AUTOMATYKA ELEKTRYKA ZAKŁÓCENIA

Transkrypt

1 NR 9/2012 ISSN AUTOMATYKA ELEKTRYKA ZAKŁÓCENIA e-pismo naukowo-techniczne dla praktyków INTELIGENTNE SIECI INSTALACJE I URZĄDZENIA APARATY JAKOŚĆ ENERGII ZABEZPIECZENIA I OCHRONY OŚWIETLENIE ENERGOELEKTRONIKA MASZYNY I NAPĘDY TERMINOLOGIA

2 AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKŁÓCENIA 1/ STRONA OKŁADKI CZEKA W KAŻDEJ CHWILI NA WASZĄ REKLAMĘ 2

3 OD REDAKCJI Wydawca: INFOTECH, Gdańsk, ul. Łużycka 17/5 Tel./fax: ISSN Zespół Redakcyjny: Zbigniew R. Kwiatkowski - Redaktor naczelny Stanisław Przybek, Andrzej Skiba dr Krystyna Ambroch - Red. Statystyczna Korekta: mgr Elżbieta Nowakowska (jezyk polski) mgr Monika Bandura (język angielski) Skład i łamanie tekstu: Zespół wydawcy Rada Naukowa: dr inż. Edward Musiał - Przewodniczący prof. dr hab. inż. Ryszard Gessing prof. dr hab. inż. Zbigniew Krzemiński prof. dr hab. inż. Leszek Czarnecki prof. dr hab. inż. Jacek Malko prof. dr hab. inż. Kazimierz Jakubiuk dr hab. inż. Zbigniew Hanzelka, dr hab. inż. Andrzej Sowa dr hab. inż. Piotr Lesiak dr inż. Henryk Boryń dr inż. Zdzisław Kusto Szanowni Czytelnicy! Zmieniliśmy nieco szatę graficzną strony wspomagającej pismo. Ułatwi to nowym czytelnikom poruszanie się po stronie i wyszukiwanie artykułów. Od Nr 9 rozpoczynamy cykl artykułów związanych z magnesami trwałymi i ich zastosowaniem w maszynach elektrycznych. Kontynuujemy cykl związany z językiem polskim. W dalszym ciągu zapraszamy do współpracy naukowców i praktyków chcących się podzielić z czytelnikami swoim doświadczeniem zawodowym oraz znajomością języka polskiego. Zachęcamy do zadawania pytań oraz do przesyłania nowych propozycji dotyczących rozwoju pisma. Zbigniew R. Kwiatkowski Pełna lista redaktorów tematycznych oraz recenzentów podana jest na stronie w zakładce Redakcja. Wszelkie prawa zastrzeżone INFOTECH Rozpowszechnianie artykułów (lub ich fragmentów) zamieszczonych w e-piśmie AUTOMATYKA, ELEKTRYKA, ZAKłÓCENIA jest możliwe tylko za zgodą Wydawcy pisma. INFORMACJE DLA AUTORÓW Z uwagi na dążenie do utrzymania wysokiego poziomu publikacji, wprowadzamy procedury zalecane przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Szczegółowe informacje dotyczące: sposobu przygotowania artykułów procedury recenzowania instrukcji rzetelności oraz przestrzegania praw autorskich deklaracji o wersji pierwotnej, znajdują się na stronie wspomagającej pismo: w zakładce Redakcja NASI PARTNERZY Zostańcie Państwo naszym partnerem. Tutaj umieścimy logo Waszej firmy. OD REDAKCJI 3

4 SPIS TREŚCI NR 9/2012 Dbajmy o język 6 Słowa karierowicze - Krzysztof Goczyła ENERGETYKA 8 ZASILANIE REZERWOWE Z ZESPOŁÓW SPALINOWO-ELEKTRYCZNYCH - dr inż. Edward Musiał KABLE ŚREDNIEGO NAPIĘCIA 22 APARATURA PROBIERCZA DO BADAŃ NAPIĘCIOWYCH KABLI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA O IZOLACJI POLIMEROWEJ - dr inż. Henryk Boryń MASZYNY I NAPĘDY MASZYNY ELEKTRYCZNE WZBUDZANE MAGNESAMI TRWAŁYMI - prof. dr hab. inż. Tadeusz Glinka; Artur Borkowski ENERGOOSZCZĘDNE STEROWANIE MASZYNAMI Z MAGNESAMI TRWAŁYMI - prof. dr hab. inż. Zbigniew Krzemiński AUTOMATYKA 52 ALARM MANAGEMENT SYSTEM SZANSA DLA CZŁOWIEKA WŚRÓD AUTOMATÓW - mgr inż. Peter STOLZ REKLAMA TO MIEJSCE CZEKA NA WASZĄ SKUTECZNĄ REKLAMĘ spis treści 4

5 ENERGIA ODNAWIALNA w zastosowaniach W książce, formatu A-4 na 242 stronach, znajdują artykuły dotyczące odnawialnych źródeł energii, które już dziś mogą być stosowane w polskich warunkach klimatycznych przy obecnym stanie techniki. Wśród tematów między innymi: Kolektory słoneczne i panele fotowoltaiczne Praktyczne obliczenia w instalacjach słonecznego ogrzewania wody Konwersja energii słonecznej na chemiczną w ogniwach fotoelektrochemicznych Wykorzystanie zasobników energii w energetyce wiatrowej Ogniwa Paliwowe najbardziej efektywne źródła elektryczności Produkcja biogazu Pompy ciepła w budownictwie mieszkaniowym Kogeneracja rozproszona oparta na OZE mikrosiłownie parowe Cena opracowania wraz z kosztem wysyłki: 120 zł + 5% VAT Zamówienia kierować na adres: infotech@infotech.gdansk.pl

6 Dbajmy o język Słowa karierowicze W języku polskim, szczególnie w tym mówionym, występują słowa, które zrobiły zazwyczaj niezasłużoną karierę. Ta kariera wynika z tego, że słowa te, same jak najbardziej poprawne, są nadużywane. Stosowane są w kontekstach, w których występować nie powinny. Dziś zajmę się kilkoma takimi słowami, na które natrafiłem w ostatnim czasie. Pierwsze z nich to opcja. Jakże często słyszy się zwroty typu: Nie ma takiej opcji!, Mam do wyboru dwie opcje:, Ten przedmiot jest opcjonalny itd. Przyjrzyjmy się słownikowym znaczeniom tego słowa. Według Słownika języka polskiego pod red. M. Szymczaka, opcja ma trzy znaczenia o charakterze dość specjalistycznym: w słownictwie morskim jest to prawo wyboru portu załadunku lub wyładunku i innych szczegółów związanych z handlem morskim, a w słownictwie prawniczym jest to prawo swobodnego wyboru obywatelstwa lub zastrzeżone prawo wydawnictwa do publikowania danego dzieła. Słownik języka polskiego pod red. W. Doroszewskiego dodaje jeszcze jedno ciekawe znaczenie: opcja to możność wyboru, wybór między wielu rzeczami przedstawionymi do wybierania, jak w wyrażeniu: dać komuś opcję między jednym a drugim. Z nastaniem ery komputerów, a w szczególności interfejsów graficznych, opcja nabrała jeszcze jednego popularnego znaczenia, bezpośrednio zaczerpniętego z angielskiego słowa option, występującego w podręcznikach komputerowych. W tym znaczeniu opcja to jakiś element interfejsu, który można wybrać lub zaznaczyć myszką, na przykład pozycja menu ekranowego, pole wyboru i in. Bezpośrednio też z angielskiego przejęto znaczenie słowa opcjonalny jako dodatkowy, nieobowiązkowy. O ile trudno mieć zastrzeżenia do stosowania słów opcja, opcjonalny i ich derywatów w nomenklaturze komputerowej (zagadnieniu tzw. języka komputerowego poświęcimy jeden z następnym odcinków), o tyle stosowanie ich w innych kontekstach, poza tymi słownikowymi, jest całkowicie nieuzasadnione i niepoprawne. W zwrotach, które przytoczyłem na początku, zamiast słowa opcja można (a nawet trzeba!) użyć słowa możliwość; a więc: Nie ma takiej możliwości!, Mam do wyboru dwie możliwości:, a zamiast słowa opcjonalny lepiej użyć słowa dodatkowy albo nieobowiązkowy, np. Ten przedmiot jest nieobowiązkowy lub nadobowiązkowy. Drugim słowem karierowiczem, o którym chcę dziś napisać, jest słowo posiadać. Cóż złego może być w tym słowie? na pewno pomyśli niejeden Czytelnik. Oczywiście, słowo to jest jak najbardziej poprawne, jednak kontekst jego użycia rozszerzył się ostatnio w sposób nieuzasadniony. Sięgnijmy znów do definicji słownikowej: posiadać to mieć coś jako swoją własność, być właścicielem czegoś, zwykle mającego dużą wartość materialną, np. nieruchomości, ziemi, zasobów pieniężnych. A zatem posiadać można majątek, dom, papiery wartościowe itp. Ale jakże często słyszy się (i czyta) zwroty typu: Ta sala posiada dwadzieścia miejsc, Ten chłopiec posiada talent, Praca posiada charakter autorski, zamiast: Ta sala ma dwadzieścia miejsc, Ten chłopiec ma talent (albo: Ten chłopiec jest utalentowany ), Praca ma charakter autorski. Osoby używające słowa posiadać w miejsce prostego mieć uważają zapewne, że stosują słownictwo bardziej wyrafinowane i przez to są postrzegane jako bardziej wykształcone. Jednak nic bardziej błędnego. Od takiego wyrafinowania do zwykłej śmieszności naprawdę bardzo blisko! Szczytem takiego źle pojętego wyrafinowania jest niezwykle modny ostatnio, szczególnie wśród polityków, słowa karierowicze Krzysztof GOCZYŁA 6

7 Dbajmy o język zwrot Nie posiadam wiedzy na ten temat. Takie zwyczajne Nic nie wiem na ten temat brzmi przecież tak płasko i trywialnie, że nie przystoi poważnemu politykowi Oczywiście (teraz już na poważnie) można posiadać (posiąść) rozległą i głęboką wiedzę na jakiś temat, w znaczeniu: opanować jakąś dziedzinę wiedzy, przyswoić sobie jakąś umiejętność, dobrze coś poznać, ale przecież nie o to chodzi w przywołanym zwrocie. Bardzo często spotykam też określenia typu ciężko to zrobić, ciężko to zrozumieć, ciężko mi to powiedzieć, sytuacja jest ciężka. Słowo ciężko robi ostatnio zawrotną karierę. Szeregowy użytkownik języka polskiego wydaje się zapominać, że istnieją inne słowa, które w tego typu kontekstach lepiej oddają intencje mówiącego. Jest to przejaw, postępującego niestety, zjawiska zubażania słownictwa stosowanego w mowie potocznej. Język polski jest przecież bogaty i niewielkim wysiłkiem możemy unikać takich prymitywnych w gruncie rzeczy określeń. Czyż nie lepiej powiedzieć: trudno to zrobić, niełatwo to zrozumieć, z trudem to mówię, sytuacja jest krytyczna? Na koniec tego odcinka zostawiłem sobie prawdziwego prymusa wśród karierowiczów: słowo upust. Gdy tylko wyruszymy na zakupy, wszędzie napotykamy promocje, którym nieodłącznie towarzyszą tzw. upusty cenowe. No właśnie, czy aby na pewno upusty? Tradycyjnie, sięgnijmy do definicji słownikowych; zgodnie z nimi: upust to odprowadzenie nadmiaru cieczy, pary lub gazu ze zbiornika albo z jakiegoś urządzenia, a jako przykłady użycia słowniki podają: upust krwi, upust wody, upust surówki (w hucie); można też dać upust oburzeniu czy łzom. O upuście ceny ani słowa. Dlaczego? Zawsze podkreślam, że język polski jest logiczny. Przecież ceny nie upuszczamy, tylko ją obniżamy, czyli opuszczamy! A zatem właściwym słowem powinno być opust! Sprawdźmy definicję słownikową: zarówno według słownika M. Szymczaka, jak i W. Doroszewskiego opust to zniżka ceny kupna, przyznawana nabywcy przez sprzedawcę (zwykle przy zakupach hurtowych); rabat, bonifikata. Jednak czy ktokolwiek zatrzyma falę tych nieszczęsnych upustów? Krzysztof Goczyła Tekst artykułu jest przedrukiem z Pisma PG" wydawanego przez Politechnikę Gdańską REKLAMA TO JEST MIEJSCE NA REKLAMĘ TWOJEJ FIRMY słowa karierowicze Krzysztof GOCZYŁA 7

8 ENERGETYKA ZASILANIE REZERWOWE Z ZESPOŁÓW SPALINOWO-ELEKTRYCZNYCH dr inż. Edward MUSIAŁ Politechnika Gdańska, edmus@wp.pl Emergency and stand-by supply from generating sets driven by combustion engine Abstract: The article deals with power supply which can be used upon failure or outage of the normal source lasting from several hours to several days. In this case, the generators powered by combustion engine are usually the best solution. The engine starting characteristics and generator sizing are the important topics presented in the paper. Recommended practice for installation of generating sets and transfer switching are also described. Keywords: stand-by supply, combustion engine generating sets, customer damage function, combustion motor characteristics, generator sizing, installation recommendations, transfer switching Jeżeli do zasilania rezerwowego są potrzebne źródła umożliwiające autonomiczną pracę przez czas od kilku godzin do kilku dni, na wypadek długotrwałej przerwy w zasilaniu z sieci zewnętrznej, to wybór pada na zespoły prądotwórcze spalinowo-elektryczne. Szeroki zakres mocy i innych parametrów zespołów, produkowanych specjalnie do zasilania rezerwowego, ułatwia ich dobór do różnorodnych zastosowań, przy różnym trybie rozruchu i pracy ustalonej zespołu. Aby korzyści z wprowadzania zespołów były zgodne z oczekiwaniami, poprawnie muszą być dobrane, zainstalowane i użytkowane nie tylko same zespoły i ich automatyka, lecz również urządzenia wiążące je z instalacją obiektu. Ważna jest koordynacja parametrów i charakterystyk dynamicznych zespołu z wyposażeniem aparatowym zasilanej instalacji i właściwościami urządzeń odbiorczych. Artykuł nie zajmuje się autonomiczną pracą zespołów, kiedy z braku powiązania z systemem elektroenergetycznym zespół prądotwórczy lub grupa zespołów jest jedynym źródłem zasilania. Są to zwykłe sytuacje w interiorze afrykańskim i południowoamerykańskim: farmy, misje, obiekty łączności i stacje badawcze, ale również całe miasteczka. Pracę autonomiczną zespołów spotyka się na całym świecie na terenach budowy i remontu, zwłaszcza obiektów liniowych, jak rurociągi, drogi i tunele, a także do awaryjnego zasilania terenów dotkniętych klęską żywiołową. Słowa kluczowe: zasilanie rezerwowe, zespoły prądotwórcze spalinowo-elektryczne, koszty przerwy w zasilaniu, parametry silnika spalinowego i dobór prądnicy, warunki instalowania zespołów, przełączanie zasilania 1. SKUTKI PRZERWY W ZASILANIU ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ Coraz rzadsze są przypadki, kiedy przerwa w zasilaniu nie powoduje żadnych uciążliwości dla odbiorcy, bo następuje w porze i/lub w miejscu, kiedy nie korzysta on z energii elektrycznej (domek letniskowy zimą). Skutki przerwy mogą być różne, od banalnych (kwadrans ciemności w mieszkaniu) po bardzo poważne (brak zasilania obiektu gromadzącego publiczność, szpitalnej sali operacyjnej, wieży kontrolnej lotniska, centrali telekomunikacyjnej). W przypadku obiektów typu przemysłowego przegląd skutków przerwy w zasilaniu daje się ująć szczególnie obrazowo, przekonująco i dają się one wyrazić w wartościach pieniężnych (rys. 1). Rys. 1. Koszty strat K pz spowodowanych pojedynczą przerwą (o czasie trwania t pz ) w zasilaniu obiektu energią elektryczną ZASILANIE REZERWOWE Z ZESPOŁÓW SPALINOWO-ELEKTRYCZNYCH Edward MUSIAŁ 8

