Справочник по проектированию подстанций - Оперативный ток, источники постоянного тока

Оперативный ток служит для питания вторичных устройств, к которым относятся оперативные цепи защиты, автоматики и телемеханики, аппаратура дистанционного управления, аварийная и предупредительная сигнализация и др. При нарушениях нормальной работы ПС оперативный ток в некоторых случаях используется также для аварийного освещения и для электроснабжения особо ответственных механизмов, например маслонасоса синхронного компенсатора.
От источников оперативного тока требуется повышенная надежность, их мощность должна быть достаточной для надежного действия вторичных устройств при расчетных видах аварий, а напряжение должно отличаться высокой стабильностью. Требования высокой надежности приводят к необходимости повышенного резервирования источников оперативного тока и их распределительных сетей.
Различают системы переменного, выпрямленного и постоянного оперативных токов.
Переменный оперативный ток должен применяться на ПС 220-35/6- 10 кВ, 220-110/35/6-10 кВ без выключателей на стороне ВН и на ПС 35/6-10 кВ с масляными выключателями на стороне ВН. Область применения переменного оперативного тока в настоящее время имеет тенденцию к сокращению из-за более широкого применения выключателей, а также релейной защиты на микроэлектронной базе и др.
В качестве источников переменного оперативного тока используются: трансформаторы собственных нужд, присоединяемые на участке между выводами НН основных трансформаторов и выключателями либо к питающей ВЛ 35 кВ до выключателя; трансформаторы тока, питающие цепи релейной защиты; трансформаторы напряжения; предварительно заряженные конденсаторы (в качестве импульсных источников питания).
Цепи автоматики, сигнализации и дистанционного управления питаются от шин собственных нужд через стабилизаторы с напряжением на выходе 220 В. Питание отключающих электромагнитов выключателей с электромагнитными приводами, цепей включения и отключения отделителей и короткозамыкателей осуществляется от предварительно заряженных конденсаторов.
Выпрямленный оперативный ток должен применяться на ПС 220- 110/6-10 кВ, 220-110/35/6-10 кВ без выключателей на стороне ВН, на подстанциях 35/6-10 кВ с масляными выключателями на стороне ВН, на ПС 110/6-10 кВ и 110/35/6-10 кВ с одним или двумя выключателями на стороне ВН. Широкое использование выпрямленного оперативного тока ПС 220 кВ с выключателями не рекомендуется из-за пофазного исполнения приводов этих выключателей и значительного потребления мощности при их действии, что вызывает необходимость установки большого количества выпрямительных силовых устройств для включения выключателей и блоков конденсаторов значительной емкости для питания отключающих электромагнитов каждой фазы.
В качестве источников выпрямленного оперативного тока используются трансформаторы собственных нужд, трансформаторы тока, трансформаторы напряжения совместно с выпрямительными блоками питания и предварительно заряженными конденсаторами. Выпрямительные блоки питания выпускаются промышленностью в довольно широком диапазоне мощностей - от 20 Вт (БП-11) до 1,5 кВт (БП-1002) - и выходных напряжений - 24, 48, 110 и 220 В. Однако их мощность в некоторых случаях недостаточна для питания электромагнитных приводов выключателей, потребляющих при включении большие токи. Для питания этих приводов применяются конденсаторные устройства, которые заряжаются в период нормального режима и энергия заряда которых используется в аварийных режимах. Стабилизированные блоки питания типа БПНС-1 вместе с токовыми типа БПТ-1002 используются для питания цепей релейной защиты, автоматики, дистанционного управления. Нестабилизированные блоки питания типа БПН-1002 используются для питания цепей сигнализации и ламп сигнализации положения. Такое разделительное питание основной нагрузки оперативного тока и цепей сигнализации уменьшает разветвленность оперативного тока для питания цепей защиты, автоматики, управления и др.
Постоянный оперативный ток должен применяться на всех ПС 330 кВ и выше, на ПС 220-110 кВ с числом масляных выключателей 220 или 110 кВ три и более и на ПС 110-35 кВ с воздушными выключателями.
На ПС с постоянным оперативным током следует применять переменный оперативный ток на панелях щитов собственных нужд, а также для компрессорных, насосных и других вспомогательных устройств. Напряжение оперативного переменного тока для устройств равно 220 В, в отдельных случаях допускается питание оперативных цепей переменным напряжением 380 В. При использовании на ПС оперативного постоянного тока питание оперативной блокировки разъединителей и ламп местной сигнализации положения воздушных выключателей в РУ производится выпрямленным током от шин собственных нужд ПС для улучшения условий работы сети постоянного тока.
На ПС различают три группы потребителей постоянного оперативного тока:

1. потребители, включенные длительно; к ним относятся, например, реле контроля, реле-повторители и другие реле, постоянно обтекаемые током; характеризуются длительным током;
2. потребители, подключаемые при исчезновении переменного тока длительностью до 0,5; 1,0; 2,0 ч; к ним относятся лампы аварийного освещения, резервные устройства связи, масляные насосы синхронных компенсаторов и др.; характеризуются аварийным током;
3. потребители, подключаемые кратковременно, с толчком тока длительностью до 9 с (электромагнитные приводы разного рода выключателей, осциллографы); характеризуются толчковым током.

Работу всех трех групп потребителей постоянного оперативного тока на ПС обеспечивают зарядно-подзарядные выпрямительные агрегаты (далее сокращенно - выпрямительные агрегаты) и аккумуляторные батареи (АБ), устанавливаемые на ПС в качестве источников постоянного оперативного тока. На ПС применяются почти исключительно кислотные АБ, состоящие из отдельных стационарных свинцово-кислотных аккумуляторов типа СК (в открытых сосудах) или типа СН (в герметически закрытых сосудах с фильтром-пробкой, задерживающей аэрозоли серной кислоты). Номинальное напряжение кислотного аккумулятора равно 2 В.
Характеристики стационарного свинцово-кислотного аккумулятора в открытом сосуде типа СК-1 приведены ниже:

Характеристики стационарного свинцово-кислотного аккумулятора в герметически закрытом сосуде типа СН-1 приведены ниже:

Номинальная емкость (или количество электричества) Q аккумулятора - это наибольшее допустимое значение количества электричества, отдаваемого аккумулятором при 10-часовом его разряде. Аккумулятор с типовым номером 1 имеет номинальную емкость 36 А-ч для СК-1 и 72 А·ч для СН-2 (СН-1 отсутствует). Номинальная емкость аккумулятора с другим типовым номером Qn определяется путем умножения номинальной емкости аккумулятора с типовым номером 1 (Q1) на типовой номер аккумулятора N:Qn = Q\N.
Допустимое значение длительного разрядного тока аккумулятора любого номера получается также умножением соответствующего номера аккумулятора на значение тока для аккумулятора с номером 1.
Для аккумуляторов типа СК и СН кратковременный разрядный ток (до 5 с) должен быть не более 250% одночасового разрядного тока. Наименьшее допустимое напряжение в конце разряда составляет 1,75 В на элемент.
Обычно АБ на ПС работает в режиме постоянного подразряда, как правило, на напряжении 220 В, при стабильном напряжении (2,2±0,05) В на элемент, без элементного коммутатора, без периодических тренировочных разрядов и уравнительных переразрядов. При этом заряд заряженной АБ производится 1 раз в 3 мес напряжением 2,3 В на элемент, продолжительностью не менее 6 ч до установившейся плотности электролита, равной 1,2-1,21 г/см3. После установки АБ должен быть произведен ее формировочный заряд согласно заводским инструкциям, определяющие ток и напряжение. До ввода в эксплуатацию АБ должна быть подвергнута трем “тренировочным” циклам “заряд-разряд”. При этом конечное напряжение при разряде должно быть не менее 1,75 В на элемент.
Аккумуляторная батарея на ПС работает параллельно с выпрямительным агрегатом в нормальном и аварийном режимах. Нормальный режим работы АБ осуществляется при наличии на шинах собственных нужд ПС переменного тока. При этом вся длительная нагрузка постоянного тока питается от выпрямительного агрегата. В это время АБ не разряжается и потребляет наибольший ток из сети переменного тока только для компенсации саморазряда. При срабатывании электромагнитных приводов выключателей АБ принимает на себя питание этих кратковременных, до 5 с, нагрузок, так как выпрямительный агрегат такие нагрузки не может обеспечить. В аварийном режиме, т.е. в режиме разряда, АБ работает при обесточенном подразрядном агрегате в результате исчезновения переменного тока в сети собственных нужд

