Partnerzy
Serwisu

Megger Double

Megger mob

Partnerzy
Merytoryczni

fot. Unsplash

EAZ – charakterystyka, rodzaje i funkcje

EAZ, czyli elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa pojawiła się w eksploatacji wraz z pierwszymi układami do wytwarzania, przesyłu i użytkowania energii elektrycznej. Wynikało to z konieczności zapewnienia wszystkim elementom tych układów skutecznej ochrony przed skutkami zakłóceń, zwłaszcza zwarć wielkoprądowych.

Czym jest EAZ?

Rolą EAZ jest kontrola oraz sterowanie pracą systemu elektroenergetycznego zarówno w stanach normalnych, jak i zakłóceniowych. Pełni ona funkcje ochronne oraz ma istotny wpływ na pewność pracy systemu elektroenergetycznego, gdyż zajmuje się procesami samoczynnego zapobiegania i eliminacji zakłóceń. Urządzenia EAZ kontrolują pracę poszczególnych elementów systemu elektroenergetycznego oraz realizują funkcje doradcze (ostrzegawcze) lub decyzyjne (eliminacyjne), w przypadku zagrożenia lub wystąpienia zakłócenia.

Rodzaje funkcjonalne EAZ

EAZ dzieli się na trzy grupy funkcjonalne:

  • automatyka zabezpieczeniowa eliminacyjna – realizuje wyłączenie uszkodzonego elementu systemu elektroenergetycznego (np. w wyniku powstania zwarcia wielkoprądowego),
  • automatyka zabezpieczeniowa prewencyjna – pozwala zapobiegać awariom poprzez zasygnalizowanie odstępstwa od normalnych warunków pracy danego urządzenia (np. podwyższenie temperatury oleju w transformatorze lub przekroczenie prądu znamionowego silnika),
  • automatyka zabezpieczeniowa restytucyjna – przywraca stan normalnej pracy po usunięciu uszkodzonego elementu systemu elektroenergetycznego lub wyeliminowaniu przyczyny wywołującej zakłócenie (np. automatyka samoczynnego załączenia rezerwowego zasilania (SZR) lub samoczynnego ponownego złączenia (SPZ)).

 

Kryteria zabezpieczeniowe urządzeń EAZ

Pierwszymi zabezpieczeniami elektroenergetycznymi były bezpieczniki i wyzwalacze pierwotne, które służyły do przerywania przepływu prądów zwarciowych. Jednak rozwój układów elektroenergetycznych, rosnące moce zwarciowe i napięcia robocze sieci doprowadziły do powstania nowoczesnych rozwiązań technicznych zdolnych do wykrywania wszystkich możliwych zakłóceń w chronionym obiekcie elektroenergetycznym (generatorze, transformatorze, linii elektroenergetycznej itp.). Wymagało to wprowadzania nowych kryteriów zabezpieczeniowych oraz metod i środków pomiarowych spełniających podstawowe wymagania stawiane automatyce zabezpieczeniowej, do których należą:

  • selektywność (wybiórczość) – oznacza zdolność oddziaływania EAZ tylko na ten obiekt, który został przyporządkowany tej konkretnej automatyce; istnieją dwa sposoby zapewnienia selektywności – stopniowanie czasów działania zabezpieczeń różnych obiektów elektroenergetycznych, aby z najkrótszym czasem działało zabezpieczenie tego obiektu, w którym nastąpiło zakłócenie, a także ograniczenie strefy zasięgu działania zabezpieczenia tylko do danego obiektu,
  • niezawodność – to zdolność EAZ do wykonywania określonego zadania przez cały okres eksploatacji automatyki; rozróżnia się dwie odmiany niezawodności – polegającą na niezawodnym działaniu automatyki w przypadku pojawienia się zakłócenia w zabezpieczanym przez nią obiekcie (niezawodność czynna) lub jej niezadziałaniu wskutek uszkodzeń wewnętrznych układu automatyki albo w przypadku, gdy dane zakłócenie ma być wykrywane przez inny rodzaj zabezpieczenia (podstawowe – rezerwowe)
  • szybkość działania – jest ona wymagana w przypadku zwarć wielkoprądowych lub zagrożenia stabilności systemu elektroenergetycznego, w takich przypadkach dąży się do tego, aby elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa zadziałała z możliwie najkrótszym czasem; obecnie czasy działania zabezpieczeń zwarciowych wynoszą od kilku do kilkunastu ms (czas własny zabezpieczenia), jednak należy go jeszcze powiększyć o czas własny elementu wykonawczego wyłącznika (zależny od jego konstrukcji); całkowity czas likwidacji zakłócenia (zwarcia wielkoprądowego) wynosi kilkadziesiąt ms.
  • czułość – oznacza zdolność EAZ do wykrywania danego zakłócenia nawet wówczas, gdy wartość elektryczna (prądu, napięcia) zmienia się w niewielkim zakresie; miarą czułości jest współczynnik czułości, np. w przypadku przekaźnika nadprądowego określa on stosunek wartości prądu zwarciowego w chronionym obiekcie do wartości prądu rozruchowego tego zabezpieczenia.

