Линейные технические средства локализации короткого замыкания для систем электроснабжения среднего и высокого напряжения

На примере продукции фирмы Horstmann

Линии электропередач в воздушном и кабельном вариантах исполнения являются одним из обязательных составных компонентов электрической сети. На них возлагается функция доставки электроэнергии, выработанной на электростанциях, к местам ее потребления. Сеть штатно функционирует на высоких напряжениях для минимизации бесполезных тепловых потерь, снижающих КПД функционирования системы в целом.

Одним из требований к линии электропередач, обязательно выдвигаемой к этому инженерному сооружению с учетом его основной функции, является обеспечение высокой эксплуатационной готовности. Сложность решения этой задачи обусловлена тем, что линии изначально рассчитаны на передачу больших объемов энергии. Поэтому любая аварийная ситуация, сопряженная с локальным выделением этой энергии, потенциально сопровождается серьезными последствиями. Борьба с ними сводится к выполнению двух основных мероприятий:

• качественным выполнением проекта в целом, что включает в себя тщательную проработку проектных решений, применение только проверенной элементной базы и безусловное соблюдение технологии монтажа;
• автоматическим обнаружением аварии на ранних стадиях развития процесса с немедленным обесточиванием линии и максимально быстрым последующим ремонтом.

С аварийным отключением линии успешно справляется надлежащим образом построенная система релейной защиты и автоматики. Ее существенный недостаток в классической форме исполнения – отсутствие возможности точного определения места неисправности. На основании Рис. 1 это, несмотря на простой линейный характер соответствующей технологической процедуры, задерживает прибытие ремонтной бригады непосредственно на место аварии и не позволяет немедленно приступить к восстановительным работам. Решить задачу ускорения начала процесса устранения последствий аварии можно привлечением соответствующих технических средств.

Рис. 1. Упрощенная структурная схема процесса восстановления работоспособности линии электроснабжения после аварии

Принцип действия систем обнаружения короткого замыкания, уровни их построения и функциональные возможности

Короткое замыкание рабочих цепей силовой воздушной и кабельной линии, происходящее на землю (преимущественно) и между фазами, согласно известной статистике, является одной из основных причин аварий в системах электроснабжения. Соответственно, в части обнаружения и локализации места его нахождения известно большое количество предложений и практически реализованных технических решений. Их полную совокупность можно представить в виде иерархической структуры, Рис. 2.

Принцип действия системы основан на внедрении в состав силовой линии пороговых датчиков, функции чувствительных элементов которых выполняет трансформатор тока. Датчик срабатывает при резком увеличении контролируемого линейного тока сверх максимально допустимого значения. Состояние отдельных датчиков считывается обслуживающим персоналом визуально (локальные системы) или передается в виде стандартизованных электрических сигналов по различным каналам связи в диспетчерский пункт.

Любая система, относящаяся к данной группе,

• основана на индивидуальных для каждой фазы чувствительных элементах, вызывающих срабатывание индикациидатчиков при коротком замыкании и конкретизирующих его тип (междуфазное или на землю);
• дает возможность локализовать место аварии с точностью до участка между двумя точками установки датчиков;
• в основной своей массе снабжена на уровне отдельных компонентов штатными или опциональными электрическими выходами, позволяющими организовать связь с системой мониторинга и управления сетью, то есть обеспечивающими возможность интеграции с более высокими уровнями, в т.ч. на уровне SCADA.

Отдельно подчеркнем два момента.

Во-первых, рассматриваемые далее устройства, организационно находящиеся на нижнем уровне системы диспетчеризации и управления, представляют собой самодостаточное устройство и могут при необходимости эксплуатироваться самостоятельно в автономном режиме. Их включение как отдельного компонента в состав централизованных структур и подключение к SCADA осуществимо не во всех случаях, а при наличии такой возможности часто осуществляется по мере возникновения необходимости.

Во-вторых, некоторые разновидности устройств могут определять фактические значения таких параметров как ток, напряжение и т.д. Тем не менее, они не являются средством измерения и должны рассматриваться только как индикаторы.

Компания Horstmann производит широкую гамму устройств данной разновидности. В дальнейшем ограничимся рассмотрением только двух групп устройств, образующих линейную ветвь по месту их установки: пассивных механических датчиков роторного и жидкостного типа, а также активных датчиков серии Navigator. Вне анализа остаются устройства серий ALPHA, SIGMA и ComPass, которые используют аналогичный принцип обнаружения короткого замыкания и которые с учетом области их штатной эксплуатации можно отнести к станционным.

