Для снижения стоимости электрооборудования и упрощения его эксплуатации на подстанциях до 110 кВ применяют оперативный переменный и выпрямленный ток. В качестве источников оперативного переменного тока используют обычные или специально выделенные трансформаторы собственных нужд небольшой мощности, а также измерительные трансформаторы тока и напряжения.
Питание цепей управления и сигнализации может осуществляться от сети собственных нужд подстанции или от специальных силовых трансформаторов небольшой мощности, подключенных к шинам 6 или 10 кВ со стороны питания (до выключателей).
Источники переменного и выпрямленного тока в отличие от аккумуляторов не являются автономными, поскольку их работа возможна только при наличии напряжения в сети. Поэтому к схемам питания предъявляют особые требования, направленные на повышение надежности их работы: оперативные цепи должны питаться не менее чем от двух трансформаторов, напряжение во вторичных цепях должно быть стабилизировано, вторичные цепи должны быть отделены от цепей с. н.
Питание наиболее ответственных электроприемников оперативного тока должно обеспечиваться устройствами автоматического включения резервного питания (АВР).
На рис. 1 показана схема питания оперативных цепей переменным током от двух трансформаторов с. н. ТСН1 и ТСН2. Наиболее ответственные электроприемники выделены на особые шины ШОП, которые питаются через блок автоматического включения резервного питания (АВР).
Шины управления ШУ и сигнализации ШС питаются от шин ШОП через стабилизаторы СТ1, СТ2, чтобы колебания напряжения в цепях с. н. меньше влияли на работу схем управления и сигнализации. Питание электромагнитов включения масляных выключателей осуществляется от выпрямительных устройств ВУ1 и ВУ2, которые подключены к разным секциям щита с. н.
Рис. 1. Схема питания оперативных цепей на переменном токе: TCH1, ТСН2 — трансформаторы с. н., АВР — блок автоматического включения резерва, СТ1, СТ2 — стабилизаторы напряжения, ВУ1, ВУ2 — выпрямительные устройства, ШУ, ШП, ШС — шины управления, питания и сигнализации, АО — аварийное освещение, ТУ—ТС – телеуправление и телесигнализация, ШОП — шины ответственных потребителей
На стороне выпрямленного напряжения ВУ1 и ВУ2 работают на общие шины. Если в установке применены выключатели с пружинными приводами (ПП-67 и т. п.), работающими на переменном токе, схема соответственно изменяется: выпрямительные устройства исключаются, питание электромагнитов включения осуществляется от шин ШУ, так как электромагниты включения таких приводов не требуют большой мощности, ибо включение производится заранее заведенными пружинами привода.
Наряду с силовыми трансформаторами общего назначения для питания вторичных цепей используются специальные трансформаторы. Например, для питания цепей управления на подстанциях применяются трансформаторы ТМ-2/10 мощностью 2 кВА, номинальным напряжением 6 или 10 кВ на высшей стороне и 230 В на низшей.
В качестве источников переменного оперативного тока и для питания переменным током выпрямительных блоков в системах выпрямленного оперативного тока используются также измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН).
Ко вторичной обмотке ТТ может быть подключено последовательно несколько приборов и реле.
Погрешность ТТ и значение их вторичной нагрузки тесно связаны между собой. С увеличением нагрузки погрешность ТТ возрастает, поэтому вторичная нагрузка для ТТ не должна превышать допустимую, при которой обеспечивается соответствующий класс точности.
Особенность работы ТТ, питающих цепи оперативного тока через выпрямительные устройства, заключается в том, что их нагрузка в этом режиме значительно больше, чем при питании только цепей защиты и измерения. Поэтому сердечники ТТ работают в режиме насыщения, что ухудшает тепловой режим работы.
Проверка погрешности ТТ при нелинейной нагрузке выполняется, как и при линейной, по кривым предельной кратности вторичного тока. Отличие заключается в том, что кривая зависимости вторичного тока от нагрузки должна лежать ниже кривой допустимой кратности (1) во всем диапазоне изменения тока от нуля до расчетной кратности (рис. 2).
Рис. 2. Кривые допустимой погрешности ТТ при нелинейной нагрузке: 1 – кривая предельной кратности, 2, 3 — характеристики нелинейной нагрузки, К1, К2 — кратности насыщения трансформаторов тока
Кривые, представленные на этом рисунке, показывают, что нагрузка, соответствующая кривой 2, при кратности К2 превышает допустимую, а соответствующая кривой 3 не вызывает увеличения погрешности ТТ сверх допустимых 10 %. Следовательно, данный ТТ может быть использован только для питания нагрузки, соответствующей характеристике 3.
