7 Pednka SEEZ Teorie ochran Ing Miroslav Novk

7. Přednáška SEE*Z Teorie ochran Ing. Miroslav Novák, Ph. D. Ústav mechatroniky a technické informatiky Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií Technická Univerzita v Liberci ( +420 48 535 3626 e-* miroslav. novak@tul. cz Projekt ESF CZ. 1. 07/2. 2. 00/28. 0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů.

Obsah • • • Teorie elektrických ochran El. ochrana, chráněný objekt, poruchy Funkce ochran Rozdělení ochran a jejich značení Selektivita jištění + modelové příklady Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 2

Definice pojmů El. ochrana je zařízení, které kontroluje chod určité části energetického systému (generátor, transformátor, vedení, atd. ), tedy chráněného objektu. Zajišťuje, aby chráněný objekt nepřekročil hranice normálního provozu, tedy aby nedošlo k jeho poškození nebo havárii Chráněný objekt je fyzické zařízení, jehož úkolem je přenášet el. energii. Okamžitou funkci chráněného zařízení je možno vyjádřit souborem okamžitých hodnot měřitelných fyzikálních veličin, které nazýváme stavovými veličinami x(t). V oboru elektrotechniky to jsou např. hodnoty napětí, proudu, výkonů, kmitočtu, teplot. Mechanických veličina atp. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 3

Spolupráce s okolím Ochrana získává informace o veličinách chráněného objektu z čidel. (napěťový, SYSTÉM CHRÁNĚNÍ chráněný objekt proudový transformátor…) Informace průběžně zpracovává a hodnotí, zda jsou v mezích normálního provozu. V opačné případě je detekován poruchový stav a úkolem ochrany je odpojení chráněného zařízení od všech zdrojů. Zároveň ochrana vysílá informaci o svém působení pro obsluhu. Ovládání objektu (vypínač) Stav objektu (vybrané stav. vel) ochrana Nastavení parametrů (citlivost, zpoždění) Signál působení ochrany obsluha Ovládání objektu Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Ostatní stavové veličiny (řídicí zařízení) Teorie ochran 4

Popis ochrany { p(t) Poruchová veličina - • • • Vektor vstupů objektu p(t) je složen z výstupu ochrany v(t) a ze vstupů u(t)=u 1(t)+u 2(t), které ochrana nemůže ovlivnit Vektor výstupů chráněného objektu z(t) je složen z veličin, které ochrana sleduje y(t) a z veličin nesledovaných r(t) Vektor v(t) působí přímo na ovládací zařízení objektu – vypínače, odbuzovače, uzávěry páry atp. Vektor u 2(t) je fyzikální veličina způsobující poruchy Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů r(t) u 1(t) v(t) • u 2(t) CHRÁNĚNÝ OBJEKT x(t) – stav objektu z(t) } y(t) OCHRANA v(t) = F(y(t), n) n Teorie ochran 5

Ochrany Dělení ochran podle způsobu získávání vstupních veličin: • • Primární ochrana – proud a napětí měří přímo ochrana Sekundární ochrana – použity přístrojové transformátory proudu či napětí Prvek ochrany – elementární stavební díl ochrany (relé, elektromagnet …) Člen ochrany – soubor několika prvků, které tvoří samostatný funkční celek (časový člen) Blokování ochrany – činnost ochrany, kdy je normální funkce ochrany podmíněna funkcí jiného přístroje či zařízení Základní ochrana – patří k základnímu vybavení objektu Záložní ochrana – patří k vedlejšímu vybavení, zpravidla je časově zpožděna za základní ochranou. Je zálohou základní ochrany, má používat jiný algoritmus. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 6

Chráněný objekt Pro správnou funkci ochrany je třeba mít co nejpřesnější informace o stavu chráněném objektu. Vhodné je zformulovat matematický model p(t) R z(t) – relace vstup - výstup. Formy matematických modelů: • Náhradní schéma • Vektorová diferenciální rovnice – přesný popis dynamického chování platný pro přechodové i ustálené stavy • • • Vektorová diferenční rovnice – přepis do diskrétního tvaru pro číslicové ochrany Impedanční rovnice – vztahy platné pro ustálený stav při kmitočtu 50 Hz – komplexní rovnice Vektorový diagram – grafický model, vychází z komplexních rovnic ustáleného stavu Impedanční charakteristika – grafické znázornění impedance objektu Souměrné složky – transformace impedančních rovnic do sousledné, zpětné a netočivé soustavy Složky d, q, 0 – transformace do podélné a příčné osy stroje, vhodné pro točivé stroje Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 7

Příklad náhradního obvodu Schéma zapojení jednofázového tepelného spotřebiče – sekundární ochrana s PTP a PTN Náhradní obvod respektující indukčnost přívodů Lv a komplexní charakter zátěže L + R Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 8

