Urządzenia dla Energetyki nr 3/2020 by Urządzenia dla Energetyki

ISSN 1732-0216 INDEKS 220272

Nr 3/2020 (126)

w tym cena 16 zł ( 8% VAT )

| www.urzadzeniadlaenergetyki.pl | • Zabezpieczenie generacji rozproszonej od pracy wyspowej (LOM) w technice synchrofazorowej • Kogeneracja, czyli tania energia i czyste powietrze • • SZARM - prezentacja z uczuciem • Izolatory w ogniu • Używanie platformy zenon do przyszłej automatyzacji stacji najwyższych napięć • • TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI cz. II. •

126

Specjalistyczny magazyn branżowy

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020 (126)

• • • •

OD REDAKCJI

Spis treści n NOWOŚCI Nowość FLIR Si124............................................................................................................8 n TECHNOLOGIE, PRODUKTY, INFORMACJE FIRMOWE Kogeneracja, czyli tania energia i czyste powietrze................................. 10 Zabezpieczenie generacji rozproszonej od pracy wyspowej (LOM) w technice synchrofazorowej................................................................. 12 Izolatory w ogniu........................................................................................................... 18 SZARM - prezentacja z uczuciem......................................................................... 26 Nowe wymagania w zakresie minimalnego poziomu sprawności

Wydawca Dom Wydawniczy LIDAAN Sp. z o.o. Adres redakcji 00-241 Warszawa, ul. Długa 44/50 lok. 109 tel./fax: 22 760 31 65 e-mail: redakcja@lidaan.com www.lidaan.com Prezes Zarządu Andrzej Kołodziejczyk, tel. kom.: 502 548 476, e-mail: andrzej@lidaan.com Dyrektor ds. reklamy i marketingu Dariusz Rjatin, tel. kom.: 600 898 082, e-mail: darek@lidaan.com Zespół redakcyjny i współpracownicy Redaktor naczelny: Andrzej Kołodziejczyk, tel. kom.: 502 548 476, e-mail: andrzej@lidaan.com Dr inż. Andrzej Maciej Maciejewski, tel. kom.: 601 991 000, e-mail: andrzej.maciejewski3@neostrada.pl Sekretarz redakcji: Agata Marcinkiewicz tel. kom.: 505 135 181, e-mail: agata.marcinkiewicz@gmail.com Prof. dr hab. inż. Wojciech Żurowski, doc. dr Valentin Dimov (Bułgaria), Inż. Armand Kehiaian (Francja), prof. dr hab. inż. Andrzej Krawczyk, prof. dr hab. inż. Krzysztof Krawczyk, dr inż. Jerzy Mukosiej, prof. dr hab. inż. Andrew Nafalski (Australia), prof. dr hab. inż. Andrzej Rusek, prof. dr inż. Wiesław Seruga, prof. dr hab. Jacek Sosnowski, prof. dr hab. inż. Czesław Waszkiewicz, prof. dr hab. inż. Jerzy Ziółko, mgr Anna Bielska Redaktor ds. wydawniczych: Dr hab. inż. Gabriel Borowski Redaktor Techniczny: Robert Lipski, info@studio2000.pl

silników asynchronicznych wprowadzanych

Fotoreporter: Zbigniew Biel Opracowanie graficzne: www.studio2000.pl

na rynek Unii Europejskiej......................................................................................... 30 Używanie platformy zenon do przyszłej automatyzacji stacji najwyższych napięć. Szybka elektryfikacja z wysokim napięciem dla greckiego operatora IPTO................................................................................. 33 Diagnostyka oraz lokalizacja uszkodzeń w transformatorach mocy .36 Partex: systemy oznaczeń w energetyce......................................................... 44

Redakcja nie odpowiada za treść ogłoszeń. Redakcja zastrzega sobie prawo przeprowadzania zmian w tekstach, np. adiustowania lub skracania, a także nieodsyłania materiałów nie zakwalifikowanych do druku. Przedruk, a także publikacja w innej formie, np. elektronicznej w internecie, tylko za zgodą wydawcy i właściciela praw autorskich. Prenumerata realizowana przez RUCH S.A: Zamówienia na prenumeratę w wersji papierowej i na e-wydania można składać bezpośrednio na stronie www.prenumerata.ruch.com.pl Ewentualne pytania prosimy kierować na adres e-mail: prenumerata@ruch.com.pl lub kontaktując się z Telefonicznym Biurem Obsługi Klienta pod numerem: 801 800 803 lub 22 717 59 59 – czynne w godzinach 7.00 – 18.00. Koszt połączenia wg taryfy operatora.

Współpraca reklamowa: ZPUE.....................................................................................................I OKŁADKA CBIDGP...............................................................................................II OKŁADKA ZARMEN........................................................................................... III OKŁADKA

n TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI

ENERGOTEST.................................................................................. IV OKŁADKA BAKS.......................................................................................................................... 6

Wyłączniki szybkie prądu stałego w układach zasilania trakcji elektrycznej......................................................................................................... 49

BELOS-PLP.............................................................................................................. 5 CANTONI ..............................................................................................................31 COPA DATA ..........................................................................................................35 ENERGETAB..........................................................................................................70 ENERGO-COMPLEX....................................................................................48, 69

Od wytwarzania do zużycia – przykłady zastosowania

ENERGOELEKTRONIKA.PL..............................................................................29 ENERVISION SP.J. ........................................................................................17, 25

Elektrochemicznych Magazynów Energii....................................................... 54

EURO PRO............................................................................................................... 9 FLIR ........................................................................................................................... 9 INSTYTUT ENERGETYKI ..................................................................................47

Przegląd aktualnie prowadzonych badań w zakresie

OMICRON .............................................................................................................42 ORMAZABAL......................................................................................................... 7

łącznikowej techniki próżniowej.......................................................................... 58 Likwidacja rozdzielnic w świetle nowelizacji ustawy o odpadach.. 64

PARTEX ..................................................................................................................43 TRONIA .................................................................................................................29 UESA ........................................................................................................................ 3

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

KONSTRUKCJE BAKS DO MONTAŻU PANELI FOTOWOLTAICZNYCH BAKS.COM.PL/KONSTRUKCJE_PV NOWOŚĆ

W-H4G2

KONSTRUKCJA DS-V4N

- do montażu paneli fotowoltaicznych na dachu skośnym pokrytym dachówką ceramiczną

ul. Jagodne 5, 05-480 Karczew

KONSTRUKCJA DP-DNHBE

- do montażu paneli fotowoltaicznych na dachach płaskich

FABRYKA, CENTRALA FIRMY BAKS, tel.: +48 22 710 81 05 I fotowoltaika@baks.com.pl

BAKS.COM.PL/KONSTRUKCJE_PV

Firma Ormazabal to wiodący dostawca z grupy VELATIA spersonalizowanych rozwiązań dla przedsiębiorstw elektroenergetycznych, użytkowników końcowych energii elektrycznej oraz do zastosowań w zakresie systemów odnawialnych źródeł energii opartych na naszych własnych technologiach. Firma ma wieloletnie doświadczenie w zakresie badań, projektowania, rozwoju, produkowania i montowania aparatury rozdzielczej i sterowniczej średniego napięcia (SN), transformatorów rozdzielczych (SN/nn) oraz stacji transformatorowych.

Jesteśmy jednym z najstarszych zakładów produkcyjnych działających w Europie od 1967 r. specjalizującym się w produkcji rozdzielnic średniego napięcia w izolacji gazowej. Z naszych zakładów produkcyjnych w Europie (Hiszpania, Niemcy, Francja, Polska) dostarczyliśmy ponad 1 350 000 zespołów rozdzielczych do ponad 100 zakładów energetycznych i 600 elektrowni wiatrowych w ponad 110 krajach. Ponad 170 000 sztuk transformatorów firmy Ormazabal jest zainstalowanych w sieciach dystrybucji energii elektrycznej, przemyśle, elektrowniach wiatrowych i fotowoltaicznych w ponad 20 krajach. Poprzez posiadanie jednego z najnowocześniejszych laboratoriów WN w Europie oraz wyspecjalizowany zespół konstruktorów tworzymy nowe rozwiązania dla obecnych i przyszłych zastosowań w energetyce np. transforma.smart transformatory z regulatorami pod obciążeniem.

Jesteśmy jedynym producentem na świecie, który wyprodukował ponad 10 000 szt. stacji transformatorowych podziemnych i ponad 90 000 szt. stacji nadziemnych. Wszystkie nasze produkty charakteryzują się najwyższą jakością wykonania potwierdzoną przez certyfikaty jakości ISO, testy i próby wykonane przez laboratoria akredytowane IPH oraz PEHLA z Niemiec oraz posiadają aprobatę Instytutu Techniki Budowlanej.

Ormazabal Polska Sp. z o.o. Ormazabal Polska Sp. z o.o. Gliwice ul. Toszecka 101 lok 307 tel: +48 512 162 212 +48 509 305 110 +48 691 590 062 +48 537 988 110 email: polonia@ormazabal.com

www.ormazabal.com

NOWOŚCI

Nowość FLIR Si124 Nowość FLIR Si124 przemysłowa kamera akustyczna. Urządzenie to pozwala na lokalizację wycieków sprężonego powietrza oraz lokalizację wyładowań niezupełnych, koronowych czy luzów mechanicznych.

braz akustyczny jest transponowany w czasie rzeczywistym na obraz z kamery cyfrowej, co pozwala dokładnie wskazać źródło dźwięku. Komunikacja Wifi pozwala na przeniesienie obrazów bezpośrednio do chmury FLIR Acoustic Cloud Viewer gdzie obrazy są archiwizowane i mogą posłużyć do późniejszej analizy. Kamera FLIR Si124 pozwala w prosty i szybki sposób uniknąć kosztownych strat w układach sprężonego powietrza lub innych gazów. Dzięki 124 mikroszumowym mikrofonom MEMS na obrazie rzeczywistym wskazywane jest miejsce nieszczelności oraz jego wielkość. Dzięki wbudowanemu algorytmowi po wprowadzeniu mocy sprężarki oraz stawki za kWh automatycznie wyliczane są oszczędności jakie uzyskaliśmy w trakcie pomiarów. Sprężone powietrze jest najdroższym źródłem energii we wszystkich typach fabryk, ale nawet jedna trzecia tego sprężonego powietrza jest tracona z powodu wycieków i nieefektywności. Ludzkie ucho może czasami usłyszeć wyciek powietrza w cichym otoczeniu, ale w typowym środowisku przemysłowym nie można usłyszeć nawet większych wycieków z powodu głośnego hałasu w tle. Na szczęście Si124 odfiltrowuje hałas przemysłowy, umożliwiając profesjonalistom „wizualizację” dźwięku nawet w hałaśliwym otoczeniu.

W sieciach elektroenergetycznych wyładowania koronowe mogą prowadzić do awarii sprzętu i nieplanowanych przestojów. Dzięki Si124 profesjonaliści mogą bezpiecznie wykrywać problemy z odległości do 100 metrów i analizować wzorce wyładowań. Kamera klasyfikuje trzy typy wyładowań niezupełnych, w tym wyładowania koronowe, wyładowania łukowe i luzy mechaniczne. Znajomość rodzaju usterki i jej wagi ma kluczowe znaczenie dla pracy układu i pozwoli na zaplanowanie konserwacji w celu zminimalizowania przestojów. Więcej informacji https://bit.ly/si124 Euro Pro Group Miłosz Kałuża Autoryzowany Dystrybutor FLIR na Polskę Tel. 695 763 265 www.europro.com.pl n

Zdj. 1. Lokalizacja wycieków sprężonego powietrza nigdy nie była tak prosta

Zdj. 2. Wyładowania koronowe w sieciach SN/WN

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

SZKOLENIA BADANIA TERMOWIZYJNE W ENERGETYCE I UTRZYMANIU RUCHU , DYPLOM MIĘDZYNARODOWY INFRARED TRAINING CENTER, SZKOŁA AMERYKAŃSKA TERMINY CO MIESIĄC, TEL 697 790 707 WWW.EUROPRO.COM.PL

AUTORYZOWANY DYSTRYBUTOR FLIR NA POLSKĘ

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE

Kogeneracja, czyli tania energia i czyste powietrze Kogeneracja – jednoczesne wytwarzanie energii cieplnej i elektrycznej – może być szansą dla wielu miast na efektywną walkę z zanieczyszczeniem powietrza i ekonomiczne wsparcie zakładów ciepłowniczych w dobie coraz bardziej rygorystycznej polityki klimatycznej Unii Europejskiej.

Polsce już od kilku lat toczy się zaciekła walka z problemem zanieczyszczeń powietrza. Produkowane przez paleniska tzw. niskiej emisji substancje pokroju pyłów PM2,5 czy PM10, a także związki siarki czy azotu niekorzystnie wpływają na zdrowie ludzi. Odpowiedzią na te zagrożenia jest m.in. rządowy Program Czyste Powietrze – lecz problem zanieczyszczeń wdychanych na co dzień przez Polaków jest znacznie bardziej kompleksowy i wymaga współdziałania rozmaitych podmio-

tów sektora publicznego i prywatnego. Dużą rolę w tym zakresie odgrywają samorządy. Władze lokalne znacznie lepiej orientują się w specyfice regionu, potrafiąc szybciej i sprawniej odpowiadać na jego problemy i skuteczniej koordynować prace. Całość działań musi jednak odbywać się z uwzględnieniem możliwości finansowych poszczególnych gmin czy powiatów. Walka o jakość powietrza będzie odbywać się teraz w cieniu znacznie szerszych zmagań zakreślonych przez nową politykę klimatyczną Unii Euro-

pejskiej, czyli tzw. Zielony Ład. To projektowane właśnie kompleksowe ustawodawstwo zmierza do uczynienia UE neutralną klimatycznie już w roku 2050, co ma być możliwe dzięki szybkiej transformacji energetycznej. Będzie to proces forsowny i wygeneruje duże koszty – zarówno po stronie państw jak i społeczeństw lokalnych. Istnieje jednak technologia, która jawi się jako – przynajmniej częściowa – odpowiedź na problemy zanieczyszczeń powietrza oraz konieczność transformacji energetycznej. Jest to kogene-

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE racja (inaczej zwana współspalaniem), czyli jednoczesne generowanie energii elektrycznej oraz ciepła. Rozwiązanie to umożliwia redukcję szkodliwych emisji zarówno zanieczyszczeń jak i gazów cieplarnianych (przede wszystkim: dwutlenku węgla) oraz wpływa pozytywnie na bilans energetyczny przedsiębiorstw, zwiększając jednocześnie efektywność elektrociepłowni i redukując jej koszty stałe. Dzięki obniżeniu produkcji CO2 technologie kogeneracyjne pozwalają uniknąć opłat emisyjnych, nakładanych w ramach systemu EU ETS. Efekt ten jest potęgowany przez możliwość ograniczenia pracy jednostek węglowych w okresie letnim, gdy ciepło nie jest potrzebne. Pozwala to na szybki zwrot z inwestycji oraz znaczne uelastycznienie produkcji przedsiębiorstwa ciepłowniczego. Warto zaznaczyć, że niektóre samorządy, posiadające potencjał np. w zakresie pozyskiwania metanu z kopalń węgla lub biomasy rolniczej czy leśnej mogą użyć tych surowców do zasilania swych jednostek kogeneracyjnych. Rozwiązania kogeneracyjne już teraz cieszą się uznaniem samorządów, które coraz chętniej instalują układy współspalania w swych zakładach energe-

tycznych. „Oprócz prądu produkujemy ciepło (…). Działa to bez zarzutu (…), jest to nasza przyszłość i Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej będzie elektrociepłownią” – mówił Narcyz Tokarski, ówczesny prezes PEC Legionowo. Od 2016 roku działa tam jednostka kogeneracyjna, która od początku swej pracy generowała zyski dla przedsiębiorstwa. Korzyści były na tyle duże, że PEC Legionowo kontynuowało rozwój parku kogeneracyjnego, montując następne silniki. Rozwój kogeneracji nie byłby możliwy bez wyspecjalizowanych przedsiębiorstw zajmujących się sprzedażą i montażem takich układów. Jednym z liderów polskiego rynku jednostek kogeneracyjnych jest firma Eneria, oferująca instalacje współspalania Caterpillar. To właśnie Eneria odpowiadała za instalację, która pracuje w legionowskim PEC. Spółka ta posiada w portfelu ponad 20 zrealizowanych projektów w elektrociepłowniach o łącznej mocy ok. 50 MW. Ogółem, Eneria zainstalowała w Polsce ponad 100 MW mocy cieplnej i prawie 60 MW mocy elektrycznej. Takie rezultaty były możliwe dzięki zatrudnianiu szerokiego zespołu specjalistów (liczącego 160 osób w tym

50 serwisantów) oraz dysponowaniu własnym biurem projektowym i halami serwisowo-remontowymi. Firma ta świadczy nieustanne usługi serwisowe, dbając o jak najkrótszy czas reakcji na zgłoszenie oraz kompleksowo wspiera swych Klientów na każdym etapie realizacji instalacji – od zakupu po montaż i uruchomienie. Układy kogeneracyjne CAT® należą do kategorii zespołów wysokosprawnych. Oznacza to, że cechuje je maksymalnie efektywne zużycie energii pierwotnej. Taka jednostka, o mocy w przedziale od 137 kW do 4,5 MW, jest w stanie ograniczyć straty generacyjne do zaledwie 8%, wykorzystując aż 92% energii pierwotnej. Taka sprawność to dodatkowe zyski dla przedsiębiorstw ciepłowniczych. Biorąc pod uwagę ogólne warunki zakreślone przez walkę z zanieczyszczeniami powietrza i paneuropejską ochronę klimatu można założyć, że efektywne rozwiązania kogeneracyjne będą cieszyć się coraz większym zainteresowaniem samorządów. Warto już teraz rozważyć instalację takich układów, by wyprzedzić nowe realia i przygotować się na wyzwania przyszłości. Eneria Cat n

ISSN 1732-0216

INDEKS 220272

Nr 1/2020 (124) cena 16 zł (

w tym 8% VAT

cena 16 zł (

| www.urzadzeniadlaenergetyki.pl |

INDEKS 220272

w tym 8% VAT

Nr 3/2020 (126)

)

w tym cena 16 zł ( 8% VAT )

| www.urzadzeniadlaenergetyki.pl |

• FLIR wprowadza następną generację kompaktowych kamer termowizyjnych o wysokiej rozdzielczości • • Zabezpieczenie drganiowe łożyskowań silników elektrycznych • Partex: systemy oznaczeń w automatyce przemysłowej •

• Automatyka zabezpieczeniowa dla elektrowni fotowoltaicznych • Bezpieczeństwo użytkowania multimetru cyfrowego • • Specyfika doboru urządzeń łączeniowych wn oraz transformatorów mocy, z uwzględnieniem trudnych warunków eksploatacji w morskich farmach wiatrowych • Nowa Technologia z pomocą Polskiej Energetyce •

• Ocena stanu transformatorów żywicznych za pomocą diagnostyki wyładowań niezupełnych przy użyciu mobilnego źródła napięcia testowego •

6/02/2020 23:09

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020 (126)

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 2/2020 (125)

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 1/2020 (124) T860 PL 210x215.indd 1

ISSN 1732-0216

Nr 2/2020 (125)

)

Specjalistyczny magazyn branżowy

125

Specjalistyczny magazyn branżowy

124

Specjalistyczny magazyn branżowy

126

125 wydań na rynku

| www.urzadzeniadlaenergetyki.pl |

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE

Zabezpieczenie generacji rozproszonej od pracy wyspowej (LOM) w technice synchrofazorowej Referat po raz pierwszy opublikowano w materiałach konferencji Energotestu „Automatyka w elektroenergetyce” , Zakopane 15-17 kwietnia 2020. Patronat merytoryczny: Polskie Sieci Elektroenergetyczne SA oraz Tauron Dystrybucja SA. Streszczenie W referacie zostały przedstawione ryzyka i negatywne następstwa nieintencjonalnej pracy wyspowej generacji rozproszonej. Zostały w skrócie przedstawione metody zabezpieczenia przed taką pracą, w literaturze fachowej zaklasyfikowane jako zabezpieczenia LOM (z angielskiego loss of mains). Została postawiona teza, że wraz ze wzrostem nasycenia źródłami generacji rozproszonej w sieci dystrybucyjnej tradycyjne metody LOM (zarówno oparte na algorytmy pasywne jak i aktywne) są coraz mniej skuteczne. Odpowiedzią na te trudności jest zastosowanie w zabezpieczeniach LOM techniki synchrofazorów. W końcowej części referatu została przedstawiona przykładowa aplikacja realizująca zabezpieczenie LOM w oparciu o zabezpieczenie Eprotect z funkcją synchrofazorów produkcji Energotestu.

1. Wstęp Aktualnie do KSE dołączanych jest coraz więcej źródeł generacji rozproszonej. Niekontrolowana praca źródła rozproszonego na wyspę, jest źródłem bardzo poważnych zagrożeń, opisanych w dalszej części referatu. Z tego powodu przyjmuje się, że zabezpieczenia powinny zidentyfikować stan pracy wyspowej i odłączyć źródło generacji. Stosuje się do tego zabezpieczenie od pracy wyspowej. Niestety klasyczne metody wykrywania pracy wyspowej mają liczne wady, a wraz z nasycaniem się sieci w coraz większą ilość generacji rozproszonej metody te stają się jeszcze mniej skuteczne. Rozwiązaniem na te trudności staje się nadchodząca technika synchrofazorów.

2. Ryzyko odcięcia fragmentu sieci dystrybucyjnej Analizując możliwości wystąpienia nieintencjonalnej pracy wyspowej generacji rozproszonej w sieci dystrybucyjnej należy na wstępie ocenić możliwości rozcięcia takiej sieci. W zasadzie każde otwarcie wyłącznika w sieci dystrybucyjnej może potencjalnie doprowadzić do wydzielenia się (odcięcia) fragmentu sieci. Potencjalnych przyczyn otwarcia wyłącznika, a więc rozcięcia sieci dystrybucyjnej jest dużo, można je podzielić na takie, które odbywają się pod kontrolą operatora i dedykowanych systemów oraz takie, które odbywają się poza kontrolą. Wyłączenia pod kontrolą:

yy poprawne działanie zabezpieczenia w przypadku faktycznej awarii połączone z automatyką restytucyjną, yy zamierzone wyłączenie eksploatacyjne. W przypadku rozcięć pod kontrolą, odpowiednie działania operatora lub automatyk doprowadzają do takiej rekonfiguracji, aby wyeliminować wydzielenie fragmentu sieci do pracy wyspowej, pomimo konieczności otwarcia konkretnego wyłącznika. Pojawiają się jednak rozcięcia, które są poza kontrolą operatora i dedykowanych do tego systemów: yy poprawne działanie zabezpieczenia w przypadku faktycznej awarii bez automatyki restytucyjnej, yy impuls od zabezpieczenia wynikający z uszkodzenia/błędu nastawy zabezpieczenia, yy uszkodzenia wyłącznika doprowadzające do jego otwarcia, yy błąd ludzki, yy działania złośliwe lub terrorystyczne, yy zjawiska pogodowe. Każde rozcięcie systemu poza kontrolą doprowadza do nieintencjonalnego wydzielenia się fragmentu sieci, który przy obecności źródeł rozproszonych i niesprzyjających warunkach może pozostać zasilony. Praca źródła generacji rozproszonej na sieć wydzieloną jest nazywana niezamierzoną pracą wyspową. Taka praca niesie ze sobą wiele niekorzystnych zjawisk.

3. Zagrożenia wynikające z niezamierzonej pracy wyspowej źródeł generacji rozproszonej Niezamierzona praca wyspowa niesie ze sobą wiele negatywnych konsekwencji, w tym poważne zagrożenia dla zdrowia i życia ludzkiego. Do największych zagrożeń związanych z pracą wyspową generacji rozproszonej zalicza się: yy zagrożenie dla pracowników eksploatacji w związku z utrzymaniem się napięcia na fragmencie sieci, który został wyłączony do prac eksploatacyjnych, yy niewystarczający prąd zwarciowy z generacji rozproszonej, co może powodować brak zadziałania zabezpieczeń nadprądowych, co stwarza realne zagrożenie dla użytkowników wydzielonej sieci, yy brak kontroli przez operatora parametrów napięcia i częstotliwości, co stwarza zagrożenie uszkodzenia urządzeń u odbiorcy, yy SPZ w sieci z udziałem wyspy może spowodować ponowne niesynchroniczne załączenie linii, pociągając za sobą uszkodzenie instalacji źródła generacji rozproszonej lub innego podłączonego urządzenia,

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE yy w przypadku braku opomiarowania sieci SN, wydzielenie do pracy wyspowej może kolidować z ręcznym lub automatycznym przywróceniem normalnej pracy przez operatora. Biorąc pod uwagę powyższe, przepisy (patrz punkt 5) bezwzględnie nakazują stosowanie zabezpieczeń generacji rozproszonej od pracy wyspowej (utraty powiązania z KSE). Zabezpieczania z tej grupy mają nazwę LOM (z angielskiego Loss-of-Mains). Warto już w tym momencie nadmienić, że stosowanie tych zabezpieczeń jest na wielu płaszczyznach problematyczne, co będzie opisane w dalszej części referatu.

4. Klasyczne metody wykrywania pracy wyspowej generacji rozproszonej (LOM) Wyróżnia się dwie klasyczne grupy metod [3] wykrywania pracy wyspowej generacji rozproszonej: Grupy Pasywne (oparte na pomiarze wybranych parametrów sieci w punkcie przyłączenia generacji i pobudzeniu w przypadku przekroczenia nastawionych wartości progowych): yy pochodna zmian częstotliwości df/dt, yy przesunięcie fazowe wektora napięcia, yy nad/podczęstotliwościowe, yy nad/podnapięciowa, yy zmiana poziomu harmonicznych napięcia. Grupy Aktywne (oparte na wymuszaniu ciągłych małych zmian parametrów elektrycznych w punkcie przyłączenia generacji i obserwacji reakcji systemu w tym punkcie. Metody te mogą być implementowane w aplikacji falownika, jako że falownik nadaje się do wprowadzenia drobnych zmian, np. w przebiegu fali prądu zasilającego sieć: yy monitorowanie impedancji przy określonej częstotliwości, yy wtrącanie dodatkowego sygnału, yy przesunięcie napięcia Sandia, yy przesunięcie częstotliwości Sandia, yy skok częstotliwości, yy pomiar poziomu zwarciowego, yy uchyb exportu mocy czynnej P. Warto również podkreślić, że pomimo pozornego bogactwa możliwości zastosowanych kryteriów w polskiej energetyce zabezpieczenia z grupy aktywnej w praktyce nie są stosowane, natomiast jeżeli chodzi o grupy pasywne stosowane jest jedno kryterium - pochodna zmian częstotliwości df/dt.

5. Faktycznie stosowane metody LOM w polskiej energetyce Głównym dokumentem odniesienia, który nakazuje stosowanie zabezpieczeń od pracy wyspowej generacji rozproszonej jest Rozporządzenie Komisji UE 2016/631 z 14.04.2016 ustanawiające kodeks sieci dotyczący wymogów w zakresie przyłączania jednostek wytwórczych do sieci. Niestety zapisy w kodeksie Rfg w zakresie zabezpieczenia od pracy wyspowej generacji rozproszonej mogą być trudne w interpretacji. Szczegółowe zapisy znajdują się w artykule 13 punkt b. „Moduły wytwarzania energii typu A muszą spełnić następujące wymogi dotyczące stabilności częstotliwościowej: b) W odniesieniu do zdolności wytrzymania prędkości zmiany częstotliwości, moduł wytwarzania energii musi mieć zdolność do zachowania połączenia z siecią oraz do pracy przy prędkościach zmiany częstotliwości do wartości określonej przez właściwego OSP, chyba ze odłączenie zostało spowodowane zadziałaniem zabezpieczenia dedykowane-

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

go do identyfikacji, poprzez analizę prędkości zmian częstotliwości, pracy wyspowej.” [2] Co wynika z powyższego zapisu? yy Moduł wytwarzania musi zachować zdolność do połączenia z siecią w wypadku zmiany częstotliwości spowodowanej niezrównoważeniem mocy czynnej w systemie – wprost z przytoczonego zapisu, yy Wartość graniczną dopuszczalnego df/dt, wskazuje OSP – „musi mieć zdolność do pracy przy prędkościach zmiany częstotliwości do wartości określonej przez właściwego OSP”, yy Moduł wytwarzania może być odłączony szybciej niż w wyniku kryterium df/dt jeżeli stosowane jest dedykowane zabezpieczenie do wykrycia pracy wyspowej – „chyba, że odłączenie zostało spowodowane zadziałaniem zabezpieczenia dedykowanego do identyfikacji” Ten ostatni punkt jest kluczowy i powiedzmy sobie szczerze – bardzo mocno zakamuflowany w gąszczu zapisów. Punkt ten mówi, że z punktu widzenia kodeksów sieci: yy dopuszczalne jest wykorzystanie df/dt do wykrywania wydzielenia wyspy yy dopuszczalne jest wykorzystanie dedykowanych zabezpieczeń do wykrywania wydzielenia wyspy yy nie ma wskazanego preferowanego rozwiązania W praktyce do tej pory zdecydowanie najczęściej w OSD wybierana jest tylko jedna opcja - funkcja pochodnej zmian częstotliwości df/dt. OSD wymaga, aby kryterium to było nastawione na wartości od -0,3 Hz/s do -2 Hz/s.

