1. Elektroenergetyczna Automatyka Zabezpieczeniowa (EAZ) jest często określana
skrótowo jako:
" automatyka zabezpieczeniowa,
" zabezpieczenia elektroenergetyczne,
" zabezpieczenia przekaz
nikowe,
" zabezpieczenia.
EAZ jest dziedzinÄ… automatyki elektroenergetycznej zajmujÄ…cÄ… siÄ™ procesami samoczynnego
zapobiegania i eliminacji zakłóceń w systemie elektroenergetycznym (eLen.). Pełni ona funkcje obronne i
ma bardzo istotny wpływ na pewność pracy systemu eLen. Urządzenia EAZ kontrolują pracę
poszczególnych elementów systemu eLen. i pełnią funkcje decyzyjne - ostrzegawcze lub wyłączające
(eliminacyjne) w razie zagrożenia lub wystąpienia zakłócenia.
Ze względu na warunki i pewność pracy systemu el.en. rozróżnia się cztery stany Jego pracy:
1. Stan normalny - w którym system pracuje planowo. Nie występują nigdzie przekroczenia
parametrów ilościowych i jakościowych wytwarzanej i przesyłanej energii. Topologia sieci jest zgodna z
planowanÄ…, nie reagujÄ… urzÄ…dzenia ostrzegawcze.
2. Stan zagrożenia - w jednym lub kilku elementach systemu eLen. wystąpiły przekroczenia wartości
wielkości trwale dopuszczalnych. Wzrasta prawdopodobieństwo zaburzenia lokalnego o trudnych do
przewidzenia następstwach. Reagują urządzenia ostrzegawcze EAZ. Topologia sieci ciągle bez zmian.
Należy podjąć działania zapobiegawcze.
3. Stan zakłóceniowy (awaryjny) - wskutek uszkodzenia izolacji, ubytku generacji lub innej
przyczyny występuje (zazwyczaj skokowo) groz
ne zaburzenie w pracy elementu (obiektu) lub fragmentu
systemu el.en. Działają urządzenia EAZ. Następuje zmiana topologii sieci o zakresie i skutkach zależnych
od miejsca i rodzaju zakłócenia. Należy podjąć działania zmierzające do przywrócenia stanu normalnego
fragmentu systemu el.en. dotkniętego awarią.
4. Stan pozakłóceniowy (poawaryjny) - w którym działają urządzenia EAZ samoczynnego
przywrócenia topologii sieci. Podejmuje się działania operacyjne przywracające stan quasi-normalny
systemu el.en. Stopniowo przywraca się zasilanie odbiorców. Następuje asymptotyczny powrót systemu
el.en. do stanu normalnego.
2. Wymagania stawiane urzÄ…dzeniom EAZ
Zabezpieczenia el.en. powinny spełniać następujące wymagania podstawowe:
1. Niezawodność działania.
2. Wybiórczość (selektywność).
3. Szybkość działania.
4. Czułość działania.
Niezawodność działania jest definiowana jako: "stała gotowość urządzeń EAZ do działania, gdy to
działanie jest potrzebne, przy czym nie mogą występować zadziałania zbędne". Tak zdefiniowana
niezawodność zawiera w sobie dwa rodzaje niezawodności:
· niezawodność czynnÄ… - jako dziaÅ‚ania potrzebne;
" niezawodność bierną - jako brak działań zbędnych.
Wybiórczość (zwana też selektywnością) EAZ jest definiowana jako zdolność do działania i wyłączania
spod napięcia tylko tego elementu (obiektu) systemu el.en., który uległ uszkodzeniu, aby zapewnić
poprawne warunki pracy pozostałym jego elementom i zminimalizować skutki zakłócenia dla odbiorców
energii elektrycznej. Wymaganie tak definiowane nie wymaga raczej komentarza.
Szybkość działania EAZ - wymaga się, aby zabezpieczenia działały możliwie jak najszybciej, ze względu
na ograniczenie szkód w miejscu zwarcia lub na wymagania równowagi dynamicznej współpracujących
generatorów synchronicznych, i bez utraty wybiórczości.
Pierwsze z tych wymagań (szkody w miejscu zwarcia) jest oczywiste, przy czym jest ono szczególnie
istotne w odniesieniu do zwarć w maszynach elektrycznych (generatory, silniki, transformatory). Dla
zachowania równowagi dynamicznej generatorów istotne jest pojęcie czasu krytycznego (tk)' Czas ten
odnosi się do eliminacji zwarć trójfazowych w pobliżu generatorów. Sumaryczny czas zadziałania
zabezpieczenia i wyłącznika nie powinien przekraczać czasu krytycznego, który w krajowym przesyłowym
systemie el.en. 220 kV i 400 kV określono na 0,13 s.
