Сглаживание провалов и выбросов напряжения в системах оперативного постоянного тока электрических станций и подстанций с помощью ионисторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат наук Смотров Николай Николаевич

• Смотров Николай Николаевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Смотров Николай Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ ПРОВАЛОВ И ВЫБРОСОВ НАПРЯЖЕНИЯ НА НАДЕЖНОСТЬ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО ПОСТОЯННОГО ТОКА С УЧЕТОМ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

1.1. Общие положения

1.2. Анализ критериев допустимости и способов сглаживания провалов напряжения в СОПТ

1.3. Анализ критериев допустимости и способов сглаживания выбросов напряжения в СОПТ

1.4. Оценка возможности использования вторичных источников электропитания ионисторов в СОПТ

1.5. Анализ методик выбора источников оперативного постоянного тока

1.6. Выводы

Глава 2. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ИОНИСТОРОВ НА ПРОВАЛЫ И ВЫБРОСЫ НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ОПЕРАТИВНОГО ПОСТОЯННОГО ТОКА, ОБУСЛОВЛЕННЫХ КОРОТКИМИ ЗАМЫКАНИЯМИ

2.1. Общие положения

2.2. Влияние ионисторов на провалы напряжения, обусловленные короткими замыканиями

2.3. Влияние ионисторов на выбросы напряжения, обусловленные короткими замыканиями

2.4.Вывод ы

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫБОРА КОМБИНИРОВАННОГО НАКОПИТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ СГЛАЖИВАНИЯ ПРОВАЛОВ

НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ СРАБАТЫВАНИЯХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРИВОДОВ

3.1. Общие положения

3.2. Расчетная модель участка СОПТ с электромагнитными приводами

3.3. Разработка схемных решений по подключению ионисторов

3.4. Методика выбора параметров комбинированного накопителя постоянного тока на базе аккумуляторной батареи и ионистора

3.5. Верификация разработанной методики выбора параметров комбинированного накопителя

3.6. Оценка ионистора выбранного по условию обеспечения провалов и выбросов напряжения, обусловленных короткими замыканиями на комбинированный накопитель для сглаживания провалов напряжения в результате работы электромагнитных приводов выключателя

3.7. Выводы

ГЛАВА 4. ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО НАКОПИТЕЛЯ ДЛЯ СГЛАЖИВАНИЯ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ СРАБАТЫВАНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРИВОДОВ ПО КАПИТАЛЬНЫМ ВЛОЖЕНИЯМ

4.1. Общие положения

4.2. Влияние на капиталовложения в комбинированный источник параметров электромагнитных приводов

4.3. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. АКТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ В УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПРИМЕР РАСЧЕТА ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ВЫБОРЕ КОМБИНИРОВАННОГО ИСТОЧНИКА, СОСТОЯЩЕГО ИЗ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ И ИОНИСТОРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сглаживание провалов и выбросов напряжения в системах оперативного постоянного тока электрических станций и подстанций с помощью ионисторов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время на электрических станциях и подстанциях происходит замена традиционных устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики на микропроцессорные, также устанавливаются микроэлектронные устройства телемеханики, связи и АСУ. Это привело к значительному ужесточению требований к системам оперативного постоянного тока (СОПТ), являющихся системами электропитания микропроцессорных релейных защит (МПРЗ), автоматики и сигнализации, а также аварийного освещения и ответственных механизмов собственных нужд, в том числе электроприводов силовых выключателей. Провалы и прерывания напряжения, возникающие вследствие коротких замыканий в распределительных сетях СОПТ и работе электромагнитных приводов, приводят к нарушению работы электроприемников [1]. Провалы напряжения вызывают временную неработоспособность микропроцессорных устройств [2, 3] также микропроцессорные релейные защиты отличаются повышенной чувствительностью к межполюсным выбросам напряжения, возникающим при коммутациях электромагнитных приводов выключателей, срабатываниях защитных аппаратов СОПТ, работе молниеприемников, наводок со стороны высоковольтной части электростанции и подстанции через кабельную распределительную сеть или общий контур заземления. Межполюсные выбросы напряжения приводят к выходу из строя микропроцессорных устройств [5]. Предотвращение подобных случаев должно быть предусмотрено на стадии проектирования электроустановки. Зачастую это накладывает ограничения на принимаемые проектные решения. В ряде случаев обеспечить выполнение требований [4, 5] к провалам и выбросам напряжения, при принятой компоновке и составе оборудования, невозможно.

Проблема выхода из строя микропроцессорных релейных защит из-за провалов и выбросов напряжения может быть решена при помощи ионисторов. Ионистор - конденсатор с двойным электрическим слоем, обладающий

повышенной электрической емкостью. Предложен комбинированный накопитель электроэнергии, включающий аккумуляторы, предназначенные для обеспечения питания постоянной нагрузки СОПТ, а также ионистор, предназначенный для питания толчковой нагрузки СОПТ. Энергия, запасенная в емкости ионистора, может быть использована для сглаживания провалов и выбросов напряжения в СОПТ электростанций и подстанций. Так же комбинированный накопитель включает в себя резистор ограничивающий ток заряда ионистора и разрядный резистор, предназначенный для разряда ионистора при проведении обслуживания комбинированного накопителя. Разработка и оптимизация параметров комбинированного накопителя электроэнергии на базе аккумуляторной батареи (АБ) и ионистора для сглаживания провалов и выбросов напряжения в СОПТ электростанций и подстанций с учетом современных жестких требований по провалам и выбросам напряжения позволит принимать более обоснованные технические решения по компоновке оборудования, обеспечит разработку современных СОПТ и позволит минимизировать количество аварий из-за отказов МПРЗ. Так же установка комбинированного накопителя электроэнергии позволит использовать АБ с меньшей емкостью и отказаться от использования дополнительных аккумуляторов при наличии в СОПТ электромагнитных приводов выключателей.

Объектом исследования является сглаживание провалов и выбросов напряжения в СОПТ электростанций и подстанций, обусловленных короткими замыканиями и работой электромагнитных приводов.

Предметом исследования является применение комбинированного накопителя в СОПТ электростанций и подстанций.

Целью работы являлось повышение надежности работы электроприемников СОПТ за счет сглаживания провалов и выбросов напряжения с помощью комбинированного накопителя электроэнергии на базе АБ и ионистора.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

- Анализ опубликованных работ с оценками влияния провалов и выбросов напряжения на электроприемники СОПТ и способам повышения надежности их работы. Анализ отечественных и зарубежных методик выбора комбинированного накопителя электроэнергии в качестве резервного источника питания СОПТ;

- Анализ влияния комбинированного накопителя электроэнергии на сглаживание провалов и выбросов напряжения в СОПТ обусловленных короткими замыканиями;

- Разработка методики выбора параметров комбинированного накопителя для сглаживания провалов напряжения, обусловленных работой электромагнитных приводов;

- Обоснование областей применения комбинированного накопителя электроэнергии по капитальным вложениям в СОПТ для сглаживания провалов напряжения при срабатывании разных электромагнитных приводов.

Методы исследования. В процессе исследования использовались методы математического моделирования, реализованные в программном обеспечении БЫТР-ЯУ и натурные эксперименты на действующих электроустановках по измерению провалов и выбросов напряжения в СОПТ при срабатывании электромагнитных приводов силовых выключателей и плавких предохранителей.

Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные результаты:

Разработана методика выбора параметров комбинированного накопителя электроэнергии состоящего из АБ и ионисторов обеспечивающего повышение надежности работы электромагнитных приводов включения выключателей.

Разработана расчетная модель электромагнитных переходных процессов, вызванных короткими замыканиями в СОПТ позволяющая учитывать места установки и параметры ионисторов.

Обоснованы параметры комбинированного накопителя электроэнергии, обеспечивающие заданную степень сглаживания провалов и выбросов напряжения на клеммах электроприемников СОПТ.

Достоверность полученных результатов подтверждается результатами натурных экспериментов, проведенных на действующих подстанциях, и их удовлетворительным совпадением с результатами расчетов, проведенных в программном комплексе EMTP-RV. Расхождение между сопоставляемыми параметрами не превысило 10 %.

Апробация

Основные положения диссертации, ее отдельные решения и результаты обсуждались на ряде конференций, в том числе:

• 2015 CIS-Korea Conference on Science and Technology, 19-21 июля

2015, Россия, Москва;

• 2016 Электроэнергетика глазами молодежи, 19-23 сентября 2016,

Россия, Казань;

• 2017 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic

Engineering Conference, 2-3 фев. 2017, Санкт-Петербург

• 58th International Scientific Conference on Power and Electrical

Engineering of Riga Technical University, 14 окт. 2017, Рига, Латвия;

• 2017 XVII International conference on science and technology Russia-

Korea-CIS, 15-17 июня 2017, Россия, Южно-Сахалинск;

• 2018 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic

Engineering Conference, 2-3 фев. 2018, Санкт-Петербург

• 2018 XXIV Международная научно-техническая конференция

студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика»,

15-16 марта 2018, Россия, Москва.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в т.ч. 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук и/или включенных в международные базы цитирования.

Соответствие паспорту специальности

Диссертационная работа соответствует п.1 «Оптимизация структуры, параметров и схем электрических соединений электростанций» паспорта специальности 05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические системы».

Практическая ценность и реализация результатов работы:

Разработаны рекомендации по использованию ионисторов в СОПТ для совместной работы с АБ с целью уменьшения глубины провалов и снижения пикового значения выбросов напряжения.

Разработана методика выбора комбинированного накопителя электроэнергии на базе АБ и ионистора с учетом толчкового тока кратковременной нагрузки СОПТ.

Использование ионисторов в качестве дополнительного источника оперативного тока позволит снизить требуемую емкость АБ по условию обеспечения срабатывания электромагнитного привода.

Результаты работы реализованы в виде стандарта организации СТО РЖД 07.013-2012 «Методика выбора емкости источников электроэнергии для систем постоянного оперативного тока тяговых и трансформаторных подстанций»,

утвержденного распоряжением № 1490р ОАО «РЖД» от 26 июля 2016 года и внедрены в учебный процесс, Приложение 1 .

