Probleme generale ale instalatiilor de protectie utilizate in sistemele electroenergetice

PROBLEME GENERALE ALE INSTALATIILOR DE PROTECTIE UTILIZATE IN SISTEMELE ELECTROENERGETICE

1.1. Introducere

Instalatiile de protectie prin relee sunt ansamble de dispozitive automate ce realizeaza o comanda automata discreta - o comanda de tip releu, montate pe elementele sistemului electroenergetic (generatoare, transformatoare, bare, linii, motoare), cu rolul de a supraveghea functionarea acestora. In cazul depasirii limitelor marimilor ce caracterizeaza regimul de functionare al elementelor, protectiile intervin in mod operativ izoland elementul in care a aparut defectul de restul sistemului electroenergetic. Izolarea se face numai atunci cand prin regimul de defect aparut este pusa in pericol stabilitatea in functionare a sistemului electroenergetic sau integritatea elementului protejat. Izolarea presupune, de regula, deconectarea intrerupatoarelor cele mai apropiate de element, intrerupatoare prin care acesta este racordat la sistem.

Daca modificarea marimilor ce caracterizeaza functionarea unui element din sistem, la un moment dat, nu prezinta pericol imediat pentru elementul protejat sau sistem, instalatia de protectie trebuie sa semnalizeze regimul de functionare aparut, numit regim anormal.

In functionarea sistemelor electroenergetice apar o serie de particularitati care trebuie luate in considerare la realizarea unui sistem de protectie. Dintre acestea mentionam :

Defectele aparute in sistemele electroenergetice se pot transforma in avarii, caracterizate printr-o viteza foarte mare de extindere, cu efecte grave atat asupra sistemului de producere a energiei cat si al consumatorilor. Aceste efecte sunt :

distrugerea sau deteriorarea elementelor sistemului prin efecte termice si electrodinamice,

scaderea puternica a tensiunii cu consecinte negative atat asupra consumatorilor cat si a producatorilor de energie,

pierderea stabilitatii de functionare a generatoarelor din centrale, a centralelor si a sistemului electroenergetic in ansamblu.

Orice functionare in afara valorilor nominale ale tensiunii si frecventei ce caracterizeaza energia electrica, precum si intreruperile in alimentarea cu energie electrica afecteaza grav atat producatorii cat si consumatorii de energie,

Energia electrica nu poate fi "stocata", acumulata; producerea si consumul de energie au loc simultan si respectarea conditiilor de stabilitate impun ca puterea produsa sa fie egala in fiecare moment cu puterea consumata,

Instalatiile de protectie prin relee sunt caracterizate de o functionare unidirectionala in circuit deschis si, ca urmare, trebuie distinse cat mai precis regimurile normale de functionare de regimurile de defect.

1.2. Particularitatile calculului curentilor de scurtcircuit pentru proiectarea instalatiilor de protectii

Pentru proiectarea instalatiilor de protectii si pentru reglarea acestora in timpul exploatarii trebuiesc cunoscute valorile curentilor de scurtcircuit. Instalatiile de protectii trebuie astfel proiectate, realizate si reglate, incat sa functioneze corect in cazul defectelor pentru care au fost prevazute, atat pentru valorile maxime ale curentului de scurtcircuit, cat si pentru cele minime, care pot aparea in anumite conditii de functionare.

Pentru calculul curentilor de scurtcircuit in vederea proiectarii instalatiilor de protectii se admit o serie de simplificari. In aceasta idee se neglijeaza rezistentele elementelor componente ale sistemului electroenergetic, rezistenta arcului electric (care se ia in considerare in cazul protectiilor de distanta), rezistenta de contact dintre conductoarele in scurtcircuit, rezistenta de punere la pamant. Se neglijeaza de asemenea curentii de magnetizare ai transformatoarelor, saturatia circuitelor magnetice, admitantele liniilor electrice, defazajele dintre tensiunile de la extremitatile echipamentului. Prin aceste neglijari se obtin valori ale curentilor de scurtcircuit calculat mai mari decat valorile curentilor de scurtcircuit reali, .

Influenta marimilor neglijate se ia in consideratie prin introducerea in relatiile de calcul ale instalatiilor de protectii a unor coeficienti de corectie cum sunt coeficientii de siguranta sau coeficientii de sensibilitate .

Dupa cum se cunoaste, valorile curentilor de scurtcircuit depind de o serie de factori dintre care mentionam:

1. Momentul corespunzator calculului curentilor, care poate fi:

la t = 0 si care corespunde valorilor supratranzitorii ale curentilor de scurtcircuit necesare determinarii marimilor de pornire si a performantelor protectiilor rapide, cu un timp propriu de actionare de maximum 0,1s. In calculul curentilor de scurtcircuit corespunzatori acestui caz, toate sursele care alimenteaza defectul se conecteaza in paralel (in 0,1s nu se manifesta amortizarea diferita a componentei tranzitorii a curentului de scurtcircuit) si in plus se admite neglijarea contributiei motoarelor electrice la valoarea curentilor de scurtcircuit.

intr-un moment egal cu timpul de actionare al protectiilor temporizate care poate corespunde perioadei tranzitorii sau stationare a curentilor de scurtcircuit, ca in fig. 1.1.

Fig. 1.1 Componentele curentului de scurtcircuit

Curentul de scurtcircuit total rezulta din insumarea componentei periodice si a celei aperiodice , iar reprezinta valoarea maxima a componentei supratranzitorii la care se adauga, practic, valoarea maxima a componentei aperiodice. Cresterea componentei periodice la sfarsitul regimului tranzitoriu din fig. 1.1 se datoreaza influentei sistemelor de reglare automata a generatoarelor sincrone, ca urmare a cresterii valorii curentilor de excitatie intr-un interval de timp mai mic sau mai mare in functie de rapiditatea acelor sisteme.

b.     Configuratia SE in momentul scurtcircuitului: valorile maxime ale curentilor se obtin prin considerarea tuturor echipamentelor existente conectate in paralel (generatoare, transformatoare, linii paralele) iar valorile minime ale curentilor, prin considerarea numarului minim, din echipamentele conectate in paralel.

c.      Regimul de incarcare al sistemului electroenergetic: regimul maxim de incarcare conduce la valorile maxime ale curentilor de scurtcircuit, iar regimul minim la valorile cele mai mici.

d.     Tipul defectului: curentul de scurtcircuit maxim se obtine in cazul scurtcircuitelor trifazate, iar cel minim in cazul scurtcircuitelor bifazate.

