V druhé části této práce se pojednává o ověřování a směrování zemních směrových ochran v izolovaných sítích IT. První část se věnuje ochraně vedení v sítích IT proti účinkům zemních proudů, zatímco třetí část obsahuje doporučení a přehled výhod fázování směrových zemních ochran. Jak lze zajistit, aby směrové ochrany fungovaly bez omylu a efektivně chránily sítě před nežádoucími výpadky?

2. Ověřování a směrování (fázování) zemních směrových ochran

2.1 Popis problému instalace směrových zemních ochran v izolovaných sítích IT

Při instalaci zemních směrových ochran a následném ověřování jejich činnosti se jeví jako největší problém spolehlivé určení správného smyslu připojení nulové složky napětí U0 a reziduální nulové složky proudu I0. Aby zemní směrová ochrana mohla správně vyhodnocovat a vypínat vadný úsek hlídané sítě, musí poruchové veličiny U0 a I0 vstupovat do ochrany ve správné vzájemné vektorové orientaci – jinak dochází k její chybné funkci. 

V rozvodnách vn se při instalaci těchto ochran spoléhá na vyloučení omylu nebo se správná činnost ověřuje rizikovými zemními spojeními v hlídané síti, popř. se analyzuje až po nastalém zemním spojení – což bývá velmi problematické. Z důvodu nežádoucího chybného vypínání je problém v provozních podmínkách řešen v mnoha případech zablokováním funkce ochrany, protože jakékoliv další prodloužení přerušení dodávky elektrické energie, které souvisí se zjištěním příčin chybného vypnutí, si nemůže provozní elektrotechnik dovolit. 

Nastává tak paradox, kdy poměrně drahá, technicky velmi důmyslná a spolehlivá ochrana je využívána pouze jako levná, technicky zastaralá nadproudová ochrana z šedesátých až osmdesátých let minulého století.

Směrové zemní ochrany (dále ochrany) instalované ve vývodních polích rozvoden vn, popř. nn u izolovaných sítí IT, mají chránit, tj. vypínat nebo spustit varovný signál, pouze na vývodu, na kterém vznikla porucha zemního spojení. Ostatní neporušené vývody musí zůstat v provozu, nesmí být ochranami vypnuty. Funkce směrových zemních ochran je založena na wattmetrickém principu snímání velikosti a směru toku jalové nebo i činné energie do místa zemního spojení. Je proto nutné po instalaci ověřovat jejich reakci s ohledem na místo vzniku zemního spojení. 

Jejich správná směrová funkce je závislá na bezchybném připojení vstupních veličin nulové složky napětí U0 a reziduální nulové složky zemního proudu I0. Záměna smyslu vzájemné vektorové orientace poruchových parametrů U0 a I0 vstupujících do ochrany způsobuje nežádoucí chybná vypínání chráněného vývodu. Ověření správného připojení (nafázování) ochrany zemním spojením na zapnutém (ověřovaném) vývodu je u sítí vn velmi rizikové. Nepřímé ověření, které spočívá v důkladném proměření elektrických obvodů podle projektu, nevylučuje riziko omylu a nepotvrdí, zda budeochrana skutečně vypínat chráněný vývod s poruchou. 

Použitím poměrně drahé přístrojové techniky lze vygenerovat nulovou složku napětí U0 a nulovou složku reziduálního zemního proudu I0 s nastavitelným fázovým úhlem. Nevýhodou uvedeného způsobu však je, že takto lze ověřit pouze funkci samotné ochrany, nikoliv však správné napojení vstupních veličin U0 z otevřeného trojúhelníku nainstalovaných MTN a reziduální složky snímaného zemního proudu I0 z průvlečného součtového měřicího transformátoru proudu (MTP).

