Technologie

Kontrola stanu izolacji i lokalizacja doziemień w sieciach prądu stałego

Nieodzownym elementem współczesnych systemów zasilania awaryjnego, projektowanych dla zakładów przemysłowych, energetyki wytwórczej i przesyłowej, stały się urządzenia, które w sposób ciągły nadzorują stan izolacji zasilanych z danej sieci odbiorników. Potrafią one w niezawodny i precyzyjny sposób nie tylko odpowiednio wcześniej poinformować użytkownika o wadliwym stanie izolacji w sieci, ale również zlokalizować miejsce wystąpienia doziemienia. W dobie optymalizacji kosztów eksploatacyjnych tego typu systemy są niesłychanie pomocne dla służb eksploatacyjnych, które w przypadku wystąpienia awarii mają ograniczony czas reakcji na jej usunięcie, a tym samym utrzymanie bezpieczeństwa pracy zakładu oraz zapewnienie ciągłości procesów technologicznych. W niniejszym artykule opisano system o nazwie SAN2 przeznaczony do nadzoru izolowanych sieci prądu stałego, który został zaprojektowany i jest produkowany przez polską firmę APS Energia S.A.

Zastosowanie SAN2

W wielu obiektach i instalacjach elektroenergetycznych izolowane sieci prądu stałego pełnią kluczową rolę w zapewnianiu bezawaryjnej pracy układów sterowania i automatyki, zapewniając poprawne funkcjonowanie procesów technologicznych. Sieci te są bardzo często rozległe, przez co narażone są na działanie czynników zewnętrznych, które niekorzystnie wpływają na stan izolacji. Pogarszający się stan izolacji w takiej sieci jest zagrożeniem dla życia i zdrowia ludzi, prowadzi do występowania zwarć oraz zakłóceń w działaniu układów AKPiA. Aby uniknąć wspomnianych zagrożeń niezbędna jest ciągła kontrola stanu izolacji obu biegunów sieci DC. Natomiast w przypadku wystąpienia doziemienia jednego z nich, niezbędna jest precyzyjna lokalizacja miejsca awarii umożliwiająca szybką reakcję i zapobieżenie wystąpieniu przerw w zasilaniu krytycznych urządzeń.

Opis systemu SAN2

System kontroli stanu izolacji SAN2 przeznaczony jest do nadzoru izolowanych sieci prądu stałego o napięciu znamionowym od 24V do 220V. SAN2 mierzy rezystancję doziemną obu biegunów względem potencjału ziemi oraz lokalizuje doziemione odpływy w sieciach o pojemności rzędu 400 µF. Nadzór odbywa się w sposób ciągły, a aktualne wyniki przedstawiane są na wyświetlaczu LCD. Za pomocą konsoli użytkownika możliwa jest pełna konfiguracja systemu. Obniżenie rezystancji poniżej zadanych progów sygnalizowane jest przez zapalenie odpowiedniej diody LED oraz zadziałanie przekaźników alarmowych. Wszystkie zdarzenia zapisywane są w nieulotnej pamięci urządzenia, do której użytkownik ma dostęp lokalny oraz zdalny. Zintegrowane w jednostce centralnej interfejsy komunikacyjne RS485, USB i Ethernet umożliwiają konfigurację oraz przesyłanie danych do systemu nadrzędnego. Zaawansowany system mikroprocesorowy w połączeniu z wydajnymi, adaptacyjnymi algorytmami pomiarowymi pozwalają na precyzyjny i szybki pomiar prądu upływowego oraz lokalizację uszkodzonego odpływu nawet w środowiskach o dużych zakłóceniach.

Modułowa budowa umożliwia utworzenie rozproszonego systemu do nadzoru maksymalnie 1760 odpływów. Do komunikacji między modułami wykorzystana jest magistrala wewnętrzna zgodna ze standardem CAN2.0A. Na jednej magistrali logicznej może występować do 110 modułów dowolnego typu. Każdy z nich powinien posiadać unikalny numer komunikacyjny z zakresu od 1 do 110, niezależnie od typu modułu. Rysunek 1. przedstawia schemat blokowy systemu.

Rys_1_APS

Rys. 1. Schemat blokowy systemu SAN2

 

Po uruchomieniu, każdy moduł skanuje wewnętrzną magistralę i jednostka centralna SAN 2-1 tworzy listę obecnych jednostek komunikacyjnych. SAN2-2 natomiast sprawdza dostępność jednostek będących generatorami impulsów testowych. Dołączenie dowolnego modułu w czasie pracy wymusza aktualizację stanu magistrali wewnętrznej w każdej jednostce komunikacyjnej. W przypadku awarii jednego z modułów (np. utrata komunikacji), jednostka centralna zasygnalizuje ten fakt za pomocą odpowiedniego komunikatu.

Rys. 2 przedstawia schemat blokowy modułu SAN2-1. Moduł składa się z dwóch zasadniczych bloków: miernika doziemienia oraz lokalizatora. Blok miernika doziemienia zawiera generator impulsów testowych oraz blok kontrolno-pomiarowy, który steruje pracą generatora na podstawie aktualnych pomiarów oraz zadanych parametrów. Generator impulsów testowych może pracować w jednym z dwóch trybów pracy, zależnie od konfiguracji i wartości rezystancji doziemnych.

Rys_2_APS

Rys. 2. Schemat blokowy SAN 2-1

Dla najbardziej wrażliwych odbiorników energii wprowadzono napięciowy tryb pracy, ze względu na wprowadzanie najmniejszych zakłóceń do sieci. W pozostałych przypadkach zaleca się załączenie trybu prądowego, którego minimalna amplituda 2mA może być nastawiana również dla wrażliwych odbiorników. Amplituda maksymalna 30mA jest wskazana w sieciach, w których występuje wiele doziemionych odpływów. Fabrycznie nastawiona amplituda wynosi 20mA.

