NOVÁ FILOZOFIE A TECHNOLOGIE AUTOMATIZACE PROVOZU DISTRIBUČNÍCH SÍTÍ VN

Transkript

1 NOVÁ FILOZOFIE A TECHNOLOGIE AUTOMATIZACE PROVOZU DISTRIBUČNÍCH SÍTÍ VN Ing. František Žák, Ing. Aleš Procházka, EGÚ ČB, a. s. Plošné nasazení recloserů Nová zařízení pro automatizaci Filozofie nasazení recloserů 1. ÚVOD Automatizace provozu distribučních sítí vn je jedním ze základních cílů, které mohou podstatně ovlivnit spolehlivost zásobování elektrickou energií a splnit tak náročná kritéria hodnocení kvality dodávky (sumační hodnoty krátkodobých a dlouhodobých výpadků napájení apod.). Distribuční energetické společnosti ČR a SR v polovině 90-tých let začaly instalovat do venkovních sítí vn dálkově ovládané úsekové odpínače (dálkově ovládané úsečníky DOÚ). Projekt DOÚ ve stávajících provozních podmínkách distribučních energetik navrhla a úspěšně ověřila ve zkušebních provozech firma EGÚ České Budějovice a následně prosadila jako efektivní cestu pro zásadní snížení dob nedodávky elektrické energie a pro automatické vyhledání bez nutnosti postupného dělení sítě s opětovným zapínáním do poruchy. Jednou ze základních podmínek realizovatelnosti projektu byla dostupnost venkovních spínacích přístrojů, které umožňují spínání a rozpínání provozních proudů. Tyto přístroje v r uvedla na trh firma IVEP, a. s. Brno jako licenční výrobek, který využíval pro mžikové VYP/ZAP olejovou komůrku. Postupně se na trh dostaly dokonalejší odpínače se vzduchovou (IVEP) nebo vakuovou (SEZ) komůrkou. Prvním kvalitativním skokem pro automatizaci provozu venkovních sítí vn byl počátek využívání odpínačů se spínáním provozních proudů (400 A) a dalším krokem je využívání venkovního vypínače recloseru. Použití dálkově ovládaného a automatického recloseru umožňuje vypínání a zapínání poruchových proudů. Tyto funkce včetně OZ mohou být automatické bez přímé účasti dispečera s následnou dispečerskou informací. Nasazení automatických recloserů a následně dálkové ovládání recloserů (DOR) je v Evropě v 80-tých letech. V ČR byly nasazeny v posledních třech letech desítky kusů DOR pouze v SME, a. s.. Použitý typ recloseru je GVR27 výrobce Whipp & Bourne. Širšímu rozšíření brání relativně vysoká cena recloseru. EGÚ České Budějovice v roce 2003 zařadilo do systému SADS - Systém pro Automatizace provozu Distribučních Sítí nový typ recloseru OSM DÁLKOVĚ OVLÁDANÝ RECLOSER OSM 27 Výrobcem recloseru OSM 27 je firma Tavrida Electric Australia PTg. LTg.. Recloser je dodáván pro napěťovou hladinu 12 kv OSM 15 a 22 kv OSM 27. Základní technické parametry recloseru OSM 27 jsou uvedeny v referátu CIRED 2003, sekce 1 Nové spínací prvky v distribučních sítích, EGÚ ČB, a. s.. 1

