РЗА 2008. 032.ЭЛНАП - 001. ЭЛНАП СОПТ БОРИСОВ - Диагностика системы оперативного постоянного тока

Надежность функционирования энергообъекта зависит от состояния системы оперативного постоянного тока (СОПТ). Нарушения в работе СОПТ могут привести к тяжелым последствиям: повреждению первичного и вторичного оборудования, неправильной работе устройств РЗА и т.п. Необходимо проводить проверку состояния СОПТ на этапе приемо-сдаточных испытаний и в процессе эксплуатации, оперативно устраняя выявленные недостатки. 
В ОАО «МОЭСК» службой РЗ и ВЭС было разработано Техническое задание (ТЗ) на проведение комплексной диагностики СОПТ. Сотрудниками НПФ ЭЛНАП в соответствии с ТЗ была осуществлена проверка состояния СОПТ на 70 действующих подстанций и на 2 вновь строящихся подстанциях на этапе приемо-сдаточных испытаний. Ни на одной из проверенных подстанций состояние СОПТ нельзя признать удовлетворительным. Для устранения выявленных недостатков на 10 подстанциях были выполнены ремонтные работы и проведена послеремонтная диагностика СОПТ. 
Методика диагностики системы оперативного постоянного тока. Для определения состояния СОПТ применяется комплексная расчётно-экспериментальная методика, включающая следующие виды измерений и расчетов. 
1. Составление исполнительной схемы щита постоянного тока (ЩПТ) и токораспределительной сети (главного щита управления, релейного щита, КРУ-6, 10кВ, ОРУ-35, 110, 220кВ). На схеме указываются параметры защитных коммутационных аппаратов (тип, номинальный ток контактов, уставки теплового (ТР) и электромагнитного (ЭМР) расцепителей), марки проводников и кабелей с указанием их сечения и длины.
2. Расчёт токов короткого замыкания (КЗ) для нормального и ремонтного режимов работы СОПТ с помощью компьютерной программы GUDCSETS «Расчет коротких замыканий в электроустановках постоянного оперативного тока напряжением 24 - 220В». 
3. Проверка отключающей способности установленных в ЩПТ автоматических выключателей и плавких предохранителей для расчётных значений токов металлических КЗ (режим максимальных токов) на шинах ЩПТ или на вводных клеммах батарейного защитного аппарата.
4. Проверка чувствительности защитной коммутационной аппаратуры для расчётных значений токов дуговых КЗ в конце защищаемых ими кабельных линий (режим минимальных токов). 
Коэффициент запаса выбирается из соотношения:
I к..з. / I уст. ЭМР = 1,13÷1,43
При отсутствии достоверных данных о разбросе параметров срабатывания проверяемого автоматического выключателя, коэффициент запаса принимается равным 1,5.
Для плавких предохранителей (ПП) коэффициент запаса принимается равным 5 исходя из требований пожарной безопасности.
5. Проверка термической стойкости кабелей для металлических КЗ в начале линий (режим максимальных токов) при максимально возможной начальной температуре кабелей (+40 ºС в летний период времени) за время срабатывания ЭМР основной защиты (не менее 0,1с). Для линий, защищённых плавкими предохранителями, термическая стойкость проверяется за время срабатывания (сгорания) плавкого предохранителя, которое определяется по его время-токовой характеристике.
6. Проверка невозгораемости кабелей при отказе основной защиты и срабатывании резервной для металлических КЗ (режим максимальных токов) при максимально возможной начальной температуре кабелей (+40 ºС). Расчетная продолжительность КЗ, при проверке невозгораемости кабелей, задается исходя из полного времени отключения КЗ резервной защитой. 
7. Проверка селективности защитных аппаратов в диапазоне расчётных значений токов металлических и дуговых КЗ для нормального и ремонтного режимов работы оборудования с помощью компьютерной программы DCSelective «Моделирование время-токовых характеристик автоматических выключателей и предохранителей на постоянном токе». На карты селективности наносятся измеренные значения токов КЗ. 
