Figura 1.1. Sistemul energetic național1 [306311]

Capitolul 1. Introducere

Energia electrică fiind folosită in cele mai diverse sectoare ale activității umane implică prezența a trei procese de bază: [anonimizat]. Producerea energiei electrice are loc prin transformarea altor forme de energie (termică, hidraulică, nucleară, chimică, mecanică, solară)

[anonimizat] (energie de alimentare) în alta formă de energie (mecanică, tehnică, etc.) în scop util. Energia electrică este transportată de la locul de producere (sursă) [anonimizat].

Sistemul electroenergetic (SEE) [anonimizat], distribuție si utilizare a [anonimizat], începând cu generatorul din centrala electrică și terminând cu ultimul receptor din rețeaua natională.

Figura 1.1. Sistemul energetic național[1]

4

Figura 1.1. Harta linilor de inalta tensiune din Romania

Cap 2. Considerații Teoretice

2.1 Principiul de funcționare a sistemului energetic national

Energia electrică constituie forma de energie prrin utilizarea căreia s-a [anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat]. A aparut necesitatea realizării unor instalații electrice care sa transmita energia electrică produsă în centralele electrice tuturor consumatorilor indiferent de marimea și amplasamentul lor. [anonimizat] (aeriene și subterane) și din stații electrice care toate acesteea constituie o rețea electrică.

[anonimizat], [anonimizat], [anonimizat] .

Sistemul electroenergetic national (SEEN) este un sistem format din surse (centrale electrice) [anonimizat].

Dezavantajele sistemului energetic este că energia electrică nu poate fi stocata la nivel național ca urmare trebuie sa existe un echilibru permanent între producție și consum.

2.2 Ce reprezintă o Stație Electrică

În prezent in sistemul energetic national legatura dintre sursele de energie electrica și consumatori este asigurată de instalațiile de transport si distribuție a [anonimizat] (LEA), și linii electrice subterane (LES).

Figura 2.2.1 Linie electrica aeriana LEA

Figura 2.2.2 [anonimizat] a [anonimizat]sită protecții suplimentare pentru inter-conectarea stațiilor electrice și pentru a nu destabiliza sistemul energetic national. Se pot transporta între 0-400kV.

Liniile electrice subterane sunt cele mai folosite deoarece nu aglomerează spațiile aeriene și nu reprezintă un pericol de electrocutare directă, au o siguranță mare în exploatare dar sunt scumpe si greu accesibile pentru a face mentenanță asupra cablurilor electrice, sunt tot mai folosite în cazul legaturilor submarine, în aeroporturi, sub caile ferate.

Prezența stațiilor electrice în sistemul national este necesară din urmatoarele considerente:

-asigură transportul de energie electrică la distanțe mari, din zonele de producere a energiei electrice până în zonele de consum, transportul fiind estențial pentru a diminua pierderile electrice la transport și pentru a menține un flux constat de energie pentru consumatori fără a fi pertubat.

-acceptă diferența dintre tenisunea nominală a surselor de energie și cea a consumatorilor, diferența dintre puterea transportată și cea solicitată individual de către receptoare.

Stațile electrice fiind o parte a unei rețele electrice de joasă, medie, sau înaltă tensiune, cu tensiune de la 0-la 400kV în sistemul national energetic este concepută în general cu capetele unei linii electroenergetice de transport sau distributie, echipamente electrice primare și secundare, clădiri și eventual transformatoare electrice, care servește la transportul și distribuția energiei electrice, ia face posibilă ridicarea tensiunii electrice pentru transmisie iar în capătul opus face posibilă coborarea acesteia pentru consumul energiei electrice de către beneficiari fie persoane fizice sau industrie , mențin continuitatea alimentării cu energie electrică și calitatea acesteia.

Fig 2.2.3. Stație electrică de transformare

Fig 2.2.4. Stație electrică de transport

2.3 Asamblul unei stați electrice

Se numeste stație electrică un asamblu de instalații electrice și de construcții anexe în care se realizează cel puțin unul dintre urmatoarele funcții:

-Distribuirea/Transportul energiei produse în centralele electrice, parcuri fotovoltaice, parc eolian;

-conexiunea a cel putin o linie electrică in vederea transportului de putere (stație de transfer);

-echipamente care iau parte directă la transferul de energie electrică sau ajută la acest transfer precum si transportul energiei la consumator, ceea ce se numesc echipamente primare;

-echipamente care ajută indirect la transferul de energie electrică, dar cu ajutorul cărora se efectuează comanda și controlul echipamentelor primare acestea se numesc echipamente secundare.

Din cadru echipamentelor primare fac parte urmatoarele: întrerupatoare, separatoare, sisteme de bare colectoare , descarcatoare, bobine de reactantă, transformatoare respectiv autotransformatoare.

Fig. 2.3.1 Transformator 16MVA[1], Intrerupator SF6 110kV[2], Separator [3]

Din cadrul echipamentelor secundare fac parte urmatoarele: relee de protecție, dulapuri de protecție, panouri de semnalizare, sistemul SCADA (Supervisory control and data acquisition ).

Fig 2.3.2 Sistem Scada a unei stati electrice 110/20kV

2.4 Intrerupătoare, Separatoare, Transformatoare de măsură

2.4.1 Intrerupătoare

Intrerupătoarele de înalta tensiune sunt aparatele destinate pentru comutația închiderea și deschiderea circuitelor primare de înalta tensiune, scopul lor principal este de a rupe curentul electric la intervenția operatorului sau sa declanșeze în mod automat în urma unui protecții, de asemenea este nevoie ca întrerupatorul să poată îndeplini operațiunea de anclansare mai exact de reanclanșare automată rapida (RAR), la deconectare unei protecții pe o linie electrică aeriană să poată conecta automat prin logica releeului.

