Традиционно наиболее слабым звеном в системе электроснабжения являются воздушные распределительные сети 6(10) кВ – последний этап на пути электрической энергии к потребителю. Протяженность воздушных линий 6(10) кВ в России составляет более 1,5 млн км – почти 45% от общей протяженности линий электропередачи 0,4-110 кВ. Около 70% всех нарушений электроснабжения происходит именно в сетях данного класса напряжения.

О повышении надежности ВЛ с помощью реклоузеров журнал уже рассказывал (см. № 5(17)2002, с. 36 или сайт журнала). Новая публикация расширяет представление о возможностях решения различных задач автоматизации, ликвидации аварийных режимов и управления сетями.

Владислав Воротницкий, начальник отдела реклоузеров ООО «РК Таврида Электрик», г. Москва	Сергей Бузин, зам. начальника отдела реклоузеров

Реклоузер – новый уровень автоматизации и управления ВЛ 6(10) кВ

По структуре собственности значительная часть воздушных распределительных сетей (около 85%) принадлежит региональным энергосистемам холдинга РАО «ЕЭС России» и муниципальным электрическим сетям. Около 10% линий находятся в ведении предприятий транспорта нефти и газа (вдольтрассовые линии электропередачи магистральных трубопроводов), и около 5% сетей обеспечивают электроснабжение систем централизации и блокировок железных дорог России (ВЛ СЦБ).

На сегодняшний день около 40% линий выработали нормативный ресурс и более 80% нуждаются в техническом перевооружении. По данным различных источников, длительность отключений потребителей составляет порядка 70 ч в год на один фидер, что на два порядка выше, чем в технически развитых западных странах. Среднее число повреждений, вызывающих отключения ВЛ напряжением до 35 кВ, составляет около 25 на 100 км линий в год.

Рассмотрим характерные отличительные особенности схем построения воздушных распределительных сетей сетевых компаний, предприятий транспорта нефти и газа и железных дорог.

ВЛ сетевых компаний

Воздушные линии электропередачи 6(10) кВ сетевых компаний построены по радиальному принципу древовидной конфигурации (рис.1). Сечения проводов ступенчато уменьшаются от головных участков к концу линии, имеет место большое число резервных связей, выполненных на ручных разъединителях. Защитные аппараты (маломасляные выключатели с электромеханическими терминалами РЗА) устанавливаются в центрах питания (подстанциях 110/35/6(10) кВ). Средняя протяженность линий по магистрали составляет 16 км, протяженность ответвлений – 5-6 км. Имеет место значительная неоднородность плотности нагрузки.

Рис. 1
Схема построения распределительных сетей сетевых компаний


РЗА – защита на электромеханических реле;
ЛР – ручной линейный разъединитель

ВЛ предприятий транспорта нефти и газа

Традиционная схема электроснабжения линейных объектов трубопровода выполнена по магистральному принципу, зачастую с однократным сетевым резервированием по магистрали (рис. 2). Отличительными особенностями этих схем являются равномерно распределенный характер нагрузок, протяженность по магистрали 50–60 км до сетевого резерва и длина ответвлений порядка 100–200 м. В классической схеме основная защита линии от повреждений установлена на питающих подстанциях. Для этих целей используются маломасляные, реже вакуумные выключатели, а также электромеханические или электронные терминалы релейной защиты и автоматики.

Рис. 2
Схема электроснабжения магистральных трубопроводов предприятий транспорта нефти и газа



ВГ – защитный аппарат на отходящей линии;
РЗА – релейная защита и автоматика;
ЛР – линейный разъединитель

ВЛ СЦБ железнодорожного транспорта

Наиболее распространенными схемами электроснабжения систем централизации и блокировок (СЦБ) предприятий железнодорожного транспорта являются схемы консольного и встречно-консольного питания. При схеме консольного питания (рис. 3) напряжение в линию СЦБ подается от одной из тяговых подстанций. В случае пропадания основного питания включается резервный выключатель на смежной тяговой подстанции. Если повреждение устойчивое и включение от смежной подстанции не даст успешного результата, резервирование устройств СЦБ производится по стороне 0,4 кВ от линии 6(10) кВ продольного электроснабжения. Расстояние между смежными подстанциями составляет порядка 15–25 км. Схема является основной для участков дорог с тягой на постоянном токе.

