Rozdzielnice SN w inteligentnych sieciach (smart grids)
W artykule omówione zostały wybrane elementy inteligentnych sieci elektroenergetycznych: rozdzielnice średniego napięcia oraz reklozery. Zwrócono uwagę na poprawne nazewnictwo oraz elementy zapewniające bezpieczeństwo w czasie eksploatacji sieci inteligen
Rys. redakcja EI
Jednym z podstawowych elementów każdej sieci
dystrybucyjnej lub zasilającej są rozdzielnice średniego napięcia. Najczęściej,
ze względów praktycznych (bezpieczeństwo, ilość zajmowanej przestrzeni)
rozdzielnie SN wykonywane są jako wnętrzowe. Ze względu na różnorodność
producentów i aparatury wykorzystywanej do ich budowy mogą się one od
siebie znacznie różnić. Niezmiennym jednak pozostaje ich przeznaczenie,
i nadal służą do łączenia i rozdziału obwodów elektrycznych, bardzo
często w połączeniu z pomiarem wybranych wielkości elektrycznych.
Zobacz także
Farnell Projekty w trudnych warunkach przemysłowych
Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe...
Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe tylko wtedy, gdy wszystkie komponenty przetrwają w trudnym środowisku. Systemy muszą wytrzymywać gorące, wilgotne i trudne warunki oraz niszczące pola elektryczne i magnetyczne. Specyficzne warunki środowiskowe, w których produkt jest używany, wpływają na jego specyfikacje. Takie specyfikacje należy...
dr inż. Karol Kuczyński Ograniczenie strat w transformatorach rozdzielczych – co możemy jeszcze zrobić?
Straty w sieci energetycznej różnią się znacznie w poszczególnych krajach na całym świecie. Liczby wahają się od mniej niż 4% do ponad 20%. W większości krajów daje to możliwość znacznych oszczędności....
Straty w sieci energetycznej różnią się znacznie w poszczególnych krajach na całym świecie. Liczby wahają się od mniej niż 4% do ponad 20%. W większości krajów daje to możliwość znacznych oszczędności. Transformatory rozdzielcze są wykorzystywane do przekształcania energii elektrycznej ze średniego napięcia – poziomu, na którym energia jest przesyłana lokalnie i dostarczana do wielu odbiorców przemysłowych – do poziomu niskiego napięcia – zazwyczaj wykorzystywanego przez konsumentów indywidualnych...
dr inż. Waldemar Chmielak Opatentowana metoda ultraszybkiego wykrywania zwarć w liniach SN z wykorzystaniem fal wielokrotnie odbitych
Dystrybucja energii elektrycznej realizowana jest w wielu przypadkach rozległymi i rozproszonymi liniami napowietrznymi wysokiego i średniego napięcia. Dość powszechne w tego typu liniach zasilających...
Dystrybucja energii elektrycznej realizowana jest w wielu przypadkach rozległymi i rozproszonymi liniami napowietrznymi wysokiego i średniego napięcia. Dość powszechne w tego typu liniach zasilających są zwarcia doziemne, które – z uwagi na stosunkowo niską wartość prądów zwarciowych, wynikającą zarówno z izolowanego punktu neutralnego sieci średnich napięć oraz często wysokich rezystancji zwarcia – mogą trwać względnie długo.
W artykule:• Bezpieczeństwo eksploatacji rozdzielnic SN• Sieci inteligentne • Reklozery |
Budowa i wyposażenie rozdzielnic są podstawowymi czynnikami determinującymi powstawanie sieci inteligentnych.
Podstawowe definicje
Smart grids – inteligentne sieci elektroenergetyczne, w których istnieje komunikacja pomiędzy wszystkimi uczestnikami rynku energii, mająca na celu dostarczanie usług elektroenergetycznych na odpowiednim poziomie, zapewniając przy tym obniżenie kosztów i zwiększenie efektywności oraz zintegrowanie rozproszonych źródeł energii, w tym także energii odnawialnej.
Rozdzielnia SN – wyodrębniona część stacji elektroenergetycznej, obejmująca wydzielone pomieszczenie (kilka pomieszczeń) lub teren, gdzie znajduje się zespół urządzeń rozdzielczych SN, umożliwiających dokonywanie czynności łączeniowych, tworzących funkcjonalną całość.
Rozdzielnica – zespół urządzeń elektrycznych składający się z przyrządów rozdzielczych, zabezpieczeniowych, pomiarowych, sterowniczych i sygnalizacyjnych wraz z elementami przewodowymi, izolacyjnymi i wsporczymi, tworzący układ elektryczny zdolny do rozdziału energii elektrycznej.
