Rozwiązania wspomagające bezpieczeństwo i niezawodność urządzeń elektroenergetycznych SN

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 przynajmniej od 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. 

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. Przyspieszenie reakcji zabezpieczeń na działanie łuku może istotnie ograniczyć jego skutki, co pokazano na rysunku 2. 

Przykładem takich rozwiązań są między innymi: czujniki błysku, ciśnienia, temperatury oraz zabezpieczenie różnicowe szyn zbiorczych powodujące szybkie wyłączenie, bezpieczniki ograniczające wartość prądu i czas trwania zwarcia, uziemniki szybkie zmieniające zwarcie łukowe na metaliczne, sterowanie członem wysuwnym przy zamkniętych drzwiach rozdzielnicy, układy dekompresyjne oraz inne. Stosowanie tych środków nie zwalnia jednak z potrzeby zapewnienia odpowiedniej wytrzymałości na zwarcie łukowe, zgodnie z klasyfikacją IAC. Wynika to z faktu możliwego niezadziałania tych środków oraz podtrzymania wyładowania łukowego przez energię pochodzącą z rozpędzonych maszyn wirujących w obwodzie obciążenia, pomimo odcięcia źródła zasilania.

Stosowanie czujników błysku wraz z szybkim wyłączeniem zasilania wydaje się najbardziej powszechnym rozwiązaniem dla szybkiej reakcji na zwarcie łukowe i dla ograniczenia jego skutków. Niesie jednak ze sobą ryzyko nieuzasadnionego i niekontrolowanego zadziałania wskutek przypadkowego pobudzenia światłem niepochodzącym od wyładowania łukowego. Dlatego często wprowadza się dodatkowo drugie kryterium potwierdzające wystąpienie zwarcia, takie jak np. kontrola napięcia, stromości prądu lub inne. Rozdzielnice średniego napięcia mogą być doposażone w czujniki błysku również z układem automatycznego testu czujników. Sterowniki polowe e²TANGO produkcji Elektrometal Energetyka S.A. posiadają takie zabezpieczenie i muszą być wtedy wyposażone w dodatkową kartę zabezpieczenia łukoochronnego ARC. Zabezpieczenie łukoochronne reaguje na błysk światła spowodowany pojawieniem się łuku elektrycznego w przedziałach pola. Sygnał świetlny rejestrowany jest przez umieszczone w przedziałach pola czujniki błysku i za pomocą światłowodów trafia do karty ARC sterownika e²TANGO. Odebrany przez zabezpieczenie sygnał świetlny informuje o zapaleniu się łuku w danym przedziale rozdzielnicy. Zależnie od przedziału i rodzaju pola, zabezpieczenie wysyła sygnały otwarcia wyłączników do wybranych pól. W celu wyeliminowania zbędnych wyłączeń działanie czujników uzależnione jest od obniżenia napięcia na szynach sekcji. Informacja o obniżeniu napięcia i sygnały otwarcia wyłączników przesyłane są po magistrali CANBUS. Zabezpieczenie łukoochronne może być zastosowane w rozdzielniach jednosystemowych do czterech sekcji (również z sekcjami połączonymi w pierścień) lub dwusystemowych z systemem A ciągłym i systemem B ciągłym lub podzielonym na 2 sekcje. Karta ARC zapewnia współpracę z 6 czujnikami i wyposażona jest w port CANBUS. W przypadku konieczności obsługi większej liczby czujników możliwe jest zastosowanie dodatkowej karty ARP z 6 czujnikami, ale bez portu CANBUS. Czujnik błysku oraz karty zabezpieczenia łukoochronnego wbudowane w jednostkę centralną zabezpieczenia e²TANGO zostały pokazane na rysunku 3. 

Przykładowy schemat aplikacyjny stosowania czujników błysku pokazano na rysunku 4. Działanie wejść czujników uzależnione jest od typu pola. Poszczególne wejścia przyporządkowane są do konkretnych przedziałów. Sposób działania niewykorzystanych standardowo wejść może być powiązany z działaniem standardowych wejść. Może być to wykorzystane do zabezpieczania przedziałów sąsiedniego pola lub zdublowania czujników.

