite transformatora (naprimjer plinski relej). Slikom 2.7 predočena je shema zaštite od kratkog spoja i preopretećenja za nove TS 10(20)/0,4 kV. Isto rješenje se može primijeniti i na druge izvedbe novih transformatorskih stanica. Na slikama 2.8 i 2.9 je prikazan uobičajeni opseg zaštite distribucijskih transformatora 10(20)/0,4 kV u numeričkoj izvedbi. Slikom 2.8 je prikazana diferencijalna i nadstrujna zaštita distribucijskog transformatora 10(20)/0,4 kV uz pretpostavku da se štiti veća transformatorska jedinica.
4
Slika 2.6 Shema poboljšane zaštite u TS 10(20)/0,4 kV kV
Slika 2.7 Zaštita u novim stanicama TS 10(20)/0,4
Slikom 2.9 prikazana je zaštita malih transformatora 10(20)/0,4 kV kod kojih se ne isplati ugradnja skuplje zaštite transformatora. Zaštitu od unutrašnjih kratkih spojeva preuzima nadstrujni relej bez vremenskog usporenja. Da zaštita ne bi nepotrebno djelovala pri kvarovima na odvodima nižeg napona, potrebno je da proradna struja releja bude veća od struje kratkog spoja za slučaj kratkog spoja na sabirnicama nižeg napona. S obzirom da zaštita djeluje bez vremenskog usporenja, mjerodavna je početna vrijednost struje kratkog spoja. 10(20) kV U pom
P1
//// MT1
Nestanak napona napajanja
DC/DC AC/DC
Signalizacija zaštite transformatora
Id I>
Isključenje prekidača P1
Isključenje prekidača P2 Bu
T
Signalizacija kvara releja
KT
Io>
Lokalna komunikacija Daljinska komunikacija
/// MT2
P2
0,4 kV
10(20) kV
P1
U pom ////
T
KT
I>,>>
t/k
Nadstrujna zaštita (isključenje prekidača P1 i P2)
Io>,>>
t/k
Zemljospojna zaštita Lokalna komunikacija (RS232) Daljinska komunikacija (RS485)
Ostale zaštite
ZZP P2
Nestanak napona napajanja Signalizacija kvara releja
DC/DC AC/DC
t
0,4 kV
Slika 2.8 Zaštita većeg transformatora 10(20)/0,4 kV 2.4
Uključenje prekidača P1 Zaštita od zatajenja prekidača P1
Slika 2.9 Zaštita transformatora 10(20)/0,4 kV
Zaštita srednjenaponskih vodova
Temeljna karakteristika električnih mreža je njihova rasprostranjenost. Zbog toga su električne mreže dio elektroenergetskoga sustava na kojem se pojavljuje relativno veliki broj kvarova. Kvarovi nastaju zbog previsokih električnih naprezanja izolacije, zbog previsokih mehaničkih naprezanja (vjetar, snijeg, ledena kiša i sl.), zbog onečišćenja izolacije, zbog premoštenja ili oštećenja izolacije stranim predmetima ili životinjama, kao i zbog pogrešnih uključenja u postrojenjima.
5
Osim kvarova, u pogonu električnih mreža javljaju se i opasna pogonska stanja koja bi mogla izazvati kvar ukoliko se pravovremeno ne bi poduzele mjere za uklanjanje takvog poremećaja. Opasna pogonska stanja su: preopterećenja vodova prilikom ispada vodova koji paralelno prenose energiju, te zemljospoj u SN mreži s izoliranim zvjezdištem, šro dovodi do povišenja napona u zdravim fazama, te mogućeg proboja ili preskoka na izolaciji. Zaštitni ureñaji električnih mreža mogu se općenito podijeliti na: • zaštite sa stupnjevanom karakteristikom (osigurači, nadstrujna zaštita, usmjerena nadstrujna zaštita), • diferencijalne zaštite (uzdužna i poprečna diferencijalna zaštita), • uzdužne zaštite s faznom usporedbom i korištenjem komunikacijskih veza. Osigurači predstavljaju najjednostavniji oblik zaštite od struja pri kratkom spoju. Oni predstavljaju temeljni oblik zaštite u niskonaponskim mrežama. Zaštita vodova u SN mreži predočena je nizom primjera u statičkoj izvedbi (slike 2.11 do 2.15) i numeričkoj izvedbi (slike 2.10 i 2.16 do 2.22). Grupna dojava zemljospoja u izoliranoj mreži ostvaruje se nadnaponskim relejem na nulti napon, koji se priključuje na tercijar naponskog transformatora s namotom spojenim u otvoreni trokut (slika 2.10). Nadstrujna zaštita je najjednostavnija i najčešće primjenjivana zaštita u srednjenaponskim mrežama s radijalnim (zrakastim) napajanjem (slike 2.11 i 2.12). Selektrivnost nadstrujne zaštite sa strujno zavisnom (inverznom) ili nezavisnom karakteristikom djelovanja postiže se vremenskim stupnjevanjem od kraja mreže prema izvoru napajanja. 10(20) kV
SN U pom
DC/DC AC/DC
///
Nestanak napona napajanja Signalizacija kvara releja
U>
t/k
Nadnaponska zaštita
Uo>,>> t/k
/
P
DC/DC
Nestanak napona napajanja
///
I>> I>
Signalizacija nadstrujne zaštite
Daljinska komunikacija (RS485) Signalizacija zemljospoja
Isključenje prekidača P
Slika 2.10 Zaštita od zemljospoja i nenormalnih naponskih stanja na SN sabirnicama
Slika 2.11 Zaštita kabelskog radijalnog voda u izoliranoj mreži
SN
P
U pom
SN
U pom ///
DC/DC
Nestanak napona napajanja
I>> I>
Signalizacija nadstrujne zaštite
P
U pom
DC/DC
Nestanak napona napajanja
///
I>> I>
Signalizacija nadstrujne zaštite
Konačni isklop Blokada
APU
/
Automatski ponovni uklop
Io>, t
Signalizacija zemljospojne zaštite
Isključenje prekidača P
Isključenje prekidača P
Slika 2.12 Zaštita nadzemnog radijalnog voda u izoliranoj mreži
Slika 2.13 Zaštita kabelskog radijalnog voda u uzemljenoj mreži SN
SN
P P
U pom ///
/ Blokada
DC/DC
Nestanak napona napajanja
I>> I>
Signalizacija nadstrujne zaštite
Io>, t APU
U pom
DC/DC
Nestanak napona napajanja
///
I>> I>
Signalizacija nadstrujne zaštite
//
Signalizacija zemljospojne zaštite Konačni isklop
//
Automatski ponovni uklop
/ /
/
IR UST
I>
/
IT URS
I>
Io>, t
Signalizacija usmjerene nadstrujne zaštite Signalizacija usmjerene zemljospojne zaštite
Isključenje prekidača P
Isključenje prekidača P
Slika 2.14 Zaštita nadzemnog radijalnog voda u uzemljenoj mreži
Slika 2.15 Zaštita voda u uzamčenoj uzemljenoj srednjenaponskoj mreži
6
Razlika izmeñu rješenja na slikama 2.11 i 2.12 se očituje u primjeni ureñaja za automatsko ponovno uključenje nadzemnog SN voda kod kojeg je moguća pojava prolaznog kvara, za razliku od kabelskog voda. SN
P
U pom
SN DC/DC AC/DC
Nestanak napona napajanja Signalizacija kvara releja
///
I>,>>
t/k
Nadstrujna zaštita Lokalna komunikacija (RS232)
///
I>,>>
t/k
Nadstrujna zaštita Lokalna komunikacija (RS232)
/
Io>,>>
t/k
Zemljospojna zaštita Daljinska komunikacija (RS485)
/
Io>,>>
t/k
Zemljospojna zaštita Daljinska komunikacija (RS485)
t
Usmjerena zemljospojna zaštita Uključenje prekidača
Io cos ϕ
t
Usmjerena zemljospojna zaštita Uključenje prekidača
APU
t
Automatsko ponovno uključenje
APU
t
Automatsko ponovno uključenje
ZZP
t
Zaštita od zatajenja prekidača
ZZP
t
Zaštita od zatajenja prekidača
Io sin ϕ Blokada
P
U pom
Blokada
Slika 2.16 Numerička zaštita nadzemnog radijalnog radijalnog voda u izoliranoj mreži
DC/DC AC/DC
Nestanak napona napajanja Signalizacija kvara releja
Slika 2.17 Numerička zaštita kabelskog voda u uzemljenoj mreži preko otpora
SN
P
U pom
DC/DC AC/DC
Nestanak napona napajanja Signalizacija kvara releja
///
I>,>>
t/k
Nadstrujna zaštita Lokalna komunikacija (RS232)
/
Io>,>>
t/k
Zemljospojna zaštita Daljinska komunikacija (RS485)
/ Blokada
SN
P
///
t
Usmjerena zemljospojna zaštita Uključenje prekidača
APU
t
Automatsko ponovno uključenje
ZZP
t
Zaštita od zatajenja prekidača
Io sin ϕ
U pom
Blokada
Slika 2.18 Numerička zaštita nadzemnog radijalnog radijalnog voda u izoliranoj mreži
DC/DC AC/DC
Nestanak napona napajanja Signalizacija kvara releja
I>,>>
t/k
Nadstrujna zaštita Lokalna komunikacija (RS232)
Io>,>>
t/k
Zemljospojna zaštita Daljinska komunikacija (RS485)
APU
t
Automatsko ponovno uključenje Uključenje prekidača
ZZP
t
Zaštita od zatajenja prekidača
Slika 2.19 Numerička zaštita kabelskog voda u izoliranoj mreži
SN
P
U pom /// / / Blokada
Nestanak napona napajanja Signalizacija kvara releja
DC/DC AC/DC
I>,>> Io>,>>
t/k
Nadstrujna zaštita Lokalna komunikacija (RS232)
t/k
Zemljospojna zaštita Daljinska komunikacija (RS485)
SN
P
t
Usmjerena zemljospojna zaštita Uključenje prekidača
APU
t
Automatsko ponovno uključenje
ZZP
t
Zaštita od zatajenja prekidača
Io cos ϕ
Slika 2.20 Numerička zaštita nadzemnog radijalnog radijalnog voda u uzemljenoj mreži preko otpora
U pom
DC/DC AC/DC
Nestanak napona napajanja Signalizacija kvara releja
///
I>,>>
t/k
Nadstrujna zaštita Lokalna komunikacija (RS232)
/
Io>,>>
t/k
Zemljospojna zaštita Daljinska komunikacija (RS485)
APU
t
Automatsko ponovno uključenje Uključenje prekidača
ZZP
t
Zaštita od zatajenja prekidača
Blokada
Slika 2.21 Numerička zaštita kabelskog voda u uzemljenoj mreži
Selektivna zaštita voda u uzamčenoj uzemljenoj SN mreži moguća je jedino uz primjenu usmjerene nadstrujne zaštite za zaštitu pri višepolnim kvarovima i usmjerene nadstrujne zaštite pri jednopolnim kvarovima (slika 2.15). Selektivnu zaštitu nadzemnih vodova u uzemljenoj (rasprostranjenoj) prigradskoj mreži s velikim brojem otcjepa nije moguće lako ostvariti. Zaštitni ureñaji postoje na početku razgranate mreže (slika 2.22) u SN polju distribucijske stanice. Oni utvrñuju kvar na odreñenoj grani, meñutim, bez dodatnih informacija ne mogu selektivno odrediti vod (otcjep) pogoñen kvarom. Uz pomoć inditatora kvara odreñuje se otcjep koji treba sekcionirati isključenjem linijskog rastavljača u beznaponskoj pauzi ureñaja za APU koji djeluje na prekidač u vodnom polju postrojenja (slika 2.22). Koordinacija djelovanja izvodi se pomoću komunikacijskog radio sustava (s ili bez repetitorskih jedinica).