8. Проверка состояния контактных соединений в характерных точках токораспределительной сети СОПТ на основе сравнения расчётных и измеренных значений токов короткого замыкания. Состояние контактных соединений считается неудовлетворительным при расхождении между расчётными и измеренными значениями токов КЗ более 20%.
9. Определение технического состояния аккумуляторной батареи (АБ) путем измерения внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи двухимпульсным методом при выключенных подзарядных устройствах в соответствии с методикой [1, 2]. Из соотношения среднего измеренного и паспортного значений сопротивлений элемента АБ (с учётом коэффициента приведения удельного сопротивления аккумулятора к температуре, при которой проводились измерения) рассчитывается ёмкость АБ. Выявляются неисправные элементы АБ посредством поэлементного измерения напряжений. Проводится внешний осмотр элементов АБ для определения наличия осадка, газовыделения в банках, сколов и грязи на поверхности.
10. Проверка работоспособности подзарядных устройств посредством регистрации токов и напряжений в цепи устройств, а также процесса запуска резервного подзарядного устройства при отключении (отказе) основного. Измерение уровня пульсаций тока в цепи АБ и пульсаций напряжения на шинах ЩПТ при работе каждого подзарядного устройства.
11. Измерение ёмкости сети на «землю» путем подключения резистора между отрицательным (положительным) полюсом и «землёй» и регистрации переходного процесса. 
12. Проверка работоспособности устройства контроля изоляции при подключении резистора сопротивлением 10 кОм между отрицательным (положительным) полюсом и «землёй» (по срабатыванию звуковой сигнализации).
13. Проверка работоспособности защитных коммутационных аппаратов (автоматических выключателей (АВ) с помощью устройства «САТУРН-М1» и нагрузочного трансформатора на переменном токе в соответствии с рекомендациями 3-8. Измеренные значения тока срабатывания АВ умножались на поправочный коэффициент kп. Для АВ типа АП50, в соответствии с его паспортными характеристиками, применялся kп = 1,25, для остальных АВ kп = 1,3÷1,5. Критерием работоспособности АВ являлось соответствие измеренных значений тока срабатывания ЭМР и времени отключения АВ его паспортным времятоковым характеристикам на постоянном токе. Проверка проводилась в соответствии с нормативными документами [4, 5].
14. Измерения уровней кондуктивных помех в токораспределительной сети СОПТ с помощью цифрового запоминающего осциллографа Fluke 199С на шинках ШУ панелей ГЩУ и РЩ (между положительным и отрицательным полюсами) в широком частотном диапазоне. 
15. Проверка выполнения условий ЭМС при имитации воздействия импульсного тока (с помощью измерительного комплекса ИК-1 и ИКП-1) на цепи СОПТ, находящиеся в распределительных устройствах (ОРУ, КРУ) и регистрации импульсных помех, проникающих в цепи РЗА (на ГЩУ и РЩ). По результатам измерений определяется коэффициент затухания импульса напряжения и амплитуда ожидаемого импульса напряжения в цепях РЗА. Заключение о выполнении условий ЭМС выдается на основании сравнения амплитуды ожидаемого импульса напряжения в цепях РЗА с предельно допустимой амплитудой импульса противофазного напряжения, наводимого в цепях РЗА в соответствии с требованиями нормативных документов [9, 10]. 
Результаты диагностики СОПТ. В результате проведенных измерений и расчетов были выявлены следующие недостатки.
1. Имеющиеся на объектах схемы СОПТ не полные и не соответствуют реальному исполнению. Как правило, это схемы из проектной документации, в которых отсутствуют дополнения и изменения, внесенные за время длительной эксплуатации подстанций (20-50 лет). 
