ei_2004_03_s032.pdf

automatyka zabezpieczeniowa

automatyki przeciwawaryjne

i poawaryjne

nowoczesne rozwiązania

mgr inż. Jacek Floryn – Zakład Energetyczny Wrocław SA

W artykule zaprezentowano aktualnie stosowane, nowoczesne rozwiązania w za-

kresie automatyk samoczynnego załączania rezerwy (SZR), samoczynnego ponow-

nego załączania (SPZ) i samoczynnego częstotliwościowego odciążania (SCO) i w

stacjach elektroenergetycznych oraz wskazano kierunki ich dalszego rozwoju.

A utomatyki przeciwawaryjne i

wane i dopracowane w każdym

szczególe. Niemniej jednak postęp

technologiczny umożliwia realiza-

cję funkcji dotychczas trudnych do

wykonania lub też wcześniej nie-

osiągalnych. Odpowiednie zastoso-

wanie nowoczesnych urządzeń po-

zwala również na zwiększenie nie-

zawodności działania automatyki

zabezpieczeniowej.

automatyka samoczynnego często-

tliwościowego odciążania (SCO)

poziom, ale i szybkość jej zmian.

W celu realizacji automatyki SCO,

wystarczy zidentyfikować obniże-

nie się poziomu częstotliwości oraz

ewentualnie jej gradient i w odpo-

wiednim czasie doprowadzić do

wyłączenia części odbiorów. Nasta-

wienie liczby i poziomów progów

częstotliwości, określenie koniecz-

nych do ograniczenia w danym pro-

gu odbieranych mocy, wybór odbio-

rów przewidzianych do wyłączenia,

wynika z przyjętej przez operatora

systemu przesyłowego oraz opera-

torów systemów rozdzielczych stra-

tegii w zakresie odciążania. W Pol-

sce system automatyki SCO jest sys-

temem rozproszonym, tzn. pomiar

częstotliwości i decyzje sterowni-

cze związane z SCO odbywają się

na poziomie poszczególnych stacji

elektroenergetycznych. Systemy

centralne, których działanie może

być bardziej precyzyjne, bo oparte

na większej ilości informacji o pra-

cy systemu elektroenergetycznego.

Wymagają one jednak rozbudowa-

nej sieci teletransmisyjnej, a konse-

kwencje ewentualnej nieprawidło-

wej pracy centralnego SCO mogą

okazać się bardzo poważne.

Technika cyfrowa daje moż-

liwość zaimplementowania szyb-

kich, dokładnych i mniej wrażli-

wych na zakłócenia algorytmów

pomiaru częstotliwości i jej zmian

w czasie (d f /d t ). Przykładowo w star-

szych przekaźnikach podczęstotli-

wościowych pomiar był fałszowany

podczas obniżenia się poziomu na-

pięcia pomiarowego. Znikają rów-

nież ograniczenia techniczne i eko-

nomiczne, co do możliwych do zre-

alizowania liczby grup SCO.

Podczas realizacji automatyki

SCO na stacji coraz częściej rezygnu-

je się z tradycyjnego układu SCO, w

którym przekaźniki podczęstotlio-

ściowe montowane były w polach

pomiaru napięcia rozdzielni śred-

niego napięcia i w przypadku za-

działania wysyłały impulsy wyłącza-

jące do poszczególnych pól odejścio-

wych (liniowych), za pomocą obwo-

dów okrężnych SCO. Niektórzy pro-

ducenci zabezpieczeń [2] proponu-

ją rozwiązanie upraszczające obwo-

dy wtórne stacji, gdzie informacja o

zadziałaniu funkcji podczęstotliwo-

ściowej z zabezpieczenia zainstalo-

wanego w polu pomiaru napięcia

wysyłana jest za pomocą cyfrowego

łącza wykorzystywanego dla realiza-

cji telemechaniki do komputera sta-

cyjnego (koncentratora) i rozsyłana

dalej kanałami cyfrowymi do zabez-

pieczeń pól liniowych porównują-

cych kod otrzymanej informacji z

nastawieniami w zakresie SCO (rys.

