DISTANTNA ZAŠTITA SUSTAVA ZA RAZDIOBU ELEKTRIČNE ENERGIJE

Mihovil Ivas 0036367629

II

SADRŽAJ 1. UVOD.......................................................................................................... 1

2. DISTANTNA ZAŠTITA ................................................................................ 3

2.1. Princip rada distantnih releja.................................................................. 3

2.2. Karakteristika kvara u R-X dijagramu .................................................... 5

2.2.1. Vod napajan sa jednog kraja ......................................................... 5

2.2.2. Vod napajan sa oba kraja .............................................................. 6

2.3. Stupnjevi zaštite..................................................................................... 9

2.4. Tipovi distantnih releja ......................................................................... 11

2.4.1. Impedantni relej ........................................................................... 11

2.4.2. Admitantni relej ............................................................................ 12

2.4.3. Poligonalni relej ........................................................................... 13

2.5. Aplikacija distantnog releja u energetski sistem................................... 14

2.5.1. Fazni kvarovi................................................................................ 16

2.5.2. Spojevi sa zemljom...................................................................... 17

2.5.3. Minimalni napon na mjestu releja ................................................ 20

2.5.4. Podešenje releja .......................................................................... 21

2.5.5. Skraćenje dosega ........................................................................ 21

2.5.6. Produženje dosega...................................................................... 22

3. DISTANTNA ZAŠTITA U SUSTAVU ZA RAZDIOBU ELEKTRIČNE

ENERGIJE ................................................................................................ 24

3.1. Općenito o zaštiti sustava za razdiobu električne energije .................. 24

3.2. Tehnologija releja ................................................................................ 26

3.3. Problemi pri projektiranju zaštite.......................................................... 27

3.3.1. Najkraći vod koji može biti štićen................................................. 27

3.3.2. Nehomogeni vod.......................................................................... 27

3.3.3. Naponski transformatori na sabirnici............................................ 28

3.3.4. Razgranati vodovi ........................................................................ 29

3.3.5. Potrošačke stanice uzduž linije pojnog voda ............................... 29

III

3.3.6. Međunapajanje ............................................................................ 32

3.3.7. Problem starta rezervne zaštite ................................................... 33

3.3.8. Višestruki APU............................................................................. 35

3.3.9. APU na djelovima voda ............................................................... 36

3.4. Distantna zaštita u izoliranim ili kompenziranim sustavima.................. 37

3.4.1. Jednopolni spoj sa zemljom......................................................... 37

3.4.2. Dvopolni spoj sa zemljom ............................................................ 38

3.4.3. Mjerenje udaljenosti dvopolnog spoja sa zemljom....................... 39

3.4.4. Opća praksa za tretiranje dvopolnih spojeva sa zemljom ............ 41

3.4.5. Granice otkrivanja dvopolnog spoja sa zemljom.......................... 42

3.4.6. Dvopolni spoj sa zemljom na paralelnim vodovima ..................... 44

3.4.7. Stabilizacija distantne zaštite za vrijeme jednopolnog spoja sa

zemljom ....................................................................................... 47

3.5. Distantna zaštita u distribucijskim mrežama uzemljenim preko male

impedancije.......................................................................................... 48

3.6. Distantna zaštita u industrijskim mrežama........................................... 51

3.7. Pronalaženje mjesta kvara u distributivnoj mreži pomoću mjerenja

distantnog releja .................................................................................. 53

4. PRIMJER PODEŠENJA DISTANTNE ZAŠTITE NA 35 kV

DISTRIBUCIJSKOM VODU ...................................................................... 55

4.1. Odabir karakteristike............................................................................ 56

4.2. Diferencijalna kompenzacija ................................................................ 56

4.3. Smjer radne karakteristike ................................................................... 57

4.4. Podešenje prvog stupnja zaštite .......................................................... 58

4.5. Podešenje drugog stupnja zaštite........................................................ 58

4.5.1. Utjecaj paralelnih vodova na skrećenje dosega........................... 59

4.5.2. Vremensko podešenje ................................................................. 60

4.6. Podešenje trećeg stupnja zaštite ......................................................... 60

4.6.1. Vremensko podešenje ................................................................. 61

4.7. Proračuni minimalnih struja kvara u mreži ........................................... 62

IV

4.7.1. Kvar na kraju prve zone............................................................... 64

4.7.2. Kvar na kraju druge zone............................................................. 65

4.7.3. Kvar na kraju treće zone.............................................................. 66

4.8. Provjera minimalnog napona na releju za kvarove u prvoj zoni ........... 67

4.8.1. Fazni kvarovi................................................................................ 67

4.8.2. Spojevi sa zemljom...................................................................... 67

4.9. Provjera minimalne struje na releju za kvarove u prvoj zoni ................ 68

4.9.1. Fazni kvarovi................................................................................ 68

4.9.2. Spojevi sa zemljom...................................................................... 68

4.10. Otpor kvara .......................................................................................... 69

4.11. Konačan izgled radne karakteristike .................................................... 70

5. ZAKLJUČAK ............................................................................................. 71

LITERATURA.................................................................................................... 72

1

1. UVOD

Nekoliko osnovnih faktora utječe na izbor zaštite za pojedini energetski

vodič. U prvom redu to su tip vodiča i strujne grane (da li je kabel ili nadzemni

vod, da li je jedan vod ili paralela dva voda itd.), funcija i važnost voda (utjecaj

na pouzdanost opskrbe, vrijeme potrebno za izoliranje kvara od ostatka

sustava), koordinacija sa sustavom (kompatibilnost sa opremom na vodovima s

kojima je povezan). Ovim faktorima treba biti dodan ekonomski faktor i

preferencija inženjera zaštitara temeljena na njegovom osobnom znanju i

iskustvu. Zbog toliko utjecajnih faktora nije moguće odrediti čvrsta pravila zaštite

za pojedine vodove, dijelove mreže, sustave ili naponske nivoe, iako osnovna

pravila i procedure pri projektiranju zaštite postoje.

Tako je u zaštiti sustava za razdiobu električne energije, distribucijskog

sustava, dosad kao zaštita uglavnom upotrebljavana nadstrujna zaštita, a

distantnu zaštitu većina inženjera povezat će sa zaštitom sustava za prijenos

električne energije i vodovima visokog napona.

Danas je već teško povući crtu između sustava za prijenos i sustava za

razdiobu električne energije, kako u pojedinom elektroenergetskom sistemu tako

i u nazivnim naponima vodova. U velikim gradskim područjima vodovi nazivnog

napona 110 kV već su mogu nazivati distribucijom iako je to tipičan nazivni

napon prijenosnih vodova.

Porast potražnje električne energije neminovno vodi ka širenju i

usložnjavanju elektroenergetskog sustava za razdiobu električne energije, što

postavlja sve složenije zahtjeve na projektiranje i podešenje sustava relejne

zaštite. Primjenom nadstrujnih i usmjerenih nadstrujnih zaštita ne postiže se

zadovoljavajuća selektivnost i brzina djelovanja, pa se složene razdjelne mreže

danas štite distantnim relejima.

2

Moderni numerički digitalni uređaji relejne zaštite obično imaju u sebi

ugrađenu mogućnost djelovanja i kao nadstrujni i kao distantni relej, pa to

olakšava zaštitu.

Ovaj rad predstavlja jedan pregled i analizu mogućnosti i prednosti

upotrebe distantnih releja kao osnovne ili kao rezervne zaštite na vodovima

sustava za razdiobu električne energije.

U poglavlju 2 dan je kratki pregled osnovnih pojmova vezanih uz uređaje

distantne zaštite, princip djelovanja i opisane su pojave i ponašanje pri

kvarovima u štićenom sustavu. U poglavlju 3 proveden je detaljan prikaz i

analiza svih aspekata upotrebe distantnih releja u sustavu za razdiobu električne

energije, a u poglavlju 4 opisan je način podešenja jednog distantnog releja na

35 kV pojnom vodu distribucijskog sustava.

3

2. DISTANTNA ZAŠTITA

2.1. Princip rada distantnih releja

Distantni relej ima dva ulaza. Ulazne veličine su napon i struja na mjestu

na vodu gdje se nalazi relej. Idealni distantni relej ne ovisi o veličinama napona i

struje pojedinačno već samo o njihovom omjeru i faznom kutu između njih.

Idealna karakteristika kvara, koja definira rubne uvjete djelovanja releja,

je kompletno određena kompleksnom impedancijom Zr = Vr / Ir . Impedancija Zr

može biti prikazana u koordinatnom sustavu u kojem je apscisa djelatni otpor, a

ordinata reaktancija. Impedancija voda u kvaru koju mjeri relej se može

superponirati na isti R - X dijagram i donosi se odluka o isklapanju ili

neisklapanju.

Slika 2.1 Relej priključen na vod

4

Slika 2.1 prikazuje priključke sa voda preko strujnog i naponskog

transformatora na jednostavni impedantni relej. Njegova karakteristika je

najosnovnija među raznim distantnim relejima. Slika također prikazuje

najjednostavniju formu elektromehaničkog distantnog releja, baziranog na

principu uravnotežene vage, primjera radi.

Relej djeluje ako se vaga nalazi u ravnoteži ili ako prevlada moment od

sile proizvedene svitkom kroz koji protječe struja Ir . Za sile na krakovima vage

možemo postaviti:

[ ]2rii IKP ⋅= (2.1)

[ ]2ruu VKP ⋅= (2.2)

Relej će proraditi ako je:

[ ] [ ]22ruri VKIK ⋅≥⋅ (2.3)

Ki i Ku su konstante proporcionalnosti. Impedancija koji relej vidi je:

i

u

r

rr

KK

IVZ ≤= , .konstZr ≤ (2.4)

Karakteristika prorade za tako spojen relej također je prikazana na slici 2.1.

Razmotrimo kvar na vodu ispred releja, gdje je Zn∠θ impedancija voda

od mjesta gdje se nalazi relej do mjesta kvara. Po Kirchhoffovom zakonu je

nLL ZIV ⋅= (2.5)

i to nezavisno od impedancije iza mjesta releja, impedancije izvora. Stoga je

θ∠== nr

r

L

L ZIV

IV (2.6)

ako su prijenosni omjeri transformatora jednaki jedinici. Ova impedancija kvara

je prikazana na R –X dijagramu karakteristike djelovanja releja. Znse mijenja

ovisno o mjestu kvara. Jasno je iz dijagrama da relej daje komandu za

isklapanje za kvarove do točke gdje je impedancija voda jednaka radijusu.

Doseg releja je također prikazan.

Ovakav relej se stoga i zove distantni, jer je impedancija kvara direktno

proporcionalna udaljenosti kvara od mjesta gdje se nalazi relej.

5

2.2. Karakteristika kvara u R-X dijagramu

Karakteristiku kvara voda definiramo kao impedanciju viđenu sa

sekundarnih strana strujnog i naponskog transformatora na vodu u kvaru.

Mjesto kvara se mijenja od mjesta gdje se nalazi relej (strujni i naponski mjerni

transformatori releja) do željenog mjesta dosega zaštite, a kvarovi mogu biti

metalni ili sa lukom. Karakteristika kvara crta se u R – X dijagramu.

2.2.1. Vod napajan sa jednog kraja

Slika 2.2 prikazuje vod napajan sa jednog kraja sa mjestom gdje se nalazi

relej, naponski i strujni transformator i promjenjivo mjesto kvara. Za metalni kvar

Slika 2.2 Karakteristika kvara voda napajanog s jedne strane

6

na poziciji F, impedancija sa sekundara ST/NT je fr ZZ = . Ako je kvar u F s

lukom i s otporom luka aR , onda je impedancija viđena sa sekundara ST/NT

iznosi afr RZZ += .

Stoga će karakteristika kvara voda u R – X dijagramu biti poligonalnog

oblika. Impedancija viđena sa sekundarne strane strujnog i naponskog

transformatora, i za metalne kvarove, i za kvarove sa lukom, nikada nije izvan

ovog poligona.

2.2.2. Vod napajan sa oba kraja

Na slici 2.3 prikazan je vod AB sa izvorima na oba kraja i sa

odgovarajućim položajima releja i prekidača. Najteži uvjet za relej na kraju A je

ako je izvor na kraju A slabiji (ZsA veliki), a izvor na kraju B jaki izvor (ZsB mali).

