Zabezpieczenie łukoochronne – praktyczne aplikacje

W artykule omówiono najnowsze aplikacje zabezpieczeń łukoochronnych na nowo budowanym bloku 858 MW w Elektrowni Bełchatów oraz inne rozwiązania zastosowane w energetyce zawodowej w Polsce. Dotyczą one rozwiązań, w których wykorzystano najnowsze zabezpieczenie typu ZŁ-4, jak i starsze wersje ZŁ-1 i ZŁ-2. Wszystkie te wersje łączy wspólna cecha, czyli kryterium działania, które doskonale sprawdza się w praktyce.

Doceniając wagę problemu szybkiego likwidowania zwarć łukowych, w Energoteście-Energopomiarze pod koniec lat dziewięćdziesiątych podjęto działania konstrukcyjno-wdrożeniowe mające na celu opracowanie nowoczesnego światłowodowego zabezpieczenia łukoochronnego dla rozdzielnic i innych urządzeń elektrycznych, w których istnieje ryzyko wystąpienia zwarcia łukowego. Zabezpieczenia oparte na zasadzie detekcji światła łuku mogą generować impuls wyłączający ze zwłoką poniżej 10 ms. Oznacza to, że zwarcie
można wyłączyć – w zależności od rodzaju wyłącznika – w czasie nie przekraczającym 60 ms (zazwyczaj 40–50 ms).

Wyłączenie zwarcia w tak krótkim czasie minimalizuje w szczególności oddziaływanie termiczne i chemiczne, chroniąc zdrowie i życie ludzi oraz zapobiegając zniszczeniu urządzeń. Przyjęte kryterium działania wszystkich wersji zabezpieczenia ZŁ polega na sprawdzeniu dwóch podstawowych warunków istnienia zwarcia, a mianowicie: detekcji źródła światła o natężeniu powyżej 40 000 lx, przy jednoczesnym stwierdzeniu  obniżenia się napięcia na szynach chronionej rozdzielnicy.

Energotest oferuje trzy typy zabezpieczeń:

ZŁ-1, w którym detektorem światła łuku elektrycznego są pętle światłowodowe. Zabezpieczenie typu ZŁ-1 wyłącza zasilanie całej rozdzielnicy, niezależnie od miejsca powstania zwarcia. Zabezpieczenie ZŁ-1 jest przeznaczone do stosowania w stacjach transformatorowych oraz w rozdzielnicach typu otwartego, a także może być stosowane w rozdzielnicach typu zamkniętego (średniego i niskiego napięcia) w przypadkach, kiedy nie jest istotne selektywne wyłączanie poszczególnych pól odpływowych. Może chronić również inne urządzenia elektryczne. ZŁ-2 i ZŁ-4, w których detektorem światła łuku elektrycznego są światłowodowe czujniki czołowe, usytuowane w poszczególnych przedziałach pola rozdzielnicy. Takie rozwiązanie detektorów światła umożliwia konfigurowanie zabezpieczeń selektywnie wyłączających poszczególne pola, w zależności od miejsca zwarcia. W przypadku zwarcia na przyłączu kablowym pola odpływowego możliwe jest skuteczne odcięcie zasilania miejsca zwarcia bez potrzeby wyłączania zasilania całej rozdzielni. Zabezpieczenie ZŁ-4 ma strukturę rozproszoną, przez co wygodniejszą do zastosowania w rozdzielnicach wielopolowych, a zarazem tańszą w zastosowaniu.

Zabezpieczenia łukoochronne ZŁ-4 na bloku 858 MW w Elektrowni Bełchatów

W Elektrowni Bełchatów na nowym bloku 858 MW (w budowie) zabezpieczenie rozdzielnic przed skutkami zwarć łukowych rozwiązano w oparciu o zabezpieczenie łukoochronne typu ZŁ-4 produkcji Energotestu. Zabezpieczenie ma strukturę rozproszoną, w skład której wchodzą:

• jednostka centralna ZŁ-4JC,
• jednostki polowe ZŁ-4JP z czujnikami optycznymi,
• zasilacz 24 V, będący źródłem napięcia pomocniczego dla wszystkich elementów zabezpieczenia.