9 ENERGETYKA Przerwa w zasilaniu wrażliwego odbiorcy przemysłowego, poza kosztownym przestojem, może oznaczać: ryzyko uszkodzenia lub zniszczenia przerabianych materiałów, półproduktów, również przetwarzanych danych oraz obniżonej ich jakości po wznowieniu procesu (synteza chemiczna, włókiennictwo, obróbka cieplna, przemysł spożywczy, systemy komputerowe), ryzyko uszkodzenia lub zniszczenia urządzeń technologicznych (hutnictwo stali i aluminium, przemysł szklarski, cementowy, włókien sztucznych, nowoczesne obrabiarki), ryzyko wypadków z ludźmi i ryzyko skażenia środowiska, koszty ponownego uruchamiania procesu technologicznego, co np. w zakładzie nawozów azotowych może trwać 6 8 h po przerwie rzędu minut, a dwie doby po przerwie dłuższej niż godzina i oznacza koszty równe wartości tygodniowej produkcji. Wspomniane skutki dają się wyrazić w postaci oczekiwanych kosztów strat w zależności od czasu trwania przerwy w zasilaniu pojedynczego urządzenia, linii technologicznej lub odbiorcy (ang. CDF customer damage function) albo grupy odbiorców, miasta, regionu (ang. CCDF composite customer damage function). W przypadku odbiorców wrażliwych zależność ta zwykle ma postać przedstawioną na rys. 1 i jest określona przez współrzędne punktów A i B, a w bardziej złożonych sytuacjach dodatkowo przez współrzędne punktów C oraz D i ew. następnych, wyznaczających kolejne stopnie gwałtownego narastania kosztów po przekroczeniu określonych wartości czasu trwania przerwy t pz. Duże znaczenie ma wartość lub kolejne wartości krytycznego czasu trwania przerwy w zasilaniu t pkr, po przekroczeniu którego koszty gwałtownie rosną. Następuje to po czasie t pkr w granicach od kilku milisekund do kilkudziesięciu godzin (rys. 2), zależnie od wrażliwości urządzenia bądź odbiorcy jako całości. Źródła zasilania rezerwowego powinny przywrócić zasilanie wybranych urządzeń przed upływem krytycznego czasu trwania przerwy t pkr. Dla procesów technologicznych ciągłych (stan procesu w każdym wybranym miejscu obserwacji jest stale taki sam) można ograniczyć się do liniowej charakterystyki CDF, jak na rys.1, chociaż w dokładniejszych analizach podaje się charakterystyki pasmowe uwzględniające chociażby rozrzut wartości istotnych parametrów. t pkr 100 h Rys. 2. Krytyczny czas przerwy w zasilaniu energią elektryczną t pkr Chłodnie składowe o dużej pojemności, pełne, zimą. 10 h 1 h 10 min 1 min Piece łukowo-rezystancyjne (odbiorniki buforowe). Gospodarstwa hodowlane poza okresami mrozów i upałów oraz poza porą karmienia. Inkubatory w wylęgarniach drobiu, brojlernie. Ogrzewanie szklarni (zależnie od fazy wzrostu roślin). Gospodarstwa hodowlane w okresach mrozów i upałów, w porze karmienia. Termoelektrolizery huty aluminium. Piece obrotowe cementowni. Piece indukcyjne kanałowe, Piece łukowe. Galwanizernie. Pompy odwadniające i wentylatory kopalń. Oddziały obróbki cieplnej. Piece szklarskie. Instalacje polimeryzacji etylenu. Walcownie gorące. Silniki urządzeń potrzeb własnych elektrowni. Wieżowce - oświetlenie, dźwigi osobowe. 10 s Oświetlenie nawigacyjne lotniska poza głównymi pasami startowymi. Instalacje wielkiej syntezy chemicznej (amoniaku, kwasu azotowego, saletry amonowej, gumy syntetycznej). 1 s 0,1 s Skręcarki w przędzalniach włókien sztucznych. Oświetlenie głównych pasów startowych lotniska. Lampy bezcieniowe nad stołem operacyjnym. Elektromechaniczne urządzenia bezpieczeństwa. 0,01 s Komputerowe systemy bezpieczeństwa i sterowania. Centrale telekomunikacyjne. Stacje nadawcze RTV. Wieże kontrolne lotnisk. Systemy kontroli przestrzeni powietrznej kraju. Oddziały intensywnej opieki medycznej. ZASILANIE REZERWOWE Z ZESPOŁÓW SPALINOWO-ELEKTRYCZNYCH Edward MUSIAŁ 9

10 ENERGETYKA Inaczej jest w przypadku procesów technologicznych fazowych (stan procesu w obserwowanych miejscach zmienia się w czasie), przebieg charakterystyki CDF zależy od fazy procesu i podać trzeba albo rodzinę charakterystyk, albo odpowiednio opisaną szeroką charakterystykę pasmową. Na przykład inne są koszty przerwy w zasilaniu pieca (wytop, hartowanie, wypalanie itd.) w na wpół zaawansowanej fazie procesu, a inne pod koniec rozładunku pieca. 2. DOBÓR ŹRÓDEŁ ZASILANIA REZERWOWEGO Jeżeli przerwa w zasilaniu określonego obiektu lub jego części zagraża życiu lub zdrowiu ludzi, grozi poważnym zanieczyszczeniem środowiska, zniszczeniem lub utratą mienia albo utratą ważnych zasobów informacji, to wyposaża się ten obiekt lub jego część w źródła zasilania rezerwowego [2, 4, 7]. Stosownie do okoliczności poprzestaje się na jednym rezerwowym źródle zasilania bądź instaluje się ich więcej. O doborze rodzaju źródeł i ich parametrów (rys. 3) decydują przede wszystkim następujące czynniki: Zapotrzebowanie na moc P aw w stanach zakłóceniowych, które powinno być pokryte po uszkodzeniu źródła zasilania podstawowego. Zwykle jest ono znacznie mniejsze niż moc pobierana podczas normalnej pracy, przy zasilaniu podstawowym, i powinno być zestawione skrupulatnie, aby niepotrzebnie nie powiększać kosztów rezerwowania zasilania. Wymagany czas zasilania ze źródła rezerwowego. Niekiedy wystarcza kilka lub kilkanaście minut do bezpiecznego zatrzymania procesu technologicznego, ale potrzeba co najmniej 30 min do ewakuacji publiczności z obiektu handlowego lub widowiskowego. Trzeba zapewnić możliwość co najmniej kilkugodzinnego zasilania rezerwowego do bezpiecznego dokończenia operacji chirurgicznej albo dializy. Może być potrzebne zasilanie rezerwowe przez wiele dni do kontynuowania pracy szpitala bądź ważnego ośrodka zarządzania administracji publicznej albo obronności kraju. Największy dopuszczalny czas przerwy beznapięciowej. Powinien być on z pewnym zapasem mniejszy niż krytyczny czas przerwy w zasilaniu t pkr, po przekroczeniu którego występuje zagrożenie bezpieczeństwa ludzi lub gwałtownie rosną koszty zawodności (rys. 2). Rodzaj prądu i wartość napięcia. Jeśli moc zapotrzebowana P aw i wymagany czas zasilania rezerwowego nie są duże, a obwody nim objęte mogą być zasilane prądem stałym (oświetlenie awaryjne, sterowanie, sygnalizacja), to najlepiej wybrać baterię akumulatorów, bez pośrednictwa jakichkolwiek przekształtników. To rozwiązanie bywa najtańsze i najbardziej niezawodne. Jeżeli zasilaniem rezerwowym ma być objęta tylko część obiektu, to źródła zasilania rezerwowego należy sytuować i przyłączać jak najbliżej zasilanych odbiorów, bo sprzyja to niezawodności zasilania. W skrajnym przypadku źródła zasilania rezerwowego umieszcza się tuż przy odbiornikach, nawet tak, że stanowią konstrukcję zespoloną z nimi, np. akumulator we wnętrzu oprawy oświetleniowej. Rys. 3. Przydatność różnych źródeł zasilania rezerwowego w zależności od zapotrzebowania na moc w stanach awaryjnych P aw i czasu pracy autonomicznej t aut od chwili przejęcia obciążenia Jak wynika z rys. 3, zespoły spalinowo-elektryczne mogą zaspokoić spory zakres wymagań stawianych źródłom zasilania rezerwowego. Są bezkonkurencyjne, jeśli chodzi o możliwy czas pracy autonomicznej t aut od chwili przejęcia obciążenia. Zależy on od pojemności zbiorników paliwa, które zresztą można bieżąco dopełniać. Wadą ich jest stosunkowo długi czas gotowości przejęcia obciążenia ze stanu postoju. Czas ten można wprawdzie w różny sposób skracać, ale i tak jest on zbyt długi ZASILANIE REZERWOWE Z ZESPOŁÓW SPALINOWO-ELEKTRYCZNYCH Edward MUSIAŁ 10

11 ENERGETYKA dla odbiorów o krytycznym czasie przerwy w zasilaniu mniejszym niż pojedyncze sekundy. Wyjściem jest wtedy tandem zespół spalinowo-elektryczny oraz zasilacz bezprzerwowy UPS (statyczny bądź dynamiczny) przejmujący zasilanie natychmiast, ale tylko do chwili przejęcia obciążenia przez zespół spalinowo-elektryczny, co pozwala skromniej zwymiarować sam UPS. Przykładem współdziałania różnych źródeł zasilania rezerwowego może być układ zasilania ośrodka nadawczego RAI w Grottarossa pod Rzymem (rys. 4). Obiekt ma dwie niezależne linie zasilające 20 kv, z których każda może pokryć pełne obciążenie, i podwójny system szyn zbiorczych w głównych rozdzielniach niskiego napięcia, co jest rzadkością. O przyjętym systemie rezerwowania zasilania, według kryterium (n-1), najlepiej świadczy następujące zestawienie: Moc zainstalowana Moc szczytowa w transformatorach 20/0,4 kv w zespołach spalinowo-elektrycznych w zasilaczach UPS przy pracy normalnej (zasilanie z sieci SN) przy zasilaniu awaryjnym (z generatorów) 4 x 2,0 MVA = 8,0 MVA 4 x 1,6 MVA = 6,4 MVA 6 x 0,25 MVA = 1,5 MVA 6,5 MVA (wystarczają 3 transformatory) 4,5 MVA (wystarczają 3 zespoły) W razie przerwy w zasilaniu z sieci zewnętrznej, na czas zasilania rezerwowego odłącza się samoczynnie 30% mocy odbiorowej (2 MVA), czyli wszelkie odbiory nie wymagające ciągłego zasilania. Spośród pozostałych zasilacze UPS bezprzerwowo pokrywają ok. 25% mocy odbiorowej, a zasilanie innych odbiorów jest przerwane do chwili przejęcia obciążenia przez zespoły spalinowo-elektryczne. Zarówno przy pracy normalnej, jak i podczas dłużej trwającego zasilania awaryjnego, jest spełnione kryterium (n-1): uszkodzenie jednego, dowolnego elementu (linii 20 kv, transformatora 20/0,4 kv, zespołu spalinowo-elektrycznego) nie ogranicza zasilania odbiorów, które w określonym trybie pracy powinny być zasilane. 3. SILNIKI NAPĘDOWE ZESPOŁÓW SPALINOWO-ELEKTRYCZNYCH Do napędu zespołów prądotwórczych służą silniki spalinowe o różnej zasadzie działania: Silniki tłokowe o zapłonie iskrowym 2 6-cylindrowe w zespołach małej mocy (0,8 12 kw, rzadziej do 40 kw), wykorzystujące jako paliwo benzynę silnikową. Silniki tłokowe o zapłonie samoczynnym (silniki Diesla) w zespołach średniej i dużej mocy ( kw), przy czym ze wzrostem mocy zwiększa się liczba cylindrów (6 18) i maleje prędkość obrotowa ( obr/min), co w napędzie bezprzekładniowym wymaga prądnic o coraz większej liczbie biegunów. Paliwem jest olej napędowy, w nowszych silnikach wtryskiwany pod ogromnym ciśnieniem. Tylko silniki małej mocy są wolnossące, inne pracują z doładowaniem, co przy tej samej pojemności skokowej pozwala uzyskać moc większą w stosunku zwanym stopniem doładowania, np. 50%, ale bezpośrednio po uruchomieniu nienagrzanego silnika dopuszczalne obciążenie jest wtedy znacznie mniejsze od znamionowego. Turbiny gazowe w zespołach dużej i bardzo dużej mocy (2 200 MW). Zespoły spalinowo-elektryczne do zasilania rezerwowego, zwłaszcza do zasilania urządzeń bezpieczeństwa (urządzeń ważnych dla bezpieczeństwa ludzi, mienia i środowiska), są przystosowane do specyficznych warunków pracy, polegających na długotrwałym postoju i zarazem wymaganiu nieustannej wysokiej zdatności ruchowej. Silniki spalinowe nadal pozostają najbardziej kłopotliwą częścią zespołu prądotwórczego, bo w porównaniu z innymi jego składnikami mają stosunkowo małą trwałość ( h, 20 a) i niezawodność, mają wyższe wymagania odnośnie do zabiegów konserwacyjnych, w tym ruchu próbnego, a przy tym są źródłem hałasu, drgań i spalin. Nabudowany zbiornik paliwa stanowiący wyposażenie zespołu zależnie od wykonania wystarcza na 2 10 h pracy autonomicznej z pełnym obciążeniem. Można ją wielokrotnie przedłużyć dzięki zainstalowaniu dodatkowego zbiornika zewnętrznego. W zależności od mocy znamionowej zespołu i stopnia obciążenia zużycie oleju napędowego wynosi 0,23 0,30 l/kwh, co daje wyobrażenie o potrzebnej pojemności zbiorników. W pełni obciążony zespół 160 kw zużywa ok. 40 l/h. Silnik spalinowy ma moment rozruchowy równy zero. Zespoły bardzo małej mocy bywają uruchamiane ręcznie, jeżeli rozruch samoczynny nie jest wymagany. Zespoły większej mocy mają rozrusznik elektryczny, podobnie jak silnik samochodowy. Jest nim zwykle silnik szeregowy prądu stałego zasilany z rozruchowej baterii akumulatorów, której zdatność ruchowa powinna być systematycznie kontrolowana. W przypadku silników największej mocy, o średnicy tłoka przekraczającej 180 mm, stosuje się rozruch sprężonym powietrzem, z butli doładowywanych sprężarką, bo zapas powietrza w butlach o ciśnieniu (3 10) MPa wystarcza zaledwie na kilka rozruchów. ZASILANIE REZERWOWE Z ZESPOŁÓW SPALINOWO-ELEKTRYCZNYCH Edward MUSIAŁ 11

12 ENERGETYKA Rys. 4. Koncepcja układu zasilania ośrodka nadawczego Centro RAI di Grottarossa w pobliżu Rzymu (teren 14 ha, 9 budynków o łącznej powierzchni użytkowej m 2 i kubaturze m 3 ) Dla utrzymania stałej częstotliwości napięcia wyjściowego, zwłaszcza przy pracy autonomicznej, ważne jest utrzymanie stałej prędkości obrotowej silnika, niezależnie od obciążenia zespołu. Nieodzownym wyposażeniem silnika jest zatem regulator prędkości obrotowej albo mechaniczny (przy silnikach mniejszej mocy), albo elektroniczny. Kontroluje się w sposób ciągły wiele innych parametrów i stanów silnika tłokowego: ciśnienie i temperaturę oleju smarowego silnikowego, poziom i temperaturę czynnika chłodzącego, przekroczenie najwyższej dopuszczalnej prędkości obrotowej, uszkodzenie paska napędowego układu chłodzenia, brak ładowania rozruchowej baterii akumulatorów itd. Ważnym wyposażeniem zespołu jest też licznik czasu pracy (nazywany żargonowo: licznikiem motogodzin) ułatwiający planowanie zabiegów konserwacyjnych. Uruchamianie ręczne zespołu prądotwórczego przeprowadza się w przypadku zespołów przenośnych i przewoźnych małej mocy. Może odbywać się również w przypadku zespołów stacjonarnych, jeżeli chodzi o planowe wyłączenie napięcia albo o uruchomienie próbne, albo jeżeli dłuższa przerwa w zasilaniu (ponad 15 min) po zaniku napięcia źródła zasilania podstawowego jest dopuszczalna. Jeżeli krytyczny czas przerwy w zasilaniu (rys. 2) nie przekracza kilku minut, to zespół do zasilania awaryjnego powinien być uruchamiany samoczynnie. Pobudzeniem układu sterowania jest zanik napięcia źródła zasilania podstawowego, ale nie jest to równoznaczne z wygenerowaniem sygnału startowego zespołu. Na ogół wprowadza się pewną zwłokę, tzw. czas opóźnienia rozruchu, aby odstroić się od krótkotrwałego zaniku lub zapadu napięcia. Ta zwłoka może być również potrzebna w układach z wielostopniową rezerwą zasilania, aby dać możliwość przejęcia obciążenia przez inne przewidziane źródło zasilania rezerwowego. Na rys. 5 przedstawiono charakterystyczne chwile w toku uruchamiania zespołu napędzanego silnikiem wysokoprężnym oraz ważniejsze przedziały czasu między nimi, zgodnie z terminologią używaną w normie [16]. Warto zwrócić uwagę, że niektóre nazwy i ich definicje, np. czas rozruchu, odbiegają od ich potocznego rozumienia, a nawet od definicji podanej w innym arkuszu tej samej normy [12]. ZASILANIE REZERWOWE Z ZESPOŁÓW SPALINOWO-ELEKTRYCZNYCH Edward MUSIAŁ 12

13 ENERGETYKA Rys. 5. Przedziały czasu charakteryzujące przebieg samoczynnego uruchamiania zespołu prądotwórczego zasilania rezerwowego terminologia według normy PN-ISO :1997 [16] Najważniejszym parametrem w tych rozważaniach jest czas gotowości przejęcia obciążenia t b, upływający od chwili podania sygnału startowego do chwili gotowości zespołu do przejęcia obciążenia. Na rys. 6 przedstawiono przeciętne wartości tego czasu dla samoczynnie uruchamianych zespołów o różnej mocy. W przedstawionym paśmie mniejsze wartości dotyczą silników o wstępnie podgrzewanym czynniku chłodzącym (łatwo to sprawdzić dotykając ręką silnik w stanie postoju). Rozruch jest wtedy łatwiejszy, szybszy, bardziej niezawodny, a z chwilą zakończenia rozbiegu taki silnik można obciążyć pełną mocą. Silnik wstępnie niepodgrzewany powinien być początkowo obciążany niepełną mocą, a jej wartość i czas utrzymywania określa wytwórca silnika. ZASILANIE REZERWOWE Z ZESPOŁÓW SPALINOWO-ELEKTRYCZNYCH Edward MUSIAŁ 13

