Przekładniki niekonwencjonalne wykorzystywane w automatyce elektroenergetycznej
Nonconventional instrument transformers used in power system protection and control
Schemat głowicy przekładnika prądowego wykorzystującego efekt Faradaya Rys. Redakcja EI
Przekładniki w systemie elektroenergetycznym (SEE) stosowane są w celu obniżenia wartości prądu bądź napięcia, aby możliwe było wykonanie pomiarów tych wielkości przez urządzenia niskonapięciowe. Dzięki przekładnikom możliwe jest oddzielenie galwaniczne obwodu pomiarowego (pierwotnego, wysokonapięciowego) od obwodu wtórnego (niskonapięciowego). Stosowane są one w celu pomiaru prądów, napięć, mocy, energii elektrycznej. Wykorzystywane są w zabezpieczeniach elektroenergetycznych, układach pomiarowych, sterowania i regulacji.
Zobacz także
AUTOMATION TECHNOLOGY Sp. z o.o. Automation Technology – nowy gracz na rynku
Automation Technology prężnie działa w obszarach energetyki, automatyki przemysłowej oraz robotyki.
Automation Technology prężnie działa w obszarach energetyki, automatyki przemysłowej oraz robotyki.
mgr inż. Grzegorz Pióro Procesowe podejście do redukcji zużycia energii w obiektach technicznych
Redukcja zużycia energii to proces, a nie działanie jednorazowe – wymaga ciągłego monitorowania, analizy danych i korekty pracy systemów. Kluczowe obszary optymalizacji to: systemy HVAC, oświetlenie, urządzenia...
Redukcja zużycia energii to proces, a nie działanie jednorazowe – wymaga ciągłego monitorowania, analizy danych i korekty pracy systemów. Kluczowe obszary optymalizacji to: systemy HVAC, oświetlenie, urządzenia pomocnicze i kompensacja energii biernej. Największy potencjał oszczędności energii tkwi nie tylko w samych technologiach, ale przede wszystkim w zrozumieniu procesów fizycznych, świadomym dostosowaniu instalacji do rzeczywistych potrzeb operacyjnych oraz precyzyjnym zarządzaniu energią na...
mgr inż. Krzysztof Szymański, mgr inż. Jerzy Żurawski, inż. Beata Kluczberg Zarządzanie energią w budynkach
Ideę inteligentnego budynku zapoczątkowano już w latach 70. XX wieku. Obecnie przez „inteligentny” rozumie się budynek wyposażony w odpowiednie urządzenia techniczne i taki, w którym zachodzi możliwość...
Ideę inteligentnego budynku zapoczątkowano już w latach 70. XX wieku. Obecnie przez „inteligentny” rozumie się budynek wyposażony w odpowiednie urządzenia techniczne i taki, w którym zachodzi możliwość efektywnego współkorzystania z tych urządzeń.
W artykule:• Przekładniki niekonwencjonalne w cyfrowej stacji elektroenergetycznej• Zjawiska fizyczne wykorzystywane w przekładnikach niekonwencjonalnych • Wady i zalety przekładników niekonwencjonalnych |
StreszczenieW artykule opisano niekonwencjonalne przekładniki prądowe i napięciowe, które są elementami cyfrowych stacji elektroenergetycznych. Stacje te do swego działania wykorzystują standard IEC 61850. Informacje o zmierzonych przez przekładniki niekonwencjonalne wielkościach przesyłane są do urządzeń typu IED w sposób cyfrowy, a nie analogowy, jak to się odbywało w przypadku przekładników konwencjonalnych. Opisano zasady działania przekładników niekonwencjonalnych wykorzystujących takie zjawiska fizyczne jak efekt Faradaya, Halla, Pockelsa oraz cewkę Rogowskiego, dzielniki pojemnościowe. Przedstawiono wady i zalety przekładników niekonwencjonalnych.AbstractThe article describes nonconventional current and voltage instrument transformers, which are elements of digital power stations. These stations use IEC 61850 standard for their operation. Information on measurements measured by nonconventional instrument transformers are sent to IED devices in a digital way, not analog, as was the case with conventional instrument transformers. The principles of operation of nonconventional transformers using such physical phenomena as the Faraday, Hall, Pockels effect and Rogowski coil, capacitive dividers are described. The advantages and disadvantages of nonconventional instrument transformers are presented. |
Konwencjonalne przekładniki wykorzystują w swojej budowie rdzenie ferromagnetyczne, które powodują, że mają one wiele negatywnych cech. Do istotnych wad przekładników prądowych można zaliczyć nasycanie się rdzenia przekładnika, a co za tym idzie niedokładną transformację prądów zwarciowych. W przypadku zastosowania przekładników napięciowych może pojawić się niekorzystne zjawisko, takie jak ferrorezonans, który może przyczynić się do uszkodzenia wielu urządzeń. Zastosowanie rdzeni ferromagnetycznych powoduje, że gabaryty przekładników konwencjonalnych są stosunkowo duże. Jako zaletę tego typu przekładników można potraktować zdobyte przez użytkowników doświadczenie w ich eksploatacji. Dzięki temu praca z nimi przynosi mało błędów zarówno podczas etapu projektowania, jak i użytkowania.
