Omezující jističe na JE Temelín

Omezující jističe na JE Temelín

Ing. Jan Anděl, ÚJV Řež, a. s.,
divize Energoprojekt Praha

Tento článek se vrací do období devadesátých let minulého století, kdy byla projektantům a elektrikářům obecně dána k dispozici nová technologie jisticích přístrojů nízkého napětí. Šlo o jističe se schopností výrazně omezovat zkratový proud a využívat nové systémy jejich vzájemné selektivity. Jednou z prvních rozsáhlých průmyslových aplikací omezujících jističů byl elektrický rozvod vlastní spotřeby jaderné elektrárny Temelín (JETE). Článek popisuje důvody a postup, které v pokročilém stadiu projektu vedly k rozsáhlé výměně jisticí aparatury.

Úvodní projekt JETE se dvěma bloky VVER^*) 1 000 MW, který stanovil celkovou koncepci elektrárny, byl v základní verzi dokončen v roce 1986. Následovalo období práce na prováděcích projektech, které detailně rozpracovávaly koncepci úvodního projektu pro konkrétní dodávky zařízení.

V tomto období byly rovněž do projektu zapracovávány změny zaměřené na zvyšování jaderné bezpečnosti a technické úrovně, jakož i na zlepšování provozních vlastností elektrárny. Tyto změny byly vyvolány nejprve reakcí sovětského projektanta na havárii v Černobylu. Dalším podnětem byla změna politické a ekonomické situace po roce 1989, která umožnila využít západní know-how a dodávky moderních zařízení západní výroby. Tyto změny se projevily ve všech oblastech projektu JETE a většinou znamenaly potřebu zpracovat dodatek úvodního projektu. Vrcholem byla záměna bezpečnostního a řídicího systému, což je „mozek a centrální nervová soustava„ elektrárny, za systém od firmy Westinghouse.

V dalších odstavcích se tento článek zabývá řešením projektu a dodávek jisticí aparatury v hlavních rozvodech nízkého napětí 1. bloku JETE.

Základní koncepce řešení rozvodu nízkého napětí

Rozsáhlý rozvod nízkého napětí (nn) je napájen v rámci každého reaktorového bloku přibližně dvaceti transformátory 6/0,4 kV s výkonem 1 MV·A. Za transformátorem je instalován úsekový rozváděč (ÚR) 380/220 V. Z tohoto rozváděče jsou napájeny velké motory 380 V (o výkonu 20 až 160 kW) a podružné rozváděče (PR). Většina podružných rozváděčů je napájena kabelovými smyčkami, do kterých je začleněno několik PR. Z PR jsou napájeny především malé pohony elektrických armatur (řádově desetiny až desítky kilowattů).

Do vývodů PR na armatury byly již na počátku projektu navrženy místo klasických kombinací jistič-stykač-tepelné relé ochranné motorové spouštěče Integral 32 francouzské firmy Telemecanique. Tento výkonný omezovač zkratového proudu umožnil zvýšit selektivitu s předřazenými jističi J2UX-T v přívodech PR a zjednodušit řešení ovládacích obvodů. (V elektrické části šlo o první průlom zásady, že dodávky musí být pouze ze socialistického tábora. Druhým průlomem bylo použití akumulátorových baterií od firmy Varta.)

Přívody ÚR byly osazeny vzduchovými jističi ARV a vývody ÚR jističi J2UX-T. Šlo o nejvyspělejší verze jističů vyráběných v OEZ Letohrad, které byly vybaveny elektronickými spouštěmi.

Zvyšování spolehlivosti po černobylské havárii

Jako reakci na černobylskou havárii prosadil sovětský projektant množství opatření. V elektrické části byly provedeny nejzávažnější úpravy v oblasti elektrických ochran a podmínek pro jištění kabelových rozvodů. Některé z těchto změn byly jednoznačně pozitivní. Příkladem je zavedení distančních ochran v rozvodu vlastní spotřeby 6 kV. Jiné byly z velké části založeny na zkušenosti sovětského projektanta v sovětské energetice s nepříliš spolehlivou funkcí aparatury sovětské výroby. Zde jde o zavedení tzv. principu rezervní ochrany v napájecích rozvodech vlastní spotřeby 6 kV a 220/380 V. Tento princip má za cíl omezit možnost vzniku požáru kabelů v důsledku zkratu a selhání ochrany či vypínače (jističe) ve vývodu z rozváděče. Podle tohoto principu musí být zkrat po celé délce vývodu, který by nebyl vypnut vývodovým vypínačem (jističem), vypnut vypínačem (jističem) v přívodu tohoto rozváděče. Tento požadavek jde nad rámec norem ČSN.

