Проверка оборудования подстанций первичным током

Введение

Качество электроснабжения потребителей зависит от надежной работы оборудования, используемого при производстве и передаче электроэнергии, в частности установленного на станциях и подстанциях. Для контроля состояния и исправности оборудования проводятся периодические проверки и испытания. Зачастую оборудование, работающее в комплексе, проверяется частями, отдельно друг от друга: например, измерительный трансформатор тока и терминал релейной защиты. Прогрузка первичным током позволяет провести комплексные испытания оборудования в условиях, близких к рабочим, без разделения системы на части. Такой подход обеспечивает достоверность результатов и надежную работу системы.

Оборудование для прогрузки первичным током применяется при следующих проверках:

проверка срабатывания автоматических выключателей от токов КЗ и перегрузки;
проверка ТТ с целью определения коэффициента трансформации и полярности; проверка соответствия полярности ТТ и терминала РЗА;
проверка правильности сборки цепей системы РЗА;
проверка реклоузеров и аппаратов секционирования;
проверка токоведущих элементов (шины, контакты и т.д.) на нагрев.

Рассмотрим особенности проверок определенного типа подробнее.

Особенности проверки современных автоматических выключателей

Автоматический выключатель представляет собой коммутационное устройство, которое в режиме реального времени отслеживает уровень протекающего тока в защищаемой цепи и отключает её при превышении током определенного значения.

Проверка выключателей переменного тока с электромагнитными и тепловыми расцепителями возможна с применением достаточно широкого спектра проверочных устройств, начиная от связки ЛАТР-трансформатор, заканчивая установками с тиристорным регулятором на выходе. При использовании последних возможен контроль лишь действующего значения тестового тока, но не его формы, которая значительно отличается от синусоидальной (рисунок 1).

Рис. 1. Форма тока при тиристорном регулировании тестового тока: а) ток, близкий к максимальному; б) ток, близкий к минимальному

В последнее время в эксплуатации всё чаще встречаются выключатели с электронными и микропроцессорными расцепителями, которые позволяют осуществить точную настройку параметров защит (уровень рабочего тока, время защиты от перегрузки, ток и время отсечки). Зачастую расцепитель может быть отсоединен от выключателя, и проверка на месте установки может быть осуществлена первичным или вторичным током. Испытания вторичным током позволяют достаточно просто и быстро провести проверку работы расцепителей. При данном тестировании нет необходимости в мощных источниках тока, поэтому возможно применять достаточно маломощные, малогабаритные устройства. Однако данный вид проверки не позволяет полноценно убедиться в работоспособности выключателя, что может негативно сказаться на надежности электроснабжения. Проверка первичным током является наиболее предпочтительным методом тестирования, поскольку во время процедуры одновременно проверяются датчики тока, целостность сигнальных и силовых цепей, а также работа расцепителя. Данная проверка наиболее приближена к реальной ситуации, в то время как проверка вторичными сигналами позволяет измерить лишь собственное время работы расцепителя. При проверке автоматических выключателей переменного тока с электронными расцепителями предъявляются более строгие требования к тестовому току, к которым относятся:

синусоидальная форма тока без искажений;
отсутствие апериодической составляющей (форма тестового тока с наличием апериодической составляющей представлена на рисунке 2);
выдача должна осуществляться в момент перехода через ноль.

Рис. 2 Тестовый ток с наличием апериодической составляющей

Несоблюдение этих требований неизбежно приведет к погрешности при проверке параметров автоматического выключателя.

Проверка быстродействующих автоматических выключателей

Одной из главных особенностей проверки быстродействующих выключателей является измерение тестового тока. Время срабатывания таких выключателей составляет 1,5 – 10 мс. Произвести точное измерение протекающего тока за такое короткое время само по себе является непростой задачей, потому что при расчете действующего значения тока, протекавшего меньше одного периода, возникает погрешность, связанная с принципами измерения (рисунок 3).

Рис. 3. Действующее значение тока и отклонение в первый период выдачи тока

Видится два возможных варианта вычисления результата измеренного тока: расчет реального действующего значения тестового тока, протекшего через автомат, либо же расчет и вывод значения такого тока, который протекал бы через выключатель, если бы он не отключился. По мнению авторов, целесообразно в качестве результата проверки выводить второе значение, поскольку оно, в случае исправности выключателя, будет совпадать с уставкой. Если же проверяющему понадобится реальное действующее значение, его можно получить путём умножения на соответствующий коэффициент в зависимости от времени отключения выключателя (1).

I_real = I_расч * K_RMS (1)

Измерение тока срабатывания выключателя

При прогрузке выключателя первичным током сразу же возникает вопрос, каким образом подавать ток: увеличивать его плавно или же подавать заданное значение тока скачком?

