Układy zasilania sieci średniego napięcia - automatyka SZR
Sieć średniego napięcia (SN) jest jednym z elementów sieci rozdzielczej w krajowym systemie elektroenergetycznym. Zadaniem sieci rozdzielczej jest doprowadzenie energii elektrycznej do odbiorców finalnych (przemysł, odbiorcy bytowo - komunalni). Do sieci rozdzielczej zaliczamy także: sieci 110 kV i niskiego napięcia (nn). Sieci rozdzielcze w krajowym systemie elektroenergetycznym eksploatowane są przez spółki dystrybucyjne [1, 2].
Sieci SN to sieci o napięciu od 6 do 30 kV. Jako napięcie przeważające występuje obecnie napięcie 15 kV (docelowo 20 kV). Na niewielkich obszarach występuje napięcie 6 kV, 10 kV, 30 kV oraz w zakładach przemysłowych 6 kV i 10 kV. Sieć o na pięciu 6 kV jest siecią nierozwojową, która zachowała się w starych dzielnicach dużych miast. W trakcie prac modernizacyjnych sieć ta jest zastępowana napięciem 15 kV. Napięcie 20 kV występuje w kilku rejonach Polski i stanowi około 20% ogólnej długości sieci średniego napięcia. Napięcie 20 kV jest uznawane za rozwojowe ze względu na kryteria ekonomiczne oraz unifikację międzynarodową [3, 4].
Struktura sieci SN
Wybór struktury sieci SN zależy przede wszystkim od gęstości powierzchniowej obciążenia sieci i od wymagań, jakie ta sieć ma spełniać. Do wymagań zaliczamy następujące zagadnienia:
uzyskanie odpowiedniej pewności dostawy energii elektrycznej,
minimalizację kosztów eksploatacji sieci,
zapewnienie elastyczności pracy przy rozbudowie,
prostotę i przejrzystość struktury,
odpowiednią jakość dostarczonej odbiorcom energii,
ochronę środowiska naturalnego,
możliwość usprawnienia eksploatacji i prowadzenia ruchu sieci przez wprowadzenie telemechanizacji, automatyki zabezpieczeniowej i techniki komputerowej.
W skład struktury sieci wchodzą między innymi:
układy ciągów liniowych, tj. magistral prowadzonych między stacjami w postaci linii napowietrznych lub kablowych,
układy magistral z odgałęzieniami,
układy stacji transformatorowe - rozdzielczych zasilających i odbiorczych.
Ze względu na sposób prowadzenia ciągów liniowych, wyróżniamy następujące struktury:
struktury otwarte; w sieciach o takiej strukturze istnieje możliwość zasilania stacji odbiorczych z więcej niż jednej stacji zasilającej; typowym przykładem sieci otwartej jest układ linii promieniowych;
struktury wielokrotnie zamknięte; w sieciach tego typu stacje odbiorcze mogą być zasilane z kilku stacji zasilających; w strukturze tej można wyodrębnić konfiguracje otwarte.
Miejskie sieci średniego napięcia
Sieć rozdzielcza SN zasila transformatory SN/nn zainstalowane w stacjach SN/nn odbiorców komunalno-bytowych oraz małe zakłady przemysłowe. Sieć tę musi cechować duża niezawodność, dlatego też mają tu zastosowanie struktury zamknięte o układach:
pętlowym - zasilanym z jednego lub dwóch punktów,
kłosowym,
wrzecionowym,
dwuliniowym.
Zastosowany układ musi zapewniać pełną rezerwę zasilania wszystkich transformatorów SN/nn.
Układy pętlowe mogą być zasilane z jednej stacji 110/SN z dwóch sekcji w rozdzielni SN lub z dwóch stacji 110/SN. Najbardziej obecnie rozpowszechniony jest układ pętlowy z przelotowymi stacjami SN/nn z zastosowaniem jednego lub dwóch transformatorów odbiorczych, Punkt rozcięcia pętli lokalizuje się w pobliżu punktu spływu lub miejsca zainstalowania automatyki SZR.
