– В настоящее время почти половина высоковольтных подстанций российского сетевого комплекса – это ПС 35 кВ. Существенная доля оборудования, которое сегодня используется на этих подстанциях, – морально устаревшие продукты, такие как отделители и короткозамыкатели (ОДКЗ), создающие для отключения аварии еще более серьезную аварию в энергосистеме, или предохранительные вставки, которые в современном мире уже не ставят даже на трансформаторы 10 кВ мощностью 630 кВА и больше», – этим тезисом Алексей Чалый, генеральный и технический директор Промышленной группы «Таврида Электрик», задал вектор презентации нового решения для модернизации подстанций класса 35 кВ.

– Если говорить о возрасте коммутационного оборудования, то тут картина совсем интересная. 13% оборудования отметило золотую свадьбу с эксплуатацией, а 75% – серебряную. Как столь существенный класс напряжения оказался в таком плачевном состоянии с точки зрения оборудования? Думаю, что причины кроются в том, что в 1980-е годы была принята стратегия, согласно которой сети 35 кВ развивать не нужно. Невозможно, конечно, было предугадать, что через несколько лет развалится Советский Союз и социально-экономическая ситуация кардинально изменится.

Мнения экспертов относительно перспектив сетей 35 кВ расходятся: одни рассматривают сети этого класса напряжения как зло, с которым «придется жить, по крайней мере, 50 лет», а другие – как необходимое звено в структуре электроснабжения. Сам Алексей Чалый придерживается второй точки зрения, ведь для относительно новых энергосистем, например в Турции или Северной Африке, сети 35 кВ – основа распределительной системы.

В любом случае пришло время менять оборудование 35 кВ, и делать это нужно максимально эффективно.

ОЦЕНКА СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ

Чтобы определить оптимальные пути обновления подстанционного оборудования 35 кВ, необходимо проанализировать эффективность имеющихся решений. Этому Алексей Чалый посвятил следующую часть выступления.

В первую очередь он рассмотрел системы РЗА на базе электромеханических устройств, которые сегодня применяются для защиты оборудования ПС 35/10 кВ. По его мнению, не вызывает сомнений способность этих защит идентифицировать технологические аварии, такие как утечка масла, повреждение системы охлаждения и т.д. А вот способность идентифицировать электрические аварии вызывает вопросы. Только максимальная токовая защита (МТЗ) имеет чувствительность во всем необходимом диапазоне. Достаточна ли такая функциональность?

Доступная статистика показывает, что большая часть повреждений трансформаторов – это повреждения вводов и обмоток, причем аварии возникают преимущественно в виде однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) и межвиткового замыкания. Эти аварии нужно распознавать и ликвидировать в самом начале, так как они могут развиваться в более серьезные.

– Анализ защиты трансформаторов мощностью меньше 4 МВА (т.е. без дифференциальной защиты) показывает, что токовая отсечка должна быть отстроена от максимального тока короткого замыкания (КЗ) в зоне установки выключателя ввода со стороны 10 кВ, поэтому она не может идентифицировать все виды повреждения в трансформаторе. Работает эта защита быстро, и если видит аварию, то отключает ее немедленно. А если не видит, то, как правило, через две секунды срабатывает МТЗ. За это время многое может произойти. Поэтому, к сожалению, следует признать, что в большинстве случаев на ранней стадии авария в малых трансформаторах не идентифицируется.

В трансформаторах мощностью более 4 МВА есть дифзащита. Межвитковые замыкания она идентифицирует только иногда, а ОЗЗ в сети с заземленной нейтралью никогда не идентифицирует.

На практике встречаются ситуации, когда аварию, возникающую в ранних витках, дифзащита обнаруживает только в момент междуфазного перекрытия. В чем причина такого позднего срабатывания? Во-первых, у трансформатора коэффициент трансформации непостоянен; во-вторых, трансформаторы тока, которые применяются для защиты, не являются идеальными линейными преобразователями и от нелинейности надо отстраиваться. Наконец, в-третьих, необходимо отстраиваться и от режима броска тока намагничивания. Кроме того, есть еще человеческий фактор, то есть персонал не всегда может справиться со сложностью отстройки. То есть, заключил Алексей Чалый, ОЗЗ дифзащита никогда не идентифицирует, а внутренние замыкания на ранней стадии – иногда.