Очевидно, что испытательный ток необходимо подавать скачком (рисунок 4, а), поскольку этот режим наиболее точно имитирует аварийную ситуацию, при которой ток в сети возрастает скачкообразно. При плавном увеличении тока (рисунок 4, б), например, с использованием ЛАТРа, происходит интенсивный нагрев контактной системы, что может негативно сказаться на результатах проверки.

Рис. 4. Методы поиска тока срабатывания: а) увеличение тока скачком, б) плавное увеличение тока

В самых современных установках, таких как РЕТОМ-30КА последней модификации (более подробное описание приведено в статье далее), вопрос регулировки выходного тока решен за счет реализации калибраторного принципа, то есть задания тока необходимой величины, который освобождает оператора от манипуляций по подстройке уровня выходного тока.

Измерение времени срабатывания выключателя

Измерение времени срабатывания выключателей можно проводить двумя способами: по пропаданию тока в цепи и по изменению состояния контакта, подключенного к дискретному входу испытательной установки.

Измерение времени срабатывания по пропаданию тока рекомендуется применять при проверке тепловых расцепителей, у которых данное время превышает 5 с.

Фиксация тока и времени срабатывания происходит по достижении тока определенного уровня I_порог, определяемого перед каждой проверкой. Пороговое значение тока обычно составляет 10% от предела измерения. Однако ток, в силу переходных процессов, не может мгновенно стать равным нулю (рисунок 5), поэтому значение измеренного времени срабатывания по сравнению с реальным получается завышенным.

Рис. 5 Изменение тока при срабатывании выключателя

При проверке быстродействующих выключателей с мгновенными расцепителями время срабатывания рекомендуется определять по изменению состояния контакта соседнего полюса. В этом случае может присутствовать разновременность срабатывания контактов испытательной установки и выключателя, однако погрешность измеренного времени срабатывания незначительна.

Проверка реклоузеров

Современные реклоузеры или пункты секционирования представляют собой комплекс из высоковольтного модуля, устанавливаемого на опоре и состоящего из вакуумного выключателя (ВВ), измерительных трансформаторов и трансформатора собственных нужд, шкафа управления, установленного в нижней части опоры и включающего микропроцессорное устройство защиты и органы ручного управления. Структура реклоузера позволяет разделить его на составные части, такие как ВВ, трансформаторы, терминал защиты и управления и проводить раздельное тестирование. Однако ввиду отсутствия на данный момент нормативной документации по периодическому обслуживанию реклоузеров, они проверяются как черный ящик, путем подачи первичных величин и регистрации факта отключения ВВ. Данный подход не позволяет осуществить тестирование в полном объеме, но позволяет убедиться в работоспособности реклоузера

Недостаточное количество в эксплуатации устройств, позволяющих имитировать сигналы катушек Роговского, является дополнительным сдерживающим фактором в переходе к раздельному тестированию реклоузеров с датчиками такого типа.

Проверка трансформаторов тока

Прогрузка трансформаторов тока (ТТ) первичным током осуществляется для определения коэффициента трансформации и полярности. В связи с тем, что практически все цифровые ТТ обладают высокой точностью (на уровне класса 0,2 и выше) подобрать генератор тока, способный выдавать ток с необходимой точностью (в 5 крат выше точности проверяемого объекта согласно рекомендациям [3]) оказывается довольно сложной задачей. В таких случаях рекомендуется использовать эталонные ТТ с необходимой заявленной точностью.

В настоящее время в электроэнергетическом комплексе России все большее распространение получают цифровые устройства, взаимодействующие между собой посредством цифровых каналов. Активно ведется внедрение ИЭУ с поддержкой стандарта МЭК 61850 и отечественного профиля данного стандарта. Поэтому актуальным является вопрос проверки трансформаторов тока с цифровым выходом.

Традиционные измерительные трансформаторы с выносным объединяющим устройством (AMU) (рисунок 6) принято тестировать, разделяя объект проверки на два и проверяя каждый из них раздельно: измерительный трансформатор и преобразователь. Тогда схемы проверки будут выглядеть следующим образом (рисунок 7).

Рис. 6 Традиционные ТТ с выносными объединяющими устройствами

Рис. 7 Проверка коэффициента трансформации и угловой погрешности традиционных ТТ и ТН

Для проверки цифрового объединяющего устройства необходимо соответствующее проверочное оборудование, поддерживающее стандарт МЭК 61850 и его локальные профили, используемые в преобразователях. Проверочная установка должна состоять из генератора вторичных токов и напряжений, а также регистратора цифрового потока Sampled Values (рисунок 7 (б)). При проверке оцениваются точность конвертации значений тока и напряжения, задержка при конвертации, потери и искажение данных, а также динамические характеристики преобразователя. Также пользователю необходимо проверить параметры генерируемого потока Sampled Values (svID, AppID и MAC-адрес).

