Низковольтные коммутационные аппараты для электроэнергетических потребностей

Описанные решения для щитов постоянного тока (ЩПТ), щитов собственных нужд (ЩСН) и шкафов оперативного тока (ШОТ) соответствуют нынешним требованиям «Россети» к аппаратам низковольтным коммутационным в трансформаторных подстанциях.

В сфере увеличения энергоэффективности было выявлено три вектора:

1. Создание сети интеллектуального типа «Smart Grid»
2. Сокращение потерь
3. Обновление системы учета

Начиная с самого нижнего уровня, с коммутационного низковольтного оборудования, используемого в системах питания собственных нужд и системах оперативного тока трансформаторных подстанций, и вплоть до высших уровней распределения энергии, должны применяться энергосберегающие и интеллектуальные технологии.

Система собственных нужд (СН) используется для питания потребителей подстанции 1-ой категории, где допускаются перерывы в снабжении электричеством на момент срабатывания системы АВР (автоматического ввода резерва) и 2-ой категории. Обычно, в подстанции применяется щит собственных нужд, который имеет как минимум 2 независимых ввода. К выходу своего понижающего трансформатора собственных нужд подключается каждый из вводов ЩСН. К ячейке среднего напряжения подключается вход трансформатора. Автоматический ввод резерва применяется для быстрого переключения вводов при условиях пропажи напряжения на одном из них.

Иногда применяется установка ДГУ, которая рассчитана как на полную, так и на частичную загрузку СН, в виде третьего независимого ввода питания собственных нужд подстанций. В таблице 1 показаны виды и схемы трансформаторных подстанций.

Таблица 1. Схемы трансформаторных подстанций

Подстанции

Подстанции Федеральной сетевой компании Предназначается для передачи и преобразования электрической энергии от объектов генерации и других. Уровень напряжения: 220-750 кВ Средняя мощность системы СН: 320 кВА

Типовая структурная схема главных цепей ПС и схема питания ее собственных нужд

Краткое описание

ЩСН подключается к шине среднего напряжения через два трансформатора СН. Используются схемы с явным и неявным резервированием. На стороне среднего и низкого напряжения может использоваться схема АВР. На подстанциях 330 кВ и выше следует предусматривать резервирование питания собственных нужд от третьего независимого источника питания. При этом его мощность должна быть равна мощности трансформаторов СН. Для питания потребителей собственных нужд первой категории в аварийном режиме, а также для питания потребителей СН особой категории в обычном режиме используется СОПТ и система гарантированного питания (СГП).

Подстанции

Подстанции Межрегиональной сетевой компании Предназначается для передачи, преобразования электрической энергии и распределения ее потребителям Уровень напряжения: 35-220 кВ Средняя мощность системы СН: 100 кВА

Типовая структурная схема главных цепей ПС и схема питания её собственных нужд

Описание

К выходу силовых трансформаторов через отдельные выключатели нагрузки подключены два трансформатора собственных нужд. На стороне низкого напряжения, как правило, используется схема АВР. Для питания потребителей собственных нужд первой категории в аварийном режиме, а также для питания потребителей СН особой категории в обычном режиме используется СОПТ и СГП.

Функциональный состав ЩСН содержит в себе шкафы ввода с автоматическими выключателями, шкаф секционирования (АВР) и шкафы распределения с автоматическими выключателями линий отходящих.

Для визуального контроля состояния основных устройств на дверях ЩСН установлены индикаторные лампы, показывающие состояние оборудования (например, красные — включено, зелёные — отключено, жёлтые — аварийное срабатывание автоматического выключателя).

Проблема такого решения кроется том, что специалист должен находиться в непосредственной близости от НКУ. Это не представляется возможным даже в масштабах небольшого города, не говоря о мегаполисах. Для своевременного отслеживания аварийных ситуаций и контроля состояния трансформаторных подстанций требуется оборудование, которое способно передавать эксплуатационные данные на единый диспетчерский пункт. Например, воздушный автоматический выключатель, оснащенный расцепителем Ekip Touch, способен фиксировать некоторые эксплуатационные характеристики аппарата:

• Время, дата, ток аварийный и тип сработавшей защиты - тридацть последних срабатываний;
• Кол-во электрических и механических операций;
  
• Время, дата и вид операции последних двухсот событий (к примеру, замыкание/размыкание устройства);
• Процентный износ контактов;
• Общий показатель времени работы;
• Время и дата последнего совершенного технического обслуживания.