6. Problemy w stosowaniu klasycznych metod LOM Zarówno aktywne jak i pasywne metody LOM mają swoje bardzo istotne ograniczenia. Metody pasywne [1] są skuteczne gdy występuje znacząca nierównowaga między mocą generowaną, a obciążeniami występującymi w wydzielonej sieci. W takim wypadku szybko dochodzi do przekroczenia parametrów progowych wskazujących na wystąpienie zjawiska wydzielania sieci. Niestety w przypadku gdy dojdzie do przypadkowego zbilansowania między generacją rozproszoną a odbiorami w odciętej sieci, metody pasywne posiadają strefę martwą. Z różnych metod pasywnych stosunkowo najbardziej „odporna” na zjawisko zbilansowania jest metoda pochodnej zmian częstotliwości df/dt, ale również ta metoda w przypadku przypadkowego znaczącego zbilansowania wyspy nie jest wstanie wykryć, że doszło do pracy wyspowej. Metody aktywne [1] są skuteczne nawet w przypadku przypadkowego zbilansowania wyspy, jednak w ich przypadku pojawiają się inne problemy: yy metody te wprowadzają zakłócenia do sieci, które kumulują się wraz ze wzrostem ilości źródeł generacji, yy kolejne źródła sygnałów zakłócających wpuszczanych do sieci przez kolejne falowniki mogą się wzajemnie zakłócać. Z tego powodu, zdaniem autora, metody aktywne można traktować, bardziej jako ciekawostkę teoretyczną, niż stosowane w praktyce rozwiązanie. Co gorsze, wzrost nasycenia źródłami generacji rozproszonej powoduje ograniczenie skuteczności zarówno metod pasywnych jak i aktywnych. W przypadku metod pasywnych wzrost ilości generacji rozproszonej zwiększa szansę przypadkowego zbilansowania się wyspy. W przypadku metod aktywnych wzrost ilości generacji rozproszonej zwiększa ilość zakłóceń wprowadzanych do systemu przez falowniki, do poziomu w którym metody te tracą rację bytu.

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE Biorąc pod uwagę, że spodziewany kierunek rozwoju sieci będzie szedł jeszcze dalej w stronę zwiększenia nasycenia generacji rozproszonej, koniecznym jest wprowadzenie nowych pewniejszych metod wykrywania pracy wyspowej, nieobciążanych wadami metod klasycznych. Takim rozwiązaniem są metody obszarowe, oparte na porównywaniu z wykorzystaniem łączności różnych parametrów między punktem przyłączenia generacji, a punktem/punktami w sieci nadrzędnej. Najbardziej precyzyjną i efektywną techniką obszarową umożliwiającą precyzyjną identyfikację pracy wyspowej jest technika synchrofazorów.

7. Synchrofazorowe zabezpieczenie od pracy wyspowej Podstawowym kryterium wykrywania pracy wyspowej w synchrofazorowym zabezpieczniu LOM jest wykrywanie minimalnych różnic częstotliwości pomiędzy co najmniej dwoma punktami pomiaru. Warto w tym miejscu przypomnieć, że zintegrowany system elektroenergetyczny posiada jeden parametr identyczny globalnie – tym parametrem jest częstotliwość. Parametr ten zachowany jest na każdym poziomie napięcia bez względu na odległość fizyczną. Innymi słowy, w zintegrowanym europejskim systemie elektroenergetycznym częstotliwość na zaciskach generatora przykładowej odległej elektrowni w Hiszpani jest identyczna jak częstotliwość w dowolnym gniazdku na napięciu 230AC w dowolnym domu w Polsce. Wynika z tego prosty wniosek, że wykrycie nawet minimalnej różnicy częstotliwości między dwoma punktami jest jednoznacznym wskazaniem, że te dwa punkty pracują w rozdzielonych systemach elektroenergetycznych. Im mniejszą różnicę częstotliwości jesteśmy w stanie zidentyfikować, tym precyzyjniej wykrywamy zjawisko nieintencjonalnej pracy wyspowej nawet dla przypadkowo zbilansowanych wysp. W tym momencie naszym głównym ograniczeniem jest precyzja pomiaru. Urządzenia PMU produk-

cji Energotestu posiadają błąd pomiaru 0,001Hz dla stanów ustalonych oraz 0,002Hz dla stanów dynamicznych gdzie df/ dt = 1Hz/s. Szczególnie ważna jest w tym przypadku wysoka precyzja pomiaru dla stanów dynamicznych, oraz odporność pomiaru na skokową zmianę kąta. Występującym błędem w mniej precyzyjnych urządzeniach pomiarowych jest identyfikowanie skokowej zmiany kąta jako zmiana częstotliwości. Biorąc pod uwagę różnego rodzaju stany dynamiczne w przypadku pomiarów PMU realizowanych przez urządzenia produkcji Energotestu gwarantowane jest wykrycie różnicy częstotliwości między dwoma punktami na poziomie 0,01 Hz. Dokładność pomiaru PMU bardzo dobrze ilustruje załączony poniżej wykres. Przedstawione na nim są pomiary częstotliwości zrealizowane przez 3 niezależne jednostki PMU produkcji Energotestu, zainstalowane w 3 różnych lokalizacjach. Pomiary te nałożone są na siebie. Jak widać trzy przeprowadzone niezależnie pomiary praktycznie pokrywają się. Na osi Y widać precyzję pomiaru - poszczególne odcięcia na tej osi wynoszą 0,005 Hz.

8. Przewagi zabezpieczenia LOM opartego na różnicy częstotliwości w 2 punktach w stosunku do kryterium df/dt Należy w tym momencie zwrócić uwagę jak wielkie przewagi ma kryterium różnicy częstotliwości nad kryterium df/dt. Odstrojenie od globalnego spadku częstotliwości. Po pierwsze kryterium różnicy częstotliwości między punktami w przeciwieństwie do kryterium df/dt jest odstrojone od zjawiska globalnego spadku częstotliwości, które występuje w przypadku deficytu mocy generowanej w zintegrowanym systemie. Tak więc jeżeli źródło rozproszone będzie pracować w systemie, który cały czas jest integralny, ale dochodzi w nim do globalnego spadku częstotliwości, to zabezpieczenie nie zinterpretuje tego jako praca wyspowa generacji rozproszonej i nie odłączy jej, przez co nie przyczyni się do jeszcze większego pogłębiania awarii związanej z niedoborem mocy.

Wykres 1. Trzy niezależne pomiary częstotliwości zrealizowane w 3 lokalizacjach w Polsce przez jednostki PMU [4]

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE

Rys. 1. Budowa układu Smart SmartGuard – opracowanie własne Rys. 4. Zaawansowany układ SmartGuard

Rys. 2. Wykrycie pracy wyspowej w układzie SmartGuard – opracowanie własne

Rys. 3. Odłączanie generacji rozproszonej w układzie SmartGuard – opracowanie własne

Precyzja w wykrywaniu prawie zbilansowanych wysp. W kryterium różnicy częstotliwości jedynym ograniczeniem jest uzyskiwana precyzja pomiaru. Biorąc pod uwagę, że w urządzaniach PMU produkcji Energotestu precyzja wykrycia różnicy f w dwóch punktach jest na poziomie 0,01 Hz, to taka wartość jest znacznie precyzyjniejsza w wykrywaniu przypadkowo zbilansowanych wysp od powszechnie stosowanego kryterium df/dt. W uproszczeniu można przyjąć, że pojawienie się różnicy f pomiędzy dwoma punktami na poziomie 0,01 Hz mogłoby być następstwem chwilowej (trwającej sekundę) zmiany częstotliwości w jednym z tych punktów z szybkością na poziomie 0,01 Hz/s. Jest to wartość 200 razy mniejsza od

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

Rys. 5. Zrzut ekranu z aplikacji ECONTROL PMU do zarządzania funkcjonalnościami opartymi o pomiary PMU, w tym detekcję nieintencjonalnej pracy wyspowej

tradycyjnej nastawy LOM df/dt wynoszącej 2 Hz/s. Oczywiście scenariusze w tym przypadku mogłyby być różne i zarówno długość zmiany częstotliwości jak i jej szybkość mogłyby rozłożyć się inaczej. Mimo wszystko można zauważyć, że stosując kryterium różnicy częstotliwości w dwóch punktach uzyskujemy zabezpieczenie kilkaset razy precyzyjniejsze. Naturalnym wnioskiem jest, że kryterium różnicy częstotliwości w dwóch punktach jest znacznie lepsze do wykrywania nieintencjonalnej pracy wyspowej generacji rozproszonej niż stosowane aktualnie kryterium df/dt.

9. SmartGuard – synchrofazorowy układ detekcji nieintencjonalnej pracy wyspowej generacji rozproszonej oferowany przez Energotest Układ SmartGuard jest zbudowany z minimum dwóch jednostek PMU (z angielskiego phasor measurement unit) służących do pomiarów fazorów napięć w punktach: bezpośrednio przy generacji rozproszonej, oraz w GPZ zasilającym dany fragment sieci. Jednostki PMU produkcji Energotestu spełniają normę C37.118.1.2011 która stawia restrykcyjne wymagania w zakresie precyzji pomiarów w stanach statycznych i dynamicznych. Stwierdzenie różnicy częstotliwości pomiędzy punktami, na poziomie 0,01 Hz jest jednoznacznym kryterium, że doszło do pracy wyspowej generacji rozproszonej (bez względu na to, który wyłącznik po drodze do GPZ został otwarty). Poza podstawowym kryterium detekcji pracy wyspowej w uzupełnieniu może być stosowane

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE kryterium różnicy kąta miedzy punktami pomiaru (dokładność 0,5 stopnia). Dzięki temu kryterium można uzyskać jeszcze większą precyzję w identyfikowaniu naprawdę bardzo zbilansowanych wysp. W takim wypadku jednostka PMU zainstalowana w punkcie przyłączenia generacji wystawia impuls wyłączający. Jednostka PMU zainstalowane po stronie źródła generacji rozproszonej dokonuje odłączenia od sieci. Jednostka PMU zainstalowana po stronie operatora przesyła informacje do SCADA (zarówno stykowo jak i w protokole komunikacyjnym). Istnieje możliwość wprowadzenia do systemu SCADA danych ze źródła generacji rozproszonej następującą drogą: PMU przy generacji rozproszonej > GPRS>PMU operatora>wybrany protokół komunikacyjny >SCADA Możliwe jest również stworzenie dwustopniowego obszarowego systemu detekcji zaburzeń pracy systemu. W takim wypadku w pierwszym stopniu jednostki PMU w poszczególnych GPZtach weryfikują integrację całego sytemu dystrybucyjnego. W drugim stopniu sprawdzana jest integracja generacji rozproszonej z system nadrzędnym. Warunkiem pracy układu jest odpowiednia synchronizacja czasu na poziomie 1µs. Każda lokalna jednostka powinna być wyposażona w odbiornik sygnału GPS, lub powinna być spięta przez sieć synchroniczną z protokołem PTP. Urządzenia PMU wymieniają dane pomiarów bezpośrednio między sobą za pomocą modemów GSM (w przypadku 2 jednostek nie jest potrzebna jednostka centralna). Do prawidłowego funkcjonowania układu wystarczające jest zachowanie opóźnień w przesyle danych w sieci GSM poniżej 100ms. Warto również zwrócić uwagę, że za-

stosowanie jednostek PMU umożliwia aktywowanie dodatkowych opcji, jakimi mogą być: yy permanentna rejestracja parametrów generacji rozproszonej (przez cały okres życia tego źródła), yy regulacja napięcia generacji rozproszonej (bilansowanie mocy biernej), yy element większego, obszarowego systemu detekcji pracy wyspowej.

sycenie sieci dystrybucyjnej w generację rozproszoną, oraz poważne następstwa związane z nieintencjonalną pracą wyspową takiej generacji, układ SmartGuard stanowi optymalne rozwiązanie i przyszłość dla operatorów systemów dystrybucyjnych. Michał Kaźmierczak – Energotest n

10. Podsumowanie Aktualnie w polskiej energetyce powszechnie jako zabezpieczenie od nieintencjonalnej pracy wyspowej stosuje się lokalny pomiar df/dt z nastawą 2 Hz/s. Takie podejście ma dwie poważne wady: yy kryterium df/dt może przyczyniać się do pogłębiania zapaści KSE w przypadku zaistnienia niedoboru mocy, yy kryterium df/dt posiada strefę martwą w przypadku gdy utworzona wyspa jest na tyle zbilansowana, że df/dt jest mniejsze niż 2 Hz/s. Inne teoretyczne rozwiązania detekcji pracy wyspowej, jak np. metody aktywne, również posiadają wady, głównie w postaci wprowadzania zakłóceń jakości energii do sieci. Metodą, która jest wolna od wymienionych powyżej wad, jest pomiar częstotliwości w dwóch punktach, w oparciu o technologię PMU. Zaprezentowany w referacie układ SmartGuard produkcji Energotestu, oparty o technikę synchrofazorową, szybko i pewnie dokonuje detekcji pracy wyspowej generacji rozproszonej, oraz odcina ją w przypadku stwierdzenia takiej pracy. Układem mogą być objęte różnego rodzaju mikrosieci, farmy wiatrowe, fotowoltaika lub generatory na dowolne paliwo przyłączane w głębi sieci SN. Biorąc pod uwagę rosnące na-

Literatura [1] Kumpulainen L., Kauhaniemi K.: Loss-of-Mains Protection – Still an Issue with Distributed Generation - University of Vaasa, 2007 r. [2] Rozporządzenie Komisji UE 2016/631 z 14.04.2016 ustanawiające kodeks sieci dotyczący wymogów w zakresie przyłączania jednostek wytwórczych do sieci [3] Kimpel A.: Automatyka zapobiegająca pracy wyspowej generacji rozproszonej – Wiadomości Elektrotechniczne, nr 9 2016 r. [4] Talaga M.: Doświadczenia eksploatacyjne Energotestu, związane z wdrażaniem aplikacji wykorzystujących pomiary synchroniczne - Konferencja Energotestu 2017 r.

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

MOŻESZ NAWET O NICH ZAPOMNIEĆ ...

DŁUGOWIECZNOŚĆ > 70 lat

USZKADZALNOŚĆ < 1/10,000/rok

ODPORNOŚĆ

Pożar, tornado, burza lodowa, sadź

EKOLOGICZNE ROZWIĄZANIE

■ 30-40% surowców z recyklingu ■ 99% recykling odpadów ■ 95% izolatora do ponownego przerobienia

Kontakt w Polsce: EnerVision Sp.J. , ofﬁce@enervision.pl www.sediver.com

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE

Izolatory w ogniu Streszczenie

Pożary mogą mieć wiele przyczyn. Linie napowietrzne często po prostu znajdują się na drodze pożaru i w tym przypadku kluczowe jest zrozumienie, co może stać się z linią i jej elementami. Oprócz ryzyka wystąpienia fazowych zwarć doziemnych, wynikających z intensywnej aktywności łuku w chmurze dymu i ciepła, najważniejszym parametrem jest odporność, a wielkość uszkodzeń linii jest bezpośrednią konsekwencją konstrukcji linii. Napowietrzne linie dystrybucyjne są oczywiście znacznie bliżej pożarów niż linie przesyłowe i dlatego są znacznie bardziej narażone na uszkodzenia cieplne. Z tego względu drewniane słupy są wyraźnie identyfikowane jako słabe ogniwo, ale krytycznym elementem mogą stać się również izolatory. Nawet w przypadku linii przesyłowych wpływ ciepła może być znaczny, ale niekoniecznie natych-

miast widoczny w krótkim okresie. Niektóre specyficzne cechy fizyczne izolatorów linii napowietrznych muszą być jasno określone i wzięte pod uwagę w celu oceny ryzyka awarii linii podczas pożaru albo awarii, która może się pojawić po latach w wyniku osłabienia izolatorów, które przetrwały pożar. Innym aspektem tego problemu jest przegląd cech konstrukcyjnych izolatorów, oceniający ryzyko, że to izolatory będą stanowić zagrożenie wywołujące pożary w normalny dzień. Awarie izolatorów mogą prowadzić do upadku przewodów fazowych, a następnie wywołania pożarów i sytuacji katastrofalnych. Dotyczy to zarówno linii dystrybucyjnych, jak i przesyłowych. Wzmacnianie sieci oznacza znalezienie bardziej wytrzymałych konstrukcji linii i izolatorów. Niniejszy artykuł uwzględniający doświadczenia z pożarów w Kalifornii, ma

pomóc w ocenie, co można zrobić inaczej, a co należy zmienić przy doborze izolatorów.

Wprowadzenie

Kwestię izolatorów w warunkach pożaru można rozpatrywać w wielu różnych aspektach. Z jednej strony interesujące jest zrozumienie, które parametry mogą ulec pogorszeniu lub krytycznemu pogorszeniu, jeśli izolator zostanie poddany działaniu ciepła i ognia, co samo w sobie zależy od czasu ekspozycji oraz oczywiście rodzaju i konstrukcji izolatora. Z drugiej strony, co jest być może trudniejsze, należy wziąć pod uwagę potencjalne uboczne uszkodzenie izolatora, który znalazł się niekoniecznie bezpośrednio pod działaniem ognia, ale wystarczająco blisko, aby ucierpieć z powodu ciepła. W tym przypadku, oprócz bezpośredniego ryzyka uszkodzenia związanego z ciepłem, niezwy-

Rysunek 1: typowe projekty izolatorów kompozytowych

Rysunek 2: Test wytrzymałości na skręcanie pokazujący utratę sprężystości w zadanej wartości Tg

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE

Rysunek 4: biały, pudrowy wygląd podgrzanego silikonu

Rysunek 3: Krzywa TGA silikonu

kle ważne jest, aby móc ocenić ewentualne osłabienie powstałe w izolatorze, które może być główną przyczyną zerwania przewodów, a później pożaru. Pewne rozważania będą poświęcone także projektowi linii, zwłaszcza w zakresie słupów dystrybucyjnych i rodzajów izolacji. Niniejszy artykuł będzie zatem dotyczył poniższych aspektów: a. Identyfikacja wrażliwości na ciepło i ogień dla typowych konstrukcji izolatorów stosowanych w napowietrznych liniach dystrybucyjnych i przesyłowych b. Pogorszenie właściwości izolatora po poddaniu go działaniu ciepła, gdy po pożarze izolator nadal działa c. Sugestie dotyczące wzmocnienia linii dystrybucyjnych i przesyłowych z punktu widzenia stosowanych izolatorów

1. Przegląd kluczowych cech konstrukcyjnych izolatorów linii napowietrznej pod kątem odporności termicznej

Podczas pożaru temperatury mogą ulegać gwałtownym wahaniom, trudno jest dokładnie określić temperaturę bezpośredniego kontaktu z ogniem oraz czas trwania zdarzenia. Dlatego w tej części przyjrzymy się kluczowym właściwościom izolatorów polimerowych i ceramicznych, na które wpływa ciepło, w oparciu o ich cechy konstrukcyjne. a. Izolatory kompozytowe występują w wielu różnych wersjach (rysunek 1) i są wykonane z materiałów organicznych, które w związku z tym mają ograniczenia temperaturowe. Różnorodność możliwych projektów i materiałów użytych do wykonania tych izolatorów dramatycznie zwiększa złożoność ich długoterminowej oceny. Ist-

Rysunek 5: proces zaciskania i rozkład naprężeń wewnętrznych na połączeniu pręt z włókna szklanego/okucie izolatora

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE nieją trzy główne cechy konstrukcyjne, które należy przeanalizować, jak opisano poniżej i sprawdzono szczegółowo w części 2. yy Pręt z włókna szklanego jest wykonany z żywicy wzmocnionej włóknami szklanymi. Żywice stosowane do izolatorów mogą być poliestrowe, winyloestrowe lub epoksydowe. Najsilniejsze i najlepiej działające są te wykonane z żywic epoksydowych. Żywice są definiowane przez nastawę termiczną zwaną Tg (temperatura zeszklenia), powyżej której żywica stopniowo traci swoją wytrzymałość mechaniczną. Tę charakterystykę można ustalić metodą DSC (Differential Scanning Calorimetry-Skaningowa Kalorymetria Różnicowa). Mechaniczne osłabienie granicy między włóknami szklanymi a żywicą w pręcie (klucz do wytrzymałości mechanicznej) można również zmierzyć za pomocą testu wytrzymałości na skręcanie na małym kawałku wyciętym z pręta. Rysunek 2 przedstawia sprzęt badawczy oraz wyniki uzyskane z dostępnych w handlu prętów z włókna szklanego stosowanych do produkcji izolatorów kompozytowych. Odporność mechaniczna próbek zmniejsza się wraz z temperaturą. Wrażliwość na ciepło jest bezpośrednio wynikiem składu chemicznego samej żywicy. yy Osłona, zazwyczaj guma silikonowa, jest materiałem przeznaczonym do kredowania, a nie do palenia (w większości przypadków). Kauczuki silikonowe istnieją w wielu postaciach chemicznych, ale najpopularniejsze związki silikonowe zawierają wypełniacz zmniejszający palność, taki jak ATH (trójwodzian aluminium). Dla odporności na erozję i tworzenie ścieżek, ilość tego dodatku w silikonie wynosi zwykle powyżej 45% i można ją zmierzyć za pomocą analiz termograwimetrycznych (TGA). Rysunek 3 przedstawia wykres uzyskany za pomocą analizy TGA dla gumy silikonowej. Spadek masy podczas testu jest typowy dla utraty wody z cząsteczki ATH podczas ogrzewania. Normalnie ATH rozkłada się w około 250 °C (482 F). Guma silikonowa wystawiona na działanie wysokiej temperatury będzie miała białą, proszkową powierzchnię, jak pokazano na rysunku 4. yy Okucia nowoczesnych izolatorów kompozytowych są zwykle zaciskane przez zaprasowanie (podobnie jak końcowki kablowe). Cechą szczególną tego procesu jest zapewnienie odpowiedniego docisku przez

Rysunek 6: współczynnik rozszerzalności liniowej izolatorów szklanych i porcelanowych oraz ich elementów

Rysunek 7: mikrostruktura porcelany i wewnętrzne mikropęknięcia prowadzące do przebicia dielektryka

okucie izolatora (wykonane ze stali, żeliwa lub aluminium), aby zapewnić wystarczający zacisk na pręcie z włókna szklanego, które nie jest metalem. Aby uniknąć odprężenia termicznego podczas formowania silikonowej osłony na rdzeniu, okucia są zwykle zaciskane po naniesieniu osłony. Rysunek 5 przedstawia ten proces i rozkład naprężeń ściskających w pręcie, który należy zabezpieczyć przed wszelkimi uszkodzeniami, takimi jak pęknięcia podczas zaciskania (jest to nadal krytyczna operacja pomimo stosowania czujników ściskania przeznaczonych do sterowania procesem) b. Izolatory porcelanowe poza okuciem (kołpak z żeliwa i trzpień ze stali kutej) są wykonane z materiałów mineralnych. Cement jest albo cementem glinowym, albo (zazwyczaj) cementem portlandzkim. Spoiwo zazwyczaj nie jest wykonane z czystego cementu, ale z zaprawy zawierającej krzemionkę (piasek) i inne minerały. Stabilność cementu w zależności od temperatury jest wysoka, a wytrzymałość takiego połączenia wynika głównie z konstrukcji okucia i sprzężenia współczynni-

ków rozszerzalności cieplnej między okuciem, cementem i korpusem porcelanowym. Rysunek 6 przedstawia współczynniki rozszerzalności liniowej typowych porcelanowych elementów izolacyjnych. Specyfika korpusu porcelanowego związana jest z jego niejednorodną strukturą porcelany, która zawiera kryształy o różnych właściwościach. Prowadzi to do nieodłącznego starzenia się dielektryka z możliwymi przebiciami w wyniku propagacji pęknięć wewnętrznych (rysunek 7). Ten parametr należy wziąć pod uwagę przy odporności na obciążenia cieplne (więcej w części 2) c. Izolatory ze szkła hartowanego są montowane jak izolatory porcelanowe z cementem (zwykle cementem glinowym, ale czasami portlandzkim), ale nie mają żadnej mikrostruktury, a oddziaływanie współczynników rozszerzalności cieplnej jest bardziej jednorodne, co pokazano na rysunku 6. Szkło jest hartowane ze względu na wytrzymałość, a naprężenia powstałe w obszarze dielektryka stanowią równowagę sił ściskających i rozciągających (rysunek 8). Warstwa mechaniczna wytworzona przez operację harto-

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE

Rysunek 8: hartowanie wewnętrznych naprężeń

Mechanical strength as a function of heat 140 120 100

2. Badania wytrzymałości na ciepło dla różnych konstrukcji izolatorów

a. Izolatory polimerowe: Kombinacja zaciskania okucia na pręcie z włókna szklanego, który sam w sobie jest wrażliwy na ciepło (patrz rysunek 2) może być uznawana jako słaby punkt w warunkach wysokiej temperatury. Aby to sprawdzić przeprowadzono testy różnych izolatorów kompozytowych (głównie dla sieci dystrybucyjnych). Próbki umieszczono w piecu na 3 godziny i poddano próbie rozciągania, gdy były jeszcze gorące, aż do wystąpienia awarii. Rysunek 10 przedstawia znormalizowane wyniki z odniesieniem w 100% odpowiadającym ich ocenom. Widać wyraźnie, że wraz ze wzrostem temperatury wytrzymałość szybko spada poniżej projektowanego codziennego obciążenia linii. Dodatkowy test przeprowadzono z izolatorami wystawionymi na działanie temperatury 300°C (572F) przez krótkie okresy. Rysunek 11 pokazuje ponownie znormalizowaną wytrzymałość w odniesieniu do wartości znamionowych izolatorów. Wydaje się, że bardzo szybko (w mniej niż 30 minut) wytrzymałość spada do 30%-40%, co wiąże się z poważnym ryzykiem upadku przewodów w przypadku napotkania takich obciążeń. W większości przypadków rdzeń wysuwa się z okucia, jak pokazano na rysunku 12. Warto zauważyć, że najlepsze wartości (ale nadal bardzo słabe wyniki) uzyskuje się w przypadku okuć kutych i prętów z włókna szklanego, które mają

Rysunek 9: typowy wygląd „resztki” izolatora

160

Normalized failing load (% of rating)

wania sprawia, że szkło jest odporne na propagację pęknięć lub przebicie. Izolator ze szkła hartowanego nie zerwie się, nawet jeśli zostanie poddany nadmiernym zewnętrznym siłom. W tym przypadku izolator szklany staje się tzw. „resztką” (rysunek 9), której właściwości elektromechaniczne pozostają nienaruszone (brak wewnętrznego przebicia i wysoka wytrzymałość resztkowa). Pod wpływem ciepła szkło może ulec powierzchniowym odpryskom lub pęknąć, jeśli zostanie poddane nagłej i wysokiej temperaturze. Ważne jest, aby zrozumieć, że naprężenie w kloszu powstałe w procesie hartowania jest trwałe, chyba że powłoka szklana zostanie wystawiona na stałą temperaturę 700°C (1300F) przez okres 6 godzin lub dłużej, co nie nastąpi, ponieważ izolator pęknie w temperaturze około 400F pozostawiając kikut, który pozostaje zdrowy. W następnej części takie właściwości zostaną szczegółowo opisane.

80 60 40 20 0

100

150

200

250

300

Temperature of the insulator Serie1

Serie2

Serie3

Serie4

Serie5

Rysunek 10: Wytrzymałość mechaniczna izolatorów kompozytowych w różnych temperaturach (temp w ° C.)

