Automatisch sluitapparaat voor laagspanningsklemmen gebaseerd op tijdrelais

Om veilig en stabiel netwerkbedrijf te waarborgen en om stroompieken tijdens het herstel van de stroomvoorziening te voorkomen die elektrische apparatuur kunnen beschadigen, moeten alle lasten die zijn aangesloten op distributietransformatoren worden losgekoppeld voordat ze onder stroom worden gebracht.

Daarom zijn lage-spanningsautomatische schakelaars uitgerust met een onderspanningsafsluiterfunctie: wanneer een transformatie-installatie wordt gedemonteerd wegens onderhoud of lijnproblemen, zorgt het verlies van spanning op de lage-spanningsbus voor automatisch afsluiten van de tak-schakelaar. Na het heractiveren van de transformatie-installatie, omdat lage-spanningsautomatische schakelaars doorgaans geen automatische sluitcapaciteit hebben, moeten operators ter plaatse handmatig de schakelaar sluiten om de stroomvoorziening te herstellen. Onder invloed van de locatie van de schakelaar, het verkeer en weersomstandigheden neemt deze handmatige operatie aanzienlijke tijd in beslag - gemiddeld 33 minuten - wat leidt tot langdurige storingen en ernstig nadelig is voor de betrouwbaarheid van de stroomvoorziening.

Om dit probleem aan te pakken, is een automatische sluitapparaat voor lage-spanningsautomatische schakelaars ontwikkeld op basis van een tijdsrelais. De lage-spanninguitgang van de transformatie-installatie geeft stroom aan de relaisspoel. Na het energiseren van de transformatie-installatie wordt de spoel van het tijdsrelais gevoed, en na een ingestelde vertraging sluit het glijcontact kortstondig het sluitcircuit, waardoor de lage-spanningsautomatische schakelaar automatisch sluit. De tijdsvertraging vermijdt de inrush-stroom van de transformatie-installatie, waarmee de veiligheid van de apparatuur wordt gewaarborgd. Door middel van passende besturingssystematiek wordt automatische sluiting voorkomen na overstroomafsluitingen of handmatig ontkoppelen.

1. Ontwerpeisen en Oplossing

Volgens de regels voor netwerkbedrijf zijn specifieke ontwerpeisen vastgesteld voor het automatische overschakelapparaat bij onderspanning:

• Wanneer de hoogspanningszijde van de distributietransformatie-installatie wordt gedemonteerd wegens onderhoud of storing, verliest de transformatie-installatie spanning en wordt de lage-spanningsautomatische schakelaar via de onderspanningsafsluiterfunctie afgesloten. Na het heractiveren van de transformatie-installatie sluit de schakelaar automatisch na een ingestelde tijdsvertraging.

• Als er een storing optreedt beneden de lage-spanningsautomatische schakelaar, moet de schakelaar betrouwbaar uitschakelen en mag hij niet automatisch sluiten.

• Als de lage-spanningsautomatische schakelaar handmatig wordt geopend, mag hij niet automatisch sluiten.

Om aan deze eisen te voldoen, wordt een betrouwbare oplossing voorgesteld met een tijdsrelais als kernbesturing, gebruikmakend van zijn tijdsvertragende eigenschappen en glijcontacten om automatische sluiting te realiseren. Het gekozen model van het tijdsrelais is DS-28.

Het in het apparaat gebruikte tijdsrelais DS-28 bestaat uit een elektromagneet die een uurwerkachtig timingmechanisme drijft. De elektromagnetische spoel haalt stroom uit de lage-spanningsuitgang van de transformatie-installatie, waarmee een continu geactiveerd tijdsrelais wordt gevoed. Het relais bevat één set vertraagde glijcontacten en één set vertraagde hoofdcontacten (eindcontacten). Het interne bedradingsschema van het tijdsrelais voor het automatische overschakelapparaat bij onderspanning is weergegeven in Figuur 1. 

Om verbranding van de spoel door lange energisering te voorkomen, wordt een thermische fusieresistor toegevoegd als externe beschermresistor. In het ontwerp worden terminals 1 en 13–3 gebruikt als triggersignalen verbonden met het energiecircuit, terwijl terminals 5 en 6, en 16–3 en 17, dienen als de vertraagde glijcontacten en onmiddellijke normaal gesloten contacten, respectievelijk. Figuur 2 toont het bedradingsschema van het tijdsrelais-gebaseerde automatische sluitapparaat voor lage-spanningsautomatische schakelaars.

2.Besturingstrategie van het Automatische Overschakelapparaat bij Onderspanning

2.1 Transformatie-installatie Onderspanning

Wanneer de transformatie-installatie onder spanning komt, schakelt de lage-spanningsautomatische schakelaar uit. Aangezien de lage-spanningsbus niet geënergiseerd is, blijft het tijdsrelais in zijn initiële staat, met de vertraagde glijcontacten en hoofdcontacten open, terwijl de onmiddellijke normaal gesloten contacten gesloten zijn.

