1. Podstawy teoretyczne
Zabezpieczenie różnicowe działa na zasadzie porównania prądów na początku i na końcu zabezpieczanego obiektu, którym może być linia energetyczna, generator, transformator, blok generator-transformator, silnik lub szyny zbiorcze. Różnica tych prądów zależy bowiem od stanu chronionego obiektu. Zabezpieczenie różnicowe wykrywa zwarcia wielkoprądowe wewnątrz zabezpieczanej strefy, która obejmuje zabezpieczany obiekt oraz doprowadzenia od niego do przekładników prądowych.
Znane są dwa rodzaje zabezpieczeń różnicowych: wzdłużne i poprzeczne, przy czym te ostatnie są stosowane stosunkowo rzadko i nie będą dalej omawiane.
Zasadę działania zabezpieczenia różnicowego wzdłużnego przedstawiono na rys. 1.
Rys. 1. Zasada działania zabezpieczenia różnicowego wzdłużnego: a- rozpływ prądów w stanie normalnej pracy i przy zakłóceniach oraz b- przy zakłóceniach wewnętrznych; 1- obiekt zabezpieczany, 2- przekładniki prądowe, 3- przekaźnik nadprądowy.
Przekaźnik nadprądowy RI, zainstalowany w gałęzi różnicowej, reaguje na prąd różnicowy IR określony zależnością:
(1)
W stanie normalnej pracy i podczas zakłóceń zewnętrznych (rys. 1a) zabezpieczenie różnicowe nie powinno działać, musi więc być spełniony warunek IR=0, czyli:
(2)
Prądy pierwotne zabezpieczanego obiektu w stanie normalnej pracy charakteryzuje współzależność liniowa Ib=JoIa, gdzie Jo- przekładnia prądowa zabezpieczanego obiektu. Warunek niezadziałania zabezpieczenia w stanie normalnej pracy obiektu i przy zakłóceniach zewnętrznych będzie więc spełniony, gdy:
Jib/Jia=Jo (3)
Najczęściej Jo = 1 (linie, generatory, silniki) i wtedy na obu końcach obiektu zabezpieczonego stosuje się przekładniki prądowe o takiej samej przekładni, natomiast w przypadku transformatorów Jo ≠ 1,wtedy stosuje się przekładniki o przekładniach tak dobranych, aby była spełniona zależność (3). Ponadto w tym przypadku występuje zwykle konieczność wyrównania przesunięcia fazowego prądów wtórnych, co dokonuje się przez odpowiedni dobór grupy połączeń przekładników prądowych.
Podczas zakłóceń zwarciowych w strefie działania zabezpieczenia ( w obszarze między przekładnikami prądowymi) pojawia się w gałęzi poprzecznej układu prąd różnicowy IR≠0, powodujący działanie członu pomiarowego zabezpieczenia (rys.1b). W zależności od tego, czy obiekt zabezpieczany jest generatorem, czy odbiornikiem i czy współpracuje z systemem, czy też nie, mogą występować oba prądy Ia oraz Ib lub tylko jeden z nich. Przez gałąź różnicową zawsze przepływa prąd IR proporcjonalny do całkowitego prądu zwarcia.
Przy zakłóceniach zewnętrznych prąd IR byłby równy zeru tylko w przypadku idealnych przekładnikach prądowych, jednak w przypadku rzeczywistych przekładników w gałęzi poprzecznej zabezpieczenia płynie w tych warunkach pewien prąd, zwany prądem uchybowym. Wartość prądu uchybowego zależy od następujących czynników:
a) stopnia nieidentyczności charakterystyk magnesowania przekładników prądowych,
b) niesymetrii i wartości impedancji obwodów wzdłużnych zabezpieczenia po obu stronach członu pomiarowego (3), który powinien być zainstalowany w środku elektrycznym układu,
c) zmian ruchowych przekładni zabezpieczonego obiektu (transformatora).
Przy zwarciach zewnętrznych wartość prądu uchybowego rośnie wraz ze wzrostem prądu zwarciowego. Wzrost ten jest szczególnie gwałtowny podczas nasycania się przekładników i dlatego należy stosować przekładniki o dużym współczynniku granicznej dokładności.
