Innowacyjne napędy w wyłącznikach rozdzielnic rozdziału pierwotnego SN

Transkrypt

1 VII Konferencja Naukowo-Techniczna Stacje elektroenergetyczne WN/SN i SN/nn Innowacyjne napędy w wyłącznikach rozdzielnic rozdziału pierwotnego SN Mirosław Schwann - KENTIA Firma Konsultingowa Kołobrzeg, maja 2018 r.

2 Wstęp innowacyjność Joseph A. Schumpeter w swojej definicji innowacji koncentruje uwagę na nowych kombinacjach czynników wytwórczych. W jego ujęciu innowacje to wprowadzenie nowych towarów oraz nowej metody produkcji, to otwarcie nowego rynku, zdobycie nowego źródła surowców, czy w końcu przeprowadzenie nowej organizacji procesów gospodarczych.

3 Wstęp innowacyjność Dla Petera F. Druckera innowacja jest szczególnym narzędziem przedsiębiorców, za pomocą którego ze zmiany czynią oni okazję do podjęcia nowej działalności gospodarczej lub świadczenia nowych usług. W jego opinii, innowacja nie musi być techniczna, nie musi być nawet czymś materialnym.

4 Wstęp innowacyjność Co to jest innowacja? Jest to każda zmiana, która coś ulepsza, daje nową jakość lub pozwala stworzyć nowy produkt czy usługę.

5 Wstęp W rozdzielnicach rozdziału pierwotnego średniego napięcia (SN) wyłączniki służą do zabezpieczania i sterowania siecią SN. Muszą posiadać zdolność do załączania, utrzymania przepływu i wyłączania wszelkich prądów, w tym roboczych i zwarciowych, jakie mogą pojawić się w miejscu ich zainstalowania. Termin rozdzielnice rozdziału pierwotnego nie występuje w słowniku terminologicznym PKN. Jest tłumaczeniem zaproponowanym przez dostawców rozdzielnic w Polsce terminu angielskiego primary switchgear oraz terminu switchgear for primary distribution systems powszechnie stosowanych przez producentów rozdzielnic.

6 Wstęp Symbole graficzne łączników stosowanych w elektroenergetyce odłącznik rozłącznik/ wyłącznik rozłącznik izolacyjny/ wyłącznik izolacyjny

7 Wstęp Kilka lat temu w Europie w rozdzielnicach rozdziału pierwotnego SN pojawiły się wyłączniki próżniowe z innowacyjnym napędem elektromagnesowym, znanym już od wielu lat, w szczególności w Ameryce Północnej i w Australii, dzięki ich powszechnemu stosowaniu w napędach wyłączników i w reklozerach SN. Niezawodne działanie, kompaktowa i ekonomiczna budowa, duża liczba operacji łączeniowych wykonywanych bez konserwacji i przeglądów wskazują, że mogą stanowić alternatywę dla napędów zasobnikowo-sprężynowych.

8 Wstęp Napęd elektromagnesowy czy elektromagnetyczny? Napęd elektromagnetyczny - napęd łącznika mechanizmowego, przestawiany w sposób inny niż ręczny, o tylko jednym położeniu spoczynkowym styków ruchomych, wyposażony m.in. w cewkę i zworę ruchomą elektromagnesu. Napęd elektromagnesowy - napęd łącznika mechanizmowego, przestawiany w sposób inny niż ręczny, o dwóch położeniach spoczynkowych styków ruchomych, pod wpływem wypadkowej siły magnetycznej wytworzonej przez magnes trwały i cewkę

9 Wstęp Napęd elektromagnesowy czy elektromagnetyczny?

10 Bieguny wyłączników próżniowych SN Biegun wyłącznika składa się z komory próżniowej oraz osłon lub obudowy izolacyjnej. Komory próżniowe są mocowane w biegunach, izolowane powietrzem i osłonięte osłonami izolacyjnymi lub zalane izolacją stałą. Bieguny wyłącznika przytwierdzone są do konstrukcji nośnej napędu. Komora próżniowa najczęściej zamocowana jest na sztywno do górnego wspornika. Dolna część komory zamocowana jest osiowo na wsporniku, który umożliwia przemieszczanie się styku ruchomego. Osłona izolacyjna lub izolacja stała przejmuje zewnętrzną siłę wywołaną operacją łączeniową oraz siłę docisku styków. Rys. 1. Budowa bieguna zalewanego z komorą próżniową wyłącznika typu VD4 produkcji ABB. Źródło: [15].

