PARALLEL OPERATION OF POWER LINES IN DISTRIBUTION GRID

HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNE ELEKTRODISTRIBUIJSKE KONFERENIJE - HO IRED 4. (10.) savjetovanje Trogir/Seget Donji, 11. - 14. svibnja 2014. SO3 07 Boris Krstulja, dipl.ing.el. HEP ODS d.o.o., Elektroprimorje Rijeka boris.krstulja@hep.hr Igor Volarić, dipl.ing.el. HEP ODS d.o.o., Elektroprimorje Rijeka igor.volaric@hep.hr Darko Kruljac, ing.el. HEP ODS d.o.o., Elektroprimorje Rijeka darko.kruljac@hep.hr PARALELNI POGON ENERGETSKIH VODOVA U DISTRIBUIJSKOJ MREŽI ELEKTROPRIMORJA RIJEKA SAŽETAK Na području Elektroprimorja Rijeka s razvojem i ugradnjom numeričke tehnologije zaštitnih uređaja počela su se primjenjivati rješenja paralelnog pogona energetskih vodova u 35 kv i 20 kv distributivnoj mreži. Nužnost takvog pogona proizašla je iz potrebe za većim prijenosima energije te radi osiguranja sigurnosti i neprekidnosti opskrbe pojnih točaka mreže. U prošlosti elektromehaničkim i elektro-statičkim uređajima zaštite nije bilo moguće adekvatno štiti vodove u paralelnom pogonu. Danas upotrebom modernih numeričkih zaštitnih releja, relativno jednostavno se mogu implementirati adekvatni sustavi zaštite koji u velikoj mjeri mogu jamčiti selektivan i ispravan rad zaštite u paralelnom pogonu vodova. Ovaj članak prikazuje pogonsku problematiku vođenja paralelnih energetskih vodova, daje način implementacije sustava zaštite te daje pregled problematike i iskustva u svakodnevnom pogonu u distribucijskoj mreži Elektroprimorja Rijeka. Ključne riječi: paralelni pogon, numerički releji, kratki spoj, zemljospoj, selektivnost PARALLEL OPERATION OF POWER LINES IN DISTRIBUTION GRID SUMMARY With the development and everyday use of numerical relays in the distribution grid under the responsibility of Elektroprimorje Rijeka parallel operation of power lines is used. Necessity of such operation arises form higher power demands, reliability and need for continuous power supply. In the past, using electro mechanical and electro static relays, it was not possible to achieve proper overall protection system. Today, with the use of numerical relays, a user can relatively easily implement adequate protection system that can guarantee selective relay tripping during faults in parallel operation of power lines. This article presents issues that arise from parallel operation of power lines. It also gives a concept how to adjust protection relays in such network and it demonstrates it on everyday examples from grid under the responsibility of Elektroprimorje Rijeka Key words: parallel operation, numerical relay, short circuit, earth fault, selectivity 1

