 Védelmek és automatikák  6. előadás.

1.  Védelmek és automatikák6. előadás. Differenciál-elvű védelmek. Differenciálvédelem és szakaszvédelem. Transzformátor differenciálvédelem 2012-2013 év, I. félév  Előadó: Póka Gyula

2. Differenciál-elvű védelmek

3. Lényege:a védett elem két (vagy több) végpontján uralkodó villamos mennyiségek összehasonlítása útján dönt  belsővagykülső Két alapvető csoport (magyar) differenciálszakasz- védelem: védelem: a végpontok azonoskülönböző állomásban vannak Differenciál-elvű védelmek(Differential Protection, Differencialschutz) Három alapvető tulajdonság: 1.) minden belső zárlatra pillanatműködésű (t = 0): mert határai egzaktak 2.) külső zárlatra érzéketlen: nem ad rá természetes tartalékvédelmet 3.) a védett elem két (vagy több) végpontja között információs összeköttetést (csatornát) igényel Mennyiségek, amelyeket összehasonlít: a.)áramok összegezése (Kirchhoff I.)(k.dia) b.) áramirány-összehasonlítás (k.dia) c.) teljesítményirány-összehasonlítás (k.dia) d.) távolsági védelmek mérésössze- hasonlítása (lásd később a 9. Védelmi parancs-átvitelnél)

4. külső zárlat Külső:I>=0 belső zárlat Belső:I>=Iz X X X X X X X X X X X X X X X HULLÁMZÁR MSZ MSZ Klasszikus differenciálvédelem, belső és külsőzárlat. Védett objektum CSATORNA NF GÉP NF GÉP 1.) Kirchhoff I. (csomó- ponti) törvénye: 2.) Áramirány-össze-hasonlítás elve. . . CSATOLÓ-KONDENZÁTOR Vivőfrekvenciás összeköttetés (40…500 kHz) x Differenciál-elvű védelmek csatornái. Differenciálvédelemnél: végpontok saját állomáson belül. Csatorna: maga az állomási szekunderezés (újabban néha fénykábel) Szakaszvédelemnél: (Line Differential Protection, Pilot Wire Protection, Phase Comparison Protection, Streckenschutz) végpontok különböző állomáson. Csatorna: .) kábel (erősáramú, postai) .) vivőfrekvenciás csatorna .) mikrohullámú összeköttetés .) fénykábel (pl. védővezetőben) Differenciálvédelem alapkapcsolása:

5. Stabilizálás, fékezés. PROBLÉMA: Kirchhoff I. (csomóponti)törvénye csak akkor igaz, ha az áramváltók pontosan képezik le a primer áramot a szekunder oldalra, nagyságra, alakra és szögre egyaránt ! Tehát: stabilizálás, fékezés kell. Stabilizálás (fékezés) módszerei: 1.) Nagy árambeállításI>beállítás = nagy érték. Fékezés megvalósítása fázisáramokkal (az F-tekercsekkel): 2.)Áramirány-stabilizálás. Pl.:I+IA.IB.cos   I>be (: fázisszögIA és IB között, pozitív irányok befelé) 3.)Fékezéses stabilizálás. Ki kell számolni: differenciáláram (kioldó áram): Id =I =Ileág fékező áram: Is = (IA+IB+IC+…) = Ileág, az érzékelési egyenlet pedig: Ileág  .Ileág  I>be  értéke lehet: fix érték  százalékos vagy lineáris differenciálvédelem, vagy változó  nemlineáris differenciálvédelem (most következik) 4.)Nagyimpedanciájú differenciálvédelem (részletesen később).

6. . . . . . . . . . . Iszek Id Is Ihiba Külső zárlat (ha van ÁV-telítés),tételezzük fel, hogy a baloldali ábra szerint: Iszek = I’primer , ha I’primer ≤ IT . Ha pedig a telített ÁV IT-t végig szolgáltat, azaz Iszek = IT , ha I’primer ≥ IT Id I’primer IT Izárl Is 2*IT Egyik lehetséges idealizált áramváltó-karakterisztika. Lineáris és nemlineárisfékezés. . . . . . . . . . . Kioldási karakterisztika meghatározása: Vízszintes tengelyen Is = ∑|Ileág| (fékező áram) Függőleges tengelyen Id =|∑Ileág| (kioldó áram) Feladat: az Id = f(Is) függvény meghatározása. Belső zárlat(ha [általában] nincs ÁV-telítés): Id = Izárl , Is = Izárl és így az Id = f(Is) függvény:Id = Is, azaz az origóból induló 450-os egyenes. akkor külső zárlatraaz Id = f(Is) függvény: Id = 0 , Is ≤ 2*Izárl (!!), ha I’primer ≤ IT és: Id = Izárl – IT , Is = Izárl + IT , ha I’primer ≥ IT a második egyenletből: Izárl = Is – IT , és így az Id = f(Is) függvény: Id=Is – 2*IT , azaz Is =2*IT-ből induló 450-os egyenes.

