INTELIGENTNO SKLAPANJE 1. Uvod
Otvaranje i zatvaranje prekidača, u odnosu na talas struje ili napona je sasvim slučajan. Posljedica nekontrolisanog trenutka sklapanja je da induktivni i kapacitivni elementi u kolu mogu izazvati opasne tranzijente. To se posebno odnosi na sklapanje struja reaktora, transformatora i kondezatora, kada postoji mogućnost da se pojave jako strmi i visoki prenaponi ili jako velike vrijednosti struja, koji izazivaju velika električna i mehanička naprezanja sistema, kvarove i havarije. Uklop vodova u praznom hodu moe izazvati veoma visoke prenapone koji mogu ugroziti izolaciju izme!u provodnika ili prema uzemljenoj konstrukciji dalekovodnih stubova, "to dovodi do kratkog spoja i neuspje"nog pu"tanja voda pod napon. #isokofrekfentni #isokofrekfentni trazijenti mogu izazvati prenapone i u sekundarnim krugovima.Oni mogu izazvati neeljene operacije aparata i ozbiljno ugroziti izolaciju sekundarnih krugova. $odinama su se razvijale i u praksi koristile razne metode za rje"avanje ovih problema.%edna od tih metoda je sinhrono sklapanje. &inhroniziranje trenutka razdvajanja ili dodira kontakta postoji jo" od davnina ali tek intezivnim razvojem u oblasti elektronike i proizvodnjom visokonaponskih prekidača sa stabilnim vremenima uklopa i isklopa, omogućeno je kori"ćenje ove metode za smanjenje sklopnih tranzijenata koji se javljaju u normalnom radnom reimu elektroenergetskih sistema. Trenutak dodira kod uklopa, odnosno trenutak razdvajanja kontakata kod isklopa u odnosu na talas struje ili napona, kod koga su tranzijenti minimalni, mjenja se zavisno od uslova sklapanja. 'bog toga je osim sinhronizacije, predhodno potrebno logičko rasu!ivanje , pa se česće koristi izraz inteligentno sklapanje. (ezultati provedenih istraivanja pokazuju da je stepen ograničenja sklopnih prenapona koji je moguće postići inteligentnim sklapanjem generalno veći od onog koji je moguće postići konvencionalnim metodama.
)
2. Pojam inteligentnog sklaanja
*nteligentno sklapanje je pojam koji se odnosi na olak"avanje uslova sklapanja sklopnim aparatima tako "to se operacije uklopa ili isklopa iniciraju u eljenom trenutku koji se odre!uje na osnovu mjerenja i proračuna koje radi elekronski ure!aj koji se naziva kontroler. (eferentni električni signal moze da bude ili struja ili napon zavisno od uslova sklapanja. Pojam inteligentnog sklapanja obuhvata inteligentni uklop i inteligentni isklop. *nteligentni isklop predstavlja izazivanje razdvajanja kontakata polova prekidača u odre!enom trenutku u odnosu na fazni stav struje, kontroli"ući tako trajanje luka radi minimiziranja naprezanja komponenti elektroenergetskog sistema. *nteligentni uklop predstavlja upravljanje trenutkom uspostavljanja strujnog toka u odnosu na fazni stav sa ciljem minimiziranja sklopnih tranzijenata pri uklopu. 2.1 Inteligentni isklo
Pri inteligentnom isklopu potrebno je posmatrati struju kroz prekidač. +ontrola trajanja luka na svakom polu prekidača se postie pode"avanjem trenutka razdvajanja kontakata u odnosu na talas struje. Pri tome je potrebno poznavati minimalno trajanje luka za primjenjeni prekidač, koje omogućava sigurno ga"enje luka u prvoj sledećoj strujnoj nuli, kao i vrijeme isklopa prekidača. +arakteristična vremena koja se javljaju pri isklopu su predstavljena na slici . - apomena/ (adi lak"eg razumjevanja pojmova, svi trenuci su označeni malim slovom t, a sva vremena trajanja velikim slovom T. 0 tsni 1 trenutak slučajnog naloga za isklop, tkni 1 trenutak kontrolisanog naloga za isklop, t!k 1 trenutak razdvajanja kontakata, tg 2 trenutak ga"enja luka, T"vk 1 ukupno vrijeme kontrolera za koje on uspori izvr"enje isklopa, Tmi 1 vrijeme potrebno kontroleru za mjerenja i proračune, T#si 1 vrijeme zadravanja signala isklopa od strane kontrolera, Ti 1 vrijeme isklopa, Ta 2 trajanje električnog luka, NT 2 vremenski interval koji se sastoji od cijelog broja poluperioda - ovo vrijeme mora biti toliko da se postigne Tzsi 3 ) 0 .
