w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 9 / 2 0 0 4

93

Lead

tytuł

podtytuł

Autor

a u t o m a t y k a

charakterystyki
ziemnozwarciowych
zabezpieczeń
admitancyjnych

Z

wieloletnich doświadczeń eks-
ploatacyjnych sieci średniego

napięcia wynika, że występują re-
latywnie często przypadki, w któ-
rych stwierdza się słabą efektyw-
ność zabezpieczeń ziemnozwarcio-

wych. Nieskuteczność automatyki

lokalizującej linie doziemione jest
szczególnie duża w sieciach z uzie-
mionym punktem neutralnym
przez dławik kompensujący i pod-
czas zwarć wysokooporowych lub
zakłóceń niestabilnych z łukiem
przerywanym.

Od wielu lat prowadzone są

w wielu ośrodkach badania nad

metodami i kryteriami wykrywa-
nia doziemionych linii SN. W wy-
niku prowadzonych prac, w ostat-
nich kilkunastu latach w Instytucie
Elektroenergetyki Politechniki Po-
znańskiej opracowano nowe zabez-
pieczenia, w których wielkością po-
miarową i rozruchową są wartości
admitancji zerowej mierzone w li-
niach podczas zwarcia doziemnego.
Kryteria takich zabezpieczeń doko-

admitancyjne kryteria
działania zabezpieczeń
ziemnozwarciowych dla linii SN

dr hab. inż. Józef Lorenc - prof. nadzw. Politechniki Poznańskiej

nują oceny admitancji w postaci jej
modułu (Yo) lub jednej z jej składo-

wych: konduktancji (Go) lub suscep-

tancji (Bo) [2, 3, 4, 6, 8, 9]. Pozytyw-
ne doświadczenia z kilkuletniej ob-

serwacji pracy takich zabezpieczeń

powodują, że interesują się nimi

służby zabezpieczeniowe spółek
dystrybucyjnych w Polsce. W wie-
lu produkowanych obecnie cyfro-

wych systemach EAZ dla sieci śred-

niego napięcia kryteria admitancyj-
ne stały się standardem.

Realizacja techniczna zabezpieczeń

admitancyjnych jest relatywnie prosta
zarówno przy wykorzystaniu elemen-
tów analogowych, jak i w algorytmach

urządzeń mikroprocesorowych. Nieza-
leżnie od konstrukcji decyzje o zadzia-
łaniu lub blokowaniu ziemnozwarcio-
wych zabezpieczeń admitancyjnych
następują w wyniku porównywania
następujących wielkości:

Uo

p

≥

Uo

n

(1)

Yo

p

≥

Yo

n

(2)

Go

p

≥

Go

n

(3)

Bo

p

≥

Bo

n

(4)

Yo

p1

– Yo

p2

≥ ∆

Y

n

(5)

gdzie:

Uo

p

- wartość pomiarowa napięcia

składowej zerowej sieci,

Yo

p

, Go

p

, Bo

p

– wartości admitan-

cji, kondyktancji i susceptancji linii

wyznaczone z wartości napięcia Uop

i prądu składowej zerowej linii Iop,

Yo

p1

, Yo

p2

- wartości Yop wynikające

z pomiarów w dwóch różnych sta-
nach zwarcia doziemnego (przed i po

Rys. 1 Charakterystyki rozruchowe podstawowych admitancyjnych zabezpieczeń

ziemnozwarciowych: a) typu Yo>, b) typu Go>

Rys. 2 Charakterystyki rozruchowe łączonych zabezpieczeń admitancyjnych:

a) typu Go

k

>, b) typu Bo

k

>

reklama

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 9 / 2 0 0 4

a u t o m a t y k a

94

działaniu urządzeń wymuszających
dodatkowe prądy zwarcia – np. przed

i po działaniu AWSCz),
Uo

n

, Yo

n

, Go

n

, Bo

n

, Y

n

– wartości

nastawcze.