Napięciowy tryb pracy jest aktywny jeśli jest załączony i rezystancja obu biegunów sieci przekracza wartość ustawionego progu. W trybie napięciowym maksymalna bezwzględna różnica napięć biegunów względem potencjału uziemienia nie przekracza 20V. Rys. 3 przedstawia przebieg napięć U+ oraz U- dla aktywnego trybu napięciowego.

Rys_3_APS

Rys. 3. Tryb napięciowy generatora

Jeśli miernik doziemienia wykryje spadek wartości rezystancji doziemnej poniżej ustawionego progu, generator zostaje przełączony w tryb prądowy (niezależnie od ustawionego trybu pracy). Maksymalna amplituda prądu IG zależna jest od ustawionej wartości ograniczenia. Powrót do trybu napięciowego nastąpi, kiedy wartość rezystancji doziemnej na obu biegunach przekroczy ustawiona wartość. Rys. 4 przedstawia przebieg prądu generatora IG dla aktywnego trybu prądowego.

Rys_4_APS

Rys. 4. Tryb prądowy generatora

Pracą lokalizatora steruje blok kontrolno-pomiarowy miernika doziemienia – w przypadku modułu SAN2-1 – lub blok kontrolno-pomiarowy jednostki centralnej umieszczonej na tej samej magistrali – w przypadku modułu SAN2-2. Schemat blokowy modułu SAN2-2 przedstawiono na rys. 5.

Rys_5_APS

Rys. 5. Schemat blokowy SAN 2-2

Pomiar rezystancji doziemnych realizowany jest w modułach SAN2-1. Jego działanie opiera się na analizie generowanego okresowo sygnału testowego. Zarówno okres cyklu pomiarowego jak również amplituda sygnału testowego uzależnione są od konfiguracji miernika doziemienia i aktualnych parametrów sieci. Jeżeli wartość rezystancji doziemnej obniży się poniżej ustawionego progu, układ zapisze zdarzenie do rejestru zdarzeń oraz wygeneruje alarm w postaci zaświecenia diody LED i załączenia przekaźnika. Dodatkowo uruchomiony zostanie proces lokalizowania uszkodzonego odpływu. Układ lokalizatora służy do pomiaru prądu upływowego w czasie rzeczywistym. Każdy nadzorowany odpływ musi być wyposażony w przekładnik prądowy podłączony do odpowiedniego wejścia pomiarowego modułu SAN2-1 lub SAN2-2. Jeśli wynik testu jest pozytywny, po zakończeniu cyklu pomiarowego następuje analiza zgromadzonych serii pomiarowych. W przeciwnym wypadku aktualizowany jest status kanału pomiarowego a wyniki pomiarow są ignorowane. Jeśli wyniki pomiarow zgromadzone w okresie cyklu pomiarowego są poprawne, następuje ich analiza i wyznaczenie prądu upływowego. Wyniki pomiarów aktualizowane są co 2 okresy pomiarowe, co teoretycznie daje minimalny czas lokalizacji dowolnego odpływu 4s (dla czasu pomiaru 1s i czasu przerwy 1s). Zależność ta dotyczy wszystkich modułów podłączonych do magistrali wewnętrznej. Zależności czasowe pracy lokalizatora przedstawiono na rys. 6.

Rys_6_APS

Rys. 6. Praca lokalizatora

Zapotrzebowanie nadzoru sieci do 16 odpływów pokrywa jeden moduł SAN2-1. Najczęściej zachodzi jednak potrzeba nadzoru więcej niż 16 odpływów. Możemy wówczas zastosować łącznie do 110 modułów, co rozszerza liczbę nadzorowanych odpływów do 1760. Ponieważ w jednej sieci może pracować tylko jeden generator sygnałów testowych, zaimplementowane zostały mechanizmy blokujące pracę pozostałych jednostek posiadających funkcję generatora. Synchronizacja pracy generatorów może odbywać się z wykorzystaniem wejścia blokady bądź automatycznie. Ta właściwość systemu pozwala na stosowanie SAN2 w układach wielosekcyjnych.

Podsumowanie

SAN2 został tak zaprojektowany, aby był skalowalny i jednostka centralna tj. moduł SAN2-1 stanowił kompletne urządzenie nadzorujące do 16 odpływów (zintegrowany miernik rezystancji izolacji i lokalizator doziemień). W przypadku konieczności monitorowania większej liczby odpływów należy zastosować moduły lokalizatorów SAN2-2. Każdy lokalizator SAN2-2 obsługuje kolejne 16 odpływów. Łącznie możemy zainstalować do 110 modułów, co rozszerza liczbę nadzorowanych odpływów do 1760. Taka konstrukcja zwiększa efektywność systemu i pozwala na optymalizację kosztów instalacji.

System SAN2 został wyróżniony w ramach konkursu GO_ Global.PL ,,Zwiększenie skali komercjalizacji na rynkach światowych wyników badań naukowych lub prac rozwojowych polskich firm”, prowadzonego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.

Mgr inż. Ireneusz Konarski
APS ENERGIA S.A.

APS Energia S.A. jest spółką założoną przez byłych pracowników naukowych z Politechniki Warszawskiej. Przedsiębiorstwo blisko współpracuje z uczelniami technicznymi i wspiera wydarzenia naukowe związane z rozwojem przemysłu energetycznego. Jednym z priorytetów Spółki jest komercjalizacja osiągnięć naukowych w zakresie zasilania awaryjnego.

 

Click to comment

Leave a Reply

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

To Top