Aby zapobiec zbędnemu działaniu zabezpieczenia przy zwarciach zewnętrznych, prąd rozruchowy przekaźnika należy nastawić na wartość większą od maksymalnej wartości prądu uchybowego. Zwiększenie wartości prądu rozruchowego prowadzi do zmniejszenia czułości zabezpieczenia. Z tego powodu zabezpieczenia różnicowe z przekaźnikiem nadprądowym w gałęzi pomiarowej wyszły obecnie niemal całkowicie z użycia.
Czułość zabezpieczenia różnicowego można znacznie zwiększyć dzięki zastosowaniu przekaźnika różnicowego stabilizowanego. Jest to taki przekaźnik, w którym wartość prądu rozruchowego zależy od wartości prądu zwarcia. Starsze elektromechaniczne rozwiązania przekaźników, obecnie rzadko spotykane w eksploatacji, działały na zasadzie elektromagnetycznej. W najprostszym takim przekaźniku w każdej fazie są dwa elektromagnesy. Jeden z nich zasilany jest prądem różnicowym IR płynącym w gałęzi poprzecznej zabezpieczenia i wytwarza moment roboczy, zależny od wartości tego prądu, a drugi- zasilany prądem płynącym w obwodzie wzdłużnym zabezpieczenia, który zależy od prądu zwarcia, wytwarza moment hamujący, przeciwdziałający momentowi roboczemu. Przekaźnik taki zadziała, jeśli moment roboczy będzie większy od sumy momentu hamującego i momentu wytwarzanego przez sprężynę zwrotną, utrzymując w normalnych warunkach zestyki przekaźnika w stanie otwarcia. Z tego wynika, że im mniejsza będzie wartość prądu zwarcia tym mniejszy będzie moment hamujący, a tym samym mniejsza wartość prądu rozruchowego, co oznacza, że większa będzie czułość przekaźnika.
Właściwości przekaźnika różnicowego stabilizowanego określa charakterystyka, przedstawiającą zależność prądu rozruchowego IR od prądu hamującego Ih (prądu w gałęzi wzdłużnej zabezpieczenia, który jest proporcjonalny do prądu zwarcia). Przykładową
charakterystykę rozruchową elektromechanicznego przekaźnika różnicowego pokazano na rys. 2.
Rys. 2. Charakterystyka rozruchowa elekromagnetycznego przekaźnika różnicowego stabilizowanego (1) i asymptota tej charakterystyki (2).
Przyjmując, że moment roboczy MR jest proporcjonalny do kwadratu prądu różnicowego IR, a moment hamujący – do kwadratu prądu hamującego Ih, ławo można wykazać, że charakterystykę rozruchową (1 – rys. 2) takiego przekaźnika opisuje zależność:
(4)
gdzie: kR, kh – stałe współczynniki konstrukcyjne elektromagnesów zależne m.in. od liczby zwojów,
Ms – moment sprężyny zwrotnej,
k= tg(α) - współczynnik stabilizacji, zwany często współczynnikiem hamowania – równy tangensowi kąta nachylenia prostej stanowiącej asymptotę charakterystyki rozruchowej przekaźnika
Przy Ih =0, zależność (4) przyjmuje postać: (5)
Wyrażenie (5) określa progowy prąd rozruchowy (nastawialny w przekaźniku), zależny od momentu sprężyny zwrotnej (naciągu sprężyny).
Podczas zwarć zewnętrznych w przekaźniku różnicowym stabilizowanym występuje moment hamujący wytwarzany przez całkowity prąd obiektu, który jest dużo większy od momentu roboczego wywoływanego prądem uchybowym. Podczas zwarcia wewnętrznego natomiast moment hamujący, wytwarzany przez część prądu zwarciowego, jest mniejszy, a duży jest moment roboczy, który wytwarzany jest przez całkowity prąd zwarcia.
Obecnie nie produkuje się przekaźników różnicowych elektromagnetycznych, ale spotyka się je jeszcze w eksploatacji. Są one wypierane przez przekaźniki półprzewodnikowe i coraz powszechniej – przez przekaźniki cyfrowe.
Niektóre nowoczesne przekaźniki różnicowe, zwłaszcza dla transformatorów, posiadają w gałęzi różnicowej filtry przeznaczone do wyodrębniania z prądu różnicowego wyższych harmonicznych. Sygnały te służą do dodatkowej stabilizacji zabezpieczeń różnicowych, np. podczas załączania transformatora do pracy jałowej.