 

Rodzaje zabezpieczeń elektroenergetycznych

Zabezpieczenia elektromechaniczne

Charakterystyczną cechą pierwszej generacji zabezpieczeń bazujących na pomiarowych przekaźnikach elektroenergetycznych była ich jednofunkcyjność, polegająca na tym, że realizowana była tylko jedna funkcja – zabezpieczeniowa. Przekaźniki pod- i nadprądowe, pod- i nadnapięciowe, różnicowoprądowe czy odległościowe były wykonywane jako elementy odrębne, niezintegrowane w zespoły dedykowane chroniące określony obiekt elektroenergetyczny. Pod względem zasady działania i konstrukcji przekaźniki elektromechaniczne wykorzystywały zjawiska elektromagnetyczne, elektrodynamiczne, indukcyjne i indukcyjno-dynamiczne.

Wyposażenie konkretnego obiektu elektroenergetycznego w pełny zestaw aparatury przekaźnikowej polegało na kompletowaniu indywidualnych przekaźników, z których każdy miał swoje własne zadanie do wykonania.

Zabezpieczenia statyczne

Pojawiły się w latach 60. XX w., a do ich budowy użyto elementów półprzewodnikowych – diod, tranzystorów, wzmacniaczy operacyjnych itp. Pozwoliło to na skrócenie czasów działania zabezpieczeń do kilku ms oraz umożliwiło kształtowanie charakterystyk rozruchowych zabezpieczeń (odległościowych).

Kolejnym krokiem w rozwoju statycznych (elektronicznych) zabezpieczeń elektroenergetycznych było opracowanie i wprowadzanie do eksploatacji tzw. zespołów automatyki zabezpieczeniowej, których zasada budowy polega na zintegrowaniu wielu indywidualnych przekaźników statycznych wykonanych w postaci modułów, w jedną całość. Polska norma PN-86/E-88601 wprowadziła definicję zespołu automatyki zabezpieczeniowej – „Zespół automatyki zabezpieczeniowej jest to urządzenie elektryczne (elektroniczne) stanowiące konstrukcyjną i funkcjonalną całość, realizujące zadania automatyki zabezpieczeniowej w zakresie wykraczającym poza funkcję pojedynczego przekaźnika pomiarowego lub pośredniczącego”.

Zabezpieczenia cyfrowe

Pojawiły się w latach 80. XX w., do ich budowy użyto techniki mikroprocesorowej, która umożliwiła dalsze udoskonalenie właściwości zabezpieczeniowych i wymianę informacji między zabezpieczeniami innych obiektów, a także różnymi systemami nadzoru oraz sterowania. Obecnie spotyka się dwa podstawowe typy architektury układów cyfrowych – składające się z niezależnych, rozproszonych urządzeń cyfrowych, najczęściej mniej lub bardziej odwzorowujących działanie znanych analogowych (statycznych) zespołów automatyki zabezpieczeniowej, a także układy zintegrowane tworzące cały system zabezpieczeniowy.