Splnění tohoto požadavku vede především v rozvodech nn ke zvýšení průřezů napájecích kabelů, tím k vyšší hladině zkratových proudů a v konečném důsledku k problémům se selektivitou jištění. Jednoznačným kladem principu rezervní ochrany je tlak na podstatně podrobnější metodu návrhu systémů elektrických ochran a kontrol dimenzování elektrických zařízení, což bezpochyby přispívá k vyšší spolehlivosti a bezpečnosti elektrárny. Protože však v JETE byla zaměněna klasická kabeláž PVC za kabeláž s nehořlavou, popř. oheň nešířící izolací, stal se hlavní úkol tohoto principu podstatně méně zřetelným.

Důvody pro záměnu jisticí aparatury nn na JETE

Ve stadiu zpracování projektů, který se již vypořádal se zmíněným principem rezervní ochrany s použitím českých jističů AR, J2UX v kombinaci s ochrannými spouštěči Integral, vyvstal ze strany bývalé ČSKAE (Československá komise pro atomovou energii) a následně i ČEZ požadavek na záměnu jističů AR a J2UX za spolehlivější jističe. Důvody této záměny lze rozdělit na provozní a technické.

Hlavními provozními důvody byly zkušenosti z elektráren, kde v několika případech nastaly závažné poruchy jističů J2UX. Šlo o obloukové zkraty vyvolané stárnutím a degradací izolace, které vedly k lokálním požárům rozváděčů. Dalším důvodem byly případy selhání jističů při vypínání či zapínání od povelů důležitých automatik, které v jaderných elektrárnách řídí bezpečnostní funkce, včetně postupného zatěžování dieselgenerátorů.

Významným technickým důvodem bylo řešení selektivity jištění ve vícestupňovém rozvodu vlastní spotřeby nn. Jističe J2UX a AR vyžadovaly použití časové selektivity. Negativní vlastností tohoto systému je, že v místech blízko zdroje, kde jsou zkratové proudy největší, je i nejdelší časové nastavení elektrických ochran. To zapříčiňuje větší tepelné namáhání elektrozařízení a zhoršuje následky elektrických poruch.

Pro zajištění selektivity v některých případech musela být u jističů J2UX vyřazena mžiková zkratová spoušť, čímž se zkratová odolnost a vypínací schopnost těchto jističů dostaly hluboko pod hladinu zkratových proudů (14 oproti 28 kA) stanovených na základě tehdy nové zkratové normy ČSN 33 3020 (Elektrotechnické předpisy. Výpočet poměru při zkratech v trojfázové elektrizační soustavě).

Volba dodavatele omezujících jističů

Výběr dodavatelů byl zahájen zpracováním projektových studií, které měly za úkol komplexně posoudit vlastnosti jističů a dopady záměny jističů pro konkrétní elektrické schéma a stanovit požadavky na jištění i ovládání. Byly posuzovány systémy jištění podle katalogových podkladů firem ABB SACE, Klöckner Moeller a Merlin Gerin. Závěrem studií zpracovaných v srpnu 1990 bylo, že elektrické schéma má se systémy jištění všech tří firem lepší vlastnosti než s původní aparaturou.

Firmy zpracovaly nabídky, které byly vyhodnocovány z těchto hledisek:

• schopnost nabízeného systému zajistit správné a selektivní jištění, včetně spolupráce s jističi Integral, již dodanými do vývodů podružných rozváděčů,

• omezení dopadů do projektového řešení (schéma napájení, rozmístění rozváděčů, dimenze a trasování kabeláže),

• cena,

• vhodnost z hlediska provozu a obsluhy.

Z technického hlediska se jako rozhodující ukázala schopnost efektivně jistit dlouhé smyčky PR při minimálních zkratech a současně zajistit selektivitu v řetězci za sebou řazených jističů při maximálních zkratech. Typické schéma smyčky podružných rozváděčů je na obr. 1.

