Rozwiązania wspomagające bezpieczeństwo i niezawodność urządzeń elektroenergetycznych SN
Solutions supporting safety and reliability of MV power equipment
Rozdzielnica e2ALPHA podczas prób łukowych oraz przykład nieudanej próby łukowej, fot. W. Chmielak
Zarządzanie infrastrukturą elektroenergetyczną coraz częściej jest wspomagane przez inteligentne systemy decyzyjne, przy udziale zaawansowanych systemów pomiarowych, zabezpieczeniowych i akwizycji danych. Elektrometal Energetyka S.A. wprowadza szereg nowych funkcjonalności sterowników polowych e2TANGO, które nie tylko pomagają użytkownikom w zabezpieczeniu, kontroli i sterowaniu obiektami elektroenergetycznymi, ale też – dzięki wyposażeniu w autorskie algorytmy decyzyjne – pozwalają na predykcję rozwijających się uszkodzeń oraz eliminację zakłóceń.
Nienormalne stany pracy systemów elektroenergetycznych, w tym zwarcia i ich wykrywanie, mają duży wpływ na niezawodność systemu elektroenergetycznego i pewność dostaw energii elektrycznej. Przedłużający się czas trwania zwarć może powodować straty finansowe spowodowane nie tylko uszkodzeniami urządzeń biorących udział zwarciu, ale również dłuższymi przestojami procesów po stronie odbiorców.
Szczególnie niebezpieczne i drastyczne w skutkach są zwarcia łukowe, w tym wewnętrzne zwarcia łukowe w rozdzielnicy. Są one bardzo rzadkie, ale możliwe. Zwarcia łukowe wewnątrz rozdzielnicy średniego napięcia należą do najbardziej katastrofalnych zdarzeń, jakie mogą mieć miejsce w trakcie eksploatacji. Zdarzają się bardzo rzadko, prawdopodobieństwo ich wystąpienia jest bardzo małe, niemniej jednak ich skutki mogą być drastyczne, dlatego nie można ich wykluczyć. Wytrzymałość rozdzielnicy na zwarcie łukowe nie jest wymaganiem obowiązkowym z punktu widzenia normy przedmiotowej, np. 62271-200, ale powinna być pożądana – w celu ograniczenia możliwych strat materialnych oraz zagrożenia dla zdrowia i życia ludzkiego. Niezależnie od zapewnienia łukoochronności, zgodnie z wymaganiami odpowiedniej normy, możliwe są dodatkowe metody i środki ograniczające skutki takiego zdarzenia awaryjnego.
Czasy działania aktualnie stosowanych konwencjonalnych zabezpieczeń linii SN, opartych na pomiarach prądów i napięć o częstotliwości 50 Hz, wynoszą przynajmniej 20 ms. Eliminacja zwarcia wydłuża się dodatkowo o czas własny działania wyłącznika oraz czas łukowy, co sprawia, że wynosi ok. 60 do 100 ms od chwili powstania zakłócenia. Jest to czas na tyle długi, że pozwala na wyzwolenie dużej energii, która może doprowadzić do istotnych uszkodzeń. Elekrometal Energetyka S.A. przeprowadził szereg prac badawczo rozwojowych, w tym między innymi te, których celem było skrócenie całkowitego czasu trwania zwarcia poniżej 10 ms. Cel ten został osiągnięty dzięki opracowaniu koncepcji nowej rodziny zabezpieczeń WN i SN, wyposażonych w funkcjonalność szybkiej detekcji awarii oraz prototypów wyłączników szybkich, pozwalających na wyłączanie prądów zakłóceniowych w pierwszych milisekundach od ich wystąpienia.
