STRUKTURA URZĄDZEŃ EAZ

Opisując strukturę urządzeń EAZ, posługujemy się następującymi pojęciami: przekaźnik, zespół przekaźnikowy, zespół automatyki zabezpieczeniowej, urządzenie peryferyjne, zabezpieczenie, układ automatyki zabezpieczeniowej.

Przekaźnik jest to przyrząd przeznaczony do powodowania przewidzianych skokowych zmian w jednym lub w większej liczbie obwodów wyjściowych pod wpływem powstania odpowiednich warunków w obwodzie elektrycznym lub w ob­wodach elektrycznych wejściowych, sterujących tym przekaźnikiem.

Przekaźniki służą do realizacji określonej czynności, np. pomiaru prądu, napięcia, kąta fazowego, impedancji, częstotliwości, wzmacniania impulsów, po­wielania impulsów, sygnalizacji.

W wielu przypadkach realizacja określonej czynności wymaga zastosowa­nia większej liczby przekaźników, stanowiących funkcjonalną i konstrukcyjną całość. Mamy wtedy do czynienia z zespołem przekaźnikowym (ZP).

Zespół automatyki zabezpieczeniowej (ZAZ) jest to zestaw złożony z prze­kaźników lub z zespołów przekaźnikowych, przeznaczony do kompletnego wypo­sażenia danego obiektu elektroenergetycznego (np. linii przesyłowej, transformatora, bloku energetycznego) w urządzenia EAZ.

Urządzenie peryferyjne (UP) jest to urządzenie przeznaczone do powiązania zespołu automatyki zabezpieczeniowej (ZAZ) z zabezpieczanym obiektem oraz ze źródłem napięcia pomocniczego.

Do urządzeń peryferyjnych należą:

— układy wejściowe, złożone z przekładników prądowych i napięciowych wraz z zewnętrznymi obwodami pomiarowymi, oraz układy zawierające obwody napięcia pomoniczego,

— układy wyjściowe, złożone z obwodów sterowania wyłącznikiem oraz obwodów sygnalizacji i rejestracji.

Urządzenia peryferyjne mogą być wspólne dla dwóch lub większej liczby zabezpieczeń.

Zabezpieczenie elektroenergetyczne (ZE), zwane pokrótce zabezpieczeniem, jest to układ złożony z zespołu przekaźnikowego oraz z urządzeń peryferyjnych, służący do ochrony zabezpieczanego obiektu od określonego rodzaju zakłóceń (np. zabezpieczenia prądnicy synchronicznej od zwarć doziemnych w uzwojeniu stojana).

Układ automatyki zabezpieczeniowej (UAZ), zwany również układem zabezpieczeniowym, jest to układ złożony z zespołu automatyki zabezpieczeniowej (ZAZ) oraz z urządzeń peryferyjnych (UP). Przykładem UAZ może być UAZ linii przesyłowej, UAZ transformatora, UAZ bloku energetycznego itp.

Na rysunku pierwszym przedstawiłem schemat blokowy układu automatyki zabezpieczeniowej, a na rysunku drugim - schemat strukturalny obrazujący powiązanie funkcjonalne urządzeń wchodzących w skład tego układu. (TERAZ OBA RYSUNKI i DALEJ>)

Przekładniki prądowe i napięciowe, wchodzące w skład układów wejścio­wych, służą do przetwarzania wielkości fizycznych (prądu, napięcia), charakteryzu­jących stan systemu elektroenergetycznego lub stan zabezpieczonego elementu, na wielkości odpowiednie do zasilania dalszych układów.

Układy analogowo-dwustanowe zawierają człony rozruchowe, człony pomiarowo-czasowe i ewentualnie człony blokadowe. Wyodrębnienie tych członów nie zawsze jest możliwe, gdyż jeden z członów może spełniać różne funkcje, np. człon pomiarowo-czasowy może jednocześnie spełniać funkcję członu rozruchowego lub członu blokadowego.