2.2 Vlastní postup fázování a ověřování funkce podle užitného vzoru

2.2.1 Izolované nekompenzované sítě nn a vn do 22 kV s převažujícím kapacitním charakterem příčné admitance

Jsou to většinou kombinované izolované sítě volných vedení a kabelů 3× 500, 3× 1 000, 3× 3 000, 3× 6 000 V a 3× 22 kV nekompenzované zhášecí tlumivkou. Příčnou admitanci vedení zde tvoří fázové zemní kapacitní vodivosti (susceptance) BC = 1/XC = ωC0 a fázové svodové zemní vodivosti (konduktance) G = 1/Ri (Ri je izolační odpor fází proti zemi), přičemž kapacitní susceptance BC >> G. Metoda 1a Poznámka: Posuvný rezistor R nahrazuje odporový charakter hoření oblouku při zemním spojení. Pro směrové fázování není nutný. V naznačené modelové síti (obr. 4) při C1 = 100 μF, C2 = 50 μF je R přibližně 0 až 5Ω (50 W). Hodnoty kapacit modelové sítě mají informativní charakter a lze je podle potřeby změnit (zvětšit).

Postup podle metody 1a

Pole měření napětí, ze kterého je snímána nulová složka napětí U0 (ze sekundárního vinutí 100/3 V otevřeného trojúhelníku), se ze strany vn odpojí od napětí.

Upozornění:

Při napájení napěťových měničů ze sekundární strany modelové sítě 3× 100 V se na vstupní straně napěťového měniče objeví transformované životu nebezpečné vysoké napětí. Není proto přípustné při ověřování funkce ochran do vypnutého pole měření ze strany vn vstupovat nebo se přiblížit do jeho ochranného prostoru.

Správné připojení vstupních veličin u0, i0 se ověřuje zmíněnou modelovou sítí napájenou třífázovou napěťovou soustavou IT 3× 100 V o výkonu asi 1 kV·A. Ochrana F zůstane ve stavu, v jakém byla instalována, vstupní veličiny U0, i0 se z ochrany neodpojují. Otvorem součtového proudového měniče T se protáhnou souběžně s instalovaným silovým kabelem ( kabelnení podmínkou) fázové vodiče L1, L2 a L3 druhé části modelové sítě, představované zemní fázovou kapacitou C2, a to v naznačeném směru toku výkonu. 

Rezistorem R se nastaví požadované hodnoty a fázový posun zemních kapacitních proudů I0C, I0C1, I0C2. Vodiče P a PE nahrazují v modelové síti zem, kondenzátory C1 fázovou zemní kapacitu sítě před chráněným úsekem (vývodem) a C2 fázovou zemní kapacitu chráněného úseku (vývodu). Tlačítkem T1 se simuluje zemní spojení sítě mimo (vně) chráněný úsek (vývod), tlačítkem T2 zemní spojení v chráněném úseku (vývodu). Aby nebyl ovlivňován (zmenšován) budicí reziduální proud i0 při simulaci zemního spojení přes tlačítko T2 proudem I0L, který při zemním spojení ze sekundární strany 100 V dosahuje u měřicích transformátorů 6 000/√3, 100/√3, 100/3 V až 3,2 A (100 V·A), mají tlačítka T1 a T2 zdvojené kontakty. Jednou kontaktní dvojicí se realizuje (podobně jako je tomu ve skutečné síti IT) zkrat na fázové kapacitě, tj. fáze L3, vodič P, druhou dvojicí se přemostí vinutí napěťového měniče postižené fáze, tj. fáze L3, vodič PE. 

Jsou-li použity měřicí transformátory menších výkonů, kde proud I0L < 0,5 A, není oddělování nutné a vodiče P a PE se vzájemně spojí. Nutnou podmínkou k ověřování a fázování zemních směrových ochran pomocí zmíněné modelové sítě je dostatečná aktivační vstupní citlivost ochran nulové složky proudu i0. Musí být větší než I0/p = 2,7/120 = 20 mA (u standardních ochran bývá 10 mA). Je-li aktivační citlivost menší, je nutné volit větší kapacity C1 a C2.

Obr. 4. Ověřování zemních směrových ochran v nekompenzovaných sítích IT podle metody 1a

Metoda 1b

Poznámka:

Posuvný rezistor R nahrazuje odporový charakter hoření oblouku při zemním spojení. Pro směrové fázování není nutný. V naznačené modelové síti (obr. 5) při C1 = 20 μF, C2 = 10 μF je R přibližně 0 až 5Ω (100 W). Uvedené hodnoty modelové sítě mají informativní charakter a lze je podle potřeby měnit.