Łukoodporność rozdzielnic SN
Urządzenia elektroenergetyczne wysokiego napięcia, w tym również rozdzielnice średniego napięcia, powinny charakteryzować się wysoką niezawodnością działania w długim czasie, sięgającym dziesiątków lat. Osiągane jest to poprzez staranne dopracowanie i wykonanie konstrukcji oraz rzetelnie prowadzone badania typu, wyrobu i odbiorcze. Dzięki temu urządzenia elektroenergetyczne pozwalają na długotrwałą pracę w warunkach normalnych oraz krótkotrwale w warunkach zakłóceniowych, eliminując i ograniczając skutki pojawiających się problemów. Niestety, wskutek wad ukrytych, montażowych i eksploatacyjnych, procesów starzeniowych, błędnych lub wadliwych łączeń czy wyjątkowych warunków pracy – takich jak przepięcia atmosferyczne i łączeniowe, trudne warunki środowiskowe, zabrudzenia, kondensacja, przeciążenia cieplne i elektrodynamiczne, lokalna jonizacja gazu wskutek iskrzenia oraz zwierzęta, głównie gryzonie – może dojść do zainicjowania zwarcia wewnętrznego nazywanego łukiem awaryjnym. Skutki takiego zwarcia dotyczą nie tylko samego układu zasilania wskutek uszkodzenia pojedynczego pola lub rozdzielnicy, ale też mogą pociągać za sobą ogromne straty ekonomiczne i społeczne – w związku z awaryjnym długotrwałym odstawieniem układu zasilania i możliwym rozerwaniem osłony rozdzielnicy, prowadzącym do niekontrolowanej emisji do otoczenia płomieni, bardzo gorących i szkodliwych dla zdrowia gazów, strumieni plazmy kropli roztopionego metalu, odłamków konstrukcji oraz promieniowania samego łuku. Łukoochronność może być jednym z podstawowych parametrów znamionowych rozdzielnicy wysokiego napięcia. Gdy jest do niej przypisana, to badania wytrzymałości na łuk wewnątrz rozdzielnicy są obowiązkowe i powinny być wykonane dla każdego przedziału wysokonapięciowego, zgodnie z klasyfikacją IAC (Internal Arc Classified). Klasyfikacja IAC definiuje poziom bezpieczeństwa osób znajdujących się w pobliżu rozdzielnicy w przypadku wystąpienia wewnętrznego zwarcia łukowego podczas normalnej pracy rozdzielnicy. Znamionowy prąd zwarcia łukowego określany jest przeważnie dla zwarcia trójfazowego, ale może też być wskazany dla zwarcia jednofazowego w przypadku rozdzielnicy/przedziałów z izolowanymi torami prądowymi. Dla określonej wartości skutecznej prądu i czasu trwania zwarcia łukowego literami A, B, C opisuje się rodzaj dostępu, a literami F, L, R – stronę, z której możliwy jest bezpieczny dostęp do osłony rozdzielnicy. Zgodnie z tą klasyfikacją, możliwy jest dostęp: ograniczony tylko do personelu upoważnionego (A), nieograniczony, w tym również dla osób postronnych (B), ograniczony przez zainstalowanie poza zasięgiem – wykonanie słupowe (C), od przodu rozdzielnicy (F), z boku (L) i od tyłu (R). Przypisanie określonej klasy dostępu determinuje warunki, w jakich próba łukoochronności ma być wykonana.
Badania łukoochronności powinny być przeprowadzone co najmniej w każdym skrajnym przedziale reprezentatywnego pola zawierającym części obwodu głównego. Rozdzielnica do badań powinna być w pełni wyposażona, przy czym dopuszcza się stosowanie atrap poszczególnych komponentów, pod warunkiem zachowania tej samej ich objętości i materiałów zewnętrznych jak w zastępowanym komponencie, oraz braku wpływu na obwody główne i uziemienia. Ze względów środowiskowych dopuszcza się zastąpienie gazu izolacyjnego SF6 powietrzem, z zachowaniem ciśnienia znamionowego. W przypadku przedziałów chronionych bezpiecznikami ograniczającymi, badania powinny być wykonane przy największej wartości prądu ograniczonego oraz przy maksymalnym napięciu znamionowym urządzenia. W pozostałych przypadkach napięcie próby może być obniżone, ale musi być wyższe od spodziewanego możliwego napięcia łuku, aby nie doszło do przedwczesnego zgaśnięcia łuku w żadnej z faz, oraz by nie doszło do nadmiernego ograniczania wartości prądu. Jeśli stosowane są inne środki mające na celu ograniczenie skutków łuku, to nie powinny one działać w trakcie badań łukoochronności, o ile nie są przewidziane dodatkowe takie badania. Wartość prądu zwarcia łukowego powinna być stała, a prąd powinien być utrzymany przez czas znamionowy trwania zwarcia obwodu głównego. W przypadku ograniczonych możliwości probierczych laboratorium dopuszcza się wydłużenie czasu łukowego tak, aby całka składowej okresowej prądu była równa wartości wymaganego prądu zwarciowego, z tolerancją +10%, –0%. Wartość prądu zwarcia łukowego przeważnie jest równa znamionowemu prądowi wytrzymywanemu, ale może też być mniejsza, jeśli tak określi producent. Czas trwania zwarcia łukowego zazwyczaj wynosi 1 sekundę, ale może też być ustalony na poziomie 0,1 s, 0,5 s lub inny, zgodnie z deklaracją producenta. Zwarcie łukowe wewnątrz rozdzielnicy inicjowane jest drutem metalowym o średnicy około 0,5 mm: pomiędzy wszystkimi fazami – dla zwarcia trójfazowego, między fazą a ziemią – w przypadku rozdzielonych przewodów fazowych lub między dwiema fazami w polach, w których tory prądowe są pokryte izolacją stałą. Inicjacja zwarcia powinna mieć miejsce w najdalej oddalonym od zasilania dostępnym punkcie w danym przedziale.