Badania łukoodporności rozdzielnicy ­e²ALPHA, przeprowadzone w ramach badań typu w akredytowanych jednostkach badawczych, potwierdziły skuteczność przyjętych i stosowanych rozwiązań konstrukcyjnych. Skutki wewnętrznych zwarć łukowych zawsze ograniczały się do badanego pola, niszcząc to pole, ale też spełniając wszystkie kryteria łukoochronności, zgodnie z normą przedmiotową. Na rysunku 5. pokazano przykładowe zdjęcie z nieudanej próby łukowej rozdzielnicy, która nie spełnia warunku łukoochronności. 

Rysunek 5. pokazuje pole rozdzielnicy e²ALPHA po pozytywnych próbach wewnętrznego zwarcia łukowego w przedziałach przyłączowym i wyłącznikowym oraz zdjęcie przedziału przyłączowego rozdzielnicy e²ALPHA zaraz po wystąpieniu zwarcia łukowego i zadziałaniu zabezpieczenia łukoochronnego ARC, które miało miejsce w eksploatacji, wskutek eksplozji głowicy kablowej kabla odpływowego. Na podstawie rejestracji prądów i napięć z zaistniałego zwarcia łukowego, pokazanej na rysunku 6., można wnioskować, że całkowity czas od chwili zaistnienia zwarcia do jego eliminacji wynosił około 40 ms. 

Jest to całkowity czas zadziałania zabezpieczenia, wraz z czasem własnym wyłączenia wyłącznika e²BRAVO. W tak krótkim czasie zwarcia łukowego w rozdzielnicy nie doszło do drastycznych skutków tego zwarcia i nieodwracalnego jej zniszczenia. Jedyne widoczne ślady tego zwarcia to uszkodzona głowica kablowa, delikatnie wypalona izolacja zewnętrzna ograniczników przepięć oraz drobne ślady okopcenia na torach prądowych między uziemnikiem i ogranicznikami przepięć.

Zgodnie z informacjami uzyskanymi od klienta, u którego zdarzenie miało miejsce, całkowity czas od chwili wystąpienia zwarcia do momentu pełnego przywrócenia rozdzielnicy do pracy wynosił około 6 godzin. Oczywiście niezbędne było oczyszczenie przedziału przyłączowego rozdzielnicy, wymiana uszkodzonych ograniczników przepięć, na które przeniósł się łuk elektryczny, oraz głowicy kablowej.

Wykrywanie, rejestracja i dwustopniowa eliminacja zjawiska ferrorezonansu

Zjawisko ferrorezonansu jest uważane za jedną z podstawowych przyczyn uszkodzeń przekładników napięciowych instalowanych w układach elektroenergetycznych. Skutkiem ferrorezonansu jest wzrost prądu w uzwojeniu pierwotnym przekładnika, wynikający ze znacznego nasycenia rdzenia, co prowadzi do termicznego zniszczenia układu izolacyjnego. Mimo, że zjawisko ferrorezonansu jest znane już od ponad stu lat, nadal nie zostały jednoznacznie określone kryteria jego powstawania i nie opracowano skutecznych metod jego eliminacji. Ze względu na zagrożenia, jakie stwarza to zjawisko, jest ono nadal przedmiotem zainteresowania ośrodków badawczych oraz służb eksploatacyjnych. Stany zakłóceniowe będące wynikiem ferrorezonansu mogą również spowodować błędne zadziałanie elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej.

