ASPECTE SPECIFICE ANCLANŞĂRII AUTOMATE A REZERVEI PENTRU ALIMENTAREA CU ENERGIE ELECTRICĂ A UNUI SPITAL POPESCU DANIEL Facultatea de InstalaŃii, U.T.C.B., dpopescu@instal.utcb.ro IANCU NICOLAE Facultatea de InstalaŃii, U.T.C.B., nicu1iancu@yahoo.com Abstract The article treats the problem of automatic operate of a reserve electricity power supply to a hospital (AAR), for uninterrupted supply of electricity to major consumers and has a number of specific issues related to design and implement of such an automated system for a hospital. It shows undesirable effects that may be supported by the consumer in case of accidental interruptions in power supply, or in other cases in which is negatively affected the continuity of supply of electricity. The article propose a concrete solution to achieve an automated system for AAR to a hospital. Control logic is implemented with existing programmable controllers, using specific programming techniques. Finally, the article presents a series of conclusions which recommends using programmable controllers in applications aimed uninterrupted electricity supply to consumers. 1. Anclanşarea automată a rezervei necesitate pentru alimentarea neîntreruptă cu energie electrică a consumatorilor vitali Anclanşarea automată a rezervei (AAR) reprezintă operańia de conectare rapidă a consumatorilor electrici la un circuit de rezervă (linie electrică sau transformator), în cazul căderii circuitului normal de alimentare, ca urmare a unui deranjament sau a unei deconectări impuse de către dispozitivele de protecńie [1,2]. OperaŃia poate fi aplicată consumatorilor sensibili la goluri de tensiune [3] ce beneficiază de două sau mai multe alimentări cu energie electrică din surse diferite. Impactul negativ al golurilor de tensiune asupra calităńii energiei electrice furnizate consumatorilor este deosebit de important şi depinde de tipul acestor goluri de tensiune cât şi de curbele de acceptabilitate ale diferitelor clase de echipamente consumatoare de energie electrică [4]. Golul de tensiune se defineşte ca o reducere bruscă de tensiune, sub un nivel de prag, urmată de o revenire după un interval de timp relativ scurt. Nivelul acestei perturbańii ce afectează negativ consumatorii este determinat atât de procentul de reducere al tensiunii cât şi de durată [5]. Consumatorii foarte importanńi ce nu suporta golurile de tensiune, materializate prin întreruperea accidentala a furnizării energiei electrice, sunt denumińi consumatori vitali. Efectele produse de golurile de tensiune pot afecta sănătatea umană, chiar şi viańa, în cazul activităńii în domeniul sanitar (spre exemplu aparatura sălilor de operańie sau a centrelor de dializă), mediul înconjurător în cazul echipamentelor de depoluare atmosferică şi epurare a apei, confortul sau siguranńa oamenilor în cazul sălilor de conferinńă, de spectacole, etc. Pentru evitarea acestor efecte se alege soluńia alimentării consumatorilor vitali din alte surse disponibile, în cazul întreruperii accidentale a alimentării de bază. Aceste surse pot proveni din alte reńele sau dintr-un grup electrogenerator propriu. ReŃelele electrice de rezervă pot prelua în întregime puterea consumată. În cazul grupului electrogenerator, acesta dispune