Предложения, выносимые на защиту:

1. Расчетная модель участка СОПТ для исследования электромагнитных переходных процессов, сопровождающихся провалами и выбросами напряжения, с учетом параметров комбинированного накопителя электроэнергии;

2. Разработанный алгоритм выбора комбинированного накопителя постоянного тока состоящего из АБ и ионистора для предотвращения влияния провалов и выбросов напряжения, обусловленных короткими замыканиями, на электроприемники СОПТ и сглаживания провалов напряжения при работе электромагнитных приводов включения выключателей;

3. Результаты исследования влияния параметров ионисторов и места их установки на провалы и выбросы напряжения в СОПТ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и одного приложения. Основной текст изложен на 105 страницах, включает 35 рисунков и 7 таблиц. Общий объем диссертации составил 125 страницы.

В первой главе проведен анализ критериев допустимости и способов сглаживания провалов и выбросов напряжения в СОПТ. Рассмотрены применяемые устройства для сглаживания провалов и выбросов напряжения в СОПТ. Приведена оценка возможности использования ионисторов в СОПТ в качестве вторичного источника электропитания. Проанализированы действующие методики выбора комбинированного накопителя электроэнергии на базе АБ и ионисторов.

Во второй главе приведены результаты исследования влияния комбинированного накопителя электроэнергии на глубину и длительность провалов напряжения в СОПТ. Анализ вариантов подключения ионисторов показал, что их применение в системах оперативного постоянного тока позволяет сгладить провалы напряжения, вызванные короткими замыканиями. Дана оценка возможности выполнения требований по электромагнитной совместимости в части провалов и выбросов напряжения в электроустановках оперативного постоянного тока подстанций при коротких замыканиях. Результаты подтверждают эффективность применения комбинированного накопителя электроэнергии в СОПТ электростанций и подстанций для сглаживания провалов и выбросов напряжения, вызванных короткими замыканиями. Даны рекомендации по применению комбинированного накопителя электроэнергии для повышения надежности работы электроприемников оперативного постоянного тока.

В третьей главе разработана расчетная модель участка СОПТ с электромагнитными приводами с учетом параметров комбинированного накопителя электроэнергии. Разработаны схемные решения по подключению ионисторов. Разработана и верифицирована методика выбора комбинированного накопителя электроэнергии с учетом условий срабатывания электромагнитных приводов.

В четвертой главе оценивается целесообразность использования комбинированного накопителя электроэнергии в СОПТ электростанций и подстанций для сглаживания провалов напряжения при операциях включения выключателей с электромагнитными приводами. Так же проведено технико-экономическое обоснование применения комбинированного накопителя для обеспечения срабатывания электромагнитных приводов выключателя.

ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ ПРОВАЛОВ И ВЫБРОСОВ НАПРЯЖЕНИЯ НА НАДЕЖНОСТЬ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО ПОСТОЯННОГО ТОКА С УЧЕТОМ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

1.1. Общие положения

В главе проведен анализ опубликованных работ по влиянию провалов и выбросов напряжения на электроприемники СОПТ и способам повышения надежности их работы.

Для решения, поставленной задачи, было сделано следующее:

• проведен обзор проблем вызванных провалами и выбросами напряжения в СОПТ электростанций и подстанций;

• проведен анализ критериев допустимости и способов сглаживания провалов и выбросов напряжения в СОПТ;

• приведен опыт использования ионисторов;

• на основе анализа опубликованных работ дана оценка возможности использования комбинированного источника питания на основе АБ и ионистора в СОПТ;

• проведен анализ существующих методик выбора источников оперативного постоянного тока.

Отказы и ложные срабатывания МПРЗА из-за провалов и выбросов напряжения, по составляет до 10% от всех случаев ложной работы МПРЗА [6]. Данный процент отказов и ложных срабатываний по причине провалов и выбросов напряжения объясняется тем, что чувствительность к электромагнитным возмущениям МПРЗА на несколько порядков выше, чем у электромеханических реле [7]. Так, если для повреждения электромеханического реле требуется энергия порядка 10 Дж, то для повреждения интегральных микросхем - 10- Дж [5, 6, 7].

По данным, предоставленным крупнейшими производителями МПРЗА из Японии, отказы МПРЗА по причине проблем в СОПТ составляют до 10% от полного числа отказов [2].

Согласно [5] в СОПТ на объектах электросетевой компании на 90% диагностированных подстанций, коэффициент затухания выброса напряжения, при срабатывании электромагнитного привода выключателя, при его проникновении в цепи РЗА составляет от 6 до 20. Пиковое значение выброса напряжения в цепях РЗА при этом может достигать от 1,5 до 5 кВ. На 90% подстанций не выполняются условия при работе молниеприемника. Поэтому, для защиты устройств МПРЗА от провалов и выбросов напряжения в СОПТ, необходимо устанавливать устройства для сглаживания провалов и выбросов напряжения [5].

Основными источниками электромагнитных помех в СОПТ электрических станций и подстанций могут быть [11]:

- срабатывание защитных аппаратов в СОПТ;

- работа молниеприемников электростанций и подстанций;

- коммутации шинных разъединителей,

- короткие замыкания на землю, вызывающие токи, протекающие через контур заземления подстанций электрических станций,

- набегающие волны коммутационных перенапряжений,

- коронирование проводов,

- повторные зажигания дуги в выключателях,

- неплотные касания контактных соединений,

- частичные разряды в изоляции,

- коммутации тиристоров, используемых в высоковольтных передачах постоянного тока,

- резонансные явления при переключениях высоковольтных конденсаторов;

- переключение контактами различных индуктивных цепей постоянного тока (реле, контакторы, соленоиды, электродвигатели и т.п).

Требования к помехоустойчивости низковольтных входных и выходных портов питания постоянного тока электростанций и подстанций устанавливается в [15].

Таким образом, когда применяются устройства, имеющие помехоустойчивость ниже, чем требуется [15], то предъявляются более жесткие требования по электромагнитной совместимости. Значит, применяя устройства с низкой помехоустойчивостью по портам электропитания, должны использоваться дополнительные технические средства и мероприятия по снижению уровней помех в СОПТ [16].

Результаты обследования более двухсот СОПТ электростанций и подстанций выявили следующие дефекты, представленные в таблице 1.1 [17].

Таблица 1.1.

Статистические данные, полученные при обследовании СОПТ

электростанций и подстанций

Процент СОПТ

Объект контроля Характерные дефекты на которых обнаружены дефекты

Исполнительная Отсутствие секционирования в цепях 90

схема СОПТ ГЩУ, РЩ и РУ

Аккумуляторные Емкость АБ менее 70%. Перезаряженные и 15

батареи «отстающие» элементов 29

Защита от Неисправность автоматические 26

сверхтоков выключателя

Использование в качестве аппаратов 95

первой и второй ступеней защиты

автоматических выключателей с

Селективность одинаковым временем срабатывания в

защиты от диапазоне токов КЗ; использование в

сверхтоков качестве защитных аппаратов второй и третьей ступеней защиты плавких предохранителей с близкими номинальными значениями токов

Термическая стойкость кабелей Использование проводников малого сечения и нечувствительность основной защиты 40

Невозгораемость кабелей Использование проводников малого сечения и большое время срабатывания автоматических выключателей 58

Зарядные Резервное устройство не запустилось и не 5

устройства приняло на себя нагрузку

Контактные соединения Повышенные переходные сопротивления 94

Электромагнитная Высокий уровень электромагнитных 98

совместимость помех

Согласно приведенной статистике на 98% диагностированных электростанций и подстанций не выполняются требования по электромагнитной совместимости. Данный процент электростанций и подстанций, на которых были обнаружены проблемы с электромагнитной совместимостью, показывает, что

недостаточное внимание уделяется проблемам электромагнитной совместимости со стороны генерирующих и сетевых компаний.

В качестве разработки мер по улучшению электромагнитной обстановки, а значит и по повышению надежности работы электроприемников СОПТ в данной работе рассмотрена возможность сглаживания провалов и выбросов напряжения.

1.2. Анализ критериев допустимости и способов сглаживания провалов напряжения в СОПТ

В эпоху электромеханических реле, не предъявлявших жестких требований к СОПТ, влияния провалов напряжения на работоспособность релейных защит было незначительно. Провалы и прерывания напряжения в СОПТ, возникают вследствие коротких замыканий в распределительных сетях СОПТ, включении электромагнитных приводов выключателя, увеличениях тока нагрузки.

При коротких замыканиях в цепях СОПТ возникают провалы и прерывания напряжения. Провалы напряжения воздействуют на все неповрежденные присоединения, при этом поврежденное присоединение подвергается прерыванию напряжения. Последствия провалов зависят от его глубины и продолжительности. Глубина и продолжительность провалов напряжения различаются для разных узлов СОПТ. При использовании различных типов защитных аппаратов глубина провалов напряжения остается практически одинаковой, в то время как продолжительность провалов может существенно изменяться [18]. Благодаря высокому быстродействию плавких предохранителей, уменьшается продолжительность провалов напряжения при коротких замыканиях по сравнению с использованием автоматических выключателей.

Еще одним из способов сглаживания провалов напряжения в СОПТ является установка блоков конденсаторов. Блок конденсаторов обеспечивает сглаживание провалов напряжения за счет запасенной в электролитических конденсаторах энергии. Недостатком использования блоков конденсаторов является высыхание электролита в конденсаторах, ведущее к деградации характеристик [19]. Для сложных электромеханических релейных защит,

содержащих многочисленные промежуточные реле, блоки конденсаторов не в состоянии обеспечить питание таких реле в течение времени, необходимого для их срабатывания, особенно, при наличии выдержки времени [20].

В СОПТ шунтирующим эффектом обладает АБ, когда АБ работают в режиме поддерживающего заряда с подключенным зарядным устройством, с помощью которого компенсируется ток саморазряда батареи и питается постоянная нагрузка [16]. При резких увеличениях тока нагрузки постоянно подключенная АБ устраняет или уменьшает провалы напряжения. Но провалы напряжения, вызванные короткими замыканиями в распределительной сети СОПТ при отключенном зарядном устройстве, могут быть ниже нормативного минимально допустимого значения [21], что может привести к временной неработоспособности микропроцессорных устройств.

В соответствии с [15] провалы напряжения не должны превышать следующих значений:

Ли < 30%, при длительности 1 с;

ДU < 60%, при длительности 0,1 с.

Прерывания напряжения (Ли = 100%) по длительности не должны превышать 0,5 с. Проведенные исследования [60] по проверке работоспособности МПРЗА при прерываниях напряжения, показали, что длительность без перезагрузки и отключений терминалов защит достигает единиц секунд. Согласно данным из [60] МПРЗА сохраняют работоспособность при провалах напряжения до 70 В и 130 В.