Z powyższych kryteriów wynika,

że admitancyjne zabezpieczenia ziem-
nozwarciowe reagować mogą na:

nadmiar modułu admitancji (Yo>),

nadmiar konduktancji (Go>),

nadmiar susceptancji (Bo>),

przyrost admitancji ( Yo>).

Wszystkie kryteria admitancyjne

muszą być powiązane logicznie z na-
pięciowym warunkiem pobudzenia.

To oznacza, że aktywność takich za-

bezpieczeń występuje tylko wtedy,
gdy napięcie składowej zerowej sie-
ci Uo

p

jest powyżej wartości nastaw-

czej (warunek 1).

Warunki działania zabezpieczeń

admitancyjnych ziemnozwarciowych

wygodnie jest analizować na płasz-

czyźnie liczb zespolonych. Na rysun-
ku 1

przedstawiono charakterystyki

dwóch podstawowych kryteriów Yo>

i Go>. Obszary blokowania (brak za-

działania) zaznaczono kolorem sza-

rym. Wektory admitancji pomiarowej

wychodzące poza zaznaczone obsza-

ry powodować będą pobudzenie i za-

działanie zabezpieczenia.

Promień okręgu charakterystyki

na rysunku 1a wynika z wartości
nastawczej i opisuje wartość admi-
tancji wynikającej z parametrów do-
ziemnych zabezpieczanej linii. Cha-
rakterystyka z rysunku 1b wykazuje

wrażliwość na składowe czynne prą-

du ziemnozwarciowego i w związku

z tym zabezpieczenie konduktancyj-
ne Go> szczególnie dobrze wyko-
rzystuje efekty działania urządzeń
AWSCZ lub uziemienie punktu neu-
tralnego sieci przez rezystancję. Na
rysunku 2

przedstawiono charak-

terystyki zabezpieczeń działają-

cych na wartość i znak kondyktan-
cji Gok> lub susceptancji Bok>. Tego

typu kryteria mogą pełnić taką samą
funkcję jak klasyczne zabezpieczenia
kierunkowe czynno- lub biernomo-

cowe stosowane powszechnie w Pol-
sce od wielu lat.

W obecnie produkowanych zabez-

pieczeniach ziemnozwarciowych ist-
nieje często możliwość łączenia po-

szczególnych kryteriów w różne lo-
giczne kombinacje. Charakterystyki
zabezpieczeń, których działanie opar-

te jest na połączonych kryteriach Yo>,
Go>, Gok> i Bok> zaprezentowano
na rysunkach 3a i 3b. Charakterysty-
ka z rysunku 3a jest wynikiem sumy
logicznej kryteriów Yo> i Go>. Ta-
kie zabezpieczenie kontroluje warto-
ści admitancji Yo i ze szczególną wraż-
liwością reaguje na przepływ w ob-

wodzie ziemnozwarciowym prądów

czynnych. Natomiast suma wyjść
logicznych kryteriów Gok> i Bok>

tworzy charakterystykę, której obraz
przedstawiono na rysunku 3b. Za-
bezpieczenie z taką charakterystyką
jest ukierunkowane i czułe przede

wszystkim na wektory admitancji Yo

p

pojawiające się w pierwszej ćwiartce
płaszczyzny zespolonej.

Warunki pracy zabezpieczenia

ziemnozwarciowego, którego dzia-
łanie oparte jest na kryterium przy-
rostu admitancji

∆Yo> (zależność 5)

pokazano na rysunku 3c. Wymagany
przyrost konduktancji lub susceptan-

cji zerowej mierzonej w linii dotyczy
zewnętrznego obszaru charakterysty-
ki. Spełnienie wymagań w zakresie

przyrostu admitancji staje się możli-

we dzięki zastosowaniu urządzeń wy-

muszających dodatkowy prąd zwarcia

doziemnego o odpowiednich parame-

trach (np. układy wymuszania składo-

wej czynnej - AWSCz lub wymuszania

składowej biernej – AWSB).

praktyczne wykorzystanie
kryteriów admitancyjnych

Kryterium Yo>

Zabezpieczenie ziemnozwarciowe

reagujące na moduł admitancji zero-

wej Yo> porównuje wartości Yo

p

i Yo

n

.