Drgania ferrorezonansowe w układach elektroenergetycznych powstają w wyniku szeregowego lub równoległego połączenia liniowej pojemności z nieliniową indukcyjnością. W przypadku szeregowego połączenia tych reaktancji może dojść do ferrorezonansu napięć, natomiast przy połączeniu równoległym – do ferrorezonansu prądów. Z praktycznego punktu widzenia nieliniową indukcyjność w układach elektroenergetycznych stanowi najczęściej indukcyjność odwzorowująca zjawisko magnesowania rdzenia transformatora oraz przekładników napięciowych. Nieliniowy charakter tych obwodów utrudnia analizę tego zjawiska, ze względu na odkształcenia przebiegów prądów i napięć w momencie jego wystąpienia. Przemagnesowanie rdzenia przekładnika prowadzi do jego przegrzania i uszkodzenia izolacji, w tym – czasem – do eksplozji. Dodatkowo dochodzi do przepięć w postaci drgań ferrorezonansowych napięć, co może negatywnie wpływać na inne elementy układów elektroenergetycznych. Występowanie przepięć dorywczych w postaci drgań ferrorezonansowych jest uzależnione od konfiguracji układu elektroenergetycznego oraz od parametrów jego poszczególnych elementów. Istotną rolę odgrywa sposób połączenia punktu neutralnego układu z ziemią. W układach wysokich napięć pracujących z bezpośrednio uziemionym punktem neutralnym drgania ferrorezonansowe mogą wystąpić przede wszystkim wtedy, gdy w wyniku pewnych czynności łączeniowych powstanie szeregowy lub szeregowo-równoległy układ drgający. W przypadku układów elektroenergetycznych średnich napięć z izolowanym punktem neutralnym do ferrorezonansu może dojść w wyniku nagłej zmiany napięcia sieci będącej wynikiem zwarcia doziemnego. Na skutek tych zmian powstaje równoległy lub szeregowo-równoległy układ drgający. Bezpośrednią przyczyną powstawania ferrorezonansu w sieci może być dowolna zmiana jej konfiguracji lub zakłócenia, takie jak załączenie napięcia czy powstanie i włączenie zwarcia jednej fazy z ziemią. Przy dużym nasyceniu rdzeni przekładników przebieg napięcia punktu gwiazdowego sieci jest znacznie odkształcony i ma cechy drgań relaksacyjnych.

Zjawisko ferrorezonansu, chociaż objawia się tylko w przebiegach napięć doziemnych i odpowiednich prądów, jest groźnym zakłóceniem w pracy sieci. Na skutek towarzyszących temu zjawisku przepięć i przetężeń możliwe jest uszkodzenie elementów sieci, tj. przekładników napięciowych czy linii kablowych. Ponadto ferrorezonans podnosi potencjał punktu neutralnego układu, co powoduje pojawienie się składowej zerowej napięcia, mogącej fałszować działania układów zabezpieczeń ziemnozwarciowych.

Przeprowadzono szereg badań laboratoryjnych na modelu fizycznym GPZ SN z izolowanym punktem neutralnym oraz na modelach symulacyjnych odwzorowujących rzeczywiste układy elektroenergetyczne. Wykonano wielowariantową analizę wpływu zmiany konfiguracji sieci na możliwość inicjacji drgań relaksacyjnych.

W ramach badań przemysłowych prowadzonych przez firmę Elektrometal Energetyka S.A. opracowano szybki algorytm adaptacyjny do detekcji zjawiska ferrorezonansu, z wykorzystaniem dowolnego napięcia fazowego (L₁, L₂, L₃), jak również napięcia składowej zerowej U₀. Algorytm zaimplementowano w sterowniku polowym e²TANGO, a do wykrywania zjawiska ferrorezonansu użyto poszczególnych napięć fazowych. Opracowany układ eliminacji ferrorezonansu zawiera dwa stopnie: pierwszy służy do zwierania uzwojenia otwartego trójkąta przekładników napięciowych (sygnał U₀), drugi – do zwierania pojedynczych uzwojeń wtórnych przekładników napięciowych, i może być przyłączony zarówno do uzwojeń otwartego trójkąta, jak i na innych rdzeniach.

Ultraszybkie wykrywanie zwarć z wykorzystaniem fal wielokrotnie odbitych

Wykrywanie zakłóceń oparto na pomiarze fal propagujących się linią elektroenergetyczną, które mają swoje źródło w nagłych zmianach napięcia i rozchodzą się w obydwu kierunkach od miejsca wystąpienia zdarzenia, wzdłuż linii elektroenergetycznej. Na rysunku 9. przedstawiono ilustrację propagacji fal elektromagnetycznych linią elektroenergetyczną na przykładzie zdarzenia, którym jest wystąpienie zwarcia. Zakłócenie w linii elektroenergetycznej łączącej szyny zbiorcze stacji A i B, wskutek którego nastąpiło nagłe obniżenie napięcia w miejscu zwarcia, powoduje wygenerowanie dwóch fal, propagujących się w przeciwnych kierunkach do szyn stacji A i B. Wygenerowane fale mają pionowe czoło w miejscu wystąpienia zwarcia i są tłumione wraz z przebytą drogą, co powoduje zmniejszenie ich amplitudy oraz wydłużenie czoła fali – jak pokazano na rysunku 9.