2 2.1. KONSTRUKCE RECLOSERU OSM 27 Recloser OSM 27 využívá nové technologie vysokonapěťové izolace a nové technologie měření fázových proudů a napětí. Konstrukční uspořádání: - vakuové vypínání komory - elektromagnetický pohon pro každý spínač fáze samostatně - mechanické uspořádání spínače každé fáze je v samostatném polykarbonátovém pouzdře - tři magnetické pohony jsou vzájemně mechanicky propojeny - ovládání ZAP/VYP je změnou polarity proudu cívky elektromagnetu - energie potřebná pro ovládání je z kondenzátorových baterií v řídicí skříni recloseru - mechanismus je držen v poloze ZAP/VYP pomocí magnetického blokování - tří fázové póly jsou osazeny ve skříni z nerezové oceli s krytím IP65 s keramickým odvětrávačem vodních par - mechanická signalizace stavu ZAP/VYP je umístěna viditelně na spodní ploše skříně recloseru - signalizace stavu ZAP/VYP je pomocnými spínači ve vazbě na mechanismus pohonu - recloser lze ručně vypnout táhlem zatáhnutím za vestavěné oko háku silou menší jak 20 kg - na každém připojování pólu jsou instalovány snímače fázových proudů a napětí - snímače napětí jsou tvořeny kapacitním děličem s konstantou 0,135 V / 1 kv - snímače proudu jsou Rogowského cívky s konstantou pro výstupní užitečné napětí 2 V / 1 ka / 50 Hz (výstupní napětí Rogowského cívky je závislé mimo měřeného proudu také na jeho kmitočtu) - na jedné straně recloseru jsou snímače 3 fázových proudů, na straně druhé jsou 3 proudové snímače propojeny do série, vektorový součet generuje na výstupu složku I 0 - užitečný dynamický rozsah měření proudu je 4 až A - izolační systém recloseru OSM využívá kombinované izolace, konstrukce je patentově chráněna výrobcem - pro výrobu součástí izolační systému je využíváno polymerů a silikonového kaučuku, technologie výroby využívá vysokých tlaků, která zajišťuje vysokou homogenitu konstrukčních prvků - vypínací schopnost vakuových komor je:! cyklů VYP pro jmenovitý proud 630 A! cyklů VYP pro průměrný zkratový proud 2 ka! 200 cyklů VYP pro maximální zkratový proud 12,5 ka - maximální zatěžovací cyklus je definován 0 0,1s CO 1s CO 1x CO s následným zotavením v délce 60 s - použití technologie kombinované izolace a technologie snímání proudu bez železných jader transformátorů proudu umožňuje dosažení minimální váhy recloseru cca 60 kg a malých rozměrů, skříň mimo připojovací průchodky má rozměry 700 x 500 x 250 mm 2.2. SESTAVA DOR OSM Typické montážní uspořádání DOR je patrné z obr. 1, projekčně existují sestavy: - uspořádání na betonový stožár s růžkovým odpojovačem pro viditelné rozpojení proudové dráhy - konstrukce bez růžkového odpojovače - konstrukce na příhradové stožáry - pro svislá dvojvedení vn 2

3 Montážní uspořádání recloseru OSM lze velmi dobře a jednoduše přizpůsobit pro různé typy vedení a stožárů venkovního vedení díky malým rozměrům a zejména malé váze. Sestava DOR obsahuje: - dělicí konstrukce pro připojení závěsným izolátorů a svodičů přepětí - závěsné izolátory, svodiče přepětí a pomocné podstavné izolátory - recloser OSM 27 s montážní podstavou - venkovní transformátor s podstavou pro pomocné napájení řídicí skříně (100 nebo 100/ 3 V AC) - anténní systém s výložníkem - řídicí skříň recloseru - uzemňovací systém - propojovací kabel recloseru a řídicí skříně Řídicí skříň DOR obsahuje: - elektronický terminál s funkcemi ochran a RTU - modul pro ovládání recloseru (ZAP/VYP) - jisticí prvky a prvky manuálního ovládání a místní signalizace - záložní akumulátory 2 x 12 V / 28 Ah - klimatizační topný odpor - speciální vnější konektor pro připojení signálů z recloseru - vnitřní připojovací svorkovnice - svorkovnice pro připojení testovacího zařízení - radiostanice nebo vestavěný modem GSM-GPRS Řídicí skříň je z ocelového pozinkovaného plechu opatřená krycím zeleným nátěrem, dveře skříně jsou uzamykatelné tříbodovým zámkem s bezpečnostní vložkou podle požadavku provozovatele. Elektronický terminál DOR obsahuje jednotky: - procesorová centrální jednotka (CPU) - jednotka binárních vstupů / výstupů - jednotka měření analogových signálů - procesorová komunikační jednotka, inteligentní modem, retranslace a vestavěný modem GSM-GPRS - dobíječ záložních akumulátorů s diagnostikou - napájecí měničový zdroj DC/DC Vstupní a výstupní signály včetně pomocného napájení jsou galvanicky odděleny. Terminál splňuje odolnost proti elektromagnetickému a elektrostatickému rušení (elektromagnetická kompatibilita EMC) podle IEC 801.xx, třída odolnost 4, funkčnost třída A. 3

