Důležitost k-faktorů
Ochranná relé jsou potřebná k ochraně silnoproudého kabelu nebo vrchního vedení. Pokud na vedení dojde k poruše, např. k průrazu, musí být porucha odstraněna bezpečně, selektivně a rychle. Selektivně znamená, že se vypne pouze vedení, na kterém je zjištěna porucha, čímž se minimalizuje výpadek proudu.

Existují dvě základní metody, jak dosáhnout selektivního vypnutí na silnoproudých vedeních - jsou to diferenciální ochrana a distanční ochrana. Diferenciální ochrana je často považována za lepší řešení, avšak je závislá na dostupnosti bezpečného komunikačního kanálu, protože relé na každém konci vedení spolu musí komunikovat. Kromě toho diferenciální ochrana neposkytuje záložní ochranu. Tento příspěvek se dále touto metodou nezabývá. Z důvodu nákladů a kvůli chybějící záložní ochraně se na většině silnoproudých vedení používají distanční ochranná relé, která s pomocí moderních komunikací zajišťují rovněž selektivní vypnutí poruch na vedeních.

Jedním z nejdůležitějších parametrů nastavení distančního ochranného relé je sousledná impedance, která vychází z předpokladu, že venkovní vedení je plně křížené (souměrné). V praxi tomu tak vždy není a tím vznikají menší chyby v měření distančních relé, se kterými je nutné počítat. Sousledná impedance je polovinou komplexní impedance mezifázových smyček.

Impedanční smyčka mezi dvěma fázemi

Když dojde k poruše, distanční relé na obou koncích změří impedanci. Je-li impedance (standardně) pod úrovní 80% nebo 90% impedance vedení, relé co nejrychleji vypne vývod vedení (zóna 1), protože je zřejmé, že porucha je na tomto konkrétním úseku vedení. Je-li impedance vyšší, relé vypne vývod po určité prodlevě (≥ zóna 2), aby poskytlo jinému relé, které může být blíže poruše, možnost vypnutí.

Impedance smyčky fáze k zemi se liší od impedance mezifázové smyčky. Z důvodů odlišnosti impedancí obou typů smyček faktor v relé vyjadřuje podíl zpětné zemní cesty a sousledné impedance vedení. Tento faktor se nazývá porovnávací faktor zemní impedance, zbytkový kompenzační faktor nebo prostě k-faktor.

Impedanční smyčka u poruchy jedné fáze k zemi

Jsou-li relé nastavena správně, spotřebič, který je napájen ze dvou zdrojů, dále dostává energii ze zdravého vedení, pokud dojde k vypnutí druhého vedení.

Relé s optimálním dosahem zóny 1

Nejsou-li impedance nebo k-faktory relé nastaveny správně, může dojít k přesahu nebo nedostatečnému dosahu zóny.

Relé s přesahem zóny 1

V předcházejícím příkladě detekují poruchu tři relé namísto dvou v zóně 1 a vypnou vývod. Způsobí to odpojení druhého silnoproudého vedení a dojde ke zbytečnému výpadku proudu pro spotřebič. Kromě problémů, že spotřebiče nemají proud, se v důsledku těchto falešných rozpojení značně zvyšuje riziko ztráty stability systému.

Případová studie
V červnu 2004 provedl německý elektrárenský podnik experiment k porovnání výsledků měření impedance vedení a hodnot distančního ochranného relé po simulaci skutečné poruchy. Podnik vlastní obecní síť 20kV, která má nízkoohmové uzlové uzemnění k omezení zkratového proudu poruch uzemnění do 2kA.

8. června 2004 byly provedeny dva zkratové pokusy. V jednom byla simulována porucha souběžných tří fází k zemi zkratováním všech tří fází k zemi na jednom konci kabelu. Potom byl kabel zapnut přes několik dalších kabelů, aby se snížil poruchový proud, a přes samostatný transformátor nepřipojený ke zbytku sítě 20kV. Poruchový proud byl asi 9kA a distanční ochranné relé na vedení vypnulo v zóně 1 podle očekávání.

Následně byla simulována porucha jedné fáze k zemi připojením pouze jedné fáze k zemi. Relé opět ihned vypnulo.

Ve stejný den bylo provedeno měření impedance vedení pomocí zařízení s proměnným kmitočtem. Napájecí proud byl asi 0,2% třífázového zkratového proudu.

Existovaly obavy, protože část kabelu měla ocelové stínění a zdálo se možné, že se objeví nelineární účinky, pokud by došlo k magnetickému sycení. Avšak analýza ukázala, že výsledky simulované poruchy a měření impedance vedení se shodovaly v rozsahu dvou procent.

Podnik byl s výsledkem velmi spokojen a rozhodl se provést měření na všech svých kabelových instalacích. Dosud bylo změřeno asi 50% z jejich 400 kabelů a příslušně se upravují nastavení relé.

Závěr
Dnes jsou náklady a úsilí požadované pro měření k-faktorů pouhým zlomkem toho, jaké bývaly dříve. Měření ukázala, že z několika důvodů výpočty založené na neověřených datech dávaly často chybné výsledky. Proto bude v budoucnu preferováno použití výpočtů založených na skutečných měřeních vedení.

Bezpečné, selektivní a rychlé odstranění poruchy je možné pouze v případě, že jsou všechny parametry relé nastaveny správně. Správné hodnoty impedance vedení a k-faktor jsou pro plně funkční distanční ochranné relé maximálně důležité.

Ulrich KLAPPER, Lothar FICKERT

Celý článek si můžete přečíst v časopise Energetika (3/2009)