CREŞTEREA CALITĂŢII ALIMENTĂRII CU ENERGIE ELECTRICĂ ÎN REŢELELE DE MEDIE TENSIUNE TRATATE CU BOBINĂ DE STINGERE

PRIN OPTIMIZAREA PROTECŢIILOR

THE POWER QUALITY IMPROVEMENT IN THE DISTRIBUTION SYSTEMS WITH THE RESONANT EARTHED NEUTRAL SYSTEM

BY MEANS OF THE PROTECTION OPTIMIZATION

Dumitru TOADER Ioan Dorin HAŢEGAN Universitatea "Politehnica" Timişoara,

Facultatea de Electrotehnică şi Electroenergetică, Bd. V. Pârvan 2Tel. 0256403382, E-mail: dtoader@et.utt.ro

SMART Timişoara, Piaţa Romanilor11 Tel. 0256435853, E-mail: ihategan@smarttm.ro

Ioan DIACONU Petre RUŞEŢ SMARTBucureşti Bd.Gh.Magheru ,33,

Tel. 0213054401, E-mail: idiaconu@transelectrica.ro SMART Timişoara, Piaţa Romanilor11,

Tel. 0256406186, E-mail: pruset@smarttm.ro

Rezumat: Calitatea alimentării cu energie electrică şi serviciile oferite consumatorilor sunt principalul obiectiv urmărit de investiţii şi de implementarea noilor tehnologii în reţeaua de medie tensiune. Detectarea rapidă a simplelor sau dublelor puneri la pământ pentru reţeaua de medie tensiune tratată prin bobină de stingere (20 kV), a căror stâlpi sunt comuni cu liniile de telecomunicaţii, cablu TV, este reglementată prin STAS 831/2002. Aceasta face necesară completarea protecţiilorreţelei cu relee noi de mare sensibilitate. Lucrarea prezintă un bloc de protecţie digital care satisface astfel de cerinţe precum şi experimentarea lui în reţeaua reală. Cuvinte cheie: reţea de medie tensiune, defecte mono şi bifazate cu pământul, secvenţă homopolară, dispozitiv de protecţie.

Abstract: The quality of the electricity supply service offered to the customers is the main objective guiding most of the investmentsand the implementation of the new technologies in the medium voltage network. The early detection of single or double groundingfaults for medium-voltage networks with a resonant earthed neutral system (20kV), whose pillars are shared with communicationlines or cable TV, is regulated by STAS 831/2002. This make necessary to add new high sensitivity relays to the networksprotective devices. The paper presents a digital protective block which satisfies such demands, also tested in the real network. Keywords: medium–voltage network, single and double groundingfaults, zero-sequence voltage, protective device.

1. Introducere Una din metodele frecvent întâlnite pentru tratarea

neutrului reţelelor electrice de medie tensiune este cea în care se utilizează bobina de compensare (bobină Peterson).

Pe timpul defectului cu pământul în reţeaua tratată cu bobină de stingere, curentul capacitiv de defect este neu-tralizat de un curent inductiv Acesta este generat urmărinddefectul cu pământul de către bobina de stingere.

Solicitarea îndelungată a izolaţiei reţelei la defecte monofazate este un factor important care conduce laîmbătrânirea izolaţiei şi la străpungerea acesteia în alte puncte mai slabe. Detectarea selectivă şi rapidă a defectelormonofazate şi bifazate cu pământul are o influenţă pozitivăasupra costului instalaţiilor de legare la pământ mai ales pentru soluri cu rezistivitate mare.

1. Introduction One of the frequent methods for the grounding neutral

point in the medium voltage networks is to ground throughthe impedance (by means of the Petesen coil).

During the operation with an earth fault compensation,the capacitive earth fault current is neutralized by aninductive current. Following an earth fault , the inductive component is generated by the arc supression coil.