Tot odata scopul principal al întrerupatoarelor de înalta tensiune și medie tensiune este de a declanșa automat la apariția scurcircuitelor , și de a asigura întreruperea curentului electric pe porțiunea defectă într-un timp cat mai scurt, impiedicânduse avaria sistemului energetic.

Fig 2.3.3. Intrerupator 400k tip 3AQ Siemens SF6 [1]

2.4.2 Separatoare

Separatoarele sunt aparate de comutație ce pot fi aparate de conectare care asigură pentru motive de securitate la o distantă de izolare vizibilă în cadrul circuitelor electrice primare. Ele au rol operativ , ajută la stabilirea configurației schemei instalației de conexiuni.

În unele cazuri separatoarele pot conecta respectiv întrerupe curenți mai reduși de exemplu curenții de magnetizare ai transformatoarelor în gol sau curenții capacitivii ai linilor electrice, pozitia închis deschis sa fie usor vizibile , in pozitia închis a separatorului să asigure izolația corespunzătoare între contacte , să suporte curentul nominal și cel de curtcircuit , să fie prevăzut cu elemente de blocaj.

Separatoarele fiind de mai multe tipuri : tip rotativ, cutit, pantograf etc.

Foarte important în cazul separatoarelor este că, atunci când sunt sub tensiune este total interzis deschiderea separatoarelor cu intrerupatorul conectat, poate produce arc electric și intr-un final duce la explozie sau deterioriarea liniei. Separatoarele se deschid doar in momentul in care intrerupatorul este deconectat. Înainte de a face manevre cu separatoarele se verifică starea echipamentelor atât în SCADA cât și la fața locului

2.4.2.1 Separator cu miscare de rotatie in plan orizontal 110kV

Fig 2.4.2.2 Separator tip pantograf

2.4.3 Transformatoare de tensiune

Sunt transformatoare electrice speciale care ca orice trasnformator, cuprind un miez feromagnetic pe care sunt plasate două categorii de înfașurări: înfasurarea primară conectată la instalațiile circuitelor electrice secundare dar miezul feromagnetic este realizat dintr-un material cu permeabilitate magnetică foarte mare, respectiv reductața magnetică mica (Rm=0).

Fig 2.4.3.1 Transformator de tensiune [1]

2.4.4 Transformatoare de curent

Transformatorul de masură la care curentul secundar în condiții normale de funcționare este practic proporțional cu curentul primar și defazat fața de acesta cu un unghi apropriat de zero. Transformatoarele de curent permit standardizarea bobinelor de curent ale aparatelor de circuite secundare pentru valori comode la fabricarea lor, respectiv corespunzatoare pentru alimentarea circuitelor de curent ale aparatelor de masură și protecție.

Transformatoarele de curent, atat la înaltă cât și la medie tensiune sunt în general prevazute cu multe înfașurări secundare determinată de natura aparatelor de alimentare, de obicei sunt prevazute de înfașurări secundare pentru alimentarea urmatoarelor categorii de circuite importante în stațile electrice:

-de măsură

-de protecție, cel mai important pentru protecția diferențială și pentru sistemul de automatizare

-pentru protecții: diferențială, distanță, maximală, direcționată. Etc.:

Fig 2.4.4.1 Transformator de curent [1]110kV [2] 220kV [3] 400kV[2]

2.5 Structura constructivă a staților electrice

Energia electrică produsă de catră sursă trece prin mai multe etape de transformare până ajunge la consumator. Rolul transformarii tensiunii electrice este de a avea pierderi cat mai mici și pentru a putea fii transportată pe distanțe cât mai mari de exemplu de sute de kilometri ceeea ce se face prin lini de inaltă tensiune si de foartă înală tensiune 110,220,400,750 kV , iar la distante mai mici de ordinul kilometrilor se transportă pe linii de 6,10,20 kV iar la distante relativ foarte mici spre consumatori se fac pe linii de foarte joasa tensiune la 0.4 kV.

Statia electrica care primește și distribuie energia electrică la aceelasi nivel de tensiune se numește stație electrică de conexiuni, iar cea care și transformă tensiunea energiei electrice se numește stație electrică de transformare, revenind la stațile electrice de conexiuni ele prezintă un singur nivel de tensiuni respectiv conțin o singură instalație de conexiuni pe cand cea de transformare reprezintă niveluri de tensiune, la unele stații electrice pot conține instalații de conexiuni numai la unele niveluri de tensiune la celelalte niveluri bornele transformatoarelor conectânduse direct la linii sau generatoarele de energie electrică și sunt denumite scheme bloc.

Din punct de vedere constructiv, stațile electrice sunt construite dintr-un asamblu de elemente și echipamente primare și secundare, spre exemplu un asamblu de echipamente primare întrerupătoare, separatoare, transformatoare, transformatoare de măsurăsi și curent, descarcatoare etc. Dar și echipamente secundare celule, dulapuri etc.

Instalația de conexiuni reprezintă un nod electric unde se conectează părti constructive ale rețelelor electrice care primesc energia electrică de la sursa și distribuie mai departe spre consumatori.

Exemplu de noduri ce pot fi realizare:

Fig 2.5.1. Noduri electrice

Fig 2.5.2. Schema monifilara linie electrica medie tensiune

Fig 2.5.3. Schema h a liniilor electrice

a-cu puntea intermediară spre transformatoare

b-cu puntea intermediara spre linii

2.6 Subasambluri folosite in compuneara instalatilor de conexiuni intr-o statie electrica

Instalațiile de conexiuni cu unul sau mai multe sisteme de bare conlectroare și un intrerupator pe circuirt se caracterizează prin aceea că nodul electric este realizat sub forma de sistem de bare colectoare, care îi se spune pe scurt bara colectoare.