Rys. 1. Widok zabezpieczenia ZŁ-4

Wymiana informacji pomiędzy poszczególnymi elementami zabezpieczenia jest zapewniona poprzez magistralę CAN. W każdym chronionym polu rozdzielnicy umieszczono jednostkę polową ZŁ-4JP (przedział przekaźnikowy) oraz 4 czujniki optyczne montowane bezpośrednio w chronionych przedziałach.  Standardowo czujniki 1 i 2 umieszczono w przedziale szynowym i wyłącznikowym, a czujnik 3 w przedziale przyłączeniowym. Czujnik 4 nie został wykorzystany.

Jednostkę centralną ZŁ-4JC umieszczono w polu zasilania rezerwowego, doprowadzając do niej napięcie zasilające pomiarowe z przekładników napięciowych. Sposób pomiaru napięć na szynach rozdzielń przedstawiono na rysunku 2.

Omawiana aplikacja jest jedną z pierwszych, a zarazem największych aplikacji realizowanych za pomocą przekaźników typu ZŁ-4. Obejmuje ona cztery rozdzielnie potrzeb własnych BBA, BBB, BBC, BBD oraz rozdzielnie BCA, z której za pomocą szynoprzewodów zasilane są pola rezerwowe ww. rozdzielnic. Łącznie obejmuje 98 pól średniego napięcia.

Ze względu na rozwiązania konstrukcyjne – brak przekładników napięciowych w rozdzielni BCA – do jednostek centralnych zainstalowanych na rozdzielni BCA doprowadzono pomiar napięcia 100 V AC z przekładników napięciowych pól zasilania rezerwowego rozdzielni BBA(BBB) i BBC(BBD). Wybór rozdzielni jest realizowany za pomocą przerzutki na przekaźniku R15 4P 110 V AC.

Konieczność zdublowania pomiaru napięcia w torach zasilania rezerwowego z transformatora BCT10 wynika z faktu umieszczenia przekładników napięciowych na wózkach wysuwnych w polach zasilania rezerwowego rozdzielnic BBA i BBC oraz BBB i BBD. W związku z tym istniała możliwość pozbawienia pomiarów napięć jednostek centralnych na rozdzielniach BCA01 i 02, poprzez wysunięcia wózka z przekładnikami w polach zasilania rezerwowego rozdzielnic blokowych. W zaproponowanym rozwiązaniu wysunięcie jednego wózka nie powoduje pozbawienia zabezpieczeń napięcia pomiarowego.

Wykorzystując do ochrony rozdzielni zabezpieczenia ZŁ-4, uzyskano:

• selektywność wyłączania pola, w którym nastąpiło zwarcie,
• bezpośrednie przekazanie informacji do systemu nadrzędnego za pomocą protokołu MODBUS,
• zdecydowane zmniejszenie kosztów w porównaniu z wykorzystaniem do tego celu zabezpieczeń ZŁ-2.

W każdej z rozdzielni (z wyjątkiem BCA) przyjęto następującą zasadę działania zabezpieczeń łukoochronnych:

• pola zasilania podstawowego – impuls wyłączający wysyłany jest na własny wyłącznik oraz – przesłana jest informacja o zadziałaniu do jednostki centralnej, która wysyła impuls do pobudzenia zabezpieczeń bloku,
• pole zasilania rezerwowego – impulsy wyłączające wysyłane są na własny wyłącznik, oraz – poprzez jednostkę centralną – na wyłącznik w polu podstawowym, wyłącznik rezerwowy BBC (BBD), wyłącznik w BCA, blokadę SZR,
• pole odpływowe – impuls wyłączający wysyłany jest na własny wyłącznik.

Rys. 3. Zabezpieczenie ZŁ-4 zabudowane w przedziale obwodów wtórnych rozdzielni potrzeb własnych 10,5 kV (pole zasilania rezerwowego) A – jednostka polowa, B – zasilacz 24 V oraz wyłączniki samoczynne zabezpieczające aplikacje, C – jednostka centralna

Opisany sposób działania dotyczy przypadku pobudzenia czujnika światłowodowego w przedziale przyłączeniowym pola. W przypadku pobudzenia czujnika w przedziale wyłącznika lub szyn wyłączana jest cała rozdzielnica. Wyjątek stanowi czujnik w przedziale wyłącznika pola zasilania podstawowego, ponieważ jego pobudzenie powoduje wyłączenie całego bloku.

