Inovace systému chránění rozvodů vn při vzniku zemních poruch

Inovace systému chránění rozvodů vn při vzniku zemních poruch

doc. Ing. Jaroslav Pospíšil, CSc, Ing. Roman Málek,
Ing. Martin Čech, Ing. Tomáš Effenberger,
PROTECTION&Consulting, s. r. o.

Úvod

Kabelové nebo venkovní sítě vn jsou v ČR provozovány jako izolované, kompenzované nebo uzemněné přes odpor. Jako nejvhodnější kritérium pro indikaci zemních spojení v kompenzovaných sítích vn je aplikace konduktančního kritéria G₀> G_0n (mS) v součinnosti s působením automatik připínání odporu.

Součástí inovace systému chránění rozvodů vn je sběr dat z instalovaných vícefunkčních zemních ochran typu RYo v rozvodně vn pomocí softwaru RYo-control v reálném čase a jejich analýza programem ScopeWinRYo.

Indikace zemního spojení – stávající stav

Pro indikaci místa zemního spojení v sítích vn je rozhodující měření nulových složek napětí U₀ a proudů I₀ na jednotlivých vývodech vn. Dřívější praxe v kompenzovaných sítích vn doporučovala nastavení směrových ochran na činnou složku proudu I₀. Pro zajištění jejich správné činnosti se někdy krátkodobě uměle zvyšoval činný zemní proud při objevení nulového napětí asi U₀ > 30 V. Podle hodnoty této veličiny dochází pomocí automatiky připínání odporu k připojení činného odporu na sekundární vinutí kompenzační tlumivky zapojené v předepsané časové sekvenci.

Experimentální ověření činnosti zemních ochran [1]

Experimentální měření se zaměřila především na zkoušky s nekovovými zemními spojeními (spadené fázové lano, spadené větve stromu na fázový vodič apod.) a přerušovaná zemní spojení, kdy nebyla dostatečná velikost napětí U₀, tím nedošlo k zapnutí automatiky připínání odporu a tudíž nedošlo k působení zemních směrových ochran. Tato měření však stanovila podmínky pro potřebnou činnost automatik připínání odporu (popudová hodnota například 20 až 30 V) a umožnila optimalizovat velikost těchto odporů, které se dosud vyrábějí v mnoha modifikacích. Další poznatek z měření skutečných nekovových zemních spojení vedl k potřebě simulace vysokoohmových zemních spojení, která by odpovídala obvyklým, výše uvedeným, nekovovým zemním spojením.

Pro experimentální ověření činnosti zemních ochran při vysokoohmových zemních poruchách byla zhotovena odporová stavebnice z keramických odporů s možností připínání přechodových odporů různých hodnot od 1,25 kW do 25 kW, s modulem 1,25 kW. Při měřeních v několika rozvodnách vn [2] se simulovala zemní spojení bez přechodového odporu a s přechodovými odpory 2,5 kW, 5 kW, 7,5 kW, 15 kW, 25 kW.

Měření vysokoohmových zemních poruch v kompenzovaných sítích vn potvrdila jednoznačně správnost vyhodnocení těchto poruch novými principy – admitančním Y₀ > a konduktančním G₀ >, v součinnosti s působením automatik připínání odporů, případně i bez nich. V případě „poškození“ odporu nebo automatiky připínání odporu lze využít jako záložní ochranu admitanční princip Y₀ >. Susceptanční princip B₀ > je vhodný v sítích izolovaných.

Při simulaci zemních poruch lze očekávat správnou činnost směrových ochran v kompenzovaných sítích vn s přechodovým odporem do 2,5 kW i činnosti automatiky připínání odporu. Nad 2,5 kW je správná činnost zemních ochran v těchto sítích na nových principech Yo >, Go >.

V rámci zkoušek byla ověřována činnost multifunkční zemní ochrany typu RYo firmy PROTECTION&Consulting, s. r. o. Do konce roku 2002 bylo instalováno více než 300ks multifunkční ochrany RYo v rozvodnách v ČR a SR.