7
SN
Legenda Nadstrujni relej bez i s trenutnim članom (I> ili I> + I>>)
P1 S
(APU)
Nadstrujni relej na nultu struju (Io>) Usmjereni zemljospojni relej (Qo>) (pojedinačna dojava zemljospoja) Nestanak (faznog) napona (U)
S
ponovno uključenje P1 APU Automatsko (tropolno s jedan ili dva ciklusa)
S
Mjesto sekcioniranja mreže (daljinski upravljani rastavljač) S S
Ureñaj za sekcioniranje mreže (daljinsko upravljanje u el. distribucijskoj mreži) Indikator kvara u mreži
Slika 2.22 Zaštita nadzemnih vodova u uzemljenoj prigradskoj mreži 2.5
Automatsko ponovno uključenje prekidača
Statistička analiza kvarova na nadzemnim vodovima, s obzirom na njihov karakter i trajanje, daje slijedeće rezultate: • • •
Prolazni kvarovi Polutrajni kvarovi Trajni kvarovi
80% 10% 10%
Prolazni kvar je npr. površinski preskok preko izolatora koji se rješava trenutnim isključenjem prekidača, te se po ponovnom uključivanju prekidača, nakon podešenog vremenskog kašnjenja, kvar ne ponavlja. Polutrajni kvar je npr. uzrokovan padom grane drveta na vod. Ovdje se uzrok kvara ne može odstraniti trenutnim isklapanjem prekidača, ali se zato može odstraniti ponavljanjem uklapanja prekidača sve dok se grana ne spali i na taj način kvar otkloni. Očigledna je stoga prednost automatskog ponovnog uklopa (APU) prekidača u vidu skraćivanja vremena prekida opskrbe potrošača električnom energijom. Dodatna je korist mogućnost očuvanja stabilnosti sustava što svoju primjenu nalazi na VN dijelu sustava, tj. prijenosnoj mreži. O problemima vezanim za primjenu shema automatskog ponovnog uklopa može se raspravljati odvojeno o: • •
APU na srednjem naponu, gdje je temeljni cilj neprekidnost opskrbe električnom energijom. APU na visokom naponu, gdje su od presudne važnosti problemi vezani za stabilnost i sinkronizaciju.
2.5.1
APU na srednjem naponu
Prednosti automatskog ponovnog uklopa na srednjenaponskim mrežama su slijedeće: • •
Prekidi opskrbe potrošača svedeni su na najmanju moguću mjeru, a prekid traje tek nekoliko sekundi. To vrijedi samo za prolazne kvarove koji su meñutim prema statistikama i najčešći. Eliminira se trošak koji bi se morao izdvojiti za pogonsko osoblje kao i za vrijeme potrebno za ručni ponovni uklop u transformatorskim stanicama bez ljudske posade.
Na srednjenaponskim zračnim vodovima često se koristi višekratni APU prekidača. Najčešće je to dvokratni i trokratni APU čija su podešenja: • •
Prvi uklop je vrlo brz. Na taj način se obično “očišti” oko 80% prolaznih kvarova. Drugi uklop se izvodi nakon odreñene vremenske odgode koja se podešava na trajanje od 15 do 45 sekundi (u HEP-u se najčešće podešava na 40 s). Time se “očišti” oko 10% preostalih prolaznih kvarova.
•
Treći uklop se izvodi nakon vremenske odgode podešene na trajanje od 60 do 120 sekundi. Time se “očisti” 2% prolaznih kvarova.
Nakon trećeg uklopa, ako kvar još uvijek nije otklonjen, ureñaj za automatski ponovni uklop se blokira.
8
2.5.2
APU na visokom naponu i APU na srednjenaponskoj uzamčenoj mreži
U svim shemama koje se koriste na većini prijenosnih vodova rabi se vrlo brzi, jednokratni automatski ponovni uklopi, što znači da se nastoji samo jednom očistiti kvar i zadržati vod u pogonu. Razlog tome su jačine kvarova na tim naponskim razinama koje su vrlo visoke, pa osim velikih naprezanja koje prekidač mora pritom podnijeti, udarac za sustav, te opasnost od ispada generatora iz sinkronizma što vodi u nestabilnost, progresivno rastu u višekratnim shemama. Uspješna primjena vrlo brzog jednokratnog automatskog ponovnog uklopa na visokonaponskom spojnom vodu koji povezuje dva sinkrona sustava, ovisi o slijedećim čimbenicima: •
Maksimalnom vremenu dozvoljenom od strane sustava za isklapanje ili uklapanje prekidača na svakom kraju spojnog voda prije nego što ta dva sustava ispadnu iz sinkronizma i doñu u nestabilnost. Brzini uklapanja i isklapanja prekidača. Vjerojatnosti da će da će prolazni kvar dozvoliti vrlo brzi APU na spojnom vodu bez ponovnog javljanja kvara. Vremenu koje mora biti osigurano kako bi se staza luka deionizirala da ne bi došlo do njegovog ponovnog paljenja pri ponovnom uklapanju prekidača na spojnom vodu u kvaru. Tipične vrijednosti vremena deionizacije luka za različite naponske razine elektroenergetskih vodova su:
• • •
Nazivni napon (kV) Vrijeme deionizacije (s)
10 0,04
20 0,05
35 0,07
66 0,10
110 0,145
132 0,17
220 0,28
400 0,50
U praksi se obično radi kompromis izmeñu ovih suprotnih zahtjeva tako da ne bi došlo do gubitka stabilnosti, te da vrijeme prekida opskrbe potrošača bude što kraće. Istina je da je neuspješan ponovni uklop više štetan za sustav nego da je ponovno uklapanje izostalo. Zaštita na oba kraja štićenog spojnog voda mora biti vrlo brza. To nije moguće ostvariti konvencionalnim shemama distantne zaštite s tri stupnja. Potrebno je ostvariti komunikacijsku vezu izmeñu releja na oba kraja štićenog voda tako da kvarovi budu očišćeni na oba kraja trenutno i istovremeno. Vrijeme ponovnog uklopa se općenito definira kao vrijeme potrebno da prekidač isklopi i ponovno uklopi vod te se mjeri od trenutka uzbuñivanja isklopne opruge prekidača do trenutka kad kontakti prekidača obnove krug preko spojnog voda. Vrijeme ponovnog uklopa obuhvaća vrijeme potrebno za samo isključenje prekidača i vrijeme potrebno za deionizaciju (tzv. mrtvo vrijeme). 2.6
Zaštita srednjenaponskih sabirnica
Sabirnice transformatorskih postrojenja u vrlo važan element elektroenergetskog sustava. Kvarovi na sabirnicama nisu tako rijetki kao što se obično smatra, posebno na srednjenaponskim sabirnicama. Najčešći uzroci kvarova su proboji izolacije naponskih mjernih transformatora, preskoci na samoj izolaciji sabirnica ili aparata priključenih na njih, visoka mehanička naprezanja, neodgovarajući spojni materijal, te premoštenja izolacije koja izazivaju životinje (ptice, glodavci, kune, mačke i sl.). Kvarovi na sabirnicama praćeni su vrlo velikim strujama kratkog spoja koje izazivaju teška razaranja na mjestu nastanka kvara, ukoliko se struja kvara brzo ne prekine. Bez primjene posebne zaštite kvarovi na sabirnicama se otklanjaju djelovanjem, naprimjer, nadstrujne zaštite u susjednim postrojenjima (slika 2.23). Na slici 2.24 je prikazana mogućnost rješenja zaštite srednjenaponskih sabirnica pomoću nadstrujnih releja transformatora i odvoda. Prednost ovakvog rješenja je u jednostavnosti i korištenju postojećih zaštita. Uvjet je postojanje nadstrujnog poticajnog člana s trenutnim djelovanjem (kontaktom) i nadstrujnog člana s vremenskim usporenjem djelovanja, odnosno primjena numeričkih releja. Na ovaj način se postiže relativno brza zaštita SN sabirnica. Da bi se izbjeglo vremensko usporenje djelovanja opisanih sabirničkih zaštita, moguće je primijeniti diferencijalnu zaštitu. Meñutim, diferencijalne zaštite srednjenaponskih sabirnica su vrlo skupe i složene zbog velikog broja dovoda i odvoda sa SN sabirnica, te sekcioniranja i udvostručenja sabirnica. Zbog toga se ovakva vrsta zaštite koristi samo za zaštitu visokonaponskih sabirnica, pa se prema tome neće dalje razmatrati.
9
VN
I> I>> B
A
C
T
Blokada
I>, t 1 I>, t 2
SN t
t 1 = t 2+ dt
(2 - 4 s)
I> I>>
t2
I> I>>
l
Slika 2.23 Zaštita sabirnica nadstrujnim relejima u susjednim postrojenjima
2.7
Sl. 2.24 Nadstrujna zaštita SN sabirnica
Zaštita od otkaza prekidača
Zaštita od otkaza prekidača (ZZP) je zaštitna zadaća koja, u kombinaciji s djelovanjem ostalih zaštitih funkcija numeričkog releja, djeluje pri zatajenju prekidača. Ukoliko traje pobuda zaštite, tj. prekidač nije prekinuo struju kvara nakon djelovanja releja za isključenje prekidača, zaštita od otkaza prekidača djeluje nakon podešenog vremena na izlazni relej, preko kojeg se djeluje na rezervni isklopni svitak prekidača ili na prekidač dovodnog voda. 2.8
Zaštita visokonaponskih motora
U Hrvatskoj elektroprivredi i industriji do sada je ugrañeno nekoliko tipova numeričkih motorskih zaštitnih releja. Svi releji imaju mogućnost daljinske komunikacije, ali se ona u većini slučajeva ne koristi jer u postrojenjima u kojima su ugrañeni ne postoje nikakvi nadzorni sustavi u koje bi se mogli ovi releji uključiti s punim iskorištenjem njihovih funkcija. Zaštitne zadaće releja za zaštitu visokonaponskih motora najčešće su: •
• • •
• • • • • • •
3.
Zaštita od preopterećenja (na bazi najveće struje triju faza ili složene struje od direktne i inverzne komponente) kod koje se primjenjuju dvije termičke karakteristike, jedna koja normalno prati kratkotrajna i dugotrajna preopterećenja i druga koja prati termičku povjest, te jedna vremenska konstanta zagrijavanja i jedna vremenska konstanta hlañenja za stanje mirovanja motora. Nadzor termičkog stanja motora, u postocima maksimalnog dozvoljenog, s dva stupnja, jedan za blokadu idućeg pokretanja motora, a drugi za alarm. Kratkospojna zaštita sa strujno nezavisnom vremenskom karakteristikom prorade. Zaštita od nesimetrije u faznim strujama, zaštita od nestanka faze i zaštita od krivog redosljeda faza (na bazi razlike minimalne i maksimalne vrijednosti faznih struja ili inverzne komponente struje) imaju strujno ovisnu vremensku karakteristiku prorade. Zemljospojna strujna zaštita sa strujno nezavisnom vremenskom karakteristikom prorade. Zaštita od predugog zaleta na bazi I2*t ili nadstrujne zaštite sa strujno nezavisnom vremenskom karakteristikom. Zaštita od kočenja rotora tijekom rada motora. Vanjski nalog za isklop (od podnaponske ili podfrekvencijske zaštite). Podstrujna zaštita. Ograničenje ukupnog trajanja pokretanja unutar odreñenog vremena. Mogućnost blokiranja termičke karakteristike da bi se omogučio start nekih motora.
RELEJNA ZAŠTITA U UZEMLJENOJ SREDNJENAPONSKOJ MREŽI
Tehničkim propisima [9] odreñene su granične kapacitivne struje zemljospoja distribucijskih mreža do kojih se tolerira pogon s izoliranom neutralnom točkom pojnih transformatorskih stanica. Kada kapacitivna struja zemljospoja premaši najveći dozvoljeni iznos, preporuča se prelazak na rad s uzemljenom neutralnom točkom.