14 ENERGETYKA Rys. 6. Czas gotowości przejęcia obciążenia t b samoczynnie uruchamianego zespołu prądotwórczego z silnikiem wstępnie podgrzewanym w zależności od mocy znamionowej Pewne światło na interpretację niezawodności procesu uruchamiania silników spalinowych mogą rzucić dwa przykłady z życia. Przykład pierwszy dotyczy zespołów przewoźnych w zastosowaniu na poły humorystycznym. W latach 80. ub. wieku francuski prezydent F. Mitterand miał kiedyś noworoczne orędzie do narodu wygłosić ze swojej posiadłości w Landach nad Zatoką Biskajską i tam udała się ekipa telewizji publicznej. Pobłądził samochód ze składanym masztem antenowym i orędzia nie nadano o przewidzianej porze, a w zarządzie telewizji poleciały głowy. Rok później orędzie miało być transmitowane z Pałacu Elizejskiego, co zadanie ułatwiało. Po przykrych doświadczeniach sprzed roku ekipa zadbała o każdy drobiazg i na wszelki wypadek zabrała nawet własne przewoźne zespoły prądotwórcze, aby się uniezależnić od zasilania z sieci miejskiej, a tym bardziej z pałacowych zespołów zasilania rezerwowego. Aliści temperatura spadła kilka stopni poniżej zera, co paryżanie uważają za tęgie mrozy. Okazało się, że francuskie zespoły prądotwórcze też i żaden z dwóch zabranych zespołów, parkujących na pałacowym dziedzińcu, nie ruszył. Role się odwróciły sieć miejska dostarczyła prądu, bo zawiodły zespoły prądotwórcze do zasilania rezerwowego. Przykład drugi, z tych samych lat, dotyczy zespołów stacjonarnych w zastosowaniu najbardziej odpowiedzialnym. Kiedy jeszcze trwała budowa Elektrowni Jądrowej Żarnowiec i trwały końcowe prace projektowe, jednym z ważnych problemów pozostawało bezpieczeństwo jądrowe. Do awaryjnego zasilania układów bezpieczeństwa reaktora WWER 440 potrzebny był zespół prądotwórczy o mocy 2,8 MW, zdolny do przejęcia obciążenia w ciągu minuty i to z poziomem ufności jak najbliższym 100%. Każde rozpatrywane rozwiązanie wydawało się niezadowalające i w końcu przyjęto ciekawą propozycję zespołu z Politechniki Gdańskiej: trzy zespoły prądotwórcze (każdy z prądnicą 2,8 MW i wstępnie podgrzewanym silnikiem wysokoprężnym 3,3 MW) w razie zaniku napięcia jednocześnie i bezzwłocznie otrzymują sygnał startowy. Ten, który pierwszy osiąga gotowość do przejęcia obciążenia, jest załączany, a pozostałe zatrzymują się. Z punktu widzenia niezawodności zespołów spalinowo-elektrycznych, a zwłaszcza ich silników napędowych, duże znaczenie mają okresowe uruchomienia próbne i ruch próbny. Aby sprawdzić wszystkie elementy układu samoczynnego uruchamiania, trzeba wywołać symulowany zanik napięcia z podstawowego źródła zasilania, a nie w inny sposób podawać sygnał startowy. Według normy DIN VDE uruchomienie próbne należy przeprowadzać co miesiąc, po czym przez czas co najmniej jednej godziny zespół powinien pracować przy obciążeniu co najmniej 50%, ale spełnienie tego ostatniego wymagania może być kłopotliwe. Wymagania te są uzasadnione niekorzystnymi zjawiskami zachodzącymi w silniku nienagrzanym, kiedy występuje niepełne spalanie (emisja sadzy i jej osady w silniku oraz w układzie wydechowym, zalewanie wtryskiwaczy itd.). Kumulacja ich skutków może sprawić, że wyraźnie zmniejszy się prawdopodobieństwo udanego rozruchu w razie istotnej potrzeby. 4. PRĄDNICE ZESPOŁÓW PRĄDOTWÓRCZYCH Stosuje się prądnice synchroniczne jawnobiegunowe (o wydatnych biegunach) bezszczotkowe samowzbudne, o liczbie biegunów zależnej od znamionowej prędkości obrotowej silnika napędowego. Przy mocy zespołu mniejszej niż 1000 kw są to na ogół prądnice czterobiegunowe (1500 obr/min). Tylko prądnice małej mocy bywają jednofazowe, inne są trójfazowe. Prądnice o mocy nieprzekraczającej kilkuset kilowatów są niskonapięciowe (w Europie 230/400 V, 50 Hz), przy mocy większej (> 1 MW) mają napięcie znamionowe wysokie, ściślej napięcie średnie. W świecie spotyka się różne napięcia z przedziału 2,4 13,8 kv, a w Polsce jest to zwykle 6 kv. Prądnice są wyposażone w elektroniczny regulator napięcia. Praca autonomiczna zespołu może oznaczać zasilanie przez prądnicę odbiorów o porównywalnej mocy, a zawsze oznacza zasilanie z sieci słabej, ze źródła o ograniczonej mocy zwarciowej. Pomimo stosowanych modyfikacji w konstrukcji prądnic, ZASILANIE REZERWOWE Z ZESPOŁÓW SPALINOWO-ELEKTRYCZNYCH Edward MUSIAŁ 14

15 ENERGETYKA nieco poprawiających sytuację, zwłaszcza w warunkach dynamicznych (zwiększony moment bezwładności prądnicy, zmniejszone reaktancje przejściowe), ta ograniczona moc źródła zasilania objawia się w różnych stanach ruchowych i obowiązują pewne ograniczenia odnośnie do parametrów obciążenia. Mogą być one sformułowane w postaci następujących orientacyjnych wskazówek, wystarczających w prostych sytuacjach: obciążenia udarowe powinny być tak ograniczone, aby nie wywoływały obniżenia napięcia poniżej 0,8.U n, silniki indukcyjne o rozruchu bezpośrednim lekkim powinny mieć moc znamionową nie większą niż 1/3 mocy znamionowej generatora, prądy w poszczególnych fazach nie powinny się różnić więcej niż o 15% od wartości średniej, obciążenie jednofazowe przyłączane na napięcie międzyprzewodowe nie powinno przekraczać 0,20.I n, a na napięcie fazowe 0,35.I n. W sytuacjach bardziej złożonych, wymagających choćby orientacyjnego uwzględnienia parametrów prądnicy, można przyjąć następujące zasady [1]. Otóż moc znamionowa prądnicy S ng powinna spełniać następujące warunki: ze względu na nagrzewanie przy obciążeniu szczytowym ze względu na dopuszczalne odkształcenia harmoniczne ze względu na zmiany napięcia przy rozruchu silników W powyższych wzorach występują wielkości następujące: S ng moc znamionowa pozorna prądnicy [kva], η G sprawność prądnicy [ ], S B szczytowa moc pozorna pobierana z zespołu [kva], λ współczynnik mocy obciążenia λ = P B /S B (w braku danych przyjmuje się λ 0,9), P M ΣP nl moc eksploatacyjna silnika spalinowego [kw], sumaryczna moc czynna odbiorów nieliniowych, np. przekształtników [kw], względna reaktancja podprzejściowa prądnicy [ ], = 0,08 0,24 (zwykle 0,11 0,18), S nmmax U LR U n względna reaktancja przejściowa prądnicy [ ], = 0,13 0,34 (zwykle 0,15 0,24), największa moc znamionowa pozorna silnika indukcyjnego o rozruchu bezpośrednim [kva], najmniejsze dopuszczalne napięcie na zaciskach silnika podczas rozruchu [V], napięcie znamionowe instalacji[v]. Niektórzy wytwórcy podają dokładniejsze informacje (rys. 7) na temat zachowania się prądnic przy różnych obciążeniach niespokojnych i/lub nieliniowych. Uwzględniają one skutki interwencji regulatorów, zwłaszcza regulatora napięcia, czego nie można poprawnie wziąć pod uwagę dysponując nawet szczegółowymi parametrami samej prądnicy. Rys. 7. Względne obniżenie napięcia [%] na zaciskach prądnicy 250 kva o różnym napięciu znamionowym (od 346 do 440 V) podczas rozruchu silnika indukcyjnego o określonej mocy rozruchowej [kva] (dane firmy STAMFORD) Moc rozruchowa silnika trójfazowego o prądzie rozruchowym I LR wynosi ZASILANIE REZERWOWE Z ZESPOŁÓW SPALINOWO-ELEKTRYCZNYCH Edward MUSIAŁ 15

16 ENERGETYKA Przypadkiem szczególnym układu zasilania rezerwowego jest układ kaskadowy, potocznie nazywany tandemem, kiedy zespół spalinowo-elektryczny zasila wszystkie bądź wybrane odbiorniki za pośrednictwem statycznego zasilacza bezprzerwowego UPS (rys. 4). W takim przypadku moc znamionową prądnicy, wymaganą ze względu na nagrzewanie przy obciążeniu szczytowym, określa się następująco:. W tym wzorze występują następujące nowe wielkości: P UPSout moc pobierana z obwodu wyjściowego zasilacza bezprzerwowego UPS [kw], η UPS sprawność zasilacza UPS [ ], k B k 1 P 2 k 2 współczynnik [ ] uwzględniający pobór mocy na ładowanie baterii akumulatorów zasilacza UPS (k B = 1,0, jeśli doładowywanie jest zablokowane na czas zasilania z zespołu prądotwórczego; k B = 1,25 w innych przypadkach), współczynnik [ ] uwzględniający odkształcenie prądu wejściowego zasilacza UPS, k 1 = 1,3 1,5 2 odpowiednio przy stopniu odkształcenia THD = %, moc pobierana przez odbiorniki zasilane bezpośrednio z prądnicy [kw], współczynnik [ ] uwzględniający odkształcenie prądu pobieranego przez odbiorniki zasilane bezpośrednio z prądnicy. W zależności od dopuszczalnych przedziałów zmian częstotliwości, napięcia oraz innych parametrów w stanach ustalonych i w określonych stanach przejściowych, wyróżnia się cztery klasy wymagań eksploatacyjnych zespołów prądotwórczych [12, 16]. Klasyfikacja ta została wprowadzona tuż przed rokiem Klasa wymagań G1 dotyczy zasilania odbiorników, które wymagają określenia tylko parametrów podstawowych: napięcia i częstotliwości (oświetlenie, urządzenia grzejne). Takie zespoły prądotwórcze w ogóle nie nadają się do zasilania rezerwowego. Klasa wymagań G2 dotyczy zasilania odbiorników wymagających charakterystyk napięciowych prądnic zbliżonych do normalnych warunków zasilania z sieci sztywnej. Określa się dopuszczalne odchylenia napięcia i częstotliwości w następstwie zmiany obciążenia (systemy oświetleniowe, pompy, wentylatory, podnośniki). Klasa wymagań G3 dotyczy zasilania odbiorników stawiających podwyższone wymagania co do charakterystyk częstotliwości i napięcia oraz stopnia odkształcenia (telekomunikacja, odbiorniki ze sterownikami tyrystorowymi). Klasa wymagań G4 dotyczy zasilania odbiorników stawiających wyjątkowo wysokie, indywidualnie uzgodnione między wytwórcą a odbiorcą, wymagania co do charakterystyk częstotliwości i napięcia oraz stopnia odkształcenia (systemy komputerowe i inne urządzenia elektroniczne). O spełnieniu tych wymagań decydują nie tylko właściwości prądnicy, lecz również silnika napędowego oraz regulatorów prądnicy i jej silnika napędowego. Mała wartość reaktancji przejściowej, uzyskana przez specjalne ukształtowanie rozkładu pola rozproszenia uzwojenia wzbudzenia, pozwala na ograniczenie zmian napięcia na zaciskach prądnicy po nagłej zmianie obciążenia. Prądnice wyposaża się w regulatory napięcia, kontrolujące średnią wartość napięcia dwóch lub trzech faz, zapewniające w stanie ustalonym stabilność napięcia na poziomie ± 1% w przypadku zespołów klasy G3. W tychże zespołach dopuszczalne przejściowe odchylenie napięcia przy nagłej zmianie mocy w warunkach próby [16] wynosi +20% oraz 15%. Natomiast regulator prędkości obrotowej silnika spalinowego utrzymuje wąski przedział zmian częstotliwości w stanach ustalonych ( 0,5% w przypadku zespołów klasy G3) i w stanach przejściowych w warunkach prób przewidzianych przez normę [16]. Uzwojenia prądnic niskiego napięcia z wyprowadzonym przewodem neutralnym nawija się z poskokiem 2/3, aby ograniczyć przepływ prądów harmonicznych rzędu podzielnego przez trzy (ang. triplen). Uzwojenia miedziane mają izolację wyższych klas ciepłoodporności, rzadko klasy B (τ dd = 130 C), raczej F (τ dd = 155 C) lub H (τ dd = 180 C). Klasa ciepłoodporności izolacji ma związek z obciążalnością, a zwłaszcza przeciążalnością prądnicy. Zabezpieczenia prądnic dobiera się w zależności od mocy i napięcia znamionowego prądnicy oraz trybu jej pracy (samodzielna, równoległa). W każdym przypadku jest wymagane zabezpieczenie nadprądowe zwarciowe i przeciążeniowe; człon zwarciowy nastawia się na prąd mniejszy niż prąd zwarciowy ustalony prądnicy I k (zwykle I k 3.I n ), ale wystarczająco duży, aby nie dochodziło do zbędnych zadziałań przy największych prądach normalnego użytkowania, np. prądzie rozruchowym silnika. W przypadku prądnic o mocy nieprzekraczającej kilkudziesięciu kilowatów na tym się poprzestaje, natomiast przy prądnicach o coraz większej mocy dodaje się kolejne zabezpieczenia [9]: zabezpieczenie od zwarć doziemnych, zabezpieczenie od zwarć ZASILANIE REZERWOWE Z ZESPOŁÓW SPALINOWO-ELEKTRYCZNYCH Edward MUSIAŁ 16

17 ENERGETYKA wewnętrznych międzyfazowych i ew. międzyzwojowych, zabezpieczenie od utraty wzbudzenia, zabezpieczenie od skutków niesymetrii obciążenia, a w przypadku pracy równoległej dodatkowo zabezpieczenie kierunkowe (zwrotnomocowe). Wyraźnie należy podkreślić, że nie jest zabezpieczeniem od zwarć doziemnych w prądnicy wyłącznik różnicowoprądowy w jej obwodzie (rys. 9 i 10). Wyłącznik wykrywa prąd różnicowy powstający poniżej (w kierunku przepływu energii) miejsca jego zainstalowania. 5. WARUNKI INSTALOWANIA ZESPOŁU SPALINOWO-ELEKTRYCZNEGO Wymagania dotyczące instalowania i przyłączania zespołów zostaną przedstawione na przykładzie najprostszym pojedynczego zespołu w obiekcie o niewygórowanych wymaganiach co do poboru mocy i sposobu przełączania źródeł zasilania. Przedstawione zasady pochodzą z norm europejskich i przepisów energetyki niemieckiej [19]. Instalacja odbiorcza powinna być przystosowana do zasilania rezerwowego z zespołu prądotwórczego. W tym celu obwody wymagające zasilania rezerwowego powinny być wydzielone. Dobierając parametry zespołu należy uwzględnić: rodzaj, moc i tryb pracy odbiorów, np. możliwe udary obciążenia, prądy rozruchowe silników, pobór mocy biernej, odkształcenie prądu oraz niesymetrię obciążenia. Zespół prądotwórczy wraz z wyposażeniem zaleca się instalować w wydzielonym pomieszczeniu (rys. 8). Pomieszczenie to powinno być łatwo dostępne, dobrze wentylowane, suche i w razie potrzeby ogrzewane, aby temperatura wynosiła co najmniej +5 C. Silnik spalinowy wymaga czerpni i kanałów dolotowych świeżego powietrza, które zasysa, oraz przewodów odprowadzających spaliny oczyszczone w układzie wydechowym. Nie dopuszcza się instalowania zespołu w miejscu niebezpiecznym pod względem pożarowym. Stosowane w gospodarstwach rolnych jako źródła zasilania rezerwowego same prądnice, dorywczo sprzęgane z silnikiem ciągnika, powinny być instalowane w miejscach przynajmniej zadaszonych. tłumik do komina rurociąg wydechowy kompensator układu wydechowego silnik prądnica czerpnia powietrza wyrzutnia wentylacyjna Rys. 8. Przykład instalacji wnętrzowego zespołu spalinowo-elektrycznego. Prądnica powinna być zabezpieczona przed przeciążeniami i skutkami zwarć za pomocą urządzenia usytuowanego w jej pobliżu. Dopuszcza się umieszczenie urządzenia zabezpieczającego w najbliższej rozdzielnicy pod warunkiem, że odcinek przewodów między prądnicą a urządzeniem zabezpieczającym jest w wykonaniu odpornym na zwarcia międzyprzewodowe i doziemne. Dla prądnic o dużej mocy znamionowej stosuje się ponadto zabezpieczenie ziemnozwarciowe dobrane stosownie do zaleceń wytwórcy. Przełącznik zasilania rezerwowego i jego elementy napędowe powinny być należycie oznakowane. W polu linii zasilania podstawowego powinna być kontrolowana obecność napięcia. Jeśli zespół może być uruchamiany zdalnie i/lub samoczynnie, to w jego pobliżu należy przewidzieć możliwość wprowadzania blokady przed zdalnym i/lub samoczynnym uruchomieniem, na przykład podczas prac konserwacyjnych. ZASILANIE REZERWOWE Z ZESPOŁÓW SPALINOWO-ELEKTRYCZNYCH Edward MUSIAŁ 17

18 ENERGETYKA Rys. 9. Układ połączeń umożliwiający zasilanie obwodów wymagających zasilania rezerwowego alternatywnie z sieci publicznej o układzie TN-C lub ze stacjonarnego zespołu prądotwórczego przystosowanego do instalacji o układzie TN-S [19] W rozumieniu dyrektywy maszynowej 98/37/EC zespoły spalinowo-elektryczne powinny być traktowane jako maszyny. Podlegają zatem ogólnym postanowieniom z zakresu bezpieczeństwa maszyn, obejmującym m.in. zagrożenia mechaniczne (od niebezpiecznych części poruszających się, od drgań), cieplne (oparzenia przy dotknięciu powierzchni gorących), hałas, emisję gazów wylotowych i cząstek stałych, wycieki paliwa, oleju smarowego i cieczy chłodzącej oraz związane z tym zagrożenia pożarem i wybuchem oraz zatruciem. Wszelkie zespoły spalinowo-elektryczne powinny mieć urządzenie do normalnego zatrzymywania, ręczne lub automatyczne, odcinające dopływ paliwa (do silnika wysokoprężnego) lub wyłączające zapłon (silnika o zapłonie iskrowym). Urządzenie do awaryjnego zatrzymywania (ręczne lub samoczynne) jest wymagane w przypadku zespołów spalinowoelektrycznych zdalnie sterowanych oraz zespołów w obudowie, do wnętrza której mają dostęp ludzie. W drugim przypadku urządzenie do awaryjnego zatrzymywania powinno być umieszczone zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz obudowy. Ręcznie sterowane urządzenie do awaryjnego zatrzymywania jest wymagane, jeżeli można je tak wykonać, że reaguje szybciej niż urządzenie do normalnego zatrzymywania. Dopuszcza się rezygnację z urządzenia do awaryjnego zatrzymywania zespołów spalinowo-elektrycznych o małej mocy. Samoczynne urządzenie do awaryjnego zatrzymywania zostaje pobudzone, jeżeli stan lub poziom niedopuszczalny osiągają określone sygnały (jeden lub więcej z nich): nadmierna prędkość obrotowa, zaniżone ciśnienie oleju smarowego, nadmierna temperatura czynnika chłodzącego i/lub zbyt niski jego poziom, nadmierne napięcie na zaciskach prądnicy, zwarcie doziemne. Zaleca się stosowanie zespołów stacjonarnych. W razie stosowania zespołów ruchomych szczególną uwagę należy zwrócić na sprawdzenie następstwa faz. ZASILANIE REZERWOWE Z ZESPOŁÓW SPALINOWO-ELEKTRYCZNYCH Edward MUSIAŁ 18