1
Czułość odnosi się do członów pomiarowych
(decyzyjnych) EAZ i jest definiowana jako
"zdolność zabezpieczenia do reagowania na
objawy zakłócenia". Miarą czułości zabezpieczeń
są tzw. współczynniki czułości, określane w różny
sposób w zależności od kryterium działania
danego zabezpieczenia. Na przykład dla najprost-
szego nadprÄ…dowego zabezpieczenia jego
współczynnik czułości określa stosunek wartości
prÄ…du zwarciowego w danym obiekcie do
wartości prądu rozruchowego (reakcji,
pobudzenia) tegoż zabezpieczenia.
a) rezerwowanie zdalne
b) rezerwowanie lokalne
3. Przekładniki prądowe
Typowym rozwiązaniem tego urządzenia jest obecnie indukcyjny przekładnik prądowy z żelaznym
rdzeniem magnetycznym. Z uwagi na szeregowe włączenie przekładnika prądowego w obwód pierwotny
jego układ pracy na rysunku a)
Podstawowymi parametrami przekładnika są:
" prÄ…dy znamionowe
" moc znamionowa
" klasa dokładności,
" znamionowy współczynnik granicznej dokładności.
Przekładniki główne mają znormalizowany szereg prądów
pierwotnych (l;n): 50, 75, 100, 150, 200 A,). Znormalizowane wartości
znamionowych prądów wtórnych (l2n) wynoszą natomiast: 5 A, 1 A, 2 A.
4. Przekładniki napięciowe
Przekładniki napięciowe stwarzają w automatyce zabezpieczeniowej o wiele mniej problemów niż
przekładniki prądowe. Istnieją dwa rodzaje konwencjonalnych przekładników napięciowych:
· przekÅ‚adniki indukcyjne,
" przekładniki pojemnościowe.
Niezależnie od wykonania przekładników ich napięcia wtórne są zestandaryzowane i wynoszą Gako
napięcia międzyprzewodowe): 100, 110 lub 120 V. W Polsce i w Europie jest to napięcie 100 V. Zależnie
od potrzeb przekładniki napięciowe mogą w układach trójfazowych mierzyć napięcia tylko
międzyprzewodowe lub
międzyprzewodowe i fazowe (względem
ziemi),
Przekładniki do pomiaru napięć fazowych
i międzyprzewodowych nie mogą być
łączone międzyprzewodowo, gdyż ich
jeden biegun (N) ma izolacjÄ™
niskonapięciową. Ponadto przekładniki te
mają zwykle 2 lub 3 uzwojenia wtórne.
Uzwojenie drugie lub trzecie jest Å‚Ä…czone
w tzw. otwarty trójkąt dla uzyskania
napięcia kolejności zerowej,
charakteryzujÄ…cego zwarcie doziemne w
sieci.
2
Przekładniki indukcyjne są to transformatory jednofazowe z rdzeniem żelaznym, specjalnego
wykonania, odpowiednio izolowane. Ich własności metrologiczne zarówno w stanach ustalonych, jak i
przejściowych są bardzo dobre. Są stosowane do napięć od niskich począwszy do 110 kV włącznie.
Przekładniki pojemnościowe. Pojemnościowy przekładnik napięciowy składa się z dwóch
głównych elementów: pojemnościowego dzielnika napięcia i indukcyjnego transformatora
pośredniego
5.Filtry składowych symetrycznych
Służą do wydzielania z układu trójfazowego odpowiednich składowych symetrycznych prądu lub napięcia.
Zgodnie z teorią, poszczególne składowe określają poniższe wyrażenia (na przykładzie napięć):
Filtry składowych symetrycznych
mogą być realizowane jako analogowe
lub cyfrowe. Tu zostaną omówione
pokrótce filtry analogowe, głównie te,
które mogą być realizowane w prosty
sposób na bazie samych prze-
kładników.
W ogólnym przypadku analogowy
filtr określonej składowej
symetrycznej lub ich kombinacji
liniowej może być realizowany w
układzie jak na rys. 3.5.
Filtry prądu kolejności zerowej (lo). Realizowane są głównie przez sumowanie prądów fazowych
(wtórnych) trzech faz lub przepływów prądów pierwotnych w oknie specjalnego przekładnika.
Rozwiązanie pierwsze jest nazywane układem Holmgreena, a drugie przekładnikiem Ferrantiego
Filtry napięcia kolejności zerowej (Uo) Realizowane są najczęściej na bazie drugich uzwojeń
wtórnych przekładników napięciowych, połączonych w tzw. otwarty trójkąt.
6. Przekaz
niki pomiarowe
Przekaz
niki pomiarowe (główne) dzielą się na dwie podstawowe grupy:
1) przekaz
niki pomiarowe jednowejściowe,
2) przekaz
niki pomiarowe wielowejściowe.