1. Karakteristična vremena za inteligentni isklop
Trenutak naloga za isklop - tsni 0 u odnosu na fazni stav referentnog signala struje izabran je slučajno. 'adatak kontrolera je da uspori izvr"enje komande za vrijeme Tuvk i da tek po isteku ovog vremena proslijedi signal okidaču isklopa pogonskog mehanizma da izvr"i operaciju isklopa. #rijeme Tuvk se moe predstaviti kao suma vremena čekanja, potrebnog kontroleru za mjerenje i proračun i vremena ka"njenja potrebnog da se obezbjedi eljeno trajanje luka.
Tuvk 4 Tmip 1 Tzsi . #rijeme zadravanja signala isklopa - Tzsi 0 odredjeno je vremenom isklopa i ciljanim trenutkom razdvajanja kontakata posmatranog pola prekidača, odnosno ciljanim trajanjem luka, koje mora biti due od minimalnog kako bi se osiguralo ga"enje luka u prvoj nuli struje /
Tzsi 4 T 1 Ta 1 Ti . Princip inteligentnog isklopa je sledeći / signal za isklop prekidača, koji je u odnosu na fazni stav struje izabran slučajno, dolazi na kontroler, kontroler u vremenu Tmip odredi vrijeme Tzsi i tek po isteku ovog vremena proslje!uje signal okidaču isklopa, kontroler, u svojim proračunima, koristi stabilna zadata vremena isklopa Ti i trajanja luka Ta,
5
do efikasnog ga"enja električnog luka dolazi u prvoj sledećoj nuli struje, uz minimalne prenapone.
2.2 Inteligentni "klo
+od inteligentnog uklopa referentni električni signal je napon na kontaktima prekidača ili napon sa strane izvora. Trenutak naloga za uklop se de"ava slučajno u odnosu na referentni signal. +ontroler usporava izvr"enje komande uklopa da bi se strujni tok uspostavio u zeljenom trenutku.
2. Karakteristična vremena za inteligentni uklop
a slici 5. prikazana su karakteristična vremena za slučaj kada se strujni krug eli uspostaviti u maksimumu napona. Označavanje je analogno onom kod inetligentnog isklopa/ tsn" 1 trenutak slučajnog naloga za uklop, tkn" 1 trenutak kontrolisanog naloga za uklop, t 1 trenutak uspostavljanja predluka, tdk 2 trenutak dodira kontakata, T"vk 2 ukupono vrijeme kontrolera za koje on uspori izvr"enje isklopa, 6
Tmi 2 vrijeme potrebno kontroleru za mjerenje i proračune, T#s" 2 vrijeme zadravanja signala uklopa od strane kontrolera, T" 2 vrijeme uklopa, T 2 trajanje predluka, NT 2 vremenski interval koji se sastoji od cijelog broja poluperioda - ovo vrijeme mora
biti toliko da se postigne Tzsu 3 ) 0. +ao početnu tj. referentnu tačku za vrijeme zadravanja signala uklopa - Tzsu 0 kontroler uzima nulu referentnog napona i uzimajući u obzir poznato vrijeme uklopa - Tu 0 i vrijeme trajanja predluka - T p 0 računa vremena /
Tuvk 4 Tmip 7 Tzsu , Tzsu 4 T 2 - T 8 5 0 2 - T u 2 T p 0 . Princip inteligentnog uklopa je sledeći / signal za uklop prekidača, koji je u odnosu na fazni stav napona izabran slučajno, dolazi na kontroler, kontroler u vremenu Tmip odredi vrijeme Tzsu i tek po isteku ovog vremena prosljedjuje signal okidaču uklopa, kontroler, u svojim proračunima, koristi stabilna zadata vremena uklopa Ti i predluka T p, do uspostavljanja strujnog toka dolazi u eljenom trenutku u odnosu na referentni električni signal, uz minimalne prenapone.
$. %a&tjevi koje t!e'a is"niti !ekida(
9a bi se prekidač smatrao idealnim treba da se odlikuje sledećim karakteristikama / nema rasipanja vremena uklopa i isklopa prekidača, dieletrična čvrstoća me!ukontaktnog razmaka pri uklopu je beskonačna, tako da ne postoji mogućnost pojave predluka, pa se trenutak uspostavljanja struje podudara s trenutkom dodira kontakata, vjerovatnoća pojave ponovnih paljenja i ponovnih proboja, nakon prvog ga"enja luka pri isklopu, jednaka je nuli.