Далее он привлек внимание присутствующих к коммутационным аппаратам 35 кВ, представленным сегодня в эксплуатации. Самый популярный выключатель С35, по словам выступающего, больше чем выключатель, потому что имеет встроенные трансформаторы тока, встроенные расцепители мгновенного и задерживаемого действия, а также устройство автоматического повторного включения (АПВ) однократного действия. То есть функционально это реклоузер, но сделанный по старым технологиям.

По мнению экспертов, отказы выключателей в основном связаны с отказами приводов, утечкой масла и с отказом дугогасительной системы. Встроенные реле отказывают большей частью из-за функциональных недостатков данного класса устройств.

КЛАССИЧЕСКИЙ РЕТРОФИТ

Сегодня для повышения надежности работы ОРУ 35 кВ прибегают к помощи ретрофита, предполагающего замену масляного выключателя на современный, как правило, вакуумный. На особенностях этого варианта модернизации кратко остановился Алексей Чалый.

Большинство вакуумных аппаратов 35 кВ по массогабаритным показателям ненамного меньше масляных и оснащены чаще всего пружинно-моторным приводом, требующим подогрева. Кроме того, поскольку в этих выключателях обычно нет встроенных трансформаторов тока, их необходимо устанавливать дополнительно, причем, согласно имеющимся данным, больше половины отказов ОРУ связаны с отказами измерительных трансформаторов. Кроме того, в процессе ретрофита необходимо установить и настроить микропроцессорные реле, поскольку их тоже нет в составе аппарата, а также проложить токовые цепи из ОРУ в ОПУ и цепи управления из ОПУ в ОРУ. В результате, по мнению специалистов «Тавриды Электрик», получается достаточно громоздкое, недешевое и не очень надежное решение.

С одной стороны, в рамках такого ретрофита масляная изоляция уступает место более современной, дугогашение в масле заменяется на дугогашение в вакууме, что надежнее. С другой стороны, есть проблемы, которые в принципе невозможно решить такой реконструкцией, например, по-прежнему ОЗЗ не идентифицируются, возможны ошибки при настройке устройств релейной защиты. Общую надежность технического решения снижают также существенно разрастающиеся цепи управления.

– Без сомнения, классический ретрофит позволяет повысить эффективность работы системы (снижается время отключения выключателей, увеличивается точность срабатывания реле), но это повышение по ряду причин ограничено, – подытожил сказанное Алексей Чалый.

РЕКЛОУЗЕРНЫЙ РЕТРОФИТ

Перейдя к главной теме мероприятия – реконструкции ПС 35 кВ с применением Smart35, Алексей Чалый прежде всего объяснил, в чем состоят достоинства реклоузера, основанного на современных технологиях. Конструкция этого аппарата включает в себя встроенную систему измерений, в т.ч. сверхчувствительный датчик тока нулевой последовательности (чувствительность по первичной стороне 0,1 А), линейные датчики тока (катушки Роговского) и датчики напряжения, а также микропроцессорные устройства РЗА, встроенную чувствительную защиту от однофазных замыканий на землю, логическую защиту трансформатора, встроенные телекоммуникационные интерфейсы для местного и дистанционного управления.

– Может быть, самое существенное дополнение, – подчеркнул выступающий, – это то, что перед по-ставкой аппарат программируется и тестируется с учетом особенностей его дальнейшего применения. На всех этапах выполнения проекта, начиная от подготовки технико-коммерческого предложения, разработки проекта, на этапе производства и шефмонтажа, используется один и тот же компьютерный пакет, в котором создается модель сети и модель аппарата. Есть возможность тестирования уставок релейной защиты в реальном времени, причем это можно делать как на моделях в процессе проектирования, так и на этапе производства с реальным аппаратом. Тем самым гарантируется, что поставленный на объект аппарат сразу будет работать правильно.

Что в итоге получает заказчик? Сокращение сроков проектирования, снижение вероятности ошибок в проектировании, сокращение сроков поставки оборудования, сокращение сроков монтажа и пусконаладки.