Obecnie coraz większą popularność zyskują przekładniki niekonwencjonalne (często nazywane sensorami) (ang. nonconventional instrument transformers). Zasadniczą różnicą między przekładnikami niekonwencjonalnymi a konwencjonalnymi jest to, że w pierwszych sygnał wyjściowy przekazywany jest cyfrowo za pomocą światłowodów, zaś w drugich analogowo za pomocą przewodów miedzianych. Ponadto gabaryty przekładników niekonwencjonalnych ze względu na brak rdzenia ferromagnetycznego są znacznie mniejsze w porównaniu z przekładnikami konwencjonalnymi.
Zastosowanie przekładników niekonwencjonalnych spowodowało rozwiązanie wielu problemów związanych z analogowymi przekładnikami konwencjonalnymi. Rozwój technologii pozwolił zbudować przekładniki, które mają duży zakres pomiarowy i są bezpieczne w użytkowaniu. W przekładnikach niekonwencjonalnych zamiast rdzenia ferromagnetycznego do transformacji sygnałów pomiarowych z obwodów pierwotnych do wtórnych wykorzystuje się m.in. zjawiska optyczne, dzielniki pojemnościowe, cewki Rogowskiego. Przekładniki niekonwencjonalne wyposażone są w interfejsy komunikacyjne do wymiany informacji pomiarowych z innymi urządzeniami. Wymiana informacji często odbywa się z wykorzystaniem standardu komunikacyjnego IEC 61850. Oczywiście przekładniki te znajdują zastosowanie w nowoczesnych rozwiązaniach sieci typu Smart Grids.
Przekładniki niekonwencjonalne w cyfrowej stacji elektroenergetycznej
Cyfrowa stacja elektroenergetyczna jest obiektem, bez którego niekonwencjonalne przekładniki nie miałyby racji bytu. W infrastrukturze stacji cyfrowej zawierają się zabezpieczenia i inne elementy, które są „cyfrowe”, tzn. mają interfejsy komunikacyjne oraz mechanizmy przesyłania danych. Stacja cyfrowa jest systemem, wewnątrz którego informacje są na bieżąco wymieniane. System stacji cyfrowej jest w stanie kontrolować pozyskiwanie danych. Weryfikuje także obróbkę informacji, jak również kontroluje obwody wykonawcze. Kontroluje i monitoruje funkcje zabezpieczeniowe, obwody wyłączające i układy automatyki stacji. Urządzenia stacyjne sprawdzają swoją obecność w systemie i to, czy są w stanie przesyłać informacje. Oddziaływanie urządzeń elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej (EAZ) na pole jest widziane w systemie. Jeżeli usterka urządzenia powoduje brak wymaganych informacji, możliwe jest pobranie ich z innego źródła oraz zablokowanie lub też odstawienie urządzenia. Nowoczesna stacja cyfrowa jest łatwiejsza w obsłudze od stacji konwencjonalnej. Ponadto koszty jej eksploatacji są mniejsze. Stacja cyfrowa ma mniejszą ilość tradycyjnych połączeń miedzianych niż stacja tradycyjna, a także krótszy czasu uruchomiania i weryfikacji powiązań między urządzeniami.