Анализ исполнительных схем позволил установить на ряде подстанций следующие недостатки:
- в цепях управления ГЩУ и РЩ отсутствует секционирование, основные и резервные защиты запитаны по кольцевой схеме сразу от двух секций ЩПТ;
- основные и резервные защиты запитаны от одной секции шин, несмотря на наличие секционирования на РЩ;
- применяется последовательное соединение шин I и II секций ЩПТ, что делает невозможным проведения ремонтных работ на секции II без отключения секции I;
- цепи «ШУ» и «ШП» в распределительных устройствах (КРУ, ОРУ) работают с замкнутым кольцом питания;
- отсутствует резервирование питания цепей ШП на ОРУ (фидеры кольца подключены к одной секции ЩПТ);
- подзарядное устройство подключено к АБ до вводного (батарейного) защитного аппарата.
Обнаруженные недостатки приводят к снижению надёжности работы устройств РЗА и подстанции в целом.
2. В большинстве случаев измеренные значения токов металлических КЗ находятся в диапазоне между расчётными значениями токов металлических и дуговых КЗ. 
Наибольшие различия между расчётными и измеренными значениями имеют место в цепях «ШУ» ГЩУ, РЩ (до 380%), «ШП» в КРУ-6, 10кВ (до 580 %) и «ШП» ОРУ-110, 220кВ (до 356 %). 
Различие в значениях токов КЗ объясняется наличием плохих контактов (повышенных переходных сопротивлений) между элементами токораспределительной сети СОПТ (на клеммах АВ, врубных контактах рубильников, в клеммниках ячеек, держателях плавких предохранителей). На большей части подстанций используются соединения медных и алюминиевых проводников без стальных шайб и прокладок, что является нарушением требований ГОСТ 10434-82 [11].
В цепях питания приводов выключателей КРУ и ОРУ ток протекает лишь при включении приводов выключателей, т. е. «тренировка» контактов происходит эпизодически. Большая часть оборудования эксплуатируется в неотапливаемых помещениях или на открытых частях подстанций при повышенной влажности воздуха, что приводит к окислению контактов и значительному увеличению переходных сопротивлений. 
Данные процессы приводят к увеличению сопротивления отдельных участков цепи и, как следствие, к отказу включения высоковольтных выключателей в КРУ или на ОРУ. При снижении токов КЗ в цепях СОПТ ниже расчётных значений возможно несрабатывание расцепителей защитных аппаратов и повреждение кабельных линий и оборудования.
3. Чувствительность основных защит при возникновении дуговых КЗ не обеспечивается:
- на шинах ЩПТ (вводной АВ или ПП);
- в наиболее удалённых от источника питания ячейках КРУ-6, 10кВ или ОРУ-110, 220кВ (цепи «ШП») в рабочем и, особенно, в ремонтном режимах работы (АВ фидерной ячейки);
- в наиболее удалённых от источника панелях РЩ (АВ питания защит).
Расчётные значения токов дуговых КЗ в ячейках КРУ (ОРУ) или панелях РЩ изменяются в широких пределах (в первой и последней ячейках КРУ токи КЗ могут отличаться в 3-5 раз). 
Это обусловлено значительным увеличением сопротивления шлейфа проводов в ячейках по мере удаления от источника питания, так как проводка внутри ячеек выполнена кабелями, сечением существенно меньшим, чем магистральные линии. Шлейф выполнен в виде последовательно соединённых участков между ячейками, что приводит к суммированию переходных сопротивлений контактов по мере удаления ячейки от источника питания. 
4. Термическая стойкость не обеспечивается в цепях:
- «ШП» КРУ-6, 10кВ из-за использования в ячейках проводников малого сечения (типа ВВГ 2х2,5) и не срабатывания ЭМР аппаратов основной защиты (не обеспечивается чувствительность);
- «ШУ» ГЩУ из-за использования в панелях щита проводников малого сечения (типа ВВГ 2х2,5) и больших значений токов КЗ (до 1500А), в данном случае термическая стойкость не обеспечивается за время срабатывания ЭМР аппарата основной защиты.