Przekaz
niki jednowejściowe reagują na jedną wielkość fizyczną doprowadzoną do ich obwodu
pomiarowego, którą najczęściej jest prąd lub napięcie. Przekaz
niki wielowejściowe mają doprowadzone
kilka wielkości fizycznych. Najczęściej są to prądy i napięcia. Przekaz
niki te reagujÄ… na konstrukcyjnie
określone relacje wielkości pomiarowych w dziedzinie amplitudy lub fazy, lub też amplitudy i fazy.
Obraz graficzny, w wybranym układzie współrzędnych, krzywych rozgraniczających obszary działania i
stanu niedziałania (spoczynku) przekaz
nika jest nazywany jego charakterystykÄ… pomiarowÄ…
Przekaz
niki jednowejściowe
Najczęściej stosowanymi w EAZ tego rodzaju przekaz
nikami sÄ…:
l) przekaz
niki prÄ…dowe,
2) przekaz
niki napięciowe,
3) przekaz
niki cieplne,
4) przekaz
niki częstotliwościowe.
Mogą występować w wykonaniu o działaniu bezzwłocznym lub zwłocznym.
Działanie zwłoczne może być niezależne od wartości wielkości wejściowej zasilającej (pomiarowej) lub
zależne, dlatego rozróżnia się przekaz
niki o charakterystyce niezależnej i zależnej. W wykonaniu
analogowym charakterystykę niezależną uzyskuje się przez połączenie przekaz
nika pomiarowego
bezzwłocznego z przekaz
nikiem czasowym
3
Przekaz
niki cieplne. Stanowią specjalną kategorię jednowejściowych przekaz
ników pomiarowych
zależnych i ich charakterystyka pomiarowa ma odwzorowywać, w miarę możliwości, proces cieplny
zachodzący pod wpływem prądu w chronionym obiekcie. Służą zatem do zabezpieczeń od przeciążeń
różnych obiektów elektroenergetycznych, w tym głównie silników wysokiego napięcia. Są zasilane prądem
zabezpieczanego obiektu· i stanowiÄ… pewien rodzaj jego modelu cieplnego (na ogół daleko odbiegajÄ…cy od
ideału). Przekaz
nik ma zadziałać po osiągnięciu dopuszczalnej długotrwale temperatury izolacji obiektu
chronionego, po czasie zależnym od krotności prądu mierzonego w
relacji do jego wartości rozruchowej.
Dla przekaz
nika cieplnego określa się dwie charakterystyki:
a) charakterystykę działania ze stanu zimnego,
b) charakterystykę działania ze stanu nagrzanego.
Wychodząc z równań procesu cieplnego ciała jednorodnego,
nagrzewanego ciepłem wydzielonym przez prąd na jego rezystancji,
otrzymuje się równania charakterystyk działania (pomiarowych)
przekaz
nika cieplnego:
Przekaz
niki częstotliwościowe. Częstotliwość znamionowa w systemie eLen. wynosi 50 Hz lub 60
Hz, zależnie od kraju. Przekaz
niki częstotliwościowe są przeznaczone do kontroli częstotliwości systemu
eLen. i działania przy jej wyraz
nych odchyleniach od wartości znamionowej. Budowane są jako
niedomiarowe (podczęstotliwościowe) lub nadmiarowe (nadczęstotliwościowe). Najszersze zastosowanie
znajdujÄ… przekaz
niki podczęstotliwościowe, służące do samoczynnego odciążania systemu eLen. (SCO)
przy spadku częstotliwości wywołanym awaryjnym deficytem mocy czynnej (nagły ubytek generacji lub
wzrost obciążenia).
Obecnie przekaz
niki te są realizowane w wykonaniu cyfrowym. Pomiar częstotliwości odbywa się na
zasadzie zliczania ilości próbek w ciągu półokresów przebiegu sinusoidalnego napięcia sieci. Działają na
ogół w połączeniu z przekaz
nikiem czasowym. Stosowane są też przekaz
niki reagujące na szybkość spadku
częstotliwości
Przekaz
niki wielowejściowe
Przekaz
niki i zabezpieczenia kierunkowe
Identyfikacja ta polega na pomiarze kąta przesunięcia
fazowego między prądem i napięciem na zaciskach
przekaz
nika. Realizuje to odpowiedni komparator
fazowy. TeoretycznÄ… charakterystykÄ™ przekaz
nika
kierunkowego na płaszczyz
nie relacji sygnałów
pomiarowych UlI = Z stanowi prosta dzielÄ…ca
płaszczyznę Z=R + jX na dwie półpłaszczyzny i
przechodząca przez początek układu współrzędnych.