7. Id Iszek Belső zárlat vonala Lineáris szakasz Iprimer Is 1½*IT 1½*IT IT 2*IT IT 2*IT Lineáris szakasz Variációk Idealizált áramváltó karakterisztikák: Kioldási karakterisztikák: Valóságban a görbéket a tényleges telítési áramgörbe-alak és a pillanatértékek algoritmus szerinti összegezésével kell kiszámolni.

8. Például: • A differenciáláram (kioldó áram) számítása a következőképpen történhet: A differenciálvédelemhez kapcsolt összes lezáró áramváltómintavételezett Ip áram-pillanatértékeit összegezi. Az eredmény a differenciáláram számított pillanatértéke: Az áram egyenáramú összetevőjének kiszűréséhez az aktuális értékből kivonja a 10 ms-mal előbb mintavételezett értéket, és elosztja kettővel. Az eredmény a differenciáláram egyenáram nélküli számított pillanatértéke: Az utolsó tíz számított érték nagyságát (abszolút értékét) átlagolja, így nyeri az Id kioldó áramot. Az eredmény a differenciáláram „egyenirányított átlaga”: • A fékező áram számítása a következőképpen történhet: A mintavételezett Ip áram-pillanatértékek abszolút értékét összegezi: Kiszámítja ennek az értéknek és a 10 ms-mal előbbi értéknek az átlagát: Az utolsó tíz számított értéket átlagolja, ez az Is fékező áram: Stabilizálás, fékezés.

9. Id . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Id(kioldó) I, I KIOLD NEMLINEÁRIS KARAKTERISZTIKA RETESZEL BELSŐ ZÁRLAT VONALA BELSŐ ZÁRLAT VONALA KIOLD C KÜLSŐ ZÁRLAT TERÜLETE RETESZEL Törés- pontok KIOLD B Lineáris karakterisztika A IALAP stabilizálás 2*IT IHATÁR Is RETESZEL Is (fékező) IA+IB+… IT 2*IT Pl. az vonal: a telített ÁV I’primer ≥ IT felett Iszek = ½ IT , akkor az Id = f(Is) függvény: Id = Is – 1½ IT Külső zárlat, egyező áramváltó-áttétel Külső zárlat, nem egyező áramváltó-áttétel Iszek Ipr Lineáris és nemlineáris fékezés. Fékezéssel stabilizált karakterisztika.

10. 3.) A szinuszos áramgörbe kezdeti szakasza telítésmentes – amikor a maximumot érzékeli, a csökkenés helyett „kitartja” a maximum értéket a félperiódus végéig. 2.) A szinuszos áramgörbe kezdeti szakasza telítésmentes, ezért a differenciálvédelem érzékelése megbízható – ha reteszelést érzékel, a reteszelést „kitartja” a félperiódus (két periódus) végéig. reteszelés További szoftver-módszerek az áramváltó-telítés hatásának kivédésére 1.) Ha az érzékelés kezdeti szakasza egyértelműen a reteszelési tartomány felé „halad” – a reteszelést „kitartja” félperiódus ideig (ez az előzőekben bemutatott megoldás).

11. A PROTECTA általgyártott differenciál-védelem kioldási karakterisz-tikái.

12. Beállítási egyenletek: (ZR  nagy, I>  U>) védett objektum Ki kell számítani az UM mértékadó feszültséget:Pl.: UM = ..(RV+RSZ) 100 V Ubeállítás 2xUM 200 V Ufesz.függő ell. 2xUbeállítás 400 V UÁV könyök > Ufesz.függő ell. 600 V Diff.relé I A B C D Többvégpontú (többlábú) differenciálvédelem Külső közeli zárlat a D leágazáson. I UM= I’zmax..(RV + RSZ) RF RV RSZ C ID’ feszültség- függő ellenállások (metal oxid varisztor) R I=Ih ZR D áramváltó Ig IA’ IB’ IC’ Zg U> Diff.relé I I ID’ Differenciál-relé Nagyimpedanciájú differenciálvédelem. Önálló áramváltó-magot igényel (belső zárlat: UM).

