Системы оперативного тока

Традиционное для отечественной энергетики применение аккумуляторной батареи (АБ) предполагает её использование только как источника электрической энергии. В то же время, если рассмотреть электрическую схему замещения АБ как совокупность собственных активных и реактивных параметров, то выявляется второе ее предназначение – фильтра шунта, способного снизить уровень посторонних электромагнитных помех в цепях постоянного тока.
Авторы статьи знакомят с результатами исследований, посвященных влиянию АБ на снижение величины дифференциальных помех на входах микропроцессорных устройств, и анализируют, при каких параметрах систем оперативного постоянного тока (СОПТ) достигается максимальный шунтирующий эффект АБ.

АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ
Влияние на распространение электромагнитных помех
в сети оперативного постоянного тока

Леонид Антонов, ООО «ВЭС», г. Москва
Алексей Ворошилов, ООО «Лиотех»,
Павел Смирнов, НГТУ, г. Новосибирск

При проектировании СОПТ ПС 750 кВ «Череповецкая» были использованы устройства производства фирмы IMB (Германия). Помимо аппаратуры, в проекте был применен и ряд решений, подсказанных специалистами этой фирмы. В том числе было предложено для снижения уровня электромагнитных помех (ЭМП) на входах МП РЗА использовать шунтирующий эффект АБ, имеющей входное сопротивление в некотором диапазоне частот значительно ниже, чем суммарное сопротивление нагрузки.

В российской практике это решение было доработано с учетом разделения всех потребителей по их стойкости к ЭМП, а источников ЭМП – по вероятности их возникновения. В итоге все нагрузки были разделены на две части – так называемые «чистую» и «грязную» зоны [1], гальванически связанные между собой только в непосредственной близости от АБ. В этом случае помехи, имеющие наибольшую вероятность появления в грязной зоне, вследствие шунтирующего эффекта АБ будут иметь минимальное влияние на нагрузки чистой зоны.

На практике к чистой зоне относят блоки питания МП-защит и управления и те их дискретные входы, к которым цепи вторичной коммутации проложены в пределах релейного щита. К грязной зоне подключаются цепи электромеханических (ЭМ) защит, выходные и входные цепи терминалов РЗАиУ, к которым подключаются цепи вторичной коммутации, проложенные по территории ОРУ (цепи управления высоковольтными выключателями, цепи газовых защит и т.п.). Именно эти цепи можно считать наиболее вероятным источником помех (длина их кабелей может достигать нескольких сотен метров). Данный подход лег в основу идеологии построения СОПТ, зафиксированной в НТП ПС 35–750 кВ.

До сих пор подобные рассуждения имели лишь качественный характер, численное моделирование для подтверждения правильности выбранных решений не проводилось. В настоящей работе сделана попытка количественного анализа влияния АБ на подавление имитируемых в сети дифференциальных помех, возникающих между положительным и отрицательным полюсами СОПТ в зависимости от параметров сети и частоты помехи.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

Так как не было возможности выполнить измерения на реальном объекте во всех необходимых для анализа режимах, для исследования был принят метод математического моделирования с опытной проверкой выполненных вычислений в контрольных точках режима. Схемы замещения, которыми обычно пользуются для расчета и выбора элементов СОПТ (включают в себя только параметры режима протекания постоянного тока), в этом случае уже не годились. Поэтому для выполнения этой работы потребовалось определить граничные условия, в которых необходимо было рассмотреть работу схемы и выбрать ее параметры, существенно влияющие на результаты вычислений.

Основная трудность заключалась в определении параметров эквивалентной схемы АБ и в опытной проверке этих величин. Из ГОСТ [2, 3] и технической документации, представляемой поставщиками АБ, можно получить только значения ее ЭДС и активного внутреннего сопротивления при разряде током КЗ определенной величины, которые многие специалисты ошибочно считают величинами постоянными. Такое представление подходит при использовании АБ в качестве источника питания для электромагнитных устройств и расчета токов КЗ, но не годится для анализа ее влияния на помехозащищенность цепей вторичной коммутации. Поэтому в первую очередь авторы попытались определить параметры полной схемы замещения АБ в тех граничных условиях, в которых проводилось исследование. В тех же граничных условиях выбирались параметры схемы замещения сети.

Далее исследовалось влияние АБ на прохождение помех по сети. Критерием эффективности подавления помех той или иной схемой СОПТ выступала K – передаточная функция помехи и обратная ей величина Kd – коэффициент подавления помехи. Передаточная функция определяется как отношение амплитуды напряжения на искомой нагрузке U_Н к амплитуде напряжения помехи E0, имитируемой в сети: K = |U_Н| / |E0|, коэффициент подавления – обратная величина, т.е. Kd = 1 / K.

