Rozłącznik napowietrzny średniego napięcia w obudowie zamkniętej trójbiegunowej, z zastosowaniem komór próżniowych – zadanie konstrukcyjno-badawcze zrealizowane przez Instytut Energetyki Warszawa – Zakład Doświadczalny w Białymstoku

Słowa kluczowe: rozłącznik napowietrzny średniego napięcia, komora próżniowa, napęd elektromechaniczny, zespół sterowniczy, parametry techniczne rozłącznika

W artykule przedstawiono opiszadania konstrukcyjno-badawczego obejmującego rozłączniki napowietrzne średniego napięcia w obudowie zamkniętej trójbiegunowej, z zastosowaniem komór próżniowych. Zaprezentowano efekt końcowy pracy badawczej – nowy rozłącznik SN z zespolonym napędem elektromechanicznym i sterownikami.

Keywords: medium voltage outdoor switch disconnector, vacuum interrupter, electromechanical drive, control unit, technical parameters of the switch disconnector

The article presents a description of the research and development task about medium voltage outdoor disconnectors in a closed three-pole housing with vacuum interrupters. The final effect of the research work was presented - a new medium voltage switch disconnector with the electromechanical drive and controllers.

Autorzy: dr inż. Stanisław Kiszło, mgr inż. Michał Szymański, Instytut Energetyki Warszawa - Zakład Doświadczalny w Białymstoku

Cel i zakres pracy badawczej Nowe zadania stawiane przed podmiotami działającymi w obszarze elektroenergetyki, między innymi na sesjach CIGRE, dotyczą nie tylko ciągłości

dostaw energii elektrycznej o wysokiej jakości, ale również niezawodności instalowanych urządzeń. Poprawę współczynnika niezawodności aparatów można uzyskać poprzez stosowanie dobrych i sprawdzonych rozwiązań konstrukcyjnych, a także poprzez nadzór i kontrole w czasie eksploatacji. Zadanie projektowo-badawcze dotyczyło opracowania nowego rozłączniko-reklozera przeznaczonego do napowietrznej sieci średniego napięcia. Założenia koncepcyjne obejmowały rozwiązania konstrukcyjne trójbiegunowe w obudowach zamkniętych z zastosowaniem komór próżniowych. Założono również opracowanie nowego napędu elektromechanicznego zespolonego z rozłączniko-reklozerem we wspólnej obudowie. Do zasilania napędu prototypu rozłączniko-reklozera zaprojektowano i wykonano nowy układ zasilania z zastosowaniem akumulatorów i superkondensatorów, nadzorowany specjalnym mikroprocesorowym sterownikiem. Przewidziano sterowanie łącznikiem za pomocą sterowników lokalnych i zdalnych. Do przestawień awaryjnych aparatu założono zaprojektowanie i wykonanie napędu ręcznego. Celem ogólnym pracy badawczej było uzyskanie wiedzy w zakresie możliwości łączeniowych, wytrzymałości elektrycznej i mechanicznej próżniowych komór rozłącznikowych zainstalowanych w zamkniętych obudowach prototypu rozłączniko-reklozera trójbiegunowego. Innowacyjnymi elementami zadania projektowo-badawczego było opracowanie nowych konstrukcji segmentów biegunowych zamkniętych oraz opracowanie nowego sposobu przeniesienia mocy napędu elektromechanicznego na mechanizm otwierania i zamykania styków w komorach próżniowych. Celem pracy konstrukcyjno-badawczej było uzyskanie wysokich parametrów technicznych i uzyskanie jak najkrótszych czasów własnych i czasów całkowitych w cyklach otwierania O i zamykania C aparatu. Prace koncepcyjne, konstrukcyjne, wykonawcze prototypów, prób i badań konstrukcyjnych, badań typu łączników prowadzone były w latach 2015-2019.

