Protectia de Tensiune

PROTECȚIA DE TENSIUNE (59, 27)

Protecția de tensiune este utilizată pentru detectarea valorilor tensiunii electrice care ating nivele periculoase pentru instalația aflată în zona protejată. Protectiile de tensiune sunt simple, alimentate cu o singură mărime (tensiunea electrică), și se realizează ca protecție de tensiune minimală, cât și ca protecție de tensiune maximală.

Scurtcircuitele polifazate sunt însoțite de scăderea valorii tensiunii între fazele pe care s-a produs defectul, iar scurtcircuitele monofazate conduc la reducerea valorii tensiunii fazei respective. Aceste defecte pot fi sesizate de protecția de tensiune minimală, ceea ce constituie o informație suplimentară care poate fi utilizată în combinație cu protecția maximală de curent cu scopul de a diferenția un defect îndepărtat de o suprasarcină. Se obține in acest fel protecția maximală de curent cu blocaj la minimă tensiune, protecție care va acționa în cazul scurtcircuitului numai dacă tensiunea scade sub o valoare prestabilită și în plus nu acționează în cazul regimurilor de suprasarcină.

Dacă zona protejată se află la nivelul barelor de medie tensiune protecția minimală de tensiune detectează starea de funcționare cu tensiune scăzută care poate conduce la pierderea stabilității funcționării mașinilor electrice (rotative în special) alimentate la nivelul de tensiune al barei respective. În acest caz protecția de tensiune minimală poate fi utilizată ca protecție de sine stătătoare prevăzută cu una sau două trepte de temporizare.

Scurtcircuitele nesimetrice sunt însoțite de apariția componentei de secvență inversă a tensiunii în cazul scurtcircuitelor bifazate și a componentei de secvență homopolară în cazul scurtcircuitelor monofazate. Protecția de tensiune maximală de secvență inversă sau homopolară poate sesiza apariția unor asemenea defecte.

Protecția de tensiune maximală poate fi utilizată și ca protecție de sine stătătoare, prevăzută pentru protejarea echipamentelor împotriva deteriorării izolației ca urmare a creșterii valorii tensiunii în zona protejată peste valorile maxim admisibile în condiții normale de exploatare.

În centrale tensiunile mari pot să apară ca urmare a exploatării incorecte a sistemelor de excitație a generatoarelor sincrone, a funcționării defectuoase a regulatoarelor de tensiune, în cazul separării generatoarelor de sistem (descărcarea bruscă de sarcină după scurtcircuite) sau în timpul insularizării. De asemenea, tensiuni mari pot să apară în rețele ca urmare a funcționarii defectuoase a regulatoarelor de tensiune la transformatoarele prevăzute cu reglajul tensiunii sub sarcină și a sarcinilor scăzute la consumatori.

Protecția maximală de tensiune – (ANSI 59 – Overvoltage)

Elementul de pornire al protecției intră în funcțiune la creșterea tensiunii U din zona elementului protejat peste valoarea maximă admisibilă în condiții normale de exploatare.

Se realizează cu relee maximale de tensiune în schemă cu două sau trei relee, conectate în secundarul transformatorului de măsură de tensiune. Pot fi prevăzute cu o treaptă scurtă de temporizare pentru nivele mari de tensiune sau o treaptă lungă de temporizare pentru nivele mai puțin periculoase de tensiune.

Schema principială a protecției maximale de tensiune cu o treaptă de temporizare și supravegherea fiecărei faze este reprezentată în figura X0.

Fig. X0 – schema principială a protecției maximale de tensiune. 1 – releu maximal de tensiune;

3 – releu de timp; 3 – releu intermediar; 4 – releu de semnalizare; TT – transformator de măsură de tensiune; Sb – sistem trifazat de bare colectoare de medie sau înaltă tensiune, zona protejată

Condițiile de acționare a protecției de tensiune maximală sunt următoarele:

(00)

Unde:

U – valoarea tensiunii din zona elementului protejat

Upp – este valoarea în sensul creșterii tensiunii la care protecția acționează numită tensiune de pornire a protecției

Un – valoarea tensiunii nominale din zona elementului protejat

Umax.expl. – valoarea maximă admisă a tensiunii în zona elementului protejat în condiții normale de exploatare.

