1. Zabezpieczenia od zwarć międzyfazowych

• nadprądowe zwłoczne,

• nadprądowe bezzwłoczne (zwarciowe),

• odległościowe,

• różnicowe,

Zabezpieczenia nadprądowe zwłoczne

Najprostszym a zarazem najczęściej stosowanym zabezpieczeniem w sieciach zasilanych jednostronnie jest zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne. Zabezpieczenie powinno pobudzać się w przypadku wzrostu natężenia prądu w linii ponad wartość nastawioną i po upływie nastawionego czasu podać impuls na otwarcie wyłącznika linii. Jeżeli przed upływem nastawionej zwłoki czasowej wartość prądu zmniejszy się poniżej wartości rozruchowej zabezpieczenie powinno się odwzbudzić (powrócić do stanu początkowego).

Wybiórczość działania uzyskuje się przez wprowadzenie zwłoki czasowej Δt. Czasy zadziałania poszczególnych zabezpieczeń powinny być wybrane możliwie jak najkrótsze, jednak na tyle długie, aby zapewnić zabezpieczeniom wybiórczość zadziałania. Czas zwłoki zabezpieczenia dobiera się w ten sposób, że czas działania danego zabezpieczenia jest krótszy od czasów działania wszystkich zabezpieczeń znajdujących się bliżej źródła zasilania oraz jest dłuższy od czasów działania wszystkich zabezpieczeń znajdujących się dalej od źródła zasilania na danym ciągu liniowym, z uwzględnieniem wszystkich odgałęzień. Wartość czasu stopniowania powinna być tak dobrana, aby uniemożliwić działanie zabezpieczenia zainstalowanego bliżej źródła (zabezpieczenia rezerwowego) wskutek przedłużającego się czasu trwania zwarcia o czas otwierania wyłącznika.

Powinien być zatem spełniony warunek

gdzie:

t_ow - czas otwierania styków głównych wyłącznika, przyjmuje się rzędu 0,07÷0,15s;

t_d - czas dodatkowy zawierający uchyby przekaźników czasowych, oraz czas reakcji po zmianie warunków (odwzbudzenie przekaźnika po likwidacji zwarcia w głębi sieci) przyjmuje się rzędu 0,2...0,3 s.

Czas stopniowania wynosi więc
 s. Jeżeli zastosowana aparatura na to pozwala przyjmuje się wartość na poziomie 0,3 s.

Wyznaczając czas opóźnienia w działaniu konkretnego zabezpieczenia, za podstawę przyjmuje się najdłuższy z czasów zadziałania zabezpieczeń odcinków sieci położonych dalej od źródła względem rozpatrywanego zabezpieczenia powiększając go o czas stopniowania.

W wyniku tego pierwszeństwo wyłączenia uszkodzonego odcinka ma zabezpieczenie zainstalowane najbliżej miejsca zakłócenia. Zabezpieczenie zainstalowane dalej od miejsca zakłócenia nie działają, gdyż nie stwierdzają przepływu prądu zwarciowego. Natomiast zabezpieczenia położone pomiędzy źródłem zasilania, a miejscem zakłócenia mimo, że się pobudzają nie zdążą zadziałać wskutek wcześniejszego zadziałania zabezpieczenia położonego najbliżej miejsca zakłócenia działającego z krótszą zwłoką czasową.

• Rys. 1 Zasady stopniowania czasów działania zabezpieczeń nadprądowych zwłocznych

Zasada stopniowania czasów działania ma tę zaletę, że w przypadku braku działania, któregokolwiek z zabezpieczeń rolę jego przejmuje najbliższe zabezpieczenie od strony źródła zasilania. W ten sposób zabezpieczenie wcześniejsze stanowi rezerwę dla zabezpieczeń sąsiednich odcinków. Zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne w sieciach o małym prądzie zwarcia z ziemią wykonuje się jako dwufazowe natomiast w innych jako trójfazowe, służy wtedy również do eliminacji zwarć doziemnych.

