Xiria – nowatorska konstrukcja rozdzielnicy SN dla stacji zdalnych – aspekty bezpieczeństwa

fot. Rozdzielnica Xiria 3-polowa

Obecne wymagania stawiane energetyce zawodowej w zakresie ciągłości i pewności zasilania powodują, że dystrybutorzy energii elektrycznej coraz częściej sięgają po rozwiązania umożliwiające zdalne sterowanie i monitoring, także w strategicznych punktach sieci elektroenergetycznej rozdziału wtórnego. Pionierską propozycją firmy Eaton w tym segmencie jest małogabarytowa rozdzielnica SN typu Xiria.

Możliwość zdalnego sterowania i monitorowania pracy rozdzielnic SN, jako punktów węzłowych sieci elektroenergetycznej, niesie ze sobą szereg korzyści ruchowych jak i eksploatacyjnych. Pierwsze rozwiązania automatyki stacji wiązały się z dużymi kosztami. Wynikało to z konieczności stosowania skomplikowanych konstrukcji aparatury łączeniowej oraz drogich układów telemechaniki. Dlatego też, do zdalnego sterowania przystosowywano tylko najważniejsze z punktu widzenia pracy sieci stacje rozdziału pierwotnego. Postęp w dziedzinie wytwarzania materiałów wykorzystywanych powszechnie do budowy urządzeń elektroenergetycznych, wdrażanie innowacyjnych rozwiązań oraz konkurencja na rynku przyczyniły się do zmniejszenia kosztów produkcji oraz zwiększenia funkcjonalności rozdzielnic SN. Z kolei dynamiczny rozwój technologii przetwarzania i transmisji danych otworzył wiele nowych możliwości oraz spowodował, że urządzenia te stały się powszechnie dostępne.

Kolejnym etapem było wprowadzenie systemu SCADA. Dał on możliwość zdalnego monitorowania oraz sterowania wszystkimi punktami węzłowymi sieci skomunikowanymi z systemem nadrzędnym. Obecnie coraz większą wagę przywiązuje się do ciągłości i pewności zasilania odbiorców. Dąży się do tego, aby wskaźniki określające ilość przerw w dostawie energii w ciągu roku oraz czas ich trwania (SAIFI i SAIDI) były jak najniższe. W związku z tym czasy zlokalizowania awarii, jej usunięcia lub wykonania przełączenia (jeśli schemat sieci daje taką możliwość) powinny być jak najkrótsze. Powoduje to, że coraz częściej rozwiązania z funkcjami zdalnymi stają się uzasadnione ekonomicznie także w stacjach rozdziału wtórnego.

Rozdzielnicą będącą w pełni przystosowaną do zdalnego sterowania i monitorowania pracy zarówno pól liniowych jak i zabezpieczających jest rozdzielnica SN typu Xiria.

Aspekty bezpieczeństwa 

Xiria to rozdzielnica pierścieniowa nowej generacji, w której zastosowano najnowsze osiągnięcia techniki. Przeznaczona jest do pracy w sieciach średnich napięć do 24 kV. Główną zasadą, jaką kierowała się firma przy tworzeniu konstrukcji Xiria to zapewnienie maksimum bezpieczeństwa i niezawodności. Rozdzielnica Xiria jest bezpieczna zarówno dla personelu obsługi jak i środowiska naturalnego. Bardzo ważnym aspektem konstruowania współczesnej aparatury łączeniowej jest bezpieczeństwo obsługi. Ze względu na bezpieczeństwo rozdzielnice SN są wyposażone w blokady uniemożliwiające niepożądany dostęp do elementów będących pod napięciem lub wykonywanie katastrofalnych czynności łączeniowych, takich jak otwieranie znajdującego się pod obciążeniem odłącznika. Bardzo ważnym czynnikiem jest również wybór medium gaszącego łuk elektryczny.

Wyłączanie w próżni 

Firma Eaton zdobyła w ciągu ostatnich 40 lat ogromne doświadczenie w dziedzinie wyłączników i rozłączników próżniowych. Dzięki wieloletniemu doświadczeniu firma potrafi produkować bezpieczne, niezawodne i kompaktowe komory próżniowe, które współpracują z opisywaną rozdzielnicą SN. Eaton stosuje komory próżniowe z osiowym rozkładem pola magnetycznego ze względu na pomijalną erozję styków i doskonałe parametry wyłączeniowe przy niskich i wysokich prądach zwarciowych. Korzyści wynikające z pomijalnej erozji styków czynią ten typ komory szczególnie przydatnym do użytku w rozdzielnicach hermetycznych, bez modułów wysuwnych, ze względu na fakt, że wymiana wyłącznika w okresie jego trwałości eksploatacyjnej stała się niepotrzebna. Umożliwia to również produkowanie rozdzielnic o ograniczonej potrzebie konserwacji lub nawet zupełnie niewymagającej konserwacji.

