Łączniki w Eksploatacji 2018

Nieinwazyjne testowanie wyłączników mocy na stacji

Streszczenie

Dzięki swojej zdolności do natychmiastowego przerywania przepływu prądu, wyłączniki odgrywają ważna role związana z ochroną i bezpieczeństwem system elektroenergetycznego. Aby zapewnić właściwe działania wyłącznika, ważne jest aby przetestować działanie jego kluczowych elementów, łącznie z kinematyką działania (czasami i ruchem styków głównych), obwodami sterowania (analiza prądu cewki, test minimalnego pobudzenia, analiza prądu silnika) oraz stanu styków głównych (statyczne i dynamiczne rezystancje styku). Łącząc te metody testowania oraz wykonanie tych testów przy użyciu właściwego wielofunkcyjnego testera pozwala uzyskać w krótkim czasie pełną ocenę bez potrzeby rozmontowywania wyłącznika. Po długim okresie w którym doświadczaliśmy trudności z wykonaniem na obiekcie pomiarów rezystancji dynamicznej (DRM), obecnie możemy przeprowadzić ten pomiar w łatwy sposób równocześnie na kilku biegunach. Gdy używamy go jako podstawową metodę testową, DRM daje dodatkową możliwość wykonania testów bez zmiany połączeń. Artykuł ten przedstawia przegląd ważnych procedur testowych stosowanych przy analizie wyłącznika oraz ich wykorzystania przy użyciu najnowszych narzędzi.

Wprowadzenie do testowania wyłącznika

Wyłącznik odgrywa znaczącą role w systemie elektroenergetycznym. Jest on łącznikiem przeznaczonym do ochrony obwodów elektrycznych przed uszkodzeniami spowodowanymi przeciążeniem lub zwarciem poprzez natychmiastowe przerwanie prądu zakłóceniowego. Jest również stosowany w celu zapewnienia przerwy izolacyjnej w przypadku wykonywania czynności serwisowych.

Do wiarygodnej oceny stanu technicznego wyłącznika bardzo ważna jest poprawna interpretacja wyników uzyskanych z pomiarów podczas przeglądów. Stosowany w stacjach na całym świecie zakres nieinwazyjnych badań wyłączników przedstawia się następująco:

  • pomiar statycznej rezystancji zestyku,
  • pomiar dynamicznej rezystancji zestyku analiza czasów działania i prądu cewki,
  • analiza ruchu styków,
  • pomiar prądu silnika napędu.

Pomiar rezystancji statycznej

Pomiar statycznej rezystancji zestyku przy zamkniętych stykach głównych wyłącznika jest powinien być wykonywany podczas każdego przeglądu. Wykonywany jest on metodą techniczną dokładnego woltomierza polegającego  na wymuszeniu dużego prądu DC poprzez zestyk główny i pomiarze na nim spadku napięcia za pomocą dodatkowego woltomierza.  Norma IEC 62271-1 wymaga zastosowania minimalnego prądu testowego 50A. W przypadku stwierdzenia odchyłek od dopuszczalnych wartości rezystancji zestyku, w celu ostatecznej diagnozy należy wykonać dodatkowe testy większym prądem [1] [5].

Analiza czasów działania i prądu cewki

Interpretacji wyników pomiarów czasów działania cewki poświęcone są przedmiotowe normy. Dlatego też w tym artykule omówiono tylko wpływ konstrukcji mechanizmu roboczego na te czasy.

Mechanizm sprężynowy

Mechanizm sprężynowy wykorzystywany jest w wielu wyłącznikach WN jako zasobnik energii. Energia ta jest wyzwalana poprzez zadziałanie cewek załączającej i wyłączającej. Analizując charakterystykę zmian prądu podczas załączania cewki możemy uzyskać wiele użytecznych informacji takich jak np.:

  • stałą czasową działania cewki,
  • wartość energii (prądu), która konieczna jest do wyzwolenia zazbrojonej sprężyny,
  • sekwencja czasów działania styków pomocniczych.

