Оптимальное секционирование воздушных распределительных сетей 6…10 кВ в условиях нормирования показателей надежности (стр. 32 )

Особенности функционирования и эксплуатации современных коммутационных и защитных аппаратов наружной установки, применяемых в воздушных распределительных сетях 6...10 кВ

Очевидно, что снижение времени перерывов в электроснабжении узлов нагрузки, которые вызываются как аварийными, так и преднамеренными отключениями, непосредственно влияет на объем электроэнергии, недоотпущенной потребителям. В ВРС 6...10 кВ данная цель может быть достигнута различными путями: секционирование линий за счет применения современных коммутационных аппаратов; автоматизация электрических сетей; оптимизация работы оперативных выездных бригад; расширение номенклатуры и объема работ, выполняемых без снятия напряжения; совершенствование методов планирования работ, связанных с техническим обслуживанием и ремонтом оборудования.

Долгие годы в отечественных энергокомпаниях основным коммутационным аппаратом, используемым для секционирования ВРС 6...10 кВ, являлись разъединители серии РЛНД-10. Сложности, возникающие при их эксплуатации, связывались, в первую очередь, со следующими факторами:

1. Существенным недостатком фарфоровых стержневых изоляторов [240], которые применялись на разъединителях РЛНД, является то, что его несущее тело воспринимает все механические нагрузки. В случае, если нагрузка на изолятор превышает допустимый уровень, происходит хрупкий излом фарфоровой части и падения остатка изолятора вместе с ножом разъединителя на землю. Учитывая, что механическое воздействие на изолятор, в основном, возникает в момент операции по разъединению фаз оператором, находящимся под опорой с установленным РЛНД, это создает угрозу травмирования персонала.

2. Недостатками штатной конструкции ножей разъединителей РЛНД, выполненных из алюминия, армированного медными пластинами холодной сваркой методом локального вдавливания, являются [241] интенсивная электрохимическая межслойная коррозия и высокое (от 70 мкОм и выше) переходное электрическое сопротивление. Как правило, такие контакт-элементы выходят из строя после одного года эксплуатации, особенно в зонах морских побережий и районах активных промышленных загрязнений из-за отслоения медной пластины при ее минимальном контактном износе. Лужение контактной поверхности алюминиевого ножа разъединителя РЛНД оловянисто-цинковым припоем не решает проблему обеспечения высокой эксплуатационной надежности, так как переходное электрическое сопротивление восстановленного контакт-элемента остается высоким, а максимально допустимый длительный ток составляет 90 % от паспортного значения.

3. Несовершенная конструкция и, как правило, низкое качество изготовления деталей и узлов кинематической передачи [242].

Появившиеся новые разъединители серии РЛК обладают рядом важных преимуществ [243]: стойкое антикоррозионное покрытие всех частей разъединителя; установка на каждом полюсе дополнительных независимых изоляторов, исключающих схлестывание и излом проводов, что было одним из недостатков разъединителей типа РЛНД; токоведущие части выполнены из меди с покрытием гальваническим оловом, что исключает окисление контактов даже в увлажненном или загрязненном состояниях и позволяет увеличить жизненный цикл данных аппаратов до 10000 срабатываний; разъединитель можно устанавливать на опоре как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости; контактные части (ножи) защищены кожухами, что обеспечивает работоспособность оборудования при толщине корки льда до 20 мм.

Управление разъединителем РЛК осуществляется ручным приводом, который сконструирован таким образом, что не требует дополнительной смазки за весь период эксплуатации благодаря применению полимерных втулок [243]. При этом во включенном состоянии ручка привода защищена кожухом, запираемым на замок.

Относительно новым оборудованием на отечественном рынке являются предохранители-разъединители выхлопного типа наружной установки (например, серии ПРВТ-10), которые уже давно хорошо себя зарекомендовали во многих энергокомпаниях мира [244]. Данное оборудование предназначено для защиты трансформаторов и распределительных сетей от коротких замыканий (к. з.) и перегрузок, а также создания видимых разрывов в электрических цепях, отключения участков сети со снятой нагрузкой, но находящихся под напряжением.

Предохранители выполняются в виде однополюсного аппарата, состоящего из фарфорового изолятора, на концах которого на армированных кронштейнах закреплены контактные системы, где устанавливается держатель заменяемого элемента. Труба заменяемого элемента (патрона) выполнена из армированного газогенерирующего материала, который имеет не только хорошие изоляционные свойства и дугогасящую способность, но и высокую механическую прочность.

