W przemyśle, gdzie bezpieczeństwo, niezawodność i ciągłość dostaw energii są najwyższym priorytetem, automatyka stacyjna stanowi kluczowy element zapewniający sprawne funkcjonowanie całej infrastruktury. Dzięki zaawansowanym systemom sterowania, monitorowania i zabezpieczeń, możliwe jest efektywne zarządzanie wewnątrzzakładowych sieci dystrybucyjnych, minimalizowanie ryzyka awarii oraz szybka reakcja na nieprzewidziane zdarzenia. Jednak aby te zaawansowane systemy mogły nieprzerwanie pełnić swoje funkcje, niezbędne jest zapewnienie ciągłego i niezawodnego źródła zasilania. W tym kontekście, zasilanie gwarantowane nie jest luksusem, ale absolutną koniecznością, od której zależy funkcjonowanie kluczowych komponentów automatyki stacyjnej. Bez niego, nawet najbardziej zaawansowane technologie mogą okazać się bezużyteczne w krytycznych momentach, narażając instalacje produkcyjne na znaczące ryzyka.

O budowie takich systemów pisałem ostatnio w artykule Zasilanie gwarantowane obwodów wtórnych rozdzielnic elektroenergetycznych. Dziś chcę przybliżyć rodzaje głównych automatyk stosowanych w przemysłowych rozdzielnicach niskiego oraz średniego napięcia, które wpływają na ciągłość pracy procesów produkcyjnych.

Znaczenie zasilania gwarantowanego dla automatyki stacyjnej

Zasilanie gwarantowane stanowi kluczowy element zapewniający nieprzerwaną i bezpieczną pracę automatyki stacyjnej, która jest sercem każdej nowoczesnej rozdzielnicy elektroenergetycznej – zarówno średniego, jak i niskiego napięcia. Aby systemy te działały efektywnie, niezbędne jest dostarczanie energii bez zakłóceń, nawet w najbardziej wymagających warunkach.

Oto, dlaczego zasilanie gwarantowane jest tak ważne:

Ciągłość Operacji: Nieprzerwane dostawy energii są fundamentem dla ciągłości zasilania, kluczowego dla utrzymania operacji produkcyjnych i procesów przemysłowych.
Ochrona Urządzeń: Zasilanie gwarantowane chroni wrażliwe urządzenia przed zakłóceniami i awariami, które mogą prowadzić do kosztownych przestojów i uszkodzeń.
Spełnianie Norm i Wymagań: Systemy te muszą odpowiadać na rygorystyczne normy dotyczące ciągłości dostaw i bezpieczeństwa, często wykorzystując układy prądu stałego o napięciach 110V DC lub 220V DC.
Monitorowanie i Weryfikacja: Regularne monitorowanie i weryfikacja systemów zasilania gwarantowanego są niezbędne do wczesnego wykrywania i naprawy wszelkich nieprawidłowości, zanim przerodzą się one w poważniejsze problemy.

Znaczenie zasilania gwarantowanego wykracza poza samą automatykę stacyjną, wpływając na ogólną niezawodność i efektywność całych instalacji przemysłowych i energetycznych. Inwestycje w wysokiej jakości systemy zasilania gwarantowanego są nie tylko inwestycją w niezawodność, ale także w bezpieczeństwo i długoterminową wydajność operacyjną.

e dla każdego inżyniera elektryka, projektanta systemów zasilania oraz specjalisty ds. utrzymania ruchu w zakładach przemysłowych.

Automatyki stacyjne wpływające na ciągłość zasilania procesów produkcyjnych

W obliczu rosnących wymagań dotyczących ciągłości i niezawodności produkcji, zasilanie gwarantowane staje się nieodzownym elementem strategii każdego przedsiębiorstwa dążącego do maksymalizacji uptime’u i minimalizacji ryzyka operacyjnego.

Aby zminimalizować ryzyko wystąpienia przerw w dostawie energii oraz zapewnić ochronę urządzeń, stosuje się różnego rodzaju układy automatyki zabezpieczeniowej. W niniejszym artykule omówimy cztery najważniejsze systemy automatyki stosowane w rozdzielnicach średniego napięcia (SN):

SZR (Samoczynne Załączanie Rezerwy)
LRW (Lokalna Rezerwa Wyłącznikowa)
PPZ (Planowe Przełączenie Zasilania)
ZSZ (Zabezpieczenie Szyn Zbiorczych)

Zrozumienie tych systemów jest kluczow

Automatyka Samoczynnego Załączania Rezerwy (SZR)

Rolą automatyki Samoczynnego Załączania Rezerwy (SZR), niezależnie od rodzaju rezerwy (jawna czy utajona) jest najszybsze przełączenie źródła zasilania w przypadku zaniku napięcia na rozdzielnicy lub jednej z sekcji albo systemie.

