Комплексное техническое обеспечение питания сети оперативного постоянного тока


Комплексное техническое обеспечение
питания сети оперативного постоянного тока


Пономаренко И.С., к.т.н., доцент, Сумин А.Г., ст.н.с., Бурковский А.Е., н.с.
Московский энергетический институт (ТУ) ООО Фирма «Энергоконтроль»

Комплексное техническое обеспечение питания сети оперативного постоянного токаКомплексная система технического обеспечения питания сети оперативного постоянного тока (СОПТ) включает в себя следующие основные блоки:
- модульное устройство заряда-подзаряда аккумуляторных батарей (АБ) типа ИПТ -МЭИ.80 (ИПТ);
- модульное устройство заряда-подзаряда хвостовых элементов АБ;
- блок мониторинга (БМ);
- преобразователь постоянного напряжения (ППН);
- прибор контроля изоляции и поиска поврежденных элементов сети (ПКИ).

Зарядно-подзарядный агрегат ИПТ-МЭИ.80 (ИПТ) предназначен для поддерживающих подзарядов, а также для ускоренных и уравнительных зарядов герметизированных и герметичных аккумуляторных батарей (АБ). В первую очередь ориентирован на работу в электрических станциях и подстанциях для питания сетей оперативного постоянного тока (СОПТ) систем релейной защиты и автоматики.

Состоит (в базовой комплектации) из двух отдельных стоек (рис. 1), каждая из которых содержит по 6 автономных силовых блоков, выдающих 12,8 А постоянного тока (или 4 блока по 20 А для новой модификации). Дополнительно агрегат содержит блок мониторинга, который позволяет контролировать все параметры его работы, как в режиме реального времени, так и их ретроспективу (архив).

ИПТ сертифицирован и имеет достаточно большой опыт эксплуатации на различных реальных объектах в энергосистемах. Его основные параметры приведены ниже в таблице.
№ п/п Параметр Значение
1 Номинальное входное напряжение 380В (-30% ¸+20%)
2 Номинальная частота входного напряжения 50 Гц (± 10%)
3 Номинальный выходной ток одного блока 12,8 А
4 Номинальный выходной ток одной стойки (6 блоков) 80 А
5 Возможность работать параллельно для всех блоков Да
6 Номинальное выходное напряжение (диапазон регулирования) 220В (± 20%)
7 Точность поддержания выходного напряжения 0,1 %
8 Коэффициент пульсаций выходного напряжения Не более 0,1%
9 Коэффициент полезного действия 98%
10 Отдельный канал для заряда «хвостовых» элементов Да
11 Наличие развитой системы мониторинга всех режимов, в т.ч.
  • местная;
  • интегрированная в АСУ ТП;
  • центральная (резервная).
Да
12 Контроль изоляции сети оперативного постоянного тока и автоматизированный поиск мест ее повреждения Да
13 Рабочий температурный диапазон -25 С/+400С
14 Габаритные размеры (одной стойки) 600x1400x800 мм
15 Масса (одной стойки) 250 кг

Все 12 силовых блоков работают параллельно на одну систему шин постоянного тока независимо друг от друга. При этом имеется возможность поэтапного увеличения (или уменьшения) количества блоков при необходимости, что позволяет легко менять суммарную мощность ИПТ в зависимости от потребности соответствующего оборудования на п/ст. Предусмотрена возможность изменения и задания необходимого уровня выходного напряжения эксплуатационным персоналом самостоятельно в процессе эксплуатации, без привлечения производителя или организации поставщика.

При возникновении короткого замыкания в сети постоянного тока, ИПТ на определенное время ( t ≤ 0,5 с ) остается в работе с ограничением величины выпрямленного тока, после чего он автоматически отключается. После исчезновения КЗ он автоматически возвращается в режим нормальной работы.

При сохранении в работе хотя бы одного блока система остается работоспособна. Учитывая высокую надежность каждого блока, вероятность отказа системы практически равна нулю, т.к. невозможно предположить, что одновременно откажут все 12 блоков. При отказе любого блока эксплуатационный персонал просто вынимает неисправный блок (при этом вся стойка не отключается от СОПТ и продолжает функционировать в рабочем режиме) и заменяет его на резервный, работоспособный, а неисправный передается изготовителю для ремонта на заводе.

