ĆWICZENIE 5 BADANIE AUTOMATYKI SAMOCZYNNEGO ZAŁĄCZENIA REZERWY (SZR) 1. WIADOMOŚCI OGÓLNE Jednymi z podstawowych urządzeń realizujących zadania elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej restytucyjnej (EAZr) są urządzenia samoczynnego załączenia rezerwy (SZR), które należą do podstawowych układów wpływających na pewność zasilania odbiorców. Zasadniczym warunkiem uzyskania odpowiedniej pewności zasilania jest doprowadzenie do odbiorcy rezerwowanych źródeł zasilania, takich, które częściowo bądź całkowicie są od siebie niezależne. Eliminuje się w ten sposób wpływ zakłóceń między nimi. Głównym zadaniem układów SZR jest utrzymanie zasilania najważniejszych odbiorów poprzez wykrycie nadmiernego obniżenia się lub zaniku napięcia w źródle zasilania podstawowego i samoczynne przełączenie na źródło zasilania rezerwowego. Prawidłowość zastosowania układów SZR uwarunkowana jest: charakterem i kategorią całego zakładu przemysłowego lub komunalnego i ich poszczególnych odbiorników, sposobem zasilania odbiorców zasilanie z co najmniej dwóch źródeł dwiema liniami lub dwoma transformatorami. Stosowanie układów zasilania rezerwowego zamiast trwałego włączania obiektów rezerwowych do wspólnej sieci posiada wiele korzyści technicznych i gospodarczych w szczególności: pozwala na stosowanie sekcjonowanych układów rozdzielczych co ma wpływ na obniżenie się prądów i mocy zwarciowych, a tym samym zmniejszają się wymagania stawiane urządzeniom rozdzielczym, ogranicza obszar, na którym występuje załamanie napięcia spowodowane zwarciem, powoduje skrócenie przerwy beznapięciowej i nie dopuszcza do znacznego obniżenia się napięcia w określonych elementach sieci, co ma decydujący wpływ na warunki samorozruchu silników indukcyjnych, ma znaczący wpływ na poprawę niezawodności zasilania odbiorników szczególnie ważnych w procesie technologicznym, umożliwia stosowanie prostszych układów zabezpieczeń. Należy również zwrócić uwagę na fakt, iż automatyka włączania układów rezerwowego zasilania powoduje, że przerwa w zasilaniu odbiorców w cyklu przełączania ich na zasilanie z rezerwowego źródła jest stosunkowo krótka. Przy stosowaniu SZR należy jednak pamiętać, że nie wszystkie odbiory mogą być ponownie załączane, a szczególnie dotyczy to odbiorów: silnikowych, które ze względu na proces technologiczny nie zezwalają na ponowne załączenie,
silnikowych indukcyjnych, które nie dopuszczają samorozruchu ze względu na przebieg charakterystyki momentu, silnikowych synchronicznych, o ile nie mają klatek rozruchowych oraz układu automatycznie odłączającego zasilanie uzwojenia wzbudzenia, silnikowych, które mogą spowodować, że całkowity prąd samorozruchu oraz wywołany nim spadek napięcia będą nadmierne; najczęściej wymaga się, aby napięcie na szynach zasilających odbiory silnikowe nie było niższe niż 75 80% napięcia znamionowego. 1.1. UKŁADY O REZERWIE JAWNEJ I UKRYTEJ Istnieją dwa rodzaje układów zasilania rezerwowego: układy z rezerwą jawną i układy z rezerwą ukrytą. W układach z rezerwą jawną tor rezerwowy w stanie normalnego zasilania nie przenosi żadnego obciążenia i jest załączany w przypadku wyłączenia się linii zasilania podstawowego. W układach z rezerwą ukrytą tor rezerwowy w stanie normalnego zasilania jest częściowo obciążony, natomiast w razie potrzeby przez zamknięcie wyłącznika sekcyjnego przejmuje dodatkową funkcję rezerwowego zasilania odbiorników, które straciły zasilanie z toru podstawowego. Linia1 Linia2 SZR W2 W4 WS Rys. 1.1. Układ rezerwowania na wyłączniku sprzęgłowym rezerwa ukryta Na rysunku 1.1 przedstawiono rezerwowanie realizowane na wyłączniku sprzęgłowym szyn (rezerwa ukryta). Zasada działania sterowania: zakłada się, że zostanie otwarty wyłącznik W2 lub W4, pozbawiając tym samym zasilania jedną z sekcji szyn, co spowoduje zamknięcie wyłącznika WS (w normalnych warunkach jest otwarty), a przez to ponowne zasilanie z pozostającego w ruchu transformatora. Opóźnienie w zamykaniu wyłącznika WS przyjmuje się ok. 1 s. Dzięki temu przerwa w zasilaniu trwa stosunkowo krótko. Chcąc ograniczyć konsekwencje włączenia rezerwowego zasilania na szyny, na których istnieje zwarcie, stosuje się zabezpieczenie nadprądowe na doprowadzeniu do wyłącznika WS, a po działaniu SZR zmniejsza się jego opóźnienie do ok. 0,1 s, jednocześnie odstrajając prądowo to zabezpieczenie od prądów samorozruchu silników zainstalowanych na szynach rezerwowanych. Ta zmiana nastawień jest ograniczona do kilku sekund, a potem nastawienia ponownie przyjmują standardowy poziom.