При этом требования [15] налагают более жесткие требования к провалам напряжения, чем предоставленные производителем МПРЗА представленные на рис. 1.2 [22].

1.3. Анализ критериев допустимости и способов сглаживания выбросов напряжения в СОПТ

Наиболее часто применяемыми устройствами для защиты от выбросов напряжения в установках постоянного тока являются диоды и варисторы [7, 8].

Согласно [5], диодная защита ограничивает напряжение полюсов сети СОПТ относительно земли на уровне напряжения АБ. При использовании варисторов напряжения на полюсах в три раза больше. Для изоляции это является допустимым, но такие импульсы перенапряжений могут вызвать ложное срабатывание МПРЗА [10].

Для обоснования необходимости выбора средств защиты от выбросов напряжения в СОПТ необходимо определить предельно допустимые параметры выбросов напряжения.

Так, согласно [5], выбросы напряжения, возникающие при срабатывании защитных аппаратов, могут достигать пикового значения 1,6 кВ при продолжительности 250 мкс.

Из анализа источников следует, что выбросы напряжения в СОПТ в результате срабатывания плавкого предохранителя могут не соответствовать нормам [5, 18, 25] по пиковому значению выброса напряжения. Нормы [26, 27] накладывают жесткое ограничение по пиковому значению выброса напряжения, так, для срабатывания плавкого предохранителя устанавливается равным 1,3ином. То есть, для электрооборудования СОПТ напряжением 220 В амплитуда испытательного напряжения составит 300 В.

Аналогичные по пиковому значению и продолжительности параметры выброса напряжения содержатся в [27] для источников питания устройств и систем телемеханики. На ЭС и ПС аналогичные устройства телемеханики являются электроприемниками СОПТ, а значит, эти нормы применимы для СОПТ.

ITIC (Informational Technology Industry Council) предоставила характеристику, показанную на рис. 1.1, отображающую в амплитудно -временных координатах кривую допустимых значений провалов и выбросов напряжения для микропроцессорного оборудования. Работа вне указанных границ

по напряжению приводит к потере данных, неправильным командам, отключению или сбоям в работе оборудования [29].

Рис. 1.1. Требования микропроцессорного оборудования к качеству

электропитания

Из рис. 1.1 следует, что МП оборудование не чувствительно к отклонениям напряжения менее 10 %, то есть для сети 220 В допустима длительная работа при напряжении 242 В; при уровне выбросов напряжения 120% от номинального, работа допускается от 3 до 500 мс; при уровне выбросов напряжения 140 % - не более 3мс. Рассматриваемые пределы возможной работы накладывают дополнительные требования на быстродействие защитных аппаратов. Требования, предоставленные производителем МПРЗА, соответствуют [27, 28].

При этом, пиковые значения выбросов напряжения, возникающие при срабатывании плавкого предохранителя могут не укладываются в требования [27, 28], но могут укладываться в допустимый уровень выбросов напряжения, предъявляемый производителем плавких предохранителей. Так по [30] пиковое значение выбросов напряжения при срабатывании предохранителя с плавкими вставками всех типов, кроме aR и gR, не должна превышать значений,

приведенных в табл. 1.2. Пиковое значение выбросов напряжения при срабатывании предохранителей с плавкими вставками типов аК и gR устанавливается в стандартах или технических условиях на конкретные серии и типы предохранителей. Для автоматических выключателей этот параметр не нормируется.

Таблица 1.2.

Допустимый уровень выбросов напряжения при срабатывании предохранителей

Номинальное напряжение предохранителя, В Пиковое значение выбросов напряжения, В

До 300 2000

От 300 до 660 2500

От 600 до 800 3000

От 800 до 1200 3500

Согласно таблице 1.2, при срабатывании предохранителей общего типа имеющих номинальное напряжение менее 300 В, уровень выбросов напряжения не должен превышать 2000 В. Данный стандарт [30] не учитывает требований к микропроцессорному оборудованию.

Установка автоматических выключателей в СОПТ, не является решением проблемы, так как срабатывание автоматического выключателя вызовет еще большее пиковое значение выбросов напряжения, чем в случае с плавким предохранителем [5]. Так как контакты автоматического выключателя отключаются синхронизировано, то дуга между контактами, вызывающая выброс напряжения, будет одновременно гореть в каждом полюсе аппарата, что приводит к увеличению пикового значения выброса напряжения [18, 31].

Таким образом, требования к выбросам напряжения, содержащиеся в отечественном стандарте [10] и его международном прототипе нуждаются в уточнении с учетом особенностей современных микропроцессорных электроприемников в СОПТ. Так, стандарт [15] требует уточнения норм по

пиковому значению для выбросов напряжения, вызванных срабатыванием плавкого предохранителя.

1.4. Оценка возможности использования вторичных источников электропитания -ионисторов в СОПТ

Относительно недавно, примерно 15 лет назад, для гражданского применения стали доступны конденсаторы очень большой емкости, измеряемой единицами - сотнями и даже тысячами фарад. Идея создания подобных конденсаторов появилась в 50-е годы прошлого века [32, 33]. В данной главе приводятся сведения о принципе действия ионисторов, о сложившихся к настоящему времени областях использования и о производителях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Смотров Николай Николаевич, 2019 год

Е - и

г> еаб и аб

КАБ -

I

шпэ

220 -195,48 308

- 0,079 Ом

(3.2)

где яАБ - активное сопротивление АБ;

е^ -ЭДС АБ, полученное на осциллограмме представленной на рис. 3.6; IШПЭ -максимальное мгновенное значение тока через соленоид привода; иАБ - напряжение на АБ во время прохождения тока включения привода.

Input В

400 280

350 260

300 240

250 220

200 mV 200 V

150 180

100 160

50 140

Л Л / ч

г\

1 к /

/ \л АЛА_ л

- Data block -

Name = Input A Input В

Date = 25.11.2005 25.11.2005

Time = 12:41:32 12:41:32

Y Scale = 50 mWDIv 20 WDIv

Y At 50% = 200 mV 200 V

X Scale = 200 ms/Div 200 rms/DIv

X At 0% = -0,60 s -0,60 s

X Size = 120 (300) 120 (300)

Maximum = 308 mV 238 V

Minimum = -4 mV 144 V

-0,60 s

200 ms/DIv

Рис. 3.6. Напряжение (черная кривая) и ток (красная кривая), измеренные во

вводном ящике привода

На осциллограмме тока и напряжения видно, что в 0,5 с происходит включение электромагнитного привода. В цепи привода ток нарастает с постоянной времени, соответствующей индуктивности цепи АБ - катушка включения привода. Напряжение снижается по мере роста тока за счет возрастающего падения напряжения на цепи питания привода. За 0,43 с напряжение снижается до 155 В, а ток за 0,6 с возрастает до 308 А. Через 0,9 с ток в цепи привода снижается до нуля.

В программном комплексе ЕМТР был проведен верификационный расчет включения электромагнитного привода ШПЭ-44У1 обходного масляного выключателя У-110 ОРУ 110 кВ.

Верифицируемая расчетная модель, представленная на рис. 3.7, была параметризована с использованием данных об оборудовании ПС, на которой проводились натурные испытания выключателя.

Рис. 3.7. Схема замещения цепи подключения привода в расчетной модели

Схема замещения цепи подключения электромагнитного привода ШПЭ-44У1 включения обходного масляного выключателя У-110 ОРУ 110 кВ в программном комплексе EMTP содержит активное сопротивление и индуктивность кабелей К61-К64, активные сопротивления и индуктивности катушки включения электромагнитного привода ЩПЭ-44У!, ЭДС и внутреннее сопротивление, и индуктивность АБ, резистор, шунтирующий катушку включения привода. Параметры расчетной модели приведены в таблице 3.1. ЭДС аккумуляторной батареи принято равным 216 В. Так как контактор моделируется идеальным ключом АВ, то для моделирования электрической дуги, возникающей при отключении привода, в расчетную схему замещения, вводится нелинейный источник ЭДС Vpoint. Нелинейный источник ЭДС Vpoint задан зависимостью напряжения от времени. В момент включения привода 0,1с напряжение Vpoint равно нулю. Через 1с контакты контактора расходятся, и загорается электрическая дуга. По мере расхождения контактов, напряжение Vpoint увеличивается и достигает 280 В в момент времени 1,2 с. Таким образом, вводимый источник ЭДС Vpoint моделирует загорание дуги в контакторе при отключении электромагнитного привода.

Таблица 3.1.

Исходные данные параметров схемы замещения

Элемент Я, Ом L, мкГн С,мкФ

Кб1 0,0178 6,36 -

Кб2 0,0927 36,00 -

Кб3 0,0284 11,28 -

Кб4 0,0049 1,96 -

ЯЫ 0,4240 100,00 -

R2 750,00 - -

АБ 0,0790 14103 -

С1 - - 4

С2 - - 1

С3 - - 4

Я3 1000 10-3 - -

Я4 1000 10-3 - -

В модели сигналы напряжения и тока снимались в узле перед автоматическим выключателем АВ со стороны АБ, см. рис. 3.7.

На рис. 3.8 представлены кривые напряжения перед кабельной линией Кб4 и тока в приводе.

Ток привода Напряжение на приводе

Рис. 3.8. Ток в приводе и напряжение перед кабельной линией Кб4

На расчетных кривых тока и напряжения видно, что в 0,1 с происходит включение электромагнитного привода. За 0,70 с напряжение снижается до 147 В, а ток за 0,7 с возрастает до 330 А, через 1 с привод отключается. Расхождения в форме кривых при натурных испытаниях и при моделировании обусловлены тем, что при моделировании ток нарастает все время включения привода, что приводит к разным по времени максимуму тока и минимуму напряжения, в этом случае расчетная модель позволяет учесть наиболее тяжелые условия пуска привода выключателя.

При натурных испытаниях максимальное значение тока составило 308 А за время 0,6 с. На расчетной модели в программном комплексе ЕМТР за время 0,6 с, значение тока на приводе составило 322 А. Постоянная времени нарастания тока при натурных испытаниях равняется 150 мс, а при моделировании 152 мс. Постоянная времени нарастания рассчитывалась следующим образом. Т.к. кривая тока имеет экспоненциальный характер, постоянная времени определялась по интервалу времени, на котором функция изменяет свое значение в е раз.

При натурных испытаниях минимальное значение напряжения составило 155 В за время 0,43 с. На расчетной модели в программном комплексе ЕМТР за время 0,43 с, значение напряжения на приводе составило 147 В. Постоянная времени снижения напряжения при натурных испытаниях равняется 150 мс, а при моделировании 152 мс.