При протекании тока короткого замыкания или предельного тока перегрузки плавкий элемент, а после него и натяжное устройство заменяемого элемента, плавятся и возникает электрическая дуга, которая растягивается движущимся под действием пружины проводником. Удлиняющаяся дуга, соприкасаясь со стенками фибровой трубки, образует большое количество газов, которые обдувают дугу и, таким образом, способствуют ее гашению. После перегорания плавкой вставки держатель заменяемого элемента предохранителя-разъединителя автоматически отбрасывается, тем самым создавая видимый разрыв [244].

Заменяемые элементы выполняются с двумя типами время-токовых характеристик: «быстрые» и «медленные». Использование элементов с медленными характеристиками позволяет реализовать совместную работу предохранителей-разъединителей и реклоузеров, о чем речь пойдет ниже.

Операции включения, отключения, снятия и установки патрона осуществляются вручную с земли при помощи специальной изолирующей штанги, позволяющей производить любые операции даже при влажной погоде и под дождем. Важными характеристиками предохранителей-разъединителей являются видимая сигнализация его срабатывания в режиме предохранителя и возможность многократного использования патрона, поскольку в случае необходимости замене подлежит только заменяемый элемент.

В настоящее время многими производителями выпускаются выключатели нагрузки столбовые (часто называемые выключатели нагрузки-разъединители), предназначенные для установки на опорах любого типа ВЛ номинальным напряжением до 35 кВ. Они выпускаются нескольких типов: элегазовые, вакуумные, с воздушной изоляцией; рассчитаны как на ручное управление (посредством изолирующей штанги), так и на использование специального привода, не требующего обслуживания в течение всего срока эксплуатации; могут иметь ножи, расположенные в вертикальной или горизонтальной плоскостях.

Выключатели с воздушной изоляцией, по сути, представляют собой линейный разъединитель, оснащенный простейшим дугогасительным устройством, содержащим минимально возможное количество подвижных элементов и имеющие коммутационный ресурс до 5 000 рабочих циклов. Элегазовые выключатели располагаются в стальном или алюминиевом герметичном баке, что исключает влияние любых атмосферных факторов на его работу. На баке также имеется хорошо видимый с земли оптический указатель положения аппарата и состояния газа.

С точки зрения повышения надежности распределительных сетей наиболее эффективный способ использования выключателей нагрузки является их размещение в точках подключения резервного питания, как это, например, демонстрирует опыт Финляндии [245]. Такое решение позволяет существенно уменьшить время, необходимое персоналу оперативно-выездных бригад для подачи резервного питания потребителям отключившейся линии, т. к. для осуществления необходимых коммутаций не требуется отключать напряжение на резервной линии. В последнее время ведутся работы по оснащению данных выключателей внешними (устанавливаемыми на опоре) блоками телеметрического управления и передачи данных, указателями прохождения тока к. з., что позволит интегрировать их в различные автоматизированные системы управления режимами электрических сетей.

В последние годы энергокомпании экономически развитых стран мира активно насыщают свои сети автоматическими коммутационными аппаратами. Среди них особое место занимают реклоузеры, изначально создаваемые как пункты автоматического секционирования и автоматического ввода резерва для воздушных распределительных сетей. Данные устройства, как правило, столбового исполнения, включают в себя два основных модуля – коммутационный, представленный высоконадежным, быстродействующим (время срабатывания до 40 мс) вакуумным или элегазовым выключателем, имеющим высокий коммутационный ресурс, и шкаф управления. Высокое быстродействие реклоузера позволяет легко интегрировать его в существующие сети, т. к. в большинстве случаев не требуется перенастройка (увеличения выдержки времени) защиты, установленной на головном участке линии.

Для реализации корректной работы реклоузера в нем предусмотрены: система измерений и первичного преобразования величин тока и напряжения (в ряде конструкций имеются возможности для фиксации фазных токов, а также фазных и линейных напряжений прямой и нулевой последовательности, коэффициента мощности, графиков активной и реактивной мощности при ее перетоках как в прямом, так и в обратном направлениях, объема пропущенной электрической энергии и т. д.); автономная система питания; микропроцессорная система релейной защиты и автоматики; устройство регистрации всех событий (включение, отключение, срабатывание защит и средств автоматики и т. д.); порты для подключения устройств телемеханики, что позволяет использовать реклоузер в системах телеизмерений, телесигнализации, телеуправления с возможностью применения самых разнообразных каналов связи; блок самодиагностики элементов; необходимое для функционирования реклоузера программное обеспечение.

