ZAŠČITNI SISTEMI IN SISTEMI BREZPREKINITVENEGA NAPAJANJA V HIDROELEKTRARNI

Transcription

1 ICES VIŠJA STROKOVNA ŠOLA Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija Program: Elektroenergetika Modul: Elektronska učinkovitost in električne instalacije ZAŠČITNI SISTEMI IN SISTEMI BREZPREKINITVENEGA NAPAJANJA V HIDROELEKTRARNI Mentorja: Jože Kragelj, univ. dipl. inž. el. Somentor: Iztok Dover, univ. dipl. inž. el. Lektoriranje: Jasmina Vajda Vrhunec Kandidat: Leon Samogy Ljubljana, januar 2015

2 ZAHVALA Zahvaljujem se mentorjema Jožetu Kraglju iz Višje strokovne šole ICES in Iztoku Doverju iz Dravskih elektrarn Maribor za ponujeno strokovno pomoč. Zahvaljujem se Dravskim elektrarnam Maribor, ki so mi omogočile študij. Zahvaljujem se svoji družini, ki mi je ves čas stala ob strani, ženi Klavdiji ter hčerama Luciji in Lauri za moralno podporo in strpnost v času študija. Zahvaljujem se sošolcu Mitji za pomoč in podporo v času študija. Zahvaljujem se sodelavcem organizacijske enote Srednja Drava, ki so moj študij spremljali z veliko mero razumevanja.

3 IZJAVA»Študent Leon Samogy izjavljam, da sem avtor tega diplomskega dela, ki sem ga napisal pod mentorstvom Jožeta Kraglja, univ. dipl. inž. el., in somentorja Iztok Doverja, univ. dipl. inž. el.skladno s 1. odstavkom 21. člena Zakona o avtorski in sorodnih pravicah dovoljujem objavo tega diplomskega dela na spletni strani šole.«dne, Podpis:

4 POVZETEK V diplomskem delu sem opisal zaščitne sisteme in sisteme brezprekinitvenega napajanja na hidroelektrarni. Zaščitni sistemi ščitijo elektroenergetske naprave, generatorje, transformatorje, zbiralke in vode pri okvarah in poškodbah, ki lahko nastanejo med obratovanjem zaradi notranjih okvar ali zunanjega vpliva. Zaščite morajo izpolnjevati določene zahteve, kot so hitrost, selektivnost, občutljivost, zanesljivost in ekonomičnost, ki so v diplomskem delu tudi opisane. Zaščite generatorjev, transformatorjev, zbiralk in vodov so podrobneje opisane v drugem poglavju. Glavni vir napajanja za zaščite je enosmerna napetost, ki jo zagotavljamo z usmerniki in baterijami. V tretjem poglavju so opisani lastna poraba elektrarne in viri za zagotavljanje lastne porabe. Usmerniki, razsmerniki, baterije in dizelski agregat skupaj zagotavljajo brezprekinitveno napajanje v elektrarni in so podrobneje opisani v četrtem poglavju. V zadnjem poglavju je opisan potek zamenjave glavne omare enosmernega razvoda ter prikazan izračun dimenzioniranja dovodnih kablov in zaščitnih elementov za napajanje naprav z enosmerno napetostjo. KLJUČNE BESEDE zaščita elektroenergetskih naprav lastna raba elektrarne usmernik razsmernik akumulatorske baterije dizelski agregat enosmerna napetost razsmerjena napetost

5 ABSTRACT In my thesis protection systems and UPS (uninterruptable power supply) systems on hydropowerplant are described. Protection systems protect electroenergetic devices (generators, transformers, busbars and lines) against faults and damages resulting in internal or external influencies. Demands fulfilled by protection systems as speed, selectivity, sensivity, reliability and cost efficiency are also described. Protection of generators, transformers, busbars and lines are described in chapter two. Power supply for protection relais is DC voltage provided by rectifiers and batteries. In chapter three auxiliary electrical supply and auxiliary electrical supply sources are described. Rectifiers, inverters, batteries and diesel engine as components of UPS system on hydropowerplant are described in chapter four. Replacement of main DC voltage board and dimensioning for power supply cables and protection elements is described in last chapter. KEYWORDS protection of electroenergetic devices auxiliary electrical supply rectifier inverter batteries diesel engine DC voltage AC (inverter) voltage

6 Vsebina 1 UVOD OPIS HIDROELEKTRARNE MARIBORSKI OTOK SPLOŠNI OPIS ELEKTROENERGETSKIH NAPRAV NA HIDROELEKTRARNI ZAŠČITA ELEKTRARNE PRIMARNI IN SEKUNDARNI ELEKTROENERGETSKI SISTEM OSNOVNE ZAHTEVE ZA ZAŠČITO DODATNE ZAHTEVE ZA ZAŠČITO INTELIGENTNE ELEKTRONSKE NAPRAVE (IED) VRSTE RELEJNIH ZAŠČIT V ELEKTRARNI ZAŠČITA GENERATORJEV ZAŠČITA TRANSFORMATORJA ZAŠČITA ZBIRALK ZAŠČITA VODOV VLOGA IN POMEN RAZVODA ENOSMERNE IN RAZSMERJENE NAPETOSTI V ELEKTRARNI LASTNA PORABA ELEKTRARNE VIRI LASTNE PORABE ELEKTRARNE NUJNA LASTNA RABA RAZVOD ENOSMERNE IN RAZSMERJENE NAPETOSTI V ELEKTRARNI USMERNIŠKI SISTEM AKUMULATORSKE BATERIJE Akumulatorske baterije tipa OPzS ELEKTRIČNI PARAMETRI RAZSMERNIKOV NADZOR RAZVODA ENOSMERNE IN RAZSMERJENE NAPETOSTI NADZOR DELOVANJA USMERNIKOV NADZOR DELOVANJA RAZSMERNIKOV... 34

7 5.7 NADZOR AKUMULATORSKIH BATERIJ 220 V= NADZOR DELOVANJA ENOSMERNEGA RAZVODA NADZOR DELOVANJA RAZSMERJENEGA RAZVODA IZVEDBA IN IZRAČUN GLAVNEGA RAZVODA ENOSMERNE NAPETOSTI V HE MARIBORSKI OTOK ZAMENJAVA OMARE ENOSMERNEGA RAZVODA IZRAČUN GLAVNEGA RAZVODA ENOSMERNE NAPETOSTI ZAKLJUČEK LITERATURA IN VIRI... 48

8 KAZALO SLIK Slika 1: Enopolna shema HE Mariborski otok... 4 Slika 2: Sinhronski generator... 8 Slika 3: Blokovna in neposredna povezava generatorja z omrežjem... 9 Slika 4: Časovno stopnjevanje osnovnih in rezervnih zaščit v generatorskem polju Slika 5: Električne okvare transformatorja Slika 6: Dvosistemske zbiralke in logične povezave Slika 7: Okvare na kratkem oziroma dolgem vodu Slika 8: Shema virov neprekinjenih napetosti 220 V Slika 9: Viri napajanja elektrarne z napetostjo 400 V Slika 10: Dizelski električni agregat Slika 11: Blok shema usmernika z dodatnim usmernikom in baterijami Slika 12: Omara glavnega enosmernega razvoda Slika 13: Bender EDS Slika 14: Bender IRDH Slika 15: Področja usmernika Slika 16: Stacionarne akumulatorske baterije tipa OPzS Slika 17: Izklopna karakteristika instalacijskega odklopnika Slika 18: Shema porabnikov enosmerne napetosti v elektrarni KAZALO TABEL Tabela 1: Mejne vrednosti delovanja usmernika Tabela 2: Mejne vrednosti padcev napetosti Tabela 3: Pregled karakterističnih načinov polaganja vodnikov in kablov Tabela 4: Dopustne trajne obremenitve vodnikov Tabela 5: Korekcijski faktorji pri polaganju več tokokrogov v skupini ali več žilnih kablov... 46

9 1 UVOD V diplomskem delu želim opisati zaščitni sistem in sistem brezprekinitvenega napajanja na hidroelektrarni. Oba sistema sta zelo pomembna za varno obratovanje elektrarne in sta medsebojno zelo povezana. Elektroenergetski sistem sestavljajo elementi, kot so generatorji, transformatorji, vodi in zbiralke. Naprave, kot so odklopniki in merilna oprema, so med sabo fizično povezane, kar pomeni, da okvara na eni napravi lahko negativno vpliva na sosednjo napravo, ki je v sistemu. Naloga zaščitnih sistemov je, da izklopijo samo tisti element, ki je v okvari, in to v najkrajšem možnem času. Sistem brezprekinitvenega napajanja je sestavljen iz več med sabo povezanih naprav, ki skupaj zagotavljajo nemoteno obratovanje elektrarne v vseh obratovalnih stanjih. Zelo pomemben je nadzor brezprekinitvenega napajanja, ki nas ob pravem času opozarja na morebitne napake in izredna obratovalna stanja v celotnem sistemu. Da zagotovimo nemoteno delovanje naprav, so potrebni vzdrževanje, redni pregledi, testiranja in meritve parametrov naprav brezprekinitvenega napajanja. V primeru okvare na napravah brezprekinitvenega napajanja v elektrarni nastane izredno obratovalno stanje, ki ga je treba odpraviti v najkrajšem času. V diplomskem delu bom opisal zaščitne sisteme in posamezne zaščite v elektrarni, sisteme brezprekinitvenega napajanja v njej in naprave, ki ga tvorijo. To so usmerniki, stacionarne baterije, razsmerniki, elektronska sklopka in dizelski agregat. Opisal bom delovanje naprav in njihov pomen za zanesljivo in varno obratovanje elektrarne. Opisal bom tudi postopke preventivnega in kurativnega vzdrževanja naprav, ki temeljijo na sodobnem informacijskem sistemu. V nadaljevanju bo podan tudi izračun glavnega razvoda enosmerne napetosti, v katerem bom dimenzioniral glavni dovod in odvode za potrebe agregata, zaščit in signalizacije. Ko obravnavamo sisteme brezprekinitvenega napajanja, jih ocenjujemo predvsem glede na njihovo razpoložljivost zmožnost zagotavljanja neprekinjene oskrbe. Pri opisu se bom osredotočil predvsem na normalna obratovalna stanja zaščitnih sistemov in sistemov brezprekinitvenega napajanja oziroma stanj, ki so predvidena z vzdrževalnimi deli. Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 1 od 49