Ako napon EA prethodi pred naponom suprotnog kraja EB za kut +δ , onda se

snaga, gledano sa kraja A, izvozi, a gledano sa kraja B, uvozi. Ako napon EA

zaostaje za naponom suprotnog kraja EB za kut -δ , onda se snaga, gledano sa

kraja A, uvozi, a gledano sa kraja B, izvozi. Zanima nas impedancija viđena sa

sekundara ST/NT za metalne kvarove i kvarove sa lukom pri pomicanju mjesta

kvara od točke releja do točke željenog dosega.

Za metalne kvarove na mjestu X, impedancija je ZrA = Zf . Za kvarove sa

lukom u X struja kvara koja teče otporom luka dolazi iz oba kraja voda. Struja

kvara iz suprotnog kraja je mnogo veća od struje kvara iz kraja na kojem se

nalazi relej (kraj A na slici).

Ako zbog jednostavnosti pretpostavimo da su sve impedancije čisto

induktivne i ako zanemarimo rezistanciju luka, struje kvara IR i IF zaostaju za

naponima EA i EB za 90°. To je prikazano na fazorskim dijagramima na slici 2.3

(struja suprotnog kraja prikazana je većom od struje iz kraja na kojem se nalazi

relej zbog pretpostavke da je ZsA > ZsB). Po Kirchhoffovim zakonima, vrijedi :

7

Slika 2.3 Dvostrano napajan vod, fazorski dijagrami i karakteristike kvara

8

[ ] afrfrr RIIZIV ⋅++⋅= (2.7)

Ako (2.7) podijelimo sa aR dobijemo:

ar

frfr

r

r RI

IIZZIV

⋅

+

+== (2.8)

afr RKZZ ⋅+= (2.9)

r

fr

IIIK +

= (2.10)

K je kvocijent ukupne struje kvara i struje kvara sa strane releja. Kako se vidi iz

fazorskih dijagrama, ako je kut δ između napona EA i EB pozitivan, imamo

δ∠= KK (2.11)

gdje je 0.1>K i δ > 0, te tada imamo zakretanje karakteristike kvara u smjeru

obratno od kretanja kazaljke na satu, a ako je δ < 0, imamo zakretanje

karakteristike u smjeru kazaljke na satu u odnosu na karakteristiku kvara voda

napajanog samo sa jedne strane.

Slika 2.4 Sve moguće karakteristika kvara voda

9

Gledajući dakle sa kraja A, otpor luka se čini velik i ima fiktivnu reaktivnu

komponentu, koja ovisi o kutu δ. Usporedbe radi, na slici 2.4 prikazane su sve

moguće karakteristike kvara voda.

2.3. Stupnjevi zaštite

Pravilna koordinacija između distantnih releja u energetskim sustavima se

održava kontrolirajući postavljanje dosega i vremena djelovanja različitih

stupnjeva zaštite. Klasična distantna zaštita objedinjuje trenutnu usmjerenu

zaštitu prvog stupnja štićenja i jedan ili više vremenski odgođenih stupnjeva.

Tipični dosezi i vremenska podešenja za distantnu zaštitu sa tri stupnja

djelovanja prikazani su na slici 2.5.

Slika 2.5. Tipična vremensko/distantna podešenja za distantnu zaštitu sa tri

stupnja djelovanja

10

Obično se odabere doseg od 80% od impedancije štićenog voda za

zaštitu u prvom, trenutnom, stupnju zaštite [1]. 20% koje ne štitimo je sigurnosna

granica koja osigurava da nema rizika za produženje dosega u prvom stupnju,

koje bi moglo rezultirati gubitkom selektivnosti preklapanjem sa trenutnom

zaštitom na slijedećem vodu. Sigurnosna granica je potrebna zbog grešaka

strujnih i naponskih transformatora, netočnosti podataka o impedanciji voda

korištenim za postavljanje i grešaka podešenja i mjerenja releja. U nekim

slučajevima, kad ova kombinirana greška to dopušta, doseg u prvom stupnju

može biti postavljen na 85%.

Ostatak voda koji nije pokriven prvim stupnjem zaštite je štićen vremenski

odgođenim drugim stupnjem zaštite koji je također usmjeren. Podešenje dosega

drugog stupnja zaštite treba biti postavljeno na najmanje 120% impedancije

štićenog voda. Svako drugo povećanje ovisi o relativnim impedancijama

štićenog voda i najkraćeg idućeg voda. U mnogo slučajeva, običava se povećati

doseg drugog stupnja na impedanciju štićenog voda + 50% impedancije

najkraćeg idućeg voda [1]. Tada se mora paziti da maksimalni doseg drugog

stupnja zaštite štićenog voda na bude duži od minimalnog dosega prvog stupnja

zaštite idućeg voda. Vrijeme djelovanja drugog stupnja zaštite treba biti

podešeno tako da se održi selektivnost primarne zaštite idućeg voda,

ukljućujući prvi stupanj distantne zaštite, ako je ona postavljena, i vrijeme

isklapanja prekidača.

Daljinska rezervna zaštita za sve kvarove na idućem vodu obično je

osigurana trećim stupnjem zaštite čije je vrijeme djelovanja još više odgođeno

da se održi selektivnost drugog stupnja zaštite idućeg voda plus vrijeme

isklapanja prekidača. Doseg trećeg stupnja treba biti postavljen na najmanje 1.2

puta impedancije kvara štićenog plus idućeg voda.

U nekim sustavima, promjene kod napajanja na udaljenim sabirnicama

mogu onemogućiti postavljanje trećeg rezervnog stupnja zaštite, ali u radijalnim

distribucijskim mrežama sa napajanjem sa jednog kraja nema tog problema.

11

Ponekad ta daljinska rezervna zaštita ima podešen i mali doseg u

suprotnom smjeru (obično 20% impedancije štićenog voda) [1]. To daje

vremenski odgođenu rezervnu zaštitu za kvarove na sabirnicama i za bliske

trofazne kvarove koji nisu otklonjeni drugim zaštitama.

2.4. Tipovi distantnih releja

Distantni releji klasificiraju se po svojim polarnim karakteristikama, broju

ulaznih veličina koje imaju i metodi po kojoj se vrši usporedba. Uobičajeni tipovi

vrše usporedbu dvije ulazne veličine po modulu ili po fazi i imaju karakteristiku

koja je ili pravac ili kružnica u R – X dijagramu. U nastavku ovog poglavlja bit će

spomenuto samo par osnovnih tipova releja (odnosno njihovih radnih

karakteristika).

2.4.1. Impedantni relej

Impedantni relej ne uzima u obzir fazni kut između mjerenog napona i

struje pa je zbog toga njegova radna karakteristika u R – X dijagramu kružnica

Slika 2.6 Impedantna radna karakteristika distantnog releja

12

sa središtem u ishodištu koordinatnog sustava i radijusom jednakom

postavljenoj vrijednosti u ohmima. On djeluje za sve vrijednosti impedancije koje

su manje od postavljene vrijednosti, tj. za sve točke unutar kružnice, pa djeluje i

pri kvarovima koji se nalaze iza njega, na prethodnom vodiču. Poboljšana

karakteristika dobiva se kombinacijom impedantne radne karakteristike sa

usmjerenom karakteristikom (slika 2.6). Takva usmjerena impedantna

karakteristika u R – X dijagramu je polukružnica i mjeri impedanciju kvara samo

prema naprijed.

2.4.2. Admitantni relej

Karakteristika ovog releja u R – X dijagramu je kružnica koja prolazi kroz

ishodište koordinatnog sustava (slika 2.7), a usmjerena je tako da djeluje samo

na kvarove ispred releja.

Slika 2.7 Admitantna radna karakteristika distantnog releja

Karakteristika se postavlja podešenjem vrijednosti dijametra kružnice i

kuta smjera dijametra. Nije nužno potrebno da kružnica bude u smjeru pravca

13

očekivane impedancije kvara, ponekad se namjerno to usmjerenje stavlja pod

malo manjim kutem da bi relej uspješno djelovao i pri pojavi otpora luka pri

kvaru.

2.4.3. Poligonalni relej

U nastojanju da se postigne što bolja karakteristika razvijene su

poligonalne karakteristike korištenjem usmjerenih i rezistantnih članova te se

mogu idealno prilagoditi uvjetima štićenja (slika 2.8). Ove karakteristike koriste

se za zaštitu od zemljospoja na vodovima male i srednje duljine sa jakim

izvorima gdje je potreban visok stupanj tolerancije za rezistanciju kvara.

Slika 2.8 Poligonalna radna karakteristika distantnog releja

Postoje i razne druge vrste karakteristika za različite vrste kvarova i za

razne naponske razine. Uglavnom su to varijacije i poboljšanja ovih triju ovdje

opisanih koje se prilagođavaju zadanim uvjetima za određene kvarove.

14

2.5. Aplikacija distantnog releja u energetski sistem

Kadase razmatra aplikacija distantnog releja u energetski sustav, tri

glavna faktora moraju biti poznata: impedancije vodova, minimalni napon za

kvar u točki dosega i minimalna struja kvara.

Simetrične komponente impedancija koje se koriste u analizi kvarova u

energetskim sustavima prikazane su na slici 2.9. Za statičke elemente, poput

vodova i transformatora, direktna i inverzna impedancija su jednake. Direktna

komponenenta impedancije svih elemenata prisutna je u proračunu za sve vrste

kvarova, dok se nulta komponenta uzima u obzir samo kod spojeva sa zemljom.

Slika 2.9 Impedancije uključene u njerenje udaljenosti

Postoje četiri tipa kvarova koji se mogu dogoditi u energetskom sustavu

(A, B, C su faze, a E zemlja) i oni su prikazani na slici 2.10. To su:

Trofazni: A-B-C A-B-C-E

Dvofazni sa zemljom: A-B-E B-C-E C-A-E

15

Dvofazni: A-B B-C C-A

Jednofazni sa zemljom: A-E B-E C-E

Slika 2.10 Strujne i naponske relacije za razne kvarove

16

Pri faznim spojevima, linijski napon, odnosno razlika faznih napona

spojenih faza je nula, a pri spojevima sa zemljom, fazni napon faze u kvaru je

nula. Pošto je potrebno da napon na mjestu releja bude proporcionalan padu

napona do mjesta kvara, nije moguće mjerenje svih kvarova koristeći jedan

mjerni element i obično se koristi tri releja za spojeve sa zemljom i tri za spojeve

među fazama, odnosno po jedan za svaku fazu i po jedan za svaki par faza.

Svaki od mjernih elemenata je opskrbljen odgovarajućim ulaznim podacima za

točno mjerenje udaljenosti u fazama na koje je priključen.

2.5.1. Fazni kvarovi

U tablici 2.1 su dani naponi i struje na mjestu releja za dvofazne i

trofazne spojeve, prikazane na slici 2.10, izraženi preko direktnih komponenata

impedancije ZS1 i ZL1 u smjeru izvora i u smjeru voda gledajući od mjesta releja i

direktne komponente struje I'1 u 'a' fazi koja teče prema mjestu kvara preko

mjesta releja.

Tablica 2.1 Fazne struje i naponi na mjestu releja za vrijeme faznih kvarova

Struje i naponi na mjestu

kvara

Trofazni kvar

(A-B-C)

Dvofazni kvar

(B-C)

I'a I'1 0

I'b a2I'1 (a2-a)I'1

I'c aI'1 (a-a2)I'1

V'a ZL1I'1 2(ZS1+ZL1)I'1

V'b a2ZL1I'1 (2a2ZL1-ZS1)I'1

V'c aZL1I'1 (2aZL1-ZS1)I'1

Vidi se da su za vrijeme trofaznih spojeva fazni naponi na mjestu releja

ovisni samo o produktu impedancije voda i direktne komponente struje, dok su

17

za vrijeme dvofaznih spojeva i funkcija impedancije izvora. Ova ovisnost o ZS1

eliminira se dovođenjem razlike faznih napona releju. Na primjer:

( ) 112 '' IZaaV Lbc ⋅⋅−= (za trofazne spojeve) (2.12)

( ) 112 '2' IZaaV Lbc ⋅⋅−⋅= (za dvofazne spojeve) (2.13)

Mjerni članovi koji mjere udaljenost obično su kalibrirani u veličinama direktne

komponente impedancije. Točno mjerenje za i dvofazne i za trofazne spojeve

postiže se tako što se svakom mjernom elementu na linijskom naponu dovodi

odgovarajući linijski napon i razlika struja u fazama. Tada će za gornji primjer

mjerene struje iznositi:

( ) 12 ''' IaaII cb ⋅−=− (za trofazne spojeve) (2.14)

( ) 12 '2'' IaaII cb ⋅−⋅=− (za dvofazne spojeve) (2.15)

Relej će u oba slučaja mjeriti točnu impedanciju ZL1.