Fale są propagowane i tłumione w ośrodkach jednorodnych. W miejscach nieciągłości, rozumianej jako zmiana impedancji falowej ośrodków, część energii fali ulega odbiciu, a część jest przekazywana dalej, za miejsce nieciągłości. Takimi miejscami nieciągłości są szyny stacji, miejsca zwarcia oraz połączenia – szczególnie te, które zmieniają przekrój lub rodzaj linii elektroenergetycznej. Stosunek energii przekazanej i odbitej jest związany z impedancją falową ośrodków za i przed nieciągłością, na której następuje odbicie. Prędkość propagacji fal jest równa około 98% prędkości światła w liniach napowietrznych oraz około 50% prędkości światła w liniach kablowych. Różnica jest związana z pojemnościami poprzecznymi tych linii, których przeładowanie odpowiada za mechanizm propagacji fali. Energia użyteczna propagowanych fal zawiera się w częstotliwościach z zakresu 10–600 kHz. Dokonując pomiaru przebiegów wysokiej częstotliwości, układ automatyki zabezpieczeniowej jest w stanie zidentyfikować fale propagujące się linią SN na skutek zwarcia oraz ich właściwości, takie jak czas, amplituda i polaryzacja. Na ich podstawie, jeszcze przed przepływem prądu zwarciowego o częstotliwości 50 Hz, układ automatyki jest w stanie w czasie setek mikrosekund wykryć zwarcie, przeanalizować i podać sygnał na otwarcie wyłącznika.

Opracowano i opatentowano jednostronny układ pomiarowy zawierający sensory prądu oraz sensory napięcia, zainstalowane na jednym końcu linii SN – od strony zasilania. Układ pomiarowy musi się składać z co najmniej jednego sensora prądu – umocowanego bezpośrednio na linii, bez ingerencji w jej ciągłość – oraz z co najmniej jednego sensora napięcia. Sygnały pomiarowe w postaci wartości chwilowych prądu lub pochodnej prądu są wprowadzane bezpośrednio w postaci sygnałów elektrycznych: prądu oraz napięcia, na zaciski pojedynczego urządzenia pomiarowego, zainstalowanego na tym samym końcu linii energetycznej. Pochodne prądów mogą być pierwszego, drugiego lub wyższych rzędów.

Weryfikacja modeli propagacji sygnałów falowych w sieciach elektroenergetycznych została przeprowadzona przy wykorzystaniu aplikacji PSCAD oraz na pracującej sieci elektroenergetycznej średniego napięcia. Przeprowadzono badania symulacyjne dla sieci izolowanej, kompensowanej oraz uziemionej przez rezystor. Zakres weryfikacji obejmował analizy zwarć doziemnych oraz dwu- i trójfazowych w różnych, określonych miejscach sieci. Część badań symulacyjnych potwierdzono w warunkach rzeczywistych, dokonując zamknięcia na zwartą linię elektroenergetyczną w różnych odległościach od stacji elektroenergetycznej. Badania w warunkach rzeczywistych wykazały potrzebę opracowania algorytmów korekcji sygnałów przenoszonych przez przekładniki o zadanej transmitancji określonej na podstawie wcześniejszych pomiarów małosygnałowych.

Podsumowanie

Nowe funkcje zabezpieczeniowe, realizowane przez sterowniki polowe typu e²TANGO, umożliwią współczesnym urządzeniom EAZ jeszcze lepszą diagnostykę i analizę chronionych urządzeń i obiektów oraz poprawę niezawodności zasilania odbiorców.

