Procedura, analiza i zaključivanje kod sintetskog ispitivanja VN prekidača

Seminarski rad na master sudijuPredmet: Projektiranje i automatizacija elektroenergetskih postrojenja

Mentor: Vanr. prof. dr. sci Rasim Gačanović

Kandidat: Mahir Muratović

Abstrakt - Visokonaponski prekidač mora biti u stanju da sklapa sva realna električna kola, bez obzira kakvi uslovi u njima vladaju. Visokonaponski prekidač je jedan od najvažnijih elemenata u sistemu zaštite elektroenergetskog sistema i postrojenja. Postoji nekoliko važnih mjesta primjene visokonaponskih prekidača gdje slučajno razdvajanje ili dodirivanje kontakata prekidača može dovesti do jakih naponskih i strujnih sklopnih tranzijenata. Da bi se pokazalo da visokonaponski prekidač posjeduje karakteristike koje se od njega zahtijevaju izvode se različita ispitivanja koja to potvrđuju ili negiraju.

Ključne riječi - visokonaponski prekidač, elektroenergetski sistem, ispitivanje prekidača.

Abstract - Circuit breaker has to be able to switch all actual electrical circuits, no matter in witch conditions. Circuit breaker is one of the most important elements wich are using for protection of power system and substations. There are several important circuit breaker applications where random

closing or opening instants may lead to severe voltage and current switching transients. To prove that circuit breaker have required performance there are performed several tests.

Keywords - Circuit breaker, Power system, Circuit breaker testing

I. UVOD

Visokonaponski prekidač je jedan od elemenata sistema zaštite elektroenergetskog sistema, ali se na njega stavlja akcenat budući da je prekidač i posljednji (nekad i jedini) element zaštite električnog postrojenja, odnosno elektroenergetskog sistema. Stoga, od prekidača se zahtijeva da radi sa maksimalnom raspoloživošću i pouzdanošću. Na ispitivanjima proizvođači prekidača relativno lahko zadovolje potrebne mehaničke karakteristike prekidača, no problem se javlja kod električkih karakteristika. Od prekidača se zahtijeva da prekida (i uklapa) nominalne struje, struje kratkog spoja i male kapacitivne i induktivne struje. Prekidanje

1

struja kratkog spoja zahtjevno je po pitanju prekidne moći prekidača, dok je prekidanje malih kapacitivnih i malih induktivnih struja problem po pitanju pojave velikih strujnih i naponskih tranzijenata, koji često mogu izazvati ponovna paljenja i ponovne proboje.

Zahtijevane karakteristike i perfomanse prekidača definisane su međunarodnim i nacionalnim standardima. U Evropi se uglavnom koriste IEC propisi, a u Americi ANSI standardi. Da bi se utvrdilo da li prekidač može prekidati struje kratkog spoja, male kapacitivne i male induktivne struje (i neke druge osobine) provode se obimna kratkospojna i sklopna ispitivanja. Sklopna ispitivanja dijele se na direktna i sintetska ispitivanja. Postoje dva glavna naprezanja prekidača: strujno (prije prekidanja struje) i naponsko (nakon prekidanja struje). Zahvaljujući tome u praksi je primijenjena i usavršena ideja o korištenju dva odvojena kruga (strujni i naponski) manje snage koji se u određenom trenutku priključuju na ispitivani aparat velike prekidne moći podvrgavajući ga odgovarajućim naprezanjima uz znatno manje ispitne snage, što prestavlja sintetska ispitivanja. Tokom nekoliko posljednjih decenija stečeno je značajno iskustvo sa sintetskim ispitivanjima. Pokazano je da su sintetska ispitivanja ekonomski manje zahtjevan i tehnički prihvatljiv način za ispitivanja visokonaponskih prekidača. Danas su sintetska ispitivanja rame uz rame sa direktnim ispitivanjima. Do nedavno zbog svoje složenosti ispitni uslovi kod nekih sklopnih operacija (sklapanja malih induktivnih i malih kapacitivnih struja) nisu definisani IEC propisima, pa su se ispitivanja obavljala na osnovu dogovora

između proizvođača i kupca opreme, a kao podloga tim ispitivanjima koristei se IEC dokument sa oznakom IEC 61233, a u zadnje vrijeme ispitivanja se mogu vršiti na osnovu IEC 62271-110, 2005 god [3].