Etapy projektowania łączników Program kilkuletniej pracy projektowo-badawczej zakładał opracowanie nowego łącznika do sieci napowietrznej średniego napięcia, spełniającego nowe wyzwania i zadania w rozwijających się systemach elektroenergetycznych. Prace konstrukcyjne i badawcze oparto o dotychczasowe prace związane z rozłącznikami napowietrznymi SN, napędami elektromechanicznymi, sterownikami oraz w oparciu o uzyskaną wiedzę i tendencje rozwojowe w tym temacie na świecie. Program pracy konstrukcyjno-badawczej został podzielony na kilka etapów, takich jak:

• Opracowanie kilku koncepcji rozwiązań technicznych aparatów

• Przyjęcie do dalszego opracowania dwóch niezależnych rozwiązań

• Zastosowanie komór próżniowych dwóch producentów

• Zaprojektowanie i wykonanie prototypów (modeli) jednobiegunowych rozłączników z napędami

• Analiza poprawności działania i osiągniętych parametrów

• Próby konstruktorskie zdolności łączeniowych i wytrzymałości zwarciowej na modelach jednobiegunowych

• Zaprojektowanie i wykonanie prototypów rozłącznika trójbiegunowego z napędem elektromechanicznym

• Opracowanie numerycznego modelu symulacyjnego pracy styków łącznika

• Próby, pomiary i rejestracje wielkości mechanicznych prototypu trójbiegunowego

• Próby konstruktorskie zdolności łączeniowych i wytrzymałości zwarciowej na prototypach trójfazowych

• Wykonanie nowego prototypu rozłącznika i napędu z uwzględnieniem zmian wynikających z wcześniejszych prac

• Przeprowadzenie prób mechanicznych poprawności działania nowego prototypu

• Opracowanie i zastosowanie nowego układu zasilania napędów łączników z zastosowaniem kondensatorów elektrochemicznych i akumulatorów

• Próby izolacji, zdolności łączeniowych i wytrzymałości cieplnej nowego prototypu rozłącznika

• Wykonanie nowego (docelowego) prototypu rozłączniko-reklozera napowietrznego SN z napędem elektromechanicznym z zastosowaniem nowych technologii wykonania podzespołów aparatu

• Próby izolacji łącznika

• Próby typu zdolności łączeniowej, wytrzymałości cieplnej i zwarciowej

• Próby typu poprawności działania i trwałości mechanicznej

• Próby weryfikacji izolacji Program pracy badawczej rozłączniko-reklozera został zakończony po uzyskaniu pozytywnych wyników we wszystkich obszarach badawczych. Opracowano pełną dokumentację konstrukcyjną, technologiczną i badawczą. W roku 2020 rozpoczęto prace związane z wdrożeniem opracowania do produkcji seryjnej.

Prace konstrukcyjne własne

Prace konstrukcyjne rozpoczęto od opracowania dwóch koncepcji rozwiązań oraz wykonania prototypów jednobiegunowych z napędami elektromechanicznymi. Prowadzono obserwacje poprawności działania i pomiary określonych parametrów technicznych. Na prototypach tych przeprowadzono pierwsze próby zdolności łączeniowych i wytrzymałości zwarciowej.

Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono prototypy dwóch rozwiązań konstrukcyjnych jednobiegunowych rozłączników z zastosowaniem komór próżniowych. Na podstawie sprawdzonych rozwiązań konstrukcyjnych jednobiegunowych wykonano prototypy trójbiegunowych zespołów rozłącznikowych, zawierające trzy oddzielne bieguny fazowe, wspólny wał napędowy, mechanizm dźwigniowo sprężynowy i napęd elektromechaniczny.

Rys. 1. Biegun prototypu rozłącznika typu RPZ

Rys. 2. Biegun komory rozłącznikowej typu RPCs

Na rysunku 3 przedstawiono pierwszy prototyp rozłącznika typu RPZ-24 z napędem elektromechanicznym.