Oznacza to, że mogą one zrealizować
swoje kryteria tylko wtedy, gdy ad-
mitancja pomiarowa przyjmuje war-

tości większe niż własna admitancja

doziemna linii.

Takie prawidłowości występują:

w liniach pracujących w sieciach

o izolowanym punkcie zerowym,
dla których pojemnościowy prąd
doziemny linii jest co najmniej

mniejszy niż 50% (w praktyce

ok. 30%) prądu doziemnego sieci,

w krótkich liniach napowietrz-

nych w sieciach z kompensa-
cją prądu ziemnozwarciowego,

w przypadkach, gdy prąd dławika

jest większy od prądu pojemno-
ściowego sieci lub gdy w sieci sto-
suje się przejściowe włączanie do-

datkowej impedancji uziemiającej

Rys. 3 Charakterystyki rozruchowe łączonych zabezpieczeń admitancyjnych:

a) typu YGo , b) typu GBok , c) typu Yo>

reklama

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 9 / 2 0 0 4

95

(AWSCZ lub AWSB) w celu zwięk-

szenia prądu doziemnego,

we wszystkich liniach pracujących

w sieci z punktem neutralnym

trwale uziemionym przez rezystor,
którego prąd jest równy co do war-
tości lub większy niż prąd pojem-
nościowy doziemny sieci.

Kryteria konduktancyjne Go> i Gok>

Zabezpieczenia o kryteriach Go>

wykorzystują efekt zwiększonej war-

tości konduktancji mierzonej w ob-

wodach składowej zerowej linii do-

ziemionej. Zjawisko zwiększenia kon-

duktancji wystąpi szczególnie silnie

w sieciach wyposażonych w układy
wymuszania składowej czynnej lub
w sieciach trwale uziemionych przez

rezystancję. Konduktancyjne kryte-
rium działania zabezpieczeń ziem-
nozwarciowych można zrealizować
przez porównanie bezwzględnych

wartości Go

p

z nastawą Go

n

i dzięki

temu uzyskuje się obszary działania,
które występują po obu stronach osi
liczb urojonych płaszczyzny zespolo-
nej i nie zachodzi potrzeba fazowa-
nia zacisków przekaźnika z zaciska-
mi filtrów składowych zerowych prą-

du i napięcia.

W przypadkach, gdy kryterium

konduktancyjne ma być zastosowane

w liniach zasilanych dwustronnie na-

leży ukierunkować charakterystykę
rozruchową w obszary I i IV ćwiart-
ki płaszczyzny liczb zespolonych. Re-
alizowane jest wtedy kryterium Gok>

(rys. 2a), które wymaga jednak fazo-
wania obwodów wejściowych.

Kryterium susceptancyjne Bok>

Obszar działania zabezpieczeń re-

alizujących kryterium susceptancyj-
ne obejmuje najczęściej I i II ćwiart-
kę płaszczyzny admitancji rozrucho-

wej (rys. 2b). Jest to zatem charak-

terystyka kierunkowa, gdyż o dzia-
łaniu zabezpieczenia decydują war-
tość i znak susceptancji. Tego typu
zabezpieczenia znajdują zastosowa-
nie głównie w sieciach o izolowanym
punkcie zerowym. Sposób działania
tego typu zabezpieczenia jest zbliżo-
ny do zabezpieczeń kierunkowych
biernomocowych. Różnice wynikają
jedynie z faktu, że wyeliminowanie

w zabezpieczeniach Bok rozruchowe-

go członu prądowego umożliwia ich
działanie ze stałą czułością niezależ-
nie od wartości rezystancji przejścia

w miejscu doziemienia.