Valorile maxime ale curentilor de scurtcircuit sunt necesare pentru:

calculul marimilor de pornire ale protectiilor rapide de curent;

calculul marimilor de dezechilibru ale protectiilor diferentiale si ale filtrelor de curent de secventa inversa si homopolara;

Valorile minime ale curentilor de scurtcircuit sunt utilizate pentru verificarea sensibilitatii protectiilor maximale de curent si a protectiilor diferentiale.

In afara factorilor mentionati, valorile curentilor de scurtcircuit mai depind si de conditiile de moment in care se produce scurtcircuitul si anume valoarea instantanee a tensiunii, factorul de putere etc. Influenta valorii instantanee a tensiunii se poate stabili daca se determina expresia valorii instantanee a curentului de scurtciruit trifazat metalic, pe faza corespunzatoare tensiunii:

(1.1)

conform schemei echivalente din fig. 1.2.

Unghiul α reprezinta faza tensiunii u_K la t = 0.

Fig. 1.2. Schema echivalenta a unei bucle de scurtcircuit

Expresia curentului de scurtcircuit i_K se stabileste din ecuatia:

(1.2)

si este de forma:

(1.3)

unde: 

sunt modulul impedantei buclei de scurtcircuit, argumentul acesteia, precum si constanta de timp a circuitului primar.

Valoarea maxima posibila a curentului de scurtcircuit din (1.3), numit curentul de soc , se obtine cand componenta aperiodica are valoarea maxima posibila, egala cu valoarea maxima a componentei periodice si care se obtine pentru . Presupunand (bucla de scurtcircuit are un caracter pronuntat inductiv), rezulta , deci componenta aperiodica are valoarea maxima pentru scurtcircuite aparute in momentul trecerii prin 0 a tensiunii. In fig. 1.3 este reprezentat curentul de scurtcircuit produs cand iar .

Valoarea curentului de soc este:

(1.4)

adica dublul valorii maxime a componentei periodice.

Fig. 1.3. Reprezentarea grafica a curentului de scurtcircircuit, in conformitate cu relatia (1.3)

Prezenta componentei aperiodice , care se amortizeaza cu constanta de timp , influenteaza in sens negativ functionarea protectiilor rapide prin:

saturatia circuitelor magnetice ale transormatoarelor de curent prin care se obtin informatii asupra regimului de functionare al elementului protejat; aceasta se datoreaza faptului ca este lent variabil , iar prin saturatia suplimentara cresc erorile cu care este transformata componenta periodica utila .

transformarea, intr-o anumita masura a componentei aperiodice , care se regaseste in circuitul de intrare al instalatiilor de protectie.

In concluzie, se poate afirma ca scurtcircuitele in sistemele electroenergetice sunt fenomene complexe, valorile curentilor corespunzatori depind de o multime de factori, ceea ce determina serioase probleme in proiectarea si realizarea instalatiilor de protectie.

1.3. Schema de principiu a unei instalatii de protectie prin relee

Schema structurala a unui sistem de protectie prin relee este reprezentata intr-o forma generala in fig. 1.4.

Fig. 1.4. Schema structurala a unui sistem de protectie prin relee

In cazul considerat, elementul protejat este linia de interconexiune dintre centralele C₁ si C₂, linie ce face parte dintr-un sistem energetic reprezentat partial in fig. 1.4; conectarea liniei electrice se realizeaza prin intrerupatoarele 1 si 2. Sunt instalate protectii prin relee la ambele extremitati ale elementului protejat care pot comanda declansarea intrerupatoarelor 1, 2 sau 1 si 2.

Pentru a putea supraveghea functionarea elementului, protectia primeste in mod continuu informatii despre valorile marimilor fundamentale, respectiv curentul I si tensiunea U in punctele de instalare, prin intermediul transformatoarelor de curent TC si transformatoarelor de tensiune TT. Tensiunea U si curentul I sunt aplicate blocurilor de adaptare BA care furnizeaza la iesire marimile M₁ pana la M_n a caror valoare reflecta mai bine starea de defect.

Prin elementele sale constructive blocul de adaptare BA poate asigura realizarea urmatoarelor operatii :

convertirea marimilor primare in alte marimi, dependente de acestea (in general proportionale) cu ajutorul carora transformarile si prelucrarile ulterioare sunt mai facile,

obtinerea componentelor simetrice ale curentului sau/si tensiunii,

filtrarea in sensul de trecere sau blocare a anumitor armonici ale marimilor primare,

filtrarea in sensul obtinerii componentelor simetrice ale curentului si/sau tensiunii in cazul unor defecte nesimetrice,

operatii vectoriale sau scalare de tip suma, diferenta, produs, raport, calculul fazei si a diferentei de faza, calculul amplitudinii unor armonici.

In cazul protectiilor numerice se face o conversie analog numerica, o filtrare numerica, iar operatiunile de calcul se fac numeric.

Marimile M₁ ÷ M_n sunt aplicate blocurilor de prelucrare si decizie BPD care le prelucreaza dupa un program mai simplu sau mai complex in functie de tipul instalatiilor de protectie. Utilizarea unor structuri de calcul dedicate in cadrul acestor blocuri creeaza multiple facilitati privind prelucrarea complexa a semnalelor, cu observatia ca aceasta prelucare se face in timp real si nu trebuie sa afecteze performantele protectiei.

In urma prelucrarilor se stabileste aparitia sau neaparitia defectului sau a regimului anormal si se face localizarea defectului (se stabileste pozitia defectului in raport cu elementul protejat).

In plus, BPD poate realiza :

selectarea si comanda de declansare numai a intrerupatorului de pe faza defecta ;

esalonarea impulsurilor de declansare pentru o succesiune prestabilita de timp (trepte de timp) ;

asigurarea printr-o comanda logica de tip NICI a declansarii, numai daca tensiunea a scazut apreciabil pe toate cele trei faze;

declansarea, printr-o logica de tip INTERZIS, in situatia in care I>I₀ si U<U₀;

transmiterea impulsurilor de semnalizare.