ПС. При этом АБ питает потребителей постоянного тока и обеспечивает возможность включения и аварийного отключения любого выключателя или группы выключателей. Значение разрядного тока для аккумуляторов ограничивается уровнем напряжения на шинах батареи при расчетной длительности разряда. Расчетная длительность аварийного режима для всех потребителей постоянного тока ПС, кроме средств связи и телемеханики, составляет 0,5 ч, а для устройств связи и телемеханики - 1 или 2 ч в зависимости от числа источников питания (1,0 ч - для АБ, состоящей из одной группы аккумуляторов, 2,0 ч - для АБ, состоящей из двух групп аккумуляторов). Расчетное напряжение на аккумуляторе - не ниже 1,75 В на элемент.
Аккумуляторная батарея, работающая в нормальном или аварийном режиме, должна обеспечивать надежное питание потребителей постоянного тока, и исходя из этого число элементов и номер АБ должны выбираться с учетом следующих основных требований:
при нормальном режиме работы АБ (в режиме подзаряда и дозаряда) напряжение на электромагнитах отключения выключателей при одновременном отключении максимально возможного количества выключателей данной ПС (действия устройства резервирования отказа выключателей, срабатывания защиты шин или защиты трансформаторов при схеме трансформатор - шины и т. п.) должно быть не ниже минимального значения, при котором обеспечивается отключение выключателей с номинальным временем. Допустимые пределы напряжения приемников постоянного тока даны в табл. 8.3. Во время срабатывания электромагнитов отключения напряжение на шинах питания устройств релейной защиты и автоматики не должно быть ниже 0,8 номинального значения;
в нормальном режиме работы напряжение на устройствах релейной защиты, автоматики и связи не должно превышать 1,05  (231 В); в режиме дозаряда для ограничения уровня напряжения на шинах управления предусматривается переключение минусовой шинки на 100-й элемент;
в режиме подзаряда и дозаряда напряжение на зажимах включающих электромагнитов, ближайших к АБ, во избежание чрезмерно больших ударных усилий на включающий механизм не должно превышать 1,05. Режимы работы системы постоянного тока приведены на рис. 8.7; VD3 обозначено отдельное выпрямительное устройство, позволяющее подзаряжать элементы АБ с номером более 106 или более 100;
при аварийном режиме работы АБ после получасового аварийного разряда напряжение на наиболее мощном электромагните включения наиболее удаленного выключателя не должно быть в момент его включения меньше минимально допустимого, а напряжение на шинах, от которых питаются устройства релейной защиты, автоматики и телемеханики, при включении ближайшего к аккумуляторной батарее выключателя с наиболее мощным электромагнитом включения не должно быть меньше 0,8 номинального.

Таблица 8.3. Допустимые пределы напряжения приемников постоянного тока, % номинального

Задачей расчета установки постоянного тока является выбор емкости и числа элементов АБ, а также определение сечений кабелей к включающим и отключающим электромагнитам.
При выборе АБ, как правило, определяющим фактором является включение одного наиболее мощного масляного выключателя или одновременное отключение группы выключателей, что может иметь место как в нормальном, так и в аварийном режиме работы АБ, при этом толчковые токи, достигающие нескольких сотен ампер, накладываются на длительные и аварийные нагрузки и вызывают значительные понижения напряжения на шинах постоянного тока, в большой мере определяя выбор АБ.
Общее число элементов АБ в зависимости от токов включающих электромагнитов выключателей и условий обеспечения требующегося напряжения должно приниматься равным 106, 120, 128 и 140. При выборе АБ следует отдавать предпочтение схеме с числом элементов 106, так как она проще и удобнее в эксплуатации и позволяет отказаться от применения балластного регулируемого сопротивления.

