PROIECT AUTOMATE PROGRAMABILE SMPCE

Sistemul de monitorizare şi automatizare al echipamentului de răcire al unuitransformator de forţă

Etapa 1. Sisteme de răcire cu circulaţie forţată a uleiului şi răcire forţată cu aer

Sistemul de răcire folosit la transformatoarele de foarte mare putere S = 60...1.000 MVA,utilizează o pompă de ulei pentru a mări viteza de circulaţie a uleiului prin fiecare radiatorrăcit forţat cu aer de 1...5 ventilatoare:

Fig. 1. Transformator de foarte mare putere echipat cu sistem de răcire cu circulaţie forţată a uleiului şi răcireforţată cu aer (CFU-RFA), 760 MVA, 345/21,5 kV, Mitsubishi [MITS 08]

Chiar dacă randamentul transformatoarelor de mare putere este foarte ridicat şi procentulpierderilor sub formă de energie termică este mic (0,5...1 % Sn) , el rămâne semnificativ cavaloare absolută şi ca urmare pentru evacuarea căldurii preluate de ulei sunt necesare sistemede răcire numeroase şi eficiente (cu efect intensiv) pentru a micşora la valori rezonabilecantitatea de ulei din cuvă şi spaţiul de montaj. Construcţia unui modul de răcire prezentată îndetaliu în figura 6.20., are ca elemente principale pompa de ulei cu motor electric imersatpentru a preveni scurgerile de ulei, radiatorul de ulei realizat din oţel galvanizat sub formaunui sistem de ţevi cu aripioare de răcire foarte fine (pentru a mări suprafaţa de schimbtermic) şi ventilatoarele de debit foarte puternice care trimit un curentul de aer prin acestadinspre cuvă spre mediul ambiant. Sistemul lucrează în circuit închis şi este prevăzut cuaerisitoare de aer, robineţi de blocare a circulaţiei uleiului (pentru a facilita operaţiile deîntreţinere) şi indicator de debit şi sens de curgere a uleiului prin instalaţie care monitorizeazăbuna funcţionare a pompei de ulei respectiv sesizează defectarea acesteia şi previnefuncţionarea transformatorului în regim de suprasarcină.

Fig. 2. Elemente componente ale unui modul de răcire CFU-RFA

În funcţie de sarcină şi modul de proiectare a sistemelor de răcire, transformatoarele de forţăpot fi prevăzute cu sisteme de automatizare care să activeze diferitele sisteme de răcire aletransformatorului (sau chiar numai module separate) după un algoritm de tipul 60/80/100 %care presupune: la sarcini parţiale sub 60 % se lucrează cu sistemul de răcire naturală RN carenu consumă energie electrică; la sarcini de 60...80 % se lucrează cu circulaţie forţată a uleiuluişi răcire naturală a acestuia CFU-RN iar la sarcini de peste 80 % se foloseşte capacitateamaximă de răcire a sistemului CFU-RFA. Chiar dacă sistemele de control şi elementele deexecuţie ale sistemului de răcire sunt fiabile este preferabil să se funcţioneze cu sistemul derăcire la capacitate maximă şi să se exploateze transformatorul la temperaturi cât maicoborâte pentru a creşte durata sa de viaţă. Reducerea pierderilor în înfăşurări în acest caz estemai importantă decât economia de energie, Tabelul 6.5., dată de nefuncţionarea sistemelorauxiliare de răcire controlate de un sistem cu microprocesor relativ complicat.

Tabelul 1. Caracteristici tehnice ale componentelor auxiliare ale sistemului de rǎcire CFU-RFAPutere [kW] 2,0 2,0 3,7 5,5 5,5

Pompa de uleiDebit [l/min] 2.000 2.000 3.000 4.500 4.500Nr./modul 1 2 3 4 5Putere [kW] 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0VentilatoareDebit [m3/min.] 200 400 600 800 1.000

TransformatorRobinet

Aerisitor

Aer cald

Ventilatoare

Aripioarerăcire

Indicator curgere ulei

Pompă ulei

Borne conexiuni electrice

RobinetAerisitor

Cuva cuulei

Radiator ulei

Suportprindere

Ţeavă ulei

Sen

scu

rger

e

Radiator ulei Detaliu radiatorulei

Etapa 2. Schema de principiu a sistemului de rǎcire

Se consideră schema sistemului de răcire cu următoarele componente:

Fig. 3 Schema de principiu a sistemului de răcire

Tr. – transformator de forţă;T1p – senzor temperatură (analogic) înfăşurarea primară;T2s – senzor temperatură (analogic) înfăşurarea secundară;Tulei s – senzor temperatură maximă (analogic) ulei din interior cuvă;T1ulei – senzor temperatură (analogic) ieşire ulei din cuvă;T2ulei – senzor temperatură (analogic) intrare ulei în cuvă (după răcire);D – debitmetru cu impulsuri (digital) verificare curgere şi sens curgere ulei;Nulei – indicator nivel ulei (digital) cu două praguri de avertizare: de atenţie şi de avarie;V1, 2 – ventil electromagnetic izolare cuvă la detectarea unui incendiu;SP – senzor control presiune în cuvă (digital), contact NI cu reţinere ;V3 – ventil electromagnetic bypass pentru circulaţie naturală ulei (normal deschis);P – electropompă de ulei (una pentru fiecare grup de răcire);R – radiator ulei (un singur grup răcit de două ventilatoare cu comandă independentă funcţie

de temperatură uleiului la ieşire);Ve1, e2 – electroventilator răcire radiator ulei;K1, 2 – contactoare de forţă pentru comanda pornirii-opririi ventilatoarelor (dacă este necesar).

Se va studia principiul de funcţionare al sistemului de răcire al transformatoarelor de forţăîn funcţie de sarcina medie şi se va întocmi lista minimală a funcţiilor de automatizare cetrebuie realizată de sistemul de automatizare şi control realizat cu un automat programabilmontat într-un dulap de automatizare. Se va prevedea obligatoriu funcţia de comandă manualălocală a sistemului de răcire şi funcţia de funcţionare automată în funcţie de indicaţiilefurnizate de senzori. După caz, pentru o bună funcţionare, proiectantul poate monta şi senzorisuplimentari în schema de principiu din figura 3.

Se va estima preliminar numărul necesar de variabile digitale şi analogice de intrare,ieşire, caracteristicile lor tehnice.

T2ulei

P

T1ulei

Tr.

C

C

ulei

D

K1

Ve1

Rg

R

aer

CC

C

V3

V2

V1

K2

Ve2

T1p T2s

Tulei sNNulei

pTulei s

Etapa 3. Proiectarea schemei electrice de automatizare

Se va elabora schema electrică de automatizare care va cuprinde:- modul de alimentare cu energie a dulapului de automatizare şi al automatului

programabil (sursa de alimentare);- modul de conexiune la automatul programabil a elementelor de comandă, execuţie,

măsură în concordanţă cu tensiunea de alimentare şi curentul nominal al fiecăruia.

Se va determina numărul necesar de variabile digitale şi analogice de intrare, ieşire,temporizare, contorizare etc. şi se vor întocmi tabele de lucru preliminare conform modelului:

Tabelul 2. Tabel alocare variabileSimbol aparat

în schemaelectrică

Variabilăasociată

Datevariabilă

Rol funcţional în proces/program

S1 I00 1 bit (hard) Selector ciclu funcţionare în mod Manual… … …SP I05 1 bit (hard) Senzor securitate, depăşire presiune cuvă

I06…I12 NeutilizatK1 O000 1 bit (hard) Contactor trifazat pornire motor electroventilator

Ve1

… … …V1 O00 1 bit (hard) Distribuitor hidraulic comandă blocare ulei

O06 Neutilizat- C00… 16 biţi (soft) Contor (înainte) numărare

C008…C255 Neutilizat- T000… 16 biţi (soft) Temporizator (acţionare) la depăşire prag

temperaturăM000… 1 bit (hard) Stare intermediară avarie sistem ventilaţie

P1 AI001… 16 biţi (hard) Intrare analogică senzor temperatură înfăşurareAO001… 16 biţi (hard) Ieşire analogică prescrisă turaţie motor avans6

… … Continuare

Etapa 4. Realizarea schemei logice de funcţionare

Se va face o descriere logică a modului de funcţionare preconizat pentru echipamentul derăcire având în vedere funcţionarea în cele trei situaţii:

1. Răcire naturală prin circulaţia uleiului şi aerului RN;2. Circulaţie forţată a uleiului şi răcire naturală cu aer CFU-RN;3. Circulaţie forţată a uleiului şi răcire forţată cu aer prin conectarea treptelor de răcire

cu aer, CFU-RFA,şi modul de rezolvare a posibilelor situaţii de avarie.

