|
|
 |
|
|
|
Energetyka, Automatyka przemysłowa, Elektrotechnika
|
|
|
|
|
|
|
W artykule przedstawiono przykładowe metody kontroli stanu zużycia wyłącznika średniego napięcia w czasie normalnej pracy oraz stosowane rozwiązania w nowoczesnych, inteligentnych sterownikach polowych. Implementacja metod diagnostyki wyłącznika w znaczny sposób podnosi bezpieczeństwo i ciągłość dostaw energii elektrycznej. Korzystanie z takich rozwiązań wynika z dostosowania sterowników polowych do inteligentnych sieci smart grid.
Wyłącznik jest podstawowym i głównym aparatem elektrycznym każdego pola rozdzielczego średniego i wysokiego napięcia. Od niego zależy nie tylko poprawne funkcjonowanie pojedynczego pola rozdzielczego, ale i działanie całej rozdzielni. Diagnostyka tak kluczowego elementu jest podstawą bezawaryjnego działania rozdzielni i bezprzerwowej dostawy energii elektrycznej do odbiorców. Nowo projektowane urządzenia zabezpieczeniowe integrują już w sobie mechanizmy, których zadaniem jest dostarczenie informacji diagnostycznych o stanie zużycia wyłącznika, awariach jak i prognozowanie wystąpienia awarii łącznika w przyszłości.
Metody diagnostyki obejmują badanie: obwodów sterowania, zużycia zestyków prądowych, rozszczelnienia komór wyłącznikowych, utratę medium chłodniczego SF6, drgań elementów konstrukcyjnych, temperatury zestyków oraz liczby operacji łączeniowych. Poniżej przedstawiono przykładowe metody diagnostyczne stosowane w inteligentnych sterownikach polowych [1].
Utrata ciągłości obwodów sterowania lub uszkodzenie cewki otwierającej lub zamykającej jest jedną z najczęściej występujących awarii łącznika głównego. Awaria takiego typu może powstać przez wysunięcie kabla sterującego z zacisków mocujących bądź uszkodzenie cewki na skutek przepięć indukowanych w obwodzie. Na rys. 1 przedstawiono przykładowy, uproszczony schemat układu diagnostycznego ciągłości obwodu sterowania wyłącznika i kontroli cewek. Standardowo w tego typu układach kontrolowane są napięcia na dwóch cewkach wyłączających (CW1, CW2) i jednej zamykającej (CZ).
Rys. 1. Schemat układu diagnostycznego ciągłości odwodu sterowania i kontroli cewek wyłącznika.
Układ składa się ze sterowanego źródła prądowego ZP zasilanego z napięcia sterującego cewką wyłącznika Uz i układu pomiarowego napięcia PN. Diagnostyka stanu polega na oszacowaniu rezystancji cewki sterującej na podstawie pomiaru napięcia, jakie występuje na zaciskach cewki (CW1, CW2, CZ) przy załączonym źródle prądowym. Źródło prądowe załączane jest impulsowo na czas 50 ms w cyklach 20 s. Przykładowy przebieg sterowania źródłem prądowym ZP przedstawiono na rys. 2.
Rys. 2. Przebieg czasowy sterowania źródła prądowego ZP.
Oszacowanie uszkodzenia cewek polega na stwierdzeniu, czy mierzona rezystancja cewek mieści się w zadanych zakresach na podstawie pomiaru napięcia przy stałej wartości prądu pomiarowego. Jeżeli napięcie na cewce przy załączonym źródle prądowym jest niższe niż wartość Uk1 - należy uznać, że obwód sterowania jest zwarty. Powodem tego może być zwarta cewka lub zwarcie na przewodach sterujących. Jeżeli natomiast napięcie mieści się w zakresie od Uk1 do Uk2 - należy uznać, że rezystancja cewki i obwodów sterujących mieszczą się w poprawnym zakresie rezystancji. W przypadku przekroczenia przez mierzone napięcie wartości Uk2 należy przyjąć, że obwód sterowania jest rozwarty. Graficzną interpretację metody przedstawiono na rys. 3. Poprawny zakres działania to:
Rys. 3. Poziomy akceptacji poprawnego stanu napięć na cewkach wyłącznika.
