1

UTJECAJ DISTRIBUIRANIH IZVORA ELEKTRIČNE ENERGIJE NA NEOSJETLJIVOST RELEJNE ZAŠTITE MREŽA SREDNJEG NAPONA

SAŽETAK

Priključkom distribuiranih izvora električne energije na mreţe srednjeg napona moguća je pojava neosjetljivosti relejne zaštite.

U ovom radu su prikazani rezultati istraţivanja neosjetljivosti relejne zaštite i dani prijedlozi rješenja problema. Kao osnova za razmatranje su korištene nadomjesne sheme impedancija i formule pomoću kojih se izračunava struja kratkog spoja sukladno normi IEC 60909. Korišten je računalni program NETHARMO za proračun kratkog spoja i tokova snaga. Osim primjera djela mreţe srednjeg napona kakav bi se mogao pojaviti u RH proračuni su obavljeni i na primjeru iz prakse i to za priključak vjetroelektrane ZD 6 na dalekovod 35 kV TS Gračac – TS Srb.

Ključne riječi: distribuirani izvori, neosjetljivost relejne zaštite, mreţa srednjeg napona

IMPACT OF DISTRIBUTED GENERATION ON MEDIUM VOLTAGE NETWORK PROTECTION INSENSITIVITY

SUMMARY

Connection of distributed generation on medium voltage network can cause relay protection blinding.

In this paper, the blinding phenomenon has been introduced, discussed and explained. Network impedance schemes and equations according to IEC 60909 are used as basis for necessary calculations. Short circuit and load flow calculations were made in computer software NETHARMO. Test cases are presented for one part of typical medium voltage distribution network in Croatian power system as well as for grid connection of wind power plant Zadar 6 on 35 kV line Gračac – Srb.

Key words: distributed generation, relay protection blinding, medium voltage network

1. UVOD

Jedna od osnovnih zadaća relejne zaštite je da bude osjetljiva što podrazumijeva da sigurno djeluje pri očekivanoj najmanjoj vrijednosti mjerne veličine. Priključkom distribuiranih izvora (DI) na mreţe srednjeg napona moguća je pojava neosjetljivosti odnosno izostanka prorade relejne zaštite ako se ne uvaţi prisustvo distribuiranog izvora [1, 2]. Mreţe srednjeg napona su najčešće u radijalnom pogonu, a neosjetljivost zaštite se moţe pojaviti prilikom priključka distribuiranog izvora u otcjepu preko T-spoja.

Mr. sc. Ţeljko Radić Dalekovod projekt d.o.o., Zagreb zeljko.radic@dalekovod.hr

Prof. dr. sc. Ante Marušić Fakultet elektrotehnike i računarstva, Zagreb ante.marusic@fer.hr

Mr. sc. Hrvoje Rubčić Dalekovod projekt d.o.o., Zagreb hrvoje.rubcic@dalekovod.hr

SO3 – 10 3. (9.) savjetovanje

Sveti Martin na Muri, 13. – 16. svibnja 2012.

HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNE ELEKTRODISTRIBUCIJSKE KONFERENCIJE

2

Zbog priključenog distribuiranog izvora smanjuje se doprinos struje višepolnog kratkog spoja iz mreţe, a u nekim slučajevima ta struja moţe biti manja od proradne.

Na slici 1. prikazan je primjer kada se distribuirani izvor priključuje preko T-spoja na početku dugog voda, a višepolni kratki spoj se dogodio na kraju tog voda. U tom slučaju se mjesto kvar napaja i iz distribuiranog izvora i iz mreţe. Doprinos struji višepolnog kratkog spoja iz mreţe koju osjeti relej R1 se smanjuje te se u nekim slučajevima moţe smanjiti ispod proradne struje. U proračunu podešenja relejne zaštite za minimalnu struju prema kojoj se provjerava osjetljivost uzima se struja dvopolnog kratkog spoja.

