Jaký význam mají elektronické ochrany a jak je lze efektivně využít v praxi? V dnešním světě, kde závislost na elektrické energii je stále větší, je zajištění bezpečnosti a spolehlivosti elektrických zařízení klíčové. Přečtěte si tento článek (sepsán našimi experty na elektroinstalace), abyste pochopili, jak moderní elektronické ochrany chrání elektrické sítě a jak se vyvíjely od svých mechanických předchůdců.

Každá elektrizační soustava obsahuje bezpečnostní systém sestávající z více ochranných komponentů zajišťujících její bezpečný a spolehlivý provoz. Některé z nich mají význam podstatný, některé jen podružný – doplňující. Podceníme-li či zanedbáme-li však v tomto systému prvek elektrických ochran, nelze již systém považovat za bezpečný, ale nebezpečný s vysokým stupněm rizika.

1     Elektrické ochrany musí obsahovat a plnit především tyto ochranné funkce a činnosti: 

• rychle a správně vyhodnotit poruchu chráněného zařízení a odlišit poruchu od provozních anomálií přechodového charakteru,
• při dosažení či překročení nastavených hodnot poruchových veličin dát impuls k vypnutí v čase nastaveném tak, aby byla zajištěna maximální bezpečnost osob,aby bylo minimalizováno riziko vzniku požáru, aby byl omezen rozsah škod chráněného elektrického zařízení a zajištěna potřebná míra selektivity vypínání,
• v rozhraní uživatel-ochrana umožňovat přístup oprávněných osob k nastavování vypínacích a signalizačních parametrů poruchových veličin,
• zajistit výběrovou působnost, to je, aby byl vypnut vadný úsek s poruchou a bylo minimalizováno  chybné vypínání neporušených částí sítě a el. zařízení,
• zobrazovat hodnoty měřených elektrických veličin,
• provádět průběžně samočinnou kontrolu vlastní funkce a neporušenost na ni připojených obvodů s volbou nastavení vyslání varovného signálu, nebo vypnutí chráněného el. zařízení při vzniku závady,
• zaznamenávat a uchovávat v paměti průběh poruchových událostí a provozních anomálii,
• umožňovat prostřednictvím komunikačních výstupů dálkové ovládání, nastavování a čtení parametrů poruchových veličin, čtení historie poruchových událostí a čtení okamžitých provozních hodnot el. veličin (proudy, napětí, výkon a pod.). 

Popis konkrétního způsobu řešení a historického vývoje konstrukce ochran el. sítí, strojů či spotřebičů není obsahem tohoto článku, přesto je vhodné popsat alespoň na 3 základní typy ochran, které jsou v současnosti zejména v sítích VN provozovány. 

Tip: Možná vás bude zajímat také, jak efektivně využívat proudové chrániče pro optimalizaci ochranných systémů. Podrobnější informace naleznete v článku o proudových chráničích v praxi.

1.1     Ochrany starší generace – elektromechanické

Princip jejich funkce je založen převážně na elektromagnetických a tepelných účincích el. proudu. Protože popudové články poruchových veličin proudu nebo napětí obsahují pohyblivou mechaniku, jsou často označovány jako ochrany elektromechanické. Z požadavků kladených na funkci ochran bohužel splňují dle odst. 1 jen první tři z hora popsané požadavky a to ještě ne v plném rozsahu. Z důvodu pohyblivé mechanicky je jejich funkční spolehlivost a přesnost omezena.

Je skutečností, že dosud značný počet dosud provozovaných rozvoden VN je ještě vybaveno elektromechanickými ochranami, které v nedávné minulosti byly jedinou možnosti použití. 

Tyto ochrany starší generace jsou v mnoha rozvodných zařízeních nadále významným bezpečnostním prvkem, avšak často z důvodu automatizace řízení energetických uzlů, zvýšených výkonových parametrů energetických sítí, vyšších nároků na bezpečnost a provozní spolehlivost, již volají po náhradě za nové modernější typy. Z hlediska technických norem či právních aktů není použití elektromechanických ochran starší generace mimo výjimky a speciálních případů omezeno, je však nutno podotknout, že vyžadují větší nároky na údržbu a je nutno je z tohoto důvodu v kratších lhůtách funkčně zkoušet a ověřovat. 

1.2     Ochrany elektronické

Jsou dalším vývojovým typem ochran elektromechanických. U elektromechanických ochran došlo nejdříve k záměně mechanického časového strojku (zpožďovače) za časový prvek elektronický s vyšší přesností a spolehlivosti. 

V další etapě vývoje byly elektromechanické popudové články proudu nebo napětí nahrazeny elektronickými obvody s polovodičovými prvky, které podle míry nastavení hodnot proudu nebo napětí vysílaly impuls  elektronickému  časovači k vypnutí výkonového vypínače chráněného el. zařízení, nebo vyslání signálu do místa obsluhy. Měřené el. veličiny pro vlastní ochranu byly v elektronických obvodech vyhodnocovány analogově a stejně jako u ochran elektromechanických snímány z PTP (přístrojové transformátory proudu) nebo PTN (přístrojové transformátory napětí). 

