11 Источники оперативного тока
Назначение систем оперативного тока на станциях и подстанциях
Оперативный ток на станциях и подстанциях служит для питания вторичных устройств, к которым относятся оперативные цепи защиты, автоматики и телемеханики, аппаратура дистанционного управления, аварийная и предупредительная сигнализация, цепи управления выключателями, аварийное освещение, электроснабжение электродвигателей особо ответственных механизмов.
Проектирование установок оперативного тока сводят к выбору рода тока, расчету нагрузки, выбору типа источников питания, составления электрической схемы сети оперативного тока и выбору режима работы.
На электрических станциях применяется постоянный оперативный ток–система питания оперативных цепей, при которой в качестве источника питания применяются аккумуляторные батареи.
Переменный оперативный ток–система питания оперативных цепей, при которой в качестве основных источников питания используются измерительные трансформаторы тока защищаемых подсоединений, измерительные трансформаторы напряжения, трансформаторы собственных нужд. В качестве дополнительных источников питания импульсного действия используются предварительно заряженные конденсаторы.
Выпрямленный оперативный ток– система питания оперативных цепей переменным током, в которой переменный ток преобразуется в постоянный (выпрямленный) с помощью блоков питания и выпрямительных силовых устройств.
Смешанная система оперативного тока–система питания оперативных цепей, при которой используются разные системы оперативного тока (постоянный и выпрямленный, переменный и выпрямленный).
11.1 Переменный оперативный ток
Трансформаторы тока обеспечивают достаточно надёжное питания оперативных цепей во время КЗ, когда резко возрастает ток и напряжение на их зажимах.
Рисунок 39–Схема питания оперативных цепей от трансформатора тока
На рисунке 39 представлена схема включения реле максимальной токовой защиты с реле КА и электромагнита отключения YAT с дешунтированием катушки отключения. В нормальном режиме катушка электромагнита отключения зашунтирована, и трансформатор тока ТА нагружен небольшим сопротивлением реле КА. При КЗ реле КА срабатывает, подключает к своей катушке последовательно катушку электромагнита YAT и выключатель отключается.
Трансформаторы напряжения и собственных нужд, наоборот не пригодны для питания оперативных цепей при КЗ, так как при этом снижается напряжение в питающей сети, но они могут использоваться для управления аппаратами в режимах работы, близких к нормальным. Таким образом, каждый из рассмотренных источников переменного тока имеет ограниченную область применения и используется в качестве источника индивидуального децентрализованного питания.
Для оперативного управления в нормальных режимах трансформаторы тока не применяют, так как от них нельзя получить необходимой в этих случаях мощности.
Более универсальными являются источники комбинированного питания от трансформаторов тока ТА и напряжения TV одновременно(рисунок 40).
Рисунок 40–Принципиальная схема комбинированного питания оперативных цепей
Выпускаемые заводами блоки питания серии БПТ и БПН подключаются к трансформаторам тока и напряжения (иногда к трансформаторам С.Н.) соответственно.
Установленные в блоках питания выпрямители питают оперативные цепи суммированным оперативным током. Комбинированное питание по указанной схеме, хотя и универсально, но имеет ограничение по мощности. Оно пригодно для питания оперативных цепей защит, автоматики и управления легкими приводами (пружинными).
Помимо непосредственного отбора мощности от трансформаторов тока и напряжения на подстанциях широко применяют конденсаторные устройства, позволяющие использовать предварительно запасенную в них электрическую энергию для питания реле, приводов отделителей и выключателей.
Используются комплекты конденсаторов ёмкостью 40, 80 и 200 мкФ. Для их заряда применяют зарядные устройства, получающие питание от трансформаторов напряжения или собственных нужд в условиях нормального режима работы электроустановки. Схема включения конденсаторов показана на рисунке 41.
Рисунок 41–Схема включения конденсаторов с разделительными диодами
При замыкании контактов SB 1 или SB 2, ключа управления (или реле) к конденсаторам подключаются катушки электромагнитов управления YAT 1 или YAT 2, через которые проходит ток разряда, и электромагниты срабатывают. Диоды VD 1 и VD 2 обеспечивают разряд только своего конденсатора. Время заряда конденсатора зависит от их ёмкости и схемы зарядного устройства. С эти считаются при выборе продолжительности бестоковой паузы АПВ; она не может быть выбрана меньше времени заряда конденсаторов. Минимальное время определяется зависимостью t =0.6С/80, где С-емкость заряжаемых конденсаторов, мкФ; t- время заряда в секундах, с.