Питание реклоузера осуществляется от трансформаторов собственных нужд устанавливаемых рядом с ним на опоре, или от малогабаритной аккумуляторной батареи, что позволяет сохранить работоспособность реклоузера в любых ситуациях. Реклоузеры могут выпускаться как в однофазном, так и в трехфазном исполнении. Важнейшей их характеристикой является возможность реализации функций децентрализованного управления воздушными распределительными сетями. Ключевым элементом, позволяющим реализовать данные функции, является микропроцессорный блок релейной защиты и автоматики. В частности, в реклоузерах серии РВА/TEL-10-16/630 производства компании Таврида Электрик предусмотрено 4 независимых группы уставок релейной защиты, что позволяет менять настройки защиты при планируемых изменениях режима сети. Для каждого набора уставок предоставляется возможность использования различных функций релейной защиты и автоматики [246].

Мировой опыт свидетельствует, что многие энергокомпании, имеющие в своей структуре протяженные и достаточно разветвленные воздушные распределительные сети, пытались повысить их надежность путем защиты всех ответвлений предохранителями. Далеко не всегда такое решение давало положительный результат, учитывая, что в воздушных сетях объем неустойчивых повреждений существенно выше, чем устойчивых. Данные обстоятельства часто были причиной необоснованных отключений потребителей. Согласовать же работу предохранителей с условиями функционирования средств релейной защиты и автоматики, установленными преимущественно на головных участках линий, было практически невозможно.

Совершенно иные условия работы средств защиты создаются при применении реклоузеров. Высокое быстродействие защиты и выключателя, установленных на реклоузерах, наличие элементов логического анализа, позволяют согласовать его совместную работу с предохранителями, размещенными на ответвлениях ВЛ. При возникновении к. з. на ответвлении в первом цикле автоматического повторного включения (АПВ) повреждение изолируется быстрым отключением реклоузера. На последующих циклах АПВ, когда можно считать повреждение на ответвлении устойчивым, реклоузер переходит на характеристику, согласованную с параметрами предохранителя [147], давая возможность перегореть его плавкой вставке (рис. В.1).

Возможность независимого задания уставок для каждой ступени защиты как для прямого, так и обратного направлений мощности позволяет эффективно использовать реклоузеры в схемах с автоматическим сетевым резервированием (рис. В.2), когда необходимо автоматически изменять уставки при переключении потребителей с основного на резервный источник питания.

1 – Совместная работа реклоузера и предохранителей:

П-Р – предохранитель-разъединитель; Рек – реклоузер; П – времятоковая характеристика (ВТХ) предохранителя; Быстрая кривая, Медленная кривая – ВТХ реклоузера до и после первого цикла АПВ; ЦП – центр питания; УН – узел нагрузки

2 – Схема с автоматическим сетевым резервированием:

а – нормальное состояние (реклоузер 2 отключен);

б – послеаварийное состояние

И, наконец, очень важным качеством реклоузеров является отсутствие необходимости в текущих и капитальных ремонтах на протяжении всего срока их службы.

Еще в 70-х годах прошлого века в отечественных научно-технических публикациях было предложено использовать в воздушных распределительных сетях автоматические отделители в качестве эффективного средства повышения надежности электроснабжения. Вместе с тем, данные разработки так и не нашли широкого практического применения.

В то же время во многих зарубежных энергокомпаниях уже на протяжении длительного времени широко и успешно используется подобный коммутационный аппарат, получивший название секционалайзер (sectionalizer), для целей секционирования электрических сетей.

Автоматический линейный секционалайзер представляет собой коммутационный аппарат, не предназначенный для отключения токов к. з. и не имеющий в своем составе устройств релейной защиты и автоматики. Таким образом, отпадает необходимость в согласовании его защит с защитами, располагаемыми как на нижнем, так и на верхнем уровнях распределительных линий. Промышленность выпускает трехфазные и однофазные секционалайзеры. Последние предназначены, в основном, для установки в однофазных ответвлениях, где они размещаются за однофазными реклоузерами. Существует два типа данных устройств – гидравлические и электронные. Они принципиально не отличаются с точки зрения своего назначения, но имеют несколько отличные конструкции и характеристики, обуславливающие особенности их применения.