Valoarea tensiunii de pornire a releului maximal de tensiune este:

(00)

Unde:

Upr – valoarea tensiunii de pornire a releului maximal de tensiune în sensul creșterii tensiunii

– valoarea raportului de transformare a transformatoarelor de măsură de tensiune.

Tensiunea de revenire a protecției este valoarea în sensul scăderii tensiunii până la revenirea protecției, la limita superioară de îndeplinire a condiției:

(00)

Tensiunea de revenire a releului este:

(00)

Coeficientul de revenire al releului este:

(00)

Pentru releele maximale de tensiune electromagnetice (realizate pe aceleași principii ca și releele maximale de curent), coeficientul de revenire este , iar pentru cele electronice .

Caracteristica de acționare a unui releu maximal de tensiune cu contact normal deschis este prezentată în figura Fig. 0XX.

Fig. 0XX – Caracteristica de acționare a unui releu maximal de tensiune

cu contact normal deschis

În figura 0XX1 se prezintă domeniul valorilor tensiunii în regim normal de exploatare și de supratensiuni datorate defectelor.

Fig. 0XX1. Domeniul valorilor tensiunii în regim normal și de supratensiune la defect.

Particularități ale protecției de tensiune maximală

În rețele de medie tensiune cu neutrul izolat sau tratat prin bobină de stingere protecția de tensiune maximală este utilizată pentru identificarea unor defecte nesimetrice, cum sunt scurtcircuitele bifazate sau punerile la pământ monofazate.

Protecția de tensiune maximală de secvență inversă

Scurtcircuitele bifazate sunt însoțite de apariția componentei de secvență inversă a tensiunii. Pentru identificarea unor astfel de defecte releul de tensiune maximală se conectează prin intermediul unui filtru de tensiune de secvență inversă (FTSI), conectat la tensiunile dintre faze din secundarul transformatoarelor de măsură de tensiune. Aceste tensiuni nu conțin componente de secvență homopolară, operația care trebuie să o execute filtrul este eliminarea din tensiunile totale aplicate la bornele primare, numai a componentelor de secvență directă.

Fig. XX – schema principială a protecției de tensiune maximală de secvență inversă.

1 – filtru de tensiune de secvență inversă; 2 – releu maximal de tensiune;3 – releu de timp;

4 – releu intermediar; 5 – releu de semnalizare; TT – transformator de măsură de tensiune;

Sb – sistem trifazat de bare colectoare de medie sau înaltă tensiune, zona protejată.

Valoarea tensiunii de secvență inversă raportată de exemplu, la tensiunile între fazele R și S (UiRS), are forma:

(a1)

Unde:

b)

Fig. X04. – Explicație la definirea valorii vectorului a

În sisteme trifazate simetrice și echilibrate în absența scurtcircuitelor avem:

(a2)

Prin urmare putem scrie relația:

(a3)

Din figura Fig. X04 b, putem scrie următoarele relații:

(a4)

(a5)

Din relația (a1) și (a3) obținem:

(a6)

Din relațiile (a4), (a5) și (a6) obținem:

(a7)

Se constată că pentru obținerea tensiunii inverse UiRS se poate înmulți cu suma geometrică a tensiunilor URS rotită în sens invers orar cu 30⁰ si UST rotită în același sens cu 90⁰. Tensiunea de secvență inversă pe fază este:

(a8)

În mod similar se determină si pentru celelalte faze.

Analizând ecuațiile de mai sus se constată că într-un sistem trifazat echilibrat și simetric tensiunea UFTSI de la ieșirea filtrului de tensiune de secvență inversă este . La apariția unui scurtcircuit sistemul trifazat se dezechilibrează, tensiunea , și este sesizată de releul de tensiune maximală.

Condiția de pornire a protecției este: , iar acțiunea contactului releului de tensiune maximală este transmisă prin intermediul unui releu intermediar fie ca semnal de declanșare pentru întrerupător fie ca automatizare pentru un alt tip de protectie, de exemplu blocarea la pendulări a protecțiilor de distantă.

