Automatyka
zabezpieczeniowa w
sieci z rozproszonymi
źródłami energii

Wprowadzenie

Wprowadzenie

W Polsce praktyczne

znaczenie mają elektrownie;



wiatrowe,



małe elektrownie wodne,



systemy wykorzystujące

biomasy,



wytwarzanie energii

elektrycznej w skojarzeniu

z produkcją ciepła, tzw.

kogeneracja,



fotowoltaika.

Rodzaje generatorów:



konwencjonalny generator
synchroniczny o stałej prędkości,



generator indukcyjny o zmiennej
prędkości i ze zmienną rezystancją
zewnętrzną wirnika,



generator asynchroniczny o zmiennej
prędkości z podwójnym zasilaniem,



generator o zmiennej prędkości z
przekształtnikiem częstotliwości.

Wprowadzenie

Ze względu na poziom mocy
generacja rozproszona może
być



mikro(od ok. I W do 5 kW),



mała (od 5 kW do 5 MW),



średnia (od 5 MW do 50 MW)



duża (od 50MW do 150 MW).

W praktyce w wielu krajach, w tym
także Polsce, stosowana jest zasada,
według której:



do sieci niskiego napięcia (0.4 kV)
dopuszcza się przyłączanie źródeł
trójfazowych o mocy 50-250 kVA,



w głębi sieci średniego napięcia
(10 kV, 15 kV i 20 kV) przyłącza się
źródła o mocy 2÷3 MVA,



do szyn SN w stacji 1 10/SN
przyłącza się źródła o mocy
8÷10 MVA,



do sieci 110 kV przyłącza się źródła
o mocach większych od 10 MVA.

Wprowadzenie

Dodatkowe źródła w sieci
wprowadzają niekorzystne zjawiska,
z których najważniejsze to:



zmiana rozpływu mocy,



zmiany poziomu napięcia,



wzrost prądów zwarciowych,



pogorszenie wskaźników jakość
energii,



zmiana warunków pracy
automatyki regulacyjnej i
elektroenergetycznej automatyki
zabezpieczeniowe

Niekorzystny wpływ generacji
rozproszonej zależy głównie od takich
czynników, jak:



moc zwarciowa w sieci
rozdzielczej,konfiguracja tej sieci i
rodzaj linii,



rodzaj i wielkość przyłączonych
źródeł,



sposób i miejsce przyłączenia GR do
sieci.

Sposoby przyłączenia generacji

rozproszonej do sieci rozdzielczej SN

Sposoby przyłączania generacji

rozproszonej do sieci rozdzielczej110kV

Cele analiz inżynierskich przyłączania
Generacji Rozproszonej



rozpływ mocy i poziom napięcia w stanie normalnym

i z uwzględnieniem działania układów regulacji napięcia,



szybkie zmiany napięcia podczas załączania i wyłączania
źródeł generacji rozproszonej,



wskaźniki jakości energii w sieci (wahania napięcia,
migotania światła, odkształcenia harmoniczne),



warunki zwarciowe (wartości i rozpływ prądów
zwarciowych i ziemno-zwarciowych),



warunki pracy automatyki zabezpieczeniowej w sieci.

Cele analiz inżynierskich przyłączania
Generacji Rozproszonej

W przypadku przyłączania źródeł rozproszonych
o dużych mocach należy przeanalizować także:



granicę stabilności napięciowej w punkcie
przyłączenia,



stabilność lokalną węzła wytwórczego w pobliżu
punktu przyłączenia,



stabilność globalną systemu (krytyczny czas
trwania zwarcia w punkcie przyłączenia).

