science-review.ru
На энергообъектах для передачи сигналов и команд релейной защиты и противоаварийной автоматики могут применяться следующие линии связи: волоконно-оптические (ВОЛС), кабельные линии связи (КЛС) и каналы высокочастотной связи (ВЧ-связь). На сегодняшний день в ПАО «Сургутнефтегаз» 33 линии электропередач напряжением 110–220 кВ оснащены быстродействующей защитой с передачей сигналов по ВЧ-связи. Также высокочастотные каналы применяются для передачи сигналов телемеханики и организации диспетчерской связи. ВОЛС применяется для организации защиты шести линий электропередач напряжением 35 кВ. КЛС не применяются на объектах ПАО «Сургутнефтегаз» в связи с ограничением по протяженности линии. Широкое распространение использования воздушных линий электропередачи в качестве каналов высокочастотной связи объясняется их невысокой стоимостью, надежностью и ремонтопригодностью. К недостаткам можно отнести большие уровни электрических помех, зависимость от природных воздействий и повышенную опасность при техническом обслуживании оборудования присоединения аппаратуры релейной защиты и противоаварийной автоматики к линии электропередач [1–3].
В состав оборудования присоединения входят высокочастотные заградители (ВЗ) и конденсаторы связи (КС) с фильтрами присоединения (ФП). В процессе эксплуатации оборудования ВЧ-связи в ПАО «Сургутнефтегаз» зафиксированы аварийные ситуации, связанные с выходом из строя КС (разрушение, взрыв). Данные случаи являются опасными для находящегося в это время на объекте персонала, так как при взрыве происходит выброс фарфоровой изоляции на территории ОРУ, что может привести к травматизму персонала. Так же взрыв КС может нанести повреждение рядом установленному оборудованию, что приводит к его замене или проведению внепланового ремонта. Разрушение конденсатора связи сопровождается аварийным отключением линии электропередач.
Согласно ПУЭ (Глава 5.6. Конденсаторные установки) п. 5.6.24. емкости фаз конденсаторной установки должны контролироваться стационарными устройствами измерения тока в каждой фазе. Данное правило реализовано для конденсаторных установок, служащих для компенсации реактивной мощности и коррекции коэффициента мощности. Но не распространяется на конденсаторные установки для продольной компенсации, фильтровые и специальные, следовательно, для КС контроль тока не выполняется [4]. Нормы проведения профилактических испытаний КС не гарантируют его долгосрочную работу, в связи с этим для надежной и безопасной эксплуатации оборудования присоединения (КС) необходимо осуществлять непрерывный контроль их состояния [5].
Задачей данной работы является проработка и предложение технических решений, позволяющих повысить надежность и безопасность эксплуатации оборудования присоединения аппаратуры релейной защиты и противоаварийной автоматики к линии электропередач.
Материалы и методы исследования
КС состоят из фарфоровой покрышки, внутри которой располагаются три соединенных параллельно пакета (на чертеже виден один пакет), в каждом от 80 до 90 секций рулонного типа, соединенных последовательно (рис. 1, а). Секции в пакетах затянуты между металлическими плитами с помощью изоляционных планок. Для компенсации теплового расширения масла в нижней части конденсатора расположен расширитель в виде сильфона, внутренняя часть которого соединена через отверстие в фланце с атмосферой. Расположение сильфона внизу предохраняет его от попадания внутрь влаги. Фланцы закреплены на фарфоровой рубашке через прокладки из маслоупорной резины, чем обеспечивается достаточная герметичность конденсатора. Свободное пространство между корпусом и пакетами секций заполнено конденсаторным маслом [6–8].