Rzeczywista charakterystyka odbiega nieco od tego
ideału. Ponadto przekaz
niki kierunkowe elektroniczne
mogą realizować charakterystykę kierunkową w postaci dwóch półprostych
Przekaz
niki i zabezpieczenia różnicowe
Przekaz
niki różnicowe są przeznaczone do układów zabezpieczeń różnicowych,
których rozróżnia się dwa rodzaje:
a) zabezpieczenia różnicowe wzdłużne,
b) zabezpieczenia różnicowe poprzeczne.
Zabezpieczenia różnicowe należą do klasy
zabezpieczeń porównawczych, odznaczających
się wysoką szybkością i naturalną wybiórczością
działania.
Zabezpieczenie różnicowe wzdłużne
kontroluje prądy wejściowe i wyjściowe za-
bezpieczanego . obiektu. PrÄ…dy te w ,,zdrowym"
obiekcie (generator, transformator, silnik, linia
4
itp.) są sobie równe lub istnieje między nimi ścisła zależność liniowa zwarciowego w obiekcie, następuje utrata dotychczasowych współzależności między kontrolowanymi
prądami. Kryterium działania
zabezpieczenia jest różnica między
kontrolowanymi prÄ…dami
sprowadzonymi do jednego poziomu.
Kryterium to realizuje przekaz
nik
różnicowy.
W rzeczywistych warunkach
wszakże, w czasie normalnej pracy
obiektu, a zwłaszcza przy zwarciach
zewnętrznych (poza strefą
chronionÄ…), w obwodzie po-
przecznym (różnicowym)
zabezpieczenia prÄ…d IR ::/; O. Pojawia
siÄ™ wtedy prÄ…d (IR = lu), zwany
prÄ…dem uchybowym lub prÄ…dem
wyrównawczym. Wynika on z
nieidentyczności charakterystyk
magnesowania konwencjonalnych
przekładników prądowych, a ogólnie
z różnicy błędów pomiaru dowolnego
rodzaju przekładników
zastosowanych w układzie
zabezpieczenia różnicoweg
Przekaz
niki odległościowe
Przekaz
niki odległościowe służą głównie do zabezpieczeń linii el.en. Działają one na zasadzie
pomiaru impedancji pętli zwarciowej od miejsca zainstalowania przekaz
nika do miejsca zwarcia.
Impedancja ta jest proporcjonalna do odległości miejsca zwarcia, więc jest to pośredni pomiar odległości i
stÄ…d nazwa "przekaz
nik odległo-
ściowy".
W celu zapewnienia wybiórczości
czas zadziałania przekaz
nika jest
uzależniony od zmierzonej
odległości zwarcia t = f (l), której
miarą jest impedancja lub jej skła-
dowe (najczęściej reaktancja X).
ZasadÄ™ tÄ™ ilustruje rys. 4.19
Na rysunku 4.19 pokazano
charakterystykÄ™ t = f( 1)
przekaz
ników l i 3, o tej samej orientacji kierunkowej; tak samo wyglądają charakterystyki przekaz
ników 2
i 4, o przeciwnej orientacji kierunkowej. W sieci przesyłowej wielokrotnie zamkniętej przekaz
niki
odległościowe muszą mieć własności kierunkowe.
Ukazana tu charakterystyka t = f( 1) jest charakterystykÄ… schodkowÄ…, nosi nazwÄ™ omowo-czasowej i
zapewnia najkrótszy średni czas eliminacji zwarcia w linii. Wyróżnia się w niej strefy omowe (ZI, Zn ... ) i
stopnie czasowe (tI, tn ... ). SÄ… one w przekaz
niku nastawialne w odpowiednim zakresie, przy czym czas tI
jest zwykle nastawiony na O s i przekaz
nik w strefie ZI działa wtedy z czasem własnym. Strefa ta bywa
nazywana "strefą szybką", a czas w niej działania "czasem szybkim".
Rodzaje przekaz
ników odległościowych. Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje przekaz
ników
odległości owych, których odmienność uwydatnia się wyraz
nie w rozwiÄ…zaniach analogowych. SÄ… to:
a)przekaz
niki jednosystemowe, .
b) przekaz
niki wielosystemowe.
5
Rozróżnienie to odnosi się do liczby członów mierzących przekaz
nika.
Przekaz
nik jednosystemowy ma jeden człon mierzący, do którego w trakcie zwarcia doprowadzane są
odpowiednie wielkości napięcia i prądu pętli zwarciowej, w zależności od rodzaju zwarcia. Zwarcie
wykrywają i identyfikują jego rodzaj człony rozruchowe przekaz
nika, które oddziałują na układ logiczny
doprowadzający wybrane wielkości pomiarowe do wejść członu mierzącego. Przekaz
niki te, ze względu na
relatywnie długi czas własny działania (w strefie pierwszej 50-100 ms),stosowane są głównie w sieciach
przesyłowo-rozdzielczych (w Polsce 110 kV) i w specjalnym (uproszczonym) wykonaniu w sieciach
rozdzielczych ÅšN.
Przekaz
niki wielosystemowe budowane są w wykonaniu sześciosystemowym i włączone trwale na 6
różnych kombinacji prądu i napięcia: trzy międzyfazowe (A-B, A~C i B-C) oraz trzy fazowe (A-O, B-O,
C-O). Rola członów rozruchowych tych przekaz
ników ogranicza się do odróżnienia stanu zwarcia od stanu
normalnej pracy linii, to znaczy odblokowania (uruchomienia funkcji) przekaz
nika w trakcie zwarcia, który
normalnie pozostaje w stanie spoczynku. Przekaz
niki te odznaczają się bardzo szybkim działaniem (20-30
ms) w strefie pierwszej i stosowane sÄ… dziÅ› powszechnie
7 Zabezpieczenia generatorów
Generatory synchroniczne, jako z
ródła energii w systemie el.en., stanowią jedne z najważniejszych jego
obiektów. Generator jest też najdroższym elementem systemu el.en. Szczególnie ważne jest tu zatem
wykrywanie nienormalnych stanów pracy generatorów w celach zapobiegających uszkodzeniom oraz
identyfikacja poważnych zakłóceń w pracy generatora (zwłaszcza zakłóceń zwarciowych) i szybka ich
eliminacja przez wyłączenie z ruchu i odwzbudzenie.
Do najważniejszych zakłóceń elektrycznych i nienormalnych stanów pracy generatora zalicza się:
1) zwarcia międzyfazowe uzwojeń stojana,
2) zwarcia zwojowe (międzyzwojowe) uzwojeń stojana,
3) zwarcia doziemne uzwojeń stojana,
4) wzrost napięcia roboczego stojana ponad wartość trwale dopuszczalną,
5) przetężenia wywołane zwarciami zewnętrznymi,
6) przeciążenia ruchowe uzwojeń stojana,
7) asymetrię obciążenia,
8) zwarcia doziemne w obwodzie wzbudzenia,
9) zwarcia doziemne podwójne w obwodzie wzbudzenia,
10) utratÄ™ wzbudzenia,
11) utratę synchronizmu (poślizg biegunów).
W zależności od stopnia zagrożenia dla generatora lub sieci zabezpieczenia generatora mogą realizować
różne zadania, a mianowicie:
a) powodować otwarcie wyłącznika głównego i transformatora odczepowego (w układach
blokowych),
b)powodować zamknięcie zaworu odcinającego dopływ pary do turbiny,
c) powodować samoczynne odwzbudzenie generatora (poprzez urządzenie SGP - samoczynne
gaszenie pola),
d) sygnalizować ostrzegawczo nienormalny stan pracy (np. przeciążenie) generatora.
Zabezpieczenia generatorów dzielą się na dwie podstawowe grupy: a) zabezpieczenia stojana i b)
zabezpieczenia wirnika i obwodów wzbudzania. Do grupy pierwszej należą zabezpieczenia: l) od zwarć
międzyfazowych, 2) od zwarć zwojowych, 3) od zwarć doziemnych, 4) od uszkodzeń wskutek
podwyższonego napięcia, 5) od przetężeń wywołanych zwarciami zewnętrznymi, 6) od przeciążeń
ruchowych. grupie drugiej natomiast występują następujące zabezpieczenia: l) od asymetrii obciążenia
(dotyczy prądów stojana, ale to zagraża wirnikowi), 2) od pojedynczego ~arcia w obwodzie głównym
wzbudzenia, 3) od podwójnego zwarcia w obwodzie ównym wzbudzenia, 4) od utraty wzbudzenia, 5) od
utraty synchronizmu (poślizgu biegunów).
Z punktu widzenia ochrony turbozespołu (parowego) jako całości można wyróżnić urządzenia
zabezpieczające turbozespół (głównie turbinę). Są to zabezpieczenia:
l) od pracy silnikowej turbozespołu (kondensacyjnego),
2)od utraty próżni w skraplaczu,
3)od poosiowego przesunięcia wału turbozespołu,
6
4) od utraty ciśnienia oleju smarowniczego i zasilania serwomechanizmów.
Skuteczność działania wymienionych zabezpieczeń elektrycznych wspomagają .dzenia:
l) gaszÄ…ce samoczynnie pole magnetyczne wirnika (zwane potocznie SGP),
2)przeciwpożarowe
3) zamykające samoczynnie dopływ pary (lub wody) do turbiny.
Z punktu widzenia bezpieczeństwa samego generatora, bardzo ważną rolę odgrywa urządzenie SGP, które
zapewnia skuteczność działania zabezpieczeń podczas zwarć w uzwojeniach maszyny.