II. SINTETSKO ISPITIVANJE VN

PREKIDAČA

U uvodu ovoga rada pokazana je bitnost ispravnog i korektnog rada VN prekidača. Da bi se pokazalo da prekidač zadovoljava potrebne karakteristike i da je „spreman“ za eksploataciju izvode se brojna ispitivanja. Ispitivanja mogu biti direktna i sintetska. Da bi se shvatila razlika između direktnih i sintetskih ispitivanja potrebno je poznavati naprezanja koja se javljaju na prekidaču tokom operacija uklopa i isklopa. Prilikom prekidanja struje postoje dva karakteristična područja naprezanja: strujno naprezanje (dok struja teče kroz prekidač) i naponsko naprezanje (nakon gašenja luka struje). Direktna ispitivanja su ona ispitivanja kod kojih se oba spomenuta naprezanja dobivaju iz jednog izvora, dok kod sintetskih ispitivanja postoje dva izvora energije od koji svaki u svom području naprezanja plasira energiju u ispitni krug.

Ispitivanje VN prekidača vrši se u laboratorijama velike snage (LVS). LVS mogu biti generatorske i mrežne stanice, ovisno iz kojeg izvora uzimaju energiju (mreža ili vlastiti udarni generator). Budući da je za ispitivanje jednog VN prekidača potrebna snaga nekoliko GVA, rijetka su mjesta u mreži koja to zadovoljavaju, pa se češće koriste generatorske stanice, ali ni ove stanice ne mogu simulirati realne

2

eksploatacijske uvjete, pa se kao jedini odgovor nameće sintetsko ispitivanje.

Sa maksimalnom trofaznom snagom od 8400 MVA, laboratorija velike snage KEMA (Arnhem, NED) je najveća generatorska sranica na svijetu. U njenom direktnom ispitnom krugu mogu se trofaznoispitivati prekidači do 145 kV sa maksimamalnom prekidnom strujom 31,5 kA. Najveća mrežna stanica je IREQ (Varennes, Quebec, CAN). Gotovo svi veliki proizvođači sklopnih aparata visokog napona imaju svoje vlastite laboratorije velike snage: Siemens (Berlin, GER), ABB (Ludvika. SWE i Baden, SUI), Shneider Electric (Grenoble, FRA) [2]. Nekadašnji bh privredni gigant Energoinvest d.d. Sarajevo imao je laboratoriju velike snage (LVS INERG, Visoko, BiH), ali je ona prekinula rad 1992.godine i nije obnovila rad poslije Agresije na BiH [3].

Detaljnija podjela naprezanja VN prekidača tokom prekidanja struje uvodi i treće područje naprezanja, tj područje interakcije koje odgovara vremenskom intervalu prelaza sa naponskog na strujno naprezanje. Uzimajući obzir ovakvu podjelu naprezanja na prekidaču razvila se ideja korištenja dva odvojena izvora za ispitivanja prekidača. Jedan izvor je naponski izvor i on obezbjeđuje naponsko naprezanje, a drugi izvor je strujni i on obezbjeđuje strujno naprezanje. Ovi izvori rade simultano, ali u kratkom intervalu oba ostaju uključena što obezbjeđuje adekvatno simuliranje uvjeta područja interakcije. Naponski izvor daje visok napon i malu struju, dok strujni izvor daje jaku struju pri niskom naponu. Na ovaj način se koriste dva izvora manje snage za

razliku od direktnih ispitivanja koje koriste jedan izvor jako velike snage. Koristeći dva izvora i pravilnim odabirom parametara elemenata u ispitnom krugu upotpunosti simuliraju realni uvjeti rada prekidača u mreži. Tokom nekoliko posljednjih decenija stečeno je značajno iskustvo sa sintetskim ispitivanjima. Dokazano je da su sintetska ispitivanja ekonomičan i tehnički korektan način za ispitivanja visokonaponskih prekidača [1,2].

Prema [2] postoji veliki broj shema sintetskih krugova, ali u osnovi to su varijacije dva osnovna kruga:

- sintetskog kruga sa injektiranjem struje, prikazan na Sl. 1.

- sintetskog kruga sa injektiranjem napona, prikazan na Sl. 2.

