Leszek WITKOWSKI ASTAT Sp. z o.o. AUTOMATYCZNIE STROJONA CEWKA PETERSENA FIRMY EGE Z REGULATOREM A-EBERLE Streszczenie: W liniach energetycznych średniego napięcia dominują jednofazowe zwarcia doziemne i wywołane nimi zjawiska towarzyszące temu stanowi awaryjnemu. Z tego powodu istotny jest sposób rozwiązania uziemienia punktu neutralnego. W referacie omówiono sposób kompensacji prądu ziemnozwarciowego za pomocą strojonej cewki Petersena. Problem dostrajania opisano dla układu, w którym zastosowano automatyczny układ strojenia cewki, zapewniający uzyskanie dowolnej wartości prądu w przedziale od 10 100% prądu maksymalnego. 1. Wprowadzenie Temat kompensacji prądów ziemnozwarciowych może być bardzo interesujący, jeżeli spojrzy się na problem od strony poprawy jakości i bezprzerwowości zasilania. Ponieważ linie energetyczne średniego napięcia i dominujące w nich zjawiska jednofazowych zwarć doziemnych stanowią zdecydowaną większość spośród wszystkich stanów awaryjnych, bardzo istotny jest sposób rozwiązania uziemienia punktu neutralnego na stacjach GPZ. Po szczegółowej analizie rozwiązań stosowanych w polskiej energetyce, większość stanowią uziemienia za pomocą cewki Petersena z bezobciążeniowym przełącznikiem zaczepów. Wielkie aglomeracje miejskie oraz kilka indywidualnych zakładów energetyczny w całości, a pozostali w wybranych przypadkach stosują wysokonapięciowy rezystor uziemiający. Są również zakłady energetyczne stosujące izolowany punkt neutralny. Warto więc się przyjrzeć, jak poszczególne rozwiązania swoją funkcjonalnością wpływają na poprawę jakości energii elektrycznej, a szczególnie na bezprzerwowość zasilania i występowanie stanów nieustalonych podczas zwarć doziemnych czy przełączeń. Rys. 1. Schemat zastępczy linii SN widziany od strony GPZ Rys. 2. Schemat zastępczy w momencie zwarcia 50
Aby łatwiej zrozumieć problem, warto spojrzeć na uproszczony schemat zastępczy linii energetycznej widzianej od strony GPZ. Zarówno linie napowietrzne znajdujące się w pewnej odległości od ziemi, jak i linie kablowe, w których poszczególne żyły odizolowane są od ziemi i od siebie dielektrykiem, mają charakter impedancyjny o dominującej składowej pojemnościowej. W najprostszy sposób można je zastąpić pojemnościami względem ziemi. Jeżeli na rozdzielni GPZ dołączymy do takiej linii transformator potrzeb własnych z wyprowadzonym punktem N, to uziemiając go przez impedancję lub pozostawiając nie podłączony otrzymamy trzy możliwe przypadki podstawowe: izolowany punkt N, uziemiony wysokonapięciowym rezystorem mocy, uziemiony cewką Petersena. Uzyska się w ten sposób wypadkowy obwód równoległy RC, a w przypadku cewki (R)LC, zasilany podczas zwarcia napięciem U NE. W rzeczywistości dochodzą jeszcze impedancje uzwojeń transformatorów zarówno strony pierwotnej, jak i wtórnej mogących tworzyć pasożytnicze szeregowe obwody rezonansowe z pojemnościami linii oraz linie energetyczne o zmieniającym się rozkładzie połączeń i wypadkowej wartości pojemności stanowiącej dodatkowy element zmienny. Dlatego tylko w przypadku zestrojonego obwodu LC z cewką Petersena mamy kontrolowaną częstotliwość rezonansową obwodu, która powinna wynosić 50 Hz. Jeżeli teraz spojrzymy na rodzaj występujących awarii, to większość stanowią jednofazowe zwarcia doziemne, w tym krótkotrwałe zwarcia przemijające. Wśród przyczyn wywołujących te awarie podczas eksploatacji linii średniego napięcia najbardziej uciążliwe to zarastanie przestrzeni roślinnością oraz zwierzęta i ptactwo. Spośród technicznych wymienić należy pęknięcie izolatora i opadnięcie przewodu na ziemię lub konstrukcję, szczególnie w przypadku linii napowietrznych, a przebicie izolacji w przypadku linii kablowych. Większość z awarii spowodowanych wymienionymi przyczynami ma charakter powtarzalny, co bardzo znacząco wpływa na zachowanie się automatyki zabezpieczeniowej i w efekcie jej działania na nieciągłość dostarczania energii elektrycznej, bezpośrednio odczuwaną przez użytkowników. 