Действие секционалайзеров основано на отключении тока к. з. в безтоковую паузу на определенном цикле срабатывания АПВ ближайшего (в направлении источника питания) выключателя мощности или реклоузера. Важным элементом секционалайзера является логическое устройство, которое анализирует режим сети и генерирует сигнал на отключение устройства, учитывая следующие факторы.

Во-первых, необходимо быть уверенным, что повреждение произошло в линии за точкой установки секционалайзера. Данный факт подтверждается, если ток, проходящий через аппарат, превышает некоторое пороговое значение (обычно 160 % номинального тока секционалайзера).

Во-вторых, требуется убедиться, что повреждение не является неустойчивым. Это осуществляется путем подсчета количества срабатываний соответствующего реклоузера или выключателя мощности, установленных со стороны источника питания и оборудованных устройством многократного АПВ. Каждое отключение указанного коммутационного аппарата сопровождается снижением тока, проходящего через секционалайзер, ниже некоторого минимального порогового значения (для гидравлических секционалайзеров эта величина составляет 64 % от их номинального тока). Обычно повреждение считается устойчивым после 2,3 фактов фиксации снижения тока в цепи.

В-третьих, необходимо убедиться, что повреждение не изолируется защитными аппаратами (предохранителем или реклоузером), расположенными за секционалайзером. Соответствующее решение должно быть принято только на основании измерений, производимых в точке размещения секционалайзера. Именно этот этап анализа режима связан с возможностью ошибочного функционирования данного коммутационного аппарата.

Рассмотрим линию распределительной сети, в которой последовательно размещены реклоузер, гидравлический секционалайзер и предохранитель. В случае повреждения за предохранителем (т. е. со стороны потребителя) через все три аппарата протекает ток к. з. Секционалайзер при этом фиксирует протекание тока, превышающего установленный предел (обычно составляющий 160 % от номинального значения) и отсчитывает первый цикл АПВ. Реклоузер срабатывает в соответствии с «Быстрой кривой» его ВТХ, тем самым защищая предохранитель. После повторного включения на устойчивое к. з. описанная выше процедура повторяется и секционалайзер отсчитывает второй цикл АПВ. После еще одного включения реклоузера на устойчивое повреждение он отключается в соответствии с «Медленной кривой» его ВТХ, что приводит к перегоранию предохранителя. При этом через секционалайзер опять-таки протекает ток, значение которого выше порогового значения. Это фиксируется счетчиком секционалайзера и он отключается. Таким образом, одновременно отключенными оказываются и предохранитель и секционалайзер.

Теперь несколько изменим рабочие характеристики реклоузера. После первого цикла АПВ при повторном протекании по сети тока к. з. реклоузер отключается в соответствии с «Медленной кривой» его ВТХ, что приводит к перегоранию предохранителя. При этом, хотя секционалайзер и отсчитывает второй цикл АПВ, он все же остается во включенном состоянии. Таким образом, повреждение в сети будет локализовано только ближайшим к нему предохранителем.

Поведение указанных коммутационных аппаратов будет иным, если вместо гидравлического использовать электронный секционалайзер. Важным отличием последнего является маленькая величина минимального порогового значения тока, составляющего порядка 0,3 А. Следствием этого является то, что, например, в первом из рассмотренных выше примеров после третьего цикла АПВ и перегорания предохранителя ток, протекающий через секционалайзер, будет больше порогового значения и, таким образом, он не сработает. При этом повреждение будет изолировано от основной части сети только предохранителем.

В системах электроснабжения могут иметь место особые ситуации, при которых для корректного применения секционалайзеров требуется дополнительный анализ. Например, иногда ложные срабатывания секционалайзеров вызываются бросками намагничивающего тока в распределительных трансформаторах, величина которого превышает номинальный ток в несколько раз. При использовании электронных секционалайзеров сложности могут возникнуть, когда между ними и источником питания подключена мощная трехфазная двигательная нагрузка, т. к. в безтоковую паузу через секционалайзер может протекать ток, обусловленный наличием включенных перед ним двигателей. Если этот ток превышает минимальное пороговое значение, то логический блок секционалайзера будет работать некорректно. Также имеются особенности координации настроек реклоузеров при их каскадном применении. Опыт применения данного оборудования в электрических сетях подробно рассматривается в ряде публикаций, например [247].