Sl.1. Pojednostavljena shema sintetskog kruga sa paralelnim injektiranjem struje

Sl. 2. Pojednostavljena shema sintetskog kruga sa serijskim injektiranjem napona (KPL – kolo za produženje luka, PP –

pomoćni prekidač, IP – ispitivani prekidač)

3

U sintetskim ispitnim krugovima koji koriste injektiranje struje, superpozicija struja se dešava kratko prije strujne nule struje industrijske frekvencije. Struja manje amplitude, ali veće frekvencije, dobijena iz naponskog kruga, superponira se bilo u pomoćnom bilo u ispitnom prekidaču sa glavnom strujom. Trenutak uklapanja naponskog kruga, odnosno trenutak injektiranja struje se određuje korištenjem strujno-ovisnih kontrolnih krugova. Taj trenutak se odabire tako da su događaji u prekidaču tokom perioda interakcije isti kao što je to slučaj kod direktnog ispitnog kruga. Nakon prekidanja struje iz strujnog kruga od strane pomoćnog prekidača ispitni prekidač je automatski direktno povezan sa naponskim krugom, tako da ne postoji kašnjenja između strujnog i naponskog naprezanja ispitnog prekidača [9].

III. PROCEDURA I ANALIZA KOD

SINTETSKOG ISPITIVANJA VN PREKIDAČA

VN prekidač je sposoban da izvršava više sklopnih operacija. Svaka od tih sklopnih operacija treba da bude ispitana i postoje određene procedure za njihovo ispitivanje. Procedure za ispitivanje definišu parametre i stanja prilikom ispitnih operacija. Procedure za ispitivanje nekih od sklopnih operacija prekidača su definisane međunarodnim propisima (ANSI, IEC), dok su druge procedure utvrđene na osnovu iskustva proizvođača ili na osnovu dogovora proizvođač – korisnik VN prekidača. Uglavnom svi dokumenti propisuju ispitna kola i za jednofazno i za trofazno ispitivanje. Kod ovih ispitivanja pod pojmom VN

prekidači podrazumjevaju se prekidači iznad 52 kV i ispitivanja se vrše na frekvencijama 50 ili 60 Hz, tolerancije ±10 %. Ispitivanja provedena na jednoj frekvenciji vrijede i za drugu.

Po strogosti propisa svakako prednjače veliki proizvođači prekidača kao što su : Siemens, ABB, Areva, dok manji proizvođači Končar ili Energoinvest svoje prekidača testiraju po ispitnim procedurama veliki laboratorija (IPH Berlin ili Kema Arnhem). Procedure sintetskog ispitivanja VN prekidača uglavnom se zasnivaju na sljedećim dokumentima:

- IEC 62271-100 i 62271-1,- IEC 62271-101,- IEC 62271-110.

Budući da se u ovom radu ne mogu pobrojati sve procedure za ispitivanje svih sklopnih operacija VN prekidača, kao primjer nabrojano je šta je potrebno sve mjeriti za ispitivanje sklapanja malih induktivnih struja prema IEC 62271 – 110 [4]:

- fazni napon sa strane napajanja, - napon na priključcima prekidača,- fazni napon na strani opterećanja,

napon na priključcima reaktora,- fazni napon neutralne tačke sa

strane opterećenja (samo za trofazna ispitivanja) i

- struja kroz prekidač.

Sklapanje reaktora je operacija gdje male promjene vrijednosti parametara kola mogu prouzrovati velike promjene u rezultatima ispitivanja. Rezultati ispitivanja bilo koje serije ne mogu se jednostavno

4

primijeniti na drugačije okolne uvjete. Ispitivanja sklapanja struje mogu biti terenska ili laboratorijska ispitivanja. Terenska ispitivanja su validna samo za prekidača koji se ugrađuju u slične uvjete rada onim tokom ispitivanja [4].

Da bi procedure kod sintetskog ispitivanja VN prekidača bili razumljivije čitaocu ovoga rada, ovdje je naveden primjer sintetskog ispitivanja vakuumskog VN prekidača, objavljenog u IEEE radu, dok je drugi primjer, takođe, IEEE rad pod naslovom „Sintetsko ispitivanje prekidanja struje HVDC prekidačem“ neveden u literaturi kao [6].