10 2 OPIS HIDROELEKTRARNE MARIBORSKI OTOK 2.1 SPLOŠNI OPIS ELEKTROENERGETSKIH NAPRAV NA HIDROELEKTRARNI Reka Drava izvira na Toblaškem polju v Italiji. V Slovenijo priteče na Koroškem v bližini Dravograda, zapusti pa jo pri Ormožu na Štajerskem. Dolžina reke Drave v Sloveniji je 133 km in ima padec 148 m. Izgradnja verige elektrarn na reki Dravi se je začela leta 1918 z izgradnjo Hidroelektrarne Fala in končala leta 1978 z izgradnjo Hidroelektrarne Formin. Gradnja Hidroelektrarne (HE) Mariborski otok je bila načrtovana že pred prvo svetovno vojno, graditi pa so jo začeli v letu Gradbena dela so se zaradi vojne zelo zavlekla, tako da je bilo ob koncu vojne leta 1945 zgrajenih le 30 % elektrarne. Po vojni se je gradnja nadaljevala in prvi agregat je začel obratovati leta 1948, drugi 1953 in tretji Z izgradnjo jezu je na Dravi nastalo akumulacijsko jezero dolžine 15,5 km, ki sega vse do Hidroelektrarne Fala. Akumulacijsko jezero vsebuje 13,1 milijona m 3 vode, od katerih se lahko 2,1 milijona m 3 izkoristi za proizvodnjo električne energije. Dravske elektrarne Maribor so največji proizvajalec električne energije iz obnovljivih virov v Sloveniji. Z osmimi hidroelektrarnami (Dravograd, Vuhred, Vuzenica, Ožbalt, Fala, Mariborski otok, Zlatoličje in Formin), s tremi malimi hidroelektrarnami (na jezih Melje, Markovci in Ceršak na reki Muri) ter s štirimi sončnimi elektrarnami proizvedejo 23 % skupne proizvodnje električne energije v Sloveniji, od tega 80 % električne energije iz obnovljivih virov. Največ električne energije se proizvede v poletnih mesecih, ko so pretoki reke Drave največji. Velik pomen Dravskih elektrarn Maribor je zagotavljanje rezervne moči ob izpadih električne energije v elektroenergetskem sistemu Slovenije. HE Mariborski otok je pretočna elektrarna stebrnega tipa z dnevno akumulacijo, kjer so strojnice zgrajene tako, da tvorijo glavni objekt in jez elektrarne. V vsakem od treh turbinskih stebrov je nameščena vertikalna Kaplanova turbina z generatorjem in pomožnimi napravami. V obrežni zgradbi je 10-kilovoltno stikališče in prostor za energetska transformatorja, ki sta priključena na 110-kilovoltna daljnovoda proti stikališču RTP Pekre. Vsi trije agregati so med sabo po konstrukciji, moči in drugih značilnostih enaki. Turbina ima navpično gred, ki je neposredno spojena z rotorjem generatorja. Tehnični podatki za turbino Kaplanova turbina proizvajalca Litostroj, tip K4/4,85: Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 2 od 49

11 nazivna moč turbine...20,49 MW nazivni neto padec...12,91 m nazivni vrtljaji min -1 največji pretok skozi turbino...183,3 m 3 /s nazivni padec...14,2 m Tehnični podatki za generator Generator proizvajalca Siemens, tip 1DH7339-3WE24-2: nazivna moč...26 MVA nazivni tok A nazivna napetost...10,5 kv nazivna frekvenca...50 Hz nazivni cos ᵠ...0,8 nazivni vrtljaji min -1 Elektrarna ima štiri pretočna polja, ki so široka 18,75 m, z višino zapiranja 14,30 m. Zapornice so sestavljene iz dveh delov, spodnje in zgornje zapornice. Zgornje zapornice lahko spustimo za 4,5 m, spodnjo zapornico pa lahko dvignemo za 4,5 m. Dviganje in spuščanje posameznih zapornic se izvajata s pomočjo dveh vitlov, ki sta nameščena na obeh straneh zapornic. Vitla poganja elektromotor, ki je lahko krmiljen ročno ali tudi popolnoma avtomatsko. Iz enopolne sheme (slika 1) je razvidno, da dvojne 10-kilovoltne zbiralke povezujejo generatorske izvode v posameznih turbinskih stebrih do desne obrežne zgradbe, v kateri se nahaja 10-kilovoltno stikališče. Stikališče je povezano z dvema energetskima transformatorjema, nad njima pa se nahaja 110-kilovoltno stikališče. V desni obrežni zgradbi sta nameščena dva energetska transformatorja, ki sta neposredno povezana s 110-kilovoltnim stikališčem, ki se nahaja nad transformatorskim prostorom. Mrežna transformatorja sta prek stikalnih naprav povezana s 110-kilovoltnim daljnovodom Pekre vzhod in Pekre zahod. Krmiljenje stikalnih elementov transformatorskih polj na straneh 10 kv in 110 kv je možno daljinsko iz centra vodenja, iz stikalnice elektrarne in lokalno, to je neposredno v stikališču 110 kv. Za napajanje lastne porabe izmenične napetosti sta v elektrarni dva napajalna vira. V normalnem obratovanju sta pod napetostjo dva transformatorja moči 1000 kva, ki sta priključena na 10-kilovoltne zbiralke. V primeru izpada osnovnega napajanja izmenično napetost zagotavlja dizelski agregat moči 450 kva, ki napaja nujno lastno porabo (Obratovalno navodilo, 2008). Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 3 od 49

12 Slika 1: Enopolna shema HE Mariborski otok Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 4 od 49

13 3 ZAŠČITA ELEKTRARNE 3.1 PRIMARNI IN SEKUNDARNI ELEKTROENERGETSKI SISTEM Kot je razvidno iz literature (Hrovatin, 2009), je elektroenergetski sistem sestavljen iz primarnega in sekundarnega sistema. Primarni sistem sestavljajo elektroenergetske naprave, generatorji, transformatorji, odklopniki, vodi in tudi njihov celoten sklop, kot na primer transformatorska postaja. Večji elektroenergetski postroji imajo svoje sekundarne sisteme, ki omogočajo delovanje primarnega sistema, kamor spadajo zaščitni sistemi, števčne in merilne naprave ter sistemi vodenja. Sekundarni sistem preprečuje nepravilno delovanje primarnega sistema in deluje kot vmesnik za vodenje posamezne naprave ali celotnega postroja. Posamezno napravo lahko prek sekundarnega sistema vodimo na samem objektu ali iz centra vodenja. Sekundarni sistemi dobivajo podatke meritev trenutnih vrednosti, položajna stanja stikal, števčne vrednosti, podatke o motnjah in kronološke zapise dogodkov ter omogočajo krmiljenje, določanje mesta okvare. Obsegajo optimizacijo obratovanja agregatov, avtomatizacijo zagona, zaustavitve agregatov, nadzor rezervnih moči, avtomatski preklop napajanja lastne porabe elektrarne in vodenje proizvodnje jalovih moči. 3.2 OSNOVNE ZAHTEVE ZA ZAŠČITO Iz literature (Grčar, 1999) je razvidno, da so osnovne zahteve, ki jih morajo izpolniti zaščitne naprave, naslednje: hitrost delovanja: mesto okvare mora biti čim prej izločeno iz preostalega omrežja, da je stopnja uničenja opreme čim manjša. Zaščita mora delovati čim hitreje, običajno se časi trenutnega delovanja gibljejo med 20 ms in 30 ms. S časom delovanja odklopnikov, ki dosegajo čase od 40 ms do 60 ms, znašajo zakasnitve pri trenutnem delovanju zaščit 0,1 s. Hitrost delovanja je zelo pomembna v visokonapetostnih omrežjih in v bližini generatorjev. V srednjenapetostnih omrežjih so dopustni nekoliko daljši časi delovanja zaščit; selektivnost: v primeru okvar mora zaščita izločiti le minimalni del sistema, kjer je prišlo do okvare. Primarni sistem razdelimo na več odsekov, ki jih pokrivajo različne zaščite. Noben odsek elektroenergetskega sistema ne sme ostati nezaščiten, odseki ščitenja pa se morajo minimalno prekrivati. Selektivnost je lahko absolutna ali relativna. Zaščite, ki delujejo le pri okvarah znotraj svojega odseka, imenujemo absolutno selektivne zaščite. Njihovo delovanje je trenutno pri njih obstaja možnost zatajitve, zato potrebujemo rezervo. Relativno selektivnost delovanja zaščit dosegamo s Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 5 od 49

14 časovnimi zakasnitvami, tako da deluje zaščita, ki je najbližje okvari. Selektivno delovanje zaščit dosežemo z omejenim področjem delovanja, s časovnim stopnjevanjem, z uporabo zaščit, ki delujejo hitreje pri bližnjih okvarah in počasneje pri oddaljenih okvarah, z vpeljavo smernega kriterija in s povezovanjem zaščit na obeh koncih ščitenega dela elementa; občutljivost: zaščitne naprave morajo imeti sposobnost, da zaznajo minimalne okvare. Pri tem se ne smejo odzvati pri maksimalnih vrednostih nadzorovanih količin v motenih stanjih in ob prehodnih pojavih. Prevelika občutljivost pogosto povzroča nepotrebno delovanje zaščite. Faktorji, ki omejujejo občutljivost, so pogreški merilnih pretvornikov, motnje v signalnih in komunikacijskih tokokrogih, nizko razmerje med minimalnim kratkostičnim in maksimalnim bremenskim tokom v zankastih omrežjih, prehodni pojavi ob vklopih naprav in pri stikalnih manipulacijah. Zadostno občutljivost dosegamo z ustreznimi nastavitvami, omejenim področjem delovanja in uporabo zaščit, ki delujejo na nično in inverzno komponento toka ali napetosti; zanesljivost: Zanesljivo delovanje zaščite pomeni, da ne delujejo po nepotrebnem in da ne zatajijo pri okvarah. Zanesljivost delovanja zaščite je podana kot verjetnost, da bo opravila svojo funkcijo v danih pogojih in danem časovnem intervalu. Na zanesljivost elektromehanskih in statičnih zaščit lahko vplivamo z rednim vzdrževanjem. Zanesljivost delovanja zaščit pa lahko povečamo tudi s sprotnim samonadzorom; ekonomičnost: stroški, ki nastanejo z nabavo, vgradnjo, preizkušanjem in vzdrževanjem zaščitnih sistemov, so v absolutnem merilu zelo visoki. Če stroške za zaščito primerjamo s stroški za primarno opremo, ti stroški ne presegajo 3 % vrednosti primarne opreme. Zaščitne sisteme načrtujemo tako, da dosežemo optimalno razmerje investicijskih in obratovalnih stroškov med primarno in sekundarno opremo. 3.3 DODATNE ZAHTEVE ZA ZAŠČITO Iz literature (Grčar, 1999) je razvidno, da lahko zraven kriterijev, ki jih morajo obvezno vsebovati zaščitni sistemi, dodamo še dodatne kriterije, kot so: povezljivost: zaščite morajo biti povezljive z obstoječimi napravami primarnega in sekundarnega dela sistema: zaščitnimi transformatorji, sekundarnimi krmilnimi in signalizacijskimi tokokrogi, odklopniki, lokalno avtomatiko, sistemom za vodenje in nadzor. Sodobne mikroprocesorske zaščite morajo delovati vzporedno z obstoječimi sekundarnimi napravami starejše izvedbe; prilagodljivost: prilagodljivost ali fleksibilnost predstavlja zmožnost prilagajanja delovne karakteristike zaščite različnim obratovalnim pogojem in konfiguracijam omrežja; Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 6 od 49