W przypadku rozdzielni BCA01 (02), ze względu na rozwiązania konstrukcyjne, przyjęto następującą zasadę działania:

• pobudzenie czujnika światłowodowego w przedziale przyłączeniowym powoduje wysłanie impulsów wyłączających na własny wyłącznik, na wyłącznik pola rezerwowego w BBA(BBB) oraz na wyłącznik pola rezerwowego w BBC(BBD),
• pobudzenia czujnika światłowodowego w przedziale wyłącznika lub szyn powoduje wysłanie impulsów wyłączających na zabezpieczenia transformatora rezerwowego BCT10.

Sposób działania jednostek centralnych przedstawiono na rysunku 4.

Rys. 4. Schemat logiki wyłączeń jednostek centralnych

Zainstalowanie zabezpieczeń odbywało się już po posadowieniu rozdzielni na bloku 858 MW Elektrowni Bełchatów. Wiązało się to z kilkoma niedogodnościami, m.in. z koniecznością ciągłej obecności przedstawiciela producenta rozdzielnic (ABB Brno, rozdzielnie typu MVIS). Bardzo pracochłonny był też montaż czujników światłowodowych, wymagający częściowego rozkręcania części płyt rozdzielnicy i wykonywania w nich odpowiednich otworów, a następnie ponownego scalania (montaż ten trwał ok. 3 tygodni).

Dużą wagę przykładano do prawidłowego montażu czujników optycznych, które są ważnym elementem zabezpieczenia.

W związku z tym zwracano szczególną uwagę na:

• zachowanie bezpiecznego promienia gięcia światłowodu,
• układanie światłowodu w miejscach, gdzie możliwość uszkodzenia w czasie rutynowych prac konserwacyjnych i remontowych jest mało prawdopodobne,
• unikanie zbliżeń do ruchomych elementów mechanicznych rozdzielnicy (napędy, cięgna blokad, wyłączniki krańcowe itp.),
• o ile to było możliwe, zapewnienie niezależnej drogi prowadzenia światłowodów (nieukładanie w wiązkach razem z innymi przewodami),
• ograniczenie długości światłowodu plastikowego do czujnika czołowego (bez stosowania zbędnych zapasów).

Czujniki optyczne wyposażone w światłowód plastikowy połączono z wejściami optycznymi jednostek polowych. Odpowiednio przycięty światłowód (specjalnym nożem do cięcia) nie wymagał żadnej dodatkowej obróbki. Właściwe mocowanie zapewnia konstrukcja złącza optycznego w jednostce polowej. Końcówki światłowodu włożone do złączy C1, C2, C3 zablokowano przed wypadnięciem poprzez dokręcenie nakrętek złączy.

Połączenia pomiędzy jednostką centralną a poszczególnymi jednostkami polowymi wykonano skrętką dwuparową w ekranie. Jedną parę przewodów wykorzystano jako parę doprowadzającą napięcie zasilające pomocnicze (24 V DC), drugą do transmisji danych (magistrala CAN). Połączenia pomiędzy poszczególnymi elementami wykonano jako połączenie łańcuchowe, z wykorzystaniem zacisków na listwie pośredniczącej. Sposób połączenia ilustruje rysunek 5.

Rys. 5. Połączenie elementów zabezpieczenia ZŁ-4 (z wykorzystaniem listwy pośredniczącej)

Aplikacje w oparciu o zabezpieczenia ZŁ-1

Trochę inaczej wygląda sprawa montażu zabezpieczeń łukoochronnych typu ZŁ-1. Zabezpieczenia te są montowane (zgodnie z ich pierwotnym zamysłem) na „starych” rozdzielniach średniego napięcia typu otwartego, ale także dość powszechnie stosowane są w nowoczesnych rozdzielnicach typu zamkniętego (przedziałowe). Algorytm działania tych zabezpieczeń jest prostszy od omówionego powyżej, z racji tego, że mając do dyspozycji zamiast optycznych czujników czołowych jedynie pętlę światłowodową, nie da się uzyskać selektywności działania poprzez wyłączenie poszczególnych pól. Musimy się liczyć z tym, że za każdym razem, gdy dojdzie do zwarcia łukowego, nastąpi wyłączenie zasilania całej rozdzielnicy.

Rozdzielnice typu otwartego

Rozdzielnice najczęściej zostały wyprodukowane kilkadziesiąt lat temu i nie są gruntownie modernizowane. Zastosowane w nich standardy zabezpieczeń łączeniowych często nie odpowiadają już dzisiejszym wymogom bezpieczeństwa. Co więcej, po latach eksploatacji na wielu elementach obwodów pierwotnych może już wystąpić zmęczenie materiałów (np. izolatory).