Rys. 2. Komora próżniowa z wyładowaniem dyfuzyjnym

Wyłączniki zamiast bezpieczników

Logicznym krokiem naprzód było zastąpienie stosunkowo masywnego i drogiego bezpiecznika WN wyłącznikiem automatycznym (CB) z zintegrowanym zabezpieczeniem (rys. 3) dla zabezpieczania transformatorów. Takie rozwiązanie charakteryzuje się, między innymi, następującymi zaletami:

• zmniejszenie strat o około 5% w porównaniu ze stratami w przypadku stosowania bezpiecznika,
• brak ograniczeń prądów znamionowych w odniesieniu do nastaw zabezpieczeń,
• przerywanie wszelkich możliwych prądów, łącznie z prądami zwarciowymi,
• możliwość współpracy z systemami zabezpieczeń niezależnymi od zewnętrznego zasilania,
• brak konieczności trzymania w zapasie różnego typu bezpieczników, co ogranicza do minimum możliwość popełnienia błędu,
• możliwość zdalnego przywracania zasilania w sieci po awarii,
• zwiększone bezpieczeństwo: wyeliminowana została konieczność dotykania wewnętrznych elementów rozdzielnicy SN znajdujących się pod napięciem podczas zmiany nastaw zabezpieczeń lub w przypadku przywracania zasilania po awarii,
• ograniczona obsługa konserwacyjna: znajdujące się pod napięciem wewnętrzne elementy rozdzielnicy SN mogą być umieszczone w hermetycznej obudowie, gdyż nie występuje już konieczność uzyskiwania dostępu do elementów obwodu pierwotnego, takich jak bezpieczniki, dzięki czemu zapobiega się uszkodzeniom powodowanym przez wilgoć i kurz.

Dedykowane zabezpieczenie i kontrola

Rozdzielnica Xiria jest wyposażona w nowo zaprojektowane i zoptymalizowane elektroniczne urządzenie zabezpieczające, charakteryzujące się prostą i ekonomiczną konstrukcją. Prace konstrukcyjne zostały zogniskowane na osiągnięciu wysokiego poziomu jakości i długotrwałej eksploatacji.

W porównaniu ze stosowaniem bezpieczników WN to zabezpieczenie zapewnia lepszą selektywność przy niemal tych samych kosztach. Przekaźnik nie wymaga zewnętrznego źródła zasilania, gdyż jest zasilany z przekładników prądowych zabudowanych w polu rozdzielnicy. Ze względu na niewymagającą konserwacji konstrukcję okres trwałości użytkowej przekracza 25 lat w zakresie temperatur od -40 do +85 stopni Celsjusza.

Rys. 3. Zabezpieczenie WIC1

Wybrane cechy przekaźnika zabezpieczającego:

• możliwość testowania przekaźnika,
• hermetyczna konstrukcja: wszystkie podzespoły elektroniczne są całkowicie zalane żywicą epoksydową,
• możliwość nastawiania charakterystyk wyzwalania za pośrednictwem laptopa z dedykowanym oprogramowaniem (rys. 4): charakterystyka zależna i niezależna, charakterystyki inwersyjne, charakterystyka bezpiecznikowa.

Hermetyczna konstrukcja

Sieć średniego napięcia narażona jest w trakcie całego okresu eksploatacji na działanie różnorodnych czynników zewnętrznych. Należy również wziąć pod uwagę starzenie się materiałów, takich jak kable, przyłącza czy sama rozdzielnica SN.

