Модернизация устройства защиты электропитания 10 кВ на гидроэлектростанции
Аннотация: Для повышения надежности электропроводки 10 кВ, в связи с серьезным износом электронных компонентов оригинального интегрированного устройства защиты, измерения и управления, низким уровнем автоматизации, недостаточным интерфейсом «человек-машина» и программной совместимостью, а также сложностью технического обслуживания, было принято решение модернизировать устройство защиты электростанции 10 кВ. Новое устройство защиты и управления обладает многочисленными функциями защиты, удобным интерфейсом управления и простотой эксплуатации и обслуживания, что повышает надежность работы электростанции и обеспечивает безопасность и стабильность ее функционирования.
Ключевые слова: устройство защиты и управления 10 кВ; надежность; защита гидроэлектростанции
0 Введение
Гидроэлектростанция расположена в 15 км вверх по течению от административного центра уезда в провинции Гуанси. Это знаковый проект в рамках программы «Передача электроэнергии с Запада на Восток» и важный проект для развития западного Китая. Строительство гидроэлектростанции началось 1 июля 2001 года и было полностью введено в эксплуатацию к концу 2009 года. Проектный уровень воды составляет 400 м, высота плотины — 216,5 м, длина верхней части плотины — 836 м, объем водохранилища — 27,3 млрд м³, установленная мощность — 6,3 млн кВт, а годовая выработка электроэнергии — 18,7 млрд кВт·ч. Строительство было завершено в два этапа. Благодаря огромной мощности электростанции, она оказывает значительное влияние на общество. Для обеспечения качества электроснабжения и долгосрочной безопасной и надежной подачи электроэнергии на гидроэлектростанции постепенно внедряется новая комплексная система защиты, измерения и контроля энергопотребления электростанции напряжением 10 кВ.
1. Краткое описание энергосистемы электростанции 10 кВ
Система 10 кВ гидроэлектростанции представляет собой низкотоковую систему заземления. Ее схема подключения использует многоканальное независимое электроснабжение, шины I–VI представляют собой кольцевое резервное питание, а также важную конфигурацию распределения нагрузки для обеспечения надежности электроснабжения. Вся система электроснабжения 10 кВ имеет 7 шин: секции I, II, III, I, IV, V и VI подключены к низковольтным трансформаторам блоков 1, 2, 3, 4, 5 и 7 соответственно; секция VII является точкой ввода внешнего источника питания, резервного источника питания и дизель-генератора, которые используются в качестве резервного источника питания для шин I, III и VI 10 кВ. Все нагрузки 10 кВ на станции равномерно распределены по шинам I–VI в соответствии с принципом распределения и независимости. Оборудование, подключенное к заводской шине 10 кВ, в зависимости от характера нагрузки разделено на распределительный трансформатор, высоковольтный двигатель, трансформатор напряжения и контактный выключатель. См. рисунок 1, иллюстрирующий схему подключения системы электроснабжения 10 кВ гидроэлектростанции.
Рис. 1. Схема электропроводки электростанции 10 кВ.
2. Причины защиты и преобразования мощности электростанции 10 кВ
Первоначальное комплексное устройство защиты, измерения и контроля на электростанции 10 кВ использует импортное интегрированное защитное устройство Shanghai Areva MiCOM-P122. Оборудование эксплуатируется с мая 2007 года. Электронные компоненты защитного устройства сильно изношены, а компоненты оптической связи защиты чаще выходят из строя, что влияет на безопасную и стабильную работу электростанции. Кроме того, производитель больше не выпускает запасные части аналогичного типа, возможна только закупка модернизированных устройств для замены, а данные защитного устройства не соответствуют требованиям, но нет запасных частей для резервных выключателей; уровень автоматизации низкий, уровень цифровизации слабый, управление информацией об устройстве неудобное, не соответствует современным требованиям, человеко-машинный интерфейс и все программное обеспечение на английском языке неудобны, что приводит к утомительной работе и снижает эффективность. Учитывая вышеизложенные факторы, необходимо провести техническую модернизацию комплексной системы защиты, измерения и контроля энергопотребления на электростанции 10 кВ.
3. Требования к защите электропитания и преобразованию электростанций напряжением 10 кВ.
