Technologie

Zabezpieczenia odsprzęgające w elektrowniach. Jak prawidłowo sprawdzić kierunkowe zabezpieczenie ponadnapięciowe z pomiarem mocy biernej Q-U?

Ze względu na wciąż rosnącą liczbę zdecentralizowanych elektrowni, ich operatorzy są zobligowani do instalowania coraz większej liczby kierunkowych zabezpieczeń podnapięciowych biernomocowych (ochrona Q-U). Muszą one zostać przetestowane zgodnie z wytycznymi, a ich funkcjonalność musi być potwierdzona raportem z testów. Jednakże, w niektórych przypadkach, różnorodność wytycznych dotyczących testów pozostawia zbyt wiele miejsca na interpretację, co prowadzi do niejasności. Firma KoCoS przeanalizowała istniejące wytyczne i opracowała rozwiązania do przeprowadzania testów zabezpieczeń Q-U.

Udział energii odnawialnej w całkowitym zużyciu energii elektrycznej w Niemczech w ciągu ostatnich 20 lat stale się zwiększał. Podczas gdy w 2000 roku energia odnawialna stanowiła 6% całkowitego zużycia energii, to w roku 2018 udział ten osiągnął już wartość 38%. Oczekuje się, że do roku 2025 wzrośnie do poziomu 40 – 45%. Do tego wzrostu przyczyni się przede wszystkim energia wiatrowa i słoneczna [1]. W 2019 roku Niemcy były europejskim liderem w dziedzinie energii wiatrowej, o łącznej zainstalowanej mocy powyżej 53 GW [2]. Ze względu na wydajność poszczególnych elektrowni, są one podłączone bezpośrednio do sieci średniego i wysokiego napięcia. Operatorzy sieci musieli ponownie przemyśleć swój system zabezpieczeń i dostosować go do nowej struktury sieci. W odpowiedzi na to wyzwanie, do technicznych warunków przyłączy wprowadzono kierunkowe zabezpieczenie podnapięciowe biernomocowe (zabezpieczenie Q-U). W niniejszym artykule obszernie omówiono tryby pracy zabezpieczenia, zaproponowano wartości nastaw oraz sposób jego testowania.

Ilustracja 1: Schemat blokowy kierunkowego zabezpieczenia podnapięciowego biernomocowego

Zabezpieczenie Q-U zapewnia większą stabilność pracy systemu elektroenergetycznego

W przeciwieństwie do zabezpieczeń nadprądowych czy odległościowych, zabezpieczenie Q-U nie ma na celu ochrony określonego obiektu, na przykład generatora lub linii przesyłowych. Zabezpieczenie Q-U jest przede wszystkim zabezpieczeniem systemowym, mającym na celu zapewnienie bezpiecznej eksploatacji całego systemu elektroenergetycznego. Zabezpieczenie Q-U służy do odłączania od sieci jednostek wytwarzających energię, które w przypadku pojawienia się stanu zakłóceniowego w sieci elektroenergetycznej, mogłyby pogłębiać lawinę napięciową poprzez „przeciążenie” sieci mocą bierną. Ma to na celu zapobieżenie gwałtownemu spadkowi napięcia i zwiększeniu stabilności napięciowej systemu.

