1

Ć

WICZENIE NR 4

BADANIE PRZEKAŹNIKÓW KIERUNKOWYCH

Instrukcja skrócona

1

1.

Przeznaczenie i zastosowanie przekaźników kierunkowych

Przekaźniki kierunkowe, zwane też kątowymi, przeznaczone są do kontroli kierunku

przepływu mocy zwarciowej. Stosowane są w różnych układach zabezpieczeń, które ze względu
na warunek wybiórczości działania wymagają określenia kierunku przepływu mocy zwarciowej.
Są to najczęściej zabezpieczenia nadprądowe sieci pierścieniowej lub dwustronnie zasilanej, a
także zabezpieczenia odległościowe. Jako samodzielne człony mierzące przekaźniki kierunkowe
znajdują szerokie zastosowanie w zabezpieczeniach ziemnozwarciowych sieci rozdzielczych
ś

rednich napięć.

Rys. 1. Przykład zastosowania przekaźników kierunkowych; a) układ linii dwutorowej z

zabezpieczeniami nadprądowo-kierunkowymi, b) schemat ideowy zabezpieczenia nadprądowo-

kierunkowego zwłocznego

1

Opracował dr inż. W. Dzierżanowski na podstawie skryptu pt. „Automatyka elektroenergetyczna – ćwiczenia

laboratoryjne”, cz.I, praca zbiorowa pod red. B. Synala, Wyd. Politechniki Wrocławskiej 1991

PN

t

I>

t

I>

t

I>

I>

t

~

t

I>

(+)

(-)

(-)

(+)

OW

U

a)

b)

A

B

1

2

3

4

E

L1

L2

PP

PP

z PN

2

Przykład zastosowania przekaźników kierunkowych w układzie zabezpieczeń nadprądowo-

kierunkowych zwłocznych w najprostszej sieci pierścieniowej pokazano na rys. 1.

Najprostszą sieć pierścieniową tworzy linia 2-torowa (L1, L2) zasilana jednostronnie ze

ź

ródła E, jak na rys. 1a). W celu zapewnienia wybiórczości działania zabezpieczeń

nadprądowych zwłocznych linii w takim układzie sieciowym, konieczne jest zastosowanie
przekaźników kierunkowych tam, gdzie moc zwarciowa może zmieniać kierunek w zależności
od położenia miejsca zwarcia. W tym wypadku zabezpieczenia obu linii w stacji B muszą być
wyposażone w przekaźniki kierunkowe, które powinny blokować zabezpieczenie w przypadku
wykrycia przepływu mocy zwarciowej w kierunku szyn stacji B. Opóźnienia czasowe (t

B

)

zabezpieczeń w stacji B są mniejsze od opóźnień (t

A

) w stacji A o czas stopniowania ∆t. W razie

wystąpienia zwarcia, np. w torze L2 (jak na rys. 1) pobudzają się człony prądowe wszystkich
zabezpieczeń w układzie sieciowym. Impuls na wyłączenie, jako pierwszy, poda z opóźnieniem
t

B

przekaźnik 4 w stacji B, gdyż jego człon kierunkowy na to zezwoli z uwagi na przepływ

mocy zwarciowej od szyn stacji B. W tym samym czasie człon kierunkowy zabezpieczenia 3
działa blokująco. Po otwarciu wyłącznika toru L2 w stacji B prąd zwarciowy w zdrowym torze
L1 zanika i jego zabezpieczenia (1 i 3) wracają do stanu spoczynku. W stanie pobudzenia
pozostaje zabezpieczenie nadprądowo-zwłoczne 2 toru L2 w stacji A, które po nastawionym
czasie t

A

spowoduje otwarcie wyłącznika, dokonując w ten sposób ostatecznej wybiórczej

eliminacji zwarcia.

