11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Laško 2013 CIGRÉ ŠK B5-07

1

ANALIZA DELOVANJA DISTANČNE ZAŠČITE PRI ENOFAZNIH STIKIH DVOSTRANSKO NAPAJANIH PRENOSNIH VODOV

BOŠTJAN POLAJŽER, BOJAN GRČAR UNIVERZA V MARIBORU, FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN

INFORMATIKO Smetanova ul. 17, 2000 Maribor, Slovenija

bostjan.polajzer@uni-mb.si

GORAZD HROVAT, FRANC PREPELUH, BLAŽ TRAVEN ELEKTRO-SLOVENIJA, D.O.O.

Povzetek – V prispevku je podana analiza vplivnih parametrov pri enofaznih stikih dvostransko napajanih prenosnih vodov z vidika izračunanih (izmerjenih) impedanc ob upoštevanju algoritmov, ki so dejansko implementirani v najpogosteje vgrajenih zaščitnih relejih. Obravnavane so variacije ključnih parametrov, ki vplivajo na izračunane impedance: stanje pred okvaro, upornost in mesto okvare, ter amplitudne in fazne razmere napetosti na obeh koncih prenosnega voda. Analiza obravnavanega 400 kV voda z vidika občutljivosti in selektivnosti nadgrajuje ugotovitve in priporočila, ki se običajno navajajo v strokovni literaturi. Izračuni so izvedeni s posebej razvitim računalniškim orodjem, ki omogoča tudi napredno preizkušanje distančne zaščite prenosnih vodov. Rezultati analize in preizkušanja kažejo, da je občutljivost prve stopnje distančne zaščite pri bolj oddaljenih okvarah z večjo prehodno upornostjo predvsem odvisna od relativnega kota napetosti na obeh koncih voda.

ANALYSIS OF DISTANCE PROTECTION OPERATION DURING PHASE

TO EARTH FAULTS ON TRANSMISSION LINES SUPPLIED FROM BOTH ENDS

BOŠTJAN POLAJŽER, BOJAN GRČAR

UNIVERSITY OF MARIBOR, FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMPUTER SCIENCE

Smetanova ul. 17, 2000 Maribor, Slovenia bostjan.polajzer@uni-mb.si

GORAZD HROVAT, FRANC PREPELUH, BLAŽ TRAVEN

ELEKTRO-SLOVENIJA, D.O.O.

Abstract – In the contribution analysis of the relevant parameters during phase to earth faults on transmission lines supplied from both ends is presented. The analysis is performed from the viewpoint of numerical algorithms that are actually implemented in the commonly used protective relays. The key parameter variations are considered, such as pre-fault operation conditions, fault resistance, as well as the changes of the voltage phasors between sending (local) and receiving (remote) end during the fault. The analysis of the discussed 400 kV transmission line shows that recommendations for protection parameter setting practices that are widely used can be expanded and completed. In this way, the sensitivity and selectivity could be considerably improved. Therefore, necessary calculations have been performed using dedicated computer tool that enables also advanced secondary testing of the distance protective relays. From the numerous calculations and secondary tests it can be concluded, that sensitivity of the first protective zone at faults with high ohmic resistance mostly depends on the relative voltage angle between sending and receiving end.

11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Laško 2013 CIGRÉ ŠK B5-07

2

I. UVOD

Naloga distančne zaščite je, da iz izmerjenih linijskih napetosti in tokov pravilno določi impedanco pozitivnega zaporedja kratkostične zanke. V primerih enofaznih stikov na prenosnih vodih je lahko zaradi spremenljivih parametrov delovanje distančne zaščite zakasnjeno ali pa celo neselektivno [1]. Za primere enostransko napajanih vodov lahko analitično ovrednotimo pogreške različnih numeričnih postopkov določitve impedance kratkostične zanke [2]. Za dvostransko napajane vode je problem mnogo bolj kompleksen in vključuje množico vplivnih parametrov.

Obravnava enofaznih stikov je v tem prispevku omejena na dvostransko napajane prenosne vode z direktno ozemljenimi transformatorskimi zvezdišči. V analizo so vključene pozitivne in nične impedance izvorov in samega voda, in njihove ocenjene variacije. Izračuni poleg togih napajalnih napetosti upoštevajo tudi variacije v relativnem kotu in v efektivni vrednosti napetosti na nasprotni (remote) strani voda. Eden izmed ključnih faktorjev je ocenjena ohmska upornost na mestu okvare oziroma področje variacije, ki še zagotavlja selektivno delovanje zaščite.

Analiza variacije vplivnih parametrov upošteva različne načine izračunavanja impedance kratkostične zanke, ki se uporablja v najpogosteje vgrajenih zaščitnih relejih [2]. Pri tem se omejujemo na statične fazorske rešitve. Pokazano je, da se napake v izračunani impedanci lahko pojavijo tako v R kot tudi v X-smeri in imajo potencialno velik vpliv na občutljivost in selektivnost distančne zaščite.

