Przeglądy i badania okresowe aparatury zabezpieczeniowej i układów mikroprocesorowych

Tematyką referatu są badania okresowe urządzeń i układów elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej. Obecnie układy wyprowadzenia mocy wyposażone są w urządzenia i układy zrealizowane w każdej z możliwych technik czyli: przekaźniki elektromechaniczne, przekaźniki elektroniczne oraz urządzenia mikroprocesorowe.

Każdą z wymienionej grupy przekaźników cechuje inna problematyka związana z przeprowadzaniem badań okresowych. W każdej z grup urządzeń należy zwrócić uwagę na zupełnie odmienne zagadnienia.

Układy mikroprocesorowe stosowane są w urządzeniach automatyki zabezpieczeniowej zaledwie od około 10 lat. Stosunkowo późne wejście tej technologii w układy automatyki zabezpieczeniowej związane było z wymogami: minimalnych czasów działania, pewności zadziałania oraz selektywności działania przedmiotowej automatyki.

Problematykę zakresu badań okresowych oraz częstotliwości ich przeprowadzania regulowały w przeszłości np.: Przepisy Eksploatacji Urządzeń i Instalacji Energetycznych (autorstwa Instytutu Energetyki), czy też Ramowa Instrukcja Eksploatacji Układów Zabezpieczających, Pomiarowych, Regulacyjnych i Sterowniczo-Sygnalizacyjnych Urządzeń Elektrycznych (autorstwa Polskiego Towarzystwa Przemysłu i Rozdziału Energii Elektrycznej). Obecnie istnieje problem braku uregulowań formalno-prawnych (przepisy, instrukcje, itp.) dotyczących przeprowadzania badań okresowych. Brak uregulowań formalnych doskonale korelował z, lansowaną przez działy marketingowe producentów, teorią o zbędności badań okresowych, wobec rozbudowanych układów samokontroli. Powyższa teoria była i jest również wygodna ze wzglądu na chęć ograniczenia kosztów eksploatacji urządzeń, redukcją obsługi, itp. Pojawiła się więc zasadnicza zmiana, w szczególności do lansowanych przez producentów (BBC, ASEA) układów ułatwiających lub wręcz autonomicznych układów testujących automatykę zabezpieczeniową (GSX, różnicówki szyn BBC).

W tym miejscu możemy postawić pytanie: Kiedy dowiadujemy się o stanie układów automatyki zabezpieczeniowej? Otóż automatyka zabezpieczeniowa przez cały czas znajduje się w stanie czuwania. Wystąpienie zakłócenia informuje użytkownika o jej stanie. Niestety niesprawność przekaźników zabezpieczeniowych lub powiązań z obiektem chronionym może doprowadzić do znacznego zwiększenia rozmiarów awarii, wobec których w/w „oszczędności” są tylko pozorne.

1. Problematyka układów i urządzeń EAZ

Powiązania automatyki zabezpieczeniowej z obiektem chronionym.
Można zastanowić się nad tym co stanowi układ automatyki zabezpieczeniowej? Gdzie zaczyna się i gdzie kończy automatyka zabezpieczeniowa?

Automatykę zabezpieczeniową zawsze należy traktować jako całość czyli: przekładniki prądowe, wyłączniki mocy, urządzenia zabezpieczające, obwody powiązań z obiektem zewnętrznym. Poniższy schemat (rys. 1) ukazuje, że postęp związany z automatyką zabezpieczeniową dotyczy przede wszystkim „serca” układu czyli przekaźników zabezpieczeniowych. Powiązania automatyki zabezpieczeniowej z obiektem pozostają niezmienne od lat.

Urządzenia realizują swoje funkcje na bazie wielkości analogowych dopływających do nich. Realizacja funkcji zabezpieczeniowych często uzależniona jest od poprawnie dostarczonych informacji na wejścia dwustanowe.

Automatykę zabezpieczeniową musi cechować pewność i selektywność działania. Jednym słowem musimy być pewni, iż obwody wejściowe i wyjściowe urządzeń zabezpieczeniowych są sprawne oraz sprawne są powiązania z urządzeniami wykonawczymi takimi jak: wyłączniki mocy, układy centralnej sygnalizacji, rejestracji, itp.

Urządzenia automatyki zabezpieczeniowej
Pierwsze urządzenia automatyki zabezpieczeniowej zrealizowane były w technice elektromechanicznej. Stanowiły one układ rozproszony, z dużą liczbą połączeń pomiędzy poszczególnymi przekaźnikami realizującymi pojedyncze funkcje zabezpieczeniowe, czasowe, itp.

Cechy tych urządzeń:

• duże pobory mocy,
• znaczne rozrzuty wartości rozruchowych,
• mała powtarzalność oraz dokładność członów czasowych,
• klejenie się zestyków,
• znaczne współczynniki odpadu,
• duże rozrzuty charakterystyk stabilizacji, zależnych, itp.,
• rozproszona i rozbudowana automatyka zabezpieczeniowa,
• duża ilość połączeń pomiędzy poszczególnymi przekaźnikami,
• mała elastyczność urządzeń,
• powolne „starzenie się” automatyki,
• ograniczenia w realizacji funkcji zabezpieczeniowych oraz swobody programowania i zmiany układów logicznych,
• brak układów samokontroli i samodiagnostyki,
• odporność na zakłócenia,
• brak dostępu do informacji o urządzeniu.

Następcami urządzeń elektromechanicznych są układy zrealizowane w technice układów analogowych. Urządzenia stanowiły zwykle zwarty układ zabezpieczeń.

Cechy tych urządzeń:

• małe pobory mocy,
• brak możliwości łatwej zmiany konfiguracji urządzenia,
• duża większa dokładność (przy stałym napięciu zasilającym),
• brak układów samokontroli i samodiagnostyki,
• stosunkowo wolny proces starzenia się układów,
• ograniczona ilość informacji przekazywana użytkownikowi.

Obecnie wszystkie urządzenia automatyki zabezpieczeniowej realizowane są w technice mikroprocesorowej. Umożliwia ona realizację dowolnych funkcji zabezpieczeniowych oraz łatwość dostosowania układów do zmian w obiekcie chronionym. Dodatkowo uzyskujemy bardzo dużą ilość informacji z wnętrza urządzenia. Fakt ten pozwala wydatnie zwiększyć możliwość kontroli urządzeń oraz pozwala na głębszą analizę stanów awaryjnych.

Cechy tych urządzeń:

• bardzo mały pobór mocy,
• układy samodiagnostyki,
• układy samokontroli,
• łatwość zmiany wartości nastawczych,
• łatwość zmiany i dostosowania konfiguracji do aktualnych potrzeb,
• algorytmy umożliwiające uwzględnianie starzenia się elementów elektronicznych,
• stosunkowo duża podatność na zakłócenia,
• urządzenia stanowią zwarte układy,
• duża ilość informacji przekazywana użytkownikowi.

Układy diagnostyczne w urządzeniach mikroprocesorowych
a) Charakterystyka przekaźnika automatyki zabezpieczeniowej

Osprzęt przekaźników oparty jest na konstrukcji modułowej. Przekaźniki wykonywane są w postaci modułów wybieranych ze standardowego zestawu. w zależności od konstrukcji, zestaw modułów wchodzi w skład pojedynczego przekaźnika, który wraz z innymi przekaźnikami stanowi zespół automatyki zabezpieczeniowej lub zestaw modułów składa się bezpośrednio na zespół automatyki zabezpieczeniowej.

Mikroprocesorowe przekaźniki zabezpieczeniowe składają się zwykle z następujących typów modułów:

• moduł procesora,
• moduły wejściowe,
• moduły wyjściowe,
• moduł zasilacza,
• moduł komunikacyjny,
• itp.

Do komunikacji pomiędzy poszczególnymi modułami wykorzystywane są wewnętrzne szyny komunikacyjne. Urządzenia zabezpieczeniowe można podzielić na dwie grupy: rozproszone i skupione. Układy rozproszone to te w których elementy takie jak transformatory wejściowe, a czasem również inne elementy wykonawcze nie są umiejscowione w jednej zamkniętej obudowie. w układach skupionych wszystkie moduły zamknięte są w jednej obudowie wyposażonej w listwy zaciskowe. Obudowa stanowi zamkniętą klatkę Faraday’a.

Przekaźniki mikroprocesorowe wyposażone są w układy samokontroli sprawdzające działanie hardware’u i oprogramowania podczas pracy urządzenia. Podczas startu urządzenia sprawdzana jest pamięć flash EPROM przy użyciu sumy kontrolnej. Proces inicjalizacji obejmuje również operacje inicjujące rejestry i przerwania procesora oraz uruchomienie licznika czasu watchdog’a (wykorzystywany przez hardware do określenia, czy oprogramowanie pracuje).

Podczas procesu startu sprawdzane są dodatkowo:

• stan pojemności baterii,
• działanie sterownika LCD,
• spójność podtrzymywanej bateryjnie pamięci SRAM wykorzystywanego do zapisu rejestracji zdarzeń, zwarć i zakłóceń,
• poziom napięcia zasilających obwody wykorzystywane do zasilania modułów WE/WY,
• działanie watchdog’a,
• sprawdzenie pamięci EEPROM (zawierający wartości nastawień) poprzez sumę kontrolną.

Podczas pracy w sposób ciągły sprawdzane są następujące funkcje:

• pamięć flash EEPROM poprzez sprawdzenie sumy kontrolnej,
• pamięć SRAM również poprzez sprawdzenie sumy kontrolnej,
• pamięć EEPROM zawierające wartości nastaw,
• stan baterii,
• poziom napięcia do obwodów zewnętrznych.

Analizując układy diagnostyczne w urządzeniach mikroprocesorowych można zauważyć, że skupiają się one głownie na analizie pracy procesora, poprawności wykonywania algorytmów oprogramowania, stanu poszczególnych pamięci i zawartych w nich informacji, stanie baterii podtrzymujących pamięć, poziomu poszczególnych napięć pomocniczych oraz sprawności wewnętrznej magistrali danych. Przekaźnik nie kontroluje stanu obwodów wejściowych oraz wyjściowych przekaźnika.

b) Badania okresowe urządzeń mikroprocesorowej automatyki zabezpieczeniowej

Osprzęt przekaźników oparty jest na konstrukcji modułowej. Przekaźniki wykonywane są w postaci modułów wybieranych ze standardowego zestawu. w zależności od konstrukcji, zestaw modułów wchodzi w skład pojedynczego przekaźnika, który wraz z innymi przekaźnikami stanowi zespół automatyki zabezpieczeniowej lub zestaw modułów składa się bezpośrednio na zespół automatyki zabezpieczeniowej.

Ponieważ urządzenia mikroprocesorowe używane są jako elementy automatyki zabezpieczeniowej, więc muszą być okresowo sprawdzane. Żaden z producentów mikroprocesorowych urządzeń zabezpieczeniowych nie kwestionuje konieczności przeprowadzania okresowych badań. Niektórzy z producentów zalecają aby pierwsze badanie funkcjonalne przeprowadzić już około 6 do 12 miesięcy po rozruchu. Dodatkowe badania funkcjonalne należy przeprowadzić w okresach 2-3lat – maksymalnie co 4 lata. Informacje na ten temat znajdują się w każdej Instrukcji Użytkownika dostarczanej z urządzeniem. Wagę tegoż zagadnienia podkreślają również liczne publikacje na ten temat oraz specjalne sesje Komitetu CIGRE (Tematyka wymaganych okresów i zakresów testów okresowych odnoszących się specjalnie do zabezpieczeń cyfrowych z układami samotestowania).

W celu upewnienia się, iż analogowe obwody pomiarowe funkcjonują poprawnie, należy wykonać testy z poziomu zacisków urządzenia. Najlepiej, używając odpowiedniego urządzenia testującego, do sprawdzenia zakresu pomiarowego konwertera A/C należy użyć małej wartości pomiarowej i dużej. Taki sposób umożliwia sprawdzenie całego zakresu przetwarzania. Ważnym czynnikiem przy określaniu dokładności pomiaru urządzenia jest porównanie takich elementów jak wartości rozruchowe, realizowane charakterystyki, itp. z wartościami mierzonymi poprzednio (np. podczas uruchamiania urządzenia lub poprzednich badań okresowych).

Wejścia dwustanowe nie są sprawdzane przez funkcję samokontroli. Funkcja testu umożliwia jedynie odczyt stanu poszczególnego wejścia. Sprawdzenie powinno być przeprowadzone dla każdego używanego wejścia. Przekaźniki zabezpieczeniowe nie posiadają również funkcji kontroli dla obwodów przekaźników wyjściowych. Przekaźniki muszą więc być pobudzane przez funkcje urządzenia lub wbudowane funkcje testowe. Dla celu testowania jest możliwe pobudzanie obwodów wyjściowych poprzez wbudowane w oprogramowanie specjalne funkcje sterownicze.

c) Przykłady wykrywanych uszkodzeń w urządzeniach automatyki zabezpieczeniowej

Urządzenia elektromechaniczne:

• klejenie się zestyków,
• duże rozrzuty wartości rozruchowych,
• mała dokładność członów czasowych,
• zużycie elementów mechanicznych.

Urządzenia elektroniczne:

• problemy z nastawnikami potencjometrycznymi,
• problemy z nastawnikami izostatowymi,
• zmienne wartości rozruchowe w zależności od poziomy pomocniczego napięcia odniesienia,
• zastosowanie przekaźników bez obudów, spowodowało pogorszenie czynności łączeniowych,
• wysychające elektrolity zmieniają swoje parametry a zatem i dokładność układów,
• nastawniki potencjometryczne zmieniające wartości rozruchowe.

Urządzenia mikroprocesorowe:

• uszkodzenia w obwodach przetworników A/C,
• uszkodzenia w obwodach wejść binarnych,
• uszkodzenia w obwodach transformatorów wejściowych,
• wadliwa konstrukcja podstawek mikroprocesorów,
• brak filtracji czasowej,
• wadliwe działanie funkcji zabezpieczeniowej po podmianie firmwere’u,
• rozprogramowanie przekaźnika,
• niewłaściwe działanie funkcji zabezpieczeniowej.

c) Badania okresowe urządzeń i układów obwodów wtórnych

Jak już wspomniano wcześniej elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa to nie tylko przekaźniki pomiarowe, ale również układy powiązań z chronionym obiektem elektroenergetycznym. Dlatego też jednym z głównych obszarów działalności Zakładu Elektrycznego Energopomiaru, a od 12 lat firmy Energotest-Energopomiar są badania okresowe urządzeń i układów obwodów wtórnych.

Obecnie takie badania prowadzimy w elektrowniach, elektrociepłowniach zawodowych i przemysłowych, stacjach WN oraz zakładach przemysłowych.

W sprywatyzowanych zakładach dochodzi do redukcji lub wyłączenia wydziałów zabezpieczeń ze struktur, a np. w cukrowniach takich wydziałów nie ma.

W trakcie badań okresowych urządzeń i obwodów wtórnych stwierdza się następujące nieprawidłowości:

• uszkodzone przekaźniki pomocnicze różnych typów, w różnych obwodach, także powielających impulsy wyłączające,
• przerwy w obwodach prądowych wskutek zapylenia i utleniania szczególnie w zakładach pracujących sezonowo (na złączach wielostykowych),
• w zabezpieczeniach elektromechanicznych duże uchyby wartości rozruchowych i czasów działania,
• uszkodzone kontaktrony w przekaźnikach gazowo-przepływowych,
• wycieki oleju z zabezpieczeń firmowych transformatorów,
• źle dobrane przekładnie przekładników prądowych do np. prądów znamionowych transformatorów,
• niewłaściwie zaprogramowane sterowania urządzeniami elektrycznymi w systemach nadrzędnych (warunki sterowania, blokady),
• zbyt duże wartości mocy znamionowej obwodów wtórnych przekładników prądowych, mogące w konsekwencji prowadzić do zwiększenia granicznego współczynnika bezpieczeństwa przyrządu,
• zaniechano badań okresowych zabezpieczeń firmowych transformatorów (szczególnie przekaźników gazowo-przepływowych).

Obwody analogowe, obwody powiązań urządzeń elektroenergetycznych z poszczególnymi przekaźnikami i układami pomiarowymi, pomimo znaczącego rozwoju techniki, pozostają niezmienne od lat. Ponadto obwody wtórne, ze względu na małe pobory mocy urządzeń zasilanych, cechuje obecnie duża podatność na zakłócenia. z tych też powodów uważamy, iż zakres prób i testów, ze względy na ważność oraz odpowiedzialność przedmiotowych obwodów, powinien być zgodny z obowiązującymi do niedawna przepisami. Natomiast próby funkcjonalne urządzeń i obwodów wtórnych należy przeprowadzać przynajmniej raz w roku.

Wykonując testy i próby funkcjonalne można zwykle zlokalizować już występujące usterki. Zdiagnozowanie jakości połączeń powiązań układów automatyki zabezpieczeniowej z obwodami sterowniczymi, obwodami przekładników prądowych, napięciowych, rejestracji, itp. można zrealizować wykorzystując technikę termograficzną. Będzie ona tematem następnej części referatu.

2. Przeglądy i badania okresowe powiązań elektroenergetycznej aparatury zabezpieczeniowej z chronionym obiektem w oparciu o wykorzystanie techniki termograficznej

Ciepło jest wielkością, która dotyczy przekazywania przez jedno ciało drugiemu ciału energii wewnętrznej pod wpływem różnicy temperatur. Pojęcie to charakteryzuje proces „przepływu” energii pomiędzy ciałami (materiałami, ośrodkami o różnych temperaturach). Ciepło zatem jest wielkością energii przesyłanej od ciała o jednym poziomie energii do ciała o innym (niższym) poziomie.

Wymiana ciepła pomiędzy elementami jednego ciała do drugiego odbywa się poprzez:

• przewodzenie,
• konwekcję,
• promieniowanie,

Pomijamy rozważania na temat przewodzenia i konwekcji, ponieważ istotą sprawy w omawianym zagadnieniu jest promieniowanie temperaturowe.

W naszych rozważaniach interesuje nas jedynie zdalny pomiar temperatury z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego. Promieniowanie temperaturowe zawarte jest w widmie promieniowania podczerwonego pomiędzy długościami fal: ? = 0,76 µm a ? = 1000 µm. Skaner podczerwieni oraz pomiarowa kamera termograficzna umożliwiają wytworzenie termogramów przestrzennych (obrazów) przy pomocy których, praktycznie w czasie rzeczywistym, możliwe jest analizowanie rozkładów temperatur na całej powierzchni badanego obiektu.

Przepływ prądu elektrycznego przez urządzenia elektroenergetyczne powoduje wydzielanie się w nich ciepła. Między innymi lokalne wzrosty temperatur spowodowane mogą być przepływem prądu elektrycznego przez wszelkiego rodzaju połączenia dwóch elementów konstrukcji (torów prądowych) na tzw. rezystancjach przejścia między dwoma stykającymi się elementami obwodu elektrycznego.

Przemienny strumień magnetyczny zamykający się w metalowych osłonach, obudowach urządzeń i konstrukcjach wsporczych powoduje przepływ prądu elektrycznego przez nie i w konsekwencji wydzielanie się ciepła w nich.

W naszych rozważaniach interesuje nas wydzielanie się ciepła w wyniku przepływu prądu elektrycznego przez wszelkiego rodzaju połączenia dwóch przewodów przewodzących prąd elektryczny. Zagadnienie to dzielimy na dwie części:

• wydzielanie się ciepła na styku połączeń torów prądowych linii energetycznych (rys. nr 3),
• wydzielanie się ciepła na wszelkiego rodzaju połączeniach listw zaciskowych, zaciskach przyłączeniowych, urządzeniach sterujących, zabezpieczeń układach pomiarowych (są to przeważnie różnego rodzaju podzespoły elektroniczne).

Istotnym zagadnieniem dotyczącym okresowych przeglądów układów zabezpieczeń, układów sterowań itp. skonstruowanych w oparciu o układy mikroprocesorowe jest przegląd wszelkiego rodzaju połączeń. Okazuje się często, że po sprawdzeniu układów zabezpieczających czy sterujących poszczególne podzespoły przeszły pozytywną weryfikację, a układ w całości nie działa poprawnie.

Częstą przyczyną są wadliwe połączenia na wszelkiego rodzaju listwach zaciskowych i końcówkach przyłączeniowych. Niewielki przyrost temperatury (rzędu 1,5 – 4,0°C) jest już objawem luźnego połączenia na zacisku. Im dłużej to zjawisko trwa, dochodzi do utleniania się powierzchni styku listwy i przewodu, co w dalszej kolejności powoduje lawinowy wzrost temperatury i uszkodzenie połączenia. Przy dużej ilości występujących listew i końcówek zacisków przegląd wszystkich połączeń jest kłopotliwy i wymaga dużego nakładu pracy. Jednocześnie wykrycie niesprawnego połączenia w czasie normalnej eksploatacji jest kłopotliwe i nastręcza duże trudności.

Kamera termowizyjna (skaner) posiada rozdzielczość temperaturową rzędu 0,1°C. Wnikliwą analizę można przeprowadzić wykonując na wątpliwych miejscach połączeń odpowiednią ilość termogramów. Następnie stosując specjalistyczne oprogramowanie, które umożliwia zastosowanie odpowiedniej skali temperaturowej odzwierciedlonej w postaci gamy barw, można, wykonując porównania, wyodrębnić wątpliwe miejsca połączeń, które wykazują lokalne wzrosty temperatur w stosunku do sąsiednich połączeń. Przy analizie termogramów należy wziąć pod uwagę obciążenie analizowanych obwodów pomiarowych i sterowniczych.