15 samonadzor: samonadzor bistveno povečuje razpoložljivost in zanesljivost zaščit. V polnem obsegu jo lahko izvedemo le pri numeričnih zaščitah, tako da sproti preverjamo stanje napajalnih in krmilnih tokokrogov, primerjamo aktualne signale z referenčnimi, nadzorujemo delovanje procesorja in sprožamo postopke za testiranje strojne opreme. V zaščitnih sistemih, ki so povezani s sistemom za vodenje in nadzor, lahko funkcijo samonadzora sprožimo tudi daljinsko, kar zniža stroške vzdrževanja INTELIGENTNE ELEKTRONSKE NAPRAVE (IED) Moderni numerični zaščitni releji so inteligentne elektronske naprave (Intelligent Electronic Device IED), ki temeljijo na mikroprocesorski tehnologiji in programski opremi ter se uporabljajo za izvajanje ene ali več funkcij. IED so vsestranske naprave, ki imajo poleg zaščitnih funkcij dodane še funkcije vodenja, daljinskega nadzora, meritev in lokalne avtomatike, ter omogočajo povezavo na sistem za nadzor, vodenje in zajemanje podatkov SCADA (Supervisiory Control And Data Acquisition). Nekateri IED so lahko bolj napredni od drugih, pri nekaterih so lahko poudarjeni določeni funkcionalni vidiki bolj kot pri drugih, vendar pa so v vseh izvedene osnovne funkcije zaščite in vodenja. Sprva so IED na področju zaščitnih funkcij pokrivali le nadtokovno zaščito in zemljestično zaščito. Danes je pri najnaprednejših IED na voljo veliko število zaščitnih funkcij. Te so običajno na voljo v ločenih blokih ter se aktivirajo ločeno in programirajo neodvisno (Utility Products). 3.4 VRSTE RELEJNIH ZAŠČIT V ELEKTRARNI Kot je razvidno iz gradiva (Prepeluh, Kragelj, & Majcen, 2013), so naloge relejne zaščite, da preprečijo okvare na električnih napravah, ki nastanejo zaradi preobremenitev, prekomernega segrevanja, nesimetričnih obremenitev ipd., ter da že nastalo okvaro čim hitreje in selektivno izklopijo. Naloga relejne zaščite je, da v primeru okvare na elementu elektroenergetskega sistema ta element izklopi v najkrajšem možnem času, vsi drugi elementi elektroenergetskega sistema pa morajo ostati v obratovanju. V normalnem obratovalnem stanju elektroenergetskega sistema relejna zaščita ne sme delovati ZAŠČITA GENERATORJEV Sinhronski generatorji predstavljajo s tehničnega in ekonomskega vidika najzahtevnejši element elektroenergetskega sistema. Kljub temu da je okvar predvsem na velikih enotah malo v primerjavi z drugimi elementi Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 7 od 49

16 elektroenergetskega sistema, imajo lahko posledice okvar uničujoč vpliv na sam generator. V primeru okvare generatorja se močno poslabšajo stabilnostne razmere v povezanem elektroenergetskem sistemu. Glede na pomembnost generatorja je potrebno skrbno in natančno načrtovanje, nastavljanje in preizkušanje zaščitne naprave. Glede na mesto nastanka lahko okvare, ki nastanejo v generatorjih, razdelimo na notranje in zunanje. Med notranje okvare uvrščamo: zemeljske stike statorskega in rotorskega navitja, kratke stike v generatorskem polju, medovojne stike, izpad vzbujanja. Med zunanje okvare pa uvrščamo kratke stike in zemeljske stike v omrežju, nesimetrične obremenitve in izpade prenosnih ali proizvodnih kapacitet v elektroenergetskem sistemu. Del okvar na sinhronskih generatorjih je povezan s pogonskim agregatom, ki zahteva posebne zaščitne ukrepe. Zahtevnost zaščitnega sistema je odvisna od izvedbe generatorja in turbine, instalirane moči, načina priključitve na omrežje in pomena generatorja za elektroenergetski sistem. Sinhronske generatorje, ki pretvarjajo mehansko energijo v električno, lahko predstavimo kot elektromehanski sistem z dvema vhodoma: pogonski navor turbine in vzbujalna napetost, in enim izhodom: električna moč. Slika 2: Sinhronski generator (Vir: Grčar, 1999, str. 124) Glede na vrsto turbine, torej hidro ali termo, so rotorji generatorjev izvedeni z večjim številom izraženih polov ali pa z dvema ali štirimi poli cilindrične oblike. Manjši generatorji, predvsem v industrijski energetiki, se priključujejo neposredno na Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 8 od 49

17 skupne zbiralke, večje generatorje pa priključujemo prek energetskega transformatorja. Slika 3: Blokovna in neposredna povezava generatorja z omrežjem (Vir: Grčar, 1999, str. 124) Okvare generatorja lahko razdelimo v tri skupine: okvare statorja: nastanejo na navitju ali statorski pločevini kot posledica zemeljskih ter medovojnih in kratkih stikov, ki nastanejo zaradi električnih in termičnih preobremenitev, prenapetosti, vibracij ali slabega stanja izolacije. Okvare na pločevini nastanejo zaradi električnega obloka, ki nastane ob zemeljskih stikih. Stopnja poškodbe je odvisna od velikosti zemljestičnega toka in od njegovega trajanja; okvare rotorja: nastanejo na vzbujalnem ali dušilnem navitju ali na pločevini rotorja. Najpogostejši so zemeljski stiki, zelo nevarni pa so kratki stiki v vzbujalnem navitju, ki lahko zraven uničenja rotorja porušijo mehansko ravnotežje; okvare na hladilnem sistemu, ležajih in tipalih: te okvare imajo večinoma mehanske vzroke ter zahtevajo posebne ukrepe za nadzor in zaščito. Funkcije zaščitnega sistema generatorjev razdelimo na osnovne in rezervne, neodvisno od tega, ali je sistem izveden kot integrirana naprava ali kot množica povezanih relejev z dodeljenimi funkcijami. Osnovno zaščito, ki je absolutno selektivna, s trenutnim delovanjem sestavljajo: statorska zemljestična zaščita, kratkostična zaščita, medovojna ali rotorska zaščita. Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 9 od 49

18 Rezervne zaščite, ki so relativno selektivne in časovno zakasnjene, sestavljajo: nadtokovna zaščita, prenapetostna in podnapetostna zaščita, podfrekvenčna in nadfrekvenčna zaščita, zaščita pri nesimetriji, zaščita pri povratni energiji, zaščita pred izpadom vzbujanja, zaščita pri preobremenitvah. V primeru okvar zaščitni sistem deluje s pomočjo izhodne enote na signalizacijo, razbremenjevanje ali ustavitev generatorja (Grčar, 1999). Slika 4: Časovno stopnjevanje osnovnih in rezervnih zaščit v generatorskem polju (Vir: Grčar, 1999, str. 126) NABOR ZAŠČIT GENERATORJEV V HE MARIBORSKI OTOK V HE Mariborski otok so vgrajene naslednje generatorske zaščite, ki so večinoma podvojene. Izpad posameznega releja zaradi izpada enosmerne napetosti ne vpliva na obratovalno stanje, aktivira se le alarmna signalizacija. V primeru izpada še drugega releja pa se v agregatu izvede avtomatska zaustavitev. Zaščite za zaščito generatorja, ki so vgrajene v HE Mariborski otok, so: glavna trifazna nadtokovna zaščita, rezervna trifazna nadtokovna zaščita, glavna trifazna kratkostična zaščita, rezervna trifazna kratkostična zaščita, Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 10 od 49

19 trifazna nadtokovna/podnapetostna zaščita, trifazna prenapetostna zaščita 1. stopnje, trifazna prenapetostna zaščita 2. stopnje, glavna 95-odstotna statorska zemljestična zaščita, rezervna 95-odstotna statorska zemljestična zaščita, zaščita pred nesimetrijo 1. stopnje, zaščita pred nesimetrijo 2. stopnje, trifazna stabilizirana skupna diferenčna zaščita, trifazna nestabilizirana skupna diferenčna zaščita, trifazna diferenčna zaščita generatorja, zaščita pred povratno energijo 1. stopnje, zaščita pred povratno energijo 2. stopnje, zaščita pred izpadom vzbujanja 1. stopnje, nadfrekvenčna zaščita 1. stopnje, nadfrekvenčna zaščita 2. stopnje, podfrekvenčna zaščita 1. stopnje, podfrekvenčna zaščita 2. stopnje, zaščita pred termično preobtežbo 1. stopnje, zaščita pred termično preobtežbo 2. stopnja, neposredna termična zaščita generatorja 1. stopnje, neposredna termična zaščita generatorja 2. stopnje, trifazna nadtokovna zaščita vzbujalnega transformatorja, rotorska zemljestična zaščita 1. stopnje rotorska zemljestična zaščita 2. stopnja ZAŠČITA TRANSFORMATORJA Energetski transformatorji predstavljajo povezovalni element med proizvajalci in prenosnim distribucijskim omrežjem. Na izvedbo in nastavitev transformatorskih zaščit vpliva način ozemljitve transformatorskih zvezdišč, ki so lahko: neozemljena, neposredno ozemljena, nizkoohmsko ozemljena, kompenzirana. Okvare na transformatorjih uvrščamo glede na mesto nastanka: okvare navitij, ki nastanejo kot posledica stika med ovoji navitja ene faze, medfaznih stikov, stikov med primarnim in sekundarnim navitjem ter stikov z ozemljenimi deli. Vzroki za nastanek okvar v navitjih so lahko zunanji ali notranji. Med zunanje uvrščamo prenapetosti, preobremenitve in kratke Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 11 od 49

20 stike, ki nastanejo izven transformatorja. Med notranje okvare pa uvrščamo poškodbe na izolaciji, staranje izolacije, slabo stanje izolacijskega olja in izpad hlajenja; okvare izolacijskega olja se odražajo v prekomernem segrevanju, izločanju plinov pri delnih razelektritvah in pri razpadanju olja pri obloku. Novo transformatorsko olje ima v primerjavi s starim večjo absorbcijsko sposobnost, tako da brez velike izgube dielektrične trdnosti absorbira produkte razpadanja. S staranjem transformatorskega olja se absorbcijska sposobnost zmanjšuje, kar močno poslabša izolacijsko trdnost olja, posledica tega pa je večja verjetnost okvar v samih navitjih; okvare na pomožnih napravah so okvare na pločevini, kotlu, dovodih, izolatorjih, hladilnem sistemu in regulacijskih sklopkah. Te okvare imajo večinoma mehanske vzroke. Obravnavamo jih skupaj z osnovnimi zaščitami transformatorja. Zaščite na večjih energetskih transformatorjih delimo na (Grčar, 1999): primarno ali absolutno selektivno zaščito: sem uvrščamo diferenčno, zemljestično in neelektrično Buchholz zaščito, sekundarno ali relativno selektivno zaščito: sem uvrščamo časovno zakasnjeno nadtokovno zaščito, termično in podimpedančno zaščito. Slika 5: Električne okvare transformatorja (Vir: Grčar, 1999, str. 167) NABOR ZAŠČIT TRANSFORMATORJA V HE MARIBORSKI OTOK Zaščite za zaščito transformatorja, ki so vgrajene v HE Mariborski otok, so: zemljestična zaščita 1. stopnje na 110-kilovoltni strani transformatorja, zemljestična zaščita 2. stopnje na 110-kilovoltni strani transformatorja, Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 12 od 49

21 usmerjena zemljestična zaščita 1. stopnje na 10-kilovoltni strani transformatorja, trifazna nadtokovna zaščita na 10-kilovoltni strani, trifazna kratkostična zaščita na 10-kilovoltni strani, trifazna stabilizirana diferenčna zaščita, trifazna nestabilizirana diferenčna zaščita, trifazna nadtokovna zaščita na 110-kilovoltni strani, trifazna kratkostična zaščita na 110-kilovoltni strani ZAŠČITA ZBIRALK V obratovanju elektroenergetskega sistema zbiralke predstavljajo najpomembnejši element pri razdeljevanju električne energije. Kljub majhni dolžini v primerjavi z vodi in kabli pogostost okvar na zbiralkah, ločilnikih, odklopnikih in merilnih transformatorjih ni zanemarljiva. Zaradi vse višjih kratkostičnih moči v visokonapetostnih omrežjih je treba zaradi stabilnega obratovanja izvesti zanesljivo zaščito zbiralk. Posebnost te zaščite je v tem, da se mora sproti in samodejno prilagajati trenutnemu stikalnemu stanju v stikališču. V uporabi je več vrst relejev, ki temeljijo na diferenčnem ali faznoprimerjalnem principu (Grčar, 1999). Iz literature (Prepeluh, Kragelj, & Majcen, 2013) lahko razberemo, da so kriteriji, na osnovi katerih se odločimo za zaščito zbiralk: verjetnost kratkega stika na zbiralkah: več kot je sistemov zbiralk, več je dovodnih in odvodnih polj, večja je možnost okvare, možnost selektivnega odklopa dela zbiralk, ki je v okvari: pri več sistemskih zbiralnicah je možno s pomočjo zaščite izklopiti le del, ki je v okvari, stabilnost sistema: zaradi kratkih izklopnih časov stabilnost sistema ni ogrožena, materialna škoda: škoda, ki je posledica kratkega stika, je bistveno manjša pri izklopnih časih 60 ms kot pa pri časih 600 ms, ki bi bili, če bi izklopili zaščitni rele, v sosednjem stikališču. Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 13 od 49

