VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING VÝPOČET NASTAVENÍ DISTANČNÍ OCHRANY PRO VEDENÍ 110 KV BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR PETR BARTOŠ BRNO 2010

2 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav elektroenergetiky Bakalářská práce bakalářský studijní obor Silnoproudá elektrotechnika a elektroenergetika Student: Petr Bartoš ID: Rocník: 3 Akademický rok: 2009/2010 NÁEV TÉMATU: Výpočet nastavení distanční ochrany pro vedení 110 kv POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: 1. Poruchové stavy 2. Distanční ochrany 3. Výpočet souměrných a nesouměrných zkratů s uvažováním odporu poruchy 4. Výpočet zkratů a nastavení ochrany pro zadanou sít DOPORUČENÁ LITERATURA: podle pokynů vedoucího práce Termín zadání: Termín odevzdání: Vedoucí práce: doc. Ing. Petr Toman, Ph.D. doc. Ing. Čestmír Ondrůšek, CSc. Předseda oborové rady UPOORNENÍ: Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku c.40/2009 Sb.

3 Bibliografická citace práce: BARTOŠ, P. Výpočet nastavení distanční ochrany pro vedení 110 kv. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, s. Vedoucí bakalářské práce doc. Ing. Petr Toman, Ph.D. Prohlašuji, ţe jsem svou bakalářskou práci vypracoval samostatně a pouţil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v přiloţeném seznamu. ároveň bych chtěl poděkovat vedoucímu mé bakalářské práce Doc. Ing. Petru Tomanovi, Ph. D. za cenné rady, připomínky a pomoc při vypracování mé bakalářské práce.

4 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING VÝPOČET NASTAVENÍ DISTANČNÍ OCHRANY PRO VEDENÍ 110 KV CALCULATION OF DISTANCE PROTECTION RELAY SETTING FOR 110 KV LINE BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR PETR BARTOŠ doc. Ing. PETR TOMAN, Ph.D. BRNO 2010

5 Abstrakt 5 ABSTRAKT Tato práce se zabývá výpočtem zkratových poměrŧ části sítě 110 kv na území České republiky. Tato síť je rozdělená na dvě části z nichţ kaţdou napájí jedna rozvodna 400/110 kv a výpočet je proveden pro rŧzná místa vzniku zkratu. Druhá část práce se zabývá výpočtem nastavení distančních ochran pro jednu část sítě. Výsledkem této práce jsou hodnoty jednotlivých parametrŧ sítě potřebné pro nastavení distančních ochran, které nám chrání jednotlivá vedení této sítě. KLÍČOVÁ SLOVA: elektrická síť; zkrat; zkratový proud; zkratová impedance; vedení; distanční ochrana

6 Abstract 6 ABSTRACT This work deals with both the calculation of short circuit conditions of 110 kv network in the Czech Republic. This network is divided into two parts, each of which feeds a 400/110 kv substation and the calculation is performed for different locations of a short circuit. The second part deals with the calculation of distance protection settings for one part of this network. The result of this work are the values of network parameters needed to set up distance protection, which protects our individual lines of the network. KEY WORDS: electrical network; short-circuit; short-circuit current; short-circuit impedance; power line; distance protection

7 Obsah 7 Obsah Obsah... 7 Seznam obrázků... 9 Seznam tabulek Seznam symbolů a zkratek Úvod Cíl práce Poruchové stavy Přepětí Ochrany přepětí emní spojení Sítě izolované Sítě neúčinně uzemněné Ostatní poruchové stavy [3] kraty v elektrizační soustavě Druhy zkratu Časový prŧběh zkratového proudu [6] ákladní veličiny pro dimenzování zařízení [6] Výpočet zkratových proudů jednodušující předpoklady výpočtu [6] Souměrné sloţky [6] Postup při výpočtu zkratu [6] kratové impedance elektrických zařízení Síťové napáječe [6] Dvouvinuťové transformátory [6] Trojvinuťové transformátory [6] Venkovní vedení a kabely [6] Výpočet charakteristických hodnot zkratového proudu Počáteční rázový zkratový proud I k [6] Nárazový zkratový proud i p [6] Ekvivalentní oteplovací zkratový proud I th [6] Vliv oblouku při zkratu [9]... 31

8 Obsah 8 6. Distanční ochrany vedení Měřící členy distanční ochrany Kompenzace stejnosměrné sloţky Kompenzace při zemních zkratech Nastavení měřících členŧ Nastavení popudových členŧ [7] Princip činnosti digitální distanční ochrany [8] Výhody a nevýhody distančních ochran Výpočet zkratových poměrů dané sítě Informace o řešené síti Výpočet zkratŧ Výpočet zkratových impedancí Výpočet zkratových proudŧ Přehled výsledkŧ Výpočet nastavení distanční ochrany Výpočet DO pro vedení V 518 v rozvodně Sokolnice Selektivita ochran Pracovní polygon DO ávěr Použitá literatura Příloha A Parametry sítě Příloha B Část sítě 110kV společnosti E.ON Příloha C Vypočítané parametry pro nastavení distančních ochran DO v Sokolnicích na vedení V DO v Bučovicích na vedení V DO v Bučovicích na vedení V DO ve Vyškově na vedení V DO ve Vyškově na vedení V

9 Seznam obrázkŧ 9 Seznam obrázků OBRÁEK 3. 1 RŦŢKOVÉ JISKŘIŠTĚ OBRÁEK 3. 2 ROLOŢENÍ PROUDŦ V IOLOVANÉ SÍTI PŘI EMNÍM SPOJENÍ [2] OBRÁEK 3. 3 ROLOŢENÍ PROUDŦ V KOMPENOVANÉ SÍTI PŘI EMNÍM SPOJENÍ [2] OBRÁEK 3. 4 APOJENÍ BAUCHOVA HÁŠECÍHO TRANSFORMÁTORU OBRÁEK 4. 1 DRUHY KRATU [4] OBRÁEK 4. 2 ČASOVÝ PRŦBĚH KRATOVÉHO PROUDU [6] OBRÁEK 4. 3 ČASOVÉ PRŦBĚHY SLOŢEK KRATOVÉHO PROUDU [6] OBRÁEK 5. 1 SOUSLEDNÁ SLOŢKA KRATOVÉ IMPEDANCE [6] OBRÁEK 5. 2 PĚTNÁ SLOŢKA KRATOVÉ IMPEDANCE [6] OBRÁEK 5. 3 NETOČIVÁ SLOŢKA KRATOVÉ IMPEDANCE [6] OBRÁEK 5. 4 SÍŤOVÝ NAPÁJEČ A JEHO NÁHRADNÍ SCHÉMA PRO TŘÍFÁOVÝ KRAT [6] OBRÁEK 5. 5 TROJVINUŤOVÝ TRANSFORMÁTOR A JEHO NÁHRADNÍ SCHÉMA [6] OBRÁEK 5. 6 SOUČINITEL Κ JAKO FUNKCE R /X A X /R [6] OBRÁEK 5. 7 SCHÉMA NÁHRADY OBLOUKU REISTANCÍ PŘI JEDNOFÁOVÉM KRATU [9] OBRÁEK 5. 8 SCHÉMA NÁHRADY OBLOUKU REISTANCÍ PŘI DVOUFÁOVÉM KRATU [9] OBRÁEK 6. 1 VYPÍNACÍ PLÁN DISTANČNÍCH OCHRAN [7] OBRÁEK 6. 2 IMPEDANČNÍ KRUHOVÁ CHARAKTERISTIKA A IMPEDANČNÍ KRUHOVÁ CHARAKTERISTIKA TYPU,,POLARISED MHO [8] OBRÁEK 6. 3 VYSUNUTÁ CHARAKTERISTIKA TYPU,,OFFSET MHO A REAKČNÍ CHARAKTERISTIKA [8] OBRÁEK 6. 4 REISTANČNÍ CHARAKTERISTIKA A SMĚROVÁ PŘÍMKOVÁ CHARAKTERISTIKA [8] OBRÁEK 6. 5 MODELOVÁ IMPEDANCE [7] OBRÁEK 7. 1 JEDNOPÓLOVÉ SCHÉMA ŘEŠENÉ SÍTĚ OBRÁEK 7. 2 NÁHRADNÍ SCHÉMA PRO TŘÍFÁOVÝ KRAT V SOKOLNICÍCH (V 518) OBRÁEK 7. 3 NÁHRADNÍ SCHÉMA PRO JEDNOFÁOVÝ KRAT V SOKOLNICÍCH (V 518) OBRÁEK 7. 4 NÁHRADNÍ SCHÉMA PRO TŘÍFÁOVÝ KRAT V OTROKOVICÍCH (V 5576) OBRÁEK 7. 5 NÁHRADNÍ SCHÉMA PRO JEDNOFÁOVÝ KRAT V OTROKOVICÍCH (V 5576)... 47

10 Seznam obrázkŧ 10 OBRÁEK 7. 6 NÁHRADNÍ SCHÉMA PRO TŘÍFÁOVÝ KRAT V OTROKOVICÍCH (V 5575) OBRÁEK 7. 7 NÁHRADNÍ SCHÉMA PRO JEDNOFÁOVÝ KRAT V OTROKOVICÍCH (V 5575) OBRÁEK 8. 1 UMÍSTĚNÍ DO NA ČÁSTI SÍTĚ 110 KV OBRÁEK 8. 2 VYPÍNACÍ PLÁN PRIMÁRNÍHO NASTAVENÍ DO ČÁSTI SÍTĚ 110 KV (PRO REISTANCI) OBRÁEK 8. 3 VYPÍNACÍ PLÁN PRIMÁRNÍHO NASTAVENÍ DO ČÁSTI SÍTĚ 110 KV (PRO REAKTANCI) OBRÁEK 8. 4 VYPÍNACÍ PLÁN PRIMÁRNÍHO NASTAVENÍ DO ČÁSTI SÍTĚ 110 KV (PRO IMPEDANCI) OBRÁEK 8. 5 PRACOVNÍ POLYGON DIGITÁLNÍ DO SIPROTEC 7SA

11 Seznam tabulek 11 Seznam tabulek TABULKA 5.1 HODNOTY NAPĚŤOVÉHO SOUČINITELE C [6] TABULKA 6.1 LOGIKA VÝBĚRU PORUCHOVÉ SMYČKY PRO MĚŘÍCÍ ČLEN [7].. 36 TABULKA 7. 1 HODNOTY KRATOVÝCH IMPEDANCÍ JEDNOTLIVÝCH PRVKŦ SÍTĚ TABULKA 7. 2 VÝSLEDNÉ HODNOTY KRATOVÝCH PROUDŦ TABULKA 8. 1 ROSAHY MTI A MTU TABULKA 8. 2 PARAMETRY PRIMÁRNÍHO NASTAVENÍ ÓNY 1. PRO DO V SOKOLNICÍCH NA VEDENÍ V TABULKA 8. 3 PARAMETRY PRIMÁRNÍHO NASTAVENÍ ÓNY 2. PRO DO V SOKOLNICÍCH NA VEDENÍ V TABULKA 8. 4 PARAMETRY PRIMÁRNÍHO NASTAVENÍ ÓNY 3. PRO DO V SOKOLNICÍCH NA VEDENÍ V TABULKA 8. 5 PARAMETRY PRIMÁRNÍHO NASTAVENÍ ÓNY O PRO DO V SOKOLNICÍCH NA VEDENÍ V TABULKA 8. 6 PARAMETRY PRIMÁRNÍHO NASTAVENÍ ÓNY POPUDU PRO DO V SOKOLNICÍCH NA VEDENÍ V TABULKA 8. 7 PARAMETRY DO PRO OBRAENÍ JEDNOTLIVÝCH VYPÍNACÍCH PLÁNŦ... 56