Prąd rozruchowy zabezpieczenia nadprądowego zwłocznego powinien spełniać warunek

gdzie:

k_b - współczynnik bezpieczeństwa 1,2÷1,4

I_{obc_max} - prąd największego obciążenia zabezpieczanego odcinka sieci;

k_s - współczynnik schematowy połączenia przekładników prądowych;

n_i - przekładnia znamionowa przekładników prądowych;

k_p - współczynnik powrotu przekaźnika nadprądowego .

Uwzględnienie w obliczeniach nastawień współczynnika k_p przekaźnika ma na celu zagwarantowanie powrotu przekaźnika znajdującego się w stanie pobudzenia do stanu początkowego w przypadku, gdy zwarcie zostało wyłączone przez inne zabezpieczenie znajdujące się bliżej punktu zwarciowego.

Niezawodne działanie zabezpieczenia nadprądowego zwłocznego będzie zapewnione, jeżeli najmniejsza wartość prądu zwarcia I_zmin przepływającego przez przekaźnik nadprądowy zabezpieczenia osiągnie wartość odpowiednio większą od prądu rozruchu zabezpieczenia I_r.

W celu spełnienia warunku należytej czułości zabezpieczenia nadprądowego zwłocznego, prąd rozruchowy przekaźników nadprądowych wchodzących w skład zabezpieczenia powinien spełniać warunek

gdzie:

I_zmink - najmniejsza wartość prądu zwarciowego przy zwarciu dwufazowym metalicznym na końcu zabezpieczanej linii;

k_c - współczynnik czułości zabezpieczenia, k_c=1,5 dla zabezpieczeń podstawowych linii, k_c=1,2 dla zabezpieczeń stanowiących zdalną rezerwę zabezpieczeń odcinków sieci położonych dalej od źródła zasilającego.

Stopniowanie czasów działania zabezpieczeń nadprądowych zwłocznych powoduje, że czasy działania zabezpieczeń odcinków linii pozostających blisko źródła zasilania mogą być nadmiernie długie. Zwarcia na tych odcinkach charakteryzują się przepływem znacznych prądów zwarciowych, co powoduje duże szkody oraz znaczne obniżanie napięcia u odbiorców zasilanych z tego fragmentu sieci. Z tego względu zwarcia na początku linii powinny być wyłączane ze znacznie mniejszą zwłoką czasową.

Zabezpieczenia nadprądowe bezzwłoczne

Dla ograniczenia skutków powodowanych opóźnieniem w likwidowaniu zaistniałego zakłócenia przez zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne, bardzo często napowietrzne i kablowe linie elektroenergetyczne wyposaża się dodatkowo w zabezpieczenia nadprądowe bezzwłoczne. Zabezpieczenia te podobnie jak zabezpieczenia nadprądowe zwłoczne reagują na wzrost natężenia prądu w zabezpieczanym odcinku sieci ponad wartość nastawioną na przekaźniku. Selektywne działanie zabezpieczenia nadprądowego bezzwłocznego uzyskuje się dzięki temu, że zabezpieczenie to obejmuje swoim działaniem tylko część zabezpieczanego odcinka sieci. Wybiórczość działania tego zabezpieczenia jest oparta na wykorzystaniu zależności prądu zwarciowego od położenia w linii punktu zwarciowego. Jak wynika z rys. 2 wartość tego prądu wzrasta w miarę przesuwania się punktu zwarciowego od końca linii do źródła.

Rys. 2 Schemat odcinka linii promieniowej łączącej stacje A i B wraz ze strefą działania zabezpieczenia nadprądowego bezzwłocznego.

1 - zależność prądu zwarciowego od położenia miejsca zwarcia; 2 - prąd rozruchowy zabezpieczenia nadprądowego bezzwłocznego odniesiony do strony pierwotnej; Z_S - impedancja źródła zasilającego; Z_L - impedancja odcinka linii AB; αZ_L - zasięg działania zabezpieczenia nadprądowego bezzwłocznego.