10
Transformatorske stanice 110/35 kV i 35/10 kV koje napajaju distribucijsku mrežu Hrvatske, u pogonu su uglavnom s dva transformatora kojima je neutralna točka uzemljena po shemi jedan otpornik po transformatorskoj stanici. Primjenom navedenog rješenja uzemljenja neutralne točke distribucijske mreže, te primjenom tipskog rješenja zaštite [10] maloomskog otpornika, može doći do pogrešne prorade zaštite otpornika prilikom uključenja transformatora u paralelni pogon. Posljedica pogrešnih prorada zaštite u pravilu je isključenje svih transformatora uključenih na iste sabirnice pa dolazi do prekida napajanja cijele distribucijske mreže. Pogrešne prorade zaštite navode na drugi uzrok ispada što dodatno otežava pogonskom osoblju brzu uspostavu napajanja potrošača. Uključenje transformatora u paralelan rad je uobičajeni pogonski dogadaj koji se provodi u doba većih opterećenja s ciljem povećanja sigurnosti napajanja i prilikom redovnih godišnjih održavanja. Takav pogonski manevar ne smije dovesti do bilo kakvog pogrešnog isključenja uslijed prorade zaštite. Predloženo je rješenje zaštite otpornika primjenom digitalnih releja koji objedinjuju više zaštitnih funkcija u jednom ureñaju čime se postiže kvalitetna zaštita otpornika koja pravilnim parametriranjem u potpunosti onemogućava pogrešne prorade zaštite. 3.1
Uzemljenje neutralne točke distribucijske mreže
Način uzemljenja neutralne točke distribucijskih mreža je osnovni problem koji prouzrokuje niz tehničkih i ekonomskih rješenja elektroenergetskog sustava koja imaju veliku ulogu u osiguranju kvalite tnog pogona tih mreža. Nema jedinstvenog rješenja tog problema već postoji raznolikost pristupa u raznim zemljama, odnosno elektroprivrednim organizacijama. Prema postojećim propisima u Hrvatskoj [9], srednjenaponske mreže mogu raditi s izoliranom neutralnom točkom uz uvjet da kapacitivne struje zemljospoja ne prelaze vrijednosti prema tablici 2.1: Tablica 3.1. Granične vrijednosti dozvoljene kapacitivne struje Nazivni napon mreže Un (kV) 10 20 35 (30)
Kapacitivna struja Ic (A) 20 15 10
U slučaju da kapacitivne struje prelaze navedene veličine, preporuča se razdvajanje mreža ili uzemljenje neutralne točke. Osim veličine kapacitivne struje, u 20 kV mrežama postoji i dodatni kriterij koji uvjetuje provedbu uzemljenja. Naime, ako se 10 kV oprema koristi u pogonu pod naponom 20 kV, tada je nužno provesti uzemljenje zvjezdišta radi smanjivanja razine unutrašnjih prenapona. Neutralna točka u pojnoj transformatorskoj stanici može se uzemljiti na razne načine. U Hrvatskoj elektroprivredi je zasad je usvojeno tehničko rješenje uzemljenja preko otpornika. Zbog toga će se u nastavku razmatrati samo ovakav način uzemljenja. Uzemljenjem neutralne točke distribucijskih mreža posredstvom otpornika postižu se sljedeće prednosti: • • • • •
smanjenje razine unutrašnjih prenapona, smanjenje opasnosti od pojave visokih intermitirajućih prenapona, smanjenje pojave dvostrukih zemljospojeva, brzo i selektivno djelovanje zaštite od jednopolnih kvarova, mogućnost ugradnje sustava za automatski ponovni uklop vodova.
U distribucijskim mrežama 35(30) kV redovito nema problema s provedbom uzemljenja neutralne točke. To je iz razloga što za 35 kV-ne mreže propisi ne zahtijevaju održanje odreñene razine potencijala na uzemljivaču, a naponi dodira unutar i u okolini TS 110/35 kV i TS 35/10 kV mogu se jednostavno održati u propisanim granicama. Distribucijska mreža 35(30) kV je u pogonu s uzemljenom neutralnom točkom na cijelom teritoriju Hrvatske. Pogonska iskustva uglavnom su pozitivna. Distribucijske 10(20) kV mreže u Hrvatskoj većim dijelom su u pogonu s izoliranom neutralnom točkom. Provedba uzemljenja distribucijske 10(20) kV mreže je nezadovoljavajuće. Razloge treba tražiti u teškim uvjetima uzemljenja, odnosno u visokim naponima dodira kod potrošača i transformatorskih stanica 10(20)/0,4 kV. Tehnički propisi, na toj naponskoj razini, definiraju apsolutne iznose potencijala koji se, u ovisnosti o vremenu isklapanja, smiju pojaviti na uzemljivačima TS 20(10)/0,4 kV. Pri izboru struje u prvom redu treba zadovoljiti kriterije sigurnosti u mreži 0,4 kV uvažavajući pri tome način izvoñenja uzemljenja (združeno, odvojeno) i primjenu zaštite.
11
3.2
Izbor veličine otpornika za uzemljenje neutralne točke
Prilikom izbora veličine otpornika za uzemljenje neutralne točke distribucijske mreže potrebno je uzeti u obzir dva osnovna kriterija: • •
naponi dodira na uzemljivačima trebaju biti u dozvoljenim granicama, smanjenje unutrašnjih prenapona.
Izbor nazivne struje otpornika (IR) prvenstveno ovisi o tehnoekonomskim mgućnostima ispunjavanja uvjeta bezopasnosti u distribucijskim postrojenjima i kod potrošača. Preporuča se izbor nazivne struje otpornika [13] uz uvažavanje kriterija: IR ≥ 3 I C
(3.1)
Ispunjavanjem gornjeg uvjeta ostvaruje se niskoomsko uzemljenje neutralne točke distribucijske mreže. U teškim uvjetima uzemljenja, uz nemogućnost ispunjavanja kriterija (3.1) uz prihvatljive troškove preporuča se izbor nazivne struje otpornika koja zadovoljava kriterij: IR ≥ 1,5 IC
(3.2)
Ispunjavanjem navedenog uvjeta ostvaruje se visokoomsko uzemljenje neutralne točke. Struja jednopolnog kvara u bilo kojoj točki mreže 10(20) kV računa se: I1 = ( I1R2 + IC2 )0,5 I1R - radna komponenta struje jednopolnog kratkog spoja IC - kapacitivna struja zemljospoja
(3.3)
Sa stanovišta unutrašnjih prenapona dosadašnje analize provedene pomoću računala daju pozitivne rezultate za oba kriterija (3.1) i (3.2). Naime obzirom da podnosivi koeficijent prenapona za novu izolacijsku opremu iznosi: k = 4,04 za Un = 10 kV k = 3,61 za Un = 20 kV Faktori unutrašnjih prenapona ne prelaze vrijednost k =2,5. Prema tome, u potpunosti je ispunjen kriterij smanjenja unutrašnjih prenapona. Mogućnost provedbe kriterija (3.1) i (3.2), uvažavajući kriterij visine napona dodira, u mreži 35 kV je neupitna, meñutim u mreži 10(20) kV ovisi o sljedećim uvjetima: • • •
specifičnom otporu tla, vrsti priključene mreže (kabelska, nadzemna, mješovita), visini kapacitivne struje zemljospoja.
Viša kapacitivna struja i viši specifični otpor tla uvjetuju visoke troškove poboljšanja uzemljivača TS 10(20)/0,4 kV. Ukoliko su uvjeti uzemljenja takvi da se uz razumne troškove ne mogu provesti niti niskoomsko, niti visokoomsko uzemljenje zvjezdišta, tada treba koristiti kombinirani sustav zasnovan na upotrebi kompenzacijske prigušnice i otpornika. Tipizirane karakteristike otpornika za provedbu uzemljenja zvjezdišta u distribucijskoj mreži su prikazane u tablici 3.2. 3.3
Osnovne karakteristike otpornika
Uzemljenje neutralne točke distribucijske mreže Hrvatske elektroprivrede provodi se uglavnom metalnim otpornicima. Osnovne karakteristike metalnih otpornika sadržane su u zahtjevu da oni moraju biti tako projektirani da podnose visoke nazivne struje na visokim temperaturama s relativno malom promjenom nazivnog otpora [11]. Otpornici za uzemljenje moraju apsorbirati veliku energiju za kratko vrijeme. Obzirom na uvjete smještaja to se postiže korištenjem materijala s velikim specifičnim otporom i što većim presjekom kako bi se dobio veliki toplinski kapacitet.
12
Tablica 3.2 Tipizirane vrijednosti metalnih otpornika za uzemljenje neutralne točke mreže Nazivni napon mreže Un (kV)
Nazivni napon otpornika Un (kV)
35 (30)
21 (18)
20
12
10
6
Nazivni otpor otpornika R (Ω) 21 70 40 80 20 40
Nazivna struja In (A) t = 5 sek 1000 300 300 150 300 150
Dopuštena struja I (A) t = 10 min 20 20 20 20 20 20
Dopuštena trajna struja I (A) 5 5 5 5 5 5
Za vrijeme jednopolnog kvara u mreži kroz otpornik teče znatna struja, tako da se velik dio električne energije pretvara u toplinsku energiju. Otpornik treba tako dimenzionirati da se previše ne zagrije kako ne bi došlo do velike promjene otpora, a uslijed toga i promjene struje jednopolnog kvara. Navedene karakteristike su ujedno osnovni parametri prema kojima je potrebno izvršiti odabir i podešenje relejne zaštite. 3.4
Izbor jednopolne sheme
Prilikom odreñivanja jednopolne sheme, kojom će se provesti uzemljenje neutralnih točaka energetskih transformatora, potrebno je analizirati sljedeće činjenice: • • • • •
dostupnost neutralne točke zbog različitih grupa spoja transformatora, način pogona transformatora (paralelni rad, odvojeni rad), pogonske osobine pojedine jednopolne sheme, dosadašnja iskustva s uzemljenim pogonom, cijena opreme glavnog postrojenja.
U pogonu se nalaze transformatori različitih grupa spojeva (Yy0d5, Dy5, Yd5). Iz razloga sigurnosti i efikasnosti, pogon je uglavnom s paralelnim radom transformatora. Analizirajući navedene činjenice za sve distribucijske transformatorske stanice proizlazi da su moguće dvije različite sheme uzemljenja: • •
jednopolna shema s dostupnom neutralnom točkom transformatora, jednopolna shema s nedostupnom neutralnom točkom transformatora.
3.4.1
Jednopolna shema s dostupnom neutralnom točkom
U transformatorskim stanicama s više transformatora gdje je dostupna neutralna točka transformatora, moguće su dvije sheme uzemljenja neutralne točke: • •
jedan otpornik po transformatoru, jedan otpornik po transformatorskoj stanici.
Shema (slika. 3.1) jedan otpornik po transformatoru je jednostavna i pregledna, a uvjeti rada relejne zaštite su jednoznacno odreñeni. Nedostatak ove sheme je da nije moguć prijelaz s odvojenog rada u paralelni i obratno. Shema (slika 3.2) jedan otpornik po transformatorskoj stanici je jeftinija, a u pogonu omogućuje prijelaz s paralelnog rada na odvojeni. Nedostatak sheme je da nije pregledna i teže je održavanje otpornika. Razmatrajući sve uvjete pogona u distribuciji Hrvatske je usvojeno sljedeće: Kod uzemljenja neutralne točke mreže 35 kV, u TS 110/35 kV u pravilu se primjenjuje shema "jedan otpornik po transformatorskoj stanici". Grupa spoja transformatora je Yynd5. Pogon mreže je uglavnom s paralelnim radom transformatora. Kod uzemljenja neutralne točke mreža 20 (10) kV u TS 110/20(10) kV u pravilu se primjenjuje shema "jedan otpornik po transformatoru". Grupa spoja transformatora je Yyn. Pogon mreže je odvojen. Kod uzemljenja neutralne točke mreža 20(10) kV, u TS 35/20(10) kV u pravilu se primjenjuje shema "jedan otpornik po transformatorskoj stanici". Grupa spoja transformatora je Dy5. Pogon mreže je uglavnom u paraleli.