11 Bieguny wyłączników próżniowych SN Rys. 2. Budowa bieguna z komorą próżniową wyłącznika typu SION 3AE5 produkcji SIEMENS. Źródło: [19]. Rys. 3. Budowa bieguna z komorą próżniową wyłącznika HVX 12/24 kv 1250 A produkcji Schneider Electric. Źródło: [18].

12 Bieguny wyłączników próżniowych SN Wyłączniki próżniowe nie wymagają specjalnego medium izolacyjnego i gaszącego, dlatego że komory próżniowe nie posiadają materiału podlegającego jonizacji. Rozłączanie styków w komorze próżniowej następuje zawsze w obecności palącego się łuku wytworzonego z par stopionego materiału stykowego (rys. 4). Pary te istnieją tylko podczas palenia się łuku pod działaniem energii zewnętrznej i zanikają po zgaśnięciu łuku przy przejściu prądu w okolicy zera. Rys. 4. Widok palącego się łuku wytworzonego z par stopionego materiału stykowego pomiędzy zestykami komory próżniowej produkcji Eaton Electric. Źródło: [14]. W tym momencie występuje spadek obciążenia i dość gwałtowna kondensacja par metalu na ekranie kondensacyjnym. Komora próżniowa odnawia swoje własności izolacyjne tak szybko, że jest w stanie wytrzymać przejściowe napięcie powrotne o bardzo dużej stromości narastania.

13 Bieguny wyłączników próżniowych SN

14 Bieguny wyłączników próżniowych SN Za zużywanie się styków, tym samym trwałość wyłącznika, w głównej mierze decyduje wartość przerywanych prądów zwarciowych, częstość ich występowania oraz czas wyłączania, czyli czas od momentu oddzielenia styków komory próżniowej do przerwania prądu zwarciowego. Przebieg prądu i napięcia podczas jednofazowego procesu wyłączania w próżni przedstawiono na rys. 5. Rys. 5. Przebieg prądu i napięcia podczas jednofazowego procesu wyłączania w próżni. Źródło: [15].

15 Wyłączniki próżniowe SN Na wartość przerywanych prądów i na częstość ich występowania producent wyłącznika nie ma wpływu, natomiast może mieć znaczący wpływ na czas wyłączenia prądu zwarciowego poprzez zastosowany napęd wyłącznika. Oczekiwania użytkowników w zakresie trwałości mechanicznej wyłączników SN dawno temu przesunęły się z klasy M1 (2.000 przestawień podczas badania typu) do klasy M2 ( przestawień podczas badania typu). Zastosowanie komór próżniowych pozwoliło na zwiększenie trwałości mechanicznej do poziomu przestawień, a wprowadzenie napędów elektromagnesowych pozwoliło uzyskać trwałość mechaniczną nawet przestawień podczas wykonywania badań.

16 Napędy zasobnikowo-spężynowe wyłączników SN W wyłącznikach próżniowych SN do tej pory powszechnie stosowano napęd zasobnikowosprężynowy. Napęd ten jest opisywany jako prosty i łatwy w obsłudze. Jako zalety wymieniano możliwość adaptowania w szerokim zakresie poprzez łatwą i szybką instalację dodatkowych akcesoriów. Podkreślano prostotę mechanizmu i wysoką niezawodność aparatu. Wydawałoby się, że już nie można skonstruować prostszych i bardziej niezawodnych napędów. Napęd i bieguny wyłącznika posadowione są najczęściej na metalowej ramie stanowiącej skrzynkę napędu wyłącznika. Zwarta konstrukcja zapewnia wysoką mechaniczną niezawodność i bardzo prostą adaptację. Wersja wysuwna (człon wysuwny) dodatkowo wyposażona jest w wózek do wjazdu/wyjazdu aparatu, giętką wiązkę przewodów z wtykiem do połączenia sterowania wyłącznika z rozdzielnicą, oraz styki, np. tulipanowe, zamocowane na izolowanych ramionach biegunów wyłącznika.

17 Napędy zasobnikowo-spężynowe wyłączników SN Siła przekazywana jest z napędu do bieguna łączeniowego za pośrednictwem drążka napędowego. Sprężyna załączająca jest naciągana ręcznie bądź silnikiem elektrycznym, a po naciągnięciu samoczynnie ryglowana i służy jako zasobnik energii. Sprężyna załączająca może być odryglowana do załączenia za pomocą lokalnego przycisku lub zdalnie za pomocą telesterowania. W trakcie procesu załączania sprężyna załączająca naciąga sprężynę wyłączającą ewentualnie sprężyny dociskowe styków głównych. Tak rozbrojoną sprężynę naciąga automatycznie silnik zbrojący napędu. Widok mechanizmu zasobnikowosprężynowego wyłącznika próżniowego przedstawiono na rys. 6 i 7.

