Sklopni i zaštitni uređaji

Relejna zaštita postrojenja

Prof. dr. sc. Ante MarušićDoc. dr.sc. Stjepan Štefan

Fakultet elektrotehnike i računarstva ZagrebZavod za visoki napon i energetiku

ante.marusic@fer.hr

2014/2015

Sekundarni sustav u elektroenergetskom postrojenju

• Signalizacija (svjetlosna, zvučna, ekranska; lokalna/daljinska)

• Mjerenje (pogonsko, obračunsko)• Upravljanje (upravljanje aparatima, blokade)• Regulacija i lokalna automatika

(transformatora)• Zaštita (transformatora, vodova, motora, ...)• Nadzor (transformatora, prekidača, ees-a)

2

ST

NT

P

R11 R12

R3

R2

S1

S2

3 50Hz, 110 kV

OP

~

800/5/5 A

110/√3 / 0,1/√3 / 0,1/3

DV

ZAŠTITA MJERENJE

IsključenjeUpravljanje

VOÐENJE

Nadzor

-Q1

-Q0

-T1

-T5

-Q9

-Q8

DV POLJE

Principna shema sustava zaštite i vođenja dalekovodnog polja

3

S VN sabirnice S1 sabirnički sustav 1P prekidačR rastavljačR11 sabirnički rastavljač (kao

i R12)R2 linijski rastavljač

(rastavljač vodnog polja)R3 zemljospojnik OP odvodnik prenaponaST strujni transformatorNT naponski transformator

Zaštita• Distantna (Z<), diferencijalna (Id),

nadstrujna (I>, I>>), termička (θ), zemljospojna (Io>, Uo>), naponska (U<, U>), podfrekvencijska (f<), provjera sinkronizma (Sy), automatsko ponovno uključenje voda (APU)

Mjerenje• U, I, f, P, Q, S

Vođenje• Nadzor (signala stanja aparata i

mjerenja), blokade (rastavljača) i upravljanje s aparatima u polju.

Legenda

4

Sekundarni sustav u elektroenergetskom postrojenjuTS 400/220/110 kV Žerjavinec

Zaštita transformatoraRegulacija transformatora

Nadzor transformatora

5

• Osnovni zadatak zaštite je otkrivanje i odstranjivanje poremećaja u pogonu EES.

• Poremećaj kvarsmetnja

• Kvar = značajnija odstupanja od normalnih pogonskih prilika (izazivaju oštećenja)(npr. kratki spojevi)

• Smetnja = manja odstupanja od normalnih pogonskih prilika (kratkotrajno ne izazivaju oštećenja, ali dugotrajne smetnje mogu izazvati oštećenje) (npr. preopterećenja, nesimetrično opterećenje, ... ) 6

• Osnovni element zaštitnog sustava je RELEJ.

• RELEJ = zaštitni uređaj koji trajno nadzire (mjeri) određenu električnu ili neelektričnu veličinu, te pri unaprijed određenoj vrijednosti izaziva naglu promjenu (isključenje i/ili uključenje) u jednom ili više komandnih ili signalnih strujnih krugova (isključuje prekidač, isključuje uzbudu generatora, zatvara brzozatvarajući ventil u sustavu za dovod pare turbini, prebacuje vlastitu potrošnju elektrane na drugi izvor napajanja, uključuje svjetlosnu i zvučnu signalizaciju, šalje signal prorade zaštite u sustav lokalnog i daljinskog vođenja postrojenja, ...).

7

• Nadzirane električne veličine: • Osnovne veličine:

– struja, napon, • Izvedene veličine:

– snaga, impedancija, frekvencija, smjer struje.

• Nadzirane neelektrične veličine: • temperatura, tlak, brzina strujanja, brzina

vrtnje, količina vode, količina otopljenih plinova u ulju, ...

8

Relej (zaštitni relej) je uređaj čiji je zadatak da isključi dio elektroenergetskog sustava ili da generira signal opasnosti u slučaju pojave kvara (npr. kratkog spoja) ili smetnje u pogonu elektroenergetskog sustava.

