Schutz

4 wesentliche Implementierungen von Schutzrelais in Energiesystemen

Advisory Council Meeting, 9 September 2014, Madrid (Januar 2019).

Anonim

Schutzrelais in Energiesystemen

In diesem technischen Artikel werden Schutzrelais in Abhängigkeit von der Komponente kategorisiert, die schützen:

4 wesentliche Implementierungen von Schutzrelais in Energiesystemen (Foto: severon.com.au)

  1. Generatoren
  2. Übertragungsleitungen
  3. Transformatoren und
  4. Ladungen

1. Generatorschutz

Je nach Art des Fehlers, dem sie ausgesetzt sind, werden verschiedene Schutzschemata zum Schutz der Generatoren verwendet. Einer der häufigsten Fehler ist der plötzliche Verlust von großen Generatoren, was zu einer großen Leistungsfehlanpassung zwischen Last und Erzeugung führt.

Diese Leistungsfehlanpassung wird durch den Verlust der Synchronität in einem bestimmten Generator verursacht - es wird gesagt, dass die Einheit außerhalb des Schritts geht. In diesem Fall kann ein Schutzrelais verwendet werden, um den Generator bei diesen ungewöhnlichen Betriebsbedingungen zu schützen, indem die Einheit vom Rest des Systems getrennt wird.

Darüber hinaus verfügen mikroprozessorgesteuerte Schutzrelais über eine integrierte Funktion zur Messung von Phasenwinkeln und zur Berechnung der Sammelschienenfrequenz aus dem gemessenen Spannungssignal vom VT (2).

Somit sind Phasenwinkel- und Frequenzmessungen auch für den Einsatz innerhalb des Relais verfügbar. Abbildung 1 zeigt den Anschluss von Out-of-Step-Schutzrelais für den Generatorschutz .

Abbildung 1 - Implementierung von Out-of-Step-Relais zum Schutz von Generatoren

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2. Schutz der Übertragungsleitung

Übertragungsleitungen können durch verschiedene Arten von Relais geschützt werden, jedoch ist es am üblichsten, Übertragungsleitungen zu schützen, indem sie mit Distanzschutzrelais ausgestattet werden . Distanzrelais sind so ausgelegt, dass sie auf Änderungen des Stroms, der Spannung und des Phasenwinkels zwischen dem gemessenen Strom und der Spannung reagieren.

Das Funktionsprinzip beruht auf der Proportionalität zwischen der Entfernung zum Fehler und der vom Relais wahrgenommenen Impedanz . Dies geschieht durch den Vergleich der scheinbaren Impedanz eines Relais mit seinem vordefinierten Schwellenwert.

Die Charakteristiken der Distanzrelais sind üblicherweise auf dem RX-Diagramm aufgetragen, die in Fig. 2a gezeigt sind, während die Fig. 2b das Mho-Relais darstellt, das von Natur aus gerichtet ist.

Abbildung 2 - Abstandsrelaiseigenschaften

Zur Veranschaulichung in Verbindung mit der Figur angenommen, dass ein Fehler aufgetreten ist, ist die Spannung an dem Relais niedriger oder der Strom ist größer im Vergleich zu den Werten für den stationären Lastzustand. Somit werden Abstandsrelais aktiviert, wenn die scheinbare Impedanz des Relais auf irgendeinen Wert innerhalb des parametrischen Kreises abnimmt.

Aus diesem Grund kann die Impedanz der Leitung nach dem Fehler auch verwendet werden, um den Ort des Fehlers zu finden.

Wie bei mehreren technischen Konstrukten wird eine Sicherung für Redundanz verwendet . Ein Minimum von zwei Zonen ist für den primären Schutz von Distanzrelais erforderlich, um die Fehler am entfernten Ende des geschützten Leitungsabschnitts nahe dem benachbarten Bus zu adressieren.