Pe baza descrierii stabilite se va realiza schema simbolică de întocmire a programuluisecvenţial (după unul din modelele prezentate la curs).

Etapa 5. Proiectarea programului secvenţial în mediul de programare EASY-SOFT PRO

Prin utilizarea mediul de programare EASY-SOFT PRO se va realiza şi testa prin simulareprogramul pentru a rula pe un automat programabil Moeller din seria EASY 800.

Etapa 6. Elaborarea documentaţiei de execuţie pentru dulapul de automatizare

Proiectarea tabloului electricTabloul electric este unul dintre cele mai importante elemente ale unei instalaţii electrice, proiectarea şi

construcţia acestuia fiind fǎcutǎ în conformitate cu standarde (CEI 439-1, CEI 947) care definesc condiţiile desiguranţǎ în exploatare. Tablourile electrice sunt realizate sub forma unor carcase metalice care conferǎ dublǎprotecţie:

protecţia aparatelor de comutaţie, comandǎ, mǎsurǎ împotriva şocurilor mecanice, vibraţiilor,umezelii, corpurilor strǎine;

protecţia personalului împotriva şocurilor electrice.Pentru comanda şi protecţia unor utilaje tehnologice se utilizeazǎ tablourile de distribuţie (denumireinternaţionalǎ distribution board DB) în care aparatele de comutaţie, siguranţele fuzibile,echipamentele de automatizare sunt montate pe un panou special, amplasat în interiorul carcaseimetalice pe care sunt montate dispozitive de comandǎ şi control (butoane, lǎmpi, aparate de mǎsurǎ);amplasarea aparatelor cere un studiu amǎnunţit luând în considerare dimensiunile fiecǎrui echipament,spaţiul necesar pentru rǎcire etc.

Identificarea gradului de protecţie impus de aplicaţieInstalaţiile electrice sunt amplasate în medii specifice care într-o mǎsurǎ mai mare sau mai redusǎ

solicitǎ diferitele ei componente creând un anumit nivel de risc pentru personal şi materialele din careeste realizatǎ instalaţia. Pentru a face faţǎ în mod corespunzǎtor influenţelor externe (CEI 364-3),construcţia tabloului electric trebuie realizatǎ cu un anumit grad de protecţie IP minim, care sǎ asigureprotecţia la urmǎtorii factori externi de risc:1. pǎtrunderea obiectelor strǎine;2. protecţia persoanelor împotriva accesului la pǎrţile echipamentelor aflate sub tensiune;3. protecţia contra intrǎrii prafului;4. protecţia împotriva intrǎrii lichidelor;5. protecţia la şocuri mecanice;6. protecţia la coroziune datoritǎ acţiunii mediului ambiant.Codul IP constǎ dintr-o succesiune de cifre şi litere a cǎror semnificaţie este prezentatǎ în figura 4., else aplicǎ echipamentelor electrice cu tensiuni de serviciu Us 72,5 kV.

semnificaţie pentru protecţiaechipamentului

semnificaţie pentru protecţiapersoanelor

IPprimulnumǎr

caracteristic

al doileanumǎr

caracteristic

al treileanumǎr

caracteristic

literaadiţionalǎ(opţional)

literasuplimentarǎ

(opţional)

Protejat împotriva accesului obiectelor strǎine Protejat împotriva accesului cu

0 neprotejat neprotejat1 cu 50 mm dosul mâinii

2 cu 12,5 mm deget

3 cu 2,5 mm sculǎ

4 cu 1,0 mm sârmǎ

5 protecţie la praf sârmǎ6 etanş la praf sârmǎ

Protejat împotriva intrǎrii apei cu efecte nocive la0 neprotejat

1 picurare verticalǎ

2 picurare (înclinatǎ la 15)3 picǎturi foarte fine

4 stropire5 udare cu jet

6 udare cu jet puternic7 imersiune temporarǎ

8 imersiune continuǎ

Protejat împotriva şocurilor mecanice cu energia0 neprotejat

1 0,255 J (lovire lateralǎ cu o greutate de 0,15 kg,în cǎdere de la 0,15m

2 0,375 J (0,250 kg / 0,15m)

3 0,500 J (0,250 kg / 0,20m)5 2,000 J (0,500 kg / 0,40m)

7 6,000 J (1,500 kg / 0,40m)9 20,000 J (5,000 kg / 0,40m)

Protejat împotriva accesului cu

Adosul mâinii

B degetC sculǎ

D sârmǎ

Informaţii suplimentare despre:H aparatele de Î.T.

