1. Wstęp

Łączenie różnych elementów sieci elektroenergetycznych (linii, transformatorów, dławików kompensacyjnych, baterii kondensatorów) powoduje występowanie stanów nieustalonych (często długotrwałych) zarówno w sieci jak i w załączanych lub wyłączanych elementach. Przepięcia, przetężenia prądowe, asymetria, występowanie składowej okresowej prądu i wyższych harmonicznych powodują zakłócenia w pracy systemu elektroenergetycznego i wywołują niebezpieczne naprężenia elektryczne, termiczne lub mechaniczne w poszczególnych elementach sieci, co znacząco wpływa na ich żywotność.

Wyeliminowanie lub ograniczenie stanów przejściowych występujących w procesie łączeniowym, można uzyskać stosując tzw. łączenie synchronizowane.

Technika ta polega na takim sterowaniu procesem łączenia, by w przypadku załączenia, początek przepływu prądu następował przy określonym, najkorzystniejszym kącie fazowym napięcia zasilania, natomiast w przypadku wyłączania, aby rozwarcie styków wyłącznika następowało w chwili zerowej wartości prądu.

Techniczne i ekonomiczne korzyści wynikające ze stosowania tego rodzaju łączeń sprawiają, że są one od kilkudziesięciu lat powszechnie stosowane w systemach elektroenergetycznych wielu krajów, a opracowania teoretyczne i doświadczenia eksploatacyjne są przedmiotem licznych publikacji [1.......11].

2. Zasady sterowania synchronizowanego

W przypadku załączania synchronizowanego wymagane jest wysterowanie wyłącznika, w taki sposób, by w zależności od charakteru obciążenia, początek przepływu prądu w poszczególnych fazach następował w momencie, gdy wartość chwilowa napięcia danej fazy jest najkorzystniejsza z punktu widzenia przebiegów łączeniowych.

Oznacza to, że w przypadku załączania obciążenia indukcyjnego wyłącznikiem idealnym, wygenerowanie impulsu powinno nastąpić w takiej chwili, by zwarcie jego styków nastąpiło przy maksymalnej wartości chwilowej napięcia, a przy załączaniu obciążenia pojemnościowego przy zerowej wartości napięcia.

Tak więc dla sterowania procesem załączania wartością odniesienia będzie czasowy przebieg napięcia zasilania.

W przypadku obciążenia wyłącznikiem idealnym, niezależnie od jego charakteru, rozwarcie styków wyłącznika powinno nastąpić w chwili, gdy prąd danej fazy przyjmuje wartość równą zero. Tak więc,
dla sterowania procesem wyłączania wartością odniesienia będzie czasowy przebieg prądu obciążenia.

Wyłącznik idealny charakteryzuje brak rozrzutów czasów łączenia, niezależność tych czasów od warunków zewnętrznych (temperatury, wartości napięcia sterowania, energii układu napędowego), ilości wykonanych operacji i czasów przerw między nimi. Ponadto zakłada się, że w wyłączniku idealnym przerwanie prądu następuje w chwili mechanicznego rozwarcia jego styków, a pojawienie się prądu w chwili ich zetknięcia.

Przy załączaniu wyłączników rzeczywistych, z powodu zmniejszenia się wytrzymałości dielektrycznej przerwy międzystykowej przepływ prądu następuje na ogół przed mechanicznym zetknięciem się ich styków, natomiast przy wyłączaniu, przerwanie prądu następuje po pewnym czasie od ich mechanicznego rozłączenia się styków. W warunkach rzeczywistych nie jest również spełnione założenie niezmienności mechanicznych czasów działania wyłącznika. Na odchyłki od znamionowych czasów działania wpływają zarówno uchyby statystyczne, jaki i wymienione powyżej czynniki.

Ze względu na to, że omawiana technika łączenia wymaga bardzo precyzyjnego obliczenia predykcji momentu załączenia/wyłączenia, to dopiero olbrzymi postęp w rozwoju konstrukcji wyłączników, zapewniający dużą stabilność czasów ich działania i niewielki wpływ czynników zewnętrznych oraz zastosowanie sterowników mikroprocesorowych, pozwalających realizować skomplikowane algorytmy w czasie rzeczywistym, umożliwił realizację tej techniki sterowania.