19 ENERGETYKA Rys. 10. Układ połączeń umożliwiający zasilanie instalacji odbiorczej z sieci publicznej o układzie TN-C oraz z przewoźnego zespołu prądotwórczego (przystosowanego do układu TN-S) przyłączanego za pomocą gniazda wtyczkowego i wtyczki [19] Zespoły przewoźne bez uziemionego punktu neutralnego prądnicy dopuszcza się tylko do zasilania instalacji o układzie IT lub jako źródło zasilania obwodu separowanego (ochrona dodatkowa przez separację elektryczną). Do takich zespołów odbiorniki powinny być przyłączane bezpośrednio, tzn. bez pośrednictwa jakichkolwiek rozdzielnic. Zespoły ruchome o uziemionym punkcie neutralnym prądnicy (rys. 10) mogą zasilać instalację stałą po sprawdzeniu skuteczności stosowanych w niej środków ochrony. Jeżeli do przyłączania zespołu ruchomego jest przewidziany stały punkt przyłączania, powinien on umożliwiać również przyłączenie zespołu do wykonanego na stałe uziemienia. Zespoły ruchome należy przyłączać przewodami ruchomymi o żyłach miedzianych, przeznaczonymi do ciężkich warunków pracy, odpornymi na działanie wody, z powłoką o zwiększonej grubości. Nadają się do tego przewody H07RN-F (poprzednie oznaczenie krajowe OnPd) lub przewody równoważne. Przy przełączaniu zasilania z sieci na zespół prądotwórczy lub z powrotem w zasadzie nie powinno dochodzić do równoległego łączenia obu źródeł. Grozi to zwrotnym zasilaniem sieci zewnętrznej i/lub niekontrolowanym podwyższeniem potencjału przewodu neutralnego N albo przewodu ochronno-neutralnego PEN względem ziemi. Przełącznik zasilania powinien być usytuowany w takim miejscu układu instalacji, aby odbiory wymagające zasilania rezerwowego mogły być odłączone zarówno od sieci zewnętrznej, jak i od zespołu do zasilania rezerwowego. Jeżeli nie dopuszcza się nawet chwilowego połączenia równoległego zespołu z siecią, to przy przełączaniu zasilania powinno następować rozłączenie wszystkich biegunów (L1, L2, L3, oraz N lub PEN). W układzie TN, ze względu na wielokrotne uziemienia przewodów PEN (PE) oraz połączenia wyrównawcze, rzeczywiste oddzielenie przewodów PEN bądź przewodów N i PE sieci i instalacji może być niewykonalne i dopuszcza się odstępstwo za zgodą dostawcy energii. Jeżeli dopuszcza się chwilowe połączenie równoległe zespołu z siecią, aby uniknąć przerwy w zasilaniu odbiorów przy przełączaniu zasilania z zespołu na sieć po powrocie napięcia albo w związku z okresowym ruchem próbnym zespołu, to tylko ZASILANIE REZERWOWE Z ZESPOŁÓW SPALINOWO-ELEKTRYCZNYCH Edward MUSIAŁ 19

20 ENERGETYKA na czas potrzebny do załączenia po udanej synchronizacji, jednak nie dłużej niż przez 0,1 s, przy czym za warunki synchronizacji przyjmuje się: odchyłkę napięć nie przekraczającą ±10%, odchyłkę częstotliwości nie przekraczającą ±0,5 Hz, odchyłkę kątów fazowych napięć nie przekraczającą ±10. Synchronizacja i przełączanie powinny się odbywać samoczynnie, a nastawienia przekaźników powinny być zabezpieczone przed samowolną zmianą. Najlepiej jeśli te urządzenia są plombowane i zwykle wymaga tego operator sieci rozdzielczej. Warunki skuteczności ochrony dodatkowej (ochrony przy dotyku pośrednim) powinny być spełnione również podczas pracy autonomicznej. Zwarcie przewodu fazowego L z przewodem ochronnym PE lub z ziemią E nie powinny wywoływać zagrożenia porażeniem. W instalacji o układzie TN-S z prądnicą małej mocy (rys. 9 i 10) wyłącznik różnicowoprądowy gwarantuje wyłączanie zasilania w wymaganym czasie w razie zwarcia L-PE w dowolnym miejscu instalacji (z wyjątkiem uszkodzeń izolacji doziemnej odcinka przewodów między wyłącznikiem a prądnicą i uzwojeń samej prądnicy). Nie musi to być wyłącznik wysokoczuły (I Δn 30 ma), przeciwnie w obwodach wymagających zasilania rezerwowego może on być niepożądany, a w obwodach bezpieczeństwa jest wręcz zabroniony jakikolwiek wyłącznik różnicowoprądowy. Natomiast wyłączniki różnicowoprądowe są wymagane, jeżeli zespół prądotwórczy stanowi autonomiczne źródło zasilania podstawowego urządzeń użytkowanych w warunkach zwiększonego zagrożenia porażeniem (place budowy i rozbiórki, kempingi i czasowe obozowiska, jarmarki, tereny plenerowych widowisk itp.). Wyjątkowo można poprzestać tylko na jednym głównym wyłączniku różnicowoprądowym wyłączającym wszystkie odbiorniki, raczej każdy obwód odpływowy z głównej rozdzielnicy zasilanej z prądnicy powinien mieć wyłącznik różnicowoprądowy, a w obwodzie zasilającym rozdzielnicę można wtedy umieścić główny wyłącznik różnicowoprądowy wybiorczy o charakterystyce typu S. BIBLIOGRAFIA: [1] Colombo B. L., Mocci F.: I generatori sincroni per autoproduzione e per emergenza. L Energia elettrica, 1992, nr 9, s [2] Daley J. M., Siciliano R. L.: Application of emergency and standby generation for distributed generation. IEEE Trans. Ind. Applic., 2003, nr 4, s [3] Darocha T.: Techniczne aspekty instalacji zespołu prądotwórczego. Elektro.info. 2004, nr 12, s [4] Flügel T.: Notstromversorgung im Katastrophenfall. Der Elektro- und Gebäudetechniker, 2002, nr 20, s [5] Fruth W., Berger T., Markert K.-H.: Totally integrated power durchgängige Energieversorgungsanlagen für Zweckbau und Industriebau. ew, 2003, nr 13, s [6] Hörmann W.: Fahrbares Stromversorgungsaggregat. Der Elektro- und Gebäudetechniker, 2000, nr 7, s [7] Hörmann W.: Notstromgenerator in landwirtschaftlicher Betriebsstätte. Der Elektro- und Gebäudetechniker, 2002, nr 23, s [8] Soula J.-M., Sablan P.: Groupes électrogènes: les atouts d une maintenance maîtrisée. REE, 1998, nr 11, s [9] Wróblewska S.: Zabezpieczenia generatora synchronicznego małej i średniej mocy. Elektro.info, 2003, nr 2, s [10] PN-HD :2010 Instalacje elektryczne niskiego napięcia Część 5-55: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego Inne wyposażenie Sekcja 551: Niskonapięciowe zespoły prądotwórcze (oryg.). [11] PN-HD :2010 Instalacje elektryczne niskiego napięcia Część 7-717: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji Zespoły ruchome lub przewoźne (oryg.). [12] PN-ISO :1996 Zespoły prądotwórcze prądu przemiennego napędzane silnikiem spalinowym tłokowym. Zastosowanie, klasyfikacja i wymagania eksploatacyjne. [13] PN-ISO :1997 Zespoły prądotwórcze prądu przemiennego napędzane silnikiem spalinowym tłokowym. Silniki. [14] PN-EN :2010 Maszyny elektryczne wirujące Część 22: Prądnice prądu przemiennego do zespołów prądotwórczych napędzanych tłokowymi silnikami spalinowymi (oryg.). [15] PN-ISO :1997 Zespoły prądotwórcze prądu przemiennego napędzane silnikiem spalinowym tłokowym. Aparatura sterująca i rozdzielcza. [16] PN-ISO :1997 Zespoły prądotwórcze prądu przemiennego napędzane silnikiem spalinowym tłokowym. Zespoły prądotwórcze. [17] PN-ISO :1997 Zespoły prądotwórcze prądu przemiennego napędzane silnikiem spalinowym tłokowym. Metody badań. [18] PN-EN 12601:2011 Zespoły prądotwórcze napędzane silnikami spalinowymi tłokowymi Bezpieczeństwo (oryg.) [19] Richtlinie für Planung, Errichtung und Betrieb von Anlagen mit Notstromaggregaten. Verband der Netzbetreiber VDN e.v. beim VDEW, Berlin [20] VDE-AR-N 4105: Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz, Technische Mindestanforderungen für Anschluss und Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz. VDE-Anwendungsregel. ZASILANIE REZERWOWE Z ZESPOŁÓW SPALINOWO-ELEKTRYCZNYCH Edward MUSIAŁ 20

21 Miejsce na Twoją reklamę Zasilacze UPS DELTA POWER Linia modeli GreenForce zakres mocy kva najwyższa sprawność online 96,5% współczynnik mocy wyjściowej 0,9 praca równoległa urządzeń różnej mocy pięć trybów pracy funkcja zimnego startu kompensatory wyższych harmonicznych najwyższy poziom niezawodności Zespoły prądotwórcze (od 9kVA do 4MVA) producenci: VISA, AKSA, CTM, GESAN produkcja własna zespołów prądotwórczych w wykonaniu specjalnym pod marką DELTA POWER zbiorniki paliwa o dowolnej pojemności w różnych wersjach systemy zdalnego tankowania praca pojedyncza (wyspowa) i synchroniczna (również z siecią) obudowy wyciszone, przemysłowe odporne na warunki atmosferyczne zabudowy kontenerowe wysoka jakość wykonania i doświadczenie w instalacjach specjalistycznych Warszawa, ul. Krasnowolska 82R, tel , biuro.warszawa@deltapower.pl Gdynia, ul. Olgierda 137, tel , biuro.gdynia@deltapower.pl

22 KABLE ŚREDNIEGO NAPIĘCIA APARATURA PROBIERCZA DO BADAŃ NAPIĘCIOWYCH KABLI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA O IZOLACJI POLIMEROWEJ dr inż. Henryk Boryń Politechnika Gdańska, h.boryn@wp.pl Test apparatus for voltage examinations of medium voltage polymeric insulation power cable Abstract: The paper presents basic information about the test systems used to the voltage operating examinations of medium voltage power cable lines. It discusses the processes occurring in polymer insulation of tested cables, the operation rules and the advantages and disadvantages of the test systems: 50 Hz AC voltage, DC voltage, AC voltage VLF 0,1 Hz and an oscillating voltage OWTS. Keywords: voltage tests, test apparatus, medium voltage power cables. Przedstawiono podstawowe informacje o układach probierczych stosowanych w eksploatacji linii kablowych średniego napięcia do badań napięciowych. Omówiono procesy zachodzące w izolacji polimerowej badanych kabli, zasady działania oraz zalety i wady układów: napięcia przemiennego 50 Hz, napięcia stałego, napięć przemiennych VLF 0,1 Hz oraz napięcia oscylującego OWTS. Słowa kluczowe: badania napięciowe, aparatura probiercza, kable średniego napięcia. 1. Wprowadzenie Ważne zadanie techniczne jakim jest wykonanie linii kablowej o wysokim stopniu niezawodności i wieloletniej żywotności jest realizowane przez wszystkich uczestników tego procesu. Producent kabla ponosi odpowiedzialność za wykonanie kabla o bardzo dobrej jakości oraz gwarantuje spełnienie przez kabel wielu wymagań wynikających z eksploatacji w określonych warunkach potwierdzone wynikami odpowiednich badań, np.: konstruktorskich, typu, wyrobu czy odbiorczych. Wykonawca linii kablowej odpowiada za prawidłowe zainstalowanie kabli wraz ze stosownym osprzętem kablowym (głowice, mufy), co potwierdza się badaniami odbiorczymi, realizowanymi w celu wyeliminowania kabli uszkodzonych podczas transportu oraz likwidacji ewentualnych błędów montażowych i uszkodzeń mechanicznych powstałych podczas układania nowej linii kablowej. Użytkownik linii kablowej z kolei powinien prawidłowo eksploatować zbudowany system kablowy i utrzymywać jego sprawność dystrybucyjną, czyli jest zobowiązany prowadzić badania profilaktyczne w celu utrzymania wysokiego stopnia niezawodności linii poprzez wczesne eliminowanie potencjalnych wad mogących być przyczyną niespodziewanych uszkodzeń linii podczas eksploatacji oraz badania odbiorcze linii kablowej po naprawach powstałych uszkodzeń, które powinny zapewnić dobrą jakość naprawy oraz zlokalizować lub wyeliminować wady, które mogłyby być przyczyną stosunkowo szybkiego ponownego uszkodzenia linii oddanej po naprawie do eksploatacji. Niestety nie ma jednej uniwersalnej procedury badania [3], zapewniającej zadowalającą odpowiedź w każdym z wymienionych wyżej rodzajów badań, która mogłaby być zastosowana w każdych warunkach eksploatacyjnych. Jak wynika z dotychczasowych doświadczeń, najważniejszą rolę w ocenie aktualnego stanu technicznego linii kablowych spełniają badania napięciowe izolacji kabli. W praktyce stosuje się kilka różnych procedur badań napięciowych. Musimy pamiętać, że ich stosowanie wiąże się z określonymi efektami w badanej izolacji kablowej, wynikającymi z warunków prowadzenia badań. Niektóre z tych efektów w określonych warunkach mogą spowodować przedwczesne uszkodzenie izolacji linii kablowej. 2. MECHANIZMY DEGRADACJI KABLI O IZOLACJI POLIMEROWEJ Izolacja polimerowa kabli średniego napięcia w czasie eksploatacji ulega degradacji, w wyniku działania na nią wielu różnych czynników środowiskowych. Stopień degradacji można stwierdzać mierząc aktualną wartość wybranych ważnych parametrów technicznych izolacji. Analizując przebieg i przyczyny procesu degradacji można wskazać trzy główne mechanizmy niszczące izolację kablową, czyli degradację: fizyczną związaną ze zmianami w strukturze krystalicznej polimeru w stosunku do struktury osiągniętej w końcowej fazie produkcji kabla pod wpływem, np. promieniowania, czy temperatury. Stopień usieciowania izolacji wzrasta w okresie nawet do kilku lat, a jednocześnie w izolacji mogą tworzyć się mikropęknięcia. Taka niejednolita struktura zwiększa ryzyko przebicia kabla, szczególnie w przypadku działania wyładowań niezupełnych. APARATURA PROBIERCZA DO BADAŃ NAPIĘCIOWYCH KABLI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA O IZOLACJI POLIMEROWEJ Henryk BORYŃ 22

23 KABLE ŚREDNIEGO NAPIĘCIA chemiczną, której skutkami są depolimeryzacja (przerywanie długich łańcuchów polimerowych), tworzenie wolnych rodników (o dużej aktywności chemicznej) podczas procesu utleniania się izolacji oraz powstawanie nowych wiązań sieciujących, co w sumie może zmieniać w istotny sposób mechaniczne właściwości izolacji polimerowej. Tempo procesu degradacji chemicznej zależy od temperatury, ilości tlenu oraz obecności promieniowania. elektryczną związaną głównie z procesami drzewienia elektrycznego i wodnego, czyli tworzeniem się w izolacji drzewek elektrycznych (rys. 1) powstających w miejscu działania lokalnych dużych natężeń pola elektrycznego i drzewek wodnych (rys. 2), które rozwijają się pod wpływem pola elektrycznego i penetracji wody. Degradacja elektryczna ma charakter zjawiska losowego i jest procesem działającym na izolację lokalnie, a nie na całej długości kabla jak to jest w przypadku degradacji fizycznej i chemicznej. We wszystkich wymienionych wyżej procesach bardzo ważną rolę odgrywają wyładowania niezupełne, które mogą rozwijać się w mikropęknięciach, pęcherzykach gazowych, wtrącinach izolacyjnych czy przewodzących oraz na nierównościach powierzchniowych warstw ekranujących kabla. Wymienione wady znajdują się wewnątrz izolacji kablowej lub między warstwami izolacji i osprzętu kablowego, a powstają w trakcie produkcji kabla lub w czasie montażu i eksploatacji linii kablowej. Kiedy intensywność wyładowań niezupełnych w wymienionych wadach izolacji jest wystarczająco duża, zaczyna formować się drzewko elektryczne (częściowe kanały przebicia), które w pewnej fazie rozwoju może przejść w kanał przebicia zupełnego. 0,1 mm 15 s 30 s 1 min. 2 min. 4 min. 10 min. 20 min. 30 min. Rys. 1. Przykład drzewka elektrycznego rozwijającego się przy napięciu przemiennym z elektrody ostrzowej przewodzącej [9] a) b) t = h Rys. 2. Przykładowe drzewka wodne w izolacji polietylenowej kabla, a wentylowane rozwijające się od strony żyły roboczej, b typu bow-tie powstające na wtrącinach wewnętrznych w izolacji [z prac własnych autora] APARATURA PROBIERCZA DO BADAŃ NAPIĘCIOWYCH KABLI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA O IZOLACJI POLIMEROWEJ Henryk BORYŃ 23