13
Slika 3.1 Uzemljenje neutralne točke SN mreže po shemi jedan otpornik po TR
3.4.2
Slika 3.2 Uzemljenje neutralne točke SN mreže po shemi jedan otpornik po TS
Jednopolna shema s nedostupnom neutralnom točkom
U transformatorskim stanicama s jednim ili više transformatora gdje nije dostupna neutralna točka transformatora, uzemljenje mreže se izvodi formiranjem umjetne neutralne točke preko posebnog transformatora za uzemljenje, s niskom nultom impedancijom. Uzemljenje posredstvom transformatora za uzemljenje se koristi u sljedećim postrojenjima: • • •
Pri uzemljenju neutralne točke mreža 10 kV, u TS 110/35/10 kV (korištenje tercijara transformatora). Grupa spoja transformatora je Yynd5. Pri uzemljenju neutralne točke mreža 10(20) kV u TS 110/20(10) kV. Grupa spoja transformatora je Yd5. Pri uzemljenju neutralne točke mreža 20(10) kV, u TS 35/20(10) kV. Grupa spoja transformatora je Yd5.
Transformator za uzemljenje može biti jednonamotni i dvonamotni. Jednonamotni imaju samo funkciju oblikovanja umjetne nul točke, dok dvonamotni može služiti i kao transformatoru za napajanje vlastite potrošnje u TS. Kod odabira sheme uzemljenja moguće su varijante: • • •
uzemljenje posredstvom jednog transformatora za uzemljenje, uzemljenje posredstvom dva transformatora za uzemljenje sa zajedničkim otpornikom, uzemljenje posredstvom dva transformatora za uzemljenje sa zasebnim otpornicima.
U distribucijskoj mreži najčešće se koristi uzemljenje zvjezdišta preko dvonamotnih transformatora koji se koriste i za kućnu potrošnju. Usvojene su sljedeće sheme uzemljenja: •
• 3.5
U transformatorskim stanicama 110/35/10 kV gdje se uzemljuje zvjezdište 10 kV koristi se sve tri navedene sheme. Meñutim to je samo prijelazno stanje jer je iz pogonskih razloga usvojena koncepcija s dva kućna transformatora i dva otpornika. Ova koncepcija je usvojena i za transformatorske stanice 110/20 kV. U transformatorskim stanicama 35/10(20) kV koristi se isključivo shema jedan kućni transformator s jednim otpornikom. Relejna zaštita u mrežama s uzemljenom neutralnom točkom preko otpornika
Osnovni parametri koji utječu na izbor relejne zaštite su stanje neutralne točke i konfiguracija mreže. Promjena tih parametara zahtijeva promjenu ili bar nadopunu postojeće zaštite. Način uzemljenja mreže ne utječe na izbor i podešenje zaštite od meñufaznih kvarova i ona je ista u mrežama s izoliranom i uzemljenom neutralnom točkom. U nastavku izložit će se izbor i podešenje zaštite od jednopolnog kvara u srednjenaponskim mrežama s uzemljenom neutralnom točkom preko otpornika. 3.6
Kratki prikaz osnovnih kriterija za izbor relejne zaštite od jednopolnih kvarova
Kvalitetna zaštita, automatika i signalizacija bitno utječu na pouzdanost isporuke električne energije. Odabir iste izvodi se na osnovu kriterija, a koji se prvenstveno odnose na prilike u mreži pri jednopolnom kvaru u uzemljenoj mreži i karakteristikama otpornika za uzemljenje. Osnovni kriteriji za izbor i podešenje zaštite su:
14
• • • • •
prijelazni otpor na mjestu kvara, utjecaj struje zdravog voda, termičke karakteristike otpornika za uzemljenje, minimalne struje strujnih transformatora, veličina nultog napona.
3.6.1
Utjecaj prijelaznog otpora na mjestu kvara na struju jednopolnog kratkog spoja
Budući da prijelazni otpor na mjestu kvara utječe na rad zaštite, razmatrat će se veličina tog otpora [13]. U kabelskim mrežama prijelazni otpori u pravilu su niski i ne utječu bitno na osjetljivost zaštite od jednopolnog kratkog spoja. Kod nadzemnih mreža mogu se očekivati pojave većih prijelaznih otpora. Ovdje do jednopolnih kratkih spojeva dolazi najčešće preko električnog luka koji se uspostavlja izmeñu faznog vodiča i stupa kao posljedica prenapona i zaprljanosti ili oštećenja izolatora. Visoki prijelazni otpori nastaju i pri padu vodiča na zemlju. Na osnovu dosadašnjih istraživanja karakteristika luka, u mrežama s uzemljenom neutralnom točkom, vrijednost otpornosti luka je u pravilu manja od impedancije uzemljenja, te su takvi kvarovi za rad zaštite visokoomski. Pri kvarovima uzrokovanih padom vodiča postoji mogućnost pojave visokoomskih kvarova, kao što su naprimjer dodir granja, kvarovi na drvenim stupovima i pad vodiča na kamenito tlo. Navedena skupina visokoomskih kvarova koji se moraju isklopiti, postavljaju oštre zahtjeve na osjetljivost zaštite. Statistički podaci analize pogona Francuske elektroprivrede na ukupno 6000 registriranih kvarova prema zemlji, s otpornošću manjom od 100 Ω bilo je 82%, s otpornošću od 100 do 200 Ω bilo je oko 2% i 1% kvarova s otpornošću od 300 Ω. Ni u jednom slučaju nije bilo iznad 600 Ω [6]. 3.6.2
Utjecaj struje zdravog voda
Pri jednopolnom kvaru teku kapacitivne struje ne samo po vodu u kvaru već i u zdravim vodovima. Karakteristika ovih struja je da im je smjer prema sabirnicama i da im je veličina proporcionalna kapacitetu zdrave dionice. U nadzemnim distribucijskim vodovima kapacitivne struje su male i kreću se u granicama od 0,03 – 0,08 A/km, pa unatoč relativno dugih dionica ne mogu utjecati na rad zaštite. U kabelskoj mreži te struje dostižu znatne vrijednosti (tablica 3.3), te se moraju uzeti u obzir pri proračunu podešenja zaštite. Tablica 3.3 Vrijednosti maksimalnih kapacitivnih struja u distrubicijskim mrežama Vrsta odvoda / izolacija Napon (kV) Presjek (mm2) 3I0c (A/km)
Nadzemni vod / zrak 10 20 35 95 95 95 0,03 0,08 0,105
10 150 1,69
Kabel / papir 20 35 150 150 3,81 5,65
10 150 1,36
Kabel / PVC 20 35 150 150 2,8 3,4
Za podešenje zaštite na zdravim vodovima korištenjem neusmjerenih releja koristi se izraz: (3.4) Ir = Ioc ( ks / ( kp ⋅ pi )) gdje je: Ir - struja podešenja releja, Ioc - kapacitivna struja zdravog odvoda, ks - koeficijent sigurnosti (1,2), kp − povratni koeficijent releja, pi - prijenosni omjer strujnih transformatora. Zbog prijelazne komponente struje, koja traje 10 – 15 ms potrebno je djelovanje releja odgoditi minimalno 0,1 s. Veća osjetljivost se može postići primjenom usmjerene zaštite od jednopolnog kratkog spoja. 3.6.3
Utjecaj termičkih karakteristika otpornika za uzemljenje
Otpornik mora biti u stanju da podnese bez oštećenja i prijevremenog starenja, pri temperaturi okolnog zraka, neograničen broj ciklusa rada pri jednopolnim kvarovima prema zemlji. Maksimalna stacionarna struja koja teče kroz otpornik pri jednopolnom kvaru ovisna je o otporu kvara. Struja koja teče trajno kroz otpornik pri bilo kojem jednopolnom kvaru mjerodavna je za termičko naprezanje otpornika. Karakteristične veličine otpornika su: • • •
dopuštena struja u trajanju 5 s, In = 150 - 300 A, deset minutna dozvoljena struja I10 = 20 A, trajna struja Itr= 5 A.
Navedene veličine su strujne i vremenske granice kojih se treba pridržavati prilikom odabira i podešenja zaštite. 3.6.4
Minimalna struja strujnih transformatora
Struje nesimetrije u sumarnom krugu triju strujnih transformatora uvjetovane su nelinearnim i neidentičnim karakteristikama magnetiziranja strujnih transformatora i nesimetrijama u primarnoj struji. Strujna greška može
15
biti dosta velika pri kratkim spojevima u mreži. Zaštita treba biti podešena iznad tih struja i u praksi se obično računa da podešenje mora zadovoljiti uvjet: Ipr ≥ ks Ins ≥ 0,06 ks In
(3.5)
gdje je:Ins = kns In - struja nesimetrije strujnih transformatora, kns - koeficijent nesimetrije – u praksi je usvojena maksimalna vrijednost kns = 0,06, In - nazivna struja strujnog mjernog transformatora, ks - koeficijent sigurnosti (1,2). Pri priključku zaštite na obuhvatni transformator problem minimalnog strujnog podešenja s ovog gledišta ne postoji. Struja djelovanja releja potpuno je nezavisna od struje opterećenja, te se može priključiti osjetljiviji relej. 3.6.5
Veličina nultog napona
Nulta komponenta napona mjeri se na otvorenom trokutu triju naponskih transformatora. Proradni napon naponskog odnosno vatmetarskog releja mora biti veći od ukupnog nultog napona koji se pojavljuje kada je mreža bez kvara. Taj napon se odreñuje mjerenjem. U praksi iznosi oko 5 V. Nulti napon se u mrežama s uzemljenom neutralnom točkom uglavnom koristi za signalizaciju zemnog spoja na sabirnicama. 3.7
Zaštita otpornika za uzemljenje neutralne točke
Relejna zaštita otpornika za uzemljenje neutralne točke distribucijske mreže ima zadatak da štiti otpornik od kvara i nedozvoljenog preopterećenja. Istodobno, to je osnovna zaštita sabirnica i rezervna zaštita vodova od jednopolnih kvarova. Tipsko rješenje relejne zaštite [10], u shemi uzemljenja neutralne točke jedan otpornik po TS, prikazano je na slici 2.2. Navedeno rješenje je primijenjeno u gotovo svim TS 110/35 kV Hrvatske distribucije. To je iz razloga što su u svim navedenim transformatorskim stanicama instalirani tipski transformatori grupe spoja YnYn0d5. Isto rješenje zaštite je primijenjeno i u TS 35/10(20) kV s dostupnom neutralnom točkom [6]. Zaštita otpornika, rezervna zaštita SN vodova i zaštita sabirnica realizira se nadstrujnim relejem s vremenskim zatezanjem. Relej se spaja u krug neutralna točka – otpornik. Tipizacijom rješenja, preporuka za strujno i vremensko podešenje navedene zaštite je sljedeća: I0 > t
20 % više od 10 minutne dopuštene struje otpornika vrijeme isključenja prekidača odabire se 0,5 s iznad najdužeg vremenskog usporenja zaštite na vodovima
Zaštita od premoštenja otpornika realizira se primjenom nadstrujnog releja s vremenskim zatezanjem. Preporuka za strujno i vremensko podešenje ove zaštite je: I>> t
20 % više od nazivne struje otpornika vrijeme isključenja prekidača odabire se od 40 ms – 0,5 s
Zaštita od visokomskog kvara realizirana je nadstrujnim relejem u kombinaciji s vremenskim relejima. Spaja se na strujni transformator koji može biti ispred ili iza otpornika. Podešenje navedene zaštite je u dva stupnja i to: Prvi stupanj Ivk1> t Drugi stupanj Ivk> t
trajno dozvoljena struja otpornika relej radi na signalizaciju trajno dozvoljena struja otpornika vrijeme isključenja prekidača 10 minuta
Na slici 3.3 je prikazana zaštita otpornika u uvjetima nedostupne neutralne točke transformatora. U tom slučaju se koristi kućni transformator za formiranje umjetne nul točke. Navedeno je jedno od tipskih rješenja u distribucijskoj mreži Hrvatske. Kod ovog rješenja uzemljenja, zaštita od premoštenja, zaštita otpornika, rezervna zaštita vodova i zaštita sabirnica spajaju se na strujne transformatore na primaru kućnog transformatora. Zaštita od visokoomskog kvara se spaja u krug otpornik – neutralna točka. Podešenja relejne zaštite su ista kao u shemi s dostupnom neutralnom točkom. Zaštitu kućnog transformatora od kratkog spoja i jednopolnog kvara obavlja gore navedena zaštita otpornika.