W niniejszym artykule omawiana jest jedynie kwestia starzenia się rozdzielnicy. Idealnym sposobem radzenia sobie ze starzeniem się i powolnym pogarszaniem się właściwości elementów pierwotnych i mechanizmów rozdzielnic średniego napięcia jest unikanie długookresowego oddziaływania negatywnych czynników. Zaprezentowana w artykule rozdzielnica, charakteryzująca się inteligentnymi cechami konstrukcyjnymi, rozwiązuje kwestię starzenia się materiałów przez umieszczenie znajdujących się pod napięciem elementów obwodu pierwotnego wraz z mechanizmem napędowym w hermetycznej obudowie z blachy stalowej, zabezpieczającej je przed wpływem czynników środowiskowych przez cały okres eksploatacyjny (rys. 4). Ta blaszana obudowa nie wymaga żadnej konserwacji ze względu na fakt, że jest użytkowana w warunkach normalnego ciśnienia atmosferycznego oraz że jest wypełniona normalnym suchym powietrzem. Umożliwia to również całkowite uniknięcie korozji powstającej od wewnątrz urządzenia w okresie użytkowania rozdzielnicy.

Rys. 4. Hermetyczna obudowa rozdzielnicy Xiria

Konstrukcja przyjazna dla środowiska naturalnego

Wpływ działalności człowieka na środowisko naturalne stał się powodem wielkiego - i częstokroć uzasadnionego - zaniepokojenia w większości krajów na całym świecie. Ostatnio w centrum zainteresowania znalazły się potencjalne zmiany klimatyczne spowodowane wzrostem zawartości w atmosferze gazów mających wpływ na efekt cieplarniany. Jednym z tych gazów jest sześciofluorek siarki SF6, który jest zasadniczym gazem używanym do wypełniania urządzeń elektrycznych. Co więcej, Protokół z Kyoto umieścił ten gaz na liście gazów cieplarnianych, wskutek czego powinno się zgłaszać wszelkie emisje tego gazu do atmosfery. Głównym użytkownikiem tego gazu jest przemysł elektryczny (>50% całkowitej produkcji SF6). Niepożądana emisja gazu SF6 może być spowodowana uszkodzeniem i nieszczelnością urządzeń elektrycznych, zaś jej kontrolowanie w skali światowej może być bardzo trudne.

W przypadku rozdzielnic Xiria głównymi materiałami konstrukcyjnymi są blacha stalowa, miedź, żywica poliwęglanowa, materiały ceramiczne i żywica epoksydowa. Głównym materiałem izolacyjnym elementów znajdujących się pod napięciem jest normalne suche powietrze o ciśnieniu atmosferycznym. Żywica epoksydowa stosowana w urządzeniach elektrycznych składa się w 60% z krzemionki (piasku).

Maksymalne bezpieczeństwo

Rozdzielnica Xiria została skonstruowana z myślą o wygodzie operatora. Zwarcia wewnętrzne wyeliminowano przez zastosowanie całkowicie izolowanej konstrukcji z użyciem najnowszych technologii do odizolowania każdej fazy owodu pierwotnego. Dzięki temu uzyskano bardzo zwartą i bezpieczną rozdzielnicę. Przełączanie odbywa się przy zastosowaniu sprawdzonej technologii z użyciem kompaktowych komór próżniowych. Operacje łączeniowe są ze sobą wzajemnie blokowane. Mechaniczne położenia zintegrowanego odłączniko-uziemnika i wyłącznika próżniowego są wyraźnie widoczne w umieszczonych na panelu operatorskim wziernikach, co wyklucza popełnienie błędu podczas przełączania (rys. 5).

a)	b)

Rys. 5. Panel operatorski a) w pozycji pracy, b) w pozycji uziemionej

Gotowość do pracy w przyszłych sieciach zautomatyzowanych 

Rozdzielnice średniego napięcia typu Xiria składają się z dwóch rodzajów pól:

• rozłącznikowych (pola liniowe) oraz
• wyłącznikowych (pola zabezpieczające).

Rezygnacja z pól z rozłącznikami bezpiecznikowymi na rzecz pól wyłącznikowych umożliwiła pełną automatyzację rozdzielnicy. Jedną z zalet zastosowanych rozłączników i wyłączników próżniowych są proste mechanizmy robocze o niewielkiej energii wymaganej do wykonywania czynności łączeniowych.

W każdym polu znajduje się odłączniko-uziemnik, rozłącznik lub wyłącznik próżniowy, pojemnościowy wskaźnik obecności napięcia typu WEGA 1.2, selektor wyboru trybu pracy sprzęgnięty z wewnętrzną blokadą mechaniczną pomiędzy rozłącznikiem/wyłącznikiem a odłączniko-uziemnikiem oraz mechaniczny przycisk otwarcia rozłącznika/wyłącznika.