12 Seznam symbolŧ a zkratek 12 Seznam symbolů a zkratek, Komplexní veličina c cu d. n 3 I max I bns I k I k1 I k3 I kq1 I kq3 I th i k i k i ku i kd.c. i p i p1 i p3 j k k 2 k c m n n K T S r R L R P R T S rt t 1, t 2, t 3, t O U min U n U nq U rt Napěťový součinitel Efektivní hodnota napětí ekvivalentního zdroje Střední geometrická vzdálenost mezi vodiči nebo svazkem Největší proud vedení Vypínací zkratový proud Počáteční rázový zkratový proud Počáteční rázový zkratový proud pro jednofázový zkrat Počáteční rázový zkratový proud pro třífázový zkrat Počáteční souměrný rázový zkratový proud pro jednofázový zkrat v bodě připojení napáječe Počáteční souměrný rázový zkratový proud pro třífázový zkrat v bodě připojení napáječe Ekvivalentní oteplovací zkratový proud Rázová sloţka zkratového proudu Přechodná sloţka zkratového proudu Ustálená sloţka zkratového proudu Stejnosměrná sloţka zkratového proudu Nárazový zkratový proud Nárazový zkratový proud pro jednofázový zkrat Nárazový zkratový proud pro třífázový zkrat Komplexní jednotka Bezpečnostní koeficient Koeficient pro přepočítání primárního nastavení na sekundární nastavení distanční ochrany Koeficient citlivosti Součinitel pro tepelný účinek stejnosměrné sloţky zkratového proudu Součinitel pro tepelný účinek stejnosměrné sloţky zkratového proudu Počet svazkových vodičŧ Korekční činitel transformátoru Jmenovitý prŧřez vodiče Poloměr vodiče Rezistance vedení na jednotku délky Odpor poruchy Rezistance transformátoru Jmenovitý zdánlivý výkon transformátoru Časové zpoţdění jednotlivých zón distanční ochrany Nejniţší očekávané napětí v normálním provozu Sdruţené jmenovité napětí soustavy Jmenovité napětí soustavy v bodě připojení napáječe Jmenovité napětí transformátoru na straně vyššího nebo niţšího napětí

13 Seznam symbolŧ a zkratek 13 u k Jmenovité napětí nakrátko u r Činná sloţka napětí nakrátko u x Induktivní sloţka napětí nakrátko X L Reaktance vedení na jednotku délky X T Reaktance transformátoru x T Poměrná reaktance transformátoru (1) Sousledná impedance zkratového obvodu (2) pětná impedance zkratového obvodu (0) Netočivá impedance zkratového obvodu 1k Sousledná zkratová impedance do místa zkratu,, Sousledné impedance jednotlivých úsekŧ AB kmax ρ κ BC CD Největší hodnota zkratové impedance měřená ochranou při zkratu na konci chráněného úseku Měrný odpor Součinitel pro poměr R / X nebo X / R DO ES E MTI MTU zóna O nn vn vvn zvn Distanční ochrana Elektrizační soustava Elektrická zařízení Měřící transformátor proudu Měřící transformátor napětí óna opětovného zapnutí Nízké napětí Vysoké napětí Velmi vysoké napětí vlášť vysoké napětí

14 1. Úvod Úvod U kaţdého elektrického zařízení se musí počítat nejen s normálním, ale také s poruchovým stavem. Mezi poruchové stavy patří například přepětí, zkrat či zemní spojení. Nejen tyto poruchové stavy mohou zpŧsobit velké škody v celé elektrizační soustavě, která obsahuje mnoho elektrických zařízení. Právě elektrická zařízení v dnešní době jsou velice nákladnou investicí a při stále zvyšujících se instalovaných výkonech se zvyšuje jejich počet a zvyšují se taktéţ nároky na spolehlivost celé elektrické sítě. Právě pro lepší spolehlivost energetických zařízení nám slouţí ochrany, které jsou instalovány u všech prvkŧ v elektrizační soustavě. Kaţdá taková ochrana musí vţdy rozlišit zda jde o normální, nebo poruchový stav. Pokud tedy nastane porucha, ochrana má za úkol tento neţádoucí jev co nejrychleji odstranit a to například vypnutím. Samozřejmě s tím, jak se celá elektrická síť modernizuje a zvyšují se její nároky na spolehlivost, tak se stejným směrem ubírají i ochrany. V dnešní době se pouţívají nejen ochrany na bázi elektromechanických relé, ale i ochrany na bázi polovodičŧ a v poslední době čím dál víc rozšířenější a populárnější číslicové ochrany, které se také označují jako digitální ochrany.

15 2. Cíl práce Cíl práce Cílem této práce je výpočet nastavení distanční ochrany vedení. Cíl se skládá z dílčích cílŧ a to jednak z analýzy poruchových stavŧ v elektrizační soustavě, z výpočtŧ souměrných a nesouměrných zkratŧ, z výběru distanční ochrany a pak také z výpočtu jejího nastavení.

16 3. Poruchové stavy Poruchové stavy Poruchových stavŧ v ES se mŧţe vyskytnout celá řada. V této kapitole stručně rozebereme nejčastější poruchové stavy v síti vyjma zkratŧ, které tvoří náplň kapitoly Přepětí Přepětím nazýváme všechna napětí, která překročí amplitudu jmenovitého napětí. To se mŧţe lišit svou velikostí, časovým prŧběhem, příčinou svého vzniku a frekvencí výskytu. Podle normy se přepětí dělí podle časového prŧběhu do následujících skupin: - trvalé přepětí - střídavé přepětí síťové frekvence a konstantní efektivní hodnoty, - dočasné přepětí - střídavé přepětí síťové frekvence a doby trvání od 0,03 s do 3600 s, - přechodné přepětí - přepětí trvající několik milisekund nebo méně, které má tlumený oscilační nebo impulsní prŧběh, - kombinované přepětí - přepětí vzniklé současným výskytem dvou druhŧ přepětí [1]. Dále mŧţeme přepětí rozdělit podle vzniku a to na vnitřní přepětí a vnější přepětí. Vnitřní přepětí (provozní) bývá zpŧsobeno například při spínání kondenzátorových baterií. Vnější přepětí (atmosférické) je nebezpečnější neţ vnitřní a vzniká při bouřkách buď přímým úderem blesku do zařízení, nebo indukcí napětí, uhodí-li blesk do blízkých předmětŧ. V obou případech se tak po vedení začne šířit přepěťová vlna, která se rozdělí na dvě části a kaţdá jde k jednomu konci vedení. Díky těmto přepětím vznikají výpadky elektrické energie, které společně s opravou poškozených zařízení zpŧsobují poměrně veliké finanční ztráty. Proto se u zařízení instalují ochrany, které slouţí k omezení a zneškodnění přepětí Ochrany přepětí Tyto ochrany slouţí k omezení velikosti přepětí. Jednotlivé ochrany dělíme do dvou skupin a to pasivní ochrany a aktivní ochrany. a) Pasivní ochrany Do této skupiny se řadí stoţáry. Při úderu blesku do stoţáru mŧţe dojít k přeskoku na vedení a proto se doporučuje, aby odpor stoţáru byl menší nebo roven 15 Ω. Další pasivní ochranou je zemnící lano, které se montuje na nejvyšší část stoţáru, spojuje se s uzemněním a chrání fázové vodiče proti přímému úderu blesku a zmenšuje indukované napětí při úderu blesku v blízkosti vedení. Této ochrany se pouţívá především u vedení vvn a zvn. b) Aktivní ochrany de se pouţívá jiskřiště a bleskojistky. Jiskřiště většinou představují nejslabší místo vedení, kde je záměrně svedena přepěťová vlna k zemi. Jedním z pouţívaných typŧ je rŧţkové jiskřiště Obrázek Chrání dvě kovové části, kde vznikl oblouk. Ten stoupá po rŧţkách nahoru a tím se prodluţuje, ochlazuje, zvětšuje se jeho odpor a zhasíná. Druhým typem ochrany jsou bleskojistky, které tvoří vlně v cestě určitý odpor. Bleskojistky mají vnější a vnitřní jiskřiště, kterým přepětí likvidují. Mezi nejpouţívanější typy patří ventilová a stavebnicová bleskojistka.

17 3. Poruchové stavy emní spojení Obrázek 3. 1 Rŧţkové jiskřiště emní spojení je nejčastější porucha na venkovním vedení. Vyskytuje se u sítí izolovaných a sítí neúčinně uzemněných Sítě izolované Jako izolované se provozují sítě vn od 6 kv do 35 kv. Jedná se o sítě, kde uzel vinutí transformátoru není na uvaţované straně spojen se zemí. V okamţiku, kdy dojde ke spojení jedné fáze se zemí, tak napětí mezi zemí a uzlem transformátoru, které bylo do té doby nulové, vzroste na fázové napětí a napětí na zdravých fázích vŧči zemi vzroste na sdruţenou hodnotu. Výhodou u této poruchy je, ţe síť lze i přes tento stav dále provozovat. Nevýhodou je, ţe v místě spojení fáze se zemí teče proud, který je dán kapacitami zdravých fází vŧči zemi a odporem obvodu, kterým se proud uzavírá. Tento odpor většinou zanedbáváme, takţe uvaţujeme proud čistě kapacitní (Obrázek 3. 2). Pokud tento proud přesáhne hodnotu 10A a zemní spojení je přerušované, mohou nastat problémy, které vedou k dvojitému zemnímu spojení, coţ uţ je vlastně zkrat a vedení musí být ihned odpojeno. Obrázek 3. 2 Rozloţení proudŧ v izolované síti při zemním spojení [2]

18 3. Poruchové stavy Sítě neúčinně uzemněné V tomto případě se jedná o sítě, kde je uzel vinutí transformátoru uzemněn přes velkou impedanci. Tyto sítě se dělí na sítě uzemněné přes rezistanci a kompenzované sítě. U kompenzovaných sítí se ke sníţení zemního proudu pouţívá Petersenova zhášecí cívka (zhášecí tlumivka). Ta se vkládá mezi uzel transformátoru a zem. Jedná se o cívku se ţelezným jádrem, která má v magnetickém obvodu vzduchovou mezeru. Při normálním provozu je mezi uzlem transformátoru a zemí nepatrné napětí, které je dáno velikostí nesymetrie zátěţe. Při zemním spojení toto napětí vzroste aţ na fázovou hodnotu pro odpor poruchy blízký nule a tlumivkou začne procházet proud indukčního charakteru. Přes postiţené místo se uzavírá i obvod kapacit, kterým protéká kapacitní proud a ten se rovná proudu procházejícího tlumivkou (Obrázek 3. 3). Místem poruchy tedy neteče ţádný proud ( I p =0). Pokud se změní kapacita vedení, musí se vţdy nastavit indukčnost cívky, proto je cívka regulovatelná. Obrázek 3. 3 Rozloţení proudŧ v kompenzované síti při zemním spojení [2] Tam, kde vedení nemá vyveden uzel pro připojení tlumivky se uţívá Bauchŧv zhášecí transformátor Obrázek Ten plní stejnou funkci jako Petersonova cívka, ale nevýhodou je jeho obrovská cena především u vyšších napětí, a proto se jeho pouţívání v praxi nerozšířilo. U sítí uzemněných přes rezistaci je uzel transformátoru spojen se zemí přes rezistor. Pouţívá se zejména u kabelových sítí. Výhodou je omezení přepětí, ale při zemním spojení se síť musí ihned vypnout.