1). Jeśli informacja o poziomie ob-

niżenia się częstotliwości odpowia-

da nastawieniom, następuje otwar-

cie wyłącznika w polu. Dostępność

funkcji w zabezpieczeniach cyfro-

poawaryjne spełniają bardzo

istotną rolę w pracy systemu elek-

troenergetycznego, w aspekcie bez-

pieczeństwa jego funkcjonowania i

ciągłości dostaw energii. Natomiast

ich ewentualne nieprawidłowe

działanie może być przyczyną po-

wstania znacznych strat. Automa-

tyka samoczynnego częstotliwo-

ściowego odciążania (SCO) jest au-

tomatyką prewencyjną, zapobiega-

jącą pogłębieniu się niezbilansowa-

nia mocy generowanej i pobieranej,

co w konsekwencji może prowadzić

do wystąpienia poważnej awarii

systemowej. Natomiast automaty-

ki: samoczynnego załączania rezer-

wy (SZR) i samoczynnego ponow-

nego załączania (SPZ) należą do gru-

py automatyki zabezpieczeniowej

restytucyjnej, przywracającej stan

normalnej pracy sieci po wyelimi-

nowaniu lub usunięciu przyczyny

wywołującej zakłócenie. Ich znacze-

nie jest szczególnie istotne pod

względem wielkich awarii systemo-

wych, które miały miejsce w Sta-

nach Zjednoczonych i w Europie.

Środowisko elektroenergetyków,

odpowiedzialne za właściwą pracę

elektroenergetycznej automatyki

zabezpieczeniowej (EAZ), stosunko-

wo ostrożnie wprowadza nowe roz-

wiązania w tym zakresie. Oczekiwa-

ne są rozwiązania niezawodne, w

coraz większym stopniu przetesto-

W sytuacji wystąpienia deficy-

tu mocy w obszarze systemu elek-

troenergetycznego, automatyka sa-

moczynnego częstotliwościowego

odciążania ma za zadanie dopro-

wadzić do odpowiednio szybkiego

wyłączenia części odbiorów, dzięki

czemu ma zostać przywrócona rów-

nowaga mocy generowanej i odbie-

ranej. Umożliwia to utrzymanie w

sytuacji krytycznej pracy generato-

rów synchronicznych i zachowa-

nie zasilania najważniejszych od-

biorów, w tym potrzeb własnych

elektrowni. Przywracanie równo-

wagi przez zwiększenie mocy wy-

twarzanej, w przypadku znacznego

niezbilansowania mocy, może oka-

zać się zbyt powolne lub też wręcz

niedostępne.

Miarą niezbilansowania się

mocy generowanej i odbieranej

jest obniżenie się częstotliwości,

przy czym istotny jest nie tylko

www.elektro.info.pl

nr 3/2004

automatyka zabezpieczeniowa

wych umożliwia jeszcze inne podej-

ście do realizacji automatyki SCO.

Mianowicie pomiar częstotliwości

i decyzje sterownicze wykonywane

są w każdym polu liniowym śred-

niego napięcia w stacji głównego za-

silania, przez co zwiększa się nieza-

wodność układu i ogranicza skutki

tomatykę SPZ jedno- i trójfazową, a

w zależności od liczby łączeń jedno-

i wielokrotną. Skuteczność automa-

tyki SPZ zależy od wielu czynników.

Część z nich jednocześnie determi-

nuje prawdopodobieństwo wystę-

powania zwarć przemijających. Na

skuteczność SPZ w sposób istotny

automatyki. Znikają również w ta-

kim przypadku bariery w uzyskaniu

wymaganego algorytmu działania

SPZ – możliwości nastawcze są za-

zwyczaj bardzo szerokie. Duża ela-

styczność urządzeń cyfrowych wy-

wołuje uzależnienia działania au-

tomatyki SPZ od rodzaju zwarcia.