Parametry współczesnych wyłączników i algorytmy stosowane w sterownikach pozwalają uzyskiwać dokładność łączenia większą od ± 1ms, co uważa się za wartość wystarczającą dla realizacji sterowania synchronizowanego [1,3,4,6,9].

2.1. Sekwencja kontrolowanego załączania

Jak stwierdzono powyżej kontrolowane załączanie wyłącznika polega na sterowaniu chwilą załączenia każdego z biegunów wyłącznika w taki sposób, aby przepływ prądu nastąpił w momencie wymaganej chwilowej wartości napięcia danej fazy. Wielkością odniesienia dla urządzenia generującego impulsy załączające (sterownika) jest więc przebieg czasowy napięcia zasilania danej fazy.

Na Rys. 1. przedstawiono przebieg czasowy napięcia zasilającego oraz sekwencję impulsów załączających styku wyłącznika, wymaganą dla optymalnego załączania obciążenia indukcyjnego [1].

Rys. 1. Sekwencja synchronizowanego załączania wyłącznika

Impuls załączający (1) kierowany jest do inteligentnego urządzenia sterującego w dowolnej chwili t_com przypadkowej, w stosunku do sygnału odniesienia (napięcia). Sterownik monitorujący przebieg napięcia zasilania, dokonuje obliczenia chwili wysłania synchronizowanego impulsu załączającego (2), tak aby wprowadzony dodatkowo czas T_syn uwzględniający mechaniczny czas załączania wyłącznika T_close i czas łukowy T_prearc spowodował przepływ prądu w chwili, gdy napięcie osiąga wartość maksymalną.

Stąd:

T_syn = N x T/2 – T_m – (T_close – T_prearc) = N x T/2 – Tm – T_make

Gdzie:

T_syn (czas synchronizacji) – jest dodatkowym czasem opóźnienia impulsu generowanym przez sterownik celem zamknięcia styków wyłącznika w wymaganym momencie,

T_close (czas załączania) – jest czasem od pobudzenia cewki załączającej do chwili mechanicznego zetknięcia się styków wyłącznika,

T_make (czas działania) – jest czasem od pobudzenia cewki załączającej do chwili Tmake, zapalenia łuku w komorze gaszącej wyłącznika,

T_m to czas od chwili Tmake do następnego przejścia przez zero krzywej napięcia,

T_prearc (czas przedstykowy, czas łukowy) – czas od zapalenia się łuku w komorze wyłącznika do chwili mechanicznego zetknięcia się styków,

N x T/2 to ilość półokresów narzucona warunkiem, aby czas T_syn miał wartość dodatnią.

2.2. Sekwencja kontrolowanego wyłączania

Kontrolowane wyłączanie polega na sterowaniu czasem wyłączenia każdego z biegunów wyłącznika w taki sposób, aby przepływ prądu został przerwany w takiej chwili, by zminimalizować czas palenia się łuku w komorze wyłącznika. Wielkościami odniesienia dla sterownika jest więc prąd płynący przez biegun danej fazy wyłącznika.

Na Rys. 2. przedstawiono przebieg czasowy prądu i sekwencję impulsów wyłączających i styku wyłącznika, wymaganą dla optymalnego wyłączania prądu obciążenia [1].

Rys. 2. Sekwencja synchronizowanego wyłączania wyłącznika

Impuls wyłączający (1) zostaje wysłany do inteligentnego urządzenia sterującego w dowolnej chwili t_com, przypadkowej w stosunku do sygnału odniesienia (prądu). Sterownik dokonuje obliczenia chwili wysłania synchronizowanego impulsu wyłączającego (2), tak aby wprowadzony dodatkowo czas T_syn uwzględniający mechaniczny czas wyłączania wyłącznika T_open efektywnie spowodował ograniczenie czasu trwania łuku T_arc.

Tak więc:

T_syn = N x T/2 – T_open – T_arc

Gdzie:

T_syn (czas synchronizacji) – dodatkowy czas opóźnienia impulsu generowany przez sterownik celem otworzenia styków wyłącznika w wymaganym momencie,

T_open (czas wyłączania) – jest czasem od pobudzenia cewki wyłączającej do chwili mechanicznego rozłączenia się styków wyłącznika,

T_m to czas od chwili rozłączenia się styków wyłącznika T_make do następnego przejścia przez zero krzywej prądu,

T_arc (czas łukowy) – czas od do chwili mechanicznego rozłączenia styków do chwili przerwania prądu,

N x T/2 to ilość półokresów narzucona warunkiem aby czas T_syn miał wartość dodatnią.