ZP ZR SZR PN WP PN WR Rys. 1.2. Układ SZR z rezerwą jawną Na rysunku 1.2 pokazano układ rezerwowego zasilania z rezerwą jawną. Normalnie pracuje tylko tzw. źródło podstawowe i ono pokrywa całkowitą moc odbiorów. Źródło rezerwowe jest pod napięciem, ale nieobciążone. Działanie urządzenia SZR w takich układach polega na wykryciu obniżenia się napięcia na szynach rezerwowanych, otwarciu wy-łącznika źródła podstawowego (WP) i załączeniu wyłącznika źródła rezerwowego (WR). Urządzenia SZR mogą być stosowane w rozdzielnicach o różnych napięciach: 1 kv, napięciach średnich 6-30 kv oraz napięciach wysokich 110 kv, 220 kv. Dla wszystkich napięć ogólne kryteria stosowalności urządzeń SZR są takie same. Od napięcia zależy jedynie sposób wykonania układu. Stosowanie urządzeń SZR wzajemnie uzależnionych na więcej niż dwóch napięciach nie jest zalecane. Wiąże się to z uzyskaniem właściwej kolejności działania SZR na różnych napięciach w tym samym układzie rozdzielczym, należałoby wówczas zastosować tyle członów pobudzających ze stopniowaniem opóźnień czasowym, ile jest układów SZR. Zmniejsza to zdecydowanie efektywność działania SZR. Parametrem charakterystycznym tych urządzeń jest ich czas działania i czas przerwy. Czas zadziałania jest to zakres czasu od chwili powstania zakłócenia powodującego rozruch układu SZR do chwili zamknięcia wyłącznika źródła rezerwowego. Czas przerwy natomiast jest czasem od chwili wyłączenia zasilania podstawowego do momentu załączenia źródła rezerwowego. Oba te czasy są sobie równe wówczas, gdy SZR zostaje pobudzone do działania przez otwarcie wyłącznika źródła podstawowego, mamy wtedy do czynienia z tzw. skróconym cyklem SZR. W przypadku zaniku napięcia w źródle podstawowym zachodzi pełny cykl SZR. Brak napięcia stanowi tu kryterium dla pobudzenia i czas działania SZR jest wówczas dłuższy od czasu przerwy. Ze względu na czas działania SZR rozróżnia się: urządzenia powolnego SZR - czas działania dostatecznie długi (powyżej 0,4 s) dla wytłumienia napięcia szczątkowego (resztkowego) wybiegających silników, urządzenia szybkiego SZR - czas działania na tyle krótki, aby wektory napięć sieciowego i szczątkowego nie zdążyły się jeszcze za bardzo rozejść, tzn. aby różnica
ich wartości chwilowych nie przekraczała wartości ok. 1,3-1,4 Uzn. Czas ten powinien być zwykle krótszy niż ok. 0,25 s. Niektóre z układów SZR mają możliwość automatycznego wykonywania tzw. samopowrotu. Po ponownym pojawieniu się zasilania o odpowiednich parametrach na linii podstawowej realizują cykl przełączający z zasilania rezerwowego na linię zasilania podstawowego, przywracając w ten sposób układ do zasilania pierwotnego. 