13. Transzformátor differenciálvédelem.

14. 1.) Külön differenciálvédelem a nagyfeszültségű, és külön a szekunder oldali tekercselésekre. áramváltó- csoport I I Kéttekercselésű tr. diff. védelem Háromtekercselésű tr. diff. védelem I I Nagyimpedanciájú tr. diff. védelem Transzformátor differenciálvédelem. 2.)Egyetlen differenciálvédelem a transzformátor mindkét (mindhárom) tekercsére

15. 120 kV Pl.:400/120/10,5 kV-os boostertranszformátor áramváltó Pn = 250/250/50 MVA, In = 361/1146/2749 A c b a differenciál-relék DB da DA A B C a b c DB 400 kV 10,5 kV DC db Áramváltó-áttételek kötöttsége: külön a primer és külön a szekunder oldal áramváltói azonos áttételűek legyenek. dc Például: 400 kV-120 kV-csillagponti: 1200/1 A 10,5 kV kivezetési-átvezető: 3000/1 A Nagyimpedanciájú transzformátor differenciálvédelem.

16. U (bekapcsolás a legkedvezőtlenebb időpontban) U=Umax(sinωt) t  2max max [Vs] t Transzformátor differenciálvédelem problémái.1.) Bekapcsolási áramlökés(A.) Hibás megszólalást okozhatmert abekapcsolási áramlökés csak az egyik lezáró áramváltó-csoporton folyik át. Görbealak az aszimmetrikus telítés miatt (következő dián): Ig gerjesztőáram szinuszos görbéjének minden második (pl. pozitív) félhullámához csúcsosan kiugró lökés adódik.

17. i,Φ i Φ Φ Φe ig t’ t i i’ Bekapcsolási áramlökés alakja Aszimmetrikus telítés

18. B.) Második harmonikus reteszelés vagy fékezés: ÉS MÉG: túlgerjesztett transzformátor okozta szimmetrikus telítés miatt: ötödik harmonikus reteszelés vagy fékezés. Transzformátor differenciálvédelem problémái.1.) Bekapcsolási áramlökés(B.) Megoldásoka hibás megszólalás elkerülésére: A.)Galvanikusan összetartozó részekre bontás + nagy impedan-ciájú differenciálvédelem alkalmazása. C.) Egyenirányítás után: Minden félhullám nagy:zárlat. Csak minden második félhullám nagy:bekapcsolási áramlökés. D.)Nagymértékű érzéketlenítés: elektromechanikus: (3…3,5).Itr n, elektronikus: (6…8).Itr n; Nem jó, mert: 1.) érzéketlen, 2.) néha belső zárlatra sem működik. E.)Késleltetés;nem jó, mert a differenciálvédelem legfőbb előnyét veszti el; hidegen hengerelt lemeznél lassú a csillapodás!

19. áramváltó- csoport I I Kéttekercselésű tr. diff. védelem Háromtekercselésű tr. diff. védelem Emlékeztető: Egyetlen diff. védelem a transzformátor mindkét (mindhárom) tekercsére. Probléma: 1.) szögforgatás 2.) áttétel-kiegyenlítés

20. Megoldás:„Szétválasztott” differenciálvédelem alkalmazása,VAGYa transzformátor áramait vissza kell forgatni. 1.)Szögforgatást okoz / / a csillag/delta/zegzug kapcsolás: ha a két oldali kapcsolás nem azonos, Upr és Uszek, valamint Ipr és Iszek között (azonos) szögeltérés létezik. 2.)Transzformátorok kapcsolási csoportja:Y, D vagy Z és óraszám. Például: Y(o)d11 : primer csillag (+ földelt: o), szekunder delta kapcsolású, és az azonos fázisok közötti szögeltérés: 12h UA 11h ua Reálisan lehetséges kéttekercsű kapcsolások(22): Dy1,Dy5,Dy7,Dy11,Dd0,Dd6,Dz0,Dz2, Dz4,Dz6,Dz8,Dz10,Yy0,Yy6,Yd1,Yd5, Yd7,Yd11, Yz1,Yz5,Yz7,Yz11 Primer feszültség, 12h Szekunder feszültség, 11h Transzformátor differenciálvédelem problémái.2.) Szögforgatás.(A.) CSAK FÁZISBAN LÉVŐ ÁRAMOK HASONLÍTHATÓK ÖSSZE!