19 3. Poruchové stavy 19 Obrázek 3. 4 apojení Bauchova zhášecího transformátoru 3.3 Ostatní poruchové stavy [3] Poruchových stavŧ je celá řada. Kromě jiţ výše uvedených poruch mŧţou nastat i tyto následující poruchy. - Nesouměrnost proudů a napětí sniţuje kvalitu dodávané energie a je nebezpečná zejména pro točivé stroje, kde zpětná sloţka mŧţe zpŧsobit nadměrné přehřívání rotorŧ. - pětný tok výkonu je porucha zvlášť nebezpečná pro turbíny, kdy např. při jejím poškození a uzavření přívodu páry generátor mŧţe pracovat jako asynchronní motor, dále protáčí turbínu, čímţ se její poškození zvětšuje. Dále mŧţe nastat při paralelním provozu sítí rŧzných napětí, kdy část výkonu teče sítí niţšího napětí a je zpět vracena do sítě vyššího napětí. To mŧţe vést k přetíţení vedení niţšího napětí a tudíţ k nekontrolovatelným tokŧm výkonŧ. - Kývání synchronních strojů v ES se projevuje jako fiktivní zkrat, který se jako by periodicky pohyboval po spojovacích vedeních mezi synchronními stroji. Pokud nedojde ke ztrátě stability, je neţádoucí pŧsobení ochran během kývání. - Asynchronní chod nastává při ztrátě synchronismu generátorŧ. Je nebezpečný zejména pro samotné synchronní stroje a turbíny a má za následek také přetěţování spojovacích vedení a transformátorŧ. - Snížení kmitočtu signalizuje zpravidla nedostatek činného výkonu v ES nebo špatně seřízenou regulaci otáček turbín. pravidla jde o nedostatek výkonu a je nutné sníţit spotřebu. Sníţení spotřeby se dnes jiţ provádí v některých oblastech automaticky prostřednictvím hromadného dálkového ovládání, nebo pouţitím kmitočtových relé. Sníţení nebo zvýšení kmitočtu nepříznivě ovlivňuje provoz turbín i spotřebičŧ.

20 4. kraty v elektrizační soustavě kraty v elektrizační soustavě kratem nazýváme chybné vodivé spojení mezi jednotlivými fázemi ES, případně mezi některou fází a zemí v soustavě účinně uzemněné. Toto chybné spojení zpŧsobí nadměrný vzrŧst proudu nad obvyklou provozní hodnotu tím, ţe jsou z elektrického obvodu vyřazeny spotřebiče, které představují hlavní část odporu obvodu. Tento proud ohroţuje veškerá zařízení ES jednak svými dynamickými, ale i tepelnými účinky. Napětí v místě zkratu klesne na nepatrnou hodnotu, takţe celé vnitřní napětí zdroje se spotřebuje na úbytky napětí v alternátorech, transformátorech, vedeních, nebo dalších prvcích sítě [4]. krat mŧţe nastat po chybné manipulaci, nebo při poškození izolace. Izolace mŧţe být poškozena např. po úderu blesku, při práci (poškození izolace kabelu při zemních pracích), nebo také jejím stárnutím. 4.1 Druhy zkratu K chybnému spojení mŧţe dojít v trojfázové soustavě mezi rŧznými vodiči-obrázek trojfázový zkrat nastane při spojení všech tří fází ES v jednom místě; - trojfázový zemní zkrat nastane při spojení všech tří fází navzájem a jejich současném spojení se zemí; - dvojfázový zkrat nastane při spojení kterýchkoliv dvou fází trojfázové soustavy v jednom místě; - dvojfázový zemní zkrat nastane, jsou-li dvě spojené fáze současně spojeny se zemí; - jednofázový zkrat nastane v soustavě s uzemněným nulovým uzlem, případně vyvedeným středním vodičem při spojení jedné z fází se zemí nebo se středním vodičem [4]. kraty dále dělíme na souměrné a nesouměrné. Mezi souměrné patří trojfázové a trojfázové zemní. Ostatní zkraty patří mezi nesouměrné. Podle přechodového odporu v místě poruchy mezi krajními vodiči, středním vodičem nebo zemí rozeznáváme zkraty dokonalé se zanedbatelným přechodovým odporem. Tyto zkraty zpŧsobují největší silové a tepelné namáhání prvkŧ elektrizační soustavy a protoţe je nelze vyloučit, jsou rozhodující pro jejich dimenzování. kraty nedokonalé s hořícím obloukem nebo jinak nedokonalým stykem vodičŧ, které ohroţují místo poruchy a jeho okolí poţárem [5].

21 4. kraty v elektrizační soustavě 21 Obrázek 4. 1 Druhy zkratu: a) trojfázový, b) trojfázový zemní, c) dvoufázový d) dvoufázový zemní,e) jednofázový [4] 4.2 Časový průběh zkratového proudu [6] Díky změně impedance při zkratu probíhá v prvcích ES přechodný děj. Energie magnetického pole se v těchto prvcích nemŧţe měnit skokově, a proto má zkratový proud v závislosti na čase neharmonický prŧběh. Obrázek 4. 2 Časový prŧběh zkratového proudu [6]

22 4. kraty v elektrizační soustavě 22 Časový prŧběh zkratového proudu obsahuje: - rázovou sloţku i k - přechodnou sloţku i k - ustálenou sloţku i ku - stejnosměrnou sloţku i kd.c. Součtem rázové, přechodné a ustálené sloţky dostaneme souměrný zkratový proud i ks, který je souměrný podle časové osy. Sečtením všech čtyřech sloţek získáváme nesouměrný zkratový proud. Obrázek 4. 3 Časové prŧběhy sloţek zkratového proudu: a) rázová sloţka, b) přechodná sloţka, c) ustálená sloţka, d) stejnosměrná sloţka [6] 4.3 ákladní veličiny pro dimenzování zařízení [6] Pro dimenzování elektrických zařízení (E) proti účinkŧm zkratových proudŧ jsou potřebné následující pojmy, které byly za tímto účelem zavedeny. Předpokládaný zkratový proud: Velikost proudu, který by tekl obvodem, kdyby byl zkrat napájený ideálním zdrojem se zanedbatelnou impedancí. Počáteční rázový zkratový proud I k : Efektivní hodnota střídavé souměrné sloţky předpokládaného zkratového proudu v okamţiku vzniku zkratu. Stejnosměrná složka zkratového proudu i kd.c. : Její velikost je závislá na okamţité hodnotě napětí při vzniku zkratové poruchy.

23 4. kraty v elektrizační soustavě 23 Nárazový zkratový proud i p : Maximální moţná okamţitá hodnota předpokládaného zkratového proudu. Tato hodnota je určující pro dimenzování E na silové účinky zkratových proudŧ. Ekvivalentní oteplovací zkratový proud I th : Efektivní hodnota proudu, který má stejné tepelné účinky jako skutečný zkratový proud, který mŧţe obsahovat stejnosměrnou sloţku. Tato hodnota je určující pro dimenzování E na tepelné účinky zkratových proudŧ. Vypínací zkratový proud I bns : Udává velikost nesymetrického zkratového proudu v okamţiku vypínání zkratu.

24 5. Výpočet zkratových proudŧ Výpočet zkratových proudů ákladní normou, která se pouţívá pro výpočet zkratových proudŧ v trojfázových střídavých soustavách je ČSN EN Tato norma platí pro výpočty v sítích nn, vn, vvn a zvn do 550 kv, při jmenovité frekvenci 50 Hz nebo 60 Hz. Dále platí pouze pro sítě s přímo uzemněným uzlem transformátoru a pro sítě, kdy je uzel transformátoru uzemněn přes impedanci. 5.1 jednodušující předpoklady výpočtu [6] Pro snadnější výpočet v rozsáhlých sítích se podle normy ČSN EN vychází z následujících základních zjednodušení. - Během trvání zkratu se nemění typ zkratu. To znamená, ţe druh zkratu který nastal zŧstává stejný po celou dobu trvání poruchy. - Během trvání zkratu se nemění zapojení obvodu. - Impedance transformátorŧ se počítají pro případ, ţe přepínače odboček jsou zapojené v základní poloze. - Odpory obloukŧ se neuvaţují. - Všechny kapacity vedení, paralelní admitance a netočivé statické zátěţe se zanedbávají s výjimkou paralelních admitancí v netočivé soustavě. Pro nesouměrné zkraty je třeba, aby se zkratové proudy počítaly metodou souměrných sloţek. 5.2 Souměrné složky [6] Často se vyskytují stavy v ES, při kterých zdroje dodávají nevyţádané soustavy elektromotorických napětí nebo zátěţe mají nesouměrné obvody. To má za následek, ţe se napětí mezi fázemi a proudy v obvodech dostávají do nevyváţeného stavu. Aby popis těchto dějŧ byl přehledný, zavádí se do výpočtu tzv. sloţkové metody. Jednou z těchto metod je metoda souměrných sloţek. Principem této metody je, ţe kaţdou nesymetrickou třífázovou soustavu mŧţeme rozdělit do tří souměrných sloţkových soustav - sousledná sloţka zkratové impedance (1), - zpětná sloţka zkratové impedance (2), - netočivá sloţka zkratové impedance (0). Sloţkové impedance prvkŧ se určí při napájení jednotlivých prvkŧ zdroji se souslednou (Obrázek 5. 1), zpětnou (Obrázek 5. 2) a netočivou (Obrázek 5. 3) soustavou napětí.