Obwody wtórne w cyfrowej stacji elektroenergetycznej wykorzystują światłowody do komunikacji w standardzie IEC 61850. Obiekty pierwotne takie jak wyłączniki, przekładniki, połączone są światłowodami z szafami EAZ. Światłowodami wysyłane są informacje analogowe (prądy, napięcia), w postaci próbek z cechą czasu oraz informacje dwustanowe np. o stanie łączników, wykorzystywane przez inteligentne urządzenia elektroniczne IED (ang. intelligent electronic device), które to mogą wysyłać tymi samymi światłowodami polecenia do urządzeń pierwotnych (łączników). Urządzenia IED mogą komunikować się również między sobą poprzez światłowody wykorzystując komunikaty GOOSE. Architektura stacji jej funkcje oraz zastosowany sprzęt są bardzo elastyczne i tworzone na potrzeby danej stacji. Na rysunku 1. przedstawiono architekturę cyfrowej stacji elektroenergetycznej.
Rys. 1. Architektura cyfrowej stacji elektroenergetycznej [1]
Na poziomie systemu głównego stacji znajdują się urządzenia pierwotne, takie jak transformatory, łączniki, rozdzielnice. W skład tego systemu wchodzą również przetworniki oraz przekładniki (konwencjonalne i niekonwencjonalne), które zbierają niezbędne informacje dla urządzeń sterujących i zabezpieczeń. Aby możliwe było przesłanie odpowiednich sygnałów na szynę (magistralę) procesową potrzebne są moduły peryferyjne (ang. Merging Unit – MU) dla urządzeń analogowych i dwustanowych. Moduły te zmieniają wielkości fizyczne na dane odpowiednie dla systemu. Mają one możliwości próbkowania (ze stemplem czasowym) sygnałów analogowych (ang. Sampled Values – SV), dzięki czemu dokonują digitalizacji sygnałów analogowych (prądy, napięcia) oraz przetwarzania sygnałów dwustanowych. Przetworzone przez MU sygnały dostarczane są do szyny procesowej stacji. Urządzenia MU zapewniają także kontrolę stanu przekładników niekonwencjonalnych. Na rysunku 2. pokazano przykładowe połączenie przekładnika konwencjonalnego i niekonwencjonalnego z szyną procesową za pomocą urządzenia MU.
Rys. 2. Połączenie przekładników z szyną procesową za pomocą urządzenie MU [2]
Zjawiska fizyczne wykorzystywane w przekładnikach niekonwencjonalnych
W niekonwencjonalnych przekładnikach prądowych i napięciowych nie są wykorzystywane, tak jak w przypadku przekładników konwencjonalnych, rdzenie ferromagnetyczne, a co za tym idzie do ich działania nie są wykorzystywane zjawiska magnetyczne. Przekładniki te uzupełnione o odpowiednie układy elektroniczne wykorzystują m.in. znane z optoelektroniki efekt Faradaya i Pockelsa oraz efekt Halla, cewkę Rogowskiego, dzielniki pojemnościowe, dzielniki rezystancyjno-pojemnościowe.
Efekt Faradaya polega na tym, że płaszczyzna polaryzacji spolaryzowanego liniowo światła monochromatycznego, ulega obróceniu o kąt β w momencie przemieszczania się przez ośrodek, który posiada pole magnetyczne o indukcji B (rys. 3.). W zależności od rodzaju ośrodka, panującej indukcji B oraz długości l na drodze, której pole magnetyczne oddziałuje na wiązkę światła zmienia się kąt β.
Rys. 3. Wyjaśnienie efektu Faradaya
Zależność tę opisuje równanie:
gdzie:
β – kąt płaszczyzny polaryzacji,
B – indukcja magnetyczna,
v – stała Verdeta,
l – droga, na jakiej pole magnetyczne oddziałuje na wiązkę światła.