21. A négy áramváltó áttétele és kapcsolása a nyíl szerint értendő, a lehetséges kapcsolások primer/szekunder irányban: m=Un/un Ái=Ipr/Isz ái=ipr/isz Y/Y, Y/Δ, vagy/Y A nagyfeszültségű áramváltó-tekercsek természetesen mindig csillagkapcsolásúak Differen-ciál- védelem ák=ikpr/iksz Ák=Ikpr/Iksz Differenciálvédelmi elrendezésrégebbi megoldás . Az áramváltók megfelelő kapcsolásával a szögforgatást, megfelelő áttételével a transzformátor áttételét lehet kiegyenlíteni.

22. Módszer a visszaforgatásra az áramváltók szekunderében: 1.)Ciklikus fáziscsere(nx120o), illetve polaritáscsere (180o) 2.) Csillag-kapcsolás(0o), illetve delta-kapcsolás (30o). Segítő szabály: A.) Ha a transzformátor kapcsolási csoportja páros: ÁV szekunder [sz/sz]legyen Y/Y vagy / + a fenti 1.) módszer. Például: 6h  egyik (pl. kisebb feszültségű) oldalon polaritáscsere. 4h  egy ciklikus fáziscsere (nx4 órát forgat). B.) Ha a transzformátor kapcsolási csoportja páratlan: ÁV szekunder [pr/sz]legyen Y/ vagy [sz/sz] /Y+ a fenti 1.) módszer Transzformátor differenciálvédelem problémái.2.) Szögforgatás.(B.)

23. Transzformátor differenciálvédelem problémái.2.) Szögforgatás. Példa.(C.) UA UB UC uac uba ucb IA IB IC ia ib ic a b c A B C ua Pozitív irányok. UA 12h UA 11h ua azonos oszlopon uba I i uac ub U u ucb UC UB uc Következő ábrán: csak a szekunder tekercsek

24. áramváltó szekunder tekercsek áramváltó szekunder tekercsek Transzformátor differenciálvédelem problémái.2.) Szögforgatás.(D.) „A” variáció „B” variáció IA IB IC ia ib ic IA IB IC ia ib ic ia-ic IA-IB IA ia ia -IB -ic IA Diff.- védelem Diff.- védelem ia IA ia A a Bármelyik kapcsolás jó, de ha egyik oldal földelt csillagpontú: azon az oldalonkötelező a delta (hálózati FN miatt) (köv.dia) b 24 B C c

25. Hálózati FN zárlat hatása IZ IZ 3I0 I = 0 IZ Földelt csillag/delta transzformátor

26. Eredő áttétel számítása (áramváltó-áttételek kötöttsége): m=Un/un Ái=Ipr/Isz ái=ipr/isz Differen-ciál- védelem Áramváltó-áttételt meg kell szorozni az alábbival tényezővel (nyíl irányában véve) csillag/delta kapcsolás: delta/csillagkapcsolás: ák=ikpr/iksz Ák=Ikpr/Iksz 1 3 3 Transzformátor differenciálvédelem problémái.3.) Áttétel-kiegyenlítés(áramváltó-áttételek kötöttsége) PÓKA GYULA 26 BME-VMT

27. áramváltó- csoport A védelemnél kb. relé-névleges legyen (pl. 1 A) Ez itt az áramváltó-áttételek kötöttsége. Transzformátor differenciálvédelem problémái.3.) Áttétel-kiegyenlítés(áramváltó-áttételek kötöttsége) 2. módszer: áramazonosság számítása. i =I1tr névleges.m1 I1tr névleges m1 KF1 Itt NEM az i2tr névleges vagy i3tr névleges, árammal, hanem a NAGYFESZÜLTSÉGŰ OLDALRÓL ÁTSZÁMÍTOTT árammal kell számolni! m2 NF KF2 i =I1tr névleges.m2 I m1= UNF/UKF1 m2= UNF/UKF2 Példa: háromtekercselésű transzformátor differenciálvédelme.

