Системы оперативного постоянного тока для ПС 110 — 220 кВ



Система оперативного постоянного тока (далее СОПТ) — электроустановка, обеспечивающая автономное питание электроприемников постоянного тока для ПС в течение нескольких часов. Оперативный постоянный ток применяется на подстанциях (далее ПС) напряжением 35–750 кВ, для беспрерывной работы терминалов релейной защиты и автоматики (РЗиА), АСУТП и цепей управления коммутационными аппаратами, сигнализации.

Источником постоянного тока служат зарядно-подзарядные выпрямительные устройства (далее ЗПУ), работающие в буфере с аккумуляторной батареей (далее АБ) в режиме непрерывного заряда. Рекомендуется проектировать СОПТ на напряжение 220 В.

Аккумуляторные батареи являются наиболее надежным источником питания вторичных устройств, так как они обеспечивают автономное питание оперативных цепей при исчезновении напряжения переменного тока. В аварийном режиме батареи принимают нагрузку всех электроприемников постоянного тока, обеспечивая действие РЗиА, а также возможность включения и отключения выключателей. Предельная продолжительность аварийного режима принимается равной 0,5–2,0 ч, необходимого для ликвидации аварии.

В России на электростанциях и ПС преимущественно используют свинцово-кислотные аккумуляторы, которые подразделяются на 2 типа:

‒ открытого типа — газы, выделяющиеся при заряде, выходят наружу, доливка электролита возможна;

‒ закрытого типа — при заряде, возможно, выпускать газ при превышенном давлении внутри АБ, доливка электролита невозможна.

По типу используемых положительных электродов аккумуляторы подразделяются:

‒ с поверхностными электродами (электродами Планте), называемыми GroE;

‒ с плоскими намазанными электродами, технология OP;

‒ с решетчатыми намазными электродами, технология OGi;

‒ с панцирным (трубчатыми) электродами, технология OPzS.

По типу электролитов:

‒ жидкий электролит, классическая технология;

‒ загущенный желеобразный электролит (гелиевый), технология GEL;

‒ абсорбированный электролит, технология AGM.

Проектный срок службы АБ должен быть не менее 20 лет, значительно на срок службы аккумуляторов влияют:

‒ температура окружающей среды

‒ напряжение поддерживающего заряда

‒ пульсации тока в режиме поддерживающего заряда

‒ соблюдение правил ввода АБ в эксплуатацию

Основными требованиями к аккумуляторным батареям относят:

‒ Емкость АБ должна выбираться с учетом ограничения по глубине разряда аккумуляторов, а также с учетом возможных ограничений по импульсам тока разряда.

‒ АБ должна иметь датчик температуры.

‒ Аккумуляторы должны иметь фильтр — пробки, обеспечивающие снижение испарений электролита и позволять производить доливку дистиллированной воды не чаще, чем один раз в 3 года.

‒ Размещение АБ и ЩПТ должно обеспечивать применение соединяющего их кабеля минимальной длины, как правило, не более 20 м.

‒ Присоединение АБ к защитным аппаратам первого уровня должно осуществляться медными одножильными гибкими (многопроволочными) кабелями с кислотостойкой изоляцией.

‒ Суммарная индуктивность цепей, соединяющих АБ и ЩПТ, должна обеспечивать значение постоянной времени, не более 5 мс.

‒ Корпуса аккумуляторов должны изготовляться из ударопрочного материала, не поддерживающего горения.

‒ АБ должны размещаться в разных помещениях. Допускается установка 2-х АБ в одном помещении, при условии их разделения негорючими перегородками.

‒ Аккумуляторное помещение должно быть оборудовано принудительной приточно-вытяжной вентиляцией.

‒ И другие не менее важные

В настоящее время запрещается использовать аккумуляторы закрытых типов с гелевым электролитом, технология GEL, кроме их использования в ШОТ. Также запрещается подключать какую-либо нагрузку к части элементов АБ.

При этом стоит отметить, что выбор АБ не должен исходить только из емкостной характеристики, всегда стоит помнить об особенностях разрядных характеристик, внутреннего сопротивления аккумулятора и ограничений по условиям эксплуатации. К примеру, установка более дешевой АБ «OPzS» может сократить расходы при строительство ПС, но учитывая внутренне сопротивление которое в 1,5–2 раза больше чем у других фирм, срок службы «OPzS» уменьшается в 2–3 раза.