В случае если генератор и регистратор конструктивно представляют собой два раздельных устройства, или же по какой-то причине отсутствует внутренняя синхронизация этих устройств, необходимо использование внешней синхронизации по PPS или PTP.

Традиционные измерительные трансформаторы со встроенным объединяющим устройством (AMU) уже не дают возможность разделения цифрового ТТ на два разных объекта испытания. Поэтому состав испытательной установки должен включать в себя генераторы первичных токов и напряжений, а также регистратор цифровых потоков Sampled Values (рисунок 8).

Такой тип испытания является более предпочтительным, чем разделение цифровых трансформаторов на составляющие, поскольку исключается возможность ошибочного подключения после проверки.

Рис. 8 Проверка ТТ и ТН с встроенными преобразователями

Применение оптических измерительных трансформаторов обосновано следующими преимуществами:

отсутствие влияния ЭМ эффектов, а следовательно, отсутствие насыщения при КЗ;
однократное преобразование информации из аналоговой в цифровую с возможностью неограниченного её тиражирования;
синхронизация всех измерений защищаемого объекта.

Фактически тестирование ОТТ и ОТН не отличается от тестирования традиционных ТТ со встроенными цифровыми преобразователями. К преимуществам проверки ОТТ можно также отнести возможность во время тестирования использовать генераторы тока с меньшим значением выходного тока, но при этом прокладывая в окне ОТТ нескольких витков, как описано в статье [2].

Особенностью данной проверки является необходимость подключения к ТТ, установленных на опорах и необходимой длине проводов около 8-10 метров, что значительно увеличивает нагрузку на источник первичного тока.

Вопрос подсоединения к объекту испытаний

Поскольку установки для прогрузки первичным током обычно имеют малое напряжение холостого хода (обычно не более 10 В), максимальный выходной ток напрямую ограничен нагрузкой, т.е. тестовыми проводами, струбцинами и сопротивлением объекта испытания. Для уменьшения суммарного полного сопротивления тестовой цепи используется параллельное соединение нескольких кабелей длиной 1 метр. Значительный эффект в уменьшении нагрузки даёт стягивание токоведущих проводов между собой (рисунок 9), поскольку значительно уменьшается индуктивная составляющая нагрузки: чем меньше окно между кабелями, тем она меньше. Опыт работы с большими токами показал, что в некоторых случаях прирост тока может составить до 20% при выборе варианта расположения кабелей на рисунке 9 (в) по сравнению с вариантом на рисунке 9 (а).

Рис. 9 Варианты подключения тестовых кабелей к объекту испытаний

Подключение проверочной установки к питающей сети

Для достижения максимальных значений токов установки для прогрузки необходимо обеспечить её качественное подключение к питающей сети. Для этого необходимо, чтобы напряжение сети было близко к номинальному (рекомендуемый диапазон отклонений составляет ±5%), питающий автоматический выключатель должен соответствовать току потребления проверочной установки, а питающий кабель должен быть достаточного сечения и оптимальной длины. Соблюдение данных рекомендаций положительно сказывается на производительности прогрузочной установки.

Оборудование для прогрузки первичным током

В линейке устройств НПП «Динамика» есть несколько приборов, предназначенных для тестирования оборудования подстанций первичным током:

РЕТОМ-21 (выходной ток до 700 А);
РЕТОМ-21/25 совместно с трансформатором РЕТ-3000 (выходной ток до 3500 А);
РЕТОМ-30КА (выходной переменный ток до 30 000 А и постоянный ток до 6 000 А).

В этом году представлен обновленный комплекс РЕТОМ-30КА (рисунок 10). При разработке данного комплекса особенное внимание было уделено вопросу управления комплексом и оптимизации процесса прогрузки первичным током.

Рис. 10. Обновленный комплекс РЕТОМ-30КА

Обновленный регулировочный блок обладает дружественным интерфейсом управления, для которого пользователь самостоятельно может определить язык: английский или русский. Взаимодействие с комплексом станет проще за счет графических подсказок, которые отображают сообщения об ошибках в аварийных случаях, а также возможные схемы подключение блоков между собой. Так, пользователь может самостоятельно выбрать возможный вариант подключения, необходимый для проверки определенного типа (рисунок 11). Схемы отличаются максимальным выходным током и напряжением холостого хода (таблица 1).

Таблица 1. Параметры схем соединения блоков и обмоток РЕТОМ-30КА

	Переменный ток					Постоянный ток
Ток, А	30 000	15 000	15 000	7 500	7 500	6000
Напряжение, В	4,4	8,8	4,4	8,8	4,4	16

Максимальная выходная мощность при этом составляет 55000 ВА для переменного и 8000 Вт для постоянного тока.