3. Parametry wyłączników i ich wpływ na proces łączenia

3.1. Współczynniki wytrzymałości dielektrycznej przerwy międzystykowej RDDS i RRDS

Dielektryczna wytrzymałość przerwy międzystykowej wyłącznika (wartość napięcia przebicia) jest funkcją odległości między stykami, tak więc w czasie jego zamykania lub otwierania jej wartość zmienia się wraz z przemieszczaniem się styków wyłącznika. Parametr ten zależny od napięcia znamionowego i konstrukcji wyłącznika jest ważną wielkością decydującą o możliwości zastosowania danego typu wyłącznika do realizacji sterowania synchronizowanego, a jej wartość musi być uwzględniana w algorytmie sterownika.

Wielkością charakteryzującą dielektryczną wytrzymałość przerwy międzystykowej w czasie zamykania wyłącznika jest tzw. współczynnik stromości zanikania wytrzymałości międzystykowej RDDS (rate of decrease of dielectric strength), a w czasie otwierania współczynnik stromości narastania wytrzymałości przerwy międzystykowej RRDS (rate of rise of dielectric strength).

Tak więc współczynniki te w wielkościach bezwzględnych definiowane są jako:

S = du_wył/dt [kV/ms]

W praktyce częściej stosowane są wartości względne współczynników RDDS i RRDS definiowane jako:

k = S/S₀

gdzie S₀ = du_zas/dt dla t = 0 (stromość narastania napięcia zasilania w chwili przejścia napięcia przez zero)

Na Rys. 3. przedstawiono przypadek załączania wyłączników o trzech różnych wartościach współczynnika k_RDDS (k < 1, k = 1, k > 1), w sytuacji gdy rozpoczęcie przepływu prądu powinno nastąpić w chwili maksymalnej wartości napięcia zasilania. Jak widać, w każdym z tych przypadków wyznaczony moment mechanicznego zamknięcia styków T_close musi być inny. Tak więc przy takich samych czasach mechanicznego zamykania wyłącznika T_close = const, w zależności od wartości współczynnika k_RDDS, w sterowniku musi zostać obliczony inny czas opóźnienia T_sync.

Rys. 3. Załączanie przy U = U_max wyłączników o różnych wartościach współczynnika RDDS (k = 1, k < 1, k > 1)

Na Rys. 4. przedstawiono analogiczny przypadek załączania wyłączników o trzech różnych wartościach współczynnika k_RDDS (k < 1, k = 1, k > 1), w sytuacji, gdy oczekiwaną chwilą załączenia wyłącznika jest moment zerowej wartości napięcia zasilania. W tej sytuacji, aby załączenie nastąpiło przy napięciu zasilania równym zero współczynnik k_RDDS nie może mieć wartości mniejszej od 1. Spełnienie tego warunku pozwala na takie wysterowanie wyłącznika, by mechaniczne zetknięcie się jego styków nastąpiło przy wartości napięcia zasilania równej zero, co ponadto zapewnia, że nie nastąpi zapalenie się łuku przed zetknięciem się styków wyłącznika. Sytuacja taka sprowadza się do warunku takiego wysterowania sterownika, aby czas T_make = T_close.

W przypadku przeciwnym, tzn. gdy k_RDDS < 1, nie ma możliwości wysterowania wyłącznika, tak aby przepływ prądu nastąpił w chwili mechanicznego zetknięcia się styków, a więc chwili, gdy napięcie osiągnie wartość równą zero. Powoduje to, że w tym przypadku załączenie (chwila rozpoczęcia przepływu prądu) nastąpi zawsze przy wartości napięcia różnej od zera, a więc będzie związane z zapaleniem łuku elektrycznego pomiędzy stykami wyłącznika.

Powyższe rozważania przeprowadzono dla sytuacji idealnej, zakładającej, że nie występują rozrzuty czasów mechanicznego załączania wyłącznika.

Jak wspomniano, przyjęto że rozrzut czasów działania w zakresie ≤ ± 1ms umożliwia realizację kontrolowanego sterowania z zadowalającą dokładnością.