Porucha • Množina stavů chráněného objektu x(t) tvoří stavový prostor objektu P, který je n rozměrný – x(t) P • Stavový prostor lze rozdělit na podmnožiny P Pd Pz h 0 Pd. . Prostor dovolených stavů chráněného objektu Pz. . Prostor poruch h 0. . Hranice mezi prostorem poruch a dovolených stavů = množina stavů při kterých se objevuje porucha, má být totožná s charakteristikou ochrany Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 9

Poruchové stavy v silnoproudém rozvodu • Zkrat – spojení dvou nebo více fází, nebo fáze s uzlem. Způsobuje teplené poškození vodičů a následně izolantů, mechanická poškození vlivem dynamických sil zkratových proudů. Impedance zkratové smyčky je převážně induktivní – pokles činného výkonu = odlehčení generátoru. Pokles napětí = zmenšení synchronizačního momentu = ztráta stability. Zkrat způsobují atmosférické vlivy, únava izolace, mechanické poškození, nesprávná manipulace, náhodné jevy… • Přetížení – průchod příliš velkého množství energie tepelná a mechanická poškození, urychluje stárnutí izolací. Krátkodobé přetížení nemusí být nebezpečné. Způsobeno nedostatkem činného výkonu. Důsledkem je přehřátí částí objektu. Poškození závisí na velikosti teploty nebo na jejím časovém integrálu • Přepětí – zvýšení napětí nad dovolenou mez Způsobuje poškození a stárnutí izolací, přídavné ztráty – znamená nebezpečí zkratu. Způsobeno atmosférickými vlivy, poruchou regulace napětí, přechodovými jevy (rezonanční obvod parazitních prvků) • Podpětí – pokles napětí pod dovolenou mez Způsobuje proudové přetěžování při konstantním výkonu. Způsobeno proudovým přetížením, nedostatečnou kompenzací, poruchou regulace napětí. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 10

Poruchové stavy 2 • Snížení kmitočtu má za následek zvětšení magnetizačních proudů a tím zvětšení ztrát im = u/(2 pf. Lb). Nastává přetížením elektrizační soustavy. • Zvýšení kmitočtu zvýšené mechanické namáhání strojů. Způsobeno poruchou regulace výkonu • Nesymetrické zatížení Vznik zpětné složky proudu – složka točivého mag. pole, která se otáčí proti směru. Způsobuje přídavné ztráty v rotoru = může dojít k přehřátí • Zemní spojení Galvanické spojení jedné fáze nebo uzlu v izolovaných sítích. Nebezpečí následného zkratu. Narušena ochrana oddělením • Zpětný tok výkonu může nastat při poruše turbiny = přejde do motorického režimu • Ztráta buzení pokles budicího proudu pod mez stability = ztráta synchronizmu, přehřátí rotoru generátoru Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 11

Charakteristiky a rovnice ochran Charakteristika ochrany = grafický zápis algoritmu hranice h 0 ve stavovém prostoru x(t) P. Pro konkrétní ochrany jsou prvky vektoru x(t): napětí, proudy, výkony, kmitočty, další parametry, čas. Každou ochranu lze popsat algebraickým zápisem v(t) = F[y(t), n] v(t). . Vektor výstupu ochrany y(t). . Vektor vstupu ochrany (měřené veličiny) n. . Soubor konstant • Proudová ochrana, F(i, t) = 0 při zkratu nebo přetížení se zvýší proud a ochrana působí, je závislá na době působení proudu t • Napěťová ochrana , F(u, t) = 0 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 12

Charakteristiky a rovnice • Distanční ochrana, F(z) = 0 využívá impedance zkratové smyčky = měří napětí a proud a vypočítává impedanci, při zkratu klesne impedance • Wattová ochrana, p = p 0 určuje mezní činný výkon objektu p 0, který je zároveň citlivostí ochrany • Jalová ochrana, q = q 0 jako wattová ochrana Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 13

Charakteristiky a rovnice ochran 3 • Kmitočtová ochrana, u = g(f) nebo i = g(f) • Srovnávací, |arg ia – arg ib| = a měří fázový úhel mezi vstupním a výstupním proudem Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 14

Rozdělení ochran Podle typu chráněného objektu: • Generátoru • Motoru • Transformátoru • Přípojnic • Vedení • Kabelu • Troleje • Vypínače • lokomotivní Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Podle druhu poruchy: • Zkratová • Při přetížení • Podpěťová • Nadpěťová • Podkmitočtová • Nadkmitočtová • Při zemním spojení • Při změně toku výkonu • Při ztrátě buzení • Při nesouměrnosti Teorie ochran 15

Rozdělení ochran 2 Podle funkčního principu: • Proudová I • Napěťová U • Distanční Z • Rozdílová R • Srovnávací S • Wattová P • Jalová Q • Kmitočtová f • Při nesouměrnosti Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Podle doby působení: • Mžiková – bez závislosti na čase • Závislá – doba působení závisí na velikosti měřené veličiny • Časovaná nezávislá Podle konstrukce • Elektromechanická • Tranzistorová (elektronická) • Číslicová (digitální) Teorie ochran 16