Рис. 1. Удельное внутреннее сопротивление аккумуляторов

Рис. 2. Зависимость срока службы аккумулятора от температуры электролита

Рис. 3. Зависимость срока службы аккумулятора от напряжения поддерживающего заряда

Современные АБ систем оперативного постоянного тока предъявляют весьма жесткие требования к зарядно-подзарядным устройствам (далее ЗПУ):

‒ стабильность напряжения в режиме непрерывного подзаряда должна быть не хуже ±1 %. Также должна производиться корректировка заряда, зависящая от температуры АБ;

‒ переменная составляющая выпрямленного тока не должна превышать 0,25 %, а в ряде случаев и 0,1 % для аккумуляторных батарей закрытого типа;

‒ на начальной стадии заряда разряженной аккумуляторной батареи необходимо обеспечить ограничение зарядного тока на уровне (0,1–0,3) · С10, где С10 — емкость 10 часового разряда батареи;

‒ обеспечивать свободный переход от одного уровня нагрузки к другому без колебаний и провалов выходного напряжения;

‒ Ограничение тока короткого замыкания. При возникновении короткого замыкания на стороне постоянного тока ЗПУ должно переводиться в режим ограничения тока. Отключение ЗПУ должно производиться с выдержкой времени около 0,5 с;

‒ И другие.

Для увеличения срока службы АБ необходимо следить за работой ЗПУ на протяжении всего срока эксплуатации, особое внимание уделяется одновременным снабжением питания аппаратуры и осуществлением состояния полного заряда аккумуляторной батареи.

При возникновении чрезвычайной ситуации либо короткого замыкания огромное значение имеет готовность АБ принять нагрузку вторичных цепей. Поэтому для увеличения надежность АБ ставиться по 2 зарядных устройства на одну батарею и отдельный щит постоянного тока (ЩПТ). ЗПУ должно иметь опции автоматического контроля цепи заряда и самодиагностики аккумуляторной батареи, автоматический ввод резерва при потере источника переменного тока и температурной коррекции подзарядного напряжения. Так же ЗПУ осуществляет компьютерный контроль и управление режимами, входит в систему АСУ ТП. С учетом этих требований разработаны серии ЗПУ с микропроцессорным управлением.

В существующих аналогах обычно имеется две структуры ЗПУ:

‒ моноблочная структура — при возникновении неисправности в одной из стоек выводится полностью из работы;

‒ блочная структура — вся система разбита на несколько параллельно работающих блоков. При отказе одного из них (или нескольких) вся система остается работоспособной.

По исполнению блочной структуры подразделяются на две разновидности:

 блочно-иерархическая (с сосредоточенным интеллектом);

 блочно-роевая (с распределенным интеллектом).

В блочно-иерерхической структура значительно надежнее моноблочной, но и она содержит ряд недостатков. Во-первых, при повреждении главного блока функции управления системой должен взять другой блок. Смена главного блока многократно усложняет алгоритм управления всей системой в целом. Во-вторых, работа в электромагнитной среде, с сильными электромагнитными полями и возмущениями, неминуемо приводит к помехам. Вероятность одновременного сбоя в их работе и «зависания» резко возрастает, что приводит к отказу всей системы.

Выходом из положения является использование оптоволоконных линий связи. Но это приводит к существенному усложнению всей системы, со всеми вытекающими из этого последствиями.

Наиболее надежной является блочно-роевая структура, где каждый блок работает независимо от остальных, отсутствуют физические информационные связи. В этом случае отсутствует единый управляющий и координирующий центр. Программа управляет блоками поровну. При этом появляется возможность использовать простые процессоры с жесткой логикой, которые гарантируют от сбоев посредством простых алгоритмов. В таком случае отказ всей системы из-за электромагнитных помех практически равняется нулю. При отказе одного блока, вся система будет продолжать устойчиво работать дальше. Разработать и создать систему с блочно-роевой структурой значительно сложнее, чем блочно-иерархическую, но надежность системы значительно выше.

Для подключения источников питания (АБ и ЗУ) и распределения электроэнергии по группам электроприемников СОПТ используют щит постоянного тока (ЩПТ). В состав щита серии ШНЭ8700 входят (рис.4):

‒ шкафы ввода;

‒ шкафы секционирования;

‒ шкафы отходящих линий;

‒ шкафы аварийного освещения;

‒ шкафы автоматики и управления.

Несмотря на относительно небольшие размеры ЩПТ выполняет множество функций:

‒ ввод выпрямительных устройств и электроэнергии от АБ с необходимым уровнем напряжения и мощности;

‒ выдача нагрузки потребителям;

‒ селективная защита вводов и отходящих линий от токов перегрузки и КЗ;

‒ резервирование системы распределения электроэнергии путем секционирования шин;

‒ бесперебойное питание цепей аварийного освещения;

‒ защита от перенапряжений в системе оперативного постоянного тока;

‒ организация налаженной работы цепей управления, сигнализации и контроля;

‒ непрерывный автоматический контроль напряжения на шинах ЩПТ с формированием сигнала о его отклонении от номинального значения;

‒ непрерывный автоматический контроль сопротивления изоляции сети постоянного тока относительно земли с формированием сигнала о падении сопротивления изоляции ниже допустимого уровня.

