09.01.2013r.

Politechnika Śląska Wydział Elektryczny

Laboratorium z Elektroenergetyki

„Badanie zabezpieczeń przekaźnikowych dla transformatorów SN/nN”

Grupa dziekańska 1

Sekcja 4:

Anna Gorczyca-Goraj

Marek Kaleta

Bartłomiej Klama

Piotr Raczek

Mateusz Słota

Cel Ćwiczenia

Zapoznanie się ze sposobami zabezpieczenia transformatorów obniżających SN/nN oraz przeprowadzanie badań laboratoryjnych dobranych zabezpieczeń.

Wstęp teoretyczny

Przekaźniki - przyrządy lub fragment automatyki elektroenergetycznej, przeznaczony do wytwarzania przewidzianych skokowych zmian na wyjściu pod wpływem przyłożenia lub zmiany danej wielkości. Wykorzystuje się je w zabezpieczeniach od przetężeń wywołanych zwarciami.

Pod względem czasu reakcji mogą one pracować w trybach: bezzwłocznym i zwłocznym. O wyborze przekaźnika decyduje rodzaj zwarcia na jakie ma działać. Przekaźników bezzwłocznych używa się dla zwarć wewnętrznych i na wyprowadzeniach. Zwłoczne są stosowane w przypadku zwarć zewnętrznych.

Przekaźnik dobieramy w taki sposób aby nie wpływał on na pracę sieci, a w szczególności transformatora. Najczęściej stosuje się przekładniki prądowe, połączone z przekaźnikami – dzięki temu można zmniejszyć prąd płynący przez przekaźnik.

Selektywność zadziałania zabezpieczeń polega na takim dobraniu zabezpieczeń i dostosowaniu zwłok czasowych by wyłączać zasilanie w miejscu najbliżej zakłócenia, wyizolować z sieci uszkodzony jej fragment, bez niepotrzebnego wyłączania zasilania w innych miejscach, a przez zastosowanie zwłoki czasowej zapewnić wyłączenie zasilania dalej od miejsca zakłócenia w przypadku nie zadziałania zabezpieczenia bliżej zakłócenia.

Charakterystyka przekaźnika:

$$k_{p} = \frac{I_{\text{rp}}}{I_{\text{pp}}}$$

I_rp – prąd rozruchowy

I_d – prąd działania

I_pp – prąd powrotu

Obliczenia dotyczące nastawień zabezpieczeń

Parametry transformatora i układu zasilającego:

Transformator:	Zasilanie:	Linia:
Sn = 350 KVA	Sk’’ = 125 MVA	l = 50m
U1n = 6,3 KV		s = 120 mm^2
U2n = 0,4 KV		x = 0,08 Ω/km
U = 15,75 KV/KV		γ = 33 MS/m
Uz% = 6%
ΔPcun = 6,3 kW

Maksymalny czas działania zabezpieczenia na odpływach: t_{b max} = 0,1 s

Stopień czasowy: Δt= 0,4 s

Obliczenia dla schematu:

Prąd rozruchowy dla zabezpieczenia zwłocznego:

$$I_{r} \geq \frac{k_{b} \bullet k_{r} \bullet k_{s} \bullet I_{\text{obc}\ \max}}{k_{p} \bullet K_{\text{in}}}$$

gdzie:

k_b- współczynnik bezpieczeństwa

k_r- współczynnik uwzględniający samo rozruch silników zasilanych z transformatora

k_s- współczynnik schematowy układu połączeń przekładników prądowych

k_p- współczynnik powrotu zastosowanego przekaźnika

k_N- przekładnia znamionowa przekładników prądowych

I_obcmax-prąd największego dop. obciążenia równy prądu znamionowemu

Prąd rozruchowy zabezpieczenia nadprądowego zwłocznego.

$$I_{\text{obc}\ \max} = \frac{S_{n}}{\sqrt{3} \bullet U_{1}} = \frac{350}{\sqrt{3} \bullet 6,3} = 32,08\ A$$

I_rp został dobrany spośród kilku przyjętych wartości prądów znormalizowanych, a prąd po stronie wtórnej przekładni wynosi 5A.

$$K_{\text{in}} = \frac{I_{\text{rp}}}{I_{n}} = \frac{50}{5} = 10$$

$$I_{r} \geq \frac{1,2 \bullet 1,5 \bullet 1 \bullet 32,08}{0,95 \bullet 10} = 6,08\ A$$

