ĆWICZENIE NR 4
BADANIE PRZEKAyNIKÓW KIERUNKOWYCH
Instrukcja skrócona1
1. Przeznaczenie i zastosowanie przekazników kierunkowych
Przekazniki 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 przekazniki kierunkowe
znajdujÄ… szerokie zastosowanie w zabezpieczeniach ziemnozwarciowych sieci rozdzielczych
średnich napięć.
E
~
a)
b)
A
(+)
OW
t t
1 2 (-)
t
I> I>
PP
(-)
L1 L2
(+)
I>
t t
PP
I> I>
3 4
U
z PN
PN
B
Rys. 1. Przykład zastosowania przekazników kierunkowych; a) układ linii dwutorowej z
zabezpieczeniami nadprÄ…dowo-kierunkowymi, b) schemat ideowy zabezpieczenia nadprÄ…dowo-
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
1
Przykład zastosowania przekazników 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
zródła E, jak na rys. 1a). W celu zapewnienia wybiórczości działania zabezpieczeń
nadprądowych zwłocznych linii w takim układzie sieciowym, konieczne jest zastosowanie
przekazników 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 przekazniki kierunkowe, które powinny blokować zabezpieczenie w przypadku
wykrycia przepływu mocy zwarciowej w kierunku szyn stacji B. Opóznienia czasowe (tB)
zabezpieczeń w stacji B są mniejsze od opóznień (tA) 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 opóznieniem
tB przekaznik 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) wracajÄ… do stanu spoczynku. W stanie pobudzenia
pozostaje zabezpieczenie nadprądowo-zwłoczne 2 toru L2 w stacji A, które po nastawionym
czasie tA 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 opóznień dobiera się wg ogólnych
zasad stopniowania czasowego zabezpieczeń nadprądowo-zwłocznych, stosowanych w sieciach
promieniowych i magistralnych, tj. ti = ti-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 przekazników kierunkowych
Przekazniki 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 przekaznika, przekaznik działa,
a gdy wykracza poza tÄ™ charakterystykÄ™ przekaznik blokuje. Przekazniki 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 przekaznika kierunkowego, ze względów technicznych, nie może działać
przy dowolnie małych wartościach sygnałów wejściowych, dlatego w zastosowaniach
praktycznych przekaznik kierunkowy nie może być traktowany jako idealny komparator fazy.
Potrzebna jest znajomość rzeczywistych charakterystyk eksploatacyjnych przekazników
kierunkowych.
Podstawową wielkością, która charakteryzuje zakres kątowy działania przekaznika
kierunkowego, bez względu na jego konstrukcję, jest tzw. kąt przesunięcia wewnętrznego (kąt
maksymalnej czułości).
2
KÄ…t przesuniÄ™cia wewnÄ™trznego ¨ jest to taki kÄ…t, o jaki należy obrócić wektor prÄ…du I z
¨
¨
¨
położenia zgodnego z napięciem U w kierunku wyprzedzenia, aby moc rozruchowa Pr , wyrażona
zależnością (1):
Pr = kUI cos(Õ - ¨) (1)
Õ
Õ
Õ
osiągnęła maksymalną wartość.
gdzie:
U napięcie przyłożone do napięciowego obwodu wejściowego przekaznika,
I prąd płynący w prądowym obwodzie wejściowym przekaznika,
Õ - kÄ…t przesuniÄ™cia fazowego pomiÄ™dzy napiÄ™ciem U i prÄ…dem I w zabezpieczanym obiekcie,
Warunek działania przekaznika kierunkowego można zapisać następująco:
Pr = kUI cos(Õ -È ) e" Pro (2)
Õ È
Õ È
Õ È
gdzie Pro wartość mocy wejściowej potrzebna do zadziałania przekaznika kierunkowego (w
komparatorze idealnym Pro=0).
Jak widać z zal. (2), na warunki działania przekaznika kierunkowego mają wpływ zarówno
wartoÅ›ci amplitud sygnałów wejÅ›ciowych U oraz I, jak i wartoÅ›ci: kÄ…ta przesuniÄ™cia fazowego Õ
pomiÄ™dzy tymi sygnaÅ‚ami i kÄ…ta wewnÄ™trznego È. Dla konkretnego zastosowania przekaznika
kierunkowego okreÅ›lona jest wartość kÄ…ta Õ, natomiast kÄ…t wewnÄ™trzny powinien być tak
dobrany, aby w warunkach zwarciowych moc rozruchowa przekaznika osiągała wartość
maksymalnÄ…, co jest speÅ‚nione, gdy È=Õ
Warunki działania przekazników kierunkowych analizuje się na podstawie przebiegu ich
charakterystyk rozruchowych. Wyróżnia się trzy podstawowe charakterystyki rzeczywistych
przekazników kierunkowych:
1. Ur=f(I) przy Õ = È = const
Õ È
Õ È
Õ È
WychodzÄ…c z warunku dziaÅ‚ania przekaznika kierunkowego (zal. 2), przy Õ = È otrzymuje
siÄ™:
Pro
Ur = (3)
I
Na rys. 2 pokazano ilustrację graficzną tej zależności. Wartość napięcia rozruchowego Ur =
Ucz przy prądzie znamionowym nazywana jest czułością kierunkową przekaznika. Wyrażana jest
ona często w procentach wartości znamionowego napięcia przekaznika, jak niżej:
Ucz
Ucz% = Å"100 (4)
Un
3
Rys. 2. Charakterystyka Ur = f(I) przekaznika kierunkowego.