а) б)
Рис. 1. Конденсатор связи: 1 – пакет бумажно-конденсаторный; 2 – фарфоровая покрышка; 3 – сильфон; 4 – фланец; 5 – изоляционные планки; 6 – плита металлическая; 7 – внешнее отверстие сильфона
Выход оборудования из строя связан с окислением масла (в этом случае увеличивается tg δ конденсатора), повреждениями с обрывом проводника, связывающего фланец с пакетами, частичным пробоем секции пакета, о чем свидетельствует локальный нагрев на фарфоровой покрышке, а также с полным пробоем одной или нескольких секций пакета. При таком виде дефекта нагрев на поверхности покрышки будет наблюдаться по всей высоте конденсатора и превалировать в зоне расположения дефектного пакета (рис 1, б).
Течь масла может предшествовать повреждению конденсатора, так как при продолжительной течи давление в конденсаторе может сравняться с окружающим давлением и внутрь конденсатора через трещину начнет проходить воздух, в результате масло отсыревает, и конденсатор может выйти из строя. Как правило, ухудшение состояния диэлектрика приводит к увеличению tg δ (угол диэлектрических потерь), в связи с этим увеличивается активная составляющая тока, протекающего по конденсатору. Величина активной составляющей тока диэлектрических потерь в цепи, вызванная этими процессами, незначительна, например, при увеличении tg δ относительно нормы в 10 раз (до 8 %) приведет к увеличению тока 50 Гц через КС на ВЛ 110 кВ на 0,3 %, то есть в пределах погрешности измерений.
Собщ. = 
Но из формулы общей емкости конденсатора связи видно, что при пробоях одного из последовательно соединённых элементов пакета конденсатора увеличится общая емкость, следовательно, увеличится ток в цепи c конденсатором связи:
Данные процессы приводят к взрыву КС, развивается постепенно и имеет долговременный характер [9–11].
Из этого можно сделать вывод что, осуществляя непрерывный контроль тока в цепи, можно следить за параметрами КС, так как при пробое одного из последовательно соединенных элементов в пакете или целиком пакета, увеличивается общая емкость конденсатора, следовательно, и ток в цепи. Для исключения ошибочных данных, связанных с изменениями наложенного напряжения на КС, необходимо осуществлять контроль напряжения на секции шин подстанции. На этом принципе и будет выполнена далее предлагаемая система мониторинга состояния КС, по данному решению было получено согласование от Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова.
Результаты исследования и их обсуждение
Ранее в России не было решения, позволяющего обеспечить контроль состояния КС на энергообъекте и определить начало процесса разрушения КС, приводящего к его взрыву. Согласно базе Федеральной службы по интеллектуальной собственности РФ из существующего уровня техники известно устройство релаксационного измерителя параметров СG-двухполюсников для измерения емкости электрических конденсаторов (заявка за изобретение № RU 93047134, опубликована 10.07.1996) (рис. 2) представленного Ижевским государственным техническим университетом. Однако применение данного устройства основано на принципе измерения напряжения на конденсаторе, заряженным калиброванным электрическим зарядом и не применимо для измерения емкости КС, включенного в схему и находящегося под напряжением.
Рис. 2. Принципиальная схема устройства релаксационного измерителя параметров СG-двухполюсников
Также существует устройство для измерения емкости конденсатора (патент на изобретение № RU 2173859 от 10.11.2000) (рис. 3), представленного Ульяновским государственным техническим университетом. Но данное устройство не применимо для определения начала процесса разрушения конденсатора связи на действующем энергообъекте, а предназначено только для расширения диапазона измерения емкости и повышения чувствительности измерения [12].
Рис. 3. Принципиальная схема устройства для измерения емкости конденсатора
На сегодняшний день в России существует система мониторинга состояния КС (рис. 4), данное устройство выпускает ООО «Уральский завод новых технологий» г. Екатеринбург (ООО «УЗНТех»). Система обеспечивает постоянный контроль состояния КС на энергообъекте с целью определения начала процесса их разрушения и формирование соответствующего сигнала о начале и развитии этого процесса в режиме текущего времени. Основой системы является датчик ёмкости КС, который встраивается в фильтр присоединения и производит замер тока в реальном времени и передает сигнал на контроллер. В контроллере выполняется преобразование сигнала и анализ полученной информации, а результат измерений отображается на дисплее контроллера и автоматизированное рабочее место оперативного персонала (АРМ), также сигнал может быть выведен на предупредительную сигнализацию [13].