18 Napędy zasobnikowo-spężynowe wyłączników SN Rys. 6. Mechanizm zasobnikowo-sprężynowy wyłącznika próżniowego SN typu VD4 produkcji ABB. Źródło: [15].

19 Napędy zasobnikowo-spężynowe wyłączników SN Rys. 7. Widok napędu wyłącznika próżniowego SN typu 3EA1 produkcji SIEMENS. Źródło: [19].

20 Napędy elektromagnesowe wyłączników SN Napędy elektromagnesowe to innowacyjne napędy stosowane powszechnie w wyłącznikach próżniowych i reklozerach SN od wielu lat. Niezawodne działanie, kompaktowa i ekonomiczna budowa, duża liczba operacji łączeniowych wykonywanych bez konserwacji i przeglądów sprawiły, że znalazły zastosowanie jako napędy wyłączników rozdzielnic rozdziału pierwotnego SN. Mechanizm elektromagnesowy wyłącznika jest oparty na idei rozdzielenia obwodów magnetycznych wykorzystywanych do zamykania, podtrzymania i otwierania styków głównych wyłącznika. Głównym elementem mechanizmu stanowi napęd magnesowy, wewnątrz którego pod wpływem sił elektrodynamicznych porusza się izolacyjny trzpień połączony ze stykiem ruchomymi komory próżniowej. Napęd magnesowy zbudowany jest z jarzma wykonanego ze stali lekkiej, wewnątrz którego umieszczony jest magnes stały oraz cewki: otwierająca i zamykająca. Standardowa pozycja popychacza to położenie górne. W tym położeniu wyłącznik jest w pozycji otwartej.

21 Napędy elektromagnesowe wyłączników SN Rys. 8. Budowa mechanizmu elektromag- nesowego napędu wyłącznika próżniowego SN produkcji EATON. Źródło: [16]. Rys. 9. Mechanizm elektromagnesowy wyłącznika próżniowego SN produkcji EATON. Źródło: [16].

22 Napędy elektromagnesowe wyłączników SN Rys. 10. Budowa zespołu łączeniowego ISM/TEL bieguna z komorą próżniową wyłącznika typu VCB/TEL produkcji Tavrida Electric. Źródło: [20]. Rys. 11. Widok wyłącznika typu VCB/TEL na wózku jezdnym i jego napędu w rozdzielnicy SN produkcji ELTAR ENERGY. Źródło: [17].

23 Napędy elektromagnesowe wyłączników SN

24 Analiza porównawcza napędów wyłączników SN Parametry i właściwości fizyczne napędów elektromagnesowych są korzystniejsze od napędów zasobnikowo-sprężynowych. Masa wyłącznika wraz z napędem ma znaczenie w czasie transportu i w czasie montażu rozdzielnicy. Później wszystkie czynności związane z wyłącznikami odbywają się przy wykorzystaniu dedykowanych wózków jezdnych. Jednak manewrowanie lżejszym wyłącznikiem na wózku jest dla obsługi łatwiejsze i bezpieczniejsze. Zazwyczaj czynności łączeniowe odbywają się przy wykorzystania telesterowania bez obecności obsługi, tak więc zarówno drgania jak i poziom hałasu nie mają zasadniczo znaczenia. Można ewentualnie rozpatrywać wpływ poziomu drgań na integralność konstrukcji rozdzielnicy i poziom awaryjności spowodowany usterkami obwodów wtórnych, lecz obecnie nie notuje się wysokiego poziomu tych usterek, co jest podyktowane wysoką jakością montażu rozdzielnicy.