16
Slika 3.3 Zaštita otpornika u shemi uzemljenja preko otpornika primjenom umjetne nul tocke. 4.
UKLJUČENJE TRANSFORMATORA NA MREŽU
4.1
Općenito o struji uključenja
Uspostavljanje bilo kakvog pogonskog stanja transformatora ne može se dogoditi trenutno, već mora trajati neko vrijeme. Prelazak iz jednog radnog stanja u drugo predstavlja prijelaznu pojavu. Uključenjem transformatora na mrežu pod naponom dolazi do prijelazne pojave pri kojoj struja magnetiziranja, odnosno struja uključenja, može porasti na višestruko veću vrijednost od nazivne struje transformatora [12]. Prijelazna pojava traje do uspostavljanja stacionarnog stanja pri kojem struja magnetiziranja iznosi svega nekoliko postotaka vrijednosti nazivne struje malih transformatora, odnosno nekoliko promila nazivne struje velikih transformatora. Struja uključenja može izazvati niz neugodnosti u mreži kao što su: • • • •
pogrešno djelovanje zaštitnih ureñaja, utjecaj na druge transformatore priključene na iste sabirnice, povećanje buke transformatora uslijed velikog iznosa struje, pojava padova napona u mreži (i do 20%).
Prijelazna pojava u transformatoru sastoji se iz električkih i magnetskih veličina koje ne postoje u stacionarnom stanju. Potrebno je poznavati osnovne prijelazne pojave kako bi se izvršio pravilan odabir i podešenje zaštitnih ureñaja transformatora i mreže. Pri proučavanju prijelazne pojave uključenja transformatora pogodnije je prvo odrediti magnetski tok u magnetskom krugu, a zatim odrediti struju. Objašnjenje navedene pojave razmotrit će se na slučaju uključenja jednofaznog neopterećenog transformatora. Primar transformatora s N zavoja, otpora zavoja R i induktiviteta zavoja L, uključuje se na sinusni napon primarne mreže: u (t) = Um sin (ωt + α)
(4.1)
gdje je α fazni kut koji odreñuje trenutnu vrijednost napona u trenutku uključenja. 4.2
Vrijeme trajanja prijelazne pojave struje uključenja
Trajanje prijelazne pojave struje uključenja transformatora se mjeri vremenom τ 50 potrebnim da se njena amplituda smanji na polovicu. Vrijeme τ 50 raste sa snagom transformatora. Udarna struja uključenja obično se izražava kao višekratnik amplitude nazivne struje, koji opada s povećanjem snage transformatora. Mjerene vrijednosti iznosa višekratnika struje uključenja Iuklj/In (Iuklj – tjemena vrijednost struje uključenja transformatora, In – nazivna struja transformatora) i vremena trajanja τ 50 navedeni su u tablici 4.1 [6].
17
Tablica 4.1 Maksimalne vrijednosti i vremenske konstante struje uključenja za različite transformatore Sn (kVA) Iuklj /In τ 50 (s) 4.3
500 15 0,16
1000 14 0,2
5000 10 1,2
10000 10 5
50000 9 72
Uključenje transformatora na sabirnice s već priključenim transformatorima
Uključenjem transformatora na sabirnice na koje su već priključeni ostali transformatori, može se pojaviti uzajamno djelovanje svih transformatora na istim sabirnicama. Ova pojava uzrokuje produženo trajanje prijelazne pojave uključenja uz povećanu buku svih transformatora u pogonu. Ako se jednofazni transformator T2 uključuje u prazni hod na sabirnice na koje je već priključen jednofazni transformator T1 u pojavu se uključuje i transformator T1 i svojim karakteristikama značajno doprinosi toku pojave. Struja uključenja sada traje znatno duže, a buka oba transformatora pokazuje da se u oba transformatora dogaña slična pojava. Fizikalno se pojava može objasniti na sljedeći način [6]. Transformator T2, ovisno o trenutku uključenja, karakteristici magnetiziranja i remanentnom toku diktira iznos i oblik struje uključenja koji dolazi iz izvora. U prvom trenutku ta struja se ne razlikuje od struje uključenja za slučaj kada T1 nije uključen. Istosmjerna komponenta u struji uključenja izaziva na radnom otporu voda i izvora Rv istosmjerni pad napona, koji predmagnetizira transformator T1 suprotno od predmagnetiziranja T2 kojega uzrokuje struja uključenja. Posljedica predmagnetiziranja istosmjernom strujom transformatora T1 je pomak radne točke na njegovoj krivulji magnetiziranja, tako da sada i transformator T1 zahtijeva asimetričnu struju magnetiziranja kao da je on uključivan. Budući da su istosmjerne komponente u strujama magnetiziranja transformatora T1 i T2 suprotnog smjera, te da se struja uključenja transformatora T2 smanjuje tijekom vremena povećava se istosmjerna komponenta struje transformatora T1, istosmjerna struja izvora postaje sve manja. Ona nestaje u trenutku kada se istosmjerne struje kroz transformatore izjednače, tada ostaje kružna istosmjerna komponenta koja opada puno sporije. Uključenjem transformatora vremenska konstanta je odreñena pretežno nelinearnim induktivitetom namota transformatora koji se uključuje i radnim otporom voda i izvora. U slučaju uključenja transformatora T2 u paralelu iz kruga ispadaju vod i izvor, a uključuje se transformator T1, tada, budući da je otpor transformatora mnogo manji od otpora dugih vodova, a da je induktivitet povećan, vremenska konstanta ove prijelazne pojave je višestruko duža. Navedena pojava u praksi je poznata pod nazivom "sympathetic inrush" [1]. 5.
IZBOR I PODEŠENJE RELEJNE ZAŠTITE OTPORNIKA ZA UZEMLJENJE NEUTRALNE TOČKE TRANSFORMATORA
Transformatorske stanice 110/35 kV i 35/10 kV koje napajaju distribucijsku mrežu Hrvatske, u pogonu su uglavnom s dva transformatora kojima je neutralna točka uzemljena po shemi jedan otpornik po TS. Veličina struje i dužina trajanja prijelazne pojave pri uključenju transformatora u paralelan rad transformatora, te veličina otpora na mjestu jednopolnog kratkog spoja, bitni su parametri koji uvjetuju ispravan rad relejne zaštite otpornika. Analizom pogonskih dogañaja otkrivena su pogrešna djelovanja relejne zaštite [6]. Kako bi se izbjegle pogrešne prorade, inženjeri koji se bave relejnom zaštitom iskustveno su povećavali struju i vrijeme prorade zaštite. Povećanjem struje podešenja zaštite smanjuje se osjetljivost na kvarove uslijed jednopolnog kvara preko otpora, što može dovesti do oštećenja otpornika uslijed prekomjernog zagrijavanja. Povećanje vremena trajanja struje uslijed premoštenja otpornika može dovesti do visokih napona dodira u mreži, te do oštećenja uzemljivača naročito ako se radi o strujama od nekoliko kA. Saznanja o karakteristikama otpornika, prilika u mreži pri jednopolnim kvarovima, te pojave prilikom uspostavljanja pogonskih stanja transformatora, navode na drugačiji pristup odabiru zaštite otpornika, a sve s ciljem potpune zaštite otpornika i naravno smanjenja prekida u napajanju potrošača. Za primjer je analiziran maloohmski otpornik proizvoñača "Končar". Iz prospekta proizvoñača [16] dobiva se podatak da je otpornik izgrañen iz elemenata od nehrñajućeg materijala CrNi. Struja jednopolnog kvara u 35 kV mreži ograničena je strujom nazivne vrijednosti 300 A. Struja jednopolnog kvara u 10(20) kV mreži ograničena je strujom 150 A u mješovitoj i 300 A u kabelskoj mreži. 5.1
Primjena inverznih I-t karakteristika za zaštitu otpornika za uzemljenje SN mreže
Današnji digitalni releji sadrže četiri internacionalne standardne inverzne strujnozavisne grupe krivulja. Odnos izmeñu struje i vremena u skladu je sa standardima BS 142 i IEC 255-4 i definiran je izrazom 5.1:
18
(5.1) gdje je: t - vrijeme prorade releja, k - vremenski multiplikator (od 0,05 do 1,00), I - vrijednost struje kvara, I> - podešena proradna vrijednost struje, α i β Konstante ovisne o vrsti karakteristike (tablicai 5.1). Tablica 5.1 Vrijednosti konstanti α i β Grupa strujno vremenskih krivulja Inverzna (Normal inverse) Vrlo inverzna (Very inverse) Ekstremno inverzna (Extremely inverse) Dugotrajno inverzna (Long time inverse)
α 0,02 1,0 2,0 1,0
β 0,14 13,5 80,0 120,0
Slikom 5.1 predočen je primjer izbora inverznih strujno-vremenski zavisnih karakteristika za zaštitu otpornika nazivne struje 300 A [6].
Slika 5.1 Izbor inverznih karakteristika za zaštitu otpornika Zaštita maloomskog otpornika u području vrijednosti struja do 300 A, područje termičke zaštite otpornika, izvedena je dugotrajno inverznom karakteristikom definiranom parametrima k=1 i I=15 A. Vidljivo je da izabrana karakteristika cijelim područjem prati termicku karakteristiku maloomskog otpornika ne dopustivši nedozvoljena preopterećenja istog. Zaštita maloohmskog otpornika u području vrijednosti struja iznad 300 A, zaštita od premoštenja otpornika, izvedena je extremely inverse karakteristikom definiranom parametrima k=0,05 i I=200 A. Vidljivo je da porastom struja kroz otpornik iznad 300 A dolazi do prorada relejne zaštite tim brže što su struje veće. Prilikom izbora karakteristike za zaštitu otpornika od preopterećenja potrebno je obratiti pozornost na selektivnost zaštite u odnosu na zaštitu jednopolnog kratkog spoja u vodnim poljima. 5.2
Primjena numeričkih releja za zaštitu otpornika
Problematiku uključenja energetskog transformatora u paralelan rad, prijelaznih pojava koje nastaju prilikom jednopolnih kvarova u mreži, te visokoomskih kvarova moguće je riješiti primjenom više elektromehanickih ili statickih releja različitih strujnih karakteristika, te različitih strujnih i vremenskih podešenja. Takvo rješenje je prilično skupo. Upotrebom digitalnih releja u kojima je u jednom ureñaju objedinjeno više funkcija moguće je pojednostaviti, a samim time i pojeftiniti rješenje spomenute problematike uz istovremeno smanjenje nepotrebnih prorada zaštite. Digitalne releje moguće je konfigurirati i podesiti tako da se istovremeno koriste inverzno zavisne I-t karakteristike i vremenski nezavisne I-t karakteristike uz istovremeni nadzor uklopnog stanja elemenata elektroenergetskog postrojenja važnih za logiku djelovanja relejne zaštite.
19
Spomenuta problematika riješena je primjenom numeričkih releja za jednu TS 35/10(20) kV ugrañenih na niženaponskoj strani energetskih transformatora, što je prikazano slikom 5.2 [6].
Slika 5.2 Shema spoja numeričkih releja za zaštitu otpornika [6] Numerički releji su istodobno priključeni na strujne mjerne transformatore niženaponske strane energetskih transformatora i u seriju na obuhvatni strujni mjerni transformator u postrojenju maloohmskog otpornika. Releji su konfigurirani tako da isključe pripadajući prekidač energetskog transformatora u ovisnosti o položaju sekcijskog 10(20) kV-nog rastavljača i položaju rastavljača u polju maloohmskog otpornika. Izborom zaštitnih blokova unutar digitalnih releja ostvarene su sljedeće zaštite: •
• •
zaštita od visokoomskog kvara upotrebom I-t vremenski nezavisne (definit time) karakteristike sa strujnim podešenjem 5 A i vremenima: VK1 - 10 sekundi - signalizacija, VK2 - 5 minuta - isključenje pripadnih energetskih transformatora, termička zaštita maloohmskog otpornika upotrebom inverzne I-t karakteristike: long time inverse, k=1 I=15 A (slika 5.1), zaštita od premoštenja maloohmskog otpornika: extremly inverse, k=0,05 I=200 A (slika 5.1), rezervna zaštita voda od jednopolnog kvara upotrebom I-t vremenski nezavisne karakteristike sa strujnim podešenjem 100 A i vremenom 5 sekundi, zaštita 10(20) kV sabirnica od kratkog spoja upotrebom I-t vremenski nezavisne karakteristike sa strujnim podešenjem 900 A i vremenom 0,2 sekunde, zaštita od preopterećenja niženaponske strane energetskih transformatora upotrebom I-t vremenski nezavisne karakteristike sa strujnim podešenjem 492 A i vremenom 1,8 sekundi.
