Urządzenie zabezpieczeniowo-sterownicze do automatyzacji punktów rozłącznikowych sieci SN
Informacje ogólne
Podstawową przyczyną braku zasilania odbiorców w energię elektryczną są zakłócenia w pracy sieci średniego napięcia. Dlatego znaczna część inwestycji w energetyce dotyczy właśnie tych sieci. Polegają one na stosowaniu różnego typu łączników sterowanych radiem. Eliminacja uszkodzonego odcinka linii dokonywana jest przeważnie ręcznie. W bardziej rozbudowanych instalacjach operator eliminujący uszkodzony odcinek, dostaje z poszczególnych punktów rozłącznikowych sieci informację o rozpływie prądów zwarciowych.
Od kilku lat w Zakładzie Energetycznym Białystok w stacji Gródek jest testowana eksperymentalna instalacja słupowych rozłączników wyposażona w urządzenie typu RODŁ, które zawiera zabezpieczenia i pełną automatykę odłączania uszkodzonych odcinków linii w czasie przerwy drugiego cyklu SPZ. Przedmiotem powyższego eksperymentu są dwie niezależne sprawy.
Jedną część eksperymentu stanowi testowanie zabezpieczeń stałoprądowych. Temu zagadnieniu nie będziemy poświęcali więcej uwagi, bo nie ma klimatu do jego wdrażania.
Drugą część eksperymentu stanowi automatyka otwierania, w przerwie drugiego cyklu SPZ, łączników instalowanych w głębi sieci. W stacji Gródek zastosowana automatyka wykonana jest w technice analogowej. Do oceny poprawności jej działania niezbędna jest analiza raportów ruchowych z RDR-ów. Wyszukanie odpowiednich komunikatów w takich raportach jest bardzo uciążliwe. Dlatego zauważyliśmy potrzebę unowocześnienia zabezpieczenia i automatyki, tak aby raporty niezbędne do oceny poprawności nastawienia zabezpieczeń i działania automatyki były zapisane w odpowiednim rejestratorze wewnątrz zabezpieczenia. Można to wykonać jedynie w technice cyfrowej.
W związku nawiązaniem współpracy z Zakładem Doświadczalnym Instytutu Energetyki w Białymstoku, który jest znanym producentem rozłączników słupowych, Laboratorium Automatyki i Zabezpieczeń zintensyfikowało prace nad zmodernizowaną cyfrową wersją tego urządzenia, nazwa po modernizacji zmieniła się na MiROD (mikroprocesorowy przekaźnik odłącznikowy). Oprócz funkcji zabezpieczeniowych realizowane są w nim również funkcje związane z przygotowaniem sygnałów do transmisji radowej oraz sterownicze.
Budowa i zasada działania
Urządzenie zabezpieczejąco-sterownicze do automatyzacji punktów rozłącznikowych typu MiROD jest wykonane w technice cyfrowej. Z jednej strony współpracuje z radiowymi urządzeniami odbierając lub nadając zakodowane sygnały z drugiej strony steruje rozłącznikiem słupowym i kontroluje jego stan. Informacja o prądach pozyskiwana jest z małogabarytowych napowietrznych przekładników prądowych. Celem stosowania urządzenia MiROD jest skrócenie czasu eliminacji uszkodzonego odcinka sieci. Dodatkowo uzyskuje się nowe funkcje pomiarowe umożliwiające poprawę zasilania odbiorców.
Zasada działania polega na tym, że urządzenie po stwierdzeniu istnienia zwarcia za punktem rozłącznikowym, zapamiętuje ten fakt i czeka na działanie automatyki SPZ. Wyłączenie następuje w drugiej lub trzeciej przerwie SPZ w zależności od strefy lokalizacji punktu rozłącznikowego. Istnienie zwarcia w zabezpieczanym odcinku sieci stwierdzają następujące zabezpieczenia: nadprądowe bezzwłoczne, nadprądowe zwłoczne, nadprądowe ziemnozwarciowe. Zabezpieczenie nadprądowe blokady otwierania rozłącznika pilnuje, aby nie otworzyć rozłącznika z nadmiernym prądem. Jeśli zablokujemy funkcje automatycznego otwierania rozłącznika, to urządzenie pełni funkcję sygnalizatora przepływu prądu zwarciowego.
Wychodząc na przeciw istniejącemu zapotrzebowaniu, Instytut Energetyki oferuje opisany poniżej zestaw urządzeń, który w powiązaniu ze stosowanymi aktualnie odłącznikami (rozłącznikami) słupowymi z napędem elektrycznym i sterowaniem radiowym, zapewnia pełną automatyzację dowolnej sieci napowietrznej SN.