Postup podle metody 1b

Je-li v rozvodně či provozovně, kde se ověřuje správnost připojení zemní směrové ochrany, k dispozici zdroj napětí izolované sítě IT 3× 500 V nebo neizolované sítě TN 3× 400 V o výkonu alespoň 3 kV·A (50 Hz), uskuteční se měření podle obr. 5. Napětí modelové sítě se přivede přímo na primární stranu napěťových měničů, čímž se současně ověří jejich bezchybná funkce. Často je příčina špatného fungování ochrany v přerušeném obvodu primárního vinutí v pojistkové komoře napěťových měničů s vestavěnými pojistkami. Jako modelové sítě lze použít i síť soustavy TN nebo síť soustavy IT 500 V, která je vypínána hlídačem izolace. V tomto případě se pomocný vodič P nepřipojuje k vodiči PE (neuzemňuje se). Vodič P se připojí přímo k uzlu primárního vinutí (viz červené šipky v obr. 5) a uzel primárního vinutí napěťových měničů se oddělí kondenzátorem C0 o kapacitě asi 4 μF (není-li již toto řešeno zejména u sítí IT 6 kV s hlídačem izolace, kde bývá C0 = 4 μF/6 kV).

Kapacity C1, C2 modelové sítě se volí menší (např. C1 = 20 μF, C2 = 10 μF) než u postupu (viz obr. 4) podle metody 1a. Výpočet hodnot proudů I0 = I0C, I0C1, I0C2 je stejný jako u postupu podle metody 1a. Hodnota proudu I0L je při uvedeném napájení napěťových měničů z primární strany zcela zanedbatelná. Tlačítky T1 a T2 se vykoná ověřování jako v u metody 1a. Uvedený postup je spolehlivější než u metody 1a, protože se jím ověřuje bezchybnost celého pole měření. 

Lze ho však použít pouze u procesorových ochran sítí vn do 10 kV, kde je možné nastavit nízkou hodnotu nulové složky napětí u0 = U0/p, tj. u sítí 10 kV (p = 100) alespoň 3 V, u sítí 6 kV (p = 60) alespoň 5 V. Napětí u0 z otevřeného trojúhelníku je možné zvýšit pomocným autotransformátorem, musí se však zachovat jeho správná vektorová orientace, jinak bude funkce ochrany chybná. Co se týče proudové citlivosti ochrany i0, platí stejná podmínka jako u metody 1a.

Obr. 5. Ověřování zemních směrových ochran v nekompenzovaných sítích IT podle metody 1b

2.2.2 Izolované kompenzované sítě nn a vn do 22 kV s převažujícím kapacitním charakterem příčné admitance

Jsou to většinou kombinované izolované sítě volných vedení a kabelů 3× 500, 3× 1 000, 3× 3 000, 3× 6 000 V a 3× 22 kV kompenzované zhášecí tlumivkou, kde příčnou admitanci vedení tvoří fázové zemní kapacitní vodivosti (susceptance) BC = 1/XC = ωC0 a fázové svodové zemní vodivosti (konduktance) G = 1/Ri (Ri je izolační odpor fází proti zemi). Kapacitní susceptance BC >> G (kapacitní svod proti zemi bývá více než desetkrát větší než svodový odpor). V důsledku kompenzace kapacitního proudu při zemním spojení zhášecí tlumivkou (Petersonova cívka) se však výrazně mění budicí – reziduální proud ochrany (obr. 2). 

Znovu je však nutné upozornit, že kompenzovaný jalový zemní proud IL procházející zemí a poruchovou fází má opačný smysl než poruchový jalový kapacitní zemní proud I0C. V místě snímání je reziduální proud pro buzení ochrany I0, (i0) menší o kompenzovaný proud IL. Může mít proto v některých místech sítě nulovou hodnotu a směrem ke zdroji mění i smysl toku. Proto se do obvodu zhášecí cívky připojuje činný odpor, aby i po vykompenzování zůstala dostatečně velká činná složka proudu k aktivaci zemní směrové ochrany. 

Toto je nutné respektovat při nastavování fázového úhlu působení ochrany k ověřování správného směrování a hodnoty nastavení ochrany. U plně kompenzovaných sítí (I0C = IL) je proto vhodné nastavovat fázový úhel působení v oblasti okolo 0°, přičemž střed oblasti působení by měl být v indukční části. Ochrana totiž musí reagovat na činnou složku proudu, která protéká postiženou fázi do místa zemního spojení a zemí zpět přes zhášecí tlumivku do uzlu napájecího transformátoru sítě. 