2. Rezystor mocy Zastosowanie wysokonapięciowego rezystora mocy ma wiele oczywistych korzyści. Idea wymuszania dużych prądów, po dość długim okresie stosowania ulega powolnej weryfikacji i raczej zmierza w kierunku zmniejszania ich wartości maksymalnych. Jak się coraz częściej obserwuje duże prądy zwarcia wymagają solidniejszych instalacji uziemiających, a duże stromości narastania prądu oznaczają szersze pasmo stanu nieustalonego w wyniku, którego następuje przenikanie się zakłóceń do sąsiednich przewodów oraz wywoływanie drgań pasożytniczych obwodów rezonansowych szeregowych i równoległych na wyższych bliżej niekontrolowanych częstotliwościach własnych. Szczególnie niebezpieczne są rezonanse szeregowe, w wyniku których napięcia o częstotliwości rezonansowej dodają się do składowej podstawowej, tworząc dodatkowe zagrożenia przebić wtórnych od wartości chwilowych. Nie bez znaczenia są również funkcjonalne właściwości takiego rozwiązania. Ponieważ prawie każde zwarcie spowoduje wyłączenie, konieczne jest bezwzględne utrzymanie czystości otoczenia linii Nr 152 51
napowietrznych, a jeżeli chodzi o gałęzie drzew, nie zawsze jest to proste, bo wymaga większej pracochłonności i często zgody właścicieli terenów pod liniami. Nie bez znaczenia jest również przebieg działania automatyki zabezpieczeniowej: wyłączenie, samoczynne powtórne załączenie, czasem kilkukrotne, co powoduje krótkie przerwy w dostarczaniu energii bądź chwilowe zapady napięcia. Szczególnie może to być odczuwalne przez przemysł, dla którego takie zjawiska wiążą się z przerwaniem produkcji, tworzeniem braków i całym procesem ponownego rozruchu. Zapady napięcia przy bardzo dużej ilości odbiorników, w tym szczególnie powszechnych zasilaczy impulsowych, wiąże się z jeszcze jednym problemem. Podczas chwilowego obniżenia bądź braku napięcia, zasilacze te przestają na kilka okresów sieci pobierać energię, natomiast po gwałtownym powrocie napięcia do normy większość z nich zachowuje się jak podczas załączenia, pobierając bardzo duży prąd przez pierwsze pół okresu. Często to właśnie zjawisko spotęgowane dużą ilością urządzeń jednocześnie tak się zachowujących wywoła dodatkowy wtórny zapad napięcia i w efekcie reset urządzeń cyfrowych. W wielu jednak sytuacjach, szczególnie starych linii kablowych, rezystor jest niestety jedynym sposobem skutecznego zabezpieczenia. Rys. 3. Zakłócony początek zwarcia doziemnego jednofazowego 3. Cewka Petersena Rozwiązanie z cewką uziemiającą Petersena wydaje się gwarantować najwyższy poziom odporności zarówno na zjawiska przemijające, jak i ciągłe, zapewniając techniczną możliwość bezprzerwowego dostarczania energii elektrycznej nawet podczas nieprzemijających jednofazowych zwarć doziemnych. Do charakterystycznych efektów tego rozwiązania należy płynnie narastająca stabilizacja amplitudy napięć po ustąpieniu zwarcia, szczególnie odczuwalna przy zwarciach wielokrotnie powtarzających się. Indukcyjność cewki musi być jednak tak dobrana, aby cały układ był skompensowany (dostrojony), a mówiąc językiem zabezpieczeniowców aby prąd pojemnościowy linii był zrównoważony prądem indukcyjnym cewki. Nic prostszego w teorii, jednak dostępne rozwiązania techniczne świadczą o tym, że problem realizacji technicznej nie jest prosty. Rodzime cewki Petersena, w typowej obudowie transformatora SN, stosowane od wielu lat, posiadają bezobciążeniowy przełącznik zaczepów. Nie pozwala to uzyskać 52