Na potrzeby tej analizy mierzone są i wyświetlane zmiany w czasie wartości prądu w cewce wyłączającej lub załączającej w trakcie sekwencji zamykania lub otwierania styków głównych. Identyfikacja problemów z obwodami elektrycznymi lub elementami mechanicznymi mechanizmu wyłączania i załączania wyłącznika polega na porównaniu parametrów zmierzonej i wzorcowej charakterystyki prądu. Są to przede wszystkim stała czasowa cewki (problemy elektryczne), prąd cewki (problemy mechaniczne – konieczna siła napędowa) oraz  poprawna sekwencja czasów działania styków pomocniczych. Typową charakterystykę czasową prądu cewki pokazano na rysunku 1 [2].

Rys. 1. Typowa charakterystyka czasowa prądu cewki

Na kształt zmian prądu cewki w czasie wpływa wartość napięcia zasilania. Natomiast szybkość działania mechanizmu sprężynowego jest bezpośrednio powiązana z prądem cewki, a tym samym z napięciem jej zasilania. Z tego powodu test czasów załączania cewki powinien być wykonany dla różnych napięć zasilania (rys.2).

Rys. 2. Zmiany w czasie prądu cewki dla różnych napięć zasilania od 0.25% do 1.25% Un [4] [3]

Napęd magnetyczny

W wyłącznikach próżniowych SN coraz częściej stosowany jest napęd magnetyczny. Odpowiednia cewka (elektromagnes) jest bezpośrednio połączona z mechanicznym układem przerywającym przepływ prądu. Natomiast konieczna do wyłączenia energia dostarczana jest do cewki z jednego lub dwóch wstępnie naładowanych kondensatorów, których rozładowania w cewce wynosi kilkadziesiąt amperów. Zaletą tego typu napędu jest mniejsza ilość elementów mechanicznych, co powoduje, że wyłączniki te wymagają mniejszego serwisowania oraz są łatwiejsze w produkcji. Ponadto możliwość cyfrowego sterowania rozładowywania zasobników załączających i otwierających umożliwia lepsze zarządzanie odpowiednimi sekwencjami.

Charakterystyka czasowa prądu cewki napędzającej  siłownik magnetyczny jest bardzo zbliżona do charakterystyki prądu cewki napędu sprężynowego (rys.3). Stąd zasady oceny działania napędu magnetycznego są identyczne. Analogicznie jak dla napędu sprężynowego, w celu monitorowania działania wyłącznika w sekwencji Załącz – Wyłącz niezbędna jest możliwość pomiaru zmian prądu cewki w czasie.

Rys. 3. Zm iany w czasie prądu cewki siłownika oraz krzywa ruchu w trakcie sekwencji zamykania wyłącznika reklozera 12 kV [4]

Analiza ruchu styków

Analiza ruchu styków może wykryć słabe elementy mechaniczne w wyłączniku, tj. zużyte styki główne i opalne, problemy z magazynowaniem energii koniecznej do wyłączania lub załączania (zużycie sprężyny lub obniżenie ciśnienia). Wykrywając te problemy we wczesnym stadium, można podjąć działania naprawcze, tak aby zapewnić bezpieczną pracę wyłącznika.

Podłączony do cięgna napędu styków wyłącznika czujnik ruchu daje wiele użytecznych informacji. Dlatego, zaleca się stosowanie tej metody do śledzenia ruchu mechanizmu przerywającego prąd. Aby sklasyfikować stan zestyków opalnych oraz problemy mechaniczne mechanizmu roboczego wyłącznika konieczna jest rejestracja takich parametrów pracy napędu jak wydłużenie rozchodzenia się styków (amplituda i czas trwania), prędkość styków oraz całkowita przerwa międzystykowa (rys.4). Analiza stanu technicznego polega na porównaniu zmierzonych wartości z podanymi przez producenta danymi referencyjnymi [1]. [5].

Rys. 4. Analiza tłumienia na osi czasu

Prąd silnika

Rejestracja prądu silnika jest konieczna dla zdiagnozowania ewentualnych problemów z magazynowaniem energii potrzebnej do wyzwolenia procesu zamykaniu lub otwierania styków (część elektryczna oraz mechaniczna). W przypadku, gdy wartość prądu silnika jest zbyt duża lub zbrojenie napędu zajmuje więcej czasu, należy zbadać mechanizm napędu.