1.2. WYMAGANIA STAWIANE UKŁADOM SZR Skuteczność działania urządzeń SZR zależna jest od spełnienia podstawowych wymagań: działanie urządzeń SZR powinno następować w przypadku awaryjnego zaniku napięcia na szynach zbiorczych rezerwowanych, spowodowanego dowolną przyczyną, działanie SZR powinno być jednokrotne, brak możliwości ponownego załączania źródła rezerwowego na ewentualne trwałe zwarcie na szynach rezerwowanych, wartość napięcia źródła rezerwowego powinna być wyższa od minimalnej wartości, dla której jest możliwy samorozruch silników, czas działania SZR powinien być odpowiednio krótki, aby zapewnić samorozruch silników z możliwie małym udarem prądu. W przypadku pełnego cyklu SZR czas ten nie powinien być dłuższy niż 4 s, w przypadku skróconego - ok. 1,5 s. Dobór czasu powinien być także skoordynowany z czasami działania zabezpieczeń urządzeń zasilających i odbiorczych, aby wyeliminować zbędne przełączanie zasilania, załączenie wyłącznika źródła rezerwowego powinno nastąpić dopiero po stwierdzeniu stanu otwarcia wyłącznika źródła podstawowego. Jest to konieczne w celu uniknięcia włączenia źródła rezerwowego na zwarcie w obszarze źródła podstawowego oraz dla uniemożliwienia zasilania przez źródło rezerwowe drogą okólną odbiorów przyłączonych do źródła podstawowego i odciętych od normalnego zasilania. Poza tym zwykle nie jest dopuszczalne równoległe włączenie źródeł (z różnych względów: brak synchronizmu, przekroczenie dopuszczalnego poziomu mocy zwarciowych itp.). Powyższe warunki, wraz z uwzględnieniem zachowania się odbiorów silnikowych, mają bezpośredni wpływ na projekt urządzeń SZR i pierwotnego układu zasilania. 1.3. ODBIORY SILNIKOWE A AUTOMATYKA SZR Automatyczne przełączanie układów zasilania ze źródła podstawowego na rezerwowe i występująca wówczas przerwa beznapięciowa są czynnikami powodującymi powstawania zjawiska nieustalonego w napędach elektrycznych. Stanem nieustalonym w tym wypadku może być: wybieg i samorozruch lub ponowny rozruch zespołu napędowego. Wybieg jest to proces zmiany obrotów (poślizgu) w funkcji czasu od wartości ustalonej (początkowej) aż do zatrzymania się napędu. Jeśli ponowne załączenie napięcia nastąpi przed zatrzymaniem się zespołu, to ma wtedy miejsce tzw. wybieg częściowy. Wybieg charakteryzuje tzw. krzywa wybiegu, i jest to zależność prędkości obrotowej (poślizgu) silnika od czasu. Jej przebieg zależy od mechanicznej stałej czasowej zespołu napędowego oraz od stopnia obciążenia silnika (od tzw. momentu oporowego) w chwili zaniku napięcia. Przykładowe krzywe wybiegu pokazano na rysunku 1.3.