Схемы управления, сигнализации и автоматизации

Рис. 8.7. Режимы работы системы постоянного тока:
а - постоянный подразряд при 2,18 (2,2) ± 0,05 В/эл; б - аварийный разряд при 2,05-1,93 В/эл; в - дозаряд при 2,3 В/эл;
г - формировка при 2,7 В/эл и менее

В соответствии с нормами технологического проектирования на ПС с напряжением до 330 кВ устанавливается одна АБ, в этом случае при ремонте АБ шины постоянного тока временно питаются только от выпрямительного устройства (считается, что отключение переменного тока на ПС практически не может совпасть с временем ремонта АБ). На время ремонта АБ автоматический ввод резервного питания шин собственных нужд должен быть всегда в работе. При соответствующем обосновании на ПС 110-330 кВ допускается взамен одной батареи устанавливать две меньшей емкости. На ПС 500 кВ и выше должны устанавливаться всегда две АБ. При этом резервирование всей нагрузки одной батареи другой батареей, как правило, не предусматривается. На ПС с двумя АБ устанавливается два щита постоянного тока.
Для параллельной работы с АБ, а также ее подзаряда и заряда применяются выпрямительные агрегаты с автоматической стабилизацией напряжения и тока, которые должны выполнять следующие функции:
в режиме постоянного подразряда при стабильном напряжении 2,2+0,05 В на элемент обеспечивать подзаряд аккумуляторов для компенсации их самозаряда и питание длительной нагрузки, автоматически поддерживая стабильное напряжение на шинах постоянного тока независимо от нагрузки;
производить заряд АБ после аварийного разряда, обеспечивая возврат АБ в течение 6-8 ч не менее 90% израсходованной емкости;
в режиме дозаряда АБ (1 раз в 3 мес.) напряжением 2,3 В на элемент продолжительностью не менее 6 ч обеспечивать питание постоянных нагрузок и номинальный дозаряд при стабильном напряжении, при этом во избежание недопустимого повышения напряжения на шинках управления последние на все время дозаряда переключаются на 100 элементов
производить первый формовочный заряд АБ, выполняемый после ее монтажа или после капитального ремонта действующей АБ (в случае замены вышедших из строя пластин новыми).
Все указанные требования к выпрямительным агрегатам должны выполняться вне зависимости от того, какое количество элементов и какую емкость имеет АБ. В качестве выпрямительного агрегата может быть использован агрегат типа ВАЗП 480/260-40/80, выполненный на кремниевых полупроводниках с автоматической стабилизацией напряжения. Технические данные агрегата приведены в табл. 8.4.
Во втором исполнении этого агрегата установлен дроссель для снижения пульсации в цепях оперативного тока при параллельной работе агрегата с АБ в режиме подзаряда до значения не более 3%.
Выпрямительный агрегат ВАЗП 380/260-40/80 обеспечивает постоянный подзаряд АБ из элементов СК и СН до 20-го номера включительно, их дозаряд и питание длительной нагрузки постоянного тока в объеме, встречающемся на ПС. При более высоких токах нагрузки, чем допустимо по номинальным данные агрегата, следует включать два агрегата параллельно. Для АБ напряжением 220 В, используемых на ПС, устанавливаются два агрегата -рабочий и резервный. В режиме заряда АБ агрегаты включаются на параллельную работу. Расчетные токи работы выпрямительного агрегата для разных режимов работы АБ вычисляются следующим образом: постоянного подзаряда  + 0,15 N; дозаряда + 0,3 N, заряда + 2 N где Iдл - длительный ток нагрузки на АБ; N - принятый номер АБ.
Таблица 8.4. Технические данные выпрямительного агрегата ВАЗП 380/260-40/80