Z punktu widzenia struktury wewnętrznej cyfrowych zespołów EAZ rozróżnia się strukturę dedykowaną – przypisaną konkretnemu obiektowi lub strukturę otwartą – umożliwiającą przystosowanie danego zespołu elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej do dowolnego obiektu. W strukturze dedykowanej dany zespół EAZ jest przypisany w sposób trwały do określonego obiektu, a zmiana charakteru zabezpieczenia wymaga wymiany lub uzupełnienia zarówno w zakresie oprzyrządowania, jak i oprogramowania. W przypadku struktury otwartej EAZ istnieje możliwość jej łatwego dopasowania do prawie każdego obiektu elektroenergetycznego, które polega na odpowiednim doborze aktywnych algorytmów z istniejącej biblioteki softwarowej, realizujących określone funkcje zabezpieczeniowe.

Przekaźniki pomiarowe i pomocnicze

Zabezpieczenia EAZ dzieli się na dwie podstawowe grupy – zabezpieczenia urządzeń maszynowych (generatorów, transformatorów, silników itp.) oraz zabezpieczenia sieci elektroenergetycznej (rozdzielczych, przesyłowych -linii i szyn zbiorczych). Wśród samych przekaźników stanowiących podstawowe elementy składowe zabezpieczeń można wyróżnić z kolei przekaźniki pomiarowe (zwane głównymi) oraz pomocnicze (czasowe, pośredniczące, sygnałowe).

Przekaźniki pomiarowe pełną główną rolę w zabezpieczeniu. Reagują na przekroczenie nastawionej w nich wartości zadziałania odpowiedniej wielkości fizycznej. Przyjmują nazwy od parametrów na które reagują (przekaźnik nadprądowy, podnapięciowy) lub od nazwy układu zabezpieczeń (np. różnicowy). W zabezpieczeniach statycznych funkcję tą realizowały komparatory amplitudy i fazy, stanowiące podstawowe człony mierzące w urządzeniach zabezpieczających drugiej generacji. W zabezpieczeniach cyfrowych funkcję tą realizują odpowiednie algorytmy, które na drodze obróbki cyfrowej przetworzonych sygnałów analogowych dokonują pomiaru wartości wielkości kontrolowanej.

Przekaźniki pomocnicze reagują natomiast na pojawienie się lub zanik wielkości elektrycznej na ich zaciskach (najczęściej napięcia pomocniczego). Przekaźniki pośredniczące są wykonane wyłącznie jako elektromechaniczne i mają po kilka zestyków o odpowiedniej zdolności łączeniowej. Najczęściej zwielokrotniają sygnały przekaźników pomiarowych lub czasowych. Stosowane są do dzisiaj w obwodach wyjściowych zabezpieczeń.

Zasada działania EAZ

Elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa EAZ zasadniczo realizuje następujące, kolejno występujące po sobie funkcje:

  • obserwacja – na podstawie sygnałów uzyskanych z przekładników prądowych, napięciowych i czujników zainstalowanych w chronionym obiekcie,
  • wykrywanie – różnego rodzaju anomalii w sygnałach pochodzących z zabezpieczanego obiektu,
  • rozpoznanie – zakłócenia na podstawie przekroczenia wartości danego sygnału, zmiany jego kształtu,
  • lokalizacja – w przypadku stacji elektroenergetycznej zasilającej wielu odbiorców, wykrycie miejsca zakłócenia i ograniczenie jego oddziaływania,
  • decyzja – rola doradcza (poinformowanie dyspozytora o wykrytej anomalii) oraz decyzyjna (eliminacja zakłócenia poprzez wyłączenie chronionego obiektu i dokonanie odpowiednich przełączeń w celu minimalizacji oddziaływania zakłócenia).