Рис. 3
Консольная схема построения ВЛ СЦБ



АВР – автоматический ввод резервного питания;
АПВ – автоматическое повторное включение;
ПЭ – продольное электроснабжение

При встречно-консольной схеме (рис. 4) в нормальном режиме питание осуществляется от шин двух тяговых подстанций. В центре фидера устанавливается разъединитель или выключатель с дистанционным управлением. При отключении любой из питающих подстанций выключатель (разъединитель) включается и запитывает обесточенную полузону. В этом случае расстояние между двумя смежными подстанциями составляет 40–50 км. Схема является основной для участков дорог с тягой на переменном токе 27,5 кВ.

Рис. 4
Встречно-консольная схема построения ВЛ СЦБ



УР – управляемый разъединитель;
ДПР – два провода – рельс

Подходы к секционированию ВЛ

Наиболее эффективным способом повышения надежности электроснабжения в воздушных электрических сетях среднего напряжения является секционирование линии коммутационными аппаратами (разъединителями, управляемыми разъединителями, пунктами секционирования). В существующих схемах построения распределительных сетей, рассмотренных выше, используется ручной подход к управлению аварийными режимами.

Централизованный подход

Такой подход к секционированию или управлению аварийным режимом работы сети можно разделить на местный и дистанционный. Основной отличительной чертой данного подхода является зависимость работы секционных аппаратов (разъединителей, пунктов секционирования) от решений верхнего уровня (диспетчера).

Ручной местный подход – исторически сложившаяся реальность, распространенная практически везде, где есть воздушная линия электропередачи. Для обеспечения возможности выделения (секционирования) поврежденного участка сети на магистрали устанавливаются линейные разъединители, а в ряде случаев пункты секционирования на базе ячеек КРУН. Сетевой резерв выполняется вручную.

В такой схеме при возникновении повреждения на любом участке происходит отключение защитного аппарата на отходящем фидере и все потребители линии на длительное время теряют питание. Для локализации повреждения на фидер выезжает оперативная бригада, и путем последовательных переездов и переключений разъединителей вручную выделяется поврежденный участок сети и запитываются остальные потребители (рис. 5).

Рис. 5
Особенности восстановления электроснабжения в классической схеме



1-5 – Этапы поиска и локализации повреждения (переезды оперативных бригад):
1-3 – поиск поврежденного участка; 4 – включение участка без повреждения;
5 – подача питания от сетевого резерва на участок без повреждения

При такой схеме восстановления электроснабжения задействуется большое количество техники и персонала. Учитывая протяженность и условия прохождения трассы линии, время, затрачиваемое на переезды оперативных бригад, может доходить до нескольких часов и даже суток. Очевидно, что уровень надежности электроснабжения в данном случае крайне низкий.

В последнее время для повышения надежности электроснабжения все чаще применяется ручной дистанционный подход к управлению аварийными режимами. Для этих целей вместо линейных ручных разъединителей устанавливаются телеуправляемые разъединители или пункты секционирования с дистанционным управлением (рис. 6). В случае возникновения повреждения процесс его локализации полностью аналогичен описанному выше с той разницей, что все переключения выполняются дистанционно.

Рис. 6
Централизованное управление аварийными режимами работы сети



УР – управляемый разъединитель;
1-5 – Этапы поиска и локализации повреждения (телеуправление из удаленного диспетчерского пункта): 1-3 – поиск поврежденного участка; 4 – включение участка без повреждения; 5 – подача питания от сетевого резерва на участок без повреждения

Очевидным преимуществом данного подхода является сокращение затрат на многочисленные переезды и содержание большого штата оперативного персонала. Сокращается и время локализации повреждения. В то же время существенным недостатком является необходимость 100%-ной связи с каждым управляемым элементом сети. В случае выхода из строя канала связи сеть становится полностью неуправляемой и весь эффект от телемеханизации разъединителей теряется.

Как и в предыдущем случае, при использовании дистанционного ручного управления аварийным режимом большую роль играет человеческий фактор – решение о переключениях принимает диспетчер. При этом диспетчеру необходимо постоянно контролировать мнемосхему электрической сети и в случае возникновения аварийного режима проанализировать факт повреждения и правильно принять решение о ее реконфигурации, что, например, в системах магистральных трубопроводов может вызвать определенные трудности, поскольку диспетчерский персонал в основном контролирует технологические процессы транспортировки нефти и газа.