Podczas prób łukowych rozdzielnica do zastosowań wnętrzowych musi być ustawiona w specjalnie przygotowanej przestrzeni, odwzorowującej podłogę, ścianę boczną, tylną i sufit. Jeżeli producent rozdzielnicy nie podaje innych odległości, to sufit powinien być na wysokości nie mniejszej niż 2 m od podłogi oraz dla rozdzielnic o wysokości przynajmniej 1,8 m – w odległości 20 cm ± 5 cm od górnej części badanej rozdzielnicy. Ściany boczne i tylna, jeśli nie są dostępne, zgodnie z klasyfikacją IAC powinny się znajdować 10 cm ± 3 cm od rozdzielnicy. W przypadku, gdy ściana tylna rozdzielnicy jest dostępowa, to odległość od tyłu rozdzielnicy do ściany pomieszczenia powinna wynosić 80 cm. Jeżeli próby są przeprowadzane przy większych odstępach, to powinny one być zadeklarowane przez producenta jako minimalne dopuszczalne.
Rys. 1. Rozdzielnica e2ALPHA 12 kV, 40 kA podczas prób łukowych oraz przykład nieudanej próby łukowej, fot. W. Chmielak
Jeśli producent rozdzielnicy określa minimalną liczbę pól rozdzielnicy dla zapewnienia skutecznej dekompresji ciśnienia lub konstrukcja wymaga stosowania kanałów wydmuchowych do usuwania gazów powstających przy zwarciu łukowym, to zarówno instalacja rozdzielnicy, jak i próby wewnętrznego zwarcia łukowego powinny być realizowane z odwzorowaniem tych warunków. W przypadku stosowania kanałów wydmuchowych ich wylot powinien się znajdować przynajmniej 2 m od badanej rozdzielnicy. Producent powinien też wskazać minimalny przekrój poprzeczny kanału wydmuchowego, umiejscowienie oraz właściwości wylotowe, takie jak klapy, siatki i ich charakterystyki. Ocena cieplnych skutków oddziaływania wewnętrznego zwarcia łukowego na ludzi, którzy mogą znajdować się w pobliżu rozdzielnicy, realizowana jest przy użyciu wskaźników rozmieszczonych wokół badanej rozdzielnicy. Dla rozdzielnicy sklasyfikowanej jako dostępna tylko dla uprawnionego personelu, w założeniu wyposażonego w odpowiednie ubranie i środki ochrony osobistej, wskaźniki są wykonane z grubszego i mniej palnego materiału – czarnego kretonu (bawełniana tkanina, ~150 g/m2) oraz ustawione dalej od rozdzielnicy. W przypadku dostępu do rozdzielnicy osób postronnych, badania łukoochronności wykonywane są w ostrzejszym reżimie, tj. wskaźniki ustawione są bliżej i wykonane są z cieńszego, bardziej palnego materiału – czarnego batystu bawełniano-lnianego (~40 g/m2).
Możliwe jest zastosowanie dodatkowych środków ograniczających skutki łuku awaryjnego oraz zapewniających zwiększenie poziomu ochrony osób i urządzeń rozdzielczych w przypadku wystąpienia łuku wewnętrznego.
Literatura
- B. Koch, J. Maksymiuk, Łukoodporność rozdzielnic osłoniętych i symulacja zwarć łukowych, OWPW, Warszawa 2007.
- IEEE 1584-2018 IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations.
- PN-EN 62271-200:2012 Wysokonapięciowa aparatura rozdzielcza i sterownicza. Część 200: Rozdzielnice prądu przemiennego w osłonach metalowych na napięcie znamionowe powyżej 1 kV do 52 kV włącznie.
- J. Maksymiuk, Niezawodność maszyn i urządzeń elektrycznych, OWPW, Warszawa 2003.
- W. Chmielak, Łukoodporność rozdzielnic w osłonie metalowej, „Wiadomości Elektrotechniczne” R. 90, nr 2/2022.
- M. Pawłowski, Ferrorezonans w układach pomiarowych sieci zasilających, „Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa” nr 8 (486) 2011.
- P. Suchorolski, Ferrorezonans w sieciach średnich napięć jako zagrożenie dla poprawnej pracy elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej, Wiadomości Elektrotechniczne” 1(9):37-46.
- J. Karolak, J. Przybysz, J. Wiśniewski, Zjawiska ferrorezonansowe w sieciach elektroenergetycznych wysokiego napięcia, „Przegląd Elektrotechniczny” R 93, nr 11/2017.
- D. Sajewicz, D. Rybak, T. Klonowski, Zabezpieczenia eliminacyjne w urządzeniach EAZ, metoda falowa detekcji zwarć występujących w liniach SN, „Wiadomości Elektrotechniczne” R. 91, nr 5/2023.
W artykule:
|
StreszczenieW artykule omówiono wybrane wdrożone rozwiązania produkcji Elektrometal Energetyka S.A., wspomagające bezpieczeństwo i niezawodność urządzeń elektroenergetycznych SN, takie jak: zabezpieczenia łukoochronne i od ferrorezonansu oraz algorytmy predykcyjne do wykrywania uszkodzeń silników. AbstractThe article discusses selected implemented solutions produced by Elektrometal Energetyka SA supporting the safety and reliability of MV power equipment, such as: arc protection and ferroresonance protection as well as predictive algorithms for detecting motor damage. |