Bara colectoare este un nod extins, pentru a se crea condițiile necesare racordării mai multor circuite primare și poate fi realizată atât cu conductoare de tipul barelor rigide cât și cu coductoare vizibile, în cadrul acestor instalatii circutele primare se racordează la sistemul de bare colectoare prin intermediul celulelor din statile electrice.

Celula este o parte componentă a instalațiilor de conexiuni cu bare colectoare care conține echipamentul aparținând unui sigur circuit.

Celulele se împart în două grupe în funcție de modul în care se racordează:

celule serie care sunt parcurse de energia electrică in dumul ei de la surse la consumatori

celule de derivație care nu sunt parcurse de energia electrică, aceste celule nu sunt prevazute cu intrerupator

Celulele de circuit sunt folosite ca și celule ce deservesc la aducerea energiei electrice sunt folosite ca și surse dar mai sunt folosite și pentru a trimite energia electrică la consumatori și sunt denumite dupa grupul ce îl alimentează sau de unde sunt alimentate din rețea.

Celulele de circuit se împart în mai multe categorii:

Celula de generator – prin care se racordează generatorul la bare

Celula de linie – prin care se racordează linia la barele colectoare

Celula de transformator – prin care se racordează la bare autotransformatorul sau transformatorul

Fig 2.6.1 Schema monofilara a celulei de transformator 20/6kV

Celule tipice schemei:

Celula de cuplă longitudinală

Celula de cuplă transversală

Fig 2.6.2. Schema monifilara Cupla longo-transversala

Celula de cumplă de transfer sau ocolire

Celule auxiliare:

Celula de măsură

Celula de descărcător

Fig 2.6.3 Schema monofilara celula de masura

2.7 Circuite secundare in stații electrice

Circuitele secundare în stațiile electrice deservește la interconexiunea echipamentelor primare și cele secundare ce asigură funcționarea neîntreruptă a echipamenteleor primare și secundare între ele, funcționarea corectă ține cont de parametrii specifici funcționării spre exemplu: frecvența , tensiunea, curentul, puterea activă, reactivă etc.

Circuitele secunde se impart în 4 grupe generale:

-Circuite secundare de protecție- sunt circuitele care asigură la scoaterea din funcțiune a echipamenteleor primare fară intervenția omului și evit distrugerea echipamentelor primare

-circuite secundare pentru automatizări- sunt acele circuite în care intervenția omului nu este necesară pentru scoaterea unei lini din funcție sau punerea acestei linii în funcție , se face in mod automat bazat pe automatizarea din stația electrică.

-circuite de comanda- sunt acele circuite care cu ajutorul personalului din stație ajută la conectarea/ deconectatrea unei linii din stațile electrice, ce impiedică efectuarea unor manevre greșite fața de operator.

-circuite de măsură sau de supraveghere- sunt circuitele secundare ce urmăresc parametrii unei lini/celule sau chiar a intregii sțaii electrice , cu ajutorul aparatelor determină puterile din stație și monitorizează intreaga lini pana in capatul opus.

– in aceasta categorie intra semnalizarile de avarie- atunci cand o linie sau celula nu mai poate fii exploatată în regim normal și se determină anumite probleme atunci buclele de avarie semnalizează la operator pentru a retrage linia cât mai urgent sau este restrâsă prin protecții.

–semnalizari preventive—sunt aparitile a unor anomali în stațile electrice ce poate fii influiențat de vreme sau de unele aparate care sunt uzate.

Fig 2.7.1 Dulap 110kV transformator de 16 MVA

Tot odată în cadrul circuitelor secundare din stațiile electrice ne intâlnim cu numeroase aspecte fara de care o stație electrică nu poate funcționa în regim normal, circuitele secundare mai îndeplinesc urmatoarele funcții:

-La nivel de stație – prodecție de bare PDB

– protecție împotriva refuzului de întrerupator DRRI (dispozitiv de declanșare de rezervă la refuz de întrerupator)

-La nivel de celulă – protecție de linie

– protecție de transformator

– protecție de cuplă

Automatizări- declanșarea automată a sarcini,funcția de frecvență DASF și funcția de tensiune DASU

-Anclanșarea automată a alimentării de rezervă (AAR)

-reanclanșarea automată rapidă (RAR)

Etc.

-La nivel de comandă- Comanda de anclanșare / declanșare a intrerupătoarelor

– comanda de control a separatoarelor

-comanda pentru comutatorul de ploturi

-comanda de blocaj separator pe celula și pe stație

Masură și semnalizări – măsurarea parametrilor, tensiune curent, putere, si semnalizari de poziție de avarie, preventive, a pertubatilor, locator de defecte pe linii, inregistrarea evenimentelor.

2.8. Protocoale de comunicare

În funcție de criteriul de clasificare care are în vede, există mai multe tipuri de rețele de calculatoare. Criteriile cele mai des utilizate în clasificarea rețelelor sunt:

Dupa tehnologia de transmisie

-rețele cu difuzare (broad cast), sunt acele rețele care au un singur canal de comunicatie care este partajat (este accesibil) de toate calculatoarele din retea. Acest mod de transmitere este characteristic retelelor LAN.

-retele punct -la – punct; sunt acele retele care dispun de numeraose conexiuni intre perechi de calculatoare individuale pentru a ajunge de la calculatorul sursa la calculatorul destinatie un pachet sar putea sa fie nevoie sa treaca prin unu sau mau multe calculatoare intermediare.