Automatyka SZR wykonuje pomiary napięć i oblicza wartości istotne dla decyzji, takie jak różnice napięć, częstotliwości i fazy. Stosuje zasadę predykcji, obliczając szybkość zmian napięcia i wykonuje przełączenia w zależności od warunków i ustawień. W przypadku wykrycia zaniku napięcia system automatycznie przełącza obwody na alternatywne źródło zasilania. Proces ten odbywa się bardzo szybko, często w ciągu kilku sekund, co pozwala na niemal nieprzerwane dostarczanie energii do odbiorów.

Główne komponenty automatyki SZR to:

Przekaźniki monitorujące: Urządzenia te ciągle analizują parametry zasilania, takie jak napięcie i częstotliwość, aby wykryć awarie lub zaniki napięcia.
Automatyka sterująca: Decyduje o aktywacji źródła rezerwowego na podstawie danych przekaźników. Zarządza procesem przełączania w sposób zautomatyzowany.
Wyłączniki: Fizycznie realizują proces przełączenia między źródłami zasilania, izolując uszkodzone linie i załączając rezerwowe źródło energii.

Podstawowe kryteria działania SZR

Aby SZR działał efektywnie, musi spełniać szereg kryteriów i warunków, w tym:

Czas reakcji: System powinien reagować i przełączać zasilanie w możliwie najkrótszym czasie, minimalizując wpływ awarii na odbiorów.
Niezawodność i selektywność: Automatyka musi działać niezawodnie, przełączając obciążenia tylko wtedy, gdy jest to absolutnie konieczne, aby uniknąć niepotrzebnego uruchamiania rezerwy.
Koordynacja z automatyką zabezpieczeniową: SZR powinien być skoordynowana z automatyką zabezpieczeniową w celu blokady przed załączeniem zasilania na niesprawną sekcje, co wpłynęłoby na poszerzenie skutków awarii.
Testowanie i konserwacja: Systemy SZR wymagają regularnych testów i konserwacji, aby zapewnić ich gotowość do działania w każdej sytuacji.

Typy przełączeń zasilań

Automatyka SZR umożliwia realizację różnych typów przełączeń zasilania w zależności od warunków pracy i wymagań systemu:

Przełączenie synchroniczne bezprzerwowe (SB): Jest to rodzaj przełączenia, które wykonuje się, gdy spełnione są warunki synchronizmu między źródłami zasilania. Charakteryzuje się krótkotrwałą pracą równoległą zasilań, co pozwala na minimalizację przerw w dostawie energii. Jest to preferowany sposób przełączania, gdyż zapewnia płynne przekazywanie obciążenia bez wpływu na pracujące urządzenia.
Przełączenie synchroniczne z przerwą (SP): Ten typ przełączenia również wymaga spełnienia warunków synchronizmu, ale w przeciwieństwie do przełączenia bezprzerwowego, nie dopuszcza do pracy równoległej zasilań. Oznacza to, że następuje krótka przerwa w dostawie zasilania, zanim obciążenie zostanie przełączone na źródło rezerwowe.
Przełączenie szybkie (SZ): Wykonywane, gdy różnica napięć między źródłami jest mniejsza od ustalonej maksymalnej wartości progowej. Przełączenie to nie wymaga synchronizacji fazowej, co pozwala na szybsze przywrócenie zasilania, ale może powodować chwilowe zakłócenia w pracy urządzeń.
Przełączenie szybkie synchronizowane (quasi-synchroniczne, SY): Jest to rodzaj przełączenia, który łączy w sobie cechy przełączenia szybkiego i synchronicznego. Następuje, gdy różnica napięć jest mniejsza od maksymalnej wartości progowej, a warunek synchronizmu odnosi się do częstotliwości, pozwalając na załączenie przy minimalnej różnicy faz. Zapewnia szybkie przywrócenie zasilania przy jednoczesnym zachowaniu warunków umożliwiających płynne przełączenie.
Przełączenie wolne (PW): Jest stosowane, gdy napięcie na szynach jest mniejsze od maksymalnej wartości progowej, co wskazuje na zanik zasilania głównego. Przełączenie to charakteryzuje się opóźnieniem, które umożliwia działanie innych systemów ochronnych przed jego wykonaniem. Jest wykorzystywane głównie w sytuacjach, gdzie istotniejsze jest zapewnienie bezpieczeństwa niż nieprzerwana ciągłość zasilania.