Základní členy ochran Ochrany mohou obsahovat tyto členy: • Vstupní, popudový • Měřicí • Logiky • Časový • Koncový • Napájení Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 17

Vstupní člen 1. Převod vstupních signálů y(t) na zpracovatelný tvar a úroveň 2. Zjištění stavu objektu x(t) ze vstupních signálů y(t) 3. Ochrana vnitřních obvodů ochrany proti rušení a chybným signálům Jmenovité hodnoty vstupů jsou 100 V a 1 nebo 5 A. Uvnitř ochrany se pracuje s volty nebo miliampéry – převod bočníky, transformátory … Někdy jsou součástí usměrňovače – převod na DC U číslicových ochran je součástí vstupního členu AD převodník Výpočet stavu objektu podle x(t) = V[y(t), n] Obsahuje filtry (pasivní R, L, C), digitální Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 18

Popudový člen • Podává informaci o poruše vzniklé v energetické soustavě v dosahu ochrany – předává signál měřicímu členu a členu logiky • Zpracovává vstupy a vyhodnocuje jestli je objekt v dovolené b(t) = 0 nebo zakázané b(t) = 1 části stavového prostoru • b(t) = P[x(t), np] • Funkce jako měřicí člen, citlivost je však větší • Např. u distančních ochran je popudový člen proudový a měřicí člen impedanční Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 19

Měřicí člen • Rozhoduje, zda je v objektu porucha či nikoliv • Určuje hranici h 0 • m(t) = M[x(t), nm] • Konstanty nm se mohou měnit logikou ochrany, např. se může zvyšovat citlivost s dobou působení Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 20

Člen logiky 1. Zpracovává logický signál z popudového členu b(t) 2. Určuje funkci měřicího členu – konstanty nm 3. Určuje funkci koncového členu v(t) podle výstupu z měřicího členu m(t) 4. Zpracovává signál časového členu Všechny vstupy a výstupy jsou booleovské funkce Realizace: relé, diody, tranzistory, integrované obvody, SW Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 21

Časový člen • Má za úkol prodlužovat dobu působení ochrany tp • Vstupem je signál členu logiky a výstup ovlivňuje opět signál členu logiky Důvody použití: • Zajištění selektivity – zpožděním se umožní přednostní spuštění jiné ochrany • Využití akumulace energie v objektu ochrany – ochrana může dovolit přetížení, pokud neohrozí objekt • Vyloučení chybného působení ochrany – způsobeno přechodnou poruchou krátkého trvání Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 22

Koncový člen • Má za úkol supravit signál tak, aby byl schopen předání ovládacímu zařízení objektu • Upravuje úroveň signálu (minimalizace rušení) • Zajišťuje dostatečnou zatižitelnost Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 23

Napájecí člen • Ochrany bez napájení (nepotřebují pomocné napětí) • Napájení ze střídavé sítě – méně spolehlivé (výpadek/odpojení části sítě) • Staniční akumulátor – společný stejnosměrný zdroj pro celý systém ochran – zaručuje funkci i při výpadku chráněného obvodu • Akumulátor ochrany – vestavěn do ochrany, zajištění dobíjení • Napájení s přístrojových transformátorů, užívá se PTP (proud při poruše vzrůstá) - upouští se od něj, protože snižuje přesnost PTP Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 24

Blokové schéma ochrany Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 25

Příklad konkrétní ochrany Jmenovitý proud 1 A nebo 5 A Jmenovitá frekvence 50 nebo 60 Hz Pomocné napájení 18 - 60 Vss, st 40 - 265 Vss, st Spotřeba v proudovém obvodu< 0, 5 VA při In Spotřeba v pomocném obvodu< 5 W Seřiditelnost 0, 5 až 13, 25 In po 0, 05 In Přesnost ± 5% z nastavené hodnoty pro I < 10 In ± 10% z nastavené hodnoty pro I > 10 In Přídržný poměr 0, 95 Zpoždění působení 40 ms Doba návratu 40 ms Přetižitelnost do 5 In /trvale; do 10 In /8 s; do 20 In /2 s; do 40 In /0, 5 s Kontakty: Počet 3 x 1 PZapínací proud 15 A; 4 s Trvalý proud 4 A Vypínací schopnost cca 0, 12 A při 250 V (35 až 330 W podle napětí)L/R Ł 10 ms Izolační zkouška 2 k. V; 50 Hz; 1 min IEC = 255 -1 Teplotní rozsah -10 až +55 °C Závislost přesnosti na teplotě 0, 1% / 1 °C Hmotnost cca 2, 5 kg Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 26

Literatura Rozvody: • FENCL, František. Elektrický rozvod a rozvodná zařízení. Skriptum FELČVUT v Praze. Česká technika – nakladatelství ČVUT. 2006. ISBN 8001 -02771 -6 [UKN] • KŘÍŽ, Michal. Dimenzování a jištění elektrických zařízení – tabulky a příklady. IN-EL. Praha, 2001. ISBN 80 -86230 -21 -X [UKN] UKN – Univerzitní knihovna TU v Liberci Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Teorie ochran 27