Slika 1. Primjer priključka distribuiranog izvora kada se smanjuje doprinos struje višepolnog kratkog spoja iz mreţe

U slučaju da se minimalna proradna struja ne podesi na niţu vrijednost moguće je da u slučaju dvopolnog kratkog spoja relej R1 ne proradi, ali ako je ispravno podešen relej u transformatorskoj stanici ili rasklopištu (RP) uz distribuirani izvor, proraditi će najprije relej R, a relej R1 će proraditi sa zakašnjenjem.

Ovaj fenomen se moţe komentirati i na način da je smanjen doseg zaštite [3] tj. da najudaljeniji dio dalekovoda TS1 – TS2 nije u zoni štićenja, kao što je to prikazano na slici 2.

Slika 2. Smanjenje dosega zaštite

2. TEORETSKA PODLOGA

Za pojašnjenje neosjetljivosti relejne zaštite zbog smanjenja doprinosa struje višepolnog kratkog spoja iz mreţe promotrit će se tipičan 35 kV-ni izvod s kratkim spojem na njegovom kraju (slika 3) i shemom s nadomjesnim impedancijama (slika 4).

3

Slika 3. Izvod 35 kV za analizu utjecaja na neosjetljivost relejne zaštite

Slika 4. Nadomjesna shema impedancija 35 kV izvoda

Relativna udaljenost priključka distribuiranog izvora je omjer udaljenosti priključka distribuiranog izvora (ldi) od sabirnica S2 i ukupne duljine izvoda (lizv):

l

ll

di

izv

(1)

Zbog lakšeg razmatranja uvest će se impedancija Zs kao zbroj impedancije mreţe i impedancije transformatora:

S M TZ = Z +Z (2)

Uz pretpostavku istog presjeka duţ čitavog izvoda, impedancija prve dionice izvoda do priključka distribuiranog izvoda jednaka je:

l V1 VZ = Z (3)

Impedancija druge dionice izvoda jednaka je:

l V2 VZ = 1- Z

(4)

Impedancija za proračun struja kratkog spoja jednaka je:

1G S V

k V

G S V

Z Z l ZZ - l Z

Z Z l Z

(5)

Struja kratkog spoja na sabirnicama S4 jednaka je:

k

k

c UI =

3 Z (6)

Uvrsti li se (5) u (6) dobiva se:

4

l

l l

S G Vk 2 2

V SV G S G S V V V

Z + Z + Zc UI =

Z Z + Z Z + Z Z + Z Z -Z - Z3 (7)

Doprinos gornje mreţe struji kratkog spoja jednak je:

l

Gk,1 k

S G V

ZI = I

Z + Z + Z (8)

Budući da je nazivnik u izrazu (8) uvijek veći od brojnika, tako će i struja Ik,1 uvijek biti manja od struje Ik.

Uvrsti li se (7) u (8) dobiva se formula za doprinos struji kratkog spoja iz mreţe kada je priključen distribuirani izvor:

l l

Gk,1 2 2

V SV G S G S V V V

Zc UI =

Z Z + Z Z + Z Z + Z Z -Z - Z3 (9)

Parametri mreţe su konstantni, stoga je doprinos struji kratkog spoja iz mreţe višeg napona obrnuto proporcionalan snazi generatora, što će se pokazati na primjeru proračuna u sljedećem poglavlju.

Ovime je pokazano da se prilikom priključka distribuiranog izvora moţe smanjiti doprinos struje višepolnog kratkog spoja iz mreţe prema primjeru sa slike 4. Smanjenje doprinosa je to veće što je distribuirani izvor bliţi pojnoj TS, a višepolni kratki spoj bliţe kraju voda. Taj efekt je moguć samo u slučaju da je distribuirani izvor spojen preko T-spoja. U slučaju da je distribuirani izvor na mreţu srednjeg napona priključen izravno na sabirnice pojne TS tog efekta nema. U slučaju da je distribuirani izvor priključen sistemom „ulaz-izlaz“ taj se efekt također gubi jer se na mjestu priključka distribuiranog izvora ugrađuje relejna zaštita sa usmjerenjem i prema pojnoj TS i prema kraju voda.