Daca defectul a aparut si este in zona protejata, BPD trimite un semnal spre blocul de executie BE.

Daca prelucrarile semnalelor M₁ ÷ M_n evidentiaza aparitia unui regim normal de functionare, se emit semnale pentru semnalizarea acestui regim.

In cazul protectiilor complexe se poate face o comparare a marimilor masurate la cele doua extremitati ale elementului protejat, existand schimburi reciproce de informatii intre blocurile de prelucrare si decizie.

In cazul schemei prezentate in fig. 1.4 instalatia de protectie trebuie sa stabileasca precis daca defectul s-a produs in zona protejata, punctul K₁, sau in afara zonei protejate, punctele K₂, K₃, respectiv pe liniile de plecare sau pe bare.

Blocurile de executie (BE) asigura amplificarea in putere a semnalelor de declansare aplicate intrerupatoarelor 1 si 2, eventual, anumite blocari logice. De exemplu, blocarea la "sarituri", la scaderea presiunii azotului in intrerupatoarele cu actionare hidropneumatica, etc.

1.4. Protectii de baza, de rezerva si auxiliare

Protectia fiecarui element din cadrul sistemlui electroenergetic, destinata sa functioneze numai la defecte pe elementul respectiv, se numeste protectie de baza.

Sa consideram in continuare o portiune dintr-un sistem energetic format din (fig. 1.5):

sursele electrice S₁, S₂, S₃ ;

transformatoarele T₁, T₂;

liniile electrice L₁, L₂, . , L₉;

barele colectoare A, B, . , H;

intrerupatoarele I₁, I₂, . , I₁₈.

Fig. 1.5. Sistem energetic (partial)

In cazul schemei considerate, la un defect in punctul K₁, trebuie sa functioneze protectia de baza a liniei L₃ care deconecteaza intrerupatoarele I₉ si I₁₀.

In cazurile practice protectia de baza a unui element poate fi unica sau, datorita distantei mari intre cele doua capete ale elementului protejat, se pot prevedea protectii de baza separate pentru cele doua intrerupatoare prin care se racordeaza elementul protejat la sistem. Tot in conditii de exploatare curenta se constata ca la un defect produs pe elementul protejat nu are loc functionarea protectiei de baza din urmatoarele motive:

instalatia de protectie prezinta o deficienta oarecare, de exemplu, un circuit intrerupt;

intrerupatorul comandat prezinta o defectiune latenta - mecanica, electrica, pneumatica - si refuza comanda de declansare.

In asemenea cazuri defectul ar continua sa fie alimentat si s-ar agrava. Pentru a preintampina acest lucru este necesar, ca pe langa protectia de baza a elementului considerat sa se prevada si o protectie de rezerva care sa actioneze in cazul refuzului protectiei de baza. Rezulta ca protectia de rezerva a unui acelasi element este cea care inlocuieste actiunea protectiei de baza, in cazul unui refuz la actionare al acesteia sau in cazul cand protectia de baza se gaseste in revizie sau in reparatie. Protectia de rezerva trebuie sa actioneze cu un timp mai mare decat protectia de baza pentru a permite functionarea normala a protectiei de baza.

Rezerva unei protectii de baza poate fi asigurata in trei moduri:

prin protectia elementului vecin (in literatura de specialitate aceasta situatie este denumita si rezerva de la distanta);

printr-o protectie suplimentara instalata pe acelasi element protejat (in acest caz fiind numita rezerva locala);

printr-un releu suplimentar introdus in schema elementului vecin, care insa comanda declansarea intrerupatorului elementului considerat (in acest caz protectia este denumita rezerva prin intrerupator).

In cazul schemei considerate in fig. 1.5, la refuz de functionare a intrerupatorului I₉, pentru defect in punctul K₁ (a declansat I₁₀), vor trebui sa functioneze in mod obligatoriu, ca protectii de rezerva de la distanta, protectiile de pe transformatoarele T₁, T₂ producand declansarea intrerupatoarelor I₅, I₆, I₇, I₈.

In ipoteza, mai putin probabila, ca nu a functionat protectia de rezerva de la distanta, este posibila, dar nu obligatorie, functionarea protectiei de rezerva a elementelor imediat urmatoare (de exemplu, protectiile liniilor L₁, L₂, deconectand in principal intrerupatoarele I₁, I₂).

Se mentioneaza faptul ca, de regula, protectia aferenta unui intrerupator este destinata sa functioneze pentru defecte situate in sensul dinspre bare spre linie.

In cazul considerat, la scurtcircuit in punctul K₁ si refuz de functionare a intrerupatorului I₁₀, sunt deconectate prin protectia de rezerva intrerupatoarele I₁₁, I₁₆ de pe aceleasi linii.

Se poate concluziona ca, pentru orice punct de defect dintr-un sistem energetic si pentru fiecare circuit independent prin care se alimenteaza acest defect, trebuie sa existe minimum doua intrerupatoare independente, inseriate si comandate de minimum doua protectii independente (protectia de baza si cea de rezerva) care sa fie apte pentru a sesiza defectul si de a izola elementul pe care il contine.

In unele cazuri, protectiile de baza nu acopera intreaga lungime a elementului protejat, existand portiuni numite zone moarte, in care defectele aparute nu sunt sesizate de catre aceste protectii. Este necesara instalarea unor protectii care sa lichideze defectele din zona moarta, protectii numite auxiliare.

Rolul acestora poate fi indeplinit uneori de catre protectia de rezerva a elementului respectiv.

1.5. Cazuri particulare de functionare a instalatiilor de protectie.

Functionarea in cascada.

Fie o portiune dintr-un sistem energetic formata din linia L₃, alimentata prin liniile L₁, L₂, de la sursele S₁, S₂ (fig. 1.6). In ipoteza ca cele doua surse au puteri mult diferite, P_S1 ≥ P_S2, la un scurtcircuit in punctul K, in componenta curentului I₃, curentul I₁ va fi preponderent in raport cu I₂.