22 Slika 6: Dvosistemske zbiralke in logične povezave (Vir: Grčar, 1999, str. 193) ZAŠČITA VODOV Zahteve zaščitnih sistemov nadzemnih vodov in kablov se razlikujejo glede na napetostni nivo, topologijo omrežja, način ozemljitve nevtralne točke in funkcijo omrežja. Po napetosti se omrežja delijo na nizkonapetostna do 1 kv in visokonapetostna omrežja, ki jih še dodatno delimo na srednjenapetostna od 1 kv do 35 kv in visokonapetostna od 110 kv navzgor. Po funkciji omrežja delimo na distribucijska, prenosna in interkonekcijska. Glede topologije pa na preprosta oziroma radialna omrežja (to so omrežja, ki so napajana iz ene ali dveh strani), krožna omrežja in zankasta omrežja. Nadzemni vodi in kabli povezujejo med sabo druge elemente elektroenergetskega sistema, zato morajo biti zaščite usklajene z drugimi zaščitami tako, da so v vseh obratovalnih stanjih usklajene z drugimi zaščitami. V vseh obratovalnih stanjih morajo biti zagotovljene zahteve po hitrosti delovanja, zanesljivosti in selektivnosti. Vzroke za nastanek okvar na vodih in kablih lahko razdelimo na: notranje: sem uvrščamo pojav prenapetosti zaradi stikalnih manipulacij in preobremenitve, zunanje: sem uvrščamo atmosferske vplive, onesnaženje izolatorjev, napačne stikalne manipulacije in okvare na stikalni opremi. Nastavljanje zaščit nam otežujejo različne dolžine vodov. Pri zelo kratkih vodih velja, da je impedanca voda mnogo manjša od impedance izvora. V takšnem primeru bomo zelo težko razlikovali med kratkim stikom na začetku oziroma na koncu voda. Z uporabo enostavnih nadtokovnih ali podimpedančnih relejev bomo zelo težko zagotovili potrebno selektivnost. Pri zelo dolgih vodih je impedanca voda mnogo večja od impedance izvora. Kratkostični tok na koncu voda se v tem primeru približuje vrednosti bremenskega toka, kar prav tako otežuje ustrezno nastavitev. Zaradi takšnih primerov je treba v prenosnih omrežjih povezovati zaščite na obeh koncih vodov (Grčar, 1999). Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 14 od 49

23 Slika 7: Okvare na kratkem oziroma dolgem vodu (Vir: Grčar, 1999, str. 196) NABOR ZAŠČIT 110-KILOVOLTNIH DALJNOVODOV V HE MARIBORSKI OTOK Zaščite za zaščito daljnovoda, ki so vgrajene v HE Mariborski otok: distančna zaščita, usmerjena zemljestična zaščita, nadtokovna zaščita, diferenčna zaščita daljnovoda. 4 VLOGA IN POMEN RAZVODA ENOSMERNE IN RAZSMERJENE NAPETOSTI V ELEKTRARNI Vloga razvoda enosmerne napetosti v elektroenergetskih objektih je predvsem v zagotavljanju enosmerne napetosti za delovanje zaščit in odklopnikov, napajanje razsmernikov in zasilno razsvetljavo. Iz literature (Grčar, 1999) je razvidno, da se lahko kljub skrbnemu projektiranju, montaži in vzdrževanju primarne opreme, ki je stalno izpostavljena električnim, mehanskim in termičnim obremenitvam, na njej znatno povečajo nazivne vrednosti. Zaradi vzrokov, ki so lahko zunanji in notranji, lahko v vsakem trenutku pride do okvare na elementih elektroenergetskega sistema. Večina okvar povzroči kratke stike, ki imajo za posledico poškodbe na primarni opremi, izgubo stabilnosti sistema, motnje v dobavi z električno energijo. Zaščitne naprave imajo nalogo, da na osnovi sprotnega nadzora karakteristik naprav izolirajo in izločijo del sistema, ki je v okvari, ter da omejijo posledice okvar na najmanjšo možno mero, pri čemer morajo sprožiti delovanje avtomatike, ki poskrbi za prehod iz motenega v normalno stanje. Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 15 od 49

24 Razvoj sekundarnih sistemov je v zadnjih desetletjih še posebno intenziven. Na razvoj novih generacij zaščit je zelo vplival razvoj elektronike, mikroelektronike, računalništva in informatike. Prve generacije zaščit so bile elektromehanske izvedbe, od koder jim tudi ime relejne zaščite. Relejne zaščite so bile sprva vključene v primarne tokokroge, kasneje pa v sekundarne. V šestdesetih letih prejšnjega stoletja so se pojavili prvi statični releji, ki so jih kmalu zamenjala integrirana analogna in digitalna vezja. Nove statične zaščite so občutljivejše, imajo izboljšano selektivnost in razpoložljivost. Statične zaščite so bile že deloma povezane v informacijski sistem za vodenje in nadzor. V osemdesetih letih so se pojavili prvi numerični releji, ki so danes standardni del ponudbe večjih svetovnih proizvajalcev sekundarne opreme. Takšne zaščite so se pojavile tam, kjer je bila potrebna velika hitrost delovanja. Razlogov za hitro uveljavitev numeričnih zaščit je bilo več: večja prilagodljivost zahtevam naročnika, poenotenje strojne opreme, možnost povezovanja zaščit v informacijski sistem za vodenje in nadzor, povečanje razpoložljivosti zaradi samonadzora, enostavnejše vzdrževanje in servisiranje. Zaščitni sistemi so zasnovani tako, da ščitijo posamezne elemente sistema, kot so generatorji, transformatorji in vodi, ali skupine elementov, kot sta generator v blok stiku s transformatorjem in transformatorska postaja ali del elektroenergetskega sistema. Na izbor zaščite vpliva več kriterijev: zanesljivost, vzdrževanje, pomembnost elementa ali objekta, obstoječa primarna in sekundarna oprema. 4.1 LASTNA PORABA ELEKTRARNE V skladu z literaturo (Smole, 2001) mora lastna poraba v elektroenergetskem objektu zagotavljati zanesljivo, neprekinjeno in stabilno napajanje vseh priključenih porabnikov na izmenični, enosmerni in razsmerjeni napetosti. Primerna stopnja zanesljivosti lastne porabe je bistven pogoj za zanesljivo delovanje naprav na objektu. Sisteme lastne porabe delimo na: sisteme lastne porabe izmenične napetosti: sestavljajo jih napajalni viri splošnega in nujnega napajanja. Vire splošnega napajanja predstavljajo transformacije iz različnih distribucijskih virov napetosti, v elektrarnah iz generatorskih zbiralk in odcepov. Osnovna zahteva za splošne vire je poleg zanesljivosti še njihova neodvisnost; sisteme lastne porabe enosmerne napetosti: služijo zanesljivemu napajanju naprav z enosmerno napetostjo, običajno ene ali različnih napetosti, odvisno od objekta in naprav, ki jih napajajo. V večini primerov gre za sisteme, sestavljene iz enega ali dveh usmernikov, ene ali dveh baterij in glavnega Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 16 od 49

25 razdelilca. Možnosti povezav med usmerniki in baterijami so lahko različne, odvisno, katere elemente želimo nadomestiti. Sistem mora zagotoviti napajanje tudi v primeru izpada katerega izmed elementov; sisteme lastne porabe razsmerjene napetosti: služijo za neprekinjeno napajanje porabnikov z običajno enofazno izmenično napetostjo. Običajno jih sestavljajo napajani razsmerniki iz enosmernega sistema z avtomatskim obhodnim stikalom in glavni razdelilec. V skladu z literaturo (Taljan, Dover, Klasinc, & Al-Ayoub, 2009) je za predvidljivo, zanesljivo in trajno obratovanje elektrarne izrednega pomena dobro napajanje njenih vitalnih naprav in sistemov, še zlasti če elektrarna obratuje brez stalne obratovalne posadke, kar je na Dravskih elektrarnah Maribor večletna praksa. Izvorni vir napajanja elektrarne je izmenična trifazna napetost 0,4 kv, ki zagotavlja pogonsko moč motornim pogonom, pogonom zapornic, drenažam in hidravličnim črpalkam, usmernikom, razsmernikom, razsvetljavi in pogonom za čiščenje turbinskih vtokov. V elektrarni je dopustno le kratkotrajno stanje brez prisotne pogonske napetosti do 10 minut. Daljši izpad, do 20 minut, pomeni motnjo za obratovanje agregatov, izpad nad 30 minut pa pomeni nevarnost ne samo za vitalne sklope, kot so agregati in zapornice, temveč tudi za celotno elektrarno. Pri izpadu pogonske napetosti za več kot 30 minut pride do zaustavitve vseh agregatov, ob še daljšem izpadu pa obstaja nevarnost vdora vode v spodnje ležaje turbin, ogrožanja generatorjev ob naraščanju zgornje vode na jezu ali vdora vode v prostore strojnice, saj je onemogočeno krmiljenje zapornic pretočnih polj. Zato ima vsaka elektrarna več virov pogonske napetosti 0,4 kv, ki so karseda raznoliki, vsi pa morajo biti stalni in zanesljivi. Vsi porabniki izmenične napetosti 0,4 kv so fizično razdeljeni na dve skupini: za nujno lastno porabo in za splošno lastno porabo. V normalnih razmerah, ko je vir za splošno lastno porabo zagotovljen, so brez težav napajani vsi porabniki splošne in nujne lastne porabe, v nasprotnem primeru, torej ko ni vira za splošno lastno porabo, pa dizelski agregat zagotavlja napajanje le nujne lastne porabe. Raznovrstnost virov lastne porabe Več kot imamo raznovrstnih virov zagotavljanja lastne porabe, manjša je možnost trajnega izpada pogonske napetosti v elektrarni. Poznamo dvojne vire za zagotavljanje napetosti za lastno rabo: notranji viri: znotraj elektrarne so to srednjenapetostni odcepi generatorjev, ki so prek odcepnih transformatorjev priključeni na splošno lastno rabo, odcepi generatorjev pa so notranji vir le, ko niso povezani z visokonapetostnim omrežjem. Drugi notranji vir je dizelski agregat, ki je priključen na nujno lastno porabo; Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 17 od 49