Rys. 1. Schemat blokowy układu automatyki zabezpieczeniowej

Rys.2. Schemat strukturalny obrazujący powiązanie funkcjonalne urządzeń wchodzących w skład układu automatyki zabezpieczeniowej

Układy działań logiczno-czasowych dokonują logicznej obróbki informacji uzyskanych z układów analogowo-dwustanowych, porządkują je i kierują do układów wyjściowych.

Układy wyjściowe spełniają funkcję wykonawczą ZAZ, a mianowicie stero­wanie, sygnalizację i rejestrację. W tym celu są wyposażone w człon wykonawczy, dający rozkaz dokonania odpowiedniej operacji (np. otwarcia lub zamknięcia wy­łącznika, zamknięcia zaworu odcinającego dopływ pary do turbiny napędzającej prądnicę, odwzbudzenia prądnicy synchronicznej) oraz w człon sygnalizujący wy­konanie tego rozkazu. Poza tym układy wyjściowe mogą zawierać człon do sygna­lizacji ostrzegawczej akustycznej lub optycznej oraz człon rejestrujący analogowo lub cyfrowo przebieg parametrów charakteryzujących stan zakłóceniowy.

Człony do sygnalizacji i rejestracji mogą współpracować z łączami tele­komunikacyjnymi w celu przenoszenia informacji na większe odległości, do organu nadrzędnego, nadzorującego pracę systemu elektroenergetycznego lub jego części.

Układy połączeń przekładników prądowych

Przekładniki prądowe najczęściej łączone są w układy pozwalające na sumo­wanie prądów płynących w różnych punktach obwodu pierwotnego. Najbar­dziej typowe układy pokazałem na rysunku poniższym ale jest jeszcze wiele innych. Każdy z nich musi spełniać dwa podstawowe wymagania:

- obwód wtórny każdego przekładnika musi się zamykać przez niewielką impedancję, otwarcie bowiem obwodu wtórnego grozi wysokimi przepięciami;

- jeden (ale tylko jeden) punkt obwodu galwanicznie połączonego z uzwoje­niem wtórnym musi być uziemiony, aby zabezpieczyć urządzenia wtórne na wypadek wystąpienia znacznych przepięć, np. przy przebiciu izolacji między obwodem pierwotnym i wtórnym.

Rysunek 2.19, Typowe; połączenia przekładników prądowych: a) typowe układy do pomiaru prądu trójfazowego; b) trójfazowy układ róinicowy; c) jedna faza wieloprzekładnikowego układu różnicowego

Filtry składowej zerowej prądu

Składowa zerowa prądu jest bardzo często przyjmowana w automatyce zabezpieczeniowej jako jedna z wielkości kryterialnych. Wyznacza się ja sumując prądy trzech faz. Są dwa zasadnicze typy takich układów filtracyjnych:

— układy z sumowaniem elektrycznym, zwane układami Holmgreena

— układy z sumowaniem magnetycznym, zwane układami Ferrantiego

Układy Holmgreena stosuje się tam, gdzie podczas zwarcia, doziemnego składowa zerowa prądów nie jest zbyt mała w porównaniu z prądem znamionowym przekładników. W przeciwnym bowiem razie rozróżnienie między składową zerową a prądem uchybowym, wywołanym niedokładnością transformacji poszczególnych przekładników byłoby trudne, bądź wręcz nie­możliwe. Układy Holmgreena są powszechne w sieciach elektroenergetycznych pracujących z bezpośrednio uziemionym punktem neu­tralnym, w sieciach napowietrznych o znacznych prądach doziemnych oraz niekiedy w sieciach o punkcie neutralnym uziemionym przez rezystor. W sieciach kablowych stosuje się filtry Ferrantiego, których zasada działania polega na magnetycznym sumowaniu prądów fazowych płynących w kablu trójfazowym, przeprowadzonym przez okno toroidalnego rdzenia magnetycz­nego.