2.5.2. Spojevi sa zemljom

Kada dođe do spoja sa zemljom, napon faze prema zemlji na mjestu

kvara padne na nulu, i tada bi trebalo da je pad napona do kvara izravan

produkt fazne struje i impedancije voda, ali nije tako jer struja u petlji kvara ovisi

o broju uzemljenih točaka mreže, metodi uzemljenja i simetričnim

komponentama impedancije petlje kvara.

Pad napona do kvara jednak je zbroju komponenti padova napona od

mjesta releja do mjesta kvara:

18

001211 '''' LLLa ZIZIZIV ++= (2.16)

dok je struja petlje kvara:

021 '''' IIII a ++= (2.17)

Struja diferencije (rezidualna struja) I'N na mjestu releja iznosi:

0'3'''' IIIII cbaN =++= (2.18)

gdje su I'a, I'b i I'c fazne struje na mjestu releja. Iz izraza (2.16), (2.17) i (2.18)

napon na mjestu releja može biti izražen preko faznih struja na mjestu releja,

omjera nulte i direktne komponente impedancije voda izražene faktorom K,

ekvivalentnim ZL0/ZL1, i direktne komponente impedancije voda ZL1 [1]:

( )

−

⋅+++⋅=3

1''''' 1KIIIIZV cbaaLa (2.19)

Pojava napona na mjestu releja, kako je već spomenuto, varira sa brojem

mjesta sa kojih dotiče struje, metodama uzemljenja sistema i poziciji releja s

obzirom na dotok struje i točke uzemljenja. Slika 2.11 pokazuje tri slučaja koja

se pojavljuju u praksi za jednostrano napajanje. Na slici 2.11a struje zdravih

faza su nula, pa je Ia:Ib:Ic=1:0:0, i impedancija koju relej vidi usporedbom Ia i Va

iznosi:

1311 LZKZ ⋅

−+= (2.20)

19

Slika 2.11 Utjecaj napajanja i uzemljenja na mjerenje udaljenosti zemljospoja

20

Na slici 2.11b struje koja ulazi u mjesto kvara sa strane releja su u odnosu 2:1:1

pa je:

1LZZ = (2.21)

Na slici 2.11c struje se odnose u omjeru 1:1:1 pa je:

1LZKZ ⋅= (2.22)

Da postoji napajanje sa oba kraja sekcije voda, mjerena impedancija bila bi

superpozicija neka dva od ovih primjera, s tim da treba uzeti u obzir relativne

veličine napajanja s jedne i s druge strane.

Ova analiza pokazuje da relej može mjeriti impedanciju neovisno o

napajanju i uvjetima uzemljenja jedino ako faznoj struji Ia dodamo struju

diferencije IN = Ia + Ib + Ic pomnoženu faktorom KN = (K - 1) / 3. Ova tehnika

naziva se diferencijalnom (rezidualnom) kompenzacijom.

2.5.3. Minimalni napon na mjestu releja

Kada su poznate simetrične komponente impedancija, ili alternativno, ako

se zna snagu kvara, napon sustava i točke uzemljenja, može se izračunati

najmanji napon na mjestu releja za kvar u krajnjoj točki dosega releja. Tada se

taj napon treba usporediti sa karakteristikom napon – doseg releja da se odredi

prikladnost pojedinog releja za zadanu aplikaciju.

21

2.5.4. Podešenje releja

Distantni releji kalibriraju se u sekundarnim vrijednostima i postavljaju da

mjere direktnu komponentu impedancije. Moderni releji imaju ove tipične

raspone:

0.2 – 240 ohma (nazivna struja sekundara strujnog transformatora 1 A)

0.04 – 48 ohma (nazivna struja sekundara strujnog transformatora 5 A)

Strujni i naponski transformatori imaju standardizirane nazivne veličine na

sekundarnoj strani, za strujne transformatore 1A i 5A, a za naponske 100 V [1].

Da bi se relej podesio, potrebno je prvo izračunati u primarnim ohmima

željeni doseg duž voda. Kako je ranije spomenuto, on obično iznosi 80% duljine

voda. Veličina u sekundarnim ohmima tada se računa relacijom:

toratransformanaponskogomjernazivni

toratransformastrujnogomjernazivniZZ PS ⋅= (2.23)

Sekundarna vrijednost, dobivena na ovaj način, treba biti u rasponu podešenja

releja.

2.5.5. Skraćenje dosega

Ponekad je impedancija koju mjeri distantni relej veća od stvarne

impedancije kvara. Tada se kaže da distantni relej djeluje sa skraćenim

dosegom zaštite. Postotno skraćenje dosega definirano je sa:

%100×−

R

FR

ZZZ (2.24)

gdje je RZ podešenje dosega releja, a FZ efektivni doseg releja.

22

Tipičan primjer skraćenja dosega releja je efekt dotoka struje sa udaljene

sabirnice između mjesta kvara i mjesta releja (slika 2.12).

Slika 2.12 Utjecaj međunapajanja sa udaljene sabirnice na distantni relej

2.5.6. Produženje dosega

Za distantni relej kaže se da ima produženi doseg kada je impedancija

koju mjeri manja od stvarne impedancije kvara. Postotno produženje dosega

definirano je sa:

%100×−

R

RF

ZZZ (2.25)

23

gdje su RZ i FZ isto što i u (2.24).

Primjer za produženje dosega je kada su distantni releji postavljeni na

paralelne vodiče i kada je jedan vodič isključen i uzemljen na oba kraja (slika

2.13). U ovim uvjetima međuinduktivitet između vodiča uzrokuje produženje

dosega releja na jednom kraju vodiča u pogonu.

Slika 2.13 Produženje dosega zaštite zbog međuinduktiviteta sa paralelnim

vodičem van pogona uzemljenim na oba kraja

24

3. DISTANTNA ZAŠTITA U SUSTAVU ZA RAZDIOBU ELEKTRIČNE ENERGIJE

3.1. Općenito o zaštiti sustava za razdiobu električne energije

Zaštita sustava za razdiobu električne energije je fokusirana na zaštitu

pojnog voda. Problem stabilnosti ne postoji u distribuciji i općenito se drži da

otklanjanje kvara u najkraćem mogućem vremenu nije nužno potrebno.

Standardna zaštita na pojnim vodovima nazivnog napona u distribuciji su

nadstrujni releji. Uzevši u obzir ekonomske aspekte, to je najpovoljnija i

širokoprihvaćena zaštita tih vodova [2]. Obično su pojni vodovi kratki i problem

stabilnosti ne postoji, pa se zbog selektivnosti koristi zaštita cijelog voda

vremenski usklađena sa zaštitama odcjepa.

Slika 3.1 Tipični distribucijski pojni vod

Preduvjet da se koristi nadstrujna zaštita je poimanje cijelog pojnog voda

kao jedne cjeline. Kad se dogodi kvar na pojnom vodu, cijeli će vod biti isključen,

a restauracije opskrbe energijom za sekcije koje nisu u kvaru se ne provodi, što

ne doprinosi pouzdanosti opskrbe električnom energijom. S druge strane i

realizacija selektivnosti ovisi o vremenskom zatezanju zaštite, što rezultira duljim

vremenima isključivanja kvara i utječe na vijek trajanja opreme.

25

Ovaj problem može se riješavati na razne načine, kao npr. postavljanjem

uređaja za ponovni uklop po sekcijama pojnog voda, s tim da su ti uređaji

međusobno povezani telekomunikacijskom vezom. Može se upotrebiti i

distantna zaštita.

Niže naponske razine sustava za razdiobu električne energije uglavnom

su radijalnog oblika i na njima se koriste osigurači kao zaštita krajnjeg

konzumenta i prekidači sa vremenskim, termičkim i brzim okidanjem.

Gdje i kako, dakle, u distribuciji, upotrebljavamo distantnu zaštitu?

Distantna zaštita je implementirana u razgranatim distribucijskim sustavima, da

održava selektivnost s brzim vremenom izbacivanja mjesta kvara.

U nadzemnim mrežama, distantna zaštita općenito ima i uređaj za

automatski ponovni uklop - APU. APU ponekad ima i dodatnu dugu

beznaponsku pauzu, odgođeni ponovni uklop, iznad i preko uobičajenih

trostupnjevitih kratkih beznaponskih pauza, brzog ponovnog uklopa.

Povremeno, na kraćim vodovima, koristi se i zaštita sa telekomunikacijskom

vezom.

U kabelskim mrežama, distantna zaštita se primjenjuje kao neovisna

osnovna zaštita ili kao rezervna zaštita sa diferencijalnom zaštitom kao

osnovnom. Ako se koristi kao osnovna zaštita onda se često koristi

komunikacija optičkim vlaknima.

Većina kratkih spojeva u distribuciji je dakle isklopljena bez odgode.

Jedino kod udaljenih kvarova, blizu drugog kraja voda, može zaštita djelovati u

drugom stupnju (300 - 400 ms). Dulja vremena prorade zaštite pojavljuju se

jedino u slučajevima zatajenja prekidača ili same zaštite. Distantna zaštita zato

značajno doprinosi kvaliteti opskrbe u distribuciji.

26

3.2. Tehnologija releja

Hoće li se ugraditi višesistemska ili jednosistemska zaštita ovisi o

nazivnom naponu i važnosti štićenog voda. Glavna razlika između ova dva

izbora je u tome da višesistemska zaštita koristi šest mjernih sustava za svaki

stupanj, tri za fazne kvarove i tri za spojeve sa zemljom, dok tipična

jednosistemska koristi jedan mjerni sustav za sve vrste kvarova. Taj mjerni

sustav je pomoću poticajnih članova nadstrujnog i podimpedantnog tipa

priključen na točnu petlju kojoj mjeri impedanciju kvara.

Gotovo se isključivo koriste jednosistemski releji distantne zaštite jer im je

cijena povoljna i mogu se ugraditi direktno na fazu niskonaponskog dijela mreže.

Isti mjerni sustav se koristi za sve stupnjeve zaštite. Takav dizajn treba poticajne

članove kojima izabire fazu za mjerenje i vremensku kontrolu dosega stupnjeva

zaštite. Poticajni član za odabir faze za mjerenje treba biti dovoljno osjetljiv za

otkrivanje kvarova u zoni štićenoj trećim stupnjem i to pod najnepovoljnijm

uvjetima sa minimalnim strujama kvara, ali i mora razlikovati struje tih kvarove i

maksimalne pogonske struje. Velik broj raznih karakteristika može biti izabran

za poticajne članove, i to ovisi o parametrima sustava kao što je maksimalna

pogonska struja u odnosu na maksimalni zahtjevani doseg zaštite i uzemljene

točke sustava. Odabir faze i klasifikacija kvara često se koriste kao sinonimi.

Klasifikacija kvara (postoji 11 vrsta raznih kvarova, po IEC oznakama redom

L1N, L2N, L3N, L1L2N, L2L3N, L3L1N, L1L2, L2L3, L3L1, L1L2L3, L1L2L3N)

zapravo daje jedinstvenu informaciju za odabir faza (koje se mogu izabrati na 7

mogućih načina: L1, L2, L3, L1L2, L2L3, L3L1, L1L2L3) [3].

Numerički distantni jednofazni releji pojnih vodova sadrže sve potrebne

dodatne funkcije (automatski ponovni uklop - APU i otkrivanje zemljospoja) pa

uklanja potrebu za dodatnim relejima.