26 zunanji viri: zunaj elektrarne so to odcepi srednjenapetostnih stikališč elektrarn, napetostnega nivoja 6 kv in 10 kv, če so ti povezani z visokonapetostnim omrežjem ali distribucijskimi dovodi. Raznovrstnost virov splošne lastne porabe se v praksi izvaja na tri načine: z odcepi srednjenapetostnega stikališča elektrarne: konfiguracija je uporabljena v elektrarnah, v katerih generatorji obratujejo paralelno na skupne SN-zbiralnice, na VN-omrežje pa jih povezuje eden ali več transformatorjev. Napetost na zbiralnicah je stalna in zanesljiva, saj so napajane iz obratujočih generatorjev ali iz VN-omrežja; z odcepi generatorjev pred sinhronizacijskim odklopnikom Q0: takšna izvedba je uporabljena tam, kjer se agregati sinhronizirajo na visokonapetostno stran transformatorja. Srednjenapetostni odcepi so pred sinhronizacijskim odklopnikom. Uporabljen je en odcepni transformator, ki mu preklopna avtomatika zagotavlja vir enega od odcepov obratujočega agregata. Napetost na tem odcepu je nestalna in odvisna od obratovalnega stanja agregatov, za kar se pogosto uporabita dodatna vira iz distribucije 20 kv; z odcepi generatorjev za sinhronizacijskim odklopnikom Q0: takšna izvedba je uporabljena tam, kjer se agregati sinhronizirajo na srednjenapetostni strani transformatorja. Odcepi so izvedeni na SN-strani generatorjev za sinhronizacijskim odklopnikom. Število odcepnih transformatorjev je poljubno, vendar največ toliko, kolikor je generatorjev. Napetost na teh odcepih je stalna in zelo zanesljiva, saj so napajani iz obratujočih generatorjev in VN-omrežja. Lastnosti določenih izvedb neposredno vplivajo na uporabnike teh virov, posredno pa tudi na sekundarno opremo, ki zagotavlja ustreznost preklopov in delovanje zaščit. Treba je opredeliti kriterije vrednotenja virov s stališča uporabe elektrarne v vseh obratovalnih stanjih. V normalnih razmerah je potrebna kvalitativna sodba o napetosti, frekvenci, stalnosti in racionalnosti vira. V izrednih razmerah pa sta pomembni zanesljivost in robustnost vira. Kakovost vira Opredeljujejo jo lastnosti, ki morajo biti v okviru dopustnih toleranc (npr. stalnost, vrednost, oblika napetosti in frekvenca). Po tem kriteriju velja razvrstitev konfiguracij: odcepi srednjenapetostnega stikališča elektrarne, odcepi generatorjev, distribucija in dizelski agregat. Zanesljivost in robustnost vira Ta lastnost je pomembna v izrednih razmerah, ko je število virov omejeno in varnost naprav ogrožena. Po tem kriteriju velja naslednja razvrstitev konfiguracij v smeri Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 18 od 49

27 proti najslabšemu: dizelski agregat (običajno edini vir), odcepi generatorjev, SNpovezava z VN-stikališčem in distribucija. Stalnost vira Stalnost vira je pomembna za nemoteno obratovanje v vsakdanjih razmerah. Nestalen vir je lahko vzrok nepredvidenih okvar v napajanju elektrarne. Pogostost preklopov povečuje verjetnost okvare preklopnih elementov in s tem možnost trajnega izpada vira napajanja elektrarne. Racionalnost vira Povprečna poraba elektrarne je odvisna od števila, moči in pogostosti uporabe večjih porabnikov, od obratovalnega stanja agregatov (zagoni/zaustavitve obratovanje) in od letnega časa (ogrevanje/hlajenje). Po tem kriteriju velja razvrstitev: odcepi generatorjev ali odcepi srednje napetosti iz stikališča in dizelski agregat. 4.2 VIRI LASTNE PORABE ELEKTRARNE Iz referata (Taljan, Dover, & Kirbiš, 2007) je razvidno, da je pogoj za varno delovanje daljinsko vodene elektrarne zagotavljanje neprekinjene 220 V izmenične in 220 V enosmerne napetosti ter pogonske izmenične napetosti 400 V. Vsi vitalni deli procesnih sistemov, kot so krmilniki, primarne zaščite, optični obroč, regulatorji, komunikacijske povezave s centrom vodenja, so povečini dvojno in neprekinjeno napajani iz dveh virov enosmerne in izmenične napetosti. Nekateri viri pogonske napetosti niso neprekinjeni, biti pa mora zagotovljena z največjo možno zanesljivostjo, saj napaja pogone zapornic pretočnih polj, črpalke drenaže, regulacijske črpalke ipd. Napajanje z enosmerno napetostjo V elektrarnah enosmerno napetost 220 V zagotavlja usmernik, ki je napajan z izmenično napetostjo iz nujne lastne porabe elektrarne. Na usmernik je priklopljena stacionarna akumulatorska baterija, ki v primeru izpada napajalnega vira zagotavlja neprekinjeno napajanje z enosmerno napetostjo. Napajanje z razsmerjeno napetostjo Razsmerjena napetost služi za neprekinjeno napajanje pomembnih enofaznih porabnikov izmenične napetosti. V primeru okvare razsmernika ali izpada napajalnega vira izmenične napetosti se izvaja brezprekinitveni preklop na nujno lastno porabo, iz katere se zagotovi izmenična napetost. Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 19 od 49

28 Slika 8: Shema virov neprekinjenih napetosti 220 V (Vir: Referat CIGRE, 2007, ŠK B5/9) Zagotavljanje pogonske napetosti V elektrarnah se pogonska napetost zagotavlja iz več neodvisnih virov, lastnih ali zunanjih. Lastne vire zagotovimo neposredno iz odcepov obratujočih agregatov ali prek srednjenapetostnih odcepov zbiralnic, na katerih obratujejo agregati, v skrajni sili pa iz dizelskega agregata. Zunanji viri so odcepi iz srednjenapetostnih stikališč elektrarne ali neposredni srednjenapetostni distribucijski vodi. Pomembno je, da je v vsakem trenutku zagotovljen vsaj en vir napetosti 400 V. Slika 9: Viri napajanja elektrarne z napetostjo 400 V (Vir: Referat CIGRE, 2007, ŠK B5/9) Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 20 od 49

29 Lastni viri pogonske napetosti Lastni viri pogonske napetosti so izvedeni iz odcepov obratujočih agregatov ali iz srednjenapetostnega stikališča, na katerega so agregati vezani. Vire iz odcepov agregatov preklaplja preklopna avtomatika na en transformator. Ta vir je odvisen od obratovalnega stanja agregatov, ni pa odvisen od razmer zunaj elektrarne. Preklopi med lastnimi in zunanjimi viri se izvajajo vsakodnevno, na primer, ko agregati mirujejo. V primeru, da ni razpoložljiv niti en srednjenapetostni vir, lasten ali zunanji, preklopna avtomatika zagotovi napajanje nujnih porabnikov prek dizelskega agregata. Zunanji viri pogonske napetosti Zunanji viri pogonske napetosti izvirajo iz odcepov srednjenapetostnih stikališč ali srednjenapetostnih distribucijskih virov. Koordinacijo virov zagotavlja preklopna avtomatika, ki po potrebi zažene dizelski agregat. Preklopna avtomatika odcepov agregatov Večinoma zadostuje ena sama preklopna avtomatika, ponekod pa je za zagotavljanje vira potrebna tudi dodatna avtomatika. Delovanje preklopne avtomatike izvaja namenski krmilnik z ustrezno programsko opremo. Njeni nalogi sta nadzor napetosti na generatorskih odcepih in krmiljenje ločilnih odklopnikov odcepnega polja na odcepni transformator lastne rabe. V primeru zaustavitve agregata, ki napaja odcep lastne rabe, bo avtomatika izvedla preklop na odcep obratujočega agregata. Preklopna avtomatika virov Nalogi preklopne avtomatike virov sta nadziranje napetosti posameznih virov 400 V AC in preklop na najustreznejšega. Preklopna avtomatika nadzira: prisotnost napetosti in krmili odklopnik dovoda posameznega transformatorja lastne porabe, prisotnost napetosti na zbiralkah splošne in nujne lastne rabe ter krmili odklopnik vzdolžne ločitve med nujno in splošno lastno porabo, napetost na dizelskem agregatu in skrbi za njegov zagon in zaustavitev. Ob izpadu vseh zunanjih virov napetosti bo prišlo do samodejne ločitve med nujno in lastno porabo ter do zagona dizelskega agregata, ki zagotavlja napetost le nujnim porabnikom. Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 21 od 49

30 Iz referata (Taljan, Dover, Klasinc, & Al-Ayoub, 2009) sklepamo, da preklopne avtomatike morajo izvajati preklope s čim manj preklopi in s kratko breznapetostno pavzo. To dosežemo: z ustreznim delovanjem preklopne avtomatike; s časovno koordinacijo preklopov, ki je nujna za hitro in selektivno preklapljanje brez nepotrebnega vmesnega preklapljanja iz enega vira na drugega in nazaj. To pomeni, da v času preklopov na generatorskih odcepih ni preklopov na splošni lastni porabi vsaj 5 s, šele po tem času pa se izvede preklop v splošni lastni porabi; s selektivno nastavitvijo primarnih zaščit na odcepnih transformatorjih, dovodih in odvodih se preprečujejo nevarna obratovalna stanja v elektrarni, ki nastanejo zaradi okvar na glavnih sekcijah za zagotavljanje lastne porabe; z ustrezno selektivno nastavitvijo prenapetostnih in podnapetostnih relejev, ki so nameščeni pred preklopnimi stikali odcepov, dovodov in dizelskim agregatom ter na glavnih sekcijah splošne in nujne lastne porabe. 4.3 NUJNA LASTNA RABA V skladu z literaturo (Smole, 2001) dizelski agregat v elektroenergetskih objektih v večini primerov predstavlja vir izmeničnega napajanja v primeru izpada napajanja iz splošnih virov. Zaradi večje zanesljivosti napajanja dizelski agregati ne omogočajo sinhronizacije z zunanjim omrežjem, zato je nujno potrebna ločitev nujne lastne porabe od splošne porabe. Z ločitvijo dosežemo omejitev bremena, da pri zagonu ne pride do preobremenitve dizelskega agregata. Za zagon in obratovanje dizelskega agregata skrbi avtomatika, ki se nahaja v omari, običajno v bližini dizelskega agregata. Slika 10: Dizelski električni agregat (Vir: Lasten, 2014) Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 22 od 49

31 Kriterij za določitev velikosti dizelskega električnega agregata Kot je zapisano v literaturi (Obratovalno navodilo, 1999), dizelski agregat napaja: tehnološko lastno porabo vseh treh agregatov, napajanje turbinskih stebrov, razdelilce zapornic pretočnih polj, kompresorje, usmernika, razsmernika, 10- kilovoltne celice, podrazdelilca 110-kilovoltnega daljnovodnega polja. Pri izbiri dizelskega električnega agregata moramo vedeti, kakšne so zahteve v elektrarni, katere potrošnike bi kot nujno lastno rabo napajal dizelski agregat. Zahteve, ki so upoštevane pri izbiri dizelskega agregata v HE Mariborski otok: brez zunanjega vira naj bo dizelski električni agregat sposoben izvesti zagon enega agregata; dizelski agregat naj bi sočasno omogočil pogon dveh zapornic; v obratovanju naj se agregati ne zaustavijo samodejno ob izpadu splošne lastne porabe, ob zagonu dizelskega agregata se izvede redukcija potrošnje. Zaustavitev agregata lahko povzroči le neizpolnjen pogoj, na primer nizek tlak regulacijskega olja; dizelski agregat mora biti sposoben napajati nujno lastno porabo elektrarne v primeru izpada agregata in zunanjih virov napajanja. Dimenzioniranje dizelskega agregata je vezano na trajno obtežbo, posebej kritični pa so zagoni motorjev pri še neobremenjenem dizelskem agregatu. Glede na karakteristike električnih motorjev in sposobnost dizelskega agregata znaša dopusten padec napetosti pri zagonu do 20 %, in sicer pod pogojem, da je sposoben prevzeti najmanj 1,5-kratno nazivno breme. Brez posebnih ukrepov, kot sta odmet bremena in zakasnitev vklopa, bi morali imeti ob danih potrošnikih dizelske agregate izredno velikih moči. Pri zagonu dizelskega agregata se izvede blokada nekaterih potrošnikov in tako ostanejo priključeni le tisti, ki so potrebni za zagon ali zaustavitev agregatov. Istočasno se izvede zakasnjen vklop (2 min) razdelilcev jezovnih naprav. S tem dosežemo, da dobijo razdelilci tehnološke lastne porabe agregata zadostno napetost, ki je potrebna za njihov zagon. Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 23 od 49