1. UVOD Operator distribucijskog sustava preuzima električnu energiju iz prijenosne mreže na 35 kv i 10(20) kv naponskom nivou, te ju dalje distribuira prema krajnjim korisnicima mreže. Svakodnevnim rastom potrošnje i potražnje električne energije, naglasak se stavlja na raspoloživost i pouzdanost isporuke iste. Iako postoji tendencija napuštanja 35 kv naponskog nivoa te prijelaz srednjonaponske distributivne mreže na 20 kv, trafostanice 35/10(20) kv još uvijek predstavljaju značajni udio važnih distributivnih mrežnih izvora u mreži. Pod pojmom paralelni pogon energetskih vodova, podrazumijeva se istovremeno napajanje distributivne trafostanice (TS 35/10(20) kv ili TS 10(20)/0,4 kv) preko dva energetska voda iz istog mrežnog izvora (TS 110/35 kv ili 110/20 kv). U pravilu napajanje po 35 kv i 10(20) kv naponskom nivou, u distributivnoj mreži Hrvatske jest radijalne strukture. Paralelni pogon u 35 kv i 10(20) kv distributivnoj mreži jest rijetkost, te se u iznimnim slučajevima upotrebljava za napajanje važnih pojnih točaka u 35 kv mreži, odnosno važnijih TS 10(20)/X kv. Paralelni pogon energetskih vodova omogućava veću raspoloživost i sigurnost opskrbe u slučaju kvara na jednom od vodova. Također takav pogon je ekonomičniji, jer su ukupni toplinski gubici na oba voda manji nego u radijalnom pogonu preko samo jednog energetskog voda. U prošlosti praksa vođenja 35 kv mreže u normalnom pogonu, s aspekta selektivnog i pouzdanog djelovanja zaštite dozvoljavala je samo radijalno napajanje TS 35/10(20) kv istovremeno jednim energetskim vodom, odnosno iznimno su se paralelnim vodovima napajale TS 35/10(20) kv sa dvostrukim sustavom sabirnica i odvojenim radom energetskih transformatora. Takav način rada bio je uvjetovan tadašnjim sustavima zaštite vodova, odnosno elektromehaničkim i statičkim relejima. S razvojem numeričkih relejnih zaštita, sustav zaštite je postao fleksibilniji te operator distribucijskog sustava ima mogućnosti za podešenje zaštite i za paralelni pogon vodova. Na području Elektroprimorja Rijeka paralelni pogon 35 kv vodova koristi se za napajanje TS 35/10 kv Turnić Privremena iz TS 110/35 kv Pehlin, odnosno TS 35/20 kv Kupjak iz TS 110/35 kv Delnice. U 10(20) kv mreži paralelni pogon 20 kv vodova koristi se za napajanje TS 20/0,4 kv PS Dobra. 2. PROBLEMATIKA PARALELNOG POGONA ENERGETSKIH VODOVA Na slici 1. prikazan je najjednostavniji primjer napajanja distributivne TS 35/10(20) kv paralelnim energetskim vodovima iz mrežnog izvora X/35 kv. Oba voda štićena su istim relejima (R1a i R2a) na strani mrežnog izvora, odnosno istim relejima (R1b i R2b) na strani TS 35/10(20) kv. Također su označene pripadne zaštitne zone. Sva daljnja razmatranja provedena na primjeru napajanja TS 35/10(20) kv vrijede i za slučaj napajanja TS 10(20)/X kv. 35 kv 35 kv Zaština zona 1 R1a I f1 R1b I f Mrežni izvor R2a I f2 R2b 35/10(20) kv Zaština zona 2 Slika 1. Model mreže paralelnog pogona energetskih vodova Efikasnost paralelnog pogona energetskih vodova ogleda se u situacijama kvara na jednom od vodova. Prilikom kratkog spoja na jednom od paralelnih energetskih vodova, sustav zaštite trebao bi prepoznati i isključiti kvarni vod, odnosno trebali bi djelovati releji unutar zaštitne zone u kojoj se dogodio kvar. Na primjeru modela mreže prikazanog slikom 1., u slučaju kratkog spoja na energetskom vodu 1, relejne zaštite R1a i R1b moraju detektirati struje kvara te nakon postavljenog vremenskog zatezanja obostrano isključiti vod 1. Pri tome najprije bi trebala djelovati zaštita na strani TS 35/10(20) kv, a tek 2