de putere limitată şi de aceea se va face o selecńie a consumatorilor ce vor rămâne cuplańi la acesta, în funcńie de importanńa consumatorilor. Alimentarea consumatorilor vitali din sursele de rezervă, în cazul întreruperii accidentale a alimentării de bază, se face cu ajutorul unui echipament AAR. Acesta asigură continuitatea alimentării cu energie electrică a consumatorilor ce nu suporta goluri de tensiune cu o durată mai mare de 2 3 secunde. În general, AAR este necesară pentru alimentarea cu energie electrică: - în instalańii cu flux continuu şi în diferite procese tehnologice; - în spitale sau instituńii publice de interes nańional unde continuitatea în funcńionare este un factor vital; - în zonele în care există probleme în alimentarea cu energie electrică. 2. Tehnici de realizare a sistemelor pentru anclanşarea automată a rezervei Sistemele pentru anclanşarea automată a rezervei asigură continuitatea în alimentarea cu energie electrică. Acestea determină conectarea automată a alimentării de rezervă în cazul deconectării alimentării normale, sau altfel spus realizează trecerea de pe alimentarea normală din reńea pe o rezervă care poate să fie o altă reńea sau un grup electrogenerator. SoluŃia cea mai întâlnită în prezent este AAR reversibilă clasică, care foloseşte pentru comutarea între sursele de alimentare normale şi de rezervă, un automat dedicat a cărui funcńie principală este supravegherea sursei normale şi comutarea pe sursa de rezervă, atât timp cât sursa normală nu este disponibilă. Sistemele AAR actuale dispun uzual de două sau trei întreruptoare echipate cu protecńie la scurtcircuit şi suprasarcină, interblocaj electric şi mecanic, contacte ON/OFF. Principalele caracteristici ale acestora sunt următoarele: asigură trecerea de pe sursa de bază pe cea de rezervă, într-un interval de timp reglabil între 0,1s şi 30s, pentru ca întreruperea să afecteze cât mai puńin receptoarele; asigura protecńia la scurtcircuit şi suprasarcină a circuitelor din aval; nu permit închiderea simultană a întreruptoarelor chiar şi în regim tranzitoriu; indică starea întreruptoarelor după declanşarea datorată unui scurtcircuit; acńionează numai după deconectarea circuitului de alimentare normală; au o temporizare suficientă, în special la tensiuni peste 110 kv, pentru asigurarea deionizării spańiului în care sa produs arcul electric în cazul unui scurtcircuit; nu se permite repetarea anclanşării la defecte persistente. În exemplul din figura 1 se ilustrează modul în care acńionează AAR pe o schemă electrică monofilară. Se alimentează normal, separat, două bare prin transformatoarele T1 şi T2, sau se alimentează din sursa de rezervă, în comun, ambele bare prin transformatorul Tr. Fiecare bară este prevăzută cu propriul sistem AAR care supraveghează prezenńa tensiunii pe bară cu ajutorul transformatorului de tensiune TT. DispariŃia tensiunii electrice pe una din bare sau pe ambele bare, determină o instalańie AAR sau ambele instalańii AAR să acńioneze asupra întreruptorului / întreruptoarelor IA, în sensul deschiderii spre linia de alimentare normală şi în sensul închiderii spre linia de alimentare de rezervă. La întreruperea alimentării date de oricare din transformatoarele T1 sau T2 se conectează automat întreruptorul transformatorului Tr. Implementarea sistemului de conducere al unui AAR se realizează în două variante: - cu logică cablată folosind contacte şi relee (se folosesc relee care comandă întreruptoarele automate);
- cu logică programată (se folosesc automate programabile şi tehnici adecvate de programare; manevrele de anclanşare a rezervei se fac după o logică programată). Pentru ambele variante de implementare, sistemul de comandă al AAR primeşte informańii despre starea dispozitivelor de protecńie, despre starea contactelor auxiliare ale întreruptorului circuitului de alimentare normală şi despre starea tensiunii pe barele de alimentare şi apoi, conform procedurilor din sistemul electroenergetic, comandă corespunzător întreruptoarele IA. Fig. 1. Schema monofilară de principiu pentru AAR. În exemplul din figura 2 se prezintă schema de principiu a unei instalańii AAR [6] ce alimentează barele stańiei C prin linia principală L 1, din stańia A şi linia de rezervă L 2 din stańia B. Fig. 2. Schema electrică monofilară de principiu a AAR pentru alimentarea unei stańii de transformare.