Zabezpieczenia od zwarć międzyfazowych
Zwarcie międzyfazowe w generatorze jest zjawiskiem bardzo rzadkim, ale niezwykle
groz
nym dla niego w skutkach. Dlatego też wszystkie generatory synchroniczne wyposaża się
w działające bezzwłocznie zabezpieczenia od tego rodzaju uszkodzeń. Klasycznym
rozwiązaniem jest tu zabezpieczenie różnicowe,
Zabezpieczenia od zwarć zwojowych
Z rozpływu prądów przy zwarciu zwojowym w generatorze (rys. 5.2) wynikają następujące
wnioski:
" przy zwarciu zwojowym nie może reagować zabezpieczenie różnicowe wzdłużne
generatora, ponieważ prądy na początku i końcu uzwojenia fazy uszkodzonej są sobie
równe;
" w przypadku generatora z dwoma uzwojeniami na fazę prądy w obu gałęziach równoległych
są różne, a ponadto prąd niezrównoważenia M fazy uszkodzonej zamyka się przez połączenie
punktów zerowych gałęzi równoległych uzwojeń.
Do identyfikacji zwarć zwojowych w generatorze potrzebne są odrębne, specjalne
zabezpieczenia.
Realizacja zabezpieczenia generatorów z jednym uzwojeniem na fazę polega na
wykorzystaniu różnicy potencjałów między sztucznym punktem zerowym sieci a punktem
zerowym generatora. W trakcie normalnej pracy generatora potencjał jego punktu zerowego
jest praktycznie równy potencjałowi punktu zerowego sieci.
Zabezpieczenia ziemnozwarciowe
Zwarcia doziemne, rozumiane jako wynik przebicia izolacji uzwojenia jednej fazy
generatora do żelaza statora, należą do najczęstszych i niebezpiecznych dla generatora
zakłóceń zwarciowych...
W miejscu zwarcia: doziemnego powstaje łuk zwarciowy, który wypala żelazo statora,
niszczy izolację między jego blachami stwarzając ognisko prądów wirowych, które dalej
same poszerzają zgorzel żelaza. Rozmiar początkowych uszkodzeń żelaza zależy od wartości
prądu ziemnozwarciowego i czasu jego trwania. Duży prąd, o wartości kilkudziesięciu czy
kilkuset amperów, powoduje poważne uszkodzenia w ciągu kilku lub nawet ułamku sekund.
Prąd o wartości kilku do kilkunastu amperów powoduje podobne uszkodzenia' w ciągu kilku
minut lub kilkunastu sekund. Realizacja zabezpieczeń ziemnozwarciowych generatorów
należy do trudniejszych zagadnień automatyki zabezpieczeniowej . Wynika to stąd, że
wartości naturalnego prądu ziemnozwarciowego są małe w stosunku do znamionowych
prądów obciążenia generatorów. W tych warunkach prądy uchybowe filtrów prądu
kolejności zerowej (prądu ziemnozwarciowego ) mogą osiągać wartości porównywalne z
prądami ziemnozwarciowymi i zabezpieczenie nie może być odpowiednio czułe. Uziemienie
punktu zerowego generatora lub sieci przez odpowiednio dobraną impedancję zwiększa prąd
ziemnozwarciowy i ułatwia realizację zabezpieczenia. Zwiększa się także jego czułość, ale
generator jest narażony na szerszy rozmiar uszkodzeń w trakcie zwarcia wewnętrznego.
8. Zabezpieczenia transformatorów
Zakłócenia w pracy transformatorów mogą występować w wyniku uszkodzeń ich izolacji lub innych
elementów bądz
też jako stany nienormalnej ich pracy. Do najważniejszych zakłóceń należą:
1) zwarcia wewnętrzne w uzwojeniach,
2) zwarcia w polach i na wyprowadzeniach,
3) zgorzel żelaza rdzenia,
4) uszkodzenia przełączników zaczepów,
7
Małe transformatory energetyczne (o mocach od kilkudziesięciu do kilkuset kV A), zasilające
odbiorców na niskim napięciu, są zabezpieczone po stronie wysokiego napięcia bezpiecznikami
topikowymi lub wydmuchowymi. Transformatory większych mocy (od ok. 1 MV A w górę), w stacjach z
wyłącznikami mocy po stronie górnego napięcia, są wyposażone w odpowiednie zabezpieczenia
przekaz
nikowe.
Zabezpieczenia transformatorów można podzielić ze względu na rodzaj zakłóceń, na które reagują.
1. Zabezpieczenia od uszkodzeń w kadzi transformatora:
a) zabezpieczenie gazowo-przepływowe (przekaz
nik Buchholtza);
b) zabezpieczenie ciśnieniowe (dla transformatorów bez konserwatora, z poduszką azotową).