Pomiar dynamicznej rezystancji styku (DRM)

Pomiar dynamicznej rezystancji zestyku połączony z analizą rozchodzenia styków się jest często stosowaną metodą, ponieważ określa długość styku (część styku głównego oraz opalna) bez konieczności demontażu wyłącznika. Gdy styk opalny staje się krótszy od minimalnej wartości podanej przez producenta, wówczas nie można gwarantować bezpiecznej pracy wyłącznika i należy przeprowadzić właściwy serwis modułu przerywającego prąd.

Metoda pomiaru dynamicznej rezystancji zestyku opiera się na pomiarze ciągłości zachowania  zestyku w trakcie otwierania się styków wyłącznika. Realizowana jest za pomocą pomiaru rezystancji zestyku prądem stałym w układzie czteroprzewodowym podczas otwierania się wyłącznika. Przez styk główny wymuszany jest przepływ prądu DC, a mierzona i analizowana jest charakterystyka czasowa spadku napięcia na styku (rys.5).

Rys. 5. interpretacja charakterystyki DRM dla wyłącznika SF6

Urządzenie do testowania wyłączników na stacji

Wszystko w jednym

Urządzenie typu “wszystko-w-jednym” posiada wszystkie funkcje niezbędne do testowania wszystkich typów wyłączników bez konieczności użycia dodatkowych urządzeń peryferyjnych. Dlatego możliwe jest wykonanie wszystkich opisanych wyżej pomiarów wyłącznika w jednym cyklu. Urządzeniu wyposażone jest w funkcję analizy czasów własnych, źródła napięcia i prądu DC oraz miernik małych rezystancji.

Wbudowany zasilacz dla cewki i silnika

Jednym z największych wyzwań podczas pomiarów jest powtarzalność testów. Aby poprawnie zdiagnozować wyłącznik, napięcie zasilania musi posiadać odpowiednią wartość do sterowania cewkami wyłączającą i załączającą, ale równocześnie moc źródła napięcia musi być odpowiednia do zasilania silnika, który zazbraja sprężynę lub uruchamia sprężarkę gazów czy też oleju w trakcie cyklów łączeniowych. Do zasilania wyłącznika podczas testów można użyć źródła napięcia z baterii stacyjnej lub z zewnętrznego zasilacza.

Użycie baterii stacyjnej ma swoje wady:

  • zależnie od układu, podłączenie do baterii stacyjnej może być bardzo niebezpieczne;
  • nie ma możliwości sterowania wartością napięciem baterii stacyjnej. Może ono się zmieniać tylko w pewnym zakresie i wówczas zakres wykonywanego testu jest ograniczony.

Takich wad nie posiada zewnętrzne źródło napięcia o odpowiedniej mocy pod warunkiem, że jest stabilizowane elektronicznie. W przeciwnym razie pojawia się konieczność użycia dodatkowego urządzenia.

Jednym ze sposobów ominięcia tych niedogodności jest wyposażenie urządzenia testującego w niezależne od baterii stacyjnej źródła zasilania cewki i silnika, które wytwarza stabilne i sterowane napięcie o różnych wartościach. Takie wymagania stwarzają m.in. testy zabezpieczeń podnapięciowych, podczas których cewki wyłączające wyzwalane są napięciem wynoszącym np. 20% napięcia znamionowego. Ponadto procedurę wyznaczenia napięcia minimalnego pobudzenia przekaźników przy użyciu sekwencji narastających impulsów można łatwo skonfigurować mając do dyspozycji zintegrowany zasilacz ze sterowalnym napięciem.

Dodatkowo wbudowany zasilacz ułatwia testowanie wyłączników z cewką podnapięciową. Czas otwierania inicjowany przez cewkę podnapięciową można łatwo zmierzyć łącznie z różnicą czasów pomiędzy wyłączeniem zasilania, a chwilą gdy wyłącznik zostanie otwarty. Oddzielne testy silnika oraz rejestracja prądu silnika w funkcji czasu można również wygodnie wykonać  używając wbudowanego zasilacza.