В существующих аналогах обычно имеются две стойки, каждая из которых выполнена в виде моноблока (моноблочная структура). При возникновении неисправности в одной из них, вся стойка выводится из работы. Для ее восстановления необходимо вызывать производителя, либо отправлять всю стойку в ремонт. Если в это время происходит повреждение и другой стойки, или она оказывается в неисправной и не может «подхватить» функцию поврежденной – вся система постоянного тока оказывается неработоспособной.

Более надежной является блочная структура, когда вся система разбита на несколько параллельно работающих блоков. При отказе одного из них (или нескольких) вся система остается работоспособной. По их исполнению они подразделяются на две разновидности:
— блочно-иерархическая (с сосредоточенным интеллектом);
— блочно-роевая (с распределенным интеллектом).

В блочно-иерерхической структуре один из блоков является «ведущим», в котором и сосредоточен весь «интеллект», а остальные блоки, «ведомые», работают под его управлением. Эта структура значительно надежнее моноблочной, но и она содержит ряд недостатков.

Во-первых, при повреждении «ведущего» блока вся система оказывается либо неработоспособной, либо функции этого поврежденного блока должен взять на себя другой блок, который до этого был «ведомым». Но это многократно усложняет алгоритм управления каждым блоком и всей системой в целом. Требования к сложности процессора каждого блока и используемым схемотехническим решениям резко увеличиваются.

Во-вторых, требование к обязательной информационной связи между всеми блоками («ведущий» - «ведомые»), на физическом уровне, приводит к тому, что появляются электрические гальванически не развязанные проводники связи, выходящие за пределы каждого блока. А так как агрегат работает в «агрессивной» электромагнитной среде, с сильными электромагнитными помехами и возмущениями, мы неминуемо «впускаем» эти наводки и возмущения внутрь каждого блока. При этом не спасает положение даже использование оптической развязки на вводе в каждый блок. Учитывая дополнительно, что в такой структуре вынужденно используются высокосложные процессоры, имеющие очень плохую устойчивость к помехам, вероятность одновременного сбоя в их работе и «зависания» резко возрастает. А это приводит к отказу всей системы в целом.

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. Роевые – по аналогии с термином «рой» (рой пчел, муравейник и т.д.). В этом случае отсутствует единый управляющий и координирующий центр. Интеллект как бы распределен между всеми блоками поровну. Координация их взаимодействий заложена в самом алгоритме управления каждым блоком, т.е. не на физическом уровне, а на логическом, алгоритмическом. При этом появляется возможность использовать более простые процессоры с жесткой логикой, которые гарантируют от сбоев и «зависаний» в их работе. А так как физические информационные связи отсутствуют, отказ всей системы в целом из-за электромагнитных наводок и возмущений практически равняется нулю. Может отказать один блок, несколько, но вся система в целом будет продолжать устойчиво работать дальше. Пятилетний опыт практической эксплуатации нескольких десятков таких ИПТ наглядно это продемонстрировал. За все это время не было зарегистрировано ни одного отказа в работе всей системы.

Разработать и создать систему с блочно-роевой структурой значительно сложнее, чем блочно-иерархическую. Но получаемый при этом результат говорит сам за себя.

Кроме того, в предлагаемом агрегате каждый блок может использоваться независимо, в виде выносного мини-зарядного устройства, когда необходимо осуществить подзаряд, или другие необходимые действия, для отдельно стоящих и удаленных АБ.

Другим важным достоинством разработанного ИПТ является маленькая величина коэффициента пульсаций выходного напряжения (не более 0,1%), и соответственно маленькая величина амплитуды пульсирующего тока. Чем меньше коэффициент пульсаций, тем меньше величина переменной составляющей тока через АБ, тем меньше внутренний нагрев и, соответственно, тем больше срок службы АБ.