25 Analiza porównawcza napędów wyłączników SN Identycznie należy ocenić szerszy zakres temperatury pracy napędu elektromagnesowego. Zakres temperatury napędu zasobnikowosprężynowego odpowiada normalnym warunkom pracy o temperaturze otoczenia nie przekraczającej 40 o C i o minimalnej temperaturze otoczenia wynoszącej -5 o C dla wnętrzowej aparatury rozdzielczej i sterowniczej i zakres ten jest w zupełności wystarczający dla warunków pracy w Polsce. Rozszerzona temperatura pracy jest zdecydowanym atutem dla zastosowań napowietrznych i w stacjach wnętrzowych prefabrykowanych w sytuacjach konieczności ich uruchomienia ze stanu zimnego. O wiele ciekawsze jest zestawienie parametrów elektrycznych obu wyłączników. Wyłączniki z napędami zasobnikowo-sprężynowymi charakteryzują się szerszym typoszeregiem dostępnych prądów znamionowych oraz większymi prądami znamionowymi wyłączalnymi zwarciowymi. To kluczowe parametry wyłącznika, przy czym należy pamiętać, że nie dla wszystkich zastosowań potrzebny jest aż tak duży typoszereg prądów znamionowych.

26 Analiza porównawcza napędów wyłączników SN!

27 Analiza porównawcza napędów wyłączników SN Dla większości zastosowań, np. rozdzielnice rozdziału pierwotnego głównych punktów zasilających spółek dystrybucyjnych, wyłączniki pól zasilających dobierane są do mocy znamionowej transformatora, na którą projektowana jest rozdzielnica. Powszechnie stosowane w kraju są rozdzielnice o mocy znamionowej transformatora 25 MVA, rzadziej o mocy znamionowej 40 MVA, a sporadycznie o mocy 63 MVA. Zatem dla większości zastosowań (25 MVA) prąd znamionowy wyłącznika pola zasilającego wynoszący 1250 A, dla napięcia znamionowego rozdzielnicy 17,5 kv i 24 kv, będzie wystarczający. Dla mocy 40 MVA prąd znamionowy wyłącznika pola zasilającego będzie wynosił odpowiednio: 2000 A i 1600 A dla napięcia znamionowego rozdzielnicy 17,5 kv i 24 kv. W zasadzie oba wyłączniki pokrywają swoimi parametrami podstawowe zastosowania. W zakresie prądu znamionowego zwarciowego wyłączalnego poziom 25 ka będzie w zupełności wystarczający dla typowych parametrów sieci SN w Polsce.

28 Analiza porównawcza napędów wyłączników SN Czasy wyłączników: zamykania, własne otwierania i wyłączania to parametry wybitnie wskazujące na korzyść wyłączników z napędami elektromagnesowymi. To dzięki właśnie tym napędom możliwe było uzyskanie tak krótkich czasów wyłączania co bezpośrednio przełożyło się na wzrost trwałości mechanicznej nawet do cykli przedstawieniowych, w zasadzie nie do osiągnięcia dla wyłączników z napędami zasobnikowo-sprężynowymi.

29 Analiza porównawcza napędów wyłączników SN Rys. 12. Energia łuku mogącego wystąpić w rozdzielnicy rozdziału pierwotnego SN w funkcji czasu z zaznaczonym czas wyłączenia wyłącznika z napędem elektromagnesowym uwzględnieniem działania zabezpieczenia przeciwłukowego. Źródło: [21].

30 Analiza porównawcza napędów wyłączników SN Te parametry sprawiły, że wyłączniki z napędami elektromagnesowymi są standardem w Ameryce Północnej, Australii, czy też w Europie Wschodniej. Krótkie czasy tych napędów pozwoliły również zmniejszyć zużywanie się styków wyłączników próżniowych, a także poprawić znacząco kategorię ryzyka HRC i uzyskać jego najniższy poziom - HRC0. Dzięki tak krótkiemu czasowi wyłączania można rozważać rezygnację z zabezpieczenia przeciwłukowego, przy równoczesnym skróceniu czasu zwłoki zabezpieczeń rezerwowych, ponieważ zabezpieczenie przeciwłukowe w niewielki sposób przyczyni się do skrócenia czasu łukowego rozdzielnicy.

31 Energia łuku elektrycznego odzież ochronna Amerykański stan prawny od 2007 roku obliguje przedsiębiorstwa amerykańskie (w tym przedsiębiorstwa z amerykańskim kapitałem) do przeprowadzenia analizy zagrożenia (Arc Flash Hazard Assessment) oraz do wdrożenia całego procesu zarządzania ryzykiem związanym z łukiem elektrycznym, nawet jeżeli przedsiębiorstwo zlokalizowane jest poza Stanami Zjednoczonymi a lokalne prawo nie wymaga wykonywania tego typu analiz. Podstawą do analizy zagrożenia jest międzynarodowa norma IEEE Standard 1584 Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations - The Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., stanowiąca przewodnik do obliczeń związanych z oddziaływaniem łuku elektrycznego na organizm człowieka w określonych punktach sieci. W Polsce i w Europie nie opracowano dotychczas jednolitych przepisów, które nakazywałyby wykonywanie analiz zagrożenia porażeniem łukowym i wyposażanie pracowników w adekwatne do wyznaczonej energii łuku środki ochrony indywidualnej. Istniejące przepisy, procedury i środki minimalizujące zagrożenie porażenia prądem elektrycznym nie zawsze (a w zasadzie rzadko kiedy) są skuteczne w przypadku zagrożenia wyładowaniem łukowym.

