Marek Kopeü - Uniwersytet Zielonogórski

,POGFSFODKBOBVLPXB,/84
v*OGPSNBUZLBT[UVLBD[ZS[FNJPT’P
D[FSXDB$[PDIB
TESTOWANIE NOWOCZESNYCH URZĄDZEē ELEKTROENERGETYCZNEJ
AUTOMATYKI ZABEZPIECZENIOWEJ
Marek Kopeü
Studium Doktoranckie, Instytut Informatyki i Elektroniki, Uniwersytet Zielonogórski
65-246 Zielona Góra, ul. Podgórna 50
STRESZCZENIE
W referacie przedstawiono krótką charakterystykĊ urządzeĔ elektroenergetycznej automatyki
zabezpieczeniowej EAZ, ich rolĊ w systemie elektroenergetycznym oraz sposoby testowania.
Zwrócono uwagĊ na dobór parametrów zadajnika sygnałów wielofazowych i innych urządzeĔ
systemu testującego w celu zoptymalizowania procesu testowania.
1. WPROWADZENIE
Skuteczne i niezawodne działanie systemu elektroenergetycznego jest uwarunkowane
prawidłowym zadziałaniem układów elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej
EAZ. Dlatego zarówno waĪnym problemem technicznym jak i ciekawym zagadnieniem
naukowym jest problem efektywnego testowania urządzeĔ EAZ. WagĊ tego problemu
pokazuje zestawienie przyczyn i skutków duĪych awarii systemowych w Europie
przedstawione w tab.1 [5,10].
Tab. 1. Awarie systemowe w Europie
Data
1972 lipiec
1981 sierpieĔ
Obszar
Polska, Dolny ĝląsk
Moc
wyłączona
Przyczyny
3500 MW
Brak informacji
(po stronie odbiorców)
Wielka Brytania
1900 MW
Z powodu wyłączenia linii przesyłowych nastąpił
podział systemu
Francja
4300 MW
BłĊdne zadziałanie zabezpieczeĔ wyłączyło 6
linii 400 kV
1987 styczeĔ
Polska, OstrołĊka
920 MW
Uszkodzenie linii 220 kV, brak skutecznego
działania automatyki SCO
1987 styczeĔ
Francja, Bretania
1994 sierpieĔ
Italia
1985 luty
Spadek napiĊcia w sieci 400 kV do 190 kV na
obszarze Bretanii, awaria w elektrowni.
Przyczyna brak mocy biernej.
2000 MW
Nieskuteczne działanie automatyki SCO, ze
wzglĊdu na duĪe spadki napiĊü, podział systemu.
201
Analizując powyĪszą tabelĊ moĪna dojĞü do wniosku, Īe do wielu z tych katastrof
energetycznych nie doszłoby, gdyby nie nieprawidłowa praca urządzeĔ automatyki
zabezpieczeniowej.
WciąĪ duĪym problemem jest liczba wypadków (Ğmiertelnych i ciĊĪkich) spowodowanych
poraĪeniem prądem. Ogromne są równieĪ straty materialne, spowodowane przez awarie
urządzeĔ wywołane zwarciami. Wadliwa praca EAZ, oprócz błĊdów projektowych i
wykonawczych, jest jedną z przyczyn powstawania powaĪnych awarii systemów
energetycznych. Biorąc pod uwagĊ wprowadzanie do pracy w systemach
elektroenergetycznych nowoczesnych zabezpieczeĔ cyfrowych [2,11] i tendencje rozwoju w
dziedzinie aparatów elektrycznych [3], wydajne testowanie urządzeĔ EAZ okazuje siĊ
zagadnieniem aktualnym i o duĪej wadze.
2. URZĄDZENIA CYFROWE EAZ
Coraz
nowoczeĞniejsze
zabezpieczenia
energetyczne
wymagają
coraz
bardziej
skomplikowanych i zaawansowanych systemów testujących. Współczesne systemy
energetyczne coraz czĊĞciej są wyposaĪone w zabezpieczenia cyfrowe. Na podstawie
prowadzonych statystyk [2], urządzenia mikroprocesorowe charakteryzują siĊ wiĊkszą
niezawodnoĞcią i pewnoĞcią działania w porównaniu ze starszymi urządzeniami
analogowymi i elektromechanicznymi. DziĊki wbudowanym rejestratorom zdarzeĔ i zakłóceĔ
moĪna dokładnie przeanalizowaü działanie urządzenia i przyczynĊ zadziałania automatyki.
