Rozdzielnice SN – wykonania górnicze i inne wybrane rozwiązania

Rozdzielnica zwykle składa się z szeregu pól rozdzielczych, z których każde realizuje odpowiednią funkcję – przy czym można wyróżnić m.in. następujące rodzaje pól [1, 2]:

• pole dopływowe (zasilające), przy czym w zależności od źródła zasilania wyróżnia się pola dopływowe liniowe, transformatorowe i generatorowe,
• pole odpływowe (odbiorcze), przy czym w zależności od rodzaju odbioru wyróżnia się pola liniowe, transformatorowe, silnikowe i inne,
• pole pomiarowe, grupujące urządzenia do pomiarów i pomocnicze, np. przekładniki napięciowe,
• pole sprzęgłowe, w którym znajdują się łączniki sekcyjne i systemowe, służące do realizowania połączeń pomiędzy częściami rozdzielnic w rozbudowanych układach.

Jeżeli pole rozdzielnicy składa się z dwóch części (członu ruchomego i nieruchomego), które mogą być od siebie oddzielone bez użycia narzędzi, nazywamy je dwuczłonowym, w przeciwnym razie pole nazywamy jednoczłonowym.

Do podstawowych elementów wyposażenia elektrycznego pól rozdzielczych należą [1, 2]:

• szyny zbiorcze zapewniające połączenie elektryczne pomiędzy obwodami głównymi poszczególnych pól rozdzielczych,
• wyłącznik, przeznaczony do załączania i wyłączania prądów roboczych, a także do wyłączania prądów zakłóceniowych: wyłącznik w polu dopływowym służy do załączania/wyłączania zasilania całej rozdzielnicy oraz do wyłączania zwarć na szynach zbiorczych; wyłącznik w polu odpływowym służy do załączania i wyłączania odpływu,
• odłączniki, służące do stworzenia bezpiecznej przerwy izolacyjnej pomiędzy włącznikiem a szynami zbiorczymi lub kablem dopływowym (odpływowym),
• uziemnik – łącznik służący do uziemiania i zwierania odpływu odłączonego od szyn zbiorczych.

Parametry i budowa rozdzielnicy SN

Rozdzielnice średniego napięcia budowane są na napięcia znamionowe w zakresie od 7,2 do 36 kV o wartościach 7,2; 12; 17,5; 24 i 36 kV do wykorzystania w sieciach średniego napięcia 6; 10; 15; 20 i 30 kV. Oferowane są również rozwiązania na wyższe napięcia znamionowe, jak np. rozdzielnica o napięciu znamionowym do 40,5 kV.

Prądy znamionowe ciągłe szyn zbiorczych rozdzielnic średniego napięcia wynoszą najczęściej od 400 do 4000 A, a prądy znamionowe krótkotrwałe (1-sekundowe) osiągają wartości 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40, 50, 62,5 kA, natomiast prądy dynamiczne wynoszą odpowiednio 40; 50; 63; 80; 100, 125 i 180 kA.

W zależności od występujących narażeń środowiskowych rozdzielnice średniego napięcia oferowane są w wykonaniu o różnym stopniu ochrony IP obudowy (IPXX).

Odporność na działanie łuku wewnętrznego sprawdza się według wymagań normy PN-EN 62271-200:2012, a wyniki prób (prąd zwarciowy i czas, przy jakim zostały spełnione wymagania normy) są podawane jako jedna z podstawowych danych znamionowych. Wymiary zewnętrzne i masa rozdzielnicy zależą od parametrów znamionowych, konstrukcji, wyposażenia oraz liczby pól rozdzielnicy.

W chwili obecnej najbardziej zaawansowane technologicznie są rozdzielnice średniego napięcia w izolacji gazowej sześciofluorkiem siarki SF6. Te kompaktowe rozdzielnice są odporne na wpływ środowiska zewnętrznego i praktycznie nie wymagają zabiegów konserwacyjnych.

Modułowa struktura elektronicznego systemu nadzoru i zwarta budowa stanowią o właściwym rozwiązaniu dla energetyki, budownictwa komercyjnego i przemysłu.

Zakres pól rozdzielnicy stanowią pola wyłącznikowe, rozłącznikowe i pomiarowe.