Primjer sintetskog ispitivanja vakumskog prekidača:

Posljedica procesa električnog pražnjenja kada imamo luk u vakuumu sprečava razvoj i konstrukciju sintetskih ispitivanja za ovaj tip prekidača. Ispitno kolo mora osigurati amplitudu struje do 100 kA trajanja 10 ± 1 ms pri naponu od 5 kV i ampitudu povratnog napona do 40 kV. Ispitni krug sastoji se od od dva simultana ispitna kola: strujni impulsni generator kapaciteta 0.073 F i naponski impulsni generator nominalnog napona 40 kV. Ispitno kolo sadrži složenu upravljačku i mjernu opremu, koja omogućava registrovanje struje kroz prekidač, mjerenje napona nakon otvaranja prekidača i prati krivu povratnog napona[5]. Relativno je jednostavno dobiti parametre koji odgovaraju identičnim uslovima u eksploataciji. Sintetsko ispitno kolo ovog primjera prikazano je na Sl.3.

Sl. 3. Sintetski ispitni krug [5] (T1, T4 – autotransformatori; T2, T3 –

visokonaponski transformatori; R1, R2, R3; R5 – zaštitni otpornici; VD1 – VD6 – mosni ispravljač; VD7 – ispravljač za punjenje;

QF1, QF2 – prekidači; C1, C3 – kondenzatori; LR1, LR2 LR3 – rekatori; QF3 – prekidač za zatvaranje; QF4 –

zaštitni prekidač; QF5 – ispitni prekidač; FV – iskrište; C2, R7 – kolo prelaznog

povratnog napona; QS1 – QS5 – rastavljači; R4, R6 – otpornici za disipaciju zaostale

energije; PV1, PV2 – kilovoltmetri; TT1 – strujni transformator; DN1, DN2 – naponski

djeljitelji)

U tabeli 1. date su osnovne karakteristike gore prikazanog ispitnog kola:

Tabela 1. Osnovne karakteristike ispitnog sintetskog kola

Način rada JednofaznoNominalni napon

strujnog kola industrijske

frekvencije, kV

5, ne više

Strujni pik, kA 100Amplituda prelaznog

povratnog napona(PPN), kV

21, ne manje

Frekvencija PPN-a, kHz

7-8

Snaga potrošnje, kW 50, ne više

5

Procedura ispitivanja je sljedeća. Kada se impulsni strujni generator (PGC) uklopi prekidačima QF3 i QF4 dolazi do pojave impulsa struje frekvencije bliske industrijskoj (50 Hz). Spomenuta struja prolazi kroz ispitni prekidač. U trenutku blizu strujne nule iskrište FV počinje dejstvovati i spaja kolo prelaznog povratnog napona sa ispitnim prekidačem QF5. Kolo PPN-a daje dodatnu struju kroz ispitni prekidač, pa je ukupna struja kroz QF5 jednaka sumi struje iz impulsnog strujnog generatora i struje kola PPN-a. Prije nego što struja kroz QF4 dostigne strujnu nulu pojavljuje se luk. Od ovog trenutka struja teče kroz ispitni prekidač i određena je parametrima kola PPN-a. Nakon pojave luka na ispitnom prekidaču se uspostavlja PPN, koji je definisan parametrima kola PPN-a: C2, R7, LR3 i naponom na kondenzatorskoj bateriji C3. Mijenjajući parametre kola PPN-a utiče se na strmninu struje, PPN-a i amplitudu PPN-a. Na ovoj način omogućeno je ispitivanje prekidne moći u vakuumu u širokom opsegu struje koja se prekida i vrijednosti parametara PPN-a. Takođe, ovo omogućava ispitivanje prekidne moći prekidača u skladu sa radnim standardima [7].

Analiza sintetskog ispitivanja VN prekidača sadržana je u potpunosti u analizi dobivenih podataka iz ispitne mjerne opreme. Na osnovu mjerenih rezultata formiraju se grafici i na osnovu njih prave se daljne analize i izvode zaključci. Za navedeni primjer najbitniji grafik prikazan je na Sl. 4. Taj grafik pokazuje kada je prekidač uspješno uradio svoju zadaću, a kada nije. Analiza dobivenih rezultata je najbitniji dio ispitivanja prekidača, jer od

toga direktno zavisi šta će dalje biti urađeno u cilju poboljšavanja dizajna samog prekidača.