Rys. 3. Prototyp rozłącznika typu RPZ-24 z napędem

Na rysunku 4 przedstawiono drugi prototyp rozłącznika na stanowisku probierczym podczas prób łączeniowych. Próby mechaniczne prototypu zestawu rozłącznikowego przeprowadzono na specjalnym stanowisku. Próby poprawności pracy obejmowały obserwacje działania mechanizmów, układów kinematycznych i dynamicznych przy wielokrotnych powtórzeniach cyklu zamknij i otwórz (C-O). W czasie prób mechanicznych wykonywano pomiary i rejestracje odskoków sprężystych styków ruchomych, sił na stykach, drogi styków ruchomych, prędkości względnej styków, czasów trwania cykli C i O. Wybrane wielkości parametrów mechanicznych były określane za pomocą specjalnych czujników, kamer rejestrujących, przetworników i oprogramowania.

Rys. 4. Rozłącznik typu RPZ-24 na stanowisku probierczym w szeregu TD ma

Próby zdolności łączeniowych prototypu przeprowadzono w specjalistycznym uprawnionym laboratorium w obwodach TD load i TD ma. Pierwsze próby zdolności łączeniowej w ilości 20 lub 30 cykli C-O umożliwiają dokonanie oceny poprawności budowy i działania badanej konstrukcji prototypu. Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono przykładowe rejestracje graficzne napięć i prądów wykonane w czasie prób cyklu C i O w szeregu TDload. Wykresy w każdej fazie L 1 , L 2 i L 3 (kolor żółty, zielony, czerwony) pokazują wartości skuteczne napięć probierczych po stronie zasilania, wartości prądów probierczych i wartości napięć na stykach prototypu rozłącznika.

Nowy prototyp rozłącznikoreklozera SN

Uwzględniając wyniki przeprowadzonych prób mechanicznych oraz części prób łączeniowych zgodnych z normą PN-EN 62271-103:2011 opracowano i wykonano kolejny prototyp rozłączniko-reklozera z zespolonym napędem. Nowy prototyp wykonano w wersji, przewidzianej do wdrożenia do produkcji seryjnej. Na tym etapie prac zaprojektowano i wykonano formę wtryskową na obudowę bieguna fazowego. Do wykonania obudów użyto materiały z mieszanek tworzyw sztucznych dobranych w wyniku szerokiej analizy ich właściwości i oczekiwanych parametrów. W napędzie prototypowego rozłączniko-reklozera SN zastosowano nowy układ zasilania zawierający akumulatory i zestaw superkondensatorów nadzorowany mikroprocesorowym sterownikiem. Takie rozwiązanie zapewnia utrzymanie stałej prędkości wykonywania cykli C lub O, zapewnia stały zasób energii w każdym momencie wykonywania przełączeń oraz przyczynia się do ograniczenia prądów szczytowych na akumulatorach, co korzystnie wpływa na ich żywotność. Do budowy nowego aparatu zastosowano komory próżniowe osadzone w nowo wykonanych obudowach fazowych, układy tłumienia odskoków, zespoły sygnalizacji otwarcia i zamknięcia zamontowane na każdym biegunie osobno, elektromechaniczny zespół napędowy z mechanizmem przełączającym oraz awaryjnym napędem ręcznym. Na rysunku 7 przedstawiono widok nowego prototypu rozłączniko- -reklozera na stanowisku badawczym. Po wykonaniu prototypu przystąpiono do szeregu prób i sprawdzeń. Badania rozpoczęto od prób mechanicznych poprawności działania oraz trwałości mechanicznej. Podczas tych prób rejestrowano odbicia styków podczas zamykania, rezystancję zestyków oraz rejestracje przebiegów graficznych cyklu otwierania O i zamykania C. Uzyskano czasy zamykania i otwierania wynoszące odpowiednio 0,48s i 0,32s. Uzyskanie krótkich czasów całkowitych i znacznie krótszych czasów własnych cykli C i O jest jednym z warunków realizacji automatyki SPZ (Samoczynnego Ponownego Zasilania). Podczas prób zarejestrowano przebiegi niejednoczesności otwierania i zamykania trzech faz. Czasy przesunięć międzyfazowych wynosiły poniżej 1ms, zaś czasy trwania odskoków wynosiły po ok 2ms. Następnym etapem prac była próba wytrzymałości cieplnej przeprowadzona na podstawie wymagań norm PN- -EN 62271-1:2017 p. 7.5 i PN-EN 62271- 103:2011 p. 6.5. Prąd probierczy ciągły w obwodzie został określony na 630 A. Przyrosty temperatur mieściły się w zakresie 50-70% dopuszczalnych wartości.