Warunki pracy zabezpieczeń sieci
rozdzielczej z generacją rozproszoną

Nieprawidłowe działanie zabezpieczeń w sieciach z

przełączanymi źródłami energii:



zbędne działania zabezpieczeń zwarciowych linii,



nieskuteczne działanie automatyki SPZ,

Aby temu zapobiec należy lokalne źródło wyłączać

przez dodatkowe zabezpieczenia w czasie pierwszej

przerwy w cyklu SPZ oraz czas przerwy w cyklu SPZ

wydłuża się do 1 s.

zalecenia i wymagania dotyczących
dostosowania zabezpieczeń do GR



Obowiązują w tym względzie następujące zasady [14]:1) wszelkie zwarcia w
pobliżu elektrowni lokalnej powinny być możliwie szybko eliminowane w celu
zapobieżenia utracie synchronizmu generatorów, w szczególności dotyczy to
zwarć w liniach wiâżâcych elektrownię z systemem;2) bliskie zwarcia w
odpływach ze stacji GPZ, do których nie są przyłączonelokalne źródła,
powinny być wyłâczane możliwie bezzwłocznie lub z niewielką zwłoką;3) , w
liniach zasilanych dwustronnie należy stosować zabezpieczenia
nadprâdowozwłoczne z blokadâ kierunkowâ.

Automatyka zabezpieczeniowa źródeł

rozproszonych



Generatory synchroniczne i asynchroniczne, stosowane
jako źródła generacji rozproszonej, wyposaża się w
zabezpieczenia podstawowe i dodatkowe. Do
zabezpieczeń podstawowych należą takie rodzaje
zabezpieczeń, w które należy wyposażać zwykle
generatory i silniki asynchroniczne, stosownie do ich
rodzaju i mocy.



Stosowanie zabezpieczeń dodatkowych źródeł
rozproszonych wynika z występowaniem dużych zagrożeń
związanych z utratą połączenia źródła z systemem
elektroenergetycznym oraz niekontrolowaną pracą
wyspową.

Automatyka zabezpieczeniowa źródeł rozproszonych

Unikanie samowzbudzenia generatora asynchronicznego



W celu uniknięcia samowzbudzenia generatora
asynchronicznego podczas normalnych operacji
łączeniowych konieczne jest zachowanie odpowiedniej ich
kolejności:



przy załączaniu:

1) rozpędzenie maszyny do prędkości bliskiej
synchronicznej,

2) załączenie maszyny do sieci, a następnie 3) włączenie

baterii kondensatorów;



przy wyłączaniu:

1) wyłączenie baterii kondensatorów,
2) odłączenie generatora od sieci.

Automatyka zabezpieczeniowa źródeł rozproszonych

Zapobiegania pracy wyspowej źródeł rozproszonych



Jako uzasadnienie zapobiegania pracy wyspowej źródeł

rozproszonych wymienia się :



— brak możliwości prawidłowego działania zabezpieczeń z

powodu małej mocy zwarciowej tych źródeł,



— brak możliwości zachowania standardów jakości energii

dostarczanej odbiorcom;



— możliwość uszkodzenia generatorów po

niekontrolowanym ponownym połączeniu z systemem (np.

po SPZ i SZR),



— wzrost zagrożenia porażeniowego (np. wskutek

odłączenia się od urządzeń do kompensacji prądu

ziemnozwarciowego).

Automatyka zabezpieczeniowa źródeł rozproszonych

Zabezpieczenia dodatkowe źródeł rozproszonych



zerowo-nadnapięciowe od zwarć doziemnych,



nadczęstotliwościowe,



podczęstotliwościowe,



nadnapięciowe od wzrostu napięcia generatora,



podnapięciowe, od rozbiegania się

hydrogeneratorów oraz



specjalne od utraty połączenia z systemem

elektroenergetycznym.

Automatyka zabezpieczeniowa źródeł rozproszonych

Zabezpieczenia dodatkowe źródeł rozproszonych



Zabezpieczenie zerowo-nadnapięciowe wykrywa
zwarcie doziemne utrzymujące się w linii SN
łączącej po wyłączeniu tej linii w GPZ i wyłącza
generator w czasie przerwy w cyklu SPZ. W
przypadku stosowania w sieci automatyki
wymuszania składowej czynnej prądu
ziemnozwarciowego (AWSC) opóźnienie tego
zabezpieczenia musi być większe od zwłoki w
załączaniu rezystora, wynoszącej zwykle 3 s.