Prąd rozruchowy członów prądowych omawianych zabezpieczeń dobiera się wg takich

samych zasad jak dla linii promieniowych, tzn. powyżej maksymalnej wartości prądu obciążenia
toru , z uwzględnieniem chwilowych przeciążeń ruchowych linii i współczynnika powrotu
zastosowanych członów prądowych zabezpieczenia. Czasy opóźnień dobiera się wg ogólnych
zasad stopniowania czasowego zabezpieczeń nadprądowo-zwłocznych, stosowanych w sieciach
promieniowych i magistralnych, tj. t

i

= t

i-1

+ ∆t.

Pełny układ zabezpieczenia nadprądowo-kierunkowego w sieci trójfazowej jest realizowany

według zasady zilustrowanej na rys. 1b), które może być w wykonaniu dwu lub trójfazowym.
Wykonanie dwufazowe stosowane jest w sieciach rozdzielczych z nieuziemionym skutecznie
punktem zerowym.

2.

Zasady realizacji i podstawowe charakterystyki przekaźników kierunkowych

Przekaźniki kierunkowe identyfikują kierunek przepływu mocy zwarciowej na zasadzie

kontroli kąta przesunięcia fazowego między napięciem i prądem wejściowym. Gdy wartość tego
kąta zawiera się w obszarze określonym charakterystyką kątową przekaźnika, przekaźnik działa,
a gdy wykracza poza tę charakterystykę – przekaźnik blokuje. Przekaźniki kierunkowe
realizowane są na bazie komparatorów fazy elektromechanicznych (starsze rozwiązania) i
statycznych, których sygnałami wejściowymi są prąd I i napięcie U pochodzące z obiektu
zabezpieczanego.

Ustrój pomiarowy przekaźnika kierunkowego, ze względów technicznych, nie może działać

przy dowolnie małych wartościach sygnałów wejściowych, dlatego w zastosowaniach
praktycznych przekaźnik kierunkowy nie może być traktowany jako idealny komparator fazy.
Potrzebna jest znajomość rzeczywistych charakterystyk eksploatacyjnych przekaźników
kierunkowych.

Podstawową wielkością, która charakteryzuje zakres kątowy działania przekaźnika

kierunkowego, bez względu na jego konstrukcję, jest tzw. kąt przesunięcia wewnętrznego (kąt
maksymalnej czułości).

3

Kąt przesunięcia wewnętrznego

Ψ

Ψ

Ψ

Ψ

jest to taki kąt, o jaki należy obrócić wektor prądu I z

położenia zgodnego z napięciem U w kierunku wyprzedzenia, aby moc rozruchowa P

r

, wyrażona

zależnością (1):

(

)

Ψ

−

=

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

cos

kUI

P

r

(1)

osiągnęła maksymalną wartość.

gdzie:

U – napięcie przyłożone do napięciowego obwodu wejściowego przekaźnika,
I – prąd płynący w prądowym obwodzie wejściowym przekaźnika,
ϕ - kąt przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem U i prądem I w zabezpieczanym obiekcie,

Warunek działania przekaźnika kierunkowego można zapisać następująco:

(

)

)

2

(

cos

ro

r

P

kUI

P

≥

−

=

ψ

ψ

ψ

ψ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

gdzie P

ro

– wartość mocy wejściowej potrzebna do zadziałania przekaźnika kierunkowego (w

komparatorze idealnym P

ro

=0).

Jak widać z zal. (2), na warunki działania przekaźnika kierunkowego mają wpływ zarówno

wartości amplitud sygnałów wejściowych U oraz I, jak i wartości: kąta przesunięcia fazowego ϕ
pomiędzy tymi sygnałami i kąta wewnętrznego ψ. Dla konkretnego zastosowania przekaźnika
kierunkowego określona jest wartość kąta ϕ, natomiast kąt wewnętrzny powinien być tak
dobrany, aby w warunkach zwarciowych moc rozruchowa przekaźnika osiągała wartość
maksymalną, co jest spełnione, gdy ψ=ϕ

Warunki działania przekaźników kierunkowych analizuje się na podstawie przebiegu ich

charakterystyk rozruchowych. Wyróżnia się trzy podstawowe charakterystyki rzeczywistych
przekaźników kierunkowych:

1.