32 5 RAZVOD ENOSMERNE IN RAZSMERJENE NAPETOSTI V ELEKTRARNI Na enopolni shemi (slika 11) je prikazan razvod enosmerne napetosti 220 V v HE Mariborski otok, ki ga sestavljajo naslednje naprave in razvodi: dva usmernika proizvajalca Sitel, akumulatorske baterije tipa OPzS s sto členi in desetimi dodatnimi členi, glavna omara enosmerne napetosti z dvema sistemoma, ki jih lahko povežemo z bremenskim stikalom, razvodi v agregatih ter razvod za zaščito elektroenergetskih naprav in signalizacijo. Slika 11: Blok shema usmernika z dodatnim usmernikom in baterijami (Vir: Obratovalno navodilo: Enosmerni razvod HEMO) V omari glavnega enosmernega razvoda sta dva enakovredna sistema, ki ju lahko povežemo z bremenskim stikalom, ki je na vratih omare. Na vsak sistem so priključeni po ena usmerniška naprava s pripadajočo baterijo in osemnajst odcepov z avtomatskimi varovalkami s pripadajočimi diodami. Oba sistema sta v celoti izolirana od zemlje in sta opremljena: z relejem za kontrolo izolacije, ki je prikazan na sliki 13, podnapetostnim relejem, ki nam javlja prenizko napetost na enosmernem razvodu, A-metrom za meritev tokov na dovodu, V-metrom za meritev napetosti in pomožnimi releji za javljanje izpada napetosti na posameznih odvodih glavnega razvoda. Podrazvodi za napajanje agregatov z enosmerno napetostjo in podrazvodi za skupne naprave elektrarne za napajanje 110-kilovoltnih polj, razsvetljavo in zasilno razsvetljavo so dvostransko napajani iz obeh sistemov glavnega razvoda, ki sta v normalnem obratovanju ločena. Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 24 od 49

33 Podrazvodi so opremljeni z dvopolnimi zaščitnimi avtomati in so nadzorovani za izpad napajanja s podnapetostnim relejem. Vsak posamezni usmernik s pripadajočo baterijo napaja svoj glavni razvod. Bremena in podrazvodi so istočasno napajani iz obeh glavnih razvodov. Osnovni izvor napetosti je usmernik, v primeru okvare usmernika pa napajanje prevzameta bateriji. Glavna akumulatorska baterija, ki vsebuje sto celic, je vezana na izhod glavnega usmernika, ki napaja porabnike in polni oziroma vzdržuje akumulatorsko baterijo. Akumulatorska baterija je vedno napolnjena in ob izpadu omrežne napetosti brezprekinitveno napaja porabnike. Dodatna akumulatorska baterija vsebuje deset celic in je povezana z izhodom dodatnega usmernika, ki polni in vzdržuje dodatno baterijo. V primeru izpada omrežne napetosti se porabniki napajajo iz glavne akumulatorske baterije, ko se zniža napetost na porabnikih za 10 % nazivne napetosti, pa se prek kontaktorja v tokokrog vklopi dodatna baterija. Po vrnitvi omrežne napetosti glavni usmernik napaja enosmerne porabnike in polni glavno baterijo, dodatne baterije se izklopijo in se polnijo prek dodatnega usmernika. Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 25 od 49

34 Slika 12: Omara glavnega enosmernega razvoda (Vir: Lasten, 2014) Vgrajena je oprema Bender z naslednjimi komponentami: IRDH575: kontrolnik izolacije, ki generira testne tokovne impulze in izračunava izolacijsko upornost; na osnovi prednastavljenih mej za (ne)ustrezne vrednosti izolacijskih upornosti generira alarme; EDS460 s pripadajočimi merilnimi tokovnimi transformatorji: računske enote, ki locirajo odcep z zmanjšano izolacijsko upornostjo (število enot je odvisno od števila odcepov do dvanajst odcepov na enoto). Izolirani (IT) sistemi se uporabljajo tam, kjer je zahtevan višji nivo varnosti in zanesljivosti delovanja. Če v kateri točki pride do stika z zemljo, sistem še vedno deluje, biti pa moramo na to opozorjeni, ker bi še en stik v drugi točki povzročil izpad. Kontrolo izolacije opravlja kontrolnik izolacije. Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 26 od 49

35 Slika 13: Bender EDS460 (Vir: Slika 14: Bender IRDH575 (Vir: Lasten) 5.1 USMERNIŠKI SISTEM Iz navodil (Sitel, 2002) je razvidno, da je usmernik namenjen za polnjenje klasičnih svinčenih akumulatorskih baterij, ki so sestavljene iz glavne in nadomestnih baterij, ter za vzdrževanje baterij v napolnjenem stanju in istočasno napajanje porabnikov v sistemih brezprekinitvenega napajanja. Usmernik se lahko uporablja samostojno ali z dodatnim usmernikom, ki skupaj tvorita pasivno rezervo. Usmernik skupaj z baterijo in razsmernikom tvori sistem brezprekinitvenega napajanja. Usmernik RU380T220100SB je zgrajen v dvanajstimpulzni tehniki usmerjanja izmenične napetosti. Izhodna karakteristika je IU-karakteristika, ki je regulirana in Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 27 od 49

36 stabilizirana na tokovnem in napetostnem nivoju polnjenja akumulatorske baterije. Avtomatski preklop izhodne karakteristike deluje na principu merjenja toka v akumulatorski bateriji. Merilnike toka vgrajujemo v plus ali minus priključek akumulatorske baterije, nameščen pa je lahko v samem usmerniku ali zunaj njega. Usmernik RU380T220100SB je vgrajen v kovinskem ohišju. Na sprednji strani usmernika so vhodne in izhodne priključne sponke, sponke za medsebojno povezavo ter sponke za signalizacijo usmernika to imenujemo vhodno-izhodni panel. Na vhodno-izhodnem panelu so nameščeni močnostne varovalke, mrežni kontaktor in merilnik toka za akumulatorsko baterijo. Na vratih omare so vgrajeni merilni instrumenti, stikalo za vklop/ izklop, stikalo za preklop V-metra in signalne svetilke delovanja, vsi drugi upravljalni elementi so nameščeni na stikalnem panelu in so dostopni le pri odprtih vratih na omari. Na stikalnih panelih so nameščeni tudi varovalni elementi za zaščito pomožnih tokokrogov in naprava za zvočni signal. Na krmilnem panelu je nameščena glavna krmilna enota, na kateri lahko s pomočjo svetlečih diod spremljamo stanje usmernika. Druga krmilna vezja so enostavno dostopna in so zakrita s krmilnim panelom. Sistem se uporablja za napajanje porabnikov, ki dovoljujejo napetostna odstopanja ±10 % od nazivne enosmerne napetosti. Glavna akumulatorska baterija, ki vsebuje sto celic, se veže na izhod glavnega usmernika, vzporedno pa se veže tudi porabniški izhod. Napetost na porabnikih je enaka napetosti glavne baterije oziroma izhodni napetosti glavnega usmernika. Glavni usmernik napaja porabnike enosmerne napetosti in polni oziroma vzdržuje glavno akumulatorsko baterijo, ki je v normalnem obratovanju popolnoma napolnjena in mora ob izpadu napajalne napetosti brezprekinitveno napajati porabnike. Nadomestne baterije, ki vsebujejo deset celic, se vežejo na izhod dodatnega usmernika, ki polni oziroma vzdržuje nadomestno baterijo. V primeru izklopa ali izpada omrežne napetosti se porabniki napajajo iz glavne akumulatorske baterije, ko pa se ta do določene meje izprazni, se v tokokrog vklopi tudi dodatna baterija. Po vrnitvi omrežne napetosti glavni usmernik napaja enosmerne porabnike in polni glavno baterijo, dodatne baterije pa se izklopijo in nato polnijo prek dodatnega usmernika. Regulacija izhodne napetosti in toka na usmerniku je izvedena s kaskadnim regulatorjem, ki ga sestavljajo zunanja napetostna zanka in notranji tokovni zanki. Napetostna zanka vzdržuje in polni akumulatorske baterije, tokovna pa skrbi za omejitev izhodnega toka in polnilnega toka akumulatorske baterije. Hitrejši podrejeni regulacijski zanki zagotavljata stabilizacijo toka, nadrejena počasnejša zanka pa stabilizacijo izhodne napetosti in mehki zagon usmernika pri spremembah omrežne Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 28 od 49

37 napetosti in obremenitve. Velikosti vhodne napetosti in toka se nastavljata s potenciometri na krmilnem vezju. Regulator omogoča avtomatski preklop izhodne karakteristike na polnilni ali vzdrževalni nivo. Vhod in izhod usmernika sta zaščitena s taljivimi varovalkami velikosti 125 A, pri čemer imata izhodni varovalki vgrajen kontakt za daljinsko signalizacijo v primeru izklopa varovalke. Varovalka iz obratovanja trajno izklopi usmernik, tudi v primeru prevelikega odstopanja omrežne napetosti, na primer za U n 15 % U n ali U n + 10 % U n, in izpada ene ali več faz. Na sliki 15 je prikazan princip delovanja usmerniškega sistema ob izpadu omrežne napetosti: področje I: glavni usmernik napaja porabnike prek diode D1 in skupaj z dodatnim usmernikom vzdržuje akumulatorsko baterijo s stabilno napetostjo; področje II: ob izpadu omrežne napetosti napajanje porabnikov prevzame akumulatorska baterija prek diode D2; področje III: ko se na porabnikih zniža napetost na U n 10 % U n, to pritegne kontaktor K in porabnike nato napaja celotna akumulatorska baterija. Najnižja napetost akumulatorske baterije je odvisna od vrste baterije; področje IV: ob vrnitvi omrežne napetosti glavni usmernik priklopi časovni rele na napetostni nivo polnjenja. Oba usmernika, glavni in dodatni, napajata porabnike in polnita akumulatorsko baterijo; področje V: ko doseže izhodna enosmerna napetost U n + 10 %, se izklopi kontaktor K. Porabnike napaja le glavni usmernik prek diode D1 in skupaj z dodatnim usmernikom polni akumulatorsko baterijo. Tok porabnikov in akumulatorske baterije omejuje I-karakteristika glavnega usmernika; področje VI: ko doseže izhodna enosmerna napetost velikost 2,4 V/celici, omejuje napetost akumulatorske baterije U-karakteristika glavnega usmernika; področje VII: ko poteče nastavljen polnilni čas, napaja porabnike glavni usmernik prek diode D1 in z dodatnim usmernikom vzdržuje akumulatorsko baterijo s stabilizirano napetostjo. Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 29 od 49