Duża część łączników zwłaszcza na wysokie napięcia jako chłodziwo do gaszenia łuku elektrycznego wykorzystuje gaz SF6. Pomiar ciśnienia w takim łączniku jest podstawową informacją diagnostyczną o stanie jego pracy. Spadek ciśnienia gazu SF6 poniżej wartości granicznej powoduje utratę zdolności gaszenia łuku elektrycznego przez komorę gaszeniową, skutkującą uszkodzeniem całego aparatu łączeniowego. Może to powodować dalsze rozprzestrzenianie awarii, a w konsekwencji - duże straty ekonomiczne. W celu przeciwdziałania takiej sytuacji wprowadza się pomiar ciśnienia gazu SF6 do sterownika polowego. Spadek wartości ciśnienia poniżej wartości dopuszczalnej powoduje automatyczne otwarcie wyłącznika i ustawienie trwałej blokady ponownego załączenia. W większości przypadków stan ciśnienia wprowadzany jest do sterownika polowego jako sygnał dwustanowy, ale istnieją rozwiązania, w których pomiar dostarczany jest drogą analogową i w takim przypadku istnieje możliwość predykcyjnego wyznaczenia dopuszczalnego czasu eksploatacji łącznika [2,3].
Każda operacja otwarcia obwodu prądowego przez wyłącznik powoduje powstanie łuku elektrycznego pomiędzy okładkami zestyków łącznika [5]. Powstały łuk elektryczny ze względu na dużą energię obwodu rozłączanego powoduje:
Wszystkie te skutki działania łuku elektrycznego powodują skrócenie czasu eksploatacji wyłącznika. Dlatego istnieje konieczność diagnozowania stanu zużycia styków. Praktyczna kontrola stanu aparatu łączeniowego realizowana jest w czasie przeglądów serwisowych i/lub pomiarów kontrolnych pola rozdzielczego. Badanie takie polega na wysunięciu wózka z wyłącznikiem i podpięcie specjalistycznej aparatury kontrolno-pomiarowej do elementów toru prądowego łącznika. Badania takiego typu wykonywane są w cyklu określonym przez producenta (np. raz w roku) lub przez użytkownika - w zależności od intensywności operacji łączeniowych.
Innym sposobem oszacowania stopnia degradacji zestyków jest analityczne wyznaczenie stopnia erozji na podstawie analizy przebiegów prądowych w momencie otwierania obwodu prądowego przez łącznik. Producenci wyłączników podają charakterystykę przedstawiającą możliwe cykle łączeniowe w fiinkcji wyłączanego prądu obwodu (rys. 4). Ten sposób jest najczęściej implementowany w inteligentnych sterownikach polowych. Metoda ta pozwala na oszacowanie liczby pozostałych do wykonania cykli łączeniowych. Z wyprzedzeniem generowane jest ostrzeżenie o możliwości utraty zdolności łączeniowej łącznika.
Rys. 4. Przykładowa charakterystyka liczby cykli operacyjnych
wyłącznika SION3AE1 w funkcji prądu wyłączanego.
Częstym rozwiązaniem jest łączenie tej metody z kontrolą prądu skumulowanego wyłącznika. W sterowniku polowym ustawiana jest blokada zamykania łącznika, gdy skumulowana wartość przekroczy nastawiony próg. Po przekroczeniu 90% nastawionego progu przez wartość skumulowaną wysyłane jest ostrzeżenie do użytkownika.
Podobnie jak w przypadku degradacji zestyków każda operacja łączeniowa powoduje starzenie się elementów mechanicznych łącznika. Konsekwencją tego jest wydłużenie czasu otwarcia i niejednoczesności zamykania obwodów prądowych łącznika. W celu oszacowania, czy nie nastąpiło wydłużenie czasu własnego łącznika, wykonuje się analizę przebiegu prądu wyłączanego w funkcji czasu (rys. 5). Wyznaczenie czasu otwarcia łącznika polega na oszacowaniu przedziału czasu od momentu podania sygnału sterującego na otwarcie (żądanie otwarcia) aż do momentu zaniku wartości prądu poniżej 1% / [4] (zanik prądu w otwieranym obwodzie). Maksymalny czas otwarcia t, wyznaczony na podstawie pomiarów dla każdej z faz, jest przekazywany do dalszej analizy wyznaczenia zużycia aparatu łączeniowego. W szacowaniu czasu otwarcia t należy uwzględnić czas ok. 6 ms, wynikający z przesunięcia fazowego między napięciami poszczególnych faz.