Децентрализованный подход

Исследования специалистов, как в России, так и за рубежом, свидетельствуют о том, что одним из наиболее эффективных способов повышения надежности электроснабжения в воздушных распределительных сетях является реализация автоматического подхода к управлению аварийными режимами (рис. 7), при котором обеспечивается полная независимость работы пунктов секционирования от внешнего управления. Этот подход также получил название децентрализованного. Каждый отдельный аппарат, являясь интеллектуальным устройством, анализирует режимы работы электрической сети и автоматически производит ее реконфигурацию в аварийных режимах, т.е. локализацию места повреждения и восстановление электроснабжения потребителей неповрежденных участков сети.

Рис. 7
Децентрализованное управление аварийным режимом работы сети



Р – реклоузеры;
АВР – реклоузер в качестве автоматического ввода резервного питания

Наличие телемеханики в этом случае не влияет на выполнение основных функций пунктов секционирования в аварийных режимах и носит вспомогательный характер (оперативное управление, контроль параметров сети и т.д.), а, следовательно, требования к надежности каналов связи снижаются. Диспетчер видит конечное состояние на мнемосхеме – локализованный участок сети, все переключения и реконфигурации выполнены автоматически, без его участия. Всё, что необходимо сделать, – это направить на поврежденный участок ремонтную бригаду.

Преимуществом децентрализованного подхода является отсутствие человеческого фактора. Отключение короткого замыкания и локализация повреждения происходят автоматически. Время восстановления питания на неповрежденных участках сети сокращается до секунд, как следствие, снижается риск ущерба потребителям электрической энергии.

Для реализации децентрализованного подхода пункты секционирования должны иметь в своем составе:

• высоконадежный коммутационный аппарат с малым временем включения и отключения и значительным коммутационным ресурсом, способный нормально функционировать при многократных циклах АПВ;
• встроенную измерительную систему токов и напряжений для реализации необходимых функций защит и автоматики и контроля параметров режимов работы электрической сети;
• многофункциональную систему микропроцессорной релейной защиты и автоматики с возможностью независимой работы с разными уставками при любых направлениях потока мощности и малыми ступенями селективности (0,1–0,2 с);
• систему самодиагностики и ведения журналов оперативных и аварийных событий в сети для анализа состояния самого аппарата и процессов, происходящих в линиях;
• надежную необслуживаемую систему бесперебойного питания от нескольких независимых источников;
• широкие возможности внешних коммуникаций, коммуникационные интерфейсы, поддержку международных протоколов передачи информации.

Традиционные пункты секционирования, выполненные на базе ячеек КРУН, имеют в своем составе классические защиты, выполненные на электромеханических или микропроцессорных терминалах реле. Такие защиты весьма затруднительно использовать на магистральных участках сети, особенно в сетях с двухсторонним питанием. К классическим защитам не предъявляются требования о возможности реализации многократных АПВ, не требуются и независимые уставки при различных направлениях потока мощности. Минимальная ступень селективности классических микропроцессорных защит составляет 0,3 с, электромеханических – от 0,5 с. Всего этого недостаточно для реализации децентрализованного подхода. Как следствие, большая часть установленных пунктов секционирования чаще всего работает по ручному принципу.

Рис. 8
Вакуумный реклоузер

Аппаратом, отвечающим всем требованиям децентрализованного подхода, является вакуумный реклоузер, представляющий собой совокупность вакуумного коммутационного модуля со встроенной системой измерения токов и напряжения и шкафа управления с микропроцессорной системой релейной защиты и автоматики (рис. 8).

Реклоузер выполняет:

• оперативные переключения в распределительной сети (местная и дистанционная реконфигурация);
• автоматическое отключение поврежденного участка;
• автоматическое повторное включение линии (АПВ);
• автоматическое выделение поврежденного участка;
• автоматическое восстановление питания на неповрежденных участках сети (АВР);
• автоматический сбор, обработку и передачу информации о параметрах режимов работы сети и состоянии собственных элементов.

На протяжении всего срока службы реклоузер не обслуживается. Основными производителями реклоузеров в мире являются компании Cooper Power Systems (США), ПГ «Таврида Электрик» (Россия), NuLec Industries (Австралия), Wipp&Bourn (Англия) и др.

Основные алгоритмы работы реклоузеров

Возможны различные алгоритмы функционирования реклоузеров для организации децентрализованного управления аварийными режимами работы распределительных сетей.