25 5. Výpočet zkratových proudŧ 25 Obrázek 5. 1 Sousledná sloţka zkratové impedance [6] Obrázek 5. 2 pětná sloţka zkratové impedance [6] Obrázek 5. 3 Netočivá sloţka zkratové impedance [6] Je dŧleţité rozeznávat mezi zkratovými impedancemi v místě zkratu F (Obrázek 5. 1) a zkratovými impedancemi kaţdého E. 5.3 Postup při výpočtu zkratu [6] Ve většině případŧ kde nastal zkrat se vyskytuje více napěťových hladin. Je tedy zapotřebí, aby se impedance jednotlivých prvkŧ přepočítaly na jednu napěťovou hladinu. Ta se obvykle volí podle toho, kde nastal zkrat. V místě zkratu se zavádí ekvivalentní napěťový zdroj kde: c napěťový součinitel (Tabulka 5. 1) U n jmenovité napětí. Tento napěťový zdroj je jediným aktivním napětím soustavy. c U n 3,

26 5. Výpočet zkratových proudŧ 26 Tabulka 5. 1 Hodnoty napěťového součinitele c [6] Při výpočtu nejprve sestavíme celé schéma zapojení se všemi parametry prvkŧ vztaţené k jejich jmenovitému výkonu a napětí. Ve schématu se dále vyznačí místa zkratu, jejich druh případně maximální doba trvaní zkratu. Impedance jednotlivých prvkŧ se přepočítají do místa zkratu. Pokud se jedná o souměrný zkrat, nakreslí se náhradní schéma jen pro souslednou sloţku. Je-li zkrat nesouměrný, musí se schéma nakreslit i pro zpětnou a netočivou sloţku. tohoto náhradního schématu určíme celkovou impedanci v místě zkratu. Nakonec se vypočítá počáteční rázový zkratový proud I k a další parametry určující zkratové poměry (kapitola 4. 3). 5.4 kratové impedance elektrických zařízení Jestliţe prvek ES neobsahuje ţádné magnetické vazby jeho obvodŧ, potom jeho impedance nezávisí na sledu fází připojeného napětí. U tlumivek, které slouţí k omezení zkratových proudŧ jsou všechny zkratové impedance stejné, tedy (1) = (2) = (0). U síťových napáječŧ, transformátorŧ, vedení a podobných E se sousledná a zpětná zkratová impedance sobě rovnají, tedy (1) = (2). Netočivá sloţka záleţí na konstrukci daného prvku. de rozhoduje, jak je dané E uzemněné. Při výpočtu zkratových proudŧ metodou ekvivalentního napěťového zdroje se impedance síťových transformátorŧ musí vynásobit impedančním korekčním činitelem K T [6] Síťové napáječe [6] Velice často se při výpočtu potřebuje ES nahradit jediným zdrojem. Podle normy ČSN EN se tyto zdroje označují jako síťové napáječe. Jedná se o zdroj, který nelze v praxi vytvořit. U těchto síťových napáječŧ (označované taky jako tvrdá síť) je teoreticky nekonečně velký výkon, nulová impedance, konstantní svorkové napětí a nekonečně velká rozběhová konstanta. Tyto síťové napáječe se nahrazují příslušnou zkratovou impedancí. Sousledná sloţka zkratové impedance síťového napáječe je:

27 5. Výpočet zkratových proudŧ 27 (1) Q c U nq (Ω; -, kv, ka) (5.1) '' 3 I kq 3 kde: U nq sdruţené jmenovité napětí soustavy v bodě připojení napáječe Q I kq3 počáteční souměrný rázový zkratový proud pro třífázový zkrat v bodě připojení napáječe Q Jak je uvedeno v kap. 5.4 zpětná sloţka zkratové impedance se rovná sousledné, tedy: (2)Q = (1)Q. Obrázek 5. 4 Síťový napáječ a jeho náhradní schéma pro třífázový zkrat [6] Netočivá sloţka zkratové impedance síťového napáječe je: c U nq 3 2 0Q (Ω; -, kv, ka, ka) (5.2) I I '' '' 3 kq1 kq3 kde: I kq1 počáteční souměrný rázový zkratový proud pro jednofázový zkrat v bodě připojení napáječe Q Pokud se jedná o napáječe s jmenovitým napětím nad 35 kv napájených z venkovních vedení, je moţné ekvivalentní impedanci Q povaţovat za reaktanci. Mŧţeme tedy napsat Q =0+jX Q. V případech, kdy neznáme přesnou hodnotu rezistance R Q, mŧţeme dosadit R Q =0,1. X Q, kde X Q =0,995. Q Dvouvinuťové transformátory [6] Sousledná sloţka zkratové impedance dvouvinuťového transformátoru je: (1) T u k 100 U S 2 rt rt (Ω; %, kv, MVA) (5.3) kde: u k jmenovité napětí nakrátko U rt jmenovité napětí transformátoru na straně vyššího nebo niţšího napětí jmenovitý zdánlivý výkon transformátoru S rt Tuto impedanci mŧţeme napsat také v komplexním tvaru T =R T +jx T. Potom pro rezistanci transformátoru mŧţeme napsat: R T u r U S 2 rt rt (Ω; %, kv, MVA) (5.4) Pro reaktanci platí podobný vztah:

28 5. Výpočet zkratových proudŧ 28 X T u x U S 2 rt rt (Ω; %, kv, MVA) (5.5) kde: u r činná sloţka napětí nakrátko u x induktivní sloţka napětí nakrátko pětná sloţka zkratové impedance transformátorŧ je stejná jako sousledná sloţka (viz. kap. 5.4). Mŧţeme tedy napsat: (2)T = (1)T. Velikost netočivé sloţky zkratové impedance záleţí na konstrukci transformátoru. U plášťových transformátorŧ je tato sloţka rovna sousledné sloţce: (0)T = (1)T. (Ω; Ω) (5.6) U jádrových transformátorŧ uţ tato hodnota není stejná a přibliţně platí: (0)T = 0,85. (1)T. (Ω; Ω) (5.7) Jak je uvedeno v kap. 5.4, u síťových transformátorŧ se tato impedance musí vynásobit korekčním součinitelem K T, který se vypočítá: K T 0,95 1 c max 0,6 kde: x T poměrná reaktance transformátoru: x T (-; -, -) (5.8) T xt (-; Ω, kv, MVA) 2 U rt SrT c max napěťový součinitel s ohledem na vnitřní napětí zdroje (Tabulka 5. 1) Tento korekční součinitel K T se musí pouţít nejen pro souslednou, ale i zpětnou a netočivou sloţku zkratových impedancí Trojvinuťové transformátory [6] de se sousledné zkratové impedance dají vypočítat pomocí tří zkratových impedancí. V našem konkrétním případě se impedance vztahují na stranu A daného transformátoru (Obrázek 5. 5). Při rozpojení strany C: X AB = urab 100 u xab j 100 U S 2 rta rtab (Ω; %, %, kv, MVA) (5.9) Při rozpojení strany B: AC = u rac 100 u xac j 100 U S 2 rta rtac (Ω; %, %, kv, MVA) (5.10) Při rozpojení strany A: BC = u rbc 100 u xbc j 100 U S 2 rta rtbc (Ω; %, %, kv, MVA) (5.11) Pomocí vzorcŧ:

29 5. Výpočet zkratových proudŧ 29 A = 2 1 (AB + AC - BC ) (Ω) (5.12) B = 2 1 (AB + BC AC ) (Ω) (5.13) C = 2 1 (AC + BC AB ) (Ω) (5.14) kde: U rta jmenovité napětí na straně A S rtab jmenovitý zdánlivý výkon mezi stranami A a B S rtac jmenovitý zdánlivý výkon mezi stranami A a C S rtbc jmenovitý zdánlivý výkon mezi stranami B a C u rab, u xab činná a induktivní sloţka napětí nakrátko mezi stranami A a B u rac, u xac činná a induktivní sloţka napětí nakrátko mezi stranami A a C u rbc, u xbc činná a induktivní sloţka napětí nakrátko mezi stranami B a C Stejně jak u dvouvinuťových transformátorŧ se zpětné zkratové impedance rovnají sousledným. Netočivé zkratové impedance udávají výrobci. Obrázek 5. 5 Trojvinuťový transformátor a jeho náhradní schéma [6] Korekční činitel se musí vypočítat pro kaţdou impedanci zvlášť a to obdobným zpŧsobem, jak u dvouvinuťových transformátorŧ a to podle vzorcŧ: K TAB 0,95 1 c 0,6 max x TAB (-; -, -) (5.15) K TAC 0,95 1 c 0,6 max x TAC (-; -, -) (5.16) K TBC 0,95 1 c 0,6 max x TBC (-; -, -) (5.17) Venkovní vedení a kabely [6] V náhradním schémtu vedení se vyskytuje jak podélná sloţka (impedance ), tak i příčná sloţka (admitance Y). Pro účely výpočtu zkratových proudŧ se příčná sloţka zanedbává a tak vedení nahrazujeme pouze podélnou impedancí, která je tvořená rezistancí R a indukční reaktancí X. je: Činná rezistance na jednotku délky R L venkovních vedení při střední teplotě vodiče 20 C

30 5. Výpočet zkratových proudŧ 30 R L (Ω.km -1 ; Ω.mm 2.km -1, mm 2 ) (5.18) S kde: ρ měrný odpor ( pro měď: ρ =18,52 Ω.mm 2.km -1 pro hliník: : ρ =29,41 Ω.mm 2.km -1 ) S jmenovitý prŧřez vodiče Reaktance na jednotku délky X L pro venkovní vedení je: X L 0,25 d 0,0628 ln (Ω.km -1 ) (5.19) n r kde: n počet svazkových vodičŧ (pro jednoduchý vodič n = 1) d střední geometrická vzdálenost mezi vodiči nebo svazkem: d 3 d 12 d 23 d13 r poloměr jednoduchého vodiče; v případě svazkových vodičŧ r kde R je poloměr svazku Sousledná a zpětná sloţka zkratové impedance je stejná a vypočítá se ze známých parametrŧ vodiče (prŧřez, vzdálenost vodičŧ). 5.5 Výpočet charakteristických hodnot zkratového proudu Pokud máme vypočítanou celkovou zkratovou impedanci v místě zkratu, mŧţeme určit charakteristické hodnoty, které jsou uvedeny v kapitole Počáteční rázový zkratový proud I k [6] a) Třífázový zkrat Vztah pro třífázový zkrat, kdy počítáme pomocí ekvivalentního napěťového zdroje a výsledné zkratové impedance v místě zkratu je: kde: K výsledná impedance obvodu v místě zkratu b) Jednofázový zkrat I c U '' n k 3 (A; -, V, Ω) (5.20) 3 Pro hodnotu počátečního rázového zkratového proudu při jednofázovém zkratu platí: (1) (2) K '' 3 c U n I k 1 (A; -, V, Ω) (5.21) (0) n n r n R 1 Pro elektricky vzdálený zkrat potom platí (2) = (1) I '' n k 1 (A; -, V, Ω) (5.22) 2 3 (1) c U (0)

31 5. Výpočet zkratových proudŧ Nárazový zkratový proud i p [6] Pro třífázový zkrat mŧţeme napsat: i I (A; -, A) (5.23) '' p3 2 k3 kde: κ součinitel pro poměr R / X nebo X / R podle obrázku 5. 6, nebo dle vztahu: 3R / X 1,02 0,98 e (-; Ω, Ω) (5.24) Obrázek 5. 6 Součinitel κ jako funkce R /X a X /R [6] Pro jednofázový zkrat platí obdobný vztah jak pro třífázový: i I (A; -, A) (5.25) '' p1 2 k Ekvivalentní oteplovací zkratový proud I th [6] Tento proud vypočítáme dle vztahu: I th I '' k m n (A; A, -, -) (5.26) kde: m součinitel pro tepelný účinek stejnosměrné sloţky zkratového proudu n součinitel pro tepelný účinek stejnosměrné sloţky zkratového proudu Tyto součinitelé jsou uvedeny v normě ČSN EN Vliv oblouku při zkratu [9] Vliv oblouku při zkratu se nahrazuje rezistancí. Pokud uvaţujeme jednofázový zkrat, tak místo oblouku v jedné fázi máme ve zkratové odbočce symetrický článek s rezistancí R (Obrázek 5. 7). Potom se tedy při jednofázovém zkratu celková zkratová impedance do místa zkratu zvětší o R a to ve všech sloţkových soustavách. Potom se tedy vztah 5.22 změní na: '' 3 c U n I k1 (A; -, V, Ω) (5.27) 3 R (1) (2) (0)