Kable do rozdzielnicy podłączane są przez typowe adaptery łączone na wcisk z izolatorem przepustowym. Każdy moduł takiej rozdzielnicy może się składać z kilku pól, a ich liczba jest różna w zależności od producenta. Połączenie między modułami realizowane jest za pomocą izolowanego łączenia szynowego typu wtykowego. Ten sposób umożliwia konfigurację dowolnej rozdzielnicy, system rozbudowy jest łatwy do przeprowadzenia i nie wymaga prac z gazem SF6 [3].

Tańszą alternatywą są rozdzielnice SN w obudowie metalowej w izolacji powietrznej. Rozdzielnice te charakteryzują się wysoką uniwersalnością, co pozwala stosować je zarówno w tańszych systemach rozdzielczych rozłącznikowych, jak i w systemach wymagających zastosowania wyłączników.

Sąsiadujące ze sobą pola rozdzielnicy są oddzielane od siebie przegrodami metalowymi, za wyjątkiem przedziału szyn zbiorczych, gdzie mogą zostać zainstalowane ogniotrwałe przegrody izolacyjne.

Dla zwiększenia bezpieczeństwa obsługi stosowane są obecnie w powyższych rozdzielnicach następujące rozwiązania techniczne [3]:

• wszystkie pola wyposażone są w uziemniki,
• wyłącznika lub rozłącznika nie da się zamknąć przy zamkniętym uziemniku,
• badanie obecności napięcia jest przeprowadzane przy zamkniętych drzwiach rozdzielnicy,
• okienka znajdujące się w drzwiach pozwalają sprawdzić pozycję łączników przy zamkniętych drzwiach.

Biorąc pod uwagę miejsce zainstalowania, wyróżnia się rozdzielnice wnętrzowe i napowietrzne, przyścienne i wolno stojące, a ze względu na możliwość ich przemieszczania, dzieli się je na stacjonarne i przenośne. W zależności od możliwości dostępu do aparatów i osprzętu rozdzielnice można podzielić na rozdzielnice z dostępem jednostronnym i dwustronnym (od przodu i z tyłu).

Innym kryterium podziału może być sposób montażu aparatów i łączników w polu rozdzielnicy. Z tego względu w rozdzielnicach jednoczłonowych wszystkie aparaty zamocowane są na stałe do konstrukcji rozdzielnicy. Jednak to rozwiązanie stwarza problemy z konserwacją i ewentualną naprawą związaną ze zwartą zabudową rozdzielnicy. Z tego względu powstały konstrukcje dwuczłonowe, w których część aparatów montowana jest na stałe do konstrukcji rozdzielnicy, a pozostałe wysuwane są w postaci wózka.

Elementem wysuwanym jest najczęściej wyłącznik główny lub stycznik. W rozwiązaniu tego typu naprawa lub wymiana uszkodzonego elementu jest znacznie łatwiejsza i szybsza niż w konstrukcji jednoczłonowej. Obecnie dzięki zastosowaniu wyłączników próżniowych i typu SF6 różnice w komforcie eksploatacji zaczynają się zacierać [3].

Łuk elektryczny

Zwarciem łukowym nazywane jest zwarcie w przedziale rozdzielnicy, któremu towarzyszy palący się pomiędzy szynami, szynami a obudową rozdzielnicy lub pomiędzy torami prądowymi aparatów łuk elektryczny.

Podawanych jest wiele przyczyn powstawania zwarć [3, 4]. Można wyróżnić podział na elektryczne i nieelektryczne.

Do przyczyn elektrycznych można zaliczyć [3]:

• pomyłki łączeniowe,
• długotrwałe przeciążenia,
• przepięcia atmosferyczne,
• przepięcia łączeniowe.

Do przyczyn nieelektrycznych zalicza się [4, 8]:

• niewłaściwą eksploatację urządzeń elektrycznych, np. pozostawione narzędzia na szynach wewnątrz rozdzielnicy,
• działanie zwierząt (ptaki, gryzonie, zwierzęta domowe),
• zawilgocenie i (lub) uszkodzenie mechaniczne izolacji,
• wady fabryczne zastosowanych urządzeń.