 

Bloki urządzeń EAZ

W urządzeniach EAZ można wyróżnić następujące bloki:

  • wejścia analogowe prądowe i napięciowe – przeznaczone są do współpracy mikroprocesorowego urządzenia zabezpieczeniowego z obwodami wtórnymi przekładników prądowych i napięciowych zabezpieczanego obiektu energetycznego,
  • wejścia dwustanowe – pozwalają na doprowadzenie i dalsze wykorzystanie informacji o położeniu zestyków wyłączników lub odłączników oraz o pobudzeniu bądź działaniu innego zabezpieczenia,
  • przetwornik analogowo-cyfrowy A/C – realizuje proces kwantowania, który polega na porównaniu wielkości wejściowej (mierzonej) z elementem wzorcowym tej wielkości, zwanym kwantem; kwant jest najmniejszym (niepodzielnym) wzorcem, wynikającym z konstrukcji przetwornika A/C; proces kwantowania polega na wyrażeniu wartości wielkości mierzonej za pomocą liczby kwantów, a parametrem poddawanym kwantowaniu jest z reguły napięcie,
  • jednostkę centralną – to najczęściej sterownik mikroprocesorowy; ze względu na konstrukcję jednostki centralnej, urządzenia EAZ można podzielić na jednoprocesorowe oraz wieloprocesorowe; w jednostkach centralnych wykorzystuje się procesory 16- lub 32-bitowe,
  • algorytmy pomiarowe i decyzyjne – realizowane w urządzeniu zabezpieczeniowym pomiary wielkości kryterialnych stanowią podstawę do podjęcia decyzji, zwykle dwustanowej, o wystąpieniu lub nie zakłócenia w zabezpieczanym obiekcie; można wyróżnić dwa podstawowe bloki algorytmów w mikroprocesorowych urządzeniach zabezpieczeniowych – blok pomiaru wielkości kryterialnych oraz podjęcia decyzji; wszystkie sygnały w postaci cyfrowej są dodatkowo weryfikowane pod względem błędów oraz wiarygodności; do weryfikacji sygnałów blok wykorzystuje zwykle zasadę zwielokrotnienia pomiaru wartości jednej wielkości,
  • wyjścia dwustanowe – sterują łącznikami (np. wyłącznikami, odłącznikami, uziemnikami) bądź innymi elementami zabezpieczanego obiektu energetycznego,
  • układy interfejsów szeregowych (np. RS-232, RS-485, OPTO) – służą do komunikowania się urządzenia EAZ z innymi zabezpieczeniami i układami; każde z urządzeń zabezpieczeniowych może wykorzystywać jeden lub kilka interfejsów,
  • wyświetlacz i klawiatura – wyświetlacze mają na celu pokazywanie różnego rodzaju komunikatów, a w przypadku modeli graficznych również, np. schematów synoptycznych pól; klawiatura służy z natomiast do komunikowania się obsługi z urządzeniem zabezpieczeniowym, np. programowania logiki działania zabezpieczenia czy wprowadzania nowych nastawień,
  • układ współpracy z zegarem synchronizacji czasu – służy do synchronizacji zegarów w sterownikach polowych w obrębie stacji elektroenergetycznej, jest ona niezbędna w celu poprawnego działania rejestru zdarzeń,
  • zasilacz – powinien bezawaryjnie zasilać urządzenie zabezpieczeniowe napięciem pomocniczym niezbędnym do pracy wszystkich układów tego urządzenia.
Elektroenergetyczna automatyka zabezpieczonia EAZ
Schemat blokowy zabezpieczenia jednoprocesorowego, fot. [2]

Funkcje urządzeń EAZ

Nowoczesna mikroprocesorowe urządzenia EAZ realizują wiele funkcji zabezpieczeniowych, sterowniczych oraz kontrolujących stan obiektów energetycznych. Sterują one pracą wyłączników, odłączników i uziemników. Zabezpieczenia cyfrowe dodatkowo są wyposażone w rejestratory zdarzeń, zakłóceń oraz kryterialne zakłóceń. Rejestratory zawierają tekstowy opis każdego zdefiniowanego zdarzenia, takiego jak pobudzenie wejść logicznych, pobudzenie lub zadziałanie funkcji zabezpieczeniowych, rozkaz sterowania, zmianę nastawień i komunikaty wewnętrzne. Rejestrator zakłóceń zawiera natomiast oscylograficzny zapis (realizowany w sposób ciągły), w zadanym oknie czasowym, zmian wartości chwilowych wszystkich analogowych wielkości fizycznych bezpośrednio mierzonych przez urządzenie dla zdefiniowanego zakłócenia.