Każdy z tych typów przełączeń jest wybierany w zależności od specyfiki i wymagań konkretnego systemu energetycznego, z uwzględnieniem takich czynników jak szybkość reakcji, potrzeba synchronizacji, oraz minimalizacja wpływu na pracę odbiorców energii.

Automatyka Samoczynnego Ponownego Przełączenia (SPP)

Urządzenia realizujące automatykę SZR umożliwiają również często realizację funkcji samoczynnego przełączania powrotnego. Jest to samoczynny (realizowany przez automat) algorytm przełączania pozwalający na automatyczny powrót do podstawowej konfiguracji rozdzielnicy poprzez wykonanie przełączeń mających na celu doprowadzenie do korzystania z głównego źródła zasilania, gdy tylko jest ono dostępne. SPP może być realizowane trybach:

SPP w trybie synchronicznym bezprzerwowym (sb): W tym trybie, przełączenie powrotne do pierwotnego źródła zasilania odbywa się bez żadnej przerwy w dostarczaniu energii. Automat monitoruje parametry obu źródeł zasilania i, po stwierdzeniu ich zgodności, realizuje przełączenie w taki sposób, aby odbiorcy nie odczuli żadnej zmiany.
SPP w trybie synchronicznym z krótkotrwałą przerwą (sp): Przełączenie w tym trybie również wymaga zgodności parametrów źródeł zasilania, ale proces przełączania powoduje krótką, kontrolowaną przerwę w dostawie energii. Jest to konieczne, aby zapewnić bezpieczne odłączenie od źródła rezerwowego i ponowne załączenie pierwotnego źródła zasilania.
SPP w trybie quasi-synchronicznym (qs): Tryb ten jest stosowany, gdy warunki dla pełnej synchronizacji nie są całkowicie spełnione, ale różnice w parametrach źródeł zasilania są na tyle małe, że możliwe jest bezpieczne wykonanie przełączenia. Przełączenie może wiązać się z minimalną przerwą w dostawie energii, jednak jest ona na tyle krótka, że nie wpływa negatywnie na odbiorców.
SPP w trybie wolnym (w): Przełączenie powrotne w tym trybie jest realizowane, gdy nie ma wymogów dotyczących synchronizacji parametrów źródeł zasilania. Może to oznaczać dłuższą przerwę w dostawie energii, jednak tryb ten jest używany w sytuacjach, gdzie priorytetem jest bezpieczeństwo przełączenia, a nie ciągłość zasilania.

Każdy z trybów SPP jest zaprojektowany, aby zminimalizować wpływ awarii zasilania na odbiorców i przywrócić normalne warunki pracy systemu energetycznego w możliwie najkrótszym czasie. Wybór odpowiedniego trybu zależy od specyfiki instalacji, wymagań dotyczących ciągłości zasilania oraz konfiguracji systemu zasilania awaryjnego.

Automatyka Planowych Przełączeń Zasilania (PPZ)

Podobnie jak SPP, urządzenia SZR umożliwiają również często realizację funkcji Planowego Przełączenia Zasilań (PPZ). PPZ może być realizowany w trybach:

PPZ w trybie bezprzerwowym: Przełączenie odbywa się bez przerwy w zasilaniu, gdy warunki dla przełączeń synchronicznych są spełnione. Wyłącznik nowego zasilania jest zamykany, a po jego potwierdzeniu zamknięcia, otwierany jest wyłącznik dotychczasowego zasilania.
PPZ w trybie synchronicznym z krótkotrwałą przerwą: Wykonywane, gdy warunki do przełączeń synchronicznych są spełnione. Po otwarciu wyłącznika dotychczasowego zasilania, automat wysyła impuls na zamknięcie wyłącznika nowego zasilania, co powoduje krótkotrwałą przerwę w zasilaniu.
PPZ w trybie quasi-synchronicznym: Przełączenie na dopuszczalne napięcie łączeniowe może być wykonane, jeśli napięcie różnicowe i różnica częstotliwości nie przekraczają dopuszczalnych wartości. Przerwa w zasilaniu zależy od czasu, który upływa od wyłączenia dotychczasowego zasilania do momentu spełnienia warunków quasi-synchronicznych.
PPZ w trybie wolnym: Przełączenie następuje po obniżeniu napięcia na szynach poniżej nastawionej wartości progowej. Czas przerwy w zasilaniu zależy od szybkości zaniku napięcia do wartości progowej.