На самом деле этот коэффициент еще меньше, но определить точно его значение затруднительно вследствие того, что предел точности измерительной аппаратуры при таких величинах сопоставим с уровнем шумов и не обеспечивает возможность проведения более точных измерений.

Частота пульсаций выходного напряжения в данном устройстве составляет около 600 кГц. При таких частотах, вследствие эффекта вытеснения, переменная составляющая тока в большей части проходит по поверхности проводника, т.е. не вызывая нагрева внутри него. Поэтому, с практической точки зрения, можно считать, что данное устройство имеет величину коэффициента пульсации выпрямленного напряжения равную нулю Кп ® 0.

Пределы изменения напряжения питания, при которых ИПТ устойчиво функционирует, составляют от – 30% до +20 % от Uном. Это особенно важно, учитывая нестабильность напряжения питающей сети для некоторых существующих подстанций. При этом ИПТ практически не чувствителен к несимметрии питающего напряжения, и может продолжать нормально работать даже при полном исчезновении одной фазы этого напряжения.

Предел регулирования выходного напряжения составляет ± 20 %, что необходимо для обеспечения правильного формирующего заряда, когда АБ только включается в работу.

При наличии «хвостовых» элементов поставляются одна - две дополнительные стойки сокращенного размера (по 2 – 3 блока в каждой) для обслуживания этих элементов. Это позволяет гибко конфигурировать систему под любую реально существующую схему подстанции. Эти дополнительные блоки могут быть выполнены на напряжения 24 В, 48 В, 110 В и т.д. Они могут быть использованы при необходимости как отдельные устройства для выполнения специально заданных функций.

ИПТ имеет развитую систему контроля режимов работы. Блок мониторинга (БМ-1) контролирует и фиксирует в архиве все параметры и режимы основных элементов сети постоянного тока (состояние АБ, ее режимы заряда-разряда, регистрограммы толчковых токов и т.д.), параметры питающей сети, а также контроль состояния изоляции сети постоянного тока.

Текущая отображаемая информация (текущие значения) включает в себя следующие параметры:
  • токовая нагрузка ИПТ по сети питания;
  • токовая нагрузка сети постоянного тока;
  • токовая нагрузка аккумуляторной батареи (АБ);
  • постоянное напряжение сети постоянного тока;
  • коэффициент пульсации напряжения постоянного тока;
  • контроль изоляции сети постоянного тока;
  • температура окружающего воздуха в аккумуляторной;
  • напряжения 3-х фаз питающей сети;
  • коэффициент несинусоидальности напряжения питающей сети;
  • коэффициенты несимметрии напряжения питающей сети по обратной и нулевой последовательностям.
Архивная информация включает в себя следующие характеристики:
  • регистрограммы толчковых токов в цепи АБ – 100 последних регистрограмм;
  • то же для толчковых напряжений сети постоянного тока – 100 последних регистрограмм;
  • регистрограммы и параметры 100 последних провалов напряжения питающей сети (в каждой фазе отдельно - 3*100=300 ), с указанием времени возникновения провала (год, месяц, число, час, мин., сек.), глубины провала ( % от номинального напряжения), и его длительности;
  • суточные, осредненные за каждые 0,5 часа, средние, максимальные и минимальные значения графиков изменения напряжения в сети постоянного тока - для последних 45 суток;
  • то же для токовой нагрузки ИПТ, сети ПТ и аккумуляторной батареи (АБ) а также для других регистрируемых параметров;
  • таблица срабатываний сигналов о неисправности ИПТ и срабатывания сигналов на включение выключателей с указанием точного времени прохождения каждого сигнала (год, месяц, число, час, мин., сек.).

Следует отметить, что БМ-1 может контролировать не только суммарное выходное постоянное напряжение, но и две его составляющих относительно средней точки АБ. Их постоянное сопоставление дает возможность контролировать исправность отдельных элементов АБ и сигнализировать об отклонении их параметров от заданных при нарушении баланса этих двух составляющих напряжения.