potom na strani mrežnog izvora. Nakon isključenja voda br 1. tok energije se nastavlja preko voda 2, dakle relejne zaštite R2a i R2b ne bi smjele djelovati na pripadne prekidače uslijed struje kvara koja teče kroz vod 2. Sa slike je vidljivo da se struja kvara zatvara preko kvarnog (I f1 ) i zdravog voda ( If2 ). Raspodjela struje kvara ovisi o tipu i karakteristikama kvara, udaljenosti kvara od pojne točke i karakteristikama vodova. Iz navedenoga proizlazi da je za ispravno koncipiranje cjelokupnog sustava zaštite (R1a...R2b) važno poznavati iznos i smjer struje kvara koju će pojedini relej izmjeriti. Iz prikazane raspodjele i toka struja kvara, razvidno je da struje kvara teku kroz sva četiri releja (R1a...R2b), pri tome važno je uočiti da teku u različitim smjerovima, u odnosu na pripadajuće sabirnice. Kroz releje R1a i R2a struja kvara uvijek je usmjerena od sabirnica mrežnog izvora u vod. Dok kroz releje R1b i R2b tok struje ovisi da li se radi o zdravom ili kvarnom vodu. U zdravom vodu struja kvara ulazi na sabirnice TS 35/10(20)kV, dok u kvarnom vodu struja kvara izlazi iz sabirnica TS 35/10(20)kV u vod, prema mrežnom izvoru. Raspodjelu struje kvara u ovisnosti o udaljenosti mjesta kvara od mrežnog izvora, ilustrirati će se na primjeru mreže sa slike 1. uz sljedeće pretpostavke i pojednostavljenja: - vod br 1 i br 2 su istih karakteristika i duljina, pri čemu se impedancija za svaki pojedini vod označava s Z - impedancija na mjestu kvara iznosi 0 Ω - mrežni izvor nadomješta se s impedancijom mreže Z net i naponskim izvorom U - definira se parametar k kao omjer udaljenosti od mrežnog izvora do mjesta kvara i ukupne duljine voda: Opisani model mreže prikazan je slikom 2.: L k (1) L uk Zaština zona 1 R1a kz (1-k)Z R1b I f1 I f2 U Z net L L uk I f R2a Z R2b 35/10(20) kv I f2 Zaština zona 2 Slika 2. Model mreže paralelnog pogona energetskih vodova Uvažavajući gore navedene pretpostavke i model mreže, mogu se raspisati sljedeće jednadžbe: I I f I I (2) f 2 f 1 k Z I Z (2 k) k Z f 2 f (3) Iznos struje kvara I f različit je za svaki karakteristični kratki spoj, te ovisi o naponu U, impedanciji mreže Z net, koeficijentu k i impedanciji voda Z, što je detaljno obrađeno u [3]. Za shvaćanje osnovnog koncepta nadstrujne zaštite u sustavima s energetskim vodovima u zatvorenoj petlji nevažno je da li je I f rezultat tropolnog ili dvopolnog kratkog spoja. Iz tog razloga iz dobivenih jednadžbi (1-2) i (1-3), na slici 3. grafički je prikazana ovisnost pojedenih struja kvara u ovisnosti o udaljenosti mjesta kvara, koji je predstavljen koeficijentom k. Radi jednostavnosti prikaza za I f je uzeta vrijednost 1, dok je za Z uzeta vrijednost 0,5. Na slici je također naznačen prag prorade I> stupnja releja R1b, što je važno za daljnja razmatranja. 3