Для проверки достоверности результатов расчета в программном комплексе ЕМТР определим погрешность расчетов тока и напряжения за время 0,6 с (3.3) и (3.4).

^ _ "^нат.исп. 1модель

(3.3)

1 / °

нат.исп.

где Iнат.исп. - значение тока, полученное в результате натурного испытания, А;

1модель - значение тока, полученное в программном комплексе ЕМТР, А; д1 - погрешность расчета максимального тока привода.

и - и (3 4)

_ нат.исп. модель 1 г^ГЮ/ V /

и '

^ _ нат.исп. модель ^00^/

и

где и - значение напряжения, полученное в результате натурного

испытания, В;

имодель - значение напряжения, полученное в программном комплексе ЕМТР, В; ди - погрешность расчета минимального напряжения привода.

^ _ ^нат.исп. ^модель ^ОО^^О (3.5)

7 _ °

где Тнат.исп. - значение постоянной времени тока и напряжения, полученное в результате натурных испытаний, мс;

Тмодель - значение постоянной времени тока и напряжения, полученное в программном комплексе ЕМТР, мс;

дт - погрешность расчета постоянных времени тока и напряжения на приводе.

Результаты и оценки расхождений максимального значения тока, минимального значения напряжения на электромагнитном приводе и постоянной времени, полученных при натурных испытаниях на действующей подстанции с высшим напряжением 110 кВ и расчетных кривых, полученных на модели представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2.

Результаты верификационных расчетов

Значение тока, А Значение напряжения, В Постоянная времени (Т1), мс Постоянная времени (ГО), мс

Натурные испытания 308 155 150 150

Расчет на модели 322 147 152 152

Погрешность -4,54% 5,16% -0,66% -0,66%

Так как целью верификационного расчета являлась апробация расчетной модели для дальнейшего выбора емкости батареи ионисторов, применяемых в СОПТ, то выбор ионисторов будет проводиться при завышенном значении тока пуска привода (максимальный расчетный ток превышает на 4,54% ток, измеренный при натурных испытаниях), что является наиболее худшим расчетным условием для выбора накопителя. Расхождения в форме кривых при натурных испытаниях и при моделировании обусловлены тем, что при

моделировании ток нарастает все время включения привода, что приводит к разному по времени максимуму тока и минимуму напряжения. Таким образом, данная расчетная модель позволяет выбрать ионистор при более жестких расчетных условиях, что позволяет обеспечить срабатывание привода при самых тяжелых условиях пуска.

Выбор параметров источников электроэнергии СОПТ зависит от места и способа подключения накопителей электроэнергии на базе ионисторов. В связи с этим, целесообразным представляется разработка схемных решений для подключения накопителей.

3.3. Разработка схемных решений по подключению ионисторов

В цепь заряда ионистора, целесообразно включить резистор Rз для ограничения тока заряда ионистора. Для предотвращения падения напряжения на резисторе Rз, при разряде ионистора на катушку включения привода выключателя, резистор шунтируется диодом D1, рис. 3.9. Для безопасного обслуживания ионисторов, предусматривается разрядный резистор Rp. Цепи заряда и разряда ионистора предлагается коммутировать переключателем Р. Диод D2, подключенный катодом в противоположную от ШРОТ сторону, не допускает подпитки коротких замыканий в цепи АБ током от ионисторов, что повышает коэффициент готовности ионисторов. Плавкий предохранитель защищает цепи разряда ионисторов, при возникновении в них КЗ.

Рис. 3.9. Схема подключения ионистора

Разрядные резисторы предлагается выбирать из условий обеспечения напряжения разряда ионистора при его отключении для проведения обслуживания. В соответствии с [61], разрядное устройство должно в течение 1 минуты с момента отключения конденсатора, снизить напряжение на его выводах от номинального до значения не свыше 75 В. Дополнительной функцией разрядного резистора является защита ионистора от выбросов напряжения, возникающих при отключении ионистора, а также при подключении ионистора к другому ионистору противоположной полярности.

Сопротивление разрядного резистора рассчитывается по формуле (3.6), Ом.

п _ *р (3.6)

кр - о

С ■ 1 Пр1НОМ) СноМ 1 11(тт у

иост

где 1р - время разряда ионистора со значения напряжения ином до иост, с, принимают равным 180 с;

Сном - номинальная ёмкость батареи ионисторов, Ф. ином - номинальное напряжение, В;

иост - максимальное предельно допустимое остаточное напряжение, В, принимают равным 75 В.

Чтобы избежать перегрева резистора, выбранный разрядный резистор следует проверять по мощности рассеивания, Рр, по условию:

ак.пз.

К')2

я

(3.7)

р

Для ограничения тока заряда ионистора требуется установка резистора в цепи заряда. Сопротивление резистора в цепи заряда предлагается выбирать из условия ограничения тока заряда ионисторов для предотвращения срабатывания защитных аппаратов и недопустимого нагрева кабелей в цепи заряда. Максимальный предельно допустимый ток заряда батареи ионисторов выбирается по наименьшему из следующих токов:

• длительно допустимый ток кабелей в линии между АБ и ионистора;

• номинальный ток теплового расцепителя автоматического выключателя, установленного на отходящем присоединении ЩПТ в цепи питания привода выключателя.

Минимально допустимое сопротивление резистора в цепи заряда ионистора рассчитывается по формуле (3.8).

где ипз - напряжение на АБ в режиме поддерживающего заряда, В /и _ д0 п — максимальный предельно допустимый ток заряда ионистора, А; ЯАБ_И-сопротивление кабельной линии от АБ до ионистора, Ом; ЯИ - внутреннее сопротивление ионистора, Ом.

Напряжение АБ в режиме поддерживающего заряда рассчитывается исходя из напряжения на одном аккумуляторе, 2,23 В и количества аккумуляторов в батарее.

ипз

Г) __Г) Г)

кз — т КАБ-Н ~

(3.8)

И.доп

Чтобы избежать перегрева резистора, выбранный резистор в цепи заряда следует проверять по мощности рассеивания, Рз, по условию (3.9):

Р > (Цак„- Ю2 Рз >-£--(3.9)

Если в результате расчета сопротивления резистора в цепи заряда ионистора по формуле (3.2) получилось нулевое или отрицательное сопротивление, то установку резистора в цепи заряда предлагается не предусматривать.

Рекомендации по месту подключения батареи ионистора были приняты на основании анализа показателей надёжности и экономической эффективности системы постоянного оперативного тока подстанции с накопителем электроэнергии на базе ионисторов [41].

Резистор в цепи разряда ионистора выбирается в соответствии со стандартом [61], из условия, что все конденсаторы или конденсаторные батареи должны оснащаться устройствами, способными обеспечить разряд от начального пикового значения до напряжения не свыше 75 В за 3 минуты. Резистор в цепи заряда ионистора снижает ток заряда батареи ионисторов, что позволяет предотвратить срабатывания защитных аппаратов и недопустимый нагрев кабелей в цепи заряда.

3.4. Методика выбора параметров комбинированного накопителя постоянного тока на базе аккумуляторной батареи и ионистора

Как было определено ранее, применение ионисторов в сочетании с аккумулятором обеспечивает:

• повышение надежности работы подстанции;

• уменьшение стоимости АБ и продление срока их службы;

• уменьшение сечения и стоимости кабелей в цепях питания электроприводов выключателей.

Исходными данными для выбора емкости источников электроэнергии для систем оперативного постоянного тока электростанций и подстанций с накопителями электроэнергии на базе ионисторов являются:

• номинальное напряжение и схема сети постоянного оперативного тока с указанием длины и марки кабелей, параметров приводов выключателей;

• максимально и минимально допустимые значения напряжения на клеммах приводов выключателей;

• значение тока временной нагрузки системы оперативного постоянного тока, в режиме разряда АБ;

• разрядные характеристики аккумуляторов;

• внутреннее сопротивление и номинальная емкость ионисторов.

Выбор емкости накопитедей электроэнергии для СОПТ электростанций и подстанций производят в следующем порядке:

• строят диаграмму нагрузки СОПТ;

• выбирают количество аккумуляторов и емкость АБ;

• АБ выбранной емкости проверяется по остаточному напряжению при пусковых токах кратковременной нагрузки в конце разряда. Если остаточное напряжение ниже допустимого значения, то предлагается рассмотреть вариант установки комбинированного накопителя на базе АБ и ионистора;

• выбирают параметры батареи ионисторов;

• строят диаграмму нагрузки АБ с учетом наличия ионистора;

• выбирают емкость АБ;

• окончательное решение принимают на основе технико-экономического сопоставления альтернативных вариантов.

Число аккумуляторов в батарее можно определить, исходя из напряжения в нормальном режиме подзаряда, которое должно превышать номинальное напряжение электроприемников приблизительно на 5-6% с учетом потерь напряжения в сети. Количество аккумуляторов в батарее выбирают округлением в меньшую сторону значения рассчитанного по формуле:

N -Нр^ (3.10)

^ ак. пз .

где инбдоп - наибольшее допустимое напряжение на клеммах электроприемников, В, принимаемое равным 242В для системы постоянного оперативного тока номинальным напряжением 220 В и 121 В для системы постоянного оперативного тока номинальным напряжением 110 В;

иак.пз - напряжение на аккумуляторе в режиме поддерживающего заряда с учетом термокомпенсации, В, принимаемое по документации изготовителя. Для открытых свинцово-кислотных аккумуляторов при нормативной температуре окружающей среды, равной 20°С, иак.пз принимают равным 2,23 В, то есть относительно высоким, чтобы избежать частых уравнительных зарядов. Если предусматривается температурная компенсация поддерживающего заряда, то напряжение на аккумуляторе в режиме поддерживающего заряда принимают в соответствии с рекомендациями производителя для минимальной нормативной температуры окружающей среды в аккумуляторном помещении.

На реконструируемых подстанциях, имеющих выключатели с электромагнитными приводами, батарея может иметь дополнительную группу аккумуляторов. Проверку необходимости дополнительной группы аккумуляторов производят по количеству аккумуляторов, полученному округлением в большую сторону значения N1', рассчитанного по формуле (3.11):

, _ Ц нм . кр . доп. + А и АБ - Пр /1114

1М 1- - (311)

и нм. раб . ак.