W przypadku wystąpienia zwarcia łukowego:

• następuje wzrost prądów powodujących nagrzewanie się torów prądowych aparatów i urządzeń, a tym samym przyspieszone starzenie izolacji,
• prądy zwarciowe wywołują powstawanie dużych sił elektrodynamicznych pomiędzy torami prądowymi oraz torami prądowym i konstrukcjami ferromagnetycznymi. W wyniku tych sił powstają naprężenia mechaniczne izolatorów szyn, izolatorów aparatów i urządzeń, uszkodzeń mechanicznych aparatury pomiarowej,
• łuk elektryczny podlega działaniom sił elektrodynamicznych, w wyniku których zaczyna się przemieszczać wzdłuż szyn w rozdzielnicy,
• przemieszczający się łuk elektryczny nagrzewa powietrze, a tym samym przyczynia się do wzrostu temperatury i ciśnienia wewnątrz przedziałów rozdzielnicy,
• gwałtowne zmiany ciśnienia powietrza wewnątrz przedziałów rozdzielnicy powodują wzrost naprężeń mechanicznych konstrukcji wsporczych, drzwi i ścian rozdzielnicy,
• wysoka temperatura łuku wywołuje uszkodzenia termiczne przedziałów rozdzielnicy (wypalenie przedziałów) oraz uszkodzenia cieplne izolacji,
• produkty spalania elementów poddanych działaniu łuku w połączeniu z wysoką temperaturą powietrza przyczyniają się do powstania przewodzących warstw na powierzchni izolacji urządzeń, uniemożliwiając ich poprawną dalszą pracę.

Istnieje szereg teoretycznych opracowań opisujących model zwarcia łukowego oraz zjawisk, które mu towarzyszą. Energia cieplna zwarcia jest uzależniona od dwóch zmiennych – czasu jego trwania oraz poziomu prądu zwarciowego, według wzoru Q = I2 · t. Możemy mieć wpływ tylko na jeden z tych czynników – czas.

Skracanie czasu trwania zwarcia jest jednym sposobem na ograniczanie niekorzystnych skutków zwarć łukowych.

Na rys. 1. przedstawiono wyniki prób przeprowadzonych w warunkach stanowiskowych dla prądów zwarciowych 2,2 i 0,7 kA U = 3 kV [4].

Na wykresie energia łuku rośnie proporcjonalnie do czasu trwania zwarcia. Współczynnik korelacji czasu trwania zwarcia i wyzwolonej energii wzrasta wraz ze wzrostem prądu zwarcia.

W przypadku zwarć wysokoenergetycznych, o prądach zwarciowych na poziomie od kilku do kilkudziesięciu kA, wzrost energii jest szybszy w stosunku do czasu.

Trudno precyzyjnie przewidzieć zakres zniszczeń w przypadku realnego zwarcia łukowego w konkretnej rozdzielnicy. Dobrym sposobem na określenie zakresu zniszczeń jest prześledzenie większej liczby faktycznych przypadków. Jednak w literaturze niezmiernie rzadko można natrafić na tego typu opracowania.

Jak było to już wspomniane, najczęściej informacje o zwarciach nie wychodzą poza bramy obiektów, w których miały miejsce. Niestety, taki stan rzeczy ma niekorzystne konsekwencje z punktu widzenia poszerzania wiedzy o skutkach zwarć [4].

Zabezpieczenia przed łukiem elektrycznym

W przypadku niewłaściwej konstrukcji rozdzielnicy, np. przy braku elementów dekompresyjnych, mogą wystąpić odkształcenia osłon i drzwi, jak również elementów mocujących te osłony, umożliwiając wypływ gorących i zjonizowanych gazów w kierunku osób lub innych urządzeń.

Cieplne działanie łuku elektrycznego może doprowadzić do ciężkich oparzeń ciała, nawet w znacznej odległości od rozdzielnicy.

Powstające nadciśnienie w rozdzielnicy powoduje silne naprężenia mechaniczne elementów konstrukcji (wsporników, zawiasów drzwi itp.) mogące doprowadzić do ich rozerwania.

Straty materialne powstające w następstwie zwarć łukowych wynikają nie tylko z uszkodzeń samej rozdzielnicy, ale także powiązane są z przerwami w dostawie energii elektrycznej do odbiorców. Pomimo stosowania coraz to nowszych materiałów konstrukcyjnych i technologii budowy rozdzielnic, nie można wykluczyć w procesie projektowania możliwości wystąpienia zwarcia łukowego [3, 4].

Wielu zwarciom występującym w rozdzielnicach elektroenergetycznych towarzyszy łuk elektryczny. Bardzo często pozostawia on po sobie znaczne zniszczenia, jak również stwarza zagrożenie dla życia.