Pole rozdzielnicy – wydzielona funkcjonalnie i najczęściej konstrukcyjnie część rozdzielnicy elektrycznej przeznaczona do realizacji określonego zadania. Wyróżnia się głównie pola:
- liniowe zasilające,
- liniowe odbiorcze,
- pomiarowe,
- transformatorowe,
- potrzeb własnych,
- sprzęgłowe.
Reklozer – wyłącznik samoczynny (mogący wyłączać uszkodzony odcinek linii SN bez udziału dyspozytora) stosowany najczęściej w napowietrznych sieciach elektroenergetycznych średniego napięcia.
Napięcie międzyfazowe (potocznie: napięcie przewodowe, międzyprzewodowe lub liniowe) – wartość skuteczna napięcia elektrycznego pomiędzy dwoma wybranymi przewodami fazowymi w układzie trójfazowym.
Napięcie fazowe – wartość skuteczna napięcia pomiędzy wybranym przewodem fazowym a przewodem neutralnym lub ziemią.
Bezpieczeństwo eksploatacji rozdzielnic SN
Produkowane obecnie rozdzielnice średniego napięcia mają coraz mniejsze gabaryty, co wymusza stosowanie odpowiednich środków ochrony zapewniających nie tylko bezpieczeństwo podczas normalnej eksploatacji, ale również ochronę przed dynamicznym i cieplnym oddziaływaniem prądów zwarciowych.
Zapewnienie bezpieczeństwa użytkownikom oraz ograniczenie możliwości pomyłek łączeniowych zapewnia się przede wszystkim poprzez zastosowanie zwartych obudów, oraz stosowanie blokad uniemożliwiających otwarcie drzwi rozdzielnicy gdy jest ona pod napięciem czy też wykonywanie łączeń w niewłaściwej kolejności.
Niestety, żadne zabezpieczenia nie są w stanie zapewnić stuprocentowej ochrony i uwolnić operatora od myślenia i odpowiedzialności. Stanowią one kompromis pomiędzy poziomem bezpieczeństwa a nakładami finansowymi, jakie należy ponieść w celu uzyskania wymaganego poziomu ochrony.
Podczas wyłączania prądów roboczych i zwarciowych występują w polu rozdzielnicy zarówno duże siły dynamiczne (pochodzące od prądów zwarciowych), jak również wysoka temperatura, będąca skutkiem palącego się łuku elektrycznego. Dlatego w budowie rozdzielnic SN na szczególną uwagę zasługują elementy zapewniające dekompresję gazów powstających w czasie zwarcia, przy zachowaniu odpowiedniego stopnia ochrony zapewnianej przez obudowy (kodu IP), który umożliwi pracę rozdzielnicy w określonych warunkach środowiskowych (temperatura, wilgotność, zapylenie). Kable do rozdzielnicy podłączane są coraz częściej poprzez głowice konektorowe łączone na wcisk z izolatorem przepustowym [4].
W celu ograniczenia skutków wyłączania prądów zwarciowych w rozdzielnicach SN bardzo często w tylnej ścianie pól stosowane są otwory dekompresyjne. W razie potrzeby otwierają się one i kierują nadmiar gazów pod ciśnieniem poza rozdzielnicę.
Ryzyko uszkodzenia ciała obsługujących rozdzielnice, w przypadku wystąpienia na łączniku łuku wewnętrznego, można zminimalizować również poprzez wyposażenie pól w kanały wydmuchowe i filtry. Wówczas w tylnej ścianie każdego pola wycina się najczęściej dwa otwory dekompresyjne zamknięte klapami wydmuchowymi.
Górny otwór dekompresyjny przeznaczony jest dla przedziału szyn zbiorczych i rozłącznika, a dolny – dla wyłącznika i przedziału kablowego.
Innym rozwiązaniem zastosowania klap wydmuchowych jest umieszczenie ich na górze rozdzielnicy, dzięki czemu gazy powstałe podczas palenia się łuku elektrycznego wyrzucane są w kierunku sufitu. Jednakże przy tym rozwiązaniu konieczne jest uzyskanie odpowiedniej przestrzeni nad rozdzielnicą (nie mniejszej niż ta zalecana przez producenta rozdzielnicy).