• Prąd rozruchowy zabezpieczenia nadprądowego bezzwłocznego dobiera się ze wzoru

gdzie:

- największa wartość składowej okresowej prądu zwarciowego przy trójfazowym zwarciu na końcu zabezpieczanej linii;

k_b=1,2...1,4 - współczynnik bezpieczeństwa uwzględniający wpływ składowej nieokresowej na wydłużenie strefy działania zabezpieczenia.

Zabezpieczenie nadprądowe bezzwłoczne powinno działać również w przypadku najmniejszej wartości prądu zwarciowego na początku zabezpieczanej linii. W tym celu należy sprawdzić działanie zabezpieczenia według kryterium czułości

gdzie:- minimalny prąd zwarcia na początku zabezpieczanej linii przy zwarciu dwufazowym.

Zastosowanie współczynnika k_b większego od jedności przy wyznaczaniu prądu rozruchowego powoduje, że zabezpieczenie nadprądowe bezzwłoczne nie chroni całego odcinka linii lecz tylko określona jego część α stanowiącą strefę działania zabezpieczenia.

Przy wyborze prądu rozruchowego zabezpieczenia, oprócz odstrojenia się od prądów zwarcia na końcu zabezpieczanej linii, musimy również odstroić się od ewentualnego udaru prądu towarzyszącemu załączeniu linii (obciążonej transformatorami SN/0,4 lub SN/SN)

Wybiórczość działania zabezpieczeń bezzwłocznych jest trudna do zachowania w liniach, które mogą być zasilane na przemian z dwóch transformatorów pracujących równolegle oraz z tylko jednego transformatora. Również przy zwarciach dwufazowych ze względu na mniejsze niż przy zwarciach trójfazowych wartości prądów zwarciowych może nie nastąpić zadziałanie zabezpieczeń, gdyż zwarcia te mogą być odbierane jako zwarcia odległe (poza strefą ochrony).

Celowość stosowania tego zabezpieczenia w sieciach promieniowych jest uzasadniona, gdy długość strefy objętej działaniem zabezpieczenia wynosi nie mniej niż 20% długości zabezpieczanego odcinka sieci.

Przekładniki prądowe przeznaczone do zabezpieczeń nadprądowych bezzwłocznych, powinny mieć liczbę przetężeniową odpowiednio dużą dla umożliwienia dokładnego pomiaru prądu zwarciowego.

Zabezpieczenia ziemnozwarciowe sieci SN

Najczęściej występującymi zakłóceniami w rozdzielczych sieciach średnich napięć są jednofazowe zwarcia z ziemią (tzw. zwarcie doziemne). Zwarcia doziemne, mimo że najczęściej charakteryzują się małymi ustalonymi wartościami prądów, stwarzają wielorakie zagrożenia. W chwili powstania zwarcia doziemnego zmienia się rozpływ prądów oraz występują w sieci zmiany napięć względem ziemi tzn.:

1. występuje załamanie napięcia fazy doziemionej;

2. wzrastają napięcia faz zdrowych;

3. pojawia się napięcie przesunięcia punktu gwiazdowego sieci.

Wymienione zjawiska służą jako kryteria działania zabezpieczeń ziemnozwarciowych. Ponieważ sieć składa się z elementów R, L, C zmiany jej stanu nie mogą wystąpić nagle. Z tego względu dodatkowo w sieci izolowanej i kompensowanej pojawiają się przejściowe przebiegi oscylacyjne. Brak jest generalnego rozwiązania zabezpieczenia od zwarć doziemnych, które działałoby poprawnie w każdej sieci. Przyczyną tego jest prąd ziemnozwarciowy którego wartość i przesunięcie względem napięcia Uo zależą od sposobu pracy punktu neutralnego sieci. Dla każdej sieci należy więc stosować optymalne rozwiązania zabezpieczeń, wykorzystujące właściwe kryteria ich działania. Pewien wpływ na wykonanie zabezpieczeń ma również rodzaj sieci (kablowa czy napowietrzna).