Zaštitna oprema su sklopni aparati, zaštitni releji, mjerni transformatori i ostala pomoćna oprema koja se koristi u sklopu zaštitnog sustava.

Zaštitni sustav je skup zaštitne opreme koji je projektiran tako da na siguran način brzo i selektivno isključi i/ili signalizira kvar ili smetnju na elementu elektroenergetskog sustava na kojem se dogodio poremećaj.

Zaštitna shema je koordinirani skup zaštitnih uređaja jednog ili više elemenata elektroenergetskog sustava. Zaštitna shema može obuhvaćati više zaštitnih sustava.

9

Zaštitni sustav može biti skupina:

elektičnih zaštita u postrojenju (releji djeluju na promjenu neke električne veličine kao što je npr. struja, napon, snaga, impedancija, frekvencija, smjer struje),

tehnoloških zaštita u postrojenju (zaštitni uređaji djeluju na promjenu neke neelektrične veličine kao što je npr. tlak, temperatura, brzina vrtnje).

U velikim elektroenergetskim postrojenjima (npr. termoelektranama) u pravilu se koristi zaštitna shema s koordiniranim funkcijama električnih i tehnoloških zaštita.

10

DEFINICIJE POJEDINIH ZAŠTITA (1)• Nadstrujna zaštita - Strujna zaštita koja djeluje kada struja,

na mjestu ugradnje releja, dosegne određenu podešenu vrijednost (Ip>In; npr. Ip=1,2-20 In).

• Podstrujna zaštita - Strujna zaštita koja djeluje kada struja padne ispod određene podešene vrijednosti. (Ip<In; npr. Ip=0,2 In).

• Distantna zaštita - Impedantna zaštita čije je djelovanje zavisno o udaljenosti između mjesta priključka (ugradnje) releja i mjesta kvara (Z < Z pog min).

• Usporedbena (diferencijalna) zaštita - Zaštita koja uspoređuje iste električne mjerne veličine po iznosu, smjeru i fazi na oba kraja štićenog objekta. Uspoređivanje se izvodi s pomoćnim vodom, komunikacijskim kabelom ili telekomunikacijskim kanalom (Id = I1 – I2).

• Usmjerena (učinska) zaštita - Zaštita koja djeluje kada se smjer struje (energije) kvara podudara s usmjerenjem releja, nezavisno ili zavisno u njenom iznosu. 11

DEFINICIJE POJEDINIH ZAŠTITA (2)• Podnaponska zaštita - Naponska zaštita koja djeluje kada

napon, na mjestu ugradnje releja, padne ispod određene podešene vrijednosti (Up<Un; npr. Up=0,7-0,8 Un).

• Nadnaponska zaštita - Naponska zaštita koja djeluje kada napon, na mjestu ugradnje releja, dosegne određenu podešenu vrijednost (Up>Un; npr. Up=1,2-1,4 Un).

• Podfrekvencijska zaštita - Frekvencijska zaštita koja djeluje kada frekvencija, na mjestu ugradnje releja, padne ispod određene podešene vrijednosti. U novijim izvedbama zaštita prati se i brzina promjene frekvencije (fp<fn).

• Nadfrekvencijska zaštita - Frekvencijska zaštita koja djeluje kada frekvencija, na mjestu ugradnje releja, dosegne određenu podešenu vrijednost (fp>fn). U novijim izvedbama zaštita prati se i brzina promjene frekvencije (df/dt).

• Termička zaštita - Zaštita koja djeluje kada temperatura štićenog objekta poraste iznad podešene vrijednosti. 12

PODJELA RELEJNE ZAŠTITE (1)• Prema priključku releja (mjernog podsustava):

primarni zaštitni uređaj, sekundarni zaštitni uređaj.

13

PODJELA RELEJNE ZAŠTITE (2)

• Prema izvedbi:– elektromehanička izvedba,– statička izvedba - elektronička izvedba releja

s analognom obradom informacija,– digitalna (numerička) izvedba - elektronička

izvedba releja s digitalnom obradom informacija.