Czas t_a zadziałania zabezpieczenia:

t_a = t_b max + t = 0, 1 + 0, 4 = 0, 5 s

Parametry zastępcze systemu:

$$Z_{Q} = \frac{c \bullet U_{\text{nQ}}^{2}}{S_{\text{kQ}}^{''}} = \frac{1,1 \bullet 6^{2}}{125} = 0,3168\mathrm{\Omega}$$

X_Q = 0, 995 • Z_Q = 0, 315 Ω

R_Q = 0, 1 • X_Q = 0, 0315 Ω

Parametry zastępcze linii:

$$X_{l} = 0,08 \bullet \frac{50}{1000} \bullet \frac{{6,3}^{2}}{0,35} = 0,45\ \mathrm{\Omega}$$

$$R_{l} = \frac{l}{\gamma \bullet s} = \frac{50}{33 \bullet 120} \bullet \frac{{6,3}^{2}}{0,35} = 1,43\ \mathrm{\Omega}$$

Parametry zastępcze transformatora:

$$P_{\text{cu}\%} = \frac{\text{ΔP}_{\text{cu}}}{S_{n}} \bullet 100\% = 1,8\%$$

$$U_{\text{xrt}\%} = \sqrt{u_{z\%}^{2} - P_{\text{cu}\%}^{2}} = 5,78\%$$

$$R_{t} = \frac{P_{\text{cu}\%}}{100} \bullet \frac{U_{1n}^{2}}{S_{n}} = 2,04\ \mathrm{\Omega}$$

$$X_{t} = \frac{U_{\text{xrt}\%}}{100} \bullet \frac{U_{1n}^{2}}{S_{n}} = \frac{5,78}{100} \bullet \frac{{6,3}^{2}}{0,35} = 6,55\ \mathrm{\Omega}$$

Dla układu połączeń transformatora trójfazowego Dy prąd zwarciowy minimalny obliczamy używając współczynnika 0,58

$${Z_{z}}^{(1)} = \sqrt{\left( R_{t} + R_{Q} \right)^{2} + \left( X_{Q} + X_{t} \right)^{2}} = 7,17\ \mathrm{\Omega}$$

$$I_{k}^{(1)} = \frac{c \bullet U_{n}}{\sqrt{3} \bullet {Z_{z}}^{(1)}} = \frac{1 \bullet 6000}{\sqrt{3} \bullet 6,27} = 483,14\ A$$

I_k min⁽¹⁾ = 0, 58 • I_k⁽¹⁾ = 280, 2 A

$$I_{k\ \max}^{(1)} = \frac{c \bullet U_{n}}{\sqrt{3} \bullet Z_{z}} = \frac{1,1 \bullet 6000}{\sqrt{3} \bullet 6,27} = 531,45\ A$$

$${Z_{z}}^{(2)} = \sqrt{\left( {R_{Q} + R}_{t} + R_{l} \right)^{2} + \left( X_{Q} + X_{t} + X_{l} \right)^{2}} = 8,1\ \mathrm{\Omega}$$

$$I_{k}^{(2)} = \frac{c \bullet U_{n}}{\sqrt{3} \bullet {Z_{z}}^{(2)}} = \frac{1 \bullet 6000}{\sqrt{3} \bullet 8,5} = 427,7\ A$$

I_k min⁽²⁾ = 0, 58 • I_k⁽²⁾ = 248, 1 A

$$I_{k\ 2\text{faz}}^{(3)} = \sqrt{3} \bullet \frac{c \bullet U_{n}}{\sqrt{3} \bullet {2 \bullet Z}_{Q}} = \frac{1 \bullet 6000}{2 \bullet 0,3168} = 9469,7\ A$$

Czułość podstawowa zabezpieczenia zwłocznego:

$$k_{\text{cp}} = \frac{I_{k\ \min}^{(1)}}{I_{r} \bullet K_{\text{in}}} = \frac{280,2}{6,08 \bullet 10} = 4,61$$

Czułość rezerwowa zabezpieczenia zwłocznego:

$$k_{\text{cr}} = \frac{I_{k\ \min}^{(2)}}{I_{r} \bullet K_{\text{in}}} = \frac{248,1\ }{6,08 \bullet 10} = 4,08$$

Wartość prądu rozruchowego zabezpieczenia nadprądowego bezzwłocznego:

$$I_{r} \geq \frac{k_{b} \bullet I_{k\ \max}^{(1)}}{K_{\text{in}}} = \frac{1,3 \bullet 531,45}{10} = 69A$$