U

r

=f(I) przy ϕ

ϕ

ϕ

ϕ = ψ

ψ

ψ

ψ = const

Wychodząc z warunku działania przekaźnika kierunkowego (zal. 2), przy ϕ = ψ otrzymuje

się:

)

3

(

I

P

U

ro

r

=

Na rys. 2 pokazano ilustrację graficzną tej zależności. Wartość napięcia rozruchowego U

r

=

U

cz

przy prądzie znamionowym nazywana jest czułością kierunkową przekaźnika. Wyrażana jest

ona często w procentach wartości znamionowego napięcia przekaźnika, jak niżej:

)

4

(

100

%

⋅

=

n

cz

cz

U

U

U

4

Rys. 2. Charakterystyka U

r

= f(I) przekaźnika kierunkowego.

Ponieważ najczęściej U

n

= 100 V, przeto wartość mierzona U

cz

wyrażona w [V] stanowi

jednocześnie wartość procentową czułości kierunkowej.

Charakterystyka pokazana na rys. 2 jest charakterystyką teoretyczną, ważną przy stałej

wartości mocy rozruchowej P

ro

. W rzeczywistych przekaźnikach kierunkowych często w

obwodzie napięciowym stosowane są elementy nieliniowe (np. żarówki), o malejącej wartości
rezystancji wraz z napięciem, w celu zwiększenia czułości przekaźnika przy zwarciach bliskich.
Ponadto w elektromechanicznych przekaźnikach kierunkowych zmniejszanie się U

r

wraz ze

wzrostem prądu następuje wyraźnie tylko w zakresie do ok. 2I

n

. Przy większych wartościach

prądu wartość napięcia U

r

zmniejsza się niewiele ze względu na nasycanie się obwodu

magnetycznego przekaźnika.

2.

Charakterystyka kątowa U

r

= f(Ψ

Ψ

Ψ

Ψ) przy I = In = const

Charakterystyki tego rodzaju są wyznaczane dla przekaźników stosowanych w

zabezpieczeniach od zwarć wielofazowych, gdzie wartość napięcia pętli zwarciowej zmienia się
wraz z odległością zwarcia od miejsca zainstalowania zabezpieczenia. Dla przekaźników
kierunkowych ziemnozwarciowych natomiast, których wielkościami wejściowymi są napięcie i
prąd kolejności zerowej, wyznacza się charakterystykę I

r

= f(Ψ) przy U = U

n

= const. W

warunkach zwarcia doziemnego bowiem (zwłaszcza w sieciach nieuziemionych skutecznie)
wartość napięcia U

0

jest relatywnie wysoka i w niewielkim stopniu zależy od miejsca zwarcia

doziemnego w sieci.

Równanie tej charakterystyki, otrzymuje się wprost z wyrażenia (2) i ma ono postać

następującą:

)

5

(

)

cos(

ψ

ψ

ψ

ψ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

−

=

C

U

r

gdzie: C = P

ro

/I

n

= const.

Obraz graficzny teoretycznej charakterystyki kątowej przekaźnika kierunkowego, określonej

równaniem (5), pokazano na rys. 3.

5

Rys. 3. Charakterystyka kątowa przekaźnika kierunkowego

Wyznacza ją krzywa zawarta między dwoma asymptotami odległymi o kąt π/2 od kąta

maksymalnej czułości Ψ. W praktyce charakterystyka taka wyznaczana jest pomiarowo w
laboratorium za pomocą przesuwnika fazowego jako źródła napięcia z regulacją modułu i fazy,
niezależnego od źródła prądu przemiennego. Należy zaznaczyć, że rzeczywista charakterystyka
może odbiegać od charakterystyki teoretycznej, ze względu na nieliniowości w obwodzie
napięciowym lub prądowym przekaźnika. Kąt maksymalnej czułości Ψ przekaźnika wyznacza
symetralna charakterystyki kątowej, prostopadła do osi odciętych układu współrzędnych
U

r

=f(ϕ).

3. Charakterystyka na płaszczyźnie impedancji Z przy I = I

n

.