Z požadavků kladených na funkci ochran rovněž splňují dle odst. 1 jen první 3 popsané požadavky podobně jako ochrany elektromechanické. Jejich spolehlivost v porovnání s ochranami elektromechanickými je o něco lepší, z důvodu jejich menšího množství nasazení v provozu, poměrně kratší doby jejich provozování a vlivu stárnutí polovodičových prvků však nelze toto potvrdit. Nároky na údržbu, včetně funkčního ověřování jsou porovnatelné s ochranami elektromechanickými. 

1.3     Digitální multifunkční ochrany – moderní ochrany nové generace

Hlavní komponenty nových moderních ochran tvoří podobně jako u PC skříň s hardwarovým vybavením, svorkovnicemi, konektory a koncovými relé, napájecí zdroj, vstupní obvody snímaných elektrických veličin, dále digitální převodníky, vlastní moduly ochranných funkcí, navigační tlačítka, displej, signální diody a komunikační porty. 

Chod ochrany zajišťuje vnitřní softwarové vybavení – firmware uzpůsobené ke zvolenému způsobu jištění, styk s uživatelem zajišťuje aplikační software. Mají velký rozsah seřiditelnosti a širokou nabídkuvýběru ochranných funkcí. U některých typů ochran lze navíc pomoci k tomu určenému softwarovému programu provádět vnitřní konfigurační logiku za účelem vytváření optimálních ochranných funkcí konkrétního uzlu el. sítě nebo připojeného elektrického stroje. Mimo funkce ochranné jsou vybaveny i funkcemi měřicími, ovládacími (místně, dálkově), záznamovými, komunikačními a funkci samočinné kontroly. 

Protože mimo koncová výstupní relé neobsahují žádné elektromechanické části, mají vysokou spolehlivost a nevyžadují téměř žádnou údržbu. Jejich funkční ověřování spočívá v podstatě v ověřování nezávadného stavu napojení vnějších obvodů, i když i většinu těchto obvodů si ochrana sama průběžně kontroluje a vyhodnocuje (např. proudové, napěťové vstupy a obvod vypínací cesty).

Moderní digitální ochrany svou funkční spolehlivosti, kvalitou a možnostmi využití vysoce převyšují kvalitu ochran starší generace a splňují všechny požadavky kladené na ochrany uvedených v odst.1. Protyto vlastnostimají své nezastupitelné místo zejména v rozvodnách elektrizačních soustav VN, VVN, v energetice,  průmyslu a ochraně točivých i netočivých el. strojů vyšších výkonů. 

Tip: Možná vás bude zajímat také, jaký pokrok představuje integrace moderních digitálních ochran do rozvaděčů pro zajišťování bezpečnosti a spolehlivosti elektrických sítí. Pro více informací se podívejte na článek o rozvaděčích.

2     Doporučené způsoby funkčních zkoušek ochran

V současné platné legislativě a ČSN (bývalá ČSN 333050 byla zrušena) nejsou jasně definovány rozsahy a termíny zkoušek ochran. Tato záležitost je poměrně dobře propracována v podnikové normě s označením PNE 38 0465 3.vydání z roku 2008 – Provoz, navrhování a zkoušení ochran a automatik. Byla vypracována a schválena jako interní předpis energetických společností zabývající se distribucí el. energie – ČEZ Distribuce, a.s., E.ON Distribuce, a.s., E.On česká republika, s.r.o., PRE distribuce, a.s., ZSE, a.s., a ČEPS, a.s. 

Pokud podle povahy provozu jsou dle ČSN, instrukcí výrobců (dodavatelů) nebo místními oborovými předpisy požadovány periodické funkční zkoušky, lze je u digitálních ochran moderního provedení (3. uvedený typ) provádět buď klasicky vnuceným proudem (napětím) z pomocného zkušebního zdroje,nebo softwarovým

i povely navigačními tlačítky ochrany, popřípadě dálkově využitím komunikačního výstupu, pomoci kterého lze navíc dálkově z řídícího stanoviště provést zkoušku „primární“ využitím provozního proudu. Primární zkoušky a zkoušky provozním proudem jsou definovány i výše uvedenou technickou normou PNE 380465, neboť jde o nejspolehlivější funkční ověření celého bezpečnostního komplexu: ochrana – vypínač. U starších ochran elektromechanických je možné zkoušky provést pouze vnuceným proudem z pomocného zdroje. 