Для обеспечения надежной работы очень важно, чтобы конденсаторы находились в заряженном состоянии. Для этого необходимо следить за исправным состоянием самих конденсаторов, так и изоляции подключенных цепей. Опасна потеря питания со стороны переменного тока, так как при этом происходит разряд конденсаторов: через 1,5–2 минуты они уже не в состоянии обеспечить действие подключенных к ним электромагнитов приводов и реле. При снижении выходного выпрямленного напряжения зарядного устройства срабатывает специальное реле, которое подает сигнал оперативному персоналу о возникновении неисправности.
В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются комбинированные устройства типа БПЗ 401 (рисунок 42), являющиеся одновременно и зарядным устройством, и блоком питания нагрузки. Устройство состоит из промежуточного трансформатора напряжения TLV, выпрямителя VS, собранного по мостовой схеме, диода VD, препятствующего разряду конденсаторов при исчезновении напряжения питания, реле KL, предназначенного для контроля напряжения на выходе блока, конденсатора С1, защищающего выпрямитель от перенапряжений, конденсатора С2 и резистора R , обеспечивающего нормальную работу реле KL.
Рисунок 42–Принципиальная упрощенная схема устройства БПЗ 401
Для питания электромагнитов включения приводов выключателей, потребляющих токи, значение которых достигает сотен ампер, применяют комплектные устройства питания серии УКП, подключенные к трансформаторам С.Н. Эти устройства преобразуют переменный ток в постоянный и используются на подстанциях, где нет аккумуляторных батарей или мощность их недостаточна.
На рисунке 43 показана схема питания оперативных цепей, цепей сигнализации, а так же аппаратуры ТУ-ТС-ТИ на переменном токе от двух раздельно работающих трансформаторов С.Н.
Питание осуществляется через блок АВР и стабилизатор TSV, чтоб колебания напряжения в сети С.Н. не отражалось на работе аппаратуры цепей управления. Цепи оперативной блокировки получают питание от блока UGV. Мощные электромагниты включения приводов выключателей питаются от комплексных устройств питания UG 1 и UG 2, которые на стороне выпрямленного напряжения работают на общие шины.
Рисунок 43–Схема питания оперативных цепей на переменном токе
11.2 Постоянный оперативный ток
Основным источником постоянного оперативного тока служат свинцово-кислотные аккумуляторные батареи с зарядным устройством напряжением 110 или 220 В. Они обеспечивают питание оперативных цепей реле защиты, автоматики, электромагнитов отключения и включения коммутационных аппаратов, цепей сигнализации. От аккумуляторных батарей питаются устройства связи, аварийное освещение, двигатели резервных маслонасосов синхронных компенсаторов. На мощных подстанциях устанавливают по две и более независимо работающих аккумуляторных батарей.
11.3 Аккумуляторные батареи
На подстанциях применяют главным образом свинцово-кислотные аккумуляторы тип С (СК) в открытых стеклянных сосудах, а аккумуляторы большой емкости–в деревянных баках, выложенных внутри свинцом. Аккумуляторные пластины разной полярности, находящиеся в одном сосуде, отделяют друг от друга сепараторами из мипора (мипласта). Сосуды заполняют электролитом (водным раствором чистой серной кислоты). Положительные пластины выполняют из чистого свинца и имеют сильно развитую поверхность. При формировании собранного аккумулятора (особый режим первого заряда) на поверхности положительных пластин образуется слой двуокиси свинца PbO 2, являющихся активной массой этих пластин. Отрицательные пластины изготавливают также из металлического свинца, но имеют коробчатую форму. Ячейки свинцового каркаса пластин заполняются активной массой, приготовляемой из окиси свинца и свинцового порошка Pb. Чтобы эта масса не выпадала из ячеек, пластины покрываются с боков тонкими перфорированными свинцовыми листами. В процессе формирования на отрицательных пластинах образуется губчатый свинец.
Наряду с аккумуляторами типа С (СК) применяют аккумуляторы СН. Они имеют намазные пластины, сепараторы из стекловойлока, винипласта и мипора, сосуды из прессованного стекла с уплотненными крышками. Все это обеспечивает надежность и длительный срок службы аккумуляторов. В эксплуатации они не требуют столь частой доливки воды, снижаются требования к вентиляции помещений.
Основные характеристики аккумуляторов С (СК) являются их номинальная ёмкость, продолжительность и ток разряда, максимальный ток заряда. Их значения определяются типом, размером и числом пластин.
Характеристики аккумуляторов типа С-1 (СК-1) приведены в таблице 9.