Ponieważ najczęściej Un = 100 V, przeto wartość mierzona Ucz wyrażona w [V] stanowi
jednocześnie wartość procentową czułości kierunkowej.
Charakterystyka pokazana na rys. 2 jest charakterystyką teoretyczną, ważną przy stałej
wartości mocy rozruchowej Pro. W rzeczywistych przekaznikach kierunkowych często w
obwodzie napięciowym stosowane są elementy nieliniowe (np. żarówki), o malejącej wartości
rezystancji wraz z napięciem, w celu zwiększenia czułości przekaznika przy zwarciach bliskich.
Ponadto w elektromechanicznych przekaznikach kierunkowych zmniejszanie siÄ™ Ur wraz ze
wzrostem prądu następuje wyraznie tylko w zakresie do ok. 2In. Przy większych wartościach
prądu wartość napięcia Ur zmniejsza się niewiele ze względu na nasycanie się obwodu
magnetycznego przekaznika.
2. Charakterystyka kÄ…towa Ur = f(¨
¨) przy I = In = const
¨
¨
Charakterystyki tego rodzaju są wyznaczane dla przekazników stosowanych w
zabezpieczeniach od zwarć wielofazowych, gdzie wartość napięcia pętli zwarciowej zmienia się
wraz z odległością zwarcia od miejsca zainstalowania zabezpieczenia. Dla przekazników
kierunkowych ziemnozwarciowych natomiast, których wielkościami wejściowymi są napięcie i
prÄ…d kolejnoÅ›ci zerowej, wyznacza siÄ™ charakterystykÄ™ Ir = f(¨) przy U = Un = const. W
warunkach zwarcia doziemnego bowiem (zwłaszcza w sieciach nieuziemionych skutecznie)
wartość napięcia U0 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:
C
Ur = (5)
cos(Õ -È )
Õ È
Õ È
Õ È
gdzie: C = Pro/In = const.
Obraz graficzny teoretycznej charakterystyki kątowej przekaznika kierunkowego, określonej
równaniem (5), pokazano na rys. 3.
4
Rys. 3. Charakterystyka kÄ…towa przekaznika kierunkowego
Wyznacza ją krzywa zawarta między dwoma asymptotami odległymi o kąt Ą/2 od kąta
maksymalnej czuÅ‚oÅ›ci ¨. W praktyce charakterystyka taka wyznaczana jest pomiarowo w
laboratorium za pomocą przesuwnika fazowego jako zródła napięcia z regulacją modułu i fazy,
niezależnego od zródła prądu przemiennego. Należy zaznaczyć, że rzeczywista charakterystyka
może odbiegać od charakterystyki teoretycznej, ze względu na nieliniowości w obwodzie
napiÄ™ciowym lub prÄ…dowym przekaznika. KÄ…t maksymalnej czuÅ‚oÅ›ci ¨ przekaznika wyznacza
symetralna charakterystyki kątowej, prostopadła do osi odciętych układu współrzędnych
Ur=f(Õ).
3. Charakterystyka na płaszczyznie impedancji Z przy I = In.
Charakterystyka na płaszczyznie Z = U/I = R + jX wyznacza kontur rozgraniczający obszary
działania i blokowania przekaznika na tej płaszczyznie, przy czym Z jest impedancją widzianą z
zacisków przekaznika.
Przebieg tej charakterystyki, pokazany na rys. 4, wynika również bezpośrednio z równania
(2). Jeśli obie strony tego równania podzielimy przez I2, to otrzymamy wyrażenie:
Z cos(Õ -È ) = a (6)
Õ È
Õ È
Õ È
w którym: Z = U/I moduł impedancji,
Õ = arg Z = argU / I
Õ
Õ
Õ
a = Pro/I2
Charakterystykę na płaszczyznie impedancji stanowi prosta prostopadła do osi maksymalnej
czułości przekaznika, przecinająca ją w odległości a od początku układu współrzędnych.
Wartość a , mająca wymiar impedancji, określana jest mianem strefy martwej przekaznika
kierunkowego.