Pola wyłącznikowe standardowo wyposażone są w autonomiczny przekaźnik zabezpieczeniowy typu WIC1 lub WIB1, który zasilany jest z przekładników prądowych fazowych, zabudowanych w przedziale kablowym. Podstawowym wyposażeniem pól wyłącznikowych jest również mechaniczny wskaźnik zadziałania zabezpieczenia typu SZ4H oraz cewka otwierająca.

Rys. 6. Zastosowanie rozdzielnicy Xiria w stacji transformatorowej

Za pomocą styków pomocniczych zrealizowano blokady elektryczne, które uniemożliwiają elektryczne otwarcie wyłącznika (odziemienie pola) w przypadku, gdy pole zablokowane jest w pozycji uziemienia oraz w sytuacji, gdy otwarte są drzwi do przedziału kablowego.

Opcje zdalne

Zarówno w polach rozłącznikowych jak i wyłącznikowych mamy możliwość wyboru spośród czterech poziomów opcji zdalnych:

• zdalna sygnalizacja,
• zdalne wyłączenie,
• zdalne sterowanie,
• zdalne sterowanie z pomiarem.

Zdalna sygnalizacja realizowana jest poprzez styki pomocnicze rozłącznika/wyłącznika próżniowego oraz odłączniko-uziemnika.

W przypadku wyboru zdalnego wyłączenia, oprócz styków pomocniczych jak dla zdalnej sygnalizacji, pojawiają się dodatkowe styki pomocnicze wykorzystane dla wewnętrznych obwodów pola, sterownik elektroniczny pola K7 oraz cewka otwierająca sterowana napięciem pomocniczym 24 V DC.

Pełny układ zdalnego sterowania uzupełniony jest o napęd silnikowy (Upom = 24 V DC) zbrojenia sprężyny i zamykania rozłącznika/wyłącznika oraz cewkę blokującą.

W przypadku, gdy wymagany jest pomiar oraz transmisja parametrów elektrycznych, takich jak napięcie, prąd, współczynnik mocy czy kierunek przepływu mocy, pole doposaża się we wskaźnik zwarcia typu ComPass B oraz współpracujące z nim przekładniki prądowe. Komunikacja wskaźnika ComPassB z koncentratorem danych może się odbywać za pośrednictwem protokołu Modbus.

Jeżeli dostępne napięcie pomocnicze jest różne niż 24 V DC wówczas w każdym polu zabudowywany jest konwerter napięć. Wszystkie sygnalizacje, sterowania i ewentualne pomiary z pola wyprowadzane są do szafy krosowej lub bezpośrednio do zewnętrznego sterownika telemechaniki.

Po przekształceniu sygnałów są one wysyłane do systemu nadzoru najczęściej drogą radiową lub z wykorzystaniem światłowodów.

Tabela 1. Wykaz dostępnych sygnalizacji, sterowań i pomiarów:

Podsumowanie

Zastąpienie pól z rozłącznikami bezpiecznikowymi polami wyłącznikowymi, szeroka gama dostępnych sygnalizacji, sterowań i pomiarów, przystosowanie do pracy z systemem nadrzędnym oraz możliwość montażu elementów zdalnego sterowania w późniejszym etapie użytkowania czynią rozdzielnicę typu Xiria rozwiązaniem w pełni spełniającym współczesne wymagania i jednocześnie pozwalającym na rozwój sieci elektroenergetycznej w przyszłości.

Jeżeli tempo rozwoju technologii cyfrowych z ostatnich lat zostanie utrzymane, to w perspektywie najbliższych 10-20 lat urzeczywistnić mogą się plany związane z inteligentną siecią dystrybucyjną. Warto więc już teraz pomyśleć o infrastrukturze, która będzie do tego przygotowana.

Artykuł powstał na podstawie referatu wygłoszonego podczas XVI Sympozjum Oddziału Poznańskiego SEP „Współczesne urządzenia oraz usługi elektroenergetyczne, telekomunikacyjne i informatyczne” – Bezpieczeństwo pracy i eksploatacji sieci oraz instalacji”. Poznań, 20-21 listopada 2013 r.

Literatura: 

[1] Pikkert A., Innovative ring main unit design: safety and availability aspects. Międzynarodowa Konferencja Dystrybutorów Energii Elektrycznej CIRED, Chorwacja 2007.

[2] Materiały firmowe Eaton Electric Sp. z o.o.