Оперативный постоянный ток — система питания релейной защиты, автоматики и цепей управления выключателями подстанции. При потере оперативного тока РЗА теряет питание: защиты не срабатывают, выключатели не отключаются. Короткое замыкание без отключения — каскадное развитие аварии, повреждение оборудования, потеря питания потребителей.

Система оперативного тока работает независимо от переменной сети. Аккумуляторная батарея обеспечивает питание РЗА при полном обесточивании подстанции — именно в тот момент, когда защиты нужны больше всего. Надёжность этой системы определяет надёжность всей подстанции.

Статья разбирает назначение и состав ШОТ и ШРОТ, схемы питания, расчёт ёмкости аккумуляторной батареи, требования к зарядным устройствам и порядок приёмки. Отдельно — типовые ошибки из практики.

Общие сведения

Система оперативного постоянного тока (СОПТ) питает цепи РЗА, управления, сигнализации и аварийного освещения подстанции. Требования к проектированию устанавливают ПУЭ (гл. 3.4), РД 34.35.101-88 и стандарты ПАО «Россети» СТО 56947007-29.240.044. Для объектов ФСК применяется СТО 56947007-29.240.044-2010.

Напряжение оперативного тока — 220 В или 110 В постоянного тока. Выбор определяется классом напряжения подстанции и типом применяемых устройств РЗА.

Потребители оперативного тока делятся на три группы. Постоянные потребители работают непрерывно: терминалы РЗА, устройства телемеханики, сигнализация. Кратковременные потребители работают при срабатывании: приводы выключателей (ток отключения 5–30 А в течение 0,05–0,3 с), электромагниты включения (ток 20–100 А в течение 0,1–0,5 с). Аварийные потребители включаются при обесточивании подстанции: аварийное освещение, аварийная вентиляция.

Состав системы: ШОТ и ШРОТ

ШОТ — шкаф оперативного тока

ШОТ — центральный элемент СОПТ. Объединяет зарядное устройство, аккумуляторную батарею (или подключение к ней), главные шины постоянного тока и устройство контроля изоляции. Устанавливается в релейном зале или аппаратном помещении подстанции.

Типовой состав ШОТ:

• Зарядно-подзарядное устройство (ЗПУ) — поддерживает напряжение на шинах 220–242 В (для СОПТ 220 В) в режиме постоянного подзаряда. Мощность — 1–20 кВт в зависимости от ёмкости батареи и тока нагрузки.
• Резервное зарядное устройство — автоматически включается при отказе основного. АВР срабатывает за 0,1–1,0 с.
• Аккумуляторная батарея или кабельная связь с аккумуляторным помещением — обеспечивает питание при потере переменного напряжения на входе ЗПУ.
• Устройство контроля изоляции (УКИ) — непрерывно контролирует сопротивление изоляции шин «+» и «−» относительно земли. Срабатывание при снижении ниже 20–50 кОм.
• Главные шины постоянного тока (+ШП и −ШП) — медные шины или клеммный ряд для подключения отходящих фидеров к ШРОТ и непосредственным потребителям.
• Автоматические выключатели или предохранители — на каждом отходящем фидере. Обеспечивают селективность при КЗ в цепях потребителей.

Напряжение на шинах ШОТ в режиме подзаряда: 220–242 В для СОПТ 220 В, 110–121 В для СОПТ 110 В. Отклонение напряжения за пределы диапазона — сигнал неисправности ЗПУ.

ШРОТ — шкаф распределения оперативного тока

ШРОТ распределяет оперативный ток от шин ШОТ по конкретным присоединениям и панелям РЗА. Устанавливается в релейном зале рядом с панелями защит или в ОРУ — у отдельных присоединений.

Типовой состав ШРОТ:

• Вводные автоматические выключатели — от шин ШОТ, с селективностью относительно отходящих автоматов.
• Отходящие автоматические выключатели или предохранители — на каждое присоединение: цепи управления выключателем, цепи РЗА, цепи сигнализации. Номинал 1–16 А.
• Сигнализация положения автоматов — дискретные выходы на сигнализацию при отключении любого автомата.
• Клеммные ряды — для подключения кабелей к панелям РЗА.

Аккумуляторные батареи

Типы аккумуляторов: сравнение

Расчёт ёмкости аккумуляторной батареи

Ёмкость батареи рассчитывается методом постоянной мощности. Суммарный ток разряда:

I_разр = I_пост + I_крат × k_одн

где I_пост — ток постоянных потребителей (А), I_крат — суммарный ток кратковременных потребителей (А), k_одн — коэффициент одновременности 0,5–0,8.