Monitorowanie mocy biernej i zabezpieczenie podnapięciowe

W poniższych rozważaniach na temat bloków funkcyjnych zabezpieczenia Q-U przyjmuje się wartości standardowe zaczerpnięte z dokumentu „Specyfikacja kierunkowego zabezpieczenia podnapięciowego biernomocowego“.
Faktyczne wartości parametrów mogą być jednak inne, w zależności od systemu i są definiowane przez operatora sieci [3]. Głównym elementem zabezpieczeń Q-U jest kryterium mocy biernej. Ten blok funkcyjny kontroluje, czy elektrownia pobiera moc bierną indukcyjną z sieci, przez co nie przyczyni się do „wzmocnienia” lawiny napięciowej w momencie wystąpienia zakłócenia w systemie elektroenergetycznym. Do zobrazowania obszaru „mocowego”, przy którym nastąpi wyłączenie, może posłużyć rysunek 2. Dostępne są dwa warianty wyznaczenia obszaru wyłączenia. W celu zapobieżenia zbędnemu zadziałaniu, krzywa rozgraniczająca nachylona jest pod kątem φ i powiązana z prądem minimalnym I1 w wariancie 1. W wariancie 2 obszary działania i niedziałania rozgraniczone są prostą równoległą do osi mocy czynnej. W takim przypadku kryterium prądu minimalnego może być również użyte, ale nie jest to bezwzględnie konieczne [3]. W dalszych rozważaniach oraz przykładach zakłada się monitorowanie mocy biernej według wariantu 1 z kątem odchylenia φ = 3° i prądem minimalnym I1 = 0,10 In. Ponadto monitorowanie mocy biernej jest powiązane z funkcją zabezpieczenia podnapięciowego. Należy podkreślić, że monitorowanie napięć pojedynczej fazy nie jest powiązane logicznie operatorem „LUB” (alternatywa), lecz operatorem koniunkcji „ORAZ” (łącznie). Wszystkie trzy napięcia „faza do fazy” muszą być zatem poniżej wartości granicznej ULL<Q-U = 0,85 Un. Jeśli zarówno moc bierna, jak i napięcia międzyfazowe znajdują się w określonych wcześniej zakresach, rozpoczyna się działanie funkcji podzielone na dwa etapy. Po czasie t1 = 0,5 s, jednostki wytwarzające moc są odłączane od sieci poprzez otwarcie wyłącznika generatorowego. Jeśli to nie zdziała, cała elektrownia jest odłączana od sieci po czasie t2 = 1,5 s.

Zakres wyłączania dla stałego monitorowania mocy biernej (wariant 2)
Ilustracja 2: Warianty zasięgu zadziałania detekcji kierunku mocy biernej

Właściwe wdrażanie wytycznych dotyczących testów

Ze względu na stale rosnącą liczbę zdecentralizowanych elektrowni, które na mocy różnych dyrektyw muszą być obligatoryjnie wyposażone w zabezpieczenia Q-U, w ostatnich latach wzrosło również zapotrzebowanie na testy tych zabezpieczeń. Ponieważ operatorzy elektrowni w większości przypadków nie mogą sami przeprowadzać takich testów, stworzono nowy, stale rozwijający się obszar usług technicznych. Ze względu na ograniczoną dostępność jednostek testujących, firmy, które budują elektrownie wykonują obecnie również testy zabezpieczeń, aby móc w odpowiednim czasie, po teście rozruchowym, przekazać wybudowaną elektrownię jej operatorowi. Dla tych firm wytyczne odnośnie testów są niezbędne, ponieważ testowanie zabezpieczeń nie jest ich podstawową działalnością. Ze względu na fakt, że wytyczne nie podają szczegółowych instrukcji testowania, a raczej opisują funkcjonowanie zabezpieczeń, wiele różnych instytucji opublikowało specjalnie przygotowane instrukcje szczegółowe. Na pierwszy rzut oka są one w dużej mierze identyczne i obejmują wymagane etapy testów. Jednak po głębszej analizie okazuje się, że pozostawiają one sporo miejsca na indywidualną interpretację, co powoduje, że wyniki testów są czasami niejasne lub błędnie interpretowane.

Próba napięciowa

Zazwyczaj pierwszym krokiem jest próba napięciowa. Prąd i kąt przesunięcia fazowego powinny być ustawione tak, aby spełnione było kryterium wyłączenia. Jeśli poziom napięcia obniży się symetrycznie, sygnał pobudzenia lub zadziałania powinien pojawić przy 0,85 Un. W ten sposób można wykonać test spadku napięcia. Punkt ten jest jasno i jednoznacznie opisany we wszystkich instrukcjach. W kolejnym kroku należy sprawdzić koniunkcję monitorowania napięcia w trzech fazach. W tym celu często zaleca się, żeby napięcia obniżyć do poziomu 0 V w jednej lub dwóch fazach jednocześnie. W takich przypadkach nie może wystąpić pojawienie się sygnału