Układ kłosowy jest połączeniem kilku układów pętlowych. Idea układu kłosowego polega na tym, że droga przepływu energii elektrycznej do niektórych odbiorców jest dla kilku pętli wspólna. Część pętli Jest prowadzona między różnymi stacjami 110/SN, a część między stacją 110/SN i odbiorami należącymi do sąsiedniej pętli. Układy kłosowe mają zastosowanie w sieci średniego napięcia, gdzie istnieje potrzeba uzyskania większej elastyczności w trakcie rozbudowy sieci. Układy kłosowe pracują jako otwarte. Miejsca podziałów sieci lokalizowane są w stacjach SN/nn, gdzie niewystąpią przeciążenia ciągów liniowych oraz zapewnią elastyczność pracy sieci.
Układ wrzecionowy jest układem wlelopętlowym stosowanym w trakcie rozbudowy sieci średniego napięcia. Pętle prowadzone są między stacją 110/SN i rozbudowywaną etapowo rozdzielnią sieciową (RS). W układzie wrzecionowym ze stacji 110/SN do stacji RS prowadzony Jest główny kabel zasilający o dużym przekroju (np. 240 mm2 ), który powinien zapewnić przeniesienie całego obciążenia stacji RS. Kabel ten stanowi rdzeń wrzeciona, a po obu stronach którego prowadzone są pętle SN.
W sieciach średniego napięcia wymagających dużej pewności zasilania stosuje się układy dwuliniowe. Cechą układu dwuliniowego (dwumagistralnego) Jest to, że każdy transformator SN/nn może być zasilany z dwóch źródeł za pomocą dwóch niezależnych ciągów liniowych. Linie SN mogą być zasilane z różnych sekcji tej samej stacji 110/SN lub z dwóch różnych stacji 110/SN. Wszystkie stacje SN/nn w klasycznym rozwiązaniu układu dwuliniowego powinny być budowane jako dwutransformatorowe, a ciągi liniowe winny być bogato wyposażone w aparaturę łączeniową.
W małych miastach punktami zasilania sieci SN są na ogół stacje 110/SN jedno- lub dwutransformatorowe. W centrach dużych miast, gdzie nie ma możliwości doprowadzenia linii napowietrznych 110 kV i budowy stacji 110/SN, sieć SN zasilana jest z rozdzielni sieciowych miejskich (RSM). Sekcje szyn w rozdzielni RSM zasilane są liniami SN o dużych przekrojach prowadzonych z różnych stacji 110/SN. W nowych rozwiązaniach rozdzielnie RSM zastępowane są przez wnętrzowe stacje 110/SN wykonane w izolacji z sześciofluorku siarki (SF6}, gdzie szyny stacji 110 kV zasilane są linią kablową w izolacji polietylenowej. Sieć średniego napięcia w miastach wykonuje Się za pomocą kabli, z wyjątkiem rejonów peryferyjnych, gdzie stosuje się sieć napowietrzną o cechach sieci terenowej.
Terenowe sieci średniego napięcia
Odbiorami w sieci terenowej, SN są przede wszystkim sieci wiejskie nn i sieci nn małych miasteczek. Sieć SN zasilana jest ze stacji 110/SN położonych w pobliżu miast lub dużych terenowych zakładów przemysłowych. W przestarzałych sieciach SN stosowane są rozgałęzione układy promieniowe o strukturze drzewo. W strukturze tej wyróżnia się: pień linii, linie odgałęźne i odczepowe. W strukturze drzewo występuje duże zróżnicowanie przekrojów linii. W miarę rozbudowy ilości stacji 110/SN istnieje możliwość zamykania układów promieniowych tego typu sieci. Linie promieniowe mogą być zasilane z dwóch lub większej liczby stacji 110/SN.
Sieci terenowe pracują w układach otwartych (promieniowych z rozgałęzieniami lub magistralnych z rozgałęzieniami). Przy normalnej eksploatacji sieci odpowiednie odłączniki sekcyjne powinny być pootwierane w taki sposób, aby zapewnić minimum strat mocy w sieci oraz aby nie zostały przekroczone dopuszczalne spadki napięcia (dotyczy to sieci wielostronnie zasilanej). Przy zasilaniu sieci z jednej stacji 110/SN wszystkie odłączniki sekcyjne są oczywiście zamknięte. W zależności od rodzaju zabudowy, stosuje się różne rodzaje rozwiązań linii SN terenowych. W większości przypadków jest to magistralny układ sieci. Dla obszarów o zabudowie zwartej i skupionej oraz ze znacznym udziałem wydzielonych stacji dla pojedynczego odbiorcy może mieć zastosowanie układ, w którym od linii magistralnych prowadzone są bezpośrednio linie odczepowe zasilające stacje SN/nn.