3. PRORAČUNI

3.1. Proračuni s konkretnim podacima

Smanjenje vrijednosti struje kratkog spoja iz 110 kV-ne elektroenergetske mreţe u slučaju priključka distribuiranog izvora na sabirnice S3 i nastanka višepolnog kratkog spoja na kraju voda (na sabirnicama S4) moţe se pokazati na primjeru proračuna s konkretnim podacima elemenata mreţe prema shemi s parametrima mreţe prikazanoj na slici 5 i nadomjesnoj shemi impedancija prikazanoj na slici 4.

Slika 5. Parametri 35 kV izvoda za analizu utjecaja distribuiranog izvoda na struje kratkog spoja

5

Tablica I. Podaci za proračun po komponentama mreţe

Mreţa višeg napona

"

kI =15 kA

m

1,1 35X = =1,5 Ω

3 15

Transformator k

n

u =11%

S = 20 MVA

2

t

11 35X = = 6,7 Ω

100 20

Izvod

d

d

R = 0,24 Ω / km

X = 0,35 Ω / km

lizv = 40 km

VR = 40 0,24 = 9,6 Ω

VX = 40 0,35 =7,2 Ω

Generator

"

d

n

nn

x = 20 %

P = 2, 4,6,8,10 MW

cosφ = 0,8

PS = = 2,5,5,7,5,10,12,5 MVA

0,8

2

"

g

n

20 35X = =

100 S

= 98, 49, 33, 25, 20 Ω

Blok transformator

k

n

u =10 %

S = 2,5,5,7,5,10,12,5 MVA

2

t1

n

10 35X = =

100 S

= 49, 25,16,12,10 Ω

U tablici I je na temelju zadanih parametara prikazan proračun radnih otpora i reaktancija za:

mreţu višeg napona, gdje se reaktancija računa iz struje tropolnog kratkog spoja u gornjoj mreţi. To je podatak iz studije proračuna kratkog spoja u prijenosnoj mreţi. Tipične vrijednosti struja tropolnog kratkog spoja u mreţi 110 kV su od 10 kA pa do 40 kA u ekstremnim slučajevima. U mreţama 35, 10 i 20 kV vrijednosti struja kratkog spoja ograničene su 12,5 kA,

transformator prijenosnog omjera 110/35 kV gdje se vrijednosti napona kratkog spoja (uk) kreću od 10-12% za transformatore većih snaga, 6-8% za transformatore srednjih snaga, 4-6% za transformatore manje snage,

nadzemni vod koji je zadan djelatnim otporom i reaktancijom u direktnom i nultom sustavu.

Za nadzemne srednjenaponske vodove tipična vrijednost Xd je 0,35 /km,

za sinkrone strojeve prosječna vrijednost "d

x je: 12% do 15% za turbogeneratore i 17% do

24% za hidrogeneratore,

više sinkronih generatora priključenih na istim sabirnicama moţe se nadomjestiti jednim s

prosječnim "d

x , čija snaga je zbroj snaga pojedinih generatora.

Na temelju izraza (7) i (9) i uz pomoć računalnog programa Matlab izračunate su struje kratkog spoja kada je priključen distribuirani izvor snage 10 MW. Rezultati proračuna prikazani su na slici 6.

6

Slika 6. Struje kratkog spoja na 35 kV izvodu Al/Fe 3x120 mm2, duljine 40 km kada je priključen

distribuirani izvor snage 10 MW

Vidljiv je porast struja kratkog spoja kroz sve grane nadomjesne sheme mreţe koji je proporcionalan relativnoj udaljenosti priključka generatora od sabirnica pojne transformatorske stanice.

Na temelju (9) izračunat je doprinos struji kratkog spoja iz mreţe kada je priključen distribuirani izvor snage 2, 4, 6, 8 i 10 MW što prikazuje slika 7.

Rezultati proračuna mogu se prikazati na način da se na ordinatu nanese smanjenje struja Ik1 u postocima (slika 8).