38 Slika 15: Področja usmernika (Vir: Obratovalno navodilo: Enosmerni razvod HEMO) 5.2 AKUMULATORSKE BATERIJE Iz literature (Lenardič, 2012) razberemo, da akumulatorske baterije služijo kot shranjevalniki energije, ki jo porabimo takrat, ko nam izpadejo drugi viri napajanja. Najpogosteje so uporabljene svinčene akumulatorske baterije. Izdelane so kot baterije s tekočim ali pa s trdnim elektrolitom 1. Svinčene baterije so v osnovi enako zgrajene kot avtomobilske akumulatorske baterije, le da so svinčene plošče debelejše, vsebujejo pa tudi dodatke, kot sta selen in antimon. To baterijam omogoča dolgotrajno ciklično delovanje in boljše praznjenje. Baterije s trdnim elektrolitom so različnih izvedb. Najpogostejši izvedbi baterij sta AGM 2 in baterije z želatinastim elektrolitom gelom 3. Druge vrste akumulatorskih baterij so litij-ionske baterije, nikelj-kadmijeve baterije, nikelj-železove baterije, srebro-cinkove baterije in natrij-žveplove baterije. V praksi se poleg svinčenih največ uporabljajo še litij-ionske baterije, druge pa se uporabljajo le za posebne namene, kot je uporaba v satelitih in laboratorijih. Akumulatorske baterije, ki jih je mogoče ponovno polniti, imenujemo sekundarne baterije, baterije, ki ponovnega polnjenja ne omogočajo, pa primarne baterije. Glavni nalogi akumulatorskih baterij sta shranjevanje energije in zmožnost pogostega praznjenje Akumulatorske baterije tipa OPzS 1 Tekoči elektrolit v svinčenih akumulatorskih baterijah je razredčena (30 %) žveplova kislina H 2SO 4. 2 AGM je mikroprozoren material, ki služi kot shramba za elektrolit, hkrati pa ločuje pozitivno in negativno elektrodo. 3 Gel je mešanica žveplove kisline in mikrosilike (SiO 2 je v obliki finega prahu). Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 30 od 49

39 V HE Mariborski otok se uporabljajo, kot je opisano v literaturi (Obratovalno navodilo, 2006), akumulatorske baterije tipa OPzS, ki jih imenujemo tudi stacionarne baterije in so namenjene napajanju nujne lastne rabe z enosmerno napetostjo pri izpadih omrežne napetosti v elektrarnah. Za pravilno delovanje akumulatorskih baterij jih je treba redno kontrolirati in vzdrževati. Kontrole in preglede je treba izvajati v določenem časovnem obdobju izvaja se mesečna, trimesečna in letna kontrola. Pri vseh kontrolah je treba voditi evidenco in merilne protokole, ki jih je treba arhivirati. Mesečni pregled je pregled, pri katerem je treba izmeriti napetost celotne baterije, na 10 % vseh baterij pa je treba izmeriti napetost in specifično gostoto elektrolita celic, ki mora biti v predpisanih mejah, kot jih določa proizvajalec. Pri pregledu je treba preveriti še: ventilacijo baterijskega prostora, ki mora delovati neprekinjeno, meritev temperature baterijskega prostora, ki mora biti 20 C ± 5 C, kontrola tesnosti posod in lovilcev možen izliv elektrolita, kontrola nivoja elektrolita v celicah, čiščenje, pri čemer uporaba detergentov ni dovoljena. Trimesečni pregled je pregled, pri katerem je treba izvesti meritev napetosti in specifične gostote elektrolita na vseh akumulatorskih baterijah. Dodatno je treba izvesti še: pregled medceličnih povezav in po potrebi pritegniti posamezne spoje, pregled spojev zaščititi spoje z antikorozivno pasto, po potrebi dolivanje elektrolita. Letni pregled: pri letni kontroli se kontrolira dejanska kapaciteta akumulatorske baterije s preizkusom. Pred začetkom izvedbe preizkusa kapacitete baterije mora biti ta priključena na usmerniško napravo in predhodno ne sme biti praznjenja dvainsedemdeset ur. Pri testu baterije moramo upoštevati temperaturo okolice in praznilni tok. Proizvajalci podajajo kapaciteto pri 25 C in praznjenju z deseturnim tokom (Obratovalno navodilo, 2006). Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 31 od 49

40 Slika 16: Stacionarne akumulatorske baterije tipa OPzS (Vir: Lasten) RAZSMERNIŠKI SISTEM Iz literature (Lenardič, 2012) razberemo, da je naloga razsmernikov preoblikovati vhodne enosmerne veličine (napetost, tok) v izmenične izhodne veličine. Zaradi stikalnega načina delovanja mora razsmernik ustrezati strogim merilom, določenim po veljavnih standardih, ter zagotavljati kakovosten izhodni signal in ustrezno frekvenco. Dobri razsmerniki v širokem območju vhodnih napetosti delujejo v načinu MPP 4, ki omogoča dobro in učinkovito delovanje razsmernika ter s tem največjo pretvorjeno moč v obsegu vhodne napetosti. Glede na način delovanja delimo razsmernike na razsmernike z linijsko komutacijo in na razsmernike z lastno komutacijo. Linijsko komutirani razsmerniki so se uporabljali v velikih sistemih, danes pa so jih nadomestili razsmerniki z lastno komutacijo. Osnovni stikalni element linijsko komutiranega razsmernika je tiristor, ki za izklop potrebuje ustrezen zunanji impulz. Takšen usmernik pri izpadu omrežja ne deluje. Izhodni signal je pravokoten impulz, ki ga je treba filtrirati z nizkopasovnim sitom na izhodu. Pri boljših razsmernikih je generiranje krmilnih signalov izvedeno s pomočjo mikroprocesorjev, ki imajo ustrezne zakasnitve vžigov tiristorjev. Razsmerniki z lastno komutacijo za svoje delovanje ne potrebujejo omrežnega impulza sem spada večina sodobnih razsmernikov. Njihova prednost je višja stikalna frekvenca, slabost pa velika izguba moči pri visokih frekvencah. Visokofrekvenčno preklapljanje lahko v veliki meri reducira višje harmonske komponente v izhodnem signalu, kar zniža ceno naprave, slaba stran pa je večja 4 MPP (Maximum Pover Point) je način delovanja razsmernika, pri katerem je izkoristek moči največji, ne glede na spremenljive vhodne napetosti. Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 32 od 49

41 izguba moči. Nekateri razsmerniki imajo kot stikalne elemente že vgrajene tranzistorje iz silicijevega karbida, raziskuje pa se tudi galijev nitrid. Izguba moči pri razsmernikih z lastno komutacijo je zanemarljivo majhna. Visoke frekvence preklapljanja povzročajo pri teh razsmernikih visokofrekvenčne motnje. Odpravljanje motenj oziroma njihovo zmanjševanje je ena od glavnih težav razvoja. Razsmerniki z lastno komutacijo za razliko od komutiranih lahko delujejo tudi neodvisno od omrežja. Pri preklopu na omrežje morata biti frekvenci izhodnega signala razsmernika in omrežja sinhronizirani na frekvenco 50 Hz. 5.3 ELEKTRIČNI PARAMETRI RAZSMERNIKOV Razsmerniški sistem služi za neprekinjeno napajanje naprav v elektrarni z izmenično napetostjo 230 V in 50 Hz. Sestavljata ga dva modularna razsmernika z močjo 7,5 kva proizvajalca SITEL, ki se napajata istočasno iz enosmernega sistema 220 V DC. Oba razsmernika sta opremljena z elektronsko sklopko za brezprekinitveni preklop porabnikov na nujno lastno rabo elektrarne. Razsmerniški sistem v elektrarni napaja predvsem računalnike in nekatere pretvornike. (Obratovalno navodilo, 1999) V obratovalnih navodilih (SITEL, 1999) je zapisano, da neprekinjeno izmenično napajanje zagotavlja razsmeriški sistem, ki je izdelan v modulni tehniki. Osnovni element sistema je razsmerniški modul MSI 220 2,5 kva z nazivno močjo 2,5 kva in je visokofrekvenčni pretvornik za spreminjanje enosmerne v izmenično napetost frekvence 50 Hz. Moč razsmerniškega sistema se povečuje z vzporedno gradnjo modulov. V omari je poleg razsmerniških modulov vgrajeno by-pass stikalo, ki omogoča brezprekinitvene preklope med mrežnim napajanjem in napajanjem porabnikov z razsmerjeno napetostjo. By-pass stikalo ima funkcijo ročnega delovanja, kar omogoča neprekinjeno napajanje med servisnimi posegi na sistemu. 5.4 NADZOR RAZVODA ENOSMERNE IN RAZSMERJENE NAPETOSTI Nadzorni sistem v HE Mariborski otok sestavlja interni 12 V napajalnik z dodatnima baterijama za zagotavljanje napetosti v primeru izpada omrežja. Nadzorna enota Ncon z vmesniki je povezana z modemom, ki je povezan z ethernet omrežjem. Vsaka enota, ki jo želimo nadzirati, ima vgrajen vmesnik, ki je z nadzornim sistemom povezan z RS485-komunikacijo. Posamezni vmesnik ima nalogo zajemanja potrebnih merilnih veličin in posameznih stanj nadzorovanih naprav v Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 33 od 49

42 vseh obratovalnih stanjih. V primeru okvare vmesnika dobimo javljeno napako vmesnika v nadzorni sistem enosmernega in razsmerjenega razvoda Dravskih elektrarn Maribor. Nadzorni sistem nadzoruje delovanje tiristorskih usmernikov in razsmernikov. Nadzoruje tudi stanja v omari enosmernega in razsmerjenega razvoda. Nadzorna enota Ncon skrbi za celotno delovanje nadzornega sistema za polnjenje dveh 12 V baterij, ki zagotavljata nemoteno delovanje nadzornega sistema. Ncon meri in nadzira vhodno napajalno napetost 230 V ter meri temperaturo v omari. Osnovna namena nadzorne enote Ncon sta komuniciranje z vmesniki, ki so vgrajeni v napravah, in obdelava podatkov, ki jih nato prek modema pošlje v lokalno omrežje, kjer lahko spremljamo delovanje celotnega nadzornega sistema in stanje posameznih naprav (Sitel, 2011). 5.5 NADZOR DELOVANJA USMERNIKOV Vmesnik, ki je vgrajen v usmernik, nam omogoča nadzor nad vhodnimi in izhodnimi veličinami usmernika. Z njim merimo velikost mrežne napetosti ter napetost glavnega in pomožnega usmernika po posamezni fazi. V primeru previsoke ali prenizke vhodne napetosti dobimo alarmno stanje. V tabeli 1 so prikazane velikosti napetosti, ki so pogoj za alarmno stanje. Z vmesnikom merimo tudi izhodne tokove glavnega in pomožnega usmernika, alarmno stanje pa se pojavi, ko se preseže maksimalen nivo toka, in v primeru okvare, ko tok ne teče. Zaradi možnega pregrevanja posameznih delov usmernika merimo temperaturo na posameznih delih usmernika in temperaturo okolice, ki mora biti skupna za vse naprave v tem prostoru. Alarmno stanje se vzpostavi, ko je presežena najvišja ali najnižja temperatura (Sitel, 2011). NAPETOST POSAMEZNE FAZE L1, L2, L3 [V] NIZKA NAPETOST [V] VISOKA NAPETOST [V] pri 195 pri 254 pri 120 Tabela 1: Mejne vrednosti delovanja usmernika (Vir: Sitel, 2011, str. 21) 5.6 NADZOR DELOVANJA RAZSMERNIKOV IZPAD POSAMEZNE FAZE [V] Vmesnik, ki je vgrajen v omari razsmernika, nam omogoča meritev vhodnih in izhodnih veličin razsmerniškega sistema. Pri vhodnih meritvah ugotavljamo velikost Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 34 od 49