Układy połączeń przekładników napięciowych

Rys. Układy połączeń przekładników napięciowych: a) pomiar jednego napięcia międzyfazowego; o) pomiar jednego napięcia doziemnego; c) pomiar trzech napięć miedzy fazowych w układzie dwuprzekładnikowym (V); d) pomiar wszystkich napięć między fazowych i doziemnych oraz składowej zerowej w otwartym trójkącie

Ogólna struktura toru przetwarzania sygnałów

Współczesne przekaźniki i zespoły automatyki zabezpieczeniowej, wykonywa­ne w technice analogowej, są oparte na elementach i układach elektronicznych. Wyparły one poprzednią generację automatyki zabezpieczeniowej wykorzys­tującą przekaźniki elektromechaniczne. Opisy szczegółowe tych ostatnich, występujących jeszcze sporadycznie w eksploatacji, można znaleźć we wcześ­niejszych publikacjach krajowych.

Rysunek 4.1. Ogólna struktura toru przetwarzania sygnałów w przekaźniku elektronicznym 1 — układ wejściowy, 2 — układ przygotowawczy, 3 — komparator, 4 — układ logiczno-czasowy, 5 — układ wyjściowy

Rys. 4.11. Zasada działania i budowy przekaźnika kątowego z czasowym komparatorem fazy, wg [3]; α_r - kąt rozruchowy przekaźnika

Wielkości wejściowe (U,I) przekształcone są w impulsy prostokątne, sprowadzane zostają do takiej samej amplitudy i przekazane na wejście członu realizującego iloczyn logiczny tych wielkości. Na wyjściu tego członu otrzymuje się impuls wtedy, gdy obydwie porównywane wiel­kości posiadają tę samą biegunowość. Czas trwania tego impulsu zależy od przesunięcia fa­zowego wielkości wejściowych. Impuls ten jest następnie całkowany, a więc na wyjściu członu całkującego otrzymuje się sygnał proporcjonalny do przesunięcia fazowego między wielkościami wejściowymi. Jeśli zadziałanie przekaźnika ma nastąpić przy określonym kącie fazowym (np. (ϕ = 90°), to wystarczy na przerzutniku wyjściowym dobrać odpowie­dnio wartość napięcia rozruchu, odpowiadającą temu kątowi. Przy napięciu przekra­czającym napięcie rozruchowe przerzutnika wyjściowego otrzymuje się stan zadziałania przerzutnika. W celu zwiększenia czasu trwania stanu zadziałania, a więc dla uniknięcia im­pulsowego działania jego członu wyjściowego, celowe jest zastosowanie przekaźnika po­mocniczego o opóźnionym powrocie.

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

W zabezpieczeniach porównawczych fazowych prądowych porównuje się ze sobą kąty fazowe prądów tej samej fazy na dwu końcach zabezpieczanego odcinka linii, • przy czym informację tę przenosi się z jednego końca linii na drugi za pomocą łącza wielkiej częstotliwości (w. cz.).

Jeżeli zwarcie znajduje się poza obrębem danego odcinka (np. EF na rys. 9.34), to kąt między wektorami tych prądów wynosi ok. 180° (bierzemy pod uwagę prąd odpływający z jednej stacji rozdzielczej i prąd dopływający do tego samego odcinka z drugiej stacji rozdzielczej). Jeżeli natomiast zwarcie powstanie w obrębie danego odcinka sieci, to jeden z tych prądów zmieni kierunek na prze­ciwny, wskutek czego kąt między wektorami rozpatrywanych prądów wyniesie ok. 0°.

Rys.1. Schemat blokowy zabezpieczenia porównawczego fazowego prądowego

Dla zaoszczędzenia na liczbie kanałów łącza w. cz. stosuje się w zabezpie­czeniu sumowniki prądowe (1).