24 KABLE ŚREDNIEGO NAPIĘCIA Rozwój drzewienia wodnego wymaga istnienia w izolacji nie tylko wymienionych wyżej wad, ale również obecności wilgoci i pola elektrycznego. Wilgoć wnika w polietylen zgodnie z kierunkiem pola elektrycznego tworząc różne formy drzewek wodnych zależnie od umiejscowienia i rodzaju wady. Tworzenie się takich drzewek w izolacji jest procesem długotrwałym i zależy od ilości wilgoci, natężenia i częstotliwości pola elektrycznego, materiału izolacyjnego, temperatury oraz naprężeń mechanicznych. 3. BADANIA TECHNICZNE KABLI I LINII KABLOWYCH Badania techniczne kabli i linii kablowych średniego napięcia znamionowego są prowadzone w celu: zbadania czy zaprojektowany i wyprodukowany kabel spełnia określone wymagania techniczne i nadaje się do budowy linii kablowych, sprawdzenia czy zbudowana nowa lub wyremontowana linia kablowa jest prawidłowo przygotowana do eksploatacji, wyznaczenia aktualnego stanu technicznego linii kablowej i ewentualnego dopuszczenia do dalszej pracy lub przekazania do remontu. Wśród wielu różnych badań i sprawdzeń prowadzących do spełnienia wymienionych celów najważniejszą rolę pełnią badania napięciowe izolacji przeprowadzane przy zwiększonym napięciu probierczym w stosunku do napięcia roboczego kabla. Na przykład w badaniach odbiorczych realizowanych, według zaleceń normy [10], dodatkowo sprawdza się ciągłość żył kabla, rezystancję żył i izolacji, pojemność żył roboczych, szczelność powłoki, a więc badania ważne ale dające raczej informacje o charakterze pomocniczym. Zasadniczą zaletą badań napięciowych jest to, że sprawdzają nie tylko wytrzymałość elektryczną izolacji kabla, ale w przypadku linii kablowych przede wszystkim jakość zainstalowanego osprzętu kablowego (głowic i muf ). Jest on instalowany w warunkach polowych, a więc poprawność jego zainstalowania zależy od kwalifikacji monterów i zachowania odpowiednich warunków montażu. Czynności związane z montażem osprzętu mogą w przypadku niefachowego wykonawstwa wprowadzić do układu izolacyjnego szereg wad (nacięcia, nierówności powierzchniowe i in.), które zmniejszą oczekiwaną długotrwałą poprawną pracę systemu. W trakcie eksploatacji kabla niegroźne początkowo wady izolacji, na skutek wahań temperatury, wpływu czynników środowiskowych i pola elektrycznego mogą znacznie zwiększyć swe wymiary i przyczynić się do rozwoju intensywnych wyładowań niezupełnych, czyli rozpoczęcia procesu erozji i w konsekwencji drzewienia elektrycznego czy wodnego. Tak, więc wykrycie i lokalizacja wyładowań niezupełnych w początkowym okresie eksploatacji linii kablowej ma zasadnicze znaczenie. Niektóre nowoczesne układy probiercze pozwalają nie tylko sprawdzać wytrzymałość elektryczną izolacji kablowej napięciem probierczym o określonej wartości, ale również jednocześnie mierzyć intensywność wyładowań niezupełnych i lokalizować miejsce ich występowania. Wybór układu probierczego i procedury pomiaru ma zasadnicze znaczenie dla oceny jakości linii. Wartość napięcia, jego przebieg i częstotliwość oraz czas przyłożenia do badanej izolacji ma bowiem istotny wpływ na wytrzymałość elektryczną układu izolacyjnego i może niekiedy pozostawić w zbadanej izolacji efekty, których skutkiem będzie przedwczesne uszkodzenie izolacji. Należy, więc zauważyć, że poznanie zalet i wad stosowanych obecnie procedur pomiarowych związanych z próbami napięciowymi oraz wiedza na temat gdzie i w jakich warunkach można je zastosować ma zasadnicze znaczenie. Wśród aktualnie dostępnych układów probierczych stosowanych w zakresie badań linii kablowych średniego napięcia wyróżnia się (ze względu na kształt i częstotliwość napięcia) układy napięcia: stałego (DC), sinusoidalnego o częstotliwości sieciowej (AC, 50 Hz), sinusoidalnego o obniżonej częstotliwości (VLF 0,1 Hz), cosinusoidalno-prostokątnego (VLF 0,1 Hz), oscylacyjnego (OWTS, 1 10 khz). Podstawą wyboru konkretnej metody badań napięciowych powinna być znajomość skutków oddziaływania określonego rodzaju napięcia probierczego na izolację linii kablowej i ich porównanie z wynikami badań otrzymanymi przy próbach napięciem probierczym sinusoidalnym o częstotliwości 50 Hz, czyli badaniu systemu kablowego w warunkach, w których badany system normalnie pracuje [3]. 4. PRÓBY NAPIĘCIEM STAŁYM (DC) Schemat typowego zespołu probierczego napięcia stałego pokazano na rysunku 3. Urządzenie zawiera zwykle autotransformator do regulacji napięcia zasilania transformatora probierczego, opornik ograniczający prąd pobierany z układu, jednopołówkowy układ prostowniczy z wykorzystaniem badanego kabla jako pojemności wygładzającej, układ do bezpośredniego pomiaru APARATURA PROBIERCZA DO BADAŃ NAPIĘCIOWYCH KABLI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA O IZOLACJI POLIMEROWEJ Henryk BORYŃ 24

25 KABLE ŚREDNIEGO NAPIĘCIA napięcia probierczego na badanym obiekcie oraz układ do pomiaru prądu upływu izolacji z odpowiednim zabezpieczeniem przeciwprzepięciowym. Próby izolacji napięciem stałym (DC) mają wieloletnią tradycję w badaniach napięciowych linii kablowych, zwłaszcza kabli o izolacji tradycyjnej, papierowo-olejowej o stosunkowo słabych właściwościach dielektrycznych. Podstawowym wskaźnikiem stanu izolacji kabla elektroenergetycznego wyznaczanym przy napięciu stałym jest rezystancja R i izolacji. Duża wartość rezystancji R i jest cechą charakterystyczną dobrego stanu izolacji. Wartość rezystancji izolacji silnie zależy od stopnia jej zawilgocenia, temperatury, obecności lokalnych uszkodzeń oraz od wymiarów geometrycznych układu izolacyjnego. Rezystancja R i jest funkcją czasu działania na izolację kabla pomiarowego napięcia probierczego. Dlatego jako wskaźnik izolacji przyjmuje się zwykle wartość rezystancji R i po upływie określonego czasu od momentu przyłożenia pomiarowego napięcia stałego, czyli czasu który jest niezbędny do zaniku zjawisk przejściowych ładowania pojemności kabla i polaryzacji dielektryka. Dla większości obiektów badanych jako wartość charakterystyczną podaje się rezystancję R 60, czyli zmierzoną po 60 s od włączenia napięcia. Istotną wadą pomiarów rezystancji izolacji R i jest jej zależność od wymiarów obiektu badanego, co utrudnia porównywanie wyników badań. Najczęściej aktualne wyniki pomiarów danego obiektu porównuje się z jego wynikami uzyskanymi wcześniej, np. w próbach odbiorczych na początku eksploatacji. TR TP R K Sieć kv µa Rys. 3. Uproszczony schemat zespołu probierczego prądu stałego, TR autotransformator, TP transformator probierczy, R opornik ograniczający, D diody prostownicze, K badany kabel, kv układ pomiarowy napięcia probierczego, μa miernik prądu upływu z zabezpieczeniem przeciwprzepieciowym Drugą istotną informacją pozwalającą określić stan izolacji kabla jest wynik próby napięciowej przeprowadzonej w określonych warunkach zdefiniowanych wartością napięcia stałego i czasem trwania próby przebicie lub brak przebicia izolacji. Prowadzenie prób napięciem stałym w kablach o izolacji polimerowej nie daje tak oczywistych wyników głównie z powodu znacznie lepszych właściwości dielektrycznych materiałów izolacyjnych (duża wytrzymałość elektryczna, długie czasy relaksacji ładunku) zastosowanych w tych kablach. W wyniku badań stwierdzono, że w trakcie działania na izolację polimerową stałego napięcia, wokół wad istniejących w izolacji (wtrącin gazowych, drzewek, itp.) tworzy się ładunek przestrzenny o określonym znaku, który niejako ekranuje wadę. Wynikiem tego efektu jest znaczne zmniejszenie natężenia pola elektrycznego w obszarze wady w porównaniu z natężeniem pola elektrycznego istniejącym na wadzie w sytuacji bez ładunku. Natężenie pola elektrycznego oraz gęstość ładunku zmniejszają się wraz ze wzrostem odległości od wady. Skutkiem obecności ładunku przestrzennego jest konieczność zastosowania w próbie zwiększonego napięcia stałego wada izolacji nie zostanie wykryta, jeżeli napięcie nie będzie wystarczająco duże [3]. Drugi problem pojawiający się w próbach izolacji polimerowej napięciem stałym wynika z bardzo długiego czasu relaksacji ładunku elektrycznego ładunek może pozostawać w izolacji kabla nawet przez okres kilku miesięcy od momentu wyłączenia napięcia probierczego, które go wywołało. Jeżeli w takim stanie, przy istniejących nadal na wadach izolacji ładunkach przestrzennych, nastąpi w kablu zmiana biegunowości przyłożonego napięcia, to spowoduje to nagły wzrost natężenia pola elektrycznego między wadą a pozostałym w izolacji ładunkiem, co w konsekwencji może doprowadzić do przebicia kabla w rejonie wady przebicia niezamierzonego wynikającego z zastosowanej metodyki badań, które nie wystąpiłoby w sytuacji brak ładunku na wadzie izolacji. Zmiana biegunowości napięcia może wynikać na przykład z przyłożenia do kabla napięcia przemiennego lub pojawienia się przepięcia w wyniku przeskoku na głowicy. Przedstawione wyżej problemy powodują, że badania napięciem stałym kabli o izolacji polimerowej nie są zalecane. Próby napięciem stałym należy przeprowadzać tylko wtedy, kiedy jest to absolutnie konieczne. Jeżeli jednak zdecydujemy się na takie badania to powinniśmy zachować następujące zasady: jeżeli linia kablowa, a w szczególności linia średniego napięcia, jest wykonana częściowo z kabli o izolacji polimerowej oraz papierowo-olejowej, to badań diagnostycznych napięciem DC nie wolno wykonywać, APARATURA PROBIERCZA DO BADAŃ NAPIĘCIOWYCH KABLI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA O IZOLACJI POLIMEROWEJ Henryk BORYŃ 25

26 KABLE ŚREDNIEGO NAPIĘCIA napięcie probiercze oraz czas jego przyłożenia nie powinny przekraczać wskazanych dla kabla wartości, na przykład próby eksploatacyjne należy przeprowadzać napięciem o wartości równej 75% probierczego napięcia fabrycznego w czasie nie dłuższym niż 10 min, należy unikać przeskoków na głowicach kablowych, na czas próby można na nich zainstalować ograniczniki przeciwprzepięciowe o napięciu ograniczonym równym wartości poziomu ochrony linii kablowej, po badaniach linia kablowa musi być powoli rozładowana badaną żyłę roboczą należy uziemić przez opornik o rezystancji kω. Po rozładowaniu żyły robocze powinny być zwarte i trwale uziemione do czasu włączenia linii do sieci. W wykorzystaniu układów probierczych wysokiego napięcia stałego DC można wskazać następujące zalety: prosty i o małej masie układ probierczy, wygodny do użytkowania i transportu w każdych warunkach polowych, łatwiejsza realizacja prób w porównaniu z układem probierczym napięcia AC 50 Hz, możliwość badania długich odcinków linii kablowych przy stosunkowo małej mocy układu, znacznie mniejsze koszty aparatury w porównaniu z innymi układami probierczymi o podobnych parametrach napięciowych, liczne pozytywne doświadczenia w zakresie badań kabli o izolacji papierowej, szczególna przydatność w wykrywaniu zawilgocenia izolacji oraz wad związanych z przebiciem cieplnym, szerokie zastosowanie w badaniach szczelności powłoki zewnętrznej kabla (metodą sprawdzania wytrzymałości elektrycznej) w celu lokalizacji uszkodzeń [1, 2]. W wykorzystaniu układów probierczych wysokiego napięcia stałego DC można wskazać następujące wady: sprawdzanie linii kablowej napięciem o przebiegu nieodpowiadającym napięciu pracy systemu kablowego, występowanie innego rozkładu pola elektrycznego w izolacji, upływnościowego a nie pojemnościowego jak przy napięciu przemiennym AC 50 Hz, powstawanie w izolacji ładunków przestrzennych wokół wad, co może wywołać niepożądane przebicia kabla i osprzętu, możliwość przedwczesnego przebicia kabli, w których wystąpiło drzewienie wodne, słabe wykrywanie takich wad jak wtrąciny gazowe, nacięcia, mikropęknięcia czy też drzewienie wodne, silna zależność skuteczności wykrywania wad izolacji od wartości napięcia probierczego, brak gwarancji wykrycia miejsc o nawet znacznie osłabionej wytrzymałości elektrycznej. 5. PRÓBY NAPIĘCIEM PRZEMIENNYM (AC) O CZĘSTOTLIWOŚCI 50 Hz Uproszczony schemat typowego zespołu probierczego napięcia przemiennego (AC) o częstotliwości 50 Hz pokazano na rysunku 5. Urządzenie zawiera zwykle specjalny układ regulacyjny TR napięcia zasilania (autotransformator, transformator regulacyjny, czy regulator indukcyjny o odpowiednich mocach) transformatora probierczego TP, opornik tłumiący R o rezystancji 5 50 Ω na 1 kv napięcia znamionowego transformatora zabezpieczający transformator przed przepięciami przy przebiciu izolacji badanej oraz układ do bezpośredniego pomiaru napięcia probierczego na badanym obiekcie. Próby napięciem przemiennym o częstotliwości sieciowej 50 Hz (60 Hz) to naturalny rodzaj prób napięciowych dla oceny izolacji linii kablowej. Występuje tutaj całkowita zgodność między warunkami pracy znamionowej kabla w sieci energetycznej, warunkami badań fabrycznych kabli i osprzętu oraz badaniami eksploatacyjnymi. Zespoły probiercze wykorzystywane podczas prób mają takie same charakterystyki zewnętrzne i wymagania w zakresie kształtu napięcia probierczego, mocy zwarciowej i poziomu wyładowań niezupełnych. Zastosowanie takich układów probierczych w badaniach eksploatacyjnych linii kablowych jest jednak ograniczone z powodu znacznej mocy, jaka jest niezbędna w badaniach. Linie kablowe mają duże pojemności związane z ich długością, a więc niezbędna moc zespołu probierczego wypada stosunkowo wielka, np.: do przeprowadzenia próby napięciem probierczym 50 Hz o wartości 22,5 kv kabla jednożyłowego XLPE o pojemności jednostkowej 0,22 µf/km i długości 500 metrów będzie to: Q = ω C, (1) 2 C U p czyli Q C = , ,5. 22, = 17,5 kva, a więc układ o dużych gabarytach i masie, o bardzo ograniczonych możliwościach transportu na miejsce badań polowych. Opisane wyżej problemy techniczne usunięto w nowoczesnych rezonansowych układach probierczych napięcia przemiennego AC o częstotliwości 50 Hz stosowanych w eksploatacji od kilkunastu lat [4]. W takim zespole transformator probierczy służy APARATURA PROBIERCZA DO BADAŃ NAPIĘCIOWYCH KABLI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA O IZOLACJI POLIMEROWEJ Henryk BORYŃ 26

27 KABLE ŚREDNIEGO NAPIĘCIA wyłącznie do zasilania wysokonapięciowego obwodu rezonansowego, w którym stwarza się warunki niezbędne do rezonansu szeregowego lub równoległego, wytwarzającego odpowiednią wartość napięcia probierczego na obiekcie badanym. Moc transformatora probierczego wymagana do zasilania takiego zespołu wypada wielokrotnie mniejsza niż w układzie probierczym tradycyjnym. Uproszczony schemat rezonansowego zespołu probierczego napięcia przemiennego (AC) o częstotliwości 50 Hz pokazano na rysunku 6. Urządzenie zawiera zwykle: specjalny układ G do wytwarzania napięcia zasilania, aby uniezależnić się od miejscowych warunków, przetwornik U/f o regulowanej amplitudzie i częstotliwości napięcia, wysokonapięciowy transformator probierczy TP wytwarzający napięcie U 0, szeregowy (najczęściej) obwód rezonansowy składający się z dławika L z regulowaną szczeliną powietrzną lub zespołu dławików łączonych w układy szeregowy, równoległy lub mieszany, pojemności C k badanego kabla, na której odkłada się napięcie probiercze U p i ewentualnie pojemności dodatkowej C włączanej w przypadku krótkich odcinków linii (długości < 200 m) oraz układ do bezpośredniego pomiaru napięcia probierczego na badanym obiekcie. W układzie wykorzystuje się zjawisko rezonansu szeregowego, którego warunkiem jest spełnienie równości: przy częstotliwości rezonansowej: Rys. 4. Uproszczony schemat zespołu probierczego napięcia przemiennego (AC) o częstotliwości 50 Hz, TR układ regulacyjny napięcia zasilania, TP transformator probierczy, R opornik tłumiący, K badany kabel, kv układ pomiarowy napięcia probierczego ( C C) ω L = 1 ω + k, (2) ( C C) Rys. 5. Uproszczony schemat szeregowego rezonansowego zespołu probierczego napięcia przemiennego (AC) o częstotliwości 50 Hz, G układ zasilania, U/f przetwornik częstotliwości, Hz miernik częstotliwości, TP transformator probierczy zasilający obwód rezonansowy napięciem U 0, L dławik z regulowaną szczeliną powietrzną lub zespół dławików przełączalnych, K badany kabel o pojemności C k, C pojemność dodatkowa, kv układ pomiarowy napięcia probierczego, U p napięcie probiercze na badanym kablu f r = 1 2π L k +, (3), (4) gdzie Q = ωl R jest dobrocią zastosowanego w obwodzie dławika o rezystancji R, natomiast tgδ, jest współczynnikiem stratności obiektu badanego. Zwykle w takich układach probierczych mamy tgδ << 1 (np. kabel o izolacji polietylenowej), a Q 40, czyli wyrażenie (4) upraszcza się do postaci: U p = U 0 Q. (5) Z zależności (5) wynika, że przy kilkusetwoltowym zasilaniu obwodu rezonansowego otrzymamy wymagane dla kabli średniego napięcia wartości napięć probierczych przy jednoczesnym ograniczeniu wymaganej mocy zasilania do poziomu kilkunastu kilowoltoamperów. Dzięki temu w nowoczesnych konstrukcjach układów rezonansowych osiąga się znaczne ograniczenie masy zespołu, np. do poziomu 0,8 2 kg/kva. Przy większych wartościach tgδ badanych kabli maleje dobroć układu i wartość uzyskiwanego napięcia probierczego jest niewielka, a więc omawiany układ nie może być stosowany do badań kabli o izolacji z polichlorku winylu czy papierowo-olejowej. APARATURA PROBIERCZA DO BADAŃ NAPIĘCIOWYCH KABLI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA O IZOLACJI POLIMEROWEJ Henryk BORYŃ 27