Metoda pozwala oszacować stopień zużycia aparatu łączeniowego na podstawie porównania aktualnego czasu otwierania obwodów prądowych z podanym przez producenta czasem własnym wyłącznika.
Rys. 5. Przykładowe przebiegi sygnałów pomiarowych dla operacji otwarcia łącznika
Na rys. 6. przedstawiono przykładowy przebieg prądu cewki otwierającej w przypadku mechanicznego uszkodzenia wyłącznika - zablokowanie mechanizmu kotwicy elektromagnesu. Dla porównania na rys. 7 przedstawiono poprawny przebieg prądu cewki otwierającej. Charakterystyczną cechą przebiegu prądu cewki otwierającej jest brak widocznego zapadu na zboczu narastającym prądu cewki, wynikającej z: wciągnięcia kotwicy elektromagnesu do środka cewki oraz zmiany długości drogi pola magnetycznego cewki otwierającej. Wykorzystując tą cechę elektromagnesu można jednoznacznie wyznaczyć przypadek zacięcia mechanizmów łącznika.
Przedstawione metody - pomiaru czasów własnych wyłącznika i detekcji zacięcia mechanizmów - najczęściej są implementowane łącznie w sterownikach polowych. Pozwala to na dalszą analizę stanu łącznika przez systemy ekspertowe i prognozowanie dalszego czasu eksploatacji.
Rys. 6. Przykładowy przebieg prądu cewki otwierającej
przy zablokowaniu kotwicy elektromagnesu
Rys. 7. Przykładowy przebieg prądu cewki otwierającej przy poprawnej operacji łączeniowej
Rys. 8. Schemat logiczny układu sterownia wyłącznikiem
(kliknij aby powiększyć)
Podsumowanie
Na rys. 8 przedstawiono schemat logiczny układu sterowania wyłącznikiem z uwzględnionymi układami diagnostycznymi realizującymi wyżej wymienione metody [5,6]:
Oprócz wyżej wymienionych metod standardowo w sterownikach polowych stosuje się kontrolę prądu granicznego łącznika (CMP_GT3_01_) w celu niedopuszczenia wykonywania operacji otwarcia obwodów prądowych przekraczających zdolności łączeniowe aparatu. W sposób pośredni do ochrony wyłącznika przyczyniają się również zabezpieczenia łukoochronne.
Coraz częściej układy sterowania wyłącznikiem są wyposażone w układ synchronizacji impulsów sterujących obwodami prądowymi z układem detekcji przejścia przez zero sygnałów prądowych. Takie rozwiązanie zapewnia ograniczenie energii łuku elektrycznego powstającego w chwili otwierania obwodu prądowego, co w znacznym stopniu zmniejsza erozję zestyków i przyczynia się do wydłużenia czasu eksploatacji aparatu.
LITERATURA:
[1] Gacek A., Książek L.: Modelowanie systemu automatyki stacji w standardzie IEC 61850. Elektronika 2010 nr 7
[2] Chrzaniuk H., Zybert P.: Próby zastosowania systemu eksperckiego w automatycznej analizie pracy wyłącznika. Elektronika 2011 nr 7
[3] Nowakowski A., Wlazło P.: System do e-diagnozowania rozdzielnic współpracujący z inteligentną siecią elektroenergetyczną - smart grid. Wiadomości Elektrotechniczne 2011 nr 9
[4] Ślusarek B., Lisowiec A., Chudorliński J.: Metoda oceny stanu wyłącznika na podstawie spróbkowanych sygnałów elektrycznych. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2009 nr 7
[5] Nowakowski A., Lisowiec A., Kołodziejczyk Z.: MV bay controller with integrated protection, power ąuality analysis and extended self-testing functions. llth Spanish-Portuguese Conference on Electrical Engineering, Hiszpania 2009
[6] Lisowiec A. et al.: New constructions of current and voltage transducers for MV switchgear. Elektronika 2010 nr 7
| REKLAMA |
|
|
| REKLAMA |
|
|