27

3.3. Problemi pri projektiranju zaštite

Primjena distantne zaštite u distribuciji karakterizirana je slijedećim

specifičnim osobinama:

3.3.1. Najkraći vod koji može biti štićen

Za idealni distantni relej pretpostavlja se da mjeri impedanciju Z=V/I,

neovisno o individualnim vrijednostima bilo napona V ili struje I. U praksi to nije

tako. Doseg zaštite tako je određen naponom koji relej mjeri pri kvaru. Da bi

odredili duljinu najkraćeg voda koji može biti štićen distantnom zaštitom treba se

prvo provjeriti da je minimalni napon koji relej mjeri za kvarove unetar zone

štićene prvim stupnjem zaštite veći od najmanjeg napona za koji je relej osjetljiv

i da je impedancija koju mjeri za zonu štićenu prvim stupnjem zaštite unutor

područja podešenja releja.

Tako je za najosjetljivije elektromehaničke releje duljina najkraćeg voda

iznosila oko kilometar, i kraći vodovi nisu se mogli štititi tim relejima. Za

današnje numeričke digitalne uređaje, duljina najkraćeg voda koji mogu štititi je

oko 200 metara i to više ne predstavlja veliki problem pri ugrađivanju distantne

zaštite u distribuciju [4].

3.3.2. Nehomogeni vod

Općenito su vodovi sastavljeni od dijelova različitih tehničkih osobina

(drukčiji vodiči, presjeci vodiča, geometrije stupova, različiti tipovi kabela,

miješani nadzemno-kabelski dijelovi, otpornici koji ograničavaju struju kratkog

spoja, itd.) pa dolazi do pojave nekontinuiranog smjera pravca impedancije.

Razlike u smjerovima impedancija kratkih spojeva mogu biti značajne

(npr. kabel pod kutem 20° i reaktantni otpornik za ograničenje struje kratkog

28

spoja 87°). U takvom slučaju preporučljivo je prikazati čitavi pojni vod u R - X

dijagramu (slika 3.2). Impedancije nadzemnih vodova mogu se direktno dodati

jer su njihovi kutovi pretežno oko 70° za presjeke vodiča veće od 95 mm².

Slika 3.2 Smjer pravca impedancije srednjenaponskog pojnog voda

3.3.3. Naponski transformatori na sabirnici Zbog ograničenja troškova, uobičajeno je da postoji jedan naponski

transformator na sabirnici u srednjenaponskim trafostanicama za sve releje. Ako

29

iskoči glavni prekidač zaštite naponskog transformatora, distantna zaštita svih

vodova mora biti blokirana. U slučaju Siemensovog numeričkog distantnog

releja 7SA510/11 tada je moguće automatski se prebaciti na nadstrujnu zaštitu.

Ako su naponski transformatori štićeni osiguračima i signal kvara nije dostupan

7SA510/11 mora imati nadstrujno djelovanje za spojeve između faza.

Podimpedantno djelovanje može se koristiti samo kod spojeva sa zemljom i

tada je pokrenuto strujom zemljospoja.

Pogrešno djelovanje zaštite uzrokovano pregaranjem osigurača

naponskog transformatora je time izbjegnuto.

3.3.4. Razgranati vodovi Posebno u seoskim mrežama, vodovi su često razgranati, tako da je

mjerenje impedancije do lokacije kvara nepouzdano i mora stoga biti

predstavljeno na stablu ukupnog sistema.

3.3.5. Potrošačke stanice uzduž linije pojnog voda

Transformatori malih potrošača su obično spojeni direktno na vod preko

osigurača (slika 3.3). U ovom slučaju, prvi stupanj može biti postavljen na 85 -

90% udaljenosti A - C, kako je impedancija transformatora velika u usporedbi s

impedancijom voda. Prema tome, prvi stupanj zaštite doseže samo do namota

transformatora [4].

Kvarovi u niskonaponskoj mreži su viđeni tek nakon t2 = 0.3 - 0.4 s u

drugom stupnju. Dovoljan vremenski razmak za otklanjanje kvara

niskonaponskim osiguračima i strujnim prekidačima je dostupan. Za vrijeme

povoljnih uvjeta, kratki spojevi u blizini početka transformatora su otklonjeni

visokonaponskim osiguračima za vrijeme početnog porasta struje, prije

djelovanja distantne zaštite. Ako je djelovanje osigurača sporije ili su struje

30

manje, dopušteno je da vod ispadne u slučaju ovakvog kvara transformatora jer

se on rijetko događa.

Slika 3.3 Pojni vod s otcjepom sa transformatorskim blokom, primjer

podešenja distantne zaštite

31

Kod transformatora veće snage (>1MVA), i dužih vodova, moguće je da

impedancija transformatora bude manja od impedancije dijela voda B - C. U

ovom slučaju postavljanje stupnjeva mora biti odgovarajuće smanjeno i

usklađeno s krajem reaktancije transformatora. Ako potrošač ima svoj vlastiti

strujni prekidač sa nadstrujnom zaštitom, distantna zaštita mora biti postavljena

na drugi stupanj ispred tog strujnog prekidača (slika 3.4). To osigurava da su

kratki spojevi u potrošačkoj mreži otklanjani selektivno, dok je vod u pogonu.

Slika 3.4 Podešenje stupnjeva distantne zaštite u slučaju potrošača

spojenog preko strujnog prekidača

Još veće vrijeme zatezanja može biti zahtijevano, ako je mala industrijska

mreža direktno galvanski povezana na vod (slika 3.5). Strujni prekidač E mora

iskočiti bez odgode u slučaju kratkog spoja. Vremenska ovisna nadstrujna

zaštita na B2 i B3 mora biti odgovarajuće vremenski pomaknuta za jedan stupanj

podešenja. Zaštita na B1, strujnom prekidaču potrošača, mora također biti

32

podešen na treći stupanj od otprilike 0.9 s. Drugi stupanj distantne zaštite mora

zato biti podešen na slijedeću vrijednost od otprilike 1.3 s.

Slika 3.5 Podešenje stupnjeva distantne zaštite u slučaju industrijske mreže

spojene na glavni pojni vod

3.3.6. Međunapajanje

Na srednjenaponskoj razini, decentraliziranoj proizvodnji energije se

stalno povećava važnost. Male elektrane (hidroelektrane, vjetroelektrane, itd.)

su većinom spojene odmah na vodove. Ovisno o doprinosu malih generatora

snazi kratkog spoja, može biti potrebno rezultirajući efekt uzeti u obzir kada se

postavlja distantna zaštita. Ako je APU uključen, mora se voditi računa i o tome

33

da mali generatori moraju biti na vrijeme odspojeni ako dođe do kvara na vodu.

Napajanje voda za vrijeme beznaponskog vremena APU-a bi u tom slučaju

spriječilo gašenje luka ako struja ostane veća od kritičnog praga gušenja.

Decentralizirani generatori moraju stoga biti opremljeni sa podnaponskim i

frekvencijskim relejima.

3.3.7. Problem starta rezervne zaštite

Problemi mogu biti očekivani kada zaštita ili strujni prekidač na vodu

zakažu, uzrokujući time da funkciju rezervne zaštite preuzme slijedeći vremenski

stupanj, tj. onaj na ulaznom napajanju (slika 3.6).

Start nadstrujne zaštite na ulazu napajanja mora biti postavljen da bude

veći od dopuštene struje preopterećenja transformatora (tipično 1.3·2·IN), pa je

zbog toga relativno neosjetljiva. Problematičan slučaj je kad je kvar daleko ili je

na vodu sa malim presjekom vodiča. U oba slučaja, struja kratkog spoja je

strogo ograničena a napon pokazuje samo malen pad, posebno kad

transformator ima veliku nazivnu snagu. To povlači da podimpedantno startanje

također neće riješiti ovaj problem. Kutno ovisna podimpedantna zaštita ili

impedantna sa dodatnom funkcijom računanja kuta kratkog spoja tipično

omogućuje lijek. U slučaju vodiča od bakra, kut impedancije kod kratkog spoja je

veći od 60° za vodiče presjeka većeg od 95 mm² (u slučaju vodiča od aluminija,

veći samo od 45°) [4]. Kut impedancije voda u kvaru nije jedini odlučujući faktor,

jer su struje tereta drugih vodova superponirane na mjerenu struju. To je

pokazano na slici 3.6. U prikazanom slučaju kut impedancije kratkog spoja je

smanjen radnom snagom (pola nazivne snage transformatora) sa 62° na 51°.

Sa postavljanjem vrijednosti na otprilike 40°, zaštita će sigurno odraditi. Ako je

cijela nazivna snaga transformatora postavljena kao radna snaga, kut je

smanjen na otprilike 35˚, što je ispod praga startanja zaštite.

34

Slika 3.6 Start rezervne zaštite

35

Općenito se može reći da kutno ovisna ili impedantna zaštita omogućuje

dobar domet u slučaju velikih kuteva impedancije vodova koji prevladavaju na

visokonaponskim razinama (70° i više). Na srednjim naponima ovo se generalno

ne koristi, jedino za vodiče od bakra i aluminija sa velikim presjecima.

Zahvaljujući utjecaju nazivnih struja osjetljivost je drastično smanjena. U svakom

slučaju djelotvornost mora biti provjerena izračunavanjem za nazivne i

vrijednosti kod kratkog spoja.

Danas numerički releji namijenjeni distribucijskim sistemima (Siemensov

7SA510/11) također nudi kutno ovisno i impedantno startanje.

Što može biti učinjeno u slučaju kad ni kutno ovisno startanje ne

poboljšava stvar? U kritičnim slučajevima moraju biti osigurani odvodni vodovi

zajedno sa rezervnom zaštitom u slučaju nedjelovanja strujnog prekidača. U

modernim numeričkim relejima ugrađena je zaštita u slučaju nedjelovanja

strujnog prekidača, a općenito se u distribucijskim sustavima može bez posebne

rezervne zaštite, zahvaljujući kontinuiranom samonadzoru releja.

Za nesimetrične kvarove može biti korišten relej sa mjerenjem vrijednosti

inverznih komponenti i struje zemljospoja za zadnji stupanj iskapčanja na ulazu

napajanja. To ne pokriva slučaj tropolnog kvara.

3.3.8. Višestruki APU

S beznaponskom pauzom APU od otprilike 0.3 do 0.5 s, otprilike 60 -

70% kratkih spojeva na srednjenaponskim mrežama je otklonjeno. U mnogo

slučajeva dodan je drugi pokušaj ponovnog uklopa s dugom beznaponskom

pauzom (reda veličine minuta), koji slijedi nakon neuspjelog prvog pokušaja,

brzog ponovnog uklopa, obično u ruralnim mrežama (po selima). Iskustvo

pokazuje da 40% slučajeva kvara s neuspjelim prvim pokušajem ponovnog

uklopa može biti otklonjeno ovim načinom [4].

36

Kod numeričkog distantnog releja 7SA510/11 mogu biti podešene

drugačije karakteristike produženog dosega za brzi i odgođeni automatski

ponovni uklop (slika 3.7). Izolacija početnog kvara obično se postigne stupnjem

produženog dosega bez vremenske odgode (Z1B sa T1B = 0). Podešenje za

slijedeću sekvencu ponovnog uklopa može biti odabrano kao ono prije prvog

ponovnog uklopa ili drukčijeg dosega i vremenskog zatezanja (Z1L sa T1L).

Održana je selektivnost zaštite, ako je kvar na nekon od slijedećih vodova.

Sporo otklanjanje kvara na dijelu voda blizu suprotnog kraja ne može se izbjeći.

Slika 3.7 Automatski ponovni uklop sa kratkim i dugim beznaponskim

pauzama

3.3.9. APU na djelovima voda

Na vodovima koji se sastoje od nadzemnog dijela i kabela, APU smije

djelovati samo kad je kvar na nadzemnom dijelu.

37

Ta funkcija je izvedena (u Siemensovu releju 7SA510/11) sa

preklapanjem dviju zona sa drukčijim podešenjima i logičnim spajanjem izlaza

(slika 3.8).

Slika 3.8 Selektivni automatski ponovni uklop na dijelu nadzemni vod - kabel

3.4. Distantna zaštita u izoliranim ili kompenziranim sustavima

Velik otpor uzemljenja zvjezdišta zahtijeva poseban tretman distantnom

zaštitom za vrijeme spojeva sa zemljom.