Rys. 4. Załączanie przy U = 0 wyłączników o różnych wartościach współczynników RDDS (k = 1, k < 1, k > 1)

Na Rys. 5. przedstawiono przebiegi krzywej napięcia zasilania i krzywej obniżania się wytrzymałości międzystykowej wyłącznika o wartości współczynnika k_RDDS = 1 przy załączaniu wyłącznika w chwili U_max i przy odchyłkach czasu mechanicznego zadziałania ± 1ms. Jak można zauważyć różnice pomiędzy oczekiwaną wartością napięcia U_max, a wartościami rzeczywistymi U_-1ms i U_+1ms wynoszą odpowiednio -0,05 i -0,11.

Rys. 5. Załączanie przy U = Umax wyłącznika o współczynniku RDDS k = 1, przy odchyłkach czasu działania +/- 1ms

Na Rys. 6. przedstawiono tą samą sytuację w przypadku załączania wyłącznika dla oczekiwanej chwili U=0. W tym przypadku różnice pomiędzy oczekiwaną wartością napięcia w chwili załączenia, a wartościami rzeczywistymi U_-1ms i U_+1ms są znacznie większe i wynoszą odpowiednio +0,97 i +0,16. Wartość napięcia przy ujemnej odchyłce (-1ms) niewiele odbiega od wartości maksymalnej, co uniemożliwia taki rodzaj sterowania bez wprowadzenia odpowiednich poprawek w algorytmie sterownika.

Rys. 6. Załączanie przy U = 0 wyłącznika o współczynniku RDDS k = 1, przy odchyłkach czasu działania +/- 1ms

3.2 Odchyłki czasów działania wyłącznika

Rzeczywisty czas działania wyłącznika można wyrazić zależnością:

T_dział = T_zn + ΔT_wz + ΔT_dryft + ΔT_stat

gdzie:

T_zn średni czas łączenia w warunkach znamionowych,
ΔT_wz odchyłka czasu działania wynikająca z warunków zewnętrznych różnych od znamionowych,
ΔT_dryft uchyb zależny od ilości łączeń wyłącznika,
ΔT_stat statystyczna zmienna czasu działania.

Z wymienionych powyżej składników, jedynie ΔT_stat jest zmienną przypadkową, która nie może zostać skorygowana przez sterownik.

Na wartość odchyłki ΔTwz wpływ mają:

• wartość napięcia sterowania U_ster
• temperatura otoczenia Θ
• energia napędu E_nap

Energia napędu w wyłącznikach z napędem pneumatycznym lub hydraulicznym zależy od ciśnienia medium, w wyłącznikach z napędem elektromechanicznym od wartości napięcia, natomiast w wyłącznikach z napędem sprężynowym pozostaje w przybliżeniu wielkością stałą.

Nowoczesne wyłączniki charakteryzuje duża niezależność czasów działania od wymienionych czynników, a ponadto często stosowane rozwiązania techniczne znacznie poprawiające stabilność czasów działania wyłączników (stabilizacja napięcia sterowania i/lub ciśnienia medium roboczego). Jeżeli wpływ czynników zewnętrznych nie może zostać zminimalizowany, sterownik wyłącznika musi realizować algorytm wprowadzający dodatkowy czas kompensujący odchyłkę wynikającą z innych niż znamionowe warunków zewnętrznych Δ_Tcomp = - ΔT_wz

W literaturze [3,11] podawane są przykładowe charakterystyki odchyłek czasów działania w zależności od wymienionych czynników, ale w konkretnych rozwiązaniach charakterystyki takie muszą być podane przez producenta lub wyznaczone pomiarowo.

Czynnikami wpływającym na zmianę czasu działania wyłącznika jest też ilość wykonanych przez wyłącznik operacji, a w niektórych typach wyłączników czas przerwy pomiędzy kolejnymi operacjami. Również te czynniki powinny i mogą być skompensowane w algorytmie sterownika.

4. Sterowniki do synchronizowanego sterowania wyłącznikami

Jak wspomniano technologia sterowania synchronizowanego stosowana jest już od kilkudziesięciu lat w energetyce wielu krajów, a szereg firm (np. ABB, Siemens, Mitsubishi) oferuje specjalizowane sterowniki umożliwiające tego rodzaju operacje.