The duration of the single-phase to ground faults is another important factor, concerning the stress on theelectrical insulation of the power network. Selectivelydetecting and in a short time-frame of the single anddouble-phase to ground faults has a positive influence in the costs of grounding installations, especially for the soilswith a high rezistivity.

2. Realizarea blocurilor de protecţie

O dată cu apariţia reglementărilor privind calitatea energiei livrate consumatorilor se impune declanşarea sigură şi rapidă a liniilor de medie tensiune la simplă şi dublă punere la pământ. Acest lucru este determinat deurmătoarele motive principale:

2. The protective blocks achievement In the same time with the appearance of the quality

reglementations for the electricity supply to the customers it is necessary to detect and to selectively clear the single and double earth fault. This thing is required by following main reasons:

The 6th International Power Systems Conference 592

• reducerea duratei de funcţionare a reţelei de medietensiune cu simpla punere la pământ în scopul diminuării suprasolicitărilor izolaţiei datorate creşterii tensiunii fa-zelor fără defect, concomitent cu reducerea duratei cât aceste tensiuni periculoase se transmit prin cuplaj rezistivsau inductiv în instalaţiile de telecomunicaţii, instalaţii electrice de joasă tensiune etc. şi scăderea riscului de trans-formare a defectelor monofazate în defecte polifazate;

• reducerea duratei de suprasolicitare a izolaţiei pe duratamanevrelor personalului pentru depistarea liniilor şi a ramificaţiilor acestora pe care s-a produs defectul;

• reducerea cheltuielilor de investiţii pentru realizarea instalaţiilor de legare la pământ care în cazul reţelelor protejate prin protecţii maximale sunt ridicate deoareceprizele de pământ trebuie să fie cu rezistenţă de dispersiemică;

• reducerea numărului golurilor de tensiune provocate de căutarea defectelor care perturbă funcţionareaconsumatorilor.

• crearea condiţiilor necesare în vederea utilizării încomun a stâlpilor pentru LEA de 20 kV, LEA de 0,4 kV, LTc şi CATv pentru reducerea riscului de transmitere a tensiunii periculoase prin cuplaj rezistiv sau inductiv (STAS 831/2002). Luând în considerare toate aceste elemente am iniţiat

cercetări pentru realizarea unei protecţii numerice sigure, sensibile şi rapide care să permită eliminarea defectelor de tipul simplă şi dublă punere la pământ în reţelele de medie tensiune cu neutrul tratat prin bobina de stingere.

Concepţia şi realizarea protecţiilor, având în vedere şi starea tehnică a reţelelor din ţara noastră, au fost determinatede următoarele cerinţe tehnice: • declanşarea automată selectivă, rapidă şi sigură a liniei

de 20 kV cu simplă punere la pământ după expirarea timpului prestabilit pentru defecte autostingătoare;

• sesizarea şi declanşarea automată rapidă, selectivă şi sigură a liniei de 20 kV la simplă punere la pământrezistive cu rezistenţă de trecere Rt ≤ 5 kΩ;

• semnalizarea simplelor puneri la pământ rezistive cu rezistenţă de trecere Rt > 5 kΩ;

• to decrease the time length of the medium-voltage networkworking with a single phase to ground fault, having the reason to decrease the electrical insulation overstress due to the voltages increase for the healthy phases, concomi-tantly with the decrease of the period in which those dan-gerous voltages spread through the resistance or inductivecouple in the telecommunication installations, low-voltageelectrical installations etc., and the decrease of the risk of the transformation from single phase faults to two or threephase faults;

• to decrease the time length of the electrical insulation overstress when troubleshooting is done to detect the lines and their ramifications where the fault has occured;

• to decrease the investment expenses to materialize the grounding installations, which are rised for the networks protected by maximal protections because the grounding must have a low value resistance;

• to decrease the numbers of the periods when voltage is missing because of the fault troubleshooting ;

• to achieve the necessary conditions to use in common of the pillars for 20 kV OHL, 0,4 kV OHL, TcL and CATv to decrease the risk of the dangerous voltages spreadingthrough the resistance or inductive couple. By taking into account all these elements, we started the

research to achieve a reliable digital protection, fast and sen-sitive, that can eliminate the single or double grounding faultsfor medium-voltage networks with a resonant earthed neutralsystem .