28 KABLE ŚREDNIEGO NAPIĘCIA Działanie układu rezonansowego jest stosunkowo proste. Dobierając odpowiednio wartość indukcyjności dławika i ewentualnie pojemności dodatkowej dostraja się zgrubnie obwód do częstotliwości rezonansowej według zależności (3) i osiąga dostrojenie dokładne dzięki regulacji częstotliwości przetwornika w obwodzie zasilania układu. Należy dążyć do uzyskania rezonansu przy częstotliwości 50 Hz, ponieważ wtedy uzyskuje się wystarczająco szeroki zakres dostrajania dokładnego przez zmianę częstotliwości. Badania eksploatacyjne napięciem przemiennym AC 50 Hz wprowadzono przed kilkunastu laty, stosując różne procedury badań w zależności od wartości napięcia znamionowego, typu oraz czasu eksploatacji badanych linii kablowych. Wyniki badań zostały przeanalizowane w ramach działań CIGRE i ustalono między innymi [8], że najbardziej wiarygodne wyniki oraz dobrą eliminację odcinków kablowych z wadami izolacji otrzymuje się w badaniach napięciem probierczym AC 50 Hz o wartościach 2 3 U 0 przy czasie trwania próby 60 minut. W wykorzystaniu układów probierczych napięcia przemiennego AC 50 Hz można wskazać następujące zalety: badania linii kablowej są prowadzone w sposób identyczny jak badania fabryczne i kwalifikacyjne u producenta, stosowany w badaniach rodzaj napięcia probierczego jest całkowicie zgodny z napięciem pracy badanego systemu kablowego w warunkach roboczych, układ zapewnia możliwość jednoczesnego pomiaru intensywności wyładowań niezupełnych w izolacji i osprzęcie kablowym oraz współczynnika stratności izolacji tgδ, uzyskujemy bardzo efektywną eliminację wadliwie zainstalowanego osprzętu kablowego, badania dobrze wykrywane są wady izolacji grożące wystąpieniem stosunkowo wczesnego uszkodzenia systemu kablowego, w badaniach określa się rzeczywiste napięcia zapłonu i gaśnięcia wyładowań niezupełnych w izolacji i osprzęcie kablowym. W wykorzystaniu układów probierczych napięcia przemiennego AC 50 Hz o konstrukcji tradycyjnej można wskazać następujące wady: duża masa i gabaryty sprzętu pomiarowego, znaczne koszty inwestycyjne, duże zapotrzebowanie na moc, problemy transportowe w prowadzeniu badań w terenie. 6. PRÓBY NAPIĘCIEM PRZEMIENNYM SINUSOIDALNYM O BARDZO NISKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI (VLF) 0,1 Hz Uproszczony schemat funkcjonalny zespołu probierczego napięcia sinusoidalnego o bardzo niskiej częstotliwości (VLF) 0,1 Hz pokazano na rysunku 7. Urządzenie zawiera zwykle specjalny układ regulacji i modulacji amplitudy napięcia zasilania transformatora probierczego oraz układy prostowniczy i odwracania biegunowości. Zasadę działania układu można przedstawić następująco. W układzie regulacji i modulacji amplitudy napięcia zasilania dobieramy odpowiednią do warunków próby wartość napięcia U 2 o częstotliwości sieciowej 50 Hz oraz jednocześnie przeprowadzamy modulację amplitudy tego napięcia przebiegiem sinusoidalnym o częstotliwości 0,1 Hz. W kolejnej fazie zmodulowane napięcie U 2 o częstotliwości sieciowej jest podwyższane w transformatorze TP do napięcia U 3 i dalej po wyjściu z transformatora ulega wyprostowaniu w układzie prostowniczym. Napięcie U 4 na wyjściu prostownika jest, więc napięciem tętniącym o określonej biegunowości, którego amplituda jest zmodulowana przebiegiem jednokierunkowym o częstotliwości 0,2 Hz. W ostatnim etapie formowania napięcia probierczego U p po wyjściu z prostownika następuje odwrócenie, co każde pół okresu (czyli co 5 s), biegunowości napięcia U 4, czyli w efekcie napięcie przykładane do badanego kabla o pojemności C k ma przebieg sinusoidalny o częstotliwości 0,1 Hz. Rys. 6. Schemat funkcjonalny typowego zespołu probierczego generującego napięcie przemienne sinusoidalne o bardzo niskiej częstotliwości (VLF) 0,1 Hz opis elementów w tekście APARATURA PROBIERCZA DO BADAŃ NAPIĘCIOWYCH KABLI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA O IZOLACJI POLIMEROWEJ Henryk BORYŃ 28

29 KABLE ŚREDNIEGO NAPIĘCIA W przedstawionym wyżej opisie działania układu pominięto rolę przepływu mocy biernej między obiektem badanym a źródłem. W tradycyjnych transformatorach (AC 50 Hz) ten problem ma istotne znaczenie, bowiem dotyczy przepływu dużych wartości mocy biernej, stąd konieczność używania układów probierczych o znacznych gabarytach i masie. W systemach probierczych VLF 0,1 Hz, wartości mocy biernej są bardzo małe, około 500 razy mniejsze niż w przypadku systemów AC 50 Hz. W rezultacie możliwe jest rozproszenie tej energii w samej aparaturze probierczej. Jeśli porównamy wyniki doświadczeń prowadzonych przy napięciu sinusoidalnym o częstotliwości 0,1 Hz z wynikami badań przy napięciach o częstotliwości 50 Hz [6], to można zauważyć, że: po pierwsze, przy zwiększaniu wartości napięcia przykładanej do izolacji kabla drzewka elektryczne osiągają większe długości przy napięciu 0,1 Hz niż przy tym samym napięciu 50 Hz, po drugie, oba rodzaje napięć dają inne kształty drzewek elektrycznych, przy napięciu 0,1 Hz drzewka mają kształt praktycznie prostoliniowy, natomiast przy napięciu 50 Hz drzewka przypominają kształtem raczej gęsty niski krzak, po trzecie, w konsekwencji poprzednich wniosków, czas do wystąpienia przebicia kabla przy napięciu 0,1 Hz jest krótszy. W wykorzystaniu układów probierczych napięcia sinusoidalnego o bardzo niskiej częstotliwości (VLF) 0,1 Hz można wskazać następujące zalety: zestawy probiercze są łatwe do transportu, o niewielkiej masie (w skład zestawu wchodzą tylko dwie części, panel sterowania i zespół wysokonapięciowy), a wymagana moc źródła napięcia zasilania nie przekracza typowych możliwości obwodów niskiego napięcia, próby mogą być stosowane do wykrywania wad zarówno w kablach o izolacji polimerowej jak i papierowo-olejowej, w badaniach stosuje się podobne warunki prób (napięcia probiercze do 3 U 0, czasy do 60 minut) jak w przypadku badań napięciem AC 50 Hz, ze względu na ciągłe zmiany biegunowości w izolacji nie tworzy się wokół wad trwały ładunek przestrzenny, zniekształcający rozkład pola elektrycznego, typowy układ probierczy VLF można wyposażyć dodatkowo o zespół pomiarowy współczynnika strat dielektrycznych. W wykorzystaniu układów probierczych napięcia sinusoidalnego o bardzo niskiej częstotliwości (VLF) 0,1 Hz można wskazać następujące wady: w badaniach izolacji kabli silnie zniszczonych przez drzewienie wodne, próby napięciem VLF nie zawsze są jednoznaczne, należy przeprowadzić dodatkowe badania rozszerzone o pomiar strat dielektrycznych, ograniczenie maksymalnej wartości skutecznej napięcia probierczego do 36 kv, ograniczenie maksymalnej pojemności badanego kabla do 3 µf i wynikające stąd ograniczenie długości badanego odcinka kabla, stosunkowo długi czas przeprowadzania prób. 7. PRÓBY NAPIĘCIEM PRZEMIENNYM COSINUSOIDALNO-PROSTOKĄTNYM O BARDZO NISKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI (VLF) 0,1 Hz Uproszczony schemat funkcjonalny zespołu probierczego napięcia przemiennego cosinusoidalno-prostokątnego o bardzo niskiej częstotliwości (VLF) 0,1 Hz pokazano na rysunku 8. Urządzenie zawiera zwykle układ zasilający U DC wysokiego napięcia stałego obu biegunowości, półprzewodnikowy łącznik Ł e o dużej szybkości łączenia, bezrdzeniową cewkę L oraz przełączniki P 1, P 2. Rys. 7. Schemat układu probierczego napięcia przemiennego cosinusoidalno-prostokątnego o bardzo niskiej częstotliwości (VLF) 0,1 Hz, U DC układ zasilający wysokiego napięcia stałego obu biegunowości, Ł e półprzewodnikowy łącznik, L bezrdzeniowa cewka, K badany kabel, P 1, P 2 przełączniki, R 1, R 2 oporniki ograniczające APARATURA PROBIERCZA DO BADAŃ NAPIĘCIOWYCH KABLI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA O IZOLACJI POLIMEROWEJ Henryk BORYŃ 29

30 KABLE ŚREDNIEGO NAPIĘCIA Zasadę działania układu można przedstawić następująco. W układzie U DC ustawiamy odpowiednią do warunków próby wartość napięcia stałego o biegunowości ujemnej i tym napięciem przy zwartym przełączniku P 1 ładujemy przez 5 s badany kabel K o pojemności C k. W kolejnej fazie ładowanie kabla zostaje przerwane przełącznikiem P 1, a zainicjowane oscylacyjne przeładowanie kabla na napięcie dodatnie w wyniku chwilowego zamknięcia (< 10 ms) łącznika Ł e i włączenia do obwodu dławika L. Wartość indukcyjności dławika dobiera się tak, aby przebieg tej zmiany napięcia odpowiadał sinusoidzie o częstotliwości 50 Hz. Otrzymujemy w ten sposób pierwszą połowę okresu cosinusoidy o częstotliwości 0,1 Hz. Kolejna faza to przełączenie przełącznika P 2 w pozycję ładowania przez 5 s kabla K napięciem dodatnim i ostatnia faza to ponowne chwilowe zamknięcie łącznika Ł e w celu zainicjowania następnego oscylacyjnego przeładowania kabla na napięcie ujemne uformowano w ten sposób drugą połowę okresu cosinusoidy o częstotliwości 0,1 Hz i cykl może być powtórzony. W wykorzystaniu układów probierczych napięcia cosinusoidalno-prostokątnego o bardzo niskiej częstotliwości (VLF) 0,1 Hz można wskazać następujące zalety: zestaw probierczy jest bardzo łatwy w transporcie, ma niewielką masę i niski pobór mocy, próby mogą być stosowane do wykrywania wad zarówno w kablach o izolacji polimerowej jak i papierowo-olejowej, w badaniach stosuje się podobne warunki prób (napięcia probiercze do 3 U 0, czasy do 60 minut) jak w przypadku badań napięciem AC 50 Hz, każda zmiana polaryzacji napięcia zachodzi w czasie odpowiadającym częstotliwości 50 Hz, a więc przebieg napięcia jest przebiegiem prostokątnym z sinusoidalnymi zmianami polaryzacji, ze względu na ciągłe zmiany biegunowości w izolacji nie tworzy się wokół wad trwały ładunek przestrzenny, zniekształcający rozkład pola elektrycznego, próby dają bardzo szybkie przyrosty drzewek elektrycznych w izolacji, W wykorzystaniu układów probierczych napięcia cosinusoidalno-prostokątnego o bardzo niskiej częstotliwości (VLF) 0,1 Hz można wskazać następujące wady: metoda nie daje jednoznacznych wyników w badaniach kabli zniszczonych przez drzewienie wodne, ograniczenie maksymalnej długości badanego kabla do wartości wynikającej z mocy zastosowanego źródła napięcia stałego zasilającego układ, stosunkowo długi czas (60 min) przeprowadzania prób. 8. PRÓBY NAPIĘCIEM OSCYLUJĄCYM (OWTS) Uproszczony schemat funkcjonalny zespołu probierczego napięcia oscylującego OWTS (ang.: Oscillating Wave Test System) pokazano na rysunku 9. Urządzenie zawiera typowy układ probierczy UDC zasilający obwód oscylacyjny napięciem stałym o określonej biegunowości, specjalny półprzewodnikowy łącznik Ł e o czasie zamykania krótszym niż 1 µs, bezrdzeniową cewkę o indukcyjności L tworzącą obwód oscylacyjny z pojemnością C k badanego kabla K oraz układy do pomiaru wartości i wizualizacji napięcia probierczego oraz do pomiaru i wizualizacji wyładowań niezupełnych rozwijających się w linii kablowej. Rys. 8. Schemat zespołu probierczego OWTS z możliwością pomiaru wyładowań niezupełnych [12], U DC układ probierczy napięcia stałego, Ł e półprzewodnikowy łącznik, L bezrdzeniowa cewka, K badany kabel o pojemności C k, D 4 dzielnik napięcia, U p do układu pomiaru wartości i wizualizacji napięcia probierczego, wnz do układu pomiaru i wizualizacji wyładowań niezupełnych Zasadę działania układu można przedstawić następująco. W układzie napięcia zasilania dobieramy odpowiednią do warunków próby wartość napięcia stałego, którym ładujemy kabel K przez okres kilku sekund (< 5 s). Następnie specjalnym APARATURA PROBIERCZA DO BADAŃ NAPIĘCIOWYCH KABLI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA O IZOLACJI POLIMEROWEJ Henryk BORYŃ 30

31 KABLE ŚREDNIEGO NAPIĘCIA półprzewodnikowym łącznikiem Ł e przyłączamy cewkę bezrdzeniową L do kabla, tworząc tym samym obwód oscylacyjny LC k o częstotliwości rezonansowej wyznaczonej zależnością (3). W obwodzie rezonansowym stosuje się cewkę bezrdzeniową o dużej dobroci i tak dobranych parametrach, aby częstotliwość rezonansowa obwodu według zależności (3) mieściła się w przedziale Hz. Wypadkowa dobroć całego obwodu rezonansowego zależy od rodzaju badanego kabla, a dokładnie od jego współczynnika strat dielektrycznych. Przy niskich wartościach współczynnika (np. izolacji polietylenowej) dobroć obwodu jest wysoka (30 100), a więc, kabel zasilany jest słabo tłumionymi oscylacjami napięcia trwającymi do 1 sekundy. W trakcie oscylacji napięcia w wadach izolacji kabla inicjowane są wyładowania niezupełne podobnie jak przy napięciu przemiennym AC 50 Hz. Intensywność wyładowań niezupełnych można mierzyć odpowiednim układem pomiarowym. Zastosowany w zespole OWTS układ do pomiaru wyładowań niezupełnych w badanym kablu zaprojektowano zgodnie z zaleceniami normy [11], rozszerzając jednak zakres pomiarowy typowego układu o możliwość lokalizacji wyładowań metodą reflektometrii z wykorzystaniem przetwornika analogowo-cyfrowego o częstotliwości próbkowania 100 MHz. Ponadto, układ pozwala na porównywanie uzyskanych wyników badań z informacjami zgromadzonymi w bazie danych obejmującej podobne konstrukcje linii kablowych. W efekcie uzyskano bardzo wysoką czułość pomiaru wyładowań niezupełnych, nawet podczas badań kabli o długości kilku kilometrów. Dla sprawdzenia możliwości pomiarowych układu OWTS przeprowadzono szereg testów porównując intensywność wyładowań niezupełnych mierzonych nową metodą oraz typowym układem AC 50 Hz na rzeczywistych liniach kablowych zawierających znane wcześniej wady w izolacji i osprzęcie kablowym [7]. Stwierdzono brak znaczącej różnicy między obydwiema metodami, a więc potwierdzono fakt, że warunki rozwoju wyładowań niezupełnych przy napięciu oscylującym są podobne do tych, jakie występują podczas pracy kabla przy napięciu o częstotliwości 50 Hz. Próby przeprowadzone metodą OWTS jednoznacznie wskazały również miejsca występowania wyładowań. W wykorzystaniu układów probierczych napięcia oscylującego można wskazać następujące zalety: wykorzystuje się identyczne zjawiska wywołane obecnością wad w izolacji kabla badanego jak w próbach napięciem AC, metoda OWTS jest pozbawiona zasadniczych wad związanych z próbami napięciem stałym DC, czas przyłożenia napięcia probierczego do badanego kabla nie przekracza kilkuset milisekund, a więc nie powoduje to uszkodzeń izolacji, wyładowania niezupełne stwierdzane metodą OWTS są nie tylko określone co do intensywności ale również zlokalizowane, a więc są wskazywane konkretne uszkodzenia izolacji kabla, metoda wykorzystuje aparaturę o niewielkich gabarytach i wadze, o stosunkowo niskich kosztach inwestycyjnych. W wykorzystaniu układów probierczych napięcia oscylującego można wskazać następującą wadę efektywność wykrywania wad izolacji jest lepsza w porównaniu z badaniami napięciem DC, ale gorsza niż przy badaniach napięciem AC 50 Hz. BIBLIOGRAFIA [1] Wodziński J.: Wysokonapięciowa technika prób i pomiarów. Warszawa, PWN [2] Szczerski R.: Lokalizacja uszkodzeń kabli i wybrane badania eksploatacyjne linii kablowych. Warszawa, WNT [3] Rynkowski A.: Próby napięciowe linii kablowych PE, XLPE (DC, 50 Hz, 0,1 Hz) podstawowe zalety i zagadnienia. VII Konf. Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe KABEL Międzyzdroje [4] Schikarski P., Gamlin M., Rickmann J., Peeters P., Nienwendijk P., Koning R.: Two Years of Experience with a Mobile Resonant Test System for Testing Medium and High Voltage Power Cables. 11 th International Symposium on High Voltage Engineering, London, England, August 1999, Publ. No. 467, vol. 5. [5] Reid R.: High Voltage VLF Test Equipment with Sinusoidal Waveform. Trans. and Distribution Conf., 1999 IEEE, vol. 1. [6] Gnerlich H. R.: Field Testing of HV Power Cables: Understanding VLF Testing. Electrical Insulation Magazine IEEE, September/October 1995, vol. 11. [7] Spyra F., Stępień J.: Diagnozowanie stanu izolacji kabli elektroenergetycznych średniego napięcia. IV Konferencja Elektroenergetyczne linie kablowe Stan obecny, nowe techniki, PTPiREE, Piechowice [8] Colloca V., Fara A., de Nigris M., Rizzi G.: Comparison among Different Diagnostic Systems for Medium Voltage Cable Lines. CIRED 2001, June 2001, Conf. Publ. No. 482, IEE [9] Olesz M.: Wpływ udarów łączeniowych na wytrzymałość długotrwałą izolacji polimerowej. Praca doktorska, Wydział Elektryczny PG, [10] PN-E-04700:1998 Urządzenia i układy elektryczne w obiektach elektroenergetycznych Wytyczne przeprowadzania pomontażowych badań odbiorczych. [11] PN-EN 60270:2003 Wysokonapięciowa technika probiercza Pomiary wyładowań niezupełnych. [12] Oscillating Wave Test System OWTS. APARATURA PROBIERCZA DO BADAŃ NAPIĘCIOWYCH KABLI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA O IZOLACJI POLIMEROWEJ Henryk BORYŃ 31