Рис. 4. Структурная схема системы контроля состояния конденсатора связи с использованием датчика контроля конденсатора связи
Заключение
В ПАО «Сургутнефтегаз» на территории ПС 110/35/6 кВ «Талакан» на сегодняшний день установлено 17 КС в перспективе развития до 2020 г. будет установлено еще 2, в связи с вводом в эксплуатацию ПС 110/35/6 кВ «Ленская». Для безопасной и надежной эксплуатации оборудования высокочастотной обработки на данных энергообъектах установка системы мониторинга состояния КС включена в мероприятия по надежности на 2020 г.
Для обеспечения реализации предлагаемого технического решения на ПС 110/35/6 кВ «Талакан» проведены необходимые расчеты вторичных цепей трансформаторов напряжения, предложен вариант установки дополнительного оборудования с учётом фактически установленного. Данное техническое решение было одобрено и прорабатывалось совместно с ОАО «Институт «Энергосетьпроект» г. Москва.
При поддержке Сургутского государственного университета была воссоздана схема датчика контроля КС согласно описанию полезной модели к патенту компания ООО «УЗНТех», и установлена в ФП типа ФПО который используется на объектах ПАО «Сургутнефтегаз», практически проверялась возможность фиксации датчиком увеличения тока в цепи.
В последующем компания ООО «УЗНТех» предоставила опытный образец датчика ёмкости КС, который был установлен в ФП, и в электротехнической лаборатории ЦБПО РНЭО ПАО «Сургутнефтегаз» было проверено, что установка датчика в схему ФП не влияет на контролируемые в рамках эксплуатации ВЧ тракта параметры и соответствует действующим нормам, что доказывает не только работоспособность данного устройства, но и возможность его применения.
Получено согласование на установку оборудования с владельцем линии электропередач 110 кВ ПАО «Транснефть» и согласование на изменение конструкции ФП от компании ООО «АББ». Также получена положительная оценка от проектного института ОАО «Инженерный центр энергетики Урала».
На сегодняшний день данное техническое решение управлением энергетики ПАО «Сургутнефтегаз» включено в задание на проектирование объектов капитального ремонта 2020–2022 г. ПС 110/35/6 кВ «Лукъяновская» НГДУ «Нижнесортымскнефть» и ПС 110/35/6 кВ «Прометей» НГДУ «Лянторнефть».
Экономический эффект от внедрения системы мониторинга состояния КС на энергообъектах заключается в повышении надежности работы электрических сетей, сокращении затрат на ликвидацию аварий и проведению внепланового ремонта оборудования вследствие разрушения (взрыва) конденсатора связи на территории энергообъекта.
Что касается поврежденных КС, они не подлежат ремонту и необходима замена оборудования. В России существуют два производителя конденсаторов связи, это ООО «Серпуховский конденсаторный завод «КВАР» и ТОО «Усть-Каменогорский конденсаторный завод». Оба завода на сегодняшний день проработали и изменили конструкцию конденсаторов связи и предлагают конденсаторы связи взрывобезопасного исполнения. Взрывобезопасность конденсатора обеспечивается специально спроектированным и испытанным узлом взрывозащиты, вследствие этого конденсаторы обладают повышенной стойкостью к воздействиям энергий внутреннего короткого замыкания. В случае внутреннего короткого замыкания выходит из строя только конденсатор, при этом не происходит его разрушения и, как следствие, образования опасных осколков, выплесков жидкости, представляющих опасность для оборудования и персонала. Конденсаторы связи во взрывобезопасном исполнении пропитаны экологически безопасной диэлектрической жидкостью, которая при разрушении в отличие от маслонаполненных конденсаторов связи не воспламеняется. Для замены оборудования и установки на вновь вводимые объекты предлагается использовать данные КС совместно с системой мониторинга состояния КС, предлагаемой компанией ООО «УЗНТех».