I tak w sieciach średniego napięcia

można wykonywać większą liczbę

prób załączenia linii w przypadku

zadziałania zabezpieczeń ziemno-

zwarciowych, a poprzestać na jed-

nokrotnym SPZ w przypadku wy-

stąpienia zwarć wielobiegunowych,

których prawdopodobieństwo prze-

minięcia jest mniejsze. Dzięki temu

możliwe jest podniesienie skutecz-

ności automatyki SPZ, nie naraża-

nie wyłączników na częstsze przery-

wanie prądów zwarciowych, a także

ograniczenie liczby zapadów napię-

cia wywołanych zwarciami. Zdecy-

dowanemu uproszczeniu, przy za-

stosowaniu zabezpieczeń cyfro-

wych, ulega układ obwodów wtór-

nych pola linii wysokiego napięcia,

gdzie z reguły stosowany jest układ

jednofazowej i trójfazowej automa-

tyki SPZ. Złożony jest on z wielu

przekaźników i skomplikowanych

obwodów i dlatego zostaje zastąpio-

ny zintegrowanym urządzeniem re-

alizującym funkcje zabezpieczenio-

we, wybór faz i logikę SPZ. Wyko-

rzystując jego bogate funkcje, moż-

na łatwo realizować kontrolę syn-

chronizmu lub obecności napięcia

na linii, przy załączaniu w cyklu

automatyki SPZ. Podobnie, dzięki

logice wewnętrznej zabezpieczeń,

można blokować załączenie w cy-

klu SPZ, w przypadku obecności na-

pięcia na linii SN współpracującej z

elektrownią lokalną. W celu przy-

spieszenia i zwiększenia selektyw-

ności pracy zabezpieczeń linii wy-

sokich napięć coraz częściej wyko-

rzystuje się łącza telekomunikacyj-

ne do realizacji funkcji telezabez-

pieczeń. Nowoczesne terminale, bo

tak coraz powszechniej nazy-

Rys. 1 Idea rozwiązania układu SCO z wykorzystaniem magistrali cyfrowej kanału telemechaniki

ewentualnego błędnego zbędnego

zadziałania SCO. Wymaga to jednak

instalacji przekładników napięcio-

wych w każdym polu lub rozpro-

wadzenia obwodów napięciowych

z pól pomiaru napięcia do wszyst-

kich pól liniowych.

wpływa czas wyłączenia zwarcia bę-

dący sumą czasu działania zabezpie-

czeń i czasu własnego wyłącznika.

Dla przykładu: obserwowana sku-

teczność SPZ w sieci 110 kV ZE

Wrocław SA mieści się w granicach

72...78 %, natomiast w sieci napo-

wietrzno - kablowej z punktem ze-

rowym uziemionym przez rezystor

wynosi ona ok. 50% dla zwarć wie-

lobiegunowych i ok. 90% dla zwarć

doziemnych [1]. Stosowanie auto-

matyki SPZ powoduje zwiększenie

ciągłości i pewności zasilania od-

biorców, zmniejsza prawdopodo-

bieństwo wypadnięcia z synchro-

nizmu generatorów pracujących w

połączonym systemie elektroener-

getycznym oraz umożliwia skraca-

nie czasów trwania zwarć.

Współcześnie automatykę SPZ

realizuje się najczęściej w zabezpie-

czeniu cyfrowym, które integruje

funkcje zabezpieczeniowe auto-

matyki i często telemechaniki. Roz-

wiązanie takie znacznie upraszcza

układ obwodów wtórnych w polu

liniowym i w związku z tym pozy-

tywnie wpływa na niezawodność

automatyka samoczynnego

ponownego załączania (SPZ)

Automatyka SPZ, stosowana w

polach linii napowietrznych i napo-

wietrzno-kablowych, gdzie oczekuje

się występowania zwarć przemijają-

cych, ma powodować ponowne za-

łączenie linii po jej wcześniejszym

wyłączeniu przez jej zabezpiecze-

nia. Ponowne załączenie w cyklu

automatyki SPZ następuje po upły-

wie krótkiego czasu, zwanego cza-

sem przerwy beznapięciowej. Czas

ten wynosi 0,4…1,2 sekundy (tzw.

