Ciebie też to może spotkać…

Wśród obecnych na rynku rejestratorów są urządzenia wykonujące krótką rejestrację dołączonych sygnałów w momencie wystąpienia zakłócenia. Zamiast wielu megabajtów ciągłych zapisów, użytkownik ma do przejrzenia zwykle stosunkowo niewielkie rejestracje, obejmujące pewien czas sprzed zakłócenia i pewien czas po nim. Do takich rejestratorów należy SRZ-AMP produkcji warszawskiej firmy TRONIA Sp. z o.o.

Prąd płynie, napięcie się kołysze, a stan konta rośnie z każdą watosekundą. Pracownicy elektrowni, zakładów energetycznych, wydziałów elektrycznych z nudów grają w warcaby, od czasu do czasu miotełką odkurzają aparaturę, a ich jedynym obowiązkiem jest odnotowywanie jak zwykle dobrych wskaźników. ..

Czy to nie przyjemna wizja?

Czasem jednak coś zakłóca tę sielankę.  Przesłuchy, a czasem wręcz iskrzenia między kablami, uruchamianie silników, przełączanie dużych prądów, zakłócenia harmoniczne wnoszone przez źle wyregulowane lub źle zaprojektowane maszyny, awarie urządzeń  - wszystkie te zjawiska muszą być uważnie obserwowane przez służby energetyczne, gdyż mogą doprowadzić do niewłaściwej pracy jednych urządzeń, lub do uszkodzenia innych.

Zwykle przyjmuje się, że jeśli maszyny pracują, to znaczy, że zasilanie jest prawidłowe. Jest to jak najbardziej błędne podejście i nawet okresowe kontrole przebiegów napięć i prądów w poszczególnych odgałęzieniach obwodu energetycznego nie tłumaczą beztroski osób odpowiedzialnych za utrzymanie ruchu. Wielu uważa, że ponieważ niektóre zabezpieczenia posiadają funkcję rejestracji, więc nie będzie problemów z analizą ewentualnej awarii. Z tym również mogą być problemy. Zabezpieczenia służą do… zabezpieczania, a wszelkie inne funkcje, włącznie z wizualizacją, sygnalizacją i rejestracją, są traktowane przez ich oprogramowanie jako funkcje uboczne. Wiążą się z tym problemy odbierania rejestracji  z urządzenia, zaś zwykle ubogi zestaw narzędzi analitycznych nie pozwala na zbyt głęboką interpretację uzyskanych zapisów.

Rozwiązaniem są dedykowane systemy rejestracji zakłóceń, których zadania można zebrać w następujące punkty:

1. Monitorowanie dołączonych sygnałów
2. Zarejestrowanie czasowych przebiegów sygnałów w przypadku spełnienia warunków ustalonych w konfiguracji
3. Szybkie przekazania użytkownikowi zarówno informacji o zakłóceniach, jak i samych rejestracji
4. Ułatwienie analizy rejestracji, w celu szybkiego ustalenia źródła, przebiegu i konsekwencji zakłóceń.
5. Ułatwienie wykonania dokumentacji po awarii
6. Umożliwienie przechowywania rejestracji tak, aby można je było analizować nawet po dłuższym czasie.

Opracowano wiele typów rejestratorów, które w różnym stopniu realizują poszczególne punkty.  Jedne umożliwiają szybki dostęp do rejestracji (np. rejestratory zapisujące przebiegi na taśmie papierowej), inne umożliwiają pomiary z dużą częstotliwością próbkowania (od kilkudziesięciu do kilkuset tysięcy próbek na sekundę), a jeszcze pozwalają na dołączenie wielu (nawet kilku tysięcy) sygnałów. Są urządzenia, które nie zapisują przebiegów czasowych, a tylko informacje przetworzone (np. moc czynną lub bierną, różnicę faz itp.). Czasem zapis jest wykonywany raz na minutę lub rzadziej, co z jednej strony pozwala zmniejszyć ilość rejestrowanej, a potem analizowanej informacji, ale z drugiej strony nie pozwala na odtworzenie czasowych przebiegów sygnałów z momentu awarii.

Wśród rejestratorów zakłóceń elektrycznych wyróżnia się rejestrator SRZ-AMP produkcji warszawskiej firmy TRONIA Sp. z o.o.. Jego modułowa konstrukcja umożliwia łatwe dostosowanie urządzenia do aktualnych potrzeb użytkownika. Nawet w wiele lat po zakupie możliwa jest rozbudowa, podział lub zmiana konfiguracji sprzętowej rejestratora.