‒ непрерывный автоматический контроль уровня пульсации на каждой секции ЩПТ с формированием сигнала при увеличении уровня пульсации выше заданной нормы;

‒ формирование обобщенного аварийного сигнала при срабатывании защиты и при отсутствии питания цепей защиты;

‒ местная и дистанционная сигнализации;

‒ регистрация аналоговых и дискретных сигналов аварийных событий в системе оперативного постоянного тока;

‒ возможность передачи информации о состоянии каждого щита постоянного тока и выпрямительных устройств АСУ ТП;

‒ измерение аналоговыми или цифровыми приборами основных параметров АБ;

Основные требования к ЩПТ:

‒ количество ЩПТ на ПС должно быть равно числу АБ;

‒ размещение коммутационных и защитных аппаратов, устройств контроля изоляции, устройств мониторинга, устройств защиты от перенапряжений, устройств регистрации аварийных событий, местной сигнализации, рядов клемм для присоединения кабельных линий в пределах каждого ЩПТ;

‒ должен иметь секции шин или сборки с отдельными цепями ввода питания для кабельных линий, питающих микропроцессорные терминалы и цепи, не выходящие за пределы ОПУ, релейного щита и секции шин или сборки с отдельными цепями ввода питания для кабельных линий.

Для более безопасного использования в работе ЩПТ на все дверцы камер обязательно устанавливаются замки, внутри щита должно быть предусмотрено место для предохранителей (рис.5). Разрешается установка «мигающего плюса» для удобства использования и контроля СОПТ.

Рис. 4. Щит постоянного тока (ЩПТ) серии ШНЭ8700 предназначен для ввода и распределения электрической энергии постоянного тока в системах оперативного постоянного тока собственных нужд электростанций и подстанций

Рис. 5. Панель ввода с разъединителями и встроенными предохранителями

Причиной повреждения изоляции могут быть как термические, так и динамические воздействия. Под действием внешнего электрического или магнитного поля, агрессивной окружающей среды, переходных коммутационных процессов происходит перенапряжение в цепях, которое в свою очередь может вызвать ложное срабатывание МПРЗА. Одним из наиболее опасных источников перенапряжений, возникающих в СОПТ, являются электромагнитные приводы выключателей. В процессе включения через катушку соленоида может протекать 440 А. Для защиты от перенапряжений в установках постоянного тока успешно применялись выпрямительные кремневые диоды с номинальным током 50А. После для предотвращения выхода диодов из строя стали применять более мощные диоды на номинальный ток 160 и 200 А. Диоды устанавливаются в ЩПТ между полюсами аккумуляторной батареи и землей (рис.6).

Рис. 6. Установка защитных кремниевых диодов в старых ЩПТ

При таком подключении любое внешнее напряжение относительно земли, приложенное к одному полюсу установки, срезается, либо до нулевого значения, либо до напряжения аккумуляторной батареи. Следовательно, для защиты от перенапряжений могут использоваться обычные силовые диоды.

Из представленного рисунка видно, что диоды не позволяют напряжениям полюсов сети СОПТ относительно земли возрастать выше уровня напряжения АБ (рис 7). Стоит заметить, что рассеиваемая энергия может составлять до 50 КА при импульсе до 10 мс.

Рис. 7. Напряжение полюсов относительно земли, межполюсное напряжение и ток соленоида при использовании диодной защиты от перенапряжений

Заключение: СОПТ являются частью энергосистемы отвечающей за нагрузку в цепях постоянного тока. Огромное значение на корректную работу подстанции в аварийных режимах и не только играет правильное функционирование аккумуляторных батарей и зарядно подзарядных устройств. Щиты постоянного тока отвечают за самоконтроль системы и защиту аппаратуры вторичных цепей. При проектирование необходимо полагаться на нормативные ссылки и технические требования системы оперативного постояного тока.

Литература:

1. СТО 56947007–29.120.40.041–2010. Системы оперативного постоянного тока подстанций. Технические требования: Стандарт организации. ОАО «ФСК ЕЭС», 2010.
2. СТО 56947007- 29.120.40.102–2011. Методические указания по инженерным расчетам в системах оперативного постоянного тока для предотвращения неправильной работы дискретных входов микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики, при замыканиях на землю в цепях оперативного постоянного тока подстанций ЕНЭС: Стандарт организации. ОАО «ФСК ЕЭС», 2011.
3. Бурдасов Б. К., Нестеров С. А., Трошкин В. М. Современные зарядные устройства для систем оперативного постоянного тока электрических подстанций. Саранск. ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева».
4. Абрамов. Ю. Системы оперативного постоянного тока (СОПТ). Донской Государственный Технический Университет. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.studfiles.ru/preview/6023609 свободный. Загл. с экрана. — Яз. рус.

5. Пономаренко И. С., к.т.н., доцент, Сумин А. Г., ст.н.с., Бурковский А. Е., н.с. Комплексное техническое обеспечение питания сети оперативного постоянного тока. Московский энергетический институт (ТУ) ООО Фирма «Энергоконтроль». [Электронный ресурс] Режим доступа: http://ieport.ru/tech_biblio/7977-kompleksnoe-texnicheskoe-obespechenie-pitaniya.html свободный. Загл. с экрана. — Яз. рус.