Nr 152 Sieci elektroenergetyczne dokładnego zestrojenia, ale umożliwia optymalnie dobrać zaczep, dla którego układ znajduje się najbliżej rezonansu. Najczęściej do dyspozycji było pięć pozycji w przedziale od 50% do 100% ze skokiem co 12,5%. Dla cewki o prądzie 180 A, skok między zaczepami wynosił 27 A, co pozwalało na niedokładność zestrojenia rzędu 13,5 A. Praktyka uzyskana w toku eksploatacji tego rodzaju dostrajania wykazała, że tego rzędu odchylenie od wartości rezonansowej jest wystarczające, aby zdecydowanie ograniczyć wielkości prądu łukowego w czasie zwarć doziemnych i znacząco zmniejszyć prądy zwarciowe. Jednak proces przełączania jest dość skomplikowany, który ze względów bezpieczeństwa wymaga odłączenia cewki i uziemienia cewki przed przełączeniem, a następnie powtórnego jej załączenia. Podczas procesu przełączania sekcja pozostawała zwykle jako sieć izolowana. Czasochłonność procesu przełączania w sposób naturalny ograniczała możliwości funkcjonalne tego rozwiązania. Szczególnie było to odczuwalne, gdy zaczęto stosować zdalne przełączanie linii energetycznych, mające na celu bardzo szybką zmianę topologii połączeń linii dla ominięcia odcinka uszkodzonego. W wyniku tego szybko zmieniało się zapotrzebowanie na składową indukcyjną po stronie punktu neutralnego w GPZ. Na odstrojenie miały również wpływ wilgotność, temperatura i ciśnienie powietrza, którego właściwości wyznaczały pojemność w liniach napowietrznych. Oddzielnym, dużym zagadnieniem eksploatacyjnym było określenie, który odczep jest najwłaściwszy do skompensowania układu. W przypadku nieskomplikowanych układów możliwe było wykonanie pomiarów i przygotowanie wręcz tabelki zawierającej wszystkie kombinacje łączeń sieci z podziałem na poszczególne odczepy cewki. Trudniejszy był jednak problem sieci rozległych i mieszanych kablowo-napowietrznych. Rozwiązanie to sprawdzało się również w przemyśle, gdzie ilość przypadków łączeniowych była ograniczona do minimum lub mieściła się w granicach jednego odczepu 3.1. Rozwiązanie cewki płynnie strojonej Potrzeba bezprzerwowego dostarczania energii elektrycznej zmusiła do pojawienia się rozwiązań pozwalających na szybką i bezstopniową możliwość doboru potrzebnej indukcyjności. Wymagało to jednak zupełnie odmiennego podejścia konstrukcyjnego, co wpływa na pracochłonność i koszty produkcji cewek, a w efekcie końcowym i na cenę rozwiązań docelowych. Jednym z bardziej znanych w Polsce producentów jest czeska firma EGE. Doświadczenia nasze i naszych sąsiadów zarówno na południu jak i na zachodzie pokazują, że warto je stosować, czego potwierdzeniem jest występowanie instalacji cewek regulowanych automatycznie przede wszystkim na terenach południowo-zachodniej Polski. Warto bliżej przyjrzeć się tym rozwiązaniom. Istotą procesu strojenia jest zastosowanie rozwiązania znanego od dawna w radiotechnice. Dwie połówki rdzenia przesuwane niemagnetyczną śrubą napędową o przeciwnych gwintach pozwoliły uzyskać dość liniowy zakres regulacji w przedziale od 10% do 100% prądu nominalnego cewki. Cewka oprócz głównego uzwojenia wysokonapięciowego posiada również uzwojenie pomocnicze 500 V oraz uzwojenie pomiarowe 100 V zastępujące w prostych rozwiązaniach przekładnik pomiarowy napięcia U 0. 53