$.1 )e&ani(ke ka!akte!istike
&vaki realni prekidač ima odr!eno rasipanje vremena uklopa i isklopa koje se mora uzeti u obzir pri odre!ivanju optimalnog trenutka sklapanja. (asipanje pri uklopu je obično veće od rasipanja pri isklopu jer je vrijeme uklopa kod većine prekidača znatno due od vremena isklopa.
:
#arijacije vremena uklopa i isklopa - operativnih vremena0 prekidača se mogu podjeliti na / one koje se sa odgovarajućom tačno"ću mogu predvidjeti i uzeti u obzir u proračunima kontrolera i na čisto statičke varijacije na koje kontroler ne moe da utiče.
*nformacije o predvidivim varijacijama kontroler uzima u obzir pomoću/ principa kompenzacije i principa adaptivne kontrole. Princip kompenzacije obuhvata odstupanja koja izazivaju parametri koji mogu biti mjereni odgovarajućim senzorima, kao "to su napon napajanja, akumulirana energija ili okolna temperatura. Princip adaptivne kotrole se sastoji u tome da se mjere i evidentiraju vremena uklopa i isklopa kako bi se praćenjem trenda njihove promjene odredila najvjerovatnija vremena slijedeće operacije. ;daptivna kontrola predstavlja efikasan način kompenzacije varijacija koje nastaju kao rezultat o"tećenja tokom dueg vremena eksploatacije prekidača. 'bog faznog pomaka struje i napona u pojedinim fazama, jedino jednopolno komandovanje prekidačem - tri nezavisna pogona za svaki pol 0 omogućava maksimalno iskori"tenje mogućnosti koje nudi inteligentno sklapanje.
$.2 Elekt!i(ne ka!akte!istike
akon razdvajanja kontakata dielektrična čvrstoća me!ukontaktnog prostora se povećava s povećanjem rastojanja. Proboj me!ukontaktnog razmaka i uspostavljanje električne struje kroz prekidač de"ava se ukoliko u odre!enom trenutku napon na kontaktima prekidača nadvlada dielektričnu čvrstoću me!ukontaktnog prostora. 9ielektrično naprezanje me!ukontaktnog prostora se smanjuje ako prelazni povratni napon djeluje na veći me!ukontaktni razmak, sto je i cilj inteligentnog isklopa u mnogim aplikacijama. #eoma vazna električna karakteristika prekidača kod inteligentnog uklopa je brzina opadanja dielektrične čvrstoće medjukontaktnog razmaka - (ate of 9eca> of 9ielectric &retngth (99& 0 . eposredno prije dodira kontakata pri operaciji uklopa, opadanje podnosivog napona moe biti aproksimirano pravcem. pr. njegov nagib &) je proporcionalan brzini kontakata i gustini gasa kod &?@ prekidača.
=
&truja kroz prekidač se uspostavlja u trenutku t p kada napon na kontaktima prekidača nadvlada dielektričnu čvrstoću me!ukontaktnog razmaka. Trenutak t p se moze odrediti iz sledeće relacije/
A u5 - t 0 A 4 1 & ) - t p 2 tdk 0 gdje su/ t p 2 trenutak uspostavljanja predluka, odnosno struje kroz prekidač, tdk 2 trenutak dodira kontakata, A u5 - t 0 A 1 apsolutna vrijednost napona na priključcima prekidača. Biljni trenutak uspostavljanja struje moe biti različit.
3. Pretprobojne karakteristike prekidača kada je cilj inteligentnog uklopa uspostavljanje struje u blizini maksimuma napona
a slici 6. a ilustrovana je situacija kada je cilj inteligentnog uklopa uspostavljanje struje u blizini maksimuma napona. *scrtkanim linijama prikazan je uticaj varijacije brzine opadanja dielektrične čvrstoće me!ukontaktnog razmaka na odstupanje od ciljnog trenutka. a slici 6. b je dodatno ilustrovan i uticaj rasipanja vremena uklopa prekidača u granicama - 1 0 ms do -7 0 ms kod =) Cz .
@
4. Pretprobojne karakteristike prekidača kada je cilj inteligentnog uklopa uspostavljanje struje u blizini nule napona
a slici :. prikazana je situacija kada je cilj uspostavljanje struje u blizini nule napona. *. P!imje!i !imjene inteligentnog sklaanja
Primjena inteligentnog uklopa i isklopa, u gotovo svim uslovima sklapanja, moe obezbjediti odredjene pogodnosti u pogledu smanjenja mehaničkih ili električnih naprezanja, ograničenja sklopnih prenapona, smanjenja erozije i slično. Dfekti jako zavise od karakteristika upotrebljenog prekidača i uslova sklapanja u sistemu na mjestu primjene. 9o sada je registrovana praktična primjena inteligentnog sklapanja u slijedećim uslovima / sklapanje kondezatorskih baterija, sklapanje neopterećenih dalekovoda, sklapanje reaktora, uklapanje transformatora.