Распределительное устройство и место его установки остаются неизменными, заменяются все оригинальные фидерные выключатели нагрузки, шинные выключатели, шкаф питания, внутренний вторичный кабель и клеммная колодка; панель распределительного устройства перепроектируется и модифицируется в соответствии с размерами нового устройства; завершается монтаж проводки системы контроля доступа к электропитанию нового устройства и комплектации адресов коммуникационного интерфейса. В процессе модернизации оптимизируется контур управления при сохранении неизменной исходной конфигурации защиты.
4. Выбор нового комплексного оборудования для измерения и контроля защиты.
Новое интегрированное устройство защиты, измерения и управления должно объединять функции управления, защиты, регистрации волновых сигналов об ошибках, измерения, сигнализации, сбора данных об объеме коммутации и связи. В основе устройства лежит трехступенчатая ненаправленная токовая защита, а также функция мониторинга и сбора параметров линии. Измеренные данные и информация о защите могут быть загружены в систему мониторинга электроэнергии через коммуникационный порт для упрощения автоматизации распределительной сети. По результатам открытого тендера национальных поставщиков на проект модернизации устройств защиты электростанции 10 кВ, в итоге было выбрано устройство измерения и управления серии AM5SE производства компании Acrel Co., Ltd. В соответствии с различными характеристиками нагрузки на шине электростанции 10 кВ, в следующей таблице представлены следующие защитные функции каждой модели: устройство измерения и управления защитой линии AM5SE-F, устройство мониторинга и управления защитой трансформатора AM5SE-T, устройство измерения и управления защитой двигателя AM5SE-M, устройство измерения и управления саморегулирующейся защитой AM5SE-B, устройство мониторинга трансформатора AM5SE-UB.
| картина | модель | функция защиты |
| AM5SE-F Измерительно-контрольное устройство для защиты линий электропередачи | Трехступенчатая защита от перегрузки по току (может быть замкнута при низком давлении, может быть защищена в заданном направлении), защита от перегрузки по току с ограничением времени обратной полярности (может быть замкнута при низком давлении), двухступенчатая защита от перегрузки по току нулевого порядка 101 / защита от перегрузки по току с ограничением времени обратной полярности, двухступенчатая защита от перегрузки по току нулевого порядка 1. 2, повторное включение, ускоренная защита от перегрузки по току (при замыкании при низком напряжении), сигнализация перегрузки, срабатывание защиты от перегрузки, срабатывание защиты от потери давления, сигнализация потери давления, защита от перенапряжения, защита от перенапряжения нулевого порядка, защита от обратной мощности, снижение нагрузки на низкой частоте / защита на высокой частоте (за счет разницы скольжения), сигнализация обрыва трансформатора напряжения, сигнализация обрыва цепи управления, контур FC с функцией блокировки по току, защита от отключения питания, сигнализация обрыва трансформатора тока и проверка. | |
|
| AM5SE-T Устройство измерения и контроля защиты распределения электроэнергии | Трехступенчатая защита от перегрузки по току (может быть реализована путем комбинированного замыкания напряжения), защита от перегрузки по току с ограничением времени обратной полярности (может быть реализована путем комбинированной блокировки напряжения), двухступенчатая защита от перегрузки по току нулевого порядка 101, двухступенчатая защита от перегрузки по току нулевого порядка 102, защита от перегрузки по току с ограничением времени обратной полярности нулевого порядка, сигнализация перегрузки, срабатывание защиты от перегрузки, сигнализация обрыва трансформатора напряжения, сигнализация обрыва цепи управления, защита от отключения питания, сигнализация обрыва трансформатора тока, контур FC с функцией блокировки по току. |
|
| AM5SE-B устройство измерения и контроля защиты от самопроецирования | Трехсекционная защита от перегрузки по току (с блокировкой комбинированного напряжения и блокировкой направления), защита от перегрузки по току в обратном направлении (с блокировкой комбинированного напряжения), защита от ускоренной перегрузки по току (с блокировкой комбинированного напряжения), функция ожидания (поддерживает 11 типов систем электропитания), сигнализация обрыва трансформатора напряжения, сигнализация обрыва цепи управления, защита от зарядки шины, повторное включение, перегрузка/сигнализация, двухсекционная защита от перегрузки нулевого порядка, защита от ускоренной перегрузки нулевой последовательности, проверка за тот же период. |
|