M mişcare în timpul testului cu apǎS staţionare în timpul testului cu apǎ

W condiţii climatice

Fig. 4. Semnificaţia elementelor codului IP

În condiţii normale de funcţionare uşile de acces şi panourile detaşabile prevǎzute pentruîntreţinere ale tabloului sunt închise cu chei sau unelte speciale, fiind permis totuşi un acceslimitat la elementele de reglare ale unor aparate montate în spaţii speciale, protejate prin plǎcielectroizolante detaşabile. Severitatea mediului ambiant coroziv este indicatǎ în specificaţiileechipamentului prin codul AF (CEI 364-3) care precizeazǎ nivelele de coroziune: AF1 –neglijabil, AF2 – atmosferic, AF3 – intermitent, AF4 – continuu. Pentru a facilita alegereagradului de protecţie necesar dulapului (cofretului) cu aparate, standardele europene(naţionale) precizeazǎ gradul minim de protecţie cerut în funcţie de locul de amplasare alacestuia [MERL].

Calculul termic al tablourilor electriceMajoritatea aparatelor electrice funcţioneazǎ corect în intervalul de temperaturǎ –

10…50 C, ca urmare este imperios necesar ca şi temperatura internǎ a tabloului electric sǎ nudepǎşeascǎ aceste valori. Adeseori condiţiile de mediu sau cele specifice mediului industrialimpun soluţii tehnice care sǎ permitǎ menţinerea temperaturii interne în acest interval prin: proiectarea şi alegerea volumului necesar al tabloului (din seriile standardizate) în funcţie

de puterea disipatǎ de aparate Pd şi condiţiile de mediu;

alegerea unui sistem de menţinere a temperaturii adecvat (rǎcire sau încǎlzire).Pentru situaţiile uzuale ce corespund unei temperaturi interne mai mari decât a mediului

ambiant, se impune disiparea prin diferite modalitǎţi a puterii dezvoltate de aparatele înfuncţiune. În figura 5. sunt prezentate principalele soluţii constructive utilizate pentruevacuarea excesului de cǎldurǎ din interiorul tablourilor electrice:

Fig. 5. Sisteme de rǎcire ale tablourilor electrice: a. convecţie; b. ventilaţie naturalǎ; c. ventilaţie forţatǎ; d.convecţie forţatǎ şi ventilaţie prin schimbǎtor termic; e. convecţie forţatǎ cu sistem de condiţionare

Calculul termic al tabloului electric (cazul cel mai defavorabil), urmǎreşte determinareatemperaturii interne a tabloului i şi astfel sǎ verifice dacǎ sunt îndeplinite condiţiile defuncţionare normalǎ a aparatelor din punct de vedere termic. În Tabelul 3. sunt prezentateprincipalele caracteristici termice ale tablourilor electrice cu dimensiunile standardizate (H xL x P] 2.000 x 800 x 400, produse de firma Merlin Gerin.

Tabelul 3. Caracteristici termice ale tablourilor electrice în funcţie de soluţia constructivǎ

Figuraa. b. c. d. e.

Pd maximǎ [W] 400 700 2.000 2.000 2.400

internǎ > ambiant 20…40C

ambiant max. 40C max. 55C

IP maxim IP 55 IP 20 IP 54 IP 55 IP 55

Pentru cazurile prezentate în figurile 5. a., b., calculul termic se bazeazǎ pe ipoteza cǎtransferul termic se realizeazǎ la temperaturi relativ coborâte prin conducţie (de la interior laexterior prin pereţii dulapului) şi convecţie termicǎ naturalǎ:

PPPPCS

Pconexiunidamb

di 3,1;50

(1)

unde S este suprafaţa totalǎ liberǎ (în contact direct cu mediul ambiant) a dulapului; -conductivitatea termicǎ a pereţilor dulapului (tablǎ din oţel vopsitǎ = 5,5 W/m2 C; poliester =3,5…4 W/m2 C); P – puterea dezvoltatǎ de aparatele în funcţiune la un moment dat; Pconexiuni

- puterea dezvoltatǎ în legǎturile de conexiune în cazul încǎrcǎrii maxime de duratǎ.