Charakterystyka na płaszczyźnie Z = U/I = R + jX wyznacza kontur rozgraniczający obszary

działania i blokowania przekaźnika na tej płaszczyźnie, przy czym Z jest impedancją widzianą z
zacisków przekaźnika.

Przebieg tej charakterystyki, pokazany na rys. 4, wynika również bezpośrednio z równania

(2). Jeśli obie strony tego równania podzielimy przez I

2

, to otrzymamy wyrażenie:

)

6

(

)

cos(

a

Z

=

−

ψ

ψ

ψ

ψ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

w którym: Z = U/I – moduł impedancji,

I

U

Z

/

arg

arg

=

=

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

a = P

ro

/I

2

Charakterystyk

ę

na płaszczy

ź

nie impedancji stanowi prosta prostopadła do osi maksymalnej

czuło

ś

ci przeka

ź

nika, przecinaj

ą

ca j

ą

w odległo

ś

ci „a” od pocz

ą

tku układu współrz

ę

dnych.

Warto

ść

„a”, maj

ą

ca wymiar impedancji, okre

ś

lana jest mianem „strefy martwej” przeka

ź

nika

kierunkowego.

Interpretacja fizyczna strefy martwej mo

ż

e by

ć

łatwo wyja

ś

niona na podstawie rys. 5.

Zgodnie z tym rysunkiem, przeka

ź

nik RK zainstalowany w stacji A, stanowi

ą

cy element

kontroluj

ą

cy kierunek przepływu mocy zwarciowej linii, otrzymuje nast

ę

puj

ą

ce wielko

ś

ci

wej

ś

ciowe pomiarowe: napi

ę

cie na p

ę

tli zwarcia U i pr

ą

d zwarciowy I. Napi

ę

cie na p

ę

tli zwarcia

jest okre

ś

lone wyra

ż

eniem:

6

Rys. 4. Charakterystyka przeka

ź

nika kierunkowego na płaszczy

ź

nie impedancji Z.

Rys. 5. Warunki pracy przeka

ź

nika kierunkowego podczas zwarcia w zabezpieczanej linii

)

7

(

1

1

1

Z

Z

Z

E

Z

I

U

s

+

=

=

Przemieszczaj

ą

c miejsce zwarcia od punktu „K” do „A” zmniejsza si

ę

impedancja zwarciowa

Z

1

a wraz z ni

ą

napi

ę

cie U. W pewnej odległo

ś

ci od p. A napi

ę

cie U osi

ą

ga warto

ść

graniczn

ą

,

poni

ż

ej której moc wej

ś

ciowa przeka

ź

nika jest mniejsza od mocy rozruchowej P

ro

potrzebnej do

zadziałania i przeka

ź

nik nie działa ani na wyzwolenie, ani na blokowanie.

E

U

I

A

Z

s

Zl

K

RK

7

3.

Przebieg ćwiczenia

3.1.

Wyznaczenie k

ą

ta przesuni

ę

cia wewn

ę

trznego przeka

ź

nika kierunkowego

Schemat układu pomiarowego do okre

ś

lenia charakterystyki k

ą

towej przeka

ź

nika

kierunkowego przedstawiono na rys. 6.

Rys. 6. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki k

ą

towej przeka

ź

nika

kierunkowego

Obwód pr

ą

dowy badanego przeka

ź

nika kierunkowego zasilany jest z autotransformatora AT2

przył

ą

czonego bezpo

ś

rednio do sieci nn, natomiast obwód napi

ę

ciowy – z autotransformatora

AT1 przył

ą

czonego do przesuwnika fazowego PF. Watomierz W jest wykorzystywany w

układzie pomiarowym tylko do ustalenia poło

ż

enia zerowego przesuwnika fazowego. Do

sygnalizacji zadziałania przeka

ź

nika kierunkowego mo

ż

na wykorzysta

ć

obwód z

ż

arówk

ą

do

którego zacisków dost

ę

pnych w stole laboratoryjnym nale

ż

y podł

ą

czy

ć

zestyki wyj

ś

ciowe

przeka

ź

nika.

