Polje relejne zaščite
Tokovni transformatorji (CT) napajajo signale zaščitnim relejem v tovarnah. Ko pride do nenormalnih tokov, sprožijo odklopniki relejev, ki preprečujejo izgorevanje motorja in drago poškodbo opreme.
Naprave za relejno zaščito (zaščitni releji) igrajo ključno vlogo pri zagotavljanju stabilnosti, varnosti in skladnosti s predpisi sistemov za proizvodnjo in distribucijo električne energije. Z uporabo obnovljivih virov energije, porazdeljeno proizvodnjo in strogimi omrežnimi kodami so releji osrednjega pomena pri odkrivanju napak, odklopu omrežja, uveljavljanju frekvence in napetosti ter splošni zanesljivosti sistema.
Kontekst predpisov/standardov
Nemški predpisi za priključitev proizvodnih sistemov na omrežje določajo pravne zahteve za zaščitne releje. Dva ključna pravila tehnične povezave sta:
VDE-AR-N 4105: ureja nizkonapetostne povezave (≤100 kW, <1000 V AC).
VDE-AR-N 4110: za srednjenapetostne povezave (>100 kW ali ≥1000 V AC).
V obeh primerih so potrebni zaščitni releji za napajanje omrežja ali omrežja za nadzor napetosti, frekvence, izpadov in s tem povezanih pojavov; za odklop generatorjev v izvenomejenih ali nevarnih pogojih; in preprečiti otočenje (tj. nenamerno ločitev dela omrežja).
Ključne aplikacije/študije primerov
1. Hidroelektrarne in razpršena proizvodnja
Konkreten primer je Lukas Anlagenbau GmbH, podjetje na Bavarskem, ki upravlja veliko hidroelektrarn (zmogljivosti od približno 5 kW do 10 MW). Zaradi uredbe VDE-AR-N 4105 (in njenih revizij) morajo njene naprave izpolnjevati zahteve za spremljanje napajanja v omrežju: zaznavanje previsoke/podnapetosti, previsoke/podfrekvence in odzivanje, ko parametri odstopajo.
Da bi zadostil tem zahtevam, je Lukas Anlagenbau namestil ABB-jev rele za spremljanje napajanja omrežja CM-UFD.M31 v več kot 60 hidroelektrarnah. Ta rele nenehno spremlja ustrezne parametre in sproži vmesniško stikalo (odklopi napravo iz javnega omrežja), ko so omejitve presežene. Naprava prikazuje tudi sporočila o napakah, podpira natančne mejne vrednosti (frekvenca in napetost) in nudi dobro uporabnost (montaža na DIN-letev, berljiv zaslon).
Ta primer ponazarja, kako relejna zaščita zagotavlja obratovalno varnost in skladnost s predpisi, hkrati pa omogoča porazdeljeno proizvodnjo, da sodeluje v omrežju.
2. Solarni fotonapetostni sistemi in 'zaščita NA'
Še en ključni primer je uvedba solarnih PV, zlasti v sektorju nizke napetosti. V skladu z VDE-AR-N 4105 mora imeti vsak proizvodni obrat med približno 30 kW in 135 kW nameščeno zaščito omrežja in sistema (zaščita NA).
Zaščita NA združuje nadzorni rele in redundantna zaklepna stikala. Rele spremlja napetost in frekvenco omrežja in ko odstopanja presežejo tolerance, v določenem času (pogosto v 0,2 sekunde) odklopi PV sistem iz omrežja. Zaporna stikala so razporejena tako, da dva zaporedno povezana stikalna elementa zagotavljata varnost pred napakami – če eden odpove, drugi še vedno zagotavlja odklop. Stikalne naprave prav tako sporočajo status nadzornemu releju, kar zagotavlja pravilno delovanje.
3. Naprave/releji v uporabi
Nemški proizvajalci, kot je Ziehl, proizvajajo zaščitne releje, prilagojene tem standardom. Napravi UFR1001E in UFR1002IP na primer med drugim spremljata napetost, frekvenco, vektorski premik in stopnjo spremembe frekvence (ROCOF), ki izpolnjujeta zahteve VDE-AR-N 4105:2018-11 in VDE-AR-N 4110:2018-11.
Ti releji se uporabljajo v proizvodnih napravah (sončne, hidroelektrarne, vetrne) in zagotavljajo ključne funkcije: zaznavanje nenormalnih razmer v omrežju, varen odklop, daljinsko upravljanje/pripravljenost, prikazovanje in beleženje napak. Releji Ziehl so zasnovani tako, da so varni ob eni napaki (tj. če ena komponenta odpove, varnostna funkcija še vedno deluje), kar je zahteva nemških omrežnih pravil.