Obr. 1. Schéma smyčky podružných rozváděčů

Smyčky PR jsou typickým produktem časové selektivity jištění, kdy lze selektivní spouště jističů nastavit na relativně malou hodnotu.

V projektu JETE před záměnou jističů bylo možné smyčky popsat takto:

• vzdálenost k prvnímu rozváděči asi 10 až 200 m,
• vzdálenost k poslednímu rozváděči asi 80 až 500 m,
• celkové proudy jednotlivých smyček 30 až 200 A.

Jističe v rozvodu smyčky musí plnit tyto hlavní funkce:

• QM1 (vývod PR, převážně jistič Integral do 32 A) – vypínat zkraty po celé délce kabelu i při I_kmin, nebýt citlivý na maximální provozní proudy -- obvykle rozběh nebo reverzace armatur,

• QM2 (přívod PR) – vypínat zkraty na podružném rozváděči jako základní ochrana i při I_kmin, vypínat zkraty po celé délce vývodových kabelů podle principu rezervní ochrany, nebýt citlivý na maximální provozní proudy v přívodu rozváděče (vznikající obvykle po automatickém záskoku na rezervní přívod), zajistit selektivitu s jističi QM1 při I_kmax,

• QM3 (vývod z ÚR) – vypínat zkraty po celé délce kabelu, který tvoří smyčku, i při I_kmin, nebýt citlivý na maximální provozní proudy ve smyčce (obvykle po automatickém záskoku na rezervní přívod na ÚR nebo napájecí R 6 kV), zajistit selektivitu s QM2 při I_kmax,

• QM4 (přívod ÚR) – vypínat zkraty na úsekovém rozváděči jako základní ochrana i při I_kmin, vypínat zkraty po celé délce vývodových kabelů podle principu rezervní ochrany (tuto funkci zajišťovaly spolu s QM4 i nepřímé ochrany ALOX ze ZPA Trutnov), nebýt citlivý na maximální provozní proudy v přívodu rozváděče (obvykle po automatickém záskoku na rezervní přívod), zajistit selektivitu s jističi QM3 při I_kmax.

Obr. 2. Porovnání nastavitelnosti zkratových spouští jističů Compact C a Modul SH

Největší problémy se zajištěním dostatečné citlivosti a vzájemné selektivity byly zjištěny u systému nabídnutého firmou Klöckner Moeller. Velikosti jističů na straně zdroje bylo často třeba uměle zvětšovat vysoko nad velikost provozních proudů a časová selektivita se ukázala potřebná již na úrovni nad PR. Dosahovaná mez selektivity mezi přívodem PR a vývodem z ÚR měla hodnotu 12 kA, což bylo pouze o málo více něž při použití jističů J2UX (asi 10 kA). Vlivem potřeby uměle zvyšovat velikosti jističů vycházelo nabídnuté řešení dražší než u konkurence.

Firmy ABB SACE i Merlin Gerin nabídly technicky lepší i cenově výhodnější systém jištění než firma Klöckner Moeller. Nabídka firmy ABB Sace se opírala o kompaktní jističe Modul a Limitor. Nabídka firmy Merlin Gerin byla založena na kompaktních jističích Compact C. V celém rozvodu až po vývody z ÚR byla použita energetická selektivita založená na omezujících schopnostech jističů. Z cenového i provozního hlediska byly obě firmy téměř rovnocenné.

Pro aplikaci v 1. bloku JETE byly vybrány jističe Merlin Gerin. K jejich výběru přispěly tyto faktory:

• Lepší schopnost jistit dlouhé smyčky kabelů. Ta byla dána vyšší vzájemnou selektivitou jističů, jež umožnila řadit jističe za sebou s menším odstupem velikostí. Menší jistič má zkratové spouště nastaveny na menší hodnotu. Porovnání vypínacích charakteristik zkratových spouští jističů Compact C 630 A a Modul SH 630 A je na obr. 2. Podstatně širší nastavitelnost spouští jističů Compact C je dána tím, že již ve velikostech od 400 A jsou k dispozici elektronické spouště. U jističů Modul SH byly tyto spouště tehdy k dispozici až od velikosti 1 250 A. Proto by zkratové proudy v dlouhých smyčkách vypínaly až spouště na přetížení, což nelze z mnoha důvodů připustit.