Układ kryteriów typu YGo i BGok
Zabezpieczenie typu YGo uzysku-

je się przez połączenie kryterium mo-

dułu admitancji z kryterium konduk-

tancyjnym. Uzyskuje się wtedy charak-
terystykę rozruchową przedstawioną
na rysunku 3a. Pozwala ona na prawi-

dłową lokalizację linii doziemionych

w sieciach SN o różnych sposobach

łączenia punktu gwiazdowego z zie-
mią. Ma to bardzo istotne znaczenie
podczas wzajemnego rezerwowania
się sieci o odmiennych uziemieniach
punktów zerowych. Z analizy wartości
rozruchowych wynika, że w sieciach
skompensowanych wyposażonych

w urządzenia AWSCZ lub uziemionych

rezystorem zawsze co najmniej jedno
z kryteriów uzyska warunki do pobu-

dzenia. Natomiast po przejściu sieci

w układ pracy o izolowanym punkcie

neutralnym linie mogą być skutecznie
chronione przez kryteria Yo>.

Na rysunku 3b pokazano charakte-

rystykę zabezpieczenia GBok. Realizo-

wane ono jest przez połączenie kryte-

riów Gok i Bok. Takie zabezpieczenia
uzyskują dobre warunki do działania

w liniach pracujących w sieciach o izo-

lowanym punkcie zerowym lub uzie-
mionych przez rezystor. Jest to zabez-
pieczenie bardzo przydatne w typo-

wych sieciach uziemionych przez re-

zystor, gdyż podczas normalnej pracy
sieci o zachowaniu się zabezpieczenia

decyduje kryterium Gok, natomiast

po wyłączeniu awaryjnym rezystora
lub transformatora potrzeb własnych
i przejściu sieci w stan pracy z izolowa-
nym punktem neutralnym rolę decy-

denta przejmuje kryterium Bok.

Kryterium przyrostu admitancji DYo

Układy reagujące na przyrost ad-

mitancji nazywane są zabezpiecze-
niami porównawczo-admitancyjny-
mi i oznaczane literami YYo [1]. Kryte-
rium ich działania opiera się na przy-
roście admitancji zerowej w linii do-
ziemionej po załączeniu urządzeń wy-
muszających dodatkowy prąd zwarcia

z ziemią. W związku z tym znajdują
one zastosowanie przede wszystkim

w sieciach z punktem neutralnym
uziemionym przez dławik kompen-

sujący (cewka Petersena) i wyposażo-
ne w ukałdy AWSCZ lub AWSB.

Dla stwierdzenia przyrostu admi-

tancji należy w czasie doziemienia li-
nii mierzyć i pamiętać prądy Io

p

i na-

pięcie Uo

p

przed i po załączeniu urzą-

dzeń wymuszających. Komplikuje to

w pewnym stopniu konstrukcje zabez-
pieczeń realizowanych w technice ana-

logowej, natomiast nie stanowi to żad-
nych problemów przy tworzeniu algo-
rytmów dla systemów cyfrowych.

Kryteria badające przyrost admi-

tancji po zadziałaniu urządzeń wy-
muszających są mniej wrażliwe na

szumy w obwodach pomiarowych

Prąd

pojemnościowy

linii
[A]

Rezystancje
wykrywane

przez kryterium Yo>

dla Uo

n

= 5% Uzn

[

W]

Rezystancje
wykrywane

przez kryterium

Yo>

dla Uo

n

= 10%

Uzn

[

W]

Rezystancje
wykrywane

przez kryterium

Io>

[

W]

a)

b)

a)

b)

a)

b)

1000

1600

500

800

5

350 350

10

170

175

15

100

100

20

60

50

25

40

brak

działania

30

20

brak

działania

Tab. 1 Graniczne rezystancje przejścia w miejscu zwarcia doziemnego wykrywane

przez zabezpieczenia typu Yo> i Io> w poszczególnych liniach w sieci 15 kV
o pojemnościowym prądzie doziemienia 105 A: a) przy uziemieniu punktu neu-
tralnego rezystorem 80