Рис. 2. Иерархия технических средств обнаружения короткого замыкания

Преимущества внедрения системы контроля

Основная выгода от применения системы контроля, построенной на технических средствах рассматриваемой разновидности, состоит в заметном сокращении времени восстановления электроснабжения. Данное полезное свойство обеспечивается тем, что правильно построенная система устраняет необходимость выполнения верхних по схеме Рис. 1 шагов на всей линии, сводя их к не такой затратной и требующей меньшего количества ресурсов процедуре в пределах одного участка. Фактически ремонтники выезжают на аварийный случай уже целенаправленно, имеют на руках результаты предварительной диагностики и по прибытию на место немедленно приступают к производству восстановительных работ. Результатом этого становится 2-3-кратное сокращение времени восстановления работоспособности линии после наступления аварии.

В современных условиях немаловажное значение приобретает также снижение расходов на персонал из-за общего уменьшения требуемого рабочего времени ремонтных бригад, продолжительности использования автотранспорт и степени его износа и расхода ГСМ. Точное определение места аварии полезно также с организационной точки зрения, т.к. дает возможность однозначно отнести точку ее возникновения к зоне балансовой принадлежности конкретной эксплуатирующей организации.

Принцип локализации места неисправности

С топологической точки зрения линии электроснабжения могут иметь базовую линейную или иерархическую звездообразную структуры, которые представлены на Рис. 3. При этом в составе каждой такой структуры обязательно присутствует по меньшей мере один первичный источник энергии, а также не исключается наличие дополнительных вторичных источников. Все остальные виды топологий могут быть сведены к более или менее сложной комбинации перечисленных базовых.

С учетом линейности основных топологических компонентов сети и принципа функционирования датчика, который реагирует на превышение некоторого порогового значения тока в линии, для выявления участка с коротким замыканием достаточно поставить в соответствие каждому контролируемому участку как минимум один датчик. При этом для линии с одним источником

• короткое замыкание в конкретном участке соответствует превышению тока через все датчики, которые располагаются между источником и аварийным участком, включая последний;
• остальные датчики останутся в исходном состоянии.

Точность локализации места аварии можно увеличить установкой на участке нескольких датчиков, что, однако, приводит к увеличению стоимости системы контроля. Хорошим компромиссом в этом вопросе является применение двух таких датчиков, которые обычно устанавливают в начале и в конце участка. Данные положения иллюстрирует Рис. 4.

Рис. 3. Основные варианты топологического построения линий электроснабжения

Рис. 4. Обнаружение короткого замыкания на участке в сети с одним источником

Схема Рис. 4, основанная на изотропных датчиках, неработоспособна в сетях с двумя источниками. Это связано с тем, что при наиболее вероятном однократном коротком замыкании соответствующий аварийный ток протекает к месту аварии уже от двух концов линии, то есть вызывает срабатывание всех датчиков этой ветви системы контроля.

Для устранения этого недостатка в сетях с двумя источниками необходимо применять датчики, демонстрирующие свойство анизотропности. В данном случае под этим понимается генерация двух различных аварийных сигналов, каждый из которых не только указывает на превышение порогового значения, но и содержит информацию о направлениие протекания тока. Такое устройство может находиться в трех основных состояниях: двух сработавших, отличающихся направлением протекания тока короткого замыкания, и не сработавшем (в состоянии покоя), которое соответствует штатному режиму функционирования сети.

Принцип функционирования системы, в составе которой применяются датчики, чувствительные к направлению протекания аварийного тока, демонстрирует Рис. 5. При возникновении в такой сети однократного короткого замыкания срабатывают все те датчики, через которые протекает аварийный ток. Участок его появления идентифицируется системой по двум относящимся к нему сработавшим датчикам, которые находятся в противоположных активных состояниях (отмечены на схеме красной и зеленой заливкой).

Рис. 5. Принцип обнаружения участка с коротким замыканием в случае сети с двумя источниками

Съем информации с датчиков и их повторная активация

Информация, носителем которой является фактически двухуровневый сигнал “сработал – в состоянии покоя” и которая необходима для выявления и последующей локализации места короткого замыкания, снимается с датчиков

• визуально и/или
• с помощью электроники.

Функции визуального индикатора в механических датчиках возлагаются на индикаторное окошко, меняющее свой цвет при обнаружении короткого замыкания. Для датчиков со встроенной электроникой меняется сам принцип индикации, а количество вариантов резко увеличивается, то есть сигнал выявления короткого замыкания генерируется

• срабатыванием сухого контакта;
• включением линейки светодиодов;
• применением различных цветов свечения, изменения скважности включения и аналогичными им сигналами;
• активизацией беспроводного или кабельного модема.

Механические датчики

Компания Horstmann серийно выпускает две разновидности механических датчиков, отличающиеся между собой принципом активации индикатора в момент срабатывания по короткому замыканию. Их общее свойство – отсутствие источника питания.