• Širší výběr přístrojů umožňující variabilitu projektového řešení. Velkou výhodou jističů Compact C byla možnost jističe 250 A vybavovat pomocí spouště s tzv. systémem Sellim. Tento systém vypínal až v druhé půlvlně zkratového proudu a tím zajišťoval při zkratových proudech přesahujících 3 kA plnou selektivitu s omezujícími jističi až do 160 A.

• Přesněji definovaná selektivita mezi jističi Compact C a Integral. Podmínky selektivity byly vzhledem k velké spřízněnosti obou firem standardně uvedeny v katalozích. Například selektivita mezi jističem Compact C 160 A a jističem Integral 16 A byla 20 kA, což je pro většinu případů dostatečné.

Závěr

V současnosti jsou omezující jističe již běžnou a v podstatě dobře zvládnutou technologií, která od doby popisovaného projektu pokročila mnohem dále. V uvedeném případě ale šlo o novou technickou a projektovou zkušenost. Firma Merlin Gerin, která je dnes součástí společnosti Schneider Electric, získala v JETE významnou referenci. Její výhodou bylo, že nabídla nejen dostatečně široký sortiment jističů s velmi dobrými technickými a provozními vlastnostmi, ale i to, že tyto jističe tvořily dohromady výkonný a variabilní systém selektivního jištění. Vlastnosti tohoto systému byly popsány v mnoha projektových pomůckách, do té doby neobvyklých, např. tabulkách selektivity podložených výsledky zkoušek vykonaných výrobcem.

Obr. 3. Jistič Compact NS

Práce na projektu záměny jističů ukázaly, jak bylo při výběru jističů prozíravé akcentovat co nejlepší schopnost jištění smyčky PR. Z nabídnutého širokého sortimentu jističů a jejich spouští byly ve spolupráci s experty firmy Merlin Gerin hledány takové selektivní kombinace jističů, které mají vzhledem k nastavení svých selektivních zkratových spouští co nejmenší nároky na velikost I_kmin na koncích smyček. Přesto se ukázalo, že pro některé smyčky nelze podmínky kladené na systém jištění splnit. V těchto případech bylo nutné schéma smyčkového rozvodu v projektu upravit. Šlo především o změny směřující ke zkrácení smyček, rozdělení dlouhých smyček na více částí a úpravu připojení spotřebičů na PR tak, aby z rozváděčů na začátku smyčky nebyly napájeny vývody s proudem větším než 16 A, někdy i 10 A. Změny bylo třeba realizovat i v kabeláži.

Z průběhu konzultací se specialisty Merlin Gerin bylo zřejmé, že pro tuto firmu byla problematika jištění smyček, která není v západní praxi tak obvyklá, zdrojem poučení. Je pravděpodobné, že jedním z výsledků následného technického vývoje byl nový jistič Compact NS (obr. 3), vyráběný společností Schneider Electric, který má rotoaktivní systém hlavních kontaktů. Tento jistič má ještě výraznější omezovací schopnost, a tak systém z těchto omezujících jističů dosahuje vyšší vzájemné selektivity. Tyto jističe tvoří základ rekonstruovaného systému jištění na JEDU (jaderná elektrárna Dukovany), kde se především díky nim podařilo splnit kategorický požadavek na zachování dosavadní kabeláže a elektrického schématu ve smyčkách PR, což představovalo ještě o řád horší podmínky než podmínky 1. bloku JETE. Jistič Compact NS je místo starší řady Compact C použit i v 2. bloku JETE.

Literatura:
[1] Projektová dokumentace JETE.
[2] Řešení selektivity a nastavení ochran. Projektová studie pro JETE, část 3b,12/1991.
[3] Katalogy jističů firem Merlin Gerin (Scheider Electric) a ABB Sace.

^*) VVER (Vodo-Vodjanoj Energetičeskij Reaktor, vodovodní energetický reaktor) – odpovídá anglickému označení PWR (Pressurized Water Reactor, tlakovodní reaktor), popř. APWR (Advanced Pressurized Water Reactor, zdokonalený tlakovodní reaktor).