W praktyce można sprecyzować następujące podstawowe wymagania stawiane układom rozdzielnic SN, ze względów bezpieczeństwa i ekonomicznych [3]:
- duża pewność dostawy energii elektrycznej, zależna od rodzaju zasilanych odbiorców oraz możliwych strat wynikających z niezaplanowanych przerw w dostawie energii, które mogłyby nie wystąpić przy bardziej racjonalnie zaprojektowanym układzie elektroenergetycznym,
- możliwość zmiany układu w miarę rozwoju sieci lub rozbudowy i zmiany roli stacji w systemie elektroenergetycznym, bez konieczności instalowania nowych urządzeń oraz bez długotrwałych przerw w zasilaniu,
- możliwość odłączenia spod napięcia dowolnego łącznika w celu wykonania jego naprawy lub konserwacji bez długotrwałej przerwy w pracy połączonej z nim linii,
- duża elastyczność układu, stwarzająca możliwość zasilania odbiorców podczas planowanych lub zakłóceniowych operacji łączeniowych,
- przejrzystość sposobu rozmieszczenia urządzeń elektroenergetycznych i dogodna ich eksploatacja, zapewniająca personelowi zarówno bezpieczną obsługę, jak i łatwą identyfikację poszczególnych elementów rozdzielnicy,
- zakłócenia występujące w sieciach elektroenergetycznych powinny obejmować jak najmniejszą liczbę odbiorców (np. poprzez zastosowanie podziałów sieci czy reklozerów).
Sieci inteligentne
Pojawiające się obecnie w kraju zagrożenia wynikające zarówno z deficytu mocy wytwarzanej, niskiej efektywności jej wytwarzania (wynikającej między innymi z dużych odległości przesyłowych) i zwiększającego się zapotrzebowania na energię elektryczną piętnują potrzebę tworzenia inteligentnych systemów dostawy energii znanych powszechnie jako „smart grids”. Mają one przede wszystkim poprawić bezpieczeństwo energetyczne poprzez eliminację przerw w dostarczaniu odbiorcom usług energetycznych oraz maksymalizację efektywności przepływu energii od źródła jej wytwarzania do odbiorcy końcowego.
Ponadto sieci smart grids powinny umożliwić:
- optymalne wykorzystanie lokalnych zasobów energii,
- dostosowanie poziomu jakości dostarczanej energii elektrycznej do potrzeb klienta,
- bieżącą kontrolę nad wytwarzaną lub pobieraną energią elektryczną poprzez zastosowanie np. inteligentnych liczników energii elektrycznej,
- bieżące monitorowanie stanu sieci elektroenergetycznych w zakresie jakości energii elektrycznej oraz pewności zasilania,
- pełną kontrolę nad ilością oraz jakością energii wytwarzanej w odnawialnych źródłach energii,
- prawidłową pracę zabezpieczeń elektroenergetycznych w sieciach o zmiennym kierunku przepływu energii elektrycznej (np. pochodzących ze źródeł rozproszonych).
Za jedną z podstawowych przeszkód w rozwoju sieci inteligentnych uważa się brak wykształconej kadry, rozumiejącej potrzebę oraz kierunki rozwoju w tym obszarze technologicznym.
Reklozery
Do coraz częściej występujących urządzeń w inteligentnych sieciach średniego napięcia należą reklozery.
Reklozer (ang. „recloser”) jest samoczynnym wyłącznikiem stosowanym w sieciach elektroenergetycznych średniego napięcia (SN). Określenie „samoczynny” wynika z faktu, że może on dokonywać czynności łączeniowych w linii SN bez udziału dyspozytora. Mogą być one instalowane zarówno w stacjach elektroenergetycznych, jako punkt zasilania linii promieniowej, jak również w głębi linii promieniowej, jako punkt sekcjonowania sieci, czy też w odgałęzieniach sieci.
Ponadto reklozery instalowane w punkcie podziału sieci pierścieniowej lub dwustronnie zasilanej mogą pełnić funkcję samoczynnego zasilania rezerwowego.
Reklozery mają tę przewagę nad stosowanymi w sieciach napowietrznych SN rozłącznikami sterowanymi drogą radiową, że mogą one samodzielnie wyłączyć pojawiające się w sieci prądy zwarciowe, a także wykonać samodzielnie wielokrotny cykl SPZ (Samoczynne Ponowne Załączenie), umożliwiający powrót linii po wystąpieniu zwarcia przemijającego. Dzięki tym właściwościom zamontowanie reklozera w sieciach napowietrznych, w szczególności w rozległych sieciach wiejskich (przechodzących niejednokrotnie przez tereny leśne), umożliwia ograniczenie liczby odbiorców pozostających bez energii elektrycznej (w wyniku wystąpienia zakłócenia) poprzez wyłączenie tylko fragmentu sieci, a nie całego ciągu liniowego w GPZ (Głównym Punkcie Zasilającym).
