Releekaitse väli
Voolutrafo (CT) toidab signaale tehaste kaitsereleedele. Ebatavaliste voolude ilmnemisel lülitavad releed välja kaitselülitid, vältides mootori läbipõlemist ja kulukaid seadmekahjustusi.
Releekaitseseadmed (kaitsereleed) mängivad olulist rolli elektritootmis- ja jaotussüsteemide stabiilsuse, ohutuse ja eeskirjadele vastavuse tagamisel. Taastuvenergia kasutuselevõtu, hajutatud tootmise ja rangete võrgukoodidega on releed rikete tuvastamise, võrgu lahtiühendamise, sageduse ja pinge jõustamise ning süsteemi üldise töökindluse tagamisel kesksel kohal.
Regulatiivne / standardite kontekst
Saksamaa eeskirjad tootmissüsteemide võrguühenduse kohta seavad kaitsereleedele seaduslikud nõuded. Kaks peamist tehnilist ühendamise reeglit on järgmised:
VDE-AR-N 4105: reguleerib madalpingeühendusi (≤100 kW, <1000 V AC).
VDE-AR-N 4110: keskpingeühendustele (>100 kW või ≥1000 V AC).
Mõlemal juhul on pinge, sageduse, katkestuste ja nendega seotud nähtuste jälgimiseks vajalikud võrgu toite- või võrgukaitsereleed; generaatorite lahtiühendamiseks piirangutest väljas või ebaturvalistes tingimustes; ja vältida saarestumist (st võrguosa tahtmatut eraldamist).
Peamised rakendused / juhtumiuuringud
1. Hüdroelektrijaamad ja hajutatud tootmine
Konkreetne näide on Lukas Anlagenbau GmbH, Baieris asuv ettevõte, mis opereerib paljusid hüdroelektrijaamu (võimsusega umbes 5 kW kuni 10 MW). VDE-AR-N 4105 määruse (ja selle muudatuste) tõttu peavad selle jaamad vastama võrgutoite seirenõuetele: tuvastama üle-/alapinge, üle-/alasageduse ja reageerima parameetrite kõrvalekalletele.
Nende nõudmiste rahuldamiseks on Lukas Anlagenbau kasutusele võtnud ABB CM-UFD.M31 võrgutoite seirerelee enam kui 60 hüdroelektrijaamas. See relee jälgib pidevalt asjakohaseid parameetreid ja lülitub välja liidese lüliti (lahutab jaama avalikust võrgust), kui piirmäärad on ületatud. Seade kuvab ka veateateid, toetab täpseid lävesid (sagedus ja pinge) ning pakub head kasutusmugavust (DIN-liistu paigaldus, loetav ekraan).
See juhtum illustreerib, kuidas releekaitse tagab nii tööohutuse kui ka vastavuse eeskirjadele, võimaldades samal ajal võrgus osaleda hajutatud tootmisel.
2. Päikese fotogalvaanilised süsteemid ja 'NA kaitse'
Teine oluline näide on päikeseenergia kasutuselevõtt, eriti madalpingesektoris. VDE-AR-N 4105 kohaselt peab igas tootmisjaamas võimsusega umbes 30 kW kuni 135 kW olema paigaldatud võrgu- ja süsteemikaitse (NA-kaitse).
NA kaitse ühendab seirerelee ja üleliigsed blokeerivad lülitid. Relee jälgib võrgu pinget ja sagedust ning kui hälbed ületavad lubatud hälbeid, ühendab see määratud aja jooksul (sageli 0,2 sekundi jooksul) PV-süsteemi võrgust lahti. Blokeerimislülitid on paigutatud nii, et kaks järjestikku asetsevat lülituselementi tagavad tõrkeohutuse – ühe rikke korral tagab teine ikkagi lahtiühendamise. Lülitusseadmed annavad oleku ka seirereleele tagasi, tagades õige töö.
3. Kasutusel olevad seadmed/releed
Saksa tootjad, nagu Ziehl, toodavad nendele standarditele kohandatud kaitsereleesid. Näiteks UFR1001E ja UFR1002IP seadmed jälgivad muu hulgas pinget, sagedust, vektori nihet ja sageduse muutumise kiirust (ROCOF), mis vastavad standardite VDE-AR-N 4105:2018-11 ja VDE-AR-N 4110:2018-11 nõuetele.
Neid releesid kasutatakse tootmisjaamades (päikese-, hüdro-, tuuleenergia) ja need pakuvad olulisi funktsioone: ebanormaalsete võrgutingimuste tuvastamine, ohutu lahtiühendamine, kaugjuhtimis-/ooterežiim, vigade kuvamine ja logimine. Ziehli releed on konstrueeritud nii, et need oleksid ühe tõrke korral ohutud (st kui üks komponent ebaõnnestub, töötab turvafunktsioon endiselt), mis on Saksamaa võrgureeglite kohaselt nõutav.