Interpretacja fizyczna strefy martwej może być łatwo wyjaśniona na podstawie rys. 5.
Zgodnie z tym rysunkiem, przekaznik RK zainstalowany w stacji A, stanowiÄ…cy element
kontrolujący kierunek przepływu mocy zwarciowej linii, otrzymuje następujące wielkości
wejściowe pomiarowe: napięcie na pętli zwarcia U i prąd zwarciowy I. Napięcie na pętli zwarcia
jest określone wyrażeniem:
5
Rys. 4. Charakterystyka przekaznika kierunkowego na płaszczyznie impedancji Z.
RK
A
Zs
Zl
K
I
U
E
Rys. 5. Warunki pracy przekaznika kierunkowego podczas zwarcia w zabezpieczanej linii
E
U = I Z1 = Z1 (7)
Zs + Z1
PrzemieszczajÄ…c miejsce zwarcia od punktu K do A zmniejsza siÄ™ impedancja zwarciowa
Z1 a wraz z nią napięcie U. W pewnej odległości od p. A napięcie U osiąga wartość graniczną,
poniżej której moc wejściowa przekaznika jest mniejsza od mocy rozruchowej Pro potrzebnej do
zadziałania i przekaznik nie działa ani na wyzwolenie, ani na blokowanie.
6
3. Przebieg ćwiczenia
3.1. Wyznaczenie kąta przesunięcia wewnętrznego przekaznika kierunkowego
Schemat układu pomiarowego do określenia charakterystyki kątowej przekaznika
kierunkowego przedstawiono na rys. 6.
PF
Rys. 6. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki kątowej przekaznika
kierunkowego
Obwód prądowy badanego przekaznika kierunkowego zasilany jest z autotransformatora AT2
przyłączonego bezpośrednio do sieci nn, natomiast obwód napięciowy z autotransformatora
AT1 przyłączonego do przesuwnika fazowego PF. Watomierz W jest wykorzystywany w
układzie pomiarowym tylko do ustalenia położenia zerowego przesuwnika fazowego. Do
sygnalizacji zadziałania przekaznika kierunkowego można wykorzystać obwód z żarówką do
którego zacisków dostępnych w stole laboratoryjnym należy podłączyć zestyki wyjściowe
przekaznika.
Sposób przeprowadzenia pomiarów.
Pierwszą czynnością jest wyznaczenie położenia zerowego przesuwnika fazowego. W tym
celu w obwodzie prądowym wymusza się prąd o wartości równej prądowi znamionowemu
przekaznika a napięcie zasilające obwód napięciowy doprowadza się do wartości ok. 50 V.
Następnie, przez zmianę położenia wirnika przesuwnika fazowego, przesuwa się fazę napięcia
tak długo, aż wskazówka watomierza wskaże wartość zerową. Oznacza to, że przesunięcie
fazowe pomiędzy prądem i napięciem jest równe 900. Strzałkę przesuwnika fazowego przesuwa
się do punktu oznaczonego na skali jako 900 i w tym położeniu należy ją zablokować
mechanicznie. Należy dodatkowo sprawdzić, czy w przypadku ustawienia przesuwnika
fazowego w położeniu 00 watomierz wskazuje maksymalne wychylenie.
Ważną sprawą jest też ustalenie charakteru kąta przesunięcia fazowego pomiędzy prądem i
napięciem (pojemnościowy, czy indukcyjny). Wykonuje się to również za pomocą watomierza.
Przy położeniu strzałki przesuwnika na wartości 900 krótkotrwale zwiera się cewkę prądową
watomierza. Jeżeli przesunięcie fazowe jest indukcyjne, to moment obrotowy działający na
układ ruchomy watomierza jest ujemny i jego wskazówka wychyla się w lewo, poza skalę. Jeżeli
kątjest pojemnościowy, to moment obrotowy watomierza jest dodatni i wskazówka wychyli się
w prawo.
7
Po wyskalowaniu przesuwnika fazowego przystępuje się do właściwych pomiarów. Wartość
prądu w obwodzie prądowym przez cały czas trwania pomiaru ma być stała i równa wartości
znamionowej badanego przekaznika kierunkowego. Na przesuwniku fazowym nastawia siÄ™ kÄ…t
Õ=00 i powoli zwiÄ™ksza siÄ™ napiÄ™cie obwodu napiÄ™ciowego aż do zadziaÅ‚ania przekaznika
odczytując jednocześnie na woltomierzu wartość rozruchową odpowiadającą nastawionemu
kątowi. W analogiczny sposób wykonuje się pomiary dla kątów zmienianych co 50 do 200 w
całym zakresie kątów, przy których występuje działanie przekaznika. Pomiary należy zagęścić w
okolicy asymptot charakterystyki. Aby nie spowodować przegrzania obwodu napięciowego
przekaznika pomiary przerywa się wtedy, gdy napięcie zadziałania przekroczy 50 V.
