Zaloguj
Spis treści
Zabezpieczenia sieci
Pokazana aparatura pomiarowa mierząca parametry sieci ma za zadanie ich monitorowanie, wyświetlanie i ewentualnie przesyłanie do systemów nadzoru SCADA. Są to bardzo istotne pomiary pozwalające na monitorowanie systemów energetycznych na wszystkich poziomach od wytwórcy energii, poprzez przesyłanie (linie i stacje rozdzielcze), aż do końcowego odbiorcy.
W energetyce stosuje się, na szeroką skalę, aparaturę zabezpieczającą łączącą układy pomiarowe z logiką zabezpieczającą. Łatwo sobie wyobrazić, jakie skutki miałyby zwarcia w liniach energetycznych, gdyby nie stosowano układów wykrywających zwarcia i odłączających zwarte fragmenty sieci od zasilania. Uszkodzenia linii mogą mieć różne przyczyny. Jedną z głównych są zjawiska pogodowe: silne wiatry, duże opady śniegu, szadź itp.
Szczególnie groźna może być szadź, która się osadza na przewodach i słupach energetycznych. Po wpływem jej ciężaru rwą się przewody i łamią słupy, powodując rozległe awarie. Uszkodzeniu ulegają również izolatory (starzenie, uszkodzenia mechaniczne) i ogólnie izolacja, na przykład kabli SN i NN, transformatorów, silników czy innych urządzeń.
Rozróżniane są dwa rodzaje zwarć: międzyfazowe i doziemne. Każde z nich ma swoją specyfikę i jest inaczej wykrywane. Zwarcie międzyfazowe powstaje po zwarciu przewodów fazowych między sobą. Charakteryzuje się przepływem dużych prądów i wyzwoleniem dużej ilości energii.
Z technicznego punktu widzenia jest łatwe do wykrycia, bo wystarczy zmierzyć prąd i jeżeli jego wartość osiągnie zadany próg, to zabezpieczenie zadziała, odłączając zwarty odcinek linii. W obwodach pomiarowych wykrywających zwarcia powinno się stosować przekładniki prądowe specjalnie przeznaczone do tego celu. Krzywa magnesowania powinna być liniowa w zakresie prądów wielokrotnie przekraczających zakres prądów roboczych.
Dokładność pomiaru w zakresie prądów roboczych nie jest tu istotna tak, jak w przekładnikach przeznaczonych do pomiaru prądów roboczych.
Drugim rodzajem zwarcia jest zwarcie przewodu fazowego z ziemią. W pewnych rodzajach sieci prąd zwarcia może być mniejszy od prądów roboczych i kryterium prądowe zakładające, że prąd zwarcia jest wielokrotnie większy od prądów roboczych, się nie sprawdzi. Dlatego stosuje się inne metody wykrywania takich zwarć.
Układy zabezpieczeń w sieci SN – smart grid
W ostatnich latach szczególnego znaczenia nabiera automatyka smart grid realizowana w głębi sieci średniego napięcia SN. Ta sieć jest najbardziej rozległa i najbardziej narażona na uszkodzenia. Prawo nakłada na dystrybutorów energii obowiązek skutecznego ograniczania przerw w dostarczeniu energii. Żeby się z tego wywiązać, stosuje się układy wykrywania przepływającego prądu zwarciowego – sygnalizatory zwarć.
Sygnalizatory mogą tylko wykryć zwarcie i przekazać tę informację drogą radiową do systemu nadrzędnego lub zależnie od podłączonej do nich aparatury łączeniowej automatycznie dodatkowo odłączać uszkodzony odcinek linii w przerwie beznapięciowej. Możliwe jest też wyłączanie prądów zwarciowych przez specjalne aparaty wyposażone w komory próżniowe lub komory ze specjalnym gazem gaszącym łuk elektryczny. Żeby wykryć zwarcie, trzeba mierzyć prąd przepływający przez linię. Algorytmy wykrywania zwarć są bardziej precyzyjne, kiedy jednocześnie mierzy się napięcie we wszystkich trzech fazach.
W systemach smart grid najbardziej funkcjonalnym, ale równocześnie najbardziej kosztownym elementem jest reklozer. To zespół sterownik–aparat łączeniowy, który oprócz wykrywania zwarć, może również wyłączać linię i załączać ją na zwarcie. Załączanie na zwarcie ma na celu usunięcie zwarcia na linii spowodowanego przez ptaki, spadające gałęzie, łodygi itp. Przepływający prąd zwarciowy potrafi spalić przyczynę zwarcia i linię można szybko ponownie załączyć do pracy. Układ sterownika ma za zadanie wykryć zwarcie i jego rodzaj oraz wykonać cykl łączeń na zwarcie.
Jeżeli po określonej liczbie cykli zwarcie jest dalej aktywne, to linia jest definitywnie wyłączana.
Przykładem sterownika wyposażonego w układy pomiarowe i automatykę zabezpieczeń jest SO-54SR-111 REK produkcji polskiej firmy Mikronika (fotografia 9). Urządzenie jest wyposażone w panel sterujący z graficznym wyświetlaczem LCD zintegrowanym z panelem dotykowym. SO-54SR-111-REK mierzy trzy prądy fazowe za pomocą cewek Rogowskiego. Na podstawie tych pomiarów jest wyznaczany prąd 3I0. Do pomiaru napięć na liniach wykorzystuje się dzielniki pojemnościowe. Układ mierzy 6 napięć: 3 napięcia fazowe od strony zasilania i 3 napięcia fazowe od strony obciążenia. Na podstawie tych pomiarów jest wyznaczane napięcie 3U0. Zabezpieczenie nadprądowe (zwarcie międzyfazowe) może mieć progi wyzwalania z zakresu od 20 A do 2000 A.