4 16 zemnicí lano 15 propojovací kabely 14 výložník antény 13 svorka prorážející izolaci SL nosná konzola izolátorů 11 svorka ochrany proti oblouku SE ovládací skříň SADS OSM XX.v.YY 9 napájecí transformátor VN/100 (57,3) V 8 roubíkový izolátor SDI 37 7 izolovaný vodič 6 pásky Bandimex 5 betonový stožár 4 anténa 3 recloser OSM xx 2 závěsný izolátor 1 omezovač přepětí HDA-24NA-NMP Obr. 1: Příklad realizace DOR 4

5 2.3. ZÁKLADNÍ FUNKCE TERMINÁLU RECLOSERU - nezávislá zkratová ochrana, I>> - nezávislá nadproudá ochrana, I> - zemní směrová ochrana, I 0 a U 0 > - funkce několikanásobného opětovného zapínání OZ - signalizace proudové nesymetrie I 2 - měření a záznam U, I, P, Q pro účely správy sítě a kvality napájení - blokování funkce OZ při zapnutí do zkratu - automatický záznam stavů a událostí (vznik / zánik) s časovou značkou, časové rozlišení 10 ms buffer událostí - monitorování místních stavů, signalizace k CPU:! otevřené dveře skříně! stav AKU pod 30 % kapacity! autodiagnostika, vlastní poruchový stav (recloser, terminál)! změna stavu ZAP/VYP! změna vybraných stavů a měření - volba automatického vypínání na popud ochran v závislosti parametrizací nebo dispečerského povelu - místní a dálkové ovládání - zajištění stavu VYP - místní a dálková parametrizace funkcí a ochran - dálková komunikace selektivní podle adresace CPU, autonomní přihlášení DOR k CPU RD - funkce retranslace radiového signálu - časová synchronizace od CPU RD nebo místní GPS - místní komunikace s parametrizačním PC notebookem, servisní funkce - komunikační protokoly:! SADS COM 3.1! IEC (evropská norma)! DMP3 (USA norma)! M-BUS! další podle požadavku provozovatele 2.4. TESTER RECLOSERU Zařízení je určeno k automatizovanému testování a periodickým kontrolám funkcí ochran včetně reakce recloseru. Tester generuje tři fázová napětí a proudy v úrovních, které jsou snímány z recloseru. Řízení testeru je pomocí SW PC notebooku, je možné zvolit typ poruchy, zkratové poměry atd.. Simulované výstupy jsou přímo připojitelné do řídicí skříně recloseru přes připojovací svorkovnici, zasunutím konektoru testeru, jsou rozpojeny vstupy z recloseru a připojeny výstupy z testeru. SW umožňuje grafický a tiskový výstup (záznam v čase) testované události se záznamem reakce recloseru. Tester je napájen z pomocného napájení 24 V DC ve skříni recloseru (součást připojovací svorkovnice). 5

6 3. STRATEGIE VYUŽITÍ RECLOSERŮ VE VN SÍTÍCH Dálkově ovládaný recloser využívaný pro automatizaci provozu distribučních sítí přináší podstatně vyšší kvalitativní možnosti ve srovnání s dosavadním využíváním DOÚ: - recloser je vypínač určený pro vypínání a zapínání poruchových proudů - umožňuje určení místa poruchy - lze volit řadu automatických a monitorovacích funkcí - oproti DOÚ na DOR podstatně vyšší spolehlivost funkcí, vyšší počet cyklů ZAP/VYP a poruchových VYP - v přímé spolupráci s CPU na RD lze nastavit řadu postupů pro automatické vydělení místa poruchy a obnovení napájení do zdravých částí vn sítě - podstatným aspektem využití DOR je cena ve srovnání s DOÚ, ekonomická efektivnost - cena DOR OSM je shodná s cenou DOÚ s vyššími užitnými vlastnostmi - k cenám přistupuje hodnocení životnosti spínacího prvku, OSM 27 má cyklů ZAP/VYP jmenovitého proudu 630 A, cyklů VYP typického poruchového proudu vn sítí 2 ka a 200 cyklů VYP maximálního zkratového proudu 12,5 ka - podle hodnocení životnosti je recloser OSM 27 bezúdržbový prvek ve srovnání se stávajícími spínacími přístroji ve venkovních sítích vn 3.1. FUNKCE DOR V SÍTÍCH VN DOR umožňuje automatickými funkcemi mimo čas dispečerského řízení minimalizovat vyčlenění místa poruchy s minimálním omezením dodávky elektrické energie. Podle hodnocení možných funkcí DOÚ a DOR z hlediska automatizace provozu sítí vn je zřejmé, že nové instalace DOÚ pozbývají význam a jednoznačně je nahradí instalace DOR. Rozhodujícím faktorem pro využívání je shodná cena DOR a DOÚ. Využití DOR umožňuje při plošném nasazení minimalizovat doby nedodávky energie na minimum. Umístění DOR v sítích vn: - na proudových odbočkách kmene vedení - za důležitými odběrateli eliminace na veden za - umístění do kmene vedení a do dělicích míst sítě - automatické záskoky napájení ze dvou nezávislých vedení vn - realizace jednoduchých spínacích venkovních stanic - dělení dlouhých vedení větších počtem recloserů za sebou s proudovým a časovým odstupňováním ochranových funkcí 4. DOPLŇUJÍCÍ AUTOMATIZAČNÍ ZAŘÍZENÍ Vedle hlavních automatizačních zařízení DOR a DOÚ je vhodné využití levnějších doplňujících prvků, které jsou navázány do monitorovacího systému RD. Přijatelné pořizovací náklady mohou přispět k větší informovanosti dispečera o celkovém stavu distribuční sítě. Předpokladem jsou přijatelné náklady na pořízení a montáž. 6