SemnificaŃiile notańiilor din figura 2 sunt următoarele: Q 1...Q 4 întreruptoare, BD bobina declanşatorului, TT transformator de tensiune, F 1, F 2, F 3 relee minimale de tensiune, K 1 T releu de timp cu temporizare la revenire, K 2 T releu de timp cu temporizare la acńionare, K 3 releu intermediar. În funcńionarea normală alimentarea stańiei C se face prin linia L 1, întreruptorul Q 1 fiind închis; deci releul intermediar cu temporizare K 1 T este acńionat, datorită contactelor 14-16, 18-20 ale întreruptorului Q 2, având cele două contacte închise. Dacă valoarea tensiunii de la stańia C este în domeniul admisibil, atunci releele minimale de tensiune F 1 şi F 2, alimentate de la barele stańiei C printr-un transformator de tensiune nereprezentat în schemă, sunt acńionate şi au contactele deschise. Dacă pe linia de rezervă L 2 avem tensiune, atunci releul maximal de tensiune F 3 (alimentat prin TT) este acńionat şi contactul său este închis. Dacă printr-un motiv oarecare se declanşează întreruptorul Q 2, atunci contactele sale auxiliare 14-16 şi 18-20 se deschid şi contactul 11-13 se închide. Astfel releul K 1 T rămâne fără alimentare, dar prin contactul 11-13 al întreruptorului Q 2 contactul inferior cu temporizare la deschidere al releului K 1 T şi contactul închis 11-13 al întreruptorului Q 4 se alimentează bobina de anclanşare BA a întreruptorului Q 4. Aceasta conduce la alimentarea stańiei prin linia de rezervă L 2. Anclanşarea automată a rezervei are loc şi în cazurile în care alimentarea de bază dispare, ca urmare a declanşării întreruptorului Q 1 a liniei L 1, sau dacă tensiunea la barele stańiei C scade sub o valoarea admisibilă. La disparińia sau scăderea tensiunii la barele stańiei C, releele minimale de tensiune F 1 şi F 2 îşi închid contactele şi provoacă prin contactul superior închis al releului K 1 T şi contactul închis al releului F 3 alimentarea releului de timp K 2 T, care după timpul reglat comandă prin releul intermediar K 3 alimentarea bobinei de declanşare BD a întreruptorului Q 2. Declanşarea întreruptorului Q 2 determină în modul descris anterior anclanşarea automată a întreruptorului Q 4 şi deci alimentarea stańiei C de la linia de rezervă. 3. Sistem automat pentru anclanşarea automată a rezervei în cazul unui spital Pentru consumatorii vitali, cum ar fi spitalele, se impune existenńa unei a treia surse de alimentare, pentru situańii în care din motive neprevăzute nici cea de a doua alimentare considerată de rezervă nu este funcńională. Cea de-a treia sursă de alimentare cu energie electrică este de obicei un grup electrogenerator, care în funcńie de puterea sa poate prelua numai o anumită parte din consumul total. SoluŃia concretă de realizare a unui sistem automat pentru AAR la un spital, prezentată în acest articol, se bazează pe schema electrică monofilară adoptată pentru alimentarea cu energie electrica prezentată în figura 3. Rapiditatea funcńionării AAR depinde de timpii de reacńie proprii întreruptoarelor Q 1a, Q 1b, Q 2b amplasańi pe cele trei alimentari şi de timpul de intrare în parametrii nominali de funcńionare ai grupului electrogennerator. FuncŃionarea AAR pentru un spital, conform schemei din figura 3, se prezintă în continuare.