| AM5SE-M Измерительно-контрольное устройство защиты электродвигателя | Защита от перегрузки по току (пуск, работа), двухступенчатая защита от перегрузки по току, защита от обратной последовательности, двухступенчатая защита от обратной последовательности, защита от перегрузки по току нулевого порядка, защита от перегрузки при перегреве, защита от перегрузки, срабатывание защиты от перегрузки, блокировка, защита от длительного пуска, защита от отключения питания, сигнализация обрыва трансформатора напряжения, сигнализация обрыва цепи управления, защита от низкого напряжения, сигнализация перенапряжения нулевого порядка, контур FC с функцией блокировки по току, защита от дисбаланса напряжения, защита от нарушения последовательности фаз, защита фаз напряжения, защита от перенапряжения. |
В дополнение к вышеописанным функциям защиты, каждое микрокомпьютерное устройство измерения и управления защитой имеет интерфейс связи RS485, что обеспечивает связь с системой мониторинга питания, реализует функцию независимого мониторинга цепей, обеспечивает контроль состояния переключателей и делает мониторинг цепей переключения более полным; встроенная функция переключения позволяет пользователям выбирать, вкладывать средства или нет. Новые микрокомпьютерные устройства измерения и управления защитой серии AM5SE обладают богатым набором функций защиты, а меню каждого устройства можно свободно настроить на китайском или английском языке, что облегчает эксплуатацию и техническое обслуживание.
5. Проектирование электростанции 10 кВ
Новая конфигурация интегрированного устройства защиты, измерения и управления серии AM5SE, а также чертежи разработаны компанией Acrel Co., LTD. Схема вторичной цепи должна основываться на оригинальных чертежах вторичной цепи высоковольтного шкафа 10 кВ. Расположение клеммных рядов также основано на чертежах, и эти чертежи должны соответствовать требованиям соответствующих нормативных документов. Для чертежей с одинаковой нагрузкой количество клемм и линий должно быть максимально единообразным и соответствовать определенным правилам. Точность чертежей определяет бесперебойность строительства и ввода в эксплуатацию, а также безопасность производства после окончания эксплуатации.
Процесс преобразования защиты вспомогательной мощности 6,10 кВ
Процесс защиты и модернизации электросетей на АЭС 10 кВ. Строительство АЭС 10 кВ должно соответствовать следующим условиям: детальный план строительства и чертежи; приемка нового оборудования должна быть завершена; строительный персонал должен пройти инструктаж по технике безопасности; и должны быть в наличии все необходимые инструменты и материалы. Строительство должно осуществляться в строгом соответствии со схемой и чертежами, чтобы обеспечить бесперебойное выполнение каждого этапа. 6.1 Модернизация оборудования защиты электросетей на АЭС 10 кВ. Модернизация АЭС 10 кВ включает в себя три основных этапа: замену клеммных рядов в распределительном шкафу, демонтаж старых комплексных устройств защиты, измерения и контроля, а также установку и монтаж линий и кабельных сетей новых комплексных устройств защиты. 6.1.1. Замена клеммных рядов. Замена клемм должна производиться по одной, заменяя только один ряд; запрещается заменять два или более рядов одновременно во избежание неправильного подключения и неправильной проводки; замена клеммных рядов в распределительном шкафу позволяет эффективно предотвратить неправильную проводку; Источник переменного тока, источник постоянного тока, цепь отключения, сигнальная цепь должны быть изолированы, чтобы предотвратить короткое замыкание между клеммами, и должны быть надежно зафиксированы без ослабления. При замене ряда клемм необходимо обеспечить сохранение исходного номера клемм шлейфа и номера линии, чтобы следующий этап работ по проводке и проверке линий прошел гладко. 6.1.2 Демонтаж старого комплексного устройства защиты, измерения и управления. В соответствии с планом строительства и чертежами, демонтируйте компоненты, подлежащие демонтажу, включая старые интегрированные устройства защиты, измерения и управления, промежуточные реле в распределительном устройстве, реле напряжения, реле времени и другие компоненты, а также соответствующие вторичные кабели. При демонтаже следует избегать искусственного повреждения компонентов и случайного удаления полезных вторичных кабелей. Организуйте и демонтаж компонентов, классифицируйте их, укажите место хранения, чтобы предотвратить хаос на строительной площадке; на строительной площадке должны соблюдаться требования 6S. 6.1.3 Монтаж и сборка, а также прокладка кабелей комплексного измерительно-контрольного устройства защиты. В связи с различиями в размерах новых и старых комплексных измерительно-контрольных устройств защиты, размер монтажного окна на панели распределительного шкафа может не соответствовать размеру нового комплексного измерительно-контрольного устройства защиты. Монтажное окно на панели распределительного шкафа необходимо вырезать и расширить для установки нового комплексного измерительно-контрольного устройства защиты, чтобы предотвратить повреждение панели при резке. Кабель, подключенный к новому устройству, должен быть новым, и все неиспользуемые кабели должны быть удалены, чтобы предотвратить возникновение паразитных цепей. Проводка должна выполняться в строгом соответствии с проектными чертежами, чтобы предотвратить утечки, неправильное подключение и переключение. Кабельная разводка нового устройства должна быть аккуратной, единой, рациональной, удобной для осмотра и обслуживания. 