4.3.2.5
Distribuční sítě vysokého napětí 09: Lokalizace poruchy v kompenzovaných a izolovaných soustavách
Doc. Ing. Petr Toman, Ph.D. a kolektiv autorů
Pro lokalizaci zemního spojení se v současnosti nejčastěji používají zařízení, která jsou založena na metodách uvedených v této kapitole. Veškeré doposud používané metody lze rozdělit do dvou základních skupin, na metody pasivní a aktivní. Aktivní metody využívají k lokalizaci zemního spojení pomocného signálu se specifickou frekvencí, který je injektován do soustavy v případě poruchy a následným "stopováním" tohoto signálu dojde k lokalizaci poruchy. Vzhledem k tomu, že tyto aktivní metody nejsou zejména díky své technické náročnosti tak rozšířeny jako metody pasivní, bude tato kapitola zaměřena zejména na pasivní metody, které využívají napěťových a proudových signálů generovaných přímo sledovanou poruchou (zemním spojením) a nepotřebují tedy ke své funkci žádné uměle injektované signály.
Pasivní metody vychází z monitorování napěťových a proudových poměrů v postižené soustavě bez nutnosti použití jiného "pomocného" zdroje signálu. Parametry napětí a proudů mohou být vyhodnocovány během přechodného děje při zemním spojení nebo po jeho odeznění, proto lze tyto pasivní metody rozčlenit dále na metody statické, využívající ustáleného signálu (po odeznění přechodného děje), dále na metody dynamické využívající signál během přechodového děje a na metody vyhodnocující signál v ustáleném stavu, které jsou pro selektivní působení napojeny na řídící a pomocné obvody zhášecí tlumivky.
NahoruStatické metody
Jsou metody využívající pro vyhodnocení místa poruchy ustáleného signálu zaznamenaného až po odeznění přechodného děje, v některých případech se pro zvýšení selektivity vyhodnocují i údaje před vznikem poruchy [6]. Dosud nejužívanější statické metody jsou:
Nahorua) Metody vhodné pro izolované distribuční soustavy
Porovnávání amplitudy netočivé složky proudu
Metoda vyhodnocuje amplitudy netočivých složek proudů v jednotlivých vývodech. Je-li vlivem poruchy překročena přednastavená hodnota netočivého napětí, začnou se porovnávat amplitudy netočivých složek proudů jednotlivých vývodů. Jako postižené vedení je poté označeno to, u kterého je amplituda maximální. Nevýhodou této metody je její nízká citlivost a nutnost velmi přesného měření netočivé složky proudu obzvláště v případech, kdy se kapacita postiženého vývodu blíží celkové kapacitě soustavy (délka postiženého vedení značně převyšuje délku ostatních vedení) nebo při vysoko-impedančních zemních spojeních.
Porovnávání fáze netočivé složky proudu
Metoda porovnává fáze netočivých složek proudů jednotlivých vývodů. U vývodu se zemním spojením je fáze netočivé složky proudu oproti zbylým (nepostiženým) vývodům opačná. Obsahuje-li síť velmi krátká vedení (malá netočivá složka proudu), je citlivost metody velmi nízká a může dojít i k chybné lokalizaci. Korektní vyhodnocení také komplikuje proudová nesymetrie nebo vysoko-impedanční zemní spojení.
Přesnost lokalizace zemního spojení se zvýší kombinací těchto dvou výše uvedených metod. V první fázi se vyberou vývody s nejvyšší amplitudou netočivé složky proudu, u těchto vývodů se poté provede porovnání fáze netočivé složky proudu. Vývod, který má opačnou fázi netočivé složky proudu, je označen jako postižený. Budou-li mít všechny vývody stejnou fázi, došlo k poruše v rozvodně. Dojde-li k vysoko-impedančnímu zemnímu spojení v soustavě, která obsahuje vedení krátkých délek, není ani tato kombinace metod stoprocentně funkční a může tak dojít k chybnému označení postiženého vývodu.
Určení toku netočivé složky jalového výkonu
U postiženého vývodu předbíhá netočivá složka napětí netočivou složku proudu o 90°, u nepostiženého vývodu se netočivá složka napětí opožďuje o 90° oproti proudu. Tato metoda vyhodnocuje tok jalového výkonu, respektive jeho znaménka. Je-li znaménko jalového výkonu na vývodu záporné, označí se vývod jako postižený a naopak, je-li znaménko jalového výkonu kladné, je vývod nepostižený. Výhodou proto je, že není nutné výkon porovnávat s ostatními vývody, ale problém se správnou lokalizací u poruch s malým netočivým proudem přetrvává.
Metoda maximální změny jalové složky netočivého proudu
V bezporuchovém stavu se pro jednotlivé vývody vybere referenční signál netočivé složky proudu společně s fázovým posunem netočivé složky napětí a po vzniku zemního spojení se vyhodnotí jejich změna. Postižený vývod je ten, u něhož byla změna jalové složky netočivého proudu maximální. Tento postup omezuje vliv nesymetrie na selektivitu metody.
Všech čtyř výše zmiňovaných pasivních metod se využívá v izolovaných soustavách, ale díky kompenzaci kapacitního proudu je nelze použít v soustavách kompenzovaných. Tuto společnou nevýhodu odstraňují následující metody.