SURSA 1 SURSA 2 GENERATOR Q 1b -F2.1 Q 2b -F2.2 Q 1a -F2.3 Q 0a -F1.1 U > -F1.2 U > -F1.3 U > BARE "b" -F2.4 -F2.5 BARE "a" -F1.4 U < -F1.5 U < Spre consumatorii obisnuiti Spre consumatorii vitali Fig. 3. Schema monofilară de principiu pentru AAR în cazul unui spital. În cazul unei avarii la sursa 1 (de bază) sau pe linia de alimentare de la sursa 1 a barelor b, dispozitivul AAR va comanda anclanşarea întreruptorului Q 2b, al sursei 2 (de rezervă), Ńinând cont de condińia de declanşare a întreruptorului Q 1b şi de existenńa tensiunii la sursa 2. Tensiunea sursei 2 este supravegheată cu ajutorul releului F1.2. Odată cu declanşarea sursei 1 se va comanda şi pornirea grupului electrogen, care va trebui să îşi realizeze ciclul de pornire pentru a ajunge la parametrii nominali de funcńionare. În cazul în care sursa 2 va fi conectată la sistemul de bare b şi funcńionează la parametrii normali, atunci se va comanda oprirea grupului electrogen. În situańia în care parametrii de funcńionare ai sursei 2 nu corespund sau întreruptorul Q 2b al acesteia este indisponibil, atunci se va comanda anclanşarea întreruptorului Q 1a al grupului electrogenerator, numai după îndeplinirea următoarelor condińii: deschiderea cuplei Q 0a şi intrarea în regim normal de funcńionare a generatorului (tensiunea se supraveghează cu ajutorul releului F1.3.). Pentru funcńionarea corectă a AAR este necesară supravegherea tensiunii fazelor şi succesiunea corectă a acestora, pentru cele trei alimentari (sursa 1, sursa 2, generator), cât şi pe cele două sisteme de bare a şi b, cu ajutorul F1.1, F1.2, F1.3, F1.4, F1.5. Logica de comandă pentru AAR se implementează pe un automat programabil, folosind tehnici specifice de programare [7,8]. Principalele etape necesare a fi parcurse pentru realizarea AAR implementat cu automat programabil pentru un spital sunt următoarele: - se întocmeşte caietul de sarcini al automatului secvenńial pentru comanda instalańiei AAR sub forma GRACET sau reńea Petri; - se codifică etapele sau locańiile în cod distributiv; - se stabilesc ecuańiile logice pentru bińii de stare; - se stabilesc ecuańiile logice pentru mărimile de ieşire (comandă); - se scrie programul de lucru al automatului programabil; - se întocmeşte schema de conexiuni electrice pentru automatul programabil.
4. Concluzii privind utilizarea automatelor programabile în sistemele de anclanşare automată a rezervei Scopul realizării AAR este acela de a asigura continuitatea în alimentarea cu energie electrică a consumatorilor vitali sau a consumatorilor care au o anumită importanńă. Sistemele de AAR pot fi diversificate astfel încât să răspundă la diferite situańii practice: 2 4 linii de alimentare, cuple între barele de alimentare şi grupuri electrogene. Comanda configurańiilor atipice de AAR se recomandă a fi realizate cu automat programabil şi cu interfańă alfanumerică pentru setarea unor parametri şi pentru diagnoza sistemului. Utilizarea logicii programate oferă o paletă largă de posibilităńi privind cerinńele de funcńionare ale sistemului în functie de cerinńele impuse. Principalele avantaje ale implementării sistemelor de comandă pentru AAR cu automate programabile sunt următoarele: - reducerea numărului de componente şi a numărului de conexiuni necesare realizării AAR; - reducerea la minim a numărului de dispozitive electrice cu comutańie dinamică prin folosirea dispozitivelor cu comutańie statică; - creşterea fiabilităńii instalańiei AAR; - automatul programabil poate rula programul de lucru independent de calculator; Bibliografie [1] *** DicŃionar electrotehnic, http://www.instalatiielectrice.lx.ro/ie_h_glosara2.html [2] *** http://www.elewatt.ro/instalatii-electrice/agenda-tehnica/anclansarea-automata-arezervei-aar.html [3] Albu, M., M., Goluri de tensiune. Caracteristici, tehnici de monitorizare şi definire a unui indice de calitate a serviciului de furnizare a energiei electrice., Revista Energetica, cod CNCSIS 512, categoria B, ISSN 1220-5133, februarie 2004. [4] Stoian, C., Călugăru, Şt., Rusu, L., Ultrarpid device for automatic release of the spare, The 6th International Power Systems Conference, pp. 535-540. [5] *** http://stoianconstantin.wordpress.com/alimentarea-fara-intrerupere-a-consumatorilor [6] Popescu, L., Echipamente electrice, vol. II, Editura Alma Mater, Sibiu, 2008. [7] Cerchez, A., M., Dispozitiv de anclanşare automată a rezervei realizat în tehnologie digitală. [8] Popescu, D., Automate programabile. ConstrucŃie, funcńionare, programare şi aplicańii, Editura MATRIX ROM Bucureşti, 2005, cod CNCSIS 39, ISBN 973-685-942-8.