32 5. Výpočet zkratových proudŧ 32 Obrázek 5. 7 Schéma náhrady oblouku rezistancí při jednofázovém zkratu [9] Pokud budeme uvaţovat oblouk při výpočtu dvoufázového zkratu, tak postupujeme obdobně, jak u jednofázového. Do zkratové odbočky zařadíme symetrický článek a to s rezistancemi R/2 (Obrázek 5. 8). Opět se tedy celková zkratová impedance do místa zkratu zvětší o R/2 v obou sloţkových soustavách (sousledné a zpětné). Obrázek 5. 8 Schéma náhrady oblouku rezistancí při dvoufázovém zkratu [9]

33 6. Distanční ochrany vedení Distanční ochrany vedení Distanční ochrany (DO) označované také jako impedanční ochrany se nejčastěji pouţívají na vedeních vn a vvn a také u transformátorŧ s velkými výkony. Patří mezi stupňové ochrany. Tyto ochrany měří impedanci mezi místem poruchy a místem umístění, ochrany. Jejich konstrukce bývá rŧzná. To znamená, ţe mohou reagovat nejen na impedanci ale i např. na rezistanci, reaktanci a podobně. Vypínací charakteristika je znázorněna na Obrázek Vznikne-li zkrat mezi body BC, pak nabíhají ochrany v bodech B a A. Ochrana v bodě B vypíná v čase t 0. Pokud selţe, vypíná ochrana v bodě A s časovým zpoţděním druhého nebo třetího stupně. Tímto principem se ochrany navzájem zálohují a navíc vypínací časy pro poruchy v chráněných úsecích směrem ke zdroji se neprodluţují, coţ je jedna z výhod DO [7]. DO se zpravidla skládá s následujících členŧ: Obrázek 6. 1 Vypínací plán distančních ochran [7] - popudový člen (nadproudový nebo impedanční) ten rozpoznává zkrat v síti a předává jí následujícímu členu, - měřící člen realizován jako amplitudový nebo fázový komparátor a u digitálních ochran číslicově, - směrový člen určuje, zda porucha leţí ve směru pŧsobnosti ochrany, - časový člen, - koncový člen ten rozhoduje o vypnutí [7], [8].

34 6. Distanční ochrany vedení Měřící členy distanční ochrany Tento člen je jeden z nejdŧleţitějších. Jeho vstupními hodnotami je proud a napětí v místě připojení ochrany. těchto hodnot vyhodnocuje impedanci. Pokud tato impedance poklesne pod nastavenou hodnotu, dává popud k vypnutí. Nejčastější pouţívané tvary impedančních charakteristik měřících členŧ jsou: - impedanční s kruhovou charakteristikou Obrázek 6. 2 vlevo, - charakteristika admitanční nebo typu,,polarised mho Obrázek 6. 2 vpravo, - vysunutá charakteristika typu,,offset mho Obrázek 6. 3 vlevo, - reakční, rovnoběţná s reálnou osou Obrázek 6. 3 vpravo, - rezistanční, rovnoběţná s imaginární osou Obrázek 6. 4 vlevo, - směrová přímková, která prochází počátkem komplexní roviny Obrázek 6. 4 vpravo [8]. Obrázek 6. 2 Impedanční kruhová charakteristika a impedanční kruhová charakteristika typu,,polarised mho [8]. Obrázek 6. 3 Vysunutá charakteristika typu,,offset mho a reakční charakteristika [8].

35 6. Distanční ochrany vedení 35 Obrázek 6. 4 Rezistanční charakteristika a směrová přímková charakteristika [8]. kde: h 0 hraniční oblast P d oblast zátěţe oblast zkratu P z Měřící člen mŧţe být buď pouze jeden o přepínání citlivosti - dosahu pro jednotlivé stupně, nebo se pouţije pro kaţdý stupeň jeden měřící člen. Díky tomu, ţe v trojfázové účinně uzemněné soustavě mŧţe vzniknout jedenáct rŧzných druhŧ zkratu, jsou poţadavky na správnost měření dosti značné. Jedná se o tyto druhy zkratu: jednopólové - RN, SN, TN dvojpólové izolované - RS, ST, TR dvojpólové zemní - RSN, STN, TRN trojpólový izolovaný - RST trojpólový zemní - RSTN Pro pokrytí těchto druhŧ zkratŧ se pouţívá následující počet měřících členŧ: a) 6 - tři pro zkraty jednopólové a tři pro mezifázové. bývající druhy zkratŧ jsou modifikací těchto šesti b) 3 - pro měření mezifázových zkratŧ. Při zemních zkratech se měřící členy z mezifázového zapojení přepínají do zapojení fáze - zem. Popud pro přepnutí je dán při vzniku nulové sloţky zkratového proudu. Ta se právě objevuje při zemních zkratech. c) 1 - nejméně spolehlivý, ale úsporný zpŧsob. Na měřící člen je přivedeno napětí a proud který, určí popudové členy logikou. Ta podle jejich sepnutí vyhodnocuje druh zkratové poruchy. Příklad logiky výběru poruchové smyčky je v tabulce 6. 1 [7].

36 6. Distanční ochrany vedení 36 Druh zkratu Nabíhá proud ve fázi Měřící člen dostává proud napětí L1 - L3 L1, L3 L1 L1 - L3 L2 - L1 L2, L1 L2 L2 - L1 L3 - L2 L3, L2 L3 L3 - L2 L1 - N L1, N L1 - N L1 - N L2 - N L2, N L2 - N L2 - N L3 - N L3, N L3 - N L3 - N L1 - L3 - N L1, L3, N L1 - N L1 - N L2 - L1 - N L2, L1, N L2 - N L2 - N L3 - L2 - N L3, L2, N L3 - N L3 - N L1 - L2 - L3 L1, L2, L3 L1 L1 - L3 Tabulka 6. 1 Logika výběru poruchové smyčky pro měřící člen [7] 6.2 Kompenzace stejnosměrné složky Pokud vstupní napětí a proudy jsou harmonického prŧběhu, tak měřená impedance je: U R jx (Ω; Ω, Ω, V, A) [7] 6.1 I Jestliţe ale zkratový proud obsahuje stejnosměrnou sloţku proudu, tak vztah 6.1 neplatí. Aby tedy měření bylo správné, tak tuto stejnosměrnou sloţku musíme odfiltrovat. Toto odfiltrování se provádí v součtovém členu pomocí tzv.,,modelové impedance Obrázek Obrázek 6. 5 Modelová impedance [7] 6.3 Kompenzace při zemních zkratech Dosah měřících členŧ se nastavuje podle velikosti sousledné impedance chráněného vedení. Je-li DO vybavena samostatnými měřícími členy pŧsobícími při dvoupólových

37 6. Distanční ochrany vedení 37 izolovaných zkratech, tak při jejich seřizování se počítá s tím, ţe sousledná zkratová impedance do místa zkratu 1k má dvojnásobnou velikost. Pokud DO má jeden měřící člen a popudový člen zjistí, ţe jde o dvoupólový izolovaný zkrat, tak se citlivost měřícího členu automaticky změní a to v poměru 1:2. Při zemních zkratech, kdy je dosah měřícího členu seřízen podle sousledné impedance musíme provést korekci vzhledem k rozdílným impedancím mezi fází a zpětnou cestou proudu zemí [7]. 6.4 Nastavení měřících členů DO bývají provedeny se třemi aţ čtyřmi stupni s časovým odstupňováním pro selektivní pŧsobení. Vypínací plán pro dosaţení poţadované selektivity je na obrázku 6.1. Do úvahy při nastavování jednotlivých stupňŧ bereme rozlišovací schopnost měřícího impedančního členu. Chyba měření bývá 10 aţ 20% nastavené impedance. Vzhledem k moţným chybám měření impedance se doporučuje všeobecně provádět nastavení dosahu jednotlivých stupňŧ následovně pro nastavení ochrany v místě A (Obrázek 6. 1). 1. rychlý stupeň: 1 k AB, kde k je bezpečnostní koeficient, který závisí na očekávané přesnosti měření impedance. 2. stupeň: k ( k ) 2 AB BC 3. stupeň: k [ k ( k )] 3 AB BC CD 4. stupeň: dosah je dán citlivostí popudového členu ochrany.,, jsou sousledné impedance jednotlivých úsekŧ. AB BC CD Mezi jednotlivými stupni se nechává rezerva 10 aţ 20% z dŧvodu, aby nedošlo k neselektivnímu pŧsobení dvou ochran [7]. 6.5 Nastavení popudových členů [7] Popudové členy bývají nejčastěji nadproudové nebo impedanční. Nadproudové se nastavují podle stejných zásad, jako nadproudové nezávislé ochrany. Tedy se stanoví časově koordinační interval a rozběhový proud. Musíme však uvaţovat minimální zkratový proud kontrolou při všech druzích zkratu. Pokud je popud impedanční, pak musí platit podmínka, ţe popudový člen nesmí pŧsobit při normálním provozu tedy: U min r min (Ω; Ω, V, A) 6.2 I max kde: r nastavení impedančního popudového členu s oblastí pŧsobení vymezenou příslušnou charakteristikou U min nejniţší očekávané napětí v normálním provozu největší proud vedení I max

38 6. Distanční ochrany vedení 38 Aby popudový člen zachytil i zkraty v sousedním úseku, který DO zálohuje, tak musí platit další podmínka a to: k (Ω; -, Ω) 6.3 r c k max kde: k c koeficient citlivosti kmax největší hodnota zkratové impedance měřená ochranou při zkratu na konci chráněného úseku Citlivost ochran se kontroluje pro zkraty jednopólové a dvoupólové. 6.6 Princip činnosti digitální distanční ochrany [8] Úlohou DO je chránit trojfázové vedení pro jeden terminál. Algoritmy těchto programŧ jsou zaloţené na výpočtu velikosti poruchové impedance. Protoţe typ zkratu není dopředu znám, tak v prvním kroku se musí z navzorkovaných prŧběhŧ napětí a proudu v poruchovém stavu určit typ zkratu. Nejjednodušší algoritmus DO se skládá ze šesti blokŧ ve kterých se v kaţdém určuje typ zkratu. V třech blocích se určují jednofázové zemní zkraty a ve zbývajících třech mezifázové zkraty. Diagram tohoto výpočtového programu je zobrazený na obrázku e známých vzorkŧ v poruchovém stavu pro k-tý vzorek se vypočítá velikost fázorŧ napětí a proudŧ. těchto fázorŧ se vypočítá všech šest impedancí poruchových smyček. Kaţdá hodnota vypočítané impedance je porovnávána s nastavenou charakteristikou ochrany. těchto vypočítaných hodnot impedancí bude jen jedna hodnota správná, která určí typ zkratu a místo poruchy. Dále ve výpočtovém programu určí DO pro daný typ poruchy zónu, odměří vypínací čas a dá povel k vypnutí. Obrázek 6. 6 Vývojový diagram šestisystémové digitální DO [8]