Slika 3. Ovisnost struje kvara o koeficijentu k Razvidno je da, što je kvar bliži mrežnom izvoru, struja kvara koju mjeri relej R1b je manja, odnosno struja kvara koju mjeri relej R1a je veća. Kako se mjesto kvara pomiče prema TS 35/10(20) kv, time se i struje I f1 i I f2 sve više približavaju po iznosu, da bi se u slučaju kvara na 35 kv priključku voda, ukupna struja kvara, uzevši u obzir navedena pojednostavljenja, jednoliko podijelila na I f1 i I f2. Uvažavajući navedeno, u sustavima s paralelnim pogonom energetskih vodova, osnovni koncept nadstrujne zaštite podrazumijeva upotrebu neusmjerenih relejnih zaštita (I>, I>>) na strani mrežnog izvora (R1a i R2a) te usmjerene relejne zaštite (I>, I>>) na strani TS 35/10(20) kv (R1b i R2b). Zaštite na strani TS 35/10(20) kv (R1b i R2b) svojim vremenskim zatezanjem moraju biti brže u odnosu na istovjetne zaštite na strani mrežnog izvora (R1a i R2a). Na taj način se ostvaruje da se struja kvara najprije isključi na strani TS 35/10(20) kv, a tek potom na strani mrežnog izvora. Podešenje I> stupnja na strani mrežnog izvora i TS 35/10(20) kv odabire se malo iznad iznosa ukupnog maksimalnog tereta kada bi u pogonu bio samo jedan energetski vod. Iz slike 3. također je vidljivo da u ovisnosti o podešenju I> na R1b postoji određeno područje mjesta kvara, odnosno određena struja kvara koju stupanj I> releja R1b neće izmjeriti u prvom koraku, te će za struje kvara unutar tog područja najprije doći do djelovanja zaštite na strani mrežnog izvora, a tek potom do djelovanja zaštite na strani TS 35/10(20) kv. Predmetno područje na slici 3. osjenčano je crvenom bojom Nedostaci standardne distributivne elektromehaničke i statičke zaštite prvenstveno se očituju u nedostatku mogućnosti usmjerenja nadstrujne zaštite, što je jedan o osnovnih kriterija za ispravan rad relejne zaštite kod vodova u paralelnom pogonu. Posebno razmatranje potrebno je provesti za zemljospojne zaštite i struje kvara koje se zatvaraju kod jednopolnih kratkih spojeva u sustavima s paralelnim pogonom vodova. Slikom 4. prikazan je model mreže na kojem će se pojasniti koncept zemljospojne zaštite u sustavima s paralelnim pogonom vodova. Prikazani model u odnosu na model mreže sa slike 1., ima još jedan dodatni jednostruki radijalan vod iz mrežnog izvora, te se preko TS 35/10(20) kv radijalnim vodom napaja još jedna 35/10(20) kv. U energetskom sustavu RH mreža 35 kv u pravilu je uvijek uzemljena preko maloohmskog otpornika. Zaštitne funkcije u slučaju zemljospoja u većini releja implementirane su u sljedećim stupnjevima: - neusmjerena nadstrujna zemljospojna zaštita u sporom stupnju >, to> - neusmjerena nadstrujna zemljospojna zaštita u brzom stupnju >>, to>> - usmjerena zemljospojna zaštita u cos ρ spoju - usmjerena zemljospojna zaštita u sin ρ spoju 4

Kao što je poznato neusmjerene nadstrujne zaštite kao mjerilo prorade koriste samo iznos struje, dok usmjerene zemljospojne zaštite (sin i cos spoj), pored iznosa struje koriste i mjerilo kuta između i. Na slici 4. također su prikazane karakteristike releja u cos i sin spoju. cos spoj Mrežni izvor R3 R2a R1a - R2b R1b R4 sin spoj - Slika 4. Model mreže paralelnog pogona energetskih vodova i radne karakteristike usmjerenih zemljospojnih releja Radi jednostavnosti prikaza pri objašnjenjima pojedinih mjesta kvara zanemaruje se doprinos zdravih faza voda u kvaru ukupnoj kapacitivnoj struji. Na sljedećim slikama naznačeno je mjesto zemljospoja te su naznačeni tokovi i karakter struje kvara kroz pojedine releje. Oznake kapacitivne i radne komponente struje zemljospoja na slikama nemaju značenje kvantitete već označavaju karakter struje te njezin kut u odnosu na za svaki pojedini relej u cjelokupnom sustavu zaštite. Također na vektorskim dijagramima onih releja kroz koje protječe radna i kapacitivna komponenta, pretpostavlja se da je udio kapacitivne komponente znatno manji u odnosu na radnu, te ukupna struja zemljospoja ima radni karakter. 5