The conception and the achivment of the protections, by taking into account also the technical state of thenetworks in our country, were determined by following technical requirements: • the automatic, selective, fast and reliable tripping for a

20 kV OHL, with a single phase to ground fault, after the expiration of the pre-established time for the self-extincting faults;

• the fault detection and the automatic, fast, selective and reliable tripping for a 20 kV OHL in case of the single phase to earth fault with a resistance Rt ≤ 5 kΩ;

• supplying a signal in case of the single phase to earth fault with resistance Rt>5 kΩ;

3. Descrierea blocului de protecţie tip BHAW-1 Ţinând seama de starea tehnică a reţelelor de 20 kV

din ţara noastră cu neutru izolat sau compensat a foststudiată realizarea unor blocuri de protecţii compacte care să cuprindă elemente de măsură, temporizare şi semnalizareîn vederea realizării celor două tipuri de protecţie şi anume: • protecţia direcţională simbolizată PDWL împotriva

defectelor cu simplă punere la pământ; • protecţia homopolară ampermetrică simbolizată PHAL

împotriva defectelor cu dublă punere la pământ.

3.1. Protecţia direcţională PDWL Concepţia şi realizarea protecţiei direcţionale pe linii

de 20 kV PDWL se bazează pe analiza şi studiile efectuateprivind comportarea reţelelor electrice cu neutrul tratat prin bobina de stingere la supratensiuni atmosferice şisupratensiuni de frecvenţă industrială.

Protecţia împotriva supratensiunilor atmosferice se soluţionează prin alegerea judicioasă a descărcătoarelor amplasate în diferite puncte ale reţelei de 20 kV.

3. Description of the BHAW-1 protection block By taking into account the technical state of the 20 kV

networks with a resonant earthed neutral system from our country, it was studied the achievement of some compact protection blocks, that include measurement, time-delay andsignalisation elements to achieve the two protection types: • the directional capacitive protection symbolized PDWL

against the single-grounding faults; • the zero-sequence current protection symbolized PHAL

against the double-grounding faults.

3.1. The directional protection PDWL The conception and the achievment of the directional

20 kV OHL protection PDWL is based on the analysis and thestudies done concerning the electrical networks with a reso-nant earthed neutral system behavior in case of the atmos-phere overvoltages and of those at industrial frequency.

The protection against the atmosphere overvoltages is solved by a judicious selection of the dischargers placed in different points of 20 kV network.

03-04.11.2003, Timişoara, Romania 593

Protecţia împotriva supratensiunilor de frecvenţă in-dustrială trebuie soluţionată astfel: • alegerea unui aparataj cu performanţe tehnice ridicate

din punct de vedere al izolaţiei; • reducerea duratei de solicitare a izolaţiei prin utilizarea

unor protecţii prin relee rapide care să sesizeze defecte cu simplă sau dublă punere la pământ. Există preocupări, atât în ţara noastră cât şi pe plan

mondial, privind posibilitatea realizării unei protecţii sensi-bile, sigure şi rapide pentru declanşarea automată a liniei de20 kV la defecte cu simplă sau dublă punere la pământ.

Necesitatea realizării unor asemenea protecţii este stu-diată în prezent pentru cele două tipuri de reţele şi anume:• reţele electrice aeriene sau mixte de 20 kV cu neutru

izolat; • reţele electrice aeriene sau mixte de 20 kV având neutrul

tratat prin bobina de compensare.

3.2. Protecţia homopolară ampermetrică PHAL În cazul reţelelor de 20 kV protecţia homopolară amper-

metrică poate avea următoare funcţii: declanşarea liniei la simple puneri la pământ ; declanşarea liniei la duble puneri la pământ.