Wewnętrzne zwarcie łukowe w rozdzielnicach średniego napięcia jest zjawiskiem rzadkim, ale nie niemożliwym. Skutki takiego zwarcia mogą być katastrofalne i niezwykle kosztowne. Ponadto mogą powodować zagrożenie dla zdrowia i życia ludzkiego. Zabezpieczenie łukoochronne ARC sterownika polowego e²TANGO wraz z krótkim czasem własnym wyłączania wyłącznika próżniowego e²BRAVO pozwala na bardzo szybkie przerwanie prądu zwarciowego, w czasie nawet poniżej 40 ms. Tak szybka reakcja i przerwanie stanu awaryjnego istotnie ogranicza skutki zwarcia łukowego w rozdzielnicy, sprawiając, że możliwe jest szybkie ponowne przywrócenie zasilania, a także ograniczając konsekwencje i koszty takiego zdarzenia.

Szybka detekcja i skuteczna eliminacja zjawiska ferrorezonansu jest szczególnie istotna dla układów elektroenergetycznych – ze względu na możliwość uszkodzenia zainstalowanych w nich przekładników napięciowych oraz kabli, co może prowadzić do zwarć łukowych i znacznie poważniejszych strat. Wbudowanie zabezpieczenia od ferrorezonansu w sterownik polowy umożliwia nie tylko większą kontrolę nad działaniem tego zabezpieczenia, ale też pozwala na logiczne powiązanie z innymi zabezpieczeniami. Możliwość rejestracji wykrywanych zdarzeń wystąpienia ferrorezonansu, łącznie z zapisem przebiegów prądów i napięć, pozwala na dokładniejszą analizę tego zjawiska i dopasowywanie się z działaniem zabezpieczenia do specyfiki układu, w którym to zjawisko występuje.

Jednostronny układ pomiarowy wraz z urządzeniem pomiarowym implementującym metodę detekcji zwarć na podstawie fal wielokrotnie odbitych, propagujących się liniami SN, może zostać zastosowany w rozdzielnicach SN w celu wydłużenia ich czasu życia, zmniejszenia strat materiałowych, finansowych i procesowych, będących następstwem zwarć występujących w liniach elektroenergetycznych SN. Wdrożenie jednostronnego układu pomiarowego wraz z metodą detekcji, będącego przedmiotem wynalazku, jest mniej skomplikowane i tańsze w porównaniu do układów dwustronnych. Wynalazek pozwala na poprawę bezpieczeństwa zasilania obiektu, w którym został zainstalowany, ochronę aparatury rozdzielczej jak również poprawę bezpieczeństwa obsługi i osób przebywających w pobliżu urządzeń ruchu elektrycznego.

*  *  *
W artykule zaprezentowano wyniki badań przemysłowych i prac rozwojowych zrealizowanych przez firmę Elektrometal Energetyka S.A. w ramach projektu „Budowa zintegrowanych systemów wspomagających i optymalizujących prace oraz bezpieczeństwo rozdzielnicy SN”. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Osi Priorytetowej I „Wykorzystanie działalności badawczo-rozwojowej w gospodarce” Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Mazowieckiego na lata 2014–2020.

Literatura

1. B. Koch, J. Maksymiuk, Łukoodporność rozdzielnic osłoniętych i symulacja zwarć łukowych, OWPW, Warszawa 2007.
2. IEEE 1584-2018 IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations.
3. 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.
4. J. Maksymiuk, Niezawodność maszyn i urządzeń elektrycznych, OWPW, Warszawa 2003.
5. W. Chmielak, Łukoodporność rozdzielnic w osłonie metalowej, „Wiadomości Elektrotechniczne” R. 90, nr 2/2022.
6. M. Pawłowski, Ferrorezonans w układach pomiarowych sieci zasilających, „Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa” nr 8 (486) 2011.
7. P. Suchorolski, Ferrorezonans w sieciach średnich napięć jako zagrożenie dla poprawnej pracy elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej, Wiadomości Elektrotechniczne” 1(9):37-46.
8. J. Karolak, J. Przybysz, J. Wiśniewski, Zjawiska ferrorezonansowe w sieciach elektroenergetycznych wysokiego napięcia, „Przegląd Elektrotechniczny” R 93, nr 11/2017.
9. 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.