В соответствии с ГОСТ 24291-90 система собственных нужд подстанции – это совокупность вспомогательных устройств и относящейся к ним электрической части, обеспечивающая работу подстанции. Потеря системы собственных нужд ведет к погашению подстанции в целом и серьезным проблемам при попытках ввода ее в работу.
Поэтому актуальна разработка новых, более совершенных решений по питанию собственных нужд подстанций – так считает коллектив авторов из Санкт-Петербурга и Москвы.

СОБСТВЕННЫЕ НУЖДЫ ПОДСТАНЦИЙ
Источники бесперебойного питания

Олег Фролов, генеральный директор
Юрий Шершнев, заведующий отделом
Мария Гуревич, ведущий научный сотрудник
ОАО «НИИПТ», г. Санкт-Петербург
Борис Вайнзихер, ENER1, г. Москва
Евгений Столяров, ОАО «ФСК ЕЭС», г. Москва

Решение задачи недопущения потери системы собственных нужд (СН) подстанций (ПС) должно дать следующие результаты:

• повышение надежности функционирования ПС и снижение эксплуатационных издержек за счет создания системы бесперебойного питания СН на базе новых схемно-технических решений;
• повышение качества и ускорение проектирования подстанций Единой национальной энергетической системы (ЕНЭС) за счет применения типовых проектных схемно-компоновочных решений, соответствующих [1];
• упрощение эксплуатации и повышение безопасности эксплуатирующего персонала;
• повышение качества и ускорение производства аварийно-восстановительных работ.

Современная тенденция предполагает преимущественное проектирование ПС полностью закрытого типа [2]. При этом возрастают требования к надежности питания СН. Представляется целесообразным обеспечить вновь сооружаемые подстанции дополнительно к штатному питанию от ТСН источником бесперебойного питания (ИБП) с аккумуляторной батареей (АБ).

Для определения требований к ИБП нами был проведен анализ отказов с погашением СН на подстанциях ЕНЭС за последние 10 лет по данным ОАО «ФСК ЕЭС». Он показал, что аварии с потерей питания СН происходят нередко (зарегистрировано более 165 таких аварий) и практически не зависят ни от географического расположения района, ни от мощности подстанции.

Значительная часть аварий (особенно длительных) происходит во время ремонтных работ (рис. 1). Время ликвидации аварии в 85% случаев не превышает 1 часа. В тех же случаях, когда питание СН не могли восстановить существенно дольше (сутки и более), первопричины аварии вызывались самыми различными форс-мажорными обстоятельствами (пожар, падение питающих линий из-за гололеда, фатальная ошибка персонала, быстро возникшие специфические загрязнения и последующий пробой изоляторов и т.д.).

Рис. 1. Зависимости числа аварий с погашением СН 0,4 кВ на подстанциях ФСК ЕЭС от длительности этих аварий для всех известных случаев (синяя кривая) и для аварий в ситуациях, когда второй ТСН был выведен в ремонт (красная кривая)

Таким образом, проведенный анализ дает основания полагать, что для питания СН требуется батарея, способная работать как минимум в течение часа, снабжая всех потребителей СН подстанции. На данном этапе мы сознательно не делим потребителей на ответственных и неответственных, поскольку доля мощности, потребляемая последними, в общем потреблении СН невелика.

Задача проектирования ИБП распадается на две части: во-первых, требуется мощная, надежная, долговечная и по возможности малогабаритная АБ, а во-вторых, необходим преобразовательный комплекс, обеспечивающий заряд АБ и формирование стабильного напряжения 380 В, 50Гц.

АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ

В качестве АБ, учитывая ограниченные площади закрытых ПС, рассматриваются современные литий–ионные (Li-ion) [3] и натрий-серные (NaS) [4] аккумуляторы, аналогичные по типу электрохимических реакций, проходящих в них. В последние годы в технологии производства обоих типов аккумуляторов достигнуты значительные успехи, а качество изготовления постоянно улучшается (обновление происходит приблизительно каждые 6 месяцев [5]).

В применении к питанию СН, Li-ion аккумуляторы имеют ряд преимуществ: достигнутый для них ресурс при существенной глубине разряда – более 6000 циклов, в то время как для NaS в тех же условиях – от 2000 до 4000 циклов; Li-ion отличает широкий рабочий диапазон легко достижимых температур (от –20 до +55 °С), а NaS аккумуляторы работоспособны при температуре около +30 °С.

Для полноты картины отметим, что NaS аккумуляторы оказались востребованы для обеспечения перетоков мощности в крупных сетях, когда практически в каждый момент времени аккумулятор находится в состоянии либо заряда, либо разряда; эти зарядно-разрядные токи ионного характера за счет потерь на сопротивлении и обеспечивают поддержание необходимой высокой температуры. Для ИБП такой режим не характерен. Выбор Li-ion аккумуляторов для ИБП тем более оправдан, что в мире существует значительное число фирм, их производящих (немецкая LionTec., американские Yardney Lithion и ENER1, корейская Samsung, японская Eamex, российское ОАО «НИАИ «Источник», СП китайской фирмы Thunder Storm c корпорацией Роснано и т.д.). Наличие развитого рынка всегда предпочтительно при проектировании инновационного объекта.

