Diaľkovo ovládaná distribučná TS

Účel zariadenia

Diaľkovo ovládané distribučné trafostanice 220,42 kV sú vybavené diaľkovou signalizáciou stavov, diaľkovo ovládanými odpínačmi, ako aj systémom diaľkovej lokalizácie porúch (pozri predošlú kapitolu). Zariadenie umožňuje výrazne znížiť čas obnovenia dodávky pri ­poruchách v sieti 22 kV. Systém je určený pre odporovo zemnené káblové siete.

Technický opis zariadenia

Technologické zariadenia diaľkového ovládania sú umiestnené v ­kovovom rozvádzači ležiacom pevne na rozvádzači VN. Kovový rozvádzač AXY1 (obr. 10) obsahuje hlavnú telemetrickú jednotku SAT TM 1703, pomocnú telemetrickú jednotku RTU 7.4, zdroj napájacieho napätia, modem GPRS a záložný akumulátor. Hlavná telemetrická jednotka SAT TM1703 zabezpečuje zber dát pre diaľkovú signalizáciu stavov prvkov (pomocou binárnych vstupov), diaľkové ovládanie odpínačov ­(pomocou reléových výstupov) a komunikáciu so systémom SCADA.

Dôležitou súčasťou je telemetrická jednotka RTU 7.4, ktorá zabezpečuje meranie prúdu pomocou štyroch trojíc analógových vstupov s rozsahom 0 ÷ 800 A a presnosťou 0,5 %. Každý z trojice vstupov meria prúd na jednom z káblov pripojených do transformačnej stanice. Hodnoty prúdu každého z 12 prúdových vstupov sú vzorkované 240x za 10 ms. Tieto hodnoty ďalej spracúvajú algoritmy elektrických ochrán. Telemetrická jednotka meria tiež napätie ­záložného akumulátora, napájacie napätie, kapacitu akumulátora a teplotu, čo umožňuje diaľkovo dozerať na funkciu a stav samotného systému. Dôležitou súčasťou telemetrickej jednotky je pamäť poruchových záznamov.

Pri každom pôsobení ochranných funkcií sa uloží poruchový záznam, ktorý možno následne podrobiť analýze. Napájanie systému zabezpečuje napájací zdroj MEAN WELL ­LPV-60-36, ktorý je pripojený do obvodov vlastnej spotreby ­trafostanice. V prípade výpadku hlavného zdroja je napájanie zabezpečené pomocou záložných akumulátorov 2 x 12 V, 35 Ah, ktoré poskytujú dostatok energie minimálne 12 hodín autonómnej prevádzky. Prenos informácií do dispečerského riadiaceho a informačného systému a do dohľadového PC zabezpečuje modem GPRS. Meracie transformátory prúdu 400 A/20 mA s trvalou preťažiteľnosťou 2xIN sú nainštalované na káblových koncovkách (obr. 9).

Ochranné funkcie

Telemetrická jednotka RTU 7.4 je vybavená skratovou, časovo ­nezávislou a zemnou nesmerovou ochranou. Ochrany nepôsobia na žiadne výkonové spínače, ich úlohou je signalizovať prechod ­poruchového prúdu. Skratová ochrana vyhodnocuje filtrované ­hodnoty fázového prúdu, aby bolo potlačené nadbytočné pôsobenie pri zapínaní zaťažených transformátorov 220,42 kV pod napätie (zapínací náraz). Zemná ochrana vyhodnocuje nulový prúd vypočítaný ako súčet všetkých troch fázových prúdov. Dlhodobým vyhodnocovaním poruchových záznamov bolo určené nastavenie, ktoré spoľahlivo zachytáva všetky nežiaduce prevádzkové stavy a zároveň nereaguje neopodstatnene pri spínacích prechodných javoch.