Sposób przeprowadzenia pomiarów.

Pierwsz

ą

czynno

ś

ci

ą

jest wyznaczenie poło

ż

enia zerowego przesuwnika fazowego. W tym

celu w obwodzie pr

ą

dowym wymusza si

ę

pr

ą

d o warto

ś

ci równej pr

ą

dowi znamionowemu

przeka

ź

nika a napi

ę

cie zasilaj

ą

ce obwód napi

ę

ciowy doprowadza si

ę

do warto

ś

ci ok. 50 V.

Nast

ę

pnie, przez zmian

ę

poło

ż

enia wirnika przesuwnika fazowego, przesuwa si

ę

faz

ę

napi

ę

cia

tak długo, a

ż

wskazówka watomierza wska

ż

e warto

ść

zerow

ą

. Oznacza to,

ż

e przesuni

ę

cie

fazowe pomi

ę

dzy pr

ą

dem i napi

ę

ciem jest równe 90

0

. Strzałk

ę

przesuwnika fazowego przesuwa

si

ę

do punktu oznaczonego na skali jako 90

0

i w tym poło

ż

eniu nale

ż

y j

ą

zablokowa

ć

mechanicznie. Nale

ż

y dodatkowo sprawdzi

ć

, czy w przypadku ustawienia przesuwnika

fazowego w poło

ż

eniu 0

0

watomierz wskazuje maksymalne wychylenie.

Wa

ż

n

ą

spraw

ą

jest te

ż

ustalenie charakteru k

ą

ta przesuni

ę

cia fazowego pomi

ę

dzy pr

ą

dem i

napi

ę

ciem (pojemno

ś

ciowy, czy indukcyjny). Wykonuje si

ę

to równie

ż

za pomoc

ą

watomierza.

Przy poło

ż

eniu strzałki przesuwnika na warto

ś

ci 90

0

krótkotrwale zwiera si

ę

cewk

ę

pr

ą

dow

ą

watomierza. Je

ż

eli przesuni

ę

cie fazowe jest indukcyjne, to moment obrotowy działaj

ą

cy na

układ ruchomy watomierza jest ujemny i jego wskazówka wychyla si

ę

w lewo, poza skal

ę

. Je

ż

eli

k

ą

tjest pojemno

ś

ciowy, to moment obrotowy watomierza jest dodatni i wskazówka wychyli si

ę

w prawo.

PF

8

Po wyskalowaniu przesuwnika fazowego przyst

ę

puje si

ę

do wła

ś

ciwych pomiarów. Warto

ść

pr

ą

du w obwodzie pr

ą

dowym przez cały czas trwania pomiaru ma by

ć

stała i równa warto

ś

ci

znamionowej badanego przeka

ź

nika kierunkowego. Na przesuwniku fazowym nastawia si

ę

k

ą

t

ϕ=0

0

i powoli zwi

ę

ksza si

ę

napi

ę

cie obwodu napi

ę

ciowego a

ż

do zadziałania przeka

ź

nika

odczytuj

ą

c jednocze

ś

nie na woltomierzu warto

ść

rozruchow

ą

odpowiadaj

ą

c

ą

nastawionemu

k

ą

towi. W analogiczny sposób wykonuje si

ę

pomiary dla k

ą

tów zmienianych co 5

0

do 20

0

w

całym zakresie k

ą

tów, przy których wyst

ę

puje działanie przeka

ź

nika. Pomiary nale

ż

y zag

ęś

ci

ć

w

okolicy asymptot charakterystyki. Aby nie spowodowa

ć

przegrzania obwodu napi

ę

ciowego

przeka

ź

nika pomiary przerywa si

ę

wtedy, gdy napi

ę

cie zadziałania przekroczy 50 V.

Wyniki bada

ń

zapisuje si

ę

w tabeli 1.Na podstawie wyników pomiarów sporz

ą

dza si

ę

charakterystyk

ę

U

rśr

= f(ϕ). Symetralna otrzymanej krzywej odcina na osi odci

ę

tych warto

ść

równ

ą

k

ą

towi przesuni

ę

cia wewn

ę

trznego Ψ. K

ą

t ten mo

ż

na równie

ż

obliczy

ć

znaj

ą

c k

ą

ty

asymptot charakterystyki U

rśr

= f(ϕ).