Требуемая ёмкость батареи:

C = I_разр × T / η

где T — нормируемое время автономии (ч), η — коэффициент использования ёмкости 0,8–0,85 (учитывает старение и температуру).

Нормируемое время автономии: для подстанций 110 кВ и выше — не менее 2 ч согласно РД 34.35.101. Для объектов с оперативным персоналом — 0,5–1 ч. Для необслуживаемых подстанций (НПС) — 4–8 ч.

Пример расчёта. Подстанция 110 кВ: постоянные потребители 8 А, кратковременные 40 А (k_одн = 0,6), время автономии 2 ч, η = 0,82. I_разр = 8 + 40 × 0,6 = 32 А. C = 32 × 2 / 0,82 = 78 А·ч. Принимается батарея 100 А·ч с запасом 28%.

Требования к помещению аккумуляторной батареи

Аккумуляторное помещение — отдельное, с принудительной или естественной вентиляцией. Кратность воздухообмена — не менее 1 раза в час в нормальном режиме и 8–10 раз в час при заряде. При заряде VRLA-батарей выделяется водород: концентрация выше 4% — взрывоопасна.

Температурный режим: +5…+25 °C оптимально для VRLA. При повышении температуры на каждые 10 °C срок службы батареи сокращается вдвое. При −10 °C ёмкость VRLA снижается до 60–70% от номинала. Для необслуживаемых подстанций в северных регионах — обогрев аккумуляторного помещения или батарей с термостатом.

Зарядные и подзарядные устройства

Принцип работы и режимы заряда

Зарядно-подзарядное устройство (ЗПУ) работает в двух режимах. В режиме постоянного подзаряда ЗПУ стабилизирует напряжение на шинах: 2,20–2,25 В на элемент для VRLA (220–225 В для батареи из 100 элементов 2 В). Ток подзаряда при заряженной батарее — 0,01–0,05 × C₁₀.

После разряда батареи ЗПУ переходит в режим ускоренного заряда по характеристике IU. На первом этапе — заряд постоянным током 0,1–0,2 × C₁₀ до напряжения 2,35–2,40 В на элемент. На втором этапе — снижение тока при стабилизации напряжения. Время полного заряда — 8–16 ч.

Мощность ЗПУ рассчитывается по суммарному току постоянных потребителей плюс ток заряда батареи: P_ЗПУ = U × (I_пост + I_заряд). Для батареи 100 А·ч и постоянной нагрузки 8 А: I_заряд = 0,1 × 100 = 10 А, P_ЗПУ = 220 × (8 + 10) = 3,96 кВт. Принимается ЗПУ мощностью 5 кВт.

Устройство контроля изоляции (УКИ)

УКИ — обязательный элемент СОПТ. Непрерывно измеряет сопротивление изоляции шин «+ШП» и «−ШП» относительно земли. Норма — не менее 20–50 кОм для каждого полюса. При снижении ниже уставки выдаётся сигнал «Земля на шинах +» или «Земля на шинах −».

Утечка на землю в цепях постоянного тока опасна образованием «второй земли»: при двух одновременных земляных замыканиях в разных полюсах — КЗ в цепи оперативного тока, ложное срабатывание или отказ срабатывания защиты. Поэтому УКИ — не опция, а обязательный элемент по ПУЭ гл. 3.4.

Современные УКИ дополнительно определяют номер отходящего фидера с утечкой — без отключения фидеров. Это сокращает время поиска места повреждения изоляции с нескольких часов до 10–15 минут.

АВР зарядных устройств

Два ЗПУ работают в схеме АВР. Основное ЗПУ питается от одной секции переменного тока, резервное — от другой или от другого трансформатора собственных нужд. При отказе основного ЗПУ или пропадании его питания АВР переключает нагрузку на резервное за 0,1–1,0 с. Работа с одним ЗПУ без резерва — нарушение требований надёжности по ПУЭ гл. 3.4 для подстанций 35 кВ и выше.

Проведение испытаний и приёмка

Проверка схемы, маркировки и полярности. Каждый проводник проверяется на соответствие принципиальной схеме. Полярность цепей постоянного тока контролируется на каждом клеммном ряду. Ошибка полярности в цепи управления выключателем — ложное включение или отказ отключения при КЗ.

