Kakšno vlogo ima rele za zaporedje faz v elektroenergetskih sistemih?

Kako rele za zaporedje faz zaznava in preprečuje obratno zaporedje faz

Osnovno delovno načelo: analiza vrtenja napetostnih fazorjev

Reli za zaporedje faz nadzorujejo smer vrtenja napetostnih fazorjev v trifaznih sistemih tako, da spremljajo kotne razmerje med fazami. Osnovno ločijo pravilno zaporedje (npr. A-B-C) od napačnega (npr. C-B-A). Ko se vse vrti v smeri urinega kazalca, je vse v redu. Če pa se začne vrteti v nasprotni smeri urinega kazalca, je to zelo nevarno, saj pomeni, da je prišlo do napačnega zaporedja faz in je potrebno takoj izklopiti sistem. Zakaj je to tako pomembno? Glede na Elektrotehniški varnostni časopis iz lani je skoraj osem od desetih industrijskih okvar motorjev dejansko posledica težav, povezanih z fazami. Ti releji delujejo bodisi z običajnimi elektromagneti bodisi z novejšo trdotelesno tehnologijo in vzorčijo napetostne vzorce vsaj 200-krat v vsakem ciklu napetosti. To omogoča, da napake zaznajo izjemno hitro, še preden povzročijo resnejšo škodo.

Notranja logika: Učinkovito določanje prehoda skozi ničlo, primerjava faznega kota in zaklenjeni izhodi

Notranja logika releja izvede tri usklajene faze:

1. Zaznavanje ničelnega prehoda : Natančno označi čas prehoda vsake faze iz negativne v pozitivno napetost.
2. Primerjava faznega kota : Izračuna časovne zamike med zaporednimi fazami, da določi smer vrtenja. Na primer:

   Par faz	Zamik pri normalni zaporedju	Zamik pri obratnem zaporedju
   A do B	5,5 ms	10,5 ms
   B do C	5,5 ms	−10,5 ms

3. Zaporni izhodi : Izda signal za izklop znotraj 15 ms, če merjeni zamiki odstopajo za več kot ±2 ms od pričakovanih vrednosti. Izhod ostane zaprt, dokler ga ne ponastavimo ročno—kar preprečuje samodejno ponovno vklop v nevarne razmere in ščiti opremo pred napetostmi v ležajih, kavitacijo črpalk ali pomanjkanjem olja v kompresorjih.

Kritična zaščita pred poškodbami motorja in motnji v procesu

Tveganja obratovanja v nasprotni smeri pri indukcijskih motorjih, črpalkah in kompresorjih

Ko se fazni zaporedji napetosti izgubijo, se indukcijski motorji, črpalke in kompresorji začnejo vrteti v nasprotni smeri – to se pogosto zgodi med rednimi vzdrževalnimi deli, ko omrežne podjetja preklopijo na drug vir napajanja ali ko pride do težav z električnim omrežjem. Posledice so mehansko zelo škodljive. Ležaji se pogosto zaklenejo, saj niso zasnovani za takšno obremenitev. Impelerji znotraj črpalk hitreje obrabijo zaradi pojava, imenovanega kavitacija, tesnila pa popolnoma odpovejo, ker razlike tlakov niso več takšne, kot bi morale biti. Pri črpalkah ta obratna tokovna smer pomeni, da delujejo brez tekočine (suho) in trpijo zaradi nenadnih hidravličnih udarov. Tudi kompresorji imajo svoje specifične težave: izgubijo mazivo in nastavitve ventilov se povsem razkrojijo. Motorji, ki nadaljujejo z obratnim vrtanjem, se dejansko segrejejo za približno 15 do 20 odstotkov, saj se hladilni ventilatorji ne morejo več učinkovito obrniti, kar pospeši razgradnjo izolacije. Glede na poročila iz industrije so te napake v fazah odgovorne za približno četrtino vseh okvar motorjev v sistemih za obratovanje tekočin. In tu je še nekaj zanimivega: celo majhna napetostna asimetrija le 2 % lahko v nekaj urah povzroči resno mehansko obremenitev, če se tega nihče ne zaveda.

Dejanski vpliv: primer študije prekinitve proizvodnje na sestavljalni liniji za avtomobile

Ena velika avtomobilsko tovarna je lani izgubila približno 740.000 USD, kot poročajo industrijski viri, ker ni zaznala težave z obratom faz med deli na svoji transformatorski postaji. Transportni trakovi so se začeli premikati v nasprotni smeri, kar je povzročilo različne težave pri robotskih varilcih in celo pretrgalo več pogonskih verig. Ta kaos je povzročil 11-urno ustavitev proizvodnje, zaradi katere tovarna ni izdelala približno 2.300 avtomobilov. Ob pregledu dogodka strokovnjaki ugotavljajo, da bi namestitev releja za zaporedje faz omogočila izklop napajanja že v 0,1 sekunde, preden bi se težava poslabšala. Ti releji se lahko povežejo z sistemi PLC, tako da ostane oprema izklopljena, dokler se vse ne preveri ustrezno. Ta preprosta rešitev bi jim prihranila ogromne vsote denarja, saj vsaka ura ustavitve proizvodnje v avtomobilski industriji stane približno 24.000 USD. Poleg tega preprečuje tudi druge težave, kot so pregrevanje in poškodbe navitij motorjev zaradi dolgotrajnega obratovanja v nasprotni smeri ter nevarne situacije, ko bi hidravlične črpalke lahko eksplodirale.

Kombinacija preverjanja zaporedja faz z zaščito na podlagi toka zmanjša stroške zamenjave motorjev za 37 % v procesih, ki so ključni za opravljanje nalog.

Vključitev releja zaporedja faz v sodobne sisteme zaščite in nadzora

Usklajevanje z odklopniki, PLC-ji in avtomatskimi shemami za ponovno vklop

Ko releji za zaporedje faz zaznajo napačno zaporedje faz, delujejo skupaj z odklopnimi stikali, da takoj izklopijo napajanje in s tem preprečijo poškodbe opreme, še preden se te zgodijo. Ti naprave se povežejo z sistemi PLC prek digitalnih vhodno/izhodnih modulov, kar omogoča samodejne ukrepe, kot so stopničasti izklop motorjev, zapiranje medsebojno zaklenjenih ventilov ali povečevanje alarmov na proizvodnih linijah. V primerih avtomatskega ponovnega vklopa releji delujejo kot varnostna vrata, ki preprečujejo kakršenkoli poskus obnovitve napajanja, dokler ni potrjeno pravilno zaporedje faz. Takšna koordinacija zagotavlja gladko delovanje na tovarniških tleh, preprečuje nevarne obrate v nasprotni smeri, ki lahko povzročijo okvaro industrijskih črpalk, ter ohranja kompresorje pripravljene za delovanje, kadar je to potrebno – vse to zaradi natančno usklajenih postopkov ponovnega zagona, ki preprečujejo nenadne odpovedi med kritičnimi operacijami.

Integracija SCADA in digitalnih podpostaj za oddaljen nadzor in opozarjanje

Digitalne podpostaje uporabljajo releje zaporedja faz za pošiljanje realno časovnih informacij o napetostnih fazorjih s pomočjo sporočil IEC 61850 GOOSE in SV neposredno v sisteme SCADA. Ko se kaj pokvari, operaterji takoj prejmejo opozorila skupaj z jasnimi vizualnimi prikazi faznih kotov, kar jim omogoča hitro poseg, preden se težave razraščajo v večje probleme. Sistem pomaga tudi pri predvidljivi vzdrževalni dejavnosti. Če se kažejo trendi napetostnih neuravnoteženosti ali če se oprema večkrat približuje meji za izklop, se sprožijo predhodno načrtovani pregledi pred planiranim časom. Na lokacijah, kot so naprave za čiščenje vode in bolniške ustanove, kjer je zanesljivost oskrbe z električno energijo najpomembnejša, omogoča oddaljen nadzor zmanjšanje števila fizičnih pregledov opreme s strani osebja. Hkrati zagotavlja skladnost z standardi NFPA 70E glede varnosti pred lokavnimi izbočki, saj vse te dejavnosti pustijo revizijo sledi, ki jo je mogoče kadarkoli pregledati.

Skladnost, standardi in uporaba v kritični infrastrukturi

Mednarodni varnostni standardi, kot so IEC 60204-1 za električno opremo strojev in člen NEC 430.83(A)(2) o motorjih, dejansko zahtevajo te releje zaporedja faz, saj spremljajo faze, da preprečijo nevarne obratne vrtenje na kritičnih mestih. Pomislite na bolniške ustanove, ki jih potrebujejo, da se nujne ventilatorje in hladilne ventilatorje generatorjev vrtijo v pravo smer. Tudi podatkovna središča jih namestijo, da zagotovijo ustrezno delovanje sistemov hladne vode. Elektrarne jih namestijo tudi na naprave, kot so pomožne črpalke za oskrbo z vodo in izredni dizelski generatorji. Če obrati teh predpisov ne spoštujejo, se nesreče zgodijo hitro. Predstavljajte si, kaj bi se zgodilo, če bi se požarni črpali začele vrteti v obratni smeri ali če bi se hladilniki v strežniških kmetijah nenadoma izklopili. Celotne obrate bi lahko v nekaj minutah popolnoma izklopili. Zato predpisi zahtevajo, da se ti releji preverijo vsako leto v skladu z navodili NFPA 70E. Pri preskusih se preverja njihova natančnost, odzivni čas in sposobnost zaklepanja. To pomaga ohraniti odpornost infrastrukture ter hkrati zagotavlja skladnost z vsemi pomembnimi standardi.