Zastosowanie modułów DRM

W przypadku wyłączników WN, wszystkie styki główne powinny być mierzone równocześnie w celu wyznaczenia niejednoczesności otwierania się styków. Ponadto oprócz analizy poszczególnych czasów należy również wykonać pomiar dynamicznej rezystancji zestyków. W aplikacjach wysokonapięciowych, w pewnych przypadkach, może zachodzić konieczność uziemienia wyłącznika po obu stronach w trakcie całego testu. Przykład takiego układu pomiarowego na stacji, który wykorzystuje moduły DRM (na górze wyłącznika pomiędzy stykami głównymi) pokazano na rysunku 6. 

Rys. 6. Układ testowy “wszystko-w jednym” stosowany w obustronnie uziemionym wyłączniku WN

Każdy umieszczony na górze wyłącznika moduł DRM jest podłączony do głównego urządzenia poprzez szynę komunikacyjną i generuje stabilizowany prąd testowy. W modułach DRM dane pomiarowe są przekształcane na postać cyfrową i wysyłane do jednostki głównej umieszczonej na ziemi tymi samymi kablami, które używane są do zasilania.  Na potrzeby pomiarów rezystancji statycznej i dynamicznej moduły DRM mogą chwilowo generować duży prąd o wartości do 2×100 A. Każdy moduł może też testować do dwóch styków głównych. Dodatkowy moduł ruchu umożliwia pomiar rozchodzenia się styków.

Proste pomiary z użyciem DRM

Pomiar rezystancji dynamicznej zestyków, jako podstawowy test wyłączników jest bardzo prosty do wykonania, przy czym jest on równocześnie realizowany dla wszystkich styków głównych. W tym celu używany jest tylko jeden moduł DRM zamiast kilku urządzeń, a przewody i zasilanie są takie same jak w tradycyjnych urządzeniach pomiarowych.

Bezpieczne i przejrzyste połączenia kabli

Krótkie kable wysokoprądowe umieszczone na górze wyłącznika, co ogranicza zakłócenia pomiarowe wynikające ze sprzężeń indukcyjnych (rys.7). Ponadto takie rozwiązanie zapobiega możliwości indukowania się niebezpiecznych napięć, które mogłyby się przenieść na operatora.

Rys. 7. Pętle indukcyjne przy użyciu długich przewodów zostały zredukowane dzięki zdalnym przystawkom i krótkim przewodom

Oszczędność czasu

Moduły DRM można również wykorzystać do pomiaru czasów zadziałania wyłącznika z równoczesnym pomiarem rezystancje statycznej zestyków. Oznacza to, że realizujemy tylko jeden układ pomiarowy dla testów czasów i rezystancji styku. Nie ma potrzeby zmieniać połączeń i wspinać się na wyłącznik pomiędzy poszczególnymi pomiarami. Dzięki temu układowi można przetestować wyłącznik WN, łącznie z wykonaniem połączeń, w czasie poniżej jednej godziny. Jest to możliwe dlatego, że do wykonania testów potrzebujemy tylko jednego układu połączeń. Również czas trwania powtarzających się pomiarów w aplikacjach średniego napięcia został znacząco zmniejszony.

Koncepcja modułowa

Ponieważ moduły DRM połączone są z głównym urządzeniem przy pomocy szyny komunikacyjnej, nie ma ograniczenia w liczbie użytych modułów. Dlatego wszystkie generacje wyłączników możemy przetestować bez ograniczeń w optymalnym czasie serwisowania, łącznie z dużą liczbą komór styków głównych.

Uziemienie wyłącznika po obu stronach

W trakcie prac serwisowych może zachodzić potrzeba wykonania pomiarów dla obustronnie uziemionych komór wyłącznika. W takim przypadku sprzężenia pojemnościowe z pracującymi liniami równoległymi mogą być źródłem niebezpiecznego napięcia, a każdy zwisający przewód realnym zagrożeniem dla operatora. Użycie modułu DRM (rys. 8) pozwala na  pomiar czasów własnych wyłącznika z uwzględnieniem wszelkich wymagań bezpiecznej pracy.