Ochrana typu RYo je dostatečně přesná pro měření „zemních„ poměrů v již ustáleném stavu v sítích vn, kdy je například hodnota napětí U₀ řádu jednotek voltů a odpovídající zemní proudy jednotlivých vývodů I_0i řádu jednotek a desítek mA. Vypočtené velikosti admitancí jednotlivých vývodů Y_0i (mS) jsou jejich parametry a odpovídají jejich délce.

Optimální stanovení způsobu chránění v sítích vn, především v sítích kompenzovaných, je analýza naměřených proudových a napěťových poměrů při primárních zemních spojeních a při použití vícefunkčních zemních ochran. Pak lze zvolit vhodnou ochrannou funkci nebo kombinaci funkcí.

Principy zemních ochran Y₀>, G₀>, B₀> [2]

Ze stejného principu indikace zemních spojení – admitančního, vycházejí i systémy zahraničních výrobců Haefely Trench a Swedishe Neutral. Švédský systém (Swedishe Neutral) navíc umožňuje téměř úplně kompenzovat zbytkový proud a tedy nepřerušený provoz se zemním spojením. Při měření vzdálenosti místa poruchy vychází oba systémy ze shodných podmínek, kdy se k postiženému vedení (bylo určeno na základě vzájemného porovnání admitancí jednotlivých vývodů) zapíná do smyčky další vývod a porovnávají se jednotlivé měřené admitance vzhledem k celkově změřené admitanci.

Podle [3] se dosáhlo velmi dobrých provozních zkušeností s provozem distribučních sítí při vzniku zemních spojení a s možností kompenzace zbytkového proudu. K vyvinutí metody kompenzace zbytkového proudu vedly provozní zkušenosti s přerušovanými zemními spojeními a vysokoohmovými zemními spojeními.

Kompenzace zbytkového proudu se realizuje napájením přídavným jednofázovým střídačem v uzlovém bodě sítě. Lze získat proud s libovolným fázovým posunem a amplitudou, vzhledem k aktuální hodnotě zbytkového proudu. Potřebný výkon pro kompenzaci zbytkového proudu je asi 5 až 8% výkonu tlumivky. Statické střídače se vyrábí i s výkonem 500 kV·A.

Nové principy zemních ochran jsou aplikovány například v ochraně venkovního vedení, typ ZLC11 (výrobce ALSTOM), a v ochraně RYo (výrobce PROTECTION & Consulting, s. r. o. [4]).

Identifikace vedení postiženého zemním spojením lze pomocí dvou kritérií: konduktančního G_0i G_0n a admitančního Y_0i Y_0n, kde G_0n je popudová hodnota konduktance a Y_0n je popudová hodnota admitance. Tyto hodnoty jsou shodné pro všechny zemní ochrany v dané rozvodně vn.

Pro nastavení popudové hodnoty konduktance G_0n (v mS) v ochraně RYo je rozhodující velikost připínaného odporu v ohmech, velikost převodu napětí kompenzační tlumivky (obvykle 13,3/0,5 kV) a velikost převodu transformátoru proudu (TP) – v rozvodnách 22 kV jsou tranformátory proudu nejčastěji 200/5 A, 300/5 A, 400/5 A, případně toroidní TP 100/1 A. Záložně lze využít i admitančního principu Y₀ >.

Není-li automatika připínání odporu funkční, lze použít dalších ochranných funkcí, například nesměrových I₀ >, I₀ >> nebo směrové funkce I_j > ( = 0°, kdy ochrana vyhodnocuje činnou složku proudu I₀).