Rysunek 11: Wytrzymałość różnych izolatorów kompozytowych jako funkcja czasu po wystawieniu na działanie temp. 300 ° C (572F)

bardzo wysoką wartość Tg. > 180 °C, 360F). Ta sekwencja testowa wykazuje duże ryzyko upadku przewodów w przypadku izolatorów polimerowych wystawionych na działanie wysokich

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

temperatur. W pewnym momencie nie wytrzymają one codziennych normalnych obciążeń. b. Izolatory porcelanowe przeszły podobny test z różnymi izolatorami

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE

Rysunek 12: typowy wygląd testowanych izolatorów po mechanicznej próbie rozciągania

umieszczonymi w piecu na 3 godziny przed testem rozciągania. Biorąc pod uwagę ryzyko przebicia porcelany, odpowiednim testem w tym przypadku jest test ANSI M&E. Wiele izolatorów uległo uszkodzeniu z widocznymi lub nie pęknięciami. Zgodnie z oczekiwaniami, różnica w rozszerzalności między komponentami sprzyja tego typu uszkodzeniom. Jednakże, chociaż większość badanych izolatorów przetrwała naprężenia mechaniczne bez separacji poniżej wartości znamionowej, większość z nich zawiodła elektrycznie z powodu wewnętrznych przebić niewidocznych z zewnątrz. Pokazuje to, że gdy izolatory porcelanowe mają bezpośredni lub pośredni kontakt z wysoką temperaturą, istnieje duże ryzyko pojawienia się ukrytych wad w izolacji linii energetycznej. Rysunek 13 przedstawia wyniki testów M&E, a rysunek 14 typowy wygląd izolatorów po teście . Można zauważyć, że chociaż te wyniki pokazują tylko uszkodzenia M&E, stare izolatory porcelanowe mające już głębsze i starsze pęknięcia wewnątrz, w tak niekorzystnych warunkach, mogą doprowadzić do zerwania łańcucha, co może skutkować opadnięciem przewodów (symulacja w teście termomechanicznym, jak pokazano na rysunku 15). Sam cement (w rzeczywistości zaprawa) nie wykazuje określonej wrażliwości na ciepło. Odwodnienie cementu może powodować lekkie kruszenie, ale zgodnie z konstrukcją głowica pracuje pod naciskiem, co prowadzi do efektu klina. Wszystkie testowane izolatory zmontowano cementem portlandzkim. Rozdzielenie głowicy jest wynikiem pęknięcia korpusu porcelany na dwie części c. Izolatory ze szkła hartowanego zostały przetestowane tą samą procedurą. Izolatory były wstępnie ogrzewane w piecu przez 3 godziny, ale w tym przypadku aż do 400°C (752F), ponieważ, jak pokazano na rysunku 16, niewiele się działo. (Szkło hartowane nie ma przebić, a zgodnie z ANSI wykonu-

Rysunek 13: Wyniki testów M&E izolatorów porcelanowych poddanych działaniu ciepła przed próbą rozciągania

Rysunek 14: ogólny wygląd izolatorów po teście

Rysunek 15: Zerwanie łańcucha podczas testu termomechanicznego wykonanego na słabych elementach porcelanowych mających pęknięcia po latach starzenia.

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE je się tylko test mechaniczny, a nie mechaniczno-elektryczny, gdyż szkło hartowane nie powoduje pęknięć, ale się rozpada). Test został przeprowadzony przy maksymalnej temperaturze pieca. W kilku przypadkach szkło pękło przed mechaniczną separacją, ale we wszystkich pozostałych uszkodzenie polegało na pęknięciu jednej z końcówek, zwykle trzpienia, jak pokazano na rysunku 17. Warto również zauważyć, że podczas gdy wszystkie wyniki wydają się bardzo stabilne, najniższy pomiar uzyskano z cementem portlandzkim. Bez wystarczającej liczby próbek trudno wyciągnąć wnioski na temat wpływu cementu, ale warto pamiętać, że cement glinowy jest lepszym materiałem ogniotrwałym niż portlandzki. Ponieważ szkło hartowane może pęknąć, przeprowadzono dodatkowy test na prętach, które również zostały podgrzane i przetestowane na rozciąganie. Rysunek 18 przedstawia znormalizowane wyniki testu. Wszystkie tryby awarii były identyczne z wyrywaniem trzpienia i wyjęciem cementu za pomocą trzpienia z wnętrza okucia izolatora, jak pokazano na rysunku 19. Wszystkie wartości pozostają powyżej 65% ich wartości początkowej, co jest wymagane w ANSI dla nowych izolatorów przetestowanych pod kątem wytrzymałości resztkowej.

3. Wnioski po pożarze

W poprzedniej części przeanalizowaliśmy czynnik ryzyka opadnięcia przewodów lub poważnej awarii związanej z izolatorem podczas pożaru. Na tym etapie wiemy, że izolator polimerowy najprawdopodobniej może pęknąć, a przewód fazowy opaść. Porcelana, rzadziej, chyba że izolatory są stare. Szkło nie stwarza żadnego ryzyka, ani nienaruszone, ani pęknięte („resztka”). Kolejne pytanie dotyczy zarządzania liniami z punktu widzenia eksploatacji po zakończeniu pożaru. Czy istnieje ryzyko pozostawienia izolatorów, które wcześniej znajdowały się w pobliżu źródła ognia i były poddawane działaniu ciepła? Jak pokazano wcześniej, izolatory porcelanowe nie zregenerują się po degradacji i w przypadku przebicia będą ponosić potencjalną odpowiedzialność za przyszłą żywotność linii. Szklane izolatory są prawie całkowicie odporne, a jedyną zmianą może być rozbicie kilku jednostek. Jest to łatwe do wykrycia i nie stanowi zagrożenia (bolce „resztki” utrzymują swoją wytrzymałość mechaniczną i nie są przebite elektrycznie). Izolatory kompozytowe są różne, ale istotna jest odpowiedź na dwa pytania:

Rysunek 16: Wyniki badań mechanicznych izolatorów ze szkła hartowanego (znormalizowane do wartości znamionowej)

Rysunek 17: Typowy wygląd izolatorów szklanych po badaniu

Rysunek 18: Znormalizowana wytrzymałość mechaniczna „resztek” podgrzanych wstępnie i poddanych próbie rozciągania w różnych temperaturach

yy Jaka jest wytrzymałość mechaniczna polimeru, który przetrwał ciepło po ostygnięciu? yy Jaki jest stan silikonowej obudowy

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

i czy istnieje ryzyko pozostawienia ich na linii? a. Wytrzymałość mechaniczna polimerów po schłodzeniu

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE Pytanie, jakie pozostało po zbadaniu zachowania się polimerów pod wpływem ognia, to poznanie ich wytrzymałości resztkowej po ostygnięciu. Testy wykonano na izolatorach, które wcześniej poddano działaniu ciepła utrzymywanego przez 2 godziny w 300°C (572F). Wyniki przedstawione na rysunku 20 mieszczą się w przedziale 20%-30% wytrzymałości znamionowej. Wynik ten można porównać z wynikami dla potłuczonego szkła („resztek”), znacznie przekraczającymi standardowe wymagania dotyczące wytrzymałości resztkowej. b. Permanentna degradacja obudowy i związane z tym ryzyko W części 1 opisaliśmy chemiczny mechanizm ochrony oferowanej przez ATH (trójwodzian aluminium) w związkach silikonowych. Głównym celem nie jest opóźnianie palenia, nawet jeśli zastosowana substancja chemiczna jest sklasyfikowana jako taka. Główną cechą dodatku tego wypełniacza jest spowolnienie erozji silikonu podczas przeskoku na sucho lub działań związanych z zanieczyszczeniem. W pewnym momencie guma ulegnie awarii, prowadząc do pęknięć rdzenia (rysunek 21). Oczywiście guma nie pali się, a wiele związków stosowanych w energetycznych liniach napowietrznych jest klasyfikowanych jako HB i V0 w normie IEC60695, ale gdy pojawią się pęknięcia, izolator jest skazany na uszkodzenie elektryczne (ścieżki wewnętrzne) lub mechaniczne (kruchy przełam, pęknięcie próchnicowe). Ważne jest również, aby wziąć pod uwagę istnienie kwasu siarkowego i innych kwasów związanych z ogniem, które stopniowo niszczą rdzeń izolatora. W większości przypadków takie uszkodzenia nie są łatwe do zauważenia wizualnie, jak pokazano w kilku przypadkach przedstawionych na rysunku 21.

Podsumowanie

Wyniki tego badania wskazują typowe słabe i mocne strony różnych konstrukcji izolatorów: yy Wytrzymałość mechaniczna izolatorów kompozytowych szybko spada, co prowadzi do poważnego ryzyka upadku przewodów pod wpływem ciepła lub znacznego zmniejszenia wytrzymałości po zakończeniu pożaru yy Degradacja obudowy izolatorów kompozytowych pod wpływem ciepła i ognia może naruszyć integralność obudowy, prowadząc do wnikania wilgoci i kwasów. Przyszłe awarie i upadki przewodów po wygaszeniu pożaru mogą wystąpić,

Rysunek 19: Ogólny wygląd „resztek” po teście mechanicznym w warunkach wysokiej temperatury

Rysunek 20: Okucie wyciągnięte po schłodzeniu izolatorów po cyklu nagrzewania w 300°C i porównanie z wynikami uzyskanymi na szklanych „resztkach” testowanych w tych samych warunkach

Rysunek 21: Pęknięcia w silikonowej obudowie pozostawionej na kilkugodzinne nagrzewanie

jeśli te małe pęknięcia nie zostaną zauważone, a izolatory nie zostaną wymienione. yy Izolatory porcelanowe „nie upuszczą przewodu”, chyba że są już stare i postarzone w swojej mikrostrukturze. Jednak duży rozrzut pomiędzy współczynnikami rozszerzalności cieplnej elementów izolatorów porcelanowych może doprowadzić do przebić lub pęknięć wewnętrznych niewidocznych podczas oględzin. yy Izolatory ze szkła hartowanego nie tracą swoich właściwości. Jeśli szok

termiczny stłucze szkło, pozostała „resztka” pozostaje mechanicznie bezpieczna nawet w wysokiej temperaturze. Kontrola wizualna jest widoczna po pożarze bez konieczności pilnej wymiany. Autorzy: Jean Marie George – Scientific Director, Sandrine Prat – PhD Research Manager (Centrum Badawcze Sediver) W razie pytań zapraszamy do kontaktu z przedstawicielem Sediver w Polsce – EnerVision Sp.J. (office@enervision.pl)n

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE

SZARM - prezentacja z uczuciem Przeczytałem gdzieś, że dobra prezentacja powinna odwoływać się do uczuć, a nie do liczb. Trzeba tylko uprzednio ustalić, do jakich uczuć będziemy się odwoływali. Wybór jest szeroki: rezygnacja i depresja z powodu braku zamówień, niska samoocena i zazdrość wywoływane agresywną reklamą innych firm, wściekły atak na działania lub przedstawicieli konkurencji, chłodne porównanie parametrów prezentowanego produktu i wyrobów konkurencji, porównywanie z rozbawieniem i poczuciem wyższości, euforia wywołana ostatnim sukcesem itp.

Polub SZARMa Celem prezentacji jest spowodowanie, żeby potencjalny Nabywca Produktu polubił prezentowany produkt. Przy czym nie chodzi o „polubienie” (ang. like) w mediach społecznościowych. Nabywca powinien być przekonany, że nasz wyrób jest wybitny, przydatny, a nawet niezbędny i tylko fakt, że dotąd nic o nim nie słyszał może tłumaczyć, dlaczego jeszcze nie jest na wyposażeniu jego firmy. Faktem jest, że prezentowanie suchych danych o parametrach, funkcjach i różnorakich cechach produktu może utrzymać uwagę odbiorców przez czas od 17 sekund w przypadku przypadkowych słuchaczy do 12 minut 13 sekund w przypadku specjalistów nasłanych przez konkurencję („tylko wróg nie śpi…”). Można poprawić wynik, wykorzystując klimatyzację, obiecując kawę / przekąski i eksponując w odpowiedni sposób osobę o ponadprzeciętnej aparycji, ale uzyskiwane efekty i tak są niewielkie. Nuda zabija biznes. Zastanówmy się więc, co może przykuć uwagę w rejestratorze zakłóceń elektrycznych SZARM1. Słowo „szarm” odnosi się do zachowań (żeby nie powiedzieć „stosunków”) damsko-męskich (mówimy, że ktoś jest „szarmancki”), więc może to być pierwszy punkt zaczepienia. Już Amerykanie odkryli, że sex sells, dzięki czemu znacznie wzrosła przyjemność przeglądania katalogów z wyposażeniem łazienek, kuchni, a nawet środków przeczyszczających. Są firmy, które na nazwie produk-

tu opierają kampanie reklamowe. W efekcie zwykłe trampki są mega ultra super kosmicznym wyposażeniem do treningu przed śniadaniem (po śniadaniu nie, bo wtedy użytkownik już zaczyna widzieć na oczy i odbierać inne bodźce, które mogą mu zasugerować, że w trampkach wygląda nieco śmiesznie). Ponieważ odniesienie do seksu nie jest tutaj zbyt nachalne, trzeba możliwie szybko wyjaśnić do czego służy rejestrator. W przeciwnym przypadku wielu słuchaczy może się poczuć wyalienowanych2 i sięgnie po smartfony.

Ciekawość Powodem zgromadzenia słuchaczy prezentacji jest zwykle ciekawość (o ile nie zostali skierowani do sali w ramach łapanki na korytarzu). Pierwszym zadaniem prezentera jest więc takie rozłożenie tematów prezentacji, żeby zaspokojenie ciekawości następowało dopiero pod koniec wykładu, przy czym słuchacz powinien być wciąż pobudzany sformułowaniami typu „w następnej części przedstawię nasze rewelacyjne rozwiązanie, ale zanim to nastąpi, muszę jeszcze wyjaśnić…”. Dzięki temu słuchacze nie będą chcieli wychodzić w trakcie wykładu „na papierosa”, żeby wrócić na podsumowanie, bo wciąż będą mieli wrażenie, że mogą przeoczyć coś istotnego. Innym sposobem podtrzymywania uwagi jest stopniowe zwiększanie napięcia: „te niewątpliwie ciekawe rozwiązania zostały zastąpione przez…”

Integracja3 Podstawową informacją, której potrzebuje słuchacz, jest określenie obszarów przydatności danego produktu. Na tej podstawie będzie mógł osądzić, czy jest na właściwej prezentacji, a omawiany produkt jest interesujący dla niego osobiście, czy dla jego firmy. Grupa słuchaczy może być zintegrowana w różny sposób, np. jako użytkownicy urządzeń danego typu, jako specjaliści szukający rozwiązania podobnych problemów technicznych, z którymi nie mogą sobie poradzić w inny sposób, czy jako grono przeciwników naszych rozwiązań itp. Pominę tu zintegrowaną grupę uczestników, którzy postanowili tutaj przeczekać deszcz, lub zebrali się w zupełnie innym celu niż słuchanie wykładu. Zależnie od identyfikacji z kim tak naprawdę trzeba się zmierzyć, prezentacja może przyjmować różne formy - od porównania parametrów dotychczasowych i nowych konstrukcji, przez analizę przypadków wykorzystania rejestratorów (ang. case study), po dialog ze słuchaczami, który jest zresztą najlepszym sposobem na wyrwanie ich z odrętwienia.

Po co mi to? W przypadku większości przypadkowych słuchaczy określenie „zakłócenia” nic nie mówi. Trzeba więc obrazowo przedstawić sytuację, w której nieprawidłowe zmiany napięcia lub prądu w czasie mogą przyczynić się do błędnego działania lub szybsze-

Proszę czytać dalej z kamienną twarzą. Wikipedia tutaj niewiele pomoże Można sprawdzić np. w Słowniku Wyrazów Bliskoznacznych 3 Wiem, że to trudne słowo; można je sprawdzić w Słowniku Wyrazów Obcych 1 2

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE go zużywania się maszyn, powstawania usterek w finalnych wyrobach, czy do zagrożeń dla życia i zdrowia ludzi – w przypadku np. komunikacji publicznej, czy urządzeń medycznych. yy Zbyt niskie napięcie, czy zbyt mała wydajność źródła zasilania mogą uniemożliwić prawidłową pracę urządzeń; podobny efekt może dać przeciążenie np. silnika czy przetwornicy, uszkodzenie złączy, czy upływność prądu do ziemi; yy Zbyt duża wartość składowej symetrycznej przeciwnej może zmniejszyć wydajność silnika, a w krańcowym przypadku może doprowadzić do zmiany kierunku obrotu jego wału! yy Wyładowania niezupełne mogą świadczyć o problemach z izolacją, np. między ciasno ułożonymi kablami. Są to tylko przykłady zakłóceń elektrycznych. Mogą być zakłócenia stałe, jak np. szum, czy określona harmoniczna, mogą być chwilowe, występujące np. tylko podczas rozruchu silników lub innych urządzeń, ale mogą być również jednorazowe, niepowtarzalne, na przykład wywołane przez zwarcie metaliczne, działanie zwierząt (myszy, ptaków itp.), czy warunki środowiskowe (wilgoć, temperatura, zapylenie itp.). Rejestratory zakłóceń służą do wykrywania i rejestrowania tego typu zakłóceń tak, aby na podstawie rejestracji można było wykryć przyczynę i miejsce powstania zakłócenia, przebieg awarii, co znalazło się w jej zasięg i jakie działania są wymagane w danym przypadku. Efekty analizy rejestracji mogą obejmować: yy Szybkie wykrycie przyczyny i lokalizacja źródła zakłóceń, dzięki czemu przestój maszyny / instalacji / firmy zostanie skrócony do minimum; yy Modyfikacje np. komponentów, procedur, konfiguracji urządzeń itp., prowadzące do poprawy jakości produktów, zwiększenia niezawodności, czy poprawy BHP itp. yy Przewidywanie, kiedy może wystąpić poważna awaria i jakie działania należy podjąć w odpowiednim momencie, żeby jej zapobiec.

Czym należy się kierować przy wyborze rejestratora zakłóceń? To bardzo dobre pytanie. Wbrew pozorom, rejestrator nie służy tylko do zapisywania próbek, które potem ktoś musi pracowicie analizować. Już 4

rejestrator podejmuje decyzję, czy parametry monitorowanych sygnałów są na tyle niepokojące, żeby wykonać rejestrację. W ten sposób użytkownik nie utonie w gigabajtach danych, ale będzie mógł skupić się na analizie konkretnego zdarzenia. Ważne jest oprogramowanie przeznaczone do analizy rejestracji. Dzięki niemu użytkownik łatwo będzie mógł wyświetlić wykresy przebiegów czasowych zarejestrowanych sygnałów, jak również wyliczyć wynikające z nich wielkości, np. zmiany impedancji, mocy, składowych symetrycznych, zależności fazowych lub czasowych itp. Żeby jednak program mógł efektywnie przetwarzać dane, muszą zostać najpierw zarejestrowane. Tu musimy pochylić się nad parametrami rejestratorów4. yy Im większa jest liczba wejść analogowych i dwustanowych tym dokładniej możemy monitorować dany obiekt. System rejestrujący zapewnia dostęp do wszystkich informacji w jednym miejscu, co ułatwia analizę. Z drugiej jednak strony, ciągnięcie długich kabli od źródła sygnału do rejestratora może być trudne do wykonania, a przy tym sygnały mogą być zakłócane przez mijane urządzenia itp. Czasem więc bardziej korzystne jest rozmieszczenie kilku rejestratorów, każdy w pobliżu źródła sygnałów i synchronizowanie ich pracy impulsami wyzwalającymi. Kiedy wykonane rejestracje znajdą się w jednym miejscu, np. na dysku serwera sieci zakładowej, lub wydzielonego komputera, można je analizować ręcznie lub automatycznie. Rejestrator SZARM może monitorować do 8 sygnałów analogowych i 16 sygnałów dwustanowych (z przełączników, styczników itp.). Rejestratory można łączyć w Grupy Wspólnego Startu tak, że kilka rejestratorów działa jak jeden. Grupa Wspólnego Startu może obejmować rejestratory z danego Systemu (zwykle ograniczonego do jednej szafy), jak również rejestratory z wielu Systemów, nawet jeśli odległość między Systemami jest rzędu kilometrów. yy Częstotliwość próbkowania i rozdzielczość przetwornika A/C wskazują, jak dokładnie można analizować sygnał. Jeśli rejestrator zapisuje np. 1000 próbek na sekundę (Fp = 1000 S/s), to znaczy, że sygnał (napięcie, prąd) jest mierzo-

ny co 1 milisekundę. Wystarczy to do stwierdzenia, że napięcie ma kształt w zasadzie sinusoidalny, ale nie należy oczekiwać raczej wysokich harmonicznych. Wiele zjawisk przebiega krócej i może zostać po prostu niezauważonych. Rejestrator SZARM może zapisywać próbki z częstotliwością 100 000 próbek na sekundę, czyli co 10 mikrosekund. Daje to możliwość wyliczania harmonicznych do 1000-ej włącznie. Przy takiej częstotliwości istotnie rośnie prawdopodobieństwo zarejestrowania np. wyładowania niezupełnego, świadczącego o pogorszeniu stanu izolacji. Z analizy nachylenia prądu udarowego można wnioskować np. o pojemności linii. Użytkownik otrzymuje dokładny zapis przebiegu zakłócenia, co ma szczególnie duże znaczenie przy zjawiskach jednorazowych, w których ważna jest sekwencja zdarzeń, np. czas między impulsem wyładowania niezupełnego a jego odbiciem od końca kabla (na tej podstawie można oszacować odległość do miejsca zwarcia). 16-bitowa rozdzielczość próbkowania zapewnia zarówno duży zakres pomiaru jak i precyzję, którą można oszacować na ok. 0.5% dla wartości znamionowych. yy Od wielkości pamięci zależy ile próbek można zapisać w rejestracji. Czasem chodzi o stosunkowo krótką rejestrację wielu sygnałów, wykonaną z dużą częstotliwością próbkowania, w celu dokładnego zapisu zdarzenia, natomiast w innym przypadku pożądany jest długi, na przykład kilkugodzinny zapis jednego lub kilku sygnałów, pokazujący zjawiska wolnozmienne, takie jak kołysanie napięcia w liniach przesyłowych, zmiany temperatury szynoprzewodów, zmiany obciążenia poszczególnych faz itp. Pamięć rejestratora SZARM wynosi 32 MB, co pozwala rejestrować z częstotliwością 100 000 S/s 8 sygnałów analogowych i 16 sygnałów dwustanowych przez ponad 17 s. Po obniżeniu częstotliwości do 1000 S/s, można jeden sygnał rejestrować przez ponad 4 godziny! yy Im szybciej rejestracja zostanie przesłana z rejestratora do koncentratora, tym szybciej rejestrator będzie mógł zarejestrować kolejne zdarzenie. Czasem silne zakłócenie wywołuje kilka lub nawet kilkana-

Uwaga, teraz będzie „techniczny bełkot”; osoby o słabych nerwach mogą pominąć ten fragment

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE Opis

SRZ-AMP

SZARM

3 200

100 000

RS232C

Ethernet

Rozdzielczość przetworników A/C [bitów]

Maksymalna obserwowana harmoniczna

1000

Maksymalna częstotliwość próbkowania [próbek na sekundę] Pojemność pamięci na rejestracje [MB] Sposób przesyłania rejestracji do koncentratora

ście pobudzeń. Zdarza się też, że najciekawsze zdarzenie nie jest rejestrowane jako pierwsze, ale jako jedno z kolejnych. Nie ma więc czasu na długie przesyłanie danych. Rejestrator SZARM może zarejestrować do 8 zdarzeń w swojej pamięci, zaś czas przesyłania rejestracji do koncentratora został zredukowany przez zastosowanie lokalnej sieci ethernetowej między rejestratorami a koncentratorem. Skróciło to czas transmisji z kilkudziesięciu sekund w przypadku np. rejestratora SRZ-AMP do kilku sekund. yy Można też wspomnieć o rezystancyjnym charakterze wejść analogowych, dużym napięciu przebicia izolacji, przekraczającym 3 kV, między źródłem sygnału a systemem rejestrującym, intuicyjnym oprogramowaniu do nadzorowania rejestratorów i do analizy rejestracji, ułatwieniu diagnostyki rejestratora, czy elementach auto-naprawy.

Poczucie sukcesu Suche dane niewiele mówią. Czy uzyskane parametry rejestratora SZARM są przeciętne, czy wyróżniają go na tle analogicznych urządzeń? Bez porównania z innymi konstrukcjami, nie wiadomo, czy uzyskany produkt można uznać za sukces, czy porażkę konstruktora. Ponieważ nie chcę w tym miejscu porównywać rejestratora SZARM z rozwiązaniami konkurencji, proponuję porównanie jego parametrów z produkowanym wciąż przez firmę TRONIA, popularnym rejestratorem SRZ-AMP. Jak widać, dzięki między innymi zmianie technologii, oprogramowania i bazy materiałowej, uzyskano istotną 5 6

poprawę zarówno odnośnie parametrów eksploatacyjnych, jak i funkcjonalności.

We are the best5 Rejestrator jest narzędziem w dużym stopniu uniwersalnym i użytkownicy mogą go adaptować do swoich potrzeb, włącznie z rozbudową o nowe rejestratory (system SZARM może obsługiwać do 16 rejestratorów), podziałem dużego systemu na kilka mniejszych, włączeniem do sieci zakładowej itp. Łatwość konfigurowania, obsługi i serwisowania modułowego rejestratora SZARM mogą budzić zazdrość wśród posiadaczy rejestratorów, które można tylko włączyć i używać, ale wszelkie modyfikacje sprzętowe czy programowe są wykluczone. Z uniwersalnością rejestratora związany jest szeroki zakres jego zastosowań, obejmujący między innymi yy Monitorowanie stanu i ostrzeganie przed awarią turbin (również wiatrowych), transformatorów, linii kablowych, rozdzielnic, lub innych obiektów elektrycznych; yy Kontrolowanie rozruchu urządzeń, obciążenia faz, temperatury i innych wielkości, sygnalizowanych przez czujniki; yy Lokalizowanie niesprawności urządzeń i okablowania, co może istotnie skrócić czas przestoju maszyny, czy całej instalacji; yy Analiza jakości energii: harmoniczne, składowe symetryczne, moce bierne i czynne, przesunięcia fazowe, stabilność częstotliwości i amplitudy; yy Jednoczesna rejestracja sygnałów w oddalonych punktach, co może dostarczać wiele informacji o chwilowym rozkładzie obciążeń,

czy wpływie zakłócenia na różne fragmenty sieci zasilania; yy Bieżąca kontrola jakości energii, co może mieć istotne znaczenia w przypadku obiektów wrażliwych, jak centra serwerowe, szpitale, czy produkcja precyzyjna. Rejestratory SZARM zostały wykorzystane przez Hutę Miedzi „Głogów” (oddział KGHM Polska Miedź S.A.) do monitorowania pracy pirotechnicznych zabezpieczeń sprzęgieł poprzecznych 6 . 21 rejestratorów jest jednocześnie wyzwalanych impulsem rozprowadzanym łączami światłowodowymi, zaś ich rejestracje są analizowane w komputerze centralnym przez specjalistyczne oprogramowanie, które generuje raporty z każdego zdarzenia.

Podsumowanie Można by jeszcze długo wyliczać różne funkcje i parametry rejestratora SZARM, ale trzeba oczywiście mieć na uwadze wytrzymałość słuchaczy. Celem prezentacji jest uzyskanie u obserwatorów uczucia zazdrości, że ktoś już ma tak przydatne i wygodne w eksploatacji rejestratory i nie musiał na nie przeznaczać całorocznego zysku firmy… Inni powinni mieć miłe poczucie, że ich problemy mogą zostać szybko i tanio rozwiązane. Oczywiście można by przedstawić wiele przypadków awarii, kiedy rejestratory okazały się przydatne i sytuacji, w których brak rejestracji miał katastrofalne skutki, bo nic tak nie cieszy jak cudze nieszczęście, ale nie idźmy tą drogą… Warszawa, 10 sierpnia 2020r. Janusz Proniewicz, TRONIA Sp. z o.o. tronia@poczta.onet.pl n

Tutaj można wznowić czytanie Proszę kontynuować - do końca artykułu już blisko!