Измерение сопротивления изоляции. Цепи постоянного тока проверяются мегаомметром 500 В при отключённых электронных устройствах (ЗПУ, УКИ, терминалы РЗА). Минимальное значение — 1 МОм согласно ПУЭ. Аккумуляторная батарея на время измерения отключается от шин.

Проверка УКИ. Имитация снижения изоляции подключением резистора 10–20 кОм между полюсом шины и землёй. УКИ должно выдать сигнал в течение 5–10 с. Уставка срабатывания сверяется с проектным значением. Проверяется функция определения повреждённого фидера — при наличии в составе УКИ.

Проверка АВР зарядных устройств. Имитация отказа основного ЗПУ отключением его питания переменного тока. Резервное ЗПУ должно взять нагрузку без просадки напряжения ниже 0,85 × U_ном. Время переключения фиксируется в протоколе.

Контрольный разряд аккумуляторной батареи. Выполняется при вводе в эксплуатацию и далее не реже одного раза в год. Батарея разряжается током 10-часового разряда (I₁₀ = C₁₀ / 10) до напряжения 1,8 В на элемент для VRLA. Фактическая ёмкость сравнивается с номинальной. Снижение ниже 80% от номинала — признак необходимости замены батареи.

Тепловизионный контроль под нагрузкой. Выполняется после 30 минут работы под нагрузкой. Контролируются контактные соединения шин, клеммы аккумуляторной батареи, контакты автоматических выключателей. Допустимый перегрев — не более +40 °C относительно окружающей среды по ГОСТ Р 56720.

Фиксация параметров настройки. Напряжение подзаряда, уставки УКИ, параметры АВР, результаты контрольного разряда фиксируются в протоколе испытаний. Протокол передаётся заказчику в составе документации и используется при плановом техническом обслуживании.

Какие ошибки могут возникнуть

Заниженная ёмкость аккумуляторной батареи. Расчёт выполнен без учёта коэффициента старения η и кратковременных потребителей. При реальном разряде напряжение падает ниже допустимого раньше нормируемого времени автономии. Терминалы РЗА обесточиваются. Как избежать: расчёт ёмкости по методике РД 34.35.101 с коэффициентом использования 0,80–0,85. Запас по ёмкости относительно расчётного значения — не менее 20–25%.

Отсутствие УКИ или неправильная уставка срабатывания. Утечка на землю в одном из полюсов не обнаруживается. При последующем замыкании второго полюса на землю возникает КЗ в цепи оперативного тока. Как избежать: УКИ — обязательный элемент СОПТ по ПУЭ гл. 3.4. Уставка срабатывания — 20–50 кОм в зависимости от протяжённости кабельной сети постоянного тока. Завышенная уставка (менее 5 кОм) приводит к игнорированию реальных повреждений изоляции.

Неверное напряжение подзаряда. Напряжение подзаряда ЗПУ установлено выше нормы (более 2,27 В на элемент для VRLA). Батарея перезаряжается: интенсивное газовыделение, ускоренная сульфатация пластин, сокращение срока службы в 2–3 раза. Как избежать: напряжение подзаряда устанавливается строго по документации на аккумуляторную батарею. Для VRLA при +20 °C — 2,20–2,25 В на элемент. При температуре выше +25 °C напряжение корректируется в сторону уменьшения на 0,003–0,005 В/°C на элемент.

Одно зарядное устройство без резерва. При отказе единственного ЗПУ система переходит на питание от батареи. При длительном отсутствии переменного напряжения на вводе ЗПУ батарея разряжается. Как избежать: два ЗПУ с АВР — требование ПУЭ для подстанций 35 кВ и выше. Для объектов 6–10 кВ допускается одно ЗПУ при ёмкости батареи, обеспечивающей автономию не менее 4 ч.

Нарушение температурного режима аккумуляторного помещения. Батарея эксплуатируется при температуре выше +30 °C из-за отсутствия вентиляции или рядом с источниками тепла. Срок службы VRLA-батареи при +30 °C — 5–7 лет вместо 10–15. Контрольный разряд выявляет падение ёмкости до 70% от номинала уже через 3–4 года. Как избежать: температура в аккумуляторном помещении — не выше +25 °C. Вентиляция рассчитывается на удаление тепловыделений батареи и ЗПУ.

Примеры реализации в наших проектах