Protecția de tensiune homopolară (ANSI 59N – Neutral voltage displacement)

Permite identificarea unor defecte nesimetrice , cum ar fi punerile monofazate la pământ în rețelele de medie tensiune cu neutrul izolat sau tratat prin bobină de stingere , în care releul maximal de tensiune este conectat în secundarul în triunghi deschis al transformatorului de măsură de tensiune al barei respective , având rol de filtru de tensiune de secvență homopolară (FTSH) , figura X05

Fig. X05 – schema principială a protecției homopolare de tensiune maximală.

1 – releu maximal de tensiune;2 – releu de timp;3 – releu de semnalizare; 4 – releu intermediar;

TT – transformator de măsură de tensiune; Sb – sistem trifazat de bare colectoare de medie sau înaltă tensiune, zona protejată.

În figura X06 se prezintă domeniile de tensiune de secvență inversă sau homopolară în regim normal și de scurtcircuit nesimetric.

Fig. X06. Domeniile tensiunii de secvență inversă sau homopolară în regim normal și de scurtcircuit nesimetric.

Pentru stabilirea valorii tensiunii de pornire a protecțiilor maximale de tensiune de secvență inversă sau homopolară conform figurii X06 trebuie adoptate condițiile:

sau : (B1)
care conduc la relațiile:

sau : (b2)

unde :

– este valoarea maximă a tensiunii dezvoltată de filtrul de tensiune de secvență inversă la bornele de ieșire

– este valoarea maximă a tensiunii dezvoltată de filtrul de tensiune de secvență homopolară la bornele de ieșire

coeficientul de siguranță .

Coeficientul de revenire al protecției este:

sau (b.3)

Din relațiile (00), (b.3) obținem:

(b4)
unde .

Protecția minimală de tensiune – (ANSI 27 – Undervoltage)

Elementul de pornire intră în funcțiune când tensiunea U în zona elementului protejat scade sub valoarea Upp, se realizează cu relee de tensiune minimală și este utilizată pentru:

protecție împotriva pierderii stabilității funcționării mașinilor electrice datorate tensiunii scăzute în zona elementului protejat sub valori minime admisibile;

selectivitate – permite deosebirea unui scurtcircuit îndepărtat de o suprasarcină, scăderea tensiunii este mult mai importantă în cazul unui scurtcircuit, deci protecțiile minimale de tensiune vor acționa.

Se realizează în schemă cu două relee de tensiune minimală, (conectate bifazat între fazele r-s și s-t), sau trei relee de tensiune minimală, conectate pe fiecare fază în secundarul transformatorului de măsură de tensiune. Utilizată în schemă cu trei relee de tensiune minimală, permite identificarea fazei pe care a avut loc defectul. Schema principială a protecției minimale de tensiune este reprezentată în figura X0X.

Fig. XX – schema principială a protecției minimale de tensiune. 1 – releu minimal de tensiune;2 – releu de timp; 3 – releu intermediar; 4 – releu de semnalizare; TT – transformator de măsură de tensiune; 5 – zona protejată

Condițiile de acționare a protecției sunt următoarele:

(c0)

Unde:

U – valoarea tensiunii la bornele echipamentului protejat

Upp – valoarea tensiunii de pornire a protecției

Un – valoarea tensiunii nominale a echipamentului protejat

Umin.expl. – valoarea minimă admisă a tensiunii în zona elementului protejat în condiții normale de exploatare.

Valoarea tensiunii de pornire a releului minimal de tensiune este:

(00)

Unde:

Upr – valoarea tensiunii de pornire a releului de tensiune minimală

– valoarea raportului de transformare a transformatoarelor de tensiune

Tensiunea de revenire a releului de tensiune minimală este:

(aa)

Coeficientul de revenire:

(00)

Pentru releele de tensiune minimală electromagnetice coeficientul de revenire este , iar pentru releele electronice de tensiune minimală .

Caracteristica de acționare a unui releu de tensiune minimală cu contact normal închis este prezentată în figura Fig. 0X2.

Fig. 0X2 – Caracteristica de acționare a unui releu minimal de
tensiune cu contact normal închis (c.n.i.)

În figura X03 se prezintă domeniul valorilor tensiunii în regim normal și de scurtcircuit.

Fig. X03. Domeniul valorilor tensiunii în regim normal și de scurtcircuit.