где инм.кр.доп. - минимально допустимое напряжение на клеммах электромагнитного привода, В, которое принимают по технической документации на выключатель или привод;

Для выключателей или приводов, изготовленных по [55], минимально допустимое напряжение на клеммах электромагнитного привода составляет 0,85 номинального. Однако, на реконструируемых подстанциях, возможно сохранение выключателей, изготовленных ранее и имеющих иные значения минимально допустимого напряжения на клеммах электромагнитного привода. А иАБ - п р - потеря напряжения в цепи от АБ до клемм электромагнитного привода, В, которую определяют по формуле (3.12) для электромагнитных приводов с наибольшими номинальными токами и приводов, наиболее удаленных от АБ; инм.раб.ак - напряжение аккумулятора в конце разряда, В, которое определяют по формуле (3.12).

Если значение N 'превышает количество аккумуляторов то следует организовать дополнительную группу аккумуляторов в батарее. Количество аккумуляторов в батарее с учетом дополнительной группы, принимают по формуле (3.11). При выявлении необходимости установки дополнительной группы аккумуляторов рассматривают альтернативный вариант АБ с числом аккумуляторов К', выбранным по формуле (3.9), уменьшенном сечении кабелей в цепи питания приводов и установкой накопителей электроэнергии на базе ионисторов. Окончательное решение принимают на основе технико-экономического сопоставления альтернативных вариантов.

Если значение К1' не превышает количество аккумуляторов то необходимость в дополнительной группе аккумуляторов отсутствует и в качестве окончательного количества аккумуляторов в батарее принимают выбранное по формуле (3.10).

Потерю напряжения в цепи от АБ до клемм электромагнитного привода, АиАБ-Пр, В, рассчитывают по формуле (3.12):

А НАБ -Пр — ( 1 1 + 1 2) ' ^АБ -ЩПТ + I 2 ' К-ЩПТ-Пр

(3.12)

где Яаб-щпТ - сопротивление цепи от клемм АБ до шин щита постоянного тока, Ом;

Кщщ-Пр - сопротивление цепи от шин щита постоянного тока до клемм привода выключателя, Ом;

11 - значение тока, длительно потребляемого всеми электроприемниками системы оперативного постоянного тока в режиме разряда АБ в отсутствие операций включения и отключения выключателей;

12 - наибольшее из значений тока, потребляемого приводами установленных на подстанции выключателей, при включении выключателя.

Сопротивления цепи от АБ до щита постоянного тока RАБ-щПТ и от щита постоянного тока до клемм привода выключателя RщПТ-Пp определяют с учетом параметров существующей кабельной сети, а при замене кабелей в цепи питания привода - с учетом проводников, выбранных [56].

АБ выбранной емкости проверяется по провалу напряжения кратковременной нагрузки в переходном аварийном режиме в конце разряда. Проверка состоит в сопоставлении расчетного напряжения на клеммах электроприемников с наименьшим кратковременно допустимым значением. Расчетное напряжение на клеммах электроприемников в переходном аварийном режиме с максимальным током кратковременной нагрузки:

Напряжение аккумулятора в конце разряда инм.раб.ак, В, рассчитывают по формуле (3.13):

Н нм.раб.ак.

Н нм. доп. + ДН АБ - Эп

(3.13)

N

где инм.доп - наименьшее допустимое напряжение на клеммах электроприемников, подключенных к основной группе аккумуляторов, В, принимаемое 0,9 номинального напряжения;

ДиАБ-Эп - максимальная потеря напряжения в цепи от АБ до клемм электроприемников, подключенных к основной группе аккумуляторов, В; N - количество аккумуляторов в основной группе.

Максимальную потерю напряжения в цепи от АБ до клемм электроприемников, подключенных к основной группе аккумуляторов, ДиАБ-Эп, рассчитывают по наиболее мощному или наиболее удаленному от АБ электроприемнику.

Если в результате расчетов, выполненных по 3.11, установлена необходимость дополнительной группы аккумуляторов, то определяют наибольшее напряжение на клеммах приводов выключателей Цнб.раб по формуле (3.14):

и нб.раб. - N ■ и ак.пз. " А Ц аб -Пр (3.14)

где ДиАБ-Пр - минимальная потеря напряжения в цепи от АБ до клемм электромагнитного привода, В, которую определяют по 3.9 для электромагнитного привода, потребляющего наименьший ток при включении и привода, наименее удаленного от АБ.

Значение наибольшего напряжения на клеммах приводов выключателей инб.раб, определенное по формуле (3.14), сравнивают с максимально допустимым, которое принимают по технической документации на выключатель или привод.

Для выключателей или приводов, изготовленных по действующему с 1 апреля 2007 г. [55], максимально допустимое напряжение на клеммах электромагнитного привода составляет 1,05 номинального. Однако, производители могут расширить диапазон допустимых напряжений в этом случае в качестве допустимых напряжений на клеммах электромагнитного привода можно в расчете использовать значения из паспортных данных привода.

Если инб.раб меньше или равно максимально допустимому напряжению для выключателя или привода, то выбор количества аккумуляторов в батарее завершают.

Если инбраб больше максимально допустимого напряжения для выключателя или привода, то следует изменить схему сети постоянного оперативного тока. Рекомендуются следующие мероприятия по изменению сети постоянного оперативного тока:

• подключение приводов к основной группе АБ;

• уменьшение сечение кабеля в цепи питания привода;

• изменение компоновки электрооборудования на подстанции для уменьшения длины кабелей и потерь напряжения в цепях питания приводов выключателей.

АБ выбранной емкости проверяется по остаточному напряжению при пусковых токах кратковременной нагрузки в конце разряда. Проверка состоит в сопоставлении расчетного напряжения на клеммах электроприемников с наименьшим допустимым значением напряжения 0,85Цном. Если АБ не проходит проверку по уровню остаточного напряжения, то необходимо выбрать аккумуляторы того же типа большей емкости и произвести повторную проверку по уровню остаточного напряжения. Альтернативой является выбор комбинированного накопителя на базе АБ и ионистора. Остаточное напряжения на клеммах электроприемников при пусковом токе кратковременной нагрузки:

U 0 ст = Еак ■ N - I2 ■ ( 1 ,7 ■ ЯАБ ■ N + Rкб) (3.15)

где Еак - ЭДС аккумулятора, В; N - общее количество аккумуляторов в батарее;

Rаб - активное сопротивление полностью заряженного аккумулятора, Ом;

Яжб - суммарное активное сопротивление обоих полюсов кабельной распределительной сети от выводов АБ до клемм расчетного привода выключателя, Ом.

Расчет емкости ионистора производится по количеству электричества, требуемому для включения электромагнитного привода выключателя с учетом минимально допустимого напряжения на клеммах привода, что позволяет обеспечить срабатывание привода выключателя от батареи ионисторов, не учитывая ток в цепи АБ. Данное допущение приводит к образованию запаса по расчетной емкости ионисторов, что обеспечивает работоспособность приводов выключателей при снижении эксплуатационных характеристик ионисторов на протяжении всего периода эксплуатации. Расчет емкости батареи ионисторов производится по формуле:

г _ I вкл ■ Авкл + Я 1 с ■ С 1 с) (3.16)

^И — р _ || _ т . к

И инм.кр.доп Авкл ^И—Пр

где СИ - емкость батареи ионисторов, Ф;

Е и — ЭДС ионистора в начальный момент включения привода, В;

КИ-Пр - сопротивление кабельной линии от батареи ионисторов до клемм привода,

В;

1вкл - номинальный ток включения привода, в цепи питания которого устанавливается накопитель, с; 1:вкл - время включения привода, с;

К1С, С1С - внутреннее сопротивление и номинальная ёмкость ионистора, который предполагается использовать в накопителе составе батареи ионисторов.

ЭДС ионисторов в начальный момент включения привода принимается

равной расчетному напряжению на АБ в конце разряда, из расчета инм.раб.ак

(0,85ином).

Номинальную ёмкость ионисторов Си, следует выбирать большей расчетного значения для учета деградации характеристик ионисторов в процессе эксплуатации, а также погрешности расчетов и исходных данных, использованных в расчете. При необходимости получения большей номинальной ёмкости рассматривают подключение ионисторов в батарею.

Так же комбинированный накопитель предлагается использовать в качестве источника СОПТ для снижения емкости АБ. Применение комбинированного накопителя позволяет снизить нагрузку на АБ за счет подпитки тока привода от ионистора.

Значения параметров ионисторов, кабелей и электромагнитных приводов, приведены в [55, 57, 58]. Расчет сопротивления резистора в цепи разряда ионисторов производят по формуле (3.6) Расчет сопротивления резистора в цепи заряда ионистора производят по формуле (3.7). Сопротивление батареи ионисторов рассчитывают с учетом количества параллельно подключенных ионисторов.

Расчет емкости батареи ионисторов производится по количеству электричества, требуемому для включения электромагнитного привода выключателя с учетом минимально допустимого напряжения на клеммах привода, что позволяет обеспечить срабатывание привода выключателя от батареи ионисторов, не учитывая ток в цепи АБ. Данное допущение приводит к образованию запаса по расчетной емкости ионисторов, что обеспечивает работоспособность приводов выключателей при снижении эксплуатационных характеристик ионисторов на протяжении всего периода эксплуатации.

Корректировку диаграммы нагрузки системы постоянного оперативного тока, для построения диаграммы нагрузки АБ, выполняют в случае установки накопителя на базе ионисторов.

Определяют ток от АБ, протекающий в цепи питания привода выключателя при его включении. Наибольшее значение тока от АБ будет в момент окончания

операции включения привода, что соответствует наибольшей степени разряда ионисторов. Наибольшее значение тока в цепи АБ в процессе включения привода выключателя рассчитывают по формуле исходя из количества электричества, требуемого для включения электромагнитного привода выключателя с учетом минимально допустимого напряжения на клеммах привода по формуле (3.17):

т _ 1 в кл ■ ( ЯАБ - И ■ £ вкл + Я И-С и ■ ( ЯАБ - И + Я И )) Г1 лн\

1 АБ ■ ПР - Г . , п Л2 (317)

С И ( КАБ - И + к И )

где ЯИ - сопротивление батареи ионисторов, Ом.

Ток от АБ, вызванный включением привода, обусловлен как питанием привода в процессе включения, так и зарядом батареи ионисторов после окончания процесса включения привода. Продолжительность протекания тока от АБ определяется с учетом продолжительности заряда батареи ионисторов по формуле с учетом постоянной времени разряда ионистора, с:

£АБ ■ пр — 3 ■ С И ■ н о м ■ ( ЯАБ - И + Я И + Я з) (3.18)

Яз - сопротивление зарядного резистора батареи ионисторов, Ом.