3.4.1. Jednopolni spoj sa zemljom

Spoj jedne faze sa zemljom u ovom slučaju ne odgovara kratkom spoju

jer teče samo mala kapacitivna struja zemljospoja. Zahvaljujući ograničenju ili

kompenzaciji struje zemljospoja, spoj sa zemljom je u većini slučajeva

samogaseći (prijelazni zemljospojevi). U ostalim slučajevima, sustav može biti u

pogonu sa stalnim zemljospojem nekoliko sati, dok zemljospoj nije lociran i

uklonjen izolacijom voda na tom mjestu. Za indikaciju zemljospoja ugrađeni su

38

posebni osjetljivi zemljospojni releji. Distantna zaštita ne smije djelovati za

vrijeme ovakvih jednopolnih spojeva sa zemljom.

To mora biti osigurano tako do postavimo odgovarajuće otkrivanje kvara.

Puštanje mjerenja udaljenosti bi inače uzrokovalo nekontrolirano pogrešno

isklapanje, jer napon faze u kvaru za vrijeme zemljospoja može biti nula u cijeloj

galvanski povezanoj mreži, pa bi i impedancija mjerena pomoću tog napona i

nazivne struje isto bila jednaka nuli.

3.4.2. Dvopolni spoj sa zemljom

Zahvaljujući porastu faznog napona 3 puta na zdravim fazama cijelog

sistema, može doći do dvopolnog zemljospoja. Rezultat je sličan dvopolnom

kratkom spoju, ali kratki spoj je ovdje od jednog do drugog mjesta zemljospoja

preko zemlje. Mjesto drugog zemljospoja može biti na bilo kojoj drugoj poziciji u

galvanski povezanom sustavu, ovisno o tome gdje je najslabija točka materijala

izolacije.

Vjerojatnost dvostrukog zemljospoja raste, kako se veličina mreže

povećava. U slučaju da su dvije lokacije kvara u blizini jedna druge, struje

kratkog spoja će biti istog reda veličine kojeg bi bile u slučaju dvopolnog kratkog

spoja, dok struja kvara može biti i ispod nazivne struje ako su dva mjesta kvara

udaljena.

Strategija zaštite koja se obično primjenjuje u slučaju dvopolnih

zemljospojeva cilja na izoliranje jednog mjesta kvara s očekivanjem da će se na

drugom mjestu luk ugasiti sam od sebe, slično kao jednopolni zemljospoj, ili će

biti iskopčano ručno, nakon uspješnog pronalaska zemljospoja. Za ovakav

ishod, releji distantne zaštite u izoliranim ili kompenziranim sustavima moraju

imati takozvanu faznu preferenciju dvopolnog zemljospoja, koja odabire ili

prethodeću ili zaostajuću petlju faza-zemlja za mjerenje u čitavoj galvanski

povezanoj mreži. Fazna preferencija je namijenjena onim dijelovima voda koji su

39

između dvije lokacije kvara, jer njima teče struja zemljospoja za otkriveni

dvopolni zemljospoj. Na drugim dijelovima voda, izvan tog područja, gdje struje

zemljospoja nema ili je premala, otkrivanje kvara prepoznaje dvofazni kvar i zato

odabire odgovarajuću faza-faza petlju za mjerenja. Obično će se u ovim

slučajevima iskapčanje dogoditi u kasnijim stupnjevima, obično zadnjem,

zahvaljujući skraćenju dosega distantne zaštite. Namjerno izoliranje oba mjesta

zemljospoja zajedno sa višefaznom distantnom zaštitom provodi se jedino u

posebnim slučajevima u kompenziranim visokonaponskim mrežama.

3.4.3. Mjerenje udaljenosti dvopolnog spoja sa zemljom

Petlja kratkog spoja sačinjena je od unutrašnje zone između dva mjesta

kvara, i nekoliko vanjskih zona, od mjesta napajanja do najbližeg mjesta kvara.

To je pokazano na slici 3.9 za jednostrano napajanje.

Struja kratkog spoja tjerana je elektromotornom silom tog dijela voda (EL2-

EL3), i ima sličan fazni odnos onoj dvopolnog kratkog spoja. Zbog spojenosti sa

zemljom, tri petlje kvara mogu u principu biti mjerene: petlja faza-faza, te

prethodeća i zaostajuća petlja faza-zemlja.

U opsegu između dva mjesta kvara petlja faza-zemlja mjeri impedanciju

do mjesta kvara točno. Za relej B:

LBEEL

LL Z

IkIUZ −=

′′⋅−′′′′

=′′2

22 gdje je

LB

EBE

ZZk = (3.1)

LCEEL

LL Z

IkIUZ −=

′′⋅−′′′′

=′′3

33 gdje je

LC

ECE

ZZk = (3.2)

Petlja faza-faza između dvaju mjesta kvara ne daje koristan rezultat, jer

ovdje fazne struje pripadaju različitim petljama kratkih spojeva. Za relej A na

pojnom vodu dobiva se slijedeće:

40

Slik

a 3.

9 D

vopo

lni s

poj s

a ze

mljo

m, r

aspo

djel

a st

ruja

i na

pona

41

LAEEL

LL Z

IkIUZ =

′⋅−′′

=′2

23 (3.3)

( )

+⋅++++=

′⋅−′′

=′1

2

3

33 1

SC

SCECEBLCLBLA

EEL

LL

IIZZZZZ

IkIUZ (3.4)

+⋅

++

++=

′−′′−′

=′ −1

2

32

3232 1

22 SC

SCECEBLCLBLA

LL

LLLL

IIZZZZZ

IIUUZ (3.5)

Mjerenje faza-zemlja u L2 je jedini sistem koji daje točnu impedanciju do

najbližeg mjesta zemljospoja. Odgovarajuće mjerenje u L3 daje impedanciju

koja je prevelika, zbog pada napona na impedanciji zemlje. Mjerenje faza-faza

daje prosječnu impedanciju koja se odnosi na udaljenost do dva mjesta kvara. U

distribuciji se može pretpostaviti da su impedancije vodiča i zemlje približno

jednake za nadzemne vodove bez vodiča u zemlji. Zbog napajanja sa drugog

kraja mjerena impedancija je opet povećana, tako da u uzamčenim mrežama to

uvijek rezultira skraćenjem dosega distantne zaštite.

3.4.4. Opća praksa za tretiranje dvopolnih spojeva sa zemljom

Jednofazni releji danas u praksi mjere petlju faza-faza bez startanja

zemljospojne zaštite pa je impedancija mjerena izvan dva mjesta kvara

prevelika. Zbog toga se mora očekivati djelovanje releja sa većim vremenima

zatezanja. To je zapravo i željeno jer faza-faza mjerenje nema fazne

preferencije. Releji blizu mjesta kvara obično imaju dovoljnu vrijednost struje

zemljospoja i izabiru preferiranu fazu. Releji na vodu na kojem je došlo do kvara

većinom mjere impedanciju točno i isklapaju bez zatezanja ili u drugom stupnju.

Primjenjuju se ciklična i aciklična metoda fazne preferencije kruga.

U distribuciji se koristi isključivo aciklična metoda jer se zahtjeva

otkrivanje kvara samo u dvije faze i zemlji. Uglavnom se koristi detekcija kvara

I>L1, I>L3, IE> da se dobije fazna preferencija L3 prije L1 prije L2. U ovom slučaju

slijedeće petlje su izabrane:

42

Dvostruki zemljospoj: Preferirana petlja:

L1-L2-E L1-E

L2-L3-E L3-E

L3-L1-E L3-E

Fazna preferencija mora biti postavljena ista za cijeli sistem.

3.4.5. Granice otkrivanja dvopolnog spoja sa zemljom

Već je spomenuto da na napajanim dijelovima, gdje ne teče struja

zemljospoja, ne može biti fazne preferencije. U tom slučaju uvijek je prepoznat

dvopolni kvar. To rezultira dužim zatezanjem isklapanja. Detekcija dvopolnog

spoja sa zemljom načinom premještanja napona je principijelno moguća, ali nije

implementirana u praksi.

Slika 3.10 Dvopolni spoj sa zemljom sa jednim mjestom kvara na vodu u

praznom hodu

Slijedeći granični slučaj nastaje kad je jedno mjesto kvara na vodu u

praznom hodu (slika 3.10). Struja zemljospoja će teći u ovom slučaju, ali relej

uvijek izabire fazu koja je u kvaru na vodu koji je u praznom hodu, jer detekcija

43

kvara na drugim fazama obično ne postoji. Jedino kad je kvar na vodiču u

praznom hodu slučajno u preferiranoj fazi će doći do željene selektivne izolacije

kvara. Inače su oba mjesta kvara izbačena istodobno.

Istodobno isklapanje oba mjesta kvara može biti očekivano i kad su

mjesta kvara na različitim granama voda u istoj zoni udaljenosti (slika 3.11),

čemu je razlog što svaki relej vidi jednopolni zemljospoj.

Slika 3.11 Dvopolni spoj sa zemljom sa mjestima kvara na odvojenim

granama, a na približno jednakoj udaljenosti

Drugi posebni slučajevi su mogući ovisno o konfiguraciji sistema i

položajima mjesta kvara u odnosu jedan na drugog. Podimpedantno otkrivanje

kvara povećava selektivnost za jedan stupanj, jer će rezultirajući pad napona uz

nazivnu struju i dalje dovesti do otkrivanja kvara u onim slučajevima kada ne

odradi nadstrujna zaštita.

44

3.4.6. Dvopolni spoj sa zemljom na paralelnim vodovima

U ovom slučaju mora se uzeti u obzir nulta komponenta struje

prekopčavanja među vodovima, kao što je slučaj s uzemljenim sistemima. Na

primjeru otvorenog nadzemnog voda s dva para vodiča (dvije trojke) napajanog

s jedne strane vidi se princip djelovanja ovog utjecaja (slika 3.12).

Za računanje sa simetričnim komponentama impedancije, mora se

napomenuti da se suma struja koja teče kroz fazni vodič uvijek vraća kroz

zemlju ispod voda, a ne ide direktno preko na mjesto kvara na paralelnom vodu.

Slika 3.12 Dvopolni spoj sa zemljom na paralelnim vodovima

Impedancije mjerene relejima 1 i 2 su izračunate kako slijedi. Za relej 1:

( ) ( )EELLEPOM

EELLEL IZIZlIZlIZIZlU ⋅′+⋅′+⋅′

−⋅′+⋅′⋅= ⋅⋅− 2212123

(3.6)

45

OMZ ′ odgovara zajedničkoj impedanciji nultog sustava oba voda.

Uz SCEPEL IIII =−==2 , L

EE

ZZk′′

= i L

MEM

ZZk

′⋅′

=3

0 rezultat je:

( )

+⋅−+⋅′=

⋅+=

−−

E

EML

EEL

ELEL

kklllZ

IkIUZ

1121

2

22 (3.7)

Za relej 2 slično je dobiveno:

+−⋅⋅′=

⋅+=

−−

E

EML

EEL

ELEL

kklZ

IkIUZ

111

3

33 (3.8)

Impedancija izmjerena relejom 2 može biti ispravljena na točnu vrijednost

1lZ L ⋅′ korisnošću kompenzacije paralelnog voda. U slučaju releja 1 to nije

moguće jer je jedino dio kruga kratkog spoja pod utjecajem struje zemljospoja

paralelnog voda.

Općenito se mogu dobiti mnogo kompleksniji rezultati ako su krajevi

vodova galvanski povezani ili ako postoji napajanje također i na drugom kraju.

Ovisno o konfiguraciji sustava, i poziciji releja, pojavljuje se odgovarajuće

skraćenje ili produženje dosega distantnih stupnjeva (slika 3.13).

Mjerenja udaljenosti su kao i u uzemljenom sustavu: impedancija je

mjerena kao prevelika (skraćenje dosega distantne zaštite), ako struje

zemljospoja u oba voda teku u istom smjeru (D4, D5), ili kao premala

(produženje dosega), ako teku u suprotnim smjerovima (D1, D6).

Primjer:

Treba procjeniti pogrešku pri mjerenju distantnih releja D3 i D4 (slika 3.13).

Koristiti slijedeće vrijednosti faktora 84.0=Ek i 68.0=EMk .

46

Slika 3.13 Nadzemna mreža sa dvije strujne petlje, raspodjela struja za

vrijeme dvopolnog spoja sa zemljom

Rješenje:

Za relej D3 napon kratkog spoja na mjestu releja je:

LFEMSCESCSCEL ZkIkIIU ⋅

⋅−⋅+=−

41

41

43

2

LFZ je impedancija voda od releja do mjesta kvara L2-E.