32 MIEJSCE NA DUŻĄ REKLAMĘ

33 MASZYNY I NAPĘDY MASZYNY ELEKTRYCZNE WZBUDZANE MAGNESAMI TRWAŁYMI prof. dr hab. inż. Tadeusz Glinka Instytut Badawczy BOBRME Komel, glinka.tadeusz@gmail.com Artur Borkowski - Student Wydz. Elektrycznego Politechniki Śląskiej w Gliwicach Permanent magnet machines Abstract: The article describes application of permanent magnets in electric motors and generators, what not only design changes but also make them more efficient with lower costs of production. This paper provides a basic classification of permanent magnet electric machines and their construction. Kewords: BrushLess Direct Current Motor, BLDCM, BrushLess Synchronous Motor, BLSM, permanent magnets, rotor, trapezoidal control, sinusoidal control Silniki elektryczne z magnesami trwałymi coraz częściej wykorzystywane są w napędach elektrycznych ze względu na możliwość wytworzenia bardzo dużej mocy przy względnie małych rozmiarach samego silnika. Fakt ten jest bardzo korzystny ponieważ wraz ze zmniejszeniem samego silnika zmniejszają się koszty produkcji silników. Zastosowanie magnesów trwałych prowadzi także do zmiany struktury samej maszyny elektrycznej, a co za tym idzie do optymalizacji kosztów użytkowania silnika. W niniejszym artykule przedstawiono podstawową klasyfikację silników z magnesami trwałymi, budowę oraz podstawowe zależności, które wykorzystywane są w projektowaniu silników z magnesami trwałymi. Słowa kluczowe: silniki elektryczne, magnesy trwale, klasyfikacja silników, budowa,projektowanie, wirnik, BLDCM, BLSM, sterowanie trapezowe, sterowanie sinusoidalne 1. Wstęp Pierwsze przetworniki elektromechaniczne, które można nazwać maszynami elektrycznymi, były budowane na magnesach trwałych, wykonanych ze stali twardych np. stali kobaltowej. Jednak gęstość energii magnesów trwałych w XIX wieku była mała, nie przekraczała 10 kj/m 3. Prawdziwy rozwój konstrukcji maszyn elektrycznych, zapoczątkowany pod koniec XIX-go wieku i kontynuowany w XX wieku, dokonał się za sprawą wzbudzenia elektromagnetycznego. Jednak o wzbudzaniu maszyn elektrycznych magnesami trwałymi nie zapomniano. Opracowanie i masowa produkcja tanich magnesów ferrytowych (połowa XX wieku) najpierw izotropowych, a następnie anizotropowych, o energii ponad 20 kj/m 3, umożliwiła stosowanie ich na szeroką skalę w budowie mikromaszyn i maszyn małej mocy. Okazało się, że mikromaszyny wzbudzane magnesami ferrytowymi mają znacznie mniejsze gabaryty i masę oraz znacznie większą sprawność od mikromaszyn indukcyjnych ze wzbudzeniem elektromagnetycznym. Jednakże efekt ten uzyskano tylko w maszynach małej mocy. Ze względu na niską cenę magnesy ferrytowe są w dalszym ciągu najpowszechniejszymi magnesami w maszynach małej mocy. Druga rewolucja w konstrukcji maszyn elektrycznych, tym razem średniej i dużej mocy, dokonuje się obecnie za sprawą magnesów trwałych neodymowo-żelazowo-borowych (NdFeB) o energii ponad 250 kj/m 3. Magnesy neodymowe wynaleziono w roku1985, a ich produkcję na skalę przemysłową rozpoczęto na przełomie XX i XXI wieku w Chinach, które posiadają około 70% światowych zasobów neodymu. Zastosowanie magnesów NdFeB pozwala uzyskać nową i lepszą jakość maszyn elektrycznych. Maszyny elektryczne z magnesami trwałymi umieszczonymi na wirniku (lub w wirniku) są prostej budowy, mają najwyższą sprawność energetyczną (wyższą o kilka procent) ze wszystkich znanych i stosowanych rodzajów maszyn elektrycznych porównywalnej wielkości, mają także największą gęstość mocy. Maszyny tego typu stosowane są jako prądnice w elektrowniach wiatrowych, wodnych i w zespołach prądotwórczych spalinowoelektrycznych oraz jako silniki w napędach o regulowanej prędkości obrotowej, głównie w różnego typu pojazdach. Budowane są także maszyny (wzbudzane magnesami trwałymi) o dużych mocach dochodzących do kilkuset, a nawet kilku tysięcy kilowatów. Są to silniki dla celów specjalnych, np. do napędu statków morskich. Od Redakcji 1) Neodymian żelaza, jako ziemia rzadka, występuje również w Polsce przy wydobyciu miedzi. MASZYNY ELEKTRYCZNE WZBUDZANE MAGNESAMI TRWAŁYMI Tadeusz Glinka, Artur Borkowski 33

34 MASZYNY I NAPĘDY 2. Magnesy trwałe Właściwości fizyczne materiałów magnetycznych opisywane są za pomocą charakterystyki magnesowania B = f(h). B indukcja magnetyczna, której jednostką jest T (Tesla). H natężenie pola magnetycznego, którego jednostką jest A/m. Na rysunku 1 przedstawiono literaturową charakterystykę magnesowania materiału ferromagnetycznego pętlę histerezy. Na charakterystyce tej wyróżnia się dwa punkty: B r indukcję remanencji, przy H = 0, H c natężenie koercji (powściągające), przy B = 0). Materiały magnetyczne, ze względu na szerokość pętli histerezy, dzieli się na dwie grupy: magnetycznie miękkie i magnetycznie twarde. Materiały magnetycznie miękkie charakteryzują się dużą wartością indukcji B r i małą wartością H c. Przykładem jest blacha stalowa elektrotechniczna (o grubości 0,35mm), z której są budowane rdzenie magnetyczne transformatorów i obwody magnetyczne maszyn wirujących (blacha o grubości 0,5mm). Pętla histerezy blachy elektrotechnicznej jest wąska: B r >1T, a H c < 50 A/m. Materiał magnetycznie miękki, po zaniku pola magnetycznego, samoistnie rozmagnesowuje się. Materiały magnetycznie twarde charakteryzują się dużą wartością natężenia koercji H c > 50x10 3 A/m (50 ka/m). Rys.1. Charakterystyka magnesowania materiału ferromagnetycznego Materiał magnetycznie twardy, po namagnesowaniu i zaniku zewnętrznego pola magnetycznego, nie rozmagnesowuje się, i staje się magnesem trwałym. Wielkości B r i H c są parametrami magnesów trwałych podawanymi w katalogach. Magnes trwały wzbudza wokół siebie pole magnetyczne, 24 godziny na dobę, przez długie lata. Wartość indukcji magnetycznej w otoczeniu magnesu trwałego zależy od charakterystyki odmagnesowania magnesu, to jest fragmentu histerezy położonej w drugiej ćwiartce układu współrzędnych (rys.1) oraz od reluktancji obwodu magnetycznego, w którym magnes trwały się znajduje. Parametry pracy magnesu trwałego B A, H A określa punkt (A) przecięcia się charakterystyki magnesowania B = f(h), zewnętrznego obwodu magnetycznego z charakterystyką odmagnesowania magnesu trwałego (rys.2). Iloczyn (B A H A ) jest gęstością energii, którą wzbudza magnes trwały, wyrażaną w J/m 3. Jeśli położenie punktu pracy A na charakterystyce odmagnesowania będziemy zmieniać w sposób ciągły, to uzyska się charakterystykę energetyczną magnesu trwałego (BH) = f(b) rysunek 3. Wartość maksymalna energii (BH) max, którą można uzyskać jest parametrem podawanym w katalogach magnesów trwałych. Rys.2. Punkt pracy magnesu trwałego: 1 Charakterystyka odmagnesowania magnesu trwałego; 2 Charakterystyka magnesowania zewnętrznego obwodu magnetycznego Rys.3. Charakterystyka energii magnesu trwałego MASZYNY ELEKTRYCZNE WZBUDZANE MAGNESAMI TRWAŁYMI Tadeusz Glinka, Artur Borkowski 34

35 MASZYNY I NAPĘDY Wyróżnia się cztery typy magnesów trwałych: ferryty (BaFe 12 O 19 ; SrFe 12 O 19 ), aluminium-nikiel-kobalt (AlNiCo), samar-kobalt (SmCo 5, Sm 2 Co 17 ) i neodym-żelazo-bor (NdFeB). Charakterystyki pasmowe odmagnesowania B = f(h) tych magnesów pokazano na rysunku 4. Magnesy trwałe AlNiCo, z uwagi na małą koercję i silną nieliniowość charakterystyki odmagnesowania, nie są obecnie stosowane w budowie maszyn elektrycznych. Magnesy trwałe SmCo charakteryzują się niższymi parametrami magnetycznymi od magnesów NdFeB, lecz mają większą stabilność temperaturową (niższą wrażliwość na zmiany temperatury i wyższy zakres temperatur dopuszczalnych), są jednak znacznie droższe od magnesów NdFeB, dlatego są stosowane tylko w rozwiązaniach specjalnych maszyn elektrycznych. Jak wynika z rysunku 4 oraz tablicy 1, magnesy neodymowe charakteryzują się wysoką indukcją remanencji (B r ) i najwyższą wartością natężenia pola koercji (H c ) w porównaniu do innych typów magnesów trwałych. Stąd też ich maksymalna gęstość energii (BH) max jest największa. Rys.4. Charakterystyki odmagnesowania B = f(h) magnesów trwałych: 1 ferryty; 2 AlNiCo; 3 SmCo; 4 NdFeB [1] Tablica 1. Parametry magnesów trwałych NdFeB oraz SmCo L.p. Parametr Magnesy NdFeB (N33SH) Wartość Magnesy SmCo (S26A) Wartość Jednostka 1. B r 1,16 1,21 1, T 2. H c ka/m 3. (BH) max kj/m 3 4. T PM C 5. TK (B r ) -0,12-0,10-0,05-0,03 %/ C 6. TK(H c ) -0,6-0, %/ C 7. d 7,4 7,6 8,0 8,5 g/cm 3 Parametry magnesów trwałych NdFeB zestawione w tabeli 1. oznaczają: B r indukcję remanencji, H c natężenie koercji charakterystyki B = f(h), (BH) max maksymalną gęstość energii, T PM maksymalną temperaturę pracy. TK(B r ) temperaturowy współczynnik remanencji, TK(H c ) temperaturowy współczynnik koercji d gęstość właściwą, ρ rezystywność, T C temperaturę Curie, µ r względną przenikalność magnetyczną magnesów. 8. ρ µω cm 9. T C C 10. µ PM 1,05 1,1 - Od Redakcji 2) Producenci podają w katalogach charakterystyki dla 20 C oraz innych temperatur. Wraz ze wzrostem temperatury, maleją wartości B r i H c. MASZYNY ELEKTRYCZNE WZBUDZANE MAGNESAMI TRWAŁYMI Tadeusz Glinka, Artur Borkowski 35

36 MASZYNY I NAPĘDY 3. Obwody elektryczne i magnetyczne maszyn elektrycznych wzbudzane magnesami trwałymi Rozpatrywane są obwody: elektryczne i magnetyczne maszyn elektrycznych o liczbie par biegunów 2p = 2. Przemiana energii mechanicznej na elektryczną (prądnica) i elektrycznej na mechaniczną (silnik) odbywa się w obwodach: elektrycznym i magnetycznym. Warunkiem sine qua non przemiany energii jest aby: uzwojenie znajdowało się w polu magnetyczny wzbudzonym przez zewnętrzną (w stosunku do uzwojenia) siłę magnetomotoryczną (magnesy trwałe lub elektromagnesy), liczba biegunów uzwojenia była równa liczbie biegunów pola magnetycznego wzbudzenia, w uzwojeniu płynął prąd, a siła magnetomotoryczna wzbudzana przez ten prąd była nieruchoma względem pola magnetycznego wzbudzenia. Uzwojenie twornika jest wykonane z izolowanego przewodu miedzianego i tworzy obwód elektryczny maszyny. Natomiast obwód magnetyczny składa się z jarzma stojana, wirnika i szczeliny powietrznej między nimi (tzw. szczelina magnetyczna). Jarzmo wirnika jest ferromagnetyczne (stalowe), może być lite lub wykonane z pakietu blach elektrotechnicznych. Jarzmo stojana jest wykonane z blachy elektrotechnicznej, zwykle o grubości 0,5mm. Magnesy trwałe umieszczone są na powierzchni jarzma wirnika, bądź w jego wnętrzu. W wyniku oddziaływania na siebie, w szczelinie magnetycznej, pola magnetycznego stojana i wirnika powstaje moment obrotowy silnika. 3.1 Uzwojenie twornika Uzwojenie jest umieszczone w żłobkach pakietu blach stojana w strefie przy szczelinie magnetycznej. Jarzmo stojana wraz z uzwojeniem tworzą twornik maszyny elektrycznej. Poglądowy przekrój poprzeczny obwodu magnetycznego maszyny pokazano na rysunku 5. Uzwojenie twornika jest podzielone na pasma (fazy), zwykle uzwojenie jest 3-pasmowe. Jednak liczba pasm może być dowolna, większa niż jeden. W maszynach małej mocy (mikromaszynach) stosowane jest uzwojenie 2-pasmowe. Tu przedstawione będzie uzwojenie 3-pasmowe. Pasma uzwojenia oznaczono: A; B; C. Jedno pasmo uzwojenia zajmuje 1/3 żłobków. Rys.5. Przekrój poprzeczny obwodu magnetycznego maszyny elektrycznej wzbudzanej magnesami trwałymi. a) Oś wzbudzenia b) pasma A Oś A Pasmo A } { Zwoje pasma A Rys.6. a Położenie uzwojenia pasma A w żłobkach; b Schematyczne przedstawienie uzwojenia MASZYNY ELEKTRYCZNE WZBUDZANE MAGNESAMI TRWAŁYMI Tadeusz Glinka, Artur Borkowski 36

37 MASZYNY I NAPĘDY Na rysunku 6a pokazano położenie zwojów uzwojenia pasma A w żłobkach pakietu blach stojana i jego oś magnetyczną. W literaturze przyjęto oznaczać uzwojenie w sposób uproszczony, zaznaczając położenie uzwojenia na osi magnetycznej, jak to pokazano na rysunku 6b, przy czym osi uzwojenia zwykle nie rysuje się zaznaczając tylko położenie uzwojenia. Schemat elektryczny uzwojenia pasma A przedstawiono na rysunku 7. Pasma uzwojenia B i C są identyczne, jak pasmo A, tylko przesunięte na obwodzie o kąt elektryczny 120, jak to pokazano na rysunku 8. Na rysunku 9 przedstawiono zdjęcie uzwojonego stojana (twornika). Rys.7. Schemat elektryczny uzwojenia pasma A Rys.8. Schemat poglądowy uzwojenia 3-pasmowego Rys.9.Zdjęcie uzwojonego stojana (twornika) MASZYNY ELEKTRYCZNE WZBUDZANE MAGNESAMI TRWAŁYMI Tadeusz Glinka, Artur Borkowski 37

38 MASZYNY I NAPĘDY 3.2. Wirnik z magnesami trwałymi Na rysunku 10 pokazano pięć przykładowych rozwiązań wirników, o liczbie biegunów 2p = 4, wzbudzanych magnesami trwałymi umieszczonymi na powierzchni jarzma i trzy wirniki z magnesami trwałymi umieszczonymi w jego wnętrzu. a) b) c) d) e) f) g) h) Rys.10. Rozwiązania konstrukcyjne wirników czterobiegunowych wzbudzanych magnesami trwałymi umieszczonymi: a) na powierzchni symetrycznie; b) na powierzchni niesymetrycznie; c) na powierzchni ze skokowym skosem; d) na powierzchni w tzw. jaskółczych ogonach jarzma wirnika; e) na powierzchni o przemiennym rozłożeniu siły magnetomotorycznej magnesów trwałych, promieniowym i obwodowym; f ) wewnątrz wirnika obwodowo; g) wewnątrz wirnika promieniowo; h)umieszczonymi wewnątrz wirnika w kształcie litery V 4. Zasada sterowania i pracy silników Jak już powiedziano w punkcie 3, aby silnik elektryczny (dowolnego typu, indukcyjny, synchroniczny, prądu stałego z komutatorem mechanicznym) mógł przetwarzać energię elektryczną na mechaniczną to wektor strumienia magnetyczne wzbudzenia Φ i wektor siły magnetomotorycznej uzwojenia twornika Θ a (sumaryczny wektor pasm A,B,C uzwojenia) muszą być względem siebie nieruchome i przesunięte o pewien kąt. Aby wartość momentu elektromagnetycznego wyrwarzanego przez silnik była maksymalna, to wektory Φ i Θ a muszą tworzyć kąt elektryczny 90. W silnikach prądu stałego z komutatorem mechanicznym, prostopadły układ wektorówφ i Θ a, jest naturalny, gdyż wynika on z konstrukcji maszyny, jak to pokazano na rysunku 11. Wektor Φ leży w osi biegunów wzbudzenia, a wektor Θ a leży w osi szczotek, a ściślej w osi przewodów uzwojenia wirnika, które są połączone z działkami komutatora leżącymi pod szczotkami. Obydwa wektory Φ i Θ a są nieruchome względem stojana. MASZYNY ELEKTRYCZNE WZBUDZANE MAGNESAMI TRWAŁYMI Tadeusz Glinka, Artur Borkowski 38

