Современные требования к шкафам оперативного тока

АНДРЕЕВ В. А., специалист отдела технической поддержки ЗАО «Электронмаш» (www.electronmash.ru)

Статья посвящена современным требованиям к шкафам оперативного тока и вопросам, связанным с выбором параметров данных шкафов.

Сегодня рынок изделий оперативного тока изобилует производителями, как отечественными, так и иностранными. Каждый завод-изготовитель называет свое изделие по-разному (ШОТ, ШУОТ, АУОТ и т.д.), но суть этих изделий одна – обеспечение понижающих подстанций оперативным током при штатных и аварийных ситуациях.

Система оперативного тока - это система, состоящая из совокупности источников питания, кабельных линий, шин питания переключающих устройств и других элементов оперативных цепей. Оперативный ток на подстанциях служит для питания вторичных устройств, к которым относятся оперативные цепи защиты, автоматики и телемеханики, аппаратура дистанционного управления, аварийная и предупредительная сигнализация. При нарушениях нормальной работы подстанции оперативный ток используется также для аварийного освещения и электроснабжения электродвигателей (особо ответственных механизмов).

На современных подстанциях применяются следующие системы оперативного тока:

  • постоянный оперативный ток – система питания оперативных цепей, при которой в качестве источника питания применяется аккумуляторная батарея;
  • переменный оперативный ток – система питания оперативных цепей, при которой в качестве основных источников питания используются измерительные трансформаторы тока защищаемых присоединений, измерительные трансформаторы напряжения, трансформаторы собственных нужд. В качестве дополнительных источников питания импульсного действия используются предварительно заряженные конденсаторы;
  • выпрямленный оперативный ток – система питания оперативных цепей переменным током, в которой переменный ток преобразуется в постоянный (выпрямленный) с помощью блоков питания и выпрямительных силовых устройств. В качестве дополнительных источников питания импульсного действия могут использоваться предварительно заряженные конденсаторы;
  • смешанная система оперативного тока – система питания оперативных цепей, при которой используются разные системы оперативного тока (постоянный и выпрямленный, переменный и выпрямленный).

В системах оперативного тока различают:

  • зависимое питание, когда работа системы питания оперативных цепей зависит от режима работы данной электроустановки (подстанции);
  • независимое питание, когда работа системы питания оперативных цепей не зависит от режима работы данной электроустановки.

Выпрямленный оперативный постоянный ток применяться на подстанциях: 35/6(10) кВ, 35–220/6(10) кВ и 110–220/35/6(10) кВ. Источник этого тока – шкаф оперативного тока (далее ШОТ). Обычно ШОТ получает энергию от двух независимых вводов – трансформаторов собственных нужд (ТСН), которые преобразуют высоковольтное напряжение переменного тока в низковольтное.

Конструктивно ШОТ состоит из четырех основных частей: первая – зарядное устройство (ЗУ); вторая – аккумуляторная батарея (АКБ); третья – распределение электроэнергии по потребителям; четвертая – система управления. Качественная и надежная работа ШОТ в равной степени зависит от функционирования всех этих частей.

ЗУ выпрямляет напряжение от ТСН, обеспечивая заряд АКБ и питание потребителей. Для ЗУ приоритет является нагрузка (потребитель). Всех потребителей энергии, получающих питание от ШОТ, можно разделить на три группы:

1. Постоянно включенная нагрузка – аппараты устройств управления, блокировки, сигнализации и релейной защиты. Так как постоянные нагрузки невелики, в расчетах можно ориентировочно принимать для подстанций (с количеством ячеек около 20 шт):

  • 6–35 кВ значение постоянно включенной нагрузки до 5 А;
  • 110–220 кВ значение постоянно включенной нагрузки более 5 А.

К постоянной нагрузки относится и заряд АКБ. Ток заряда зависит от степени разряженности АКБ и зарядного напряжения. В ШОТах, в основном, применяют необслуживаемые герметичные АКБ, изготовленные по технологии AGM. Данные АКБ можно размещать в одном отсеке с оборудованием. Для зарядки АКБ необходимо приложить к ней зарядное напряжение равным 2,27...2,3 В/Эл. В среднем, для зарядки АКБ, необходим ток порядка 0,1 от емкости АКБ (при разряженной АКБ). Для усилененной зарядки АКБ (применяется для восстановления АКБ после глубокой разрядки АКБ, ниже 1,8 В/Эл) необходимо приложить к ней зарядное напряжение равным 2,4...2,45 В/Эл. В среднем, для усиленной зарядки АКБ необходим ток порядка 0,25 от емкости АКБ. В большинстве ШОТ данный режим заряда, в автоматическом режиме, применять нельзя, так как в АКБ при таких больших токах выделяются взрывоопасные газы, а принудительной вентиляции в шкафах нет. Такой режим зарядки можно включать лишь в ручном режиме,предварительно обеспечив проветривание отсека АКБ, например, открыв дверь шкафа. Поэтому такой режим, для расчета, можно исключить.