Fig. 1.6. Portiunea de sistem energetic unde exista posibilitatea

functionarii in cascada a protectiilor

Definind factorul de ramificatie, ca raportul dintre curentul total de scurtcircuit I₃ si curentul debitat de fiecare sursa, rezulta:

; . (1.5)

In ipoteza considerata acest fapt va avea ca efect o insensibilitate a protectiei PR₂, deci nefunctionarea ca protectie de rezerva a intrerupatorului 2 in cazul refuzului de declansare a intrerupatorului 3.

Cu toate acestea, in urma declansarii intrerupatorului 1, structura retelei se modifica si, ca urmare, desi curentul I₃ va scadea, I₂ va creste, fapt ce va produce si declansarea intrerupatorului 2.

Se spune in acest caz ca protectiile respective PR₁ si PR₂, aferente intrerupatoarelor 1 si 2, au functionat in cascada.

Teoretic cele doua protectii ar fi trebuit sa functioneze simultan.

Functionarea in cascada constituie un mod nedorit de eliminare a unui defect prin marirea artificiala a timpului total de persistenta a defectului. Acest fenomen poate fi evitat prin adoptarea unor protectii speciale cu sensibilitate sporita.

1.6. Criterii de performanta impuse sistemelor de protectie

Constituind cel mai important procedeu de asigurare a continuitatii in functionarea sistemelor energetice, sistemele de protectie trebuie sa raspunda unor criterii de performanta dintre care mentionam: rapiditatea, selectivitatea, siguranta in functionare, adaptabilitatea, independenta fata de conditiile de exploatare, economicitatea.

In cele ce urmeaza vor fi analizate pe scurt aceste criterii.

1.6.1. Rapiditatea instalatiilor de protectie

Rapiditatea este una din conditiile cele mai importante pe care trebuie sa o indeplineasca o instalatie de protectie.

Intrucat efectele distructive ale curentilor de scurtcircuit, asupra elementului cu defect, precum si perturbatiile asupra restului sistemului energetic se accentueaza pe masura cresterii duratei defectului, rezulta ca o cerinta logica deconectarea si separarea cat mai rapida de restul sistemului a elementului pe care s-a produs defectul. Cerintele de rapiditate sunt cu atat mai severe cu cat elementul protejat functioneaza la tensiune mai ridicata si putere mai mare.

Nelichidarea la timp a unui scurtcircuit poate duce la deteriorarea (urmare a deteriorarilor mecanice si termice) echipamentului, la scaderi importante ale tensiunii la barele serviciilor interne si ale altor consumatori si la pierderea stabilitatii de functionare a grupurilor si centralelor din sistem.

Actiunea termica se produce datorita energiei degajate sub forma de caldura in spatiul in care se produce un scurtcircuit, energie care variaza proportional cu timpul, are valori foarte ridicate si determina cresteri locale de temperatura ce conduc la topirea conductoarelor, distrugerea izolatiilor si chiar incendii.

Pentru a asigura stabilitatea termica sectiunea conductoarelor se calculeaza cu relatia:

, (1.6)

unde: 

I_∞ - este valoarea efectiva a curentului de scurtcircuit in regim stationar;

t_f - se numeste timp fictiv si reprezinta timpul in care un curent avand valoarea stationara a curentului de scurtcircuit ar degaja aceeasi cantitate de caldura ca si curentul real de scurtcircuit, in timpul real de existenta a acestuia;

K - este constanta cu valori cuprinse intre 0,8 ÷ 1.

Fig. 1.7. Variatia curentului de scurtcircuit

In fig. 1.7 este reprezentata forma de variatie a curentului de scurtcircuit in functie de timp. Se observa ca peste componenta periodica se suprapune, in primele momente ale scurtcircuitului, o puternica componenta aperiodica. Timpul real de existenta a scurtcircuitului este determinat de momentul t_d la care functioneaza protectia si se produce deconectarea intrerupatorului prin care se alimenteaza defectul.

Pentru ca dimensionarea conductoarelor sa se faca din conditii de functionare normala (se calculeaza S_nominal) este necesar sa se procedeze la reducerea lui t_f prin cresterea rapiditatii protectiei, deci prin micsorarea lui t_d.

In urma aparitiei unui scurtcircuit se produce o crestere a curentilor si in consecinta o crestere a caderilor de tensiune de pe reactantele elementelor sistemului. Este posibil ca tensiunile remanente U_rem, masurate pe barele serviciilor interne sau pe barele altor consumatori, sa se situeze sub valorile tensiunilor de autopornire ale motoarelor electrice asincrone, motoare cel mai frecvent utilizate in serviciile interne din centrale si la consumatori.

Este cunoscut faptul ca motorul asincron dezvolta un cuplu proportional cu patratul tensiunii de alimentare:

, (1.7)

unde : 

M_m - cuplul motor,

U - tensiunea de alimentare,

k - constanta.

Pentru valorile tensiunii U_rem < 0,7U_n, se poate produce iesirea din functiune a motoarelor asincrone care actioneaza pompele de la serviciile interne din centrale, cu consecinte foarte grave asupra functionarii instalatiei de la cazan si a intregii centrale. Aceleasi defecte se pot produce si la alti consumatori daca scurtcircuitul nu este lichidat la timp.

Influenta asupra stabilitatii dinamice a sistemului se poate analiza pe caracteristica de putere P functie de unghiul δ dintre rotoarele generatoarelor echivalente a doua surse S₁ si S₂ ce functioneaza in paralel si sunt interconectate prin liniile L₁ si L₂, fig. 1.8.

Fig. 1.8. Caracteristicile putere - unghi pentru diverse momente ale evolutiei defectului

Presupunand ca turbina functioneaza la putere constanta (dreapta P_turb= ct), curba I reprezinta puterea surselor in regim normal. La aparitia unui scurtcircuit in punctul K, pe linia L₁, curba de putere devine II, iar pentru regimul de dupa lichidarea defectului, cand ramane in functiune numai linia L₂, puterea este reprezentata prin curba III.

Plecand de la o situatie de regim stationar cu punctul de functionare stabilit in A, cu cat defectul va fi lichidat mai rapid, cu atat va fi mai mic unghiul δ_d (existent in momentul deconectarii liniei L₁) corespunzator trecerii de pe caracteristica II pe caracteristica III. Ca urmare, va creste aria de franare A_franare, reducandu-se aria de accelerare A_accelerare si imbunatatindu-se astfel conditiile de mentinere a stabilitatii.