14

PODJELA RELEJNE ZAŠTITE (3)• Prema vrsti poremećaja:

– zaštita pri pojavi kvara,– zaštita pri pojavi smetnje.

15

Podjela zaštite prema vrsti poremećaja

16

Podjela zaštite pri kratkom spoju

17

Podjela zaštite pri zemljospoju

18

PODJELA RELEJNE ZAŠTITE (4)

• Prema načinu djelovanja:– osnovna zaštita – primarna ili temeljnja zaštita objekta,– rezervna zaštita – djeluje ukoliko zakaže osnovna

zaštita, odnosno prekidač na koji ta zaštita djeluje.

• Prema elementima elektroenergetskog sustava (štićenim objektima):– zaštita (sinkronih) generatora,– zaštita transformatora,– zaštita sabirnica,– zaštita vodova (nadzemnih vodova, kabela),– Zaštita uređaja za mrežno tonfrekventno upravljanje,– Zaštita motora,– zaštita kondenzatorskih baterija. 19

PODJELA RELEJNE ZAŠTITE (5)

20

ZAŠTITA GENERATORA

• Zaštita hidro generatora

• Zaštita turbo generatora

• Zaštita diesel generatora

TE Sisak

21

PODJELA RELEJNE ZAŠTITE (6)

22

ZAŠTITA DISTRIBUCIJSKOG SUSTAVA

• Zračni vod• Kabelski vod (podzemni, podmorski, SKS)• Transformator• Uređaj za uzemljenje nul točke (maloomski otpornik,

kompenzacijska prigušnica)• Sabirnice u postrojenju srednjeg napona• Spojno polje• Kondenzatorska baterija• Polje MTU (MTK)• Mjerno polje• NN i SN motor

23

Područja djelovanja zaštita elektroenergetskog sustava

24

Područja djelovanja zaštita elektroenergetskog sustava

25

Područja djelovanja zaštita elektroenergetskog sustava

M

∼

1 23

4

5

7

6

4 9

9

27

8

8

10

VN

SN

VN

SN

SN

NN

11

8

8

Proizvodnja EE

Distribucija EE

Prijenos EE

26

SVOJSTVA RELEJNE ZAŠTITE

Svojstva zaštite slijede iz četiri temeljne činjenice:

• zaštita mora otkriti poremećaj,• poremećaj se prostorno ograničava jer treba

isključiti samo pogođeni element sustava,• poremećaj se vremenski ograničava jer je šteta

koja nastaje na pogođenom elementu sustava veća, što kvar dulje traje,

• zaštitni uređaji djeluju neispravno zbog kvarova u njima samima.

27

SVOJSTVA RELEJNE ZAŠTITE

Prema tome svojstva zaštite su:

• osjetljivost,• selektivnost,• brzina djelovanja,• pouzdanost,• rezerva,• prilagodljivost primjene,• ekonomičnost.

28

Osjetljivost

Relej je osjetljiv kada još sigurno djeluje pri očekivanoj najmanjoj vrijednosti mjerne veličine. Najmanje vrijednosti mjerne veličine mogu se pojaviti naprimjer pri malom uvrštenju generatora, smanjenom broju uzemljenih točaka, u paralelnom pogonu vodova, usljed znatne promjene konfiguracije mreže, usljed otpora na mjestu kvara (otpora luka i prijelaznog otpora).

29

SelektivnostRelej selektivno djeluje ukoliko isključi kvar samo na upravo pogođenom elementu mreže. To znači da relej ne smije isključiti kvar na susjednim elementima elektroenergetskog sustava.

Selektivnost zaštite osigurava se izvedbom (npr. diferencijalnim relejem, slika 1) ili vremenskim stupnjevanjem (npr. nadstrujnim relejem, slika 2 i distantnim relejem, slika 3).