SPZ szybki) lub kilka (kilkaset) se-

kund (SPZ powolny) i jest niezbęd-

ny dla dejonizacji przestrzeni połu-

kowej, ustania przyczyny wywołują-

cej zwarcie, zadziałania automatyk

w głębi sieci. W zależności od sposo-

bu impulsowania, rozróżnia się au-

automatyka zabezpieczeniowa

wa się zabezpieczenia integrujące

bogate funkcje zabezpieczeniowe

i automatyki z funkcjami sterow-

niczymi oraz telemechaniki i reje-

stracji, dają bardzo elastyczną moż-

liwość programowania działania au-

tomatyki SPZ, w powiązaniu z logi-

ką wspomnianych układów teleza-

bezpieczeń.

nętrzną, spełniających jednocze-

śnie inne funkcje zabezpieczenio-

we (np. zabezpieczeń nadprądo-

wych w polu sprzęgła).

Komputera stacyjnego z zaprogra-

mowaną sekwencją łączeniową, w

powiązaniu z sygnałami z zabez-

pieczeń napięciowych.

nia. Dla układów zasilania silników

elektrycznych dostępne są urządze-

nia SZR wybierające najkrótszy z

możliwych bezpiecznych dla ma-

szyn wirujących momentów załą-

czenia rezerwy. Wykonuje się rów-

nież automatyki adaptacyjne, któ-

rych logika działania jest uzależnio-

na od warunków pracy układu zasi-

lania. Głównym celem tych nowych

układów SZR jest skracanie czasów

opóźnienia załączania zasilania za

źródła rezerwowego.

Układ automatyki SZR z wy-

korzystaniem zabezpieczeń cyfro-

wych, zainstalowanych w polach

łączników szyn, w polach pomia-

ru napięcia i transformatorów za-

silających, które można nazwać

układem rozproszonym, ma tą za-

letę, że upraszcza obwody wtórne

i nie wymaga dedykowanego urzą-

dzenia SZR. Nową jakość mogą za-

oferować układy SZR współpracują-

ce z łącznikami energoelektronicz-

nymi. Wyeliminowanie łączników

z klasycznymi stykami daje możli-

wość przełączania zasilania w cza-

sie zaledwie kilku milisekund. Łącz-

niki takie są budowane dla napięć

nie przekraczających kilkudziesię-

ciu kilowoltów.

liwe stało się też wykonywanie

funkcji, których realizacja w prze-

szłości była niemożliwa lub bardzo

kosztowna. Integracja wielu funk-

cji w zabezpieczeniach doprowadzi-

ła do znacznego uproszczenia ukła-

dów automatyk w obiektach energe-

tycznych. Wciąż jeszcze istnieją wy-

zwania wynikające z implementa-

cji techniki mikroprocesorowej w

automatyce elektroenergetycznej,

ponieważ wiele rozwiązań wyma-

ga udoskonalenia, czego wyrazem

są poglądy środowiska naukowców

oraz specjalistów związanych z eks-

ploatacją EAZ, że technika cyfrowa

nie do końca spełniła związane z

nią oczekiwania [4].

literatura

automatyka samoczynnego

załączania rezerwy (SZR)

Automatyka SZR odgrywa bar-

dzo istotną rolę w zakresie zwięk-

szania pewności zasilania odbior-

ców – przerwa związana z cyklem

przełączania jest zazwyczaj krót-

ka. Automatyka SZR pozwala na

utrzymywanie bezpieczniejszych

układów sieciowych, choćby pod

względem mocy zwarciowych. Jej

funkcją jest załączenie źródła re-

zerwowego w przypadku zaniku

zasilania ze źródła podstawowego.