Цель исследования – подтвердить расчетами правильность принятых проектных решений по СОПТ в части возможности и эффективности использования АБ для снижения влияния ЭМП на работу устройств РЗА. В ходе работы требовалось решить следующие задачи:

1. Выбор и определение параметров схемы замещения СОПТ, имеющих максимальное влияние на распространение ЭМП.
2. Практическая проверка правильности расчета выбранных параметров. Создание математической модели сети постоянного тока, определение границы ее применимости.
3. Расчет на модели частотных зависимостей передаточной функции и коэффициента подавления дифференциальных помех в сети СОПТ, обусловленных шунтирующим эффектом АБ для ПС различных типов.
4. Опытная проверка рассчитанных зависимостей.
5. Оценка эффективности шунтирующего эффекта и выработка рекомендаций по его увеличению для ПС различных типов.
6. Разработка рекомендаций по увеличению шунтирующего эффекта АБ для различных типов подстанций.

СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ СЕТИ

Рассмотрим упрощенную схему СОПТ (рис. 1). АБ через кабель К1 подключается к секции ЩПТ. Через соответствующие кабели К2 и К3 к ЩПТ подключены шкафы распределения оперативного тока: ШРОТ1, нагрузка которого – терминалы РЗА (чистая зона), и ШРОТ2, нагрузка которого – цепи вторичной коммутации, выходящие за пределы здания ОПУ (грязная зона).

Рис. 1. Упрощенная схема СОПТ

Примем, что источник электромагнитной помехи располагается на конце длинного фидера, отходящего от ШРОТ2. Пренебрегая переходными сопротивлениями защитных аппаратов (их влияние в нашем случае пренебрежимо мало) и кабелем между ШРОТ2 и нагрузкой (как правило, эти шкафы располагаются рядом), можно представить упрощенную однолинейную схему СОПТ (рис. 2).

Рис. 2. Однолинейная схема СОПТ

1 – блок выносных предохранителей;
2 – сборка ЩПТ;
3 – шина шкафа РЗА;
4 – шина ШРОТ2;
5 – источник помехи;

Z1 – импеданс кабеля от АБ до ЩПТ;
Z2 – импеданс кабеля от ЩПТ до ШРОТ2;
Z3 – импеданс кабеля от ЩПТ до ШРОТ1 (шкафа РЗА);
Z4 – импеданс кабеля от источника помех до ШРОТ2;
E0 – источник электромагнитной помехи;
Z_АБ – импеданс аккумуляторной батареи и её ошиновки;
R_ДВ – сопротивление нагрузки.

Передаточная функция помехи:

Для упрощения анализа примем отображение кабелей на схеме замещения в виде четырехполюсников с сосредоточенными параметрами (рис. 3). Как показано в [4], такое допущение возможно, если для линии выполняется соотношение:

где l_K – длина кабеля; λ_W – длина электромагнитной волны:

, (2)

где с – скорость распространения электромагнитной волны в вакууме; ƒ – частота электромагнитных колебаний; μ и ε – соответственно относительная магнитная и диэлектрическая проницаемость среды. Таким образом, для длины кабеля должно выполняться соотношение:

При этом схема, изображенная на рис. 2, может быть замещена схемой с сосредоточенными элементами (рис. 4).

Рис. 3. Схема замещения участка кабеля

Рис. 4. Схема замещения сети СОПТ

1 – блок выносных предохранителей;
2 – сборка ЩПТ;
3 – шина шкафа РЗА;
4 – шина ШРОТ2;
5 – источник помехи.

Для μ = 1, ε = 3,5, при l_K = 200 м граничная частота корректной применимости модели f_K равна 40–80 кГц, для длины кабеля l_K = 40 м f_K равна 200–400 кГц.

Наиболее опасны частоты 10–50 кГц, характерные для электромагнитных помех, генерируемых в сети при коммутационных перенапряжениях или грозовом разряде [5]. Так как рассчитанные значения превышают эти величины, принятую схему замещения можно считать корректной для проведения исследований.

ПАРАМЕТРЫ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ

Импеданс аккумуляторной батареи

Ключевым элементом при определении параметров схемы замещения сети является АБ. В ряде работ [6–9] выполнен анализ ее различных эквивалентных схем. Для настоящего исследования выбрана схема, рассмотренная в [6] (рис. 5).