Секционирование радиальной линии с односторонним питанием

В данном случае (рис. 9) реклоузеры устанавливаются на магистральном участке. Сетевой резерв отсутствует. При возникновении повреждения отключается ближайший к месту повреждения реклоузер и отключает нижестоящий участок сети. Схема эффективна в условиях значительной протяженности магистрали и невозможности обеспечить резервное питание. Такая расстановка реклоузеров позволяет значительно повысить надежность электроснабжения потребителей, ближайших к центру питания.

Рис. 9
Алгоритм секционирования радиальной линии с односторонним питанием



Р – вакуумные реклоузеры

Секционирование радиальной линии с двухсторонним питанием

Дополнительно к реклоузерам на магистрали устанавливается реклоузер в качестве пункта АВР (рис. 10). При этом в случае возникновения повреждения на любом участке сети оно будет автоматически локализовано между двумя ближайшими аппаратами, а потребители неповрежденных участков сохранят свое питание. Схема эффективна для обеспечения высокой степени надежности электроснабжения потребителей целого фидера. В данном случае в реклоузерах используются направленные защиты, также производится контроль напряжения на пункте АВР.

Рис. 10
Алгоритм секционирования радиальной линии с двусторонним питанием



Р – вакуумные реклоузеры

«Спасение» предохранителей на отпайках

В предыдущих алгоритмах не уделялось внимание отключению (секционированию) отпаек. Тем не менее на ответвлениях возможно появление значительного числа повреждений, каждое из которых приводит к отключению части магистрального участка и соседних отпаек. Особенно это актуально для распределительных сетей сетевых компаний.

Для решения этой задачи используется алгоритм, нашедший широкое распространение в США, Южной Африке, Австралии и предполагающий использование в качестве защитного аппарата на ответвлении от сети высоковольтных отстреливающих предохранителей. В основе алгоритма лежит идеология «спасения» предохранителя (от англ. fuse saving). При возникновении КЗ в линии и в первом цикле АПВ реклоузер на магистрали производит быстрое отключение и тем самым не дает возможности перегореть плавкой вставке предохранителя на отпайке. На втором или третьем цикле АПВ, когда можно судить об устойчивости повреждения, реклоузер переходит на характеристику, согласованную с предохранителем на отпайке, давая возможность перегореть плавкой вставке. При этом задействуется возможность реклоузера работать с разными настройками токовых защит в циклах АПВ (быстрые и медленные времятоковые характеристики). Алгоритм позволяет обеспечить максимальную надежность фидера в целом (рис. 11).

Рис. 11
Алгоритм «спасения» предохранителей



П1-П3 – плавкие предохранители; Р – реклоузер; П – времятоковая характеристика (ВТХ) предохранителя; Быстрая кривая, Медленная кривая – ВТХ реклоузера до и после первого цикла АПВ

Разборка и сборка сети

В условиях значительной протяженности электрической сети, когда длина магистрального участка достигает 50 и более километров, для организации надежной децентрализованной системы управления аварийными режимами необходима установка значительного числа аппаратов. Как уже отмечалось, наиболее часто такие схемы встречаются на вдольтрассовых линиях трубопроводов нефти и газа. В этом случае последовательно может быть установлено до 10–15 реклоузеров (рис. 12).

Рис. 12
Сборка и разборка сети



Р – вакуумные реклоузеры; НПС – нефтеперекачивающие станции

Очевидно, традиционное согласование по ступенчатому принципу не позволит уложиться в объективно реальные выдержки времени защит на головных выключателях (0,5–1 с). Специальная функциональность реклоузера позволяет реализовать алгоритмы селективной работы большого количества последовательно установленных аппаратов при ограниченной выдержке времени.

Варианты применения реклоузеров

Изложенные выше алгоритмы работы реклоузеров находят применение в самых различных схемах построения воздушных распределительных сетей. В каждом случае они позволяют решать конкретные задачи повышения надежности электроснабжения потребителей. Рассмотрим варианты применения алгоритмов децентрализованного управления аварийными режимами работы сети в электрических сетях различной структурной принадлежности.

В распределительных сетях сетевых компаний наиболее целесообразны алгоритмы секционирования радиальной сети с односторонним и двухсторонним питанием и алгоритм спасения предохранителей. В большинстве случаев для автоматизации линии можно ограничиться 3–5 аппаратами. При проектировании могут использоваться классические подходы к выбору уставок РЗА. При двухстороннем питании необходимо использовать направленные защиты реклоузера с разными уставками в зависимости от направления потока мощности. Малая ступень селективности реклоузеров (0,1–0,2 с) позволяет в большинстве случаев использовать традиционный ступенчатый принцип согласования защит по времени. В сложных случаях, например при малой выдержке времени защиты на головном участке, для селективной работы реклоузеров могут быть использованы специальные алгоритмы работы защит и автоматики (координация зон, АПВ разной кратности).