Rejestratory kryterialne zakłóceń umożliwiają zapis wielkości wyznaczanych przez zabezpieczenie w trakcie realizacji funkcji zabezpieczeniowych. Instaluje się je również w niezależnych rejestratorach zakłóceń, co pozwala na weryfikację poprawności nastawienia i działania przekaźników zabezpieczeniowych.

Współczesne urządzenia EAZ wyposażone są w zbiór wymaganych zabezpieczeń dla chronionego obiektu w przypadku SN, zabezpieczenia WN 110 kV – odległościowe, ziemnozwarciowe oraz lokalizator miejsca zwarcia z łączem telekomunikacyjnym do drugiego zabezpieczenia na końcu linii, a także różnicowe z łączem telekomunikacyjnym do drugiego zestawu przekładników prądowych. W przypadku urządzeń chronionych o napięciu 220 i 400 kV stosuje się częściowe lub pełne rezerwowanie urządzeń EAZ wraz z odpowiednimi nastawami zabezpieczeń.

Producenci urządzeń EAZ wyposażają je w różnego rodzaju automatyki – pracujące w układzie centralnym (np. SZR wykonywane prze niektórych producentów jako jedno osobne urządzenie) albo w układzie rozproszonym (SZR na bazie 2 lub 3 sterowników polowych, ZS lub LRW).

Urządzenia EAZ wyposaża się także w duże i czytelne wyświetlacze (monochromatyczne lub kolorowe) prezentujące wiele przydatnych z punktu widzenia służb EAZ informacji – wizualizacja pracy pola i łączników, blokady elektryczne pola, możliwość sterowania łącznikami z poziomu wyświetlacza zabezpieczenia, bieżący odczyt parametrów elektrycznych dotyczących zabezpieczanego obiektu (prądy, napięcia, moce, częstotliwość, wartości 1h i RMS) czy rejestrator zdarzeń.

Rozwój techniki mikroprocesorowej umożliwił wyposażanie urządzeń EAZ w nowe funkcjonalności w postaci algorytmów lub dodatkowych kart pomiarowych – profil mocy, analizator jakości energii elektrycznej, analiza trwałości komór wyłącznika mocy, pomiar temperatury czy zabezpieczenie łukoochronne. Postęp odbywa się też w dziedzinie algorytmów decyzyjnych, wprowadza się rozwiązania sztucznej inteligencji w postaci sieci neuronowych czy zbiorów rozmytych, co pozwala na konstrukcję algorytmów adaptacyjnych z możliwością dopasowania automatycznego nastaw i charakterystyk do zabezpieczanego obiektu (obliczenia nie zawsze zapewniają poprawny dobór nastaw, ze względu na uproszczenia).

Literatura
1. W. Winkler, A. Wiszniewski, „Automatyka zabezpieczeniowa w systemach elektroenergetycznych. Wydanie 2 zmienione”, Wydawnictwo naukowe PWN, 2017.
2. W. Korniluk, K. W. Woliński, „Elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa”, Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, 2012.
3. A. Babś, „Kierunki rozwoju elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej”, „Automatyka Elektroenergetyczna” 4/2010.
3. D. Sajewicz, M. Radziszewski, „Aktualne potrzeby eksploatacyjne sieci i urządzeń SN – nowe zadania zespołów automatyki zabezpieczeniowej”, „Wiadomości Elektrotechniczne” 5/2018.
4. D. Sajewicz, M. Radziszewski, „Nowe funkcjonalności mikroprocesorowych urządzeń automatyki i zabezpieczeń”, „Elektro.Info” 10/2017.

Publikacja artykułu: listopad 2022 r.

Ocena:

4.5/5 - (10 ocen)

MOŻE CI SIĘ SPODOBAĆ

W POZOSTAŁYCH SERWISACH

hale przemysłowe plus

Serwis branżowy poświęcony zagadnieniom związanym z halami przemysłowymi, na które składają się m.in. budowa i wynajem, instalacje, automatyka i logistyka czy wyposażenie.

inwestycje plus

Serwis internetowy poświęcony zagadnieniom z branży budowlano-instalacyjnej, na które składają się m.in. projektowanie, budowa, instalacje, wyposażenie czy przepisy budowlane.