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE

Nowe wymagania w zakresie minimalnego poziomu sprawności silników asynchronicznych wprowadzanych na rynek Unii Europejskiej

ozwój szeroko pojętego przemysłu nie może odbywać się kosztem środowiska naturalnego. Liczne ograniczenia dotyczące emisji szkodliwych gazów, będących skutkiem ubocznym procesów wytwarzania energii (np. z węgla) są bodźcem do poszukiwania nowych źródeł energii (m.in. źródła odnawialne) oraz ulepszania aktualnie istniejących urządzeń i procesów przemysłowych w celu ograniczenia zużycia produkowanej energii. Dodatkowym czynnikiem determinującym ww. działania jest znaczący wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną w stosunku do możliwości wytwórczych. Około 50% energii elektrycznej wyprodukowanej w Polsce wykorzystywane jest przez układy napędowe z silnikami elektrycznymi. Z tego względu zastosowanie energooszczędnych układów napędowych z silnikami elektrycznymi o wysokiej sprawności może przynieść znaczące efekty w ograniczaniu ww. negatywnych skutków rozwoju naszego kraju przy jednoczesnym zapewnieniu wymiernych oszczędności dla użytkownika. Podstawową wielkością określającą przewidywane oszczędności wynikające z zastosowania silnika energooszczędnego jest jego sprawność, która powiązana jest z klasą sprawności. Na terenie Unii Europejskiej podział silników elektrycznych pod kątem sprawności odbywa się przy wykorzystaniu klasyfikacji IE (International Efficiency) wg normy EN 60034-301:2014. (wykres nr 1) Przyporządkowanie silnika do danej klasy sprawności następuje przez porównanie sprawności silnika wyznaczonej według ustalonej metody pomiaru (wg normy EN 60034-21) z wymaganiami minimalnej sprawności dla danej klasy sprawności IE. (wykres nr 2) Należy podkreślić, że norma EN 60034-30-1, określająca klasy sprawności silników (IE) i powiązane z nimi minimalne wartości sprawności, jak wszystkie inne normy jest dokumentem do dobrowolnego stosowania – wymagania prawne (obligatoryjne) w zakresie minimalnego poziomu sprawności silników wprowadzanych na rynek EU określone są w Dyrektywie (Regulacji). W drugiej połowie roku 2019 Komisja Europejska opublikuje nową Regulację (zastępującą dotychczasową Regulację 640/2009 i 4/2014) dotyczącą minimalnych sprawności silników elektrycznych oraz przemienników częstotliwości wprowadzanych na rynek EU. Przedmiotowa Regulacja związana z Dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE, określa nie tylko minimalne warto-

Wykres nr 1.

Wykres nr 2.

ści sprawności i związane z nimi klasy sprawności (zbieżne z klasami sprawności IE zdefiniowanymi w normie EN 60034-30-1), ale również definiuje cechy silników, które podlegają pod tę Regulację (istnieją pewne wykluczenia). Nowa Regulacja Komisji Europejskiej wprowadza szereg zmian i nowych wyzwań przed producentami silników elektrycznych oraz ich użytkownikami. Najważniejsze z nich to wymaganie sprawności w klasie IE3 dla silników przeciwwybuchowych (z wyłączeniem silników przeznaczonych dla przemysłu górniczego), określenie minimalnej klasy sprawności IE4 dla silników o mocy od 75kW do 200kW oraz wprowadzenie poziomu IE3 również dla silników dedykowanych do zasilania z przemienników częstotliwości – szczegóły wymagań wraz

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE Nowa Regulacja EU dotycząca minimalnej sprawności silników elektrycznych zakres obowiązywania • ogólnego przeznaczenia • z przekładnią • wyposażone w hamulec • przeciwwybuchowe

Rodzaje silników Napięcie znamionowe

50V ÷ 1000V

Częstotliwość znamionowa

50Hz lub 60Hz

Zakres mocy

0,12kW ÷ 1000kW

Rodzaj pracy

S1, S3≥80 %, S6≥80 %

Liczba biegunów

2p=2, 4, 6, 8 • IE2 (wysoka) • IE3 (premium) • IE4 (super premium)

Temperatura otoczenia

-30°C ÷ +60°C

Temperatura wody chłodzącej (dla silników o chłodzeniu wodnym)

0°C ÷ +32°C

Wysokość zainstalowania

do 4000 m n.p.m. Silniki wyłączone z nowej Regulacji

• wielobiegowe, pierścieniowe i z mechanicznymi komutatorami • stanowiące integralną część produktu/urządzenia pod warunkiem, że sprawność silnika nie może być wyznaczona po wymontowaniu silnika z produktu/urządzenia • z zabudowanym przemiennikiem częstotliwości pod warunkiem, że sprawność silnika nie może być wyznaczona z pominięciem przemiennika częstotliwości • z zabudowanym hamulcem pod warunkiem, że hamulec stanowi integralną część konstrukcji silnika (jeżeli hamulec nie może być zdemontowany z silnika na czas badania jego sprawności) • zatapialne (zaprojektowane i przeznaczone do pracy przy pełnym zanurzeniu w cieczy) • spełniające szczególne warunki dotyczące bezpieczeństwa obiektów jądrowych zdefiniowane w art. 3 dyrektywy Rady 2009/71/EURATOM • przeciwwybuchowe zaprojektowane i certyfikowane na potrzeby przemysłu górniczego • w urządzeniach bezprzewodowych lub zasilanych za pomocą akumulatorów oraz w przenośnych urządzeniach sterowanych ręcznie, przenoszonych podczas działania • w urządzeniach przystosowanych do obsługi ręcznej, których ciężar podczas działania jest podtrzymywany ręką • w pełni zabudowane niewentylowane • wprowadzone do obrotu przed dniem 2029-07-01 jako zamienniki identycznych silników stanowiących nieodłączną część produktów wprowadzonych do obrotu przed dniem 2022-07-01, wprowadzane do obrotu specjalnie w tym celu • zaprojektowane specjalnie na potrzeby elektrycznych pojazdów trakcyjnych

Typ silnika

3-fazowy

Silniki ogólnego przeznaczenia

Budowy wzmocnionej (Ex eb)

Pozostałe

IE2

2p = 2 ÷ 8 0,12kW ÷ 0,75kW

2p = 2 ÷ 8 0,12kW ÷ 1000kW

nie dotyczy

od 2021-07-01

od 2023-07-01

IE3

IE4 1-fazowy

2p = 2 ÷ 8 0,75kW ÷ 1000kW od 2021-07-01 2p = 2 ÷ 6 75kW ÷ 200kW od 2023-07-01

IE2

z datami obowiązywania podano w powyższej tabeli. Przedmiotowa Regulacja EU w zakresie minimalnego poziomu sprawności definiuje również wymagania dla Państw członkowskich odnośnie weryfikacji efektywności energetycznej silników dostępnych na rynku oraz wytyczne dla producentów w kwestii dokumentacji technicznej dołączanej do silników. Pełny tekst zatwierdzonej wersji roboczej przedmiotowej Regulacji dostępny jest na stronie Komisji Europejskiej. Na podstawie analiz przeprowadzonych przez Komisję Europejską, szacuje się, że przedmiotowe nowe wymagania w zakresie sprawności silników (określone w nowej Regula-

Silniki przeciwwybuchowe z wyłączeniem silników dla przemysłu górniczego

Wymagana klasa sprawności

nie dotyczy

2p = 2 ÷ 8 0,75kW ÷ 1000kW od 2021-07-01

nie dotyczy

≥0,12kW od 2023-07-01

cji) przyczynią się do ograniczenia rocznego zużycia energii elektrycznej o około 10TWh oraz do zmniejszenia rocznej emisji gazów cieplarnianych o 3Mt ekwiwalentu dwutlenku węgla do roku 2030. mgr inż. Adam Owczarzy n

CELMA

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE

Używanie platformy zenon do przyszłej automatyzacji stacji najwyższych napięć. Szybka elektryfikacja z wysokim napięciem dla greckiego operatora IPTO Spółka IPTO SA wybudowała w Grecji stację transformatorową Megalopolis o mocy 400/150 kV i zmodernizowała starsze obiekty stacji na terenie kraju. Do projektu automatyzacji stacji wykorzystano Platformę Programową zenon firmy COPA-DATA a partnerem wdrożeniowym była firma PROTASIS, która zrealizowała projekt przed terminem.

przeciwieństwie do tego, co sugeruje nazwa, Megalopolis to mała miejscowość z liczbą mieszkańców poniżej 10 tys., która jednak nie zasłynęła wyłącznie z nazwy.. Zlokalizowana jest tam bowiem elektrownia opalana węglem brunatnym, który jest wydobywany w okolicy. Rozbudowana o dwa bloki gazowe 400 MW w cyklu kombinowanym (CCGT), instalacja ta stanowi istotne źródło energii elektrycznej w południowej Grecji. Położone w centrum Półwyspu Peloponeskiego Megalopolis jest również ważnym węzłem w krajowej sieci energetycznej.

Wypełnianie luk w systemie dystrybucji energii elektrycznej Grecki system energii elektrycznej jest eksploatowany, serwisowany i rozwijany przez spółkę Independent Power Transmission Operator (IPTO) SA. Obejmuje on ponad 11 tys. km linii przesyłowych wysokiego (HV) i najwyższego napięcia (EHV) oraz ponad 300 podstacji. Jest połączony liniami podwodnymi z wyspami greckimi oraz z pięcioma sąsiednimi krajami. Szkielet systemu stanowią trzy dwuobwodowe linie 400 kV, służące głównie do przesyłu energii elek-

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

trycznej z Macedonii Zachodniej, gdzie jest zlokalizowane 70% mocy wytwórczych kraju do głównych centrów zapotrzebowania na energię elektryczną w Grecji środkowej i południowej. W ramach długoterminowego planu poprawy niezawodności dostaw energii elektrycznej w całej Grecji, sieć 400 kV jest rozszerzana swoim zasięgiem na Półwysep Peloponez. Dwie linie przecinające Kanał Koryncki i Zatokę Patraską spotykają się w Megalopolis. W związku z tym pojawiła się konieczność wybudowania w tym miejscu nowej stacji 400 kV / 150 kV przez spółkę IPTO.

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE Kluczowy węzeł systemu dystrybucyjnego

Wydajny, niezawodny system SAS oddany przed terminem

Nowoczesna cyfrowa podstacja EHV w Grecji

gentne urządzenia elektroniczne (IED) dedykowane do sieci energetycznych produkcji Schweitzer Engineering Laboratories (SEL). Specjaliści stworzyli system automatyzacji podstacji (SAS) z użyciem Platformy Programowej zenon od COPA-DATA. Funkcjonalnego rozwiązania dla przemysłu i branży energetycznej, przeznaczonej do sterowania, monitorowania i optymalizacji urządzeń i procesów. zenon Software Platform wykorzystywany jest często do sterowania podstacjami. Projekty, w których został wdrożony zenon charakteryzują się wysokim poziomem skalowalności. Oprogramowanie można również wdrożyć jako lokalny system sterowania, do wizualizacji procesów w sterowniach bądź też jako proces Gateway do nadrzędnych systemów sterowania. Jedną ze szczególnych zalet platformy zenon jest otwarta i niezawodna komunikacja z zainstalowanymi urządzeniami poprzez otwarte interfejsy oraz ponad 300 natywnych sterowników i protokołów komunikacyjnych. Inną istotną zaletą jest wykorzystywanie ,,parametryzwacji’’ zamiast programowania regułą co, umożliwia tworzenie kompleksowych projektów o złożonych funkcjach. Platforma Programowa zenon zapewnia również ciągłą redundancję realizowaną na kilka różnych sposobów, gwarantując w ten sposób nieprzerwane dostawy energii elektrycznej.

IPTO ogłosiło przetarg publiczny na wydajne, niezawodne, bezawaryjne i ergonomiczne, a także wykonalne rozwiązanie SAS. Kontrakt przyznano PROTASIS – spółce inżynieryjno-doradczej świadczącej usługi i rozwiązania dla przedsiębiorstw przesyłowych, dystrybucyjnych i energetycznych oraz obiektów przemysłowych. PROTASIS uznaje się za jedną z wiodących spółek zajmujących się analizą, badaniem i doradztwem w dziedzinie systemów energetycznych oraz dostarczaniem kwalifikowanych rozwiązań w zakresie systemów ochrony elektrycznej, sterowania, automatyki i pomiarów. Firma PROTASIS jest członkiem międzynarodowego programu partnerskiego COPA-DATA Partner Community (CDPC) – globalnej sieci specjalistów w branży przemysłu i automatyki energetycznej. Spółka wdrożyła pomyślnie już ponad 25 systemów automatyki stacji wysokiego napięcia (HV). Poszukując oszczędnych i stabilnych rozwiązań, firma z Aten wykorzystała inteli-

Zdj. 1. MEGALOPOLIS spółki IPTO to pierwsza stacja transformatorowa EHV w Grecji z ergonomiczną automatyzacją i wizualizacją opartą na platformie zenon.

Nowo wybudowana stacja Megalopolis o mocy 400 kV – kluczowy węzeł greckiego systemu przesyłowego – posiada 36 pól z modułami o mocy 400 kV, 150 kV i 30 kV, co czyni ją wielkogabarytową instalacją o złożonej konstrukcji. – ,,Naszym celem było uzyskanie podstacji spełniającej najwyższe standardy, która mogłaby funkcjonować na wysokim poziomie automatyzacji i elastyczności’’ – mówi Athanasios Georgopoulos, dyrektor nowego działu projektów przesyłowych w IPTO S.A. – ,,Ze względu na rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną, projekt ten miał strategiczne znaczenie dla IPTO i chcieliśmy, aby został jak najszybciej uruchomiony i włączony do systemu.’’ IPTO należy do organizacji ENTSO-E (European Network of Transmission System Operators for Electricity). Jeśli chodzi o realizację projektów dystrybucji i podstacji, spółka posiada szerokie umiejętności i doświadczenie niezbędne do projektowania i realizacji wymaganych konstrukcji i wyposażenia podstawowego. Jednakże, na potrzeby wdrożenia cyfrowego systemu automatyki (SAS) IPTO podjęło decyzję o zatrudnieniu wykonawcy i konsultanta o odpowiednich kwalifikacjach i doświadczeniu.

Korzystając z ciągłej redundancji w ramach platformy zenon, PROTASIS dostarczył IPTO niezawodny system SAS bazujący na dwóch wydajnych serwerach pracujących w trybie „hot standby redundancy”. Tego typu rozwiązanie gwarantuje zerową utratę danych, nawet w krótkim czasie pomiędzy awarią jednego procesora a przejęciem jego funkcji przez jednostkę zapasową. Rozwiązanie to obejmuje dwie oddzielne jednostki kontroli zdalnej (RTU) po stronie 150 kV i 400 kV. Zapewniają one komunikacje stacji podrzędnej z Centrum Sterowania Zdalnego (RCC) systemu Hellenic Transmission System. O ile do komunikacji ze stacją IED wykorzystywany jest zestaw protokołów IEC61850, to komunikacja z centrum RCC odbywa się za pomocą protokołu HNZ, tj. zastrzeżonego protokołu spółki CEGELEC. Tego typu topologia zapewnia niezawodną komunikację z RCC, bez konieczności stosowania dodatkowych paneli interfejsowych. Stacja MEGALOPOLIS EHV jest nie tylko pierwszą bazującą na platformie zenon instalacją w greckiej stacji EHV, lecz również pierwszym systemem 400 kV SAS wdrożonym przez PROTASIS z wykorzystaniem platformy zenon do automatyzacji i wizualizacji w połączeniu z urządzeniami IED spółki SEL. – ,,Rozmiar i złożoność projektu skłoniły nas do zbadania i odkrycia niezwykle skutecznych funkcji

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE

Zdj. 2. Ergonomia systemu SAS bazującego na platformie zenon zapewnia operatorom dokładne i czytelne informacje w czasie rzeczywistym.

platformy zenon, o których nie wiedzieliśmy przed projektem. Dzięki tej platformie dostarczyliśmy ergonomiczny, wydajny i niezawodny system automatyzacji i wizualizacji podstacji w postaci niezwykle ekonomicznego, kompletnego rozwiązania, które jest zarówno łatwe w użyciu, jak i niezawodne’’ – twierdzi George Arvanitis, kierownik projektu w PROTASIS: – ,,Dzięki ciągłej redundancji systemu, nasi operatorzy SAS są pewni, że pracują z sys-

temem, który nie zawiedzie w krytycznych momentach’’ – potwierdza Georgopoulos. – ,,Doskonała ergonomia środowiska roboczego Platformy Programowej zenon dostarcza wszystkie wymagane i szczegółowe informacje w czytelnej formie. ‘’ – ,,Konfiguratory i kreatory sterowników zenon IEC 61850 oraz opcje kopiowania pól pozwoliły nam na dostarczenie systemu SAS w bardzo krótkim czasie’’ – dodaje Arvanitis. – ,,Dzięki elastycznemu środo-

wisku inżynieryjnemu Platformy Programowej zenon stworzyliśmy aplikację, która jest zarówno intuicyjna, jak i stabilna. Ponadto wyprzedziliśmy umowne terminy realizacji oddając projekt wcześniej’’. IPTO i greccy odbiorcy energii elektrycznej skorzystali z wcześniejszego uruchomienia stacji MEGALOPOLIS. Grecki dystrybutor energii IPTO był bardzo zadowolony z realizacji projektu przez firmę PROTASIS i podpisał z nią koleją umowę na modernizację istniejącej stacji „MEGALOPOLIS I” o mocy 150 kV z nowymi urządzeniami zabezpieczającymi i sterującymi IED. Jest to pierwsza podstacja w Grecji o topologii IEC 62439-3 PRP i zarówno pierwszy system SAS oparty również na uniwersalnej platformie zenon. yy Pierwszy w Grecji system SAS o mocy 400 kV wykonany z wykorzystaniem platformy zenon do automatyzacji i wizualizacji. yy Integracja urządzeń cyfrowych. yy Komunikacja z urządzeniami IED za pośrednictwem protokołu IEC61850. yy Komunikacja z siecią za pośrednictwem protokołu firmowego. yy Tryb „hot standby redundancy” gwarantujący zerową utratę danych. yy Oszczędne, kompleksowe rozwiązanie łatwe w użyciu i niezawodne. COPA-DATA n

Ułatw sobie życie. Inteligentne zarządzanie energią z zenon Software Platform. Efektywny inżyniering, prosty do integracji – od elektrowni aż do Smart Grids: ` Automatyzuj podstacje

` Kontroluj systemy magzynowania energii

` Zarządzaj sieciami dystrybucyjnymi

` Obsługuj energię ze źródeł odnawialnych

` Monitoruj elektrownie wodne

zenon na targach ENERGETAB 2020 15.09 – 17.09.2020 | ZIAD Bielsko-Biała Hala: A | Stoisko numer: 28

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

www.copadata.com/energy

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE

Diagnostyka oraz lokalizacja uszkodzeń w transformatorach mocy Wprowadzenie Wraz z postępującym wiekiem transformatorów mocy coraz ważniejsza staje się regularna kontrola ich stanu eksploatacyjnego. Analiza gazów rozpuszczonych (DGA) jest sprawdzoną i sensowną metodą, tak że w przypadku stwierdzenia zwiększonych proporcji H2 i gazów węglowodorowych w oleju, usterka musi być zlokalizowana jak najszybciej. Aby ustalić przyczynę wysokich poziomów gazów, należy przeprowadzić dalsze badania. Powszechnie stosowanymi metodami są: pomiar oporności uzwojeń (statyczny), test podobciążeniowego przełącznika zaczepów (PPZ) (dynamiczny test przełączania), pomiar przekładni napięciowej/zwojowej i prądu magnesowania, pomiar reaktancji rozproszenia oraz pomiar pojemności i strat dielektrycznych tgδ. Innowacyjne metody pomiarowe tj. pomiar Dodatkowe straty zależne od częstotliwości (ang. Frequency Response of Stray Losses – FRSL), pomiar odpowiedzi częstotliwościowej (ang. Frequency Response Analysis – FRA), pomiar współczynnika pojemności i rozproszenia DF przy różnych częstotliwościach, analiza odpowiedzi dielektrycznej za pomocą prądu polaryzacji / depolaryzacji (PDC) i spektroskopii odpowiedzi częstotliwościowej (FDS) oraz pomiar wyładowań niezupełnych (WNZ) za pomocą nowoczesnych synchronicznych systemów wielokanałowych i wieloczęstotliwościowych, umożliwiają bardziej szczegółowe pomiary diagnostyczne na transformatorach. Dokładny przegląd wszystkich metod znajduje się w [1]. Opracowany artykuł opisuje zastosowanie niektórych, z nowych metod i ilustruje je praktycznymi studiami przypadków do diagnozowania i znajdowania uszkodzeń w transformatorach.

Pomiar stanu izolacji dielektrycznej Obecność wody w izolatorach olejowo-papierowych idzie w parze ze starzeniem się transformatorów: zmniejsza się wytrzymałość dielektryka, przyspiesza rozkład celulozy i powoduje emisję pęcherzyków powietrza w wysokich temperaturach. Najnowocześniejsze pomiary wilgotności to wykresy równowagi, na których próbuje się uzyskać wilgoć w izolacji stałej (papier, preszpan) z wilgoci zawartej w oleju. Metoda ta zawodzi z kilku powodów [2]. W ciągu ostatniej dekady szeroko dyskutowano i sporadycznie stosowano dielektryczne metody diagnostyczne do oceny zawartości wody w izolacji. Wielowarstwowa izolacja zwykłych transformatorów mocy składa się z oleju i papieru, a więc wykazuje efekty polaryzacji i przewodności. Dielektryczne metody diagnostyczne działają w zakresie zdominowanym przez polaryzację międzyfazową na granicy celulozy i oleju, przewodnictwo celulozy i przewodnictwo oleju. Wilgoć wpływa na te zjawiska. Silny wpływ ma również temperatura i konstrukcja izolacji [2]. W [2] przeanalizowano porównanie powyższych metod. Metody FDS i PDC dają dość wiarygodne wyniki, a także odzwierciedlają wpływ temperatury i geometrii za pomocą tzw. modelu X-Y. Wyniki pomiarów PDC mogą być przekształcone

z dziedziny czasu w dziedzinę częstotliwości. Chociaż wyniki metod PDC i FDS są porównywalne i mogą być przekształcone z dziedziny czasu w dziedzinę częstotliwości i odwrotnie, obie metody mają zalety i wady. Jeżeli metoda FDS jest stosowana w zakresie częstotliwości do 100 µHz, to do wykonania jednego pomiaru, np. stanu izolacji pomiędzy uzwojeniem górnego (GN) i dolnego napięcia (DN), potrzeba jest, aż do dwunastu godzin. Jeśli mierzone są również inne uzwojenia, np. pomiędzy uzwojeniem GN, a kadzią lub pomiędzy uzwojeniem DN, a trójnym (TR), potrzeba jeszcze więcej czasu. Pomiar metodą PDC wymaga znacznie mniej czasu, ale jest ograniczony do częstotliwości do około 1 Hz. Nowe podejście łączy obie metody [3]. Pomiar FDS jest zastępowany metodą PDC w zakresie niskich częstotliwości, a wyniki są przekształcane na dziedzinę częstotliwości, podczas gdy FDS jest stosowany dla wyższych częstotliwości, co może być wykonane dość szybko. Dwa kanały wejściowe do jednoczesnego pomiaru dwóch przerw izolacyjnych sprawiają, że jest on jeszcze szybszy. Nowe krzywe modelowe dla starzejącej się izolacji płyty olejowo-preszpanowej - wynik projektu badawczego na Uniwersytecie w Stuttgarcie - sprawiają, że wyniki dla starzejących się transformatorów są znacznie bardziej wiarygodne w porównaniu ze standardowymi krzywymi modelowymi dla nowej izolacji płyty olejowo-preszpanowej, które były stosowane do tej pory.

Pomiary eksploatacyjne transformatora mocy 133 MVA Transformator został wyprodukowany w 1967 roku, o mocy znamionowej 133 MVA i napięciu 230 / 115 / 48kV. Przerwy izolacyjne pomiędzy uzwojeniami GN do DN, DN do TR i do kadzi zostały zmierzone oddzielnie. Wyższa zawartość wilgoci w izolacji uzwojenia TR odpowiadała warunkom pracy transformatora: uzwojenie TR nie było używane. Celuloza w niższych temperaturach magazynuje więcej wody w transformatorze niż cieplejsza celuloza. Dzięki temu metody dielektryczne pozwalają na elementarne zlokalizowanie zawilgoconych obszarów w izolacji. W przeciwieństwie do tego, zawartość wilgoci w celulozie pochodzącej z próbek oleju daje wartość średnią. Wynik uzyskany na podstawie względnego nasycenia w oleju za pomocą zaawansowanego wykresu równowagi dobrze pokrywa się z analizą dielektryczną. Jednakże, konwencjonalna metoda wyprowadzania wilgoci w celulozie z wilgoci wagowej w oleju (ppm) daje zbyt wysoki wynik. Starzenie się oleju i papieru uniemożliwia w większości przypadków zastosowanie wykresów równowagi pochodzących ze źródeł literaturowych. Transformator był suszony w systemie suszenia online przez około półtora roku. Po wysuszeniu pomiary zostały powtórzone. Rysunek 1 przedstawia zawartość wody w izolacji stałej przed i po suszeniu. Wilgotność izolacji GN do DN została zmniejszona z 2,6% do 1,6%, a wilgotność izolacji DN do TR z 4,3% do 1,5%. Wilgoć w izolacji od TR do kadzi była nadal dość wysoka i wynosiła 3,3%. Aby zmniejszyć wilgoć w uzwojeniu TR, należy obciążyć uzwojenie, aby zwiększyć jego temperaturę.

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE Pomiar pojemności oraz współczynnika stratności dielektrycznej (tgδ) Nowoczesne testery mają możliwość stosowania zmiennej częstotliwości sygnału probierczego, a pomiary mogą być wykonywane przy częstotliwościach różniących się od częstotliwości 50 Hz i jej harmonicznych. Dzięki temu, pomiary są możliwe również w obecności wysokich zakłóceń elektromagnetycznych.

Wartości graniczne współczynnika odkształcenia DF W istniejących standardach limity podane są tylko dla częstotliwości podstawowej 50 Hz. Pomiar współczynnika rozpraszania DF przy innych częstotliwościach powinien być również uwzględniony w normach. Wyniki pomiarów przy niskich częstotliwościach (np. 15 Hz) pozwalają na bardzo czułą ocenę wilgotności, a pomiary przy wysokich częstotliwościach (np. 400 Hz) pozwalają na bardzo czułe wykrycie problemów z z połączeniem uzwojeń lub na połączeniach warstwowych. Możliwe jest również wykrycie częściowych, wysoce opornych uszkodzeń pomiędzy warstwami uzwojeń. Rysunek 2 przedstawia orientacyjne wartości graniczne dla nowych i postarzanych tulei przy różnych częstotliwościach [1,4]. Wszystkie testy zostały przeprowadzone przy napięciu testowym 2 kV. Orientacyjne granice na (tabela 1) zostały wyodrębnione z ponad 2000 różnych pomiarów. Zostały one obliczone, jako wartości średnie plus dwukrotne odchylenie standardowe, co oznacza, że 95% wyników było poniżej tych wartości.

Rys. 1 Zawartość wody przed i po suszeniu Tabela 1 Orientacyjne limity DF dla izolatorów przepustowych dla temperatury odniesienia 20˚C Materiał z jakiego wykonano izolację izolatora RIP OIP RBP (Resin (Oil (Resin impregnated) impregnated) bonded paper) Stan wiekowy izolatora przepustowego Częstotliwość

Nowy

Stary

Nowy

Stary

Nowy

Stary

15 Hz

<0,6%

<0,7%

<0,5%

<0,7%

<1,5%

50 Hz

<0,5%

<0,4%

<0,5%

<0,6%

<1,0%

400 Hz

<0,6%

<0,7%

<0,5%

<0,7%

<1,5%

Pomiary wyładowań niezupełnych Pomiar wyładowań niezupełnych (WNZ) jest narzędziem do kontroli jakości aparatury wysokiego napięcia, akceptowanym na całym świecie. Poza ekranowanymi laboratoriami sygnały WNZ są bardzo często nakładane przez impulsy szumów/zakłóceń, co utrudnia analizę danych WNZ zarówno ekspertom, jak i specjalistom. Dlatego też separacja zakłóceń od sygnału włąsciwego WNZ jest jednym z głównych zadań podczas tego typu pomiarów.

Nowe metody obróbki danych pomiarowych Nowy obszar metod oceny został opracowany przez potrzebę w pełni zsynchronizowanej, wielokanałowej akwizycji WNZ, w celu uzyskania bardziej wiarygodnych wyników pomiarów w połączeniu ze skutecznym tłumieniem zakłóceń. Przegląd techniczny systemu znajduje się w [5]. Dzięki możliwości wykonywania synchronicznych wielokanałowych pomiarów WNZ, wprowadzono 3-fazowy 3PARD (ang. 3-Phase-Amplitude-RelationDiagram) jako nowe, potężne narzędzie analityczne do rozróżniania różnych źródeł WNZ i zakłóceń przy pomiarach trójfazowych urządzeń wysokiego napięcia, takich jak transformatory mocy, maszyny wirujące i systemy kabli.

Rys.2 Układ pomiarowy WNZ na transformatorze 110kV

Pomiary WNZ na wyremontowanym transformatorze Rysunek 2 przedstawia pomiar WNZ, w którym cztery kanały pomiarowe połączone są jednocześnie z trzema izolatorami przepustowymi strony GN i punktem gwiazdowym. Na Rysunku 3 widać, że trzy różne klastry na schemacie 3PARD są generowane przez trzy różne źródła WNZ: szumy statystyczne, zakłócenia impulsowe i wewnętrzne wyładowania niezupełne.