Sterowniki te umożliwiają wyznaczenie czasu predykcji przy załączaniu, jak i wyłączaniu różnego rodzaju obciążeń, w zależności od znanych parametrów wyłącznika (RDDS i RRDS). Większość z nich realizuje również algorytmy zapewniające zminimalizowanie odchyłek czasów działania wyłącznika wynikających z przyczyn wyżej wymienionych.

 Obliczenie czasu kompensacji. spowodowanego odchyłkami napięcia sterowniczego i temperatury zewnętrznej wymaga zaimplementowania w sterowniku funkcji dwuzmiennych napięcie/temperatura, ΔT_comp1 = f (U_ster, Θ).
W wyłącznikach wymagających kompensacji parametrów roboczych napędu podobnie wyznaczana jest funkcja dwuzmiennych ciśnienie robocze/temperatura, ?Tcomp2 = f (Enap, ?). Na podstawie obu tych funkcji wyznaczany jest całkowity czas kompensacji ΔT_comp = - ΔT_wz.
Zależność zmiany czasu działania od ilości wykonanych operacji kompensowana jest przez zaimplementowanie funkcji adaptacyjnych opartych na pomiarze czasów poprzednio wykonanych operacji z uwzględnieniem poprzednich i aktualnych warunków zewnętrznych.

Również zmiany czasów działania wynikające z czasu jaki upłynął od ostatniej operacji może zostać skompensowany w oparciu o odpowiednią charakterystykę podaną przez producenta.

Na Rys. 7. pokazano przykładowy schemat blokowy sterownika realizującego algorytm kompensacji czynników zewnętrznych oraz funkcje adaptacyjne pozwalające uwzględnić odchyłki spowodowane ilością operacji wykonanych przez sterownik [3].

Rys. 7. Algorytm sterownika mikroprocesorowego

5. Podsumowanie

Stosowanie sterowania synchronizowanego wyłączników daje korzyści techniczne i ekonomiczne do których można zaliczyć:

• zminimalizowanie przebiegów nieustalonych zarówno w systemie jak i łączonych urządzeniach, co wpływa na zmniejszenie zagrożeń wynikających z występowania udarowych prądów załączeniowych i przepięć wyłączeniowych,
• ograniczenie zużycia styków wyłącznika, a więc obniżenie kosztów ich przeglądów i remontów,
• poprawę jakości energii,
• unikanie niepotrzebnych działań zabezpieczeń.

Wyłączniki stosowane w aplikacjach omawianego typu, powinien cechować mały rozrzut czasów działania oraz ich duża stabilność w różnych warunkach zewnętrznych.

Sterowniki wykorzystywane do realizowania funkcji sterowania synchronizowanego powinny posiadać algorytmy pozwalające na kompensację uchybów czasów działania wyłączników wynikających ze zmiennych warunków zewnętrznych i ilości łączeń.

Literatura

[1] CIGRE WG13.07: "Controled Switching of HVAC Circuit Breakers" Guide for Application, Electra nr 183 1999.

[2] CIGRE WG13.07: "Controled Switrzing of HVAC Circuit Breakers" – Planing, Specification and Testing, Electra nr 197 2001.

[3] D. Goldsworthy i in. "Controled Switrzing of HVAC: Application Examples and Benefits", Schweitzer Engineering LABORATORIES INC., 2007 r.

[4] M. Adam i in. "Regarding to the Controlled closing of the Circuit Breakers" – University Craiova, 2006 r.

[5] H. Tsutada i in. "Controlled "Switching System for Capisitor Bank and Transformer Switching", International Conference on Electrical Engineering, 2002 r.

[6] K. Kamei I in. "Field Experience of Controlled Switching System Used for Transformer Switching", Mitsubishi Electric Advance, 2007 r.

[7] H. S. Bronzeado I in. "Transformer Controlled Switching to Eliminate Inrush Current", IEEE Conference, 2006 r.

[8] A. Ebner i in. "Controlled Switching of Transformers – Effects of Closing Time Scatter and Residual Flux Uncertainty".

[9] E. Anderson i in. "Łączenia Synchronizowane Transformatorów energetycznych" – XIV Konferencja Energetyki, 2005 r.

[10] Siemens "Controlled Switching", Buyer`s Guide.

[11] ABB "Controlled Switching with Switchsync", Buyer`s Guide, 2006 r

mgr inż. Stanisław Cholewa
Energotest sp. z o.o.
http://www.energotest.com.pl/