Блок мониторинга выполнен в едином корпусе с габаритными размерами 320×260х130 мм, масса - 4,5 кг., оснащенном клавиатурой и ЖК дисплеем. Работает автономно от ИПТ. Никаких электрических и информационных связей между БМ-1 и ИПТ нет. Это сделано для максимального повышения надежности работы ИПТ.

Имеет два идентичных синхронных выхода типа «сухой контакт», один из которых, например, «Сигнал 1», может быть использован в системе автоматического контроля и управления, а другой, «Сигнал 2», для подключения внешнего устройства (зуммер, световой индикатор), сигнализирующего о выходе контролируемых параметров (набор параметров настраивается пользователем) за допустимые пределы.

Доступ к архивной информации, клавиатуре БМ-1 и его настройка осуществляются только с ПЭВМ ДП. Разработано специализированное сервисное программное обеспечение для удобного просмотра текущих и архивных данных, а также для его включения в SCADA верхнего уровня через RS-485 порт или GSM модем.

БМ-1 осуществляет непрерывный контроль уровня изоляции СОПТ и при ее снижении ниже допустимого предела выдает сигнал о возникновении аварийной ситуации.

Для подстанций 35 кВ, у которых СОПТ как правило, работает на постоянном напряжении 24 В или 48 В, разработан специализированный вариант блока мониторинга БМ-2. Отличается от базового БМ-1 отсутствием некоторых его функциональных возможностей (например, отсутствие архива, контроля срабатывания выключателей и т.д.), не являющихся критичными для такого класса подстанций. БМ-2 существенно дешевле, чем БМ-1.

При необходимости определения отходящего фидера, на котором произошло снижение изоляции ниже допустимого уровня, используется специализированный БМ-3. Число контролируемых фидеров может достигать 128 штук.

Преобразователь постоянного напряженияпредназначен для применения в СОПТ, используемых для управления различными технологическими процессами с требованиями высокой надежности и безопасности. В первую очередь - в системах управления электрических станций и подстанций, системах связи и телекоммуникации и т.д.

Одним из важнейших требований к таким системам является обеспечение поддержания уровня электрической изоляции этих сетей, определяемого ее электрическим сопротивлением. Для его контроля используется непрерывный развернутый мониторинг сопротивления изоляции всей сети с целью фиксации возникновения ее недопустимого снижения и скорейшей локализации места повреждения.

Так как такие сети обычно являются весьма протяженными, их достаточно сложно надежно защитить от возможных повреждений изоляции, которые могут быть обусловлены проблемами с прокладкой сети при монтаже, агрессивной средой, наличием грызунов и насекомых и т.п. Кроме того, имеются проблемы с локализацией мест возникновения повреждения. На это могут уйти дни и даже недели, а это значительно снижает надежность функционирования всей технологической системы.

Одним из наиболее перспективных и кардинальных способов решения данной проблемы является разделение всей СОПТ на несколько гальванически развязанных между собой участков (фрагментов сети). Уже в настоящее время для некоторых участков СОПТ, которые являются наиболее подверженными повреждениям изоляции (например, питание цепей оперативной блокировки) устанавливаются автономные независимые источники напряжения постоянного тока. Это позволяет за счет «отсечения» отказов этих наиболее часто повреждающихся участков, значительно повысить надежность других участников СОПТ, от которых питается наиболее важная для жизнеобеспечения всей системы управления часть оборудования.

Недостатком такого решения является их высокая стоимость, т.к. такие источники питания являются достаточно технически сложными и дорогостоящими устройствами.

Для решения данной проблемы был разработан специализированный преобразователь постоянного напряжения (ППН), обеспечивающий гальваническую развязку между отдельными участками СОПТ. Места его установки в СОПТ определяются количеством гальванически развязанные участков и не зависят от места расположения основного источника постоянного тока.

Преобразователь выполнен в едином металлическом корпусе с размерами 600x800x1400 мм. Содержит:
— 2 блока преобразования постоянного напряжения;
— прибор общего контроля уровня изоляции питаемого участка СОПТ (аналог БМ-2);
— прибор для определения (локализации) участка сети с поврежденной изоляцией;
— защитная и коммутационная аппаратура питания самого преобразователя и отходящих к потребителям линий (стандартно 8 линий с возможностью расширения до 30 линий).