Tabela 1: Wyniki pomiarów charakterystyki U

r

= f(ϕ) przeka

ź

nika kierunkowego

3.2.

Wyznaczenie charakterystyk U

r

= f(I) oraz S

r

= f(I)

Jak wynika ze wzoru (3) charakterystyka U

r

= f(I) jest hiperbol

ą

. Ze wzgl

ę

du jednak na

nasycenie obwodu magnetycznego przeka

ź

nika elektromechanicznego, przy wi

ę

kszych pr

ą

dach

hiperbola ulega zniekształceniu, poniewa

ż

wzrasta wtedy moc rozruchowa S

r

przeka

ź

nika (patrz

rys. 7). Pomiary niezb

ę

dne do wykre

ś

lenia tej charakterystyki wykonuje si

ę

w układzie

pomiarowym przedstawionym na rys. 6. Podczas pomiarów powinna by

ć

stała warto

ść

rezystancji R w obwodzie pr

ą

dowym.

Sposób wykonywania pomiarów.

Charakterystyk

ę

U

r

= f(I) sporz

ą

dza si

ę

bezpo

ś

rednio po pomiarze charakterystyki U

r

= f(ϕ),

aby unikn

ąć

powtórnego skalowania przesuwnika fazowego. Przez cały czas pomiaru k

ą

t

przesuni

ę

cia fazowego ϕ pomi

ę

dzy pr

ą

dem a napi

ę

ciem ma by

ć

stały, równy k

ą

towi

wewn

ę

trznemu Ψ. Pomiary rozpoczyna si

ę

od warto

ś

ci pr

ą

du odpowiadaj

ą

cej pr

ą

dowi

znamionowemu badanego przeka

ź

nika. Autotransformatorem AT1 zwi

ę

ksza si

ę

napi

ę

cie w

obwodzie napi

ę

ciowym, a

ż

do zadziałania przeka

ź

nika kierunkowego. Pomiar powtarza si

ę

pi

ę

ciokrotnie notuj

ą

c wyniki w tabeli 2. Dla innych warto

ś

ci pr

ą

du obwodzie pr

ą

dowym

pomiary przeprowadza si

ę

analogicznie. Nale

ż

y zako

ń

czy

ć

je na warto

ś

ci pr

ą

du, przy której

napi

ę

cie rozruchowe przekracza 50 V.

9

Rys. 7. Przykładowe charakterystyki U

r

= f(I) oraz S

r

= f(I) elektromechanicznego przeka

ź

nika

kierunkowego.

Tabela 2: Wyniki pomiarów charakterystyki U

r

= f(I) przeka

ź

nika kierunkowego

Na podstawie wyników pomiarów wykre

ś

la si

ę

charakterystyki U

r

= f(I) oraz S

r

= f(I) a tak

ż

e

wyznacza si

ę

czuło

ść

kierunkow

ą

przeka

ź

nika według wyra

ż

enia:

)

(

U

U

U

n

min

r

%

cz

8

100

⋅⋅⋅⋅

=

=

=

=

w którym U

r min

jest minimaln

ą

warto

ś

ci

ą

napi

ę

cia zadziałania przeka

ź

nika przy I = I

n

oraz ϕ=Ψ.

Najmniejsza moc S

r

potrzebna do rozruchu przeka

ź

nika oraz współczynnik czuło

ś

ci

kierunkowej U

cz

charakteryzuj

ą

stref

ę

martw

ą

zabezpieczenia kierunkowego. Znajomo

ść

warto

ś

ci tych wielko

ś

ci pozwala na obliczenie dla danej linii najwi

ę

kszej odległo

ś

ci mi

ę

dzy

miejscem zainstalowania przeka

ź

nika a miejscem trójfazowego zwarcia metalicznego, przy

której przeka

ź

nik kierunkowy nie zadziała.