Dodatkowo jest definiowany czas, przez jaki może trwać zwarcie (od momentu wykrycia do momentu ustąpienia lub wyłączenia wyłącznika). Zabezpieczenie ziemnozwarciowe może być wykrywane według kilku wariantów: biernomocowe, czynnomocowe, admitancyjne kierunkowe i bezkierunkowe. W układ wbudowano też zabezpieczenia podczęstotliwościowe, nadnapięciowe i podnapięciowe.
Urządzenie SO-54SR-111-REK jest konfigurowane przez firmowy program pConfig. Prawidłowe skonfigurowanie pracy zabezpieczenia współpracującego z reklozerem, pracującego w głębi sieci SN, wymaga sporej wiedzy i doświadczenia. Instalacja reklozera jest stosunkowo droga i jest umieszczana w sieci w miejscach pozwalających na jak najszybsze automatyczne usunięcie zwarcia lub wyłączenie uszkodzonego odcinka sieci. System wyszukiwania zwarcia w sieci jest wspomagany przez prostsze i o wiele tańsze układy sygnalizatorów zwarć, które mogą być połączone ze sterowanymi odłącznikami mogącymi odłączać fragmenty uszkodzonej sieci w przerwie beznapięciowej. Sygnalizatory zwarć mierzą przepływający prąd w fazach linii przesyłowych i potrafią wykrywać zwarcia międzyfazowe lub doziemne. Są również warianty z układem pomiaru napięć fazowych z pojemnościowymi sensorami napięcia.
Przykładem takiego sterownika jest SO-54SR -3xx (fotografia 10) spełniający funkcje pomiarowe, sterownicze, telemechaniki, sygnalizatora zwarć, sekcjonalizera i rejestratora zakłóceń. Zależnie od wersji prąd w fazach może być mierzony przez przekładniki prądowe lub cewki Rogowskiego.
Do pomiaru napięcia w trzech fazach wykorzystuje się sensory z dzielnikami reaktancyjnymi. Na podstawie tych pomiarów odbywa się detekcja zwarć według kryteriów: nadprądowego (międzyfazowe i doziemne), admitancyjnego, konduktancyjnego i suseptancyjnego (doziemne).
W liniach wysokich napięć stosuje się również zabezpieczenia przed zwarciami. Działają na takiej samej zasadzie, jak opisywane wyżej zabezpieczenia sieci średnich napięć. Ze względu na specyfikę rozdzielni WN zabezpieczenia mogą być specjalizowane i przeznaczone do konkretnych pól rozdzielni, jak na przykład zabezpieczenie linii WN, zabezpieczenie transformatora, szyn zbiorczych itp. Przykładem może być zabezpieczenie ziemnozwarciowe RloK-442 produkcji ZEG -Energetyka Tychy przeznaczone do ochrony sieci wysokiego napięcia przed skutkami zwarć jednofazowych z ziemią (fotografia 11).
Zaprezentowana aparatura pomiarowa wykonuje głównie pomiary napięć i prądów oraz częstotliwości i zniekształceń harmonicznych. Te pomiary skupiają się w dwu grupach zastosowań: pomiarów jakości energii oraz pomiarów do celów zabezpieczeń sieci energetycznej i generatorów przed skutkami zwarć i przeciążeń. To bardzo ważne elementy niezbędne do właściwej diagnostyki sieci energetycznych i zapewnienia ciągłej dostawy energii. Pomiar napięć i prądów jest też wykorzystywany w celu zliczania sprzedanej energii. Liczniki energii elektrycznej są montowane nie tylko u odbiorców końcowych, ale też na stacjach energetycznych czy w elektrowniach. Liczniki wykorzystują do pomiaru prądów i napięć podobne sensory jak już opisane wyżej. Do rozliczeń energii muszą się charakteryzować odpowiednią klasą dokładności. W gospodarstwach domowych i pewnie nie tylko spotyka się jeszcze stare elektromechaniczne liczniki z wirującą tarczą i mechanicznym liczydłem, ale są one coraz liczniej zastępowane przez liczniki elektroniczne. Liczniki elektroniczne są trwalsze i tańsze w produkcji, bo nie wymagają wykonywania drogich elementów mechaniki precyzyjnej. Elektronika zapewnia możliwość zdalnego odczytu przez łącza radiowe, na przykład GSM/GPRS.
W instalacjach OZE, na przykład fotowoltaicznych, konieczne jest stosowanie dwukierunkowego pomiaru energii czynnej. Kiedy właściciel instalacji produkuje więcej energii, niż potrzebuje, to jest ona oddawana do sieci energetycznej i licznik musi to potrafić zliczyć. Przykładem nowoczesnego licznika o dużych możliwościach jest smartESOX P produkowany przez firmę Apator (fotografia 12). Licznik potrafi zliczać energię czynną, bierną i pozorną oraz mierzyć moce chwilowe, maksymalne i nadmiarowe. Ma też funkcje spotykane w miernikach jakości sieci, czyli pomiary napięć, prądów, harmonicznych napięć i prądów, łącznie z wyliczaniem współczynnika zniekształceń THD, obniżenia i podwyższenia napięcia. Całość uzupełnia funkcja rejestratora zdarzeń oraz porty komunikacyjne i radiowe moduły komunikacji GSM. Tego typu liczniki mogą być montowane w sieciach niskiego, średniego i wysokiego napięcia.