Sieci terenowe budowane są jako napowietrzne, W stacjach 110/SN, w polach linii odpływowych SN stosowane są układy automatyki SPZ (samoczynne ponowne załączenie). Stosuje się SPZ dwukrotny - z pierwszą przerwą beznapięciową krótką (0,5 s) i drugą przerwą dłuższą (l5-20 s) [5,6]. Dodatkowo linie odgałęzione od pnia powinny być wyposażone w łączniki współpracujące z automatyką SPZ w celu samoczynnego odłączenia w drugiej przerwie SPZ, w przypadku wystąpienia trwałego uszkodzenia na danym odgałęzieniu [7]. Wszędzie tam, gdzie zabudowa ma charakter miejski, powinno się stosować w sieci SN linie kablowe.
Przemysłowe sieci średniego napięcia
Elektroenergetyczna sieć przemysłowa jest to sieć zasilająca urządzenia zainstalowane w określonym zakładzie, przemysłowym. Sieć ta różni się w sposób zdecydowany od sieci miejskich i terenowych. Przemysłowa sieć SN zasila stacje transformatorowo-rozdzielcze SN/nn. Jako napięcie rozdzielcze stosuje się napięcie 6 kV (gdy są zainstalowane odbiorniki na takie napięcia) lub napięcie 15, względnie 20 kV. Przemysłowa sieć SN zasilana jest z rozdzielni 110/SN lub z sieci przesyłowej 220 kV, ewentualnie 400 kV. O ukształtowaniu przemysłowej sieci SN decyduje: wielkość mocy zapotrzebowania, powierzchnia zakładu, gęstość obciążenia, rozmieszczenie przestrzenne odbiorników, lokalizacja stacji zasilających, kategorie zasilanych odbiorników oraz wymagana niezawodność zasilania. W związku z powyższymi warunkami stosuje się następujące układy przemysłowe sieci SN:
promieniowe,
widłowe,
magistralne lub dwumagistralne,
pętlowe,
trójtransformatorowe,
Pojedyncze układy promieniowe lub pojedyncze układy magistralne stosuje się jedynie do zasilania wydzielonych grup odbiorników zaplecza technicznego. W większości przypadków stosuje się układy podwójne; dwupromieniowe, dwuwidłowe, dwumagistralne lub trójtransformatorowe.
Układy dwuwidłowe mają wskaźniki niezawodności zbliżone do układów dwupromieniowych, a jednocześnie ulega dwukrotnemu zmniejszeniu liczba wyłączników zainstalowanych na odpływach. Dla mniej ważnych odbiorów stosuje się w zakładach przemysłowych układy pętlowe, które pracują jako rozcięte.
Układy trójtransformatorowe. stosowane są w zakładach o dużym skupieniu mocy pobieranej. Układ ten zastępuje tradycyjne dwie stacje dwutransformatorowe i zapewnia pełne rezerwowanie. Przemysłowa sieć rozdzielcza SN często jest dodatkowo rezerwowana z istniejących na terenie danego zakładu elektrociepłowni przemysłowych. Elektrociepłownia stanowi wtedy trzecie źródło zasilania i zazwyczaj nie pokrywa w pełni zapotrzebowania na moc danego zakładu.
Układy automatyki SZR
Układy samoczynnego załączenia rezerwy (SZR) stosowane w energetyce służą do minimalizacji przerw w dostawie energii elektrycznej odbiorcom zarówno w stanach awaryjnych sieci, jak i podczas przełączeń planowych. Układy SZR związane są z odpowiednim układem pracy transformatorów 110/SN w danej rozdzielni lub linii rezerwowego zasilania w rozdzielniach sieciowych średniego napięcia.
Ze względu na układy pracy, rozróżnia się następującą automatykę SZR:
z rezerwą jawną - gdy tor zasilania rezerwowego (linia lub transformator) w układzie pracy normalnej nie przenosi żadnego obciążenia, natomiast może zostać załączony podczas zaniku napięcia w torze zasilania podstawowego w celu przejęcia całkowitego obciążenia;
z rezerwą ukrytą - gdy źródła zasilania (co najmniej dwa - linie, transformatory lub linia i transformator) nie są w pełni obciążone w układzie pracy normalnej i mogą być czasowo dociążone w wyniku przełączenia całego obciążenia na zasilanie z jednego z tych źródeł.