В структуре суммарного времени восстановления электроснабжения значительную долю составляет время, необходимое для поиска места повреждения в распределительной линии. Ранее данная процедура состояла в объезде (или обходе) оперативным персоналом трасс ВЛ с визуальным контролем их состояния. Применяемые для этой цели технические средства (указатели к. з.) были несовершенны, что ограничивало их практическое применение.

Современные указатели короткого замыкания (УКЗ) позволяют определить направление поиска повреждения, что фиксируется различного вида индикаторами (светодиоды, стробоскопические лампы и т. д.), срабатывающими при протекании через данное устройство тока к. з. Они выполняются, как правило, однофазными с непосредственной подвеской на проводах ВЛ. Возврат УКЗ в исходное положение может происходить по факту появления в линии тока нагрузки или напряжения. Имеется возможность различать и по-разному визуализировать устойчивые и неустойчивые повреждения. Питание УКЗ осуществляется либо непосредственно от линии, либо от встроенных литиевых аккумуляторов.

Приложение Г

Пример получения альтернативных вариантов размещения в линии секционирующих устройств при выполнении итераций оптимизационного процесса

Пусть для линии, состоящей из магистрали и ТПРП (рис. Г.1-а), задана следующая дискретная последовательность СУ:

- для магистрали, включающей конец участка 0–1, начало и конец участков 1–2, 2–3 – РРУ, Рек;

- для ТПРП (начало участка 3–4) – РРУ, ВН-Р.

1 – Размещение СУ в линии

Тогда в процессе реализации предложенного алгоритма оптимального секционирования линии выполняются следующие 4 итерации:

- Итерация 1.

В соответствии с представленными выше замечаниями, возможные места установки СУ – начала участков магистрали.

Тогда рассматриваются (как альтернативные) следующие варианты:

а) установка РРУ в начале участка 1–2 (при этом, 1-я СЛ содержит участок 0–1 и узел 1, 2-я СЛ – участки 1–2, 2–3 и узлы 2 и 3);

б) установка РРУ в начале участка 2–3 (1-я СЛ содержит участки 0–1, 1–2 и узлы 1 и 2, 2-я СЛ – участок 2–3 и узел 3).

Пусть в результате выполнения 1-й итерации представленного выше алгоритма выбран наиболее рациональный вариант – РРУ размещается в начале участка 2–3 (рис. Г.1-б).

- Итерация 2.

Возможные места установки СУ – начала участков магистрали и ТПРП. Рассматриваются (последовательно обходя места установки СУ слева направо) варианты:

а) установка РРУ в начале участка 1–2;

б) замена РРУ в начале участка 2–3 на Рек;

в) установка РРУ в начале участка 3–4 (т. е. в ТПРП).

Пусть в результате выполнения 2-й итерации выбран оптимальный вариант – размещение РРУ в начале участка 3–4 (рис. Г.1-в).

- Итерация 3.

Возможные места установки СУ – начала и концы участков магистрали и ТПРП.

Рассматриваются варианты:

а) установка РРУ в конце участка 0–1;

б) установка РРУ в начале участка 1–2;

в) установка РРУ в конце участка 1–2;

г) замена РРУ в начале участка 2–3 на Рек;

д) установка РРУ в конце участка 2–3;

е) замена РРУ в начале участка 3–4 на ВН-Р.

Пусть в результате выполнения 3-й итерации выбран оптимальный вариант – замена РРУ в начале участка 2–3 на Рек (рис. Г.1-г).

- Итерация 4.

Возможные места установки СУ – начала и концы участков магистрали (за исключением начала участка 2–3, в котором уже установлено самое эффективное из дискретной последовательности СУ) и ТПРП.

Рассматриваются варианты:

а) установка РРУ в конце участка 0–1;

б) установка РРУ в начале участка 1–2;

в) установка РРУ в конце участка 1–2;

г) установка РРУ в конце участка 2–3;

д) замена РРУ в начале участка 3–4 на ВН-Р.

Пусть в результате выполнения 4-й итерации выбран оптимальный вариант – замена РРУ в начале участка 3–4 на ВН-Р (рис. Г.1-д).

Приложение Д

Акты внедрения результатов диссертационной работы