+od svih do sada instalisanih sistema inteligentnog sklapanja znacajno je smanjenje nivoa sklopnih tranzijenata, "to pokazuje opravdanost primjene inteligentnog sklapanja u spomenutim uslovima. &igurno je da se inteligentnim isklopom i kod prekidanja struja kratkog spoja mogu postići odredjene pogodnosti u smislu smanjenja erozije kontakata i povećanja električne trajnosti prekidača. *pak te pogodnosti nisu bile dovoljan razlog za praktičnu primjenu inteligentnog sklapanja u takvim uslovima.
E
*.1 Sklaanje konde#ato!ski& 'ate!ija i neote!e+eni& dalekovoda
Uslovi koji se javljaju kod sklapanja kapacitivnih struja, kako u slucaju neopterećenih vodova i kablova, tako i u slučaju jedinstvenih razdjeljenih kondezatorskih baterija, sasvim jasno opravdavaju primjenu inteligentnog sklapanja. Pogodnosti se odnose na veoma veliko smanjenje naponskih i strujnih tranzijenata. +od prekidanja kapacitivnih struja, razdvajanjem kontakata u momentu koji osigurava da se prirodni prolazak struje kroz nulu i ga"enje luka desi pri relativno velikim medjukontaktnim rastojanjima, odnosno pri duem trajanju luka - ta 0, smanjuje se dielektrično naprezanje medjukontaktnog razmaka i time vjerovatnoća ponovnog paljenja ili proboja. Ova strategija inteligentnog isklopa kod prekidanja kapacitivnih struja prikazana je na slici =.
5. Poredjenje dielektrične čvrstoće medjukontaktnog razmaka !!"# $ i PP%&a na kontaktima prekidača kod prekidanja kapacitivni' struja u slučaju inteligentnog isklopa
&avremeni &?@ prekidači imaju veoma malu vjerovatnoću ponovnih proboja kod prekidanja malih kapacitivnih struja, koji mogu izazvati velike prenapone i uzrokovati probleme u sistemu. Fez obzira na to, njihova pojava nije isključena. Primjenom inteligentnog sklapanja, vjerovatnoća ponovnog paljenja iproboja se dodatno smanjuje i kod &?@ prekidača. G
Pri uklapanju kondezatorskih baterija najveća vrijednost lavinske struje se dobiva kod uklopa u trenutku maksimalne vrijednosti napona napajanja,sto je monogo vjerovatnije da će se desiti od uklopa u okolini nule napona. 'bog toga je optimalni trenutak za uklop kondezatorskih baterija moment kada napon na priključcima prekidača prolazi kroz nulu. U slučaju kondezatorskih baterija sa uzemljenim zvjezdi"tem, to znači da se svaki pol prekidača uklapa u nuli faznog napona, tj. sva tri pola se mogu uključiti za 5) ms, pri čemu bilo koja faza moe biti prva. U slučaju kondezatorskih baterija sa izolovanim zvjezdi"tem, dva pola se uklapaju zajedno u trenutku kada je odgovarajući medjufazni napon jednak nuli. Treci pol se uklapa H)oe kasnije, u trenutki kada odgovarajući fazni napon prolazi kroz nulu. +ondezatorske baterije se normalno energiziraju kada na njima nema zaostalog naboja "to nije slučaj kod uklapanja neopterećenih vodova. +od neopterećenih vodova zaostali naboj je vrlo vjerovatna pojava kod automatskog ponovnog uklopa. U slučaju kada postoji zaostali naboj na vodu koji treba uklopiti, nule napona izme!u priključaka prekidača vremenski ne odgovaraju nulama napona sa strane izvora. astoji se postići da polariteti napona izvora i zaostalog naboja budu isti u trenutku uklopa. ;ko se ipak uklop izvr"i u trenutku kada su polariteti suprotni, naponski talas nakon refleksije na kraju voda moe dostići trostruku vrijednost napona mree. *.2 Sklaanje !eakto!a
Poznato je da su uslovi koji vladaju kod sklapanja reaktora mogući izvor opasnih strujnih i naponskih tranzijenata. Tokom isklapanja reaktora pojave rezanja struje i ponovna paljenja izazivaju opasne prenapone koji ugroavaju sve elemente elektroenergetskog sistema. Takodje uklapanje reaktora u nepovoljnom trenutku izaziva visokofrekfentne oscilacije tranzijentne struje koja uzrokuje opasna elektrodinamička naprezanja namotaja reaktora. *nteligentno sklapanje moe biti primjenjeno u oba slučaja radi smanjenja opasnih tranzijenata. +oeficijen rezanja struje kod savremenih visokonaponskih &?@ prekidača nije previsok, ali ipak raste s trajanjem luka, pa to nije osnovni razlog za primjenjivanje inteligentnog isklopa u slučaju prekidanja struja reaktora. Bilj inteligentnog isklopa je da se izbjegnu prenaponi koje uzrokuju ponovna paljenja, "to se postie forsiranjem razdvajanja kontakata izvan intervala koji se naziva prozor ponovnog paljenja.&trategija inteligentnog isklopa kod prekidanja struja reaktora data je na slici @.