Rezerwa ukryta stanowi zwykle rezerwę wzajemną przy jednakowej przepustowości zasilaczy i jednakowym obciążeniu obu źródeł zasilania. W przypadku, gdy tor zasilania rezerwowego (z rezerwą jawną lub ukrytą) nie jest w stanie przejąć całkowitego obciążenia, stosuje się częściowe automatyczne odciążanie przed załączeniem toru rezerwowego zasilania przez SZR. Ze względu na czas działania, układy automatyki SZR dzieli się na [1, 5, 6]:
szybki - gdy czas działaniami jest krótszy niż 0,25 s i czas przerwy w zasilaniu jest krótszy niż 60 ms
powolny - gdy czas działania jest dłuższy niż 0,4
Czas działania Jest to okres czasu od chwili powstania stanu zakłócenia, które uruchamia działanie automatyki SZR, do chwili przywrócenia zasilania na skutek załączenia toru zasilania rezerwowego.
Tradycyjne układy automatyki SZR, gdy dotyczą pracy dwóch transformatorów 110/SN o jednakowych mocach znamionowych, wyposażonych w wyłączniki po stronie 110 kV i SN, są proste oraz pewne w działaniu. W energetyce zawodowej i przemysłowej, eksploatowane są jeszcze tradycyjne przekaźnikowe układy automatyki SZR oraz układy analogowe oparte o zespoły SMAZ ZR -10,11 lub ZAZ SZR 2-12 [8]. Od potowy lat 90. ubiegłego wieku układy automatyki SZR zostały opanowane przez technikę mikroprocesorową i są obecnie powszechnie dostępne w ofercie różnych firm [9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18]. Nowoczesne zespoły automatyki SZR zapewniają automatyczny wybór wariantu pracy w danej stacji (w zależności od stanu położenia wyłączników w polach transformatorów, w polach sprzęgieł oraz w polach linii rezerwowych) wraz z pełną sygnalizacją stanu układu automatyki, kontrolą ciągłości obwodów sterujących, stanu zespołu i sygnalizacją działania.
Układy automatyki SZR komplikują się w następujących przypadkach [8]:
współpracy transformatorów 110/SN o różnych mocach znamionowych zainstalowanych w danej stacji,
współpracy transformatorów 110/SN wyposażonych po stronie 110 kV w odłączniki szybkie zamiast wyłączniki,
współpracy transformatora 110/SN z transformatorem SN/SN w dalej stacji,
współpracy jednego transformatora 110/SN z. linią SN rezerwowego zasilania,
rozdzielni SN zasilanych różnymi liniami rezerwowymi - o różnej obciążalności.
Rozpatrując sytuację opisaną w przypadku a - mamy do czynienia ze stacją 110/SN, w której zainstalowane są transformatory o mocach 16 MVA i 10 MVA lub 10 MVA i 6,3 MVA. W przypadku wypadnięcia z ruchu Jednostki o większej mocy pojawia się problem, czy automatyka SZR ma działać i załączyć wyłącznik sprzęgła, czy automatyka SZR ma być blokowana? W logice działania automatyki można wprowadzić ograniczenie czasowe: w jakich godzinach doby automatyka będzie blokowana lub kontrolę wartości prądu obciążenia mniejszego transformatora. Te dwa elementy w logice działania automatyki SZR nie pozwolą na przeciążenie transformatora o mniejszej mocy i nie doprowadzi to do zaniku napięcia na szynach SN całej stacji. W połowie lat 80. ubiegłego wieku weszły do eksploatacji odłączniki szybkie z napędem elektrycznym, które instalowane byty w miejsce wyłączników po stronie 110 kV transformatorów. Odłącznikiem szybkim można załączać i wyłączać transformator 110/SN tylko w stanie biegu jałowego. Odłącznik ten pozwalał na realizację układu rezerwy jawnej w stacji dwutransformatorowej, co pozwalało na ograniczenie strat biegu jałowego w danej stacji. W logice działania automatyki SZR należy wprowadzić sekwencję dwustopniowego załączania transformatora będącego w rezerwie. Działanie automatyki w przypadku b - jest następujące: po spełnieniu warunków początkowych działania automatyki (stwierdzenie zaniku napięcia na szynach SN, sprawdzenie otwarcia wyłącznika strony SN pracującego transformatora oraz istnieniu napięcia, na szynach 110 kV), następuje podanie impulsu na załączenie transformatora rezerwowego na bieg jałowy po stronie 110 kV, który musi się odbyć w określonym czasie. Po stwierdzeniu, stanu zamknięcia tego odłącznika szybkiego, na- stępuje wystanie impulsu na załączenie wyłącznika po stronie SN transformatora, który może przejąć całe obciążenie danej stacji.