O intarziere in lichidarea defectului provocata de o functionare cu intarziere a instalatiei de protectie poate determina pierderea stabilitatii sistemului si iesirea centralelor din sincronism. In acest caz valoarea unghiului δ_d conduce la o arie de accelerare mai mare decat aria de franare. Durata limita de lichidare a scurtcircuitelor pentru a asigura mentinerea stabilitatii dinamice impune, de obicei, cea mai severa conditie de rapiditate in functionarea instalatiilor de protectie prin relee. In literatura de specialitate se citeaza ca timpul de actionare pentru retelele de foarte inalta tensiune trebuie sa fie t_d < 0,01 s. Timpul total t_d de lichidare a unui defect se compune din timpul propriu de lucru t_p al instalatiei de protectie si timpul propriu de lucru t_i al intrerupatorului:

t_d = t_p+t_i

Se citeaza in literatura de specialitate ca sunt realizate in prezent intrerupatoare al caror timp de lucru t_i se situeaza in jurul valorii de 0,01 s.

Pentru intrerupatoarele de constructie romaneasca I.O. - 110 - 1600 timpul de lucru t_i = 0,04 ÷ 0,15 s.

Realizarile privind timpii minimi de deconectare a unui defect de catre o instalatie de protectie se situeaza in prezent la valori t_d = 0,015 ÷ 0,1 s.

Cresterea puterilor unitare a grupurilor instalate in centralele termoelectrice si construirea unui numar din ce in ce mai mare de centrale nucleare impun conditii tot mai severe asupra rapiditatii de functionare a instalatiilor de protectie, astfel:

timpul de eliminare a defectelor din apropierea surselor, impus de conditiile de mentinere a stabilitatii dinamice a sistemului mai mic de 0,1 s.

timpul dupa care centrala trebuie insularizata in caz de scadere prelungita a tensiunii mai mic de 1 s.

1.6.2. Selectivitatea instalatiilor de protectie

Conditia de selectivitate a instalatiei de protectie consta in functionarea coordonata a tuturor protectiilor dintr-un sistem electroenegetic, astfel incat, pentru orice punct de defect sa fie separat (izolat) numai elementul afectat de defect.

Daca acest lucru nu este posibil, atunci functionarea trebuie sa se produca cu deconectarea a cat mai putini consumatori.

Pentru exemplul considerat in fig. 1.5 se impune ca la un scurtcircuit in punctul K₁ sa declanseze, numai intrerupatoarele I₉ si I₁₀. Daca, de exemplu, intrerupatorul I₁₀ refuza sa declanseze, vor trebui sa functioneze selectiv, ca protectie de rezerva, protectiile aferente intrerupatoarelor I₁₂ si I₁₆.

Metodele de asigurare a selectivitatii protectiilor in cazul unui sistem energetic sunt urmatoarele:

a.     Selectivitatea pe baza de temporizare

Se realizeaza prin esalonarea succesiva a timpilor de deconectare de-a lungul unui traseu, mergand, in general, dinspre consumator spre surse, timpii crescand succesiv cu cate o "treapta de timp" (valoarea treptei Δt ≈ 0,6 s).

Pentru exemplul din fig. 1.5, la scurtcircuit in punctul K₁, este necesar ca timpii de lucru ai protectiilor aferente intrerupatoarelor I₉, I₅, I₆, I₁ sa respecte conditia:

t < t₅ = t₆ < t₁ = t₂ , (1.9)

respectiv:

t = t t₉ + Δt ; (1.10)

t = t = t Δt = t₉ + 2Δt.  (1.11)

b.     Selectivitatea prin blocare directionala

Se obtine prin prevederea unor relee directionale care, de obicei, nu permit functionarea protectiei dinspre elementul protejat spre bare.

Pentru exemplul din fig. 1.5, esalonand timpii conform unor relatii de tipul (1.5), (1.6), (1.7), ar rezulta t₁₁ < t₁₀ sau t₁₆ < t₁₀. In acest caz exista riscul ca la scurtcircuit in punctul K₁ intrerupatoarele I₁₁ sau I₁₆ sa declanseze neselectiv. Ca urmare, protectiile aferente acestor intrerupatoare vor fi prevazute cu blocare directionala pentru defecte spre bara D, fapt reprezentat simbolic in fig. 1.5 prin linie punctata, care indica sensul conventional de circulatie a puterii pentru care protectiile lui I₁₁ si I₁₆ pot lucra.

c.      Selectivitatea pe baza de curent

Prin alegerea curentului de pornire al unui releu maximal de curent, releul isi limiteaza zona de functionare pana in punctul in care curentul de scurtcircuit ce strabate releul scade sub valoare de pornire reglata :

I_SC ≥ I_pr  releul actioneaza,

I_SC < I_pr  releul nu actioneaza.

In consecinta, printr-o reglare adecvata, protectia aceasta poate fi facuta insensibila in raport cu defectele ce pot apare intr-o zona in care functionarea sa ar fi neselectiva.

Pentru exemplul din fig. 1.5, daca t₃ < t₉ si t₄ < t₉, printr-o reglare corespunzatoare a curentilor de pornire pentru protectiile aferente intrerupatoarelor I₃ si I₄, se poate obtine o insensibilizare a acestora la un scurtcircuit in punctul K₁.

1.6.3. Sensibilitatea instalatiilor de protectie

Prin sensibilitate se intelege proprietatea unei instalatii de protectie de a sesiza toate defectele sau regimurile anormale caracterizate prin cele mai mici abateri ale parametrilor de la valorile lor nominale.

De exemplu, se poate afirma ca o protectie minimala de tensiune care actioneaza la 0,9U_n este mai sensibila decat alta protectie care functioneaza la 0,8U_n.

Sensibilitatea este caracterizata cantitativ printr-un coeficient de sensibilitate K_Sens, care, in cazul particular al protectiei maximale de curent, este definit prin relatia :

, (1.12)

unde :

I_{SC min} - este curentul de scurtcircuit minim in punctul de instalare a protectiei din reteaua protejata;

I_pp - este curentul de pornire al protectiei.