Slika 7. Utjecaj distribuiranog izvora na doprinos mreţe struji kratkog spoja na 35 kV izvodu Al/Fe 3x120 mm

2, duljine 40 km

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

l

I k,1,

I k,2, I k,

kA

Ik,1

Ik,2

Ik

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

l

I k,1, kA

2 MW

4 MW

6 MW

8 MW

10 MW

7

Slika 8. Utjecaj distribuiranog izvora na doprinos mreţe struji kratkog spoja na 35 kV izvodu Al/Fe 3x120 mm

2, duljine 40 km, izraţen u %

Na temelju analize grafova sa slika 7 i 8 moţe se zaključiti da se s porastom nazivne snage generatora smanjuje doprinos elektroenergetske mreţe struji višepolnog kratkog spoja.

Također, doprinos mreţe struji kratkog spoja ovisi i o relativnoj udaljenosti priključka distribuiranog izvora preko T-spoja od sabirnica pojne TS. U ovom slučaju najveći utjecaj događa se kada je l ≈ 0.2. Mjesto najvećeg utjecaja nije uvjek na istoj udaljenosti u odnosu na pojnu TS jer to ovisi o karakteristikama elemenata mreţe.

Iz grafa na slici 8. moţe se iščitati da se za opisani primjer, u najnepovoljnijem slučaju, doprinos mreţe struji višepolnog kratkog spoja zbog priključka distribuiranog izvora smanji za manje od 20 %. To je podatak koji treba uvaţiti prilikom podešenja nadstrujne zaštite u releju u pojnoj TS.

3.2. Proračuni pomoću računalnog programa NETHARMO

Za provedbu proračuna u ovom radu koristio se programski paket NETHARMO [4] koji omogućuje analize i proračune elektroenergetskih mreţa, kao što su proračun kratkog spoja i proračun tokova snaga.

Za primjer mreţe definirane slikom 5. uz parametre iz tablice I pomoću računalnog programa za proračune tokova snaga i kratkog spoja NETHARMO obavljen je proračun struja kratkog spoja za mreţu bez priključka distribuiranog izvora (slika 9) i za mreţu s priključenim distribuiranim izvorom snage 10 MW na polovici ukupne duljine dalekovoda (slika 10).

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 180

82

84

86

88

90

92

94

96

98

100

l

I k,1, %

2 MW

4 MW

6 MW

8 MW

10 MW

8

1

110 kV

2

35 kV

4

35 kV(0.93,0.25)kA

3

35 kV

5

10 kV

6

35 kV7

35 kV

8

35 kV

(0.93;0.25)kA>> (0.93;0.25)kA>>

20000

(0.9

3;0

.25)k

A<

<

12500

G

Slika 9. Grafički prikaz rezultata proračuna kratkog spoja spoja bez distribuiranog izvora

20

00

0

(0.7

9;0

.20

)kA

<<

12

50

0

(0.4

2;0

.06

)kA

>>

G

1

110 kV

2

35 kV

4

35 kV(1.20,0.26)kA

3

35 kV

5

10 kV

6

35 kV7

35 kV

8

35 kV

(0.79;0.20)kA>> (1.20;0.26)kA>>

Slika 10. Grafički prikaz rezultata proračuna kratkog spoja s priključenim distribuiranim izvorom

Rezultati dobiveni računalnim programom NETHARMO potvrđuju do sada iznesene tvrdnje o smanjenju doprinosa struje višepolnog kratkog spoja iz mreţe, a iznos struje tropolnog kratkog spoja za l=0,5 u potpunosti se podudara s izračunatim i prikazanim grafom na slici 7.

3.3. Proračuni s konkretnim podacima pomoću računalnog programa NETHARMO

Na primjeru vjetroelektrane ZD 6 proračunati će se smanjenje doprinosa mreţe struji višepolnog kratkog spoja.