Mjerenjem u petlji faza – zemlja dobije se:

+−=

⋅+=

⋅+=

−−−

E

EMLF

ESCSC

EL

EEL

ELEL

kkZ

kII

UIkI

UZ3

1

41

43

2

2

22

Pogreška je, dakle:

%1818.084.03

68.03

3 −≅−=+

−=+

−=E

EMD

kkF

47

Isti postupak za relej D4 daje:

%1919.084.031

68.031

4 +≅+=⋅+

+=⋅+

+=E

EMD

kkF

U oba slučaja kompenzacija paralelnog voda bi omogućila točan rezultat za

distantnu zaštitu i za lokator kvara.

Općenito se može zaključiti da na dvostrukim vodovima relej na vodu u

kvaru mjeri točno ako je paralelni vod kompenziran. U slučaju da su oba mjesta

kvara na istom vodu, točno je samo faza - zemlja mjerenje do prvog mjesta

kvara.

3.4.7. Stabilizacija distantne zaštite za vrijeme jednopolnog spoja sa zemljom

Kako je ranije zaključeno, distantna zaštita ne smije djelovati za vrijeme

jednopolnog spoja sa zemljom u izoliranim i kompenziranim mrežama.

O ovom se posebno mora voditi računa u velikim razgranatim mrežama s

velikom kapacitivnim strujama zemljospoja. Amplituda oscilacija struje

zemljospoja kod paljenja luka za vrijeme prve poluperiode može poprimiti

višestruke vrijednosti nazivne struje sa frekvencijom bliskom 50 Hz. Da bi

spriječili krivu detekciju kvara numerički distantni releji imaju inteligentnu logiku,

koja odgađa otkrivanje jednofaznog kvara u izoliranim i kompenziranim

mrežama pomoću podešenog vremena (npr. 40 ms). Za vrijeme drugog

zemljospoja ova je funkcija automatski deaktivirana. Zbog toga je otkrivanje

kvara nezategnuto ako kvar preraste u dvopolni zemljospoj.

U nekim slučajevima, nekompenzirana kapacitivna struja zemljospoja u

visokonaponskim mrežama je već viša od 1000 A, što znači da je istog reda

veličine kao minimalna struja kratkog spoja za vrijeme dvopolnih spojeva sa

48

zemljom. Stoga nije moguće razlikovati zemljospoj od kratkog spoja sa zemljom

koristeći tu struju kao kriterij. U ovom ekstremnom slučaju mjerenje faza - zemlja

podimpedantnog otkrivanja kvara ne može biti selektivno kontrolirano. Trebalo bi

se odabrati mjerenje faza - faza, jer ono djeluje jedino kod dvopolnih spojeva sa

zemljom zato što je linijski napon nepromijenjen za vrijeme jednopolnog spoja

sa zemljom. Manja osjetljivost otkrivanja kvara kod dvopolnih spojeva sa

zemljom sa velikom udaljenosti među mjestima kvara može općenito biti

prihvaćena.

3.5. Distantna zaštita u distribucijskim mrežama uzemljenim preko male impedancije

U takvim mrežama je ustaljena praksa da se ograniči struja zemljospoja

pomoću otpornika ili reaktancije u zvjezdištu transformatora preko kojeg je

spojena na napajanje (IEK ≤ 2000 A prema DIN VDE 0141 normi). Alternativno,

može se upotrijebiti za uzemljenje zvjezdišta i poseban transformator sa

namotima u Z-spoju. Ovaj tip uzemljenja se često koristi u mrežama s velikim

brojem kabela (gradske mreže) da smanji rizik od dvopolnih zemljospojeva.

Distantna zaštita može biti ugrađena na isti način kao u kruto uzemljene mreže,

da isto isklapa jednopolne zemljospojeve [4].

Ako se samo radijalne linije šire iz napajane trafostanice općenito je

veličina struje kratkog spoja dovoljan razlog za ugradnju nadstrujne detekcije

kvara. Struja zemljospoja ipak postaje manja što je udaljenije mjesto kvara od

točke uzemljenja. Minimalna struja kvara najudaljenijeg releja mora stoga biti

provjerena. U uzamčenim mrežama, mora se dodatno voditi računa da je struja

zemljospoja podijeljena na više vodova, pa je samo dio već ograničene struje

kratkog spoja dostupan na lokaciji releja. To uvelike djeluje na rezervnu zaštitu

(slika 3.14).

49

Slika 3.14 Mreža uzemljena preko malog otpora, raspodjela struje kratkog

spoja sa zamljom

U mnogo slučajeva mora biti stoga dodana impedancija podimpedantne

detekcije kvara. Tada je moguće prepoznati kvar i sa 20% nazivne struje.

Odgovarajući pad napona osiguran je velikim izvorom impedancije, zbog

ograničenja struje zemljospoja.

U slučaju ograničenja struje zemljospoja otpornikom mora biti spomenuto

da kut između izvora-elektromotorne sile i struje kratkog spoja može biti jako

malen, pomaknut u pozitivnom smjeru prema faznom naponu (slika 3.15).

Slika 3.15a Mreža uzemljena preko otpora, utjecaj kapaciteta prema zemlji na

smjer impedancije

50

Slika 3.15b Mreža uzemljena preko otpora, utjecaj kapaciteta prema zemlji na

smjer impedancije

51

Karakteristika pod 45° nam daje dovoljnu granicu sigurnosti. Problemi

nastaju kad je kapacitivni dio struje zemljospoja kabela približnog reda veličine

kao otporom ograničena struja kratkog spoja sa zemljom. U ovom slučaju će

struja kratkog spoja sa zemljom dobiti dodatnu rotaciju u pozitivnom smjeru. To

se općenito ne pojavljuje u praksi, jer se u velikim mrežama upotrebljava

uzemljenje preko reaktancije s većim strujama zemljospoja (npr. 5 kA).

Ako zbog nekog razloga uzemljeno zvjezdište ne bi bilo prisutno za

vrijeme zemljospoja, relej bi tada mjerio pogrešan smjer struje kratkog spoja sa

zemljom ili zemljospoja i zdravi fazni napon. To nije primjenjivo za mjerenje

smjera pomoću napona petlje kratkog spoja i samo distantno mjerenje, jer

mjerena impedancija kratkog spoja štićenog kabela ili nadzemnog voda je

neovisna o izvoru.

Radi potpunosti treba biti spomenuto da na uzemljenim transformatorima

mora uvijek biti korištena impedantna ili podimpedantna detekcija kvara, jer dio

struje kratkog spoja teče kroz zdrave faze i zbog toga nadstrujna detekcija ne

može djelovati selektivno.

3.6. Distantna zaštita u industrijskim mrežama

Industrijske mreže imaju veliku gustoću elektrana, kratke kabele sa malim

impedancijama i velikim strujama kratkog spoja.

U takvim uvjetima, konvencionalna distantna zaštita se često upotrebljava

kao rezervna sa diferencijalnom zaštitom vodova kao osnovnom. Sa

numeričkom tehnologijom, povećano se koristi i kao osnovna jer mogu biti

postavljeni manji dosezi. Nezavisno postavljanje četverostranih granica zone u

R i X smjeru (poligonalna, kvadrilateralna karakteristika) je izrazita prednost, jer

je uvijek moguće postići dovoljno veliko pokrivanje otporu luka. Nadalje,

određivanje smjera pomoću zdravog faznog napona i memoriranje napona

52

(funkcije koje nude Siemensovi releji 7SA51*) osiguravaju apsolutnu

selektivnost odluke o iskapčanju za bliske kvarove.

Najmanje udaljenosti koje mogu biti štićene bez korištenja

telekomunikacijske veze sa modernim numeričkim relejima (7SA51*) su, ovisno

o presjeku kabela i omjerima transformacije kod instrumenta, veličine oko 200

m, što je 5 puta manje od minimuma kod elektromehaničkih releja. Za

nezatezano iskapčanje na 100% voda dopustiva zona produženja dosega je

obično od komunikacijskih žica. Od nedavno se i za to koristi optička

komunikacija [4].

Aplikacija distantne zaštite kao rezervne prikazana je na slici 3.16.

Slika 3.16 Industrijska mreža sa paralelnim napajanjem, distantna zaštita kao

rezervna

53

To je tipični primjer industrijske mreže s paralelnim napajanjem. Na 110 kV

razini postoje dva nezavisna segmenta mreže, koji su svaki napajani preko

sustava ili iz vlastitih generatorskih blokova.

Cijela mreža (kabeli, transformatori, sabirnice) su štićeni diferencijalnom

zaštitom kao primarnom. Distantna zaštita djeluje kao rezervna i njen prvi

stupanj zategnut je 100 ili 150 ms. Stupnjevanje je pokazano samo za napajanje

s lijeve strane. Isto takvo je gledajući i sa druge sabirnice. Prvi stupanj štiti

otprilike 80% u impedanciji vodova, koje su općenito dane impedancijom kratkog

spoja odgovarajućih transformatora. Izrazita prednost u ovom slučaju je (opcija

kod releja 7SA510/11) doseg svih stupnjeva u oba smjera. Relej 2, npr., djeluje

prema natrag u trećem stupnju (0.35 s), kao rezervna zaštita sabirnica, a prema

naprijed u prvom (0.15 s) i drugom (0.6 s) stupnju kao rezervna zaštita

transformatora na kabelu i 6 kV mreže.

3.7. Pronalaženje mjesta kvara u distributivnoj mreži pomoću mjerenja distantnog releja

Ovaj vid upotrebe distantnih releja u distributivnim mrežama prisutan je

kao dio procesa lokalizacije kvara u mreži. Kod ove upotrebe nužan je neki oblik

veze kojom distantni relej kojom distantni relej šalje mjerene vrijednosti.

Dakle, česta je kombinacija jednog distantnog releja na početku pojnog

voda i većeg broja indikatora kratkog spoja na raznim mjestima po granama koje

se šire od pojnog voda. Ideja je da se kratki spoj lokalizira kombinirajući

algoritam lokalizacije kvara baziran na indikatorima kratkog spoja sa algoritmom

koji korist izmjerenu vrijednost impedancije distantnim relejom i strujnom

topologijom pojnog voda da bi odredili u kojem odcjepu pojnog voda je kvar. U

prvom koraku područje kvara određuje se koristeći informaciju od indikatora

kratkog spoja, a u drugom koraku mjerenje distantnog releja koristi se za

lociranje opreme pogođene kvarom u području koje je određeno prvim korakom.

54

Ako je kratki spoj otkriven u električnoj mreži distantnim relejima, oni će

poslati naredbu za isklapanje prekidačima da bi izolirali dio mreže pogađen

kvarom. Tako lokalizacija kvara može biti provedena samo na dijelu mreže koji

sada nije pod naponom. Da bi se smanjio broj proračuna, algoritam traženja

mjesta kvara provodi se samo na dijelu mreže koje je odmah označeno kao

sumnjivo,pa se eliminira i ono područje nenapajanog dijela mreže između

prekidača i dijela koji je po mjerenoj vrijednosti impedancije distantnog releja

područje kvara.

Algoritam opisan u [5], temeljen na eliminaciji čvorova, provodi se za

svako mjerenje distantnih releja, ako ih je u štićenoj mreži više. Rezultati za

sumnjive grane mreže dobiveni na temelju svakog distantnog releja

pojedinačno, mogu biti superponirani da bi se reducirao broj dijelova mreže i

opreme koji su pod sumnjom da su u kvaru (slika 3.17).

Slika 3.17 Rezultat lokalizacije kvara temeljene na mjerenjima distantnih

releja

55

4. PRIMJER PODEŠENJA DISTANTNE ZAŠTITE NA 35 kV DISTRIBUCIJSKOM VODU

Na slici 4.1 prikazana je shema dijela razdjelne mreže koji se nalazi u

sklopu distribucijskog sustava Hrvatske elektroprivrede, sa svojim podacima.

Slika 4.1 Shema 35 kV mreže

56

To je razdjelna mreža nazivnog napona 35 kV, napajana iz 110 kV mreže preko

transformatorskog bloka TS Kutina. Slijedeći primjer podešenja distantne zaštite

za tu mrežu prikazat će proračune koji su potrebni da bi se utvrdila prikladnost

korištenja distantne zaštite sa tri stupnja štićenja u toj mreži, za zaštitu dva

paralelna pojna voda (na slici 4.1 označena sa G i H). Podešenje će biti

provedeno samo za distantni relej na vodu G, jer je podešenje za vod H

analogno.