Перечень основных данных о воздушных автоматических выключателях, которые могут быть переданы по системам коммуникации и доступны непосредственно на самом аппарате, приведены в табл. 2.

Таблица 2. Возможности расцепителей воздушных автоматических выключателей.

Статистические данные

Измерения

Действующие значения токов фаз и нейтрали, напряжения фазные и линейные, коэффициент мощности, частота, мощность полная по каждой фазе, энергия, коэффициент гармонических искажений.

Дистанционный контроль во многих ситуациях обеспечивает значительное сокращение времени простоя. В случае короткого замыкания информация об аварии немедленно передаётся оператору, который принимает соответствующие меры. Кроме того, удалённый мониторинг позволяет оптимизировать работу энергосистемы.

Нередки ситуации, когда энергопотребление системы СН превышает установленные уровни. В таких случаях приходится оптимизировать потребление электроэнергии посредством отключения неприоритетных нагрузок. Данная функция позволяет разделить всех потребителей на группы по степени важности, опираясь на список приоритетов, составленный пользователем. Таким образом, аппарат сам, в соответствии с заданными параметрами (день недели, окно времени в течение дня, максимальное время отключения и т.д.), будет решать, когда и какую нагрузку необходимо отключить, и на какой период времени. Команда управления нагрузками может быть подана электрически: сигналом на реле вкл./откл. или привод аппарата, коммутирующего нагрузки, или через систему коммуникации.

Многие современные  выключатели  могут оснащаться модулями связи для интеграции в системы с протоколами Modbus TCP, Modbus RTU, Profinet, Profibus DP, Ethernet IP. 

Фото 1. Воздушные автоматические выключатели в ЩСН

Оснащаемый модулем коммуникации с интеграцией протокола в соответствии с МЭК 61850, благодаря которому появляется возможность быстро и без лишних преобразователей интегрировать аппарат в сети Smart Grid.

Стандарт МЭК 61850 — шаг к цифровой подстанции Основное отличие МЭК 61850 от других стандартов – в нём регламентируются вопросы формализации описания схем подстанции, схем защиты, автоматики и измерений, конфигурации устройств. В стандарте предусматриваются возможности использования новых цифровых измерительных устройств вместо традиционных аналоговых измерителей.

Новые технологии, позволили оптимизировать производительность и повысить надёжность оборудования и, в то же время, сократить потребление энергии. Имея возможность эффективно и просто осуществлять контроль и управление электроустановками, выключатель нашёл своё применение в проекте  «Подстанция нового поколения», которая состоит из ячеек КРУ 35 кВ и КРУ 6(10) кВ, сухого трансформатора и щита собственных нужд 0,4 кВ ( рис. 2). Концепт-проект «Подстанция нового поколения», выполненный на основе анализа технических требований Заказчиков из разных отраслей промышленности и энергетики, был впервые продемонстрирован на электроэнергетическом форуме UPGrid 2013 «Электросетевой комплекс. Инновации. Развитие».

Образец ЩСН, соответствует в числе прочего и всем требованиям ОАО «Россети». В щите установлены в качестве вводных и секционных автоматов интеллектуальные выключатели , датчики измерения температуры шин вводных автоматов, система защиты от проникновения к токоведущим частям шин, контроллер, в котором реализован гибкий алгоритм АВР, позволяющий его подстраивать под текущий режим потребителей без изменения конфигурации.

Фото 2. Внешний вид ЩСН «интеллектуальной» подстанции

На сегодняшний день все ПС 35-110кВ этой компании телемеханизированы и имеют телеуправление. Технология Smart Grid позволяет диспетчерам ежедневно использовать системы охранно-технологического видеонаблюдения энергообъектов и мониторинга окружающей среды.

Новый силовой выключатель облегчит интеграцию в интеллектуальные сети ветрогенераторов и солнечных батарей, причём функция контроля синхронизации даёт возможность сделать это без внешних дорогостоящих систем.

Использование интеллектуальных КТП помогает:
– Благодаря быстрому определению и скоростной передачи информации об участке сети, который получил повреждение, на единый диспетчерский пункт, значительно сокращает время восстановления при возникновении аварий;
– Постоянно мониторить и управлять качеством электрической энергии;
– Благодаря использованию автоматизированных систем регуляции напряжения с выходом на управление устройствами РПН трансформаторов, достигается оптимизация режимов работы сети и сокращение потерь электрической энергии;
– Благодаря обеспечению контроля технического состояния электрического оборудования и интегрирования систем РЗА в структуру оперативно-технического и диспетчерского управления высшего уровня, повышается надежность снабжения электричества.