Rola łączności radiowej nie zmieniła się w zakresie sterowania manewrowego, w zakresie przekazywania pomiarów i raportów wzrasta, a w procesie eliminacji uszkodzonego odcinka linii łączność nie bierze udziału. Maleje w związku z tym wymaganie, co do szybkości transmisji.
Rozkazy przekazywane radiem z RDR do MiROD:
- sygnał załącz - wyłącz,
- sygnał blokowania automatyki samoczynnego otwierania rozłącznika, jest to potrzebne przy nieprzewidzianej zmianie konfiguracji sieci, urządzenie pełni wtedy funkcję sygnalizatora przepływu prądu zwarciowego,
- wybór banku nastaw, jest to potrzebne przy zmianie konfiguracji sieci,
- kasowanie sygnalizacji zadziałania zabezpieczeń, w przypadku działania zabezpieczeń nadmiarowo-pradowych sygnał "załącz" jest blokowany, kasując sygnalizację zdejmujemy również tą blokadę
Funkcje spełniane przez MiROD w punkcie rozłącznikowym:
- odbiera i wykonuje rozkazy przekazywane drogą radiową,
- monitoruje pracę rozłącznika, wszystkie informacje dotyczące stanu rozłącznika dostępne są lokalnie i w RDR,
- realizuje funkcję automatycznego wyłączenia uszkodzonego odcinka linii, identyfikacja uszkodzenia dokonuje się na podstawie działania zabezpieczeń,
- w przypadku zablokowania funkcji automatycznego eliminowania uszkodzonego odcinka linii pełni funkcję sygnalizatora przepływu prądów zwarciowych,
- udostępnia bieżącą informację o wartości i symetrii prądów,(znaczna zmiana obciążenia lub brak symetrii prądów świadczy o uszkodzeniach transformatorów 15/04kV w danym odgałęzieniu sieci, jest to szczególnie istotne w okresach burzowych);
- zapisuje wszystkie najważniejsze zdarzenia, powyższe informacje będą dostępne również w RDR pod warunkiem uzgodnienia protokołów transmisji.
Napowietrzne przekładniki prądowe
Każdy punkt rozłącznikowy wyposażany jest w napowietrzne, rdzeniowe przekładniki prądowe. Część wysokonapięciowa przekładników wykonana jest w oparciu o dwie głowice kablowe. Technologia wykonania jest zgodna z zaleceniami producenta głowic. Część niskonapięciowa umieszczana jest w środkowej części pomiędzy głowicami. Osłona przekładnika wykonana jest z ABS-u lub stali nierdzewnej. Dodatkowy wspornik w części środkowej stanowi uziemienie przekładnika oraz umożliwia sprowadzenie przewodów prądowych na konstrukcję słupa. Przekładnik montuje się jako mostek pomiędzy rozłącznikiem, a linią.
Układ pracuje najlepiej, jeśli przekładnia zwojowa przekładników wynosi co najmniej 400. Ponieważ zabezpieczenie ziemnozwarciowe korzysta z układu Holmgreena, przekładniki muszą zachowywać wysoką klasę, zwłaszcza poniżej nastawień zabezpieczeń zwarciowych (praktycznie do 500 A prądu pierwotnego). Zabezpieczenia zwarciowe blokują zabezpieczenie ziemnozwarciowe, dlatego przy większych prądach uchyb przekładników nie spowoduje działania zabezpieczeń ziemnozwarciowych.
Skrzynka przyłączeniowa przekładników wyposażona jest w elektroniczne zwieracze, dzięki temu, na ruchu, można wyjmować łącza doprowadzające prąd do MiROD. Ułatwia to serwisowanie urządzenia.
Zasada działania zabezpieczeń ziemnozwarciowych
W sieci SN do zabezpieczenia linii wychodzących z GPZ stosuje się zabezpieczenia ziemnozwarciowe prądowe, kierunkowe i admitancyjne. Wybór odpowiednich zabezpieczeń jest rzeczą ważną, gdyż tylko właściwe zabezpieczenie zapewnia selektywne eliminowania zwarcia.