Exista mai multe tipuri de protocoale de comunicatie:

IEC61850 CLIENT & SERVER

IEC60870-5-104 MASTER & SLAVE

IEC60870-5-101 MASTER & SLAVE

IEC60870-5-103 MASTER

DNP 3.0 MASTER & SLAVE

MODBUS TCP-IP, MODBUS RTU

Tipuri de comunicatie:

Fibra optica

GSM/GPRS

Wireless

2.8.1 Protocolul de comunicare IEC 61850:

La începutul anilor 1990, Institutul de Cercetare a Energiei Electrice (EPRI) și Institutul de ingineri electronici și electronici, Inc. (IEEE) a început să definească a Arhitectura comunicațiilor Utility (UCA). Ei s-au concentrat inițial pe intercontrol centru și substație-la-centru de comunicații de control și produse specificația protocolului InterControl Communications Protocol (ICCP). Acest care a fost adoptat ulterior de IEC ca 60870-6 TASE.2, a devenit protocol standard pentru schimbul de date în timp real între baze de date.

Standardul IEC 61850 se bazează în mare măsură pe comunicarea abstractă Interfața de servicii (ACSI) pentru a defini un set de servicii și răspunsurile la aceste servicii. În ceea ce privește comportamentul în rețea, modelarea abstractă permite tuturor IED-urile să acționeze identic. Pentru utilizarea acestor modele abstracte pentru a crea obiecte (elemente de date) și servicii care există independent de protocoalele de bază. Aceste obiecte sunt în conformitate cu clasa comună de date (CDC) specificația IEC 61850-7-3, care descrie tipul și structura fiecăruia element într-un nod logic. CDC pentru starea, măsurătorile, controlabile analogii și stări și toate setările au atribute CDC unice. Fiecare CDC atributul aparține unui set de constrângeri funcționale care grupează atributele în categorii specifice cum ar fi statutul (ST), descrierea (DC) și substituit (SV). Constrângerile funcționale, atributele CDC și CDC sunt utilizate ca blocuri pentru definirea nodurilor locale.

Se pot organiza organiza noduri logice în dispozitive logice care sunt similare cu directoare pe un disc de computer. După cum este reprezentat în rețeaua IEC 61850, fiecare dispozitiv fizic poate conține mai multe dispozitive logice și fiecare logic dispozitivul poate conține mai multe noduri logice. Multe relee, contoare și alte IEC.

Dispozitivele 61850 conțin un singur dispozitiv logic principal pe care sunt toate modelele organizat.

Dispozitivele IEC 61850 sunt capabile de auto-descriere. Nu trebuie specificații pentru nodurile logice, măsurători și alte componente pentru a solicita date de la un alt dispozitiv IEC 61850. IEC 61850 pote solicita și să afișeze o listă și o descriere a datelor disponibile pe un server IEC 61850 dispozitiv. Acest proces este similar cu procesul de autoconfigurare utilizat în cadrul Procesoare de comunicații. Se rulează Browserul MMS pentru a interoga dispozitive pe o rețea IEC 61850 și pentru a descoperi ce datele sunt disponibile. Auto-descrierea permite, de asemenea, extinderi la ambele standard și modele personalizate de date. În loc să trebuiască să căutăm date dintr-un profil stocat în baza sa de date, un client IEC 61850 poate pur și simplu să interogheze un dispozitiv IEC 61850 și primiți o descriere a tuturor dispozitivelor logice, a nodurilor logice și a datelor disponibile.

2.8.2 Protocol de comunicare DNP:

Un producător de control de supraveghere și achiziție de date (SCADA) au dezvoltat primele versiuni ale DNP din straturile inferioare ale IEC 60870-5. Conceput inițial pentru utilizarea în aplicațiile de teleconducere, Versiunea 3.0 a aplicației Protocolul a devenit, de asemenea, popular pentru colectarea datelor substațiilor locale. DNP3 este unul dintre protocoalele incluse în practica recomandată IEEE pentru date Comunicarea între unitățile terminale la distanță (RTU) și inteligente Dispozitive electronice (IED) într-o stație.

DNP3 este un set de protocoale de comunicație utilizate între componentele procesate

sisteme de automatizare. Utilizarea sa principală este în utilități cum ar fi electric și apă

companii. Utilizarea în alte industrii nu este obișnuită, deși posibilă din punct de vedere tehnic.

Mai exact, a fost dezvoltat pentru a facilita comunicarea între diferite tipuri

a echipamentelor de achiziție și control al datelor. Acesta joacă un rol crucial în SCADA

sisteme, în cazul în care este utilizat de stațiile de master SCADA (aka Centrele de Control), RTU,și IED-uri.

Moduri de comunicare

IED suportă patru moduri de comunicare DNP3.

• Operațiune în condiții de liniște

• Operație raportată fără excepție

• Operațiune raportată după excepție

• Operație statică polledă

În plus față de specificația DNP3 cu opt volume, protocolul este în continuare

rafinat de cerințele de conformitate, caracteristici opționale și o serie de

buletine tehnice. Buletinele tehnice completează specificațiile cu

discuții și exemple de caracteristici specifice ale DNP3.

Cele mai utilizate protocoale de comunicatie in statile electrice sunt IEC-61850 SI DNP, sunt preferate aceste protocolae pentru o comunicatie mai buna cu SCADA si releele de protectie.

2.9. Concluzii

Sistemul energetic national fiind monitorizat in permanenta de la producerea energiei electrice pana la taransportul si distributia energiei electrice are nevoie de cele mai noi si cele mai moderne apilcatii de monitorizare si control. SCADA fiind un sistem complex si importat din sistemul energetic trebuie sa beneficieze de cele mai bune cai de comunicatie prin care sa comunice cat mai rapid pentru a preveni neplacerile din statile electrice. Tot in categoria de monitorizare si control, este nevoie de cele mai performante relee de protectie care monitorizeaza si protejeaza linile electrice LEA si LES in cele mai bune conditii, prin performanta lor de a semnaliza si a trimite semnale de declansare prin cele mai bune căi de comunicare IEC-61850 si DNP.