В процессе выполнения пилотных проектов специалисты компании определили, что с точки зрения демонтажа и монтажа масляный выключатель проще заменять вместе с рамой. Разработаны решения для массовых вариантов применения, таких как замена ОДКЗ и плавкой вставки. По сути, сегодня подготовлен весь набор решений, для того чтобы можно было заменить любой устаревший коммутационный аппарат, который есть в эксплуатации на ПС 35 кВ.

– Проанализируем систему защит реклоузерного ретрофита, – предложил Алексей Чалый. – В структуре защит реклоузера есть все те же самые элементы, что и у классического вакуумного аппарата, и дополнительно – чувствительная защита от ОЗЗ и логическая защита трансформатора. Чувствительная защита построена на базе сверхчувствительного датчика и позволяет идентифицировать ОЗЗ на стадии зарождения и отключить трансформатор до возникновения серьезных повреждений или пожаров. А логическая защита трансформатора – еще одно забытое старое решение – это та же самая МТЗ, ускоренная примерно до 0,1 с, работа которой блокирует МТЗ нижестоящего аппарата. Получается, что мы быстро отключаем в трансформаторе повреждение, если его не видит нижестоящий аппарат. Тем самым выделяется зона защиты. Эта защита, кроме достаточно высокой чувствительности и малого времени срабатывания, отличается тем, что пользуется существующими настройками МТЗ.

Мы рекомендуем также несколько изменить подход к использованию дифференциальной защиты. Предлагается схема, которая позволяет разделить аварии, возникающие на ошиновке со стороны высокого напряжения, и собственно аварии трансформатора. Такое разделение очень полезно, так как эти аварии имеют совершенно разные регламентные последствия, и выполнить его несложно, потому что трансформаторы 35/10 кВ имеют встроенные трансформаторы тока.

Какова же в итоге эффективность РЗА? Идентифицируется ОЗЗ, что недостижимо при классическом ретрофите. Существенно уменьшается время ликвидации внутренних повреждений в трансформаторе, что особенно актуально для малых трансформаторов без дифференциальной защиты. Значительно снижается вероятность ошибочной работы РЗА.

Говоря о надежности предложенного решения в целом, Алексей Чалый подчеркнул, что новый аппарат – это сумма технологий и компонентов (вакуумная камера, привод, изоляционная система, система измерения), которые компания уже многие годы применяет в своих продуктах. Поэтому, чтобы определить параметры надежности аппарата, опыт эксплуатации которого пока очень ограничен (сегодня в эксплуатации находится всего несколько десятков реклоузеров Smart35), данные по отказам этих компонентов суммировали как независимые отказы и получили показатели, на которые необходимо выйти.

Например, сегодня в эксплуатации по всему миру находится более 400 тысяч вакуумных выключателей «Таврида Электрик» с магнитной защелкой. Компания, получая информацию об их отказах, использует ее для повышения надежности конструкции. Вся информация об отказах по вине производителя (включая логистические просчеты) поступает в базу данных и анализируется. По самому массовому аппарату компании ситуация стабильная – около 0,25% отказов при вводе в эксплуатацию и примерно 0,025% отказов в год при эксплуатации, что соответствует наработке на отказ 4000 лет. В свою очередь статистика по эксплуатации соответственно 1,2 миллионов приводов с магнитной защелкой, по мнению Алексея Чалого, вполне доказывает надежность их конструкции.

Убедительным эпилогом презентации стал фильм о реализованных пилотных проектах ретрофита ОРУ 35 кВ на базе реклоузера Smart35 на объектах «Курганэнерго» (замена масляных выключателей) и Глазовского завода «Химмаш» (замена ОДКЗ).

Завершая рассказ о продукте, Алексей Чалый сказал, что в сравнении с классическим ретрофитом сроки выполнения проектов и вообще все временные показатели снижаются на 50%, а стоимость уменьшается на 20%. При этом компания «Таврида Электрик» готова брать на себя ответственность за корректную установку защит. Кроме того, для больших трансформаторов появляется условно-бесплатный резервный канал защиты от внутренних повреждений.