Невозгораемость кабелей при отказе основных защит не обеспечивается в цепях: 
- «ШУ» ГЩУ или РЩ из-за использования для питания защит проводников малого сечения (типа ВВГ 2х2,5) и завышенных уставок ТР установленных в ЩПТ автоматических выключателей (100-250А);
- «ШУ» КРУ-6, 10кВ из-за неправильного выбора номиналов установленных в ЩПТ плавких предохранителей или завышенных уставок ТР расцепителей автоматических выключателей (60-250А); 
- «ШП» ОРУ-110кВ из-за использования в шкафах проводников малого сечения (типа ПВ2х6).
На участках цепи, где не обеспечивается термическая стойкость кабелей, возможно повреждение изоляции кабелей и возникновение замыкания на землю. При отказе основных защит - возгорание кабелей и возникновение аварийной ситуации.
5. Наличие неселективных защитных аппаратов выявлено на всех обследованных подстанциях. 
Причинами невыполнения требований селективности являются:
- использование в качестве аппаратов 1-ой и 2-ой ступеней защиты автоматических выключателей с одинаковым временем (одинаковыми задержками) срабатывания ЭМР в диапазоне токов КЗ (вводной АВ и АВ распределительных линий могут сработать одновременно);
- использование в качестве аппаратов защиты 2-ой и 3-ей ступеней защиты плавких предохранителей с близкими номинальными значениями токов (из-за частичного перекрытия времятоковых характеристик ПП могут сработать одновременно);
- использование в одной цепи в качестве аппаратов 2-ой и 3-ей (3-ей и 4-ой) ступеней защиты разнотипных аппаратов (например, ПП и АВ), в этом случае аппарат защиты 2-ой ступени сработает раньше аппарата защиты 3-ей ступени.
Последствиями невыполнения селективности может быть потеря питания:
- ЩПТ при КЗ на одной из распределительных линий;
- ОПУ или РЩ при КЗ в одной из панелей (отключение защит);
- секции КРУ при КЗ в одной из ячеек;
- части ОРУ при КЗ в одном из шкафов.
6. Больше, чем на половине обследованных подстанций процент неисправных АВ составляет от 2 до 100%.
Среди неисправностей можно выделить следующие:
- несрабатывание АВ по причине механических неисправностей (окисления и залипания главных контактов, разрегулирование);
- срабатывание ЭМР выше (ниже) нормы, т. е. измеренные ток и время срабатывания не соответствуют паспортной времятоковой характеристике.
На 40 подстанциях необходимо произвести замену всех АВ, так они выработали свой ресурс (20-25 лет) и нельзя гарантировать их надежную работу при дальнейшей эксплуатации.
7. Уровни кондуктивных помех в цепях питания ГЩУ или РЩ составляет 0,2 - 2,2В. В спектре помех преобладают составляющие 150 и 300Гц. Источником кондуктивных помех являются подзарядные устройства (ВАЗП, РТАБ). 