Transformatory energetyczne, jako obiekty zabezpieczane, charakteryzują dwie istotne właściwości:
a) posiadają zmienną przekładnię prądową ( przełącznik zaczepów) oraz przekładniki prądowe o znormalizowanych przekładniach, z reguły niedopasowanych do znormalizowanej przekładni transformatora (nie jest ściśle spełniony war.(3)),
b) przy załączeniu transformatora pod napięcie występuje udarowy prąd magnesujący.
Pierwsza właściwość powoduje, że podczas zwarć zewnętrznych w gałęzi różnicowej zabezpieczenia pojawiają się prądy uchybowe o wartościach znacznie większych niż w zabezpieczeniach różnicowych generatorów, czy silników. Stąd też zabezpieczenia różnicowe transformatorów muszą mieć współczynnik stabilizacji wyższy (0.2 do 0.6) niż zabezpieczenia generatorów (0.1 do 0.4). Ponadto przy dość dużych różnicach ilorazu przekładni przekładników prądowych i przekładni zabezpieczenia transformatora, do ich obwodów wtórnych należy włączyć przekładniki prądowe wyrównawcze.
Podczas włączania transformatora pod napięcie, w strumieniu magnetycznym pojawia się składowa nieokresowa. Jej wartość jest największa wówczas, gdy transformator zostaje włączony w chwili przechodzenia napięcia zasilającego przez wartość zerową. Teoretycznie składowa ta osiąga średnią wartość, równą amplitudzie składowej okresowej. Chwilowa wartość strumienia magnetycznego osiąga więc wartość dwukrotnie większą od amplitudy składowej okresowej, a nawet większą wskutek magnetyzmu szczątkowego.
Rys. 3. Zależność strumienia magnetycznego od prądu magnesującego.
Z wykresu zależności strumienia magnetycznego od prądu magnesującego (rys.3) wynika, że dwukrotnemu wzrostowi strumienia magnetycznego musi towarzyszyć bardzo duży wzrost prądu magnesującego, nazywany udarem prądu magnesującego. Występuje w nim składowa nieokresowa oraz znaczny udział wyższych harmonicznych. Podczas załączania trójfazowego transformatora w stanie jałowym udary prądu magnesującego występują (wskutek sprzężeń elektromagnetycznych) we wszystkich fazach. Składowa nieokresowa występuje wyraźnie w jednej lub dwóch fazach, natomiast we wszystkich fazach występuje udar składowej okresowej. Na rys. 4 pokazano przykładowe oscylogramy prądu magnesującego pojawiającego się przy załączaniu transformatora na bieg jałowy.
Rys. 4. Oscylogramy prądu magnesującego w fazach A, B i C przy załączaniu transformatora na bieg jałowy
Maksymalna wartość udarowego prądu magnesującego dochodzi do ok. dziesięciokrotnej wartości prądu znamionowego transformatora i zależy od jego mocy, własności magnetycznych blach transformatorowych oraz od odległości uzwojenia magnesującego od rdzenia. Wyższe wartości tego prądu występują w transformatorach z blachami walcowanymi na zimno oraz w uzwojeniach dolnego napięcia (bliżej rdzenia).
Udarowy prąd magnesujący transformatora odznacza się dużą zawartością wyższych harmonicznych. Zawiera 40-60% składowej nieokresowej, 30-70% drugiej harmonicznej oraz 10-30% trzeciej harmonicznej.
Prąd udarowy dość szybko zanika i po upływie 1 s jego wartość nie przekracza zwykle 0.25-0.4% prądu znamionowego transformatora, a całkowity zanik prądu nieustalonego następuje praktycznie po czasie 5-10 s.
Rozpływ prądów w obwodach wtórnych zabezpieczenia różnicowego podczas załączania transformatora jest taki sam, jak podczas zwarcia wewnętrznego zasilanego jednostronnie i biorąc pod uwagę to, że amplituda udarowego prądu magnesującego w początkowej fazie jest porównywalna z amplitudą prądu zwarciowego- może dochodzić do zbędnego działania tego zabezpieczenia.
W celu odróżnienia prądu magnesującego od prądu zwarcia wewnętrznego wykorzystuje się obecnie w przekaźnikach różnicowych dla transformatorów filtry drugiej harmonicznej prądu i niektórych innych harmonicznych (np. piątej). W przypadku występowania udarowego prądu magnesującego sygnał wyjściowy filtru jest znacznie większy niż podczas zwarcia. Sygnał ten wykorzystywany jest do zwiększenia wartości współczynnika stabilizacji przekaźnika.