Rys. 1.3. Krzywe wybiegu różnych napędów: 1 - dla młyna węglowego, 2 - dla sprężarki odśrodkowej, 3 dla pompy tłokowej Na zaciskach wybiegającego silnika utrzymuje się przez pewien czas tzw. napięcie szczątkowe (resztkowe) o malejącej amplitudzie i częstotliwości. Silnik zachowuje się wówczas jak generator asynchroniczny. Czas zanikania napięcia szczątkowego zależy od stosunku L/R obwodu wirnika i dla silników asynchronicznych wysokonapięciowych zmienia się w granicach 1,5-3 s, a dla niskonapięciowych 0,5-1 s. W przypadku silników synchronicznych czas ten może dochodzić do kilkunastu sekund. Przebieg napięcia szczątkowego w funkcji czasu przedstawiany jest zazwyczaj w formie spirali, zakreślonej przez koniec wektora tego napięcia, zmieniającego swoje położenie w stosunku do wektora napięcia źródła zasilania rezerwowego. Przykładową takiego wykresu przedstawiono na rysunku 1.4. Analityczne przedstawienie tej funkcji jest kłopotliwe, ponieważ określa ją wiele parametrów, zależnych od zmieniającego się podczas wybiegu poślizgu. Rys. 1.4. Przykładowy przebieg napięcia szczątkowego Usz silnika asynchronicznego; U R - napięcie źródła rezerwowego
Po automatycznym przełączeniu źródła zasilania na rezerwowe następuje tzw. samorozruch silników, któremu towarzyszy w sieci zasilającej udar prądowy. Wartość prądu samorozruchu zależna jest od: geometrycznej różnicy napięcia sieci i napięcia szczątkowego w chwili załączenia zasilania rezerwowego, wypadkowej impedancji sieci zasilającej i silników oraz fazy początkowej napięcia różnicowego. Zwiększony pobór prądu w czasie rozruchu lub samorozruchu silników obciążonych, powoduje obniżkę napięcia na szynach stacji, a w konsekwencji zmniejszenie momentu napędowego silników, który zależy w przybliżeniu od kwadratu napięcia zasilającego. Zdarza się tak, że obniżka napięcia jest tak duża, że powoduje tzw. utykanie silników. Ma to miejsce wówczas, gdy moment dynamiczny, będący różnicą momentu napędowego i momentu oporowego, jest mniejszy od zera. Zatem samorozruch silników jest możliwy tylko wówczas, gdy chwilowa wartość momentu dynamicznego jest większa od zera. Działanie urządzeń SZR będzie zatem skuteczne wtedy, gdy dla danego czasu działania SZR, moment dynamiczny silników będzie dodatni w całym przedziale zmian poślizgów od sp do sk oraz czas samorozruchu ts będzie odpowiednio krótki ze względu na nagrzewanie uzwojeń. Skuteczność działania układów SZR uwarunkowana jest przez odpowiedni dobór źródła rezerwowego o wystarczająco dużej mocy lub dopuszczenie do samorozruchu tylko części silników, zapobiegając w ten sposób nadmiernym spadkom napięcia (poniżej ok. 0,7 Un) na źródle rezerwowym podczas samorozruchu. Do klasycznych metod bądź źródeł zasilania rezerwowego można zaliczyć: rezerwowa, niezależna linia zasilająca, agregat prądotwórczy, baterie akumulatorów, układy zasilania bezprzerwowego UPS, kompresyjne zasobniki energii elektrycznej. W tabeli 1.1 przedstawiono krótką charakterystykę powyższych źródeł. Tab. 1.1.Metody i urządzenia zasilania rezerwowego oraz ich podstawowe cechy Rodzaj metody/urządzenia rezerwowa, niezależna linia zasilająca z sieci el.-en. agregat prądotwórczy baterie akumulatorów układy zasilania bezprzerwowego (UPS) kompresyjne zasobniki energii Zasób mocy zasilania nieograniczony praktycznie nieograniczony średni średni od niskiego do dużego Czas gotowości do załączenia po wyłączeniu zasilania rezerwowego od ułamka sekundy do pojedynczych sekund od kilku minut do ułamka sekundy od kilku sekund do bezprzerwowego od ułamków sekund do bezprzerwowego od kilku minut do ułamka sekundy Koszt instalacji bardzo wysoki od średniego do wysokiego niski od średniego do wysokiego od średniego do wysokiego W obecnym czasie można napotkać wiele różnych rozwiązań układów SZR, które na ogół zależne są od rodzaju stosowanej rezerwy, rozwiązań układów pierwotnych, wymaganej niezawodności układu SZR, rodzaju silników uczestniczących w cyklu SZR, rodzaju wyłączników itp. Jednak w każdym takim układzie wyróżnić można typowe elementy, takie jak:
stwierdzające zanik napięcia na szynach zbiorczych rezerwowanych, kontrolujące czas trwania zaniku napięcia na szynach zbiorczych rezerwowanych, zapewniające jednokrotność działania SZR, kontrolujące zgodność faz napięcia zasilania rezerwowego z napięciem resztkowym (w przypadku stosowania szybkiego SZR). Ponadto, w razie potrzeby bywają stosowane takie elementy, jak: kontrolujące obecność napięcia na źródle rezerwowym, mierzące czas przerwy, blokujące układ SZR w przypadku przeciągającego się zaniku lub zaniżenia napięcia na źródle rezerwowym. 2. PRZEBIEG ĆWICZENIA Celem wykonywanych ćwiczeń jest poznanie zasady działania urządzeń automatyki SZR, sposobu ich badania oraz dokonywanie oceny skuteczności jej działania. W Laboratorium Zabezpieczeń Elektroenergetycznych znajdują się trzy układy do badania automatyki SZR. Pierwszy z nich wykonano przy pomocy przekaźników. Widok stanowiska pokazano na rysunku 2.1, natomiast schemat połączeń na rysunku 2.2. Rys. 2.1. Stanowisko badania układu SZR rezerwa jawna.