Na rysunku powyższym przedstawiłem schemat blokowy zabezpieczenia porównawczego fazowego opartego na opisanej zasadzie. Prądy fazowe są wprowadzane do sumownika 1. Otrzymany na wyjściu prąd jednofazowy przechodzi przez filtr 2, zatrzymujący składową nieokresową prądu, która może występować w chwili powstania zwarcia. Następnie prąd ten zostaje skierowany do członu rozruchowego 3 oraz do elementu 4, przekształcającego sinusoidę prądową w impulsy prostokątne półokresowe. Impulsy te są wykorzystane do zmodulowania w modulatorze 6 fali nośnej, wytworzonej w oscylatorze 5, a następnie trafiają do nadajnika 7 i są wysyłane łączem w.cz. na drugi koniec odcinka linii, gdzie po przejściu przez odbiornik 8 i demodulator 9 są dodawane w komparatorze fazy 10 do impulsów wytworzonych na miejscu (rys. 2).

Przy zwarciach powstałych na zewnątrz zabezpieczanego odcinka linii impulsy występują na przemian, wskutek czego komparator stwierdza ciągłość w przepływie prądu całkowitego. Natomiast przy zwarciach wewnętrznych impulsy występują jednocześnie, wskutek czego powstaje prąd o częstotliwości 50 Hz. Tętnie­nia te są wykorzystywane do pobudzenia przekaźnika wyjściowego, podającego impuls na otwarcie wyłącznika.

k) zabezpieczenia porównawczo-fazowego (Wersja 2)

Zabezpieczenie to zadziała po stwierdzeniu, że wartości chwilowe wszystkich prądów zwarciowych we wszystkich odgałęzieniach ze źródłami zasilania mają taki sam znak jak wartość chwilowa sumy tych prądów, które płyną w gałęzi różnicowej zabezpieczenia i stan ten trwa przynajmniej przez czas 5 ms. Zaletą zabezpieczenia porównawczo-fazowego jest możliwość stosowania przekładników prądowych o różnych przekładniach.

Zabezpieczenie porównawczo-fazowe wykorzystuje następujące kryteria:

— porównanie kierunków (kątów fazowych) prądów płynących do szyn zbiorczych i prądów w obwodzie różnicowym,

— pomiar prądu różnicowego.

Wyłącznik różnicowo-prądowy

Jego działanie polega na kontroli sumy prądów płynących w obwodzie roboczym. Głównym elementem wyłącznika jest przekładnik typu Ferrantiego. Przekładnik obejmuje wszystkie przewody zasilające, łącznie z przewodem neutralnym chronionego urządzenia. Jeżeli nie płynie żaden prąd umowny w obwodzie zamykającym się poza przekładnikiem, to suma prądów i strumieni magnetycznych jest równa zeru i wyłącznik nie działa. W przypadku uszkodzenia w urządzeniu chronionym izolacji w stosunku do części przewodzących dostępnych, połączonych z przewodem ochronnym PE, część prądu zamyka się poza obwodem magnetycznym przekładnika. Suma prądów płynących przez przewody zasilające objęte przekładnikiem staje się wówczas różna od zera i pod jej wpływem następuje zadziałanie przekładnika różnicowo-prądowego i wyłączenie obwodu.

Wyłączniki - posiadające następujące typy wyzwalaczy:

• wyzwalacz napięciowy(zasilany ze źródła napięcia - zwykle napięcia sieci)

służy do zdalnego otwierania wyłącznika. Działa poprawnie w granicach 0,5 - 1,1 wartości znamionowej napięcia zasilającego

• wyzwalacz podnapięciowy (powodujący otwieranie wyłącznika ze zwłoką lub bez zwłoki gdy napięcie spadnie poniżej określonej wartości)

• wyzwalacz nadprądowy, przeciążeniowy (powodujący otwieranie wyłącznika ze zwłoką lub bez zwłoki czasowej gdy prąd przekroczy określoną wartość)

1. bezzwłoczny

2. zwłoczny o charakterystyce niezależnej (od prądu)

3. zwłoczny o charakterystyce zależnej (od prądu)

• niezależnej od uprzedniego obciążenia,

• zależnej od uprzedniego obciążenia (np. wyzwalacz termiczny, który reaguje na ciepło wytworzone przez prąd płynący w elemencie termobimetalowym, działając ze zwłoką czasową tym większą im przetężenie w obwodzie jest mniejsze)

---