В источниках бесперебойного питания используются только необслуживаемые герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы с рекомбинацией газа - VRLA (Valve Regulated Lead-Acid Batteries). При производстве таких аккумуляторов используются две технологии: Gel и AGM. В случае использования Gel-технологии вместо жидкого электролита используется гелеобразный, представляющий собой желе, полученное в результате смешивания серной кислоты с загустителем (обычно это двуокись кремния SiO2 - силикагель). При AGM (Absorbed in Glass Mat) технологии для фиксации электролита используется сепаратор из стекловолокна размещенный между электродами. Такой сепаратор представляет собой пористую систему, в которой капиллярные силы удерживают электролит. При этом количество электролита дозируется таким образом, чтобы мелкие поры оказались заполнены, а крупные остаются свободными для циркуляции выделяющихся в результате химических процессов газов. В таблице 2 приведены сравнительные характеристики технологий Gel и AGM.

2. Временная нагрузка, появляющаяся при исчезновении переменного тока во время аварийного режима – токи нагрузки аварийного освещения и электродвигателей постоянного тока. Длительность этой нагрузки определяется длительностью аварии (расчетная длительность 0,5 часа).

3. Кратковременная нагрузка (длительностью не более 5 с) создается токами включения и отключения приводов выключателей и автоматов, пусковыми токами электродвигателей и токами нагрузки аппаратов управления, блокировки, сигнализации и релейной защиты, кратковременно обтекаемых током. Задача ЗУ обеспечить питание нагрузки типов 1 и 2, и сохранение срока службы АКБ. Для надежного выполнения этой задачи необходимо следующее:

  • иметь один резервный модуль (работа по схеме n+1, где n – потребное количество ЗУ). Повышенной надежностью являются системы модульного типа, которые работают параллельно;
  • наличие быстродействующей системы ограничения тока. Данная система необходима для защиты ЗУ от пусковых токов электромагнитных приводов высоковольтных выключателей;
  • обеспечение гальванической развязки с входной сетью;
  • возможность работы при высоких температурах (ограничение мощности при высоких температурах);
  • низкие требования ЗУ к уровню питающего напряжения;
  • наличие как основных защитных функций (защита от перегрузки, токов к.з., перенапряжения в сети и т.д.), так и специфических (защита АКБ от глубокого разряда, термокомпенсация напряжения заряда АКБ);
  • обеспечение качественным выходным напряжением (низкий уровень пульсации тока и напряжения);
  • регистрация тока АКБ, как заряд, так и разряд;
  • наличие журнала аварий;
  • полный контроль за работой всех систем и передачу информации на верхний уровень.

Задача АКБ – обеспечивать оперативным током нужды подстанции при отсутствии переменного тока в течение заданного времени. По нормативным документам это время составляет 1 час. Хотелось бы сделать акцент на обеспечение нужд подстанции в конце заданного времени (обеспечение коммутации ячеек в конце 59-ой минуты, как минимум два переключения). Самый жесткий режим для АКБ это включение электромагнитных приводов выключателей. Этот режим характеризуется большими пусковыми токами. У старых масляных выключателей он может доходить до нескольких сотен ампер. У современных вакуумных выключателей, таких как ВВ/TEL, в блоке управления установлены конденсато- ры, которые значительно уменьшают пусковые токи АКБ и доводят их до нескольких десятков ампер.

У АКБ есть ряд основных параметров, по которым следует ориентироваться при их выборе. Одна из основных характеристик АКБ – разрядные кривые постоянным током до конечного напряжения 1,8 (1,85) В/Эл. По этим кривым, имея ток постоянной нагрузки, можно подобрать емкость АКБ. АКБ подвержена старению, и ее параметры начинают ухудшаться на 50…80 % сроке службы (в зависимости от изношенности АКБ). Второй, очень важный параметр – это внутреннее сопротивление. Чем выше сопротивление, тем больше саморазряд и тем меньший пусковой ток может отдать АКБ. При выборе АКБ надо учитывать способность АКБ обеспечивать толчковые токи. Есть зависимость между емкостью АКБ и пусковыми токами. Чем больше емкость, тем больший пусковой ток она может отдать. К сожалению, этот параметр производители приводят для полностью заряженной АКБ. В энергетики этот параметр важен для разряженной АКБ. Поэтому при выборе АКБ надо учитывать эти моменты и выбирать емкость АКБ из расчета разряда требуемым током в течение не менее 5 часов. Выбранная таким образом АКБ обеспечит нормативное время резервирования один час с возможностью коммутационных переключений в конце этого времени (при условии, что включение/отключение ячеек будет разнесена во времени – не менее 0,5 сек).