Podstawowymi elementami zabudowanymi na tym stawisku są: Rt1 przekaźnik czasowy RTx-20 tp czas zwłoki układu SZR, Rt2 przekaźnik czasowy RTx-20 tr czas między kolejnymi próbami załączenia zasilania rezerwowego, Rt2 przekaźnik czasowy RTx-20 to przedział czasowy, w którym wykonywane są cykle załączania rezerwy, RUp 3 przekaźniki podnapięciowe REp-3 ustawione na 40V, RUr 3 przekaźniki nadnapięciowe REn-3 ustawione na 100V, F1 zabezpieczenie nadprądowe odpływu RI-3 ustawione na 10A, wraz z członem czasowym RIT-113 ustawionym na 2s, Pt1 przełącznik symulujący zwarcie na szynach, Pt2 przełącznik symulujący zwarcie w odpływie. Rys. 2.2. Schemat do badania przekaźnikowego układu SZR rezerwa jawna. W układzie, jak na rysunku 2.2, w przypadku zaniku napięcia na źródle podstawowym, zamyka się zestyk rozwierny przekaźnika RUp, wskutek czego zostaje pobudzony przekaźnik zwłoczny Rt1. Kontroluje on zanik napięcia na zasilaniu podstawowym. Jeśli po upływie nastawionego na nim czasu, w źródle rezerwowym jest odpowiednia wartość napięcia (kontrolowana przez przekaźnik RUr), to wysyłany jest impuls na otwarcie wyłącznika W1. W chwili otwarcia wyłącznika W1uaktywnia się przekaźnik Rt2, którego zestyk rozwierny zamyka obwód sterujący wyłącznika W2 (zasilanie rezerwowe). Przekaźnik ten zapewnia jednokrotność działania układu SZR.
Przebieg badań: Na stanowisku pomiarowym do badania układów z rezerwą jawną należy wykonać symulacje 4 zdarzeń awaryjnych: Zdarzenie 1 skrócony cykl zadziałania SZR Zdarzenie 2 zanik napięcia na linii zasilania podstawowego Zdarzenie 3 zwarcie na odpływie Zdarzenie 4 zwarcie na szynach jednokrotność zadziałania SZR Drugim stanowiskiem do przeprowadzania symulacji automatyki SZR jest układ elektroniczny w postaci tablicy synoptycznej (rys. 2.3), na której przedstawiono, w postaci graficznej, system elektroenergetyczny. System ten składa się z dwóch niezależnych linii L1 i L2 zasilanych poprzez odpowiednie transformatory T1 i T2, posiadające wyłączniki po stronie pierwotnej i wtórnej. Z linii L1 zasilana jest szyna SL, natomiast z L2 szyna SP. Do szyn podłączone są odpływy należące do różnych kategorii zasilania. Makieta umożliwia symulowanie różnych zdarzeń, poprzez załączanie odpowiednich przycisków lub przełączników, co sygnalizowane jest zapalaniem odpowiednich diod we właściwym kolorze. Dla przykładu: kolor zielony i żółty obecność napięcia w danym miejscu układu, załączanie odpowiednich wyłączników, kolor czerwony brak napięcia w danym miejscu układu, odłączenie danych wyłączników, zwarcie w wybranym miejscu układu, wyłączenie danych odbiorów, kolor pomarańczowy praca wybranych odbiorników. Każda z linii zasilających, szyn zasilających, czy każdy z odpływów i odbiorników, mogą być indywidualnie załączane lub wyłączane. Rys. 2.3. Stanowisko badania układu SZR rezerwa ukryta.