Окончательное решение принимают на основе технико-экономического сопоставления альтернативных вариантов.

Результаты исследования использованы в процессе разработки стандарта СТО РЖД 07.013-2012 «Методика выбора емкости источников электроэнергии для систем постоянного оперативного тока тяговых и трансформаторных подстанций», содержащего методические указания по выбору АБ и ионисторов. Введение в действие разработанного стандарта позволит учитывать особенности современного электрооборудования, в частности современных аккумуляторов и МПРЗ, и принимать корректные проектные решения.

3.5. Верификация разработанной методики выбора параметров комбинированного накопителя

Проверка предлагаемой методики выбора емкости источников электроэнергии для СОПТ электростанций и подстанций проводилась путем сопоставления расчетного значения емкости накопителя электроэнергии на базе ионисторов, полученные с применением разработанной методики и емкости ионисторов полученных путем варьирования емкости ионисторов на расчетной модели в программном комплексе EMTP. Критерием допустимого сочетания рассматриваемых показателей компонентов СОПТ являлось минимально допустимое напряжение на приводе выключателя - 187 В (85% ином), что обеспечивает исправную работу привода. Параметры комбинированного источника постоянного тока - батареи ионисторов и аккумуляторов, были получены расчетным путем с применением разработанной методики.

Расчетная модель участка СОПТ разработана в программной среде ЕМТР и отражает схему замещения системы оперативного постоянного тока. АБ представлена в модели ЭДС и внутренним активным сопротивлением ЯАБ, соответствующим номинальной ёмкости аккумуляторов. Кабельные линии от АБ до ЩПТ, от ЩПТ до ШРОТ, от ШРОТ или ионисторов до привода замещены активными сопротивлениями кабелей в положительном и отрицательном полюсах сети. Ионистор представлен идеальным конденсатором, С, и резистором, RH, отражающим внутреннее сопротивление ионистора. Привод выключателя представлен катушкой включения выключателя в виде резистора и индуктивности. Коммутация катушки включения выключателя производилась коммутацией управляемого ключа в цепи катушки включения привода выключателя.

Расчетным путем определялось напряжение на катушке привода в процессе включения. Расчет производился на интервале времени 1,5 с, из которых, время включения привода составляло 0,9 с. Интегрирование дифференциальных уравнений модели производилось методом Рунге-Кутты с шагом интегрирования

10 мкс. На печать выводились следующие электроустановки:

• напряжение на клеммах привода;

• токи в цепях ионистора, АБ и привода.

режимные параметры

Рис. 3.10. Схема замещения расчетной модели в EMTP

Исходные данные элементов схемы замещения электроустановки:

• Тип АБ - 4GroE100;

• Номинальная десятичасовая емкость - 100 Ач;

• ЭДС АБ - 206,28 В;

• Внутреннее сопротивление АБ -102,7м0м;

• Активное сопротивление кабельной линии от АБ до ШР0Т-590м0м;

• Активное сопротивление кабельной линии от ШРОТ до клемм привода ШПЭ-33 - 3,8 мОм;

• Активное сопротивление катушки включения привода - 916 мОм;

• Номинальная ёмкость батареи ионисторов - 21,0 Ф (10 элементов МНЭ 2,1/325).

На рис. 3.11 представлены кривые изменения напряжения на клеммах привода и токи в цепях АБ, ионистора и привода.

i. а и. в

Рис. 3.11. Токи в цепи АБ, ионистора и привода (слева), напряжение на приводе (справа), полученные при емкости ионистора, соответствующей результатам

выбора по разработанной методике

На расчетных кривых тока и напряжения видно, что в 0,1 с происходит включение катушки привода. За 0,9 с напряжение снижается с 206 В до 192 В, а ток привода в процессе включения, достигает 214 А. В момент включения ток от АБ отсутствует, а ионистор обеспечивает работу привода. По мере разряда батареи ионисторов снижается ток в её цепи, а ток от АБ возрастает. В момент окончания процесса включения привода ток от АБ составляет 19,5 А, что соответствует 9 % от тока привода, а ток от батареи ионисторов составляет 194,5 А, что соответствует 91%, рис. 3.11.

Минимальное напряжение на приводе в процессе его включения составило 192В, что превышает минимально допустимое напряжение на приводе 0,85 номинального напряжения или 187 В.

На рис. 3.12 представлены кривые изменения напряжения на клеммах привода и токи в цепях АБ, ионистора и привода, полученные путем подбора

емкости варьирования емкости ионистора на расчетной модели, Си=14,7 Ф, Яи=0,042 Ом.

1,а и, в

Рис. 3.12. Токи в цепи АБ, ионистора и привода (слева), напряжение на приводе (справа) полученные с помощью математической модели для емкости ионистора подобранной по условию обеспечения минимально допустимого напряжения на приводе.

На расчетных кривых тока и напряжения видно, что в 0,1с происходит подключение катушки привода. За 0,9 с напряжение снижается с 206 В до 187 В, а ток привода в процессе включения, достигает 209 А. В момент включения, ток от АБ отсутствует, а ионистор обеспечивает работу привода. По мере разряда батареи ионистора снижается ток в её цепи, а ток от АБ возрастает. В момент окончания процесса включения привода ток от АБ составляет 26,3 А, что соответствует 13% от тока привода, а ток от батареи ионисторов составляет 183 А, что соответствует 87 % тока привода, рис. 3.12.

Минимальное напряжение на приводе в процессе его включения составило 187 В, что соответствует минимально допустимому напряжению на приводе 0,85 номинального напряжения.

По результатам проверки методики выбора источников электроэнергии для систем оперативного постоянного тока подстанций, установлено, что выбор параметров батареи ионисторов производится с запасом 30 %, позволяющим учесть деградацию характеристик ионисторов в процессе эксплуатации, а также погрешности расчетов и исходных данных, использованных в расчете.

3.6. Оценка ионистора выбранного по условию обеспечения провалов и выбросов напряжения, обусловленных короткими замыканиями на комбинированный накопитель для сглаживания провалов напряжения в результате работы электромагнитных приводов выключателя

В главе 2 был проведен анализ влияния ионисторов на провалы и выбросы напряжения в СОПТ, обусловленные короткими замыканиями. Из проведенного анализа, было выявлено, что применение ионистора емкостью более 0,65 Ф, позволяет предотвращать влияния провалов и выбросов напряжения на электроприемники СОПТ. В этом случае в качестве мест установки ионистора рассматривались: ЩПТ и сборки ШРОТ к которому подключаются блоки питания МПРЗА. При выборе комбинированного источника постоянного тока, с учетом условий срабатывания электромагнитных приводов, место предпочтительного подключения ионисторов - клеммы приводов высоковольтных выключателей или вторичные сборки распределения электроэнергии между приводами. Таким образом, возникает вопрос оценки влияния ионистора установленного для сглаживания провалов и выбросов напряжения на срабатывание электромагнитного привода.

В случае подключения ионистора к ШРОТу запитывающему блоки питания МПРЗА по схеме с запирающим диодом (рис. 2.5), ионистор не будет оказывать подпитки тока включения привода. Влияние на ток срабатывания привода, могут оказывать ионисторы установленные на ЩПТ для сглаживания провалов и выбросов напряжения, обусловленных короткими замыканиями.

Для оценки влияние ионистора, выбранного по условию обеспечения провалов и выбросов напряжения, обусловленных короткими замыканиями на комбинированный источник постоянного тока, на расчетной модели описанной в разделе 3.2, проводилось моделирование срабатывания электромагнитного привода при установке ионисторов на ЩПТ и ШРОТ. На ШПТ установлен ионистор емкостью 0,65 Ф, а на ШРОТ, питающий приводы выключателей, установлена батарея ионисторов емкостью 21 Ф. Данные емкости приняты исходя из обеспечения провалов и выбросов напряжения обусловленные короткими замыканиями и с учетом условий срабатывания электромагнитных приводов. Остальные параметры расчетной модели описаны в разделе 3.2. На рис. 3.13 представлены кривые изменения напряжения на клеммах привода и токи в цепях АБ, привода, ионисторов установленных на ЩПТ и ШРОТ.

и, в

400 350 300 250 200 150 100 50 О -

1 1 I— 1 Привод

- АБ

/ Ионистор (ШРОТ)

/

1 1 1 |

0.5 1 1.5 2 2,5 3

а)

и, в

220

215 210 205 200 195 190

0 0.5 1 1.5 2 2,5 3

и с

б)

Рис. 3.13. Токи в цепи АБ, ионисторов и привода (рис. 3.13 а), напряжение на приводе (рис. 3.13 б), полученные при емкостях ионисторов, соответствующих результатам выбора по разработанной методике

На расчетных кривых тока и напряжения видно, что в 1 с происходит включение катушки привода. За 0,9 с напряжение снижается с 220 В до 193 В, а ток привода в процессе включения достигает 390 А. В момент включения ток от АБ отсутствует, а ионистор обеспечивает работу привода. По мере разряда батареи ионисторов снижается ток в её цепи, а ток от АБ возрастает. В момент окончания процесса включения привода ток от АБ составляет 19,5 А, что соответствует 8 % от тока привода, а ток от батареи ионисторов емкостью 21 Ф составляет 194,5 А, что соответствует 91%, ток от ионистора емкостью 0,65 Ф составляет 3,5 % от тока привода, рис. 3.13(а).

Минимальное напряжение на приводе в процессе его включения составило 193В, что превышает минимально допустимое напряжение на приводе 0,85 номинального напряжения или 187 В.

Так как влияние ионистора для сглаживания провалов и выбросов напряжения на ток срабатывания привода менее 3,5 %, то допустимо пренебречь подпиткой тока

от ионистора, установленного для сглаживания провалов и выбросов напряжения. Таким образом в методике выбора комбинированного источника на базе АБ и ионистора с учетом условий срабатывания электромагнитных приводов, допустимо не учитывать наличие накопителя для сглаживания провалов и выбросов напряжения обусловленных короткими замыканиями.

3.7. Выводы

1. Разработана расчетная модель участка СОПТ в программном комплексе EMTP-RV (Powersys) со свинцово-кислотной АБ и ионисторами, используемыми для сглаживания провалов напряжений при работе электромагнитных приводов высоковольтных выключателей и учитывающая схемные решения по установке ионисторов и их параметры.