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

Rys.3 Separacja źródeł WNZ przy użyciu funkcji 3PARD

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE

Rys.4 Sygnał widma częstotliwości FFT dla trzech różnych impulsów WNZ z użyciem filtracji 3CFRD Rys.6 Sygnał WNZ (PRPD) z wykorzystania filtracji 3CFRD dla sygnału oryginalnego (Rys.5) – przykład 1

Rys.7 Sygnał WNZ (PRPD) bez wykorzystania filtracji 3CFRD – przykład 2 Rys.5 Sygnał WNZ (PRPD) bez wykorzystania filtracji 3CFRD – przykład 1

Pomiar wyładowań niezupełnych metodą elektryczną Pomiar wyładowań niezupełnych (WNZ) jest sprawdzonym narzędziem do kontroli jakości aparatury wysokiego napięcia w fabryce i na miejscu. Różne techniki pomiarowe WNZ wykorzystują różne właściwości fizyczne zjawiska powstawania WNZ, np. prądy wyładowań elektrycznych (zgodnie z IEC 60270), tworzenie się gazów (DGA - analiza gazów rozpuszczonych), impulsy elektromagnetyczne (pomiar UHF) lub promieniowanie akustyczne (kilkadziesiąt kHz). Pomiary wyładowań niezupełnych zgodnie z normą IEC 60270 są często podstawą do badań odbiorczych układu izolacyjnego urządzeń wysokiego napięcia. Poza ekranowanymi laboratoriami sygnały WNZ są bardzo często nakładane przez impulsy akustyczne, co utrudnia analizę danych WNZ zarówno specjalistom, jak i ekspertom z dziedziny oprogramowania. Dlatego też obsługa zakłóceń jest jednym z głównych zadań przy pomiarze WNZ. Pomiary WNZ są często przeprowadzane w warunkach hałasu. Na sygnał WNZ nakładają się stochastyczne impulsy szumu lub nawet wiele źródeł PD, co prowadzi do skomplikowanego, niełatwego do analizy, fazowo zależnego sygnału WNZ. W przypadku pomiarów DC WNZ, gdzie oczekiwana szybkość WNZ może być bardzo niska, nawet pojedyncze impulsy zakłócające mogą mieć znaczący wpływ na wynik testu.

Jako ulepszenie 3PARD wprowadzono 3-Centryczno-Częstotliwościowo-Relacyjny-Diagram (3CFRD) jako dodatkowe narzędzie do analizy danych WNZ w czasie rzeczywistym i separacji zakłóceń na obiektach testowych z wykorzystaniem źródła jednofazowego [6]. Synchroniczne uwzględnienie trzech różnych części częstotliwości widma WNZ pojedynczego impulsu dostarcza informacji o jego amplitudzie i wskazuje na jego możliwe położenie WNZ ze względu na propagację i tłumienie sygnału WNZ. Metoda 3CFRD wymaga trzech różnych filtrów pasmowo-przepustowych, które mierzą każde zdarzenie WNZ jednocześnie na zdefiniowanych częstotliwościach środkowych. Odpowiedni dobór tych trzech pozycji „band-passów” w dziedzinie częstotliwości jest kluczem do uzyskania optymalnych korzyści z tej metody. Te trzy filtry muszą być tak ustawione, aby różnice spektralne impulsów WNZ i innych impulsów były maksymalne. Rysunek 4 przedstawia widma trzech impulsów PD i trzech filtrów oznaczonych jako niebieskie paski. Czerwone strzałki wskazują bezwzględne wartości ładunku impulsu WNZ 1 (pokazane na czerwono) przy dyskretnych częstotliwościach filtrów. Wartości ładunków dla sygnałów z rysunku 4 są naniesione na wykresie gwiazdowym. Długości wektorów reprezentują zmierzony ładunek, a osie wskazują odpowiedni filtr. Po-

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE

Rys.11 Zainstalowana antena UHF w zaworze spustowym oleju

przez geometryczne dodanie odpowiedzi WNZ, jedna pojedyncza kropka stanowi końcową reprezentację początkowego tripletu. Zastosowanie tej zasady pokazano na dwóch przykładach. Pierwszym przykładem jest pomiar 3CFRD na izolatorze przepustowym wysokiego napięcia. Rysunek 5 przedstawia PRPD zarejestrowanego oryginalnie sygnału WNZ różnych źródeł PD. Nakładanie się różnych wzorców nie pozwala na szczegółową analizę. Rysunek 6 pokazuje oddzielony wzorzec jednegoźródła przez filtrowanie 3CFRD. Rys.8 Sygnał WNZ (PRPD) z wykorzystania filtracji 3CFRD dla sygnału oryginalnego (Rys.7) – przykład 2

Rys.9 Względne i bezwzględne czasy

Pomiar WNZ na transformatorze suchym Drugim przykładem filtrowania 3CFRD jest pomiar na transformatorze epoksydowym typu suchego. Rysunek 7 przedstawia zarejestrowany wykres PRPD przy około 40 kV. Poziom zakłóceń wynosi około 10 pC. Analizę z sygnału (Rys.7) z opcją filtracji 3CFRD pokazano na rysunku 8. Przefiltrowany sygnał pokazuje wyraźny wzór wewnętrznych wyładowań próżniowych przy 5 pC, chociaż wartości WNZ są poniżej poziomu szumu (10 pC). Wymierny bezpośredni sygnał olejowy na pozycji czujnika zależy od intensywności zdarzenia PD oraz od tłumienia na drodze propagacji. Dlatego też tłumienie za pomocą rdzenia, uzwojenia, płytki transformatora, ekranowania strumienia itd. powinno być jak najmniejsze. Z tego powodu podczas procedury pomiarowej niezbędne jest poszukiwanie takich pozycji czujników, które zapewnią dobrą jakość sygnału. Wiedza na temat wewnętrznej struktury transformatora jest pomocna w dobrym ustawieniu i zmianie pozycji czujników.

Lokalizacja WNZ

Rys.10 Rozmieszczenie czujnika (anteny) UHF

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

Różne algorytmy mogą być wykorzystane do wykonania lokalizacji WNZ w oparciu o np. pomiar czasu. Informacje wejściowe wykorzystywane przez algorytmy to czas przybycia sygnałów propagujących się na bezpośredniej fali na wielu czujnikach. Dokładny czas przybycia musi być określony poprzez ocenę mierzonego sygnału. Kryterium punktu wyjścia można znaleźć np. poprzez badanie sygnałów energetycznych lub kryteriów progowych. Względne czasy przybycia na różne pozycje czujników prowadzą do różnic czasowych

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE

Rys.12 Rozkład 3D piezoelektrycznych czujników na kadzi transformatora w programie

Rys.13 Suma napięć fazowych (składowa zerowa) dla przykładu sieci 400 kV Rys.15 Widok jednostki akwizycji danych MONTRANO

Rys.14 Przekładnik napięciowy, jako sygnał referencyjny

Rys.16 Rozwój gazu H2 (czerwony kolor)

(Δt1, Δt2). Opóźnienia te są jedynymi dostępnymi danymi w pomiarach akustycznych, gdy akwizycja danych jest wyzwalana przez sygnał akustyczny z jednego z czujników. Jeżeli dostępne jest opóźnienie czasowe pomiędzy wystąpieniem WNZ, a pojawieniem się związanej z nim fali akustycznej, do lokalizacji można wykorzystać bezwzględne czasy propagacji (t1, t2) od źródła do czujnika (rys. 12). Dokładny czas emisji sygnału WNZ może być oszacowany np. poprzez elektryczny pomiar WNZ zgodnie z IEC 60270 lub pomiar w zakresie ultra wysokiej częstotliwości (UHF). W tym drugim przypadku można wykorzystać czujniki w wizjerach transformatora do

pomiaru fali elektromagnetycznej o wysokiej częstotliwości, która jest emitowana podczas WNZ. Zasadę i konfigurację pomiarową przedstawiono na rysunkach 13, 14 i 15. Odległość pomiędzy czujnikiem, a źródłem WNZ obliczana jest na podstawie dostępnych bezwzględnych lub względnych czasów propagacji oraz przybliżonej średniej prędkości propagacji. Przy ustalonych odległościach i położeniu czujnika można w kilku krokach dokonać geometrycznej lokalizacji źródła WNZ (rys.12). Kolejną zaletą wyzwalania UHF jest możliwość wykorzystania średniej z jednakowo wyzwalanych sygnałów do redukcji przypadkowo występujących zakłóceń.

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE

Rys.20 Wizualizacja 3D mierzonego transformatora

Rys.17 Pomiar WNZ z MONTRANO

Rys.18 Pomiar WNZ z systemem MPD 600

Rys.21 Zlokalizowana przyczyna WNZ na połączeniach do izolatorów przepustowych

Rys.19 Układ pomiarowy PDL do lokalizacji miejsca zwarcia

Monitoring on-line WNZ oraz tgδ w izolatorach przepustowych wysokiego napięcia. Niektóre komercyjne systemy wykorzystują sumę prądów przechodzących przez C1 izolatorów przepustowych wszystkich faz do wykrywania wszelkich nienormalnych zmian pojemności C1 i strat dielektrycznych. Napięcia trzech faz mogą być bardzo niesymetryczne (Rysunek 13). Uniemożliwia to wykorzystanie tej metody do czułe-

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

go monitorowania pojemności i strat w izolatorach przepustowych. Dla precyzyjnego pomiaru pojemności i tgδ potrzebna jest wiarygodny sygnał referencyjny. W laboratoriach wysokiego napięcia sprawdzono, że kondensatory gazowe pod ciśnieniem dają stabilne i precyzyjne wyniki. W literaturze jako odniesienie wymienia się kondensatory powietrzne pomiędzy elektrodą głowicy izolatora, a elektrodami pomocniczymi. Kondensatory te mają wartości rzędu kilku pF. Tak, więc mierzone sygnały są bardzo małe w porównaniu z odbieranymi zakłóceniami elektromagnetycznymi. Lepszym wyborem jest zastosowanie transformatorów napięciowych lub izolatorów przepustowych na innych transformatorach, które są bezpośrednio podłączone do tej samej fazy (Rysunek 14). Rysunek 15 przedstawia system monitoringu, MONTRANO, zamonto-

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE otaczającej sieci. Rysunek 22 przedstawia samoczynne zamykanie się jednej fazy. Sygnał napięcia przemijającego kanału L2 wskazuje na pewne nieprawidłowości podczas procesu przełączania. Michael Krüger, OMICRON electronics GmbH n

Literatura

Rys.22 Przejściowe sygnały napięciowe na izolatorach przepustowych - L2 (niebieski) po samoczynnym zamknięciu

wany na starym transformatorze, który wykazał silny wzrost wodoru H2 (czerwony kolor na rysunku 16). Intensywność WNZ zmierzona za pomocą MONTRANO (Rysunek 17) wykazała dobrą korelację z pomiarem WNZ , który powtórzono za pomocą MPD 600 (Rysunek 18). Usterka mogła być zlokalizowana przy akustycznym układzie, PDL 600 (Rys.19, 20), na końcu izolatora przepustowego 1V i 1W (Rys. 21). Izolatory przepustowe zostały usunięte, a uszkodzenia na przewodach pomiędzy uzwojeniami – izolatorem są widoczne rysunku 21. Z powodu przegrzania, na papierze izolacyjnym i wewnątrz uzwojeń powstał X-wax. Dodatkową ciekawostką w MONTRANO jest monitorowanie przejściowych przepięć na izolatorach. Pojemność C1 ma bardzo małą indukcyjność i jest idealna do pomiaru szybkich sygnałów przejściowych. Przepięcia przejściowe mogą uszkodzić izolatory lub uzwojenia transformatora, a także dostarczyć ważnych informacji o innych właściwościach

[1] Cigre Brochure 445: „Guide for Transformer Maintenance” February 2011, ISBN: 978- 2- 85873- 134-3 [2] M. Koch “Improved Determination of Moisture in Oil-Paper-Insulations by Specialised Moisture Equilibrium Charts” Proceedings of the XIVth International Symposium on High Voltage Engineering, p. 508, Beijing, China, 2005 [3] H. Borsi, E. Gockenbach, M. Krüger „Method and apparatus for measuring a dielectric response of an electrical insulating system” US2006279292 [4] M. Krüger, A. Kraetge, M. Koch, K. Rethmeier, M. Pütter, L. Hulka, M. Muhr, C. Summereder: „NEW DIAGNOSTIC TOOLS FOR HIGH VOLTAGE BUSHINGS”, VI WORKSPOT, 2010, FOZ DO IGUACU, Brasil [5] K. Rethmeier, M. Krüger, A. Kraetge, R. Plath, W. Koltunowicz, A. Obralic, W. Kalkner, Experiences in On-site Partial Discharge Measurements and Prospects for PD Monitoring, CMD Beijing 2008 [6] K. Rethmeier, A. Obralic, A. Kraetge, M. Krüger, W. Kalkner, R. Plath. „Improved Noise Suppression by real-time pulsewaveform analysis of PD pulses and pulseshaped disturbances”, International Symposium on High Voltage on High Voltage

Skorzystaj z naszego doświadczenia w kompleksowej diagnostyce transformatorów mocy Całe doświadczenie, które posiadam jako regionalny specjalista ds. aplikacji przekazuję do naszych systemów testowania transformatorów. Zaprojektowane przez inżynierów dla inżynierów, nasze rozwiązania są niezawodne, przenośne i solidne do codziennego użytku w terenie, z indywidualnymi schematy połączeń i zintegrowaną ocenę według różnych standardów. Nasza szeroka gama testerów transformatorów obejmuje wszystko od konwencjonalnych testów, tj. współczynnik stratności, aż po nowoczesne metody analizy odpowiedzi częstotliwościowej dielektryków i SFRA.

www.omicronenergy.com

AD2075-DIRANA-210x100mm-Urządzenia-dla-Energetyki-PLK.indd 1

Christoph Englen Regionalny specjalista ds. aplikacji

2020-07-01 14:09:32

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE

Partex: systemy oznaczeń w energetyce Energetyka to dziedzina obejmująca szerokie spektrum zagadnień począwszy od instalacji elektrycznych wewnątrz obiektów, poprzez linie przesyłowe, na elektrowniach i elektrociepłowniach kończąc. Coraz większe znaczenie w jej ramach zdobywa także bardzo dynamicznie rozwijającą się ostatnio fotowoltaika. We wszystkich tych obszarach wymagane są odpowiednie, czytelne i trwałe systemy oznaczeń zapewniające łatwą identyfikację złożonych struktur elektrycznych.

nergetyka stanowi jedną z największych gałęzi przemysłu i gospodarki. Naturalne jest więc, iż różnorodność występujących w jej ramach komponentów jest olbrzymia. Firma Partex posiada w swojej ofercie produkty, które można wykorzystać do oznaczania praktycznie wszystkich elementów wchodzących w skład systemów elektroenergetycznych, w tym m.in. rozdzielnic, linii przesyłowych, słupów, transformatorów, kabli i przewodów, a nawet rurociągów i zbiorników.

Rozdzielnice

Jednymi z podstawowych elementów systemów energetyki i w zasadzie każdej instalacji elektrycznej są rozdzielnice. Przeważnie wykonuje się w nich dużą liczbę połączeń, których właści-

we oznakowanie ułatwia późniejszą eksploatację i ewentualne modyfikacje. To samo dotyczy znajdujących się tam urządzeń elektroenergetycznych czy lampek i przycisków. Jeżeli będziemy chcieli wykonać oznakowanie znajdujących się w rozdzielnicy kabli i przewodów mamy do wyboru dwa rodzaje oznaczników z oferty firmy Partex: PA oraz PT+. Te pierwsze, pokrywające szeroki zakres średnic, posiadają trwały i czytelny nadruk, są dostępne w standardowych kolorach, a także w międzynarodowym kodzie kolorów. Wykonany z niepalnego PCV model PT+ posiada kieszeń na wsuwane etykiety, które mogą być przygotowane przy użyciu drukarek z serii Promark lub MK10. W sytuacji, w której przewody będą wymagały dodatkowej ochrony

do dyspozycji użytkowników są węże osłonowe SP oraz oploty ochronne SUP. W przypadku opisów lampek i przycisków sterujących sprawdzą się samoprzylepne etykiety z błyszczącą powłoką EPL oraz tabliczki z laminatu dwuwarstwowego PGL. Opisy aparatów w rozdzielnicy zrealizujemy za pomocą przeznaczonych do zadruku w drukarkach termotransferowych profili samoprzylepnych PPA, etykiet poliestrowych PLT lub taśmy samoprzylepnej.

Linie napowietrzne, słupy, transformatory

Słupy i linie napowietrzne to szkielet każdej sieci elektroenergetycznej. Ich oznakowanie musi być trwałe oraz spełniać standardy przyjęte przez polskich operatorów energetycznych.

Rys. 1.

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE Tabela 1. Produkty marki Partex stosowane w energetyce Zastosowanie

Rozdzielnice

Produkt

Opisy lampek i przycisków

EPL, PGL

Tabliczki znamionowe

EPL, PGS

PA, PT+

Opisy listw zaciskowych (złączek)

TX, PP

Opisy aparatów

PPA, PLT, taśma samoprzylepna

Oznaczniki na kable

PPQ, PK, PO-068

Ochrona przewodów przed uszkodzeniami

SP, SUP

Tablice energetyczne

UV-ALU

Linie napowietrzne

Transformatory

Znakowanie kabli ziemnych

Tablice ostrzegawcze i informacyjne

UV-ALU

Znakowanie kabli energetycznych

PKS, PPQ

Tabliczki znamionowe

PGA, PGL

Znakowanie kabli i rur

PKS

Mocowanie kabli, przewodów i rurek

PKS, PKSC, PKSS

Opisy obwodów sterowania

POZ, ET, TB, TBM

Obróbka kabli transformatorowych

COL

Oznaczniki na kable ziemne

PPQ, PKS

Znakowanie przyłączy kablowych

PGL, PGS, EPL

Oznaczniki na kable sterownicze i zasilające

PPQ, PKS

Opisy aparatury kontrolno-pomiarowej

PGA, EPL, PLT

Identyfikacja kabli sterowniczych i AKPiA

Znakowanie kabli w systemie KKS

PPQ, PKS, PK

Znakowanie szaf i skrzynek w systemie KKS

PGA, PGL, EPL

Opisy kabli niskoprądowych

PM, PPQ, PK, PO-068

Instalacje teletechniczne i elektryczne

Trasy kablowe

Fotowoltaika

Rozwiązanie Opisy przewodów

i elektryczne

EPL

Opisy skrzynek i szafek

EPL, EPF

Opisy tablic i aparatury modułowej

PGL, EPL, taśma samoprzylepna

Opisy pojedynczych przewodów

PA, PC

Opisy gniazdek

taśma samoprzylepna, EPL, PLL

Mocowanie kabli w korytach kablowych

PKB, PKS, PKSS, PKSL

Trasy kablowe

PKBR, PKB, PKSRC

Identyfikacja koryt kablowych

PGL, EPL, EPF

Oznaczniki na inwertery PV

EPL

Fotowoltaika

CT-MC4

Oznaczniki na przewody do systemów solarnych Etykiety samoprzylepne odporne na wysoką temperaturę Oznakowanie kierunków przepływu cieczy

PK+, PPQ, PK

Rurociągi i zbiorniki

UV-ALU, PGH, PKS, PKSLC

Rurociągi i zbiorniki

PLT EPL, PLT PGL, PGA, PUV, UV-ALU

W ramach oferty firmy Partex możemy znaleźć wykonane z aluminium kompozytowego tabliczki Dibond, pozwalające na naniesienie metodą drukowania UV praktycznie dowolnego projektu. W ten sposób wykonamy tablice energetyczne oraz ostrzegawcze i informacyjne wykorzystywane m.in. do numeracji linii i słupów, stacji rozdzielczych, złącz, szafek. Oznaczenia do kabli energetycznych zrealizujemy przy pomocy wieloznakowych, tłoczonych oznaczników PKS ze stali nierdzewnej, stalowych opasek zaciskowych lub płaskich oznaczników PPQ. Energetyka to także transformatory. Urządzenia te pracują za-

zwyczaj w warunkach ciężkich lub nawet ekstremalnych, a więc do ich znakowania należy użyć materiałów o odpowiednio wysokiej trwałości. Do wykonywania tabliczek znamionowych warto sięgnąć po takie rozwiązania, jak odporne na promieniowanie UV tabliczki z aluminium anodowanego PGA. W przypadku konieczności mocowania kabli, przewodów, rurek wykorzystać można stalowe powlekane opaski zaciskowe PKSC odporne na kwasy, sól, chemikalia oraz wysoką temperaturę, a także wykonane ze stali nierdzewnej kwasoodpornej ASIS 316 opaski zaciskowe PKSS.

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

Fotowoltaika

Dynamiczny rozwój instalacji fotowoltaicznych różnych mocy i wielkości powoduje, iż niezbędne stają się odpowiednio czytelne i trwałe systemy oznaczeń odporne na trudne warunki środowiskowe. Paleta produktów Partex zawiera w tym zakresie kilka propozycji. Do znakowania inwerterów PV wybrać można elastyczne etykiety piankowe o grubości 0,8 mm EPL. Poliestrowe etykiety samoprzylepne PLT wytrzymują temperatury nawet do 150°C i mogą posłużyć do oznakowania paneli solarnych. Specjalna praska zaciskowa dedykowana do złącz solarnych, wyposażona w mechanizm za-

TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE padkowy, przeznaczona jest do zaciskania złącz konektorów solarnych MC3 i MC4 dla przewodów o przekroju od 2,5 do 6,0 mm2.

Kable ziemne

Zakładany okres eksploatacji kabli energetycznych układanych w ziemi to około 30 lat. System oznaczeń do nich stosowany musi więc być odporny na zagrożenia występujące w glebie i mechaniczne uszkodzenia. Wyroby muszą też być zgodne ze standardami spółek energetycznych. Firma Partex proponuje klientom do tego typu zastosowań dwie główne grupy produktów. Oznaczniki na kable ziemne PPQ i PKS zapewnią czytelny opis i wysoką odporność na ścieranie. Do znakowania przyłączy kablowych można wykorzystać tabliczki grawerowane laserowo PGS ze stali nierdzewnej, elastyczne tabliczki wykonane z laminatu dwuwarstwowego PGL lub etykiety piankowe EPL. Wszystkie te produkty charakteryzują się wysoką odpornością na promieniowanie UV.

Rys. 2.

Trasy kablowe

Układanie instalacji w formie tras kablowych to popularna i ergonomiczna forma ich realizacji. Firma Partex oferuje produkty zarówno do opisywania tras kablowych, jak i mocowania i spinania kabli w nich biegnących. I tak opaski do koryt kablowych PKB, stalowe opaski zaciskowe PKS, stalowe opaski zaciskowe PKSS oraz stalowe opaski drabinkowe PKSL mogą być wykorzystane do mocowania kabli w korytach. Znajdziemy tu komponenty o szerokim zakresie wytrzymałości. Do spinania przewodów i kabli w trasach kablowych możemy wybierać spośród odpinanych opasek PKBR, opasek na rzepy PKB lub odpinanych opasek ze stali nierdzewnej PKSRC. Pozwalają one na trwałe spięcie kabli lub ewentualnie późniejsze ich dodanie do wiązki. Równie istotna jest właściwa identyfikacja samych koryt kablowych. Najczęściej stosuje się w takiej sytuacji tabliczki PGL z laminatu dwuwarstwowego, samoprzylepne etykiety EPL lub samoprzylepne, bezhalogenowe etykiety z matową powłoką EPF. Odpowiednie opisy można wygrawerować lub wydrukować samodzielnie lub też zamówić produkty z gotowym opisem w firmie Partex.

Podsumowanie

Oferta firmy Partex zawiera szereg produktów, które można znaleźć w wielu sektorach szeroko rozumianej energetyki. Oprócz zaprezentowanych powyżej paleta wyrobów przedsiębiorstwa

Rys. 3.

Rys. 4.

zawiera także m.in. komponenty do identyfikacji kabli sterowniczych i AKPiA, w tym w systemie KKS, instalacji teletechnicznych i elektrycznych, opisy gniazdek, kamer przemysłowych, skrzy-

nek i szafek, a nawet oznakowania rurociągów i zbiorników. Pełny wykaz produktów zamieszczono w tabeli 1. Opracowano na podstawie materiałów firmy Partex n

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

INSTYTUT ENERGETYKI ul. Mory 8, 01-330 Warszawa

LABORATORIUM URZĄDZEŃ ROZDZIELCZYCH tel.: +48 600 359 022, +48 604 886 438, e-mail: eur@ien.com.pl; www.ien.com.pl

Jedyne w Polsce sieciowe laboratorium wielkiej mocy, zasilane z systemu elektroenergetycznego 220 kV/110 kV, o mocy zwarciowej Sz3faz = 10700 MVA przez autotransformator 160/160/1,6 MVA, 230±10%/120/10,5 kV oraz przez 3-fazowy zestaw jednofazowych transformatorów zwarciowych INDELVE, 3× 580 MVA/5s, 115,5 kV /1 ÷ 32 kV.

Akredytowane laboratorium realizuje prace badawczo – rozwojowe oraz badania typu urządzeń

elektroenergetycznych wysokiego napięcia wg norm PN-EN oraz IEC, posiada akredytację Polskiego Centrum Akredytacji w zakresie badań elektrycznych i mechanicznych wyrobów i wyposażenia elektrycznego. Laboratorium jest członkiem Klubu Polskich Laboratoriów Badawczych POLLAB stowarzyszonego z Europejską Organizacją Laboratoriów Badawczych EUROLAB. Laboratorium wykonuje prace badawcze na zlecenie wielu krajowych i zagranicznych firm. Bierze czynny udział w konferencjach naukowo-technicznych krajowych i międzynarodowych. Pracownicy Laboratorium są członkami Komitetów Technicznych PKN ds. Aparatury Rozdzielczej i Sterowniczej Niskonapięciowej oraz ds. Aparatury Rozdzielczej i Sterowniczej Wysokonapięciowej, a także Komitetu

Technicznego IEC Insulators for overhead lines oraz CIGRE.

W Laboratorium Urządzeń Rozdzielczych wykonywane są między innymi następujące badania: • obciążalności zwarciowej urządzeń i aparatury łączeniowej do 550 kV • zdolności łączenia wyłączników, rozłączników i zestawów rozłączników z bezpiecznikami do 36 kV, odłączników i uziemników do 550 kV, bezpieczników topikowych ograniczających i gazowydmuchowych do 24 kV • odporności na łuk wewnętrzny rozdzielnic WN i stacji transformatorowych SN/Nn • odporności na działanie łuku elektrycznego łańcuchów izolatorów do 420 kV • zwarciowej wytrzymałości dynamicznej transformatorów rozdzielczych do 36 kV i specjalnych do 120 kV • wytrzymałości zwarciowej ograniczników przepięć do 36 kV, przekładników prądowych i kombinowanych do 145 kV, dławików i transformatorów uziemiających oraz zespołów transformator-prostownik • działania i trwałości mechanicznej łączników, rozdzielnic i przekładników • próby odporności na uszkodzenie kabli SN (spike test) • charakterystyki czasowo-prądowe bezpieczników topikowych ograniczających do 24 kV.

TRANSFORMATORY – KOMPLEKSOWE ROZWIÑZANIA

Kompleksowa ocena stanu technicznego transformatorów na podstawie badaƒ i pomiarów diagnostycznych; System zarzàdzania eksploatacjà transformatorów – TrafoGrade; Serwis, remonty i modernizacje transformatorów na miejscu zainstalowania; Przedłu˝enie czasu „˝ycia technicznego” transformatora; Serwis podobcià˝eniowych przełàczników zaczepów; Regeneracja i uzdatnianie oleju; Badania i pomiary aparatury WN i SN; Badania i pomiary wyłàczników w izolacji SF6.

TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI

Wyłączniki szybkie prądu stałego w układach zasilania trakcji elektrycznej Wstęp

W systemach zasilania trakcji elektrycznej prądu stałego jako podstawowe zabezpieczenie przed przepływem prądów zwarciowych i przeciążeniowych w obwodach prądu stałego stosuje wyłączniki szybkie. Bez względu na napięcie znamionowe systemu (600 V – tramwaje i trolejbusy, 750 V – metro, 1500 V – metro i kolej, 3000 V – kolej) w prawie wszystkich rozwiązaniach stosuje się wyłączniki magnetowydmuchowe, w których gaszenie łuku odbywa się w powietrzu. Specyfika i zjawiska występujące w czasie zwarć w obwodach prądu stałego trakcji elektrycznej opisano w licznych publikach, w tym w [7], [8], [6] i [18]. Wyłączniki szybkie poszczególnych producentów różnią się między sobą konstrukcją komory łukowej, metodą wyzwalania i napędu. Niemniej jednak wyłączniki określonego producenta mają zbliżoną budowę, a jedynymi różnicami są przekroje elementów toru głównego oraz wytrzymałość dielektryczna. Idea konstrukcja wyłączników szybkich prądu stałego stosowanych w podstacjach trakcyjnych nie zmieniła się znacząco od prawie stu lat, kiedy to firma AEG w 1924 roku przedstawiła pierwszy wyłącznik szybki prądu stałego. Prąd znamionowy tego wyłącznika wynosił od 1000 do 2500 A, zaś napięcie znamionowe 600 lub 1650 V. W 1932 roku firma British Thomson-Houston opatentowała wyłącznik szybki typu RJR [1], który stał się podstawą konstrukcji wielu rozwiązań stosowanych do dziś. Podstawą patentu brytyjskiego były amerykańskie patenty wyłączników szybkich, zgłoszone prze pracowników firmy General Electric w latach 1919 [4], 1923 [3] i 1934 [2]. Bez względu na rozwiązania konstrukcyjne wyłącznika szybkiego oraz jego znamionowe napięcie i prąd, aparat ten musi charakteryzować się określonymi parametrami, gdyż mają one znaczący wpływ na poziom zabezpieczeń, ochronę urządzeń i ludzi oraz trwałość i niezawodność pracy samych wyłączników.