Puterea dezvoltatǎ în funcţionare de aparatele electrice este precizatǎ în cataloageleproducǎtorilor. Pentru a evalua pierderile în conexiuni se poate considera o majorare de 30 %a pierderilor în aparate. În cazul sistemelor de tablouri electrice juxtapuse (alǎturate) sausuprapuse, datoritǎ înrǎutǎţirii schimbului termic se va majora în compensaţie puterea disipatǎ

a. b. c. d. e.

cu 10 %. Dacǎ prin soluţia adoptatǎ nu este îndeplinitǎ condiţia exprimatǎ prin relaţia (6.1)este necesar sǎ se aleagǎ un tablou cu ventilaţie forţatǎ, prevǎzut cu un sistem de ventilaţiecare sǎ asigure cel puţin debitul minim precizat prin relaţia:

S

PD

ambi

d maxmax

min 1,3 (2)

Debitul D necesar ventilaţiei forţate poate fi determinat şi prin utilizarea graficelor prezentateîn figura 6:

Fig. 6. Debitul de aer necesar pentru ventilaţie forţatǎ

În funcţie de debitul necesar pentru ventilaţie corespunzǎtoare, se poate alege unul sau maimulte ventilatoare standardizate din Tabelul 4.:

Tabelul 4. Ventilatoare pentru tablourile electriceDebit fǎrǎ

contrapresiune[m3/h]

Debit cu grilǎ deprotecţie

[m3/h]Putere

[W]

Tensiune

[V]

Curent

[mA]filtru

standardfiltrufin

filtrustandard

filtrufin

Nivelzgomot

[dB]

12 230 65 300 - - - -18 230 110 83 63 65 50 4938 230 250 170 90 130 70 56

Amplasarea aparatelor electrice în tabloul electric (varianta tradiţionalǎ)Aparatele electrice se amplaseazǎ în principiu pe verticalǎ, în funcţie de valoarea

curentului nominal şi pe orizontalǎ pentru calibre apropiate, în ordinea: aparatul principal dealimentare a circuitelor, aparatele de protecţie a circuitelor derivaţie, aparatele care echipeazǎfiecare circuit, şirul clemelor de conexiune cu exteriorul, figura 6.5. Se au în vederedimensiunile de gabarit şi condiţiile speciale de montare impuse de producǎtor. Amplasareaaparatelor se face astfel încât: sǎ fie utilizat cât mai judicios spaţiul disponibil; sǎ se respecte o amplasare logicǎ care sǎ permitǎ urmǎrirea şi identificarea uşoarǎ a

circuitelor (în conformitate cu schema electricǎ);

amplasarea aparatelor sǎ permitǎ realizarea conexiunilor electrice dupǎ trasee delungime minimǎ. În faza de proiectare trebuie avutǎ în vedere o posibilǎ dezvoltare sauperfecţionare a echipamentului deservit, ca urmare se va prevedea un spaţiu de rezervǎ pentruaparate care sǎ reprezinte 20…25 % din suprafaţa utilǎ a plǎcii cu aparate. Conductoareleelectrice se amplaseazǎ în jgheaburi cu capac a cǎror dimensiuni se coreleazǎ cu numǎrulmaxim de conductoare amplasate şi cu secţiunea acestora (lǎţime jgheab 40 mm…80 mm).Fiecare aparat electric se marcheazǎ vizibil, pe placa cu aparate, cu etichete specialeamplasate cât mai aproape de acesta.

Fig. 7. Cofret cu aparate echipat tradiţional

După definitivarea programului, se editează documentele de execuţie specifice furnizate deEASY-SOFT PRO şi se stabileşte necesarul de resurse materiale pentru finalizarea proiectuluiprin întocmirea specificaţiei de aparate conform modelului:

Nr.crt.

Simbol Denumirea Caracteristici tehnice U.M. Cant. Furnizor Obs.

1. K1 Contactor forţăRG 25

25nI A; 500nU V;

50f Hz; 110bobU V; DA

40%; fc = 600 c/h; AC3

Buc. 1 N

.......AutomatprogramabilEASY 800

EASY 821-DC-RCX, 24V, 6ieşiri pe releu, 12 intrări, 4analogice

Buc. 1

W1 Cablu electric MYYM 4x2,5 m 12n. - Conductor VLPY 1,5 m 30