Строго говоря, параметр «срок службы» является скорей рекламной цифрой, нежели технической характеристикой. Дело в том, что на срок службы влияет очень много параметров, такие как:

  • количествотво циклов разряд-заряд;
  • температура окружающей среды;
  • количество «глубоких разрядов»;
  • уровень и частота пусковых токов;
  • условия хранения и др.

Срок службы определяют по рекомендациям EuroBat (усредненная методика, при которой ряд параметров считаются постоянными и неизменными). Так как в сроке службы много переменных данных, то и срок службы должен иметь вилку значений со значительным временным разбросом. Но некоторые производители АКБ, в каталогах, указывают крайнюю цифру срока службы, тем самым вводят в заблуждения потребителя и нарушают равновесие на рынке. Это происходит из-за того, что данный вопрос никак не регулируется ГОСТом или другим нормативным документом.

Строго говоря, герметичная необслуживаемая АКБ разрабатывалась не для нужд энергетики, а для нужд телекоммуникаций. Ее задача – обеспечить потребителей небольшим током, слабо меняющимся во времени, в течение длительного времени. В энергетике ситуация противоположная – обеспечение «рваной» нагрузки с большими (импульсными) токами в короткий промежуток времени. Для обеспечения требуемых режимов приходится завышать емкость АКБ в несколько раз, что ведет к дополнительным затратам. Например, европейские страны, отказываются от герметичных АКБ в пользу закрытых АКБ с рекомбенаторами. Такие АКБ, например, выпускает компания Hoppecke, серия Groe. Данная АКБ идеально подходит для нужд энергетики, так как спроектирована специально для нее. Она обладает всеми характеристиками для надежного питания собственных нужд подстанции, даже к концу регламентного времени, без завышения емкости, а наличие рекомбенаторов позволяет их сделать малообслуживаемыми (долив воды, например, 1 раз в 10...12 лет). Минус один – наличие специального помещения с вытяжкой. Наличие пробок Акваген позволяет снизить требования к помещению, с точки зрения пожарной безопасности.

Третья, неотъемленная, часть ШОТ – распределение опертока. И самый главный вопрос в распределении опертока – это селективность автоматических выключателей. На сегодняшний день большинство производителей обеспечивают только токовую селективность между АКБ и фидерами опертока. Селективных (с независимой выдержкой времени) автоматических выключателей на маленькие токи зарубежные фирмы не производят, поэтому единственный доступный способ – это подобрать автоматические выключатели по энергетической селективности (определяется опытным путем в результате многократных испытаниях на заводе изготовителе). Энергетическая селективность может быть достигнута только между автоматическими выключателями разных серий и только одного производителя. Энергетическая селективность это более тонкая защита фидеров постоянного тока.

Система управления должна быть:

  • интуитивно понятной;
  • иметь энергонезависимую память;
  • иерархический доступ к параметрам;
  • журнал записи аварийных событий с основным списком параметров на момент аварии;
  • ремонтно-пригодной.

Помимо требований к отдельным частям, ШОТ должен быть сверхнадежным изделием, исключающим отключение оперативного тока, так как это ведет к потере контроля над под- станцией и может привести к ЧП. Обе спечить надежность можно, если использовать:

  • стандартные и надежные комплектующие (реле, источники питания, автоматические выключатели и т.д.);
  • унифицированные модули силовой части;
  • силовую часть независящую от контролирующей;
  • минимальное количество комплектующих, что обеспечивается надежными и простыми схемотехническими решениями;
  • быстрое восстановление работоспособности, без отключения оперативного тока;
  • своевременное информирование службы РЗА о неисправностях в цепях оперативного тока.

Для энергетики необходим шкаф оперативного тока, обладающий всеми выше описанными свойствами.

Таким образом, можно выделить следующих десять требований к шкафам оперативного тока энергетики:

  • Качественное выходное напряжения для надежной работы релейной защиты и сохранения срока службы герметичных аккумуляторных батарей;
  • Гарантированное обеспечение подстанций оперативным током, минимум 1 час;
  • Обеспечение как оперативных переключений, так и аварийных отключений ячеек в конце нормированного времени;
  • Простота обслуживания и информативность системы управления;
  • Селективность автоматических выключателей;
  • Контроль состояния аккумуляторной батареи;
  • Быстрое восстановление работоспособности;
  • Модульность силовой системы, которая обеспечивает повышенную надежность всего изделия;
  • Необходимый набор защитных функций, исключающий отключение оперативного тока;
  • Наличие журнала событий, с помощью которого можно восстановить картину аварийной ситуации.

Вернуться к списку статей