2. Расчетная модель верифицирована путем сопоставления результатов расчетов с результатами натурных экспериментов на действующих подстанциях по измерению помех в СОПТ при срабатывании электромагнитных приводов силовых выключателей. Расхождения расчетных кривых полученных на модели с результатами натурных экспериментов не превышают 10%.

3. Разработана методика выбора параметров комбинированного источника постоянного тока состоящего из АБ и ионисторов, исходя из условия сглаживания провалов напряжения при срабатывании электромагнитных приводов за счет установки ионистора.

4. По результатам проверки методики выбора параметров комбинированного накопителя состоящего из АБ и ионисторов для СОПТ электростанций и подстанций установлено, что на 60 % удается снизить емкость АБ за счет сглаживания провалов напряжения при срабатывании привода выключателя при помощи ионистора.

5. По результатам оценки влияния ионистора для сглаживания провалов и выбросов напряжения на ток срабатывания привода, было установлено, что влияние этого ионистора на ток срабатывания привода менее 3,5 %. Таким

образом, допустимо пренебречь подпиткой тока от ионистора, установленного для сглаживания провалов и выбросов напряжения при выборе комбинированного источника питания.

ГЛАВА 4. ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО НАКОПИТЕЛЯ ДЛЯ СГЛАЖИВАНИЯ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ СРАБАТЫВАНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРИВОДОВ ПО КАПИТАЛЬНЫМ ВЛОЖЕНИЯМ

4.1. Общие положения

В данной главе обоснованы области применения ионисторов в цепях питания электромагнитных приводов в системах оперативного постоянного тока.

Организация питания собственных нужд электростанций и подстанций от ионисторных систем накопления энергии имеет существенные эксплуатационные и экономические преимущества.

Без ионисторов для обеспечения включения электромагнитных приводов масляных выключателей, как правило, необходимо было увеличивать напряжение АБ и ее емкость. Увеличение напряжения АБ обеспечивалось включением в состав АБ дополнительных, «хвостовых» элементов для которых трудно было обеспечить оптимальный режим поддерживающего заряда. Срок службы дополнительных аккумуляторов в АБ был существенно меньше срока службы основных аккумуляторов АБ.

Совместное использование в качестве резервного источника питания электроприемников собственных нужд АБ и ионистора, позволяет использовать АБ с меньшей емкостью и с большим внутренним сопротивлением, а значит, и более дешевые [4].

Второе преимущество такого решения в том, что меняется характер нагрузки батареи, которая в данном случае, не будет иметь больших пиковых токов, отрицательно сказывающихся на сроках службы и надежности аккумулятора.

Параметры аккумулятора и ионистора, выбираются таким образом, чтобы электроприемники системы оперативного постоянного тока электростанций и подстанции могли, нормально функционировать при прекращении работы зарядных устройств и обеспечить включение высоковольтного выключателя с

самым мощным электроприводом. При отсутствии сетевых источников переменного тока на подстанции, операции включения высоковольтных выключателей не будут приводить к значительным провалам напряжения на шинах щита постоянного тока за счет демпфирования импульсной нагрузки, которой является привод, ионисторами [5].

4.2. Влияние на капиталовложения в комбинированный источник параметров электромагнитных приводов

На многих подстанциях и электростанциях для включения выключателей используются электромагнитные приводы. Только на подстанциях магистральных электрических сетей в эксплуатации находятся более 3300 электромагнитных приводов выключателей 6(10) кВ с токами от 58 А (привод ПЭ-11) до 252 А (привод ШПЭ-31) и более 4100 электромагнитных приводов выключателей 35-220 кВ с токами от 58 А (привод ПЭ-11) до 1350 А (приводы ШПЭ-44П и ШПЭ-46 с электромагнитами включения на каждой фазе выключателя). Для надежной работы электромагнитных приводов необходимо обеспечить напряжение на их клеммах не менее 187 В, при токе от 58 А до 1350 А.

Если ресурс по сроку службы АБ выработан более чем на 50% и ее внутреннее сопротивление увеличилось на 10 - 20%, то напряжение на соленоидах приводов может оказаться меньше требуемого. Наиболее часто такая ситуация возникает, если распределительное устройство удалено от щита постоянного тока на 800 и более метров, не помогает и уменьшение сопротивления в цепи выключателя путем прокладки дополнительных медных кабелей и повышение их сечения до 240 мм2. Для обеспечения требуемого напряжения на клеммах приводов, персонал иногда применяет запрещенные способы: повышают уставку напряжения на зарядном устройстве АБ и/или включают на параллельную работу два плеча магистрали постоянного тока. Повышение уставки напряжения на выпрямителе приводит к ускоренному износу аккумуляторов, а параллельная работа плеч магистрали постоянного тока, как правило, приводит к неселективной работе защитного аппарата в цепи ввода АБ.

Согласно полученной статистике, более 40% АБ находятся в эксплуатации свыше 10 лет, а у 22% АБ уже превышен срок службы указанный заводом изготовителем. При проектировании новых подстанций, для обеспечения надежной работы электроприводов включения выключателей приходится завышать емкость или увеличивать количество аккумуляторов в АБ. На действующих подстанциях, 26% АБ имеют емкость 300 Ач, 39% емкость от 300 Ач до 600 Ач, а у 35% АБ емкость превышает 600 Ач. Примерно треть подстанций с АБ емкостью более 600 Ач имеет мощные электромагнитные приводы.

Анализ причин крупных аварий, часто указывает на потерю управляемости выключателями из-за недостаточного напряжения на электроприводах [1], обусловленного увеличением сопротивления АБ. Замена АБ требует значительных затрат и времени.

Вместо преждевременной замены АБ на действующих подстанциях и электростанциях можно установить накопители электроэнергии на базе ионисторов. При реконструкции СОПТ действующих подстанций, ионисторы позволяют уменьшить капиталовложения в АБ, а при строительстве новых, дополнительно позволяют уменьшить сечения кабелей в цепях питания электромагнитов включения. Кроме того, установка ионисторов оказывает сглаживающие действие на провалы и выбросы напряжения в СОПТ [21, 41].

Совместное использование в качестве резервного источника питания АБ с ионисторами, позволяет использовать АБ с меньшей емкостью и отказаться от использования дополнительных аккумуляторов, а значит, существенно снизить стоимость АБ.

Дополнительным преимуществом такого решения является то, что улучшается режим работы АБ, исключаются импульсные токи, достигающие сотен и тысяч ампер, приводящие к разрушению активного материала электродов аккумуляторов, что ведет к повышению внутреннего сопротивления и снижению емкости, а значит, сказывается на сроках службы АБ. Так же применение ионисторов на вновь возводимых электростанциях и подстанция, позволяет

снизить площадь аккумуляторного помещения из-за отказа от дополнительной группы аккумуляторов.

В рамках исследования решались следующие задачи:

1. выбор емкости АБ и ионисторов, обеспечивающий срабатывание электромагнитных приводов выключателей [3];

2. оценка снижения капиталовложений в источники СОПТ за счет установки ионисторов.

Рассмотрим в качестве примера процесс включения электромагнитного привода ШПЭ-44, потребляющего ток 480 А. Время включения привода 0,9 с.

Л

Привод подключен, рис. 4.1, к АБ через кабельную линию Кб1, сечением 95 мм и

Л

длиной 20 м, кабельную линию Кб2, сечением 185 мм длиной 470 м, кабельную

Л

линию Кб3, сечением 185 мм и длиной 30 м. Все линии выполнены кабелями с медными токоведущими жилами. Для ограничения токов заряда и разряда ионисторов И, используется специальная схема подключения с резистором R1, диодами D1 и D2. Расчеты выполнялись в предположении, что в момент, предшествующий включению привода, батарея была разряжена до напряжения 1,85 В на аккумулятор. Постоянная нагрузка СОПТ составляет 10 А. Ионистор подключен к ШРОТ.

ЩПТ

АБ

V

Кб1

А

ПП1

ПП2

у

Кб2 ¥\ Р1

Ю

у

А

АВ1

Кб3

Р2

ЭМ1

т I

И

1.Г

ШРОТ 5 1

АВ2

+

+

Рис. 4.1. Расчетная схема цепи питания привода с ионисторами

Для представленной на рис. 4.1 электроустановки, выбор емкости АБ и ионисторов производился по условию обеспечения срабатывания электромагнитных приводов выключателей. Оценивалось снижение капиталовложений в АБ за счет применения ионисторов, обеспечивающих основную часть тока включения привода. Емкость АБ выбиралась по условию обеспечения минимально допустимого напряжения (0,85 номинального напряжения или 187 В) на одном из наиболее мощных приводов выключателя, после двухчасового разряда АБ. На рис. 4.2, представлены зависимости

изменения емкости АБ от емкости ионисторов для подстанций, оборудованных электромагнитными приводами: ШПЭ-44, ШПЭ-33, ШПЭ-31. Пример расчета провалов напряжения при выборе комбинированного источника состоящего из АБ и ионистора, приведен в Приложении 2. Емкость АБ менее 100 Ач не рассматривалась, так как при емкости менее 100 Ач не удается обеспечить постоянную нагрузку СОПТ.

Из рис. 4.2 видно, что для обеспечения минимально допустимого напряжения на приводах: ШПЭ-44, ШПЭ-33, ШПЭ-31 без установки ионисторов в СОПТ, емкости АБ составят 700 Ач, 600 Ач, 400 Ач, соответственно. Установка ионисторов в СОПТ подстанции с приводом ШПЭ-44 позволяет снизить емкость АБ на 87,5%, при установке батареи ионисторов емкостью 21 Ф (рис. 4.2). Для СОПТ подстанции с наиболее мощным приводом ШПЭ-33, установка батареи ионисторов емкостью 12,5 Ф позволяет снизить емкость АБ на 92%. Для подстанции с приводом ШПЭ-31 установка батареи ионисторов емкостью 4,55 Ф позволяет снизить емкость АБ на 93,7%.

0 5 10 15 20 25

Емкость И, Ф -ШПЭ-44 -ШПЭ-33 -ШПЭ-31

Рис. 4.2. Изменение емкости АБ от емкости ионисторов для подстанций оборудованных электромагнитными приводами: ШПЭ-44, ШПЭ-33, ШПЭ-31

Рис. 4.3. Шкаф с батареей ионисторов емкостью 40 Ф

Представленный на рис. 4.3 шкаф с батареей ионисторов, включает в себя 20 ионисторов единичной емкостью 2 Ф соединенных между собой параллельно. Габаритные размеры шкафа составляют 1,5х1,5х1,2 м.