Selektivnost zaštite na niskom naponu najčešće se osigurava strujnim stupnjevanjem (npr. osigurača, slika 4). 30

Selektivnost

Id

S1 S2

AB C

Slika 1 Područje djelovanja diferencijalne zaštite transformatora

31

Selektivnost

Slika 2 Vremensko stupnjevanje nadstrujnih zašita

t 1

S1 S2

t2

t0

S3

∆ t

tl

R1 R2 R3

32

Selektivnost

Slika 3 Vremensko stupnjevanje distantnih zaštita

t I

S1 S2

t II

tIII

S3

∆ ttZ

R1 R2 R3

t I t I

t II

33

Selektivnost

Slika 4 Strujno stupnjevanje osigurača na niskom naponu

Selektivnost se postiže uz uvjet In1/In2 ≥ 1,6/1

34

Brzina djelovanja

• Relej je brz ako mu je vrijeme djelovanja kraće od 50 ms. Najkraće vrijeme djelovanja releja koji su danas u pogonu je 15-30 ms. Vrijeme djelovanje releja je vrijeme koje proteče od trenutka nastanka kvara do trenutka kada se na izlaznim kontaktima releja pojavi signal za isključenje prekidača. Vlastito vrijeme releja je vrijeme djelovanja releja, uz pretpostavku da je vremenska odgoda (vremensko zatezanje) signala postavljena na ništicu.

• Vrijeme trajanja kvara se određuje tako da se vremenu djelovanja releja pribroji vrijeme djelovanja prekidača, koje iznosi 50 - 100 ms.

35

Brzina djelovanja

• Brzi releju su: diferencijalni, distantni releji (u prvom stupnju djelovanja) i nadstrujni releji s trenutnim isključenjem. Ovi releji nemaju svojstvo rezerve, tj. djeluju samo pri kvarovima u osnovnom štićenom području.

• Spori releji su nadstrujni releji, distantni releji (u višim stupnjevima djelovanja) i svi ostali releji kombinirani s vremenskim relejem. Spori releji imaju svojstvo rezerve, tj. djelovanja pri kvarovima i zatajenju osnovne zaštite na susjednim elementima sustava. 36

PouzdanostRelej je pouzdan ako mu je pouzdanost veća od pouzdanosti bilo kojeg uređaja ili dijela postrojenja u štićenom području.

Pouzdanost releja slijedi iz dvije zadaće:

• relej mora djelovati pri kvaru (ne smije zakazati),

• relej ne smije neželjeno djelovati (neselektivno djelovati, djelovati ako nema kvara, nepotrebno djelovati).

37

PouzdanostMatematička definicija pouzdanosti je vjerojatnost uspješnih djelovanja releja. Uspješno djelovanje releja ima dvije komponente:

• osjetljivost otkrivanja kvarova, uz najnepovoljnije uvjete djelovanja,

• sigurnost djelovanja, koja je ovisi o stupnji zamršenosti izvedbe zaštite, te uz manje ili više uspješno održavanje.

Pokazatelji pouzdanosti su:• učestalost zakazivanja releja,• srednje vrijeme između dva uzastopna zakazivanja releja,• srednje vrijeme trajanja popravka kvara na releju.

38

Rezerva

• Relej djeluje rezervno kada isključi kvar na susjednom elementu elektroenergetskog sustava čija zaštita nije djelovala iz bilo kojeg razloga(naprimjer: zatajenje releja, zatajenje prekidača, nestanak pomoćnog napona, neosjetljivost zaštite).

• Rezervno djelovanje može se osigurati u istom zaštitnom uređaju, polju, postrojenju ili susjednom postrojenju.

39

Prilagodljivost primjene

• Prilagodljivost primjene je mogućnost ugradnje releja na bilo koje mjesto u elektroenergetskom sustavu, za zaštitu istovrsnog elementa ees-a.

• Numerički zaštitni uređaji imaju mnogo bolju mogućnost primjene u odnosu na statičke i elektromehaničke zaštitne releje.

40

Ekonomičnost primjene• Ekonomičnost primjene ovisi o objektu koji zaštita

štiti. Uobičajena vrijednost sustava zaštite je 2 do 5% vrijednosti štićenog objekta.

41/41