Устранение недостатков СОПТ. В 2007-2008 г.г. были проведены ремонтные работы на 10-ти подстанциях ОАО МОЭСК. Главной целью работ являлось устранение недостатков, выявленных в процессе диагностики СОПТ, и повышение надёжности работы подстанций. Были выполнены следующие работы:
- разработаны проекты реконструкции СОПТ с учётом обеспечения чувствительности и селективности защитных аппаратов и их отстройки от пусковых токов, термической стойкости и невозгораемости кабелей;
- произведена замена вводных защитных аппаратов (ПП, АВ) разъединителями с функцией защиты (РФЗ);
- в распределительных линиях (на ЩПТ) произведена замена защитных аппаратов, не отвечающих требованию селективности;
- произведена замена выработавших свой ресурс АВ предварительно проверенными в лабораторных условиях новыми АВ (цепи «ШУ» ГЩУ, РЩ, цепи «ШУ» и «ШП» КРУ-6, 10кВ, цепи «ШП» ОРУ-110, 220кВ);
- установлены устройства защиты от импульсных перенапряжений в ЩПТ;
- на отдельных участках сети произведена замена проводов и кабелей проводниками большего сечения с целью обеспечения их термической стойкости и невозгораемости;
- устранены места повышенных переходных сопротивлений между элементами токораспределительной сети СОПТ (зачищены и протянуты контакты, залужены медные проводники в местах контакта с алюминиевыми и т.д.);
- произведена замена рубильников в цепях приводов выключателей на ОРУ;
- установлены дополнительные разъединители с целью обеспечения секционирования шин ЩПТ (устранено последовательное соединение шин I и II секций);
- разомкнуты секционные выключатели и разъединители в КРУ и на ОРУ (разомкнуты кольца «ШП» и «ШУ»);
- произведена реконструкция питания релейного щита с обеспечением секционирования и резервирования (одной из подстанций кольцевая схема питания заменена радиальной);
- переподключено подзарядное устройство (РТАБ подключено после вводных РФЗ);
- произведена корректировка регулятора подзарядного устройства (ВАЗП);
- установлена световая сигнализация на панелях ЩПТ (для контроля срабатывания РФЗ).
В целях осуществления контроля состояния СОПТ после проведения ремонтных работ были произведены повторные измерения токов КЗ в контрольных точках сети. Результаты измерений для одной из подстанций представлены в таблице. 


п/п Точки измерений тока КЗ Расчётный ток металлического КЗ
А Измеренный
ток КЗ
до ремонта
А Процент
расхождения
до ремонта
% Измеренный
ток КЗ
после рем.
А Процент
расхождения
после ремонта
%
1 Шины ЩПТ 3345 2800 19 3200 4
2 КРУ-10кВ, цепи ШП (сек. 1) 1653-1304 847-406 95 - 221 1583-1110 4-15
3 КРУ-10кВ, цепи ШП (сек. 2) 1915-1483 508 192 - 277 1583-1312 11-17
4 КРУ-10кВ, цепи ШП (сек. 3) 1685-1344 462 191 - 265 1638-1247 3-7
5 КРУ-10кВ, цепи ШП (сек. 4) 1959-1483 726-423 170 - 251 1638-1378 7-11
6 КРУ-10кВ, цепи ШУ (сек. 1) 614-538 565-282 9 - 91 593-512 4-5
7 КРУ-10кВ, цепи ШУ (сек. 2) 662-579 254 128 - 161 611-554 4-6
8 КРУ-10кВ, цепи ШУ (сек. 3) 585-520 299 74 - 96 571-500 2-4
9 КРУ-10кВ, цепи ШУ (сек. 4) 548-628 221 148 - 184 601-523 4-5
10 ШУ РЩ (пан. 50) 244 134 82 220 10
11 ШУ РЩ (пан. 15) 191 145 32 178 7
12 ШУ ГЩУ (п. 5) 1358 598 127 1298 5
13 ШУ ГЩУ (п. 9) 1343 726 85 1326 2
Процент расхождения измеренных и расчётных значений токов КЗ в сети СОПТ после ремонта на подстанциях снижен с 21÷277% до 1÷18%. Полученные результаты свидетельствуют о высокой точности расчетной методики, реализованной в программе GUDCSETS, и качестве ремонтных работ. 