Схема датчика роторного типа (Rotor System по фирменной терминологии), известного также под названием роторного индикатора, показана на Рис. 6. Этот датчик реализует бистабильную механическую схему функционирования и содержит ротор, половины которого окрашены в красный и черный цвета. Ротор может перемещаться между двумя крайними устойчивыми положениями и смонтирован в корпусе, через индикаторное окно которого видна только одна его одноцветная половина.

Рис. 6. Упрощенная схема датчика роторного типа

Повторная активация роторного датчика выполняется возвратом его индикаторного элемента в исходное положение, для его на роторе предусмотрен специальный штифт сброса. Размеры штифта подобраны таким образом, чтобы с ним можно было работать через изолирующую штангу, что обеспечивает полноценное выполнение правил техники безопасности.

В самовосстанавливающемся датчике жидкостного типа (Fluid System) в качестве индикатора использована цилиндрическая стеклянная колба-миксер, заполненная жидкостью с окрашенными в красный цвет частицами. В момент срабатывания колба встряхивается однократным резким подтягиванием и весь ее объем заполняется взвесью частиц, за счет чего она окрашивается в красный цвет. Частицы постепенно оседают на дно колбы под воздействием силы тяжести, индикатор меняет свой цвет на исходный и через шесть – восемь часов готов к повторному использованию. По степени прозрачности жидкости и градиенту распределения окраски индикатора можно также грубо, с точностью до часа оценить время, прошедшее с момента последнего короткого замыкания.

Из-за сравнительно небольшой визуальной заметности пассивного индикатора на расстоянии даже свыше пары метров датчики рассматриваемой разновидности предназначены для кабельных линий.

С целью расширения функциональных возможностей системы контроля компания Horstmann предлагает также серийные образцы пассивных датчиков, которые

• содержат штатные сухие контакты;
• выполнены по комбинированной роторно-жидкостной схеме.

Датчики серии Navigator

Датчики серии Navigator предназначены для применения на воздушных линиях электропередач с максимальным напряжением вплоть до 220 кВ. Относятся к активным устройствам контроля короткого замыкания и за счет возможности автоматической оценки состояния одновременно группы датчиков могут считаться полноценными средствами централизованного выявления короткого замыкания по классификации Рис. 2.

При выявлении короткого замыкания любого вида датчик включает индикаторный светодиод. Благодаря наличию встроенного контроллера обладает расширенными функциональными возможностями. Второе поколение датчиков этой разновидности может использоваться в сетях с двумя источниками.

Рис. 7. Внешний вид индикатора Smart Navigator 2.0 в рабочем положении на фазном тросе

Светодиодный индикатор обеспечивает полную круговую индикацию, за счет различной цветовой гаммы и работы в нескольких режимах свечения по цвету и скважности вспышек обеспечивает очень высокую информативность устройства. Так, в частности, соответствующая комбинация цветовых сигналов

• отмечает факт выявления длительного и кратковременного межфазного и однофазного короткого замыкания;
• показывает направление протекания аварийного тока;
• используется для отображения низкого уровня зарядки батареи и т.д. Электроника датчика
• подсчитывает количество устойчивых и кратковременных коротких замыканий;
• оценивает состояние каналов связи
• контролирует температуру проводника.

Датчики Smart Navigator второго поколения обладают расширенными функциональными возможностями. В частности, они позволяеют

• фиксировать текущую величину фазного тока;
• определять значение аварийного тока и продолжительность аварии;
• конкретизировать направление перетока мощности и т.д.

Сильная сторона устройства вне зависимости от его поколения – возможность его установки непосредственно на рабочую линию без ее обесточивания с помощью штатной диэлектрической штанги. Фиксатор штанги при работе с датчиком навешивается на специально предназначенное для этого полукольцо на защитном колпаке-рассеивателе в нижней части корпуса. С помощью этой же штанги датчик можно демонтировать с фазного троса.

Питание электроники выполняется встроенным источником от токов наводки с линии, имеется также внутренняя резервная батарея, поддерживающая функционирование на обесточенной линии.

Увеличение заметности светодиодной индикации состояния датчиков данной разновидности, что важно днем в солнечную погоду, достигается

• применением светодиодов с высокой яркостью свечения;
• установкой линейки из нескольких светодиодов;
• введением в состав конструкции датчика прозрачного защитного колпака-рассеивателя полукруглой формы.

Благодаря этому уверенное расстояние считывание индикации в дневных условиях составляет 50 м, естественным образом увеличиваясь ночью до 150 м. Фактически показания датчиков можно снимать даже не выходя из машины при движении вдоль трассы ЛЭП.

Фокусная область использования датчика на открытом воздухе учитывается в его конструкции тем, что

• корпус обеспечивает уровень защиты IP68;
• металлические детали выполнены из нержавеющей стали;
• оптический рассеиватель сформирован из ударопрочного поликарбоната, устойчивого к УФ излучению.