7 Do této skupiny zařízení lze zařadit: - poruchové indikátory pro venkovní vedení - poruchové indikátory pro kabelové vedení - monitory distribučních transformátorů Poruchové indikátory vyrábí řada výrobců. Postupně rostoucí technická úroveň zdokonaluje základní princip využívání, vedle spolehlivé základní funkce je maximálně důležitá nadstavba: - místní signalizace - místní parametrizace - dálková signalizace - dálková parametrizace - vlastní autodiagnostika a poruchová signalizace S požadavkem dálkové signalizace trvá požadavek nízké a přijatelné ceny zařízení. Pokud cena nebude korespondovat s účelem použití, nelze uvažovat s možností plošného nasazení a skutečného užívání. V současné doba jen málo typů indikátorů splňuje nároky na dálkovou komunikaci, monitor distribučních transformátorů dodává jediný výrobce. Je zřejmé, že pokud tato zařízení budou nasazována s jistou logikou, mohou významně pomoci v automatizaci provozu distribučních sítí PORUCHOVÉ INDIKÁTORY PRO VENKOVNÍ SÍTĚ Používané principy a metody snímání a vyhodnocení poruchových stavů: - snímání elektromagnetického pole v jedné nebo ve dvou na sebe kolmých složkách - snímání elektrostatického pole - umístění bezpečné vzdálenosti pod středním vodičem, podle citlivosti měření ve vzdálenosti pro eliminaci vlivu průchozího proudu vedení - vyhodnocení poruchových stavů proudů I>, I>>, I 0 > a U 0 > - vyhodnocení napěťových stavů:! provozní napětí! stav bez napětí! napěťových stav s poruchou (U O >) Známá řešení s dálkovou signalizací jsou: - Bowden-Bros Anglie - IKA V3.1, výrobce EGÚ ČB, a. s. 7

8 Vyšší přínosy IKA V3.1: - dálková parametrizace SMS zprávami - měření elektromagnetického pole ve dvou kolmých složkách - autodiagnostika s komunikací na CPU RD - dobíjení záložního akumulátoru solárním článkem - vyhodnocení zemní poruchy za pomocí složky di(250 Hz)/dt 4.2. PORUCHOVÉ INDIKÁTORY PRO KABELOVÁ VEDENÍ VN Indikátorů pro kabelová vedení je vyráběno v ČR i v zahraničí celá řada. Použití indikátorů předpokládá nasazení minimálně 2 3 ks v jedné spínací stanici vn (TS), požadavek dálkové signalizace poruchových stavů pro každý indikátor samostatně je zbytečně nákladný. Při dálkovém ovládání (DO) TS je možné sloučit signalizace indikátorů do jediné telemechaniky DO, nebo využít minimálně koncentrátor jen pro indikátory s dálkovou signalizací. Kde se nepředpokládá DO a je k instalaci jeden nebo dva indikátory, pak je opodstatněné řešení dálkové signalizace samostatně. K posouzení technické úrovně není zásadní požadavek dálkové signalizace, i když možnost je vítaným přínosem. Používané principy a metody snímání a vyhodnocení poruchových stavů: - měření fázových proudů (snímače) - měření složky I 0 - komparace s nastavenými mezemi:! pevné meze! parametrizovatelné meze - snímání fázových proudů:! návlekovým transformátorem s děleným jádrem! aktivním snímačem, pomocné napájení je průchozí fázový proud - snímání složky I 0 :! návlekový transformátor s děleným jádrem! jednoduchý snímač s otevřeným magnetickým obvodem s elektrickou kompenzací nelinearit Nadstavbové funkce: - spojité měření fázových proudů a výstup proudovou smyčkou 4 20 ma - místní a dálková parametrizace (DIP spínače a PC notebook) - přenos stavů a měření fázových proudů sériovou linkou k místní RTU - přenos stavů po silovém vedení Typy indikátorů: - jednoduché řešení indikátor IZP 1 - výrobce MEgA Blansko - s nadstavbovými funkcemi podle předchozího IKA V3, IKA V4, IKA V5, IKA V6, výrobce EGÚ ČB, a. s. (každý typ lze doplnit dálkovou signalizací po GSM-SMS nebo GSM-GPRS) - snímač nulové složky, součtový transformátor SIO 3.X 8