Wyniki badań zapisuje się w tabeli 1.Na podstawie wyników pomiarów sporządza się
charakterystykÄ™ UrÅ›r = f(Õ). Symetralna otrzymanej krzywej odcina na osi odciÄ™tych wartość
równÄ… kÄ…towi przesuniÄ™cia wewnÄ™trznego ¨. KÄ…t ten można również obliczyć znajÄ…c kÄ…ty
asymptot charakterystyki UrÅ›r = f(Õ).
Tabela 1: Wyniki pomiarów charakterystyki Ur = f(Õ) przekaznika kierunkowego
3.2. Wyznaczenie charakterystyk Ur = f(I) oraz Sr = f(I)
Jak wynika ze wzoru (3) charakterystyka Ur = f(I) jest hiperbolą. Ze względu jednak na
nasycenie obwodu magnetycznego przekaznika elektromechanicznego, przy większych prądach
hiperbola ulega zniekształceniu, ponieważ wzrasta wtedy moc rozruchowa Sr przekaznika (patrz
rys. 7). Pomiary niezbędne do wykreślenia tej charakterystyki wykonuje się w układzie
pomiarowym przedstawionym na rys. 6. Podczas pomiarów powinna być stała wartość
rezystancji R w obwodzie prÄ…dowym.
Sposób wykonywania pomiarów.
CharakterystykÄ™ Ur = f(I) sporzÄ…dza siÄ™ bezpoÅ›rednio po pomiarze charakterystyki Ur = f(Õ),
aby uniknąć powtórnego skalowania przesuwnika fazowego. Przez cały czas pomiaru kąt
przesuniÄ™cia fazowego Õ pomiÄ™dzy prÄ…dem a napiÄ™ciem ma być staÅ‚y, równy kÄ…towi
wewnÄ™trznemu ¨. Pomiary rozpoczyna siÄ™ od wartoÅ›ci prÄ…du odpowiadajÄ…cej prÄ…dowi
znamionowemu badanego przekaznika. Autotransformatorem AT1 zwiększa się napięcie w
obwodzie napięciowym, aż do zadziałania przekaznika kierunkowego. Pomiar powtarza się
pięciokrotnie notując wyniki w tabeli 2. Dla innych wartości prądu obwodzie prądowym
pomiary przeprowadza się analogicznie. Należy zakończyć je na wartości prądu, przy której
napięcie rozruchowe przekracza 50 V.
8
Rys. 7. Przykładowe charakterystyki Ur = f(I) oraz Sr = f(I) elektromechanicznego przekaznika
kierunkowego.
Tabela 2: Wyniki pomiarów charakterystyki Ur = f(I) przekaznika kierunkowego
Na podstawie wyników pomiarów wykreśla się charakterystyki Ur = f(I) oraz Sr = f(I) a także
wyznacza się czułość kierunkową przekaznika według wyrażenia:
Ur min
Ucz% = Å"100 (8)
= Å"
= Å"
= Å"
Un
w którym Ur min jest minimalnÄ… wartoÅ›ciÄ… napiÄ™cia zadziaÅ‚ania przekaznika przy I = In oraz Õ=¨.
Najmniejsza moc Sr potrzebna do rozruchu przekaznika oraz współczynnik czułości
kierunkowej Ucz charakteryzują strefę martwą zabezpieczenia kierunkowego. Znajomość
wartości tych wielkości pozwala na obliczenie dla danej linii największej odległości między
miejscem zainstalowania przekaznika a miejscem trójfazowego zwarcia metalicznego, przy
której przekaznik kierunkowy nie zadziała.
9
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
ćw II Tok badania klaczy w kierunku płodnościćw VI Badanie klaczy w kierunku źrebnościĆw 10 Badanie Zabezpieczeń Kierunkowych EIST 4 6 Zespół nrcw 7 badanie wskaznik tlenowy dszĆw 7(Badanie hamulców na stanowisku rolkowym)Cw 2 Badanie przemiennika czestotliwosciCw 7 Badania kohortoweĆw 6 Badanie trójfazowej prądnicy synchronicznej przy pracy autonomicznejcw 5 badanie izolacji papierowo olejowejcw 9 badanie dymotw dszcw 9 Badanie przepięć łączeniowych w układachCw 7 Badania reologiczne i wyznaczanie katow zwilzania oraz obliczanie swobodnej energii powierCw 7 Badania kohortoweCw 7 Badania kohortoweCW 7 BADANIE CZYNNIKOW RYZYKAcw 2 Badanie obwodów zwierających elmenty RLCcw 8 Badanie przepięć dorywczych w układach elektroenergetycznychwięcej podobnych podstron