Μέση τάση – μέρος 7ο (Ηλεκτρονόμοι προστασίας)

Τι είναι; τι κάνουν; πως είαι κατασκευασμένοι; Αυτά και πολλά άλλα θα δούμε σε αυτό το 7ο μέρος της Μέσης Τάσης.

Οι ηλεκτρονόμοι προστασίας (Η/Ν) είναι συσκευές που έχουν σκοπό τη συνεχή επιτήρηση ενός ηλεκτρικού μεγέθους (συνήθως ρεύμα) σε ένα τμήμα της ηλεκτρικής εγκατάστασης. Αν το μέγεθος ξεφύγει από τα όρια επιτήρησης, τότε αυτόματα δίνουν τις απαραίτητες εντολές (συνήθως εντολή

ανοίγματος), με σκοπό να αποτρέψουν τις συνέπειες στον εξοπλισμό.

Στη χαμηλή τάση έχουμε γνωρίσει τα θερμικά και μαγνητικά στοιχεία που υπάρχουν στις αυτόματες ασφάλειες που χρησιμοποιούμε για να ασφαλίσουμε τις γραμμές των ηλεκτρικών πινάκων. Τα στοιχεία αυτά είναι πρακτικά ηλεκτρονόμοι προστασίας, διότι από μέσα τους διέρχεται το ρεύμα της

γραμμής που πρέπει να επιτηρούν. Η προστασία αυτή ονομάζεται πρωτογενής προστασία (primary protection), διότι το ρεύμα που διέρχεται μέσα από τον ηλεκτρονόμο είναι το ίδιο το ρεύμα της γραμμής.

Στα δίκτυα των 20 kV, το πρωτογενές ρεύμα δεν είναι δυνατόν να περάσει μέσα από τα όργανα προστασίας, γι’ αυτό μετασχηματίζεται με τη βοήθεια των μετασχηματιστών έντασης. Έτσι μέσα από τον ηλεκτρονόμο διέρχεται το πολύ μικρότερο ρεύμα του δευτερεύοντος τυλίγματος, γι’ αυτό και oνoμάζεται δευτερογενής προστασία (secondary protection).

Υπάρχουν δεκάδες διαφορετικοί τύποι ηλεκτρονόμων προστασίας. Παρακάτω αναφέρουμε τους πιο συνηθισμένους που συναντάμε στα δίκτυα καταναλωτών μέσης τάσης.

• Η/Ν υπερέντασης (Overcurrent relay)
• Η/Ν έλλειψης τάσης (Undervoltage relay)
• Η/Ν σφάλματος προς γη (Ground overcurrent relay
• Η/Ν διαφορικής προστασίας (Differential protection relay)

Τα δύο βασικά είδη προστασίας: (α) πρωτογενής προστασία μιας τηκτής ασφάλειας, (β) πρωτογενής προστασία μιας αυτόματης ασφάλειας, (γ) δευτερογενής προστασία σε διακόπτη ισχύος

Πώς είναι κατασκευασμένος ένας ηλεκτρονόμος προστασίας

Μέχρι τη δεκαετία του 1950 οι ηλεκτρονόμοι ήταν ηλεκτρομαγνητομηχανικοί. Αποτελούνταν από μηχανικά μέρη (γρανάζια, ελατήρια, βραχίονες κλπ), τα οποία συνεργάζονταν με ηλεκτρομαγνήτες που διεγείρονταν από το δευτερεύον ρεύμα των μετασχηματιστών έντασης. Η έξοδός τους ήταν μια σειρά από

βοηθητικές επαφές που έκλειναν και έδιναν έτσι την εντολή να ανοίξει ο διακόπτης ισχύος.

Από τη δεκαετία του 1960 οι ηλεκτρονόμοι αυτοί άρχισαν να αντικαθίστανται με ηλεκτρονικούς. Αποτελούνταν από ηλεκτρονικά στοιχεία στερεάς κατάστασης, δηλαδή τρανζίστορ και ολοκληρωμένα κυκλώματα. Με την πρόοδο των ψηφιακών ηλεκτρονικών οι ηλεκτρονικοί ηλεκτρονόμοι έγιναν πολύ

έξυπνοι, δηλαδή συνδυάζουν πολλές λειτουργίες και πολλές ρυθμίσεις. Σήμερα οι ηλεκτρονόμοι είναι εξ’ ολοκλήρου ψηφιακές συσκευές, οι οποίες περιέχουν τουλάχιστον ένα μικροεπεξεργαστή που αναλαμβάνει το σύνολο των συμβατικών λειτουργιών του ηλεκτρονόμου προστασίας.

Παράλληλα ο μικρο-επεξεργαστής, μπορεί να επικοινωνεί με συστήματα συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων (SCADA), κάτι που είναι πολύ σημαντικό στα πολύπλοκα ηλεκτρικά δίκτυα που υπάρχουν σήμερα.

Ψηφιακός ηλεκτρονόμος υπερέντασης και σφάλματος προς γη

Ηλεκτρονόμος υπερέντασης σταθερού χρόνου

O ηλεκτρονόμος αυτός περιλαμβάνει για κάθε φάση δύο στοιχεία που είναι τα εξής:

• Στοιχείο υπερφόρτισης (overload operation) με σταθερή χρονική καθυστέρηση, δηλαδή αν το ρεύμα κάποιας φάσης υπερβεί το όριο Ι1 αλλά όχι το όριο Ι2., θα υπάρξει διέγερση και, ανεξάρτητα από την τιμή του ρεύματος, μετά την παρέλευση του σταθερού χρόνου t1, ο ηλεκτρονόμος θα δώσει εντολή να ανοίξει ο διακόπτης ισχύος.
• Στοιχείο στιγμιαίας λειτουργίας (instantaneous operation), δηλαδή αν το ρεύμα υπερβεί το όριο Ι2, θα υπάρξει διέγερση και αμέσως θα δώσει εντολή να ανοίξει ο διακόπτης ισχύος.

Συνήθως ο ηλεκτρονόμος είναι εφοδιασμένος και με στοιχείο σφάλματος προς γη, δηλαδή ελέγχει αν το άθροισμα των τριών ρευμάτων είναι μηδέν. Σε περίπτωση σφάλματος κάποιας φάσης προς τη γη, το άθροισμα των τριών ρευμάτων παύει να είναι μηδέν και ο ηλεκτρονόμος διεγείρεται

αμέσως. Ο τρόπος λειτουργίας του ηλεκτρονόμου παριστάνεται με τη βοήθεια της χαρακτηριστικής ρεύματος – χρόνου, που μοιάζει με σκαλοπάτι. Ο οριζόντιος άξονας είναι βαθμολογημένος με το λόγο Ι/Ιn (In = 5 A) και ο κάθετος άξονας είναι βαθμολογημένος σε s. Οι ρυθμίσεις (set points) σε αυτό τον ηλεκτρονόμο είναι οι παρακάτω τρεις:

• ρύθμιση του ρεύματος Ι1
• ρύθμιση του ρεύματος Ι2
• ρύθμιση του χρόνου t1

Χαρακτηριστική ρεύματος – χρόνου ηλεκτρονόμου σταθερού χρόνου
Λειτουργικό διάγραμμα διακόπτη ισχύος με ηλεκτρονόμο σταθερού χρόνου

Πολλές φορές το στοιχείο σφάλματος προς γη, τροφοδοτείται από το δευτερεύον ενός 4ου διαφορικού μετασχηματιστή έντασης. Ο μετασχηματιστής αυτός αποτελείται από ένα στρογγυλό μαγνητικό πυρήνα, μέσα από τον οποίο διέρχονται τα καλώδια 20 kV και τριών φάσεων, δηλαδή οι

Ηλεκτρονόμος υπερέντασης αντίστροφου χρόνου

O ηλεκτρονόμος υπερέντασης σταθερού χρόνου έχει το μειονέκτημα, ότι ανεξάρτητα από την τιμή του ρεύματος (εφόσον είναι < Ι2), περιμένει τον ίδιο χρόνο πριν δώσει την εντολή απόζευξης. Αυτό μπορεί να είναι μοιραίο για εναέρια δίκτυα ή υπόγεια καλώδια. Στις περιπτώσεις αυτές χρησιμοποιούμε τους ηλεκτρονόμους αντίστροφου χρόνου, δηλαδή όσο αυξάνεται το ρεύμα τόσο μειώνεται ο χρόνος διέγερσης. Κατά τ’ άλλα ισχύουν αυτά που αναφέραμε στην προηγούμενη παράγραφο για τον ηλεκτρονόμο σταθερού χρόνου.
Για να μπορούμε να ρυθμίσουμε τους Η/Ν που υπάρχουν σε ένα εκτεταμένο ηλεκτρικό δίκτυο ώστε να συνεργάζονται σωστά, δηλαδή το στοιχείο προστασίας που είναι πλησιέστερα στο σφάλμα να ανοίγει πρώτο, χρησιμοποιούμε ηλεκτρονόμο υπερέντασης:

 Α) πολύ αντίστροφου χρόνου (very inverse time – delay)

 Β) υπερβολικά αντίστροφου χρόνου (extremely inverse time – delay)

Η διαφορά των δύο αυτών ηλεκτρονόμων από τον ηλεκτρονόμο αντίστροφου χρόνου είναι στην κλίση χαρακτηριστικών καμπυλών, που είναι πολύ πιο απότομες. Σήμερα, οι κατασκευαστές ηλεκτρονόμων διαθέτουν στην αγορά ένα μοντέλο ηλεκτρονόμου υπερέντασης που προγραμματίζεται και μας επιτρέπει:

• • • να επιλέξουμε τον τρόπο λειτουργίας δηλαδή σταθερού, αντιστρόφου κλπ χρόνου
    • την καμπύλη λειτουργίας από ένα σμήνος καμπυλών
    • τις ρυθμίσεις Ι>, Ι>>, t>, t>> κ.ά.

Σμήνος καμπυλών αντιστρόφου χρόνου ηλεκτρονόμου υπερέντασης

Επιλογική προστασία

Λέγοντας επιλογική προστασία ή επιλεκτική συνεργασία εννοούμε ότι:

• το όργανο προστασίας που είναι πλησιέστερο στο σφάλμα πρέπει να διακόπτει πρώτο
• σε περίπτωση αστοχίας θα πρέπει να διακόψει το αμέσως επόμενο όργανο προστασίας κ.ο.κ.

Για να λειτουργήσει ένα μέσο προστασίας γρηγορότερα από ότι ένα άλλο, εφ’ όσον διαρρέονται και τα δύο από το ίδιο ρεύμα, πρέπει ο χρόνος αντίδρασης του πρώτου να είναι μικρότερος απ’ ότι ο χρόνος του δεύτερου για το ίδιο ρεύμα. Η χρονική διαφορά πρέπει να είναι τουλάχιστον 0,4s.
Η μελέτη της επιλογικής προστασίας γίνεται πάνω σε διπλό λογαριθμικό χαρτί, στο οποίο σχεδιάζουμε με ακρίβεια τις χαρακτηριστικές απόζευξης, όλων των οργάνων προστασίας που βρίσκονται στη διαδρομή του σφάλματος. Πρέπει η καμπύλη του F3 να είναι κάτω από την καμπύλη του F2, και η καμπύλη του F2 να είναι κάτω από την καμπύλη του F1.
Τη μελέτη αυτή δεν την κάνει ο παροχέας μέσης τάσης (δηλαδή η ΔΕΗ), που σας ορίζει σε ποια περιοχή πρέπει να ρυθμίσετε τους ηλεκτρονόμους του υποσταθμού σας, ώστε σε περίπτωση σφάλματος στον υποσταθμό, να μη δημιουργήσετε πρόβλημα και σε άλλους καταναλωτές.