2.1     Zkoušky mezioperační a přejímací

Zkoušky prováděné před uvedením chráněného el. zařízení do provozu. Při těchto zkouškách se mimo samotné zkoušky ochrany pomoci vnuceného proudu popř. napětí provádí simulace poruchových stavů, ověřování celého systému chránění „ochrana-výkonový vypínač“ včetně funkce logiky vzájemného blokování výkonových spínacích přístrojů. Tento druh zkoušek je velmi důležitý, vyžaduje vysokou odbornost a zodpovědný přístup. Součástí těchto zkoušek je i sledování reakce ochran na anomální neporuchové jevy přechodového charakteru a u ochran s výběrovou působnosti (např. směrové nadproudové, zemní směrové atd.) nastavení správného směru působení. 

2.2     Zkoušky pravidelné (periodické) 

Tyto zkoušky se provádějí dle místního schváleného plánu preventivní údržby. Rozsah a termíny zkoušek by měly respektovat pokyny výrobce, přičemž zkoušky musí být koordinovány s návazným chráněným zařízením. 

2.3     Zkoušky příležitostné 

Tyto zkoušky se provádějí jako opatření před uvedením zařízení do provozu, které bylo po delší dobu mimo provoz. 

2.4     Zkoušky mimořádné 

Zkoušky prováděné po závažnějších poruchách, úrazu osob nebo po zjištění neobvyklých nebezpečných úkazech. 

Pravidelné zkoušky se provádějí jako primární nebo sekundární. 

2.5     Zkoušky primární

Při primárních zkouškách je zkoušena soustava – ochrana, přístrojové transformátory, vypínač a případně další návazná zařízení (blokády, vzdálená signalizace apod.) Ze všech druhů zkoušek jsou zkoušky primární nejkvalitnější, protože při tomto druhu zkoušky se ověřuje celý komplex ochranných modulů ochrany včetně návaznosti na výkonový vypínač. 

Vstupní obvody měřených el. veličin a výstupní bezpečnostní obvody v návaznosti na výkonový vypínač, výstupní obvody signalizace a komunikace a pod. se neodpojují. Důvodem je vyloučení nespolehlivosti či vadné funkce ochrany vznikem případné chyby při zpětném připojování obvodů po zkoušce.

Mimo výše uvedenou normu PNE 38 4065 není z dostupných pramenů znám jiný, takto kvalitně a vysoce odborně zpracovaný technický dokument týkající se ověřování funkce a zkoušek ochran. Naše firma doporučené postupy uvedené PNE ve větší míře používá s  tím, že na základě dlouhodobých získaných zkušeností je podle místních podmínek rozvodných zařízení a typu použitých ochran částečně upravuje a doplňuje. 

2.6     Zkoušky sekundární

U sekundární zkoušky je zkoušena samostatně ochranná soustava bez připojení (1) na přístrojové transformátory proudu (PTP) nebo napětí (PTN) a to vnuceným proudem (napětím) ze zkušebního zdroje. U těchto zkoušek se činnost ochrany zkouší podle předpisu výrobce a požadavků provozovatele, při nastavených hodnotách všech rozběhových, měřicích, směrových a časových prvků ochran. 

Poznámky:

• (1) Bez újmy na přesnosti měřeného vnuceného proudu do ochrany, není nutno vždy při sekundárních zkouškách odpojovat z ochrany proudové obvody z PTP. Sekundární vinutí PTP,pokud není na primární straně zkratován, představuje pro zkušební proudový zdroj velkou impedanci. 

3     Vzdálený monitoring

V dnešní době jsou již mnohé rozvodny vybaveny částečně, či zcela elektronickými ochranami. Tyto ochrany jsou ve většině případů sloučeny do jedné komunikační sítě a také zařazeny do řídícího systému. Tato skutečnost vede k jedné ze zajímavých oblastí pravidelné údržby – vzdálené správě. 

Pomocí vzdáleného monitoringu je organizace schopna zajistit mnoho úkonů tak, aniž by k jejich vykonání musel vyjet servisní pracovník na místo. Kontrolu provozních parametrů v pravidelných intervalech, lze již v dnešní době svěřit plně automatice. Jakékoliv vychýlení z běžných provozních podmínek, lze již nejen signalizovat, ale i zaznamenat pro možnou pozdější analýzu. Zároveň mohou pracovníci údržby provést vzdálenou profylaktickou kontrolu nastavených parametrů, stáhnout poruchové záznamy či se mohou zaměřit na analýzu nežádoucích jevů, vznikajících při přechodných stavech zařízení. 

Tyto skutečnosti, za předpokladu vhodného technického vybavení a praktických a teoretických znalostí pracovníků, vedou v mnoha případech ke snížení nákladů na údržbu zařízení. Pokud je aplikován celý systém opatření a prostředků prediktivní údržby, je možné snížit pravděpodobnost poruchového stavu na historicky minimální možnou míru. 

Nedovolme však, aby technický rozvoj automatizovaných systémů snižoval kvalitu vzdělání pracovníků, ale naopak, aby přispíval ke zjednodušení a větší bezpečnosti při vykonávaných činnostech.

Ing. Ondřej Kropáč, Ing. Bernard Lukáš, Q-ELEKTRIK a.s.