W ostatnich latach coraz częściej rozdzielnice wyposażane są w zabezpieczenia łukowe współpracujące z czujnikami optycznymi. Kryterium identyfikacji zwarcia, jakim jest światło emitowane przez łuk zwarciowy, jest najszybszym z możliwych kryteriów, dzięki temu zabezpieczenia te są w stanie wytworzyć sygnał sterujący otwarciem wyłącznika w czasie nieprzekraczającym 10 ms.

Zabezpieczenia te, oprócz szybkiego wykrycia zwarcia, pozwalają również na jego lokalizację, dzięki czemu możliwa jest szybka i selektywna reakcja w przypadku wystąpienia zwarcia łukowego, co znacząco ogranicza jego niszczące skutki. Powyższe zalety sprawiają, że zainteresowanie zabezpieczeniami łukowymi wciąż rośnie [3, 4].

Wykonania dla górnictwa

Rozdzielnice SN eksploatowane w podziemnych zakładach górniczych muszą spełniać wymagania określone w Ustawie z dnia 9 czerwca 2011 – Prawo geologiczne i górnicze [5] i rozporządzeniach: Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych [6] i Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 30 kwietnia 2004 r. w sprawie dopuszczania wyrobów do stosowania w zakładach górniczych [7]. Wymagania te są bardziej restrykcyjne niż te, które obowiązują w innych zakładach przemysłowych. Wynika to w głównej mierze z konieczności ochrony zdrowia i życia człowieka oraz bardzo trudnych warunków użytkowania urządzeń elektroenergetycznych.

Zgodnie z punktem 3.3.6 i 3.3.7 załącznika nr 1 do Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 30 kwietnia 2004 r. w sprawie dopuszczania wyrobów do stosowania w zakładach górniczych [7], sprzęt elektryczny i aparatura łączeniowa na napięcie powyżej 1 kV prądu przemiennego i napięcie powyżej 1,5 kV prądu stałego, powinny być wykonane w sposób zapewniający bezpieczeństwo w czasie pracy i konserwacji. Wykonanie sprzętu zgodnie z wymaganiami określonymi w odpowiednich Polskich Normach stwarza domniemanie, że wyrób jest bezpieczny.

Zgodnie z punktem 3.3.8 załącznika nr 1 do rozporządzenia [7] sprzęt elektryczny powinien być dostosowany do napięć znormalizowanych zgodnie z Polską Normą dla wysokonapięciowej aparatury rozdzielczej i sterowniczej uzupełnionej o wartości 3,3 kV i 6 kV.

Kable, szyny, przewody i części przewodzące urządzeń powinny być wykonane z miedzi.

Obudowy i izolacje przewodów elektrycznych powinny być wykonane z materiałów niepalnych lub trudno zapalnych.

Materiały użyte na obudowy powinny być odporne na działanie czynników chemicznych mechanicznych i elektrycznych.

Stopień ochrony przed dotykiem bezpośrednim niebezpiecznych części obwodów głównych i pomocniczych oraz szkodliwym wnikaniem wody nie może być mniejszy niż IP54 [7]. Natomiast stopień ochrony wewnętrznych przegród nie może być mniejszy niż IP32.

Maksymalna zawartość aluminium użytego do budowy obudowy urządzenia elektrycznego nie może wynosić masowo więcej niż 15% [7].

Zgodnie z punktem 3.3.5 załącznika nr 1 do rozporządzenia [7] rozdzielnice i wyposażenie w nich zainstalowane powinny być przystosowane m.in. do temperatury otoczenia w zakresie od –10°C do +40°C oraz wilgotności względnej do 95% w temperaturze +40°C. Dodatkowo powinny być wyposażone w łączniki uziemiające (punkt 3.3.9 załącznika nr 1 do rozporządzenia [7]), a łączniki stosowane nie powinny zawierać oleju (punkt 3.3.11 załącznika nr 1 do rozporządzenia [7]).

Rozdzielnice powinny być wykonane w sposób zapewniający zmniejszenie prawdopodobieństwa wystąpienia zwarć wewnętrznych oraz ich skutków. Wykonanie rozdzielnic zgodnie z wymaganiami określonymi w Polskiej Normie stwarza domniemanie, że wymaganie zostało spełnione.

Obwody sterownicze powinny uniemożliwić niekontrolowane załączenie łącznika: w wyniku wstrząsów drgań mechanicznych lub spowodowanych oddziaływaniem prądów błądzących lub w przypadku zaniku napięcia, a następnie jego powrotu (nie dotyczy maszyn o przeznaczeniu specjalnym, których samoczynne załączenie jest wymagane procesem technologicznym) lub przy wzroście napięcia zasilania do 1,5-krotnej wartości napięcia znamionowego – zgodnie z punktem 3.3.13 załącznika nr 1 do rozporządzenia [7].