6.2 Защита электропитания и ввод в эксплуатацию установки 10 кВ. Защита и отладка в основном делятся на четыре этапа: проверка вторичной линии контура, проверка функциональности контура, статическая отладка защитного устройства и проверка передачи. Тщательно проверяйте каждый вывод и номер каждой линии в соответствии со строительными чертежами. Основное внимание следует уделить проверке вторичной цепи трансформатора тока на отсутствие обрыва, вторичной цепи трансформатора напряжения, правильности полярности и проводки; проверке правильности проводки телеметрии, дистанционной связи и дистанционного управления; проверке цепи управления постоянным током на отсутствие короткого замыкания, в том числе короткого замыкания между цепью заземления и LN; измерению сопротивления изоляции цепи управления постоянным током на соответствие требованиям (1000 В); измерению наличия электричества в цепи переменного/постоянного тока. Стоит отметить, что, поскольку поставщик не знаком с вторичной цепью завода, в процессе преобразования легко допустить ошибки и неправильное подключение.
Для проверки работоспособности каждой петли включается питание контуров управления переменным и постоянным напряжением. Проверяется правильность сигналов телеметрии, дистанционной сигнализации и дистанционного управления, исправность измерительных приборов, индикаторных ламп, освещения и цепей нагревателей, а также правильность работы функции защиты от перемыкания контактов в корпусе переключателя. Для дальнейшей проверки правильности проводки каждой петли включается питание контура управления.
Статическая отладка защитного устройства включает в себя выборочную проверку устройства, загрузку и проверку фиксированных значений, а также функциональную проверку устройства. Проверяется работа защитного устройства линии AM5SE-F, защитного устройства трансформатора AM5SE-T, защитного устройства двигателя AM5SE-M, резервного самопереключающегося устройства AM5SE-B и мониторинг трансформатора напряжения путем подачи тока на вторичную сторону трансформатора тока и подачи аналогового напряжения на клеммы шкафа трансформатора напряжения. Устройство AM5SE-UB, вольтметр, амперметр и система мониторинга должны корректно отображать данные, а также должна быть проверена правильность последовательности фаз и фаз контура переменного напряжения и переменного тока. Устанавливается фиксированное значение в соответствии с фиксированным значением для однопарного защитного устройства, и проверяется его правильность. Функциональная проверка защиты включает в себя проверку правильности логики срабатывания и времени срабатывания микрокомпьютерного измерительно-контрольного устройства защиты серии AM5SE путем добавления аналоговых значений, при этом исключаются ошибки и неисправности, а время срабатывания должно соответствовать требованиям. Статическая отладка защитного устройства гарантирует, что оно сможет чутко реагировать на неисправности, надежно и быстро выдавать сигналы тревоги и инструкции по срабатыванию.
Налажено корректное соединение между комплексным устройством измерения и управления защитой и системой мониторинга электропитания, что позволяет в фоновом режиме в режиме реального времени собирать информацию о рабочем состоянии, заданных значениях, записях событий и другую информацию об устройстве защиты. Подключение устройства защиты к фоновой системе повышает уровень управления релейной защитой и уровень автоматизации обработки информации о неисправностях.
Проверка передачи данных призвана имитировать объем неисправности, регистрируемой защитным устройством. Защитное устройство должно выводить сигнал с выключателя, чтобы проверить правильность логики защиты, цепи срабатывания и сигнальной цепи устройства, а также убедиться в возможности дистанционного открытия и закрытия выключателя с помощью управления главного компьютера. Полная проверка передачи данных должна быть проведена для каждого комплекта защитных устройств, чтобы убедиться в правильности логики защиты каждого защитного устройства распределительного шкафа, срабатывания защитной розетки, дистанционного открытия и закрытия выключателя, а также корректности индикации сигнала.