Saznanja o karakteristikama otpornika, prilikama u mreži pri jednopolnim kvarovima, te pojava prilikom uspostavljanja pogonskih stanja energetskih transformatora navode na novi pristup u odabiru i podešenju zaštite otpornika za uzemljenje neutralne točke. Na osnovu dosad razmatranog konstatira se da je smanjenje pogrešnih prorada zaštite moguće postici na slijedece načine: • • • •
prepodešenje postojeće relejne zaštite u smislu povećanja proradne struje i vremenskog zatezanja, korištenje releja s inverznom I-t karakteristikom, korištenje releja s blokadom 2. harmonika, korištenje digitalnih (numerickih) releja.
Povećanjem vrijednosti struje podešenja rezervne zaštite otpornika smanjuje se osjetljivost na kvarove uslijed jednopolnog kvara preko prijelaznog otpora, što može dovesti do oštećenja otpornika uslijed prekomjernog zagrijavanja. Prepodešavanjem postojeće zaštite ne eliminira se problem pogrešnih djelovanja u potpunosti buduci da je potrebno ispuniti dva suprotna zahtjeva: s jedne strane traži se visoko podešenje struje i vremena prorade, a s druge brza rezervna zaštita vodova i zaštita otpornika. Pouzdanu zaštitu otpornika postiže se primjenom releja s odgovarajucom inverznom I-t karakteristikom i/ili blokadom drugog harmonika. Primjenom digitalnih releja koji objedinjuju više zaštitnih funkcija u jednom ureñaju, uz pravilno parametriranje i konfiguriranje, postiže se potpuna zaštita otpornika u skladu s njegovom termickom karakteristikom.
20
6.
NUMERIČKI ZAŠTITNI UREðAJI
Numerički zaštitni ureñaji su elektronički zaštitni ureñaji s numeričkom obradom signala, te pripadaju posljednjoj generaciji relejne zaštite. Zahvaljujući intezivnom razvoju mikroprocesora, u relativno kratkom vremenskom periodu su razvijeni, ispitani i pušteni u pogon numerički releji. Razvoj komunikacija je omogućio distribuciju informacija do mjesta gdje su neophodne za uspješno obavljanje nadzora i upravljanja elektroenergetskim sustavom. U poslijednjih nekoliko godina numerički ureñaji relejne zaštite potpuno su istisnuli iz ugradnje elektromehaničke i statičke izvedbe. Razlog leži u u postupnom kretanju ka potpunoj automatizaciji pogona elektroenergetskog sustava. Numerički ureñaji relejne zaštite sastavni su dio tih sustava koji omogućavaju značajne pogodnosti u voñenju, zaštiti i nadzoru rada cjelokupnog sustava: • kontinuirani samonadzor rada vlastitog sklopovlja, što značajno poboljšava pouzdanost i raspoloživost zaštite, • komunikaciju s ostalom numeričkom opremom u postrojenju, • zapis trenutnih vrijednosti struja i napona pri kvaru ili smetnji, • kronološki zapis svih promjena uklopnog stanja aparata, te djelovanja ostalih zaštitnih ureñaja, • mjerenja i obradu analognih mjernih veličina. 1 Prema staničnom računalu
ili
Optički meñusklop
2
Komunikacijski meñusklop
DC
DC Informacijska sabirnica (IS)
Legenda: 1. Oklopljeni kabel
Centralna procesna jedinica
Sabirnički meñusklop
Lokalno sučelje
Sabirnički meñusklop
IS
Centralna procesna jedinica
IS A/D pretvornik
Binarna U/I memorija
2. Optički kabel
5
3. Ulazni meñutransformatori
Filter
Filter 3
4. Optičko sučelje (optokopler)
4
6
Galvansko odvajanje
5. Izlazna pojačala 6. Izlazni releji I RSTO
V RSTO
Stanje aparata
Komande
Srednjenaponsko polje
Sl. 6.1 Pojednostavljena struktura releja u numeričkoj izvedbi
Sl. 6.2 Shema djelovanja numeričkog nadstrujnog releja
Struktura numeričkog releja općenito se sastoji od više zasebnih sklopovskih cjelina. Takva konstrukcija jedinstvena je za sve oblike zaštite, a pojedina zaštitna zadaća ostvaruje se primjenom odgovarajućeg algoritma i programske podrške. Na slici 6.1 je prikazana pojednostavljena struktura numeričkog releja, na kojoj se mogu uočiti svi važniji elementi sklopovlja zaštitnog ureñaja, dok je na slici 6.2 predočena strukturna shema djelovanja numeričkog nadstrujnog releja. Uočava se potpuno galvansko odvajanje od sekundarnih strujnih krugova srednjenaponskog polja, te veze prema lokalnim i udaljenim komunikacijskim sučeljima. Prednja ploča releja predstavlja komunikacijsku jedinicu prema korisniku. Svjetleće diode (LED), kao svojevrsni indikatori, signaliziraju pobudu odreñenog vremenskog člana, proradu pojedine zaštite, djelovanje na isklop ili signalizaciju, kvar u radu releja, te stanje samoispitivanja. Posebna tipka predviñena je za vraćanje releja u početno (ustaljeno) pogonsko stanje. Pojedine promjene u podešenjima, te očitanja zapisanih veličina uglavnom su ostvariva na dva načina. Numerički relej je opremljen zaslonom s tekućim kristalima (LCD) na kojemu se mogu očitati podešenja, trenutne mjerene vrijednosti, stvarno vrijeme, podaci o djelovanju releja i karakteristične veličine samonadzora releja. Pripadnom tastaturom mogu se releju mijenjati podešenja. Na prednjoj ploči izvedeno je i serijsko sučelje RS 232C za lokalnu komunikaciju putem prijenosnog računala. Stoga se svi zapisi i podešenja releja mogu lako prenijeti na memorijske jedinice računala, gdje su prikladni za detaljnije analize. U suprotnom smjeru, sve promjene podešenja mogu se obaviti pomoću programske podrške na računalu, a te preko serijske veze prenesu na relej. Isto sučelje koristi se i za priključak ispitne opreme.
21
6.1
Općenito o zadaćama numeričkih releja
Numerički relej, u odnosu na prethodne generacije zaštitnih ureñaja, imaju složeniju strukturu i mnogobrojnije zadaće. Zadaće numeričkih releja se mogu podijeliti u nekoliko zasebnih cjelina i to: zaštitne zadaće numeričkih releja, mjerne zadaće releja, upravljačke zadaće releja, nadzorne zadaće releja, komunikacija s relejem, nadzor i samonadzor numeričkih releja. Potrebno je istaknuti da numerički zaštitni ureñaj osim primarne zaštitne finkcije može obavljati i neke zadaća nadzora i upravljanja koje su do sada bile “rezervirane” za opremu sustava daljinskog voñenja. Pri tome numerički relej mora obaviti svoju primarnu zaštitnu zadaću bez obzira na poremećaje koji mogu nastati na komunikacijskom podsustavu. 6.1.1
Zaštitne zadaće numeričkih releja
U pravilu, numerički zaštitni ureñaj obavlja više zaštitnih zadaća. Tako se, naprimjer, u složenijim numeričkim zaštitama istovremeno može naći više zaštitnih funkcija, kao što su: distantna zaštita, nadstrujna (usmjerena) zaštita, zemljospojna (usmjerena) zaštita, podstrujna zaštita, podnaponska/ nadnaponska zaštita, APU, lokator kvara, zaštita od otkaza prekidača, toplinska zaštita , te zapis dogañaja pri kvaru. Zapisivač valnih oblika pri kvaru obično pohranjuje oko 100 ms zapisa prije nastanka kvara, trajanje kvara, te oko 100 ms nakon kvara. Najčešće je ukupno moguće vrijeme zapisa 5 - 10 s, pa zapisivač u skladu s tim može memorirati nekoliko uzastopnih kvarova. Osim kvarova, ova jedinica kontinuirano prati i zapisuje sve promjene u radu releja i dijela elektroenergetskog sustava u njegovom okruženju. Te promjene predstavljaju npr. promjena podešenja releja, signali s binarne ulazno/izlazne jedinice, djelovanje zaštitnog algoritma, djelovanje samonadzornih krugova. Zapisivač je opremljen satom koji, uz stvarno vrijeme, prikazuje i relativno vrijeme izmeñu dva zapisa. 6.1.2
Mjerne zadaće releja
Numerički relej, za pogonske potrebe voñenja sustava, može dati korisne informacije o strujnim i naponskim prilikama na mjestu njegove ugradnje. Uobičajene mjerne zadaće su mjerenje faznih struja i napona, mjerenje nultih struja i napona, mjerenje djelatne i jalove snage, odreñivanje faktora snage, mjerenje djelatne i jalove energije, mjerenje frekvencije, te harmonička analiza strujnih i naponskih veličina. 6.1.3
Upravljačke zadaće releja
Numerički zaštitni ureñaj može obavljati i neke upravljačke zadaće, kao što su: upravljanje prekidačima i rastavljačima, blokade aparata na razini polja i postrojenja, te omogućavanje lokalnog ili daljinskog upravljanja s aparatima. 6.1.4
Nadzorne zadaće releja
Osim signalizacije djelovanja zaštitnih funkcija, numerički releji najčešće imaju mogućnost nadzora aparata i ureñaja u pripadnom polju. Na digitalne ulaze releja mogu se dovesti informacije o stanju prekidača i rastavljača u postrojenju, stanju tlaka zraka ili SF6 plina, te signali iz Buchholz releja. Ove se informacije preko komunikacijske veze prenose do staničnog računala i dalje do osoblja koje je zaduženo za praćenje, analizu i upravljanje pogonom. 6.1.5
Komunikacija s relejem
Komunikacija s relejem se najčešće izvodi pomoću serijske komunikacijske veze, pri čemu medij za prenos podataka može biti žičani ili optički kabel. Pojedini proizvoñači koriste različite komunikacijske protokole, što otežava, odnosno onemogućava meñusobnu komunikaciju numeričkih ureñaja različitih proizvoñača. 6.1.6
Nadzor i samonadzor numeričkih releja
Numerički releji imaju mogućnost (zbog svoje digitalne strukture), provjeravanja obavljenih radnji i vlastitih karakteristika, odnosno provjere ispravnosti svojih funkcija. Ukoliko relej otkrije neispravnost u svojem radu, blokira svoje (moguće) neželjeno djelovanje, te istovremeno dojavljuje kvar i novonastalo stanje. Dojava o poremećaju u radu numeričkog releja prenosi se pomoću komunikacijske veze do upravljačkog centra, gdje se prati ne samo rad rasklopnih postrojenja već i numeričkih releja. Slika 6.3 prikazuje pojednostavljenu strukturnu shemu numeričkog releja i njegove mogućnosti nadzora ureñaja i dogañaja u svojoj okolini, te samonadzora, tj. nadzora svojih sklopova i programa. U pravilu se nadziru sve važne funkcije numeričke zaštite i to: ispravnost mjernih naponskih transformatora (s pripadnim osiguračima), trofaznost ulaznih (mjerenih) napona, djelovanje A/D pretvornika, tj. analogno/digitalna (A/D) pretvorba struja i napona, napajanje releja (vanjski izvor i djelovanje DC/DC pretvornika), izvršenje algoritama tj. programa rada numeričkog releja na temelju analize djelovanja
22
mikroprocesora (CPU), stanje memorija za pohranu programa (ROM) i podataka (RAM), te lokalna i daljinska komunikacija sa sustavom za voñenje (SCS, SMS) i inženjerom za zaštitu (PC). NADZOR
I SAMONADZOR
IZVRŠENJE PROGRAMA
DIGITALNI RELEJ
SAT
ZAPIS KOMUN.