Również oprogramowanie rejestratora wyróżnia się elastycznością, zaś udostępniane narzędzia analityczne pozwalają na głęboką analizę rejestracji, z której mogą skorzystać zarówno pracownicy elektrowni (analiza pracy wirnika generatora w trakcie awarii), zakładów energetycznych (lokalizacja miejsca zwarcia w liniach przesyłowych wysokiego napięcia, analiza pracy automatyki przełączającej) jak i konsumentów energii (analiza zakłóceń harmonicznych, obciążenie poszczególnych magistral prądowych, przesłuchy między kablami itp.).

W poprzednim artykule („Po co mi rejestrator?”, Urządzenia dla Energetyki nr 8/28 (V), grudzień 2007 r., str. 52) opisałem możliwości analizy zakłóceń przy pomocy oprogramowania rejestratora SRZ-AMP.  Funkcje te mogą mieć zastosowanie w większości firm wykorzystujących rejestratory.

Tym razem chciałbym skupić się na wykorzystaniu rejestratora SRZ-AMP do analizy pracy generatora w elektrowni. Pokażę, jak łatwo można prześledzić zakłócenia punktu pracy generatora podczas awarii, jak również zmiany kąta wirnika względem zastępczej SEM systemu. Jednocześnie jest to kolejny przykład wyższości dedykowanych rejestratorów nad urządzeniami rejestrującymi, które udostępniają najczęściej bardzo ograniczony wachlarz narzędzi analitycznych. Związany z rejestratorem SRZ-AMP program Analiza wyróżnia się przy tym intuicyjnym działaniem, bogactwem opcji oraz funkcjonalnością, wynikającą ze ścisłej współpracy z użytkownikami, którzy użyteczność przedkładają nad tanie gadżety i „osiągi”.

Popatrzmy na wykres rejestracji, wykonanej w jednej z elektrowni podczas silnego zakłócenia, które doprowadziło do zadziałania zabezpieczeń i wyłączenia bloku.

Rys. 1. Fragment przykładowej rejestracji zakłócenia.

Pokazane na rys. 1 przebiegi czasowe na pierwszy rzut oka nie mówią nic ponad to, że w pewnym momencie wystąpił wzrost prądu we wszystkich fazach, który doprowadził do zakłócenia amplitud napięć i wyłączenia generatora przez układy automatyki. Spróbujmy sięgnąć nieco głębiej.

Ponieważ mamy do czynienia z układem trójfazowym, wyliczmy składowe symetryczne zgodne. Uzyskamy w ten sposób po jednym przebiegu dla prądów i napięć, które uwzględniają zmiany we wszystkich fazach.  Pozostawmy przebieg napięcia podwzbudnicy. W efekcie uzyskujemy wykresy pokazane na rys. 2.

Możemy teraz przeanalizować zmiany punktu pracy generatora podczas zakłócenia.

W celu wyznaczenia punktu pracy, musimy wykonać kolejne przekształcenie, a mianowicie, na podstawie przebiegów napięć i prądów, a w tym przypadku ich składowych zgodnych, wyznaczyć przebiegi rezystancji i reaktancji. Pokazane są na rys. 3.

Rys. 2. Wykresy składowych zgodnych dla napięć i prądów oraz napięcia podwzbudnicy.

Rys. 3. Przebiegi rezystancji i reaktancji, „widziane” przez rejestrator.

W dalszym ciągu trudno zauważyć w tych przebiegach coś interesującego. Zmniejszaniu rezystancji towarzyszy wzrost reaktancji, a na koniec przebiegi zakołysały się, choć nie jednocześnie. Pozostawienie ich w takiej postaci nie wzbudzi niczyjego zainteresowania – ot, jeszcze jedno zakłócenie, nad którym należy przejść do porządku.

Dopiero wykonanie trajektorii, czyli wykresu rezystancji w funkcji reaktancji i w funkcji czasu pokaże prawdziwą walkę, jaką stoczył generator w obronie stabilności pracy.

Rys. 4. Trajektoria punktu pracy generatora.

Trajektoria punktu pracy, pokazana na rys. 4 pokazuje to, co trudno uzyskać z prostego zapisu prądów i napięć. Jak pokazałem, uzyskanie takiego wykresu wymaga wykonania kilku przekształceń. Wykonanie ich ręcznie, na podstawie zebranych próbek, jest dość zniechęcające. Tym bardziej, że nie każda rejestracja odnosi się do tak spektakularnych zmian punktu pracy. W przypadku programu Analizy, to tylko kilka kliknięć.