W, b) po wyłączeniu rezystora i przejściu sieci na pra-

cę z punktem neutralnym izolowanym

reklama

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 9 / 2 0 0 4

a u t o m a t y k a

96

prądu Io. Ze względu na to, że warun-
ki nastawcze takich zabezpieczeń nie
zależą od parametrów doziemnych li-
nii, czułość ich działania zależy tyl-
ko od impedancji urządzeń wymu-

szających. Doświadczenia eksploata-
cyjne wykazały, że dla realizacji urzą-
dzeń wymuszających mogą być uży-

te również obciążenia bierne (AWSB).
Stwierdzono, że w przypadku zwarć

wysokooporowych wymuszanie prą-

du indukcyjnego może być efektyw-

niejsze niż w przypadku stosowania

wymuszania rezystancyjnego.

skuteczność działania
ziemnozwarciowych
zabezpieczeń
admitancyjnych

W realizacji zabezpieczeń admi-

tancyjnych wykorzystuje się techni-
ki analogowe lub cyfrowe. Konstruk-

cje analogowe dotyczą urządzeń au-

tonomicznych (np. RYGo w obudowie
R4) lub modułów współpracujących
z zespołami zabezpieczeń pól linio-

wych typu SMAZ lub ZAZ. W syste-

mach cyfrowych zabezpieczenia ad-
mitancyjne realizowane są w postaci

odpowiednich algorytmów pomiaro-

wo-decyzyjnych. Wdrażanie zabezpie-

czeń admitancyjnych do eksploata-
cji w polskich sieciach średnich na-

pięć rozpoczęło się kilkanaście lat te-
mu [7]. Ocenia się, że do połowy roku
2004 zainstalowano około 10 000 za-

bezpieczeń wykonanych w technice
analogowej oraz kilka tysięcy syste-
mów cyfrowych, w których realizo-

wane są kryteria admitancyjne. Do-

tychczasowe doświadczenia z ich
pracy są bardzo pozytywne. W wielu
przypadkach zaobserwowano znacz-
ny wzrost wskaźnika efektywności

wykrywania linii doziemionych (czę-

sto z 50% na 90% lub 95%). Ten wy-
raźny wzrost efektywności dotyczy
zabezpieczeń pracujących w sieciach
o punkcie neutralnym uziemionym

przez dławik kompensujący. W sie-

ciach tych stwierdza się wyraźne
zwiększenie obszarów wykrywanych
rezystancji przejścia. Przy rozrucho-

wym progu napięciowym na pozio-

mie odpowiadającym 12% napięcia fa-
zowego stwierdzano działanie zabez-
pieczeń przy rezystancjach przejścia

o wartościach przekraczających na-

wet 2500 W. Jest rzeczą oczywistą, że

zakres wykrywanych rezystancji jest
szczególnie wysoki w sieciach o ma-

łym rozstrojeniu kompensacji ziem-
nozwarciowej (np. <10%).

W konstrukcjach zabezpieczeń

admitancyjnych sygnały decyzyjne
można poddawać silnemu uśred-
nianiu, co sprzyja pozyskiwaniu wa-
runków do ich zadziałania również

podczas zwarć niestabilnych o łuku
przerywanym. Badania wykazały, że

chwilowe przerwy w przepływie prą-
du doziemienia w granicach (20-50)
milisekund nie muszą powodować

utraty pobudzenia zabezpieczeń. Za-

bezpieczenia admitancyjne znajdu-
ją również szerokie zastosowanie

w sieciach uziemionych rezysto-

rem [5]. Przy stosowaniu napięcio-

wego progu rozruchowego na pozio-

mie 5% lub 10% znamionowego na-
pięcia fazowego sieci zakres wykry-

wanych rezystancji przejścia podczas

doziemień jest znacznie większy niż

w przypadku zabezpieczeń nadprą-

dowych. Wyniki obliczeń (tab. 1) dla

przykładowej sieci 15 kV, o prądzie
pojemnościowym 105 A i pracują-

cej z punktem neutralnym uziemio-
nym przez rezystor 80 W pokazują,
że graniczne rezystancje w miejscu
zwarcia z ziemią wykrywane przez
człon Yo> są takie same w wszyst-
kich liniach i wynoszą około 1000 W