La limita, pentru ca protectia sa lucreze, I_{SC min} = I_pp ; in acest caz K_Sens = 1.

In practica, pentru coeficientul de sensibilitate, se recomanda valori cuprinse intre 1,2 si 2,5, stabilite prin norme.

Deoarece o protectie oarecare trebuie sa asigure functionarea in zona de baza, pana la prima bara (I), fig. 1.9, ca si in zona de rezerva, respectiv pana la bara (II), rezulta necesitatea verificarii coeficientului de sensibilitate, ca protectie de rezerva, pentru defecte pe ambele bare:

, (1.13)

(1.14)

Fig. 1.9. Verificarea conditiei de sensibilitate

Deoarece observatia ca pentru o protectie maximala oarecare exista, de obicei, o singura bara de tip I si mai multe de tip II, ceea ce impune ca relatia (1.14) sa fie verificata in principal pentru bara cea mai indepartata din punct de vedere electric.

1.6.4. Siguranta in functionare a instalatiilor de protectie

Notiunea de siguranta in functionare a instalatiei de protectie trebuie considerata in doua sensuri:

a.      - functionare sigura atunci cand protectia trebuie sa lucreze (siguranta actionarii);

b.     - functionare sigura atunci cand protectia nu trebuie sa lucreze (siguranta neactionarii).

O functionare nedorita, provocata fie de reglarea necorespunzatoare, fie de defectarea echipamentului de protectie, poate avea consecinte la fel de grave ca si refuzul de functionare intr-o situatie necesara.

O siguranta buna se obtine prin utilizarea unor elemente cu calitati constructive si functionale corespunzatoare si evitand complicarea inutila a schemelor de protectie pentru defecte care, practic, nu pot apare.

Aprecierea probabilitatii de aparitie a unui defect se poate face pe baza experientei de exploatare si a datelor statistice asupra defectelor dintr-o perioada indelungata de timp.

Echipamentele sistemului electroenergetic fiind foarte scumpe, protejarea acestora se face conform unor normative severe.

1.6.5. Adaptabilitatea instalatiilor de protectie

Prin adaptabilitatea instalatiilor de protectie se intelege posibilitatea modificarii automate a parametrilor si reglajelor releelor in cazul modificarii configuratiei circuitului protejat sau a regimurilor de functionare a elementului protejat.

1.6.6. Independenta fata de conditiile exploatarii si deservirea in exploatare

Protectia prin relee trebuie sa functioneze corect, independent de schema de conexiuni a sistemului electric in momentul producerii defectului si independent de numarul centralelor, respectiv al generatoarelor in functiune.

Actionarea corecta a protectiei se verifica pentru regimul de maxim si pentru regimul de minim al elementului protejat ; in regimul de maxim se verifica selectivitatea protectiei, iar in regimul de minim sensibilitatea protectiei.

Problema deservirii in exploatare vizeaza aspectele legate de exploatarea instalatiilor de protectie sub aspectul inlaturarii unei defectiuni ivite chiar in instalatia de protectie, si a gradului de calificare necesar pentru personalul de deservire.

1.6.7. Eficacitatea economica

In general, costul echipamentului de protectie este mic in comparatie cu cel al echipamentului protejat. Cu toate acestea, la alegerea solutiilor optime, se va tine seama si de factorul economic (costul total al echipamentului de protectie, cheltuieli de intretinere si exploatare, fiabilitate).

1.7. Principii de realizare a instalatiilor de protectie prin relee, principalele

tipuri de protectii

Functionarea instalatiilor de protectie (IP) se bazeaza pe o serie de fenomene ce insotesc defectele si regimurile anormale. Pentru a evidentia unele dintre aceste fenomene, consideram cazul unei linii de interconexiune L intre centralele C₁, C₂, fig. 1.10.a.

In regim normal de functionare, cele doua centrale asigura consumatorilor puterile S_B, S_C, sensurile curentilor fiind indicate prin sageti cu linie continua. Valorile curentilor si tensiunilor corespunzatoare regimului normal sunt prezentate in diagramele 1, respectiv 2, fig. 1.10.b.

La un scurtcircuit trifazat metalic in punctul K, cele doua centrale debiteaza in principal pe defect, sensurile curentilor sunt indicate prin sageti cu linie intrerupta, iar valorile curentilor si tensiunilor corespunzatoare acestui regim sunt prezentate in diagramele 3, respectiv 4, fig. 1.10.b.

In diagrama 5 este prezentata variatia impedantei , obtinuta prin raportarea valorilor tensiunilor si curentilor.

Din analiza fenomenelor ce insotesc procesul de scurtcircuit rezulta urmatoarele:

valorile curentilor prin intreruptoarele 1÷6 cresc fata de cele corespunzatoare regimului normal; prin masurarea curentilor si compararea lor cu valorile corespunzatoare regimului normal, diagramele 1 si 3, este posibila determinarea aparitiei regimului de defect, iar pe aceasta observatie se bazeaza realizarea protectiei de curent;

valorile tensiunilor pe sistemele de bare A, B, C, D se reduc fata de cele corespunzatoare regimului normal, cu atat mai mult cu cat masurarea se efectueaza intr-un punct mai apropiat de locul defectului; prin masurarea tensiunilor si compararea lor cu valorile de regim normal se poate evidentia un regim de scurtcircuit, in cadrul protectiei de tensiune,

intotdeauna, in regim de defect, sensul curentului si al puterii este de la sistemul de bare de alimentare spre elementul in care s-a produs defectul; pe aceasta observatie se realizeaza protectia directionala, care permite localizarea defectelor;

valoarea impedantei la locul scurtcircuitului trifazat metalic este nula si creste spre cele doua surse datorita cresterii valorii tensiunii remanente; prin masurarea impedantei (raportand tensiunile remanente pe sistemele de bare la curentii prin intreruptoare) si compararea cu valorile de regim normal se poate evidentia si chiar localiza defectul prin protectii de impedanta;

in regim normal, curentii I­₃ si I₄ sunt egali si au acelasi sens, iar in regim de defect nu mai sunt egali si circula in sensuri opuse; prin compararea valorilor si sensurilor de circulatie a curentilor de la extremitatile elementului protejat poate fi identificat si localizat defectul, in cadrul protectiei diferentiale;

in regim normal, curentii I­₃ si I₄ (si puterile corespunzatoare) au acelasi sens iar in regim de defect - sensuri opuse, ambele de la bara spre linie; pe aceasta baza se realizeaza protectii comparative de faza si protectii comparative ale sensurilor puterilor.