Instalace zemních ochran

V rozvodně 110/22 kV (Sokolnice) jsou instalovány transformátory 110/22 kV o výkonu 2 × 40 MV·A a 1 × 25 MV·A. Strana 22 kV je obvykle provozována se dvěma systémy přípojnic A, B. Jsou instalovány kompenzační tlumivky 2 500 kvar, I_n = 18 až 188 A, odpor připínaný na sekundární vinutí kompenzační tlumivky 500 V má hodnotu asi 0,5 W, kterému odpovídá injektovaný primární proud asi 40 A [5].

U automatiky připínání odporu jsou nastaveny parametry :

• popudová hodnota U₀ = 25 V,
• časové zpoždění měření U₀ : T₀ = 2 s,
• doba připnutí odporníku T_S = 2 s.

Ochrany RYo jsou konfigurovány i nastaveny shodně – je použita konduktanční nesměrová funkce G₀ > s nastavením popudové hodnoty 3 mS, doba působení 0,3 s, blokovací napětí 10 V.

Sběr dat z ochran typu RYo

Úlohy řešené pomocí centrálního vyhodnocovacího terminálu (CVT) jsou :

• řízení a realizace přenosu dat z jednotlivých ochran typu RYo v reálném čase (rozvodna Sokolnice),
• přenos dat ve formě definovaných standardizovaných kritérií přizpůsobených pro rozhraní RS-485,
• rozšíření kritérií pro indikaci zemních spojení v rozvodně vn pomocí CVT,
• operační prostředí, jež řídí proces vyhodnocování na dispečinku a umožňuje rozhodování a řízení zásahů při likvidaci zemních poruch (dálkově),
• zobrazení dat v grafické a digitální formě v reálném čase,
• průběžné ukládání dat na paměťový disk CVT,
• grafický tisk a zpracování výsledků měření (off-line).

Na centrálním vyhodnocovacím terminálu (CVT) je instalován program RYo-control, který slouží k vizualizaci a nastavování zemních ochran typu RYo. Program je vytvořený v průmyslovém řídicím a vizualizačním prostředí reálného času Control Web 2000 pro operační systémy Windows 95, 98, NT, 2000.

Funkce programu

Po spuštění programu se automaticky provede synchronizace reálného času na všech připojených ochranách. V režimu on-line jsou monitorovány měřené veličiny ze zemních ochran RYo, které jsou zapojeny na jednotlivých vývodech v rozvodně 22 kV.

Měřené sekundární veličiny na jednotlivých vývodech vn jsou:

• U₀ – nulové napětí (V),
• I₀ – nulový zemní proud (mA),
• j₀ – fázový posun ve stupních mezi U₀ a I₀,
• I_j – činná složka proudu I₀ (mA),
• Y₀ – admitance (mS),
• G₀ – konduktance (mS) – činná složka admitance Y₀,
• B₀ – susceptance (mS) – jalová složka admitance Y₀,
• stavy relé R_e1 až R_e4.

U každého vývodu je indikace poruchy (červená dioda LED). Pokud ochrana zapůsobí, je dioda LED aktivována a současně je porucha zaznamenána z poruchového zapisovače ochrany RYo do archivního souboru na pevném disku počítače.

Příklad měření elektrických veličin na jednotlivých vývodech vn (on-line) v rozvodně Sokolnice 22 kV je na obr. 1, v době právě probíhající synchronizace vícefunkčních zemních ochran RYo.

Nastavení konfigurace ochrany RYo

V režimu „setup„ lze měnit konfiguraci jednotlivých ochran. Výběr ochrany se děje pomocí dialogu „adresa„. Adresy ochran na sběrnici RS-485 (1 až 14) jsou uvedeny ve schématu rozvodny. Tlačítkem „načtení“ se přečte aktuální konfigurace z ochrany do PC. Tlačítkem „zapsání“ se uskuteční zápis konfigurace do ochrany. Po prvním zvolení dialogu „setup„ jsou hodnoty v CVT doporučené výrobcem (default).