Sl. 4. Vremenska promjena struje kroz ispitni prekidač (lijevo – uspješno

prekidanje; desno – neuspješno prekidanje)

IV. ZAKLJUČIVANJE KOD

SINTETSKOG ISPITIVANJA VN PREKIDAČA

Zaključci nakog sintetskog ispitivanja VN prekidača izvode se na osnovu analize dobivenih mjerenja. Za proizvođače prekidača najbitnije je da prekidači zadovolje postavljene standardne radi njihove serijske proizvodnje i plasmana na tržište. S druge strane, za korisnike prekidača (elektroprivrede) najbitnija je sigurnost i pouzdanost. Stoga, često nakon izvršenih ispitivanja zaključak se izvodi samo na osnovu jednog pitanja da li je prekidač zadovoljio postavljene ciljeve ili nije, odnosno da li je prekidač prošao na testu ili nije. Zato postoje različiti kriteriji ovisno o sklopnoj operaciji. Naprimjer: Prema [4] za uspješan test prekidanja malih induktivnih struja potrebno je da:

- visokonaponski prekidač mora dosljedno prekidati struju sa ponovnim paljenjima koja se smiju dogoditi samo kod prve strujne nule. Ispitni naponi

6

moraju biti u skladu sa 6.2.11 IEC 62271-110:2003.

- ponovna paljenja (ako se već dogode) moraju se uvijek dogoditi tokom razdvajanja kontakata (za vrijeme trajanja luka).

Međutim, ne mora uvijek cilj ispitivanja nekog prekidača biti to hoće li prekidač položiti test ili ne. U stadiju razvoja nekog novog tipa prekidača ispitivanja se nekad mogu vršiti samo da bi se dobio odgovarajući matematski model tog prekidača kako bi se njegov daljni razvoj i usavršavanje mogao nastaviti računarskim modeliranjem.

V. ZAKLJUČAK

VN prekidač ima vrlo odgovornu zadaću u elektroenergetskom sistemu, jer je on jedan od njegovih najvažniji elemenata zaštite. Da bi se potvrdilo da je VN prekidač u mogućnosti obavljati svoju zadaću izvode se brojna ispitivanja. Budući da je ispitivanje prekidača sve manje prihvatljivo direktno u elektroenergetskim mrežama, prišlo se ideji korištenju dvaju odvojenih ispitnih krugova manje snage, tj sintetskom ispitivanju VN prekidača. Jedan ispitni krug obezbjeđuje strujno, a drugi naponsko naprezanje. Tokom nekoliko posljednjih decenija stečeno je značajno iskustvo sa sintetskim ispitivanjima. Dokazano je da su sintetska ispitivanja ekonomičan i tehnički korektan način za ispitivanja visokonaponskih prekidača. Procedure ispitivanja nisu strogo definisane za sve sklopne operacije VN prekidača, nekada se one obavljaju na osnovu iskustva proizvođača, a nekad na

osnovu dogovora proizvođač – korisnik. No, u većini slučajeva ta ispitivanja se obavljaju na temelju IEC i ANSI dokumenata. Tokom ispitivanja prekidača pomno se prikupljaju podaci sa mjerne opreme. Nakon toga podatke je potrebno detaljno analizirati, te se na osnovu te analize donose zaključci. Zaključci su vrlo često odgovor samo na jedno ili dva pitanja: da li ispitni prekidač zadovoljava postavljene standarde i šta je potrebno da se poboljša dizajn samog prekidača.

LITERATURA

[1] M. Kapetanović, Predavanja iz Osnova mehatronike, ETF Sarajevo, 2008.

[2] M. Kapetanović, Visokonaponski prekidači, ETF Sarajevo, 2002.

[3] M. Muratović, Završni rad: „Strategija inteligentnog isklopa kod prekidanja struja reaktora“, ETF Sarajevo, 2009.

[4] IEC 62271-110: High-voltage switchgear and controlgear – Part 110: Inductive load switching, 2005.

[5] V. A. Lavrinovich, S. N. Perepelkin, Synthetic test of Vacuum Circuit Breakers, Tomsk Polytechnic University

[6] B. Sheng, A Synthetic Test Circuit for Current Switching Tests of HVDC Circuit Breakers, IEEE, 2008.

[7] Switches of an alternating current with a voltage more than 1000 V. General specifications. GOST 687–78.

[8] IEC 62271-100: High-voltage switchgear and controlgear – Part 100: High-voltage alternating-current circuit-breakers, 2006.

[9] A. Ahmethodžić, Magistarski rad: “Računarska simulacija rada SF6

prekidača visokog napona u sintetskim ispitnim krugovima”, ETF Sarajevo, 2001.

7

8