Stosowanie przekładnika optycznego z czujnikiem wykorzystującym efekt Faradaya wymaga nałożenia materiału izolacyjnego na przewód, w którym płynie prąd. Materiał ten tworzy pierścień wokół przewodnika z prądem (np. wokół przewodu fazowego). Przewodnik staje się źródłem pola magnetycznego, jeżeli płynie w nim prąd, a indukcja B jest proporcjonalna do jego natężenia. Oddziaływania pola magnetycznego z przewodnika na płaszczyznę polaryzacji wiązki światła płynącej przez pierścień (nawinięty wokół przewodu fazowego), powoduje jej skręcenie o kąt β. Wartość kąta β jest proporcjonalna do wartości prądu płynącego w przewodzie pierwotnym. Po odebraniu wiązki światła o określonym kącie skręcenia β przetwornik może przełożyć wartość tego kąta na proporcjonalny do niego prąd wtórny.
Medium wykorzystywanym do przesyłania wiązki światła są zwykle włókna światłowodowe. Im więcej zwojów posiada sam sensor tym pomiar prądu pierwotnego będzie dokładniejszy, a co za tym idzie mierzona dokładnie wartość prądu pierwotnego zaczyna się od niższej wartości przy tej samej dokładności. Inne rozwiązania tego typu sensorów są realizowane poprzez zastosowanie szklanego pryzmatu, który przenosi spolaryzowaną wiązkę światła dookoła przewodnika pierwotnego (rys. 4.). Wewnątrz głowicy niekonwencjonalnego przekładnika prądowego może być kilka takich czujników. Na rysunku 5. pokazano schemat przekładnika prądowego z głowicą w postaci nawiniętych światłowodów oraz głowicą w postaci dwóch szklanych pryzmatów.
Rys. 4. Schemat głowicy przekładnika prądowego wykorzystującego efekt Faradaya [3]
Rys. 5. Wygląd głowicy z optycznym czujnikiem prądu: a) w postaci nawiniętego światłowodu [1], b) w postaci szklanego pryzmatu (dwa czujniki) [2]
Przekładniki prądowe wykorzystujące efekt Halla można określić jako urządzenia o technologii przejściowej między przekładnikami konwencjonalnymi i przekładnikami niekonwencjonalnymi. Uwarunkowane jest to wykorzystaniem rdzenia magnetycznego w przekładniku, a co za tym idzie wpływu pola magnetycznego na czujnik wytwarzający napięcie Halla.
Działanie przekładnika prądowego wykorzystującego efekt Halla polega na tym, że na czujnik Halla działa prostopadłe pole magnetyczne, którego wartość jest proporcjonalna do mierzonego prądu pierwotnego. Na zaciskach czujnika występuje różnica potencjałów (napięcie Halla) proporcjonalne do mierzonego prądu pierwotnego. Na rysunku 6. pokazano schematy przekładnika prądowego, którego działanie jest oparte na wykorzystaniu efektu Halla. W pierwszym przypadku (rys. 6a) napięcie wyjściowe układu (Vout) jest proporcjonalne do mierzonego prądu pierwotnego (Iprimary). W drugim przypadku (rys. 6b) napięcie wyjściowe układu (Vsense) jest proporcjonalne do prądu wtórnego (Isecondary), który jest przeskalowanym mierzonym prądem pierwotnym (Iprimary/N).
Rys. 6. Schemat przekładnika prądowego z wykorzystaniem sygnału proporcjonalnego do: a) prądu pierwotnego, b) prądu wtórnego, gdzie: A – wzmacniacz operacyjny [4]
Przekładnik prądowy z czujnikiem, który jest cewką Rogowskiego charakteryzuje się uzwojeniem nawiniętym na niemagnetyczny toroidalny rdzeń, który jest często tworzywem sztucznym. Rdzeń otacza przewód, w którym płynie prąd pierwotny. Zwoje w cewce Rogowskiego powinny być jednakowe i zachowywać stały rozmiar nawet pod wpływem temperatury.
Przewodnikiem znajdującym się wewnątrz cewki przepływa prąd pierwotny i1, do którego proporcjonalne jest napięcie wtórne u2 na zaciskach cewki (rys. 7.).