Avantajul utilizării protecţiei PHAL împotriva defectelorcu dublă punere la pământ în locul protecţiei maximale de curent PMCT constă în faptul că reglajele de curent şi de timp ale acestei protecţii nu depind de valoarea curentului de sarcină deci pot avea valori mai scăzute. Cele douăprotecţii pot fi folosite astfel: • protecţia maximală de curent temporizată PMCT pentru

sesizarea scurtcircuitelor trifazate; • protecţia homopolară ampermetrică PHAL pentru

sesizarea defectelor cu dublă punere la pământ.

3.3. Schema electrică a blocului BHAW-1 – descrierea elementelor componente

Schema electrică a blocului digital BHAW-1 cuprinde următoarele module: modulul protecţiei direcţionale notat MD-1 ; modulul protecţiei homopolare ampermetrice, notat RAT-1; modul de semnalizare optică ,notat MSO-2; modulul de sarcină notat MS (Fig.1).

Releul direcţional este realizat cu un microprocesor care permite realizarea unor sensibilităţi ridicate. Unghiul interioral releului poate fi reglat grosier şi fin. Releul de timp este realizat cu acelaşi microprocesor. Modulul protecţiei homo-polare ampermetrice conţine circuitul de măsură al curentu-lui homopolar, releu de temporizare pentru reglarea tempo-rizării şi circuitul de punere în funcţiune. Modulul de sem-nalizare indică regimul în care se găseşte blocul digital prin intermediul unor lămpi de semnalizare

4. Măsurători în reţeaua reală de 20 kV cu neutrul

tratat prin bobină de stingere În vederea verificării funcţionării blocurilor de protecţie

concepute şi realizate s-a amenajat un sector experimental special în staţia de transformare 110/20 kV IUM Tg.Jiu.

Pentru a urmări comportarea protecţiilor prin releerealizate în staţia de 110/20 kV IUM Tg.Jiu. a fost montat un perturbograf digital care permite înregistrarea eveni-mentelor la următoarele defecte: • simple puneri la pământ autostingătoare; • simple şi duble puneri la pământ trecătoare sau persistente;• scurtcircuite trifazate.

The protection against the overvoltages at an industrialfrequency must be solved in this way: • by choosing an equipment with high technical perform-

ances regarding the level of the insulation; • by decreasing the time lenght of the electrical insulation

stress by using fast relay protections that perceive singleor double phase to earth faults; There are concerns in our country and worldwide

concerning the possibility to achieve a sensitive, reliable and fast protection for the automatic tripping of the 20 kV OHL line in case of single or double phase to earth faults.

The necessity to achieve such protections is studied at the moment for two types of networks: • 20 kV electrical overhead or mixed networks with

isolated neutral point; • 20 kV electrical overhead or mixed networks with a

resonant earthed neutral system.

3.2. The zero-sequence current protection PHAL For 20 kV networks, the zero-sequence current

protection can have the following functions: tripping the line in case of single-grounding faults; tripping the line in case of double-grounding faults.

The advantage of using the PHAL protection against the double-grounding faults instead of using the maximal current protection PMCT consists of the fact that the current and time adjustments of this protection do notdepend on the load current value, so it can have lower values. The two protections can be used in these ways: • the maximal current protection PMCT for perceiving

of the three phase faults; • the zero-sequence current protection PHAL for per-

ceiving of the double-grounding faults.

3.3. The electrical scheme of the BHAW-1 block – the description of the constitutive components

The electrical scheme of the BHAW-1 block includes the following modules: the directional protection module MD-1; the zero-sequence current protection module RAT-1,the optical signals module MSO-2; the load module MS (Fig.1).

The directional relay is achieved with a microprocessorthat allows the achievement of the high sensitiveness. The inner relay angle can be adjusted thickly and finely. The time relay is achieved with the same microprocessor. The zero-sequence current protection module contains thezero-sequence current measurement circuit, a time relay for time-delay adjustment and the commissioning circuit. The signals module shows the state of the digital block with some signal lamps.