В результате ремонтных работ:
- устранена возможность возникновения пожаров на подстанциях за счёт обеспечения термической стойкости и невозгораемости кабелей;
- повышена надёжность работы установленных в цепях СОПТ защитных аппаратов при возникновении КЗ;
- снижена вероятность возникновения сбоев в работе и повреждений устройств РЗА при воздействии молниевых разрядов;
- повышена ремонтопригодность оборудования за счёт секционирования ЩПТ;
- повышена надёжность работы устройств РЗА за счёт секционирования и резервирования питания панелей РЩ;
- устранены причины несрабатывания приводов высоковольтных выключателей в КРУ и на ОРУ за счёт снижения сопротивления участков сети;
- устранены причины несанкционированного срабатывания вводных защитных аппаратов и обесточивания ЩПТ при возникновении КЗ в распределительных линиях;
- устранены причины несанкционированного срабатывания защитных аппаратов распределительных линий и обесточивания РЩ, ГЩУ, КРУ-6, 10кВ, ОРУ-110, 220кВ при возникновении КЗ в отдельных панелях и ячейках.
Выводы.
1. Полная и достоверная информация о состоянии СОПТ может быть получена при реализации комплексной расчетно-экспериментальной методики диагностик. Компьютерная программа GUDCSETS позволяет выполнять расчеты токов коротких замыканий в СОПТ, определить термическую стойкость и невозгораемость кабелей. Точность расчетов определяется, в основном, достоверностью исходных данных, которые определяются при составлении исполнительной схемы. Компьютерная программа DCSelective позволяет выполнять расчеты селективности защитных аппаратов. В базу данных программы введены время-токовые характеристики практически всех применяемых в СОПТ автоматических выключателей и предохранителей. При проведении измерений применяются как стандартные приборы, так и специально разработанные устройства, например, для измерения токов короткого замыкания. 
2. Состояние СОПТ на энергообъектах, находящихся длительное время в эксплуатации, как правило, неудовлетворительное. Для обеспечения надежного функционирования СОПТ и энергообъекта в целом, необходимо выполнять периодическую проверку СОПТ и ремонтные работы по устранению выявленных при диагностике неисправностей. Для вновь строящихся объектов целесообразно включить в приемо-сдаточные испытания комплексную диагностику СОПТ.

Литература
1. Гусев Ю. П., Дороватовский Н. М., Поляков А. М. Оценка технического состояния аккумуляторных батарей электростанций и подстанций в процессе эксплуатации. ЭЛЕКТРО, 2002, № 5. с. 34 – 38
2. ГОСТ Р МЭК 60896-2-99. Свинцово-кислотные стационарные батареи. Общие требования и методы испытаний.
3. Рекомендации по методам технического обслуживания автоматических выключателей, присоединений 0,4 кВ и средств релейной защиты, присоединений 6-35 кВ с использованием комплектных испытательных устройств серии САТУРН.М., ОРГРЭС, 1994 год.
4. Методические указанияя по эксплуатации автоматических воздушных выключателей серии АП50.
5. Методические указания по наладке и техническому обслуживания автоматических выключателей серии А3700.
6. ГОСТ Р 50345-99 (МЭК 898-87) Автоматические выключатели для защиты от сверхтоков бытового и аналогичного назначения. М.: Издательство стандартов, 1993 год.
7. ГОСТ Р 50030.2-99 (МЭК 947-2-89) Низковольтная аппаратура распределения и управления, часть 2. Автоматические выключатели. М., ГОССТАНДАРТ РОССИИ, 1994 год
8. Методические указания по техническому обслуживанию автоматических выключателей серий АЕ20, А3100. М.,ОРГРЭС,1991 год.
9. ГОСТ 29280-92 (МЭК1000-4-91). Совместимость технических средств электромагнитная. Испытания на помехоустойчивость. Общие положения.
10. ГОСТ Р 51317. 4.12-99 ( МЭК 61000-4). Совместимость технических средств электромагнитная. Требования и методы испытаний.
11. ГОСТ 10434-82. Соединения контактные электрические. М., Издательство стандартов, 1981 год.

подписка на новости
 
информационные спонсоры и партнёры ГК ЭВР
 
сотрудничество
 
ВСЕ ПРАВА ЗАЩИЩЕНЫ © 2003—2011 ГК ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ВЫСТАВКИ РОССИИ