Bij het herstel van de stroomvoorziening aan de lijn wordt de lage-spanningsuitgang van de transformatie-installatie geënergiseerd, waardoor stroom wordt gevoerd naar het tijdsrelais. Op dat moment gaan de onmiddellijke normaal gesloten contacten open, waardoor een spanningsdelerresistor in het spoelcircuit wordt ingevoerd, waardoor de elektromagneet geënergiseerd wordt en een langdurige aansluiting behoudt. Het uurwerkmechanisme begint te werken, en het vertraagde beweegbare contact begint zich in de richting van de gesloten positie te bewegen.

Na de ingestelde vertraging (doorgaans ingesteld tussen 10 en 15 seconden via de tijdinstellingknop op het paneel van het tijdsrelais om de inrush-stroom van de transformatie-installatie te vermijden), sluit het vertraagde glijcontact korte tijd en gaat dan weer open. Deze actie simuleert het indrukken en loslaten van een handmatige sluitknop, waardoor wordt verzekerd dat het sluitcircuit niet continu geënergiseerd is, wat handmatig ontkoppelen kan voorkomen of de schakelaar kan laten sluiten op een foutpunt.

Over het algemeen hebben distributietransformatie-installaties capaciteiten tot 2000 kVA, en duurt de inrush-stroom van de transformatie-installatie ongeveer 6 tot 10 seconden. Om de impact van de inrush-stroom van de transformatie-installatie te voorkomen, wordt de vertragingstijd bij installatie ingesteld op 10 tot 15 seconden door de tijdsinstellingknop op het paneel van het tijdsrelais te wijzigen. Het bedradingsschema voor het sluitcircuit is weergegeven in Figuur 3.

Het hoofdcontact (eindcontact) sluit na het glijcontact en stopt bij het mechanische stopmechanisme. Zolang de lage-spanningsuitgang van de transformatie-installatie geënergiseerd blijft, zal het relais in deze staat blijven. Wanneer de lage-spanningsuitgang spanning verliest (d.w.z. de elektromagnetische spoel wordt gedemonteerd), keeren alle contacten onmiddellijk terug naar hun oorspronkelijke posities.

2.2 Uitvallen van de Schakelaar door Storing

Wanneer er een storing optreedt in de benedenliggende lijn of apparatuur van de lage-spanningsautomatische schakelaar, schakelt de schakelaar uit door overstroom. Aangezien de lage-spanningsuitgang van de transformatie-installatie geënergiseerd blijft, blijven de relaiscontacten in hun huidige posities, waardoor de schakelaar niet automatisch sluit.

2.3 Handmatig Uitschakelen

Wanneer de lage-spanningsautomatische schakelaar handmatig wordt geopend, is de lage-spanningsuitgang van de transformatie-installatie nog steeds geënergiseerd. De relaiscontacten blijven ongewijzigd, en het sluitcircuit wordt niet beïnvloed door het tijdsrelais, waardoor automatische sluiting van de schakelaar wordt voorkomen.

3. Apparaatfunctietests

Na het monteren van het tijdsrelais-gebaseerde automatische overschakelapparaat bij onderspanning, werden grondige functionele tests uitgevoerd. Na succesvolle tests werd een gestandaardiseerde installatieprocedure en bedradingsschema's opgesteld, vergezeld van gedetailleerde veiligheids- en technische maatregelen. Het apparaat werd in 10 regio's geïnstalleerd. Na zes maanden bedrijf bleek het apparaat betrouwbaar en correct te functioneren tijdens zowel geplande onderhoudsstoringen als storingen veroorzaakt door fouten. De gemiddelde tijd voor het herstellen van de stroomvoorziening nam af van 33 minuten voor de installatie tot 10-15 seconden.

Veldtestresultaten bevestigen dat het tijdsrelais-gebaseerde automatische overschakelapparaat bij onderspanning voor lage-spanningsautomatische schakelaars aan alle ontwerpeisen voldoet.

4. Conclusie

Het voorgestelde automatische overschakelapparaat bij onderspanning voor lage-spanningsautomatische schakelaars maakt gebruik van de vertraagde glijcontacten van het tijdsrelais om een reeks problemen aan te pakken die worden veroorzaakt door de installatie van onderspanningsafsluitercoils. Het stelt lage-spanningsautomatische schakelaars in staat om automatisch te sluiten na onderspanningsevenementen. Het apparaat functioneert betrouwbaar tijdens normale stroomonderbrekingen en blijft inactief tijdens abnormale omstandigheden. Met een eenvoudig principe, gemakkelijke bedrading en lage kosten heeft het apparaat in veldtests bewezen veilig en betrouwbaar stroom te herstellen na onderspanningsuitschakelingen, waarbij de sluitingstijd van de schakelaar wordt verlaagd van 33 minuten tot 10-15 seconden. Dit verbetert aanzienlijk de efficiëntie van nutsbedrijven en de betrouwbaarheid van de stroomvoorziening, wat grote praktische waarde in real-world applicaties aantoont.