Rys. 1. Szkic wyłącznika szybkiego prądu stałego: 1 – styk stały; 2 – styk ruchomy; 3 – cewka wydmuchowa; 4 – rdzeń cewki wydmuchowej; 5 – komora łukowa; 6, 7 – rożki łukowe; 8 – przegroda komory łukowej; 9, 10 – zaciski przyłączeniowe wyłącznika; 11 – mechanizm zamykający i utrzymujący styki; 12 – mechanizm rozwierający styki; 13 – dźwignia styku ruchomego; linia przerywana – łuk [5]

Budowa wyłączników szybkich

Wyłączniki magnetowydmuchowe, ze względu na ich otwartą konstrukcję (IP00), są wykonywane jako aparaty wnętrzowe. Są to wyłączniki samoczynne – wyposażone w wyzwalacz pierwotny, dzięki czemu wyłączenie następuje po przekroczeniu nastwionej wartości prądu wyzwalania w wyniku przepływu prądu zwarciowego lub przeciążeniowego. Dodatkowo każdy z typów eksploatowanych obecnie wyłączników może również zostać wyzwolony sygnałem zewnętrznym. Uproszczony rysunek magnetowydmuchowego wyłącznika szybkiego

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

pokazano na rysunku 1. Zasadniczą częścią magnetowydmuchowych wyłączników szybkich prądu stałego jest komora łukowa 5, zwana również komorą gaszeniową, której zadaniem jest ograniczenie przestrzeni palenia się łuku oraz jego szybkie chłodzenie i dejonizacja. Po otwarciu styków wyłącznika 1 i 2 zapala się łuk, który pod wpływem pola magnetycznego wytwarzanego przez cewkę wydmuchową 3 jest kierowany na rożki łukowe 6 i 7 w komorze. Styki wyłącznika 1 i 2 rozwierane są przez mechanizm 12 po zwolnieniu mechanizmu utrzymującego styki 11. Zamykanie wyłącznika

TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI następuje po załączeniu jego napędu i mechanizmu 11, co powoduje uzbrojenie mechanizmu rozdzielającego styki 12 i zablokowanie przez mechanizm 11dźwigni styku ruchomego 13 w stanie zamkniętym. Wyzwalanie i otwarcie wyłącznika ściśle wiąże się z konstrukcją wyłącznika. Wyróżnia się trzy podstawowe typy konstrukcji: zapadkowy, z przychwytem magnetycznym i przerwnikowy. Od zastosowanego rozwiązania zależy czy wyłącznik jest spolaryzowany – jego wyzwalanie samoczynne jest możliwe przy przepływie prądu jednym, określonym kierunku. Szczegółowe opisy konstrukcji wyłączników szybkich można znaleźć w materiałach producentów oraz w monografii [6].

Parametry i badania wyłączników szybkich

Wymagania i zakres badań wyłączników prądu stałego do zastosowań w układach zasilania trakcji elektrycznej zawarte są w normach PN-EN 50123-1 [10] i PN-EN-50123-2 [11]. Dodatkowe wymagania dotyczące zdolności łączeniowej prądów zwarciowych wyłączników szybkich narzuca norma PN-EN 50388 [16]. Ogólnie rzecz ujmując, wyłączniki szybkie stosowane w układach zasilania trakcji elektrycznej powinny w jak najwyższym stopniu ograniczać wartość prądu i wyłączać go w jak najkrótszym czasie przy jak najniższych wartościach przepięć łączeniowych. Zgodnie z normą PN-EN 50388 [16] zdolność łączeniowa wyłączników stosowanych w systemach kolejowych powinna wynosić: yy 50 kA w systemie 3000 V DC, yy 100 kA w systemie 1500 V DC, yy 125 kA w systemie 750 V DC. Zakres badań wyłączników szybkich do układu zasilania trakcji jest następujący: 1. Oględziny i sprawdzenie zgodności z dokumentacją techniczną. 2. Pomiary rezystancji izolacji. 3. Sprawdzenie działania mechanicznego. 4. Sprawdzenie wytrzymałości dielektrycznej izolacji. 5. Próba nagrzewania. 6. Sprawdzenie nastaw wyzwalaczy. 7. Badanie wytrzymałości elektrycznej. 8. Badanie wytrzymałości mechanicznej. 9. Badanie łączalności prądów zwarciowych. 10. Sprawdzenie charakterystyki zwarciowej. 11. Wyznaczenie wartości prądów krytycznych. 12. Wyznaczenie czasu wyłączania prądów krytycznych.

Rys. 2. Przebiegi prądu zwarciowego i napięcia na zaciskach wyłącznika szybkiego przy di/dt = 9,5 kA/ms; tb = 15,6 ms; ua = 6,1 kV

Rys. 3. Przebiegi prądu zwarciowego i napięcia na zaciskach wyłącznika szybkiego podczas prób w podstacji trakcyjnej przy di/dt = 5,1 kA/ms; tb = 25,3 ms, ua = 8,8 kV.

Sposób przeprowadzania większości sprawdzeń i prób oraz interpretacja ich wyników nie sprawia trudności. Uzyskane wyniki odzwierciedlają parametry badanego wyłącznika. Obecnie wszystkie wyłączniki podstacyjne są badane jako wyłączniki linio-

we. Dlatego badania wytrzymałości mechanicznej przeprowadzane są poprzez wykonanie bez przepływu prądu 20 000 cykli zamknij–otwórz. W czasie badań wytrzymałości elektrycznej przeprowadza się 200 cykli zamknij– otwórz przy napięciu znamionowym

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI i przepływie prądu znamionowego. Badaniem laboratoryjnym, którego wyniki mogą być dyskusyjne jest sprawdzenie zdolności łączeniowej prądów zwarciowych i wyznaczenie charakterystyki wyłącznika. Wykonuje się je w cyklu łączeniowym: O – t1 – CO – t1 – CO – t2 – CO gdzie: O – wyłącz; CO – załącz–wyłącz; t1 – 15 s; t2 – 60 s. Cykl łączeniowy wykonuje się dla trzech warunków pracy: - f – maksymalny prąd zwarcia; - e – maksimum energii (prąd zwarcia 50 % maksymalnego); - d – zwarcie odległe (prąd zwarcia 200 % prądu znamionowego). Wartość stałej czasowej obwodu badawczego ustala się zgodnie z deklaracją producenta. Na podstawie wyników zwarcia dla warunków f określa się typ wyłącznika – H, V lub S. Obecnie zalecane jest, aby w podstacjach trakcyjnych stosować wyłączniki typu H – wyłączniki szybkie ograniczające prąd, o czasie własnym ti ≤ 5 ms i całkowitym czasie wyłączania tb ≤ 20 ms, przy stromości narastania prądu di/dt ≥ 5 kA/ms. Przykładowy przebieg zarejestrowany podczas prób zwarciowych przedstawiono na rysunku 2, a zagadnienie tego typu badań szczerzej opisano w [12], [15], [17]. W czasie badań laboratoryjnych warunki prób nie zawsze odpowiadają rzeczywistym warunkom pracy wyłączników. Zagadnienia te zostały opisane między innymi w publikacjach [7], [12], [18] i [15]. W warunkach rzeczywistych wartość indukcyjności w obwodzie zwarciowym jest większa niż dla warunków laboratoryjnych, czego konsekwencją jest mniejsza stromość narastania prądu, dłuższe czasy wyłączeń oraz wyższe wartości napięcia łuku. Na rysunku 3 przedstawiono przebiegi prądu i napięcia na wyłączniku tego samego typu, którego wyniki badań laboratoryjnych ilustruje rysunek 2. Należy tu zaznaczyć, że di/dt w obydwu przypadkach jest większe od 5 kA/ms, zgodnie z normą PN-EN 50123-1 [10]. W podstacjach trakcyjnych zainstalowane są różnego rodzaju filtry, w skład których wchodzą kondensatory, często na znacznych pojemnościach. Udziału pojemności w obwodzie nie odwzorowuje się podczas badań laboratoryjnych, a pojemności te mają duży wpływ na przebieg prądu zwarciowego i proces jego wyłączania. Na rysunku 4 przedstawiono przebieg zarejestrowany w podstacji trakcyjnej wyposażo-

Rys. 4. Przebiegi prądu zwarciowego i napięcia na zaciskach wyłącznika szybkiego podczas prób w podstacji trakcyjnej przy załączonym filtrze.

Rys. 5. Czasy wyłączania prądów krytycznych w zależności od ich wartości Tablica 10.1. Podstawowe parametry wybranych typów wyłączników szybkich prądu stałego eksploatowanych w podstacjach trakcyjnych w systemie 3 kV DC w Polsce [oprac. własne na podstawie prac wykonywanych przez Instytut Kolejnictwa i katalogów producentów]

Jednostka

BWSe

UR40-64S

IR6040

Gerapid 2607 Gerapid 4207

Znamionowe napięcie UNe

[kV]

3,6

Znamionowy prąd roboczy INe

[A]

1600 2000 2500

3500

4000

2600 4200

[kA]/[ms]

50/10

56/03) 40/31,5

70/0 100/03) 40/20 70/203)

52/?

[ms]

≤52)

≤142)

b.d.

≤54)

Parametr1)

Znamionowy prąd zwarciowy INss przy stałej czasowej obwodu tc Czas własny ti Przepięcie łączeniowe ua

[kV]

b d.

Trwałość łączeniowa

łączeń

1000

b.d.

5000

1000

Trwałość mechaniczna

cykli5)

25000

20000

– oznaczenia wg PN-EN 50123-2 [86]; 2) – przy di/dt ≥ 0,5 kA/ms; 3) – wartość prądu w impulsie; 4) – przy di/dt ≥ 5 kA/ms; 5) – cykl zamknij–otwórz 1)

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI nej w filtr aperiodyczny. Na przebiegu, bezpośrednio po wystąpieniu zwarcia widoczny jest gwałtowny wzrost prądu zwarciowego (kolor czerwony). Jest on spowodowany szybkim rozładowaniem pojemności w obwodzie, co pokazuje przebieg prądu kondensatora (kolor czarny). W czasie wyłączania prądu przez wyłącznik szybki wzrost napięcia na wyłączniku (napięcia łuku) przedstawionego kolorem niebieskim powoduje ładowanie się kondensatora. Prąd ładowania zakłóca przebieg prądu płynącego przez wyłącznik, co wpływa na napięcie łuku. Konsekwencją tego jest znaczne wydłużenie czasu wyłączania oraz naładowania się kondensatora do napięcia odpowiadającego napięciu na wyłączniku w chwili przerwania prądu, które to napięcie jest wyższe od napięcia źródła, wynoszącego w opisywanym przypadki 3600 V. Wyłączniki szybkie powinny sprawnie wyłączać prąd niezależnie od jego wartości. O ile wyłączanie prądów zwarciowych i przeciążeniowych o wartości mierzonej w kiloamperach nie nastręcza trudności, o tyle wyłącznie małych prądów może być problematyczne długotrwałe. Wiąże się to wydajnością układów wydmuchowych, które w dużej mierze zależne są od poziomu przepływającego prądu. Przy niskich wartościach prądu cewka wydmuchowa oraz łuk elektryczny wytwarzają pola o niskiej wartości, co przekłada się na dłuższy czas przemieszczania się łuku do komory łukowej i w samej komorze. Dla każdego typu wyłącznika szybkiego istnieje wartość lub przedział wartości prądu, którego wyłączanie – czas łukowy jest najdłuższy. Wartość tą lub zakres nazywa się prądami krytycznymi. W zakresie określania wartości prądów krytycznych norma PN-EN 50123-1 [10] mówi o badaniach czasów wyłączania prądów o wartościach 25, 50, 100, 200 i 400 A. Badania powinny być wykonane przy zasilaniu napięciem znamionowym wyłącznika, a stała czasowa układu nie powinna być mniejsza niż 10 ms. Norma ta nie określa maksymalnego czasu wyłączania prądów krytycznych, czego konsekwencją może być wyłączanie prądu i palenie się łyku przez nawet kilka sekund. Taki przypadek przedstawiono na rysunku 5. Długotrwałe palenie się łuku znacznie ogranicza żywotność wyłącznika i może spowodować zagrożenie dla obsługi podstacji. Ponadto, im większa stała czasowa obwodu, tym czas łukowy jest dłuższy. Lepsze zapisy pod tym względem były w normie PN-E-06121. Zgodnie z tą normą łączalność prądów krytycz-

Rys. 6. Wyłącznik szybki typu BWSe 2500 A z komorą KBD3-50b produkcji ABB [23]

Rys. 7. Wyłącznik szybki typu UR40-64S produkcji Sécheron.

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI

Rys. 9. Wyłącznik serii Gerapid produkcji ABB

Wyłączniki szybkie prądu stałego przeznaczone do podstacji trakcyjnych i kabin sekcyjnych są dopuszczane do eksploatacji na podstawie zapisów ustawy o transporcie kolejowym [19]. Artykuł 22f ustawy stanowi, że warunkiem dopuszczenia do eksploatacji typów budowli i typów urządzeń mających wpływ na poziom bezpieczeństwa ruchu kolejowego (do których został za-

kwalifikowany wyłącznik szybki) jest uzyskanie świadectwa dopuszczenia do eksploatacji typu dla pierwszego ich egzemplarza. Świadectwo dopuszczenia do eksploatacji typu jest wydawane przez Prezesa UTK. Obecnie świadectwo dopuszczenia do eksploatacji typu wystawiono na wyłączniki typu IR6040, Gerapid 2607 i 4207, UR40-64S i BWSe 2500 A, które pokazano na rysunkach 6 - 9. Dane techniczne tych wyłączników szybkich zestawiono w tabeli 1. Artur Rojek, Marek Skrzyniarz Instytut Kolejnictwa, Zakład Elektroenergetyki n

[9] PN-E-06121:1974 Aparatura trakcyjna. Wyłączniki szybkie prądu stałego. Wspólne wymagania i badania. [10] PN-EN 50123-1:2003 Zastosowania kolejowe – Urządzenia stacjonarne – Aparatura łączeniowa prądu stałego – Wymagania ogólne. [11] PN-EN 50123-2:2003 Zastosowania kolejowe – Urządzenia stacjonarne – Aparatura łączeniowa prądu stałego – Wyłączniki prądu stałego. [12] Rojek A.: Badania wyłączników szybkich prądu stałego na zgodność z normami. Przegląd Elektrotechniczny, R. 89 NR 7/2013. [13] Rojek A.: Wyznaczanie prądów krytycznych wyłączników szybkich prądu stałego. Prace IK nr 148, Warszawa 2015. [14] Rojek A.: Zdolność łączeniowa prądów krytycznych wyłączników szybkich 3 kV DC. XV Ogólnopolska Konferencja Naukowa Trakcji Elektrycznej SEMTRAK 2012, Zakopane 2012. [15] Rojek A., Sidorowicz M.: Researches and tests of high-speed circuit breakers for rolling stock and substations in 3 kV DC traction power system. Problemy Kolejnictwa, zeszyt 159, Warszawa 2013.

[16] PN-EN 50388:2012. Zastosowania kolejowe – System zasilania i tabor – Warunki techniczne koordynacji pomiędzy systemem zasilania (podstacja) i taborem w celu osiągnięcia interoperacyjności (oryg.). [17] Rojek A.: Parameters of DC high-speed circuit-breakers. MATEC Web of Conferences 180 (2018), 06006. [18] Rojek A.: Zasilanie trakcji elektrycznej w systemie prądu stałego 3 kV. KOW, Warszawa 2012. [19] Ustawa z dnia 28 marca 2003 r. o transporcie kolejowym. Dz.U. z 2019 r. poz. 710 z późn. zm. [20] Dokumentacja Techniczno-Ruchowa. Wyłączniki szybkie prądu stałego BWSe z komorą KBD-3/50b. DTR Nr: APN467946, GE Power Controls Sp. z o.o. Bielsko-Biała 2013. [21] High Speed DC Circuit Breaker Gerapid 2607, 4207, 6007, 8007 with arc chutes 1X2, 1X4, 2X2, 2X3, 2X4 – User Manual. GE Consumer & Industrial GmbH, Neumünster 2012. [22] https://pl.geindustrial.com/produkty/wylaczniki-przemyslowe/wylacznik-szybki-pradu-stalego-gerapid (dostęp 20.12.2019 r.)

Rys. 8. Wyłącznik szybki typu IR6040 produkcji Microelettrica Scientifica

nych przez wyłączniki powinna być wykonywana się przy stałej czasowej 20 ms i napięciu 1,25 wartości napięcia znamionowego wyłącznika. Jako wartość prądu krytycznego przyjmuje się wartość prądu, który jest wyłączany w czasie poniżej 500 ms przy każdej z 20 prób. Badania przeprowadza się dla wartości prądów od znamionowego do 0, przy indukcyjności obwodu nie większej niż 500 mH. Temu zagadnieniu poświęcono między innymi publikacje [13] i [14]. Literatura [1] Improvements in and relating to Electric Circuit Breaker. The British Thomson-Houston Co. Ltd. Patent GB434114, 1935. [2] Mcnairy J.W.: Circuit breaker and method of calibrating the same. Patent US 1971196 A, 1934. [3] Mcnairy J.W., Tritle J. F.: Electromagnetic device. Patent US1837977 A, 1931. [4] Tritle J.F.: Circuit interrupter. Patent US1323798 A, 1919. [5] Dzikowski J., Kruciński K.: Zasilanie trakcji elektrycznej. Nakładem Politechniki Łódzkiej – PWN, Łódź 1960. [6] Rojek A.: Wyłączniki szybkie prądu stałego w transporcie szynowym. Instytut Kolejnictwa, Warszawa 2016 [7 Maciołek T., Mierzejewski L., Szeląg A.: Wyłącznie zwarć w systemie trakcji elektrycznej prądu stałego poprzez wyłączniki szybkie i wyłączniki mocy. Technika Transportu Szynowego nr 3/2001. [8] Mierzejewski L., Szeląg A.: Badania zwarć i przepięć w obwodach trakcji elektrycznej prądu stałego z transformacją jednostopniową napięcia 110/3 kV. IV Międzynarodowa Konferencja MET’99.

Wyłączniki szybkie eksploatowane w kolejowych podstacjach w Polsce

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI

Od wytwarzania do zużycia – przykłady zastosowania Elektrochemicznych Magazynów Energii Streszczenie: artykuł przedstawia 3 różne zastosowania Magazynu Energii SIESTORAGE jako nowoczesne panaceum na dotrzymanie przewidywanych mocy wytwarzania, zachowanie wysokich parametrów jakości energii, ciągłości zasilania przy szeregu korzyściach bieżących w sieciach rozdzielczych XXI wieku. Następnie jest budowa typowego magazynu SIESTORAGE i przegląd funkcji w różnych aplikacjach.

astosowanie odnawialnych źródeł energii na masową skalę, prowadzi do nowych wyzwań w zarządzaniu stabilnością sieci rozdzielczej, spowodowanych zróżnicowaniem elektroenergetycznych sieci rozdzielczych, miejsc przyłączenia nowych źródeł, a także spowodowanych zmiennością rozpływów mocy w dotychczas jednokierunkowej sieci rozdzielczej.

I Współpraca magazynu energii z odnawialnymi źródłami wytwarzania. Nowoczesne sieci energetyczne wymagają zrównoważenia elementami takimi jak SIESTORAGE, które magazynują energię elektryczną podczas nadmiernej produkcji, a w razie zbyt niskiej produkcji (mało wiatru lub promieni słonecznych) dostarczają energię. Dzięki temu można lepiej wypełnić zobo-

wiązania kontraktowe, oraz zmniejsza się prawdopodobieństwo występowania zakłóceń spowodowanych przez zmienne wytwarzanie i obciążenia oraz poprawia warunki pracy bloków systemowych - tradycyjnych generatorów. Zasilanie ze źródeł rozproszonych może spowodować efekt odwrotnego rozpływu mocy, który może uszkodzić tradycyjne sieci – nieprzewidziane do wielokierunkowych przepływów. Przykład 1 realizacji EDP Portugalia Evora: yy Magazyn energii 472 kW / 360 kWh yy 8 szaf baterii, yy 4 przekształtniki trójfazowe yy Cel inwestycji: zasilanie awaryjne, regulacja napięcia, yy zarządzanie obciążeniem versus taryfa yy W pełni skonteneryzowany yy Rozwiązanie kompleksowe

II Zrównoważenie mikrosieci elektroenergetycznej i wyspowego systemu wydzielonego Mikrosieci (ang microgrids) możemy określić jako wydzielone obszarowo skupiska wytwarzania (w tym cieplnego) , magazynowania energii oraz jej odbiorów, czyli zużycia. Przy czym wydzielenie może obejmować zakład przemysłowy, obiekt infrastrukturalny, a w końcu – geograficznie np. wyspę. Istnieją w dwóch formach – z lub bez połączenia z większym systemem przesyłowym. Głównymi cechami są samowystarczalność i zdolność do autonomicznego działania. Po stronie wytwarzania, źródła odnawialne są zazwyczaj powiązane z generatorami zasilanymi paliwami kopalnianymi. Używane do równoważenia niestabilnych źródeł odnawialnych, gene-

Zdj. 2. Przykład 1 Magazynu współdziałającego z WTG oraz PV

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI ratory często muszą pracować w sposób nieefektywny generując większe koszty i emisję. SIESTORAGE umożliwia agregatom diesla lub turbinom gazowym pracę z optymalną wydajnością, dostarczając energię i ładując baterie. W sytuacji przemijającego niskiego zapotrzebowania, SIESTORAGE przejmuje rolę źródła mocy, chroniąc awaryjne generatory przed pracą krótkotrwałą. Współpracując z generatorami SIESTORAGE zapewnia stabilizację parametrów takich jak częstotliwość i regulacja napięcia. Może być źródłem do podniesienia systemu zasilania w sytuacjach awaryjnych takich jak Black start po całkowitej zapaści sieci. Przykład 2 realizacji: ENEL wyspa Ventotene, Włochy SIESTORAGE Elektrochemiczny system magazynowania energii wraz z sterownikiem mikrosieci do: yy Kontroli systemu magazynowania, zwiększenia wydajności źródeł energii odnawialnej, optymalizacje pracy silnika diesla dla maksymalnej wydajności paliwa i trwałości silników przy zminimalizowanej obsłudze yy 500 kW / 600 kWh yy Zapewnienie stabilizację sieci, przyczyniając sie do zrównoważenia podażu i popytu i zmniejszenie niestabilności spowodowanej zmianami obciążenia i nieprzewidywalnymi wahaniami mocy generowanych przez zdecentralizowane

odbiorcy przemysłowi często wykorzystują indywidualne środki stabilizacji sieci. Połączenie zdolności oddawania/pobierania mocy czynnej i biernej daje SIESTORAGE idealne rozwiązanie dla stabilizacji pracy dużych konsumentów. Dla przemysłu, SIESTORAGE podnosi dostępność energii elektrycznej i wydajność parku maszynowego przy jednoczesnym utrzymywaniu kosztów pod kontrolą. Dzięki zdolności Black startu, SIESTORAGE skraca przerwy w zasilaniu, a zatem minimalizuje koszty produkcji w przypadku odcięcia zasilania. Przykład 3 realizacji: Huta ArcellorMittal. Spółka lokalnej gospodarki mediami energetycznymi VEO, Vulkan Energiewirtschaft Oderbrücke GmbH, Niemcy: Moc zainstalowana: 2.8 MVA / 1.2 MW, Pojemność: 720 kWh yy Misja projektu: Zapewnić zasilanie hucie Arcellor Mittal w czasie wyłączenia wszystkich linii zasilających 110 kV yy Współpraca z przemyslową elektrocieplownią VEO w zakresie: a) Przełączenie na pracę wydzielonej sieci w czasie zaniku systemu zasilającego oraz b) Rozruch awaryjny tzw Black start rezerwowych turbin gazowych

yy Stabilizacja systemu ( częstotliwość, napięcie) yy Zarządzanie obciążeniem szczytowym (system zarządzania energią)

IV Opis systemu Bateria SIESTORAGE jest modułowym systemem magazynowania energii bazującym na technologii baterii litowo-jonowej. Za pomocą technologii SIESTORAGE moc czynna może być wymieniana pomiędzy średnim magazynem energii i siecią. Dodatkowo może być używana do zapewnienia mocy biernej do stabilizacji napięcia sieci. Sterowanie i zarządzanie SIESTORAGE pracuje z jednym sterownikiem centralnym, składającego się z systemu działającego w czasie rzeczywistym do szybkiego sterowania napięciem, prądem, częstotliwością i mocą. Znany, bezpieczny i niezawodny SIMATIC S7 zapewnia zarządzanie sterowaniem. SIMATIC HMI wizualizuje aktualny stan, ostrzeżenia i alarmy i jest w stanie wykazać analizę trendów danych dla pewnych wartości. Wszystkie istotne informacje mogą być przechowywane do poźniejszej analizy. Opcjonalnie dostępna jest również obsługa za po-

III Podniesienia bezpieczeństwa energetycznego i niezawodności zasilania zakładów przemysłowych. Koszty energii elektrycznej są ważnym czynnikiem rachunku zysków-i-strat dla dużych kombinatów i zakładów przemysłowych. Koszty i opłaty zależą od czasu użytkowania, oraz wypełnienia scenariuszy i planów poboru mocy. Może się zdarzyć zdalne odłączenie zakładu np. w sytuacji skrajnie dużego przekroczenia planowanych obciążeń lub przy ratowaniu bilansu systemu elektroenergetycznego (redukcji stopni zasilania). Magazyny energii można zastosować nie tylko do oczekiwania na przekroczenia, ale przy zróżnicowanych porach taryfowych – do redukcji kosztów energii przez cykliczne oddanie do sieci energii w porze szczytu. Możliwe jest interwencyjne oddanie energii, chroniące zakład przemysłowy przed opłatami za przekroczenia mocy. Aby zapewnić niezawodne zasilanie,

Zdj 2. Przykład 2 Magazyn w mikrogridzie

Zdj. 3. Przykład 3 realizacji Huta ArcellorMittal

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI mocą zdalnego dostępu. Jednostka sterująca SIESTORAGE (SCU) jest rzeczywistym systemem akwizycji danych i systemem sterowania. Dokonuje pomiarów, nagrań i analiz wielu sygnałów takich jak napięcie zmienne i moc (POI) do sieci, status jednostki akumulatora, temperatury i urządzeń przełączających. SCU obsługuje sterowanie algorytmami otrzymanych z sterownika typu master SIESTORAGE, który jest regulowany przez klik lik systemu SCADA lub operatora.

Funkcja

Spotykany zakres mocy

Zakres czasu ładowania

Liczba cykli w roku

0-500 MW

2-6 godz.

200 - 400

1 minuta

0-500 MW

2-6 godz

50 , 365

Kilka minut

0-500 MW

1/4h – 6 godz

10 000

0,1s

Funkcja

Spotykany zakres mocy

Zakres czasu ładowania

Liczba cykli w roku

Wymagany czas odpowiedzi

1-100 MW

15 min – 1 h

10 000

sekundy

10-40 MW

10 s – 1 h

10 000

10-40 MW

2 min- 1 h

10 000

0,1s

10-100 MW

1 min - 2 h

50 - 200

0,1s

Konfiguracja Pozostałymi elementami systemu prefabrykowanego magazynów energii SIESORAGE są: tyrystorowe przekształtniki mocy, oraz część średniego napięcia: transformatory nn/SN i rozdzielnica SN.