2. Zabezpieczenia od zwarć wewnętrznych w uzwojeniach oraz w polach i na wyprowadzeniach
transformatora:
a) zabezpieczenie nadprądowe odcinające (dla transformatorów sieciowych małych i średnich mocy
- Sn < 10 MV A);
b) zabezpieczenie różnicowe wzdłużne.
Zabezpieczenia od uszkodzeń w kadzi
Typowym zabezpieczeniem od uszkodzeń w kadzi i obniżenia poziomu oleju transformatorów z
konserwatorem,. stosowanym od zarania budowy transformatorów energetycznych w izolacji olejowej,
jest zabezpieczenie gazowo-przepływowe w postaci przekaz
nika Buchholtza. Przekaz
nik jest
zamontowany w rurze Å‚Ä…czÄ…cej kadz
w konserwatorem transformatora. W normalnych warunkach pracy
transformatora wnętrze przekaz
nika Buchholtza jest całkowicie wypełnione olejem, a pływaki pozostają w
pozycji z otwartymi zestykami. Jeżeli w kadzi transformatora zacznie wydzielać się powoli gaz
pochodzący z rozkładu oleju lub izolacji uzwojeń, to - uchodząc do góry - zbiera się w przekaz
niku i
powoduje obniżanie się w nim poziomu oleju. Wraz z olejem opada najpierw górny pływak jego styki
zamykają się i zostaje wysłany sygnał alarmu. Podobna sytuacja wystąpi wskutek obniżania się poziomu
oleju
Zabezpieczenia nadprÄ…dowe
zwłoczne. Stosowane są dla
typowych transformatorów
sieciowych, o mocach do
kilkudziesięciu MY A, zasilających
sieci rozdzielcze średniego i niskiego
(rzadziej) napięcia. Zabezpieczenie
instaluje siÄ™ po stronie zasilajÄ…cej
(górnego napięcia), w wykonaniu
trójfazowym. Nastawienia prądu rozruchowego i opóz
nienia zabezpieczenia do-
konuje się według następujących reguł
Zabezpieczenia ziemnozwarciowe. Stosowane głównie dla transformatorów podwyższających w sieci
z uziemionym skutecznie punktem zerowym. Transformatory pracujÄ…ce z trwale uziemionym punktem
zerowym wyposaża się w zabezpieczenie zerowo-prądowe zwłoczne. Natomiast transformatory, które - w
zależności od warunków systemowych - mogą pracować z uziemionym lub izolowanym punktem ze-
rowym, wyposaża się w zabezpieczenie zerowo-prądowe i zerowo-napięciowe. Transformatory z
podparciem od strony dolnego napięcia, a pracujące z trwale izolowanym punktem zerowym po stronie
górnego napięcia w sieci skutecznie uziemionej, wyposażane są tylko w zabezpieczenie zerowo-
napięciowe. Sens stosowania
zabezpieczeń ziemnozwarciowych
rezerwowych wynika z wysokiej
ich czułości przy zwarciach z
ziemią w sieci przesyłowej.
Zabezpieczenie zerowo-prÄ…dowe,
na przykład, nie musi być
odstrajane od prądu obciążenia,
więc może być nastawione
prądowo dość nisko.
8
9. Zabezpieczenia silników wysokiego napięcia
Podobnie jak w innych urządzeniach, silniki mogą ulegać uszkodzeniom zwarciowym lub mogą w nich
występować nienormalne stany pracy, które w porę nie usunięte mogą spowodować zwarcia w
uzwojeniach lub uszkodzenia wirnika. Zwarcia w silnikach mogą być następujące:
1) zwarcia doziemne uzwojenia stojana z żelazem lub w kablu zasilającym;
2) zwarcia międzyfazowe w uzwojeniach stojana lub w kablu oraz obwodach pola zasilającego;
3) zwarcia zwojowe (międzyzwojowe ) w uzwojeniach stojana.
Nienormalny stan pracy silnika objawia się jego przeciążeniem. Przeciążenia mogą powodować
przegrzanie uzwojeń stojana lub przegrzanie wirnika. Znaczne przeciążenie prądowe, zwykle krótkotrwałe,
powoduje wcześniejsze przegrzanie izolacji uzwojeń stojana. Niewielkie przeciążenia długotrwałe stają się
natomiast przyczyną wcześniejszego (niż stojan) przegrzania wirnika.
Zabezpieczenia ziemnozwarciowe
Zabezpieczenie to jest realizowane na bazie kablowego przekładnika ziemnozwarciowego i
dopasowanego do niego nadprÄ…dowego przekaz
nika, jak na rys. 5.51. Zabezpieczenie działa na wyłączenie
silnika bezzwłocznie lub z niewielkim opóz
nieniem (0,5-1,0) s, zależnie od nastawienia prądu
rozruchowego przekaz
nika i jakości przekładnika ziemnozwarciowego F.