W rozwiązaniach o bardzo dużym zrównoważeniu, czyli przy małym napięciu U 0, stosuje się dodatkowy zewnętrzny przekładnik napięciowy. Rys. 4. Schemat cewki Petersena Standardowo zestaw zawiera również przekładnik prądowy do pomiaru prądu cewki i potencjometr do zdalnego odczytu pozycji rdzenia. Układ napędowy to mały silnik trójfazowy z przekładnią ślimakową do napędu śruby i wyłącznikami krańcowymi oraz mechaniczny wskaźnik lokalny położenia rdzenia. W zewnętrznej obudowie zintegrowanej z cewką znajduje się zwykle rezystor niskonapięciowy do wymuszania składowej czynnej ze stycznikiem mocy, a w oddzielnej szafce cały układ sterowania i zabezpieczeń. Dodatkowym elementem wykonawczym, stosowanym przy dużym zrównoważeniu sieci, czyli przy napięciach U 0 w stanie zestrojenia do 0,2 V po stronie wtórnej, dodatkowy wymuszalnik prądów w uzwojeniu pomocniczym o dwóch częstotliwościach (tzw. CIF Control by Injecting Frequencies). Główną zaletą funkcjonalną takiej cewki jest płynne (bezstopniowe) dopasowanie indukcyjności do potrzeb, można uzyskać każdą wartość z przedziału od 10% do 100%. Naturalnym jest więc zastosowanie regulatora, który proces regulacji wykonywał by sam w sposób automatyczny. 3.2. Regulator do automatycznego strojenia cewki Regulator REG-DP(A) firmy A. Eberle jest spotykanym rozwiązaniem pozwalającym w skuteczny sposób stroić cewkę Petersena współpracując jednocześnie z AWSC i systemami nadrzędnymi SCADA. a) b) Rys. 5. Cewka Petersena; a) obwody pierwotne i budowa; b) widok regulatora REG-DP(A) do automatycznego strojenia cewki 54
Nr 152 Sieci elektroenergetyczne Zastosowane algorytmy regulacji pozwalają na zapewnienie skutecznego skompensowania punktu U 0 przy minimalizacji potrzeby strojenia. Stosując klasyczny algorytm regulacji przez wyszukiwanie rezonansu podczas strojenia, bądź stosując algorytm CIF wyznaczania częstotliwości rezonansowej na podstawie około 5-sekundowego pomiaru odpowiedzi napięcia U 0 na wymuszenie prądów o dwóch częstotliwościach w uzwojeniu pomocniczym. Regulator wyposażony jest we wszystkie wejścia i wyjścia niezbędne w procesie regulacji, a także dodatkowe dwustanowe i analogowe rozszerzających jego możliwości funkcjonalne sterowania i sygnalizacji. Do najważniejszych cech regulatora należą: łatwy proces rozruchu uwzględniający: linearyzację, luzy mechaniczne, wykrywanie CIF, uszkodzony potencjometr, współpraca i sterowanie dodatkową cewką stałą w układach kombinowanych, rozpoznawanie automatyczne elementów Systemu REGSys po sieci E-LAN, zdalna konfiguracja i parametryzacja, przejrzysty i czytelny interfejs użytkownika również w języku polskim, łatwość współpracy w układach ze sprzęgłem: MASTER-SLAVE, łatwość podłączenia z systemami SCADA za pomocą standardowych protokołów IEC 61850 czy IEC 61870-5-103 z rozszerzeniami do większości producentów: ABB, Siemens, Areva, SPRECHER Automation itd., rejestrator: zdarzeń, statystyk, awarii, wyświetlanie: krzywej rezonansowej, parametrów regulacji, minimalizacja liczby strojeń, współpraca z liniami symetrycznymi, dobór automatyczny prądu CIF i częstotliwości do potrzeb aktualnej sieci. Wymuszenie dwóch dodatkowych prądów o częstotliwościach rozsuniętych symetrycznie względem 50 Hz umożliwia bardzo szybkie i precyzyjne strojenie szczególnie dla sieci o dużej symetrii