Scurtcircuitele nesimetrice sunt insotite de aparitia componentelor simetrice ale curentilor si tensiunilor; unele dintre protectiile prezentate mai sus pot fi realizate si prin supravegherea componentelor simetrice ale curentilor si tensiunilor.

Fig. 1.10 Linie de interconexiune intre centralele C₁, C₂ (a), diagramele tensiunilor, curentilor si impedantelor in regim normal si de scurtcircuit in K (b)

1.7.1. Protectia de curent

Protectia de curent se realizeaza cu relee de curent care sesizeaza cresteri ale valorilor curentului ce insotesc scurtcircuitele si regimurile anormale.

Deoarece scaderile valorilor curentului sub valoarea nominala nu prezinta nici un pericol pentru elementul protejat, protectia de curent se realizeaza numai ca protectie maximala. Schema de principiu a protectiei maximale, pentru cazul unei linii, este reprezentata in fig. 1.11.

Alimentarea releului maximal de curent se face de la bornele secundare ale transformatorului de curent TC. Curentul la care protectia lucreaza se numeste curent de pornire sau de actionare al protectiei si se noteaza cu I_pp. Se poate defini si o valoare a curentului de pornire pentru releu:

, (1.15)

unde :

η_TC - reprezinta raportul de transformare al transformatorului de curent care alimenteaza releul maximal.

Protectia lucreaza pentru:

>, (1.16)

unde :

- curentul din circuitul protejat.

Pentru ca protectia sa nu lucreze in regimul nominal si in regimul de sarcina maxima admis, trebuie satisfacute conditiile:

> (1.17)

> (1.18)

unde : 

I_nom - curentul nominal din circuitul protejat,

I_{sarc max} - curentul de sarcina maxima admis in circuitul protejat.

Pentru o caracteristica de releu maximal cu histerezis, valoarea curentului de pornire I_pr a releului nu coincide cu valoarea curentului de revenire I_revr; se defineste in acest caz factorul de revenire al releului, fig. 1.12.

, (3.19)

Fig. 1.12. Caracteristica de actionare a unui releu maximal

Acest coeficient intervine in calculul curentului de pornire al protectiei. Este de dorit ca latimea zonei de histerezis I_pr - I_{rev r} sa fie cat mai mica. Se poate defini si un curent de revenire al protectiei:

  (1.20)

1.7.2. Protectia de tensiune

In majoritatea cazurilor defectele sunt insotite de scaderi ale tensiunii, dar exista si situatii cand produc cresteri periculoase ale tensiunii peste valorile nominale (de exemplu, la deconectarea brusca a sarcinii unui generator). Ca urmare, protectiile de tensiune se realizeaza atat ca protectii maximale, cat si ca protectii minimale. Schema de principiu pentru alimentarea releelor de tensiune este reprezentata in fig. 1.13.

Fig.1.13. Schema de principiu a protectiei de tensiune

Alimentarea releului de tensiune se face prin intermediul unui transformator de tensiune TT, cu primarul conectat la barele statiei A.

a.     Protectia maximala de tensiune se realizeaza cu relee maximale de tensiune. Notand cu U_p tensiunea din circuitul primar, conditia de actionare a protectiei este :

> (1.21)

unde :

- este tensiunea de pornire a protectiei.

Protectia nu trebuie sa actioneze in regimul nominal si pentru valorile maxime admise ale tensiunii in circuitul protejat (se foloseste frecvent termenul de tensiune maxima admisa in exploatare). Deci rezulta:

> (1.22)

> (1.23)

unde :

U_nom - este tensiunea nominala;

U_{max expl} - este tensiunea maximala admisa in exploatare.

Se defineste factorul de revenire al releului K_rev ,

(1.24)

unde :

U_{rev r} - tensiunea de revenire a releului;

U_pr - tensiunea de pornire a releului.

In consecinta, tensiunea de revenire a protectiei va fi:

, (1.25)

unde :

η_TT - este raportul de transformare al transformatorului de tensiune.

b.     Protectia minimala de tensiune este utilizata mai frecvent si actioneaza in cazul scaderii tensiunii care insoteste aparitia unui defect.

Conditia de actionare a protectiei este:

(1.26)

Protectia nu trebuie sa actioneze in regim normal si pentru valori ale tensiunii mai mari decat tensiunea minima admisa in exploatare:

< (1.27)

< (1.28)

unde :

U_{min expl} - este tensiunea minima admisa in exploatare.

Se poate defini tensiunea de pornire a releului :

. (1.29)

Se defineste factorul de revenire al releului K_rev:

(1.30)

unde :

U_{rev r} - este tensiunea de revenire a releului.

Observatii:

Protectia maximala de tensiune poate fi utilizata ca protectie de sine statatoare.

Protectia minimala de tensiune se utilizeaza in combinatie cu alte protectii (de exemplu, combinata cu protectia maximala de curent) si permite cresterea sensibilitatii protectiilor cu care este combinata. Acest lucru este posibil deoarece se poate face o deosebire intre defectele apropiate si indepartate ce conduc la curenti relativ egali, dar pentru care valorile tensiunilor sunt mult diferite. Se obtin asa-numitele protectii "cu blocaj de tensiune minima". Actionarea protectiei nu este permisa decat atunci cand defectul este insotit si de o scadere importanta a tensiunii.

1.7.3. Protectia directionala

Protectia directionala este acea protectie care actioneaza la modificarea defazajului dintre curent si tensiune in raport cu defazajul existent in punctul de instalare in regim normal de functionare. Aceste modificari de defazaj au loc in cazul elementelor din sistem care sunt alimentate de la ambele capete (linii, transformatoare). De exemplu, diagramele fazoriale ale curentului si tensiunii pentru protectii aferente intrerupatorului 2 din fig. 1.7, in regim normal si la defect sunt reprezentate in fig. 1.14.