Obsługa ma stały dostĊp do aktualnych nastaw np. progów zadziałania przekaĨników.
Nowoczesne cyfrowe terminale zabezpieczeniowe mają w sobie wiele zabezpieczeĔ i
pozwalają na wykonywanie wielu czynnoĞci łączeniowych. Oprócz typowych funkcji
zabezpieczenia nadprądowego, podnapiĊciowego, ziemnozwarciowego, oferują takĪe
zabezpieczenie od niesymetrii obciąĪenia i zasilania (np. do zabezpieczenia silników). Mają
równieĪ wbudowane funkcje automatyki SPZ (samoczynne ponowne załączenie) i SCO
(samoczynne czĊstotliwoĞciowe odłączenie). Są to urządzenia uniwersalne. Jedno cyfrowe
zabezpieczenie, w zaleĪnoĞci od konfiguracji, moĪe słuĪyü jako zabezpieczenie linii, silnika,
generatora lub transformatora [1,6,8]. Liczba nowoczesnych zabezpieczeĔ, zarówno w
energetyce zawodowej, jak i w instalacjach indywidualnych (po stronie zakładu
energetycznego i odbiorców) bĊdzie wzrastaü. Nowoczesne zabezpieczenia stopniowo
eliminują zawodną aparaturĊ, pracującą od wielu lat w stacjach i rozdzielniach wszystkich
zakresów napiĊü. Mimo wysokiego zaawansowania technologicznego, w zabezpieczeniach
cyfrowych równieĪ zdarzają siĊ usterki. Stąd koniecznoĞü prac nad zaawansowanymi
systemami do testowania zabezpieczeĔ, które prócz testowania prostych zabezpieczeĔ, jak
wszelkiego rodzaju wyłączniki, odłączniki itp., bĊdą w stanie dokonaü oceny stanu i
skutecznoĞci nowoczesnych, cyfrowych urządzeĔ EAZ. System taki powinien byü moĪliwie
202
uniwersalny i prosty, aby umoĪliwiü testowanie jak najwiĊkszej liczby urządzeĔ EAZ,
pracujących w systemie elektroenergetycznym.
3. SPOSOBY TESTOWANIA URZĄDZEē EAZ
Sposób testowania zaleĪy od rodzaju testowanego urządzenia i od dokładnoĞci i zakresu
testowania. RóĪne są równieĪ okresy testowania, dla zabezpieczeĔ, wymagane
obowiązującymi normami i zaleceniami producenta (nie rozumiem). Okres pomiĊdzy
kontrolami zaleĪy w duĪej mierze od zmian parametrów urządzenia w czasie eksploatacji, np.
ograniczniki przepiĊü i moĪe byü skrócony ze wzglĊdu na warunki, w jakich dane
zabezpieczenie pracuje – przy duĪej wilgotnoĞci, zapyleniu i wysokich temperaturach pracy
okres kontroli powinien byü krótszy.
Proste urządzenia zabezpieczeniowe, np. ograniczniki przepiĊü testuje siĊ metodą techniczną
w układzie przedstawionym na rys. 1 [9]. Generator napiĊcia stałego wytwarza napiĊcie
pomiarowe o stromoĞci 500 V/s, a amperomierz A mierzy prąd przewodzenia. Gdy prąd
osiągnie wartoĞü progową 1 mA, generator przerywa pracĊ, a odczytane z woltomierza
napiĊcie przebicia porównuje siĊ z napiĊciem znamionowym urządzenia [9].
A
badany
ogranicznik
+
V
przyrząd
pomiarowy
-
U1
Rys. 1. Układ do testowania ograniczników przepiĊü [9]
Rys. 2. Charakterystyka czasowo-prądowa
CzĊĞciej jednak stosuje siĊ specjalne mierniki, czĊsto dostarczane przez producentów
ograniczników, np. firmĊ DEHN, zdecydowanie ułatwiające testy.