Rys. 5. Rejestracje graficzne próby zdolności łączeniowej w szeregu TD load , cyklu C

Rys. 6. Rejestracja graficzna próby zdolności łączeniowej w szeregu TD load cyklu O

Rys. 7. Prototyp rozłącznika RPZ-24 na stanowisku badawczym

Rys. 8. Zespół sterowniczy SIEN-1.2

Rys. 9. Zespół sterowniczy SIEN-1.3

Aparat łączeniowy RPZ-24 poddano próbom zdolności łączeniowych w następujących szeregach:

• TD load2 – I load = 630 A przy U = 24 kV, n = 100.

• TD load1 – 0,05I load = 31,5 A przy U = 24 kV, n = 20

• TD loop – I loop = 630 A przy U = 4,8 kV, n = 20

• TD cc1 – (0,1÷0,4)I cc = 18 A przy U = 24 kV, n = 10

• TD cc2 – I cc = 60 A przy U = 24 kV, n = 10

• TD ma – I ma = 40 kA, przy U = 24 kV, n = 5

• TD ef1 – I ef1 = 60 A, przy U = 24 kV, n = 10 • y TD ef2 – I ef2 = 30 A, przy U = 24 kV, n = 10

• TD lc – I lc = 50 A, przy U = 24 kV, n = 10 Po próbach łączeniowych aparat został poddany próbie weryfikacji izolacji napięciem przemiennym o częstotliwości sieciowej na sucho. Zgodnie z normą PN-EN 62271-1 p. 7.2.12, wartość napięcia próby została obniżona do 80% wartości znamionowej i wynosiła 40 kV i 48 kV.

Rys. 11. Rozłącznik typu RPZ-24 zainstalowany w sieci dystrybucyjnej SN.

Rys. 11. Rozłącznik typu RPZ-24 zainstalowany w sieci dystrybucyjnej SN.

Rys. 10. Certyfikat zgodności

Uzyskane cechy charakterystyczne rozłącznika typ RPZ-24

• Nowoczesna konstrukcja składająca się z trzech zamkniętych biegunów fazowych i wspólnego napędu elektromechanicznego

• Szybki napęd elektromechaniczny pozwalający na uzyskanie czasów całkowitych w cyklach C i O poniżej 0,5 s.

• Zastosowanie wysokiej jakości komór próżniowych specjalistycznych firm światowych cechujących się odpowiednimi parametrami izolacyjności, zdolności łączeniowej, trwałości mechanicznej i stabilnym poziomem próżni rzędu 10 -5 Pa

• Wysokie parametry zdolności łączeniowej przy U r =24 kV, I loadmax =800 A, izolacji przerwy międzystykowej Up=145 kV, wytrzymałości zwarciowej I p =40 kA, I ma =40 kA, trwałości mechanicznej 5000 cykli C-O

• Zweryfikowana izolacja rozłącznika po próbach zdolności łączeniowej i trwałości mechanicznej

• Zastosowanie w układzie zasilania modułu superkondenstatorów

• Zastosowanie trzech niezależnych wskaźników optycznych do określenia stanu rozłącznika w poszczególnych fazach

• Możliwość zmiany położenia (obrotu) każdego bieguna co 60° w celu dostosowania styku bocznego do mostków przyłączeniowych

• Montaż aparatów możliwy w położeniu poziomym pojedynczym lub zespolonym podwójnym

