Zabezpieczenia odległościowe są elementami automatyki zabezpieczeniowej, które służą do wykrywania zwarć w liniach elektroenergetycznych. Ich działanie oparte jest na kryterium podimpedancyjnym, które bazuje na ocenie impedancji do miejsca zwarcia i na podstawie wyniku pomiaru określa czas działania zabezpieczenia. Zabezpieczenia te znajdują zastosowanie w sieciach przesyłowych i przesyłowo-rozdzielczych pracujących ze skutecznie uziemionym punktem neutralnym, w których zwarcia mają charakter silnoprądowy. Nazwa zabezpieczenia odnosi się do zależności, która stanowi, że prąd zwarcia jest zależny od impedancji, a ta jest funkcją odległości do miejsca zwarcia.

Badania zabezpieczeń odległościowych Freja500 Megger

Charakterystyka działania zabezpieczenia odległościowego

Kryterium podimpedancyjne bazuje na wyznaczeniu parametrów wektora impedancji na podstawie pomiarów prądów i napięć fazowych oraz składowej symetrycznej kolejności zerowej napięcia i prądu. Charakterystyka działania podzielona jest na określoną liczbę stref (zależną od wykonania), będących częścią płaszczyzny zespolonej, dla których przyporządkowane są odpowiednie czasy działania zabezpieczenia. Jeżeli mierzona impedancja znajduje się w obszarze danej strefy, następuje pobudzenie funkcji odległościowej i odliczenie stosownego czasu zwłoki, następnie zadziałanie zabezpieczenia oraz wysłanie rozkazu wyłączającego wyłączniki. Standardowo zabezpieczanie odległościowe posiada aktywną strefę 1, dla której najczęściej przyjmuje się działanie bezzwłoczne, strefę rezerwową obejmującą zasięgiem obszar działania kolejnego zabezpieczania, strefę wsteczną oraz strefę bezkierunkową.

Rys.1. Przykładowa charakterystyka działania zabezpieczenia odległościowego
Rys.1. Przykładowa charakterystyka działania zabezpieczenia odległościowego
Rys.2. Koordynacja czasowa działania zabezpieczeń odległościowych
Rys.2. Koordynacja czasowa działania zabezpieczeń odległościowych

Współczesne zabezpieczenia cyfrowe pozwalają na dowolne kształtowanie charakterystyk poligonalnych, co ułatwia precyzyjny dobór nastaw, stawiając jednoznacznie wyzwanie dla badania i diagnostyki urządzeń.

Testy zabezpieczeń odległościowych sprowadzają się głównie do badania odpowiedzi czasowej przekaźnika na wymuszenie impedancyjne. Takie działanie jest poprawne, lecz nie daje pełnego obrazu działania urządzenia zabezpieczeniowego. Ze względu na to, że wartość kryterialna nie jest wielkością mierzoną bezpośrednio, lecz wynika z obliczeń, trudno jest wykorzystać proste testery, które bardzo często występują w wykonaniu jednofazowym, do precyzyjnego i automatycznego wymuszania odpowiedniej impedancji. Ponadto nowoczesne przekaźniki posiadają aktywną funkcję nadzoru obwodów prądowych i napięciowych, co wymaga wykorzystania niezależnych obwodów pomiarowych dla pomiaru składowych zerowych napięcia i prądu oraz jednoczesnego wymuszania  Uo i Io  adekwatnych do niesymetrycznego układu trójfazowego podczas zwarcia.

Badanie zabezpieczeń, nie tylko odległościowych, powinno zawierać sprawdzenie całego toru pomiarowego w zakresie obwodów wtórnych. Pozwala to na dokładne zdiagnozowanie ewentualnych nieprawidłowości, co jest niemożliwe przy podłączeniu wymuszalnika bezpośrednio do zacisków zabezpieczenia. Ze względu na to, że impedancja analizowana jest jako punkt na płaszczyźnie zespolonej, poprawne działanie uwarunkowane jest zachowaniem odpowiedniej kolejności i przesunięcia fazowego pomiędzy sygnałami. W celu sprawdzenia całego obwodu zaleca się aby podłączyć źródło prądowe w obwód wtórny przekładnika prądowego, co pozwoli na zdiagnozowanie ewentualnych przerw lub błędów łączeniowych. Takie rozwiązanie jest możliwe tylko przy braku zasilania przekładnika prądowego po stronie pierwotnej (pole odstawione).

rys3Rys.3. Przykładowy schemat podłączenia testera Freja do zabezpieczenia odległościowego.

Badanie przekaźnika podimpedancyjnego wymaga dokładnego sprawdzenia granic stref zabezpieczeniowych oraz czasów zadziałania w każdej strefie. Ze względu na skomplikowany kształt charakterystyki działania, dokładne badanie wydaje się być niemożliwe bez wykorzystania narzędzi wspomagających automatyczne testowanie.

Kompleksowe badanie  przekaźników zabezpieczeniowych, w tym zabezpieczeń odległościowych, może być wykonane urządzeniem z serii Freja 500 firmy MeggerJest to wielozadaniowy system przeznaczony do badania, testowania oraz diagnozowania elementów elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej. W zależności od wersji  posiada do 9 wyjść prądowych oraz 4 wyjścia napięciowe, każde w pełni konfigurowalne w zakresie amplitudy, fazy i częstotliwości. Zespół wejść i wyjść binarnych pozwala na sprawdzanie odpowiedzi badanego obiektu oraz symulację powszechnie stosowanych automatyk stacyjnych. Urządzenie jest zgodne z standardem IEC61850, co pozwala na przesyłanie sygnałów binarnych w postaci komunikatów GOOSE oraz sygnałów analogowych z wykorzystaniem strumieni (sampled values).

Zintegrowane oprogramowanie PowerDB  posiada dedykowany moduł wspomagający badanie funkcji odległościowej, ograniczając do minimum rolę użytkownika. Urządzenie posiada szeroką bazę zabezpieczeń różnych producentów oraz wspiera import nastaw przekaźnika w postaci plików takich jak .rio czy .xrio. Bazując na zdefiniowanym modelu zabezpieczenia oraz aktualnym pliku nastaw, badanie przekaźnika odległościowego jest maksymalnie uproszczone i przyspieszone.

rys4Rys.4. Wybór badanego urządzenia. W niniejszym przykładzie jest to Alstom MiCOM P441

Automatyczne badanie polega na sprawdzeniu czasu działania w poszczególnych strefach zabezpieczeniowych oraz wyznaczeniu granic stref. Freja500 w sposób automatyczny bada czas pojawienia się impulsu wyłączającego na wejściu binarnym po wymuszeniu sygnałów prądowych i napięciowych, które odpowiadają wybranej impedancji  widzianej przez zabezpieczenie podczas określonego typu zwarcia. Użytkownik może zdefiniować punkty Z = R + jX  na płaszczyźnie zespolonej samodzielnie lub automatycznie. Badaniu podlega każdy rodzaj zwarcia, zarówno jednofazowego, jak i międzyfazowego.

W przypadku pierwszego testu, użytkownik wybiera badany obiekt, importuje plik nastaw i uruchamia test w wyniku którego uzyskuje czytelny raport. Jeżeli niemożliwe jest importowanie pliku nastaw lub badane urządzanie nie jest zgodne ze standardem, możliwe jest ręczne zdefiniowanie charakterystyk rozruchowych. Kolejne, okresowe testy wymagają jedynie wczytania przygotowanego wcześniej planu testu. Pozwala to na odtworzenie dokładne takich samych warunków podczas każdego kolejnego badania, co jest niemożliwe symulując sygnały diagnostyczne w sposób ręczny.

Badanie zabezpieczenia odległościowego MiCOM P441

Przeprowadzono przykładowe badanie zabezpieczenia odległościowego MiCOM P441. W ramach testu sprawdzone zostały czasy działania zabezpieczenia w poszczególnych strefach. Punkty testowe, rozmieszczone automatycznie znajdowały się w pobliżu granicy każdej strefy, zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz. W wyniku badań wykazano, że dla zwarć w strefie 2 w pobliżu granicy strefy odnotowano działanie z czasem strefy 1. Oprogramowanie PowerDB uznało wynik testu jako negatywny ze względu na błąd będący poza dopuszczalną tolerancją. Na rysunku przedstawiono fragment raportu z zaznaczonymi błędnymi zadziałaniami.

rys5 Rys.5. Raport powstały w wyniku automatycznego badania zabezpieczenia odległościowego
Rys.6 i Rys. 7. Widok automatycznie rozmieszczonych punktów oraz linii testowych dla badanej charakterystyki rozruchowej. ​
Rys.6 i Rys. 7. Widok automatycznie rozmieszczonych punktów oraz linii testowych dla badanej charakterystyki rozruchowej. ​
Rys.6 i Rys. 7. Widok automatycznie rozmieszczonych punktów oraz linii testowych dla badanej charakterystyki rozruchowej. ​

Symulacja kołysań mocy

Warunkiem właściwego działania urządzeń automatyki zabezpieczeniowej jest poprawne wykrycie zakłóceń, które należy zlikwidować, ale także brak reakcji w przypadku braku zwarcia. Zaburzenia stabilności systemu elektroenergetycznego -  wywołane, np. nagłą zmianą obciążenia w liniach wyprowadzających moc z elektrowni - mogą skutkować pojawieniem się kołysań mocy. Podczas tego zjawiska może dość do przemieszczenia się wektora impedancji w obszar działania zabezpieczenia. Taka sytuacja powinna zostać wykryta, a działanie zabezpieczenia powinno zostać zablokowane. Współczesne cyfrowe sterowniki zabezpieczeniowe posiadają wbudowaną funkcję blokowania działania podczas kołysań mocy. Urządzenie Freja pozwala na badanie reakcji przekaźnika na kołysanie mocy za pomocą specjalnie przygotowanego, dedykowanego narzędzia. Instrument testowy Power Swing pozwala na generowanie kołysań mocy, podczas których impedancja znajduje się w obszarze rozruchowym zabezpieczenia odległościowego. Trajektoria zmian impedancji jest w pełni konfigurowalna pod względem tempa i głębokości kołysań. Ponadto możliwe jest także uzyskanie oraz generowanie przebiegów symulujących asynchroniczne kołysanie mocy, w którym dochodzi do  utraty synchronizmu. Takie zaburzenie powinno zostać zlikwidowane, a blokada przeciwkołysaniowa dezaktywowana.

rys7Rys.8. Instrument testowy przeznaczony do badania wpływu kołysania mocy na przekaźnik odległościowy

Współczesne zabezpieczenia odległościowe są skomplikowanymi urządzeniami, których badanie wymaga wykorzystania zautomatyzowanych narzędzi oraz procedur. Wykorzystanie dedykowanych urządzeń diagnostycznych – takich jak Freja500 - pozwala na optymalne zagospodarowanie czasu poprzez ograniczenie do minimum roli użytkownika. Powtarzalność wykonywanych badań pozwala na uzyskanie wiarygodnych wyników, szybką analizę oraz likwidację potencjalnych błędów i uszkodzeń.

Sprawdź również inne urządzenia diagnostyki systemów zabezpieczeń

Materiał przygotował mgr inż. Kamil Pieczyński - specjalista ds. zabezpieczeń i automatyki. 

W przypadku pytań prosimy o kontakt 781 999 993, Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie obsługi JavaScript.