Trudniejszym zadaniem jest testowanie zabezpieczeĔ nadprądowych. Testowanie tych
urządzeĔ polega ogólnie na sprawdzeniu charakterystyki czasowo-prądowej. Wzór nr 1 jest
ogólną zaleĪnoĞcią czasu zadziałania od wartoĞci prądu dla urządzenia zabezpieczającego.
t = f (i)
(1)
Na rys. 2 przedstawiono przykładową charakterystykĊ czasowo-prądową zabezpieczenia
firmy Moeller. Producent ĞciĞle okreĞla maksymalny i minimalny czas zadziałania
urządzenia, przy okreĞlonym zakłóceniu prądowym. Testowanie zabezpieczeĔ tego typu
polega na sprawdzeniu, czy czas zadziałania mieĞci siĊ w podanych przez producenta
granicach. JeĪeli czas zadziałania jest dłuĪszy, oznacza to, Īe dane urządzenie nie zadziała
dostatecznie szybko i chroniona czĊĞü systemu lub instalacji elektrycznej moĪe ulec
203
uszkodzeniu. Zbyt szybkie zadziałanie powoduje nie zachowanie selektywnoĞci wyłączeĔ,
czyli błĊdne zadziałanie i ryzyko niepotrzebnego wyłączenia innych odbiorców.
Niektórzy producenci zabezpieczeĔ pozwalają na kształtowanie charakterystyki przez zmianĊ
współczynników, np. zabezpieczenie pól rozdzielni Ex-BEL_Z2U):
t=
k
§ I
¨¨
© IS
t – czas zadziałania zabezpieczenia
I – prąd roboczy
IS – prąd odniesienia, 1,3 – 15 A
(2)
α
·
¸¸ − 1
¹
Į – wykładnik, zakres nastaw 0,02 - 2
k – stała, zakres nastaw 0,14 – 12
Prąd rozruchowy - 1,2 IS
W najprostszym przypadku testowania zabezpieczeĔ nadprądowych, przeciąĪeniowych itp.
dokonuje siĊ w układzie złoĪonym z zadajnika (generator, kalibrator) i układu do pomiaru
czasu (np. karta pomiarowa do PC). Test w takim systemie pozwala okreĞliü czas wyłączenia
testowanego egzemplarza przy ĞciĞle okreĞlonym wymuszeniu. Zmierzony zostaje jeden
punkt na charakterystyce czasowo-prądowej (rys. 2). Znacznie wiĊksze moĪliwoĞci dają
systemy złoĪone z kalibratora mocy i komputera z kartą pomiarową i specjalistycznym
oprogramowaniem. Przykładem takiego rozwiązania jest system CMC 156 firmy Omikron
[4], lub DRTS, UTS, ART firmy ISA [7]. Schemat funkcjonalny systemu CMC 156
przedstawiono na rys. 3. System składa siĊ z zadajnika sygnałów wielofazowych,
dodatkowych wzmacniaczy, jeĞli obiekt wymaga wymuszenia wiĊkszej mocy, karty
pomiarowej i komputera sterującego procesem.
PC
dodatkowy
wzmacniacz
port
równoległy
CMA 56
CMA 156
CMS 156
CMC 156
zadajnik
wzmacniacz
timer
pomiar
3 x 125V/12,5A
sygnał
analog./cyf.
3 (6) x 250V/50A
obiekt
Rys. 3. System testujący CMC 156 [4]
Rys. 4. Pomiar czasu w cyklu [7]
Systemy tego typu pozwalają na testowanie w trybie rĊcznym i automatycznym. Praca w
trybie rĊcznym polega na zadaniu wielkoĞci zakłóceniowych w programie sterującym. W
wyniku otrzymuje siĊ wykres i dane w formie pliku tekstowego (rys. 5).
204
Rys. 5. Charakterystyka czasowo-prądowa
zabezpieczenia nadprądowego uzyskana
w trybie manualnym w systemie firmy ISA [7]
Rys. 6. Automatyczny test przekaĨnika
nadprądowego [7]
Urządzenia firmy ISA w trybie manualnym pracują w róĪnych trybach. Na rys. 4
przedstawiono przykładowy tryb testowania urządzenia EAZ. Test rozpoczyna siĊ od
wymuszenia wartoĞci „zdrowych”, utrzymywanych przez czas TH. NastĊpnie wymusza siĊ
wartoĞci zakłóceniowe. WartoĞci te są utrzymywane do czasu otrzymania przez tester
informacji o zadziałaniu zabezpieczenia. Z panelu moĪna odczytaü zmierzony czas
zadziałania TM [7].
DostĊpny jest równieĪ tryb pracy, w którym tylko w jednym cyklu podawane są wartoĞci
„zdrowe”. W kaĪdym nastĊpnym cyklu, jeĞli nie nastąpiło zadziałanie, parametry
zakłóceniowe są zwiĊkszane o zadaną wartoĞü ǻ. MoĪna równieĪ wartoĞci wymuszające
zwiĊkszaü w sposób ciągły [7].