Lokalna Rezerwa Wyłącznikowa (LRW)

Lokalna Rezerwa Wyłącznikowa (LRW) to kluczowy element elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej, zapewniający wysoką niezawodność sieci przez automatyczne zarządzanie wyłącznikami w przypadku awarii. W systemie LRW, wykorzystuje się układy powiązań i urządzenia zabezpieczeniowe, które umożliwiają efektywną współpracę między zabezpieczeniami różnych pól rozdzielnicy elektroenergetycznej. Głównym zadaniem LRW jest wymiana sygnałów dwustanowych między zabezpieczeniami, co pozwala na identyfikację i reagowanie na zakłócenia w poszczególnych polach. Dzięki temu, możliwe jest wprowadzenie dodatkowych zwłok czasowych przed podjęciem decyzji o wyłączeniu określonych pól, co ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia ciągłości działania sieci oraz minimalizacji skutków awarii.

LRW jest zatem niezbędnym narzędziem do zarządzania awariami w elektroenergetycznych systemach rozdzielczych, pozwalającym na szybką i kontrolowaną reakcję na różnorodne scenariusze awaryjne.

Przykładem działania LRW jest kontrola wyłączenia danego wyłącznika przez zabezpieczeni w przypadku wykrycia zakłócenia. Jeżeli te zabezpieczenie danego pola nie wyłączą w określonym czasie zwarcia na linii odpływowej, to sterownik realizujący LRW po dodatkowej zwłoce spowoduje podanie sygnału na otwarcie wyłącznika przez OW1 lub OW2 (obwody wyłączające).

Zabezpieczenie Szyn Zbiorczych (ZSZ)

Zabezpieczenie Szyn Zbiorczych (ZSZ) jest kluczowym elementem ochrony rozdzielnicy SN. Jego celem jest szybkie wyeliminowanie zwarcia na szynach zbiorczych, co pozwala uniknąć poważnych uszkodzeń i minimalizuje skutki awarii.

Zasada działania ZSZ:

Wykrycie zwarcia na szynach zbiorczych
- Specjalne przekaźniki różnicowe lub nadprądowe analizują prądy płynące przez szyny.
- W przypadku niesymetrycznego rozkładu prądów system rozpoznaje zwarcie.
Natychmiastowe odłączenie sekcji szyn zbiorczych
- Po wykryciu zwarcia system natychmiast inicjuje otwarcie odpowiednich wyłączników.
- Jeśli to możliwe, układ izoluje jedynie uszkodzoną część szyn, umożliwiając pracę reszty rozdzielnicy.
Współpraca z systemami LRW i SZR
- Jeśli zwarcie na szynach zbiorczych spowodowało odcięcie zasilania, SZR może uruchomić rezerwowe źródło.
- LRW zapewni eliminację skutków awarii w przypadku niesprawnego wyłącznika.

Automatyczny ponowny rozruch silników

Automatyczny rozruch silników po zaniku napięcia i zadziałaniu automatyki SZR, stanowi fundament zapewnienia nieprzerwanej pracy i efektywności w przemysłowych instalacjach elektrycznych. Ta niezbędna funkcjonalność nie tylko minimalizuje przestoje produkcyjne, ale także zwiększa bezpieczeństwo operacyjne, zapewniając szybkie i kontrolowane przywrócenie działania maszyn i urządzeń.

Kluczowe aspekty automatycznego rozruchu silników obejmują:

Zasilanie Gwarantowane Układów Sterowania: Niezawodne zasilanie jest krytyczne, aby systemy sterowania mogły efektywnie zarządzać procesem ponownego uruchomienia. Dzięki temu, produkcja może być wznowiona szybko i bez zbędnych opóźnień.
Zarządzanie Prądami Rozruchowymi: Ograniczenie prądów rozruchowych jest kluczowe dla uniknięcia przeciążeń i zabezpieczeń sieci. Zaawansowane systemy mogą sekwencyjnie uruchamiać silniki, rozkładając obciążenie i minimalizując ryzyko przeciążenia.
Zapewnienie Bezpieczeństwa i Ochrony Urządzeń: Automatyczny restart musi być projektowany z uwzględnieniem bezpieczeństwa pracowników oraz ochrony urządzeń. Systemy te często wymagają manualnego resetowania alarmów lub potwierdzenia gotowości do ponownego uruchomienia przez operatora, co zapobiega ryzyku uszkodzeń lub wypadków.