wyłączającego. Ponieważ urządzenia testujące zazwyczaj generują na wyjściu napięcia fazowe w układzie „przewód fazowy – przewód neutralny” dla każdej z faz, najprostszym rozwiązaniem byłoby kolejno obniżenie napięcia w każdej z faz, a następnie jednoczesne zredukowanie napięcia w dwóch różnych fazach do 0 V. Biorąc pod uwagę powyższe należy jednak zauważyć, że zabezpieczenie Q -V monitoruje napięcia międzyfazowe jak to opisano wcześniej. Jeśli najpierw sprawdza się spadek napięcia w jednej fazie, kryterium podnapięcia nie zostaje spełnione, ponieważ jedno napięcie międzyfazowe pozostaje napięciem nominalnym. W przypadku „dwufazowego” obniżania napięcia, napięcia dwóch przewodów fazowych do przewodu neutralnego zmniejszyłyby się teraz analogicznie od napięcia nominalnego do 0 V. W tym przypadku wszystkie 3 napięcia międzyfazowe spadłyby poniżej 0,85 Un. Jedno napięcie międzyfazowe wynosiłoby
0 V, a dwa pozostałe spadłyby do wartości napięcia między przewodem fazowym, a neutralnym. W tej sytuacji spełnione zostałoby kryterium podnapięciowe, a zabezpieczenie wyłączyłoby system. Ponieważ jednak w przypadku pomyślnego wyniku testu takie wyłączenie nie może mieć miejsca, taki test mógłby być błędnie oceniony jako nieudany. Jeżeli jednak symulowana jest rzeczywista awaria napięcia dwufazowego, przy której napięcia przewód fazowy-przewód neutralny są tożsame, nie miałoby miejsca wyłączenie, ponieważ dwa napięcia międzyfazowe pozostają >0,85 Un, podczas gdy jedno napięcie spada do 0 V [4].

Kąt wyłączania

Po wykonaniu próby napięciowej należy sprawdzić kąt wyłączania. W tym celu wartości napięcia i prądu muszą niezawodnie spełnić kryterium wyłączenia. Dla realizacji tego warunku wszystkie napięcia powinny być ustawione na
0,82 Un, a prądy na przykład na 0,2 In. W takim przypadku obszar wyłączania znajduje się w ćwiartkach 1 i 2. Aby sprawdzić kąt wyłączenia, wektor mocy pozornej S musiałby zmieniać swoje „położenie” z trzeciej do drugiej ćwiartki lub z czwartej do pierwszej. Z jednej strony można znaleźć bardzo skomplikowane instrukcje dotyczące tego testu, których opis może czasami dezorientować. Z drugiej strony mamy proste instrukcje, które jednakże nie przynoszą pożądanego rezultatu. Instrukcje te opierają się na zmianie kątów przesunięcia fazowego prądu w stosunku do kątów napięcia. Jednak w niektórych przypadkach, związek z kątem mocy nie jest właściwie uwzględniany, biorąc pod uwagę punkt uziemienia przekładników prądowych.

Prąd zadziałania

W odniesieniu do końcowego testu prądu zadziałania trudno doszukać się jakichkolwiek niejasności, czy możliwości różnych interpretacji. Zasadniczo badanie przeprowadza się podobnie do symetrycznego obniżania napięcia. Jednakże w tym przypadku, napięcie pozostaje w zakresie, przy którym powinno nastąpić zadziałanie funkcji, a prąd jest zwiększany symetrycznie krok po kroku, aż do pobudzenia i zadziałania zabezpieczenia.