Rys. 7. Cewka Rogowskiego: a) schemat cewki z układem całkującym, b) fragment uzwojenia cewki [1], c) wygląd cewki
Na skutek przepływu prądu i1 wytwarzane jest zmienne pole magnetyczne, do którego pulsacji jest proporcjonalne napięcie u2 wyrażone wzorem:
gdzie:
K – indukcyjność wzajemna przewodu pierwotnego i cewki reprezentująca czułość cewki Rogowskiego.
Aby otrzymać napięcie wyjściowe (uwyj) proporcjonalne do prądu pierwotnego i1 należy scałkować napięcie u2. Negatywną właściwością tego typu przekładnika jest wpływ częstotliwości prądu pierwotnego i1 na sygnał wyjściowy u2 cewki. Przykładowo, dla prądu pierwotnego 200 A o częstotliwości 50 Hz i częstotliwości 200 Hz, napięcia wyjściowe u2 cewki Rogowskiego będą się znacznie różniły. Przy stałym prądzie pierwotnym napięcie na wyjściu cewki będzie równe zero.
Dzięki konstrukcji przekładnika, a dokładniej nawinięciu zwojów, z których jeden koniec wyprowadzony jest z wnętrza cewki, uzyskuje się wysoką odporność przekładnika na zewnętrzne pola magnetyczne. Budowa taka pozwala również na niedokładne umieszczenie przewodu pierwotnego wewnątrz cewki, ponieważ nie wpływa to na wartość napięcia wyjściowego u2. Przekładniki z cewką Rogowskiego są często stosowane w stacjach GIS izolowanych gazem SF6.
Schemat przekładnika napięciowego wykorzystującego efekt Pockelsa przedstawiono na rysunku 8. W przekładniku tym wiązka światła wysyłana przez źródło światła przechodzi przez kryształ piezoelektryczny zakończony pryzmatem. W pryzmacie ulega ona odbiciu, wraca przez kryształ, a następnie ulega rozdzieleniu w rozdzielaczu wiązki. W tej postaci trafia do modułu przetwarzającego sygnał i jest przekonwertowywana na sygnał cyfrowy. Wartość tego sygnału jest proporcjonalna do mierzonego napięcia pierwotnego.
Rys. 8. Schemat przekładnika napięciowego wykorzystującego efekt Pockelsa [3]
Elektroniczne przekładniki napięciowe wykorzystujące dzielnik pojemnościowy mają uzwojenie pierwotne zbudowane z wielu warstw kondensatorów umieszczonych blisko siebie. Obwód pierwotny z obwodem wtórnym sprzęga pojemność rzędu kilku pikofaradów. Napięcie na pojemności CLV (rys. 9.) jest wzmacniane i przesyłane do urządzenia MU, jako proporcjonalne do napięcia pierwotnego. Unikając elementów indukcyjnych w przekładniku tego typu, unika się również niepożądanych zjawisk z nimi związanych takich jak ferrorezonans, subharmoniczne, czy przepięcia. Wykorzystanie pojemnościowego dzielnika napięciowego wiąże się nie tylko ze zniknięcie negatywnych efektów (wynikających z zastosowania przekładników indukcyjnych), ale powoduje zmianę ich wagi i kosztów wytwarzania na mniejsze. Zwiększa się również bezpieczeństwo użytkowania takich przekładników, dzięki pozbyciu się oleju będącego materiałem izolacyjnym.