1-10 Mvar

1 min -1/2h-1 h

5-50 MW

¼ – 2..4 h

SIESTORAGE cechy i zalety Elastyczna konfiguracja obejmująca wszystkie zastosowania systemu magazynowania energii yy Przekształtniki systemu zasilania(PCS) sprzęt I oprogramowanie opracowane specjalnie do zastosowań BESS yy Sieć tworząca pracę równoległą z energetyką wiatrową, solarną i dieslem yy Zdolność do Black startu yy Wysoka dynamika systemu: regulacja napięcia POI <10ms yy Wysoka moc zwarcia (2..3x moc znamionowa) yy Wybór różnych interfejsów komunikacyjnych zewnętrznych (IEC 61850, IEC 60870-5-104, DNP3 i inne)

V Magazyny w realiach rynkowych. Różnorodność aplikacji oraz spełnianych zadań przez Magazyn Energii SIESTORAGE Europa jest na etapie kodyfikowania grup funkcji magazynów. W kilku krajach o rozwiniętych instalacjach rozproszonego wytwarzania w oparciu o odnawialne źródła energii możemy zaobserwować prace nad konsensusem wymagań stawianym magazynom energii: 1. Usługi w Strefach/porach Taryfowych 2. Usługi wspierające Wytwarzanie 3. Usługi sieciowe Operatorskie w Przesyle i Dystrybucji 4. Usługi w Energetyce Przemysłowej Usługi w taryfach zróżnicowanych, przy rynku usług stron trzecich:

Wymagany czas odpowiedzi

sekundy 1-12

1 min

A) Magazyn Energii ESS w systemie o rozpiętości cenowej w porze szczytu i poza szczytem. Magazyn jest ładowany energią w porze tańszej i rozładowwywany w porze szczytowej, lub przy wysokiej cenie energii. B) Magazyn Energii ESS jako zródło przy zapotrzebowaniu szczytowym Magazyn jest utrzymywany w stanie naładowanym do czasu pojawienia się obciążenia sieci o wartości szczytowej. Bierze udział w zbilansowaniu sieci w stanach wysokiego obciążenia. C) Magazyn Energii ESS skojarzony z odnawialnym źródłem energii. Magazyn pełni rolę buforowego uzupełnienia wytwarzanej mocy między chwilową mocą wytwarzaną z instalacji ( technologicznej np. fotowoltaicznej a zgłoszoną mocą kontraktową

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI Magazyny energii wspierające wytwarzanie: D) Podążanie za trendem obciążenia systemu. Magazyn Energii ESS pracuje w strefie zmienności obciążenia nadążając regulacyjnie ( w czasie kilku sekund ) za zmianami obciążenia E) Regulacja obciążenia. Magazyn Energii ESS pracuje w strefie szybkich zmian obciążenia, wygładzając je. F) Stabilizacja częstotliwości sieci. Magazyn Energii ESS jest źródłem „syntetycznej” bezwładności mechanicznej i pracuje w krótkich cyklach jako filtr stabilizujący chwilowe zmiany częstotliwości sieci. G) Układ rezerwy „wirującej”, Magazyn Energii ESS uwalniający rezerwę regulacyjną w technologicznym generatorze wytwórczym, zwiększając jego produkcję energii w czasie H) Układ bilansowania mocy biernej Magazyn Energii ESS przeznaczony do uzupełniania systemu mocą bierną. I) W układach przywracania pracy systemu Magazyn Energii ESS dedykowany jako źródło mocy i energii do uruchomienia bloku wytwórczego Elektrowniany black-start. Magazyny energii wspierające operatorów Systemu i sieci Dystrybucji: J) Ochrona przeciążanego elementu (linii) przesyłowej. Magazyn Energii ESS w węźle odbiorczym pojedynczej linii przesyłowej może uchronić ją przed cyklicznym przeciążaniem szczytowym, łącznie zarówno mocą bierną jak i czynną. K) Alternatywa wobec nieakceptowalnych inwestycji przesyłowych Magazyn Energii ESS w procesie analizy ekonomicznej inwestycji jako alternatywa dla trudnych administracyjnie (lokalizacje, protesty) połączeń liniowych (non wire alternative). L) Alternatywa wobec niepewnych inwestycji rozwoju sieci rozdzielczej Magazyn Energii ESS w procesie analizy rozwoju sieci rozdzielczej jako tymczasowe źródło dodatkowe przy niepewnej postawie odbiorców, stawiane do czasu potwierdzenia trwałości poboru energii. Dzięki magazynowi można zoptymalizować nakłady na kluczowe elementy sieciowe. Magazyny energii w Energetyce przemysłowej: M) Ochrona przy zakłóceniach jakości energii elektrycznej Magazyn Energii ESS może być nastawiony na załagodzenie uciążliwych zjawisk napięciowych dla bardzo nietole-

Funkcja

Spotykany zakres mocy

Zakes czasu ładowania

Liczba cykli w roku

Wymagany czas odpowiedzi

1 - 100MW

1-4 h

50-200

0,1s

10-100MW

1-8 h

10-50

sekundy

0,5-10 MW

1-4 h

50-200

sekundy

Funkcja

Spotykany zakres mocy

Zakres czasu ładowania

Liczba cykli w roku

Wymagany czas odpowiedzi

0,1-10 MW

0,1-3 min

200-10 000

Milisekundy

0,1-10 MW

1-8 h

Do 12

0,3s

0,1-10 MW

10-50

0,1-10 MW

½ -2h

50-200

rancyjnych i kluczowych odbiorów dla wytwarzanej usługi i dóbr. Magazyn jako filtr służący do wyrównania migotań napięcia, zaników i zapadów oraz przepięć i odkształceń. N) Rezerwowe źródło mocy i energii do uruchomienia własnych źródeł wytwórczych Magazyn Energii ESS może być przeznaczony do awaryjnego sterowania rozruchem lokalnych źródeł wytwórczych, tymczasowego zasilania wrażliwych odbiorów do czasu przywrócenia normalnego zasilania lub do czasu osiągnięcia mocy w własnych źródłach. O) Udział w Redukcjach Obciążenia Magazyn Energii ESS może być przeznaczony do programu odpowiedzi na wezwania redukcji obciążeń. Ładowanie magazynu można ustawić na okresy po wezwaniu natomiast rozładowania magazynu można przeprowadzić w czasie Wezwania. P) Optymalizowanie poboru energii przy opłatach strefowych Magazyn Energii ESS może służyć w energetyce przemysłowej do optymalizacji mocy przyłączeniowej poprzez udział magazynu w pokrywaniu zapotrzebowania szczytowego i uniknięciu kosztów taryfowych z tym związanych.

Tworzenie sieci rozdzielczej XXI wieku

Operatorzy sieci rozdzielczych szukają nowych odpowiedzi na wyzwanie jakim jest dostarczanie stabilnego zasilania elektrycznego wysokiej jakości. SIESTORAGE to nowoczesny, nieingerujący w środowisko - ekologiczny sposób na poradzenie sobie z zadaniami bilansowania technicznego sieci, które przychodzi wraz z przyłączeniami do sieci. Przyczynia się do zwiększenia stabilności i wydajności zasobów oraz ogrywa fundamentalna

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

rolę w optymalizacji sieci przez magazynowanie i dostarczanie energii w dowolne miejsce łańcucha zasilania od generacji do zużycia. Poprzez zapewnienie ciągłości zasilania w systemie transmisji i sieci dystrybucji, SIESTORAGE nie tylko przyczynia się do odciążenia sieci ale również do optymalizacji jej rozbudowy. Porównując rynek usług systemowych w Polsce z rynkiem w USA lub poszczególnych krajach UE można łatwo zauważyć, że jeszcze nie ma zdefiniowanych pewnych usług systemowych lub obecne opłaty, nie pokrywają ich kosztów inwestycyjnych. Jednakże to może się zmienić. Ograniczenia pracy dla przemysłu (stopnie zasilania) są niekorzystne dla tej branży, a dla gospodarki - hamują wytwarzanie PKB. Elektrochemiczne magazyny energii nie wpływają na otoczenie ani emisją gazów spalinowych, ani oddziaływaniem z biosferą wokół instalacji. A zatem SIESTORAGE jest korzystnym rozwiązaniem przy rosnących wymaganiach w wytwarzaniu i zużyciu ze strony sieci energetycznych. Przytoczone fakty sprawiają, że postrzegamy magazyny energii jako bardzo obiecujący, nowy element aktywny w nowoczesnej sieci rozdzielczej zarówno publicznej, jak i u wytwórców energii, czy wreszcie w przemysłowych sieciach zasilania produkcji przemysłowej. Dr inż. Piotr Lachowski Mgr inż. Maciej Morgen n

Literatura Power Engineering Guide – SIEMENS AG, Recommended practice, DNVGL-RP-0043 – Edition December 2015

TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI

Przegląd aktualnie prowadzonych badań w zakresie łącznikowej techniki próżniowej Abstract — Technika próżniowa jest obecnie uważana za najbardziej perspektywiczne medium izolacyjno-gaszeniowe w komorach gaszeniowych łączników średnich napięć. Znajduje również zastosowania w innych segmentach rynku łączników elektroenergetycznych, takich jak wyłączniki generatorowe czy wyłączniki w niskich przedziałach napięć wysokich. Niniejszy artykuł zawiera przegląd aktualnych badań z zakresu łącznikowej techniki próżniowej opublikowanych w ostatnich latach w wiodących światowych czasopismach technologiczno-badawczych. Przedstawione badania zostały opisane w grupach tematycznych: próżniowy elektryczny łuk łączeniowy, ruch plamki katodowej, prąd emisji elektronowej, wytrzymałość napięciowa przerwy międzystykowej, łączniki energoelektroniczne, diagnostyka komór próżniowych, interakcja wyłącznika próżniowego z siecią. Przedstawiony w niniejszej pracy aktualny stan badań ma umożliwić wytyczenie programu badań mogącego wspomóc rozwój tej technologii poprzez zwiększenie wiedzy o zjawiskach podstawowych istotnych dla eksploatacji i dalszego rozwoju wyłączników próżniowych. Index Terms— wyłączniki próżniowe, komory próżniowe, aktualny stan badań

I. Introduction WYŁĄCZNIKI próżniowe zdominowały obecnie rynek wyłączników średnich napięć (SN) i uważane są za perspektywiczną technologię również w segmencie wyłączników Wysokich Napięć (WN). Wysoka niezawodność konstrukcji komór gaszeniowych, korzystne właściwości łączeniowe próżni oraz jej ekologiczna przyjazność sprawia, że technika próżniowa obecnie dominuje w wielu segmentach rynku, a także trwają prace związane z rozszerzeniem zakresu jej stosowania [1]. Zalety techniki próżniowej ugruntowane na poziomie SN, przyczyniły się do rozwoju konstrukcji wysokonapięciowych. Technologię tę stosuje się również w wyłącznikach generatorowych. Obecnie w Japonii eksploatowane są wyłączniki próżniowe do poziomu napięć znamionowych 204 kV [2]. Pierwsze wysokonapięciowe wyłączniki na poziomie napięcia dystrybucyjnego 110 kV zostały również zainstalowane w Polsce [3]. Niniejsza praca jest przeglądem aktualnych kierunków badań w zakresie techniki próżniowej. Wykonany przegląd badań obejmuje prace, które zostały opublikowane w wiodących czasopismach IEEE: IEEE Transactions on Plasma Science, IEEE

Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation oraz IEEE Transactions on Power Delivery. Zakres prac został ograniczony do lat 2016-2020. Przedstawione badania zostały opisane w siedmiu grupach tematycznych: wytrzymałość napięciowa przerwy międzystykowej, próżniowy łuk elektryczny, ruch plamki katodowej, pomiary prądu emisji elektronowej, nowe rozwiązania konstrukcyjne oparte o łączniki próżniowe, diagnostyka komór próżniowych, oraz interakcja wyłącznika próżniowego z siecią. W ostatnim rozdziale zawarto wnioski sformułowane na podstawie przedstawionego przeglądu badań.

II. Wytrzymałość napięciowa przerwy międzystykowej W kontekście rozwoju techniki próżniowej w kierunku wysokich napięć, szczególną uwagą zostały objęte zjawiska zachodzące w przerwie międzystykowej. Wraz ze wzrostem odległości międzystykowej zauważa się stopniową zmianę mechanizmu inicjacji wyładowania. Przy zwiększaniu odległości międzystykowych, dla charakterystycznego przy małych odstępach miedzystykowych mechanizmu (< 0.5 mm), bazują-

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI cego na emisji polowej, następuje stopniowy wzrost znaczenia mikrocząstek w inicjacji wyładowania. W przypadku odstępów międzyelektrodowych > 2 mm dominującym staje się mechanizm inicjowania wyładowań przez mikrocząstki. Badania zmiany mechanizmu wyładowania wraz ze wzrostem odległości międzystykowej zostały opisane w pracy [4]. Badania te wykonano w dedykowanym układzie stykowym, modelującym układ izolacyjny ostrze-płyta. Po wykonaniu wstępnego kondycjonowania styków, dla trzech odległości miedzystykowych, d: 0.5, 0.8 oraz 1 mm, stopniowo, z krokiem 0.5 kV/min, zwiększano przemienne napięcie probiercze narażające przerwę międzystykową. Wzrost napięcia był kontynuowany do chwili wystąpienia przeskoku. Na podstawie mierzonego prądu emisji, elektronowej wnioskowano o rodzaju mechanizmu inicjacji wyładowania. Pomiary wykonano dla trzech komór. Dla każdej komory, wykonano dwa pomiary obserwując czy nastąpiła zmiana mechanizmu inicjacji wyładowania pomiędzy pierwszą oraz drugą próbą. Wraz ze wzrostem odległości miedzystykowej obserwowano coraz istotniejszy wpływ mikrocząstek na inicjację wyładowania. Dla d = 0.5 mm nie obserwowano zmiany mechanizmu wyładowania (wszystkie przeskoki inicjowane były prądem emisji elektronowej), natomiast dla d = 1 mm, dla wszystkich badanych komór zaobserwowano zmianę mechanizmu wyładowania. Tj. z wyładowania inicjowanego emisją polową w pierwszej próbie, na wyładowanie inicjowane przez mikrocząstki w drugiej próbie. Mikrocząstki są główną przyczyną występowania późnych zapłonów ponownych, które generują znaczne przepięcia w sieci [5], [6] Z tego względu badanym aspektem jest ruch oraz trajektoria wyzwolonych z powierzchni stykowych mikrocząsteczek, a także obserwacja inicjowanych przez nie zjawisk oraz procesów [7]. Obserwacja ruchu przedstawiona w pracy [7]bazowała na optycznej rejestracji ruchu cząstek kamerą szybką o wysokiej rozdzielczości (rys. 1.). Badanie polegała na wymuszeniu prądu, najpierw stałego (DC) o stosunkowo małej wartości, a po osiągnięciu przez styki (AgWC) maksymalnej odległości międzystykowej (d = 2 mm) wymuszeniu półfali prądu przemiennego o wartości skutecznej 800-2400 A. Po naturalnym przejściu prądu przez wartość zerową, załączano część wysokonapięciową układu syntetycznego [8] a następnie obserwowano ruch cząstek w przestrzeni międzystykowej powstały wskutek przyłożonego napięcia. Z wykonanych 160 prób w układzie syntetycznym, w przypadku 4 testów przeskok zainicjowały wolne (ok. 1 m/s) ale duże (ok. 100 µm średnicy) mikrocząsteczki, natomiast w przypadku 4 prób, przeskok został zainicjowany poprzez szybkie (ok. 15 m/s) ale małe cząsteczki (20-40 µm średnicy). W obu przypadkach, przeskokowi zawsze towarzyszyła emisja światła. W przypadku większych cząsteczek, emisja światła była obserwowana pomiędzy cząsteczką, a powierzchnią katody. W pozostałych 152 próbach wyładowania były powodowane czynnikami, których złożenie nie pozwala na jasne określenie mechanizmu inicjacji. Powodem mogła być niewystarczająca rozdzielczość przestrzenna kamery oraz brak możliwości obserwacji całej przestrzeni międzystykowej. Ciekawą obserwacją jest fakt, że podczas badań obserwowano brak znaczącego ubytku masy mikrocząsteczek, spowodowanego odparowaniem materiału z układu stykowego. Sugeruje to konieczność uwzględnienia w modelach nowego efektu, powodującego lokalne zwiększanie współczynnika wzmocnienia pola wraz ze zbliżaniem się mikrocząsteczki do powierzchni styku.

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

Rys. 1. Zarejestrowana trajektoria ruchu cząstki w przerwie międzystykowej, wraz z oznaczonymi miejscami inicjacji zapłonów (BDx), [7].

Rys. 2. Powierzchnia katody w kolejnych chwilach czasu wraz ze zbliżaniem się wyłączanego prądu do zera (I = 0.9 In), [9].

III. Próżniowy łuk elektryczny U początku rozwoju łączeniowej techniki próżniowej, uwaga została zwrócona na obserwację zjawisk przykatodowych, a w szczególności wpływu katody na wytrzymałość napięciową łącznika. W kształtowaniu wytrzymałości napięciowej, interesująca jest analiza stanu styków po narażeniu łukowym oraz obserwacja mechanizmu emisji mikrocząstek z plamek katodowych oraz nadtopionej powierzchni katody [9]. W pracy [9] badano 3 układy stykowe AMF o średnicach: 50, 55 oraz 64 mm. Po początkowym kondycjonowaniu, styki poddawane były narażeniu łukowemu podczas operacji otwierania. W trakcie otwierania styków, rejestrowano obraz powierzchni katody przy użyciu kamery szybkiej. Analizując obrazy przedstawione na Rys. 2, zaobserwowano, że wraz ze zbliżaniem się wartości prądu do zera, następuje zawężenie obszaru aktywnego do krawędzi katody. Obszar w pobliżu osi styków ulega zestaleniu (napięcie powierzchniowe wygładza powierzchnię styków), a plamki katodowe pojawiają się na obrzeżu styków. Przy wzroście prądu, dochodzi do nadtopienia obszaru w pobliżu osi układu stykowego. Na wybrzuszeniach i zagłębieniach roztopionego metalu, powstają plamki katodowe, którym towarzyszą mikroeksplozje wypukłości oraz rozpylenie mikrokropelek roztopionego materiału stykowego. Przy czym emitowane kropelki są istotnie zróżnicowane pomiędzy sobą pod względem rozmiaru oraz prędkości poruszania się.

TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI Rozkład temperatury na powierzchni katody w pobliżu zera prądu jest silnie nierównomierny, z najbardziej gorącym obszarem w pobliżu osi styku. W przypadku anody, rozkład temperatury jest bardziej równomierny. Obszar o najwyższej temperaturze tworzy pierścień wokół stosunkowo zimnego obszaru wokół osi styku. W budowaniu się wytrzymałości napięciowej przerwy miedzystykowej przy otwieraniu styków wyłącznika po zgaszeniu łuku, główną rolę odgrywają zjawiska inicjowane przez katodę. Jednak do rozwoju pełnego wyładowania łukowego, istotna jest aktywność anody. Aktywność anody jest silnie związana z powstaniem na jej powierzchni stopy anodowej. Próba opisu zjawiska występowania stopy anodowej, a w szczególności opisu wartości prądów, dla których zjawisko to występuje, została przedstawiona w pracy [10]. Układ probierczy obejmuje 4 układy stykowe, wykonane z czystych metali: wolframu, molibdenu, chromu oraz żelaza. Wykorzystano tu styki lite, z zewnętrznymi cewkami Hemholza do generacji osiowego pola magnetycznego (AMF). Próby obejmowały wyłączanie prądu o wartościach w zakresie 2-30 kA (RMS).W trakcie rozchodzenia się styków obserwowano łuk łączeniowy w przestrzeni miedzystykowej. Wartość progu prądowego formacji stopy anodowej, rejestrowano na podstawie: yy obserwacji kamerą szybką powierzchni anody, yy napięcia łuku elektrycznego, yy aktywności anody. W wyniku badań określono progi prądowe pojawienia się stopy anodowej dla trzech różnych wartości natężenia pola AMF. Określone progi prądowe wykazują silną zależność od charakterystyki przewodzenia ciepła przez materiał stykowy. Obserwowano również mechanizm emisji anodowej opierający się na emisji mikrocząstek oraz kropel roztopionego materiału stykowego. Emisja materiału stykowego w postaci par jest znacząca tylko w przypadku anody o mocno nasyconej charakterystyce ciśnienia par, będącej funkcją temperatury.

IV. Ruch plamki katodowej Specyfika próżniowego łuku elektrycznego sprawia, że duży wpływ na przebieg procesu łukowego ma plamka katodowa, a w szczególności jej żywotność oraz ruchliwość. Sam ruch plamki jest w znacznym stopniu losowy, jednak wykazuje pewną selektywność w „wyborze” miejsca zapłonu nowej plamki np. z powodu niższej pracy wyjścia. W badaniach przedstawionych w pracy [11], obserwowano ruch plamki po powierzchni katody, oraz zależność tego ruchu od grubości zalegających na powierzchni styków tlenków, oraz od odległości międzystykowej. Ruch plamek katodowych był obserwowany optycznie w przygotowanym do tego celu układzie probierczym (rys. 3.). Dzięki odpowiednio przygotowanej anodzie, możliwy był wgląd wizualny w powierzchnię katody, a następnie cyfrowa analiza tak uzyskanych obrazów. Chcąc uzyskać niezaburzony ruch plamek, prąd ograniczono do wartości 2 A, tak by jednocześnie paliła się tylko jedna plamka katodowa. Podczas badań obserwowano ruch plamki katodowej o dwóch prędkościach: ruch wolny, który jest ruchem dominującym w komorach próżniowych oraz ruch szybki. Ruch wolny charakterystyczny jest dla plamki katodowej w stosunkowo wąskim obszarze styków i związany jest z przemieszczaniem się plamki po warstwach nalotowych, a zatem zależny jest od procesu kondycjonowania powierzchni stykowej. Kolejne plamki pojawiają się na obrzeżu głównego krateru poprzedniej plamki katodowej. Z kolei tryb szybki związa-

Rys. 3. Komora modelowa z odpowiednio przygotowanym otworem w anodzie, pozwalającym na optyczną obserwację powierzchni katody, [11],

Rys. 4. Powierzchnia styków po dwukrotnym załączeniu prądu pojemnościowego o wartości 20 kA, [9].

ny jest ze skokowym przemieszczaniem się plamki po powierzchni katody W tym przypadku kolejne zapalające się plamki są umiejscowione na powierzchni styków w stosunkowo dużej odległości względem siebie. Wraz ze spadkiem grubości warstw nalotowych, lub wraz ze wzrostem odległości międzystykowych, plamki katodowe stają się co raz bardziej ruchliwe. Rośnie prawdopodobieństwo, że plamka na krócej pozostanie w danym obszarze styków. Pomimo wysokiej przestrzennej (47 µm) oraz czasowej (2 µs) rozdzielczości zastosowanej w pracy [11] kamery szybkiej, nie osiągnięto wystarczająco dokładnej analizy ruchu plamek katodowych.

V. Pomiary prądu emisji elektronowej Dla małych odległości międzystykowych, mechanizmem inicjującym przeskok w próżniowych układach izolacyjnych jest prąd emitowany polowo z mikronierównosci katody, zwany prądem emisji elektronowej [12]. Dzięki informacjom jakie niesie ze sobą pomiar prądu emisji elektronowej na temat próżniowego układu stykowego, badania w tej tematyce ukazują się od dawna [13], [14]. Dotychczasowe badania dotyczyły analizy prądu emisji po wykonaniu przez łącznik najbardziej wymagających obciążających dla styków procesów łączeniowych, takich jak załączanie prądów rozruchowych transformatora [13] czy wyłączanie prądów w obwodach pojemnościowych [14]. Kolejnym rodzajem badań w odniesieniu do prądów emisji elektronowej jest określenie wpływu udarowego prądu baterii kondensatorów na stan styków poprzez badanie charakterystyki prądu emisji elektronowej [15]. Badania te wykonano w pracy [9] przy ocenie wpływu na prąd emisji elektronowej amplitudy prądu łączeniowego oraz liczby operacji łą-

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI czeniowych. Badanymi obiektami były 4 komory próżniowe o układach stykowych CuCr25. Po wstępnym wykondycjonowaniu komór, podzielono je na dwie grupy. Komory A1 oraz A2 zostały użyte do załączenia prądu 10 kA (rms), natomiast komory B1 oraz B2 użyto do załączania prądu 20 kA (rms). Każdą z komór wykonano załączenia prądu dwukrotnie. Po wykonanych operacjach łączeniowych, dokonano pomiaru prądu emisji elektronowej przy odległości międzystykowej d = 1 mm oraz przy napięciu 30 kV o częstotliwości 50 Hz. Uszkodzenia styków w trakcie procesów łączeniowych (Rys. 4) uwidaczniały się w pomiarach prądu emisji elektronowej. Przy symetrycznym napięciu sinusoidalnym, rejestrowano niesymetryczny prąd emisji elektronowej.

VI. Nowe rozwiązania konstrukcyjne oparte o łączniki próżniowe Rozwój energetyki rozproszonej i sieci oczkowych prądu stałego oznacza potrzebę rozwoju technologii łączenia prądu DC. Jest obecnie publikowanych wiele prac w tym obszarze, które mają na celu zaproponowanie nowych wyłączników hybrydowych prądu stałego opartych na łącznikach mechanizmowych i komponentach energoelektronicznych. W pracy [16] zaprezentowano wyłącznik prądu DC opartego na wyłączniku próżniowym z układem przeciwprądu zbudowanego w oparciu o rezonansowe źródło napięciowe VARC (ang. voltage source resonant current) [16]. Opracowany wyłącznik o parametrach 24 kV DC oraz 10 kA prądu wyłączanego bazuje na komorze próżniowej (VI) z szybkim napędem elektrodynamicznym oraz na przekształtniku napięciowym będącym źródłem energii dla rezonansowego obwodu gaszeniowego. Schemat układu wyłącznika został przedstawiony na Rys. 5. Po detekcji zakłócenia podawany jest sygnał do rozejścia się styków komory próżniowej VI. Krótko przed chwilą, w której styki osiągną wystarczająco dużą odległość międzystykową by zapewnić wytrzymałość napięciową dla budującego się na stykach komory napięcie, aktywowany jest obwód rezonansowy sterowanego źródła napięciowego w układzie równoległym do gałęzi wyłącznika. Obwód rezonansowy jest ładowany w taki sposób, że prąd w gałęzi równoległej Iosc wymuszany jest z coraz wyższą amplitudą i o przeciwnym kierunku w stosunku do prądu łączeniowego Iline. w obwodzie głównym wyłącznika. Obwód rezonansowy sterowany jest do chwili zrównania się wartości chwilowych prądów w gałęzi głównej wyłącznika i w gałęzi obwodu rezonansowego (IVI = 0), a tym samym wymuszenia przejścia prądu przez zero, co umożliwia wyłączenie prądu w torze głównym. Po wyłączeniu, budujące się napięcie powrotne na stykach wyłącznika próżniowego jest ograniczane przez równoległy do komory próżniowej warystor. Na koniec otwierany jest łącznik RCB, którego funkcją jest odizolowanie układu od sieci zasilającej. W pracy [16] zaprezentowano model symulacyjny omawianego wyłącznika (w oprogramowaniu PSCAD) wraz z fizycznym wyłącznikiem, który został poddany próbom łączeniowym.