Рис. 5. Эквивалентная схема аккумуляторной батареи

C1 – емкость аккумулятора, определяемая процессами поляризации контактных слоев проводник-электролит, не зависящая от режима заряда – разряда;
R_СТ – сопротивление переносу заряда батареи на границе «электрод-электролит»;
R_В – суммарное внутреннее сопротивление контактов, материала электродов, электролита;
ХL_АБ – индуктивность АБ и ее ошиновки.

В этой схеме не учитывается емкость аккумулятора, определяемая преобразованием веществ в химических реакциях, так как характерные частоты таких процессов составляют величины от микрогерц до миллигерц. В нашей работе мы рассматриваем АБ, работающую в режиме поддерживающего заряда (более 95% времени батарея эксплуатируется именно в таком режиме), и нас интересуют процессы с характерными частотами от сотен герц и выше, поэтому такое рассмотрение вполне корректно.

Емкость C1 определяется процессами поляризации контактных слоев проводник–электролит и не зависит от режима заряда–разряда, так как на этих частотах уже не происходит превращение химических веществ. Как указано в [7], электрическая емкость С1 составляет примерно 15 Ф для свинцово-кислотного аккумуляторного элемента емкостью 1000 А·ч и является определяющей реактивностью на частотах до десятков герц. Суммарное сопротивление R_B и R_CT составляет примерно 200 мкОм для элемента емкостью 1000 А·ч, причем R_B ≈ R_CT. При этом внутреннее сопротивление АБ, измеренное на переменном и на постоянном токе (например, с помощью метода 17 по [9]), может существенно различаться.

Анализ данных, представленных производителями батарей, показал, что увеличение емкости АБ кратно уменьшает ее внутреннее сопротивление. Для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей (СКАБ), применяющихся на ПС, характерна емкость 400–600 А·ч и напряжение подзаряда 232 В, что соответствует 104 аккумуляторным элементам, соединенным последовательно. Соответственно на переменном токе активное внутреннее сопротивление АБ равно примерно 17–26 мОм. Здесь предполагается (исходя из условия R_B ≈ R_CT), что на переменном токе внутреннее сопротивление АБ будет примерно в два раза меньше, чем на постоянном. На частотах, начиная от сотен герц, сказывается индуктивный реактанс, определяемый как самой АБ, так и конфигурацией размещения ее элементов.

Поскольку авторам статьи не удалось найти данных о параметрах АБ, находящейся в режиме поддерживающего заряда, было измерено сопротивление герметизированной СКАБ 12VE115F-FR, собранной из последовательно соединенных моноблоков, находящейся в этом режиме. Фактическая емкость элемента этой АБ на момент испытания составила не более 90 А·ч. АБ была подключена к выходу тиристорного ЗПУ типа НРТ 40.220. В выходном напряжении ЗПУ присутствует пульсация частотой 300 Гц. Ей соответствует пульсация выходного тока, измеренная при помощи шунта 5А / 75 мВ, расположенного на выходе ЗПУ. На рис. 6 представлена схема эксперимента, на фото 1а – расположение аккумуляторов, на рис. 7 – полученные осциллограммы тока и напряжения.

Рис. 6. Схема измерения внутреннего сопротивления батареи на переменном токе

Рис. 7. Осциллограммы измерения пульсаций тока и напряжения на АБ

Измерения проводились для полностью заряженной АБ. Из осциллограммы на рис. 7 видно, что нагрузка имеет активный характер. Небольшой сдвиг фазы между током и напряжением показывает, что присутствует индуктивный реактанс. Полученное в результате эксперимента значение R_АБ равно 146 мОм, что соответствует ранее принятым (17–26 мОм для АБ емкостью 400–600 А·ч). Опираясь на опытные данные, принимаем для численного моделирования сети на частотах выше 1 кГц для АБ емкостью 500 А·ч величину R_АБ = 0,021 Ом. Как показали расчеты, в интересующем нас диапазоне частот изменение значения активного сопротивления в 2–3 раза слабо сказывается на величине передаточной функции и коэффициента затухания помехи K и Kd, которые определяются в основном индуктивным реактансом. Поэтому данное приближение можно считать достаточно точным.