6.3 Проблемы, возникающие при преобразовании и оптимизации
После завершения модернизации нового комплексного устройства измерения и управления защитой, в ходе испытаний на передачу было обнаружено, что выключатель может быть замкнут только один раз. Если он замыкается снова, то это происходит только после перезапуска управляющего источника питания. Анализ показал отсутствие нормально замкнутой точки в катушке замыкания автоматического выключателя. Поскольку в устройстве защиты установлено реле замыкания для обеспечения надежного замыкания автоматического выключателя, в данном случае, из-за отсутствия нормально замкнутой точки в катушке замыкания автоматического выключателя, если после замыкания нет точки размыкания, энергия реле замыкания и удержания не может быть высвобождена, поэтому требуется перезапуск, чтобы реле замыкания и удержания могло сработать до следующего замыкания. После многочисленных консультаций с производителем автоматического выключателя и соответствующим персоналом гидроэлектростанции, перед катушкой замыкания был последовательно соединен набор нормально замкнутых точек, что решило вышеуказанные проблемы. На примере устройства измерения и управления защитой трансформатора AM5SE-T на рисунке 2 показана вторичная схема цепи размыкания и замыкания реконструированной гидроэлектростанции.
Рисунок 2. Квадратичная схема разветвленной цепи AM5SE-T.
7. Модернизация системы мониторинга электроснабжения 10 кВ
Для мониторинга работы и сбора данных во всем распределительном центре в режиме реального времени на гидроэлектростанции установлен комплект системы мониторинга электроэнергии Acrel-2000Z, который загружает данные защиты микрокомпьютера в систему мониторинга электроэнергии, обеспечивая мониторинг и управление электроснабжением подстанции 10 кВ и повышая уровень автоматизации управления. Основные функции системы включают: мониторинг в реальном времени, запрос электрических параметров, отчет о работе, оповещение в реальном времени, запрос исторических событий, отчет по статистике электроэнергии, управление правами пользователей, топологию сети, мониторинг качества электроэнергии, функцию дистанционного управления, управление связью, запись сигналов о неисправностях, вызов аварийных ситуаций, запрос кривых, веб-доступ, доступ через мобильное приложение.
8. Заключение
Модернизация устройств защиты электростанции 10 кВ на гидроэлектростанции позволила решить такие проблемы, как серьезное старение электронных компонентов, низкий уровень автоматизации, неудобный человеко-машинный интерфейс и программное обеспечение, а также сложности в обслуживании. Замена микрокомпьютерного устройства защиты серии AM5SE обеспечивает большую функциональность и удобство использования. Жидкокристаллический дисплей устройства более интуитивно отображает напряжение, величину выборки тока и различные события; программное обеспечение имеет мощные функции отладки, простоту в эксплуатации и освоении, удобный программный интерфейс; схема управления имеет функцию мониторинга переключения и отключения цепи управления; индикатор на панели устройства напрямую показывает положение переключения и состояние замыкания, что делает его более наглядным для персонала по эксплуатации и техническому обслуживанию; в установленное устройство защиты двигателя AM5SE-M добавлено распознавание состояния запуска/работы двигателя, а также предусмотрены функции защиты пускового участка, рабочего участка, двух рабочих участков и другие, что решает проблему ложных срабатываний при большом пусковом токе двигателя. Устройство защиты оснащено интерфейсом связи RS485. Интерфейс связи обеспечивает соединение между устройствами защиты по принципу «рука в руке». Данные передаются в систему мониторинга электроэнергии Acrel-2000Z, что позволяет удобно просматривать информацию о защите и управлять информацией о неисправностях. После ввода в эксплуатацию нового комплексного устройства измерения и контроля защиты оборудование работает в нормальном режиме. Применение нового комплексного устройства защиты обладает богатым набором защитных функций, удобным интерфейсом управления и простотой эксплуатации и обслуживания, что повышает надежность работы гидроэлектростанции и обеспечивает безопасность и стабильную работу станции, что имеет очевидное значение.
Дата публикации: 31 октября 2022 г.