Таблица 9-Характеристика аккумуляторов типа С-1
| Параметр аккумулятора | Параметр для режима разряда, ч | |||||
| 3 | 5 | 7,5 | 10 | 1 | 2 | |
| С-1 | СК-1 | |||||
| Разрядный ток, А | 9 | 6 | 4,4 | 3,6 | 18,5 | 11 |
| Емкость, А·ч | 27 | 30 | 33 | 36 | 18,5 | 22 |
| Предельное напряжение разряда, В | 1,8 | 1,8 | 1,8 | 1,8 | 1,75 | 1,75 |
| Максимальный зарядный ток, А | 9 | 9 | 9 | 9 | 11 | 11 |
11.4 Особенности эксплуатации аккумуляторов
В эксплуатации емкость аккумулятора зависит от концентрации и температуры электролита, от режима разряда. С ростом плотности электролита емкость аккумулятора возрастает. Однако крепкие растворы увеличивают сульфатацию пластин. Повышение температуры также приводит к возрастанию емкости, что объясняется снижением вязкости и усилением диффузии свежего электролита в поры пластин. Но с повышением температуры увеличивается саморазряд и сульфатация пластин.
Исследованием установлено, что для стационарных аккумуляторов типа С (СК) оптимальной является плотность электролита в начале разряда 1,2-1,21 г/см3 при нормальной температуре 25оС. Температура воздуха в помещении, где установлена аккумуляторная батарея, должна поддерживаться в пределах 15-25оС.
Факторами, ограничивающими разряд, являются конечное напряжение на зажимах аккумулятора и плотность электролита в сосудах. При 3-10-часовом разряде снижение напряжения допускается до 1,8 В, а при 1-2-часовом–до 1,75 В на элемент. Более глубокие разряды во всех режимах приводят к повреждению аккумуляторов. Разряды малыми токами прекращают. когда напряжение становится равным 1,9 В на элемент. При разряде контролируется как напряжение, так и плотность электролита. Уменьшение плотности на 0,03-0,05, т.е. до значения 1,17-1,15, свидетельствует о том, что емкость исчерпана.
В аккумуляторах непрерывно происходят неуправляемые химические и электрохимические реакции, приводящие к снижению их емкости. Происходит так называемый саморазряд аккумулятора, т.е. потеря запасенной им энергии. Саморазряду подвержены как работающие, так и отключенные от сети аккумуляторы. Новая батарея аккумуляторов теряет в течение суток не менее 0,03% своей емкости. Со временем саморазряд возрастает. Одной из причин повышенного саморазряда является присутствие в электролите примесей железа, меди, хлора и других элементов. Поэтому кислота и дистиллированная вода проверяются на содержание вредных примесей.
В режиме разряда аккумулятора на его пластинах образуется свинцовый сульфат. При нормальной эксплуатации аккумуляторов сульфат имеет тонкое кристаллическое строение и легко растворяется при заряде, переходя в оксид свинца на положительных пластинах и в губчатый на отрицательных.
Внешними признаками ненормальной сульфатации являются появление на поверхности пластин белых пятен, выпадение светло-серого шлама в сосуде, коробление положительных и вспучивание отрицательных пластин.
11.5 Режим работы аккумуляторных батарей
Раньше аккумуляторные батареи эксплуатировались в режиме «разряд-заряд». Этому режиму соответствовали схемы с элементным коммутатором, который позволял увеличивать число аккумуляторов, присоединенных к шинам постоянного тока. Для поддержания необходимого уровня напряжения при разряде и уменьшения их числа при заряде, когда напряжение на аккумуляторах возрастает. Режим работы аккумуляторов с периодическими зарядами и разрядами имеет существенные недостатки, связанные с преждевременным износом аккумуляторов и занятостью персонала по контролю и уходу за батареями.
В настоящее время аккумуляторные батареи на подстанциях и станциях эксплуатируются в режиме постоянного подзаряда, что улучшило работу большей части аккумуляторов и упростило их эксплуатацию. Сущность режима заключается в том, что полностью заряженная батарея включается параллельно с подзарядным агрегатом, который обеспечивает питание подключенной нагрузки и в то же время подзаряжает батарею малым током, восполняя потерю емкости в результате саморазряда. В случае аварии на стороне переменного тока или остановки по какой-либо причине подзарядного агрегата батарея принимает на себя всю нагрузку сети постоянного тока. после ликвидации аварии батарея заряжается от зарядного агрегата и переводится на работу в режиме постоянного подзаряда. При постоянном подзаряде режим батареи характеризуется напряжением на зажимах каждого элемента в пределах 2,2±0,05 В и током подзаряда 10-30 мА. Если плотность электролита снижается по сравнению с начальной, то это свидетельствует о недостаточности тока подзаряда – напряжение подзаряда следует увеличить.
Для поддержания работоспособности концевых элементов в нормальном режиме работы батареи применяют схемы подзаряда от общего источника тока. Схема включения подзарядного агрегата на всю батарею приведена на рисунке 44. В схеме концевые элементы шунтируются регулируемым балластным резистором, выбранным по току нагрузки батареи R = U кон. / I нагр., что обеспечивает поддержание напряжения 2,2±0,05 В на элемент. При уменьшении нагрузки сети персонал соответственно изменяет сопротивление резистора. Ток, проходящий через амперметр, должен быть равен нулю.