Capitolul 3. SISTEME DE MONITORIZARE SI CONTROL

3.1 Aspecte Generale

Statile electrice fiind un element foarte important in sistemul energetic national,cu o structura complexa, avand linii electrice de inalta tensiune pentru ca transportul energiei electrice sa fie cat mai usor posibil dar si cat mai econom fara pierderi prea mari este nevoie de un sistem complex independent cu o logica bine gandita dar si cu un pontential mare de a masura si de a citit parametri statilor electrice prin intermediul releelor electrice de protectie.

Prin urmare pentru a proteja toate aceste elemente din statile electrice este nevoie de de un sistem automat de a prealua date si de a fii capabil sa ia o decizie fara a interveni personalul din statie.

In partea urmatoare a lucrarii va voi prezenta sistemul de monitorizare si control prin intermediul releelor de protectie din statile electrice, aferent unei celule de linie 20kV.

Fig. 3.1. Terminal de protectie si control

3.2 Terminale numerice de protectie, comanda si control

Rolul terminalelor de protectie în stațile electrice este de a proteja instalațiile electrice împotriva funcționării în regumui anormale, prin transmiterea unor semnale electrice ce determina locul defectului, iau decizi rapide de a lua o decizie în privinta elementelor protejate și determină izolarea locului defect prin intermediul aparatelor de comutatie.

Terminalele numerice de protectie oferă o combinație cuprinzătoare de protecție, caracteristici de localizare a erorilor, monitorizare, control și comunicare într-un pachet industrial. Releul de bază include curent, tensiune, frecvență, și elemente de protecție a puterii. Arc-flash detector de bază, pe bază de RTD, controlarea direcțională și detecția defecțiunilor pe bază de impedanță înaltă protecția sunt disponibile ca opțiuni.

Elementul comparator C compară mărimea transformată de elementul sensibil, cu o marime de referintă si la o anumită valoare a marimii transformate trimite actiunea asupra elementului executor. La releele electromagnetice acest rol il indeplineste resortul antagonist.

Elementul executor E, in urma comenzii primite actioneaza asupra semnalelor de iesire y1…yn, ce constituie contactele releului.

Releele electrice sunt aparate automate, care sub actiunea parametrului electric de intrare produc variatia brusca a parametrilor de iesire, la o anumita valoare a parametrului de intrare. Ele functioneaza pe baza ciclului DA-NU (deschis-inchis), facand parte din categoria aparatelor cu comenzi discontinue.

Releele de protectie trebuie sa indeplineasca patru conditii fundamentale: selectivitate, rapiditate, sensibilitate si siguranta. Actiunea releelor de protectie este selectiva, daca acestea comanda deconectarea numai a partii defecte din sistem, prin contactoarele respective, celelalte parti ale sistemului ramanand mai departe in functiune. Conditia de rapiditate este necesara, deoarece deconectarea rapida a elementelor defecte din retea prezinta o serie de avantaje ca: mareste stabilitatea functionarii in paralel a generatoarelor sincrone, reduce timpul de alimentare cu tensiune scazuta a consumatorilor, micsoreaza distrugerile elementelor defecte, permite folosirea reanclansarii automate rapide a liniilor aeriene, etc.

Se face observatia ca cele doua conditii de selectivitate si rapiditate nu se pot satisface intotdeauna simultan. Releele de protectie trebuie sa fie suficient de sensibile la defecte ca si la regimurile anormale de functionare, ce pot aparea in elementele protejate ale sistemelor electrice. In sfarsit, releele de protectie trebuie sa fie intotdeauna gata de actiune si sa functioneze sigur in toate cazurile de defecte si regimuri anormale de functionare.

3.3 Clasificarea terminalelor de protectie si control

Clasificarea releelor de protectie se poate face dupa mai multe criterii.

1) Dupa principiul de functionare al mecanismului motor:

relee termice,

electromagnetice,

de inductie,

magnetoelectrice,

electrodinamice,

electronice.

2) Dupa marimea pe care o protejeaza:

relee de curent

relee de tensiune

relee de putere

relee de impedanta

relee de frecventa

relee de timp

relee de temperatura

3) Dupa felul in care este realizata actiunea fata de o anumita valoare a marimii de intrare:

relee maximale, care actioneaza daca marimea protejata depaseste o anumita valoare

relee minimale, care actioneaza cand marimea protejata scade sub o anumita valoare (sau dispare)

relee directionale, care actioneza daca seschimba sensul marimii protejate (de exemplu: sensul de circulatie al puterii)

4) Dupa modul in care actioneaza asupra aparatelor de comutatie:

relee directe, la care elementul de protectie actioneaza direct asupra aparatului de comutatie

relee indirecte, la care actiunea se transmite prin intermediul unor contacte din circuitul electric auxiliar al aparatului de comutatie.

5) Dupa modul de conectare in circuit:

relee primare, la care infasurarea este parcursa de marimea din circuitul de protejat

relee secundare a caror infasurare este alimentata din secundarul unui transformator de masura prin a carui primar trece marimea din circuitul de protejat.

6) In functie de valoarea timpului de actionare ta, definit ca timpul din momentul aparitiei semnalului de intrare care actioneaza asupra elementului sensibil al releului si pana in momentul actionarii releului, releele se clasifica in:

relee fara inertie (ultrarapide), cand ta<10ms

relee rapide, cand ta<5*10-2s

relee normale, cand 0,15s>ta>5*10-2s

relee lente, cand 1s>ta>0,15s

relee temporizate, cand ta>1s

3.4 Celule de medie tensiune 6kV- 20kV din statile electrice.

Celulele din statile electrice au un rol foarte importat cu ajutorul acesteia se pot transporta prin linile electrice subterane sau liniile electrice aeriene energia electrica.

Rolul celulelor in statile electrice este de distribuii energia electrica catre consumatori fie prin lini subterane sau aeriene.

Fig 3.4. Celula 20kV TRAFO 1.6 MVA

Celulele din statile electrice masoara curentii si tensiunile dar si puterile de pe linile de transport si distributie. Ele fiind monitorizate in permanenta de releele electrice din statie care sunt parametrizate cu o logica pentru fiecare celula in parte pentru a lua decizi de protectie ce trimit semnale catre intrerupator pentru a declansa la anumite valorii.

Celulele sunt construite astfel incat operatiunile de mentenanta si exploatare inclusiv verificarile de succeiune ale fazelor si incercarile acestea sa fie facute in siguranta fara a afecta personalul. Celulele se pot controla fie local fie de la distanta.

Celula de medie tensiune este destinată distribuției primare sau secundare a energiei  electrice de medie tensiune din stații de transformare, substații industriale, posturi de transformare.

Celulele electrice prefabricate de interior/exterior tip CI/CE sunt realizate pentru tensiuni nominale de 7,2; 12; 24 kV și curenți nominali până la 4000 A.

centrale termoelectrice,

centrale hidroelectrice,

centrale nuclearo – electrice,

industria minieră,

Industria navală,

Industria petrolieră,

industria   chimica,

posturi de  transformare abonat,

aeroporturi,

stații  și  substații de transformare.

Celula electrică de medie tensiune de interior este construită din elemente metalice asamblate  sub forma a doua dulapuri, cu sistem simplu/dublu de bare, izolație în aer.  Se execută în varianta debroșabilă (cu carucior) sau varianta fixă (fără cărucior). Sunt echipate cu întreruptoare (SIEMENS, ALSTOM, SCHNEIDER, EATON, ABB, TAVRIDA); cu stingere în vid sau SF6 (ABB, ALSTOM, SCHNEIDER) sau separatoare (SIEMENS, ALSTOM, EATON, ABB) cu aer sau cu SF6.

3.5 Variante constructive a celulelor electrice:

Fig 3.5.1 Post de Transformare

de interior sau exterior,

de statii sau posturi de transformare,

de transformator,

de cuplă cu intreruptor,

de separare,

de linie radială,

de linie interconectată,

de motor,

de baterie de condensare,

de masură tensiune pe bare,

cu descărcători,

servicii interne (TSI).

Fig 3.5.2 Celule electrice 6-20kV

Fig 3.5.3 Celule electrice 6-20kV

Celulele electrice sunt astfel construite încât operațiile normale de exploatare și de mentenanță inclusiv verificările obișnuite ale succesiunii fazelor, legăturilor  de punere la pământ, detectarea defectelor în cabluri, încercările dielectrice să poată fi efectuate în siguranță.

Datorită unui grad înalt de automatizare  celulele pot fi integrate într-un sistem de monitorizare de la distanță SCADA.

Celula poate fi echipată cu aparate SIEMENS, ALSTOM, SCHNEIDER, EATON, ABB, TAVRIDA sau aparate de la alți producători.

3.5.1 Vedere frontală pentru Celula cu măsură pe sosire

Fig 3.5.1.1 Celule electrice 6-20kV

Acționare cărucior

Releu protecție digitală

Mecanism închidere ușă compartiment  joasă tesiune

Butoane  comandă

Fereastră inspecție poziție cărucior

Mecanism închidere ușă compartiment medie tensiune

Schemă sinoptică

Ampermetru măsură curent

Cheie comandă întreruptor

Fig 3.5.1.2 Celule electrice 6-20kV

Sectiunea laterală pentru Celula cu masură pe sosire

Transformator măsură tensiune pe cabluri

Separator PP (CLP)

Cărucior debroșabil cu întreruptor

Întreruptorul

Compartiment circuite secundare

Suport trafo curent

Traversă izolator

Izolator

Traversă  izolator

Transformator măsură curent

Trape esapare în caz de arc liber

Canal metalic pentru cablu secundar intre celule

Broșe de forță

Compartimentarea celulei:

Compartiment  bare generale

Compartiment cabluri

Compartiment întreruptor

Compartiment circuite secundare

3.5.2 Compartimentul  bare generale este situat în partea din spate sus a celulei.

Fig 3.5.2.1 Celule electrice 6-20k vedere bare

Barele generale se monteaza pe izolatori suport sau de trecere, din rășini epoxidice.

Barele pot fi izolate sau neizolate.

Este prevăzut cu trapa de eșapare a gazelor în cazul unui arc electric.

Accesul  la acest compartiment se face prin partea din spate și de sus.

Acesta este echipat cu simplu sistem de bare, până la 4000 A.

3.5.3. Compartimentul cabluri situat în partea din spate jos a celulei:

Fig 3.5.3.1Celule electrice 6-20kV

Este prevăzut cu un canal pentru eșaparea gazelor rezultate ca urmare a unui arc liber prin trapa montată la partea superioară;

Conectarea la terminalele de plecare se poate face prin bare, cablu monofazat sau cablu trifazat;

Conține bara nul;

Este echipat cu rezistență anticondens;

Se echipează, după caz, cu transformatoare de curent, separator de punere la pământ, descărcătoare,  divizoare capacitive pentru semnalizare prezență tensiune pe cablu, bare derivație, transformatori toroidali de curent;

Accesul se poate face prin spate sau prin fața (prin compartimentul căruciorului  de măsură tensiune);

Cuțitele de legare la pământ(CLP) se închid și se deschid în mod voit dupa extragerea căruciorului;

În cazul când CLP-ul este închis introducerea căruciorului este împiedicată;

Fig 3.5.3.2 Celule electrice 6-20kV vedere cutite de legare la pamant si reductori

Celulele sunt prevăzute cu bare de legare la pământ (CLP);

Căruciorul debroșabil se leagă automat la pământ începând cu introducerea pe poziția “de control“ prin intermediul unor contacte alunecătoare ce sunt legate

la

Separatorul de punere la pământ (CLP), prevăzut pentru securitatea operațiunilor de intervenție în compartimentul de medie tensiune.

3.5.4 Compartimentul întreruptor situat în partea din față jos a celulei:

Fig 3.5.4.1 Celule electrice 6-20kV

Conține un cărucior (în varianta debroșabilă), pe care se montează întreruptorul de medie tensiune;

Broșarea căruciorului se face cu o cheie specială prin intermediul unui șurub melcat;

Manevrele de broșare și debroșare ale căruciorului se efectuează  într-o ordine prestabilită;

La extragerea căruciorului din celulă se realizează separarea vizibilă a circuitului activ (barele generale) de circuitul de plecare(din compartimentul de cabluri);

In partea din spate a  compartimentului  se află un sistem culisant de jaluzele, care la extragerea caruciorului, izolează părțile aflate sub tensiune;

Este prevăzut cu încălzire termostată;

Compartimentul este prevăzut cu trape de eșapare a gazelor în cazul unui arc intern;

Poziția ansamblului cărucior – întreruptor este urmărită de limitatoarele de cursă; acestea transmit în compartimentul de circuite secundare contacte electrice de blocare, manevrarea greșită, permisie manevre normale, semnalizare poziție.

Căruciorul are trei poziții distincte : poziția lucru (broșat);

poziția test;

poziția extras (în afara celulei).

3.5.5 Compartimentul circuite secundare, situat în partea din fața sus a celulei:

Fig 3.5.5.1 Celule electrice 6-20kV

Conține aparataj de joasa tensiune pentru comanda, protecție, măsură și semnalizare;

Schema sinoptică se află pe ușă și este prevăzută cu indicatoare electrice de poziție;

Protecțiile se pot realiza cu relee electromagnetice sau relee digitale;

Releul digital de protecție poate fi extras din carcasă fără desfacerea conexiunilor (construcție semidebroșabilă).

Releul digital de protecție, aparatele  de măsură (ampermetre, voltmetre), de semnalizare (lămpi,butoane de comandă), chei de comandă care trebuie vizionate sau trebuie să fie accesibile în orice moment, se montează pe partea frontală a compartimentului.

Restul de aparate de circuite secundare (de comandă și protecție) se montează în interiorul compartimentului.

Legaturile electrice între circuitele de joasă tensiune și aparatura montată pe cărucior se realizează prin conector de tip fișă-priză.

Fig 3.5.5.2 Celule electrice 6-20kV, circuite secundare

3.5.6 Tipuri de aparatură primară

Fig 3.5.6.1 Compartimentul căruciorului

În varianta fixă, locul căruciorului poate fi luat de:

Separator izolator (cu sau fără punere la pamant);

Separator de sarcină echipat sau nu cu sigurante  fuzibile;

Bare de întoarcere (separare).

În varianta debroșabilă căruciorul se echipează cu:

Întreruptor cu contacte în vid sau SF6;

Contactor cu camere de stingere în vid (prevăzut sau nu cu suport de siguranțe fuzibile);

Transformatoare măsură tensiune (monofazate sau bifazate) cu siguranțe fuzibile încorporate pe partea primară în montaj fix sau pe cărucior;

Bare de separare (întoarcere).

Compartimentul unei celeule

Fig 3.5.6.2 Celula electrica vedere interios
Poate conține:

Transformatoare de măsură curent;

Separator de punere la pământ;

Descarcătoare de supratensiuni;

Condensatoare;

Bare derivație (celula masură);

Divizoare capacitive pentru a indica tensiunea din bare.

3.6 Parametrizarea si testarea releelor electrice.

Caracteristicile de protecție a terminalelor de protectie si control depind de modelul selectat. Modelele sunt configurate cu carduri de intrare specifice curentului / tensiunii. Curentul tensiunea cardurile de intrări sunt amplasate în slotul Z și slotul E în releu.

Selecție fazară și neutră a evaluărilor curente pentru releele de protective, modele Rating curent Numărul de cod MOT String Număr 15 1 fază de amplificare, 1 ampermetru neutru 1 1 faza de amplificare, 5 amperi neutri 2 1 fază de amplificare, 200 mA neutru 3 5 faze de amplificare, 5 amperi neutre 5 5 faze de amplificare, 1 amplificator neutru 6 5 faze de amplificare, 200 mA neutru 7

Tabel cu protectii ale releeelor

Fig 3.6.1 Codul protectiilor aferent codului ANSI

3.6.1 Protecții digitale și parametrizare

Releele digitale pot fi echipate cu până la patru tipuri de interfețe seriale:

Fig 3.6.1 Imaginea fazoriala a liniei

interfața frontală pentru conectarea locală la un PC;

interfața de service pentru programarea de la distanța;

interfața de sistem SCADA;

interfața adițională (comunicarea cu module RTD).

În completarea funcțiilor de protecție și pentru o analiză facilă a defectelor, releele pot avea integrate funcții de control, masură și  monitorizare.

Pentru aplicațiile speciale, pe lângă protecția de bază, se folosește și protecția de rezervă.

Fig 3.6.2 Monitorizarea fazelor

Compartimentul de circuite secundare poate conține relee digitale de protecție pentru:

linii aeriene,

motoare,

transformatoare,

condensatori,

bare generale,

generatoare,

cabluri.

Parametrizarea releelor digitale se face cu produse sofware adecvate ce permit achiziția de date și semnale în timp real.