Система оперативного постоянного тока
Стандарт регламентирует, что СОПТ должна обеспечивать резервное и рабочее питание главных электроприемников:

• Релейной защиты и автоматики;
• Системы сигнализирования;
• Устройств управления;
• Приводов выключателей высоковольтных;
• Устройств коммерческого учета электрической энергии;
• Оборудования противоаварийной автоматики;
• Обеспечивающих передачу сигналов РЗА средств связи;
• Приводов автоматических вводных и секционных выключателей ЩСН-0,4 кВ.

Помимо этого СОПТ должна обеспечивать питание резервное:

• Инверторов питания резервного АСУ ТП;
• Общестанционного пункта управления;
• Светильников освещения аварийного типа помещений аккумуляторной батареи;
• Релейного щита;
• Насосных;
• Зарядной аппаратуры;
• Камер задвижек пожаротушения.

Состав СОПТ разделяется для ПС ФСК и МРСК и включает в свой состав одну или две аккумуляторные батареи (АБ), зарядные устройства и один или два щита постоянного тока. Также в состав СОПТ включаются шкафы распределения оперативного тока (ШРОТ), а также шкафы постоянного (оперативного) тока (ШПТ).

Структура главных цепей ЩПТ может быть реализована на основе различных схем, например, приведённых на рис. 3 и рис. 4. Согласно пп. 9.1 и 9.2 действующего Стандарта, в них реализована двухуровневая система отключающих защитных аппаратов (а при применении дополнительных ШРОТ — трёхуровневая). Секции шины приводов (ШП) и шины управления (ШУ) питаются через индивидуальные электрические аппараты защиты. Зарядно-выпрямительное устройство (ЗВУ) подключено через вводные аппараты.

Фото 3. Структура главных цепей ЩПТ. Схема 1

Описание: в схеме имеется выключатель нагрузки, который отделяет одно ЗВУ от общей сети оперативного тока. Такая возможность используется для обслуживания аккумуляторной батареи без нарушения уровня напряжения у потребителя.




Фото 4. Структура главных цепей ЩПТ. Схема 2

Описание: в отличие от первого варианта, во второй схеме есть дополнительные секционные рубильники и аппараты для подключения АБ. Таким образом, для проведения ремонтных или профилактических работ можно оставить без питания любую из секций шин постоянного тока. Кроме того, данное решение позволяет обслуживать батарею от любого из имеющихся зарядно-выпрямительных устройств без нарушения уровня напряжений других секций.

Стоит отметить, что важным требованием при реализации указанных схем является использование на верхних уровнях системы отключающих защитных аппаратов комбинированных коммутационно-защитных устройств с плавкими предохранителями. Применение автоматических выключателей допустимо лишь на нижних уровнях

Сегодня к регламенту добавляется требование ОАО «Россети» о сокращении потерь. С этой точки зрения наиболее эффективным способом для НКУ является использование аппаратов, которые устанавливаются на силовых шинах.

Современные производители электротехнической продукции стараются по максимуму совершенствовать свои изделия с указанной точки зрения. Надёжность контактных соединений и снижение потерь достигается за счёт инновационной конструкции контактной системы, что в свою очередь способствует повышению контактного нажатия и уменьшает переходное сопротивление. В данном случае снижение потерь может достигать 20% за счёт более чем двукратного сокращения контактных соединений в шинной разводке.

За счёт сокращения потерь снижается тепловыделение внутри НКУ, что повышает надёжность работы оборудования и его срок службы. Использование втычных контактов на распределительных шинах создаёт также возможность простого и быстрого монтажа. Аппараты можно установить на шинную сборку в любой момент, даже когда шкафы и дополнительное оборудование уже установлены на объекте, что позволяет спланировать все монтажные работы независимо друг от друга.

Фото 5. Эскиз ЩПТ

Это устройство представляет из себя выключатель-разъединитель, в котором есть встроенные трансформаторы тока, датчики температуры и напряжения. Реализация мониторинга системы удаленного вида происходит благодаря тому, что данное оборудование производит измерения всех параметров сети, количества потребления энергии и коэффициента мощности.

Обмен данными происходит через FieldBus-разъем, в выключателях выше обозначеннной серии. Обмен информацией осуществляется по единому ModBus-протоколу, всех компонентов, которые находятся в распределительном щите, включая и главный входной выключатель распределительного щита.