Współczynnik czułości zabezpieczenia bezzwłocznego:

$$k_{\text{cr}} = \frac{I_{k\ \min}^{(3)}}{I_{r} \bullet K_{\text{in}}} = \frac{9469,7}{69 \bullet 10} = 13,72\ $$

Badanie przekaźnika nadprądowego bezzwłocznego

Inast	Irpi (i=1,2,3)	Irp	Ippi (i=1,2,3)	Ipp	Kp	ΔI	RI
	1	2	3		1	2	3
A	A	A	A	A	A	A	A
2	2,05	2,05	2,05	2,05	1,95	1,95	1,95
2,1	2,15	2,15	2,15	2,15	2,05	2,05	2,05
2,2	2,25	2,25	2,25	2,25	2,15	2,15	2,15
2,3	2,35	2,35	2,35	2,35	2,25	2,25	2,25
2,4	2,5	2,45	2,45	2,47	2,35	2,35	2,3
2,5	2,6	2,55	2,55	2,57	2,45	2,45	2,45
2,6	2,65	2,65	2,65	2,65	2,55	2,55	2,55
2,7	2,75	2,75	2,75	2,75	2,65	2,6	2,65
2,8	2,85	2,85	2,85	2,85	2,75	2,75	2,75
2,9	2,95	3	3	2,98	2,85	2,85	2,85
3	3,1	3,1	3,1	3,10	2,95	2,95	2,95
3,1	3,2	3,2	3,2	3,20	3,05	3,05	3,05
3,2	3,3	3,25	3,25	3,27	3,1	3,1	3,1
3,3	3,35	3,35	3,35	3,35	3,25	3,25	3,25
3,4	3,45	3,4	3,45	3,43	3,3	3,35	3,35
3,5	3,6	3,6	3,6	3,60	3,45	3,45	3,45
3,6	3,7	3,7	3,7	3,70	3,55	3,55	3,55
3,7	3,8	3,8	3,8	3,80	3,65	3,65	3,65
3,8	3,9	3,9	3,9	3,90	3,75	3,8	3,75
3,9	4	4	4	4,00	3,85	3,85	3,85
4	4,1	4,1	4,1	4,10	3,95	3,95	3,95
4,1	4,2	4,2	4,2	4,20	4,05	4,05	4,05
4,2	4,35	4,3	4,35	4,33	4,1	4,15	4,15
4,3	4,45	4,4	4,4	4,42	4,25	4,25	4,25
4,4	4,55	4,55	4,55	4,55	4,35	4,35	4,35
4,5	4,65	4,65	4,65	4,65	4,45	4,45	4,45
4,6	4,75	4,75	4,75	4,75	4,55	4,55	4,55
4,7	4,8	4,8	4,8	4,8	4,65	4,65	4,65
4,8	4,95	4,95	4,95	4,95	4,75	4,75	4,75
5,2	5,3	5,3	5,3	5,3	5,1	5,1	5,1

Współczynnik powrotu $k_{p} = \frac{I_{\text{pp}}}{I_{\text{rp}}}$

Rozrzut prądu rozruchowego $\text{RI}_{\%} = \frac{I_{\text{rp\ max}} - I_{\text{rp\ min}}}{I_{\text{nast}}} \bullet 100\%$

Błąd podziałki przekaźników $I = \frac{I_{\text{rp}} - {I\ }_{\text{nast}}}{{I\ }_{\text{nast}}} \bullet 100\%$

Wnioski

Zgodnie z normą PN-75/E-88503 uchyb podziałki powinien być:

nie większy niż 2,5% dla przekaźników z podziałką o zakresie ≥2,5s

nie większy niż 5% dla przekaźników z podziałką o zakresie < 2s

W naszym wypadku wymagania normy są spełnione.

Wraz ze wzrostem prądu przepływającego przez przekaźnik zwłoka czasowa zbliżała się ku wartości nastawionej. Rozrzut prądu rozruchowego jest znikomo mały. Czas zadziałania przekaźnika zwłocznego jest uwarunkowany od jego zwłoki czasowej. Prąd zadziałania jest wyższy od nastawionego prądu rozruchowego, natomiast prąd powrotu niższy. Wraz ze wzrostem prądu nastawionego różnica ta jest bardziej widoczna.