Простота разборки корпуса и последующей его сборки без потери герметичности обеспечивает необходимые условия для быстрой замены отработанной батареи. Потребность в выполнении этой сервисной процедуры отмечается соответствующим режимом работы светодиодного индикатора.

Варианты включения датчиков Smart Navigator в системы централизованного контроля

Наличие в датчиках серии Smart бортового контроллера позволяет организовать эффективный дистанционный обмен данными с центральным диспетчерским пунктом. Для этого могут быть задействованы две возможности.

В датчиках первого поколения функции локального элемента сбора данных и организации связи с центральным диспетчерским пунктом выполняло устройство SMART REPORTER. Этот блок

• конструктивно выполнен в виде герметичного шкафчика, который навешивается на опору ЛЭП и снабжен нижними герметичными кабельными вводами;
• обеспечивает создание двунаправленного локального канала связи на расстоянии до 30 м;
• работает в частотном диапазоне 2,4 ГГц;
• обслуживает до четырех комплектов датчиков Smart

Выбор последнего значения обусловлен возможностью создания “технологической микросоты” в точке выполнения одновременно двух ответвлений от магистральной линии.

Рис. 8. Схема формирования “технологической микросоты” из датчиков Smart Navigator первого поколения тросе

Структурная схема системы в максимально полной конфигурации показана на Рис. 8.

Датчики Smart Navigatоr 2.0 используют структурно более простую схему построения технологической микросоты, Рис. 9. В ее основу положено то, что

• подобную микросоту образует уже каждый комплект датчиков;
• один из датчиков комплекта берет на себя функции мастер-устройства, а остальные два выполняют в группе функции ведомых.

Рис. 9. Схема формирования “технологической микросоты” из датчиков Smart Navigator 2

Во всем остальным оборудование Smart Navigatоr разных поколений функционируют идентично.

Дальнейшая связь с центральным диспетчерским пунктом производится по сети сотовой связи. Необходимые для этого настройки задаются аппаратно SIM-картой, которая устанавливается в соответствующее посадочное гнездо мастер-Navigator-а и в SMART REPORTER.

Особенности сбора и оценки технологической информации в центральном диспетчерском пункте

Типовое современное средство оперативного контроля и управления сложными техническими объектами - SCADA-система. Подобная система создается под индивидуальные потребности каждого предприятия и имеет очень низкий уровень стандартизации. Поэтому подключение к ней датчиков короткого замыкания с целью создания еще одной подсистемы оперативного технологического контроля зачастую превкращается в сложную самостоятельную задачу.

Облегчение процесса автоматизации оперативного контроля короткого замыкания с учетом данной особенности обеспечивается обращением к серии программных продуктов iHost. В зависимости от достигнутого уровня интеграции сигналы датчиков взаимодействуют с системой через web-интерфейс или через SCADA-систему, Рис. 10.

Рис. 10. Схема движения информации в подсистеме автоматизированного контроля коротких замыканий

Эксплуатационная гибкость верхнего уровня такой системы обеспечивается

• возможностью выбора для хранения и обработки информации реальных и виртуальных серверов, в т.ч. в облачном сервисе;
• различными видами доступа к данным;
• поддержкой нескольких типов протоколов SCADA;
• наличием разных видов лицензий по количеству датчиков и их групп

Заключение

1. Датчики выявления коротких замыканий между фазами и на землю являются эффективным дополнением классической релейной защиты, а их применение позволяет значительно (в 2 – 3 раза) сократить время простоя линии в аварийных ситуациях за счет точного выявления места повреждения и немедленного начала ремонтно-восстановительных работ.
2. Системы контроля сетей электроснабжения с двумя источниками должны в обязательном порядке строиться на датчиках, чувствительных к направлению протекания тока короткого замыкания).
3. Внедрение датчиков коротких замыканий и систем на их основе обеспечивает значимое для практики уменьшение эксплуатационных расходов.
4. Датчики рассматриваемой разновидности вне зависимости от фокусной области применения (на воздушных и кабельных линиях) представляют собой функционально законченный блок и могут эксплуатироваться как независимое самостоятельное устройства, в составе SCADA-системы, а при условии применения соответствующего ПО - также в составе систем автоматизации облачного типа.
5. Наличие развитой системы датчиков и программных продуктов обеспечивает простоту построения систем автоматического контроля коротких замыканий с плавным наращиванием их функционала и возможностью выбора наиболее приемлемых финансовых условий.

Заполни форму и мы поможем выбрать ИКЗ и места их установки на основании вашей схемы сети, а также рассмотрим возможность тестовой эксплуатации приборов