(dla Uo

n

= 5% Uzn) lub 500 W (dla

Uo

n

= 10% Uzn). Skuteczność dzia-

łania zabezpieczeń prądowych Io>

w tych warunkach będzie znacznie

mniejsza i dla linii o relatywnie du-
żych wartościach prądu pojemno-
ściowego mogą tracić pobudzenie
już w przypadkach zwarć metalicz-
nych o rezystancji przejścia na po-
ziomie kilkudziesięciu omów.

Dodatkową zaletą zabezpieczeń

admitancyjnych jest ich zdolność do
działania w warunkach uszkodzone-
go lub wyłączonego rezystora. Poka-
zują to wyniki obliczeń zamieszczo-
ne w kolumnach „b” tabeli 1. W tym

przypadku w członach Yo> następuje
nawet zwiększenie obszarów wykry-
wanych zwarć. Natomiast człony Io>

obniżają zakresy działania i w liniach
o dużych prądach pojemnościowych

mogą całkowicie utracić zdolność do
prawidłowego reagowania.

literatura

1. Lorenc J.,Kordus A., Erdchlus-

schutz fur Mittelspannungsnet-
zen auf der Basis eines Vergle-
iches der Leitungsnulladmittan-
zen, Elektrie 1985, Nr 5.

2. Lorenc J., Admitancyjne zabezpie-

czenia ziemnozwarciowe kompen-
sowanych sieci średnich napięć,

Politechnika Poznańska, Rozpra-

wy nr 272, Poznań 1992.

3. Lorenc J., Admitancyjne kryteria

działania zabezpieczeń ziemno-

zwarciowych, Automatyka Elek-
troenergetyczna (AEE), nr 2, 1994.

4. Lorenc J., Andruszkiewicz J., Kor-

dus A., Marszałkiewicz K., Admi-

tance criteria of integrated pro-
tection system used in mv li-
nes, VII Międzynarodowa Kon-
ferencja Naukowa nt. Aktualne
Problemy w Elektroenergetyce,
tom

I, s. 19 - 25, Gdańsk 1995.

5. Lorenc J., Hoppel W., Admitancyj-

ne zabezpieczenia ziemnozwarcio-

we w sieciach uziemionych przez

rezystor. Automatyka Elektroener-
getyczna, nr 2-3/1996, s. 12-15.

6. Lorenc J., Marszałkiewicz K., An-

druszkiewicz J., Admittance cri-

teria for earth fault detection
in substation automation sys-
tems in polish distrybution po-

wer networks, CIRED, Birming-

ham, June 1997, Publication IEE
No. 438, 1997.

7. Lorenc J., Skuteczność admitancyj-

nych zabezpieczeń ziemnozwar-
ciowych w różnych układach pra-
cy sieci średnich napięć. II Ogól-
nopolska Konferencja Technicz-
na” ENERGETYKA 2000”, Stare Ja-
błonki, wrzesień 1998, s. 77-82.

8. Lorenc J., Sposób i układ selek-

tywnego zabezpieczenia od zwarć
z ziemią dla linii średnich napięć,
Patent PL nr 173980, Data opubli-
kowania 29 maj 1998.

9. Rakowska A., Lorenc J., Hoppel

W., Disturbances in polish 15 kV

network by ground short-circu-
its, 17th International Conference
Electricity Distribution – CIRED,
Barcelona, maj 2003.

reklama