Индуктивность аккумуляторной батареи

На эквивалентной схеме (рис. 5) представлен индуктивный реактанс XL_АБ. Его параметры определяются пространственным расположением элементов в АБ и расположением самих элементов АБ и подводящих кабелей. Поскольку АБ имеет значительные габариты, она располагается в отдельном помещении. При этом аккумуляторы, которые соединяются в АБ, как правило, располагаются вдоль одной из стен. Коммутационная шина входит в аккумуляторное помещение по одной стороне помещения, проходит через последовательно соединенные элементы и выходит по противоположной стороне (фото 1б).

Фото 1. Расположение батареи:
а – в батарейном шкафу, б – в отдельном помещении

а		б

Для определения индуктивности, вносимой пространственным расположением АБ, рассмотрим аккумуляторное помещение размером 6000 х 6000 мм. Предположим, что АБ располагается вдоль стен. Виток, образованный положительной шиной, последовательно соединенными элементами АБ и отрицательной шиной, также имеет размер 6000 х 6000 мм. Расчет индуктивности для такого случая приведен в [10, п. 4.3]:

, (4)

где b – сторона квадратного витка; r – радиус жилы кабеля.

Для b = 6000 мм и жилы радиуса 4,7 мм (радиуса жилы сечением 70 мм²) имеем L_АБ = 30,6 мкГн. Реактанс на частоте 1 кГц определяется по формуле XL_АБ = jωL_АБ = 0,192 Ом. Для проверки вычислений было измерено значение реактанса квадратного витка такого же размера одножильного кабеля ПВЗ различного сечения. Данные измерений совпали с вычисленными значениями.

Индуктивность АБ, расположенной в шкафу (см. фото 1а), не вычислялась, поскольку ее значение зависит от трехмерного расположения аккумуляторов и посчитать ее значительно труднее. Для ее измерения использовалась та же схема (рис. 6), но в качестве генератора применялось ЗПУ транзисторного типа НРТМ 40.220 с ШИМ-преобразованием. Частота пульсаций напряжения у ЗПУ равна ~ 55 кГц, амплитуда ~0,1 В. На данной частоте входное сопротивление АБ имеет индуктивный характер. Величину индуктивности АБ можно определить, зная ее активное сопротивление. Пульсации напряжения U_АБ = _АБ · sin(ωt) соответствует пульсация тока I_АБ = _АБ · sin(ωt + Δφ):

, (5)

где – амплитудные значения тока и напряжения АБ;
Δφ – сдвиг фаз между током и напряжением;
ωL – индуктивный реактанс;
R_in – активное внутреннее сопротивление АБ.

Типичная осциллограмма представлена на рис. 8. Сдвиг фазы между током и напряжением близок к 90°, что говорит об индуктивном характере импеданса АБ на этих частотах. Измеренный импеданс составил 2,89 Ом, что соответствует индуктивности 8,4 мкГн. В результате серии измерений индуктивность батарейного шкафа была определена как 8,5 мкГн +/– 10%.

Рис. 8. Осциллограмма пульсаций напряжения и тока на батарее. Использовался аттенюатор 10:1

Окончание статьи – в следующем номере журнала.

ЛИТЕРАТУРА

1. Антонов Л.Е. Обоснование выбора решений по организации оперативного постоянного тока на примере выпущенных рабочих проектов // Энергоэксперт. 2009. № 2.
2. ГОСТ Р МЭК 896-1-95. Свинцово-кислотные стационарные батареи. Общие требования и методика испытаний. Ч. 1. Открытые типы.
3. ГОСТ Р МЭК 60896-2-99. Свинцово-кислотные стационарные батареи. Общие требования и методика испытаний. Ч. 2. Закрытые типы.
4. Шмелев В.Е., Сбитнев С.А. Теоретические основы электротехники. Курс лекций. М.: Энергоатомиздат, 1987.
5. Кузнецов М.Б. и др. Входные цепи устройств РЗА. Проблемы защиты от импульсных перенапряжений // Новости ЭлектроТехники. 2006. № 6(42).
6. Стационарные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи: Exide Handbook.
7. Albér G. Ohmic measurements: the history and the facts. [http://www.alber.com/Docs/Brochure_WhitePaperG_Alber.pdf]
8. Chen M., Rincon-Mora G.A. Accurate Electrical Battery Model Capable of Predicting Runtime and I-V performance // IEEE Transaction on energy conversion, v. 21, no. 2. June 2006.
9. Борисевич А. В. Моделирование литий-ионных аккумуляторов для систем управления батареями: обзор текущего состояния. СПб.: Изд-во ГПУ [http://technology.snauka.ru/2014/05/3542/]
10. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная книга. Изд. 3-е. Л.: Энергоатомиздат, 1986.