Przebieg badań Na stanowisku pomiarowym do badania układów z rezerwą ukrytą wykonano symulacje 4 zdarzeń awaryjnych opisanych poniżej. Zdarzenie 1 wyłączenie zasilania L1 poprzez wyłącznik W1, Zdarzenie 2 zwarcie trwałe na linii L1, Zdarzenie 3 zwarcie trwałe na szynach zasilających SL, Zdarzenie 4 zwarcie trwałe na odpływie zasilanym z szyn SL. Trzecim stanowiskiem badawczym automatyki SZR jest układ z zainstalowanym automatem MUPASZ 7.A2 produkcji ITR Warszawa (rys.2.4 i 2.5). Zadaniem automatu jest, w przypadku zaniku lub nadmiernego spadku napięcia, samoczynne przełączenie z zasilania podstawowego na rezerwowe i opcjonalnie, po trwałym powrocie napięcia w torze, który zasilał szyny przed cyklem SZR, samoczynne przełączenie powrotne z zasilania rezerwowego na podstawowe. Przełączenia w cyklu SZR i Samopowrotu dokonywane są z przerwą w zasilaniu. Automat można skonfigurować do pracy w układzie rezerwy: jawnej - podstawowe zasilanie pełni tor 1 a rezerwę tor 2 lub odwrotnie, ukrytej - w rozdzielni dwusekcyjnej z łącznikiem szyn. Rys.2.4.Zabudowanie urządzeń układu do badania automatu MUPASZ 7.A2 w skrzynce. Widok tablicy zewnętrznej
Rys. 2.5. Schemat połączeniowy urządzenia AUTOMAT SZR 7.A1, gdzie: Sz1- stycznik zasilający TOR ;, Sz2- stycznik zasilający TOR 2; P1- przycisk sterowniczy TOR 1, styk NO; P2- przycisk sterowniczy TOR 1, styk NC; P3- przycisk sterowniczy TOR 2, styk NO; P4- przycisk sterowniczy TOR 2, styk NC; PP- przekładnik prądowy; PN- przekładnik napięciowy; Sw1- stycznik wyłącznika TOR 1; Sw2- stycznik wyłącznika TOR 2; R15- przekaźnik; Z1- żarówka TOR 1; Z2- żarówka TOR 2. W urządzeniu kontrolowane są stany wyłączników. Dla rezerwy ukrytej są to wyłączniki torów zasilających (W1, W2) oraz wyłącznik sprzęgła (WS), dla rezerwy jawnej wyłączniki torów zasilających (W1, W2). Stan awarii wyłącznika występuje w momencie gdy oba wejścia dwustanowe określające położenie wyłącznika były w stanie niskim lub wysokim przez czas dłuższy od T łącznika. Stan awarii powoduje ustawienie blokady trwałej *W1, *W2 lub *WS. Zmiany stanów wyłączników powodują odpowiednie wpisy do dziennika zdarzeń.
Tprzerwy określa dodatkowe opóźnienie pomiędzy kolejnymi przełączeniami wyłączników w cyklu SZR i SP. Należy zwrócić uwagę aby czas ten był krótszy od dopuszczalnego czasu cyklu przełączeń Tgr. Warunek rozpoczęcia przełączeń w cyklu SZR jest określony przez parametr Kryterium rozruchu. Wybór opcji Wszystkie napięcia < Ur spowoduje, że rozruch automatyki nastąpi po obniżeniu się wszystkich napięć międzyprzewodowych poniżej progu Ur. Ustawienie wartości Min. jedno napięcie < Ur powoduje, że rozruch automatyki nastąpi po obniżeniu się przynajmniej jednego napięcia międzyprzewodowego poniżej progu Ur. Przebieg badań Należy przeprowadzić badania funkcjonalne automatyki SZR po zaprogramowaniu w Automacie SZR 7A1 następujących zdarzeń: Zdarzenie 1 rezerwa jawna, Zdarzenie 2 rezerwa ukryta, Zdarzenie 3 załączenie i wyłączenie funkcji Samopowrotu.