Trvalé měření admitancí Y_0i jednotlivých vývodů nabízí další kritérium pro posouzení zemních poruch, a to rozdíl vzájemných admitancí DY_0ij. Respektováním tohoto kritéria lze identifikovat změny konfigurace zapojení v dané rozvodně.

Zobrazení grafu měřených veličin

V režimu „graf„ lze zobrazovat dlouhodobé trendy zvolených měřených veličin. Jde například o možnost dlouhodobě sledovat parametr – admitance Y₀ – vybraného „exponovaného„ vedení. Pokud se parametr Y₀ prakticky nemění, je tím potvrzeno, že nedochází u příslušného vedení ke změnám jeho „konfigurace„. tj. připínání nebo odepínání části vedení.

Měření „zbytkového„ proudu I_zp a „nulového„ napětí U₀ na kompenzační tlumivce

Součástí úlohy sběru dat z ochrany typu RYo je i realizace měření zbytkového proudu I_zp a napětí U₀ na kompenzační tlumivce. V rozvodně Sokolnice jsou instalovány tři měřicí zařízení (typu MZP) pro měření parametrů tlumivky (zemní proud protékající tlumivkou, napětí na tlumivce).

Analýza poruchových stavů v lokální síti

Podstatná přednost systému sběru dat z ochran RYo je možnost analýzy poruchových stavů pracovníky z oboru elektrických ochran. Analýzu lze provést programem ScopeWinRYo. Příklad analýzy zemního spojení je na obr. 2.

Průběhy proudu a napětí při zemní poruše na obr. 2 jsou periodické, výchozí efektivní hodnota napětí U_0ef @ 60 V, výchozí efektivní hodnota zemního proudu I_0ef @ 180 mA. Působením automatiky připínání odporu po dobu 2 s došlo ke snížení napětí U₀ na hodnotu asi 30 V, zemní proud postupně vzrostl na hodnotu asi 200 mA. Byly splněny podmínky pro působení ochrany RYo (obr. 3) na konduktančním principu G₀ >. Výchozí hodnota napětí U₀ @ 60 V odpovídá vysokoohmovému zemnímu spojení hodnoty asi 4 kW (pravděpodobně krátkodobý dotek větve na fázový vodič). Přechodný charakter poruchy je zřejmý z postupného zániku napětí U₀.

Závěr

Pro indikaci zemních spojení v sítích vn je rozhodující měření nulových složek napětí U₀ v dané rozvodně a měření nulových složek proudů I_0i na jednotlivých vývodech vn.

S ohledem na možný charakter zemních poruch (kovové, nekovové, přerušované) a různý způsob provozu sítí vn (izolovaný, kompenzovaný, odporově uzemněný) nelze jednoznačně stanovit jeden typ zemní ochrany, ale jako nejvhodnější se jeví aplikace zemních ochran různého druhu – proudové I₀ >, napěťové U₀ >, směrové I_j >, admitanční Y₀ >, konduktanční G₀ >, susceptanční B₀ >, případně jejich kombinace, například Y₀ > + G₀ > [1].

Jako nejvhodnější kritérium pro indikaci zemních spojení v kompenzovaných sítích vn se na základě mnoha experimentálních ověření jeví aplikace konduktančního kritéria G₀ > v součinnosti s působením automatik připínání odporu na sekundární vinutí kompenzačních tlumivek.

Pro sběr dat z vícefunkčních zemních ochran typu RYo v rozvodně Sokolnice 22 kV byl instalován systém RYo-control. Vedle měření sedmi elektrických veličin z jednotlivých ochran RYo (obr. 1) umožňuje ukládání poruchových stavů, dálkovou parametrizaci ochran, zobrazení dat v grafické a digitální formě. Aplikace programu ScopeWinRYo umožňuje analýzu poruchových stavů specialisty v oboru elektrických ochran.

Optimální stanovení způsobu chránění v sítích vn, především v sítích kompenzovaných, je analýza naměřených proudových a napěťových poměrů při primárních zemních spojeních.