Je zřejmé, že aktivující činný snímaný reziduální proud ič ze součtového MTP do ochrany je v kompenzovaných sítích podstatně menší než aktivující převažující kapacitní složka proudu nekompenzovaných sítí, zejména u koncových vývodů sítě (obr. 2). Směrové zemní ochrany proto musí být v kompenzovaných sítích citlivější a nastaveny na malé vypínací hodnoty činné složky proudu. Z uvedeného důvodu musí být součástí projektu instalace ochran i rozbor, jehož výsledky udávají hodnoty a charakter snímaných zemních proudů (indukční, kapacitní, činný) v konkrétních místech sítě, kde mají být zemní směrové ochrany instalovány. Je to podmínka nutná, v opačném případě může být ochrana nefunkční nebo může chybně reagovat a způsobovat nežádoucí vypínání. Při ověřování funkce a správného směrování (nafázování) zemní směrové ochrany v kompenzovaných sítích lze použít některý z dále uvedených postupů.

Metoda 2a

Poznámka:

Naznačené hodnoty parametrů modelové sítě jsou jen informativní a lze je podle potřeby změnit. V součtovém MTP se neměří fáze (neprotahuje se vodič fáze), na které se zkušebními tlačítky T1 a T2 simuluje v modelové síti zemní spojení a spolu s vodiči neporušených dvou fází se měří činná složka proudu. Součtovým MTP se protáhne vodič pomocného proudového obvodu, který tvoří činný odporník R2 (obr. 6) připojený přes zdvojené tlačítko T2 na fázové napětí té fáze, na které je simulováno zemní spojení. Hodnota činného proudu se reguluje podle potřeby. Tento způsob vyžaduje vyvedený uzel z napájecího zdroje modelové sítě. Funkce tlačítek T1 a T2 je stejná jako u nekompenzovaných sítí. Při simulaci zemního spojení se vykonávají i přerušovaná spojení a s ohledem na oteplování rezistoru R2 se tlačítka zapnou (stisknou) na dobu max. 5 s. Proudová citlivost ochrany i0 musí být stejná jako u metody 1a (odst. 2.2.1).

Obr. 6. Ověřování zemních směrových ochran v kompenzovaných sítích IT podle metody 2a

Metoda 2b

Poznámka:

Naznačené hodnoty parametrů modelové sítě jsou jen informativní a lze je podle potřeby změnit. V modelové síti (obr. 7) se zamění kapacity činnými odpory s přibližně stejnou hodnotou vodivosti. Funkce tlačítek T1 a T2 je stejná jako u nekompenzovaných sítí, tj. sepnutím tlačítka T1 nesmí ochrana dát popud k vypnutí chráněného vývodu, sepnutím T2 musí reagovat a v nastaveném čase dát popud k vypnutí. Podmínka proudové citlivosti i0 zemní směrové ochrany je stejná jako u metody 1a (odst. 2.2.1).

Obr. 7. Ověřování zemních směrových ochran v kompenzovaných sítích IT podle metody 2b

Metoda 2c

Poznámka:

Naznačené hodnoty parametrů modelové sítě jsou jen informativní a lze je podle potřeby změnit. Ověřování podle naznačené metody 2c (obr. 8) je obdobné jako v případě 2a. Metoda 2c je vhodnější, protože se současně ověřuje funkčnost primárního vinutí MTN. Je však nutné si uvědomit, že při simulaci zemního spojení bude nulová složka napětí u0 vstupující do ochrany poměrně malá. Například při převodu MTN p = 60 (u sítě 6 kV) a napájecím napětí modelové sítě např. 300 V bude při simulaci zemního spojení u0 = 300/60 = 5 V, při 400 V to bude u0 = 400/60 = 6,6 V a při 500 V u0 = 8,3 V. Rozsah působení, tj. citlivost ochrany, musí tomuto napětí vyhovovat, v opačném případě je třeba pomocným autotransformátorem zvýšit u0 z otevřeného trojúhelníku MTN před vstupem do ochrany. Při použití zvyšovacího autotransformátoru se nesmí zaměnit vektorová orientace fáze u0. Podmínka proudové citlivosti i0 zemní směrové ochrany je stejná jako u metody 1a (odst. 2.2.1).