39 MASZYNY I NAPĘDY I π/2 Φ U N S Θ a Rys.11. Prostopadłe położenie wektorów: strumienia wzbudzenia Φ i SMM twornika Θ a w maszynie prądu stałego z komutatorem mechanicznym Taki układ wektorów Φ i Θ a odwzorowuje się w silnikach wzbudzanych magnesami trwałymi umieszczonymi na wirniku. Zadanie nie jest łatwe, gdyż obydwa wektory wirują. Wirnik i wektor strumienia wzbudzenia Φ, wirują z prędkością kątową ω m, zatem wektor Θ a musi wirować z tą samą prędkością kątową ω m. Przebiegi czasowe prądów w pasmach uzwojenia i A, i B, i C należy tak regulować, aby wymieniona wyżej zasada była spełniona, to znaczy aby wektor Θ a wirował z prędkością kątową ω m i tworzył z wektorem Φ kąt prosty. Położenie wektora Θ a względem osi pasm uzwojenia zależy od wartości chwilowych prądów w pasmach uzwojenia i A, i B oraz i C. Na przykład jeśli prądy w pasmach uzwojenia i A, i B, i C mają przebieg sinusoidalny, 3-fazowy, symetryczny, to wektor Θ a pokrywa się z osią tego pasma uzwojenia, w którym chwilowa wartość prądu jest równa wartości maksymalnej i wiruje w kierunku osi następnego pasma uzwojenia, gdzie prąd osiągnie watość maksymalną. Tak więc poprzez sterowanie wartościami chwilowymi prądów i A, i B, i C realizuje się zarówno wirowanie jak i prostopadłe ustawianie położenia wektora Θ a względem wektora Φ. Sterowanie takie realizuje się przy pomocy zaworów energoelektronicznych sterowanych kątem położenia wektora Φ względem osi pasm uzwojenia A,B,C. Aby to zrealizować należy mierzyć kąty α A, α B, α C położenia wektora Φ względem osi pasm uzwojenia A,B,C. Pomiar kątów α A, α B, α C realizuje się przy pomocy przetwornika kąta obrotu (ang. Encoder) mechanicznie sprzężonego z wirnikiem. Rodzajów przetworników jest wiele i nie są one przedmiotem rozważań w tym artykule. Sterowanie takie jest nazywane w literaturze sterowaniem prądu stałego, a układ: przetwornik kąta obrotu, sterownik i zespół zaworów energoelektronicznych (falownik) jest nazywany komutatorem energoelektronicznym. Silnik plus komutator energoelektroniczny nazywany jest silnikiem bezszczotkowym (ang.bl-brush-less) prądu stałego (ang.dc- Direct Current). Wyróżnia się dwa rodzaje sterowania silnikiem bezszczotkowym: sterowanie trapezowe BLDCM (ang.brush-less Direct Current Motor) i sterowanie sinusoidalne BLSM (ang.brush-less Synchronous Motor). W literaturze silniki BLSM oznaczane są symbolem PMSM (ang.permanent Magnet Synchronous Motor), jednak nie wydaje się to być poprawne, gdyż w oznaczeniu powinny być ponadto litery BL. Sterowanie pracą silnika synchronicznego PMSM jest inne niż sterowanie silnika bezszczotkowego BLPM. Silnik synchroniczny nie wymaga przetwornika kąta obrotu gdyż jego prędkość obrotową narzuca częstotliwość napięcia zasilania. Silnik BLSM ma rozwiązany pomiar kąta położenia wirnika, prędkość obrotową reguluje się napięciem na uzwojeniu (pierwsza strefa regulacji prędkości) bądź kątem rozwarcia wektorów Φ i Θ a powyżej 90 (druga strefa regulacji prędkości), a częstotliwość prądu w uzwojeniu wynika z prędkości wirowania wirnika. Wydaje się być zasadne, by odróżniać w symbolice zapisu silniki BLSM i PMSM. Prostopadłość wymienionych wektorów owocuje identycznymi właściwościami elektromechanicznymi silników BLDCM i BLSM (podobnie jak silników komutatorowych prądu stałego). Silniki BLDC i BLSM mają jednak kilka zalet w stosunku do maszyn komutatorowych prądu stałego: brak komutatora i aparatu szczotkowego, wyższą sprawność oraz większą gęstość mocy tzn. mniejszą objętość wraz z masą przy tych samych elektromechanicznych parametrach znamionowych (przy identycznych warunkach chłodzenia). Komutator oraz aparat szczotkowy wymagają konserwacji, wymiany szczotek i one określają dopuszczalną chwilową przeciążalność momentem. Wyznaczają również trwałość eksploatacyjną maszyny. Niedogodności tego rodzaju nie ma w silniku bezszczotkowym, który można przeciążać znacznie bardziej. Ograniczeniem natomiast tutaj jest falownik i odporność magnesów na odmagnesowanie, a czas przeciążenia określają warunki cieplne dla izolacji uzwojeń oraz dopuszcalna temperatura pracy dla magnesów. Budowa silników BLDCM i BLSM jest prosta, można ją porównać z budową silnika indukcyjnego klatkowego zasilanego z falownika. MASZYNY ELEKTRYCZNE WZBUDZANE MAGNESAMI TRWAŁYMI Tadeusz Glinka, Artur Borkowski 39

40 MASZYNY I NAPĘDY 4.1 Sterowanie trapezowe Sterowanie trapezowe polega na zasilaniu dwóch pasm uzwojenia prądem przy cyklicznym przełączaniu faz zasilanych. Histogram przełączania pasm zasilanych z komutatora energoelektronicznego K jest jak przedstawiony na rysunku 12. Taki sposób sterowania powoduje, że wektor siły magnetomotorycznej (SMM) Θ a nie zmienia swojego położenia w sposób ciągły, lecz skokowy. Kolejne położenia wektora SMM Θ a są między osiami pasm uzwojenia osie od 1do 6 jak to pokazano na rysunku 13. a) b) 1 π/2 π 3/2 π 2 π K + - U I C I B C π/2 π 3/2 π 2 π I A Przetwornik kąta A obrotu wirnika 4 (pętla położeniowa) B π/2 π 3/2 π 2 π π/2 π 3/2 π 2 π π/2 π 3/2 π 2 π π/2 π 3/2 π 2 π Rys. 12. Sterowanie silnika z komutatorem elektronicznym: a) silnik BLDC, b) histogram sterowania zaworami (1 6) komutatora energoelektronicznego K Rys. 13. Położenie wektorów Φ i Θa względem osi pasma uzwojenia Rys. 14. Zmiana kąta α a przy α m = ω m t Kąt elektryczny skoku Θ a wynosi 60. Przy wirowaniu wirnika, kąt α Φ położenia strumienia wzbudzenia Φ względem osi pasm uzwojenia zmienia się w sposób ciągły, natomiast kąt α a położenia wektora SMM Θ a zmienia się w sposób skokowy α a = α Φ (90 ± 30 ), jak to pokazano na rysunku 14. Dobre właściwości silnika otrzymuje się gdy rozkład indukcji magnetycznej wzbudzanej magnesami trwałymi ma kształt trapezowy. Stąd ten rodzaj sterowania nazywany jest sterowaniem trapezowym. MASZYNY ELEKTRYCZNE WZBUDZANE MAGNESAMI TRWAŁYMI Tadeusz Glinka, Artur Borkowski 40

41 MASZYNY I NAPĘDY Trapezowy rozkład indukcji magnetycznej indukuje w uzwojeniu twornika trapezowy przebieg napięcia rotacji, jak to pokazano na rysunku 15. Wyższe harmoniczne napięcia widoczne na oscylogramach pochodzą od żłobków, w których jest umieszczone uzwojenie twornika. Rys.15. Napięcia rotacji (fazowe) indukowane w uzwojeniu twornika przy pracy prądnicowej w stanie jałowym w maszynie BLDCM Sterowanie trapezowe jest proste w realizacji. Przetwornik kąta obrotu wskazuje tylko chwilę czasową, w której należy włączyć kolejny zawór komutatora energoelektronicznego (rys.12a) i równocześnie wyłączyć zawór przewodzący, zgodnie z histogramem (rys.12b). W tym przypadku wykorzystuje się hallotrony umieszczone na stojanie, reagujące na pole magnetyczne wirnika. Przy sterowaniu trapezowym silnik pracuje tylko w pierwszej strefie regulacji prędkości obrotowej, to jest od zera do prędkości znamionowej Sterowanie sinusoidalne Sterowanie sinusoidalne, w pierwszej strefie regulacji prędkości obrotowej (od zera do prędkości znamionowej), polega na ciągłym w czasie utrzymywaniu prostopadłości kąta między wektorami Φ i Θ a, (linia kropkowa na rysunku 14). Aby to uzyskać, wartości chwilowe prądów we wszystkich pasmach uzwojenia muszą być regulowane. Przy stałej prędkości obrotowej wirnika, prądy te muszą zmieniać się sinusoidalnie, przy zachowaniu symetrii 3-fazowej. Stąd wywodzi się nazwa sterowanie sinusoidalne. Regulację wartości chwilowej napięcia realizuje się pracą zaworów komutatora energoelektronicznego (rys.12) w trybie modulacji szerokości impulsów (MSI). Rys.16. Napięcia rotacji (fazowe) indukowane w uzwojeniu twornika przy pracy prądnicowej w stanie jałowym w maszynie BLSM MASZYNY ELEKTRYCZNE WZBUDZANE MAGNESAMI TRWAŁYMI Tadeusz Glinka, Artur Borkowski 41

42 MASZYNY I NAPĘDY Dobre parametry silnika zależą także od rozkładu pola magnetycznego w szczelinie magnetycznej. Jeśli rozkład ten jest sinusoidalny, to napięcie rotacji indukowane w pasmach uzwojenia, indukowane przy stałej prędkości obrotowej, jest także sinusoidalne, jak to pokazano na rysunku 16. Komutator elektroniczny powinien być tak zsynchronizowany, aby fazy napięć rotacji i napięć zasilających były identyczne. W drugiej strefie regulacji prędkości obrotowej to jest od prędkości znamionowej do prędkości maksymalnej regulację realizuje się poprzez osłabianie strumienia wzbudzenia Φ, siłą magnetomotoryczną twornika Θ a. Chwilowe wartości prądów w pasmach uzwojenia i A, i B, i C tak się ustawia, aby kąt między wektorami Φ i Θ a był większy od 90. Należy zaznaczyć, że to sterowanie jest mało skuteczne w silnikach z magnesami trwałymi umieszczonymi na powierzchni wirnika (rys. 10a 10e). Przewodność magnetyczna magnesów trwałych jest mała, bliska przewodności magnetycznej powietrza (µ 1,05), dlatego reluktancja drogi magnetycznej dla strumienia Φ a wzbudzanego przez SMM Θ a jest duża. W silnikach elektrycznych, które mają pracować w drugim zakresie prędkości obrotowej należy stosować magnesy trwałe umieszczone wewnątrz jarzma wirnika (rys. 10f 10h). Umieszczenie magnesów trwałych wewnątrz jarzma wirnika ma jeszcze tę zaletę, że zabezpiecza magnesy przed rozmagnesowaniem (siłą magnetomotoryczną twornika Θ a). Wadą tego rozwiązania jest większy strumień rozproszenia magnesów trwałych, który jest częściowo bocznikowany przez jarzmo wirnika. Aby dokładnie ustawiać kąt równy 90, między wektorami Φ i Θ a (w pierwszej strefie regulacji prędkości), bądź większy od 90 (w drugiej strefie regulacji prędkości), należy znać w każdej chwili położenie wektora Φ. Położenie to identyfikują przetworniki kąta obrotu, których budowa jest bardziej złożona. są to tak zwane przetworniki absolutne [ang.absolute encoder] kąta obrotu (mierzące bezwzględną wartość kąta obrotu) i przetworniki przyrostowe )[ang. Incremental encoder] kąta obrotu (mierzące przyrost drogi kątowej). Przetworniki absolutne identyfikują położenie wektora Φ przy postoju wirnika (przy prędkości równej zero) i przy wirującym wirniku, a przetworniki przyrostowe tylko przy wirującym wirniku. 5. Podsumowanie Obwód magnetyczny maszyn elektrycznych wzbudzanych magnesami trwałymi powinien spełniać dwa cele: zapewnić założony kształt rozkładu indukcji magnetycznej na powierzchni twornika przylegającej do szczeliny magnetycznej, zapewnić optymalne (maksymalne) wykorzystanie obwodu elektromagnetycznego. Maszyny wzbudzane magnesami trwałymi są wykorzystywane zarówno jako prądnice oraz silniki. Jako prądnice są stosowane w elektrowniach wodnych, wiatrowych i w zespołach prądotwórczych. Są to maszyny synchroniczne o stałym wzbudzeniu. Prądnice najczęściej oddają energię do sieci elektroenergetycznej poprzez układy energoelektroniczne. Mogą także zasilać odbiorniki energii bezpośrednio np. przez obciążenie silnikami indukcyjnymi lub rezystorami. Silniki elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi umieszczonymi na wirniku są to tak zwane silniki bezszczotkowe prądu stałego BLDCM (ang.brush-less Direct Current Motor) i BLSM (ang.brush-less Synchronous Motor). Akronimy silników BLDCM i BLSM wywodzą się stąd, że w silnikach tych, poprzez komutator energoelektroniczny (falownik sterowany kątem położenia wirnika) uzyskuje się prostopadłość wektora strumienia wzbudzenia Φ i wektora siły magnetomotorycznej twornika Θ a (prostopadłość dotyczy kąta elektrycznego), identycznie jak w maszynie prądu stałego w której stan prostopadłości wynika z konstrukcji maszyny. Prostopadłość wektorów strumienia wzbudzenia Φ i siły magnetomotorycznej twornika Θ a uzyskuje się poprzez sterowanie komutatorem energoelektronicznym (falownikiem), sygnałem z przetwornika śledzącego kąt położenia wirnika. Prostopadłość wymienionych wektorów owocuje identycznymi właściwościami elektromechanicznymi silników BLDCM i BLSM jak silników komutatorowych prądu stałego. Silniki BLDC i BLSM mają jednak kilka zalet w stosunku do maszyn komutatorowych prądu stałego: brak komutatora i aparatu szczotkowego, wyższą sprawność oraz większą gęstość mocy tzn. mniejszą objętość, masę przy tych samych elektromechanicznych parametrach znamionowych przy zachowaniu identycznych warunkach chłodzenia. Komutator i aparat szczotkowy wymagają konserwacji, wymiany szczotek i one decydują o dopuszczalnej chwilowej przeciążalności momentem oraz trwałości eksploatacyjnej maszyny. Ograniczeń tych nie ma w silniku bezszczotkowym, który można przeciążać znacznie bardziej. Ograniczenia natomiast ma falownik oraz odporność magnesów trwałych na rozmagnesowanie. Czas przeciążenia określają warunki cieplne. Budowa silników BLDCM i BLSM jest prosta, można ją porównać z budową silnika indukcyjnego klatkowego zasilanego z falownika. Projektując każde z tych dwóch rozwiązań silników należy uzyskać odpowiedni kształt rozkładu indukcji w szczelinie maszyny. W silnikach BLDC należy dążyć do rozkładu prostokątnego, w praktyce trapezowego. W silnikach BLSM pożądany jest sinusoidalny rozkład indukcji w szczelinie. Silniki BLDCM stosowane są w tych napędach, gdzie nie występuje potrzeba regulacji prędkości obrotowej poprzez odwzbudzanie, tzn. silnik pracuje tylko w zakresie prędkości obrotowej od zera MASZYNY ELEKTRYCZNE WZBUDZANE MAGNESAMI TRWAŁYMI Tadeusz Glinka, Artur Borkowski 42

43 MASZYNY I NAPĘDY do znamionowej; jest to zakres pracy przy stałym momencie obciążenia. Przetwornik (mierzący kąt między wektorem strumienia wzbudzenia a osią pasma uzwojenia wirnika silnika BLDCM) jest prosty i tani. Silnik BLSM może pracować w dwóch zakresach prędkości obrotowej: od zera do prędkości znamionowej (zakres stałego momentu obciążenia) i w zakresie od prędkości znamionowej do prędkości maksymalnej (zakres stałej mocy obciążenia). Przetwornik w silniku BLSM musi, w sposób ciągły, przekazywać informacje do sterownika o położeniu wektora Φ względem osi każdego pasma uzwojenia twornika. Te same rozwiązania wirników z magnesami trwałymi są stosowane w prądnicach synchronicznych. W prądnicach napędzanych ze stałą prędkością obrotową (prądotwórcze zespoły spalinowe), korzystnie jest stosować rozwiązanie wirnika identyczne jak w silnikach BLSM, co pozwala uzyskać sinusoidalny przebieg napięcia a nie wymaga to stosowania falowników. W prądnicach stosowanych np. w energetyce wiatrowej pracujących przy zmiennej prędkości obrotowej korzystniej jest stosować wirnik taki jak w silniku BLDCM; pozwala to uzyskać mniejsze pulsacje napięcia wyprostowanego, które następnie przy pomocy falowników przetwarzane jest na napięcie przemienne o stałej częstotliwości. Ilustracją tych dwóch rozwiązań wirników są oscylogramy napięć fazowych rotacji maszyny BLSM i BLDCM, przedstawione na rysunkach 15 i 16. BIBLIOGRAFIA [1] Bernat J.: Obwody elektryczne i magnetyczne maszyn elektrycznych wzbudzanych magnesami trwałymi. Wydawnictwo BOBRME Komel, 2010r. ISBN [2] Dudzikowski I., Ciurys M.: Komutatorowe i bezszczotkowe maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2011r. ISBN [3] GlinkaT.: Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. 2002r. ISBN X. TO MIEJSCE CZEKA NA WASZĄ SKUTECZNĄ REKLAMĘ MASZYNY ELEKTRYCZNE WZBUDZANE MAGNESAMI TRWAŁYMI Tadeusz Glinka, Artur Borkowski 43

44 Regionalne Seminaria / Szkolenia dla Służb Utrzymania Ruchu Miejsce na Twoją Reklamę Szczecin Katowice Poznań Jeżeli jesteś zainteresowany uczestnictwem w Seminarium, zaprezentowaniem produktu c js ie a m zon ść nic Ilo ra og lub nowego rozwiązania napisz do nas: marketing@energoelektronika.pl Energoelektronika.pl tel. (+48) Partnerzy: Miejsce na Twoją Reklamę