VII. Diagnostyka komór próżniowych Wyłączniki próżniowe pracujące w sieciach SN są konstrukcjami niezawodnymi o długim czasie życia [17]. Obecnie znaczna część tych wyłączników osiąga granicę projektowanego czasu eksploatacji. Stanowi to motywację dla rozwoju nowych metod diagnostyki stanu próżni w komorach próżniowych. Zastosowanie znajdują tu szczególnie nowe metody sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego, oraz

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

Rys. 5. Schemat elektryczny wyłącznika hybrydowego wykorzystującego układ rezonansowy ze źródłem sterowanym VARC: LDC – dławik ograniczający prąd zakłóceniowy; VI – próżniowa komora gaszeniowa; RCB – wyłącznik odcinający od sieci; LP,CP – elementy obwodu rezonansowego wstrzykiwania prądu; CDC,RCH,VDC,SCH – elementy ładowania obwodu rezonansowego, [16].

silnie obecne rozwijane metody prognozowania stanu urządzeń (ang. predictive maintenance). Jedną z nowych metod, w kontekście techniki próżniowej, jest wykorzystanie zjawiska wyładowań niezupełnych [18]. W pracy [18] zastosowano układ eksperymentalny z zaprojektowaną na potrzeby eksperymentu próżniową komorą gaszeniową wyposażoną w regulację ciśnienia. W układzie tym odtworzono zjawisko przenikania cząsteczek gazów elektroizolacyjnych do wnętrza komory gaszeniowej. Badania wykonano dla różnych poziomów podciśnienia w komorze. W tym celu do wnętrza komory wprowadzono gaz elektroizolacyjny (azot lub SF6), a następie, przy pomocy pompy próżniowej, ustabilizowano ciśnienie wewnątrz komory na określonym poziomie, z zakresu 0.2-100 Pa. Pomiar wyładowań niezupełnych poddano statystycznej analizie. Uzyskane wyniki z użyciem wyładowań niezupełnych, jednak wadą tej metody jest, aplikowany zakres ciśnień występujący przy znacznie rozszczelnionych komorach. W obszarze obserwowanego obecnie dynamicznego rozwoju metod sztucznej inteligencji oraz uczenia maszynowego oraz wprowadzonych na tej podstawie rozwiązań prognostycznych, rozwijane są metody diagnostyki on-line wyłączników, których celem jest przewidzenie momentu wystąpienia awarii. Istotnym elementem mającym wpływ na niezawodność wyłącznika, jest napęd. Wnioskowanie o stanie napędu możne na pomiarze charakterystyk wibracyjnych wyłącznika w czasie operacji łączeniowych [19]. W pracy [19] przedstawiono układ probierczy, w którym na module napędowym wyłącznika zamontowano akcelerometr, służący do pomiaru charakterystyk wibracyjnych podczas każdej operacji łączeniowej aparatu. W trakcie badań, tworzono sygnatury służące identyfikacji typowych usterek mechanizmu

TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI

Rys. 6. Zestawienie klasyfikacji stanów pracy wyłacznika: a) wartości LLE; b) wartosci CD; c) wartosci KE; d) zestawienie stanów pracy wyłącznika w przestrzeni trzech wykorzystanych deskryptorów numerycznych, [19].

napędowego dla wybranych operacji łączeniowych. Zarejestrowane charakterystyki wibracyjne wstępnie odszumiano, a następnie opisywano deskryptorami numerycznymi takimi jak: CD – Correlation Dimension, LLE – Largest Lyapunov Exponent czy KE – Kolmogorov Entropy. Dla znanych rożnych typów uszkodzeń, porównywano wartości deskryptorów, sprawdzając możliwość wnioskowania na ich podstawie o typie uszkodzenia. Analizowano następujące przypadki pracy wyłącznika: yy HC – poprawne zamknięcie yy PRA – anormalna praca cięgna napędowego yy CCM – niewłaściwa praca wyzwalacza zamykającego yy HO – poprawne otwarcie yy SAM – uszkodzenie amortyzatora yy DOS – odkształcenie wału napędowego Powyższa metoda analizy sygnałów zastosowana do identyfikacji uszkodzeń, pozwala na uzyskanie jednoznacznego rozgraniczenia pomiędzy stanem sprawności wyłącznika a poszczególnymi uszkodzeniami wyłącznika (rys. 6.). Diagnostyka wyłącznika próżniowego realizowana jest również poprzez pomiar sił działających na styki komory [20]. Rejestracja sił wykonywana jest przy użyciu sensorów bazujących na tensometrach. Sensory te instalowane są [20] w torze cięgna napędowego bieguna, tuż przy sprężynie dociskowej, co pozwala na wykonanie pomiaru działających na styki sił. W pracy [20] rejestracji podlegały również prądy wyzwalaczy oraz przemieszczenia styków w poszczególnych biegunach wyłącznika. Na podstawie kompletu pomierzonych sygnałów oraz przy wykorzystaniu narzędzi matematycznych takich jak analiza falkowa,

charakteryzowano stan techniczny najważniejszych komponentów wyłącznika, wnioskując o stanie zasobnika energii, układu tłumienia czy prędkości styków.

VIII. Interakcja wyłącznika próżniowego z siecią Oddziaływanie wyłączników z siecią modelowane jest poprzez odwzorowanie zapłonów wczesnych i późnych występujących przy otwieraniu i zamykaniu wyłącznika, a obliczenia wykonuje się w modelu symulacyjnym sieci. W pracy [21] przedstawiono model wyłącznika opracowany na podstawie próbach łączeniowych oraz pomiarach w fizycznych układach laboratoryjnych. Tak stworzony model uwzględnia nieliniowy przyrost wytrzymałości napięciowej przerwy międzystykowej, związany z nieliniowym ruchem styków wyłącznika, zdolność wyłącznika do wyłączania prądów o wysokiej częstotliwości powiązanych ze zjawiskiem zapłonów ponownych, oraz zjawisko zrywania prądu. W zastosowanym w pracy [21] modelu pominięto stochastyczną naturę zjawisk związanych z wyłączaniem prądu przez wyłącznik. Pomiary na bazie których opracowano model wyłącznika pozwoliły na uwzględnienie nieliniowego przemieszczenia styków oraz zastosowano do analizy oddziaływania łącznika z siecią podczas procesu łączeniowego. Przedstawiony model pozwala w szczególności na analizę zapłonów ponownych, szczególnie w sieciach wrażliwych na występowanie przepięć, takich jak sieci w których występują jednostki generacji rozproszonej [22]

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI IX. Podsumowanie Obecnie technologia próżniowa wkracza w obszar napięć wysokich, jednak kontynuowane są badania zjawisk podstawowych w małoskalowych układach próżniowych komór średnich napięć. Technologia próżniowa z powodzeniem stosowana jest również w innych obszarach, takich jak wyłączniki generatorowe czy łączniki hybrydowe energoelektroniczne. Istotnym aspektem rozwoju wiedzy o zjawiskach podstawowych w komorach próżniowych jest rozumienie procesu budowania się wytrzymałości napięciowej przerwy międzystykowej oraz wpływu na ten proces ruchu mikrocząstek. Badany jest przebieg procesu łukowego przy wyłączaniu prądu, w szczególności dla większych odległości międzystykowych. W badaniach procesów łukowych uwzględnienia się zachowanie plamki katodowej oraz aktywność anody. Prowadzone aktualnie badania oparte są na metodach szybkiej rejestracji optycznej. Technika ta pozwala na obserwowanie przebiegu procesów fizycznych w przestrzeni międzystykowej. W poznaniu zjawisk w komorach próżniowych barierą staje się przestrzenna oraz czasowa rozdzielczość rejestracji

Literatura [1] X. Yao et al., “Development and Type Test of a Single-Break 126-kV/40-kA–2500-A Vacuum Circuit Breaker,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 31, no. 1, 2016. [2] GIGRE, “Paper 589: The Impact of the Application of Vacuum Switchgear at Transmission Voltages,” 2014. [3] M. Lechman and P. Mański, “Doświadczenia z uruchomienia i eksploatacji wyłącznika próżniowego na napięcie 110 kv,” Urządzenia dla Energ., no. 2, pp. 49–55, 2018. [4] S. Li, Y. Geng, Z. Liu, and J. Wang, “A breakdown mechanism transition with increasing vacuum gaps,” IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 24, no. 6, pp. 3340–3346, 2017, doi: 10.1109/TDEI.2017.006482. [5] T. Chmielewski, P. Oramus, M. Szewczyk, T. Kuczek, and W. Piasecki, “Circuit breaker models for simulations of short-circuit current breaking and slow-front overvoltages in HV systems,” Electr. Power Syst. Res., vol. 143, pp. 174–181, 2017. [6] M. Szewczyk, T. Kuczek, P. Oramus, W. Piasecki, “Modeling of repetitive ignitions in switching devices: case studies on Vacuum Circuit Breaker and GIS disconnector,” in Analysis and Simulation of Electrical and Computer Systems, 2015. [7] H. Ejiri et al., “Late Breakdowns Caused by Microparticles after Vacuum Arc Interruption,” IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 47, no. 8, pp. 3392– 3399, 2019, doi: 10.1109/TPS.2019.2917379. [8] M. Szewczyk, S. Stoczko, W. Chmielak, and A. Zagrajek, “Comparative Study of Synthetic Test Circuits for Testing of MV and HV AC Circuit Breakers According to IEC Std. 62271,” in Conference on Progress in Applied Electrical Engineering (PAEE 2019), 2019. [9] A. A. Logachev, I. N. Poluyanova, K. K. Zabello, Y. A. Barinov, and S. M. Shkol’nik, “Cathode Surface State and Cathode Temperature Distribution after Current Zero of Different AMF-Contacts,” IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 47, no. 8, pp. 3516–3524, 2019, doi: 10.1109/TPS.2019.2923326. [10] Z. Zhang et al., “Anode Spot Threshold Current of Four Pure Metals Subjected to Uniform Axial Magnetic Field in High Current Vacuum Arcs,” IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 45, no. 8, pp. 2135–2143, 2017, doi: 10.1109/TPS.2017.2705171. [11] W. Li, Z. Shi, C. Wang, F. Shi, S. Jia, and L. Wang, “The Motion Characteristics of a Single Cathode Spot in Removing Oxide Layer on Metal Surface by Vacuum Arc,” IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 45, no. 1, pp. 106–112, 2017, doi: 10.1109/TPS.2016.2636189.

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

obecnie dostępnych na rynku urządzeń. Ze względu na eksploatację coraz większej populacji komór próżniowych na granicy ich projektowanego czasu życia, oraz ze względu na rozwój techniki próżniowej w zakresie wysokich napięć, istotnym nurtem badań jest rozwój metod diagnostyki i prognostyki stanu wyłączników próżniowych. Opublikowane dotychczas prace (np. [19]) wskazują na możliwość zastosowania analizy charakterystyk wibracyjnych dla diagnostyki i prognostyki stanu napędów wyłączników. Prace te prowadzone są z zastosowaniem nowoczesnych metod sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego. Ze względu na kompaktowe wymiary komór próżniowych, obserwowane obecnie rozszerzenie zakresu stosowania technologii próżniowej w obszar napięć wysokich, wymaga stosowania zewnętrznej izolacji komory, zapewniającej odpowiednią wytrzymałość napięciową układu. Wymagania w zakresie ekologii produktów elektroenergetyki stanowią w tym aspekcie motywację dla rozwoju nowych mediów izolacyjnych, konkurencyjnych wobec gazu SF6. Szymon Stoczko, Marcin Szewczyk Instytut Elektroenergetyki, Politechnika Warszawska ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa n

[12] P. R. Schwoebel and I. Brodie, “Surface-science aspects of vacuum microelectronics,” J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanom. Struct. Process. Meas. Phenom. 13, 1995. [13] R. P. P. Smeets, S. Kuivenhoven, S. Chakraborty, and G. Sandolache, “Field electron emission current in vacuum interrupters after large inrush current,” Proc. - Int. Symp. Discharges Electr. Insul. Vacuum, ISDEIV, pp. 157–160, 2012, doi: 10.1109/DEIV.2012.6412476. [14] M. K. Zadeh, V. Hinrichsen, R. Smeets, and A. Lawall, “Field emission currents in vacuum breakers after capacitive switching,” IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 18, no. 3, pp. 910–917, 2011, doi: 10.1109/ TDEI.2011.5931080. [15] Y. Yu, J. Wang, H. Yang, Y. Geng, and Z. Liu, “Asymmetrical AC field emission current characteristics of vacuum interrupters subjected to inrush current,” IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 23, no. 1, pp. 49–57, 2016, doi: 10.1109/TDEI.2015.005258. [16] S. Liu et al., “Modelling, Experimental Validation and Application of VARC HVDC Circuit Breakers,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 8977, no. c, pp. 1–1, 2019, doi: 10.1109/tpwrd.2019.2947544. [17] R. Renz, D. Gentsch, H. Fink, P. G. Slade, and M. Schlug, “Vacuum Interrupters - sealed for life,” in 19 th International Conference on Electricity Distribution, 2007. [18] Y. Nakano, M. Kozako, M. Hikita, T. Tanaka, and M. Kobayashi, “Estimation method of degraded vacuum in vacuum interrupter based on partial discharge measurement,” IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 26, no. 5, pp. 1520–1526, 2019, doi: 10.1109/TDEI.2019.008142. [19] Q. Yang, J. Ruan, Z. Zhuang, and D. Huang, “Chaotic Analysis and Feature Extraction of Vibration Signals from Power Circuit Breakers,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 8977, no. c, 2019, doi: 10.1109/ TPWRD.2019.2934123. [20] J. Tang, S. Lu, J. Xie, and Z. Cheng, “Contact Force Monitoring and Its Application in Vacuum Circuit Breakers,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 32, no. 5, pp. 2154–2161, 2017, doi: 10.1109/TPWRD.2015.2423686. [21] T. Abdulahovic, T. Thiringer, M. Reza, and H. Breder, “Vacuum Circuit-Breaker Parameter Calculation and Modelling for Power System Transient Studies,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 32, no. 3, pp. 1165–1172, 2017, doi: 10.1109/TPWRD.2014.2357993. [22] W. Piasecki, T. Kuczek, and M. Florkowski, “Transformer Switching With Vacuum Circuit Breaker: Case Study of PV Inverter LC Filters Impact on Transient Overvoltages,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 31, no. 1, 2016.

TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI

Likwidacja rozdzielnic w świetle nowelizacji ustawy o odpadach „Ziemia nie jest własnością człowieka, to człowiek należy do Ziemi!” (Wódz Seattle 1855r.) W artykule przedstawiono zagadnienia związane z bezpieczną likwidacją rozdzielnic elektroenergetycznych napełnionych gazem SF6. Omówiono regulacje prawne obowiązujące od 1 stycznia 2020 roku, związane z nowelizacją ustawy o odpadach. Przedstawiono również mechanizm odzysku gazu z urządzenia przeznaczonego do utylizacji oraz scharakteryzowano odpady najczęściej wstępujące w branży elektroenergetycznej. Nowelizacja ustawy o odpadach

Od 1 stycznia 2020 r. obowiązują w Polsce nowe przepisy odpadowe (Ustawa z dnia 4 lipca 2019 r. o zmianie ustawy o odpadach). Zmiany w ustawie pozwalają na pełną cyfryzację w zakresie zbierania danych o odpadach i podmiotach, które nimi gospodarują. Odbywa się to za pomocą elektronicznej „Bazy danych o produktach i opakowaniach oraz o gospodarce odpadami” (w skrócie BDO). W nowelizacji ustawy zawarto m. in. przepisy nakazujące przekazującemu odpad wystawienie Karty Przekazania Odpadu w formie elektronicznej, ze wskazaniem dokładnej daty i godziny transportu odpadów oraz nr rejestracyjnego pojazdu transportującego odpad. W karcie nie może również zabraknąć informacji o kodzie odpadu (zgodnie z katalogiem odpadów) oraz o miejscu wytworzenia odpadu. W związku z tym, każdy podmiot wytwarzający, transportujący i gospodarujący odpadami jest zobowiązany do dokonania wpisu do Rejestru BDO. Wielkość firmy nie ma znaczenia, wpis jest obowiązkowy również dla firm jednoosobowych. Kluczowe w kontekście wystawiania kart przekazania odpadu jest określenie wytwórcy odpadu. Jeśli umowa pomiędzy operatorem urządzenia, a firmą serwisową nie stanowi inaczej, to na mocy art. 3 ust. 1 pkt 32 ustawy o odpadach, wytwórcą odpadu w postaci odzyskanej substancji jest firma serwisowa wykonująca usługę (1). Kartę Przekazania Odpadu sporządza w formie elektronicznej wytwórca odpadów, który przekazuje odpady do na-

Rys. 1. Kto jest wytwórcą odpadów z usług serwisowych? (rys. PROZON)

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI stępnego uprawnionego posiadacza odpadów (2). Na rys. 1. przedstawiono schemat określający wytwórcę odpadu oraz sposób postępowania z odpadami od momentu ich wytworzenia do stworzenia poprawnej wersji KPO.

Bezpieczna likwidacja rozdzielnic

Rys. 2. Odzysk gazu z rozdzielnicy (fot. PROZON)

Rys. 3. Szkolenie dla personelu dokonującego odzysku gazu z urządzeń elektroenergetycznych (fot. PROZON)

Rys. 4. Rozdzielnica przeznaczona do utylizacji (fot. PROZON)

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

SF6 jest gazem nietoksycznym oraz niepalnym. Nie zawiera związków chloru, zatem nie ma wpływu na zanikanie warstwy ozonu w stratosferze, jednak okres jego trwałości w atmosferze jest „nieskończenie” długi, w związku z tym protokół z Kioto określił go jako gaz cieplarniany. Długi okres życia SF6 w atmosferze i absorpcja promieniowania podczerwonego powoduje, że potencjał termiczny tego gazu jest oszacowany dla okresu 100 lat na ponad 24 000 razy większy niż dla CO2 w odniesieniu do jednostki masy. Unia Europejska nałożyła więc obowiązek kontroli stosowania gazu SF6 w procesie produkcji, eksploatacji oraz likwidacji urządzeń elektroenergetycznych, jednocześnie nie zakazując jego stosowania. yy Odzysk gazu z urządzenia Zgodnie z Rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 517/2014 w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych, „odzysk” oznacza zbiórkę i magazynowanie fluorowanych gazów cieplarnianych z produktów, w tym pojemników, i urządzeń podczas konserwacji lub serwisowania lub przed unieszkodliwieniem produktów lub urządzeń. Odzysku gazu z urządzenia może dokonać tylko wykwalifikowany personel, posiadający certyfikat F-gazowy z zakresu SF6, wydany zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Rozwoju i Finansów z dnia 7 grudnia 2017 r. w sprawie egzaminowania i certyfikowania personelu w zakresie fluorowanych gazów cieplarnianych. Do urządzeń służących do odzysku gazu z rozdzielnicy należą jednostki transferu gazu, filtry wstępne oraz pompy próżniowe lub wózki obsługowe skupiające wszystkie elementy w jednym, większym urządzeniu. Gwarancja producenta typowej rozdzielnicy SN/WN waha się w przedziale 3 – 5 lat. Okres, po którym producent zaleca przeprowadzenie pierwszego przeglądu w sytuacji bezawaryjnej pracy to 15 – 20 lat. Ewentualną decyzję o naprawie bądź utylizacji rozdzielnicy podejmuje się na podstawie wykonanego przeglądu zgodnie z dokumentacją techniczno – ruchową producenta oraz zgodnie z przepisami wewnętrznymi właściciela. Utylizacji rozdzielnicy

TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI dokonuje się, kiedy jej naprawa lub modernizacja nie jest uzasadniona ekonomicznie. W sytuacji kiedy eksploatacja urządzenia stanowi realne zagrożenie dla obsługi, środowiska naturalnego lub nie gwarantuje stabilności dostawy energii elektrycznej decyzję o ewentualnej utylizacji podejmuje właściciel/ eksploatujący urządzenie. yy Transport gazu i urządzeń Pierwotny sześciofluorek siarki jest transportowany w butlach ciśnieniowych, w pozycji pionowej (z wyjątkiem zbiorników transportowanych w pozycji poziomej). Sześciofluorek siarki odzyskany z urządzenia elektroenergetycznego zawsze jest odpadem niebezpiecznym, dlatego firma transportująca SF6 musi posiadać nr rejestrowy BDO wraz z pozwoleniem na transport gazu. Rozdzielnica elektryczna przeznaczona do utylizacji również posiada status odpadu niebezpiecznego, na którego transport również wymagane jest odpowiednie pozwolenie. Butle i zbiorniki, w których transportowany jest odzyskany gaz oraz urządzenia zawierające SF6 muszą odpowiednio oznaczone, zgodnie z Rozporządzeniem Wykonawczym Komisji (UE) 2015/2068 z dnia 17 listopada 2015 r. ustanawiającym formę etykiet dla produktów i urządzeń zawierających fluorowane gazy cieplarniane. yy Analiza parametrów i regeneracja gazu Badanie składu gazu można wykonać techniką „polową” i laboratoryjną. Metoda „polowa” polega na zastosowaniu czujników elektrochemicznych (HF, SO2), czujników pojemnościowych (H2O), sond mierzących prędkość dźwięku (SF6) oraz spektrometrów podczerwieni (SF6, SOF2, SO2, HF, CF4). Metoda laboratoryjna jest metodą precyzyjną i dokładną. Do metod laboratoryjnych należą: chromatografia gazowa, metoda Karla Fischera, miareczkowanie potencjometryczne oraz spektroskopia w podczerwieni. „Regeneracja” oznacza ponowne przetwarzanie odzyskanego fluorowanego gazu cieplarnianego w celu osiągnięcia właściwości roboczych odpowiadających właściwościom roboczym substancji pierwotnej, z uwzględnieniem zamierzonego zastosowania (definicja występująca w Rozporządzeniu Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 517/2014 w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych). W przeciwieństwie do recyklingu, gaz po regeneracji musi posiadać certyfikat jakości, świadczący o doprowadzeniu jego parametrów do wartości równych parametrom

Rys. 4. Etykieta dla produktów i urządzeń zawierających fluorowany gaz cieplarniany SF6 (rys. PROZON)

Rys. 5. Badanie składu gazu metodą „polową” za pomocą analizatora jakości gazu SF6 (fot. PROZON)

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI

Rys. 5. Badanie składu gazu za pomocą chromatografii gazowej (fot. PROZON)

gazu pierwotnego. Regeneracja polega na usunięciu z gazu wilgoci, produktów rozpadu, kwasów, cząstek stałych oraz gazów nieskraplających. Proces regeneracji gazu reguluje norma PN-EN IEC 60480 „Wymagania dotyczące heksafluorku siarki (SF6) i jego mieszanin do ponownego zastosowania w urządzeniach elektrycznych”. Ponadto wprowadza wytyczne postępowania ze zużytym gazem oraz podaje wymagania jakościowe regenerowanego gazu. Opisuje również metody sprawdzenia stanu gazu zarówno stosowane na miejscu zainstalowania urządzenia, jak również metody czysto laboratoryjne. Dodatkowo, norma podaje wymagania dotyczące przechowywania oraz transportu gazu.

Odpady w branży energetycznej

Rys. 6. Regeneracja gazu SF6 (fot. PROZON)

Rozdzielnica elektroenergetyczna przeznaczona do utylizacji jest odpadem niebezpiecznym o kodzie 16 02 13*. Nie jest to jedyny odpad występujący powszechnie w branży energetycznej. Gaz SF6, który odzyskujemy z urządzenia przed jego ostatecznym unieszkodliwieniem lub pracami serwisowymi zawsze jest odpadem (kod 16 05 04*). Oddawane do utylizacji zbiorniki ciśnieniowe – butle, służące do przechowywania odzyskanego sześciofluorku siarki, klasyfikowane są pod kodem 15 01 10*. Gazy toksyczne, powstałe w wyniku rozpadu sześciofluorku siarki podczas gaszenia łuku elektrycznego w komorach są w znacznym stopniu pochłaniane przez sorbent,

Tab. 1. Odpady występujące w branży elektroenergetycznej

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

TRANSFORMATORY I ŁĄCZNIKI W EKSPLOATACJI który po ich pochłonięciu staje się elementem niebezpiecznym dla zdrowia. Ciecz służąca do utylizacji sorbentów oraz proszków agresywnych dla dróg oddechowych odpowiada kodowi 07 07 01*. Natomiast przekazując do utylizacji zanieczyszczony stałymi produktami rozpadu materiał filtrów, rękawic ochronnych lub okryć, które używane były przez personel stosuje się kod odpadu 15 02 02*. Wszystkie wymienione odpady, które poddaje się utylizacji lub regeneracji, podczas likwidacji rozdzielnic, są odpadami niebezpiecznymi i należy zachować szczególne środki ochrony indywidualnej podczas pracy z nimi.

Podsumowanie

Sześciofluorek siarki jest jednym z ważniejszych mediów używanych w elektroenergetyce. Skutecznie gasi łuk elektryczny oraz posiada doskonałe właściwości izolacyjne. Jego zastosowanie w aparatach elektrycznych pozwoliło na znaczne ograniczenie ich gabarytów w porównaniu do urządzeń konwencjonalnych. Sześciofluorek siarki nie niszczy warstwy ozonowej w atmosferze, jednak jest gazem cieplarnianym, o bardzo wysokim współczynniku globalnego ocieplenia. Szczególną uwagę należy przywiązywać do szczelności urządzeń, ich poprawnego działania oraz do jakości gazu stosowanego w urządzeniach. Konieczne jest, aby likwidacja urządzeń napełnionych sześciofluorkiem siarki i ich utylizacja przeprowadzana była przez świadomy i wykfalifikowany personel, z zastosowaniem odpowiednich środków ochrony osobistej. Regeneracja i ponowne wykorzystanie gazu w urządzeniach jest wyrazem ekologicznej świadomości i prowadzeniem społecznie odpowiedzialnej działalności gospodarczej. Artykuł opracowano na podstawie publikacji dra inż. Andrzeja Piechockiego pt. „Materiał szkoleniowy do opanowania przed egzaminem w celu uzyskania certyfikatu potwierdzającego kwalifikacje do wykonywania następujących czynności obsługowych przy stacjonarnych i ruchomych rozdzielnicach wysokiego napięcia z SF6” PROZON Fundacja Ochrony Klimatu, wy danie trzecie, uzupełnione 2018r. PROZON Fundacja Ochrony Klimatu jest samofinansującą organizacją pozarządowa, działającą od ponad 20 lat na rzecz ograniczenia emisji gazów szkodliwych dla środowiska, stosowanych w chłodnictwie i energetyce. Założenie Fundacji przez dostawców czynników

Rys. 7. Środki do odzysku i neutralizacji produktów rozpadu SF6 oraz ochrony indywidualnej dla personelu (fot. PROZON)

Rys. 8. Cykl życia SF6 (rys. PROZON)

chłodniczych stanowiło wyraz ich ekologicznej świadomości oraz potrzeby prowadzenia społecznie odpowiedzialnej działalności gospodarczej. Dzięki współpracy z setkami firm serwisowych w Polsce, które dokonują odzysku gazów chłodniczych, Fundacja regeneruje dziesiątki ton substancji szkodliwych dla warstwy ozonowej. Ta działalność pozwala ograniczać produkcję szkodliwych gazów. Fundacja utrzymuje się z usług regeneracji, analiz laboratoryjnych oraz organizacji szkoleń dla branży chłodniczej i energetycznej. Celem nadrzędnym

szkoleń jest kreowanie odpowiedzialnych postaw i w konsekwencji ograniczenie emisji szkodliwych gazów. W ramach międzynarodowego konsorcjum REAL Alternatives, Fundacja promuje innowacyjne i bezpieczne rozwiązania w chłodnictwie i klimatyzacji. W Zgromadzeniu Fundatorów zasiadają firmy: Air Products Sp. z o.o., Linde Gaz Polska Sp. z o.o., Schiessl Polska Sp. z o.o. Więcej na www.prozon.org.pl inż. Anna Wójcik PROZON Fundacja Ochrony Klimatu Regeneracja, szkolenia, certyfikacja SF6 n

URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 3/2020

Badania oleju elektroizolacyjnego w zakresie: analiza chromatograficzne gazów (DGA), badania fizykochemiczne, badanie zawartości siarki korozyjnej, badanie zawartości związków furanu. Badanie zawartości wody w próbkach izolacji stałej. Badania właściwości materiałów elektroizolacyjnych.

Laboratorium Analityczne Materiałów Elektroizolacyjnych

www.obre.pl

33. MIĘDZYNARODOWE ENERGETYCZNE TARGI BIELSKIE

BIELSKO-BIAŁA INTERNATIONAL POWER INDUSTRY FAIR

15-17.09.2020

www.energetab.pl

ZARMEN sp. z o.o., ul. Chłodna 51, 00-867 Warszawa NIP: 7542739320, KRS: 0000160402, REGON: 532383555

SIŁA SYNERGII

www.zarmen.pl

ZARMEN ZAKŁAD ELEKTROBUDOWA UZNANY PRODUCENT I DOSTAWCA URZĄDZEŃ ELEKTROENERGETYCZNYCH

Rozdzielnice SN w izolacji SF6

Rozdzielnice SN w izolacji powietrznej

Rozdzielnice i szynoprzewody WN

Szynoprzewody SN

Rozdzielnice nN

Urządzenia prądu stałego

Inne urządzenia dla elektroenergetyki

Szynoprzewody nN

Stacje kontenerowe

Biuro Zarządu

ZARMEN zakład Elektrobudowa

ul. S. Batorego 44, 41-506 Chorzów tel.: +48 32 790 99 01, fax: + 48 32 790 99 99 zarmen@zarmen.pl, www.zarmen.pl

Oddział Realizacji

Zakład Produkcji Rozdzielnic

Zakład Produkcji Szynoprzewodów

ul. Porcelanowa 12, 40-246 Katowice tel.: +48 32 259 01 00

ul. Przemysłowa 156, 62-510 Konin tel.: +48 63 246 62 00

ul. Serdeczna 15, 43-109 Tychy tel.: +48 32 784 20 00

dł

ąc

Bezpieczne podłączenie w nowej podstawce GZ-14P

Konstrukcja bez kontaktronów

>1kV

Kompletna oferta przekaźników pomocniczych dla elektroenergetyki

Opatentowany układ gaszący (wytrzymałość na otwartych zestykach ponad 1kV) Obudowa niepalna (norma UL 94-VO) Zdolność rozłączania do 6A 220 VDC L/R=40ms

Nagrodzone na targach ENERGETAB 2019

Konstrukcja odporna na wyrywanie styków

Małe gabaryty