Tworzenie niestandardowych planów testowania

Zasadniczo instrukcje dotyczące testowania zabezpieczeń Q-U mają identyczną strukturę. Jednakże, jak pokazano powyżej, mogą pojawić się pytania otwarte. W związku z tym należy opracować jasny plan testów, który nie pozostawi miejsca na różne interpretacje. W przypadku próby napięciowej, moc bierna (z uwzględnieniem kąta) oraz prądy muszą być stale w obszarze wyłączenia. Oba kryteria będą spełnione, jeśli prądy są ustawione na wartości I > 0,2 In, a kąty napięć są ustawione tak, aby wektor mocy biernej był pod kątem 90°. W zakresie mocy odpowiadałoby to zużyciu jedynie mocy biernej bez mocy czynnej. Następnie napięcia są zmniejszane symetrycznie, począwszy od napięcia nominalnego, przy czym czas trwania każdego kroku powinien wynosić co najmniej 2 s. W ten sposób można sprawdzić wartość pobudzenia i czas zadziałania. Po zadziałaniu, napięcia są ponownie zwiększane symetrycznie w celu określenia wartości powrotu. W kolejnym kroku sprawdza się koniunkcję napięć. Po pierwsze, w ramach jednej fazy, poszczególne napięcia są zmniejszane od wartości napięcia fazowego do 0 V, przy czym nie może wystąpić zadziałanie. Wreszcie, poszczególne napięcia międzyfazowe muszą być zredukowane do
0 V, z uwzględnieniem prawidłowych relacji fizycznych, co opisano wcześniej. W tym przypadku również nie może wystąpić zadziałanie. Aby sprawdzić kąt wyłączenia, należy ustawić napięcie na U < 0,82 Un, a prądy na I > 0,2 In, tak jak w przypadku próby napięciowej. Jak opisano powyżej, kąty przesunięcia fazowego prądu muszą być teraz zmienione tak, aby kąt wektora mocy pozornej przemieszczał się od trzeciej do drugiej ćwiartki i od czwartej do pierwszej. Również w tym przypadku należy wybrać czas trwania kroku testu co najmniej 2 s i przeprowadzić test spadku. Do testu prądu zadziałania napięcie musi być ponownie ustawione na U < 0,82 Un, a kąt przesunięcia fazowego prądu musi być ustawiony na obszar wyłączania (na przykład czysty pobór mocy biernej). W tym teście natężenie prądu jest zwiększane stopniowo od 0, z krokiem 2 s, aż do wartości zadziałania. Czas zadziałania powinien być rejestrowany. Wszystkie wyniki powinny zostać ujęte w raporcie z testów. Raport ten musi być przedłożony na żądanie operatora sieci. Opisane etapy testowania odnoszą się wyłącznie do testowania zabezpieczeń Q-U. W razie potrzeby, w planie testów należy uwzględnić dalsze testy, takie jak na przykład wyłączanie przez zadziałanie wyłącznika automatycznego.

Automatyczne testowanie z wykorzystaniem ARTES RC3 oraz smartfonu

KoCoS Messtechnik AG od ponad 20 lat opracowuje i produkuje systemy do testowania wszystkich rodzajów przekaźników zabezpieczeniowych. ARTES RC3 jest systemem testowym, zoptymalizowanym do testowania zabezpieczeń odsprzęgających. Został on zredukowany do minimum niezbędnego do tego celu i wyposażony w 5-calowy moduł sterujący zintegrowany w ramach solidnej obudowy. Ze względu na zakładane stosowanie urządzenia w trudnych warunkach, specjalny moduł do testowania zabezpieczeń Q-U został wbudowany w wewnętrzną jednostkę sterowania. To umożliwia całkowite przetestowanie zabezpieczeń Q-U, w tym logowanie się bez komputera. Do celów testowych, specyfikacja wartości testowych i wymaganych warunków błędu wprowadzana jest tylko raz. Na jej podstawie, aktywowane testy są realizowane automatycznie. Operator testu używa aplikacji na smartfonie do zarządzania wynikami. Za pomocą funkcji skanowania, wyniki testów są przenoszone, łączone w ramach wstępnie przygotowanego raportu i przechowywane w bazie danych. W ten sposób raport można wysłać bezpośrednio lub zsynchronizować później z bazą danych oprogramowania testowego na komputerze. Najważniejszym warunkiem wstępnym dla wiarygodnego testu ochrony Q-U pozostaje dobra wiedza o zabezpieczeniach sieci. Jest to jedyny sposób na prawidłową interpretację różnych instrukcji testowych. Jednakże wdrożenie tej wiedzy w praktyce może być wspierane przez nowoczesną technologię testową z ustawionymi wstępnie parametrami i automatyczną realizacją, oceną i zapisywaniem logów do wszystkich zdarzeń. W tym obszarze zarówno usługodawcy, jak i operatorzy są odpowiedzialni w równym stopniu.

Życiorys

We współpracy z ABB Automation GmbH, Bryan Fleuth ukończył dwutorowy kurs w zakresie inżynierii elektrycznej na uniwersytecie państwowym DHBW-Mannheim (Państwowy Uniwersytet Badenia- Wirtembergia Spółdzielnia), uzyskując tytuł inżyniera. W marcu 2018 roku, Bryan Fleuth rozpoczął karierę w firmie KoCoS Messtechnik AG i jest obecnie Menedżerem Produktu ds. systemów testowania przekaźników zabezpieczeniowych. Jest osobą kontaktową dla dystrybutorów i klientów na całym świecie, oferując im kompetentne wsparcie bazujące na jego wiedzy o produktach i ich zastosowaniach.

Bryan Fleuth B. Eng., Product Manager,
KoCoS Messtechnik AG, Korbach, Niemcy

Click to comment

Leave a Reply

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

To Top