Vjetroelektrana ZD 6, snage 9,2 MW priključena je na mreţu srednjeg napona preko rasklopnog postrojenja 35 kV Sučević Brdo i T-spoja na nadzemni dalekovod DV 35 kV TS Gračac – TS Srb kako je to prikazano na slici 12. Ovaj primjer je posebno dobar za razmatranje jer je TS 110/35 kV Gračac slaba točka u mreţi, distribuirani izvor je gotovo maksimalne snage koja se na mreţu srednjeg napona u RH moţe priključiti, a dalekovod DV 35 kV TS Gračac – TS Srb je prilično dug i slabo opterećen.

9

Slika 12. Shema priključka VE ZD 6 s ulaznim podacima

U tablici II. dani su stvarni podaci koji su potrebni za proračun struja kratkog spoja.

Tablica II. Podaci za proračun po komponentama mreţe za priključak vjetroelektrane ZD 6 [5]

Mreţa višeg napona

"

kI =7,875 kA

m

1,1 35X = = 2,855 Ω

3 7,785

Transformator k

n

u =11,2 %

S = 20 MVA

2

t

11 35X = = 6,86 Ω

100 20

Izvod

d

d

R = 0,32 Ω / km

X = 0,36 Ω / km

lizv = 35 km

VR = 35 0,32 =11,2 Ω

VX = 35 0,36 =12,6 Ω

Generator

2n,as

as,d

ks,as n,asks,as

IU UZ = = Ω

I S3 I

as,d

as,d as,d

as,d

R= 0,30, X = 0,958 Z

X

2

as,d

35Z = =106,5 Ω

5 2,3

as,dX = 0,958 106,5 =102 Ω

as,dR = 0,3 102 = 30,6 Ω

Blok transformator

k

n

u = 6 %

S = 4 2.5 = 10 MVA

2

t1

6 35X = = 7.35 Ω

100 10

TS 110/35 kV Gracac

110 kV

TS 110/35 kV Gracac

35 kV

T-spoj

35 kV

TS 35/10 kV SRB

35 kV

RS Sucevic brdo

35 kV

VE 2

35 kV

VE 3

35 kV

VE 4

35 kV

VE 5

35 kV

11

0.69 kV

12

0.69 kV

13

0.69 kV

14

0.69 kV

35 kV, AL/FE, 3X 95

14.0 km

35 kV, AL/FE, 3X 95

21.2 km

35

kV

, XH

P 4

8-A

, 3X

(1X

12

0)

0.2

km

35 kV, XHP 48-A, 3X(1X 120)

3.9 km

35 kV, XHP 48-A, 3X(1X 120)

3.5 km

20

00

0

20

00

0

25

00

25

00

25

00

25

00

M M M M

10

Koristivši podatke iz tablice II. uz pomoć računalnog programa za proračune tokova snaga i kratkog spoja NETHARMO obavljen je proračun struja kratkog spoja za mreţu bez priključka VE ZD 6 (slika 13) i za mreţu s priključenom VE ZAD 6 (slika 14).

Mjesto priključka VE ZD 6 je realizirano na udaljenosti 14 km od TS 110/35 kV Gračac, a proračuni su pokazali da smanjenje struje iznosi oko 10,5 %. Ovime se također potvrđuje izneseno u prethodnim poglavljima.

Slika 13. Grafički prikaz rezultata proračuna kratkog spoja bez priključka VE ZD 6

TS 110/35 kV Gracac

110 kV

TS 110/35 kV Gracac

35 kV

T-spoj

35 kV

TS 35/10 kV SRB

35 kV(1.05,0.26)kA

RS Sucevic brdo

35 kV

VE 2

35 kV

VE 3

35 kV

VE 4

35 kV

VE 5

35 kV

11

0.69 kV

12

0.69 kV

13

0.69 kV

14

0.69 kV

(1.05;0.26)kA>> (1.05;0.26)kA>>

20

00

0

20

00

0

25

00

25

00

25

00

25

00

M M M M

KS

11

Slika 14. Grafički prikaz rezultata proračuna kratkog spoja s priključenim VE ZD 6

4. ZAKLJUČAK

U ovom radu obrađena je pojava neosjetljivosti relejne zaštite mreţa srednjeg napona ukoliko se ne uvaţi prisustvo distribuiranog izvora električne energije preko T-spoja.