W sieciach izolowanych i w sieciach kompensowanych jest zawsze stosowana tzw. ogólna sygnalizacja zwarć doziemnych, mająca na celu zasygnalizowanie stanu trwałego zwarcia doziemnego, bez wskazania doziemionego elementu sieci. Układy tego rodzaju są oparte o zabezpieczenia nadnapięciowe zwłoczne zabudowane w polach Pomiaru Napięcia i reagujące na pojawienie się składowej zerowej napięcia. Kryterium pomiaru napięcia zerowego nie pozwala na uzyskanie selektywności poprzecznej, albowiem wartość tego napięcia nie zależy od miejsca wystąpienia zwarcia w sieci. Sygnał napięciowy o którym mowa pochodzi z pól PN z drugich uzwojeń przekładników napięciowych połączonych w otwarty trójkąt. Zabezpieczenie to służy głównie do ogólnej sygnalizacji doziemień w sieci. Przekaźnik nadnapięciowy pobudza przekaźnik czasowy, który z opóźnieniem kilku sekund uruchamia ogólną sygnalizację i telesygnalizację ostrzegawczą Up.

Napięcie rozruchowe tej funkcji nastawia się powyżej napięcia zerowego asymetrii roboczej i napięcia uchybowego przekładników według wzoru

U_r=3Uo*(0,15÷0,4)=100V*(0,15÷0,4)=(15÷40)V

gdzie:

U_n - napięcie znamionowe na wyjściu przekładników w układzie otwartego trójkąta (100V)

Zalecane opóźnienie - dłuższe od czasów działania zabezpieczeń ziemnozwarciowych.

Rys. 3 Układ sygnalizacji doziemienia zrealizowany za pomocą przekaźnika napięciowego współpracującego z przekaźnikiem czasowym

Układ, o którym mowa jest więc najprostszym zabezpieczeniem służącym do wykrywania i sygnalizacji zwarć doziemnych. Niezależnie od omówionego układu sygnalizacji ogólnej, sieci powinny być wyposażone w wybiórcze zabezpieczenia ziemnozwarciowe, które wskazują, bądź wyłączają doziemioną linię.

Najczęściej zabezpieczenia ziemnozwarciowe sieci SN swoje działanie opierają o pomiar prądu zerowego (zabezpieczenia nadprądowe) lub pomiar mocy zerowej (zabezpieczenia mocowe kierunkowe).

Filtry składowej zerowej prądu

W celu otrzymania składowej zerowej prądu w sieciach napowietrznych stosuje się zestaw trzech przekładników prądowych zwany również układem Holmgreen'a. Układ składa się z trzech równolegle i jednoimiennie połączonych przekładników. Prąd na wyjściu tego układu jest równy potrójnej wartości prądu zerowego na wejściu układu pomniejszony o przekładnię przekładników prądowych. Wadą tego układu jest trudność w pomiarze bardzo małych prądów składowej zerowej, spowodowana istnieniem prądów wyrównawczych w układzie (błędy prądowe i kątowe przekładnika).

Teoretycznie w stanie bezawaryjnej pracy sieci w obwodzie zabezpieczenia ziemnozwarciowego nie powinien płynąć prąd. W praktyce w tym obwodzie płynie prąd uchybowy wynikający z braku identyczności po stronie zasilania (asymetria prądowa w obwodzie WN, rozbieżność charakterystyk magnesowania przekładników prądowych) i odbioru (obciążenie poszczególnych przekładników).

Rys. 4  Filtr składowej zerowej prądu - układ Holmgreen`a

Rys. 5 Układ połączeń przekładników prądowych w pełną gwiazdę (zasila zabezpieczenie od zwarć międzyfazowych i doziemnych)

Prąd uchybowy prawidłowo zbudowanego układu Holmgreena nie powinien przekraczać 2% wartości prądu znamionowego (dla rdzenia 5A- 100mA).

Znacznie lepszymi własnościami odznacza się przekładnik Ferrantiego oparty na zasadzie sumowania magnetycznego. Przekładnik ten jest powszechnie stosowany jako filtr składowej zerowej prądu w liniach kablowych.