32 Energia łuku elektrycznego odzież ochronna Amerykańskie przepisy BHP związane z bezpieczeństwem pracy przy instalacjach i urządzeniach elektrycznych - NFPA 70E Standard for Electrical Safety in the Workplace od 1995 roku do zagadnień związanych z ochroną przeciwpożarową i przeciwporażeniową dodały ochronę przeciwłukową. Wartości energii incydentalnej w zależności od czasu wyłączenia prądu zwarciowego w przedziale od 10 do 50kA. Kolory od białego do czerwonego odpowiadają kategoriom zagrożenia wymienionym w normie NFPA 70E Standard for Electrical Safety in the Workplace (odpowiednio od HRC0 do HRC4). Uwaga: HRC 1, 2, 3, 4 (Hazard Risk Category) to dopuszczalna kategoria zagrożenia łukiem elektrycznym. Termin ten od 2015 r. zastąpiony przez: Arc PPE Level, Arc PPE Category lub ARC (Arc- Rated Category).

33 Energia łuku elektrycznego odzież ochronna

34 Energia łuku elektrycznego odzież ochronna

35 Energia łuku elektrycznego odzież ochronna

36 Wnioski Analiza porównawcza napędów wyłączników próżniowych rozdzielnic rozdziału pierwotnego SN nie wykazała pewnego zwycięzcy. Wyłączniki próżniowe z napędami zasobnikowo-sprężynowymi nadal będą miały zastosowanie w rozdzielnicach o dużych prądach znamionowych i dużych prądach znamionowych zwarciowych wyłączalnych. Należy spodziewać się, że producenci wyłączników z napędami elektromagnesowymi szybko wypełnią braki w ofercie. Pojawiły się na rynku pierwsze rozdzielnice, dla których producenci deklarują że wszystkie badania w ramach próby typu zostały wykonane z tym właśnie wyłącznikiem. Rozdzielnice wyposażone w wyłączniki z napędami elektromagnesowymi pozwalają uzyskać mniejsze zużycie styków wyłączników próżniowych co znacząco przekłada się na trwałość tych wyłączników. Dla większości zastosowań wyłączniki z napędem elektromagnesowym stanowią alternatywę dla wyłączników z napędami zasobnikowosprężynowymi, a za sprawą krótszych czasów, prostoty konstrukcji i dużej niezawodności oraz znacząco większej trwałości mechanicznej w niedługim czasie mogą uzyskać nad nimi przewagę, tak jak stało się to w Ameryce Północnej, Australii czy też w Europie Wschodniej.

37 Wnioski Rozdzielnice rozdziału pierwotnego SN z wyłącznikami z napędami elektromagnesowymi dzięki prostocie konstrukcji napędu powinny być tańsze od rozłączników z wyłącznikami zasobnikowo-sprężynowymi, w szczególności po rezygnacji ze stosowania zabezpieczenia przeciwłukowego. Zastosowanie wyłączników z napędami elektromagnesowymi pozwala na obniżenie kosztów eksploatacji rozdzielnic rozdziału pierwotnego SN. Rozdzielnice z wyłącznikami o napędzie elektromagnesowym powinny być łatwiejsze w projektowaniu, a układy prostsze i przez to bardziej niezawodne. Specjalne zastosowanie mogą znaleźć wyłączniki o napędzie elektromagnesowym w rozdzielnicach i układach zasilania rezerwowego o wysokich wymaganiach bezprzerwowego zasilania. Należy spodziewać się uzupełnienia oferty o wyłączniki próżniowe SN z napędami elektromagnesowymi u wszystkich dostawców aparatów obwodów pierwotnych za sprawą rosnącego zainteresowania tymi wyłącznikami.

38 Nad czym teraz pracuję? Ochrona przed łukiem elektrycznym pracowników wykonujących prace przy rozdzielnicach rozdziału pierwotnego SN?

39 Dziękuję za uwagę, www.