Težave, ki jih rešuje relejna zaščita
Iz teh aplikacij lahko vidimo več kategorij težav, pri katerih si pomagajo relejne zaščitne naprave
Stabilnost in varnost omrežja
Obnovljivi viri energije so spremenljivi; nenadne spremembe v proizvodnji (npr. zaradi oblakov nad PV ali padcev hitrosti vetra) lahko povzročijo nihanje frekvence in napetosti. Če jih ne obvladamo, se lahko ta nihanja širijo in destabilizirajo širše omrežje. Releji zagotavljajo, da se proizvodne naprave odklopijo, ko parametri presežejo varne tolerance, s čimer ščitijo tako napravo kot omrežje.
Preprečevanje otočnega
otočka (generacijska enota še naprej deluje, ko je omrežje odklopljeno) je nevarno za vzdrževalno osebje in lahko povzroči poškodbe opreme. Zaščitni releji s pravilnim zaznavanjem (izguba napetosti, drsenje frekvence, premik vektorja itd.) zagotavljajo, da se ob izgubi povezave z omrežjem ali pojavu napak proizvodnja varno zaustavi. Solarni sistemi v zaščitnem režimu NA morajo vključevati zaščito proti otočkom.
Skladnost z omrežnimi kodeksi in pravnimi zahtevami
Regulativni standardi, kot je VDE-AR-N 4105 / 4110 v Nemčiji, nalagajo posebne zahteve glede zaščite, varnosti in delovanja. Operaterji morajo uporabljati releje, certificirane za te standarde, s pravilnimi nastavitvami. Skladnost se izogne pravnim kaznim in zagotovi, da lahko naprave ostanejo povezane in plačane. Primer s hidropodjetjem, ki je sprejelo ABB-jev CM-UFD.M31 za izpolnjevanje kode VDE, je primer.
Zaznavanje napak in hiter odklop
Napake v vodih, prenapetost, prenizko napetost, previsoko frekvenco ali prenizko frekvenco je treba zaznati hitro, da preprečite poškodbe komponent in preprečite kaskadne okvare. Releji zagotavljajo to hitro zaznavanje in aktiviranje (izklop) za izolacijo okvarjenih delov.
Kakovost električne energije in integracije v omrežje
Z naraščanjem obnovljivih virov energije postajata kakovost električne energije (nihanje napetosti, utripanje, harmoniki) in koherenca (faza, frekvenca) vse večji izziv. Zaščitni releji pomagajo spremljati in uveljavljati omejitve, ki ohranjajo sprejemljivo kakovost električne energije za vse uporabnike. Podpirajo tudi funkcije, kot sta vektorski premik (za odkrivanje aberantnih faznih razmerij) in ROCOF (hitrost spremembe frekvence), ki sta pomembni za stabilnost, ko so na spletu velike količine porazdeljene generacije.
Razprava / pridobljene izkušnje
Uporabnost naprave je pomembna: Primer iz resničnega sveta v Nemčiji kaže, da je veliko večja verjetnost, da bodo releji, ki jih je enostavno konfigurirati, z jasnimi zasloni in preprostimi postopki nastavitve, pravilno nameščeni in vzdrževani. Upravljavec hidroelektrarne je predvidel enostavno konfiguracijo in natančnost.
Redundanca in varnost pred napakami: Dva neodvisna preklopna elementa v seriji, spremljanje položajev stikala, dvokanalni releji, varna zasnova niso le lepe lastnosti, ampak regulativne zahteve v številnih nemških omrežnih kodah.
Mejne vrednosti in časovni razpored: Nastavitve, kot so omejitve napetosti/frekvenčnosti, zakasnitev pred odklopom, preklopne zmogljivosti itd., morajo biti prilagojene zahtevam operaterja lokalnega omrežja. Nemška pravila določajo časovne omejitve (kako hitro se mora generator odklopiti, ko je napetost/frekvenca izven območja). Odločilne so občutljivost, natančnost in hitrost relejev.
Razvoj standardov: standarda VDE-AR-N 4105 in 4110 sta se razvila. Proizvajalci in operaterji morajo biti v koraku z revizijami. Zaščitni releji pogosto zagotavljajo prednastavljene mejne vrednosti za trenutne različice teh standardov.
Zaključek
Relejne zaščitne naprave so temelj varne, skladne in stabilne integracije obnovljivih in porazdeljenih virov energije. Z uveljavljanjem regulativnih standardov (VDE-AR-N 4105 / 4110), uporabo naprednih relejnih naprav (ABB, Ziehl itd.) in dejanskim delom v hidroelektričnih in solarnih PV sistemih releji rešujejo ključna vprašanja:
odklop v nevarnih pogojih napetosti/frekvence
preprečevanje otočenja
zaščita opreme in stabilnost omrežja
zagotavljanje skladnosti in izogibanje kaznim
Ko se nemški energetski prehod ('Energiewende') nadaljuje z bolj decentralizirano proizvodnjo, shranjevanjem energije, mikroomrežji in pametnimi omrežji, bodo zaščitni releji postali pomembnejši – ne samo za varnost in regulacijo, ampak tudi kot dejavniki zanesljivosti, odpornosti in prilagodljivega delovanja.