Przekładniki te są wykonywane przeważnie do nakładania na zakończenie kabla, poniżej głowicy kablowej, którą należy odizolować od uziemionej konstrukcji wsporczej (rys. 6a). Przewód uziemiający głowicę należy przeprowadzić przez okno rdzenia przekładnika, aby umożliwić pomiar sumy prądów płynących w samych tylko żyłach kabla. Gdyby tak nie uczynić, to jak wynika z rys. 6b, doziemienie w kablu nie byłoby wykryte, gdyż wtedy suma wszystkich prądów przepływających przez okno rdzenia przekładnika (suma prądów płynących w żyłach oraz w płaszczu i pancerzu kabla) byłaby równa zeru.

W przypadku stosowania przekładnika Ferrantiego należy zwracać uwagę na zapewnienie poprawnego obwodu pomiaru prądu ziemnozwarciowego.

Rys. 6  Zasady prawidłowego montażu przekładnika Ferrantiego i rozpływ prądu przy zwarciu doziemnym na kablu

Zabezpieczenia ziemnozwarciowe w sieci z izolowanym punktem neutralnym

W sieci z izolowanym punktem zerowym stosuje się zabezpieczenia ziemnozwarciowe nadprądowo-czasowe zasilane z przekładników w układzie Holmgreen'a w liniach napowietrznych oraz z przekładników Ferrantiego w liniach kablowych. Działanie tego zabezpieczenia polega na reagowaniu na ustaloną wartość prądu ziemnozwarciowego 3I₀, przepływającego w miejscu zainstalowania zabezpieczenia. Ponieważ prąd zwarcia z ziemią osiąga niewielkie wartości, do pomiaru tych prądów muszą być zastosowane bardzo czułe przekaźniki ziemnozwarciowe zerowoprądowe, specjalnie wykonane do tego rodzaju zabezpieczenia np. RIgx-10.

Przy zwarciu doziemnym w sieci z izolowanym punktem neutralnym, składowa zerowa pojawi się nie tylko w polu, w którym wystąpiło doziemienie, ale również w każdej linii zasilanej z tej samej szyny. Wybiórczość działania tych zabezpieczeń oparta jest na wykorzystaniu okoliczności, że wartość składowej zerowej prądu jest największa w odcinku sieciowym, w którym wystąpiło doziemienie, natomiast jest mniejsza w pozostałych, nie uszkodzonych odcinkach sieci. Z tego względu zabezpieczenie zerowoprądowe może być stosowane w sieciach o niezbyt skomplikowanej konfiguracji, charakteryzujących się mało różniącymi się wartościami składowej zerowej prądu płynących w poszczególnych odgałęzieniach jednej sekcji.

W określonym polu rozdzielni można zainstalować zabezpieczenie nadprądowe, jeżeli istnieją warunki doboru takiej wartości jego prądu rozruchowego, która zapewnia niezawodne działanie zabezpieczenia przy doziemieniach w obrębie chronionego odcinka i blokowanie podczas doziemień we wszystkich pozostałych odcinkach, połączonych metalicznie z szynami zbiorczymi tej rozdzielni.

Podstawę doboru prądu rozruchowego zabezpieczenia stanowi analiza rozpływu składowej zerowej prądu podczas wewnętrznych i zewnętrznych zwarć z ziemią.

Prąd rozruchowy zabezpieczenia Ferrantiego wyznacza się ze wzoru

gdzie:

k_b - współczynnik bezpieczeństwa równy 4 dla zabezpieczeń bezzwłocznych i 2 dla zabezpieczeń zwłocznych,

I_CL - prąd własny zabezpieczanej linii,

n_i - przekładnia przekładnika prądowego,

Współczynnik bezpieczeństwa zapewnia odstrojenie się od prądów nieustalonych, występujących w przypadku zwarcia łukowego przerywanego.

Prądowe zabezpieczenie ziemnozwarciowe musi także spełniać warunek czułości, który określony jest wyrażeniem

gdzie:

I_CS - prąd ziemnozwarciowy odpowiadający pojemności całej sieci;

k_C - współczynnik czułości uwzględniający tłumienie prądu zwarciowego przez rezystancję przejścia .