Napomena: pošto se distantni releji podešavaju u vrijednostima na sekundarnoj

strani naponskih i strujnih transformatora (vidi poglavlje 2.5.4.) u proračunu će

sve veličine biti preračunate na sekundarne vrijednosti.

4.1. Odabir karakteristike

U sustavu za razdiobu električne energije, gdje su vodovi uglavnom kratki

kao i u zadanoj mreži, gdje je doseg distantnih releja kratak, a traži se veliko

pokrivanje otpora kvara, najbolju zaštitu omogućuju poligonalni releji. Za ovaj

konkretan primjer odabrana je jedna od čestih poligonalnih radnih karakteristika

[6,7] sa stupnjevima zaštite prema slici 4.2, a sa vremensko/distantnim

podešenjima prema poglavlju 2.3.

4.2. Diferencijalna kompenzacija

Releji se kalibriraju u veličinama direktne komponente impedancije, a

pošto za vrijeme spojeva sa zemljom struja kvara nije određena samo

direktnom, već i nultom komponentom impedancije voda, da bi mjerenje

impedancije i tada bilo točno, treba se releju postaviti vrijednost faktora

diferencijalne kompenzacije (vidi poglavlje 2.5.2.). Taj faktor se, ili kao skalar ili

kao vektor, postavlja da bude jednak:

57

Slika 4.2 Opća poligonalna radna karakteristika sa tri stupnja zaštite

KN=

−⋅ 1

31

1

0

ZZ =

−

++

⋅ 135.0154.0

88.031.031

jj =0.478+j0.062=0.48∠7.4°

4.3. Smjer radne karakteristike

Karakteristčan smjer radne karakteristike je postavljen pod kutem

jednakim očekivanom kutu impedancije štićenog voda. Potrebno podešenje kuta

karakteristike je, dakle:

φ=arctg154.035.0 =66.25°

58

4.4. Podešenje prvog stupnja zaštite

Od prvog stupnja zaštite traži se da pokriva 80% štićenog voda, da bi se

spriječila mogućnost da relej trenutno djeluje za kvarove ne idućem vodu, zbog

grešaka releja, grešaka naponskih i strujnih transformatora ili netočnosti

podataka o vodu.

Impedancija voda:

ZL1G=11km·(0.154+j0.35)Ω/km=1.694+j3.85 Ω (na primarnoj strani)

Potrebno podešenje prve zone (stupnja):

Z1'=0.8·ZL1G=0.8·(1.694+j3.85) Ω (na primarnoj strani)

Potrebno podešenje prve zone na sekundarnoj strani (prema formuli (2.23)):

Z1=0.8·(1.694+j3.85)Ω·100/350005/300 =0.232+j0.528 Ω=0.576∠66.25° Ω

4.5. Podešenje drugog stupnja zaštite

Svrha drugog stupnja zaštite je da štiti zadnjih 20 % štićenog voda koji

prvi stupanj ne štiti, i da bude rezervna, vremenski zategnuta, zaštita za kvarove

na sabirnicama na drugom kraju voda. Zbog toga doseg drugog stupnja mora

uvijek biti dalji od sabirnica na drugom kraju voda.

Doseg drugog stupnja postavi se takav da pokriva štićeni vod i još 50%

najkraćeg idućeg voda ili 120% štićenog voda, s obzirom na to što je veće od to

dvoje. Za ovaj slučaj, odabire se štićeni vod i 50% najkraćeg idućeg, tj. voda K.

Potrebno podešenje druge zone (na primarnoj strani):

Z2'=ZL1G+0.5·ZL1K=(1.694+j3.85)Ω+0.5·6Ω·(0.154+j0.35)Ω/km=2.156+j4.9 Ω

Potrebno podešenje na sekundarnoj strani:

Z2=(2.156+j4.9)Ω·100/350005/300 =0.37+j0.84 Ω=0.918∠66.25° Ω

59

4.5.1. Utjecaj paralelnih vodova na skrećenje dosega

Kad su oba voda G i H u pogonu, pojavljuje se skraćenje dosega (vidi

poglavlje 2.5.5.) u drugom i trećem stupnju zaštite. Skraćenje dosega uzrokuje

napajanje sa paralelnog voda. Skraćenje se izračuna tako da se pomnoži

impedancija najkraćeg idućeg voda uključena u štićenoj zoni sa kvocjentom

struje kvara u paralelnom vodu i ukupne struje kvara. Postotno skraćenje

dosega jednako je kvocjentu apsolutnog skraćenja i dosega u štićenom stupnju.

Vodovi G i H imaju jednake impedancije i struja će biti jednako podjeljena

među njima. Kako podešenje druge zone uključuje 50% impedancije idućeg

voda, tada slijedi da, ako su oba voda u pogonu, drugi stupanj zaštite efektivno

štiti samo štićeni vod i 25% idućeg voda. Ovaj efekt skraćenja dosega pojavit će

se samo za vanjske kvarove i nije upitno da će doseg drugog stupnja ikad biti

manji od duljine štićenog voda zbog njega, bez obzira koliko bilo napajanje na

idućoj sabirnici.

Skraćenje dosega drugog stupnja se izračuna na sljedeći način:

Impedancija idućeg voda pokrivena dosegom drugog stupnja zaštite:

Z+=0.5·6km ·(0.154+j0.35)Ω/km =0.462+j1.05 Ω=1.147 Ω (na primarnoj strani)

Skraćenje dosega drugog stupnja zaštite:

Z2sd=0.5·Z+=0.5·1.147 Ω=0.574 Ω (na primarnoj strani)

Doseg drugog stupnja zaštite:

Z2'=2.156+j4.9 Ω=5.35∠66.25° Ω (na primarnoj strani)

Postotno skraćenje dosega drugog stupnja zaštite:

Z2sd%=35.5

574.0 ·100%=10.72%

60

4.5.2. Vremensko podešenje

Vrijeme djelovanja drugog stupnja zaštite treba biti podešeno takvo da se

održi selektivnost u odnosu na primarnu zaštitu idućeg voda, ukljućujući vrijeme

isklapanja prekidača. Vremensko zatezanje od 0.2-0.3 s je zadovoljavajuće, ali

može se dogoditi i da je potrebno duže vrijeme zatezanja, radi održevanja

selektivnosti, ako je primarna zaštita idućeg voda sporija.

4.6. Podešenje trećeg stupnja zaštite

Funkcija trećeg stupnja je da osigura rezervnu zaštitu za neotklonjene

kvarove na idućem vodu. Gdje je god moguće, doseg trećeg stupnja zaštite

treba dopustiti skraćenje dosega zbog međunapajanja mjesta kvara. Doseg

trećeg stupnja podešava se na 1.2 puta impedancije kvara na drugom kraju

najdužeg idućeg voda.

Utjecaj paralelnog voda H uzrokuje da treći stupanj zaštite voda G ima

skraćeni doseg, pa je impedancija idućeg voda koju relej vidi dvostruka za kvar

na kraju idućeg voda.

Potrebno podešenje treće zone (na primarnoj strani):

Z3'=1.2·[1.694+j3.85+2·8·(0.154+j0.35)] Ω=4.99+j11.34 Ω=12.39∠66.25° Ω

Potrebno podešenje na sekundarnoj strani:

Z3=(4.99+j11.34)Ω ·100/350005/300 =0.855+j1.944 Ω=2.12∠66.25° Ω

Doseg trećeg stupnja zaštite prema nazad podešava se na 25% dosega prvog

stupnja zaštite štićenog voda, a svrha mu je da bude rezervna zaštita za

sabirnicu iza releja.

Doseg prvog stupnja (na sekundarnoj strani):

Z1=0.232+j0.528 Ω

61

Potrebno podešenje treće zone prema nazad (na sekundarnoj strani):

Z3n=0.25·(0.232+j0.528) Ω=0.058+j0.132 Ω=0.144∠66.25° Ω

4.6.1. Vremensko podešenje

Prije nego se izabere vremensko podešenje za djelovanje trećeg stupnja

zaštite, potrebno je provjeriti doseg trećeg stupnja preko silaznih transformatora

u TS Međurić (slika 4.1). Ako je to moguće, treba biti podešeno selektivno

isklapanje zaštita sa obaju strana transformatora.

Treći stupanj će imati najveće produženje dosega u 10 kV sustav kada su

oba transformatora u TS Međurić u pogonu i kada su napajana samo preko

štićenog voda G, jer ako su oba paralelna voda G i H u pogonu, distantna

zaštita imat će skraćeni doseg.

Impedancije transformatora nazivne snage 4 MVA u TS Međurić su jednake i

preračunate na 35 kv stranu iznose:

ZT4=ZT5=j0.068

352

⋅ =j9.19 Ω (na primarnoj strani)

Impedancija od mjesta releja do kvara na 10 kV sabirnicama jednaka je zbroju

impedancije štićenog voda i paralele transformatora T4 i T5 i iznosi:

Z'=(1.694+j3.85)+j219.9 Ω=1.694+j8.445 Ω=8.61∠78.65° Ω (na primarnoj strani)

Iz toga slijedi da relej mjeri veličinu (sekundarna strana):

Z=0.29+j1.448 Ω=1.476∠78.65° Ω

Doseg trećeg stupnja prema naprijed je prije izračunat:

Z3=0.855+j1.944 Ω=2.12∠66.25° Ω

Za trofazni kvar doseg trećeg stupnja u 10 kV sustav je približno jednak (2.12-

1.476)=0.644 Ω u sekundarnim veličinama preračunatim na 35 kV. Ekvivalentna

impedancija preračunata na primarne veličine u 10 kV bila bi:

62

Z'3(10kV)= =⋅⋅ 2

2

3510

5/300100/35000644.0 0.307 Ω

Vremensko podešenje trećeg stupnja mora biti postavljeno takvo da se održi

selektivnost svake zaštite 10 kV sustava s kojom se preklapa.

Ako doseg zaštite u 10 kV sustav nije prihvatljiv, podešenje trećeg

stupnja može biti trajno smanjeno i u tom slučaju možda neće omogućiti

kompletnu rezervnu zaštitu za kvarove na idućem vodu ako su oba paralelna

voda u pogonu.

4.7. Proračuni minimalnih struja kvara u mreži

Sljedećim proračunima mreže cilj nam je dobiti podatke pomoću kojih

ćemo odrediti potrebno podešenje otpora R na radnoj karakteristici releja i

provjeriti najmanji napon i struju koje mjeri relej za kvarove u prvoj zoni štićenja.

Za određivanje svih tih potrebnih veličina, potrebno nam je odrediti

minimalnu struju kvara koja se može pojaviti, jer to su najnepovoljniji uvjeti za

relej, zbog razloga koji će kasnije biti navedeni. Minimalna struja kvara pojavit će

se kada je mreža napajana iz samo jednog transformatora u TS Kutina, a kada

je drugi van pogona. Također, minimalna struja kvara pojavit će se za spojeve

sa zemljom, zbog toga što je transformator 110/35 kV u TS Kutina uzemljen

preko otpora od 70 Ω na 35 kV strani, upravo radi ograničenja struje

zemljospoja. Međutim, treba izračunati minimalnu struju i za fazne kvarove, iako

su one za red veličine veće od struja kratkog spoja za vrijeme spojeva sa

zamljom, jer nam radna karakteristika ne treba biti ista i za fazne kvarove i za

spojeve sa zemljom.

Iz tih razloga računat će se minimalne struje jednopolnog kratkog spoja

(spoj sa zemljom), i tropolnog kratkog spoja (fazni kvar) za svaki stupanj (zonu)

štićenja, te će se pomoću njih odrediti podešenje otpora na radnoj karakteristici.

63

Sljedeći podaci o simetričnim komponentama impedancija elemenata

mreže potrebni su za proračun (prema slici 4.1).

Impedancije aktivne mreže:

(pod aktivnom mrežom podrazumijevaju se sabirnice 110 kV u TS Kutina sa

kojih se napaja ova razdjelna mreža; najmanja struja kvara je pri minimalnoj

snazi kratkog spoja aktivne mreže, za koju se pretpostavlja u proračunu da je

jednaka za tropolni i jednopolni kratki spoj, pa su komponente jednake)

Z1m=Z2m=Z0m=j1080352

=j1.134 Ω

Impedancije transformatora T1:

Z1T=Z2T=Z0T=j25

35100

4.13 2

⋅ =j6.566 Ω

Impedancije voda G:

Z1G=Z2G=11·(0.154+j0.35)=1.694+j3.85 Ω

Z0G=11·(0.31+j0.88)=3.41+j9.68 Ω

Impedancije voda H:

Z1H=Z2H=1.694+j3.85 Ω

Z0H=3.41+j9.68 Ω

Impedancije voda K:

Z1K=Z2K=0.924+j2.1 Ω

Z0K=1.86+j5.28 Ω

Impedancije voda J:

Z1J=Z2J=1.23+j2.80 Ω

Z0J=2.48+j7.04 Ω

Otpor uzemljenja R:

Zn=60 Ω

64

4.7.1. Kvar na kraju prve zone

Za kvar na kraju prve zone štićenja, tj. na 80% duljine voda G, vrijede

nadomjesne sheme za direktni, inverzni i nulti sustav na slici 4.3.

Slika 4.3 Nadomjesne sheme za kvar na kraju prve zone

Prema nadomjesnim shemama se izračuna:

Z1=[0.8Z1G(0.2Z1G+Z1H)]+Z1T+Z1m=0.813+j9.548 Ω=9.583∠85.13° Ω

Z2=[0.8Z2G(0.2Z2G+Z2H)]+Z2T+Z2m=0.813+j9.548 Ω

Z0=[0.8Z0G(0.2Z0G+Z0H)]+3Zn+Z0T+Z0m=211.637+j12.346 Ω

Z1+Z2+Z0=213.263+j31.442=215.570∠8.39° Ω

Imin1pKS=021

3350003ZZZ

/++

⋅ =281.22 A

Imin3pKS=1

335000Z

/ =2108.56 A

65

4.7.2. Kvar na kraju druge zone

Za kvar na kraju druge zone štićenja, tj. na 50% duljine voda K, vrijede

nadomjesne sheme za direktni, inverzni i nulti sustav na slici 4.4.

Slika 4.4 Nadomjesne sheme za kvar na kraju druge zone

Prema nadomjesnim shemama se izračuna:

Z1=0.5Z1K+(Z1GZ1H)+Z1T+Z1m=1.309+j10.675 Ω=10.755∠83.01° Ω

Z2=0.5Z2K+(Z2GZ2H)+Z2T+Z2m=1.309+j10.675 Ω

Z0=0.5Z0K+(Z0GZ0H)+3Zn+Z0T+Z0m=212.635+j15.180 Ω

Z1+Z2+Z0=215.253+j36.530=218.330∠9.63° Ω

Imin1pKS=021

3350003ZZZ

/++

⋅ =277.65 A

Imin3pKS=1

335000Z

/ =1878.87 A

66

4.7.3. Kvar na kraju treće zone

Za kvar na kraju treće zone štićenja, tj. na kraju voda J, vrijede

nadomjesne sheme za direktni, inverzni i nulti sustav na slici 4.5.

Slika 4.5 Nadomjesne sheme za kvar na kraju treće zone

Prema nadomjesnim shemama se izračuna:

Z1=Z1J+(Z1GZ1H)+Z1T+Z1m=2.079+j12.425 Ω=12.597∠80.50° Ω

Z2=Z2J+(Z2GZ2H)+Z2T+Z2m=2.079+j12.425 Ω

Z0=Z0J+(Z0GZ0H)+3Zn+Z0T+Z0m=214.186+j19.580 Ω

Z1+Z2+Z0=218.344+j44.430=222.819∠11.50° Ω

Imin1pKS=021

3350003ZZZ

/++

⋅ =272.07 A

Imin3pKS=1

335000Z

/ =1606.43 A

67

4.8. Provjera minimalnog napona na releju za kvarove u prvoj zoni

Obično proizvođači distantnih releja odrede minimalni napon pri kojem će

relej još uvijek točno raditi. Taj napon obično je dan kao napon sekundara

strujnog transformatora distantnog releja za kvarove na kraju (u točki dosega)

prve zone štićenja. Za fazne kvarove napon je dan kao sekundarni napon faza-

faza, a za spojeve sa zemljom, kao sekundarni napon faza-zemlja.

4.8.1. Fazni kvarovi

U poglavlju 4.7.1. izračunata je minimalna struja tropolnog kratkog spoja

na kraju prve zone štićenja i ona iznosi:

Imin3pKS=1

335000Z

/ =2108.56 A

Efektivna impedancija (direktna komponenta) do kvara u točki dosega prve zone

štićenja iznosi:

Z=0.8Z1G(0.2Z1G+Z1H)=0.813+j1.848 Ω=2.019∠66.25° Ω

Napon faza-faza na sekundaru naponskog transformatora distantnog releja na

početku voda G tada je:

VR= 3 ·2108.56·2.019·35000100 =21.07 V

4.8.2. Spojevi sa zemljom

Simetrične komponente minimalne struje jednopolnog kratkog spoja sa

zemljom na kraju prve zone štićenja su jednake i iznose (prema poglavlju 4.7.1):

I1=I2=I0=021

335000ZZZ

/++

=93.74 A

68

Efektivne impedancije između releja i mjesta kvara (u točki dosega prve zone)

za direktnu i inverznu komonentu su jednake i iznose:

Z=0.8Z1G(0.2Z1G+Z1H)=0.813+j1.848 Ω=2.019∠66.25° Ω

Za nultu komponentu efektivna impedancija je:

Z=0.8Z0G(0.2Z0G+Z0H)=1.637+j4.646 Ω=4.926∠70.59° Ω

Napon faza-zemlja koji relej mjeri na sekundarnoj strani je:

VR=(VR1+VR2+VR0)· 35000100 ≈(I1·2.019+I2·2.019+I0·4.926)≈2.4 V

4.9. Provjera minimalne struje na releju za kvarove u prvoj zoni

4.9.1. Fazni kvarovi

U poglavlju 4.7.1. izračunata je minimalna struja tropolnog kratkog spoja

na kraju prve zone štićenja i ona iznosi:

Imin3pKS=1

335000Z

/ =2108.56 A

Struja na sekundaru strujnog transformatora distantnog releja je:

IR=300

55621088021

21⋅⋅

+.

... =21.08 A

4.9.2. Spojevi sa zemljom

Simetrične komponente minimalne struje jednopolnog kratkog spoja sa

zemljom na kraju prve zone štićenja su jednake i iznose (prema poglavlju 4.7.1):

I1=I2=I0=021

335000ZZZ

/++

=93.74 A

69

Simetrične komponente na mjestu releja su:

IR1=0.6·I1

IR2=0.6·I2

IR0=0.6·I0

Struja koju vidi relej na sekundaru strujnog transformatora je:

IR=(IR1+IR2+IR0)· 3005 =3·0.6·93.74·

3005 =2.81 A

4.10. Otpor kvara

Da bi potpuno odredili radnu karakteristiku releja trebamo izračunati

djelatni otpor kvara za svaku zonu štićenja. Otpor kvara se računa koristeći

empirijsku formulu [8,9]:

[ ]kv

n

IkVUR ⋅

=50

Za fazne kvarove u prvoj zoni najveći otpor kvara je:

Ω=⋅

= 830562108

35501 .

.'R

Za fazne kvarove u drugoj zoni najveći otpor kvara je:

Ω=⋅

= 930781887

35502 .

.'R

Za fazne kvarove u trećoj zoni najveći otpor kvara je:

Ω=⋅

= 091431606

35503 .

.'R

Potrebna podešenja na releju (na sekundarnoj strani ST i NT) izračunaju se

prema formuli:

100350005300

//'RR ⋅=

Podešenja za zone iznose:

R1=0.14 Ω

70

R2=0.16 Ω

R3=0.19 Ω

Za spojeve sa zemljom su struje kvara približno jednake za kvarove u sve tri

zone pa i podešenje otpora kvara može biti isto za sve tri zone.

Ω=⋅

= 436072723550 ..

'Rz

=⋅=100350005300

//'RR zz 1.10 Ω

4.11. Konačan izgled radne karakteristike

Na slici 4.6 prikazan je konačan izgled radne karakteristike distantnog

releja za zadanu mrežu.

Slika 4.6 Konačan izgled karakteristike

71

5. ZAKLJUČAK

Cilj ovog diplomskog rada bio je da na jednom mjestu sakupi i prikaže sve

načine primjene distantnih releja u zaštiti sustava za razdiobu električne

energije, sve slučajeve u kojima je moguća njihova primjena i sve vrline i

manjkavosti primjene distantne zaštite u ovom sustavu.

Obrađeni su svi problemi na koje nailazi primjena distantnih releja zbog

osobitosti sustava za razdiobu električne energije: najkraći vod koji može biti

štićen, različite impedancije elemenata mreže koje uzrokuju nekontinuiran

pravac impedancije koju mjeri relej, utjecaj međunapajanja na mjerenje releja te

problematika automatskog ponovnog uklopa. Opisane su specifičnosti distantne

zaštite u izoliranim ili kompenziranim mrežama s posebnim naglaskom na

probleme pri spojevima sa zemljom, mrežama uzemljenim preko male

impedancije te u industrijskim distributivnim mrežama. Opisan je i način

lokalizacije mjesta kvara u razdjelnoj mreži pomoću mjerenja jednog distantnog

releja na pojnom vodu te mreže. U zadnjem poglavlju prikazan je način

podešenja distantnog releja na primjeru dijela jedne stvarne razdjelne mreže.

______________________

Mihovil Ivas

72

LITERATURA

[1] ''Protective relays application guide'', Gec Alsthom T&D, Protection &

control limited, Stafford, UK, 1995.

[2] Shaohua Jiao, Wanshun Liu, Lijun Qin: ''A new principle for system

protection in distribution network'', simpozij Power systems and

communications infrastructure for the future, Beijing, rujan 2002.

(http://www.cris.vt.edu/files/abstracts/crisabsVIII4.pdf, svibanj 2003.)

[3] Magnus Akke: ''Fault classification for distance protection'', ABB

Automation Technology Products AB, IEEE/PES T&D Conference and

Exhibition, rujan 2002.

(http://138.227.174.121/GLOBAL/SCOT/SCOT296.nsf/VerityDisplay/7BB

EB3F922CEC4AFC1256CE0006D25BA/$File/Paper_2002-01.pdf,

svibanj 2003.)

[4] Gerhard Ziegler: ''Numerical distance protection; principles and

applications'', Siemens AG, Publicis MCD-Verl., Munich, 1999.

[5] R. Apel, C. Jaborowicz, R. Küssel: ''Fault management in electical

distribution networks'', ABB Utility Automation GmbH, Germany

(http://138.227.174.121/GLOBAL/SCOT/scot221.nsf/VerityDisplay/C12A1

41415FAEC31C1256C550026BB99/$File/CIRED2001%20Fault%20Man

agement%20in%20Electrical%20Distribution%20Networks.PDF, svibanj

2003.)

[6] ''Digital line protection relay 7SA500 V3;V4 instruction manual'', Siemens

AG, FR Germany 1990.

[7] A. Marušić: ''Zaštita elektroenergetskog sustava'', Skriptarnica 3, Zagreb

1998.

[8] G. I. Atabekov: ''Teoretske osnove relejne zaštite visokonaponskih

vodova'' (na ruskom jeziku), GEI, Moskva 1957.

73

[9] A. R. van C. Warrington: ''Interesting facts about power arcs'', Relaying

Now (GEC), No. 20, 1941.

[10] Walter A. Elmore: ''Protective relaying theory and applications'' (poglavlje

12; H. J. Li, F. Calero: Line and circuit protection), Marcel Dekker, inc.,

New York, 1994.

[11] Y. G. Paithankar: ''Transmission network protection, theory and practice'',

Marcel Dekker, inc., New York, 1998.

[12] H. Požar: ''Visokonaponska rasklopna postrojenja'', 5. izdanje, Tehnička

knjiga, Zagreb 1990.

[13] www.siemenstd.com, Siemens Power Transmision & Distribution (svibanj,

2003.)