С соображениями коллектива авторов материала, опубликованного на предыдущих страницах журнала, во многом не согласен Павел Антонович Шейко, долгие годы работавший главным специалистом РАО «ЕЭС России» и занимавшийся в том числе и вопросами, затронутыми в статье.

Павел Шейко, инженер, г. Москва

СОБСТВЕННЫЕ НУЖДЫ ПОДСТАНЦИЙ
О применении ИБП для повышения надежности питания

Авторы остановились на вопросах повышения надежности электроснабжения собственных нужд (СН) 0,4 кВ подстанций (ПС) при полной потере напряжения на шинах высшего напряжения подстанции.

В статье рассматриваются разные технические решения, направленные на повышение надежности электропитания потребителей СН, а именно:

• применение источника бесперебойного питания (ИБП);
• применение для ИБП литий-ионных аккумуляторных батарей (АБ);
• применение дизель-генераторной установки (ДГУ);
• применение «разного вида возобновляемых источников энергии (ВИЭ)»;
• предлагается вариант принципиальной схемы питания СН с применением ИБП.

О ПОСТРОЕНИИ СХЕМ СН

Безусловно, для объектов энергетики повышение надежности электропитания СН как 6(10) кВ, так и 0,4 кВ является важной задачей, решению которой проектными организациями всегда уделялось пристальное внимание, что находило отражение в нормативно-технических документах Главтехуправления Минэнерго СССР, а впоследствии РАО «ЕЭС России», ОАО «ФСК ЕЭС» [1, 2].

Требования к построению схем электропитания 0,4 кВ для ПС с разными значениями номинального напряжения на шинах высшего напряжения с учетом количества (один, два и более) силовых трансформаторов (автотрансформаторов), их мощности изложены в Нормах технологического проектирования подстанций 35–750 кВ [1, 2]. Причем в них также указывается, что построение схемы СН как 6–10 кВ, так и 0,4 кВ должно выполняться отдельно для разных этапов развития энергообъекта.

В [1] предлагается: на ПС 220–750 кВ «в начальный период их работы с одним трансформатором необходимо устанавливать два трансформатора собственных нужд с питанием одного из них от сети другой ПС». Причем в дальнейшем это питание можно сохранить.

В отраслевом стандарте ОАО «ФСК ЕЭС» [2] в п. 6.1.1 говорится, что на ПС 330 кВ и выше следует предусматривать резервирование питания собственных нужд от третьего независимого источника питания. При этом разработчики стандарта не конкретизируют, что подразумевается под третьим независимым источником питания. Целесообразно было бы перечислить все возможные источники питания, а выбор того или иного определять в рамках конкретного проекта.

В [1, 2] также учитываются и другие аспекты в части по строения схемы питания СН подстанции, а именно главная схема ПС и др. Т.е. построение схем СН подстанции на напряжении 0,4 кВ напрямую зависит как от выполнения схем на высшем напряжении, так и от того, как и куда подключаются трансформаторы СН 10 (6)–0,4 кВ, а также от того, как и какое количество секций предусматривается на напряжении 0,4 кВ, и от принципа их резервирования.

На генерирующих объектах (тепловых электростанциях, гидростанциях) может организовываться секция надежного питания, например, на напряжении 0,4 кВ, которая и получает питание от независимого источника. В качестве последнего может использоваться как дизель-генератор, так и сеть 6–10 кВ через соответствующий понижающий трансформатор, запитываемый, например, от близлежащих ПС, ГЭС, ПС строительства и других источников. Всё это определяется на стадии выполнения технического проекта и рабочей документации.

О РЕШЕНИЯХ И ТЕРМИНОЛОГИИ

Авторами статьи предлагаются с их точки зрения более совершенные, новые технические решения, направленные на повышение надежности питания СН 0,4 кВ.

Однако считаю, что ни один из критериев в решении поставленной задачи за счет создания систем бесперебойного питания на базе новых схемно-технических решений не приведет к увеличению надежности электропитания потребителей СН, ускорению проектирования, упрощению эксплуатации и т.д., а наоборот, вызовет усложнение схемных решений ПС и, возможно, проблемы в эксплуатации.

Необходимо также сказать о применяемой терминологии. Авторы используют термин «источник бесперебойного питания (ИБП)». Однако по своей структуре, составу применяемого оборудования, выполняемым функциям это агрегат бесперебойного питания (АБП) на напряжение до 1 кВ (см. ГОСТ 26416-85). И именно такой терминологии, по моему мнению, целесообразно придерживаться.

В статье указывается, что сегодня предполагается «преимущественное проектирование ПС полностью закрытого типа», однако в отраслевом стандарте [2] отсутствует такое положение. При проектировании подстанции выбор и исполнение на ней распределительного устройства открытого типа (ОРУ) или закрытого (ЗРУ) определяется на основе исходных данных, изложенных в [2].