W przypadku zasilania zabezpieczenia z układu Holmgreen'a należy uwzględnić prąd uchybowy I_u filtru składowej zerowej.

Prąd rozruchowy powinien wówczas spełniać warunek

Powszechnie przyjmuje się, że maksymalna wartość prądu uchybowego nie przekracza:

• I_u = 0,1 A - dla układów Holmgreena,

• I_u < 0,02 A - dla układów Ferrantiego.

Zaleca się sprawdzenie czułości nadprądowych zabezpieczeń ziemnozwarciowych przy założeniu, że jednofazowe zwarcie doziemne wystąpiło przez rezystancję przejścia R_Z o wartości :

• 50 Ω dla linii kablowych,

• 100 Ω dla linii napowietrznych.

Zalecana zwłoka czasowa zabezpieczenia 0,5÷1s. Opóźnienie impulsu wyłączającego ma na celu uniknięcie działania zabezpieczenia w stanie nieustalonym.

Ze względu na wielkość prądów ziemnozwarciowych oraz uchyby układu Holmgreen'a wykonanie wybiórczych zabezpieczeń zerowoprądowych w sieciach napowietrznych a często również w sieciach kablowych jest trudne, a czasami wręcz niemożliwe. Dlatego w sieciach, w których nadprądowe zabezpieczenia ziemnozwarciowe nie spełniają wymagań w zakresie czułości i wybiórczości działania, trzeba stosować inne rodzaje zabezpieczeń. Powszechnie stosowanym zabezpieczeniem w takich sytuacjach jest zabezpieczenie kierunkowe bierno-mocowe, którego kryterium działania stanowi kierunek przepływu składowej biernej mocy zerowej. Członem mierzącym są tu przekaźniki kierunkowe typu sinusowego, zasilane z układu otwartego trójkąta przekładników napięciowych napięciem 3U₀ i przekładników prądowych 3I₀. Moment maksymalny w przekaźniku sinusowym powstaje przy przesunięciu między prądem i napięciem o kąt 90⁰. Takie przesunięcie występuje między 3U₀ i 3I₀ w przypadku zwarcia doziemnego w sieci z izolowanym punktem neutralnym. Należy zwrócić uwagę, że prąd zerowy odpływający od szyn zbiorczych stacji w kierunku punktu doziemionego jest opóźniony w fazie względem napięcia zerowego o kąt 90⁰, czemu odpowiada wartość , wobec czego moc zerowa bierna ma znak ujemny. Natomiast na początku odcinków nie uszkodzonych () prąd zerowy ma znak przeciwny, i wobec tego moc zerowa bierna ma znak dodatni.

Dzięki zależności znaku mocy zerowej biernej od lokalizacji punktu zwarciowego zabezpieczenie bierno-mocowe zerowe może zidentyfikować odcinek sieci, w którym powstało doziemienie.

• Charakterystykę kątową przekaźnika sinusowego określa równanie

gdzie:

I - prąd w obwodzie przekaźnika;

ϕ - kąt między prądem I₀ a napięciem U₀ na zaciskach przekaźnika;

I_r - prąd rozruchowy przekaźnika.

Charakterystykę kątową zabezpieczenia dobieramy tak, aby punkt pracy zabezpieczenia na charakterystyce kątowej zastosowanego przekaźnika znajdował się w obszarze zadziałania, przy założeniu, że:

• zwarcie doziemne danej linii wystąpiło w normalnym i najniekorzystniejszym układzie pracy sieci,

• obszar działania przekaźnika na wyłączenie na charakterystyce kątowej uwzględnia wymagany współczynnik czułości zabezpieczenia oraz wpływ prądu wyrównawczego układu Holmgreen'a i obniżeniu czułości prądowej wskutek zasilania obwodu napięciowego napięciem niższym od znamionowego.