Bardzo prostym i zarazem niezwykle skutecznym sposobem poprawienia bezpieczeństwa użytkowania tego typu rozdzielnic jest ich wyposażenie w zabezpieczenia łukoochronne typu ZŁ-1. Przy tego rodzaju modernizacji główny problem leży po stronie montażu pętli światłowodowej. Bardzo często jest to związane z wysokością pól – szyny rozdzielcze czasami są montowane na wysokości kilku metrów nad poziomem podłogi. Dodatkowo należy zwrócić  uwagę na elementy ruchome, takie jak noże odłączników, wsuwane płyty izolacyjne oraz uziemienia stałe i przenośne. Wszystkie te elementy powodują, że należy dogłębnie zastanowić się nad wyborem miejsca montażu światłowodu, aby uniemożliwić jego zerwanie podczas czynności eksploatacyjnych. Zabezpieczenie wprawdzie posiada wbudowany układ kontroli ciągłości światłowodu i informacja o jego uszkodzeniu bezzwłocznie dotrze do obsługi, ale po co zaczynać pracę z rozciągnięciem światłowodu od początku? Przykładowy sposób usytuowania światłowodu pokazano na rysunku 6.

Rozdzielnice typu zamkniętego (przedziałowe)

Zabezpieczenia ZŁ-1, mimo że są dedykowane dla rozdzielnic typu otwartego, czasami znajdują zastosowanie również do ochrony przed skutkami zwarć łukowych w rozdzielnicach typu zamkniętego. Jest to rozwiązanie wprawdzie tańsze od ZŁ-4 (a tym bardziej od ZŁ-2), jednak pozbawiamy się możliwości selektywnych wyłączeń części rozdzielni.

Podobnie jak w przypadku rozdzielnic typu otwartego, również tutaj największym problemem jest montaż pętli światłowodowej. Nie dość, że mamy do czynienia ze sporą liczbą elementów ruchomych, to jeszcze są skomasowane one w niewielkiej objętości. Dodatkowym utrudnieniem są ścianki poszczególnych celek, w których należy wykonać otwory umożliwiające przeciągnięcie światłowodu.

Wszystko to powoduje, że otworowanie ścianek w rozdzielnicach posadowionych już u klienta jest bardzo  skomplikowane i pracochłonne. Przygotowanie otworowania umożliwiające rozciągnięcie światłowodu na etapie produkcji u wytwórcy jest zdecydowanie bardziej wskazane i nie pociąga za sobą zwiększenia kosztów produkcji rozdzielnicy. Ponieważ transport rozdzielnicy do klienta odbywa się w częściach, nie ma możliwości zainstalowania światłowodu już w fabryce, jednak samo założenie światłowodu w zmontowanej i posadowionej w miejscu zainstalowania rozdzielnicy u klienta jest proste i nie stanowi już kłopotu.

Podsumowanie

Mimo pewnych trudności związanych z montażem zabezpieczeń łukoochronnych, uzyskane doświadczenia obiektowe potwierdzają celowość ich stosowania zarówno na rozdzielniach starszych, jak również w nowych, bardzo nowoczesnych rozdzielnicach przedziałowych. Warto jednak podkreślić, że te trudności występują głównie, gdy zbyt późno podejmujemy decyzję o montażu zabezpieczeń łukoochronnych, czyli w już wyprodukowanych lub eksploatowanych rozdzielnicach. Montaż zabezpieczeń w rozdzielnicach bezpośrednio u producenta rozdzielnicy jest zdecydowanie prostszy i mniej pracochłonny, przez co tańszy.

W dzisiejszych realiach rynkowych, gdzie cena ma często największe znaczenie, jest to kwestia bardzo istotna. Klienci, którym nie jest obojętny fakt, czy eksploatowane przez nich rozdzielnice będą wyposażone w zabezpieczenia łukoochronne, powinni to uwzględnić już na etapie tworzenia SIWZ-u, dzięki czemu unikną zwiększonych kosztów doposażenia rozdzielnic w ochronę od zwarć łukowych w przyszłości.

Udokumentowane zadziałania tych zabezpieczeń, jakie miały miejsce w ostatnich latach, przemawiają w sposób jednoznaczny za celowością ich instalowania. Przykładem niech będą zdjęcia rozdzielnic po zadziałaniu zabezpieczeń (rys. 7) oraz – dla porównania – jak mogły wyglądać przy braku zabezpieczeń ZŁ (rys. 8).