i małym napięciu U 0, czyli głównie linie kablowe. Dzięki ograniczeniu prądów doziemnych podczas zwarcia do kilku amperów nie ma konieczności natychmiastowego wyłączania linii, możliwa jest identyfikacja zwarć przemijających nawet przez kilka sekund i automatyczne wymuszanie składowej czynnej za pomocą rezystora niskonapięciowego. Zastosowany model cieplny w sterowaniu rezystorem zmniejsza zagrożenie przegrzania się rezystora w przypadku wielokrotnych wymuszeń składowej czynnej. Regulator pozwala również na sterowanie dodatkową cewką stałą za pomocą wyjścia dwustanowego. 3.3. Rozwiązania praktyczne układów kompensacji Na wielu istniejących stacjach GPZ decyzja co do sposobu uziemienia punktu N została podjęta dość dawno i na tamte czasy jedynym dostępnym urządzeniem była przełączana cewka Petersena. Było więc dużo czasu i sposobności na wypracowanie procedur doboru odczepu i przekonanie się co do technicznych korzyści tego rozwiązania. Jednak w wyniku ogólnie pojętego rozwoju i pojawiania się nowych odbiorców energii, związane z tym zwiększanie długości linii napowietrznych oraz dołączanie nowych linii kablowych SN powoduje konieczność modernizacji. Układ kombinowany Jeżeli konieczne jest tylko rozszerzenie zakresu regulacji bądź zwiększenie wartości maksymalnej prądu cewki, możliwe jest dostawienie drugiej cewki bądź wymiana na 55
nową większą. Mając przykładowo cewkę przełączalną 120 A można wymienić ją na cewkę 180 A zachowując dotychczasową funkcjonalność cewek przełączanych. Warto jednak zastanowić się, a szczególnie jest to istotne w przypadku stosowania zdalnych przełączeń linii SN oraz potrzeby minimalizacji wyłączeń, czy nie zastosować przy takiej okazji rozwiązania z regulowaną automatycznie cewką strojoną. Można na przykład do istniejącej cewki 120 A dołączyć równolegle płynnie strojoną cewkę np. 66 A, uzyskując w wyniku tego wypadkowy zakres regulacji prądu 126 A do 186 A. Wykorzystanie zaczepów cewki stałej pozwala na dopasowanie się do rosnących potrzeb przez przełączanie na kolejne odczepy, natomiast najmniejsza cewka strojona daje możliwości funkcjonalne układu strojonego automatycznie i zwiększa realność finansową zastosowanego kompromisu. Rys. 6. Obliczanie zakresów regulacji cewki strojonej 66 A (7 A 66 A) z cewką stałą 120 A z odczepami 60 75 90 105 120 A W przygotowaniu szczegółowej analizy technicznej należy zweryfikować zmieniający się dla poszczególnych odczepów zakres regulowalności układu wypadkowego, a przy kalkulacjach ekonomicznych koszty ewentualnej rozbudowy stanowiska dla drugiej cewki oraz układy automatycznego rozłączania cewki stałej. Oddzielnym Rys. 7. Przekaźnik ziemnozwarciowy EOR-D 56 zagadnieniem jest obciążalność prądowa wyjścia punktu neutralnego w transformatorze potrzeb własnych. Przy założeniu, że układ pracuje w zwarciu nie dłużej niż 10 s, jest możliwe bezpieczne nawet kilkukrotne przeciążenie względem prądu nominalnego dla transformatora, podawanego przez producenta. Warto jako użytkownik zwrócić się o taką opinię bezpośrednio do producenta, co nie powinno stanowić większego problemu. Przy takim rozwiązaniu pojawiają się również problemy eksploatacyjne, np.: kiedy należy zmienić odczep cewki stałej, jak zaktualizować nastawy regulatora do aktualnego zaczepu, czy wyłączać automatycznie cewkę stałą. Wiele z tych problemów może być wspomaganych bezpośrednio z poziomu regulatora i jego dodatkowych swobodnie programowalnych funkcji, a także połączenia z systemem nadrzędnym.