Przy załączaniu źródła rezerwowe-

go musi być uwzględniony fakt, że

załączenie pewnych odbiorów po-

winno być poprzedzone spełnie-

niem pewnych warunków lub też

w ogóle jest niedopuszczalne. Do-

tyczy to kilku ciągów technologicz-

nych, które nawet po bardzo krót-

kiej przerwie nie mogą być ponow-

nie samoczynnie załączane, a tak-

że maszyn wirujących. Automa-

tykę SZR realizuje się obecnie za

pomocą:

Wyspecjalizowanych automatów

SZR, które identyfikują potrzebę

działania SZR i wykonują założo-

ną logikę przełączeń. Często po-

siadają one możliwość dowolnej

konfiguracji, czyli elastycznego

ustalania przez projektanta logiki

działania układu.

Terminali zabezpieczeniowych

wyposażonych w funkcje zabez-

pieczeń napięciowych wraz z bo-

gatą programowalną logiką wew-

1. Floryn J., Zabezpieczenia ziemno-

zwarciowe w sieci średniego na-

pięcia uziemionej przez rezystor –

doświadczenia eksploatacyjne, VI

Konferencja Naukowo - Technicz-

na Automatyzacja Sieci rozdziel-

czej Krajowego Systemu Elektro-

energetycznego - zbiór referatów,

Zamość 2002.

2. Zabezpieczenie Ex-BEL_Z2U, Do-

kumentacja techniczna, Elkom-

tech S.A. 2000.

3. Głowocz R., Poprawa niezawod-

ności zasilania odbiorów poprzez

wykorzystanie nowych funkcji

skracających czas działania urzą-

dzeń SZR, I Konferencja Nauko-

wo - Techniczna Diagnostyka w

sieciach elektroenergetycznych

zakładów przemysłowych, Płock

2000.

4. Kockot MJ, Experiences In The Al-

location And Grouping of Func-

tions In Integrated Protection And

Control Systems: Lessons Ler-

ned, Trends, And Future Require-

ments, CIGRE Study Committee

34 Colloquium And Meetig, Flo-

rence, Italy 1999.

Rys. 2 Zabezpieczenia cyfrowe integrują w

sobie wiele funkcji w tym automa-

tykę SPZ

Typowych sterowników progra-

mowalnych.

Wybór rozwiązania zależny jest

od wymagań stawianych układowi

SZR, w tym dotyczących niezawod-

ności, oczekiwanej logiki działania i

jej złożoności. Często istotną rolę w

wyborze odgrywają względy eksplo-

atacyjne i przyzwyczajenia persone-

lu obsługi. Dedykowane urządzenia

pozwalają na realizację bardzo wy-

ra ﬁ nowanych układów SZR. Prze-

łączanie między kilkoma źródłami,

kontrola obecności napięcia reszt-

kowego, wybór optymalnego cza-

su załączenia źródła rezerwowego

przestały być problemem. Realizuje

się przełączenia quasi synchronicz-

ne i poszukuje się nowych kryte-

riów działania automatyki SZR [3].

Proponuje się sterowniki SZR, któ-

rych kryterium działania, oprócz

obniżenia poziomu napięcia i kry-

terium wyłącznikowego, jest szyb-

kość obniżenia się napięcia zasila-

wnioski

Automatyki SCO, SPZ, SZR

mają istotne znaczenie dla obro-

ny systemu elektroenergetyczne-

go przed awarią systemową oraz

wpływają na pewność i jakość do-

staw energii. Idea wielu algoryt-

mów realizacji tych automatyk po-

została od dziesięcioleci niezmie-

niona. Zastosowanie techniki cy-

frowej, która dziś nie jest niczym

nowym w układach elektroenerge-

tycznej automatyki zabezpieczenio-

wej, pozwoliło na prostszą i precy-

zyjniejszą realizację funkcji zabez-

pieczeniowych i automatyk. Moż-

www.elektro.info.pl

nr 3/2004

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: