ANALIZA DEFECTARII CIRCUITELOR DE JOASA TENSIUNE SI A CIRCUITELOR SECUNDARE

Rezumat:

Protectia circuitului si caile alternative sunt deseori greu de determinat pe parcursul proiectarii. Acest referat discuta doua tehnici demonstrate - o metoda a probabilitatii folosind un arbore de decizie si o metoda a componentei defecte pentru a prezice cea mai ineficienta componenta a circuitului. Aceste metode se pot aplica circuitelor caracteristice gasite in centralele cu combustibil solid si nuclear si furnizeaza instrumente simple pentru a selecta aranjamentele sau componentele circuitului. Aceste tehnici analitice nu au fost aplicate in acelasi mod cum este ilustrat in cateva exemple ale lucrarii.

Introducere:

In proiectarea oricarui circuit electric, un inginer tine seama de conditiile de pornire si functionare normala, de conditiile specifice si de circuitul sistemului imbinand un proiect realizabil in practica. Deseori realizarea protectiei devine critica, dar frecvent, protectia circuitului este impiedicata de lipsa componentelor circuitului, insuficienta datelor sau a metodelor pentru evaluarea alternativelor.

Circuitele de medie tensiune din centrale au in configuratia lor intrerupatoare rapide cu bimetal cu relee de protectie, incluzand scheme de supracurent (curenti indusi) care pot fi foarte flexibile. Totusi schemele de control pentru aceste circuite de protectie pot varia de la o utilitate la alta. Circuitele de joasa tensiune sunt configurate in comutator capsulat, de tensiune mica, si circuitele de control ale motorului. Circuitele panoului de comanda al motorului prezinta o problema foarte greu de analizat din cauza numarului mare de componente care pot fi combinate in interiorul unui compartiment al acestuia.

Aceasta lucrare prezinta doua concepte care se pot aplica la proiectarea circuitului, o schema bazandu-se pe fiabilitatea tehnicilor de analiza, iar a doua schema bazandu-se pe proprietatile termice ale componentelor circuitului. Ambele scheme pot fi aplicate atat in centralele clasice cat si in cele nucleare deoarece componentele circuitului sunt foarte asemanatoare.

REZOLVAREA PROBLEMEI CU PROBABILITATI

Expunerea problemei:

O problema a protectiei motorului este cauzata de inertia mare a sarcinilor motorului, atunci cand timpul critic de oprire al motorului si timpul de accelerare, practic coincid. Releele standard de supracurent nu pot fi aplicate cu sensibilitate mare din cauza piedicilor care pot apare cand motorul este pornit. S-au luat multe abordari incluzand impedanta releelor, timp neutru de comutare al intrerupatoarelor si altele. O solutie este sa ocolim (bypass) elementele releelor de supracurent in timpul accelerarii cu o intarziere a inertiei releului care da o pauza tocmai inainte de timpul critic de oprire. Daca motorul nu accelereaza, elementul de temporizare la supracurent va actiona; in caz contrar releul va permite continuarea actiunii. Elementul instantaneu este disponibil pentru protectia la scurtcircuit in orice moment. Desi este caracteristica mediei tensiuni, se foloseste si la sisteme de 480V.

Partea proasta a circuitului este bazarea pe timpul de intarziere al releului care poate avea o precizie intre 5 la 15% presupunandu-se ca s-a folosit un temporizator pneumatic conventional. Daca releul se inchide mai repede decat ar trebui efectele pot fi catastrofale. Daca timpul de actionare al releului ar fi mai mare, protectia nu ar mai fi operativa - un caz extrem pentru rotorul in scurtcircuit.

Analiza insuficientei:

Succesul circuitului poate fi imbunatatit recurgand la un control logic de 2/3. Pentru aceasta tehnica, a fost facuta o analiza comparativa, folosindu-se doua feluri de rate de esec bazate pe tehnici cunoscute de analiza a sigurantei. Circuitele sunt schitate in figura 1 si 2.

In figura 1 circuitul motorului arata doar protectia la supracurent, cu elementele de temporizare la supracurenti ocolite de contactele etichetate T/30.

Contactul de ocolire este normal deschis pana cand bobina releului este alimentata prin contactul alunecator de comutare controlata cs/sc, moment in care contactul de ocolire se inchide instantaneu. Cand intrerupatorul circuitului motorului se inchide, contactul 52/b se deschide pentru a incepe cronometrarea pentru contactele T/30 care se vor deschide in aproximativ 30 secunde. In acel moment contactele T/30 se vor deschide pentru a permite curentului secundar CT sa treaca prin elementul de temporizare la supracurenti. Daca motorul ar fi accelerat, intensitatea curentului ar fi insuficienta pentru a misca elementul 51. Totusi daca un motor ar fi blocat, intensitatea ridicata a curentului ar fi suficienta pentru a porni elementul 51 la timp pentru a actiona intrerupatorul, protejand totusi motorul.

Pentru a fi sigur ca acest circuit merge, un proiectant trebuie sa inteleaga cum functioneaza protectia si comenzile si exact ce se intampla. O metoda este crearea unui arbore de decizie care reprezinta secventa de operare si in acelasi timp performantele componentelor. Arborele de decizie este adaptabil implementarii analizei insuficientei sau altor scheme cand alternativelor le pot corespunde probabilitati potrivite. Luam in considerare urmatoarele:

i.        Probabilitatea ca motorul va porni este 1-m. Probabilitatea ca motorul sa nu porneasca este m, rata sa de insuficienta.

ii.      Actiunea elementului de temporizare este impartita in doua componente: incarcarea bobinei si timpul de resetare pneumatica cand bobina este descarcata.

iii.     Esecurile si succesele in ecuatii pentru starile F1, F2, F3, S1, S2 si S3 sunt calculate inmultind probabilitatile prin caile aratate.

iv.            Daca releul nu reuseste sa anclanseze dar motorul a pornit, comanda (51) va efectua aceleasi miscari. Prin urmare F2 este calea de esec care defineste aceasta posibila situatie. Daca motorul nu se misca si releul refuza anclansarea situatia este considerata un succes pentru ca comanda (51) va functiona - aratata in situatia S3.

Figura 2 este intr-o anumita masura mai complexa dar indeplineste aceeasi functie ca si circuitul din figura 1. Cele 3 elemente de temporizare anclanseaza pentru a alimenta releele auxiliare TX1 si TX2 care ocolesc comenzile (51). Totusi actiunea de anclansare a releelor TX1 si TX2 necesita cel putin o intarziere de doi timpi pentru a functiona, altfel nici TX1, nici TX2 nu se vor anclansa. Corespunzator, urmatoarea oprire temporizata necesita ca cel putin doua contacte sa fie deschise. Folosind 2 din 3 relee pentru a functiona, in loc de un releu ca in figura 1, ar trebui sa imbunatateasca fiabilitatea protectiei.

Calcule (vezi A1 si A2):

Pentru a face o analiza comparativa au fost postulate doua exemple, cu grad de precizie cum am aratat. Exemplul 1 a folosit o rata de esec de 5% pentru fiecare caracteristica cu exceptia erorii temporizatorului care a fost presupusa ca fiind 25%. Pe aceasta baza circuitul din figura 2 a imbunatatit eficacitatea protectiei cu 14% din 69% din figura 1 la 79% din figura 2.

In exemplul 2 rata de esec de 5% a fost folosita in fiecare caz. Circuitul din figura 2 a aratat o imbunatatire de 8,4% fata de figura 1, imbunatatind eficacitatea de la 86% la 93%. Aceasta este o scara de imbunatatire mai practica pentru ca eroarea temporizatorului de 5 - 15% este mai aproape aproximata, de rata de esec de 5% folosita. Adevarata intrebuintare se bazeaza pe ratele de esec actuale si probabil se va situa pe o scara intre 8,4 - 14%.

O alta alternativa este sa eliminam releele TX1 si TX2 si sa folosim contactele T1 - T2 in timpul fazei a (51), T2 - T3 in timpul comenzii fazei b (51) si contactele T3 - T1 in timpul comenzii fazei c (51). Totusi, devine evident ca circuitul nu mai beneficiaza de 2/3 din contactele cronometrului si oricare dintre cronometre poate cauza deschiderea ocolirii comenzii (51) provocand o declansare fortata.

REZOLVAREA PROBLEMEI CU METODA COMPONENTEI DEFECTE

In dezvoltarea analizei defectelor circuitelor electrice, foarte putine studii au examinat de fapt limitele sau tipul defectului componentelor, nici chiar cel mai discutat defect clasic al unui sistem de protectie intr-un circuit care traverseaza the penetration intr-o centrala nucleara. Pana acum analizele au examinat constant comanda de protectie de rezerva, tragand deseori concluzia ca o comanda de protectie este singura solutie a situatiei. Autorul, crede intr-adevar ca aceasta comanda de protectie este nu numai nefolositoare pentru majoritatea circuitelor de control al motorului de 480 V, dar poate dezvolta in mod egal cheltuieli ale instalatiei si de intretinere care nu sunt necesare. Tinand seama de problemele dezvoltate datorita cedarii intrerupatorului cu suflaj magnetic, autorul nu are nici o dovada care sa indice ca asemenea defecte au cauzat de fapt avarii importante.

Analiza defectului:

Ne referim la figura 3 unde impedantele componentelor circuitului si limitele termice (I²t) sunt aratate alaturi de simbolul dispozitivului. Intrerupatorul cu suflaj magnetic protejeaza la scurtcircuit iar releul de suprasarcina protejeaza impotriva suprasolicitarilor. Ambele caracteristici ale acestor componente sunt importante, impedanta pentru determinarea tipului de scurtcircuit si limitarea termica (I²t) pentru a determina cand o componenta se defecteaza. Acestea sunt doua aspecte foarte simple ale problemei, dar majoritatea fabricantilor nu ofera date despre defecte, deci o revizuire automatica poate fi facuta de un proiectant.

Una din cele mai timpurii incercari folosind aceasta apropiere analitica a rezultat intr-un standard de cablu. Desi aliniatele dezvoltate nu s-au bazat pe transferul de caldura si s-au limitat la 100 de iteratii, multi ingineri au extrapolat aceste valori empirice la intervale de la 10 - 15 secunde. Oricum aliniatele sunt foarte reprezentative si nu ar trebui ignorate in calculele obisnuite de avarie.

S-au dezvoltat alte valori I²t de pornire, relee termice si intrerupatoare capsulate. Autorul a avut norocul sa obtina astfel de date de la cativa fabricanti si nu e nici o indoiala ca rata componentei poate fi folosita la determinarea analizei defectului la majoritatea circuitelor de control ale motoarelor de 480V.

Pentru cei nefamiliarizati cu I²t, presupuneti ca in circuit este o rezistenta implicita astfel incat efectul caldurii este ^tI²Rdt. Acest concept poate fi si este aplicat releelor de supracurent, deoarece efectul de incalzire trebuie sa fie prezis astfel incat pentru o durata specifica un supracurent de amplitudine specifica va cauza declansarea.

Inainte de a evalua concluziile acestei lucrari ar trebui sa recunoastem ca aici pare sa nu fie un standard uniform pentru trasarea si evaluarea limitelor I²t. Fabricantii nu ofera nici o referinta in afara de UL508. Doi fabricanti diferiti au demonstrat urmatoarele date: (pag3).

In afara de incalzire, contactorul electromagnetic isi va ridica contactele sale la aparitia unui curent de defect care depaseste valoarea critica. Contactorul va rezista deschiderii circuitului datorita fortei de atractie a bobinei contactorului. Va apare un arc electric intre contacte datorat intreruperii sub sarcina, distructiv in special cand sarcina este inductiva, ca in circuitul motorului. Acest arc duce la topirea si sudarea contactelor si probabil chiar reducerea curentului de defect.

Pentru a analiza cu exactitate circuitele, fiecare circuit trebuie examinat pentru fiecare tip de defect, impedanta circuitului in numere complexe. Autorii de mai inainte au analizat reducerea amplitudinii curentului de defect cauzat de cresterea rezistentei cablului unui defect de la distanta neclar, demonstrand ca defectele fara legatura cu o sursa din sistem au curentul limitat.

Figura 4 ilustreaza cum lungimea cablului afecteaza rezultatele defectului din figura 3, circuitului motorului si in plus arata o suprapunere a limitelor avariei componentelor circuitului. In acest exemplu, cea mai slaba componenta se intampla sa fie intrerupatorul cu suflaj magnetic, dar in alte exemple, releul de suprasarcina sau starterul pot fi mai sensibile la supracurent. Autorul sugereaza urmatorul scenariu al secventei defectului cand intrerupatorul nu reuseste sa elimine defectul prin declansare.

Posibilitati de defectare:

Desi bobina de declansare a intrerupatorului cu suflaj magnetic este calibrata sa declanseze cu o toleranta cuprinsa intre 20%, mecanismul se blocheaza iar intrerupatorul nu reuseste sa se deschida. Acesta este cel mai frecvent defect.

Un defect persistent provoaca incalzirea fiecarei serii componente - contactele intrerupatorului, bobina de actionare a intrerupatorului si conexiunile flexibile care leaga contactele in miscare ale intrerupatorului, releului de supraincarcare, contactele contactorului, cablurile si conexiunile externe daca exista. In plus contactele contactorului sunt fortate sa se deschida, restrictionate fiind de bobina acestuia, cauzand aparitia arcului electric.

Daca incalzirea continua se ajunge la punctul de topire a conductorului bobinei de declansare si circuitul se va deschide. Din nefericire, deschiderea acestui circuit se face fara intreruperea arcului si acesta poate conduce la defect polifazat si poate a intrerupe alimentarea de vreme ce mecanismul de declansare este blocat.

In alte circuite, releul de suprasarcina poate depasi limita termica si se poate de asemenea perfora. De exemplu, elementele OL heater cu bimetal prezentat in figura 7 poate splatter materialul sau de unde topirea, ducand la un defect faza cu faza. Incalzitoarele incalzitorului cu aliaj eutectic, ar tinde sa deschida in maniera releului intrerupatorului electromagnetic, conducand de asemeni la posibile defecte bifazate sau chiar puneri la pamant. Aceste rezultate sunt dificil de apreciat deoarece chiar fabricantii releelor de suprasarcina care demonstreaza datele de incalzire I²t sovaie sa descrie manifestarea avariei.

In cazul rar cand avariile intrerupatorului cu suflaj magnetic si releul de supraincalzire nu intrerup circuitul, avarierea cablului se produce dupa o scurta perioada de timp. Limita de 130 C este limita de urgenta care poate fi atinsa de un conductor cu o temperatura maxima de operare de 90 C. Limita de urgenta poate fi gasita pentru nu mai mult de 100 de ore in timpul unui oricare an si nu ar trebui sa fie mai mult de 5 perioade de supraincarcare de 100 ore in timpul "vietii" unui cablu. Pe de alta parte, functionarea la 90 C a cablului duce la o temperatura maxima, in cazul unui scurtcircuit, de 250 C, atingerea acestei temperaturi presupune reducerea duratei de viata cu 1% la fiecare defectare de acest gen.

Incalzirea bobinei de declansare a intrerupatorului cu suflaj magnetic si OL heater duc la aparitia unor rezistente marite (cablul extern poate produce cea mai mare crestere a rezistentei) astfel limitand curentul de defect. Oricum, efectul cumulativ al heating far acopera efectul cresterii rezistentei si problema poate fi inteleasa mai bine prin ignorarea rezistentei crescute in cele mai multe cazuri. Doar in acele circuite in care lungimea cablului extern este indeajuns de semnificativa sa limiteze valoarea initiala a curentului de defect ar trebui sa se acorde o oarecare consideratie reducerii curentului. In mod natural, daca impedanta contactelor contactorului limiteaza curentul de defect, ar trebui luata in considerare.

Compararea a patru circuite tipice:

Figura 5 prezinta o comparare a 4 circuite tipice de control a motorului de 480V cu un defect neclar care sa se gaseasca la o distanta de 15 metri de intrerupator. Se va observa ca in timp ce e dificil sa deducem (fara calcule) exact care componenta va esua in fiecare caz, bobina de declansare a intrerupatorului si releul de supraincalzire au moduri de esuare ale deschiderii circuitelor si astfel ar trebui demonstrat ca protectia secundara a circuitelor primare se realizeaza intr-o maniera asemanatoare unei sigurante fuzibile.

Impedanta controlata a combinatiilor devine mai mica cu startere de marimi mai mari provocand un curent limita mai mic (vezi anexa B). Cat timp acesta pare a fi de valori negative, curentul de defect crescut este la un nivel destul de mare sa fie mentinut de panoul de comanda al motorului (MCC) alimentand intrerupatorul pentru o perioada scurta de timp element care este fixat in mod normal la 4 x long time (LT) intarzierea elementului de anclansare; ex: 4x600A=2400A pentru 600A LT . Figura 5 s-a bazat pe tabelul 5 care rezulta din tabelele 1-4 din anexa B.

Figurile 6 si 7 ilustreaza incalzitorul si bobina de declansare discutate. Diametrul bobinei de declansare este de aproximativ 2,5 cm si consta in rotirea unui conductor de marime aproximativ egala cu 10 sau 11 spire pentru o bobina de 30A. Dovada ca aceasta va atinge temperatura de topire este destul de usor de gasit folosind ecuatii caracteristice scurtcircuitelor (P32-382) sau ecuatii similare. Trebuie gasita o concluzie indiscutabila ca daca bobina de declansare a intrerupatorului poate rata terminarea misiunii sale initiale, va fi distrus intr-o actiune de auto-topire. Din aceasta problema nu trebuie sa se inteleaga in nici un caz ca sugereaza ca bobina de declansare a intrerupatorului s-ar defecta sau s-ar fi defectat in orice exemplu. Problema este doar o extensie logica a premisei initiale.

In formularea defectului bobinei de declansare a intrerupatorului, pentru a declansa cu succes mecanismul intrerupatorului, modul de defectare trebuie de asemenea sa fie considerat. Specificarea componentei trece uneori cu vederea materialul carcasei intrerupatorului. Dependenta pe UL 508 permite folosirea unei carcase din material standard (14 kA I.C.) in loc folosirea unei carcase din material rezistent la curenti mari (25kA I.C.) pe care un fabricant o anunta ca fiind de 6 ori mai puternica si de 21 ori mai rezistenta la uzura decat cea standard. Daca materialul carcasei prezinta defecte este important sa stim cand analizam posibilitatile de defectare.

Circuitele de patrundere:

Pentru a judeca daca protectia suplimentara este ceruta, comparam rata de patrundere I²t cu componentele circuitului ramase. Daca patrunderea I²t depaseste intrerupatorul electromagnetic sau incalzitorul de suprasarcina, circuitul de patrundere are in mod esential o caracteristica auto-protectoare inerta construita pentru scopul backup. Curentul I²t de penetrare este in general mai mare decat limitele de avarie ale cablului si deci bine deasupra ratei I²t.

Aplicatii MOV (supapele operative ale motorului):

Deseori pentru a ne asigura ca MOV vor opera cand se cere pe comenzile de siguranta nucleare date, contactele secundare (de suprasarcina) sunt bypasate (ocolite) sau incalzitorul este bypasat sau amandoua. La bazele acestei lucrari ar parea ca atat contactele de suprasarcina (OL) cat si incalzitorul ar trebui ocolite pentru a fi in completa siguranta. Acum, aceasta provoaca dificultati in deschiderea intrerupatorului, care nu mai are impedanta supraincalzitorului cu care sa limiteze potentialii curenti de defect, metoda folosita pentru a califica materialul carcasei interioare a intrerupatorului in UL 508. Deci, cand supraincalzitorul este ocolit, materialul carcasei intrerupatorului trebuie sa fie cu rezistenta la curenti mari. Daca protectia foloseste relee de suprasarcina in stare solida (!) cu circuite de intrare magnetice, saturatia in cazul unui scurtcircuit ar inlatura rezistenta efectiva a releului de supraincarcare - in felul acesta obtinand un rezultat echivalent cu inlocuirea elementului de supraincalzire cu un releu termic standard.

COMENTARII

Circuitele de protectie folosite in analizele probabile nu sunt neaparat noi descoperiri, dar sunt reprezentative in aplicatiile care exista in mai multe instalatii. Tinand seama ca este indicata o imbunatatire pentru fiecare exemplu, absenta datelor reale ale ratelor de defectare impiedica stabilirea unui procent absolut de imbunatatire. Cititorul este invitat sa testeze senzitivitatea schemelor prin varierea unor rate de defectare. Datele impedantelor componentelor si limitele termice folosite in aceasta lucrare sunt reale si reprezinta date obtinute de la fabricanti. Desi numerele pot varia de la un fabricant la altul, rezultatele ar trebui sa fie reprezentative in standardele industriale.

Cei mai multi fabricanti prefera sa nu furnizeze ratele de defectare ale componentelor circuitului sau limitele I²t, multi sustinand ca aceste date nu exista. Aceasta conditie este adevarata in special la intrerupatoarele circuitelor de joasa tensiune, unde autorul nu a putut obtine impedanta oricarui circuit sau datele I²t.

CONCLUZII

Exemplele din aceasta lucrare ar trebui sa conduca la o mai buna proiectare a circuitului, dovedind ca datele de defectare se pot obtine. In orice caz, o metoda demonstrata pentru a prezice comportarea circuitelor, se aplica problemelor de protectii extrem de comune.

Metoda probabilitatii cu arborele de decizie este un instrument puternic pentru analiza circuitelor alternative. Frecvent, inginerii aplica automat un timp de intarziere al releelor chiar daca performanta a fost explicitata cu nici o deviere. Desi defectarea unui releu cu protectie primara va fi anticipata de un releu de temporizare, cateva masuri au fost luate preventiv pentru timpul de control al circuitului intarziind defectele releului. Exemplele din lucrare dovedesc ca alternativele pot fi cuantificate inainte de a face un proiect particular.

Metoda componentei defecte a fost folosita anterior, dar sub premisa ca intrerupatorul ar declansa intotdeauna. Aceasta lucrare se intoarce la presupunerea de baza ca fiecare componenta a circuitului serie are limite termice finite. Desi scaderea tensiunii si scurtcircuitul studiat sunt foarte importante la toate nivelele de tensiuni, metoda I²t trebuie sa devina acum importanta pentru acele circuite cand schemele de protectie sunt acum componente serie cu impedantele masurabile pentru calcularea scurtcircuitelor si caderilor de tensiune si pentru prezicerea secventei de defectare a componentei.

Pentru a aduce ambele tehnici la o situatie mai efectiva va fi necesar ca specificatiile echipamentului sa includa ratele de defectare ale componentelor circuitului, impedantele si limitele termice de avarie si modul in care se manifesta. Cererea ofertei ar trebui sa impuna unui ofertant sa includa niste propuneri de date, astfel incat inginerul de proiect sa poata face ajustari la calculele initiale, aplicabile, sau sa foloseasca datele ca un factor in plus la evaluarea ofertelor competitive.

Nu am discutat in lucrare un avantaj care poate fi sporit prin colectionarea acestor tipuri de date. Tabelul 2 trece pe lista intrerupatorul si impedanta supraincalzitorului a unui fabricant in fiecare caz. Oricum, comparand aceste date cu ale altor fabricanti, autorul a putut calcula o diferenta apreciabila in I²R, pierderile intrerupatoarelor respective la aceeasi valoare a curentului continuu. Folosind de exemplu un intrerupator electromagnetic de 100A, suportand un curent de 75A pentru o perioada medie de 2000 ore anual, timp de 40 ani de viata a unei uzine, un cost de capital de 8% si la un pret de 5 centi kWh, autorul a calculat o diferenta de pret dintre doua marci egala cu 5,23 . Desi costul de productie a energiei in centrala este mic, valoarea de 5 centi poate reprezenta un cost favorabil de utilizare a acesteia fara nici o rezerva. Acest subiect al analizei circuitelor si componentelor defecte ar parea sa fie un subiect excelent pentru o alta lucrare si un motiv in plus pentru a cere date ale componentelor circuitului.