Podobnie prosto możemy uzyskać inną ciekawą informację o przebiegu awarii, a mianowicie zmiany w czasie kąta wirnika.

Jak wiadomo, wirnik generatora wykonuje 3000 obrotów na minutę, dzięki czemu generowane napięcie ma częstotliwość 50 Hz. Częstotliwość ta jest dokładnie kontrolowana i, w wyniku sprzężenia z siecią zewnętrzną, w zasadzie nie może być inna. Obrazowo możemy powiedzieć, że wybrany punkt na obwodzie wirnika pojawia się naprzeciw danego punktu stojana w odstępach czasu równych 20 ms. Kiedy jednak generator zostanie obciążony (zwiększenie poboru prądu na przykład w wyniku włączenia klimatyzatorów u odbiorców indywidualnych), nasza wirtualna kropka na obwodzie wirnika zacznie pojawiać się w nieco innym miejscu, choć w tych samych odstępach czasu co poprzednio. Różnica kątowa obu położeń – przy biegu jałowym i pod obciążeniem, nazywana jest kątem mocy generatora.
Ciekawym zagadnieniem jest jak duży może być kąt mocy, zanim nastąpi utrata synchronizmu z siecią zewnętrzną i wyłączenie bloku przez zabezpieczenia. Przez dłuższy czas panował pogląd, poparty analizami teoretycznymi i symulacjami, że maksymalną wartością kąta mocy może być 40 – 50 stopni. Ponieważ pomiar takich zjawisk jest dość skomplikowany, nie można było dotąd zweryfikować tych danych.
W przypadku programu Analiza, możemy wyznaczyć zmiany kąta wirnika kilkoma kliknięciami. Ponieważ mamy już składową zgodną napięcia oraz przebieg czasowy napięcia podwzbudnicy, wyznaczamy różnicę faz między tymi sygnałami. W programie Analiza wykres kąta mocy generatora jest rysowany w ten sposób, że po osiągnięciu przez kąt wartości 360^o, następne wartości rysowane są od wartości 0^o. Dzięki temu utrzymana jest dość duża dokładność odwzorowania przebiegu. Niemniej, przy wyliczaniu pełnej zmiany kąta należy uwzględniać kolejne przejścia 360 – 0.

Poniżej pokazany jest wykres kąta mocy w funkcji czasu, wyliczony według zarejestrowanych przebiegów czasowych podczas zakłócenia.

Rys. 5. Zmiany kąta mocy generatora w funkcji czasu podczas zakłócenia.

Jak widać, w danym przypadku kąt mocy generatora na początku rejestracji miał wartość 90^o, przeszedł dwukrotnie próg 360^o, osiągnął wartość 168.55^o, nieco się zmniejszył i dopiero wtedy zadziałało zabezpieczenie, wyłączając blok z pracy. Maksymalna zarejestrowana zmiana kąta mocy wyniosła więc ok. 798^o i to w ciągu nieco ponad 2.5 sekundy! Więcej informacji o tym zjawisku i podstawach teoretycznych pomiaru można znaleźć w pracy Wincentego Bekasiaka, Janusza Proniewicza i Bogdana Sobczaka „Wykorzystanie mikroprocesorowego systemu rejestrującego SRZ-AMP do wyznaczania kąta mocy turbozespołu”, Energetyka, nr 7/8 2004, str. 421 – 427.

Zaprezentowane przykłady wyraźnie pokazują różnice między wizualnym przeglądaniem zarejestrowanych przebiegów czasowych napięć i prądów a automatycznym przetwarzaniem rejestracji, możliwym dzięki takim wyspecjalizowanym programom jak Analiza firmy TRONIA. Zjawiska, które dotąd były rozważane jedynie teoretycznie, są teraz dostępne dla każdego specjalisty w elektrowni. Nie muszę chyba dodawać, że bez znajomości tych zjawisk trudno podejmować właściwe decyzje odnośnie utrzymania ruchu, zakresu i terminu modernizacji, czy aktualizacji układów kontrolnych i zabezpieczających.

A może lepiej o tym wszystkim nie wiedzieć i spać spokojnie?
Prąd płynie, napięcie się kołysze, a stan konta rośnie z każdą watosekundą…