Wdrażanie systemów automatycznego rozruchu silników wymaga dogłębnej analizy specyfiki danej instalacji oraz potencjalnych ryzyk. Dzięki temu możliwe jest zaprojektowanie rozwiązania, które nie tylko zapewni ciągłość produkcji, ale także zwiększy bezpieczeństwo i efektywność operacyjną.

Dla przedsiębiorstw poszukujących sposobów na optymalizację swoich procesów produkcyjnych, inwestycja w zaawansowane systemy automatycznego rozruchu silników może przynieść znaczące korzyści, w tym zwiększenie niezawodności, redukcję przestojów i poprawę ogólnej wydajności operacyjnej.

Porównanie systemów automatyki

Poniższa tabela przedstawia porównanie opisanych systemów automatyki:

Automatyka	Cel działania	Czas reakcji	Zastosowanie
SZR szybkie	Natychmiastowe przełączenie na rezerwę	< 1s	Procesy wymagające ciągłego zasilania
SZR wolne	Przełączenie na rezerwę po krótkiej przerwie	3-5s	Odbiorniki mogące przejść przez restart
PPZ	Planowe przełączenie między źródłami	Minuty	Prace eksploatacyjne, testy
LRW	Eliminacja skutków niesprawnego wyłącznika	Milisekundy	Zapobieganie skutkom awarii wyłączników
ZSZ	Ochrona szyn zbiorczych przed zwarciami	Milisekundy	Minimalizacja uszkodzeń w rozdzielni

Podsumowanie

Systemy SZR, LRW, PPZ i ZSZ stanowią fundamentalne elementy zabezpieczeń i automatyki elektroenergetycznej w przemysłowych rozdzielnicach średniego napięcia. Ich odpowiednie zaprojektowanie i wdrożenie znacząco wpływa na niezawodność i bezpieczeństwo całego systemu elektroenergetycznego.

Nowoczesne rozwiązania automatyki nie tylko zwiększają bezpieczeństwo instalacji, ale również redukują koszty operacyjne poprzez minimalizację przerw w zasilaniu i ochronę drogich urządzeń przed uszkodzeniami. Inwestycja w zaawansowane systemy automatyki to inwestycja w stabilność procesu produkcyjnego i bezpieczeństwo zakładu.

Warto podkreślić, że opisane systemy nie działają w izolacji, lecz tworzą zintegrowany system ochronny, gdzie:

ZSZ wykrywa zwarcia na szynach zbiorczych
LRW zapewnia zadziałanie wyłączników w przypadku ich awarii
SZR przywraca zasilanie z alternatywnego źródła
PPZ umożliwia bezpieczne przełączenia w czasie prac eksploatacyjnych

Taka wielowarstwowa struktura ochrony pozwala na maksymalizację bezpieczeństwa i ciągłości zasilania w nowoczesnych instalacjach przemysłowych.

Najczęściej zadawane pytania

Jaka jest główna różnica między SZR a PPZ?

SZR działa automatycznie w odpowiedzi na awarię zasilania, podczas gdy PPZ jest kontrolowanym, planowym przełączeniem źródeł zasilania, często inicjowanym przez operatora.

Czy można stosować SZR do wszystkich typów odbiorników?

Nie wszystkie odbiorniki są przystosowane do pracy z SZR, szczególnie szybkim. Niektóre wrażliwe urządzenia elektroniczne mogą wymagać dodatkowych zabezpieczeń lub systemów UPS.

Co to jest zabezpieczenie różnicowe w systemie ZSZ?

Zabezpieczenie różnicowe to metoda wykrywania zwarć oparta na zasadzie Kirchhoffa – suma prądów wpływających do węzła powinna być równa sumie prądów wypływających. Jeśli występuje różnica, oznacza to zwarcie wewnątrz chronionej strefy. Jest to podstawowa metoda działania nowoczesnych systemów ZSZ.

Czy systemy automatyki wymagają specjalnej konserwacji?

Tak, wszystkie systemy automatyki powinny być regularnie testowane i konserwowane zgodnie z harmonogramem zalecanym przez producenta oraz normami branżowymi, aby zapewnić ich niezawodność w sytuacjach awaryjnych.