DALJINSKA VEZA
SCS
KVARA JEDINICA
NAPONSKI TRANSFORMATOR
CPU RAM / ROM
3 f NAPONI
BI S/H
V
FILTER MUX I
RAM CPU
RAM CPU
A/D
ROM
CPU
U/I JEDINICA
ROM
BU
A/D PRETVORBA NAPAJANJE
DC AC DC
NAPAJANJE
+ 5V + 15 V - 15 V + 24V
LED RESET KOMUN. LCD
MEMORIJE
LOKALNA VEZA
JEDINICA
PC
PRIJENOS PODATAKA
Slika 6.3 Opći prikaz nadzora i samonadzora numeričkog releja Središnja procesorska ploča, odnosno središnji mikroprocesor numeričkog releja sadrži program sa zaštitnim zadaćama koje su okupljene oko takozvanog djelitelja (nadzornog programa). Ovaj djelitelj poziva zadatke prema prioritetu, a aktivira se prekidima u konverziji koji se primaju poslije svakog koraka uzorkovanja strujnih i naponskih veličina. Ako se u trenutku aktiviranja djelitelja obavlja zadatak niže važnosti, procesor se prebacuje na zadatak dodjeljen od djelitelja i nakon obavljenog zadatka vraća se tamo gdje je bio prekinut. Ovakva shema omogućava da se zadaće niskog prioriteta obavljaju kada procesor nije zauzet važnijim zadaćama. Akcije su inicirane prekidima i to spontano i ne obavljaju se kružno (ciklički). Kružno se obavljaju zadaci: čitanje i provjera uzoraka s A/D pretvornika, nadoknañivanje zaostajanja signala (kašnjenja) izmeñu kanala, izvoñenje digitalnog filtriranja, proračunavanje udaljenosti dom mjesta kvara (za distantnu zaštitu), generiranje komandi za isključenje prekidača, nadzor svjetlećih (LED) pokazivača, dodatne zaštitne zadaće, nadzor serijske veze (RS232) s računalom, nadzor veze s prednjom pločom, nadzor veze s komunikacijskim podsustavom, nadzor samoprovjeravanja. Ukoliko se otkrije kvar na releju pokreće se program koji izvodi slijedeće zadaće: odreñuje ozbiljnost kvara, analizira vrstu kvara i šalje odgovarajući signal upozorenja, ako je kvar ozbiljan, onemogućava komande isključenja prekidača, te upravlja održavanjem dijaloga s relejem.
7.
REVITALIZACIJA RELEJNE ZAŠTITE DISTRIBUCIJSKOG SUSTAVA
U posljednje vrijeme je izgradnja novih transformatorskih stanica srednjeg napona gotovo zanemariva, pa se pozornost posvećuje revitalizaciji opreme u postojećim elektroenergetskim postrojenjima. Naprimjer, tako se posljednjih desetak godina, u HEP DP Elektra Zagreb, nije izgradila niti jedna nova transformatorska stanica srednjeg napona, a prosječna starost postrojenja je iznad 20 godina, pa prema tome, revitalizacija zaštite u distribucijskim postrojenjima poprima sve značajnije mjesto pri ukupnoj revitalizaciji ili obnovi SN postrojenja. Razlozi revitalizacije zaštite su uglavnom: starost zaštite, nedovoljna kvaliteta ili želja za kvalitetnijim nadzorom nad postrojenjima i dogañajima u pripadajućim elektroenergetskim postrojenjima. U većini distribucijskih transformatorskih stanica izgrañenih u radoblju od 1960. do 1970. godine narušeni su osnovni zahtijevi za pouzdan i siguran rad sustava relejne zaštite. To je razlog da se krene u postepenu revitalizaciju sekundarnog sustava relejne zaštite uvoñenjem novih tehnologija i koncepcijskih rješenja, a sve s ciljem povećavanja kvalitetnog napajanja potrošača. To znači da treba koristiti numeričke ureñaje u kojima su, u većem ili manjem obimu, integrirane funkcije zaštite, upravljanja, nadzora, signalizacije i mjerenja. Spomenuti
23
ureñaji dio su integriranog sustava zaštite i voñenja koji u distributivnoj transformatorskoj stanici ostvaruje svoje funkcije na tri razine: razina polja, razina transfomatorske stanice i razina distributivnog područja. Razinu polja čine numerički ureñaji koji osim funkcija zaštite sadrže i funkcije prikupljanja podataka za potrebe voñenja. Numerički ureñaji mogu biti isporučeni u obliku pojedinačnih releja ili kao jedinstven ureñaj za zaštitu i voñenje cijelog polja. Razinu stanice čini stanično računalo na koje se povezuju numerički ureñaji s razine polja. Razinu distribucijskog područja čini dispečerski centar DP-a 7.1
Procjena potrebe revitalizacije sekundarnog sustava
Kriterij procjene životne dobi su pogonsko stanje opreme i njezina pouzdanost. Sukladno srednjeeuropskoj praksi, očekovana životna dob analognih sekundarnih sustava je, uz dobro održavanje 30 - 40 godina. Indikator za donošenje zaključka o kraju životne dobi opreme je vjerojatnost kvara, odnosno faktor rizika opreme. Odluka o revitalizaciji treba počivati na tehničko-tehnološkim kriterijima, koje donosi nadležno povjerenstvo za relejnu zaštitu. Pri donošenju odluke o revitalizaciji relejne zaštite, potrebno je za svaki pojedini slučaj krenuti od stvarnog stanja postrojenja, te uvažiti opće prihvaćene kriterije za odabir postrojenja za revitalizaciju: • • • • • • 7.2
nedovoljna pouzdanost i selektivnost, ograničenje u ostvarenju zahtjeva i pojava novih tehničkih zahtjeva na rad relejne zaštite, pojava većeg broja otkaza i kvarova, te problemi u održavanju i popravcima, tehnička dob ureñaja relejne zaštite, revitalizacija cijelog postrojenja ili dijela postrojenja a kojeg je zaštita sastavni dio, problemi pri uvoñenju relejne zaštite u sustav daljinskog nadzora. Revitalizacija sekundarnog sustava
Revitalizacija sekundarnog sustava u jednom srednjenaponskom postrojenju se može provesti kao: • • •
revitalizacija cijelokupnog sekundarnog sustava, revitalizacija funkcije relejne zaštite, revitalizacija relejne zaštite jednog ili više polja.
Revitalizacija cijelokupnog sekundarnog sustava podrazumijeva revitalizaciju funkcija relejne zaštite, lokalnog nadzora i upravljanja, daljinskog nadzora i upravljanja, signalizacije i mjerenja. Revitalizacija funkcija relejne zaštite provodi se ugradnjom numeričkih ureñaja. Revitalizaciju relejne zaštite jednog ili više polja treba provoditi kao nužnost, a primjenjuje se pri popravcima, te pri rješavanju nekih posebnih zahtijeva. S obzirom na smještaj sekundarne opreme u distributivnim transformatorskim stanicama razlikuje se: • •
centralizirani smještaj (ormari sekundarnih ureñaja), decentralizirani smještaj (poslužni niskonaponski ormarići polja, itd).
Prilikom projektiranja treba dati prednost izvedbi sekundarnog sustava koji zahtjeva najmanji obim radova na montaži i ožičenju u samom postrojenju. Naročito je važno posvetiti pozornost sigurnosti radova i pouzdanosti napajanja potrošača električnom energijom tijekom izvoñenja revitalizacije. Takav pristup ima za posljedicu optimalni opseg ispitivanja i puštanja u pogon uz najmanje troškove, no stoga zahtjeva detaljnu pripremu prije početka izvoñenja radova. Funkcije zaštite se odabiru prema potrebi, odnosno prema zahtijevima mreže i njenim parametrima odnosno aktualnoj konfiguraciji mreže i karakteru pogona. Za distribucijsku mrežu odnosno naponske razine 35 , 20 i 10 kV funkcije relejne zaštite se djele na: zaštitu transformatora, zaštitu maloomskog otpornika, zaštitu vodnog polja, zaštitu mjernog polja, zaštitu polja kompenzacije, zaštitu spojnog polja, zaštitu kućnog transformatora, zaštitu polja MTU, zaštitu sabirnica i zaštitu od zatajenja prekidača. Osim funkcija zaštite treba predvidjeti i optimalno, odnosno maksimalno korištenje ostalih funkcija u zaštitnim ureñajima, a to su funkcije mjerenja, blokada, upravljanja i ostale nadzorne funkcije. Funkcije mjerenja se mogu koristiti za lokalne potrebe i potrebe nadreñenog centra u smislu pokaznih, energetskih mjerenja, snage i energije. Naime najčešće se u ureñaje novijih generacija priključuju i struje i naponi. U postrojenjima je moguće koristiti blokade u samom polju i na razini objekta. Ovisno o situaciji u postrojenju moguće je koristiti kombinacije postojećih žičanih blokada i novih programskih. Takoñer je moguće obavljati u funkcije upravljanja iz terminala. Nadzorne funkcije se najčešće koriste za posredno praćenje stanja prekidača u ovisnosti o isklopljenoj struji. Nadalje je moguće korisiti razne oblike nadzora struja i napona, lokatora kvara, itd. Posebno je interesantno praćenje i oscilografiranje struja i napona, kao i interna lista dogañaja. Komunikacijske mogućnosti ureñaja treba iskorisiti te ih povezati ne samo na stanično računalo već i u ured inženjera za zaštitu.
24
7.3
Zaštitne funkcije transformatora
Za relejnu zaštitu pojedinih elemenata srednjenaponske mreže dane su potrebne funkcije relejne zaštite za odreñene tipove polja. Slijedi pregled zaštitnih zadaća energetskih transformatora: Višenaponska strana: • • • •
diferencijalna zaštita, nadstrujna zaštita, kratkospojna zaštita, zaštita od jednopolnog kvara.
Niženaponska strana: • • •
nadstrujna zaštita, kratkospojna zaštita, zaštita od jednopolnog kvara.
Ureñaj relejne zaštite transformatora treba prihvatiti informacije o proradi primarnih zaštita: • • • •
Buchholz zaštita – isključenje, Buchholz zaštita – signalizacija, termometar isključenje, termometar signalizacija.
Ukoliko je transformator uzemljen preko malog otpora ureñaj relejne zaštite na niženaponskoj strani transformatora mora imati zaštitne funkcije koje štite maloomski otpornik. 7.4 • • • • 7.5 • • • • • •
Zaštitne funkcije maloomskog otpora zaštita od premoštenja (nadstrujna neovisna i ovisna karakteristika) rezervna zaštita vodnog polja termička zaštita (nadstrujna ovisna karakteristika) zaštita od visokoomskog kvara, drugi rezervni stupanj. Zaštitne funkcije vodnog polja nadstrujna zaštita ( bar dva stupnja), kratkospojna zaštita ( bar dva stupnja), zemljospojna zaštita s mogućnošću podešenja kuta izmeñu struje i napona kvara (tretman zvjezdišta). zaštita od nesimetrije struja. automatski ponovni uklop. zaštita od visokoomskog kvara, prvi osnovni stupanj
Nadstrujne i kratkospojne zaštite trebaju biti koordinirane sa zaštitama transformatora, odnosno zaštitom sabirnica. 7.6 • • • • • • • 7.7 • 7.8 • • •
Zaštitne funkcije polja kompenzacije nadstrujna, frekventno neovisna (50 – 400 Hz) zaštita ( bar dva stupnja), kratkospojna zaštita (bar dva stupnja), zemljospojna zaštita s mogućnošću podešenja kuta izmeñu struje i napona kvara (tretman zvijezdišta), zaštita od nesimetrije struja, balansna ili diferencijalna zaštita izmeñu poluzvijezdi, nadnaponska zaštita, podnaponska zaštita. Zaštitne funkcije mjernog polja nadnaponska zaštita Zaštitne funkcije polja MTU nadstrujna zaštita ( bar dva stupnja; nadstrujna neovisna i ovisna karakteristika), kratkospojna zaštita ( bar dva stupnja), zemljospojna zaštita s mogućnošću podešenja kuta izmeñu struje i napona kvara (tretman zvijezdišta),
25
7.9 • 7.10
Zaštitne funkcije spojnog polja nadstrujna zaštita ( bar dva stupnja; nadstrujna neovisna i ovisna karakteristika), Zaštita sabirnica i zaštita od zatajenja prekidača
•
Zaštita sabirnica se ostvaruje povezivanjem svih zaštitnih ureñaja prema odreñenim zakonitostima. Koristit se logika blokade tzv. kratkospojnih nadstrujnih zaštita u transformatorskim poljima. Ovisno o tipu postrojenja moguće je ostvariti selektivnost prema svakom sustavu sabirnica u postrojenju srednjeg napona.