Каждый блок-преобразователь гальванически развязывает «вход-выход» и обеспечивает затухание высокочастотной помехи на уровне 25 дб. Напряжения входа и выхода =220В/ =220В, или =100В/=100В. Величина постоянного тока 10 А или 15 А. Оба блока работают параллельно и независимо, обеспечивая «горячее» взаимное резервирование.

Прибор для поиска мест повреждения изоляции в сети оперативного постоянного тока («ЭРИС-ПКИ.01») предназначен для локализации участка повреждения изоляции кабеля в СПТ систем релейной защиты и автоматики электрических станций и подстанций. Прибор позволяет локализовать участок СПТ, в котором сопротивление изоляции снизилось до величины, меньшей 250 кОм, а также участок сети, где произошло замыкание проводника на землю.

Конструктивно прибор выполнен в виде двух блоков, один из которых представляет собой генератор опорного напряжения (ГЕНЕРАТОР), который подключается к заземляющей клемме и одной из шин СПТ. Второй является индикатором проводимости (ИНДИКАТОР) и служит для непосредственной локализации участка повреждения кабеля СПТ.

ГЕНЕРАТОР опорного напряжения имеет следующие характеристики:
  • частота выходного напряжения (16 ± 0,5) Гц;
  • выходное напряжение 7 ÷ 23 В (эфф.);
  • выходное сопротивление 240 Ом;
  • питание от сети переменного тока 220 В, потребляемая мощность не более 8 Вт;
  • габариты (без сетевого кабеля и выходных клемм с подключёнными к ним кабелями): 200 (Д) × 120 (Ш) × 80 (В) см.
ИНДИКАТОР имеет следующие характеристики:
  • диапазон регистрируемых токов 10 мкА ÷ 20 мА, что при напряжении опорного сигнала 20 В позволяет локализовать участок СПТ с сопротивлением изоляции до 2 МОм;
  • время непрерывной работы от полностью заряженного встроенного аккумулятора до следующей подзарядки — не менее 8 часов;
  • габариты корпуса блока индикации (без учета выступающих разъемов, кабелей и отдельных элементов) составляют: 170 (Д) × 120 (Ш) × 55 (В) см.

Снабжен двумя щупами для измерения напряжения вблизи проверяемого участка и токовыми клещами для регистрации протекающего по проверяемому участку кабеля тока от генератора опорного напряжения. В результате измерения двух данных параметров прибор вычисляет и отображает на жидкокристаллическом дисплее активную и реактивную составляющие проводимости цепи в точке замера (или величину протекающего тока от генератора опорного напряжения в случае короткого замыкания). Выбор режима отображения проводимости цепи или величины протекающего по ней тока осуществляется автоматически в соответствии с превышением или понижением величины напряжения относительно порогового значения.

Также может отображать величину напряжения в контролируемой точке и степень разряженности встроенного аккумулятора, обеспечивающего автономную работу прибора.

На основе анализа результатов измерений в соседних точках проверяемого участка кабеля, можно судить о наличии или отсутствии повреждений изоляции на данном участке СПТ.

Прибор устойчиво и правильно работает в СПТ с емкостью полюсов относительно земли от 1,5 до 80 мкФ. Этот диапазон покрывает практически все реально существующие СПТ высоковольтных подстанций.

Безопасно работает (не вызывая ложных срабатываний) со всеми широко распространенными микропроцессорными терминалами релейной защиты.

Выводы.
Разработан весь основной комплекс технических средств, необходимых для обеспечения электропитания АБ и СОПТ, а также удобства и надежности их эксплуатации. Данный комплекс позволяет решить следующие основные задачи:

— обеспечение безаварийного функционирования АБ в течение всего паспортного срока их службы (20 – 25 лет) и предотвращение их преждевременного выхода из строя;
— максимально возможная надежность питания АБ и СОПТ;
— минимизация времени и средств на весь процесс эксплуатации АБ и СОПТ.

Pin It

Добавить комментарий