43 vhodne enosmerne napetosti iz prvega in drugega dovoda ter velikost izmenične napetosti in toka na vhod by-pasa. Na izhodu pa merimo izhodno napetost, tok razsmernikov in skupni izhod iz razsmerniške omare, ki je vezan na glavni razvod razsmerjene napetosti. Za kontrolo temperature imamo v omari vgrajene temperaturne senzorje (Sitel, 2011). 5.7 NADZOR AKUMULATORSKIH BATERIJ 220 V= Vmesnik za nadzor baterij 220 V= je vgrajen v baterijski omarici ter nam omogoča nadzor nad baterijami in izklopom varovalk v baterijski omarici. Meritev baterije je razdeljena na štiri dele po petindvajset celic, dodatne baterije pa na dva dela po pet celic. Poleg šestih meritev napetosti na posamezni bateriji merimo tudi skupni tok baterije. Pri visoki ali nizki napetosti nam vmesnik javlja napako. V baterijskem prostoru imamo vgrajen temperaturni senzor za nadzor temperature v prostoru. (Sitel, 2011) 5.8 NADZOR DELOVANJA ENOSMERNEGA RAZVODA Vmesnik za nadzor je vgrajen v omari enosmernega razvoda ter nam omogoča merjenje napetosti in toka na obeh vhodih. Javljanje napake poteka ob nizki in visoki napetosti. V sami omari spremljamo tudi temperaturo (Sitel, 2011). 5.9 NADZOR DELOVANJA RAZSMERJENEGA RAZVODA Vmesnik za nadzor je vgrajen v omari glavnega razsmerjenega razvoda ter nam omogoča tako nadzor posameznega vhoda mrežne in razsmerjene napetosti kot tudi izhoda proti porabnikom, merimo pa tudi skupni tok porabnikov, ki so priključeni na omaro razsmerjenega razvoda. V sami omari merimo tudi temperaturo (Sitel, 2011). 6 IZVEDBA IN IZRAČUN GLAVNEGA RAZVODA ENOSMERNE NAPETOSTI V HE MARIBORSKI OTOK 6.1 ZAMENJAVA OMARE ENOSMERNEGA RAZVODA Glavni razvod enosmerne napetosti je napajan iz usmerniškega sistema, ki je priključen na nujno oziroma splošno lastno porabo, in iz akumulatorskih baterij. Iz glavnega razvoda so napajani podrazvodi, ki napajajo porabnike enosmerne napetosti. Omara glavnega enosmernega razvoda je v prostoru lastne porabe Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 35 od 49

44 elektrarne, kjer je tudi usmerniški sistem, medtem ko so akumulatorske baterije v kletnih prostorih elektrarne. Pri zamenjavi se je stara omara enosmernega razvoda popolnoma odstranila in se nadomestila z novo. Z novimi so bili zamenjani vsi zaščitni elementi, stikala ter kazalniki napetosti in toka. Kabelske povezave do podrazvodov in porabnikov so ostale nespremenjene. Pred začetkom del je treba zagotoviti breznapetostno stanje v omari glavnega enosmernega razvoda. Z izklopom napajanja povzročimo nedelovanje vseh zaščit in odklopnikov ter izpad signalizacij elektrarne. Da se izognemo morebitnim okvaram, izklopimo vse agregate in transformatorje v elektrarni ter nujno lastno rabo zagotavljamo z dizelskim agregatom. Ta deluje kot vir energije za morebitno evakuacijo vode čez pretočna polja. Vse izklope izvede obratovalna skupina po navodilih koordinatorja del in po naslednjem vrstnem redu: zaustavitev vseh treh agregatov, izklop obeh transformatorjev lastne porabe, kar ima za posledico zagon dizelskega agregata in tako napajanje nujne lastne porabe z njim, izklop obeh energetskih transformatorjev, zagotovitev varne zaustavitve oprema procesnega vodenja, zagotovitev varne zaustavitve vseh zaščitnih relejev, zagotovitev varne zaustavitve vse procesne opreme vzbujalnih sistemov, krmilnikov pomožnih sistemov in vodostajev, zagotovitev varne zaustavitve telekomunikacijskih naprav, izklop obeh razsmernikov, izklop stikal za povezavo z usmerniškim sistemom in akumulatorskima baterijama, izvlek varovalk za povezavo z akumulatorskima baterijama, izklop obeh usmernikov, izklop stikal za napajanje usmernikov iz splošne in nujne lastne porabe, preveritev breznapetostnega stanja na vseh porabnikih enosmerne napetosti. Po opravljenih stikalnih manipulacijah in zagotovitvi breznapetostnega stanja se lahko začnejo dela za zamenjavo omare. Najprej se iz omare odklopijo vsi dovodni in odvodni kabli, ki se morajo sproti označevati, da ne pride do zamenjave pri njihovem priklopu. Ko so vsi kabli odstranjeni, se odstrani stara omara in se na isto mesto namesti nova omara. Pri prevezavi odvodnih in dovodnih kablov sta potrebna sprotno preverjanje pravilnosti polaritete in označevanje kablov. Po končani Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 36 od 49

45 prevezavi se začne potek vklopa nove omare za glavni enosmerni razvod, in sicer po naslednjem vrstnem redu: vklop stikal za napajanje usmerniškega sistema iz splošne in nujne lastne rabe, vstavitev varovalk za povezavo z akumulatorsko baterijo 1, vklop usmernika 1, vklop stikala v omari enosmernega razvoda za povezavo usmernik 1 akumulatorska baterija 1, vstavitev varovalk za povezavo z akumulatorsko baterijo 2, vklop usmernika 2, vklop stikala v omari enosmernega razvoda za povezavo usmernik 2 akumulatorska baterija 2, posamezni vklop odvodov z instalacijskimi odklopniki vzporedno iz sistemov 1 in 2; ob vsakem vklopu se preveri napetost na porabniku, zagon opreme procesnega vodenja, zagon zaščitnih relejev, zagon vse procesne opreme vzbujalnih sistemov, krmilnikov pomožnih sistemov in vodostajev, zagon telekomunikacijskih naprav, preverjanje signalizacije na SCADI. Po preverjanju delovanja vseh naprav porabnikov enosmerne napetosti se lahko v elektrarni vzpostavi normalno obratovalno stanje. V času zamenjave je v elektrarni prisotna obratovalna skupina, ki skrbi za nadzor nivoja vode in vdorov vode v spodnje vodilne ležaje agregatov ter spremlja delovanje dizelskega agregata. Z zamenjavo omare za enosmerni razvod elektrarne se izboljša zanesljivost neprekinjenega zagotavljanja enosmerne napetosti, kar neposredno vpliva na nemoteno delovanje celotne elektrarne. Z novimi so tako zamenjani vsi instalacijski odklopniki in vsa bremenska stikala, kar še dodatno pripomore k varnejšemu rokovanju z enosmerno napetostjo v primeru okvar in pri stikalnih manipulacijah v času polnjenja in praznjenja akumulatorskih baterij. Dodatno so vgrajeni tudi kontrolniki izolacije, s čim se doseže višji nivo varnosti in zanesljivosti delovanja. 6.2 IZRAČUN GLAVNEGA RAZVODA ENOSMERNE NAPETOSTI Za izračun zaščitnih naprav, ki ščitijo porabnike in električne vodnike oziroma kable, morajo biti upoštevani veljavni tehnični predpisi in SIST-standardi za električne instalacije in opremo. Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 37 od 49

46 Pri dimenzioniranju dovodnih kablov za potrebe enosmerne napetosti na hidroelektrarni so upoštevani naslednji pravilniki in tehnične smernice: Pravilnik o projektni dokumentaciji (Uradni list Republike Slovenije, št. 55/2008), Pravilnik o zahtevah za nizkonapetostne električne instalacije v zgradbah (Uradni list Republike Slovenije, št. 41/2009), Tehnična smernica TSG-N-002:2009 Nizkonapetostne električne instalacije. Za izvedbo kontrole zaščite pred preobremenitvijo morata biti upoštevana dva pogoja: 1. pogoj: I b I n I z, 2. pogoj: I 2 1,45 x I z oziroma I n 1,45 x I z / k. Faktor k je za instalacijske odklopnike 1,45, za taljive varovalke 6 10A 1,9, za taljive varovalke 16 A in več pa 1,6. Faktor istočasnosti: je razmerje med konično močjo razdelilnika in priključno močjo posameznih porabnikov ali vsoto koničnih moči pripadajočih podrazdelilnikov, dobimo ga z analizo obremenitev porabe ali pa pridobimo podatke za posamezne vrste porabnikov iz priročnikov. Večje kot je število porabnikov, nižji je faktor istočasnosti. f i = Pk ΣPi = Pk ΣPki fi faktor istočasnosti Pk konična moč odjemalca (W) Pi instalirana priključna moč porabnikov (W) Pki konična moč pod razdelilnika Kot je opisano v literaturi (Stravs), je vsaka zaščitna naprava izdelana za določeno nazivno moč in določen nazivni tok. Kratkostični tokovi lahko zaradi povečane termične preobremenitve trajno poškodujejo zaščitno napravo. V zadnjem času se pri instalacijah v zgradbah večinoma uporabljajo instalacijski odklopniki. Namen instalacijskih odklopnikov je zaščita porabnikov in vodov pred preobremenitvami in kratkimi stiki. Izdelujejo se kot enopolni za napetost 220 V in kot večpolni za napetost 400 V. Instalacijski odklopnik ima dva sprožilnika: elektromagnetnega, ki deluje na principu elektromagnetne sile in izklaplja napravo v primeru kratkostičnega Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 38 od 49

47 toka in bimetalnega, ki deluje pri preobremenitvah. Izklopna karakteristika mora upoštevati obremenilno karakteristiko za vodnik I z, to je dopustni trajni tok vodnika, ki je odvisen od preseka vodnika in načina polaganja kabla, kar je razvidno v tabeli 2. Instalacijski odklopniki se izdelujejo v izvedbah: B-tip, ki je namenjen predvsem za zaščito vodov, C-tip, ki ga uporabljamo za zaščito instalacijskih vodov in porabnikov z večjimi zagonskimi tokovi, in D-tip, ki ga uporabimo za zaščito naprav z zelo velikimi vklopnimi tokovi. Bimetalni sprožilniki instalacijskih odklopnikov morajo izklopiti napravo znotraj mej 1,11 1,45 x I n, in sicer med obema krivuljama, kot je razvidno na sliki 16. Elektromagnetni sprožilnik pa kot mnogokratnik nazivnega toka glede na tip instalacijskega odklopnika: B-tip: (3 5) x I n C-tip: (5 10) x I n D-tip: (10 20) x I n Selektivnost zaščitnih naprav pomeni, da so varovalke in instalacijski odklopniki dimenzionirani tako, da se ob okvari najprej aktivira zaščitni element, ki je najbližji mestu okvare in ima najnižjo nazivno vrednost. Za čim boljšo selektivnost je treba varovalke, ki so vezane zaporedno, določiti tako, da se velikostni vložki varovalk razlikujejo za faktor 1,6, pri čemer upoštevamo časovno-tokovne karakteristike. Slika 17: Izklopna karakteristika instalacijskega odklopnika (Vir: ftp.scv.si eki-2.sklop) Leon Samogy: Zaščitni sistemi in sistemi brezprekinitvenega napajanja v hidroelektrarni Stran 39 od 49