На рис. 4.4, представлены зависимости изменения минимального сопротивления кабельной линии в цепи питания привода с токов включения 480 А от емкости ионисторов для подстанций оборудованных АБ емкостью 700 Ач, 300 Ач, 100 Ач.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Rk62, мОм

-700 Ач -300 Ач -100 Ач

Рис. 4.4. Зависимость изменения минимально допустимого сопротивления кабельной линии в цепи питания привода с током включения 480 А от емкости ионисторов для подстанций оборудованных АБ емкостью 700 Ач, 300 Ач, 100 Ач

Из рис. 4.4 видно, что для приводов с током включения 480 А, минимально допустимое сопротивление кабельных линий от ЩПТ до ШРОТ вырастет с 5 мОм до 140 мОм при использовании ионистора емкостью 21 Ф и АБ емкостью 100 Ач. То есть, при емкости АБ 100 Ач без установки ионисторов, длина кабельной линии от ЩПТ до ШРОТ составит 40 м при сечении 185 мм , при этом, установка ионистора емкостью 21 Ф позволит снизить сечение до 10 мм для той же длины.

При построении зависимости капиталовложений в АБ от емкости ионисторов, учитывались следующие компоненты СОПТ: АБ, ионисторы, электрический шкаф для ионисторов. Остальные компоненты СОПТ приняты не зависящими от ёмкости ионисторов. В капиталовложениях не учитывалась экономическая выгода, связанная со снижением площади аккумуляторного помещения электростанции и подстанции.

На рис. 4.5 представлены зависимости изменения капиталовложений в АБ для подстанций с наиболее мощными электромагнитными приводами ШПЭ-44, ШПЭ-33, ШПЭ-31.

С, Ач(Ф) Каб Ки А Ксум

а)

б)

Каб Ки Ксум

в)

Рис. 4.5. Капиталовложения в АБ (Каб), ионисторы (Ки) и их сумма (Ксум) для подстанций с приводами ШПЭ-44, ШПЭ-33, ШПЭ-31

Из рис. 4.5 видно, что минимальные капиталовложения в АБ для подстанции с наиболее мощным электромагнитным приводом ШПЭ-44 достигаются при емкости АБ 100Ач и емкости ионисторов 21 Ф, что позволяет снизить капиталовложения в АБ на 75 % в сравнении с АБ без применения ионисторов. Максимальные капиталовложения (4417 тыс. руб.) будут при использовании АБ емкостью 700 Ач без ионисторов. Таким образом,

минимальные капиталовложения в накопитель составили 2285 тысяч рублей, что соответствует емкости АБ в 100 Ач и емкостью батареи ионисторов 21 Ф. Для СОПТ с наименее мощным электромагнитным приводом ШПЭ-31 минимальные капиталовложения в АБ достигаются при емкости АБ 100 Ач и емкости ионисторов 4 Ф, что позволяет снизить капиталовложения в АБ на 30% в сравнении с АБ без применения ионисторов.

Применение комбинированного накопителя электроэнергии на базе АБ и ионисторов, позволяет снизить капиталовложения в СОПТ от 30 до 75%, в зависимости от мощности приводов выключателей.

4.3. Выводы

1. Применение комбинированного накопителя для сглаживания провалов напряжений в СОПТ электростанций и подстанций с высоковольтными баковыми выключателями, оборудованными приводами типа ШПЭ-31, ШПЭ-33 и ШПЭ-44, позволяет снизить емкость АБ на десятки процентов, а сечения кабельных линий в цепях питания приводов, примерно, в два раза для электромагнитных приводов типа ШПЭ-44, ШПЭ-33, ШПЭ-31 при установке батареи ионисторов емкостью более 21 Ф, 12,5 Ф, 4,2 Ф;

2. Применение ионисторов в СОПТ реконструируемых подстанций для сглаживания провалов напряжений при работе электромагнитных приводов выключателей, позволяет получить экономический эффект за счет снижения капиталовложений в АБ и кабельную распределительную сеть. Таким образом, применение комбинированного накопителя электроэнергии на базе АБ и ионисторов, позволяет снизить капиталовложения в СОПТ от 30 до 75%, в зависимости от мощности приводов выключателей. Так, при установленном наиболее мощном приводе ШПЭ-44 капиталовложения в АБ могут быть снижены на 75% и в кабельную распределительную сеть на 27%, при установке батареи ионисторов емкостью 21 Ф. Для СОПТ с наименее мощным электромагнитным приводом ШПЭ-31 минимальные капиталовложения в АБ достигаются при емкости АБ 100 Ач и емкости ионисторов 4,2 Ф, что позволяет снизить капиталовложения в АБ на 30% в сравнении с АБ без применения ионисторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе анализа опубликованных работ с оценками влияния провалов и выбросов напряжения на электроприемники СОПТ и способам повышения надежности их работы предложено использование ионисторов для сглаживания провалов и выбросов напряжения.

2. Результаты проведенных расчетов подтверждают возможность использования серийно выпускаемых ионисторов для сглаживания провалов и выбросов напряжения вызванных короткими замыканиями в СОПТ. Обоснованы параметры ионисторов, обеспечивающие заданную степень сглаживания провалов и выбросов напряжения на клеммах электроприемников СОПТ.

3. Применение ионисторов в СОПТ электростанций и подстанций позволяет уменьшить жесткость требований к компоновке электротехнических помещений и оборудования ЭС и ПС, что позволяет размещать АБ в удаленных от ЩПТ помещениях. Применение ионистора позволяет обеспечить нормы по пиковому значению выброса напряжения для длины кабельной линии между АБ и ЩПТ, превышающей допустимое значение.

4. Разработана расчетная модель участка СОПТ в программном комплексе EMTP-RV (Powersys) с учетом параметров комбинированного источника постоянного тока на базе АБ и ионисторов, используемого для электропитания приводов высоковольтных выключателей;

5. Разработана и верифицирована методика выбора параметров комбинированного источника постоянного тока состоящего из АБ и ионисторов исходя из условия обеспечения срабатывания за счет поддержания напряжения на клеммах привода во время его срабатывания. Разработанная методика позволяет снижать емкость АБ вплоть до 60% и увеличивать минимально допустимое сопротивление кабельных линий от ЩПТ до ШРОТ на 70%;

6. Применение комбинированного источника постоянного тока состоящего из АБ и ионисторов в СОПТ реконструируемых подстанций с электромагнитными приводами выключателей позволяет снизить

капиталовложения в АБ и кабельную распределительную сеть. Так, при наиболее мощном приводе ШПЭ-44, обеспечивается снижение капиталовложений в АБ на 75% и в кабельную распределительную сеть СОПТ на 27%.

7. Разработанная методика выбора комбинированного источника постоянного тока состоящего из АБ и ионисторов была использована при разработке с участием автора внедренного и действующего стандарта организации ОАО «РЖД» «Методика выбора емкости источников электроэнергии для систем постоянного оперативного тока тяговых и трансформаторных подстанций», утвержденного распоряжением № 1490р ОАО «РЖД» от 26 июля 2016 года.

109

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Булычев А.В., Нудельман Г.С. Релейная защита. Совершенствование за счет упреждающих функций. Новости электротехники, №4 (58), 2009 г. с. 30-33.

2. Matsumoto Т., Kurosawa Y., Usui M., Yamashita K., Tanaka T. Experience of Numerical Protective Relays Operating in an Environment with High-Frequency Switching Surge in Japan // IEEE Transactions On Power Delivery. Vol. 21. No. 1. 2006.

3. Нудельман Г. С., Шалин А. И. Микропроцессорные системы РЗА. Оценка эффективности и надежности. - Новости электротехники, 2008, № 3 (51).

4. Гуревич В.И. Проблема электромагнитных воздействий на микропроцессорные устройства релейной защиты. Часть 1 // Компоненты и технологии. 2010. №2. - с.80-84.

5. Тимонин И.А. Разработка рекомендаций по защите систем оперативного постоянного тока от перенапряжений: автореф. к. т. н., Нац. исслед. ун-т "МЭИ" . - М., 2013 . - 14 с.

6. Борисов Р. К. Невнимание к проблеме ЭМС может обернуться катастрофой // Новости электротехники. 2001. №6 (12).

7. Гуревич В.И. Защита оборудования подстанций от электромагнитного импульса // Инфра-Инженерия 2016 г.

8. Коржов А.В. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике: учебное пособие для самостоятельной работы студентов / А.В. Коржов. -Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. - 70 с.

9. ГОСТ 29280-92 (МЭК 1000-4-92). Совместимость технических средств электромагнитная. Испытания на помехоустойчивость. Общие положения.

10. ГОСТ Р 51317.4.12-99 (МЭК 61000-4-12-97) Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к колебательным затухающим помехам. Требования и методы испытаний.

11. Федоров Ю. Исследование коммутационных перенапряжений и их воздействия на полупроводниковые диоды в цепях оперативного постоянного тока электрических странций и подстанций : диссертация ... кандидата технических наук. - М., 1984 . - 174 с.

12. Электромагнитная совместимость электрической части атомных электростанций [Текст]: монография / Э.В. Вершков, А.В. Калеников, Д.А. Козлов, И.П. Кужекин, С.Л. Кужеков, Б.К, Максимов, О.В, Сарылов, Л.В. Ярных. - М.: Знак, 2006. - 280 с.

13. Гуревич В. И. Микропроцессорные реле защиты: новые перспективы или новые проблемы? - Новости электротехники, N 6 (36) 2005, с. 63 - 67.

14. Нудельман Г.С., Подшивалин А.Н. Направления инновационного развития РЗА // Релейщик, 2015, №3

15. ГОСТ Р 51317.6.5-2006 (МЭК 61000-6-5-2001) Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых на электростанциях и подстанциях.

16. СТО 56947007-29.120.40.041-2010 «Системы оперативного постоянного тока подстанций, технические требования» , ОАО «ФСК ЕЭС».

17. Борисов Р. К., Жуликов С.С, Гусев Ю.П., Майоров А. В. Системы оперативного постоянного тока. Необходимость диагностики // Новости электротехники. 2008. №4 (52).

18. Борисова Е.С. Совершенствование методики выбора отключающих защитных аппаратов в электроустановках оперативного постоянного тока электрических станций и подстанций: диссертация кандидата технических наук. -М., 2005 . - 173 с.

19. Рентюк В. Зависимость времени наработки на отказ электролитических конденсаторов от реальных условий их эксплуатации // «Вестник Электроники». 2014. №3