Основным эффектом от применения реклоузеров в данном случае является снижение недоотпуска электрической энергии потребителям и, как следствие, снижение возможного искового требования потребителей за невыполнение обязательств сетевой компании. Кроме этого, способность с применением реклоузеров обеспечить согласованный с потребителем уровень надежности электроснабжения в перспективе дает сетевой компании возможность получения дополнительной прибыли за счет повышения тарифа на электрическую энергию. Значительное сокращение времени поиска и локализации повреждения, а также выделение участка меньшей длины позволяет оптимизировать работу оперативного персонала.

На вдольтрассовых линиях наиболее актуальны сочетания алгоритмов секционирования в сетях с односторонним и двухсторонним питанием и алгоритма разборки и сборки сети:

1. Заданный уровень надежности фидера. При отсутствии на линии потребителей, требующих высокой надежности электроснабжения, реклоузеры могут быть установлены в качестве пунктов секционирования, обеспечивающих деление воздушной линии на несколько участков (рис.13). Такая расстановка аппаратов позволяет обеспечить заданный уровень надежности по фидеру в целом, облегчить поиск места повреждения и ускорить восстановление питания.

Рис. 13
Алгоритм децентрализованной автоматизации «заданный уровень надежности»



---

2. Максимальная защита конкретного потребителя. В случае наличия потребителей, требующих высокой надежности электроснабжения (например, береговые задвижки), предлагается установка реклоузеров, приведенная на рис.14. В этой схеме при наличии двух источников питания, при КЗ на любом участке вдольтрассовой линии электроснабжение потребителей сохраняется. В данном варианте можно обеспечить максимально высокую надежность каждого потребителя. Учитывая, что средняя протяженность отпайки на вдольтрассовой линии в основном не превышает нескольких десятков или сотен метров, вероятность ее повреждения крайне незначительна, а следовательно, и надежность ее потребителя максимальна.

Рис. 14
Алгоритм децентрализованной автоматизации «максимальная защита»



---

3. Комбинированный вариант. Комбинируя первые два варианта установки реклоузеров на линии, можно добиться требуемой надежности электроснабжения потребителей (рис. 15). При таком расположении реклоузеров в линии можно обеспечить согласованный уровень надежности фидера в целом, а также максимально высокую надежность электроснабжения любого потребителя на линии.

Рис. 15
Алгоритм децентрализованной автоматизации «комбинированный вариант»



---

Основным эффектом для предприятий по транспортировке нефти и газа является снижение риска нарушения технологического процесса, а соответственно и возможных многомиллионных ущербов от аварийного разлива нефти и выбросов газа. Кроме этого, в условиях значительной протяженности линий гораздо больший эффект, нежели в сетях сетевых компаний, приобретает сокращение времени локализации повреждения и полная автоматизация данного процесса.

Для предприятий железнодорожного транспорта наибольший интерес представляют алгоритмы секционирования в сетях с двухсторонним питанием. В рассмотренных выше схемах линий СЦБ реклоузеры могут быть установлены вместо управляемых разъединителей (рис. 16). Дополнительно участки между смежными секциями шин могут быть разделены на отдельные сегменты. Такое применение реклоузеров позволит предприятиям железнодорожного транспорта снизить экономический ущерб, возникающий вследствие нарушения графика движения составов.

Рис. 16
Вариант применения алгоритма секционирования в сети с двухсторонним питанием при встречно-консольном питании ВЛ СЦБ

В заключение следует отметить, что это далеко не все возможные варианты применения реклоузеров в воздушных распределительных сетях среднего напряжения.

Реклоузер может также использоваться в качестве головного выключателя на открытых распределительных устройствах и распределительных пунктах. С его помощью можно подключать новых потребителей и решать проблемы с субабонентами. Исключительная функциональность релейной защиты и автоматики, широкие возможности по диагностике параметров режимов работы сети, способность интегрироваться в любые системы телемеханики позволяют применять реклоузер для решения самых различных задач автоматизации аварийных режимов и управления распределительными сетями.