28. Transzformátor-differenciálvédelmi elrendezésmegoldás numerikus védelmekre • a mintavételezett áramértékek kombinált feldolgozása – CÉL: a transzformátor kapcsolási csoportja miatti szögforgatás szögeltérését mátrix-transzformációval kiegyenlíteni Első paraméter: kapcsolási kódbeállítása: Dy1, Dy5, Dy7, Dy11, Dd0, Dd6, Dz0, Dz2, Dz4, Dz6, Dz8, Dz10, Yy0, Yy6, Yd1, Yd5, Yd7, Yd11,Yz1,Yz5, Yz7, Yz11 • a mintavételezett értékek arányos változtatása – CÉL: a transzformátor és az áramváltók áttételét nagyság- változtatással kiegyenlíteni Második paraméter:illesztési áram beállítása mindegyik oldalra:a transz- formátor áttételének és az áramváltók különböző áttételének kiegyenlítése. • a földelt csillag/delta kapcsolású transzformátorok külső FN zárlatra rátáplálnak – ezértcsillag-oldalon a védelemnek mindig delta kapcsolás szerint kell számolni

29. Gyűjtősín-differenciálvédelem. Külső zárlat áramképe. Lehet: nemlineáris fékezésű, áramirány-összehasonlító, nagyimpedanciájú Centralizált – decentarlizált elrendezés

30. Centralizált – decentarlizált elrendezés

31. SZAKASZVÉDELEM

32. SZAKASZVÉDELEM Alapvető problémák:1.) csatorna igénye, 2.) mindkét oldalon kell kioldás, tehát kell relé. Hasonlítás lehet: lineáris jel: áram, vagy a vele arányos feszültség nemlineáris jel: fázishelyzet, vagy félhullám (nagyság nélkül) logikai: zárlati teljesítmény, vagy távolsági védelmi jel (később) Csatorna-lehetőségek: .) kábel (erősáramú, postai) .) vivőfrekvenciás csatorna .) mikrohullámú összeköttetés .) fénykábel (pl. védővezetőben)

33. 2 æ ö 5 = ç ÷ 625 0 , 2 è ø F F = F F R R R Kábel F F Z’= R Fesz. összehasonlító szak.véd. Iy Kábel (csatorna) F F Ix Egy kábelér U> U> Kábel Ux Uy Szakaszvédelem. Példák lineáris jelösszehasonlításra F = fékező tekercs, R = diff.relé Nagy kábel- feszültség! Külső zárlat: Ix =Iy, és így a hurokra: Ux + Uy = 0

34. Fázis-össze-hasonlító szakasz-védelem.(Phase comparisonprotection) + 3/1 fázisú átalakító Nemlineáris jel: áram-fázishelyzet összehasonlítása(nagysága nélkül) PÓKA GYULA 34

35. Numerikus (mikroprocesszoros, digitális) szakaszvédelem. Mikroprocesszoros szakaszvédelem elvileg minden módszert használni tud. Példaként jó megoldás: - ha fénykábel összeköttetést alkalmaz - ha mindhárom fázisáram pillanatértékét külön-külön hasonlítja - ha fékezést alkalmaz

36. V É G E ! BME-VMT

37. A lineáris és nemlineáris fékezés viszonyai és feltételei. . . . .

38. Alapvető problémák: 1.) csatorna igénye, 2.) mindkét oldalon kell kioldás, tehát kell relé F = fékező tekercs, R = diff.relé Lineáris jel:pl.: Soros relékkel F F = F F R R R Kábel F F Z’= R Fesz. összehasonlító szak.véd. Iy Kábel (csatorna) F F Ix Egy kábelér Párh. relékkel U> U> Kábel Ux Uy Z Z Kábel R R Külső zárlat: Ix =Iy, és így a hurokra: Ux + Uy = 0 Szakaszvédelem. Hasonlítás lehet:lineáris jel: áram, vagy a vele arányos feszültség nemlineáris jel: fázishelyzet, vagy félhullám (nagyság nélkül) logikai: zárlati teljesítmény, vagy távolsági védelmi jel (később) Hurkolt hálózaton zárlat felléptekormindkét (mindegyik) oldali megszakítót ki kell kapcsolni! Nagy kábel- feszültség!