Diaľkový dohľad

Paralelne s komunikáciou so systémom RIS (protokolom IEC 870-5-104) prebieha komunikácia s dohľadovým PC, a to interným protokolom HioCom. Do systému RIS sa komunikujú len merania, signály a povely nutné z hľadiska dispečerského riadenia. Prostredníctvom dohľadového PC sú dostupné všetky informácie z telemetrickej jednotky RTU 7.4, možno pomocou neho sledovať poruchy, nastavovať všetky parametre jednotky vrátane funkcie elektrických ochrán, ako aj sťahovať poruchové záznamy. Tie sa v jednotke vytvárajú automaticky pri pôsobení ktorejkoľvek ochrannej funkcie. Po ich stiahnutí do dohľadového PC možno vykonať analýzu poruchy ­vrátane overenia správneho nastavenia a pôsobenia ochrán.

Zaradenie z pohľadu dispečerského riadenia

Diaľkovo ovládaná TS umožňuje diaľkovo ovládať odpínače vývodových polí a poskytuje prehľad o stavoch systému. Zo systému diaľkovej lokalizácie porúch sú dostupné tieto informácie:

  • stredná hodnota prevádzkového prúdu na každom káblovom ­vývode v trafostanici,
  • prechod skratového prúdu jednotlivými káblovými vývodmi,
  • prechod zemného prúdu jednotlivými káblovými vývodmi.

Experimentálne meranie zemných spojení

Zo štatistík je zrejmé, že zemné spojenia v kompenzovaných sieťach tvoria veľkú časť porúch elektrizačnej sústavy. Experimentálne zemné spojenie umožňuje overiť teoretické poznatky o jednopólovom type porúch pri známom, zadefinovanom odpore poruchy. Pomocou tejto metódy možno tiež otestovať správnosť nastavenia ochranných funkcií prvkov automatizácie sietí 22 kV. Pokiaľ systémy elektrických ochrán reagujú správne na simulované zemné spojenia, je pravdepodobné, že správne budú reagovať aj pri skutočných poruchách. Simulované zemné spojenie by malo čo najvernejšie napodobňovať skutočné poruchy.

Opis meracej súpravy

Na jednoduché a bezpečné meranie experimentálnych zemných spojení bola navrhnutá jednoúčelová skúšobná súprava. Pozostáva zo samostatných prvkov, ktoré sú prispôsobené na jednoduché prenášanie. Po uložení na určené miesto sa jednotlivé prvky navzájom jednoducho prepoja krátkymi vodičmi izolovanými pre napäťovú úroveň 22 kV. Súprava je vďaka tejto koncepcii rýchlo pripravená na meranie a umožňuje bezpečným spôsobom nasimulovať akékoľvek jednopólové poruchy, ktoré sa v sieti 22 kV bežne vyskytujú. Súprava pozostáva s nasledujúcich silových prvkov, ktorých ­vzájomné usporiadanie je zrejmé z obr. 4.1:

  • silový prepoj (jednopólový skratovací vodič),
  • jednopólový odpínač s vákuovou zhášacou komorou typu DRIBO Fla 1597,
  • merací transformátor prúdu ABB TPU 60.11,
  • merací transformátor napätia ABB TJP 6.2,
  • definované zemné spojenie.

Sekundárne obvody napäťového a prúdového meniča, ako aj ovládanie jednopólového odpínača sú privedené do riadiacej a napájacej skrine AXY1. Súčasťou tejto skrine je ochrana SIPROTEC 7SJ622 s poruchovým zapisovačom a všetky zariadenia potrebné na pripínanie zemného spojenia – ovládanie odpínača. Pri zapnutí odpínača sa automaticky spustí poruchový zapisovač v ochrane a zaznamená priebehy prúdov a napätí na mieste zemného spojenia počas poruchy, ktoré možno následne analyzovať.