R1a R1b radna komponenta kapacitivna komponenta Mrežni izvor - - R3 R2a R1a R2a R2b R2b R1b R4 - - R3 R4 - - Slika 5. Raspodjela struje i napona kod zemljospoja na jednom od vodova u paralelnom pogonu radna komponenta kapacitivna komponenta R1a R1b Mrežni izvor R3 R2a R1a - - R2a R2b R2b R1b R4 - - R3 R4 - - Slika 6. Raspodjela struje i napona kod zemljospoja na jednostrukom vodu iz mrežnog izvora 6

radna komponenta kapacitivna komponenta R1a R1b Mrežni izvor R3 R2a R1a - - R2a R2b R2b R1b R4 - - R3 R4 - - Slika 7. Raspodjela struje i napona kod zemljospoja na jednostrukom vodu koji napaja daljnju TS 35/10(20) kv S aspekta zemljospojne zaštite može se zaključiti da se na zaštitnim relejima paralelnih vodova (R1a...R2b) selektivno štićenje u slučaju zemljospoja ne može postići samo s aktiviranjem > i >> stupnjeva i pripadnih vremenskih zatezanja. Jedini način selektivnog štićenja jest aktiviranje usmjerenih zemljospojnih zaštita na R1b i R2b relejima. Na predmetnim relejima potrebno je aktivirati usmjerenu zemljospojnu zaštitu u cos ρ spoju. Na strani mrežnog izvora, odnosno relejima R1a i R2b aktivira se > stupanj s vremenskim zatezanjem koje je sporije u odnosu na vremensko zatezanje usmjerene zemljospojne zaštite na relejima R1b i R2b. Na strani releja R1b i R2b mogu se aktivirati brzi stupnjevi nadstrujne zemljospojne zaštite >> kao funkcija zaštite od premoštenja otpornika. Vremensko zatezanje to>> se postavlja kao najbrže vrijeme prorade u sustavu zemljospojne zaštite. 3. PARLALELNI POGON ENERGETKSIH VODOVA U MREŽI ELEKTROPRIMORJA RIJEKA Kao što je u uvodu navedeno na području nadležnosti Elektroprimorja Rijeka paralelni pogon 35 kv vodova koristi se za napajanje dviju TS 35/10(20) kv. Radi se o TS 35/10 kv Turnić Privremena koja se sa dva jednaka kabelska voda napaja iz TS 110/35 kv Pehlin, te o TS 35/20 kv Kupjak koja se napaja iz TS 110/35 kv Delnice. Posebnost napajanja TS Kupjak ogleda se u činjenici da je jedan vod u cijeloj svoj dužini kabelski, dok je drugi vod kombinacija nadzemnog i kabelskog voda. Još jedna posebnost slučaja TS Kupjak leži u činjenici da se preko 35 kv sabirnica TS Kupjak napaja i EVP Skrad, što je važno s aspekta ispravnog podešenja zemljospojnih zaštita u predmetnom sustavu. Oba mrežna izvora TS Pehlin i TS Delnice uzemljena su na 35 kv preko maloohmskog otpornika (300A). U 20 kv mreži TS 110/20 kv Vrbovsko napaja se iznimno važna distributivna stanica u vlasništvu korisnika mreže TS 20/6 kv PS Dobra. Slikom 8. prikazana su podešenja relejnih zaštita za navedene primjere. 7

Slika 8. Podešenje relejne zaštite na paralelnim vodovima u distributivnoj mreži Elektroprimorja Rijeka Princip podešenja na konkretnom primjeru u velikoj mjeri se podudara s osnovnim konceptom koji je izložen u prethodnim poglavljima. Jedina izmjena odnosi se na aktivaciju > stupnja na strani TS 35/10(20) kv. Predmetna zaštita u ovom slučaju predstavlja rezervni stupanj usmjerenoj zemljospojnoj zaštiti. Ipak treba napomenuti da, u slučaju zatajenja usmjerene zemljospojne zaštite, djelovanje > stupnja isključiti će oba energetska voda, što naravno nije selektivno djelovanje ali je svakako nužno u tom slučaju. Na primjeru zemljospoja koji se dogodio 28.01.2013. na vodu K1 iz TS Pehlin prema TS Turnić Privremena, ilustrirati će se selektivno djelovanje zaštite u slučaju kvara ne jednom vodu u sustavu vodova u paralelnom pogonu. Slika 9. Snimka kvara na releju R1a u 35 kv vodnom polju Turnić K1 u TS Pehlin 8