АНАЛИЗ АВАРИЙ

Авторы привели анализ отказов за последние 10 лет с погашением (потерей питания) СН 0,4 кВ на подстанциях ЕНЭС. При этом отсутствует информация, как распределялись аварии по годам, нет классификации ПС по номинальным уровням напряжения на шинах высшего напряжения подстанции, нет описаний проектных решений по построению схемы СН 0,4 кВ на этих ПС и т.д. Как отмечается в статье, значительная часть аварий – 85%, т.е. около 145 случаев, происходила по вине ремонтного персонала (человеческий фактор), а время на их ликвидацию не превышало 1 часа.

Если же обратиться к рис. 1, то только в 12 случаях при полной потере напряжения на ПС время восстановления нормального состояния ПС составляло 1 ч. При этом в 39 случаях на восстановление режима работы у эксплуатационного персонала уходило около 10 мин., в 25 случаях – 15 мин., в 11 случаях – 30 мин. Таким образом, в 165 рассмотренных случах не отмечено ни одной аварии из-за неправильных технических решений, принятых при создании схемы электропитания потребителей СН 0,4 кВ. То есть даже при выполнении требований Норм технологического проектирования [1] (принятых, напомню, в 1979 г.) обеспечивалась вполне достаточная надежность питания потребителей СН 0,4 кВ.

Однако делается интересный обобщающий вывод, что для источника бесперебойного питания требуется аккумуляторная батарея, способная работать (отдавать свою емкость в А·ч), причем без отключения от инвертора ИБП, «как минимум в течение часа». При этом не указывается, хотя бы ориентировочно, какие потребители на переменном токе (трехфазном, однофазном), какой мощности должны получать электропитание от ИБП в течение одного часа.

Если обратиться к Нормам технологического проектирования [1], то в них указывается, что емкость аккумуляторной батареи должна обеспечивать питание нагрузок (на постоянном токе) в течение 0,5 ч., а для тупиковых ПС – в течение 1 ч.

Нормы технологического проектирования [2] в п. 6.3.1.7 выдвигают такое требование: «аккумуляторная батарея должна <…> при работе в автономном режиме (при потере собственных нужд ПС) обеспечивать максимальные расчетные толчковые токи после гарантированного двухчасового разряда током нагрузки». Достаточно странное требование… Необходимо отметить, что упомянутый СТО требует корректировки, уточнений и переработки большого числа параграфов.

На многих энергообъектах (за исключением АЭС) АБП (ИБП) может получать питание от той же самой аккумуляторной батареи, что и другие потребители постоянного тока. Такое решение определяется на стадии выполнения ТЭО и зависит от выбранной мощности АБП (ИБП), расчетного времени работы, характера питаемых нагрузок, например АСУ ТП, и т.д.

О ТИПАХ АБ

Применение на энергообъектах в составе АБП (ИБП) литий-ионной аккумуляторной батареи необходимо рассматривать как чисто постановочное предложение. Не приводится достаточно серьезных аргументов о целесообразности включения в состав АБП (ИБП) данного типа батареи. Необходимо выполнение специальной работы по анализу ее использования в СН и рассмотрение итогов на научно-техническом совете с привлечением широкого круга специалистов.

Не спорю, что данный тип аккумулятора имеет ряд преимуществ перед свинцово-кислотным аккумулятором, и в первую очередь это:

• напряжение на единичном элементе, которое может составлять 2,5/3,6/4,1 В (минимальное/номинальное/максимальное);
• высокая удельная энергоемкость – 150 Вт·ч;
• высокая удельная мощность – более 2500 Вт/кг;
• высокое число циклов «разряд–заряд» – 6000 против 400/800 у свинцово-кислотных аккумуляторов.

Но из перечисленных показателей для аккумуляторов (разумеется, при одинаковом сроке службы), применяемых в энергетике, в большей степени важен только один – более высокое напряжение на единичном элементе, что позволяет иметь в 1,5 раза меньше элементов в батарее, чем в батарее, состоящей из свинцово-кислотных аккумуляторов. Но это преимущество не является сколь-нибудь определяющим в выборе типа аккумуляторной батареи.

Все остальные технические характеристики литий-ионных аккумуляторов в настоящее время совершенно не актуальны для аккумуляторов, которые могут применяться в составе АБП (ИБП) и системах постоянного оперативного тока (СОПТ). Учитывая достаточно высокую стоимость (больше чем на порядок по сравнению со свинцово-кислотным), такой аккумулятор в ближайшие годы не составит конкуренции свинцово-кислотным. По этой причине можно прогнозировать, что в ближайшей перспективе он не найдет широкого применения в энергетике, а в случае его применения затраты на него никогда не окупятся.

Кроме того, необходимо учитывать, что в РФ только начаты разработки литий-ионных аккумуляторов, ведется оптимальный поиск материала для электродов, сепараторов и т.д. Ведутся исследования по оптимизации химического состава электролита [3], конструкции самого аккумулятора.

В статье ошибочно указывается, что ОАО «НИАИ «Источник» наряду с зарубежными фирмами выпускает литий-ионные аккумуляторы. Этот институт только ведет их разработку и проводит испытания опытных образцов.