W trybie automatycznym moĪna wyznaczyü charakterystyki, symulacjĊ zwarü oraz wykonaü
dodatkowe testy np. sprawdzenie działania automatyki SPZ [7]. Na rys. 6 pokazano wynik
automatycznego testu przekaĨnika nadprądowego.
4. KONCEPCJA SYSTEMU ZAMKNIĉTEGO DO TESTOWANIA URZĄDZEē EAZ
Ciekawym zagadnieniem z punktu widzenia zastosowaĔ systemów testujących w energetyce,
jest taki dobór parametrów zadajnika sygnałów wielofazowych, Īeby zoptymalizowaü proces
testowania. Głównymi wymaganiami dla systemu testującego urządzenia EAZ jest prosta
obsługa, skrócenie czasu testowania, szczególnie w procesach powtarzalnych i moĪliwie duĪa
dokładnoĞü. Do tego celu doskonale nadaje siĊ uproszczona struktura systemu testującego,
(rys. 7). Zadajnik ( kalibrator) przedstawiono jako człon inercyjny drugiego rzĊdu, badany
obiekt jako człon inercyjny pierwszego rzĊdu, a przetwornik a/c jako człon opóĨniający.
FunkcjĊ regulatora całkującego pełni komputer. Operator systemu zadaje rodzaj i wartoĞü
wymuszenia. W zaleĪnoĞci od wymuszenia kalibrator podaje daną wartoĞü na obiekt.
OdpowiedĨ obiektu po przetworzeniu na sygnał cyfrowy porównuje siĊ z sygnałem zadanym i
w zaleĪnoĞci od wyniku zmienia siĊ wartoĞü wymuszenia.
205
U,I,f,ϕ
1
(Tk s + 1)(Tl s + 1)
1
Tc s
komputer
1
To s + 1
testowane
urządzenie EAZ
kalibrator
e
-st
przetwornik a/c
Rys. 7. Uproszczona struktura systemu testującego
Zadaniem jest taki dobór parametrów układu, aby otrzymaü moĪliwie prostą strukturĊ,
spełniającą załoĪenia optymalnego testowania nowoczesnych urządzeĔ EAZ. PoniewaĪ mamy
do czynienia z układem wyĪszego rzĊdu, do rozwiązania tego zadania najbardziej pomocne
wydaje siĊ Ğrodowisko MATLAB.
5. ZAKOēCZENIE
Zagadnienie optymalnego testowania nowoczesnych urządzeĔ EAZ, ze wzglĊdu na ich
znaczenie w systemie elektroenergetycznym, i prĊĪny rozwój szczególnie w kierunku
urządzeĔ mikroprocesorowych, jest waĪne i aktualne. Opracowanie taniego i prostego
systemu testującego EAZ, o dobrych parametrach testowania, moĪe przyczyniü siĊ do
upowszechnienia tych systemów wszĊdzie gdzie pracują urządzenia EAZ.
LITERATURA
[1] 7SJ531 Zabezpieczenie i System Sterowania dla sieci Rozdzielczej, SIEMENS, 1996
[2] J. BabiĔski, K. WoliĔski: Ocena pracy zabezpieczeĔ cyfrowych w stacjach 110/SN Zakładu energetycznego Białystok, WiadomoĞci Elektrotechniczne, 3/2004
[3] J.Maksymiuk: Tendencje rozwojowe w dziedzinie aparatów elektrycznych, Elektroinstalator, 2/2004
[4] OMICRON CMC 156 Portable, three-phase test system for protective relays, transducers
and energy meters, OMICRON, 1996
[5] Raport na temat stanu zagroĪenia ciągłoĞci
pracy krajowego systemu
elektroenergetycznego w Polsce, Biuletyn MiesiĊczny PSE S.A., 10/2003
[6] SIPROTEC 7RW600, SIEMENS 1997
[7] A. Talaga: Testowane układów zabezpieczeĔ przyrządami typu DRTS/UTS/ART,
[8] Technika Zabezpieczeniowa, SIEMENS 1997
[9] K. Wincencik: Kontrola ograniczników przepiĊü kl II w instalacjach elektrycznych, Elektroinstalator, 3/2004
[10] K. WoliĔski: Awarie energetyczne w Europie, WiadomoĞci Elektrotechniczne 3/2004
[11] K. WoliĔski: SIPROTEC 7UT61, WiadomoĞci Elektrotechniczne, 3/2004
206