9 4.3. MONITOR DISTRIBUČNÍCH TRANSFORMÁTORŮ Monitor distribučních transformátorů pro venkovní a kabelové sítě je určen pro kontrolu sekundárního napájení a bezchybný stav primárního napájení s následnou místní a dálkovou signalizací poruchových stavů včetně vlastní autodiagnostiky. Výrobce EGÚ ČB, a.s. dodává dva typy monitorů: - MDT 1.1 je určen pro plošné stacionární nasazení k distribučním transformátorům - MDT 1.2 je určen pro plošné stacionární nasazení do problematických míst distribuce nebo přechodné mobilní nasazení pro kontrolu kvality napájení a kontrolu podmínek odběru Schématické připojení monitoru je na obr. 2 Obr. 2: Schématické připojení monitoru MDT - snímač I MDT-S.1 je pasivní elektronické zařízení s děleným magnetickým obvodem připojené optickým kabelem k monitoru MDT-1.X - pomocné napájení je ze strany nn, záložním zdrojem energie je kondenzátorová baterie - komunikační jednotka je modem GSM-SMS a GPRS nebo radiový modem FSK - k dispozici je SW pro parametrizaci a vyčtení záznamů integračních a časových záznamů Základní funkce monitoru: - kontrola napěťového stavu nn - kontrola napěťového stavu vn - měření proudové nesymetrie I 2 na vn straně - vlastní autodiagnostika bezporuchového stavu - dálková signalizace poruchových stavů pomocí SMS zpráv na RD pomocí sítě GSM - místní parametrizace PC notebookem a vyčtení časových záznamů - kontrola teploty a přetížení transformátoru 9

10 Monitor kvality napájení nn: - kontrola U max a U min - integrace doby napětí mimo meze ve zvolených hladinách - integrace doby krátkodobých výpadků napájení (zvolené meze) - integrace doby dlouhodobých výpadků napájení zvolené meze - měření P, Q, I, U Rozšíření funkcí kontroly napájení MDT 1.1: - časový záznam P, Q, U, I, harmonické, flicker - časový záznam přechodných dějů, vzorkovací funkce 1 5 khz - místní parametrizace a vyčtení dat - dálková parametrizace a vyčtení dat pomocí GSM sítě s paketovým přenosem GPRS 5. ZÁVĚR Nový spínací prvek recloser DOR OSM pro venkovní sítě je kvalitativní přínos pro automatizaci provozu distribučních sítí vn. Technické parametry a pořizovací cena zajišťují podmínky pro plošné nasazení v sítích vn. Ekonomická návratnost investice DOR ve srovnání s DOÚ je rychlejší a spolehlivější. V dosavadní nabídce spínacích přístrojů pro venkovní sítě nemá recloser OSM konkurenci. Pro jeho optimální využití při nasazování do sítí vn je nutné přistoupit na netradiční schémata provozních zapojení sítí vn tak, aby bylo dosaženo minimalizace vlivu poruch do nepostižených částí sítě. Čas působení poruchového VYP včetně činnosti ochrany je menší jak 50 ms, to umožňuje selektivní automatické vypínání postižených částí sítě poruchou, aniž by většina sítě (kmen a odbočky) byly bez napájení. Lze konstatovat, že DOR je prostředek pro automatizaci provozu venkovních sítí vn, který zajišťuje dosažení minimálních časů pro selektivní eliminaci postižených částí sítě. 10