Zabezpieczenie różnicowe, mimo tej stabilizacji może zbędnie zadziałać, np. podczas rozruchu generatora współpracującego z zabezpieczanym transformatorem, czy też pracy transformatora przy podwyższonym napięciu. Jak stwierdzono, w prądzie różnicowym występuje wówczas znaczna zawartość piątej harmonicznej, którą wykorzystuje się dodatkowo w niektórych rozwiązaniach (np. przekaźniki krajowe RRTT-6, RRTT-7) do skuteczniejszej stabilizacji zabezpieczenia różnicowego. W rozwiązaniach elektromechanicznych do blokady działania przekaźników różnicowych podczas załączania transformatora wykorzystano zjawisko rezonansu mechanicznego (np. przekaźniki TG), czy też wprowadzono opóźnienia czasowe (np. RQS-2+RQS-3).
Nowoczesne zabezpieczenia różnicowe oparte są na zaawansowanej technologii cyfrowej składające się z szeregu układów sterowania, które są bardziej dokładne i czułe. Dodatkowe funkcje umożliwiają łatwą komunikacje z urządzeniem, rejestrację zakłóceń i ich odczyt, dzięki którym łatwiej jest stwierdzić rodzaj i miejsce awarii.
Współczesne urządzenia są wyposażone między innymi w dyskryminator nasycenia. Funkcja ta generuje stabilizujący sygnał blokujący jeżeli prąd różnicowy wystąpi w konsekwencji nasycenia transformatora przy zewnętrznym zwarciu (w przeciwieństwie do zwarcia wewnętrznego). Unika się w ten sposób przewymiarowania niezbędnego dla uniknięcia wyłączenia dla silnych zwarć zewnętrznych. Po przejściu przez zero prądu magnesowania, układ dyskryminatora nasycenia kontroluje wystąpienie prądu magnesowania. Dla zwarć w obrębie strefy chronionej, prąd różnicowy pojawia się równocześnie z prądem hamowania. Dla zwarć poza strefą chronioną, z dużymi prądami powodującymi nasycenie się przekładników prądowych, prąd różnicowy pojawia się dopiero przy rozpoczęciu nasycania (np.: MiCOM P631).
2. Badanie przekaźników różnicowych elektromechanicznych
Należy wykonać podstawowe badania przekaźnika elektromechanicznego, wskazanego przez prowadzącego laboratorium. Zakres ćwiczenia obejmuje:
1) Sprawdzenie skali prądowej przekaźników,
2) Wyznaczenie charakterystyk rozruchowych Ir=f(Ih),
2.1. Opis stanowiska laboratoryjnego
Badania przekaźników różnicowych wykonuje się na stanowisku, którego widok ogólny przedstawiono na rys. 5. Stanowisko to wyposażone jest w dwa niezależne tory zasilania prądem sinusoidalnym zmiennym o regulowanej wartości prądów za pomocą autotransformatorów AT1 i AT2. W obwodzie każdego z torów zainstalowany jest wielozakresowy przekładnik prądowy zasilający amperomierz. Wyboru zakresu amperomierzy dokonuje się w każdym torze niezależnie - za pomocą przekładników PIV i PV. Zaciski wyjściowe tych torów wyprowadzone zostały w górnej części stołu i oznaczone symbolami Ir oraz Ih. Ponadto stanowisko wyposażono w specjalny układ do wymuszania sygnału prądowego o zadawanej zawartości drugiej harmonicznej (za pomocą suwaka Yo zmienia się relacje pomiędzy amplitudami składowej stałej i składowej okresowej sygnału wprowadzanego na wejście badanego przekaźnika). Układ ten jest wykorzystywany do sprawdzania skuteczności działania członu blokującego działanie przekaźnika podczas załączania transformatora. Obecnie do tych celów wykorzystywane są specjalne, mikroprocesorowe testery zabezpieczeń.
Podstawowe dane techniczne stanowiska:
Znamionowa obciążalność obwodów Ir oraz Ih: 20A,
Prąd znamionowy badanych przekaźników : 5A lub 1A,
Maksymalny pobór prądu stałego : 13A,
Maksymalny pobór prądu zmiennego : 40A,
Stanowisko umożliwia przeprowadzenie następujących badań:
3) Sprawdzenie skuteczności odstrojenia przekaźników od udarowych prądów magnesowania.
Na wieszakach stanowiska zamontowane zostały następujące typy przekaźników różnicowych:
- elektromechaniczne: RQS-2 firmy AEG, TG-3 firmy Brown Boveri,
- uniwersalne zabezpieczenie różnicowe MiCOM P631 firmy AREVA.
Rys. 5. Widok ogólny stanowiska do badania przekaźników różnicowych
2.2. Opisy wybranych przekaźników różnicowych
2.2.1. Przekaźnik typu RQS-2 (firma AEG)
Przeznaczony jest do zabezpieczenia generatorów (warunkowo – transformatorów). Jest przekaźnikiem stabilizowanym jednostronnie, człon roboczy, jak i hamujący są wykonane jako trójfazowe. Części ruchome obwodów magnetycznych obydwu członów są umieszczone na wspólnej osi. Na ten układ ruchomy, w stanie bezprądowej, działa moment sprężyny roboczą i hamującą część układu ruchomego są skierowane przeciwnie, poszczególne ramiona tego układu (odchylone o pewien kąt względem osi biegunów) są bowiem wciągane pod bieguny magnetyczne cewek. Obrót układu do położenia odpowiadającego zadziałaniu przekaźnika nastąpi wtedy, kiedy moment wytwarzany przez cewki robocze będzie większy od sumy momentów przeciwstawnych, tj. momentu wytwarzanego przez cewki hamujące oraz momentu mechanicznego, pochodzącego od siły naciągu sprężyny i siły tarcia. Podczas obrotu osi następuje zamknięcie zestyku i podanie napięcia na przekaźnik pomocniczy.
Prąd rozruchowy przekaźnika jest regulowany przez zmianę naciągu sprężyny zwracającej. Współczynnik stabilizacji jest stały i równy k=0.45. Układ połączeń wewnętrznych przekaźnika RQS-2 jest pokazany na rys. 7.
Dane techniczne przekaźnika RQS-2
Prąd znamionowy In=5A,
Zakres prądu rozruchowego Iro=1.5 do 3 A,
Współczynnik stabilizacji kh=0.45,
Pobór mocy
- cewka robocza: 4VA,
- cewka hamująca: 2.5 VA.
Rys. 6. Układ połączeń wewnętrznych przekaźnika RQS-2
2.2.2. Przekaźnik typu TG-3 (firma BBC)
Przeznaczony jest do ochrony transformatorów. Jest przekaźnikiem stabilizowanym dwustronnie, mającym również blokadę od udarowych prądów magnesujących, wykorzystując zjawisko rezonansu mechanicznego. Zbudowany jest z trzech identycznych zespołów dla każdej z faz. W każdym zespole znajduje się człon mierzący oraz człon zwłoczny. Schemat ideowy przekaźnika TG-3 pokazana na rys. 8a), zaś schemat połączeń wewnętrznych tego przekaźnika – na rys. 8.b).
Rys. 7. Schemat ideowy przekaźnika TG-3(a)): SW- zestyk wibracyjny, R, C- elementy zapobiegające iskrzeniu zestyku SW oraz połączeń wewnętrznych(b)).
Układ ruchomy członu mierzącego składa się z dwuch jednakowych kotwic osadzonych na wspólnej osi przechodzącej przez ich środki ciężkości i ze sprężyny zwracającej oraz zestyku wibracyjnego. Jedna z kotwic znajduje się w polu magnetycznym wytworzonym przez prąd płynący w cewce hamującej, która ma wprowadzone odczepy, umożliwiająca skokową zmianę współczynnika stabilizacji przekaźnika. Prąd rozruchowy przekaźnika jest nastawialny za pomocą zmiany naciągu sprężyny zwracającej. Warunek zadziałania przekaźnika jest analogiczny, jak w przypadku przekaźnika RQS-2.
W przekaźniku TG-3 elementy układu ruchomego są tak zaprojektowane, aby wpadł on w rezonans mechaniczny przy zmiennym momencie napędowym o częstotliwości 50 Hz. Podczas zwarcia wewnętrznego, dwukierunkowość prądu zwarciowego powoduje, że w przekaźniku pojawia się moment mechaniczny pulsujący o częstotliwości 100 Hz (proporcjonalny do i2). Powoduje on obrót kotwicy oraz zamknięcie zestyku. Podczas załączania transformatora pod napięcie pojawiająca się...
Kony777