Din figura X03 se observă că domeniul tensiunii pentru regimul normal de funcționare este cuprins între:

(00)

iar pentru regimul de scurtcircuit:

(0a)

Tensiunea de pornire a protecției Upp și tensiunea de revenire a protecției Urev.p trebuie să îndeplinească următoarele condiții:

(0b)

Din relația (0a) se consideră că:

(001)

Unde este coeficientul de siguranță.

Relația de calcul a tensiunii de pornire a protecției rezultată din relațiile (0b) și (aa) este: (002)

Pentru și valoarea tensiunii de pornire a protecției este:

PROTECȚIA DIGITALĂ DE TENSIUNE (59, 27)

Protecțiile digitale de tensiune se regăsesc incluse în releele electronice de protecție moderne de generația a patra, destinate în principal sectorului energetic. Protecția de tensiune maximală (ANSI 59) asigură declanșarea întrerupătorului în cazul funcționarii sistemului energetic cu nivele ridicate de tensiune. Funcția supraveghează toate tensiunile de fază și dacă cel puțin una dintre acestea este mai mare decât pragul reglat, cu o temporizare reglată, se emite impuls de declanșare sau semnal de alarmă în funcție de logica de funcționare selectată.

Schema logică a protecției maximale de tensiune într-un echipament numeric de protecție este reprezentată în figura DG1.

Fig. DG1.- Schema logica a protecției maximale de tensiune intr-un echipament numeric

Are încorporate următoarele posibilități de funcționare selectate prin comutator software:

ON / OFF – funcție de activare sau dezactivare a protecției de tensiune, starea protecției este semnalizată și transmisă unitarilor centrale de comandă și semnalizare;

Alarm Only – în această stare protectia nu emite impuls de declanșare, dar supraveghează valorile tensiunii iar depășirea valorilor setate (reglate) este transmisă ca semnal de alarmă unităților centrale de comandă și semnalizare, și înregistrată în lista de evenimente;

ON – protecție în funcțiune, în această stare protectia emite impuls de declanșare întrerupătorului și semnal către unitatea centrală de comandă și semnalizare pentru înregistrarea în lista de evenimente.

Mai are încorporate următoarele funcții care nu pot fi dezactivate:

BLOCK – este funcție de blocaj la dispariția tensiunii alternative, supraveghează integritatea la toate tensiunile de fază, în cazul în care se produce o defecțiune în circuitele de tensiuni de la transformatorilor de măsură de tensiune (TT).

Activarea funcției conduce la blocarea instantanee a protecțiilor care utilizează măsura tensiunii alternative și anume: funcția de protectie de distanta, funcția de protectie maximala de tensiune si funcția de semnalizare pierdere tensiune.

Funcția acționează în logica ‘SAU’ în doua situații:

declanșare întrerupător automat de protecție a circuitelor de măsură a tensiunii alternative (USOL);

la sesizarea unei valori semnificative a tensiunii homopolare și fără curent homopolar;

Pe perioada parametrizării terminalului funcția de protecție de tensiune este blocată și semnalizată pe terminal, semnalizarea dispare la terminarea parametrizării.

Starea de blocaj dispare imediat ce este înlăturată cauza care a produs blocajul.

TAGGING BLK 27,59 – urmărire blocaje protecție de tensiune (minimală și maximală), urmărește și testează continuu starea de blocare a protecției, la dispariția blocajului protectia este repusă în starea existentă înaintea apariției condiției de blocaj.

PICKUP 59(1)(2) – transmite starea de demarare a protecției altor protecții (blocarea protecției de distanță de exemplu) și semnal către unitatea centrală de comandă și semnalizare pentru înregistrarea în lista de evenimente.

TRIP – generează și transmite impuls de declanșare a întrerupătorului dacă sunt îndeplinite condițiile transmise de blocul de temporizare.

Protecția la supratensiune are doi parametrii:

(ANSI 59-1) – urmărește depășirea simetrică a pragului reglat de tensiune în cazul unor supratensiuni mai puțin grave. La depășirea pragului reglat de tensiune pe o perioadă de timp mai mare decât cea setată prin blocul (DELAY 59-1), reglabilă până la 5 secunde, întreruperea (TRIP 59-1) generează și transmite impuls de declanșare întrerupătorului local. Dacă terminalul digital asigură protecția unei linii electrice cu alimentare la ambele capete comanda de declanșare este transmisă prin telecanal și la capătul opus al liniei.