W rozdzielniach 110/SN, w których zainstalowany jest jeden transformator 110/SN, a rezerwę stanowi jednostka SN/SN nieodzownym elementem układu automatyki SZR jest układ odciążania prądowego (przypadek c). W jednej ze stacji w ZE Białystok S.A. zrealizowano układ automatyki SZR, który działa w sposób następujący (jednostka 110/15 kV o mocy 10 MVA, jednostka rezerwowa 30/15 kV o mocy 4 MVA): z chwilą wystąpienia zaniku napięcia na szynach 110 kV stacji i wyłączeniu wyłącznika w polu 15 kV transformatora 110/15 kV następuje wystanie impulsów załączających wyłączniki po stronie 30 i 15 kV jednostki rezerwowej. W momencie przekroczenia obciążenia dopuszczalnego jednostki rezerwowej, które jest kontrolowane przez dodatkowy przekaźnik nadprądowy zwłoczny, następuje uruchomienie trzystopniowego układu odciążania rozdzielni 15 kV. Pierwszy stopień układu odciążania działa z czasem równym zero, drugi stopień z czasem równym l s, a trzeci stopień z czasem krótszym od czasu działania zabezpieczenia nadprądowego zwłocznego strony 15 kV transformatora rezerwowego. Liczba wyłączanych linii 15 kV w poszczególnych stopniach odciążania zależy od decyzji służb ruchu. Z chwilą powrotu napięcia na szyny 110 kV (transformator 110/15 był wyłączony tylko po stronie 15 kV) realizowana jest funkcja samoczynnego powrotu na zasilanie podstawowe w stacji, które polega na wyłączeniu wyłącznika po stronie 15 kV transformatora 30/15 kV, a następnie załączeniu wyłącznika 15 kV transformatora 110/15 kV. Po wykonaniu tych czynności łączeniowych, automatyka SZR uruchamia układ automatyki SPZ (samoczynnego ponownego załączenia), który załącza wyłączniki linii 15 kV wyłączone przez układ odciążania stacji. Dzięki zastosowaniu członu SPZ w automatyce SZR nastąpiło skrócenie czasu trwania przerwy dla odbiorców zasilanych z tej rozdzielni.
Jeżeli w rozdzielni 110/SN zainstalowany jest jeden transformator, często zdarza się, że szyny SN w tej stacji rezerwowane są dwoma liniami SN (przypadek d). Działanie układu automatyki przebiega według następującego schematu: z chwilą wyłączenia wyłącznika transformatora po stronie SN następuje wyłączenie wyłącznika w polu sprzęgła SN (rozdzielnia SN zostaje podzielona na dwie sekcje) oraz załączenie wyłączników dwóch linii SN, które stanowiły rezerwę. Każda linia SN zasila swoją sekcję szyn w tej stacji. Warunkiem załączenia linii rezerwowych jest obecność napięcia w tych liniach. W tego typu stacjach zazwyczaj układ automatyki SZR uzupełniany jest o człon samoczynnego powrotu na zasilanie podstawowe, a w przypadku słabych linii rezerwowych (długie ciągi liniowe, małe przekroje robocze) także układ odciążania prądowego.
W rozdzielniach sieciowych SN, w zależności od konfiguracji linii zasilających układ automatyki SZR, może być uzupełniony o człon odciążania napięciowego, który zapewni zasilanie z szyn SN tej stacji tylko najważniejszych odbiorców (przypadek e).
Duży wybór wariantów automatyki SZR, Jakie mogą być zastosowane w stacjach 110/SN i SN, pozwala do minimum ograniczyć czas przerwy w dostawie energii elektrycznej odbiorcy. Automatyka ta także w znakomity sposób zwiększa niezawodność pracy sieci średnich napięć. Są to bardzo istotne elementy z punktu widzenia Prawa Energetycznego. Obecnie mikroprocesorowe zespoły automatyki SZR - jako produkt krajowej myśli technicznej - są skuteczną konkurencją dla rozwiązań koncernów zagranicznych dostępnych na naszym rynku energetycznym.