• Prąd rozruchowy zabezpieczenia kierunkowego powinien spełniać warunek

gdzie:

k_b - współczynnik bezpieczeństwa 1,5÷2;

I_U - maksymalna wartość prądu uchybowego (wyrównawczego) filtru składowej zerowej prądu zabezpieczanej linii,

• Czułość prądowa zabezpieczenia winna być sprawdzona wg. zależności

gdzie:

I_CS - prąd ziemnozwarciowy odpowiadający pojemności całej sieci;

k_c - współczynnik czułości k_c≥2.

Wartość napięcia rozruchowego jeżeli nie dobrano fabrycznie na etapie projektowania zabezpieczenia (np. RZZ-200B parametr nienastawialny) dobiera się z warunku odstrojenia się od maksymalnego napięcia asymetrii występującego w obwodzie 3Uo na poziomie 10÷15V.

W celu wybiórczego działania zabezpieczeń należy zastosować opóźnienie pomiędzy wystąpieniem doziemienia a zadziałaniem zabezpieczenia wynoszącego 0,5÷1 s i więcej.

Rys. 7 Charakterystyka działania przekaźnika kierunkowego przeznaczonego dla sieci z izolowanym punktem neutralnym we współrzędnych biegunowych i prostokątnych

Uwagi:

Niezależnie od sposobu pracy punktu neutralnego sieci podczas jednofazowych zwarć z ziemią na prąd ziemnozwarciowy o częstotliwości sieciowej nakładają się prądy wyższych harmonicznych. Intensywność tego zjawiska zależy m.in. od charakteru łuku w miejscu doziemienia, a to z kolei w dużym stopniu zależy od sposobu pracy punktu neutralnego sieci. Również sama rezystancja przejścia w miejscu doziemienia jako nieliniowa wielkość staje się źródłem wyższych harmonicznych niższych rzędów w prądzie ziemnozwarciowym, zwłaszcza trzeciej harmonicznej. Zawartość wyższych harmonicznych wywiera niekorzystny wpływ na działanie zabezpieczeń ziemnozwarciowych, reagujących z reguły na wielkości sinusoidalne o częstotliwości sieciowej. Wyższe harmoniczne w prądzie ziemnozwarciowym w niekorzystnych warunkach, szczególnie w sieciach napowietrznych, mogą nawet kilkukrotnie przewyższać wartość składowej prądu doziemnego o częstotliwości sieciowej.

Zabezpieczenie odległościowe jest to zabezpieczenie mierzące impedancję od miejsca zwarcia, mające własności kierunkowe i działające ze zwłoką zależną od odległości od miejsca zwarcia według zadanej charakterystyki impedancyjno -czasowej (rys. 8.5)

Rys. 8.5. Strefy czasowe zabezpieczenia odległościowego

Człony rozruchowe zabezpieczenia wykrywają istnienie awarii, uruchamiają człon
czasowy i po określeniu rodzaju zwarcia uruchamiają odpowiednie człony pomiarowe.
Człon pomiarowy powoduje zadziałanie zabezpieczenia z czasem t₁ jeśli zwarcie jest
w pierwszej strefie obejmującej 0,85 zabezpieczanego odcinka linii, z czasem t₂ dla
zwarć w strefie II sięgającej połowy najkrótszego odcinka linii wychodzącego ze stacji
B (rys. 8.5). Jeżeli nadal nie ma działania, to po czasie t₃ nastąpi kolejne zwiększenie
zasięgu do trzeciej strefy, itd. Zazwyczaj zabezpieczenia mają 3-5 stref czasowych.

Zabezpieczenia linii od zwarć

Linie elektroenergetyczne powinny być zabezpieczone od zwarć wielofazowych i doziemnych.

Zabezpieczenia linii SN

Zabezpieczenia od zwarć wielofazowych

Podstawowym zabezpieczeniem odcinka linii jest przekaźnik nadprądowy
bezzwłoczny działający w przypadku wzrostu prądu w linii powyżej wartości
rozruchowej zabezpieczenia linii, zainstalowany w dwóch fazach. Rezerwują go
przekaźniki nadprądowe zwłoczne o mniejszych prądach rozruchowych niż
bezzwłoczne. Przekaźniki te umożliwiają rezerwowanie zabezpieczeń, gdyż mają mały
prąd rozruchowy i zwłokę czasową nastawioną tak, że odcinki linii w miarę zbliżania
się do punktu zasilania mają zwłoki wydłużone o t = 0,3-0,7 s (rys. 8.1).