Slika 10. Snimka kvara na releju R1b u 35 kv vodnom polju Pehlin K1 u TS Turnić Privremena Za vrijeme kvara Prije nastanka kvara Slika 11. Vektorski dijagram na releju R1b u 35 kv vodnom polju Pehlin K1 u TS Turnić Privremena 9

Slika 12. Snimka kvara na releju R2b u 35 kv vodnom polju Pehlin K2 u TS Turnić Privremena Za vrijeme kvara Prije nastanka kvara Slika 13. Vektorski dijagram na releju R2b u 35 kv vodnom polju Pehlin K2 u TS Turnić Privremena 10

Iz prikazanih snimki kvara i vektorskih dijagrama vidi se da je do zemljospoja došlo u fazi L1. Struja kvara raspodijelila se preko kvarnog (K1) i zdravog (K2) voda. Po odnosu iznosa struje koja protiče kroz releje R1 i R2 može se zaključiti kako je mjesto kvara bliže sabirnicama TS Turnić Privremena. Sa slika 9. i 10., očitava se da se po nastanku kvara na releju R1a starta > dok je na releju R1b > (cos ρ) proradila zaštita. Nakon vremena 0,8 s, koliko iznosi vremensko zatezanje zaštite > (cos ρ) na releju R1b dolazi do isključenja prekidača u vodnom polju Pehlin K1 u TS Turnić Privremena. Nakon isključenja predmetnog prekidača, sva struja kvara isključivo se zatvara preko voda K2. Nakon još dodatnih 0,8 s, a ukupno 1,6 s od početka kvara, isključuje se prekidač u vodnom polju Turnić K1 u TS Pehlin. S tom akcijom kvar se obostrano isključuje, a napajanje TS Turnić Privremena nastavlja preko voda K2. Na slikama 11. i 13. koje prikazuju vektorske dijagrame valja napomenuti da je zbog načina spajanja strujnih grana na releju vektor struje zakrenut za 18 u odnosu na stvarni smjer struje, a što je važno radi razumijevanja prorade zemljospojne zaštite u cos spoju prema slici 4. 4. ZAKLJUČAK Napajanje TS 35/10(20) kv i TS 10(20)7X kv preko vodova u paralelnom pogonu omogućava veći prijenos snage uz značajno smanjenje gubitaka u vodičima. Također, u slučaju kvara na jednom od vodova, TS ne ostaje bez napajanja te se ostvaruje veći stupanj pouzdanosti i sigurnosti opskrbe. U članku su predstavljeni problemi ispravnog otkrivanja kvara na jednom od vodova u paralelnom pogonu te isključenje samo kvarne dionice. Koncept štićenja u takvim sustavima ostvaruje se neusmjerenim nadstrujnim i zemljospojnim zaštitama na strani mrežnog izvora, odnosno usmjerenim nadstrujnim i zemljospojnim zaštitama na strani distributivne TS. Pri podešavanju relejne zaštite veoma je važno ispravno vremenski stupnjevati pojedine zaštitne funkcije na obje strane. Na primjeru kvarova u 35 kv mreži Elektroprimorja Rijeka dokazala se selektivnost i pouzdanost opisanog koncepta zaštite u sustavima sa vodovima u paralelnom pogonu. 5. LITERATURA [1] D. Kruljac, R. Ćućić, Problematika neselektivnih prorada zemljospojne zaštite u mreži napona 20 kv s uzemljenom neutralnom točkom, HO-IRED, 1 savjetovanje, 2008. [2] DEF2_ Directional Earth Fault Protection, tehnički opis zaštitne funkcije u terminalu polja REF 54_, proizvođača ABB, 2005 [3] Parabirsing, E.N. Analysis of Protection Malfunctioning in Meshed Distribution Grids : M.Sc. thesis TU Delft, 2010. 11