Releekaitsega lahendatud probleemid
Nendest rakendustest näeme mitut kategooriat probleeme, mille puhul releekaitseseadmed aitavad
Võrgu stabiilsus ja ohutus
Taastuvad energiaallikad on erinevad; äkilised muutused generatsioonis (nt PV kohal olevad pilved või tuule kiiruse langus) võivad põhjustada sageduse ja pinge kõikumisi. Kui neid ei hallata, võivad need kõikumised levida ja destabiliseerida laiemat võrku. Releed tagavad, et tootmisjaamad katkevad, kui parameetrid ületavad ohutuid tolerantse, kaitstes nii elektrijaama kui ka võrku.
Saartele jäämise vältimine
Saarte (generaatoriüksus, mis töötab, kui võrk on lahti ühendatud) on ohtlik hooldusmeeskondadele ja võib põhjustada seadmete kahjustamist. Õige tuvastamisega kaitsereleed (pingekadu, sagedustriiv, vektori nihe jne) tagavad, et võrguühenduse katkemisel või rikete ilmnemisel suletakse genereerimine ohutult. NA kaitserežiimis olevad päikesesüsteemid peavad hõlmama saartevastast kaitset.
Võrgukoodide ja juriidiliste nõuete järgimine
Regulatiivsed standardid nagu VDE-AR-N 4105 / 4110 Saksamaal kehtestavad spetsiifilised kaitse-, ohutus- ja jõudlusnõuded. Operaatorid peavad kasutama nende standardite jaoks sertifitseeritud õigete seadistustega releesid. Nõuetele vastavus väldib juriidilisi karistusi ja tagab, et tehased võivad jääda ühendatuks ja saada tasu. Näide on juhtum, kus hüdroettevõte võttis VDE koodi järgimiseks kasutusele ABB CM-UFD.M31.
Vea tuvastamine ja kiire lahtiühendamine
Liinide rikked, ülepinge, alapinge, üle- või alasageduse tingimused tuleb kiiresti tuvastada, et vältida komponentide kahjustamist ja vältida kaskaadrikkeid. Releed tagavad selle kiire tuvastamise ja käivitamise (väljalülitamise), et isoleerida vigased osad.
Elektrienergia ja võrgu integreerimise kvaliteet
Taastuvenergia suurenedes muutuvad võimsuse kvaliteet (pinge kõikumine, värelus, harmoonilised) ja koherentsus (faas, sagedus) keerukamaks. Kaitsereleed aitavad jälgida ja jõustada piiranguid, mis säilitavad kõigi kasutajate jaoks vastuvõetava toitekvaliteedi. Need toetavad ka selliseid funktsioone nagu vektori nihe (hälbeliste faasisuhete tuvastamiseks) ja ROCOF (sageduse muutumise kiirus), mis on olulised stabiilsuse tagamiseks, kui võrgus on suur hulk hajutatud genereerimist.
Arutelu / Saadud õppetunnid
Seadme kasutatavus on oluline: Saksamaa tegelik juhtum näitab, et hõlpsasti konfigureeritavad, selgete kuvade ja lihtsate häälestusprotsessidega releed paigaldatakse ja hooldatakse palju tõenäolisemalt. Hüdroelektrijaama operaator kavandas eelarve konfigureerimise ja täpsuse hõlbustamiseks.
Redundantsus ja tõrkeohutus: kaks sõltumatut lülituselementi järjestikku, lülitite positsioonide jälgimine, kahe kanaliga releed, tõrkekindel disain ei ole lihtsalt kenad omadused, vaid ka regulatiivsed nõuded paljudes Saksa võrgukoodides.
Läviväärtused ja ajastus: sätted, nagu pinge/sageduse piirangud, viivitus enne lahtiühendamist, lülitusvõimsused jne, tuleb kohandada vastavalt kohaliku võrguoperaatori nõuetele. Saksa reeglid määravad kindlaks ajapiirangud (kui kiiresti peab generaator lahti ühendama, kui pinge/sagedus on vahemikust väljas). Releede tundlikkus, täpsus ja kiirus on määravad.
Standardne areng: VDE-AR-N 4105 ja 4110 standardid on edasi arenenud. Tootjad ja operaatorid peavad muudatustega sammu pidama. Kaitsereleed pakuvad sageli nende standardite praeguste versioonide jaoks eelseadistatud läviväärtusi.
Järeldus
Releekaitseseadmed on taastuvate ja hajutatud energiaallikate turvalise, nõuetele vastava ja stabiilse integreerimise nurgakivi. Regulatiivsete standardite jõustamise (VDE-AR-N 4105 / 4110), täiustatud releeseadmete (ABB, Ziehl jne) kasutuselevõtu ja hüdroelektri- ja päikeseenergiasüsteemide tegeliku töö kaudu lahendavad releed põhiprobleeme:
lahtiühendamine ebaturvalistes pinge/sageduse tingimustes
saarestumist takistades
seadmete ja võrgu stabiilsuse kaitsmine
nõuete täitmise tagamine ja karistuste vältimine
Kuna Saksamaa energiaüleminek ('Energiewende') jätkub koos detsentraliseerituma tootmise, energia salvestamise, mikrovõrkude ja nutikate võrkudega, kasvab kaitsereleede tähtsus – mitte ainult ohutuse ja reguleerimise, vaid ka töökindluse, vastupidavuse ja paindliku toimimise võimaldajatena.