Литий-ионные аккумуляторы в силу своих технических характеристик нашли широкое применение в электро- и гибридных автомобилях. Возможно в некоторых случаях (крайне редких) их применение в качестве накопителей энергии [4].

Естественно, что зарубежные фирмы, производящие литий-ионные аккумуляторы, стараются расширить их область применения для организации дополнительного сбыта своей продукции. Например, фирма ENER1 предлагает [5] применять литий-ионные аккумуляторы в качестве накопителей энергии не только для использования в качестве источника энергии в аварийных ситуациях в небольших по установленной мощности и изолированно работающих энергосистемах, но даже для регулирования частоты и мощности. Последнее их предложение вызывает недоумение, особенно для такой мощного энергообъединения, как ЕНЭС.

О ПС «СКОЛКОВО»

В статье упоминается проектирование ПС «Сколково», где планируется применить схему питания потребителей СН 0,4 кВ с использованием АБП (ИБП), в составе которого используются литий-ионные аккумуляторы.

Отмечу, что ПС «Сколково» – первая в РФ подземная подстанция. Применяемое на ней электротехническое оборудование, вторичные устройства и т.д. потребуют значительной по объему и мощности вентиляции (для отвода тепловыделения), устройств кондиционирования воздуха и т.д., т.е механизмов, которые, как правило, работают на переменном токе. Надежность питания таких потребителей в данном проекте должна быть выше. Для этого необходима организация секции (секций) надежного питания (по примеру АЭС), но от какого третьего источника она (они) будут получать питание (от ДГУ, ВИЭ, ИБП или от высоковольтных сетей, генерирующих энергообъектов), должно определяться проектом. Нужна тщательная проработка этого вопроса. Предлагаемая на ПС «Сколково» схема питания СН с ИБП перенасыщена электротехническими устройствами и коммутационными аппаратами, что не увеличивает надежность.

О ТРЕБОВАНИЯХ К ОБОРУДОВАНИЮ АБП (ИБП)

Что касается применения ИБП «единичной мощности», то авторы статьи не указывают, будет применяться выпрямитель-инвертор новой разработки или устройства, серийно выпускаемые отечественными или зарубежными заводами. Применение в составе АБП (ИБП) аккумуляторной батареи на 600 (1000; 1200) В требует отдельной проработки. Очевидно, что потребуется разработка нетипового оборудования: выпрямителя, инвертора, входного и выходного трансформатора. НИИПТ располагает высококвалифицированными разработчиками устройств на основе силовых электронных приборов, и он способен разработать и поставить на производство выпрямитель-инвертор совместно с системой управления (СУРЗА) нового поколения.

На энергообъектах, в т.ч. и на АЭС, в АБП применяется свинцово-кислотная АБ на 220 В, а не более высокого напряжения, как предлагается в статье. Исходя из характеристик, например аккумулятора типа Vb, для инвертора мощностью 31,5 кВА и его работы в течение 1 ч потребуется емкость АБ не более 350 А·ч.

В статье говорится, что, в случае применения в составе ИБП АБ с номинальным напряжением 1200 В, в качестве выключателя постоянного тока необходимо использовать аппараты с двумя контакторами. Однако к увеличению надежности работы схемы это решение не приведет.

Также в статье отрывочно сформулированы некоторые технические требования к части оборудования, входящего в состав АБП (ИБП). При этом даже самые краткие требования, например, к входному и выходному трансформатору, СУРЗА, не приводятся.

ФСК ЕЭС выпустила Распоряжение [6], утверждающее перечень ПС, на которых возможна установка ИБП на основе АББМ (АБ большой мощности) в период с 2012 по 2015 гг. В Приложении к Распоряжению дан перечень объектов. Чем интересен этот перечень? На ПС одного и того же класса напряжения, например 220 кВ, «ориентировочная суммарная номинальная нагрузка потребителей СН» колеблется от 400 до 1200 кВА. При этом возникает вопрос: разве все потребители СН на переменном токе должны получать электропитание именно от ИБП?

Вопрос о применении для повышения надежности работы потребителей СН 0,4 кВ на энергообъектах (подстанциях) ИБП с аккумуляторами большой мощности (литий-ионных) требует специального технико-экономического обоснования и широкого обсуждения на научно-техническом совете.

Литература

1. Нормы технологического проектирования подстанций с высшим напряжением 35–750 кВ. 3-е изд., перераб. и доп. М., 1979.
2. Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35–750 кВ: СТО 56947007- 29.240.10.028-2009.
3. Ярмоленко О.В., Хатмуллина К.Г. Аккумуляторы для гибридных автомобилей // Академия энергетики. 2011. № 1. С. 78–82.
4. Попель О.С., Тарасенко А.Б. Накопители энергии // Энергоэксперт. 2011. № 3.
5. Сетевое накопление энергии: Презентация ENER1.
6. Об утверждении перечня подстанций: Распоряжение ОАО «ФСК ЕЭС» № 784р от 27.10.2011.