Zespoły sterownicze SIEN-1.2 i SIEN-1.3

Rozłącznik RPZ-24 jest przeznaczony do instalacji w punktach rozłącznikowych z funkcją zdalnego sterowania. Punkt taki musi być wyposażony dodatkowo w zespół sterowniczy opracowany przez IE-ZD Białystok lub specjalistyczną firmę zewnętrzną. Zespół sterowniczy SIEN-1.3 przeznaczony jest do kompleksowej obsługi rozłącznika RPZ-24 i komunikacji z systemem dyspozytorskim poprzez realizację funkcji zabezpieczeniowych, sterowniczych, pomiarowych, telemechaniki i automatyki. W zespole sterowniczym SIEN-1.3 mogą być stosowane zdalne sterowniki polowe i moduły komunikacyjne dowolnego producenta. Zespół sterowniczy SIEN-1.2 wyposażony jest w sterownik lokalny i układ zasilania napędu. Przeznaczony jest do współpracy ze sterownikiem zdalnym polowym i modułem komunikacyjnym (w oddzielnej obudowie) dowolnego producenta. Na rysunkach 8 i 9 przedstawiono widok czołowy zespołów sterowniczych typu SIEN-1.2 i SIEN-1.3.

Instalacja rozłącznika w sieci SN Testy poprzedzające wdrożenie rozłącznika w sieci dystrybucyjnej SN zostały przeprowadzone w PGE Dystrybucja S.A. Oddział Białystok. Rozłącznik typu RPZ-24 ze sterownikiem lokalnym SIEN-1.2 został zainstalowany w punkcie rozłącznikowym nr 3920 Rzędziany. Wymieniony punkt rozłącznikowy posiadał sterownik obiektowy systemu Net- Man typu NMS 100 15W z urządzeniem zabezpieczeniowo-sterowniczym MI- ROD-3 oraz czujniki prądu typu CSO 25. Na rysunku 11 pokazano zainstalowane urządzenia w punkcie rozłącznikowym nr 3920. W dniach 29-30.09.2019r przeprowadzono próby działania, sterowania lokalnego i zdalnego, pomiary prądów i napięć, pomiary czasów całkowitych w cyklach załączania C i rozłączania O. Według oceny służb eksploatacyjnych PGE Dystrybucja S.A. Oddział Białystok, rozłącznik wszystkie funkcje spełnia poprawnie i precyzyjnie. Konstrukcja i funkcjonalność rozłącznika preferuje go do zastosowania w automatyzacji sieci SN (np. FDIR).

Parametry techniczne rozłącznika RPZ-24

Uzyskane w próbach parametry elektryczne i mechaniczne oraz inne dane techniczne zostały umieszczone w tabeli 1.

Certyfikat zgodności

Po zakończeniu wszystkich prób typu rozłącznika RPZ-24 został złożony wniosek o uzyskanie certyfikatu zgodności do uprawnionej jednostki niezależnej. Certyfikat taki został wydany przez Sieć Badawczą Łukasiewicz Instytut Elektrotechniki, Zespół Certyfikacji Wyrobów Elektrotechnicznych w Warszawie. Na rysunku 10 przedstawiono wydany certyfikat zgodności nr DN/419/2019.

Nagrody

Innowacyjny aparat łączeniowy RPZ- 24 został już doceniony na najważniejszych targach w naszym kraju. Nowoczesne rozwiązania konstrukcyjne zostały docenione m. in. na Międzynarodowych Targach Energetycznych Energetab 2019, gdzie rozłącznik typ RPZ-24 otrzymał najwyższą nagrodę targową tj. Puchar Ministra Energi oraz na targach Energetics 2019 w Lublinie otrzymując tytuł Produktu Roku 2019. Na rysunku 9 pokazano nagrody otrzymane za innowacyjny aparat łączeniowy typu RPZ-24.

Instytut Energetyki Warszawa Zakład Doświadczalny w Białymstoku

Rys. 12. Nagrody - Puchar Ministra Energii

Produkt Roku 2019

Aparat łączeniowy RPZ-24 poddano próbom zdolności łączeniowych w następujących szeregach: