108
Systemy kontroli i sterowania w sieciach elektroenergetycznych
System elektroenergetyczny to jeden z najbardziej złożonych systemów
zbudowanych przez człowieka. Ma on na celu zapewnienie dostaw ener-
gii elektrycznej do odbiorców końcowych zgodnie z ich zapotrzebowa-
niem (oczywiście mieszczącym się w zakresie podpisanej umowy) oraz
adekwatnie do możliwości technicznych. Zasady jego funkcjonowania
określają m.in. prawa fizyki, które muszą być uwzględniane podczas pro-
jektowania, eksploatacji czy sterowania jego pracą. Zarządzanie syste-
mem stanowi duże wyzwanie, ponieważ jest on bardzo złożony, połączony
w jedną całość, dodatkowo sprzęgnięty synchronicznie łączami trans-
granicznymi z kilkudziesięcioma systemami z innych krajów. Zdarza się,
że zaburzenia pracy czy awarie powstające w jednej części sieci elektro-
energetycznej mogą mieć znaczący wpływ na sytuację w innej jej części,
a nawet na inny system. Dlatego też czasem operator musi podejmować
takie kroki, które będą przeciwdziałać skutkom zdarzeń występujących
w innych systemach, często zarządzanych przez innego operatora.
System elektroenergetyczny można podzielić na dwa podsystemy:
• system przesyłowy – to niejako zbiór wspólnie zarządzanych rozle-
głych sieci najwyższych napięć oraz stacji elektroenergetycznych służą-
cych do przesyłania dużych ilości energii na znaczne odległości; przyłą-
czone są do niego wielkie krajowe elektrownie,
• systemy dystrybucyjne – to regionalne systemy elektroenergetyczne,
które odbierają energię od małych elektrowni znajdujących się na
obszarze ich funkcjonowania oraz z punktów wymiany z siecią przesy-
łową lub sąsiednimi systemami dystrybucyjnymi.
Do zapewnienia niezawodnej pracy systemu elektroenergetycznego
potrzebne są m.in.:
• niezawodnie działające elementy systemu, takie jak: linie, transfor-
matory, stacje elektroenergetyczne, elektrownie,
• automatyka zabezpieczeniowa,
• łączniki,
• urządzenia do pomiarów wartości napięcia i przepływów mocy,
• urządzenia do kompensacji mocy biernej.
x x x
Cele działania automatyki
Aby zapewnić prawidłową i niezawodną pracę systemu elektroenerge-
tycznego, jego operator podejmuje działania regulacyjne poprzez sto-
sowanie rozwiązań, takich jak:
• automatyczna regulacja częstotliwości i mocy – układ regulacji czę-
stotliwości i mocy czynnej w połączonych systemach elektroenerge-
tycznych, uwzględniający jednocześnie kryteria dotrzymania salda
wymiany międzysystemowej i utrzymania częstotliwości, zgodnie
z określonym algorytmem,
• automatyczna regulacja napięcia elektrowni (ARNE) – układ
regulacji napięcia i mocy biernej w węźle wytwórczym,
• automatyczna regulacja stacji transformatorowej (ARST) – układ
regulacji napięcia w sieci wykorzystujący regulację napięcia
transformatora,
• automatyka przeciwkołysaniowo-odciążająca (APKO) – układ zapo-
biegający kołysaniom mocy w Krajowym Systemie Elektroenergetycz-
nym (KSE) oraz przeciążeniom elementów sieci poprzez ograniczanie
mocy generowanej przez jednostki wytwórcze.
x x x
Automatyka zabezpieczeniowa
Jednymi z najważniejszych urządzeń służących do zapewnienia nie-
zawodnej pracy sieci elektroenergetycznej są zabezpieczenia przeciw-
zwarciowe. Zdarzają się bowiem różne nietypowe sytuacje zaburzające
jej pracę. Jedną z nich jest zetknięcie przewodu zasilającego z ziemią
lub z przewodem zasilanym napięciem w innej fazie. W takich przypad-
kach obwód elektryczny zostaje zamknięty przy stosunkowo niewielkiej
rezystancji, co powoduje (zgodnie z prawem Ohma) przepływ bardzo
dużych prądów. Przyczyniają się one do powstawania znacznych ilości
ciepła (prawo Joule’a-Lenza), co może doprowadzić do stopienia się
izolacji, przewodów czy wystąpienie innych uszkodzeń termicznych.
W celu uniknięcia podobnych sytuacji w stacjach elektroenergetycz-
nych stosuje się różne urządzenia zabezpieczające. Najczęściej wyko-
rzystywane są bezpieczniki i wyłączniki, aby w przypadku wystąpienia
zwarcia szybko przerwać obwód i skrócić czas przepływu prądów zwar-
ciowych. Jest to bardzo istotne, ponieważ przepływ bardzo dużych prą-
dów spowodowałby trwałe i poważne uszkodzenia wielu elementów
sieci elektroenergetycznej. Wadę takich rozwiązań stanowi stosunkowo
długi czas trwania przerwy w zasilaniu danego obwodu, obszaru lub
określonej podsieci.
Znaczna część zwarć występujących w sieciach dystrybucyjnych (ok.
95%) jest krótkotrwała, przemijająca, powodowana np. przez gałąź
spadającą na przewody lub zbliżającą się do nich na zbyt małą odle-
głość, ewentualnie przez nadmierne zbliżenie się do siebie przewo-
dów dwóch różnych faz bądź ptaki (lub ich odchody) wywołujące prze-
skok iskry. Mając to na uwadze, stosuje się automatykę samoczynnego
ponownego załączania, która niejako zakłada, że niekorzystne zdarze-
nie było krótkotrwałe i już przeminęło. Jednym z rozwiązań stosowa-
nych do tego celu są samoczynne wyłączniki próżniowe tzw. reklozery
(z ang.
reclosers
). Są one samowystarczalne pod względem zabezpie-
czania przeciwzwarciowego – po zwarciu przesył prądu zostaje prze-
rwany i po określonym czasie następuje ponowne załączenie obwodu.
Zasilanie jest przywracane bez konieczności wizyty technika z serwisu,
dzięki czemu zapobiega się przepływowi prądów zwarciowych przez
elementy sieci elektroenergetycznych, ale jednocześnie zwiększa cią-
głość dostaw energii do klientów oraz ogranicza czas trwania przerw.
Jeżeli okazuje się, że usterka jest trwała, to po kilku nieskutecznych
próbach załączenia (zwykle trzech lub czterech) obwód zostaje trwale
odizolowany od prawidłowo pracującej części sieci.
Gdy reklozer umieści się na linii w głębi sieci, poza stacją elektro-
energetyczną, wtedy zwiększa się dostępna funkcjonalność i pewność
zabezpieczeń. Dzięki temu prądy zwarciowe zamykają się w mniejszej
pętli, narażając mniej elementów na uszkodzenie. Dodatkowo nawet
w przypadku zwarcia trwałego zwiększa się obszar nieobjęty awarią
(niepozbawiony zasilania). Reklozery stosuje się w sieciach dystrybu-
cyjnych średniego napięcia o charakterze promieniowo-odbiorczym
do ochrony długich ciągów. Długie linie są narażone na występowa-
nie różnych szkodliwych czynników, dlatego dzięki zabezpieczeniom
w głębi sieci unika się, trwającego przez dłuższy czas, wyłączenia
wielu odbiorców.
Systemy kontroli
i sterowania w sieciach
elektroenergetycznych
dr inż. Krzysztof Billewicz
Katedra Energoelektryki,
Politechnika Wrocławska