В качестве источника оперативного постоянного тока на ПС используются также шкафы управления серии ШУОТ-02. В состав шкафа входят аккумуляторная батарея, выпрямительные устройства для подзаряда АБ (ПЗУ), аппаратура управления и сигнализации.
Техническая характеристика шкафа
Напряжение питания.................................................................................. 220 или 330 В
Частота сети................................................................................................. 50 или 60 Гц
Номинальный выходной ток ПЗУ............................................................ 20 А
Диапазон регулирования выходного напряжения при отключенной АБ                  50-240 В
То же при параллельной работе АБ и ПЗУ.............................................. 220-240 В
Максимальная потребляемая мощность................................................... 9,6 κΒ·Α
Количество подзарядных устройств......................................................... 2
Количество отходящих линий.................................................................. 12
Электрическая схема ШУОТ обеспечивает питание цепей постоянного тока (от ПЗУ при аварийном отключении одного из вводов, от АБ при аварийном отключении обоих вводов, от ПЗУ при аварийном отключении АБ), параллельную работу обоих ПЗУ, а также постоянный подзаряд АБ от ПЗУ.
При малой нагрузке работает одно ПЗУ, а второе работает в режиме холостого хода; после полной загрузки одного ПЗУ по току начинает загружаться второе.
Шкаф ШУОТ-02 обеспечивает: эксплуатацию АБ в режиме подзаряда, возможность питания 12 линий постоянного тока при суммарной нагрузке не более 20 А, защиту отходящих линий от коротких замыканий, селективную с выключателями ПЗУ и АБ, контроль и измерение сопротивления изоляции цепей оперативного тока, сигнализацию световую и посредством указательных реле.
Шкаф ШУОТ-02 с 1989 г. комплектуется АБ типа ССАП-80, имеющими срок службы не менее 5 лет.
В качестве примера на рис. 8.8 приведена принципиальная схема включения АБ, имеющей более 106 элементов, как более сложная. На схеме показано, что на шинку - EY выводится 106-й элемент АБ, на шинку (-ΕΥ) - последний элемент АБ, например 128-й. Поэтому напряжение на шинке (-ΕΥ) повышенное. К шинке - ΕΥ подключаются цепи управления и сигнализации, релейной защиты и автоматики, электромагниты приводов выключателей, не требующих для своего надежного питания повышенного напряжения на шинах постоянного тока, резервный агрегат связи, аварийное освещение и др. К шинке (-ΕΥ) повышенного напряжения подключаются цепи включения мощных приводов выключателей, требующих для своего надежного питания с учетом потерь в кабелях повышенного напряжения на шинах постоянного тока.
В режиме дозаряда АБ, который производится напряжением 2,3 В на элемент, напряжение на шинках - ΕΥ и (-ΕΥ) соответственно увеличивается, что для шинки - ΕΥ недопустимо. Поэтому во избежание повышения напряжения на приемных устройствах свыше номинального в режиме дозаряда питание шинки переводится на 100-й элемент АБ.
Из-за наличия ответвления от 106-го элемента различные участки АБ оказываются неодинаково нагруженными, в результате чего имеют место неодинаковый разряд этих участков и различные условия их последующего заряда.
Для того чтобы этого избежать, предусмотрен отдельный выпрямительный агрегат VD3, который обеспечивает одинаковые условия для работы всех элементов АБ.
На присоединениях щита постоянного тока устанавливается аппаратура, обеспечивающая оперативные и неоперативные коммутационные операции и защиту отходящих кабелей. Аппаратура выбирается по рабочему току (для длительных нагрузок), напряжению, динамической стойкости и защитным характеристикам. В цепях АБ, выпрямительных агрегатов, питания электромагнитов масляных выключателей и шинок управления устанавливаются селективные автоматические выключатели или предохранители. Селективность работы обеспечивается разными уставками срабатывания, которые на питающих линиях больше, на отходящих - меньше. С учетом особой ответственности приемников, подключенных к шинам постоянного тока, питание их должно быть выполнено с повышенной надежностью. Для этой цели предусматривается питание по двум кабелям от разных систем шин.