Dodatkowo zgodnie z punktem 3.4.15 załącznika nr 1 do rozporządzenia [7] elementy wykonawcze zewnętrznego obwodu sterowniczego zintegrowanych systemów sterowania kompleksów wydobywczych i przodkowych powinny umożliwiać prawidłowe sterowanie urządzeniami przy napięciu zasilania od 0,85 do 1,2-krotnej wartości napięcia znamionowego. Zewnętrzny obwód sterowniczy powinien powodować wyłączanie maszyny i zablokowanie stanu wyłączenia w przypadku: wzrostu rezystancji zewnętrznej pętli obwodu sterowniczego do wartości 600 Ω lub obniżenia rezystancji izolacji pomiędzy żyłami sterowniczymi lub pomiędzy dowolną żyłą sterowniczą a ziemią do wartości 2000 Ω.

Zgodnie z punktem 3.4.18 załącznika nr 1 do rozporządzenia [7] elementy wykonawcze obwodów sterowniczych, spełniających jednocześnie funkcję obwodów kontroli ciągłości uziemienia, powinny powodować wyłączenie i zablokowanie możliwości załączenia w przypadku wzrostu rezystancji obwodu powyżej 100 Ω.

Możemy spotkać ognioszczelne rozdzielnice średniego napięcia, przeznaczone do pracy w podziemnych zakładach górniczych, w pomieszczeniach zaliczonych do stopnia „a”, „b” lub „c” niebezpieczeństwa wybuchu metanu oraz klasy „A” lub „B” zagrożenia wybuchem pyłu węglowego.

W ognioszczelnych polach rozdzielczych stosuje się najczęściej wysokiej jakości mikroprocesorowe zespoły zabezpieczeń oraz wyłączniki lub styczniki średnich napięć w obwodach mocy. Pola rozdzielcze mogą być wyposażone w dwa odłączniki (szynowy i liniowy, wersja standardowa) lub 3 odłączniki (szynowy i dwa liniowe, wersja dwuodpływowa) z uziemnikiem szybkim. Zastosowanie aparatury łączeniowej i sterowników polowych zapewnia dużą funkcjonalność i wysoki poziom bezpieczeństwa obsługi w systemach energetycznych kopalń metanowych [10].

Pola rozdzielcze mogą być wyposażone w aparaturę sterowniczą oraz opcjonalnie w aparaturę teletransmisyjną w wykonaniu iskrobezpiecznym kategorii „ia”.

Możemy spotkać następujące rodzaje sterowania polem rozdzielczym [8, 10]:

• sterowanie lokalne (z blokadą oraz bez blokady),
• sterowanie zdalne (z blokadą oraz bez blokady),
• sterowanie i wizualizacja z systemu dyspozytorskiego (poprzez system teletransmisyjny).

Literatura

1. W. Dołęga, Stacje elektroenergetyczne, OWPWr, Wrocław 2007.
2. S. Boron, Rozdzielnice kopalniane, Materia dydaktyczne, Politechnika Śląska, Gliwice 2011.
3. K. Kuczyński, Eksploatacja rozdzielnic SN w trudnych warunkach, „elektro.info” 7–8/2013.
4. M. Kaźmierczak, Zwarcia łukowe – doświadczenia eksploatacyjne w polskiej energetyce zawodowej i przemysłowej, „Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie” nr 2/2012.
5. Ustawa z dnia 9 czerwca 2011 r. Prawo geologiczne i górnicze (DzU z 2011 r., nr 163, poz. 981 z późn. zm.).
6. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych (DzU z 2002 r., nr 139, poz. 1169, z późn. zm.).
7. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 30 kwietnia 2004 r. w sprawie dopuszczania wyrobów do stosowania w zakładach górniczych (DzU z 2004 r., nr 99, poz. 1003, z późn. zm).
8. J. Wosik, M. Kalus, A. Kozłowski, S. Wapniarski, Wymagania, konstrukcja i badania rozdzielnicy średniego napięcia budowy przeciwwybuchowej w wykonaniu ognioszczelnym typu PREM-GO, Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa nr 10/2012.
9. Materiały firmy ABB.
10. Materiały firmy Elektrometal.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!