4. Measurements in the real 20 kV medium-voltage

network with a resonant earthed neutral system To verify the working of the conceived and achieved

protection blocks, a special experimental site was equiped in the 110/20 kV electrical substation IUM from Tg. Jiu.

To watch the behavior of the relay protections from the 110/20 kV IUM Tg. Jiu, a digital perturbograph devicewas mounted that allows the events recording of thefollowing faults: • selfextincting single-grounding faults; • single or double-grounding faults, transient or persistent;• three phase faults.

The 6th International Power Systems Conference 594

Fig.

1 S

chem

a bl

oc B

HAW

03-04.11.2003, Timişoara, Romania 595

Pentru înregistrarea tensiunilor şi curenţilor se utilizeazăun osciloperturbograf tip CDR(Compact DisturbanceRecorder) producţie TELECOMM SRL.

In order to record the voltages and currents it is used an oscilopertubograph type CDR (Compact Disturbance Recorder) made by TELECOMM SRL.

5. Schemă utilizată pe durata probelor

Datorită riscurilor la care s-ar expune reţeaua de 20 kVîn cazul unui defect de tipul dublă punere la pământ în sectorul experimental s-au provocat doar defecte de tipul simplă punere la pământ. Aceste defecte s-au provocat pe linia 20 kV Iepuri la stâlpul nr. 1 (Fig. 2).

Simpla punere la pământ s-a provocat prin legarea fa-zei S printr-un scurtcircuitor la priza de pământ a stâlpului Rt = 3,5 Ω (valoarea rezistenţei de dispersie a prizei de pământ aferente stâlpului la care s-a provocat defectul). Pentru celelalte două variante s-au înseriat cu rezistenţa prizei de pământ a stâlpului o rezistenţă de 1.000 Ω , res-pectiv de 5.000 Ω.

5. Scheme used during the tests Because of the risks for the 20 kV network in case of

an double-grounding fault, in the experimental site have been brought about only single-grounding type faults. These faults have been brought about on 20 kV line Iepuri at pillarnumber 1 (Fig.2).

The single-grounding fault has been brought about by binding the S phase to the grounding Rt = 3,5 Ω (the value of the grounding resistance of the pillar wher the fault wasmade) through an short-circuiting device. For the others two alternatives resistances were added to the grounding resistance, one resistence had 1000 Ω the other resistance had 5000 Ω.

Fig. 2. Proba pentru schema de scurtcircuit Fig. 2. The experiment fort the short-circuit scheme

Măsurătorile efectuate cu noile blocuri de protecţie sunt prezentate sub formă de oscilograme. Fig. 3 prezintă o oscilogramă obţinută pentru cazul când simpla punere la pă-mânt s-a realizat printr-o rezistenţă de trecere (Rtr = 1000 Ω).

The measurements done by means of the new protection blocks are shown as oscilograms. The figure number 3 shows an oscilogram got for the case that the single-ground-ing fault was realized by a resistance (Rtr = 1000 Ω).

Fig. 3. Oscilograme obţinute la probe in staţia 110/20 kV IUM Tg.Jiu

Fig. 3. Recordings got for the experiments in 110/20 kV substation IUM Tg.Jiu

The 6th International Power Systems Conference 596

Temporizarea transmiterii comenzii de declanşare pentruRtr = 5 kΩ în cazul considerării mărimilor sinusoidale se datorează modificării defazajului între tensiunea homopolarăşi curentul de defect.