H
(. Poredjenje dielektrične čvrstoće medjukontaktnog razmaka !!"# $ i PP%& a na kontaktima prekidačakod prekidanja struja reaktora u slučaju inteligentnog isklopa
9a bi se izbjegle velike amplitude tranzijentne struje kod uklapanja reaktora, cilj inteligentnog uklopa jeste uspostavljanje strujnog kruga u maksimumu napona industrijske frekfencije. ije moguće istovremeno potpuno izbjeći i velike amplitude tranzijentne struje i veliku strminu prenaponskog talasa, pa je zbog toga u praktičnoj primjeni potrebno traiti kompromis, koji se prilagodjava karakteristikama opreme u svakom konkretnom slučaju. *.$ Uklaanje t!ans,o!mato!a
Uklapanje transformatora izaziva tranzijentne oscilacije struje, koje osim "to elektrodinamički napreu namotaje transformatora izazivaju i produeno prisustvo vi"ih harmonika u naponu industrijske frekfencije. To praktično znači smanjenje kvaliteta električne energije. Osim primjene prekidača sa uklopnim otpornicima, na raspolaganju stoji inteligentni uklop. 9a bi se postigao optimalan trenutak uklopa u svakoj fazi transformatora, potrebno je poznavati napon na priključcima svakog pola prije uklopa i predprobojnu karakteristiku prekidača.
)
+ontroler moe izračunati ciljani trenutak dodira kotakata za svaku fazu, ali samo uz predpostavku da nema rezidualnog magnetnog fluksa u jezgru transformatora. Fuduci da on uvjek postoji i ima različitu vrijednost koja zavisi od uslova koji su vladali pri predhodnoj operaciji isklopa, a nije ga jednostavno mjeriti, nije moguće odrediti idealan trenutak uklopa. Postoji mogućnost da bi inteligentni isklop mogao pomoći da se predvidi i preciznije procjeni vrijednost rezidualnog magnetnog fluksa u jezgru transformatora ali to se jo" uvjek razmatra samo kao teoretska mogućnost. 'avisno od transformatora i uzemljenja zvjezdi"ta, naponi u pojedinim fazama mogu biti/ I6 Um , Um , ili , = U m. +od kruto uzemljenog zvjezdi"ta transformatora , kod koga su primar i sekundar spojeni u zvjezdu sve tri faze treba uključiti pri naponu Um da bi se izbjegle velike tranzijentne struje magnetizacije. Prekidanje struje neopterećenog transformatora je slične prirode kao i prekidanje struje reaktora , frekfencija oscilacija je manja a prigu"enje mnogo veće pa su prenaponi kod prekidanja transformatora u praznom hodu jako mali.
-. Lite!at"!a
. Jirsad +apetanović, #isokonaponski prekidači, 5)). &arajevo.
5
Sad!aj
. Uvod...............................................................................................................................) 5. Pojam inteligentnog sklapanja......................................................................................... 5. *nteligentni isklop...................................................................................................... 5.5 *nteligentni uklop.......................................................................................................6 6. 'ahtjevi koje treba ispuniti prekidač...............................................................................: 6. Jehaničke karakteristike...........................................................................................: 6.5 Dlektrične karakteristike............................................................................................= :. Primjeri primjene inteligentnog sklapanja.......................................................................E :. &klapanje kondezatorskih baterija i neopterećenih dalekovoda................................G :.5 &klapanje reaktora.....................................................................................................H :.6 Uklapanje transformatora........................................................................................) =. Kiteratura........................................................................................................................5
6