Spínanie odpínača je riadené rádiovým diaľkovým ovládaním, ktoré umožňuje, aby obsluha stála v dostatočnej vzdialenosti od silových zariadení a nebola tak narušená bezpečnosť. Samotné zemné spojenie možno vytvoriť rôznym spôsobom a nasimulovať tak reálne typy porúch. Pokiaľ sa uzol „X“ na obr. 12 prepojí priamo na uzemňovaciu sústavu, možno nasimulovať kovové zemné spojenie. Takéto zemné spojenie vznikne napríklad vtedy, keď dôjde k pretrhnutiu fázového vodiča a jeho pádu na uzemnené časti distribučného rozvodu. K uzlu „X“ ďalej možno pripojiť špeciálne na tieto účely zhotovený, približne 2 m dlhý XLPE kábel, ktorého izolácia je zámerne poškodená klincom a tienenie pripojené na uzemňovaciu sústavu.

Takto možno nasimulovať káblovú poruchu, ktorá tvorí veľké percento porúch vyskytujúcich sa v prevádzke sietí 22 kV. Ďalšou možnosťou je použitie iskrišťa s definovanou vzdialenosťou elektród, Alfe lana položeného voľne na zemi, prípadne konára zapichnutého v zemi, čím sa simulujú rôzne typy odporových a oblúkových zemných spojení. Zvláštnosťou je použitie vodného, jednoducho skonštruovaného odporníka. Ide o plastovú rúru vybavenú dvomi elektródami a naplnenú vodným roztokom NaCl.

Spodná elektróda je pevne umiestnená na dolnom zaslepenom konci plastovej rúry a elektricky prepojená s uzemňovacou sústavou. Horná elektróda je elektricky prepojená s uzlom „X“. Táto elektróda je voľne zasúvateľná do rúry tak, aby bol celý jej povrch pod hladinou roztoku v rúre. Pri vysunutej hornej elektróde možno meniť koncentráciu roztoku NaCl, čím sa vo veľkom rozsahu mení vodivosť poruchy (ΔG), a možno nasimulovať vysokoohmové zemné spojenie aj takmer kovové zemné spojenie. Použitie vodného odporu je zrejmé s obrazovej dokumentácie.

Reálne poruchy – rozbor poruchových záznamov

Telemetrické jednotky RTU 7.4, ktoré tvoria jadro systému lokalizácie porúch v káblových sieťach, ako aj jednotky RTU 7M, ktoré túto úlohu plnia vo vzdušných sieťach, sú vybavené zapisovačom porúch. Po akomkoľvek nábehu ktorejkoľvek ochrannej funkcie sa v jednotke vytvorí poruchový záznam, ktorý je automaticky stiahnutý do servisného PC prostredníctvom komunikácie GPRS. Tu možno poruchové záznamy analyzovať. Analýza poruchových záznamov umožňuje overovať správnu funkciu celého systému a vyhodnocovať príčiny porúch. V nasledujúcej kapitole sú rozobrané príklady ­porúch najčastejšie sa vyskytujúcich v sieťach 22 kV.

Porucha kábla

Dňa 26. 11. 2010, o 23:38:04 hod. došlo k poruche 22 kV kábla v úseku TS 1397 – TS 394 v ­bratislavskom Ružinove. Poruchu zaznamenali všetky indikátory v jednotlivých trafostaniciach 22/0,42 kV, ktoré boli na trase prechodu poruchového prúdu od napájacej rozvodne po miesto ­poruchy. Jeden z poruchových záznamov je na obr. 19. Horné okno zobrazuje prúdy zaznamenané v prívodnej kobke trafostanice TS 938. Prostredné okno zobrazuje prúdy zaznamenané vo vývodovej kobke trafostanice TS 938. Je zrejmé, že poruchový prúd, ktorý tiekol postihnutou fázou L1, touto trafostanicou len prechádzal. Miesto poruchy bolo až za touto trafostanicou. Veľkosť poruchového prúdu závisí od veľkosti odporníka v neutrálnom bode transformátora 11023 kV. Poruchu vypla zemná ochrana na vývode 22 kV v čase 0,5 s. Spodné okno zobrazuje pôsobenie jednotlivých ochranných funkcií – nadprúdovej a zemnej.