Существует еще один вид аккумуляторов – свинцово-кислотные, называемые общепромышленными, имеющие широкое применение, к примеру, в автомобильной промышленности. Сравнение основных параметров Li-ion аккумуляторов и свинцово-кислотных аккумуляторов приведено в табл. 1. Видно, что при всех очевидных достоинствах литий-ионные аккумуляторы имеют один существенный недостаток – высокую цену. Однако не только техническая, но и экономическая целесообразность применения новых аккумуляторов определяется совокупностью технических, эксплуатационных и экономических преимуществ Li-ion батарей по сравнению со свинцово-кислотными, что и обусловило выбор литиевых батарей для питания СН ПС.

Таблица 1. Сравнение литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов

*) в зависимости от производителя

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

Для наиболее современных и ответственных подстанций (таких, например, как ПС 220 кВ «Сколково») в настоящее время принята схема питания СН от ИБП в режиме on-line (рис. 2), когда АБ эксплуатируется в буферном режиме и при переходе с питания от ТСН на питание от ИБП отсутствуют какие-либо искажения в выходном напряжении питания собственных нужд.

Рис. 2. Схема питания СН от ИБП в режиме on-line

Рис. 3. Вариант принципиальной схемы питания СН с применением ИБП

При этом предполагается, что в полном варианте, кроме аккумуляторных батарей, источниками питания ИБП будут служить и иные источники: дизель-генераторные установки (ДГУ) и разного вида возобновляемые источники энергии (ВИЭ).

Учитывая современное состояние производства АБ, а также требование максимальной надежности ИБП, нами было принято решение применить модульное построение ИБП с одним избыточным модулем, при том что питание ИБП осуществляется от двух источников (рис. 3. ТИ – трансформатор изолирующий; СУРЗА – система управления РЗА). Видно, что предложенная схема питания СН с ИБП является схемой с явным резервированием.

Схема собственно ИБП с аккумуляторной батареей большой мощности (АББМ) приведена на рис. 4 и, по сути, представляет собой обычный преобразователь частоты со звеном постоянного тока.

Рис. 4. Структурная схема ИБП единичной мощности

Входной и выходной трансформаторы могут быть как просто разделительными, так и, желательно, повышающими. В последнем случае КПД преобразователей повышается за счет снижения нагрузочного тока полупроводниковых приборов – как выпрямителей, так и инверторов. Тип трансформаторов определяется возможностями АББМ: батарея в целом представляет собой сложную последовательно-параллельную сборку отдельных элементарных ячеек с номинальным напряжением 3,6–3,7 В.

Набор полного напряжения АБ порядка 1000 В требует специальной конструктивной проработки. В качестве выключателя постоянного тока должны быть использованы аппараты с двумя контакторами.

ТРЕБОВАНИЯ К ОБОРУДОВАНИЮ ИБП

В результате предварительных проработок, на сегодня можно сформулировать следующие требования к оборудованию источников бесперебойного питания.

Для АБ:

• емкость батареи выбирается исходя из суммы номинальных мощностей всех нагрузок при условии их одновременной работы в течение часа;
• номинальный ток должен быть не менее суммы номинальных токов всех нагрузок;
• батарея должна обеспечивать пиковый ток, кратность которого определяется при проектировании каждой конкретной ПС в зависимости от установленного на ней двигательного оборудования.

Для инвертора:

• должен обеспечивать качество электроэнергии на выходе в соответствии с ГОСТ 13109-97;
• номинальная мощность инвертора должна быть не менее мощности всех потребителей переменного тока собственных нужд;
• должен выдерживать 10%-ную перегрузку по току неограниченно долго;
• должен выдерживать 33%-ную перегрузку по току в течение 20 мин.

Для выпрямителя:

• номинальная мощность должна быть достаточной для подзаряда АБ и одновременного питания через инвертор всех потребителей переменного тока СН.

Для ДГУ:

• номинальное напряжение – 380 В, трехфазное;
• номинальная мощность – не менее мощности всех потребителей СН;
• степень автоматизации – не ниже 3 по ГОСТ 14228-80.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Организация безотказной работы системы собственных нужд на подстанциях ОАО «ФСК ЕЭС» требует обеспечения подстанций дополнительными к трансформаторам источниками питания СН.

Кроме систем автономного электропитания, таких как дизель- или мотор-генераторы, целесообразно устанавливать мощные источники бесперебойного питания на основе наиболее энергоемких аккумуляторных батарей. Возможны режимы работы ИБП как off-line, так и on-line.

Литература

1. Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35–750 кВ: СТО 56947007-29.240.10.028-2009.
2. Основные требования к совмещенному производственному зданию ПС ОАО «ФСК ЕЭС»: Распоряжение ОАО «ФСК ЕЭС» № 463р от 30.06.2011.
3. Ярмоленко О.В., Хатмуллина К.Г. Аккумуляторы для гибридных автомобилей // Академия энергетики. 2011. № 1.
4. Попель О.С., Тарасенко А.Б. Накопители энергии // Энергоэксперт. 2011. № 3.
5. Нанопроводники увеличивают емкость литий-кислородных аккумуляторов // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2011. № 3.