Pregled strokovne literature [2-5] kaže, da je problem aktualen predvsem z vidika sodobnih numeričnih relejev s poligonsko karakteristiko in je pogojen z različnimi algoritmi za izračun impedance. Na podlagi rezultatov analize, ki je bila izvedena z uporabo posebej razvitega računalniškega orodja za konkretni primer 400 kV prenosnega voda zaključujemo, da splošna praksa nastavljanja poligonskih karakteristik v R-smeri kot večkratnik nastavitve v X-smeri ni najustreznejši postopek. Dobljeni rezultati so potrjeni s sekundarnimi preizkusi zaščitnih relejev Siemens 7SA511 in 611, ter ABB REL 521 in 670.

Slika 1: Enofazno nadomestno vezje za enofazne stike

II. NAČINI IZRAČUNAVANJA IMPEDANCE PRI ENOFAZNIH STIKIH

V analizi enofaznih stikov se v strokovni literaturi najpogosteje uporablja enofazno nadomestno vezje, ki ga prikazuje slika 1, kjer so impedance izvorov a in b, voda in zemlje označene kot Zsa,sb,v,ev,ea,eb. E je efektivna vrednost napetosti izvorov, ∆E in δ pa sta odstopanje efektivne vrednosti in faznega kota napetosti na nasprotni (remote) strani voda. V realnih primerih, ko za upornost okvare velja Rf > 0 v izračunu impedance nastopi kompleksna napaka ε, ki jo lahko analitično izrazimo kot:

3 ffa v

a eae

IZ mZ R

I k Iε

= ++

(1)

kjer je m relativna oddaljenost enofaznega stika od RT a, Ia je fazor linijskega toka, Iea fazor povratnega toka zemlje, If pa je fazor toka okvare. Kompleksni korekcijski faktor ke, je definiran z izrazom:

( )0

01 11 13 3

ev ve

v v

Z Zk k

Z Z

= = − = −

(2)

kjer sta Zv in Zv

0 impedanci voda za pozitivno in nično zaporedje. Očitno bo izmerjena impedanca Za po iznosu večja ali manjša od dejanske (m Zv), spremenijo pa se tudi fazne razmere. Vpliv kompleksne napake ε grafično prikazuje slika 2. V primerih, kadar je pretok energije v normalnem stanju iz RT a (local) proti RT b (remote) je kot napake negativen (slika 2a), kar lahko povzroči neselektivno delovanje distančne zaščite. V primerih, kadar je pretok energije v normalnem stanju iz RT b proti RT a, pa je kot napake pozitiven (slika 2b), zaradi česar je delovanje distančne zaščite lahko zakasnjeno, ali celo izostalo.

Ob predpostavkah, da je Rf = 0 in da je vod napajan samo iz ene strani (Ia = Iea = If ) za izračunano (merjeno) impedanco v RT a velja naslednji izraz:

( )mer mermer1

1a

a aaa e

UZ R jX

I k= + =

+ (3)

Slika 2: Grafični prikaz vpliva napake ε zaradi upornosti okvare za

pretok energije RT a→ RT b (a) oziroma RT b→ RT a (b)

11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Laško 2013 CIGRÉ ŠK B5-07

3

Glede na tip vgrajenega zaščitnega releja je merjena impedanca določena tudi z izrazoma:

mer

mer

1Im1

1Re1

aa

xa

aa

ra

UX

I k

UR

I k

=

+

= +

(4)

mer

mermer

1Im1

Retan

aa

xa

a aa r

va

UX

I k

U XR k

I ϕ

=

+

= −

(5)

kjer se algoritem (4) nanaša na Siemens-ove,

algoritem (5) pa v glavnem na ABB-jeve distančne releje, kjer je ϕv := arctan(Xv/Rv) kot voda. Korekcijski faktor je upoštevan ločeno za realno in imaginarno komponento z naslednjima izrazoma:

0 01 11 ; 1

3 3ev v ev v

r xv v v v

R R X Xk k

R R X X+ +

= = − = = −

(6)

Iz razpoložljive dokumentacije izhaja, da Siemens-

ovi releji dejansko uporabljajo nekoliko modificiran izraz (7), ki upošteva tudi povratni tok Iea. Pregled tipov zaščitnih relejev, glede na uporabljeni algoritem izračuna impedance podaja tabela I.

( ) ( )

( ) ( )

mer 2

mer 2

Im1 Re Im

ReRe

1 Re

Re1 Re Im

ImIm

1 Re

a

aea ea

a a a

a

ea ea

a a

a

aea ea

a a a

a

ea ea

a a

UII I

x I I UIa

aI Ia

r x r xI I

UII I

r I I UIa

aI Ia

r x r xI I

kU

RI k k k k

kU

XI k k k k

− + =

− + +

− − =

− + +

(7)

TABELA I: PREGLED TIPOV ZAŠČITNIH RELEJEV (A0, A1, A2)

ALGORITEM TIP ZAŠČITNI RELE en. (3) A0 REL 316, MHO karakteristika

en. (4) en. (7)

A1, A1*

7SA5**, 7SA6**

en. (5) »arc separated« A2

REL4**, REL5**, REL6**, SEL321, SEL421, LFZR, EPAC, MICOM

III. OCENA VPLIVA VARIACIJE PARAMETROV

Oceno vpliva variacije parametrov na izračunano impedanco podajamo za izbran 400 kV prenosni vod s podatki iz tabele II. V obeh RT (a-local in b-remote) so vgrajeni zaščitni releji tipa A1* (7SA612-local oziroma 7SA513-remote) in A2 (REL 561-local in remote).

TABELA II: PODATKI OBRAVNAVANEGA 400 KV SISTEMA

Zv [Ω] 1,534 + j16,352 Zv

0 [Ω] 8,830 + j34,767

IZVORI RT a (local) RT b (remote)

Zs [Ω] 1,195 + j15,015 1,451 + j16,195 Zs

0 [Ω] 1,685 + j15,255 1,929 + j16,079

Za obravnavani dvostransko napajani prenosni vod

je bila izvedena analiza variacije izbranih vplivnih parametrov: Rf, m, ∆E in δ. Za izračune je bilo uporabljeno posebej razvito računalniško orodje, ki je realizirano v okolju Matlab. Analiza je omejena na statične izračune obratovalnih stanj pred in med okvaro za prvo stopnjo poligonske karakteristike distančne zaščite, vsi izračuni pa so opravljeni trifazno, z uporabo modela, ki ga prikazuje slika 3.

Analiza je bila izvedena za ocenjeno variacijo upornosti 20 Ω < Rf < 50 Ω pri oddaljeni okvari (m = 0,8). Variacija kota in efektivne vrednosti napetosti na nasprotni (remote) strani voda je bila določena glede na pričakovano variacijo delovne in jalove moči v normalnem stanju (pred okvaro). Za ocenjeni variaciji moči -500 MW < P < 500 MW in -150 MVAr < Q < 150 MVAr sta bili izračunani variaciji kota in efektivne vrednosti napetosti -7,5o < δ < 7,5o in -3% < ∆E < 3%o. Iz dobljenih rezultatov, ki so prikazani na slikah 4 in 5 so pri oddaljenih okvarah z večjo upornostjo okvare (Rf > 30 Ω) razvidna znatna odstopanja v izračunanih vrednostih v R in v X-smeri. Oba algoritma (A1* in A2) izrazito vnašata pogreške predvsem v X-smeri, pri pozitivnih kotih δ (P > 0). V splošnem je občutljivost distančne zaščite nekoliko večja pri algoritmu A1*.

Slika 3: Trifazna blokovna shema (Matlab/Simulink)

11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Laško 2013 CIGRÉ ŠK B5-07

4

a) b)

Slika 4: Vpliv variacije upornosti okvare Rf in faznega kota napetosti na nasprotni strani voda δ za releje tipa A1* (a) in A2 (b)

a) b)

Slika 5: Vpliv variacije upornosti okvare Rf in efektivne vrednosti napetosti na nasprotni strani voda ∆E za releje tipa A1* (a) in A2 (b)

IV. PREIZKUŠANJE DISTANČNE ZAŠČITE Za nastavitev dosega distančne zaščite v R-smeri (X = 0), velja za algoritma A1 in A2 v skladu z izrazoma (4) in (5) naslednja povezava:

A1 A21

1 rR R

k=

+ (8)

ki natančno velja le za enostransko napajanje. Iz izvedene analize ugotavljamo, da lahko za oceno dosega distančne zaščite v R-smeri pri algoritmih A1 in A2 uporabimo približno razmerje (8), če je le kot med napetostima na obeh straneh voda dovolj majhen. Takšna nastavitev tudi omogoča enotno preizkušanje zaščitnih relejev obeh tipov (Siemens-A1 in ABB-A2). V obravnavanem primeru znaša tako dobljeno razmerje RA1/RA2 = 0,387.

Računalniško orodje, ki je omenjeno v prejšnjem poglavju poleg analize omogoča tudi generiranje datotek formata COMTRADE za napredno sekundarno preizkušanje distančne zaščite. Na takšen način so bili preizkušeni distančni releji Siemens 7SA511 in 611, ter ABB REL 521 in 670. Preizkusi so bili izvedeni trifazno in samo za prvo stopnjo poligonske karakteristike znotraj tolerančne meje ±10%, torej v točkah, ki so na slikah 4 in 5 označene z o. Za sekundarno preizkušanje smo uporabili napravo OMICRON CMC 256-6 in programskim modulom, ki omogoča »predvajanje« COMTRADE datotek (Test Universe/ Advanced TransPlay). Vsi preizkušeni releji so delovali skladno z implementiranim algoritmom (Siemens-A1* oziroma ABB-A2). Za točke, ki so na slikah 5a in b označene z o, so rezultati prikazani v tabeli III, časovne poteke napetosti in tokov za sekundarno preizkušanje pa za eno točko prikazuje slika 6.

11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Laško 2013 CIGRÉ ŠK B5-07

5

TABELA III: REZULTATI PREIZKUŠANJA: VARIACIJA PARAMETROV RF IN ∆E PRI M = 0,8 IN δ = -5O (SLIKA 5)

Variacija parametrov R [Ω] X [Ω]

Rf [Ω] ∆E [%] Izračun (7)-A1*

7SA511 A1*

7SA611 A1*

Izračun (7)-A1*

7SA511 A1*

7SA611 A1*

40 0 40,7 41,0 40,8 9,9 9,8 9,0

40 3 40,9 41,3 41,0 8,2 8,0 7,2

40 -3 40,4 40,7 40,5 11,7 11,6 10,8

Rf [Ω] ∆E [%] Izračun (5)-A2

REL521 A2

REL670 A2

Izračun (5)-A2

REL521 A2

REL670 A2

40 0 87,9 89,4 - 7,72 8,9 -

40 3 89,7 90,5 - 4,1 4,4 -

40 -3 85,6 87,9 - 11,2 10,6 -

V. ZAKLJUČKI Ta prispevek obravnava vplivne parametre delovanja distančne zaščite pri enofaznih stikih na prenosnih vodih. Na osnovi dobljenih rezultatov izhaja, da analitični izrazi za ocenitev pogreškov, kot so poznani iz literature, veljajo samo za primere enostranskega napajanja. Podana je primerjava različnih postopkov za izračun impedance, ki jih uporabljajo najpogosteje vgrajeni distančni releji. Ugotovljeno je bilo, da lahko za oceno dosegov v R-smeri pri algoritmih A1* (Siemens) in A2 (ABB) uporabimo približno razmerje 1 / (1+kr), če je le kot med napetostima na obeh straneh voda dovolj majhen. Kot pomoč za preverjanje ustreznosti nastavitev je bilo uporabljeno posebej razvito računalniško orodje. Iz rezultatov analize za konkreten primer 400 kV voda zaključujemo, da je občutljivost prve stopnje pri bolj oddaljenih okvarah z večjo prehodno upornostjo predvsem odvisna od relativnega kota napetosti na obeh koncih voda. Dobljeni rezultati so za oba algoritma (A1* in A2) v celoti potrjeni s sekundarnimi preizkusi zaščitnih relejev. Predlagamo, da se tovrstna analiza in preizkušanje izvedeta za vse 400 kV vode v slovenskem omrežju eno do dve leti po vgradnji zaščitnih relejev ali vsaj pred iztekom garancije, kakor tudi v primerih nepojasnjenega napačnega delovanja distančne zaščite na vseh napetostnih nivojih prenosnega omrežja.

0 0.05 0.1 0.15 0.2-100

-50

0

50

100

nape

tost

i (V

)

L1L2L3

0 0.05 0.1 0.15 0.2

-2

-1

0

1

2

toki

(A)

t (s)

Slika 6: Časovni poteki napetost in tokov za sekundarno

preizkušanje – točka R =87,9 Ω, X =7,72 Ω na sliki 5b (Rf = 40 Ω, m = 0,8, δ = -5o, ∆E = 0%)

REFERENCE [1] B. Polajžer, B. Grčar, J. Ritonja, G. Hrovat in

F. Prepeluh, Delovanje distančne zaščite pri zemeljskih stikih na dvostransko napajanem daljnovodu, 9. Konferenca slovenskih elektroenergetikov, Kranjska Gora, 2009.

[2] S. Kaiser, Different Representations of the Ground Impedance Matching in Distance Protection, OMICRON electronics GmbH,2011.

[3] IEEE Std C37.113-1999, IEEE Guide for Protective Relay Applications to Transmission Lines, September, 1999.

[4] G. Zigler, Digitaler Distanzschutz, Siemens, 2. Auflage, 2008.

[5] N. El Halabi, M. G.-Gracia, S. M. Arroyo in A. Alonso, Application of a distance relaying scheme to compensate fault location errors due to fault resistance, ELSEVIER, Electric Power Systems Research 81 (2011), 1681-1687.