Identyfikacja zwarć doziemnych Stosując uziemienie punktu neutralnego rezystorem wymusza się podczas zwarcia bardzo duże prądy, do których wykrycia potrzebny jest precyzyjny przekaźnik nadprądowy i ewentualny proces powtórnych załączeń na zwarcie celem wyselekcjonowania do wyłączenia właściwego odcinka linii objętej awarią. W przypadku stosowania cewek Petersena uzyskaliśmy przede wszystkim minimalizację prądu zwarcia na poziomie kilku amperów. Zmniejsza to skutki cieplne podczas zwarcia pozwalając na wydłużenie pracy w stanie zwarcia. Rys. 8. Przykładowa sieć SN z urządzeniami A-Eberle Zmniejsza się również rozmiar szkód mechanicznych nie powodując szczególnie w kablach przechodzenia w zwarcie wielofazowe powodujące konieczność wyłączenia kabla. Nowoczesny regulator potrafi współpracować z AWSC, wymuszając dodatkową składową czynną za pomocą rezystora załączanego na uzwojeniu pomocniczym cewki. Jednak dopiero zastosowanie zaawansowanych algorytmów identyfikacji, polegających między innymi na identyfikacji kierunku przepływu oraz stworzenie właściwej struktury rozmieszczenia przekaźników pozwala jednoznacznie wskazać i wyłączyć właściwy odcinek w krótkim czasie. Przykładem takiego urządzenia są przekaźniki ziemnozwarciowe EOR-D, które udostępniają cztery znane metody identyfikacji zwarć doziemnych: stanów nieustalonych (Transient), harmonicznych, wattmetrical, metoda Pulsowa. Jeden moduł może obsłużyć jednocześnie do czterech odpływów, co przy okazji znacząco wpływa na zmniejszenie kosztów całościowego rozwiązania. Jednoczesna dostępność czterech algorytmów identyfikacji ułatwia wybranie najwłaściwszego w konkretnych przypadkach, zapewniając tym samym maksymalną skuteczność systemu. Rozwiązaniem zagadnienia jest jednak system połączonych urządzeń, współ- Nr 152 57
pracujących miedzy sobą i z regulatorem za pomocą magistrali E-LAN oraz z systemem nadrzędnym według standardów IEC 60870-5-103/101 czy IEC 61850. 4. Wnioski Po ostatniej konferencji w Krasnobrodziu dotyczącej automatyzacji w sieciach średniego napięcia nasuwa mi się taka refleksja, że może zbliża się moment weryfikacji instrukcji eksploatacji sieci SN, aby maksymalnie wykorzystać dostępne środki techniczne. Mając na względzie przede wszystkim bezpieczeństwo i realne sytuacje zagrożenia życia, a z drugiej strony rosnącą konieczność skracania czasu niedostarczania energii elektrycznej i dysponując sprawdzonymi już na świecie rozwiązaniami technicznymi, można by spojrzeć na problem od innej strony. Czy nie wykorzystać krótkiego czasu pracy na zwarciu na eliminację zwarć przemijających, przeprowadzenie jednoznacznej identyfikacji i wyłączenia tylko uszkodzonego odcinka przy ograniczeniu do minimum zagrożeń i skutków stanów nieustalonych. Na takie podejście mogą mieć duży wpływ zarówno coraz bardziej świadomi i wymagający odbiorcy, jak i coraz bardziej stanowcze i precyzyjne Prawo Energetyczne. 5. Bibliografia 1. Regulator REG-DP karta katalogowa, http://www.astat.com.pl/ 2. Astat Kalejdoskop. Energetyka nr 2011/2. 3. http://www.astat.com.pl/kalejdoskop. 4. http://www.astat.com.pl/newsletter. Artykuł jest przedrukiem referatu wygłoszonego przez Autora na XIV Sympozjum Oddziału Poznańskiego SEP w dniu 23 listopada 2011 r. w Poznaniu. 58