Zabezpieczenia od przeciążeń
Zabezpieczenie od przeciążenia wskutek nieprawidłowego rozruchu silnika.
Nieprawidłowy rozruch silnika może wystąpić z różnych przyczyn, w tym technologicznych, i objawia się
znacznym przedłużeniem czasu rozruchu bądz
też nawet utykiem silnika. W celu zapobiegania przegrzaniu
uzwojeń stojana silnika stosuje się w takich przypadkach odpowiednie zabezpieczenia. Zazwyczaj jest to
dwufazowe zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne, nastawione na nie więcej niż połowę wartości prądu
rozruchowego [TS silnika i nie mniej niż l,5-krotną wartość jego prądu znamionowego. Czas działania
nastawia się nieco dłuższy od czasu tT poprawnego rozruchu silnika. Czas ten zazwyczaj określa się
doświadczalnie podczas prób odbiorczych instalacji silnika.
Zabezpieczenia od przeciążeń długotrwałych. Jak już wspomniano we wprowadzeniu do niniejszego
rozdziału, długotrwałe przeciążenie prądowe silnika naraża bardziej na uszkodzenia cieplne wirnik niż
stojan silnika. Zabezpieczeniem od skutków tego rodzaju stanów nienormalnych powinien być specjalny
przekaz
nik cieplny,
10. Zabezpieczenia linii elektroenergetycznych
Rozwiązania zabezpieczeń linii elektroenergetycznych zależą od wielu czynników. Jednym z nich jest
rodzaj i rola linii w systemie elektroenergetycznym. Główny wpływ na dobór zabezpieczeń linii
elektroenergetycznych wysokiego napięcia mają następujące czynniki:
l) konfiguracja sieci i sposób jej zasilania,
2) napięcie robocze sieci,
3) ważność ruchowa linii,
4) warunki równowagi dynamicznej sieci,
5) długość i rodzaj linii (napowietrzna, kablowa),
6) sposób pracy punktu zerowego sieci,
7) wartość mocy zwarciowych,
8) rodzaj zabezpieczeń stosowanych w danej sieci.
Zabezpieczenia ziemnozwarciowe
Zwarcia doziemne są najczęściej występującym zakłóceniem w sieciach rozdzielczych zarówno
napowietrznych, jak i kablowych. Stanowią one też praprzyczynę większości zwarć międzyfazowych.
Identyfikacja, eliminacja i lokalizacja zwarć doziemnych w sieciach ŚN są jednym z trudniejszych
problemów automatyki zabezpieczeniowej. Prąd ziemnozwarciowy musi być bowiem odfiltrowany z
prądów fazowych linii, których składowe obciążenia mogą wielokrotnie przewyższać wartości
składowych zwarciowych. Wobec ograniczonej dokładności filtrów prądu ziemnozwarciowego
(kolejności zerowej) występuje sytuacja niekorzystnej relacji poziomu sygnału użytecznego do zakłóceń
Zabezpieczenia nadprÄ…dowe
W linii doziemionej prąd ziemnozwarciowy przyjmuje wartość najwyższą, więc zabezpieczenia mogą
działać na zasadzie prądowej, nastawione powyżej prądu własnego linii, według formuły
lr = kbIcw
9
We współczynniku kb uwzględnia się niedokładności obliczeń ziemnozwarciowego prądu własnego
linii (lew) i ewentualny jego wzrost wskutek rozbudowy lub wymiany odcinków danej linii, a także, dla
zabezpieczeń zwłocznych, uchyby przekaz
nika (zwłaszcza wskutek odkształceń prądu
ziemnozwarciowego ). W przypadku zabezpieczeń bezzwłocznych dochodzi rzut przejściowego prądu
doładowania pojemności faz zdrowych sieci, pojawiający się w chwili inicjacji zwarcia
zabezpieczenie nadprądowe powinno spełniać warunek czułości
W przypadku niespełnienia tego warunku stosuje się zabezpieczenie o innej zasadzie działania, na
przykład kierunkowe
Zabezpieczenia kierunkowe. Zabezpieczenia kierunkowe oparte są dziś na kierunku przepływu prądu
biernego pojemnościowego, według formuły
I sin Ćo> Iro
gdzie wektorem odniesienia jest
napięcie kolejności zerowej Uo, zaś Iro
stanowi tu nastawialny prądowy próg
rozruchowy. Reguły nastawień progowej
wartości napięcia odniesienia Uro i prądu Iro
są takie same jak w omówionym
zabezpieczeniu admitancyjnym o
własnościach kierunkowych
(susceptancyjnych). W tym sensie czułość
tych zabezpieczeń jest porównywalna
10