Ein solches Kriterium bietet einen Sicherheitsfaktor, um sicherzustellen, dass jeder Betrieb gegen Fehler über das Ende einer Leitung hinaus nicht durch Messfehler ausgelöst wird . Mehrere Schutzzonen können durch Verwendung separater Entfernungsmeßeinheiten erzeugt werden, was eine Redundanz vorsieht, da beide Entfernungseinheiten für Fehler arbeiten, die in Zone 1 auftreten.

Der Hauptunterschied zwischen den zwei redundanten Einheiten liegt in der Zeitverzögerung. Die Einheit, die Zone 1 abdeckt, würde sofort arbeiten, während die in Zone 2 bezeichnete Einheit eine zusätzliche Zeitverzögerung zwischen der Fehlersignalisierung und dem Betrieb hätte. Durch Verändern der Rückhalte- und / oder Betriebsgrößen können die Relaisbetriebskreise wie in Fig. 2b gezeigt verschoben werden.

In einigen Anwendungen ist eine weitere Einstellung (Zone 3) enthalten, die größer als die Einstellung von Zone 2 ist. Bei einem in Zone 1 erzeugten Fehler tritt der Betrieb der Zone 3 nach einer längeren Zeitverzögerung auf als der der Zone 2. Daher wirkt die Verzögerung als zeitliche Toleranz für die Schutzschemata innerhalb der Fehlerzone.

Der verzögerte Betrieb wird ausgelöst, wenn die Toleranz überschritten wird.

Daher bietet diese Einstellung eine Form des Sicherungsschutzes. Abbildung 3 zeigt Schutzzonen von Distanzrelais.

Typischerweise wird Zone 1 in einen Bereich von 85% bis 95% der positiven Sequenz der geschützten Leitungsimpedanz eingestellt . Zone 2 wird auf etwa 50% in die benachbarte Linie und 25% in die nächsten zwei Linien für Zone 3 eingestellt, wie in beschrieben. Die Betriebszeit für Zone 1 ist momentan, während Zone 2 und Zone 3 mit T2 und T3 bezeichnet sind .

Abbildung 3 - Schutzzonen von Distanzrelais

Die meisten heutigen mikroprozessorgesteuerten Relais implementieren multifunktionale Schutzfunktionen . Sie werden als vollständiges Schutzpaket in einer einzigen Einheit betrachtet.

Im Fall des Leitungsschutzes über Distanzschutzsysteme bieten mikroprozessorgesteuerte Schutzrelais auch:

  1. Überstromschutz,
  2. Gerichteter Überstromschutz (für Selektivität bei mehreren parallelen Leitungen),
  3. Unter- / Überspannungsschutz,
  4. Schalterversagerschutz (für den Fall, dass der Schutzschalter auch nach Erhalt des Auslösebefehls nicht auslöst) usw.

Abbildung 4 zeigt den Anschluss eines Distanzrelais für den Leitungsschutz.

Abbildung 4 - Implementierung eines Distanzrelais zum Schutz der Übertragungsleitung L1

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3. Transformatorschutz

Jede Transformatoreinheit kann durch ein Differentialrelais geschützt werden. Das Schutzprinzip dieses Relais besteht darin, die Stromeingänge auf der Hoch- und Niederspannungsseite des Transformators zu vergleichen.

Unter normalen Bedingungen oder externen Fehlern (unter Berücksichtigung des Windungsverhältnisses des Transformators) würde der Strom, der in die geschützte Einheit eintritt, annähernd gleich dem Strom sein, der ihn verlässt. Mit anderen Worten, unter idealen Bedingungen fließt im Relais kein Strom, es sei denn, es liegt ein Fehler in der geschützten Einheit vor.

Abbildung 5 - Implementierung eines Differentialrelais zum Schutz des Transformators

Darüber hinaus beinhalten mikroprozessorgesteuerte Schutzrelais andere Schutzfunktionen wie thermische Überlast (die den thermischen Zustand der Wicklungen verfolgt) und Über- / Unterfrequenzrelais.