•
Zaštitu od zatajenja prekidača treba realizirati korištenjem funkcije unutar ureñaja. Ovisno od uključenosti spojnog polja moguće je selektivno isključivati sustave sabirnica i znatno skratiti vrijeme trajanja kvara.
7.11
Dokumentacija i održavanje
Slijedeći problem pri revitalizaciji relejne zaštite primjenom novih tehnologija je dokumentacija. Kako napraviti čitljivu tehničku dokumentaciju pri korištenju “crnih kutija” predstavlja nemali problem. Jednako teško je i kreirati odgovarajuće izvještaje o ispitivanju i podešavanju takvih ureñaja koji sada osim zaštitnih funkcija imaju cijeli niz korisnih mogućnosti koje treba koristiti, a koje se mogu ostvariti na razne načine. Izrada tih izvješća je vrlo upitna. Rješavanje ovih problema je u tijeku no jasna se rješenja još ne naziru. Svakodnevni pa može se reći i višegodišnji poslovi na raznim oblicima rekonstrukcija, modernizacija, traju. Napori inženjera u koji sudjeluju na tim poslovima usmjereni su na dobivanje uvijek što kvalitetnijih riješenja. Ta riješenja su sintetizirana na osnovu iskustva u ovom specifičnom poslu, praćenja novih trendova zaštite kod proizvoñača i drugih elektroprivreda i vlastitih ideja. Meñutim, može se reći da ne postoji dokument koji bi olakšao izbor relejne zaštite za distribucijske mreže. Takvim dokumentom ujednačio bi se sustav relejne zaštite, olakšalo izradu tenderske dokumentacije, a potencijalnim ponuditeljima omogućilo bi se tipizaciju opreme, jer bi im unaprijed bilo poznato kakvi će zahtjevi pred njih biti postavljeni. Važno je napomenuti potrebu za osmišljavanjem novog pristupa redovnom održavanju spomenutih numeričkih releja glede metoda i rokova ispitivanja, a sve u skladu sa sadašnjim trenutkom tehnološkog razvoja relejne zaštite i lokalnog upravljanja. Naime zaživio je trenutak postojanja novih zaštita, ali sa starim zakonskim obvezama. Tu se prije svega misli na jednogodišnje ispitivanje svih funkcija zaštite. Neke funkcije će se bez obzira na sve morati ispitivati u tim intervalima, dok za neke ne postoji opravdan razlog za ispitivanjem svake godine. Izrada novog pravilnika o održavanju relejne zaštite u numeričkoj tehnologiji ubrzala bi rekonstrukciju i obnovu relejne pošto bi se našao i ekonomski razlog za te aktivnosti, a ne samo tehnički koji se često ističe.
8.
Praktična zapažanja o današnjim tehnikama zaštite
8.1
Dokumentacija
S obzirom na sve veći tehnološki napredak vrijeme konstrukcije novih releja se sve više smanjuje. Proizvoñači opreme, s obzirom na komercijalne pritiske, sve više požuruju vlastite razvojne timove. Dodatni problem predstavlja činjenica da proizvoñači, s obzirom na složenost strukture releja, ne daju dovoljno dokumentacije koja bi olakšala shvaćanje i samu upotrebu releja [22]. Iz priručnika numeričkih releja vidi se da se skoro 95% sadržaja odnosi na konfiguriranje i veliku paletu izbora, dok se ostatak odnosi na principe zaštite. Postoji trend da se u priručnicima osnovna zaštitna funkcija izjednači i u biti izgubi u masi dodatnih funkcija koje relej nudi. Upotrebom numeričkih releja shematski zaštitni dijagrami postaju stvar prošlosti, jer za razliku od prošlih generacija releja, numerički releji zahtjevaju složena podešenja koja se ne mogu realizirati na taj način. Konfiguriranje jednog relativno malog numeričkog releja odgovara odreñivanju ožičenja za cijeli panel elektromehaničkih ili statičkih releja. Treba istaknuti da ne postoji meñunarodni standard za tipsko ispitivanje. Obavljana su intenzivna ispitivanja u VN postrojenjima i laboratorijima na sustavima zaštite i voñenja, posebno s obzirom na elektromagnetsku kompatibilnost. Pokazalo se da je moguće koristiti opremu temeljenu na mikroprocesorima čak i u neposrednoj blizini VN rasklopišta. Kvalitetna dokumentacija je od najvećeg značenja za korisnika. Jasna i kompletna dokumentacija je vrlo važna za dobru primjenu releja. 8.2
Releji i programska podrška
Kvaliteta releja je usko vezana s kvalitetom programske podrške koja dolazi uz sam ureñaj. Tako se često dogodi da relej, iako sklopovski dobar, nema prolaznu ocjenu jer kvaliteta programske podrške nije odgovarajuća. Iako se temelji na MS-Windows okruženju ne znači da je laka za upotrebu.
26
Prednost numeričke tehnologije znači da se kompletno konfiguriranje pojedinog releja može napraviti na računalu u uredu prije nego što se pristupi releju u postrojenju. Svi podaci mogu se pohraniti na disketi ili poslati TK vezom. Funkcije koje relej ima su različito programski riješene od jednog do drugog isporučitelja opreme [22]. 8.3
Mogući problemi
Glavni dio svakog numeričkog releja je procesor. Procesori, iako jaki, imaju ograničen kapaciteti pa se često dogodi da releji ne mogu istovremeno izvršiti sve svoje deklarirane zadaće. U takvim slučajevima se pravi lista prioriteta. Kada je mnogo funkcija ugradi u jedan ureñaj može se dogoditi da je stvarna količina izlaznih ili ulaznih podataka puno manja od traženih. Numerički relej može djelovati samo ako radi njegov zaštitni algoritam. Prekinemo li algoritam više neće biti zaštite. Ako se taj prekid podudari s visokonaponskim kratkim spojem posljedice mogu biti teške, jer taj relej neće djelovati na isključenje prekidača. To je svojstvo koja nije karakteristično za elektromehaničke i statičke releje. Algoritmi se vrte na procesoru na naponskoj razini od 3 do 5 volta i frekvenciji od oko 20 MHz. Uz to, releji su smješteni u području izraženih elektromagnetskih polja. Što je niži napon i veća frekvencija veći su učinci elektromagnetske interferencije. U slučaju ispada interni brojač (watch-dog timer) će pokušati ponovno startati procesor. To može trajati od nekoliko sekundi do minute zavisno o sposobnosti ureñaja. Vjerojatnost ovih slučajeva je malena, no konačna, tako da su zabilježeni i u praksi [22]. Numerički releji imaju intenzivni samonadzor. S obzirom na djelovanje razlikujemo funkciju akciju isključenjablokade i dojavu alarma. No uvjeti koji su programirani da uzrokuju restartanje ne mogu razlikovati manje od većih dogañaja. Veći i važniji zahtjevi su procesiranje glavnih zaštitnih funkcija, dok se manje važni zahtjevi odnose na nekritične dodatne funkcije. Time može doći do kašnjenja procesiranja glavnih funkcija, tako da je sve aktuelnije pitanje koliko dodatnih funkcija treba biti integrirano u ureñaj čija je glavna funkcija zaštita. Primjena numeričke tehnologije je složena zadaća za krajnje korisnike. S obzirom na konceptualnu razliku izmeñu numeričkih i ranijih generacija releja, te na mali broj proizvedenih releja nužan je oprez. Iskustva pokazuju nužnost osiguravanja zalihosti zaštite primjenom releja različitih proizvoñača, a time i koncepcije. Netočnost i propusti u dokumentaciji o relejima i nadalje predstavljaju opasnost. Vrlo je važno postavljanje minimalnih zahtjeva koje releji moraju zadovoljavati. Praksa da se izvješće o tipskom ispitivanju nameće kao obavezni dio procesa obrade ponuda nije ništa više do ulijevanja lažnog osjećaja sigurnosti.
27
LITERATURA [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24]
W. A. Elmore: “ Protective Relaying Theory and Applications”, ABB Power T&D Company Inc. Relay Division Coral springs, Florida 1994. H. Ungrad, W. Winkler, A. Wiszniewski: “Schutztechnik in Elektroenergiesystemen”, Springer Verlag, Berlin, 1991. Electricity Training Association: “Power System Protection; Volume 3: Application”, IEE, Short Run Press Ltd., Exter, UK, 1995. S. H. Horowitz, A. G. Phadke: “Power system relaying”, Research Studies Press Ltd. 1992. A. Marušić: Osnovne značajke koordiniranih sustava zaštite i voñenja na razini postrojenja, Seminar: Sustav za upravljanje energijom,MIPRO, 1997. S. Drandić: “Smanjenje pogrešnih prorada relejne zaštite u uzemljenim mrežama srednjeg napona”, magistarski rad, FER, Zagreb, 2001. Alstom: “Protective Relays, Application Guide”, Alstom Protection & Control Limited, Stafford, England, 1995. G. Šagovac: Mikroprocesorski ureñaji za zaštitu, upravljanje i nadzor, te moguća primjena u distributivnoj TS 11=/10(20) kV, Drugo savj. HK CIGRE, Šibenik, 1995., 34.02 S. Megla: “Zbirka propisa iz područja elektrotehnike“, biblioteka NADING, Zagreb, 1998. S. Žutobradić, B. Filipović-Grčić: “Tipizacija rješenja za provedbu uzemljenja zvjezdišta mreža srednjeg napona“, Institut za elektroprivredu, Zagreb,1993. J. Nahman: “Uzemljenje neutralne točke distribucijskih mreža“, Naučna knjiga, Beograd, 1980. L. Brkić: “Struja uključenja transformatora”, magistarski rad, FER, Zagreb 1992. B. Filipović-Grčić, S. Žutobradić: “Optimiranje struje jednopolnog kratkog spoja u srednjenaponskim mrežama ugradnjom maloomskog otpornika”, studija IE, Zagreb 1981. P. Debevec: “Transformatori za uzemljenje“, Elektrotehnički vjesnik, Ljubljana 1997. M. Lethonen, T. Hakola: “ Neutral Earthing and Power System Protection”, ABB, Vaasa, 1996. Koncar: “Otpornici” prospekti, Zagreb 1996. Z. Čerina: “Pojave lažnih diferencijalnih struja s naglaskom na pojavu simpateticnog uključenja energetskog transformatora”, CIGRE R 34-09, Cavtat, 1997. S. Žutobradić , V. Ravlić: “Suvremene tendencije u razvoju otpornika za uzemljenje zvjezdišta elektroenergetskih mreža”, Energija br.1, Zagreb, 1991. Z. Godec: “Zaštita uljnih distributivnih transformatora od preopterećenja”, Energija, 1992, br. 5, 303309 Z. Godec: “Prijedlog zaštite distributivnih uljnih transformatora od preopterećenja”, Prvo savjetovanje HK CIGRE, Zagreb, 1993., I34.05, 265-269 IEC Publication 354: “Loading guide fo oil-immersed transformers”, 1991. J. Monaghan: “Sensible observations on present day protection tehniques”, Energija, Br. 2, 1999., 71-81 M. Krepela: “Pristup revitalizaciji sekundarnog sustava VN postrojenja”, CIGRE, Cavtat, 2000 N. Baranović, J. Stepinac, J. Kljaić, B. Filipović, D. Babić: “Revitalizacija sustava zaštite, upravljanja, mjerenja i telekomunikacija”, Energija, Br. 2, 1999., 101-111
28