Nahorub) Metody vhodné pro kompenzované distribuční soustavy
Metoda detekce činné složky netočivého proudu (Wattmetrická metoda)
Jelikož nelze zcela vykompenzovat poruchový proud (vždy přetrvává zbytkový proud činného charakteru), lze pro lokalizaci poruchy v kompenzovaných sítích využít směru právě tohoto reziduálního proudu. U postiženého vývodu je činná složka netočivého proudu popřípadě činný výkon netočivé složky vyšší a má opačný směr než u ostatních nepostižených vývodů. Zásadní vliv na správnou funkci metody mají vhodně navržené měřící proudové transformátory a velikost činné složky netočivého proudu. Právě rozdílné chyby fáze a úhlu použitých PTP vzhledem k nízké úrovni reziduálního proudu (3 % – 10 % kapacitního proudu sítě) mohou zapříčinit neselektivní působení metody. Pro zvýšení úrovně činné složky netočivého proudu a tedy pro zvýšení citlivosti zemních ochran se nejen v České republice využívá krátkodobého připnutí pomocného odporníku. Příklad charakteristiky detekující činnou složku netočivého proudu je zobrazen na Obr. 3.40. Jelikož se distribuční soustava běžně nemusí provozovat zcela vykompenzovaná, ale může být mírně rozladěná, má netočivá složka proudu fázový posun dle charakteru provozu systému, jak je naznačeno na tomto obrázku.
Admitanční metoda netočivé složky
Metoda je založena na nepřetržitém monitoringu netočivé složky proudu Ī0 a napětí Ū0, kde se při překročení přednastavené hodnoty netočivé složky napětí provede výpočet admitance dle vztahu (3.50):
Aby se omezilo selhání metody vlivem nesymetrie systému, používá se častěji pro vyhodnocení admitance přírůstkové metody. V tomto případě je admitance vyčíslena z poměru přírůstku netočivého proudu a napětí mezi stavem před poruchou (prefault) a při poruše (fault) jak uvádí (3.51):
Obr. 3.40: Příklad charakteristiky wattmetrického článku
V případě nepostiženého vývodu je výsledná admitance rovna celkové admitanci chráněného vývodu Yvyv a má v daném případě záporné znaménko (3.52):
V praxi díky malým úrovním složek Ī0 a Ū0, a tedy nepřesnosti při výpočtu výsledné admitance však může mít vypočtená konduktance Gvyv i kladné znaménko. Podobně i vypočtená susceptance Bvyv může dosahovat kladné hodnoty vlivem chyby měření nebo v případě decentrální kompenzace či při provozu systému v podkompenzovaném stavu. Proto pro korektní vyhodnocení je velmi důležitá správná volba provozní charakteristiky. Vzorec (3.53) vyjadřuje stav, který indikuje postižený vývod. V tomto případě je výsledná admitance rovna součtu celkové admitance nepostižených vývodů YcN a admitance zhášecí tlumivky YTL (3.53):
Výsledná netočivá konduktance vycházející ze vzorce (3.53) má v praktických případech kladné znaménko, kdežto znaménko susceptance je v tomto případě závislé na stupni kompenzace soustavy. Způsob funkce této admitanční metody je nastíněn na Obr. 3.41.
Obr. 3.41: Příklad charakteristiky wattmetrického článku
Zařízení užívající admitanční metody pro lokalizaci poruchy využívají podobné pracovní charakteristiky jako distanční ochrany. Zásadní rozdíl mezi admitanční a distanční ochranou je v tom, že pokud je vypočtená admitance uvnitř admitanční charakteristiky, jedná se o nepostižený vývod (nepostižený úsek) a popud je blokován, pokud se admitance dostane vně pracovní charakteristiku (dojde k překročení hranice) dojde k popudu a vývod je označen jako postižený, tuto funkci znázorňuje Obr. 3.42.
Na základě experimentálních měření byla prokázána korektní funkce admitanční metody v kombinaci s automatikou připínání pomocného odporníku během ZS s odporem poruchy až do 7,5 kΩ.
Admitanční metoda využívající násobky základní harmonické
Pro zvýšení citlivosti admitanční metody lze při vyhodnocení netočivé složky proudu a napětí využívat násobků základní harmonické, a to zejména 5. harmonické, která je většinou nejvíce zastoupena v poruchovém (kapacitním) proudu a není kompenzována zhášecí tlumivkou. Při aplikaci této metody se provede výpočet a vyhodnocení admitance pouze pro tuto frekvenční složku, kdy se systém chová jako nekompenzovaný. V některých případech lze využít pro vyhodnocení sumace vypočtených admitancí základní harmonické a ostatních frekvenčních složek, které jsou výrazně zastoupeny v poruchovém proudu - 3., 5. a 7. harmonické.
Obr. 3.42: Příklad pracovní charakteristiky admitanční metody
Admitanční metoda v okružní síti
Principu admitanční metody lze využít také v případě sítí, které se provozují nebo je lze provozovat jako okružní. U sítí, které jsou v bezporuchovém stavu provozovány jako radiální, je nutné po vzniku zemního spojení síť "zkruhovat" a sledovat přerozdělení netočivé složky proudu. V tomto případě se netočivá složka proudu vlivem vytvořené smyčky přerozdělí mezi obě paralelní větve dle jejich impedancí (admitancí), na základě čehož lze definovat místo poruchy. Zvýšení citlivosti této metody lze dosáhnout archivací vystopovaných ZS s příslušnými poměry admitancí. V případě vzniku ZS se pak porucha lokalizuje v…