Zabezpieczenia współpracują z układami SPZ. W krótkich ważnych odcinkach linii SN stosuje się również zabezpieczenia różnicowo-prądowe i odległościowe.

Rys. 8.1. Zabezpieczenia nadprądowe linii elektroenergetycznych

a) dwufazowe zabezpieczenie zwłoczne i bezzwłoczne - zasada działania; b) stopniowanie czasów w sieci rozgałęźnej promieniowej (przekaźniki 3 i 6 mają nastawy czasu wynikające z niepokazanyh dalszych odcinków linii)

I>, I>> - przekaźniki nadprądowe układu zwłocznego i bezzwłocznego; t - przekaźnik czasowy; PP - przekładniki prądowe; W - wyzwalacz wyłącznika

__ Zabezpieczenie ziemnozwarciowe kierunkowe

1. Zasada działania

Zabezpieczenie ziemnozwarciowe działa w oparciu o pomiar dwóch wielkości
analogowych: -IE i UE (-3Io, 3Uo). Jeżeli wartości: napięcia UE oraz prądu IE są

wystarczająco duże do prawidłowego określenia kąta pomiędzy nimi, to następuje określenie kierunku miejsca wystąpienia doziemienia.

Dwa niezależnie nastawiane człony dokonują porównania nastawionych wartości z
modułem prądu IE. Równocześnie następuje porównanie wartości przesunięcia kąta
pomiędzy prądem i napięciem (z wartością zadaną) i stosownie do ustawionego typu

charakterystyki kątowej określany zostaje kierunek miejsca wystąpienia doziemienia.

Możliwe są dwa kierunki przepływu prądu doziemnego. Na poniższym rysunku przedstawiono symbolicznie układ pracy zabezpieczenia oraz kierunki przepływu możliwych prądów doziemnych: Iz-t (tył) i Iz-p (przód).

Rys.1. Układ pracy zabezpieczenia ziemnozwarciowego.

__Zabezpieczenie ziemnozwarciowe kierunkowe

Przykładowe wskazy napięć i prądów w czasie: normalnej pracy linii oraz w przypadku wystąpienia doziemienia fazy IL1, przedstawiają poniższe rysunki.
W warunkach normalnej pracy linii, wskazy przyjmują postać zgodną z rys. 2. W przypadku doziemienia w kierunku “do przodu”, zależności wektorowe napięcia i prądu są takie jak przedstawia to rysunek 3, a dla zwarcia w kierunku “do tyłu”, takie jak na rysunku 4. Podczas doziemienia w kierunku linii, kąt wektora prądu -IE ( względem napięcia UE ) może przyjmować wartości od: 0 do - 90[, przy czym w praktyce prawie nigdy nie wychodzi on poza zakres: 0 do - 45 [.

Podczas doziemienia w kierunku szyn ( do tyłu ), kąt pomiędzy wektorami: UE i -IE zawiera się w granicach od: 90[ do: 180[, ale w praktyce nie wychodzi poza zakres: 135[ do 175[. Jest to przypadek, gdy wektor UE wyprzedza wektor -IE conajmniej o kąt 90[.

UL1

IL1

IL3

IL2

UL3 UL2

Rys.2. Normalna praca linii.

Zabezpieczenie ziemnozwarciowe kierunkowe

-IE

IL2

UE

UL3

Rys.3. Doziemienie fazy IL1 „w przód”.

UL1 -IE

IL3

IL2

IE UE

IL1z

IL2+IL3

Rys.4. Doziemienie fazy IL1 „w tył”.

UL2

Rys.3. Doziemienie fazy IL1 „w przód”.

Rys.4. Doziemienie fazy IL1 „w tył”.

6

7

---