(ANSI 59-2) – urmărește depășirea pragului reglat de tensiune în cazul unei supratensiuni înalte pe oricare din faze (Ufaza – pământ) în logică “sau” și comandă cu un timp de întârziere redus stabilit de blocul (DELAY 59-2) întreruperea (TRIP 59-2) în următoarele moduri:

cu un timp de întârziere de 0,2 secunde generează și transmite impuls de declanșare dacă întrerupătorul este conectat;

daca întrerupătorul este deconectat prin declanșare locală, generează și transmite impuls de declanșare prin telecanal la capătul opus al liniei cu un timp de întârziere de 0,5 secunde.

Dacă exista legătura informațională pe suport de transmisie de date (fibra optica, Ethernet, RS485), între aceasta protecție și BCU(Bay Control Unit – Unitate locală (de celulă) de comandă și control) care la rândul ei este conectată informațional cu unitatea centrală de comanda și control (CMU – Control Master Unit), toate evenimentele din lista de evenimente (procese interne ale protecției) vor fi trimise la aceasta unitate centrală. Aceasta la rândul său va filtra informațiile și le va afișa pe calculatoarele dedicate (LSAVIEW) doar pe cele considerate importante de către programatorul echipamentului de comandă și control.

Aceste informații se vor găsi în listele de evenimente de pe calculatoare și pot fi:

informații de stare a protecției – conțin numele celulei sau locului unde este instalată protecția, numele protecției și starea protecției ( “Protecție defectă”, “Alarmă”, “1”- în funcțiune, sau “0” – oprită);

de funcționare a protecției – apar în urma unei funcționări a protecției și conțin numele celulei, numele protecției,“Demaraj protecție” “/R” (Raise – apariție “1”) sau “/C" (Clear – dispariție “0”).

Protectia la tensiune minima (ANSI 27)

Aceasta funcție asigura protectia împotriva scăderilor periculoase ale tensiunii în special pentru mașinile electrice rotative. Rezultatul constă în izolarea mașinilor electrice față de rețeaua de alimentare pentru a împiedica eventualele funcționări nedorite și o posibilă pierdere a stabilității. Din punct de vedere al schemei logice este asemănătoare cu protecția de tensiune maximală. Funcția de protecție este activă într-un interval de frecvență larg 45÷55, 55÷65Hz. Chiar dacă frecvența iese din acest interval, funcția de protecție continuă să lucreze, dar cu o bandă mai largă de toleranță.

Funcția de protecție poate opera cu tensiunile dintre faze sau cu tensiunea de succesiune directă și poate fi monitorizată cu un criteriu de curent homopolar, conexiunile la intrare pot fi monofazate sau trifazate. Condițiile de funcționare sigură sunt cel mai bine evaluate cu ajutorul componentei de secvență directă.

Protectia de tensiune minima este definita de doi parametrii asociați unor timpi de întârziere predefiniți, astfel încât declanșarea poate fi gradată temporal în funcție de cât de severă este scăderea de tensiune. Valorile tensiunilor de prag și întârzierile pot fi setate individual pentru ambii parametri, în mod asemănător protecției de tensiune maximală.

Are în plus față de protecția de tensiune maximală funcția de monitorizare a tensiunilor – cele trei tensiuni de fază sunt supravegheate permanent, iar în cazul lipsei tuturor tensiunilor pentru un interval de timp mai mare de 7 secunde (temporizare fixă, nereglabilă) se emite un semnal de alarmă ”Lipsă tensiune”.

Prin legătura informațională pe suport de transmisie de date între această protecție și BCU(Bay Control Unit – Unitate de celulă de comandă și control) respectiv unitatea centrală de comanda și control, toate evenimentele din lista de evenimente (procese interne ale protecției de tensiune minimă) vor fi trimise la aceasta unitate centrală. Aceasta la rândul său va filtra informațiile și le va afișa pe calculatoarele dedicate (LSAVIEW) după un mod asemănător cu cel al protecției de tensiune maximală, cu precizarea clară că aceste semnale provin de la protecția de tensiune minimă. Starea protecției este semnalizată pe panoul frontal al terminalului și este transmisă și unității centrale.