W przekaźniku MiROD zabezpieczenie ziemnozwarciowe działa na zasadzie prądowej. Zastosowanie w rozłącznikach słupowych do lokalizowania zwarć z ziemią zabezpieczeń prądowych jest możliwe dlatego, że zabezpieczane są małe odcinki sieci (zaledwie część linii) Udział własny tych odcinków w stosunku do prądu ziemnozwarciowego całej sieci lub do prądu wymuszanego przez automatykę AWSCz jest mały. Za jednym rozłącznikiem wyposażonym w takie zabezpieczenie nie powinna znajdować się sieć napowietrzna dłuższa od 30 km. Udział własny takiej sieci nie przekracza wtedy 1 A, podczas gdy wymuszana składowa czynna ma przeważnie wartość kilkunastu amperów. Można postawić następującą tezę:, jeśli są warunki do działania zabezpieczeń kierunkowych i admitancyjnych zainstalowanych w GPZ-cie, to zazwyczaj są również warunki do działania zabezpieczeń prądowych znajdujących się w głębi sieci. Nie zależy to od tego czy sieć jest kompensowana, izolowana, czy uziemiona przez rezystor.
Składowa zerowa prądu pozyskiwana jest z filtru Holmgreena. Dokładność filtru pozwala na uzyskanie nastawień zabezpieczenia ziemnozwarciowego na poziomie 1% prądów fazowych.
Zasada działania automatyki
Do prawidłowego eliminowania uszkodzonych odcinków sieci niezbędna jest czynna automatyka SPZ w stacji zasilającej, a łącznik słupowy nie musi być przystosowany do przerywania prądów zwarciowych. Brak łączności radiowej lub zakłócenia w transmisji radiowej nie wpływają na eliminację uszkodzonego odcinka linii.
Przy wystąpieniu zwarcia, zabezpieczenie w stacji zasilającej powoduje otwarcie wyłącznika i uruchomienie automatyki SPZ. Następują kolejne próby załączenia linii. Jeśli miejsce zwarcia znajduje się za rozłącznikiem słupowym, to równocześnie z działaniem zabezpieczeń w stacji zasilającej będą działały zabezpieczenia w urządzeniu MiROD. Nad prawidłową realizacją procesu wyłączania uszkodzonego odcinka linii czuwa układ zliczający cykle SPZ-tu oraz blokada prądowa uniemożliwiająca otwarcie prądu zwarciowego rozłącznikiem.
Zadaniem układu zliczającego zadziałania zabezpieczeń jest zapamiętanie kolejnych zadziałań zabezpieczeń i w zależności od ustawienia, "po drugim" lub po "trzecim cyklu" SPZ-tu, sformowanie impulsu na otwarcie łącznika w przerwie bezprądowej. Po zaliczeniu każdego zadziałania odmierzany jest czas oczekiwania. Jeśli w tym czasie nie nastąpi kolejne zadziałanie, to układ zliczania zadziałań wykasowuje się i wraca do stanu wyjściowego.
Jeśli łączniki pracują w kaskadzie, rys. 1, to dla zachowania selektywności działania, łączniki zainstalowany najdalej od GPZ-tu (oznaczone literą C) powinny być wyłączane w drugim cyklu SPZ-tu, natomiast znajdujące się bliżej GPZ-tu (oznaczone literą B) -w trzecim cyklu. Łączniki oznaczone literą A powinny mieć zablokowaną automatykę, a urządzenie MiROD będzie pełniło wtedy rolę sygnalizatora przepływu prądu zwarciowego. Możliwe jest również dalsze zwiększanie liczby cykli SPZ-tu, co umożliwiłoby automatyczne otwarcie łączników umieszczonych w strefie A. Zwarcia powstałe w rozgałęzieniach sieci za łącznikami C eliminowane są po pierwszym cyklu SPZ, utracona zostaje możliwość zgaszenia łuku w drugim cyklu.
Przewidziany jest jeszcze jeden rodzaj pracy umożliwiający automatyczne otwarcie łączników w strefie A i to bez zwiększania liczby cykli SPZ-tu. Wymagane są wtedy łączniki pozwalające na przerywanie prądów obciążeniowych. Dotyczy to tylko eliminowania zwarć doziemnych. Zwarcia eliminowane są wtedy na zasadzie stopniowania czasowego. Wymaga to oczywiście korekty nastawień zabezpieczeń w GPZ-cie. Blokada prądowa otwierania rozłącznika zostaje przestawiona wtedy na odpowiednio wyższy poziom.
Ten tryb działania nadaje się do sieci uziemionych przez rezystor, w których są dobre warunki do działania zabezpieczeń ziemnozwarciowych.
Obsługa
Obsługę urządzenia MiROD można realizować z komputera typu PC poprzez port komunikacyjny RS232/RS485 lub poprzez wykorzystanie łączności radiowej (wbudowany do MiROD i do komputera PC odbiornik/nadajnik małej mocy), dzięki której skrzynka z urządzeniami może być instalowana w niedostępnym miejscu, a pomimo to istnieje możliwość porozumiewania się z zabezpieczeniem z odległości do 200 metrów, również z samochodu.
Bogate wyposażenie urządzenia MiROD w sygnalizację, pomiary i rejestrację ma na celu ułatwienie uruchamiania i eksploatacji urządzenia. Układ pomiarowy pozwala ocenić sprawność wejściowych torów pomiarowych. Rejestratory zdarzeń i zakłóceń pozwalają wyjaśnić, czy ewentualne wyłączenie spowodowane było działaniem zabezpieczeń, czy dokonało się z powodu np. zakłóceń w sterowaniu. Zebrane rejestracje pozwalają również optymalizować nastawienia. Wymienione informacje są zbierane w punkcie przekaźnikowym, a do RDR będą przekazane na życzenie, tak by nie ulegały rozproszeniu.
Pomiary
W celu zapewnienia lepszego monitorowania zabezpieczanego odcinka sieci MiROD oferuje bieżący podgląd mierzonych prądów fazowych, asymetrii prądowej oraz prądu zerowego. Mamy również dostępny podgląd aktualnego stanu licznika pobudzeń, jest to przydatne głównie w czasie badania zabezpieczeń. Asymetria prądowa ułatwia wykrywanie zerwanych przewodów. Po uzgodnieniu protokołów transmisji pomiary te mogą być przekazywane łączem RS485 do RDR.
Podstawowe funkcje pomiarowo-kontrolne urządzenia MiROD to:
- identyfikacja stanu rozłącznika,
- identyfikacja stanu rozłącznika,
- monitorowanie stanu przełącznika - sterowanie zdalne/lokalne,
- kontrola mechanicznej blokady napędu,
- kontrola użycia korby,
- kontrola otwarcia skrzynki napędu/sterowania,
- sygnalizowanie uszkodzenia w układzie identyfikacji stanu rozłącznika,
- kontrola stanu naładowania akumulatora,
- sterowanie wentylacją i ogrzewaniem.
Rejestrator zdarzeń
Przekaźnik zapisuje 128 ostatnich zdarzeń związanych zarówno z pobudzeniem i działaniem zabezpieczeń, czynnościami związanymi z obsługą, wyłączeniem linii oraz stanem awaryjnym (uszkodzeniem przekaźnika). Po wypełnieniu wewnętrznej pamięci kolejne zdarzenia są nadpisywane na starsze.
Rejestrator zakłóceń
Wbudowany rejestrator zakłóceń pozwala zapamiętać dwudzieścia zdarzeń, wielkość okna pomiarowego wynosi dwie sekundy.
Sygnalizacja
Przekaźnik jest wyposażony w układ sygnalizacji:
- praca - świecąca się dioda zielona oznacza prawidłową pracę zabezpieczenia, miganie diody zielonej oznacza wystąpienie uszkodzenia,
- wyłacz - dioda czerwona oznacza wysłanie impulsu na wyłączenie.od zabezpieczeń,
- sygnalizacja działania zabezpieczenia prądowego od zwarć doziemnych,
- sygnalizacja działania zabezpieczeń prądowych od zwarć międzyfazowych,
- sygnalizacja stanu łącznika otwrty/zamnknięty.
Opisana sygnalizacja ułatwia uruchamianie i sprawdzanie zabezpieczeń.
Wnioski
- Trwający wieloletni eksperyment z automatyką samoczynnego wyłączania zwarć w głębi sieci SN w bezprądowych przerwach cyklu SPZ wskazuje, na poprawność tej idei.
- Zastosowanie w głębi sieci SN zabezpieczeń nadmiarowo-prądowych zwłocznych od zwarć doziemnych zasilanych z układu Holmgreena w sieciach kompensowanych z wymuszaniem składowej czynnej oraz w sieciach uziemionych przez rezystor, jest uzasadnione.
- Zastosowanie w głębi sieci mikroprocesorowych zabezpieczeń wpływa na to, że uruchamianie i badania instalacji jest łatwiejsze, a analiza awarii i diagnostyka urządzeń jest dużo prostsza.
Literatura
- Juliusz Wróblewski, Selektywne stałoprądowe zabezpieczenia ziemnozwarciowe skompensowanych sieci średnich napięć, Automatyka Elektroenergetyczna 4/1996.
- Prezentacja zasady działania automatyki punktów rozłącznikowych w głębi sieci SN
Informacje dodatkowe - publikacje