Automatyka zabezpieczeniowa źródeł rozproszonych

Zabezpieczenia dodatkowe źródeł rozproszonych



Zabezpieczenie nadczęstotliwościowe wyłącza
generator przy nadmiernym wzroście
częstotliwości po utracie połączenia z systemem i
gwałtownym odciążeniu generatora.



Zabezpieczenie podczęstotliwościowe chroni
generator od pracy przy obniżonej częstotliwości
podczas awarii systemowej, a także po utracie
połączenia z systemem i gwałtownym dociążeniu
generatora.

Automatyka zabezpieczeniowa źródeł rozproszonych

Zabezpieczenia dodatkowe źródeł rozproszonych



Zabezpieczenie nadnapięciowe zapobiega uszkodzeniu
generatora wskutek nadmiernego wzrostu napięcia,
spowodowanego nieprawidłowym
działaniem(uszkodzeniem) układu regulacji napięcia
generatora lub transformatora, rozbieganiem się
hydrogeneratora, czy też samowzbudzeniem się
generatora asynchronicznego.



Zabezpieczenie podnapięciowe reaguje z odpowiednią

zwłoką podczas bliskich zwarć w sieci oraz po utracie
połączenia generatora z systemem. Jeżeli przewiduje się
pracę wyspową źródła rozproszonego, to zabezpieczenia
dodatkowe mogą działać tylko na odłączenie generatora
od układu elektroenergetycznego.

Automatyka zabezpieczeniowa źródeł rozproszonych

Zabezpieczenia dodatkowe źródeł rozproszonych



Jeżeli przewiduje się pracę wyspową źródła
rozproszonego, to zabezpieczenia dodatkowe
mogą działać tylko na odłączenie generatora od
układu elektroenergetycznego.



Zabezpieczeniem bardzo szybko reagującym (w
czasie kilku okresów) na utratę powiązania
generatora z systemem, jest tzw. napięciowy
przekaźnik wektorowy, który wykrywa skokową
zmianę argumentu(kąta fazowego) napięcia
generatora w stosunku do fazy tego napięcia na
początku zakłócenia.

Przykładowe wyposażenie w zabezpieczenia źródeł
rozproszonych z generatorami synchronicznymi bardzo małej
mocy.

Przykładowe wyposażenie w zabezpieczenia
źródeł rozproszonych z generatorami
synchronicznymi bardzo małej mocy

Zabezpieczenia turbiny wiatrowej

z generatorem synchronicznym o mocy 2,0MW

Zabezpieczenia źródeł rozproszonych
współpracujących z przekształtnikami

Maszynowe źródła rozproszone współpracujące z
przekształtnikami wyposażane są w zabezpieczenia
od międzyfazowych i doziemnych zwarć
wewnętrznych, stosownie do rodzaju i mocy
generatora. Przekształtniki mogę być tzw. zależne,
czyli ich praca wymaga napięcia z sieci, oraz
niezależne, które mogą pracować samodzielnie. W
pierwszym przypadku oddawanie energii do sieci
jest możliwe tylko przy pracy równoległej źródła z
systemem



Falowniki blokują przepływ prądu zwarcia z sieci do
źródła, dlatego sieć rozdzielcza nie odczuwa zwarć w
generatorze, prostownikach i na szynach napięcia stałego.
Z kolei przy zwarciach zewnętrznych przekształtniki z
komutacją sieciowa, wskutek obniżonego napięcia, nie
będę przełączane, dlatego nie wymagaj zabezpieczeń od
tego typu zwarć. Przekształtniki z komutacją wewnętrzną
(autonomiczne) zwykle dopuszczają krótkotrwały (ok.60
ms) przepływ prądu zwrotnego, ograniczającego do
poziomu prądu znamionowego i też nie wymagają
oddzielnych zabezpieczeń. Jeśli źródło przekształtnikowe
może produkować długotrwale prąd zwarcia, to należy
wyposażyć go w zabezpieczenie nadprądowe-
kierunkowe.Jako zabezpieczenia dodatkowe źródeł
przekształtnikowych stosuje się przedewszystkim
zabezpieczenia nadnapięciowe i podnapięciowe oraz
nadczęstotliwościowe i podczęstotliwościowe