Рисунок 44–Принципиальная схема подзаряда батареи от общего подзарядного агрегата: 1–основные элементы; 2–концевые элементы; 3–подзарядный агрегат; 4–сопротивление нагрузки; 5–регулируемый балластный резистор.
При осмотрах аккумуляторных батарей необходимо проверять:
•целость сосудов, состояние стеллажей и изоляции сосудов;
•защищенность контактных соединений и шинок от коррозии;
•положение покровных стекол, предотвращающих вынос электролита из сосуда пузырьками газа, образующимися при заряде аккумуляторов;
•уровень электролита в сосудах, который должен быть на 10-15 мм выше края пластин;
•напряжение на соединительных пластинах, плотность и температуру электролита каждого элемента. Измерение следует производить не реже одного раза в месяц;
•исправность вентиляции и отопления.
Курение и применение открытого огня в аккумуляторных помещениях запрещается во избежание взрыва смеси водорода выделяющегося при электролизе воды и кислоты, с воздухом.
Рисунок 45–Упрощенная структурная схема выпрямительного зарядно-подзарядного агрегата ВАЗП-380/220-40/80: SF– автоматический выключатель; L 1, L 2– дроссели; SAC– переключатель режимов работы; Т1-Т4– трансформаторы питания блоков управления и обратной связи;ТА, ТВ, ТС– трансформаторы каналов формирования импульсов управления соответственно фаз А,В,С; R 1- R 4– резисторы; PV 1– вольтметр цепи питания; PA 2 и PV 2 – амперметр и вольтметр цепи напряжения выхода.
ВАЗП-380/220-40/80 (рисунок 45) предназначены для зарядки аккумуляторных батарей (I режим), параллельной работы с аккумуляторными батареями (II режим), для формовки отдельных аккумуляторов (III режим). Агрегат питается от сети трехфазного тока 380 или 220 В. Он состоит из следующих узлов: силового трехфазного трансформатора 1, выпрямительного моста 2, (три диода и три тиристора), блока управления тиристорами 3, состоящего из схемы питания и двух схем формирования импульсов управления; блока регулирования 4, включающие в себя обратные связи по току и напряжению.
Принцип работы агрегата основан на способности тиристоров изменять в широких пределах среднее значение выходного напряжения путем изменения момента времени отпирания тиристоров, при этом выпрямленное напряжение поддерживается с точностью ±2% при изменении нагрузки от 4 А до номинального значения в диапазоне напряжений 380-260 В (I режим) и 220-260
(II режим). Датчиком обратной связи по напряжению служит делитель напряжения, состоящий из резисторов R 1, R 2, R 3. Резистором R 1 устанавливается значение обратной связи в режиме I , а резистором R 2 в режиме II . Напряжение на выходе регулируется резистором R 4. Датчиком обратной связи по току служит дроссель L 2.
На подстанциях эксплуатируются аккумуляторные батареи с элементным коммутатором и с системой подзарадки «Д-Г». Схема установки с элементным коммутатором представлена на рисунке 46. В ней имеется зарядный двигатель-генератор 1 и подзарядное выпрямительное устройство 5. Элементный коммутатор 2 обеспечивает постоянство напряжения на шинах постоянного тока при заряде и разряде аккумуляторов. Он состоит из изолирующей плиты с расположенными на ней контактными пластинами, к которым подсоединены отводы от аккумуляторов. По пластинам и соответствующим шинам скользят щетки разрядная 3 и зарядная 4.
Изменением числа подключенных к шинам постоянного тока аккумуляторов происходит регулирование напряжения.
Рисунок 46–Схема аккумуляторной установки с элементным коммутатором:I– цепи управления; II– аварийное освещение;III– силовые цепи электромагнитов включения;I Н – ток нагрузки; I ПЗ – ток подзаряда.
На рисунке 47 представлена схема аккумуляторной батареи с ответвлениями от батарей для питания потребителей с различными требованиями к значению напряжения на шинах. При нормальной работе установки выпрямитель VS питает все потребители и подзаряжает всю батарею током I ПЗ. Ответвление с порядковым номером 108 дает возможность поддерживать на шинах напряжение около 230 В. В тех режимах работы (например, дозарядке), когда напряжение на элементах возрастает, а требования к значению напряжения остается прежним (на шинах управления 230 В), предусмотрено ответвление от 100-го элемента батареи. переключатель SA к шинам управления подключает 100 элементов, и напряжение будет равно 2,3х100=230 В. Некоторое повышение напряжения не представляет опасности для мощных приводов выключателей, так как при их срабатывании напряжение на шинах мгновенно понижается.