Nakon teoretskog razmatranja i proračuna na zamišljenoj i konkretnoj mreţi, a i uz korištenje literature, zaključak je da je moguće smanjenje struje kvara koje osjeti relej u pojnoj TS manje od 30-tak posto. Da bi to bio značajniji utjecaj distribuirani izvor treba biti sa sinkronim generatorom koji najviše doprinosi struji kratkog spoja, sa maksimalno dopuštenom priključnom snagom od 10 MW i priključen blizu pojne TS. Osim toga duljina voda preko kojeg je priključen distribuirani izvor mora biti pribliţno maksimalno dopuštenoj.

Ako se pojavi takav, u praksi rijedak, slučaj u kojem se događaju upravo svi spomenuti uvjeti, jedno od rješenja je da se proračunatu minimalnu struju kratkog spoja, a to je dvopolni kratki spoj, umanji za 30-tak posto što pri provjeri osjetljivosti i u odabiru podešenja ne predstavlja problem.

Obzirom da je u standardnoj proceduri priključenja distribuiranih izvora predviđeno obaviti proračune kratkog spoja i tokova snaga, drugo rješenje bi bilo da se prilikom obaveznih proračuna provjeri i utjecaj na neosjetljivost tj. smanjenje doprinosa struje višepolnog kratkog spoja iz mreţe.

LITERATURA

[1] K. Kauhaniemi, L. Kumpulainen, P. Buchanan: "Impact of distributed generation on the protection of distribution Networks", Electric energy T&D magazine, Vol. 8, Nr: 5, pp. 161 – 163, 2004.

[2] K. Mäki, S. Repo, P. Järventausta: "Blinding of feeder protection of distribution networks with distributed generators", 5th WSEAS International Conference on Power systems and elektromagentic compatibility, pp. 377 – 382, Corfu, 2005.

TS 110/35 kV Gracac

110 kV

TS 110/35 kV Gracac

35 kV

T-spoj

35 kV

TS 35/10 kV SRB

35 kV(1.17,0.26)kA

RS Sucevic brdo

35 kV

VE 2

35 kV

VE 3

35 kV

VE 4

35 kV

VE 5

35 kV

11

0.69 kV

12

0.69 kV

13

0.69 kV

14

0.69 kV

(0.94;0.22)kA>> (1.17;0.26)kA>>

(0.2

4;0

.04

)kA<

<

(0.12;0.02)kA<<

(0.06;0.01)kA<<

20

00

0

20

00

0

25

00

(0.0

6;0

.01

)kA

>>

25

00

(0.0

6;0

.01

)kA

>>

25

00

(0.0

6;0

.01

)kA

>>

25

00

(0.0

6;0

.01

)kA

>>

M M M M

KS

12

[3] I. M. Elmarkabi: "Control and protection caused by distributed generation in distribution network", dissertation, North Carolina State University, 2004.

[4] Upute za korištenje programskog paketa NETHARMO, Hydrus d.o.o., Zagreb, 2011.

[5] B. Štambak: "Vjetroelektrana ZD6 – Elaborat udešenja relejne zaštite", Dalekovod - Projekt, Zagreb, 2010.

[6] A. Marušić, M. Delimar, I. Rajšl: "Elaborat podešenja relejne zaštite s izborom koncepta i podešenjima zaštite nakon priključenja vjetroelektrane ZD6", FER, Zagreb, 2010.

[7] IEC 60909: "Schort-Circuit Current Calculation in Three-Phase AC systems"

[8] T. N. Boutsika, S. A. Papathanassiou: "Short-Circuit Calculations in Networks With Distributed Generation", Electric Power Systems Research 78, pp. 1181 - 1191, 2008.

[9] "Mreţna pravila elektroenergtskog sustava", Narodne novine RH br. 36/2006