Din analiza măsurătorilor experimentale efectuate re-zultă: • protecţiile prin relee împotriva simplei puneri la pă-

mânt trebuie temporizate pentru a preveni declanşarea liniilor de 20kV în cazul defectelor autostingătoare;

• necesitatea realizării unei protecţii sensibile: • protecţia homopolară de curent (necesară pentru

realizarea protecţiei sensibile, sigure şi rapide la dubla punere la pământ);

• protecţia homopolară direcţionată cu controlul tensiunii homopolare (necesară pentru realizarea protecţiei sensi-bile, sigure şi rapide la simpla punere la pământ). Din analiza oscilogramelor se constată următoarele:

• la toate probele de simplă punere la pământ prin rezis-tenţă de trecere mare, durata transmiterii comenzii de declanşare prin protecţia PDWL a rămas neschimbată. Se are în vedere că la protecţiile direcţionale clasice apare o creştere pronunţată a timpului de declanşare în funcţie de valoarea rezistenţei de trecere de la locul de simplă punere la pământ;

• la toate probele de simplă punere la pământ prin rezis-tenţa de trecere mare curentul de defect nu-şi păs-trează forma sinusoidală din cauza amorsării arcului electric la locul de defect şi structurii reţelei;

• Se observă funcţionarea sigură şi selectivă a protecţiei nou concepute cu timp de reacţie de 140 ms. Această func-ţionare se înregistrează la toate valorile de rezistenţă de arc simulate. Defectul este eliminat rapid reţeaua nefiind supusă la supratensiuni de durată.

The time-delay adjusting of the transmission for the tripping command for Rtr = 5 kΩ in the case that sinusoidalvalues are taking into the consideration is due to the dif-ference between the zero-sequence voltage angle and the fault current angle.

From the analysis of the experimental measurements done it results: • the protections by relays against the single-grounding

fault must have a time-delay to prevent the 20 kV OHL tripping in case of selfextinctig faults;

• the necessity to achieve a sensitive protection: • the zero-sequence current protection (necessary to

achieve a sensitive, reliable and fast protection against the double-grounding fault);

• the zero-sequence directional protection with the zero-sequence voltage control (necessary to achieve a sensi-tive, reliable and fast protection against the single-ground-ing fault). From the oscilogramm analysis it comes out that:

• for all single-grounding fault tests through a large resistance, the duration of the tripping commandtransmision throught the PDWL protection remained unchanged. It is taking into account that for the clasicaldirectional protections it appears a significant increse of the tripping time versus the resistance in the single-grounding point;

• for all single-grounding fault tests through a largeresistance, the fault current does not keep his sinusoidalshape because of the electrical arc in the fault point and the network structure. It comes out that the reliableand selective working of the new achieved protection with a 140 ms action time. This behavior is recorded for all arc resistance values that were simulated. The fault is quickly eliminated and the network is not subjectfor lasting overvoltages.

Bibliografie (References) 1. Haţegan I.D., Toader D., Pinte N., Hristea V.; - Contribuţii la concepţia protecţiei prin relee pentru semnalizarea punerilor simple

la pământ în reţele electrice de 20 kV - Simpozion SIG 2003 ORADEA 2. Toader D, Hărăguş Şt., Haţegan I.D.; - Analysis of a double grounding fault in a 20 kV network having the neutral point

grounding with a compensation reactor. Buletin ştiinţific Universitatea Politehnică Timişoara, 2001,p 415. 3. Toader D, Hărăguş Şt.,Haţegan I.D.;Bloc digital de tensiune homopolară BHT-10.a pentru protecţia reţelelor de medie tensiune cu

neutrul izolat Buletinul ştiinţific al Universităţii Politehnica din Timişoara,SeriaEnergetică,2003,p. 501 4. Toader D., Hărăguş Şt. Analysis of multiple faults in three-phase networks. Revue Roumen des sciences techniques. Serie

Electrotechnique et energetique, Tome 48, nr. 2-3, 2003, p.291. 5. Toader D., Haţegan I.D., Diaconu I., Ruşeţ P., Contribuţii la creşterea siguranţei în alimentarea consumatorilor din reţelele de

medie tensiune cu neutrul tratat prin bobină de stingere prin optimizarea protecţiilor Simpozion siguranţă SIG 2005 SINAIA