Rys. 9. Przekładnik pojemnościowy: a) schemat, b) głowica [1]
Rys. 10. Schemat dzielnika pojemnościowo-rezystancyjnego [3]
Wady i zalety przekładników niekonwencjonalnych
Niekonwencjonalne przekładniki dostępne na rynku wykazują się lepszymi właściwościami niż przekładniki konwencjonalne. Rozwój technologii pozwolił na usunięcie wad występujących dotąd w przekładnikach niekonwencjonalnych. Nowe rozwiązania przekładników tego typu charakteryzują się coraz większą dokładnością i bezpieczeństwem pracy. Elektroniczne przekładniki mają następujące zalety w stosunku do rozwiązań konwencjonalnych:
- w wyniku zlikwidowania rdzenia ferromagnetycznego wyeliminowane zostało zjawisko nasycania się przekładników prądowych,
- wartość prądu i napięcia pierwotnego nie wpływa na zachowanie liniowości pomiaru prądu i napięcia wtórnego,
- polepszona została dynamika pomiaru prądu i napięcia,
- wykorzystanie jednego rodzaju przekładnika do realizacji układów EAZ oraz pomiarów (liczniki),
- możliwość podłączenia przekładników bezpośrednio, dzięki wyjściom światłowodowym, z pominięciem dodatkowych urządzeń typu MU, do systemu stacji działającego w standardzie IEC 61850,
- znaczne zmniejszenie zużycia miedzi,
- uproszczenie układów połączeń przekładników zarówno z urządzeniami EAZ, jak i całym systemem stacji,
- zniesienie niebezpieczeństwa związanego z przypadkowym rozwarciem obwodów wtórnych przekładników prądowych,
- duża dokładność przekładników prądowych i niewielki błąd kątowy dla prądu i napięcia pierwotnego w szerokim zakresie częstotliwości w przypadku przekładników wykorzystujących zjawiska optyczne,
- możliwość kompensacji sygnału mierzonego dla przekładników prądowych wykorzystujących cewkę Rogowskiego,
- szerokie pasmo przenoszenia umożliwia wierniejszy (niż w przypadku konwencjonalnych przekładników) pomiar wyższych harmonicznych prądu i napięcia,
- niewielka masa oraz nieduże gabaryty przekładników pozwalają na ich montowanie w trudno dostępnych miejscach, na przepustach izolacyjnych transformatorów (przekładniki prądowe) oraz na zabudowę w obiektach,
- możliwość pominięcia dodatkowej izolacji przekładników z czujnikiem optycznym z powodu wykonania ich z materiału izolującego,
- wyeliminowanie zjawiska ferrorezonansu występującego w konwencjonalnych rozwiązaniach przekładników napięciowych.
Nowe rozwiązania technologiczne mogą nieść za sobą problemy niespotykane w rozwiązaniach konwencjonalnych. Problemy związane z niekonwencjonalnymi przekładnikami mogą wynikać z:
- nieprzenoszenia składowej stałej prądu przez przekładniki z cewką Rogowskiego,
- słabszej filtracji analogowej sygnałów, co wymusza stosowanie większej filtracji cyfrowej, co może powodować dodatkowe opóźnienia w działaniu algorytmów urządzeń EAZ,
- wyższych kosztów przekładników niekonwencjonalnych, wynikających z niewielkiej liczby firm zajmujących się ich konstrukcją i sprzedażą.
Podsumowanie
Globalnie wprowadzana cyfryzacja znajduje także zastosowanie w produkcji urządzeń dedykowanych dla SEE. Przejawem tego zjawiska jest coraz powszechniejsze wprowadzanie do użytkowania przekładników niekonwencjonalnych. Zalety tego typu przekładników są: kompaktowa budowa, kompatybilność z normą IEC 61850, możliwość ciągłego monitoringu urządzeń, wyeliminowanie, w stosunku do konstrukcji przekładników konwencjonalnych, rdzeni magnetycznych. Nowe rozwiązania gwarantują niezawodność pracy SEE, a także wysoką jakość pomiarów. Przekładniki niekonwencjonalne przyczyniają się do rozwoju EAZ, a także technologii Smart Grids. W miarę wycofywania z użytku przekładników konwencjonalnych będą one sukcesywnie je zastępowały.
- Juszczyk, Możliwości realizacji szyny procesowej IEC61850 w aplikacjach rozdzielni GIS, na przykładzie rozwiązań GE, Seminarium Komitetu Automatyki Elektroenergetycznej SEP, Konstancin-Jeziorna, 05-2019
- T. Judendorfer, S. Schuberth, A. Nijhuis, U. Prucker, H. Neine, Optical CT with IEC 61850 Interface.
- J. Maksymiuk, J. Nowicki, Aparaty elektryczne I rozdzielnica wysokich napięć, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2014.
- Przekładniki prądowe dla energoelektroniki, Informacje dostępne na stronie (dostęp on-line: 07-2019): http://automatykaonline.pl/Artykuly/Pomiary/przekladniki-pradowe-dla-energoelektroniki.