Comunicarea cu releu digital se face electric sau optic prin diferite protocoale funcție de aplicație (IEC 60870, MODBUS, PROFIBUS, IEC 61850 etc.).

3.6.2Parametrizarea terminalul de protectie sel 751

Relee de protective sel 751 au o configuratie usoara, ce permite parametrizarea lor cu mare usurinta, este nevoie de cunoasterea schmelor monifilare si detalile linilor ce le protejeaza sau a Tramsformatoarelor de current si parametrii acesteia.

În imaginea urmatoare se poate observa programul de parametrizare Acselerator Quick SET.

Fig 3.6.2.1 Imagine program Acselerator Quick SET

Dupa aflarea parametrilor liniei electrice protejate se pot introduce parametrii liniei in soft, dupa cum observam si in imaginea urmatoare.

Fig 3.6.2.2 Imagine program Acselerator Quick SET Meniu

Odata introduse parametri liniei electrice protejate sau a transformatorlui, se vor cere reglajele de protectie pentru a putea fi introduse in soft. Acestea vor fi furnizate de către Electrica, sau de către PRAM,

Fig 3.6.2.3 Dispozitite de reglaj

Introducerea reglajerlor de protectie se face conform dispozitiei de reglaj. Releul de protectie permite introducerea fiecarei protectii aferent tabelului ASCII.

Cele mai importante protectii si cele mai des folosite sunt: Protectia maximala de curent temporizata, protectia maximala de curent rapia, protectia homopolara si SOTF (switch on to fault) ceea ce inseamna conectarea pe defect.

Fig 3.6.2.4 Imagine program Acselerator Quick Introducerea reglajelor de protectie

Logica releelor de protectie se fac prin intermediu logici releuului latch bits si variables and time, unde fiecare bit, semnal, protectie , declansare, AAR, RAR v-a fi scrisa in intermediul acestei logici.

Fig 3.6.2.5 Imagine program Acselerator Quick SET logica releelor de functionare

Fig 3.6.2.6 Imagine program Acselerator Quick SET logica releelor de functionare

Pentru configurarea protocolului de comunicare IEC61850 este nevoie de o lista intreaga de semnale declansari si comenzi ce se vor trece aferent fiecarui nod din IEC dupa cum putem observa in imaginea urmatoare

Fig 3.6.2.7. Harta IEC a semnalelor in SCADA

Fig 3.6.2.8. Harta IEC a semnalelor in SCADA

Dupa hotararea listei de semnale de catre configurator se poate trece la configurarea softului Achitect pentru a configura protocolul de comunicare IEC 61850.

Fig 3.6.2.9. Configurarea linilor in portul de comunicare IEC61850

Programul ARCHITECT de la compania SEL permite configurarea fiecarui mod ce poate fii aferent fiecarei comenzi si semnalizari hotarate in urma listei. Spre deosebire de alte programe perminte implementarea mai multor noduri si de rezerva pentru a fii disponibila in cauzl unei schimbari si mai necesita adaugarea unor semnale.

Fig 3.6.2.10. Configurarea linilor in portul de comunicare IEC61850

In urma parametrizarii terminalului de protectie si control, acesta va urma sa afiseze schema monofilara a celulei aferente pe care o protejeaza si trimiterea semnalelor in SCADA a fiecarui element petrecut pe parcursul functionarii a celulei, fie ca celula fiind o celula ce distribuie , sau o celula care primeste energie pentru a alimenta statia sau pentru a transforma energia., si a distribuio ulterior.

In imaginea urmatoare se poate observa schema monifilara in stanga si in partea dreapta se pot observa valorile masurate.

Fig 3.6.2.11. Terminalul de protectie dupa punearea in functie a celulei

Tot odata este necesar urmarirea permanentă a schemei fazoriale si valorilor acesteia de aceea terminalul de protectie transmite in SCADA permanent valorile masurate si evenimetele petrecute.

3.7 Observații:

Monitorizarea si controlul statilor electrice prin terminale de protectie si sistemul SCADA, depind in permanenta de alimentare cu energie electrica, fiind necesar in statile electrice sisteme de Backup cu acumulatori dar si sisteme UPS ce permit alimentarea releelor de protectie si a procesoarelor din statie pentru a mentine permanent monitorizarea statilor electrice fara a fi necesar deplasarea personalului in statie pentru a evalua o defectuie , un deranjament a unei celule sau producerea unei declansari prin intermediul protectiilor implementate in software-ul terminalelor de protectie.

3.8 Concluzii

Sistemele de monitorizare si control pentru statii electrice este necesar pentru siguranta distribuirii energiei electrice, siguranta personalului operator din statie, dar si pentru a stabiliza consumul de energie.

Terminalul de protectie si control este necesar pentru a porteja echipamentele primare din statii dar si echipamentele secundare pentru a nu se produce evenimente neplacute.

Protocolul de comunicare IEC61850 permite o comunicare cat mai buna cu SCADA pentru a se putea urmari toti parametri statiei din SCADA atat local dar si de la dispecerat si permitereo comenzilor de la distanta intr-o statie fara personal operativ ceea ce i se va permite dispeceratului comanda tuturor echipamentelor din statie.

Bibliografie

[1] http://www.automatica.ro/medie-tensiune/celule-medie-tensiune-7,2kV-12kV-24kV

[2] http://www.rasfoiesc.com/inginerie/electronica/RELEE-DE-PROTECTIE-Clasificare51.php

[3] http://www.automatica.ro/medie-tensiune/celule-medie-tensiune-7,2kV-12kV-24kV

[4] http://itee.elth.pub.ro/~dragorob/relee.pdf

[5]

[6] http://www.preferatele.com/docs/fizica/3/instalatii-de-protec1.php

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]