Dzięki posiadanym funkcjom, reklozer może pracować jako samodzielne zabezpieczenie (chroniąc całą sieć SN lub jej fragment (sekcję, odgałęzienie) lub współpracować (jako element kompleksowej automatyki zabezpieczeniowej) z innymi urządzeniami stosowanymi w sieciach SN.
Reklozery składają się z dwóch połączonych ze sobą członów:
- łączeniowego (umożliwiającego dokonywanie czynności łączeniowych)
- sterowniczego (łączącego w sobie funkcje automatyki zabezpieczeniowej, układu pomiarowego, układu rejestracji zdarzeń oraz komunikacji).
W sieciach rozdzielczych SN reklozery mogą być stosowane w charakterze:
- samoczynnego wyłącznika chroniącego dany fragment sieci elektroenergetycznej,
- wyłącznika wykorzystywanego do lokalnej i zdalnej rekonfiguracji sieci,
- urządzenia do pomiaru parametrów elektrycznych sieci,
- układu automatyki zabezpieczeniowej dla danego odcinka sieci,
- układu przywracającego zasilanie na nieuszkodzonych odcinkach sieci, dzięki automatyce samoczynnego ponownego załączenia i samoczynnego załączania zasilania rezerwowego (jeżeli jest on wyposażony w takie układy),
- układu rejestracji zdarzeń i przebiegu zakłóceń w sieci.
Zastosowanie reklozerów w sieciach rozdzielczych średniego napięcia zapewnia:
- zwiększenie niezawodności zasilania odbiorców,
- poprawę poziomu bezpieczeństwa sieci,
- skrócenie czasu lokalizacji awarii i pracy „zdrowych” fragmentów sieci bez napięcia,
- wyższy poziom techniczny eksploatowanej sieci, a przez to zmniejszenie kosztów związanych z obsługą sieci,
- wprowadzenie nowoczesnych metod automatyzacji i sterowania w sieciach rozdzielczych.
W układach elektroenergetycznych bez zainstalowanych reklozerów, awarie występujące na liniach SN powodują zazwyczaj długie przerwy w zasilaniu odbiorców, gdyż wszystkie awarie bądź zakłócenia eliminowane są przez wyłączniki zainstalowane w GPZ-tach, co skutkuje wyłączeniem całego ciągu liniowego sieci średniego napięcia.
Rozłączniki zainstalowane w głębi sieci SN nie mogą być używane podczas awarii do wyłączania prądów zwarciowych, gdyż ich konstrukcja umożliwia wykorzystanie ich jedynie do wykonywania łączeń ruchowych w stanie pracy normalnej układu elektroenergetycznego.
W celu zmiany konfiguracji sieci, podczas usuwania awarii, czynności łączeniowe wykonywane są wówczas najczęściej w stanie beznapięciowym, co skutkuje powstawaniem przerw w zasilaniu odbiorców.
Zainstalowanie reklozerów skraca zarówno czas lokalizacji awarii bądź zakłóceń, jak i powoduje zmniejszenie ograniczeń w dostawie energii dla odbiorców.
Podsumowanie
Aktualnie produkowane i montowane rozdzielnice średniego napięcia nie są już tylko prostym zbiorem urządzeń służących do rozdziału energii elektrycznej. Ze względu na ich miniaturyzację stosowane są do ich budowy coraz to nowsze i bardziej skomplikowane układy, służące do zapewnienia bezpieczeństwa obsłudze i aparatom nie tylko podczas normalnej pracy, ale również podczas operacji łączeniowych (w tym wyłączania prądów zwarciowych).
Ponadto, w celu polepszenia bezpieczeństwa energetycznego, wymaga się od rozdzielnic, aby pracowały w sposób jak najbardziej selektywny – wyłączając jedynie „chore”, jak najkrótsze odcinki linii oraz umożliwiały komunikację pomiędzy aparatami, oraz monitorowanie i utrzymywanie parametrów jakościowych energii elektrycznej na odpowiednim poziomie.
Literatura:
- H. Markiewicz: Urządzenia elektroenergetyczne, WNT Warszawa 2012r.
- Katalogi firm: ZPUE SA, ELEKTOBUDOWA SA, Elektromontaż Lublin S.A., EATON, Schneider Electric, ABB, Siemens, JM-TRONIC, Tavrida Electric Polska Sp. z o.o.
- Skliński R.: Zagrożenie porażeniem prądem elektrycznym w stacjach elektroenergetycznych, Białystok : Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, 2013.
- Kuczyński K., Budowa rozdzielnic SN – wybrane zagadnienia, „elektro.info” 7–8/2011.