Skrat v distribučnej trafostanici

Dňa 11. 3. 2010, o 21:35:15 hod. došlo k poruche na zariadení distribučnej trafostanice TS 980. Poruchu zaznamenali všetky indikátory v jednotlivých trafostaniciach 22/0,42 kV, ktoré boli na trase prechodu poruchového prúdu od napájacej rozvodne po miesto ­poruchy. Jeden z poruchových záznamov je na obr. 20. Horné okno zobrazuje prúdy zaznamenané na vývode z postihnutej trafostanice TS 980. Prostredné okno zobrazuje prúdy zaznamenané na prívode do postihnutej trafostanice TS 980. Je zrejmé, že porucha vznikla ako jednofázová – preskok na zem a následne sa rozrástla na trojpólovú poruchu. Poruchu vypla skratová ochrana na vývode 22 kV v čase 0,1 s. Spodné okno zobrazuje pôsobenie jednotlivých ochranných funkcií – nadprúdovej a zemnej. V prípade vzniku poruchy v trafostanici osadenej systémom diaľkovej lokalizácie ­porúch možno miesto poruchy určiť presne, nakoľko poruchový prúd vošiel do trafostanice a už nepokračoval po vedení ďalej.

Skrat na vzdušnom vedení

Dňa 25. 4. 2011, o 19:06:39 hod. došlo k preskoku na vzdušnom vedení V-1032. Porucha mala krátkodobý charakter a vyriešila sa v rámci cyklu automatiky opätovného zapínania. V tomto ­vedení je nainštalovaných niekoľko inteligentných, diaľkovo ovládaných ­odpínačov. Skratový prúd prechádzal úsekovým odpínačom 5/1032. Poruchový záznam v tomto bode je na obr. 21. Horné okno zobrazuje zaznamenané fázové prúdy. Prostredné okno zobrazuje efektívnu hodnotu fázových napätí. Je zrejmé, že ide o dvojpólový skrat, ktorý sa rozrástol na trojpólový. Poruchu vypla nadprúdová ochrana na vývode 22 kV v čase 0,5 s. Spodné okno zobrazuje pôsobenie ­jednotlivých ochranných funkcií – nadprúdovej a zemnej.

Záver

Článok opisuje nové technológie nasadené v poslednom období do 22 kV sietí prevádzkovaných spoločnosťou ZSE Distribúcia, a. s., čo sa týka technológie, uvádzania do prevádzky a vyhodnocovania pôsobenia pri poruchách. Už dnes, približne po dvojročnej ­prevádzke jednotlivých zariadení možno povedať, že tieto systémy sa ­výraznou mierou podieľali na znižovaní času odstraňovania porúch a následnej nedodávky elektrickej energie. Do konca roka 2012 budú jednotlivé prvky nasadené v nasledujúcich počtoch:

  • systém diaľkovej lokalizácie porúch – 480 transformačných staníc,
  • inteligentné, diaľkovo ovládané trafostanice – 40 transformačných staníc,
  • inteligentné, diaľkovo ovládané úsekové odpínače – 80 bodov,
  • Autoreclosery – štyri body.

Literatúra

[1] Druml, G. – Kugi, A. – Paar, B.: Control of Petersen Coils, XI. International Symposium on Theoretical Electrical Engineering, 2001, Linz.
[2] Druml, G. – Kugi, A. – Seifert, O.: A New directional transient relay for high ohmic earth faults, Proceedings CIRED 2003, vol 3, paper 3.50.
[3] Druml, G.: Resonanzregler REG-DP, Betriebsanleitung, A-Eberle GmBH&CoKG, Nürenberg Germany, 2002.

Martin Horák

ZSE Distribúcia, a.s.
martin.horak@zse-distribucia.sk