Fig. 1.14. Pozitia relativa a fazorilor de curent si tensiune

in regim normal si la defect

Protectia directionala nu se foloseste ca protectie de sine statatoare ci in combinatie, de obicei, cu o protectie de curent sau de impedanta. Rezulta, in aceste cazuri, asa-numitele protectii "directionate".

1.7.4. Protectia diferentiala

Protectia diferentiala se bazeaza pe compararea marimilor electrice de acelasi fel de la capetele elementului protejat. De regula, se compara curentii, dar in unele cazuri se compara atat valorile curentilor cat si defazajele lor. Protectia diferentiala poate fi realizata ca protectie diferentiala longitudinala si ca protectie diferentiala transversala.

a.     Protectia diferentiala longitudinala

In acest caz se compara marimile considerate de la extremitatile elementului protejat. Schema principala a protectiei este reprezentata in fig. 1.15.

Fig.1.15. Schema de principiu a protectiei diferentiale longitudinale

In cazul particular, cand se compara curenti, pentru circuitul secundar, se pot scrie relatiile:

(1.31)

(1.32)

unde s-au notat cu:

- curentii primari in regim normal si la defect exterior in K₂;

- curentii secundari in regim normal si la defect exterior in K₂;

- curentii primari la scurtcircuit interior in K₁;

- curentii secundari la scurtcircuit in K₁.

Relatia (1.31) este valabila pentru regimul normal de functionare, iar relatia (1.32) este valabila pentru regimul de scurtcircuit interior.

S-a presupus ca impedanta releului de curent din circuitul de comparatie este mult mai mica decat impedantele secundare ale transformatoarelor de curent TC_A si TC_B. Facem observatia ca protectia diferentiala este o protectie absolut selectiva, zona protejata fiind delimitata strict de cele doua transformatoare de curent. Protectia diferentiala longitudinala se utilizeaza pentru elemente concentrate ale sistemului electroenergetic (generatoare, transformatoare, bare).

b.     Protectia diferentiala transversala

In acest caz se compara marimi din circuite ce functioneaza in paralel (de regula curenti). Aceasta protectie se foloseste, in general, pentru elemente extinse (de exemplu linii paralele), dar poate fi utilizata si pentru elemente concentrate (de exemplu protectia generatoarelor sincrone cu faze scindate).

Schema principala a protectiei este reprezentata in fig. 1.16.

Fig. 1.16. Schema de principiu a protectiei diferentiale transversale

Pentru regimul normal de functionare sau la scurtcircuit exterior in K₂ se poate scrie:

, (1.33)

iar in cazul unui scurtcircuit interior in K₁ putem scrie:

(1.34)

In relatiile (1.33), (1.34) s-au folosit notatiile:

- curentii primari in regim normal si la defect exterior in K₂;

- curentii secundari in regim normal si la defect exterior in K₂;

- curentii primari pentru defect interior in punctul K₁;

- curentii secundari in situatia unui defect interior in K₁.

Relatiile (1.33), (1.34) au fost scrise in aceleasi conditii pentru impedanta releului de curent si a secundarelor transformatoarelor de curent ca si in cazul protectiei diferentiale longitudinale.

1.7.5. Protectia de distanta

Protectia de distanta se realizeaza cu relee de impedanta care actioneaza atunci cand impedanta circuitului protejat scade sub o anumita valoare.

In regim normal, releele de impedanta ale protectiei masoara o valoare relativ ridicata a impedantei circuitului protejat.

In cazul unui scurtcircuit in zona protejata are loc o crestere importanta a curentului I si o scadere a tensiunii U, prin urmare scade raportul U/I=Z, unde Z este impedanta circuitului protejat.

Daca se impune conditia:

, (1.35)

atunci protectia va actiona cand modulul vectorului scade sub valoarea Z₀.

Conditia de actionare (1.35) indica faptul ca protectia de distanta este o protectie minimala.

Teoretic si practic, protectia de distanta poate fi realizata ca protectie minimala de impedanta, reactanta sau rezistenta, dar in practica cele mai raspandite sunt protectiile de impedanta.

Pentru cele trei cazuri, la nivelul marimilor aplicate releului, se poate scrie:

, (1.36)

, (1.37)

, (1.38)

unde :

Z_r, X_r, R_r - impedanta, reactanta si rezistenta masurate de releu;

Z_or, X_or, R_or - impedanta, reactanta si rezistenta de pornire a releului (valori impuse prin reglaj);

U_r, I_r - tensiunea si curentul aplicate releului;

φ_r - defazajul dintre U_r si I_r.

Protectiile de distanta de reactanta se folosesc pe liniile pe care exista posibilitatea de aparitie a unor defecte prin arc electric; acestea nu sunt sensibile la rezistenta arcului in locul de scurtcircuit. Protectiile de rezistenta se folosesc pentru protejarea cablurilor si a liniilor electrice aeriene compensate longitudinal (linii la care reactanta variaza in exploatare).

Din motive de selectivitate protectiile de distanta trebuie prevazute cu elemente directionale.

1.7.6. Protectia cu filtre

In cazul scurtcircuitelor nesimetrice apar componente de secventa inversa ale curentilor si tensiunilor de scurtcircuit, iar in cazul punerilor la pamant apar componente de secventa homopolara. Prin utilizarea unor filtre de componente simetrice adecvate, care alimenteaza relee, se poate asigura functionarea protectiei in cazul aparitiei defectelor.

1.7.7. Protectia prin curenti de inalta frecventa

Aceasta protectie este utilizata in special pentru liniile de inalta tensiune, unde devine necesara transmiterea unor semnale intre instalatiile de protectie de la cele doua capete ale liniei - aflate la mare distanta - pentru asigurarea simultana a rapiditatii si a selectivitatii.

1.7.8. Protectia termica

Protectiile termice actioneaza la cresterea temperaturii determinata de cresterea curentilor care insotesc scurtcircuitele sau suprasarcinile. Protectiile termice se realizeaza cu relee termice.

1.7.9. Protectia cu relee de gaze

Aceste protectii se folosesc numai la transformatoare si autotransformatoare prevazute cu cuva de ulei.

Functionarea lor se bazeaza pe degajarea de gaze care are loc in cazul defectelor din interiorul cuvei transformatorului. Degajarea de gaze este sesizata prin intermediul unui releu de gaze (releu Bucholtz).