Рис. 11. Схемы подключения трансформаторных блоков и блока постоянного тока к регулировочному блоку

Вся информация выводится на 4,3-дюймовый дисплей, на котором она отчетливо видна даже при попадании прямых солнечных лучей. Сенсорное управление блоком регулировки полностью продублировано физическими кнопками и цифровым энкодером, что позволяет пользователю самостоятельно выбрать удобный для него способ взаимодействия с прибором.

Отличительной особенностью новой модификации комплекса РЕТОМ-30КА является возможность подключения блока постоянного тока напрямую к блоку управления, за счет чего для проверок исключительно постоянным током можно укомплектовать РЕТОМ-30кА только двумя блоками – регулировочным и выпрямительным. Обновленный комплекс также отличается высокой точностью установки тока. У пользователей появилась возможность вводить числовое значение тока на экране регулировочного блока с шагом от десятков ампер (рисунок 12). Кроме этого, на данном этапе задается время выдачи тестового тока, условие остановки выдачи и фиксации показаний (по пропаданию тока или по контакту встроенного секундомера). При необходимости активируется режим предпитания, позволяющий предварительно запитать схемы расцепителя выключателя током номинальной величины для получения корректных результатов проверки.

Рис. 12. Задание параметров проверки РЕТОМ-30КА

В зависимости от количества подключенных к регулировочному блоку трансформаторных блоков устройство предлагает пользователю выбор схем подключения к объекту испытаний (с повышением напряжения холостого хода или без), производит оценку нагрузки, подключенной к выводам трансформаторных блоков, и выдаёт заданный ток с регламентированной точностью не хуже 2 %. Алгоритмы также отслеживают увеличение сопротивления по причине нагрева проводника при проведении испытаний на нагрев, и стабилизируют уровень тока на заданной оператором величине.

Все результаты проведенных испытаний сохраняются во внутренней памяти прибора. Сохраненные измерения можно либо выгрузить на ПК или внешний USB накопитель, либо сформировать протокол испытаний проверяемого объекта и выгрузить протокол, объединяющий несколько испытаний. Сохраненные результаты проверок и протоколы можно впоследствии использовать в качестве шаблонов для формирования программы испытаний, что крайне удобно и облегчает работу при проведении однотипных проверок.

Рис. 13. Окно настроек РЕТОМ-30КА

В меню настройки (рисунок 13) можно проверить версии встроенного ПО и обновить его при необходимости. В исключительных случаях может понадобиться внешний измеритель протекающего тока. В данном случае в меню настроек необходимо активировать функцию его использования, а сам измеритель подключить к регулировочному блоку. В такой конфигурации все измерения в приборе будут проводиться на основе данных с внешнего измерителя тока.

Заключение

Проверка электрооборудования станций и подстанций путем прогрузки первичным током, с одной стороны, кажется довольно простой и незамысловатой процедурой. Однако, как и при любых других испытаниях, при более детальном рассмотрении в ней имеются особенности, часть из которых была описана в данной статье.

Специалисты НПП «Динамика» имеют многолетний опыт в области тестирования оборудования токами большой величины и стараются учесть максимальное количество нюансов при разработке нового оборудования. Представленное в статье оборудование, в том числе и обновленный комплекс РЕТОМ-30КА, разрабатывалось для того, чтобы облегчить процедуру проверки как с точки зрения проведения испытаний, так и процесса подготовки отчетов. Возможность сохранения результатов проверки и преобразования их в программу испытаний позволит в значительной мере сократить время и ошибки в проведении периодических испытаний оборудования.

Литература

Александров, Н. М. Новые приборы для диагностики первичного оборудования / Н. М. Александров. — Текст: непосредственный // Сборник тезисов и докладов 4 международной научно-практической конференции «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России». — Чебоксары: , 2017. — С. 92-93.
Плеханов, А. В. Пять обязательных испытаний для оценки исправности трансформаторов тока / А. В. Плеханов. — Текст: непосредственный // Релейная защита и автоматизация. — 2021. — № 2. — С. 56-60.
SANKET, BOLAR Primary Injection Testing on Low-Voltage Circuit Breakers / BOLAR SANKET. — Текст: электронный// Neta World : [сайт]. — URL: https://netaworldjournal.org/primary-injection-testing-on-low-voltage-circuit-breakers/#:~:text=Primary%20injection%20testing%20involves%20injection,delay%20characteristic%20provides%20overload%20protection. (дата обращения: 11.08.2022).
ГОСТ Р 50345-2010 «Аппаратура малогабаритная электрическая. Автоматические выключатели для защиты от сверхтоков бытового и аналогичного назначения. Часть 1. Автоматические выключатели для переменного тока»

Александров Н.М.
начальник отдела первичного оборудования
ООО «НПП «Динамика»,
Зарубин Д.В.
начальник отдела преобразовательной
и измерительной техники
ООО «НПП «Динамика»

г. Чебоксары
Декабрь 2022