Diese beiden Schutzrelais arbeiten miteinander, weil die Energieverluste des Transformators bei Frequenzerhöhungen tendenziell ansteigen . Daher sind thermische Überlastrelais ebenfalls ausgerüstet, um Isolationsschäden der Wicklung zu verhindern.

Abbildung 5 zeigt den Anschluss eines Differentialrelais für den Transformatorschutz .

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4. Laden Sie den Schutz

Elektrische Lasten sind in der Regel empfindlich gegenüber Spannungsschwankungen, die bei hohen Spannungsschwankungen zu schwerwiegenden Lastschäden führen können. In diesem Fall können Lasten durch die Verwendung von Über- / Unterspannungsschutzrelais geschützt werden. Abbildung 6 zeigt den Anschluss des Über- / Unterspannungsrelais für den Lastschutz.

Abbildung 6 - Implementierung eines Über- / Unterspannungsrelais für den Lastschutz

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Zusammenfassung // Schutzschemata

Tabelle 1 fasst alle Schutzschemata zusammen, die für die oben diskutierten Komponenten des primären Energiesystems ausgelegt sind. Die Tabelle enthält auch die erforderlichen Eingänge für das Relais zum Ausführen jeder speziellen Schutzfunktion und die Ausgangsparameter vom Relais, um einen Auslösebefehl zu erzeugen.

Tabelle 1 - Schutzschemata für gemeinsame Systemkomponenten

KomponenteRelaistypANSI-CodeFunktionsprinzipEingabeparameterAusgabeparameter
GeneratorOut-of-Step-Relais78Das Relais verfolgt die Impedanz, indem es die Veränderungen der Spannung / des Stroms erfasst. Die Schwankungen sind unter normalen Bedingungen gering, ändern sich jedoch im Falle von Fehlerzuständen nahezu stufenweise. Dies bedeutet, dass die Impedanz abrupt geändert wird.Strom und Spannung
(V, I)
Impedanz
(Z = V / I)
TransformatorDifferentialrelais87Schützt den Transformator vor internen Fehlern, indem die Stromeingänge von der Primär- und Sekundärseite des Transformators übernommen werden. Die Summe dieser Ströme (unter Berücksichtigung des Windungsverhältnisses der Transformatoren) ist unter normalen Bedingungen oder externen Fehlern Null, aber im Fehlerfall nicht gleich Null.Ströme von
Primär und
Sekundärseite
(Ich primär, ich sekundär )
Strom
(ICH)
ÜbertragungsleitungDistanzschutz21Ein Fehler in einer Übertragungsleitung führt zu einer Verringerung der Leitungsimpedanz, die mit einem vordefinierten Schwellenwert verglichen wird. Das Auslösesignal wird an den Leistungsschalter gesendet, wenn die gemessene Impedanz kleiner als der Schwellenwert ist.Strom und Spannung
(V, I)
Impedanz
(Z = V / I)
Überstromschutz50/51Ein Fehler in einer Übertragungsleitung führt zu einem Anstieg des durch die Leitung fließenden Stroms, der mit einem vordefinierten Schwellenwert verglichen wird.
Das Auslösesignal wird an den Leistungsschalter gesendet, wenn der gemessene Strom den Schwellenwert überschreitet.
Strom
(ICH)
Strom
(ICH)
BelastungUnter- / Überspannungsschutz27/59Ein Fehler am Lastbus ändert die Klemmenspannung. Die gemessene Spannung wird mit einem vordefinierten Schwellenwert verglichen. Das Auslösesignal wird an den Leistungsschalter gesendet, wenn es niedriger / größer als der Schwellenwert ist.Stromspannung
(V)
Stromspannung
(V)

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Referenz // Power System Protective Relaying: Grundlegende Konzepte, industrielle Geräte und Kommunikationsmechanismen von Rujiroj Leelaruji und Dr. Luigi Vanfretti

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