Rys. 8. Zasada pomiarów przy uziemieniu wyłącznika po obu stronach

Zgodnie z rysunkiem 8, gdy wyłącznik jest zamknięty, rezystancja mierzonej pętli wynosi:

Rclose = 1 / ( 1 / RCB + 1 / Rground )                       (1)

gdzie Rground >> RCB, Rclose ≈ RCB                       (2)

Natomiast w pozycji otwartej rezystancja pętli wynosi:

Ropen = Rground                                        (3)

Przejście pomiędzy pozycją zamkniętą i otwartą wyłącznika można wyznaczyć w oparciu o próg zmiany rezystancji (rys. 9). Prąd testowy musi być wystarczająco duży, aby uzyskać czystą składową 50 Hz prądu, który indukowany jest w przewodzie powrotnym przez ziemię, gdy styk główny jest otwarty. Z doświadczeń pomiarów na stacji wynika, że aby uzyskać wiarygodne wyniki, minimalna wartość prądu powinna wynosić co najmniej 100 A. Zwykle, można również zmierzyć działanie styku opalnego wyłącznika SF6. Statyczną rezystancje styku można zmierzyć przy obustronnym uziemieniu ponieważ rezystancja przewodu powrotnego przez ziemię jest o wiele wyższa od rezystancji styku głównego. W tym celu możemy zastosować wzór (2). Jeśli rezystancji pętli doziemnej jest niższa niż spodziewana, wówczas zostanie zmierzona rezystancja w obu pozycjach zamkniętej i otwartej a do obliczenia RCB użyte zostaną wzory (1) i (3).

Rys. 9. Krzywa DRM przy pomiarze wyłącznika uziemionego po obu stronach

Wnioski

W artykule przedstawiono różne aspekty testowania wyłącznika przy użyciu nowoczesnego urządzenia pomiarowego. Pomiar rezystancji dynamicznej jest wydajną metodą diagnostyczną, która łączy w sobie pomiary czasów własnych, rezystancji zestyku oraz analizę ruchu styków. Użycie modułów DRM upraszcza połączenia oraz zapewnia wymagania dotyczące bezpieczeństwa pracy przy obustronnym uziemieniu komory wyłącznika. Przedstawiono również korzyści wypływające z stosowania zasilacza do cewek i silników, w który powinno być wyposażone każde urządzenie pomiarowe. 

Thomas Renaudin, OMICRON France

Literatura

[1] IEC 62271-1 ed1.1 “High-voltage switchgear and controlgear – Part 1: Common specifications” §6.4.1 (2011)
[2] T. Renaudin, A. Taneja, U. Klapper, “Circuit Breaker Testing – A New Approach”, Paper presented at the Electricity 2013 SEEEi conference, Jerusalem, israel (2013).
[3] Herrera “Pruebas a interruptores de Potencia”, Guatemala, 2013
[4] Tavrida Electric, Vacuum circuit breaker product pages, South Africa
[5] Andreas Nenning, “interpreting the results of circuit breaker analysis”, OMiCRON Paper of the month, Klaus, Austria 2013
[6] Moritz Pikisch, “Circuit Breaker Testing with the CiBANO 500”, OMiCRON Academy, 2013
[7] R. Smeets, L. Van der Sluis, M. Kapetanovic, D. F. Peelo, A. Janssen, “Switching in Electrical Transmission and Distribution Systems”, Wiley, 2014

Thomas Renaudin pracuje jako Regional Application Specialist do spraw wyłączników i rozdzielnic w regionie Europa & Afryka w biurze OMiCRON Electronics France. Ukończył studia na Wydziale Elektrycznym INSA w Strasburgu. W latach 2006-2009 zatrudniony w VATECH T&D Grenoble (później Siemens T&D) pracował jako Field Supervisor and Commissioning Engineer w wielu międzynarodowych projektach związanych z rozdzielnicami. Od 2009 roku pracuje w OMICRON jako Application Engineer ze szczególnym zorientowaniem na testowanie urządzeń pierwotnych.

 

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top