39 6. Distanční ochrany vedení 39 Výhody 6.8 Výhody a nevýhody distančních ochran Poměrně dobrá selektivita Malé zpoţdění při likvidaci zkratŧ v prvním stupni, coţ přispívá k udrţení stability chodu ES Vysoká citlivost při zkratu narozdíl od proudových ochran Nevýhody Sloţitost ochrany a vysoká cena Reagují na kývání a přetíţení, proto se musí vybavit konstrukcí charakteristik měřících členŧ Při nastavování jednotlivých stupňŧ ochrany je přesnost měření ovlivněna velikostí příčné admitance vedení Potíţe při nastavení druhého a dalšího stupně při sloţitějších zapojeních sítě

40 7. Výpočet zkratových poměrŧ dané sítě Výpočet zkratových poměrů dané sítě 7.1 Informace o řešené síti Podrobná síť 110kV patřící společnosti E.ON je zobrazena v příloze B. V této práci se budeme zabývat pouze částí této sítě, která je zakreslena na obrázku Obrázek 7. 1 Jednopólové schéma řešené sítě Při běţném provozu jsou rozvodny Bučovice a Vyškov napájeny z rozvodny Sokolnice, kde je jeden autotransformátor 400/110 kv T MVA. Pokud by bylo třeba, je moţno tuto síť napájet z transformátorŧ 220/110 kv, které jsou také v rozvodně Sokolnice. Rozvodny dounky, Nezamyslice, Prostějov a Konice jsou napájeny z rozvodny Otrokovice, kde jsou tři autotransformátory 400/110 kv. Tato síť je napájena z transformátoru T MVA. Tedy při běţném provozu jsou vedení V555 a V 556 odpojena. Pokud by došlo k poruše v Sokolnicích, je moţné tuto síť napájet celou z rozvodny Otrokovice tím, ţe se sepne vedení V 556. Naopak, pokud by došlo k poruše v Otrokovicích, tak síť je moţné napájet z rozvodny Sokolnice, avšak z dŧvodu moţného přetíţení vedení V 518 a V 519 se rozvodny Konice, dounky, Nezamyslice a část Prostějova napájí z rozvodny Prosenice přes rozvodny Hodolany a Lutín po vedení V 555. Tato část sítě patří společnosti ČE. V rozvodnách Bučovice, dounky a Konice jsou vţdy dva transformátory 110/22 kv 25MVA, v rozvodně Vyškov jsou dva transformátory 110/22 kv 25 MVA a 40MVA,

41 7. Výpočet zkratových poměrŧ dané sítě 41 v rozvodně Prostějov tři transformátory 110/22 kv 40 MVA a v rozvodně Nezamyslice se nachází dva dráţní transformátory 110/22 kv 12,5 MVA a 10 MVA. Všechny parametry sítě potřebné pro výpočet jsou uvedeny v příloze A. 7.2 Výpočet zkratů Výpočet budeme provádět jednak pro zkrat v Sokolnicích, kdy je síť napájena z rozvodny Otrokovice a poté, kdyţ je zkrat v Otrokovicích a síť je napájena z rozvodny Sokolnice (v obou případech je vedení V 556 sepnuté a uvaţujeme, ţe ţádné vedení není při běţném provozu přetíţeno). V kaţdém místě zkratu vypočítáme třífázový zkratový proud a jednofázový zkratový proud Výpočet zkratových impedancí Nejprve vypočítáme zkratové impedance jednotlivých prvkŧ sítě, přičemţ sousledná a zpětná sloţka zkratové impedance je u kaţdého prvku stejná. Vedení V 518 Sousledná a zpětná sloţka zkratové impedance: 518(1) 518(2) R518 jx 518 (4,06 j10,16) Netočivá sloţka zkratové impedance: (7.1) R0 X 0 518(0) R518 jx 518 4,06 2,1 j10,16 3,14 (8,53 j31,9) (7.2) R X Vedení V 519 Sousledná a zpětná sloţka zkratové impedance: 519(1) 519(2) R519 jx 519 (3,82 j9,03) Netočivá sloţka zkratové impedance: (7.3) R0 X (0) R519 jx 519 3,82 1,93 j9,03 3,14 (7,37 j28,35) (7.4) R X Vedení V 556 Sousledná a zpětná sloţka zkratové impedance: 556 (1) 556(2) R556 jx 556 (4,37 j11.37) Netočivá sloţka zkratové impedance: (7.5) R0 X 0 556(0) R556 jx 556 4,37 1,95 j11,37 3,39 (8,52 j38,54) (7.6) R X Vedení V 5575 Sousledná a zpětná sloţka zkratové impedance: 5575 (1) 5575(2) R5575 jx 5575 (5,11 j16,65) Netočivá sloţka zkratové impedance: (7.7)

42 7. Výpočet zkratových poměrŧ dané sítě (0) R 5575 R R jx 5575 X X ,11 1,97 j 16,65 2,64 (10,07 j43,96) (7.8) Vedení V 5576 Sousledná a zpětná sloţka zkratové impedance: 5576 (1) 5576(2) R5576 jx 5576 (2,75 j8,95) Netočivá sloţka zkratové impedance: (7.9) 5576(0) R 5576 R R jx 5576 X X ,75 1,97 j 8,95 2,64 (5,42 j23,63) (7.10) Vedení V 5577 Sousledná a zpětná sloţka zkratové impedance: 5577 (1) 5577 (2) R5577 jx 5577 (2,95 j9,52) Netočivá sloţka zkratové impedance: (7.11) 5577 (0) R 5577 R R jx 5577 X X ,95 1,97 j 9,52 2,64 (5,81 j25,13) (7.12) Vedení V 5578 Sousledná a zpětná sloţka zkratové impedance: 5578 (1) 5578(2) R5578 jx 5578 (4,76 j15,51) Netočivá sloţka zkratové impedance: (7.13) 5578(0) R 5578 R R jx 5578 X X ,76 1,97 j 15,51 2,64 (9,38 j40,94) (7.14) Rozvodna Sokolnice Sousledná a zpětná sloţka zkratové impedance: QS (1) c S U 2 n '' k3 3 1,1 ( ) ,75 X QS ( 1) 0,995 QS (1) 0,995 4,75 4,73 R QS ( 1) 0,1 QS (1) 0,1 4,75 0,47 QS ( 1) QS (2) RQS (1) jx QS (1) (0,47 j4,73) (7.15) (7.16) (7.17) (7.18)))

43 7. Výpočet zkratových poměrŧ dané sítě 43 Netočivá sloţka zkratové impedance: Protoţe S k3 = S k1, bude netočivá sloţka zkratové impedance stejná, jak sousledná a zpětná sloţka. QS ( 0) QS (1) (0,47 j4,73) (7.19) Rozvodna Otrokovice Sousledná a zpětná sloţka zkratové impedance: QO(1) c S U 2 n '' k3 3 1,1 ( ) ,41 X QO ( 1) 0,995. QO(1 ) 0,995 3,41 3,4 R QO ( 1) 0,1 QO(1 ) 0,1 3,41 0,34 QO ( 1) QO(2) RQO(1) jx QO(1) (0,34 j3,4) (7.20) (7.21) (7.22) (7.23)( Netočivá sloţka zkratové impedance: Protoţe S k3 = S k1, bude netočivá sloţka zkratové impedance stejná, jak sousledná a zpětná sloţka. QO ( 0) QO(1) (0,34 j3,4) (7.25) 1 [Ω] 2 [Ω] 0 [Ω] V j j j31.9 V j j j28.35 V j j j38,54 V j j j43.96 V j j j23.63 V j j j25.13 V j j j40.94 Sokolnice 0.47+j j j4.73 Otrokovice 0.34+j j j3.4 Tabulka 7. 1 Hodnoty zkratových impedancí jednotlivých prvkŧ sítě

44 7. Výpočet zkratových poměrŧ dané sítě Výpočet zkratových proudů Třífázový zkrat v Sokolnicích (V 518) Obrázek 7. 2 Náhradní schéma pro třífázový zkrat v Sokolnicích (V 518) Celková sousledná zkratová impedance bude: k (1) QO(1) 5576(1) (1) 5575(1) (1) 1 556(1) 519(1) 518(1) R P (7.26) k (1) (0,34 j3,4) (2,75 j8,95) 1 (4,76 j15,51) (5,11 1 j16,65) (2,95 j9,52) 1 ( 4,37 j 11,37) (3,82 j9,03) (4,06 j10,16) 20 k ( 1) (36,48 j46,6) ,48 46,6 59,8 (7.27) k(1) Počáteční rázový zkratový proud třífázového zkratu bude: 3 '' c U n 1, I k3 1168, 2A (7.28) ,8 k (1)

45 7. Výpočet zkratových poměrŧ dané sítě 45 Jednofázový zkrat v Sokolnicích (V 518) Obrázek 7. 3 Náhradní schéma pro jednofázový zkrat v Sokolnicích (V 518) Celková sousledná a zpětná sloţka zkratové impedance je stejná, jako výpočet (7.26). Nyní vypočítáme netočivou sloţku zkratové impedance: k (0) QO(0) 5576(0) (0) 5575(0) (0) 1 556(0) 519(0) 518(0) R P (7.29) k (0) (0,34 j3,4) (5,42 1 j23,63) (9,38 j40,94) (10,07 1 j43,96) (5,81 j25,13) 1 ( 8,52 j 38,54) (7,37 j28,35) (8,53 j31,9) 20 k ( 0) (52,08 j132,17) ,08 132,17 142,06 (7.30) k(0) Počáteční rázový zkratový proud jednofázového zkratu bude: 3 '' 3 c U n 3 1, I k1 800, 96A (7.31) ,8 142,06 k (1) k (0)

46 7. Výpočet zkratových poměrŧ dané sítě 46 Třífázový zkrat v Otrokovicích (V 5576) Obrázek 7. 4 Náhradní schéma pro třífázový zkrat v Otrokovicích (V 5576) Celková sousledná zkratová impedance bude: k ( 1) QS (1) 518(1) 519(1) 556(1) 5578(1) 5576(1 ) RP (7.32) k ( 1) (0,47 j4,73) (4,06 j10,16) (3,82 j9,03) (4,37 j11,37) ( 4,76 j 15,51) (2,75 j8,95) 20 k ( 1) (40,23 j59,75) ,23 59,75 72,03 (7.33) k(1) Počáteční rázový zkratový proud třífázového zkratu bude: 3 '' c U n 1, I k3 969, 87 A (7.34) ,03 k (1)

47 7. Výpočet zkratových poměrŧ dané sítě 47 Jednofázový zkrat v Otrokovicích ( V 5576) Obrázek 7. 5 Náhradní schéma pro jednofázový zkrat v Otrokovicích (V 5576) Celková sousledná a zpětná sloţka zkratové impedance je stejná, jako výpočet (7.32). Nyní vypočítáme netočivou sloţku zkratové impedance: k ( 0) QS (0) 518(0) 519(0) 556(0) 5578(0) 5576(0 ) RP (7.35) k ( 1) (0,47 j4,73) (8,53 j31,9) (7,37 j28,35) (8,52 j38,54) ( 9,38 j 40,94) (5,42 j23,63) 20 k ( 1) (59,69 j168,09) ,69 168,09 178,37 (7.36) k(1) Počáteční rázový zkratový proud jednofázového zkratu bude: 3 '' 3 c U n 3 1, I k1 649, 99A (7.37) ,03 178,37 k (1) k (0)

48 7. Výpočet zkratových poměrŧ dané sítě 48 Třífázový zkrat v Otrokovicích (V 5575) Obrázek 7. 6 Náhradní schéma pro třífázový zkrat v Otrokovicích (V 5575) Celková sousledná zkratová impedance bude: k ( 1) QS (1) 518(1) 519(1) 556(1) 5577 (1) 5575(1 ) RP (7.38) k ( 1) (0,47 j4,73) (4,06 j10,16) (3,82 j9,03) (4,37 j11,37) ( 2,95 j 9,52) (5,11 j16,65) 20 k ( 1) (40,78 j61,46) ,78 61,46 73,76 (7.39) k(1) Počáteční rázový zkratový proud třífázového zkratu bude: 3 '' c U n 1, I k3 947, 12A (7.40) ,76 k (1)

49 7. Výpočet zkratových poměrŧ dané sítě 49 Jednofázový zkrat v Otrokovicích ( V 5575) Obrázek 7. 7 Náhradní schéma pro jednofázový zkrat v Otrokovicích (V 5575) Celková sousledná a zpětná sloţka zkratové impedance je stejná, jako výpočet (7.38). Nyní vypočítáme netočivou sloţku zkratové impedance: k ( 0) QS (0) 518(0) 519(0) 556(0) 5577 (0) 5575(0 ) RP (7.41) k ( 1) (0,47 j4,73) (8,53 j31,9) (7,37 j28,35) (8,52 j38,54) ( 5,81 j 25,13) (10,07 j43,96) 20 k ( 1) (60,77 j172,61) ,77 172,61 182,99 (7.42) k(1) Počáteční rázový zkratový proud jednofázového zkratu bude: 3 '' 3 c U n 3 1, I k1 634, 11A (7.43) ,76 182,99 k (1) k (0)

50 7. Výpočet zkratových poměrŧ dané sítě Přehled výsledků V tabulce 7. 2 je přehled vypočítaných hodnot zkratových proudŧ v jednotlivých místech zkratu. pravidla je trojfázový zkratový proud větší, jak jednofázový zkratový proud. Všechny hodnoty jsou počítány s uvaţováním odporu poruchy, který je 20Ω. Sokolnice (V 518) Otrokovice (V 5576) Otrokovice (V 5575) zkrat I k [A] 3. fázový fázový fázový fázový fázový fázový Tabulka 7. 2 Výsledné hodnoty zkratových proudŧ

51 7. Výpočet nastavení distanční ochrany Výpočet nastavení distanční ochrany Výpočet bude proveden na části sítě vyobrazené na obrázku něho je vidět, ţe se budeme zabývat DO na vedeních V 518, V 519 a V 556. Všechny DO budou typu SIPROTEC 7SA511, jejichţ výrobcem je firma Siemens, jelikoţ zadavatel preferuje z dŧvodu unifikace jednoho výrobce pro ochrany v dané oblasti. Obrázek 8. 1 Umístění DO na části sítě 110 kv 8.1 Výpočet DO pro vedení V 518 v rozvodně Sokolnice Výpočet se provádí celkem pro 5 zón. Jsou to zóny 1, 2, 3, zóna opětovného zapnutí (O) a zóna popudu. Kaţdá zóna se skládá z primárního a sekundárního nastavení, přičemţ sekundární nastavení dostaneme přepočítáním primárního nastavení pomocí konstanty k 2. Tato konstanta nám zahrnuje rozsahy měřícího transformátoru proudu (MTI) a měřícího transformátoru napětí (MTU) a vypočítáme ji dle následujícího vzorce: MTI MTI prim sek k 2 MTI sek (-; A, A, kv, kv, A) (8.1) MTU prim MTU sek kde: MTI prim je rozsah primární strany MTI MTI sek je rozsah sekundární strany MTI MTU prim je rozsah primární strany MTU MTU sek je rozsah sekundární strany MTI Rozsahy měřicích transformátorŧ jsou uvedeny v tabulce MTI MTN k2 prim sek prim sek Tabulka 8. 1 Rozsahy MTI a MTU. Nejnovější digitální ochrany si dokáţou sekundární nastavení vypočítat samy. Tedy stačí pouze vypočítat a následně do ochrany zadat pouze parametry primárního nastavení. Tedy v našem případě si počítáním sekundárního nastavení zabývat nebudeme.

52 7. Výpočet nastavení distanční ochrany 52 Při výpočtu jednotlivých zón primárního nastavení vycházíme z parametrŧ jednotlivých vedení. Tyto parametry vedení jsou uvedeny v příloze A. ačínáme s výpočtem zóny 1, která má časové zpoţdění t 1 =0s a chrání nám 90% vedení V 518 (k 1 =0,9). Mimo parametrŧ vedení uvaţujeme také určitý odpor poruchy. Ten uvaţujeme pro jednofázový zkrat stejný jako pro mezifázový zkrat a to hodnotu R P =20Ω. Nakonec kaţdou souslednou sloţku vynásobíme konstantou k 1 a netočivou sloţku navíc vynásobíme konstantou, která nám udává poměr mezi netočivou a souslednou sloţkou. Konstanta je uvedena v příloze A. Všechny tyto vypočítané hodnoty zapíšeme do následující tabulky: PARAMETR: NASTAVENÍ k1=0.9 skupina skupina skupina skupina zóna 1 Operation On X1 [Ω] R1 [Ω] X0 [Ω] R0 [Ω] R1E [Ω] Popis distanční ochranná zóna 1 aktivace-deaktivace zóny Sousledná složka reaktance dosah zóna 1 Sousledná složka odporu dosah zóna 1 - fáze-fáze Nulová složka reaktance zóna 1 Nulová složka odporu zóna 1 Sousledná složka odporu dosah zóna 1 - fáze-zem t1 [s] Časové zpoždění zóny 1 Tabulka 8. 2 Parametry primárního nastavení zóny 1. pro DO v Sokolnicích na vedení V 518 Například hodnoty sousledné sloţky odporu R 1 a nulové sloţky odporu R 0 získáme podle výpočtŧ 8.2 a 8.3. R R k R 4,06 0, ,65 (8.2) 1 1 P R0 R 0 R1 23,65 2,1 49,67 (8.3) R 1 Stejným zpŧsobem vypočítáme parametry zóny 2. Ta se liší od zóny 1. časovým zpoţděním, které je t 2 =0,4s a chrání nám celé vedení V 518 a část vedení V 519 (přibliţně 20% impedance vedení V 518). Tedy celková impedance chráněného úseku je 120% vedení V 518 (k 1 =1,2).

53 7. Výpočet nastavení distanční ochrany 53 PARAMETR: NASTAVENÍ k1=1.2 skupina skupina skupina skupina zóna 2 Operation On X1 [Ω] R1 [Ω] X0 [Ω] R0 [Ω] R1E [Ω] Popis distanční ochranná zóna 2 aktivace-deaktivace zóny Sousledná složka reaktance dosah zóna 2 Sousledná složka odporu dosah zóna 2 - fáze-fáze Nulová složka reaktance zóna 2 Nulová složka odporu zóna 2 Odpor oblouku jednofázově dosah zóna 2 - fáze-zem t2 [s] Časové zpoždění zóny 2 Tabulka 8. 3 Parametry primárního nastavení zóny 2. pro DO v Sokolnicích na vedení V 518 Dále vypočítáme parametry zóny 3. Její časové zpoţdění je t 3 =1,4s. Tento čas je vyšší o 200 ms neţ je čas 3 zóny DO v Bučovicích na vedení v 519. Tato zóna nám chrání celé vedení V 518 a také celé vedení V 519. Po přepočtení se tedy jedná o 190% impedance vedení V 518 (k 1 =1,9). Pokud by z rozvodny Bučovice bylo vyvedeno více vedení (nejen vedení V 519) o napěťové hladině 110kV, tak by ochrana musela být nastavena tak, aby byla schopna chránit nejdelší vedení, které je z této rozvodny vyvedeno. PARAMETR: NASTAVENÍ k1=1.9 skupina skupina skupina skupina zóna 3 Operation On X1 [Ω] R1 [Ω] X0 [Ω] R0 [Ω] R1E [Ω] Popis distanční ochranná zóna 3 aktivace-deaktivace zóny Sousledná složka reaktance dosah zóna 3 Sousledná složka odporu dosah zóna 3 - fáze-fáze Nulová složka reaktance zóna 3 Nulová složka odporu zóna 3 Odpor oblouku jednofázově dosah zóna 3 - fáze-zem t3 [s] Časové zpoždění zóny 3 Tabulka 8. 4 Parametry primárního nastavení zóny 3. pro DO v Sokolnicích na vedení V 518

54 7. Výpočet nastavení distanční ochrany 54 Nyní vypočítáme parametry zóny opětovného zapnutí (O). Tato zóna je velice dŧleţitá z hlediska spolehlivosti dodávky elektrické energie. Velice často se totiţ stávají poruchy: například, ţe dojde k zaprášení izolátoru na kterém je zavěšen vodič a při deštivém počasí dojde ke sníţení elektrické pevnosti izolátoru. Tím dojde k přeskoku elektrického výboje na stoţár a vzniká tak jednofázový zkrat. Pokud je nastaven jednofázový O, dojde k vypnutí pouze příslušné postiţené fáze a po čase cca. 400 ms k opětovnému zapnutí. Ve většině případŧ po opětovném zapnutí jiţ porucha není zaznamenána (zkratovým proudem došlo k vysušení vodivé cesty po povrchu izolátoru a tedy i ke zvýšení elektrické pevnosti izolátoru na pŧvodní hodnotu) a vedení je opět provozováno v bezporuchovém stavu. Navíc během poruchy je vypnuta pouze jedna fáze a zbylé dvě jsou normálně v provozu, coţ je výhodné především pro konečné odběratele, kteří tuto poruchu téměř nepocítí. Nevýhodou jednofázového O je, ţe při mezifázovém zkratu dochází k úplnému vypnutí a k ţádnému opětovnému zapnutí nedojde. Obdobná situace nastává u třífázového O. Kombinací těchto dvou O je varianta 3+1 O, kdy při jednofázovém zkratu se vypíná na dobu 400 ms jedna fáze a při mezifázovém zkratu se vypínají všechny tři fáze na dobu 400 ms. V našem případě budeme nastavovat třífázový O a zpravidla se nastavuje na 130% impedance chráněného vedení (k 1 =1,3). PARAMETR: NASTAVENÍ O druh O: 3 k1=1.3 skupina skupina skupina skupina zóna 4-O On Operation X1 [Ω] R1 [Ω] X0 [Ω] R0 [Ω] R1E [Ω] Popis distanční ochranná zóna 4- O aktivace-deaktivace zóny Sousledná složka reaktance dosah zóna 4-O Sousledná složka odporu dosah zóna 4-O - fáze-fáze Nulová složka reaktance zóna 4-O Nulová složka odporu zóna 4-O Odpor oblouku jednofázově dosah zóna 4-O - fáze-zem to [s] Časové zpoždění zóny 4-O Tabulka 8. 5 Parametry primárního nastavení zóny O pro DO v Sokolnicích na vedení V 518 Poslední zóna která se nastavuje je zóna popudu. Ta nevychází z ţádného výpočtu, ale pouze z vhodného nastavení jednotlivých členŧ uvedených v tabulce 8. 6.

55 7. Výpočet nastavení distanční ochrany 55 PARAMETR: ROSAH NASTAVENÍ: NASTAVENÍ skupina skupina skupina skupina Popis POPUD operation < < < < podimpedanční nebo nadproudý režim X+A [Ω] sousledná složka reaktance dopředný směr X-A [Ω] sousledná složka reaktance zpětný směr RA1 [Ω] R zátěže fáze-fáze RA2 [Ω] R popud fáze-fáze RA1E [Ω] R zátěže fáze-zem RA2E [Ω] R popud fáze-zem Ph alfa [ ] nastavení úhlu bezp.zátěže t s časové zpoždění-dopř.směr t s časové zpoždění-nesm. Tabulka 8. 6 Parametry primárního nastavení zóny popudu pro DO v Sokolnicích na vedení V 518. Ochrana SIPROTEC 7SA511 nám umoţňuje nastavit aţ 4 skupiny. Tyto další skupiny se nastavují, pokud je vedení moţno provozovat více zpŧsoby (při změně provozu se změní délka celkového vedení a tím se změní i veškeré parametry). Další výhodou této ochrany je, ţe nám s poměrně dobrou přesností určí místo poruchy a to tak, ţe z naměřených hodnot napětí a proudu v místě poruchy a z hodnoty reaktance vedení, která je v jednotkách Ω/km (parametr, který se také nastavuje u kaţdé DO) nám vypočítá vzdálenost mezi poruchou a ochranou. Protoţe postup výpočtu nastavení ostatních DO je stejný, jak u DO, která je podrobně rozebrána v této kapitole, jsou výsledné hodnoty všech ochran přehledně zpracovány v příloze C. 8.2 Selektivita ochran Na obrázcích 8. 2 aţ 8. 4 je dobře patrná selektivita jednotlivých distančních ochran vedení a transformátoru T402 v Sokolnicích, která je typu REL 100. Při nastavování se snaţíme, aby jednotlivé DO vedení byly pokud moţno selektivní i s DO transformátoru, coţ z vypínacích plánŧ mŧţeme vidět, ţe jsou. Při zobrazení vypínacích plánŧ neuvaţujeme odpor poruchy, protoţe ten se u kaţdé ochrany nastavuje na stejnou hodnotu, coţ v tomto případě nemá na nic vliv. Parametry jednotlivých zón DO jsou uvedeny v tabulce U distanční ochrany transformátoru se nastavují 3 impedanční zóny směrem do sítě 110 kv a dvě zóny obráceně (chrání transformátor, pokud by selhaly ostatní ochrany transformátoru). U DO vedení je časové zpoţdění 1. a 2. zóny stejné. Časové zpoţdění 1. zóny se nastavuje na hodnotu 0 s, avšak reálná vypínací doba je závislá na časovém zpoţdění vypínače a vybavovacího relé a stanovuje se na hodnoty čtyřnásobku periody. Časové zpoţdění 3. zóny je u kaţdé DO rozdílné z dŧvodu, aby se ochrany při zálohování nepředbíhaly. Časový rozdíl třetích zón se mezi jednotlivými DO volí většinou 200 ms.

56 7. Výpočet nastavení distanční ochrany 56 primární nastavení zóna 1 zóna 2 zóna 3 z. popud t [s] T402 R [Ω] X [Ω] [Ω] t [s] V 518 R [Ω] X [Ω] [Ω] t [s] V 519 R [Ω] X [Ω] [Ω] t [s] V 556 R [Ω] X [Ω] [Ω] Tabulka 8. 7 Parametry DO pro zobrazení jednotlivých vypínacích plánŧ Obrázek 8. 2 Vypínací plán primárního nastavení DO části sítě 110 kv (pro rezistanci)

57 7. Výpočet nastavení distanční ochrany 57 Obrázek 8. 3 Vypínací plán primárního nastavení DO části sítě 110 kv (pro reaktanci) Obrázek 8. 4 Vypínací plán primárního nastavení DO části sítě 110 kv (pro impedanci)

58 7. Výpočet nastavení distanční ochrany Pracovní polygon DO Pracovní polygon nám znázorňuje vypínací charakteristiku veškerých zón. Příklad, jak mŧţe takový polygon DO SIPROTEC 7SA511 vypadat je znázorněn na obrázku Polygon je obecně definován paralelogramem s úseky na osách R a X a také sklonem φ vedení (červená přímka). Dále je zde definována oblast bezpečné zátěţe, která je dána nastavením úhlu bezpečné zátěţe. Jednotlivé úseky jsou omezeny směrovou charakteristikou. Teoretická směrová charakteristika je znázorněna modrou přímkou. V praxi je pozice charakteristiky závislá na impedanci zdroje a taká na toku provozního proudu vedením těsně před vznikem poruchy.

59 7. Výpočet nastavení distanční ochrany 59 Obrázek 8. 5 Pracovní polygon digitální DO SIPROTEC 7SA511

60 9. ávěr ávěr Tato práce se skládá jednak z části teoretické, která poté plynule přechází v část praktickou. V první teoretické části byly stručně rozebrány poruchové stavy v ES. Podrobněji zde byly rozebrány zkraty, pro které je uveden i postup, jak se počítají. Výpočet je uveden podle nové normy ČSN EN 60909, která uvaţuje i výpočet korekčních činitelŧ dvouvinuťových a trojvinuťových transformátorŧ. Tyto korekční činitelé nám umoţňují určit přesněji zkratové impedance transformátorŧ, neţ je uvedeno v dřívější normě ČSN , která platila do roku 2002 a s korekčními činiteli nepočítá. Další kapitola byla zaměřena na distanční nebo-li impedanční ochrany, které patří mezi ochrany stupňovité. Pouţívají se především na vedeních a také na transformátorech velkých výkonŧ. V místě připojení měří pomocí přístrojových transformátorŧ napětí a proud, ze kterých stanoví impedanci a porovná ji s nastavenými parametry. V druhé části práce byly vypočítány pro konkrétní část sítě 110 kv souměrné a nesouměrné zkratové poruchy na výstupu z rozvodny Sokolnice a Otrokovice. Při výpočtu byl uvaţován určitý odpor poruchy, který byl stanoven na hodnotu 20Ω jak pro jednofázový, tak i mezifázový zkrat. Stejně jako v našem případě, tak i ve většině případŧ je trojfázový zkrat největší. V naší části sítě je největší zkratový proud na výstupu ze Sokolnic na vedení V 518 a to 1,17 ka. V případě, ţe nastane zkrat v blízkosti transformátoru, který má vinutí na straně niţšího napětí uzemněné, mŧţe být jednofázový zkratový proud větší neţ třífázový, coţ tento případ není. Poslední kapitola byla věnována jednak výběru typu distančních ochran a také výpočtu nastavení distančních ochran pro podobnou část sítě, jako byl proveden výpočet zkratových poruch. Při výpočtu bylo vycházeno z toho, ţe typ distanční ochrany je na jednotlivých vedeních stejný, jelikoţ dodavatel preferuje z dŧvodu unifikace jednoho výrobce pro ochrany v dané oblasti. Tedy byla vybrána distanční ochrana od firmy Siemens typu SIPROTEC 7SA511, která bývá v praxi kombinována se záloţní nadproudovou ochranou. U krátkých vedení do délky 10 km se pouţívají také srovnávací ochrany. Numerická distanční ochrana SIPROTEC 7SA511 umoţňuje nastavení celkem pěti zón. První tři zóny slouţí pro nastavení jednotlivých úsekŧ vedení. Ty mají chránit jednotlivé úseky vedení. Další zóna slouţí pro nastavení parametrŧ opětovného zapnutí a poslední zónou je zóna popudu. Podrobný výpočet parametrŧ nastavení distanční ochrany je proveden pro ochranu na vedení V 518, která je v rozvodně Sokolnice. Pro ostatní ochrany, kde je postup výpočtu stejný, uvádíme přímo vypočítané hodnoty, které jsou v příloze C. Dále zde byly uvedeny vypínací plány distančních ochran, na kterých je patrná selektivita nejen distančních ochran vedení, ale také distanční ochrany transformátoru T 402 v Sokolnicích. V závěru práce byl vyobrazen příklad polygonu pro distanční ochranu SIPROTEC 7SA511, který nám znázorňuje pracovní oblast jednotlivých zón. Tato práce mŧţe být v budoucnu rozšířena a doplněna o vykreslení polygonŧ pro konkrétní distanční ochrany, které byly v této práci počítány. Další moţností je výpočet nastavení nadproudové ochrany, která se pouţívá jako záloţní.

61 Pouţitá literatura 61 Použitá literatura [1] BLAŢEK, SKALA, Vysoké napětí a elektrické přístroje. VUT Brno, 72 stran [2] ORSÁGOVÁ, Rozvodná zařízení. VUT Brno, 148 stran [3] HALUÍK, Ochrany a automatiky v elektrických sítí. VUT Brno 1985, 160 stran [4] PAUA, kraty v elektrických rozvodech. SNTL Praha 1970, DT [5] BLAŢEK, SKALA, Distribuce elektrické energie. VUT Brno, 138 stran [6] MEŠTER, Výpočet skratových prúdov v trojfázových striedavých sústavách. ABB Elektro, s. r. o., Bratislava 2005, 94 stran [7] HALUÍK, WEIDINGER, KRÁTKÝ, Ochrany a jištění energetických zařízení. VUT Brno, 63 stran [8] JANÍČEK, CHLADNÝ, BELÁŇ, ELESCHOVÁ, Digitálne ochrany v elektrizačnej sústave. Slovenská technická univerzita v Bratislave, 2004, ISBN [9] TROJÁNEK, HÁJEK, KVASNICA, Přechodné jevy v elektrizačních soustavách. SNTL Praha 1987, DT [10] Inštrukčná príručka, Numerická distančná ochrana SIPROTEC 7SA511 SIEMENS, Siemens AG 1995/SK 1997

62 Příloha A 62 Příloha A Parametry sítě PARAMETRY VEDENÍ Vedení od do [Ω] R [Ω] R0/R1 [-] X [Ω] X0/X1 [-] V 518 Sokolnice Bučovice V 519 Bučovice Vyškov V 536 Sokolnice Hodonín V 555 Prostějov Lutín V 556 Prostějov Vyškov V 5575 Otrokovice Nezamyslice V 5576 Otrokovice dounky V 5577 Prostějov Nezamyslice V 5578 Prostějov dounky V 5594 Prostějov Konice Impedance jedné fáze R Činný odpor jedné fáze R0/R1 Poměr nulové a sousledné rezistance X Reaktance jedné fáze X0/X1 Poměr nulové a sousledné reaktance kratový výkon rozvodny OSTATNÍ PARAMETRY POTŘEBNÉ PRO VÝPOČET Sokolnice Otrokovice 3. fázový S k3 [MVA] fázový S k1 [MVA] fázový S k3 [MVA] fázový S k1 [MVA] 3900 Napěťový součinitel c [-] 1.1 Odpor poruchy jednofázová R [Ω] 20 mezifázová R [Ω] 20

63 Příloha B 63 Příloha B Část sítě 110kV společnosti E.ON