В ряде случаев ТТ используют только в качестве источников оперативного тока, например, когда они питают токовые блоки БПТ. В этих случаях к точности ТТ не предъявляется высоких требований, в то же время отдаваемая трансформаторами мощность должна быть достаточной для работы вторичных устройств, питающихся выпрямленным током. Зависимость отдаваемой мощности ТТ от первичного тока представлена на рис. 3.
Вторичные цепи ТН должны выполняться так, чтобы потери напряжения до панелей защит, автоматики и измерительных приборов находились в пределах от 1,5 до 3 %, а до расчетных счетчиков активной и реактивной энергии — не более 0,5 %. Так же как и в трансформаторах тока, класс точности ТН зависит от нагрузки вторичных цепей.
Рис. 3. Зависимость мощности, отдаваемой ТТ, от первичного тока
На рис. 4 представлены зависимости, показывающие, какие нагрузки соответствуют тому или иному классу точности ТН.
Однако ТН могут работать и с большими нагрузками, чем приведенные, но в этом случае нагрузка должна быть ограничена таким образом, чтобы погрешность ТН не приводила к неправильной работе релейной защиты и автоматики. Обычно ТН, питающие только цепи релейной защиты и автоматики, работают в классе точности 3.
В качестве источников выпрямленного постоянного тока применяются различные полупроводниковые выпрямительные устройства и специальные блоки питания. Источники выпрямленного тока можно разделить на три основные группы:
-
источники, служащие для заряда и подзаряда аккумуляторных батарей,
-
источники оперативного тока, питающие цепи управления и сигнализации,
-
источники, предназначенные для питания электромагнитов включения масляных выключателей.
Рис. 4. Зависимость класса точности ТН от нагрузки: 1 - НОМ-6, 2 - НОМ-10, НТМИ-6-66, НТМК-б-48, 3 — НТМИ-10-66,. НТМК-10, 4 — НОМ-35-66, 5 — НКФ-330, НКФ-400, НКФ-500, 6 — НКФ-110-57, НКФ-220-55, НКФ-110-48
К источникам выпрямленного тока следует также отнести предварительно заряженные конденсаторы, поскольку они заряжаются через выпрямители, питаемые от источников переменного тока.
Для заряда и подзаряда аккумуляторных батарей используют выпрямительные устройства: ВАЗП, РТАБ-4, ВАЗ, ВСС, ВСА, ВУ и др.
На рис. 5 приведена структурная схема регулятора РТАБ-4, применяемого на подстанциях Мосэнерго и представляющего собой выпрямительное полупроводниковое подзарядное устройство, выходное напряжение которого автоматически поддерживается постоянным в соответствии с заданной уставкой.
Устройство предназначено для совместной работы с аккумуляторными батареями в режиме постоянного подзаряда. Регулятор РТАБ-4 покрывает нагрузку постоянного тока подстанции, а также естественный саморазряд, обеспечивая при этом стабилизацию заданных напряжений и тока.
Он состоит из двух регуляторов напряжения — основного и дополнительного, работающих независимо друг от друга и воздействующих на основные и дополнительные элементы батареи. Регулирование выходного напряжения в каждом из регуляторов осуществляется своей схемой управления (измерительный блок ИБ и блок управления БУ), воздействующей на выпрямитель силовой цепи.
Рис. 5. Структурная схема регулятора РТАБ-4: РНДЭ — регулятор напряжения дополнительных элементов, ОРН — основной регулятор напряжения, ПТ — промежуточный трансформатор, УВ — управляемый выпрямитель, БУ1, БУ2 — блоки управления, ИБ1, ИБ2 — измерительные блоки, УВМ — управляемый выпрямительный мост, БОТР — блок ограничения тока регулятора, БКН — блок контроля напряжения, ОЭБ — основные элементы батареи, ДЭБ — дополнительные элементы батареи, Rд – сопротивление нагрузки дополнительных элементов, Ш — шунт
Уровень напряжения на шинах постоянного тока контролируется специальным блоком БКН, который выдает сигнал при снижении или повышении напряжения на 10 % от заданной уставки. Основной регулятор снабжен блоком ограничения выходного тока БОТР для защиты от перегрузок при повреждении в цепях постоянного тока и работе на разряженную батарею.
Регулятор РТАБ-4 работает с естественным воздушным охлаждением при —5—+30 °С, напряжение питания — трехфазный переменный ток 220 или 380 В, номинальное выпрямленное напряжение на выходе регулятора 220 В, номинальный ток выхода —50 А, диапазон уставок ограничения тока выхода 40—80 А, точность регулирования ±2 %.
Регулятор напряжения дополнительных элементов выпускают в двух вариантах: на 20—40 и 40—80 В. Его максимальный выходной ток в нормальном режиме составляет 1—3 А. Сопротивление Rд используют в качестве балластной нагрузки для разряда дополнительных элементов во избежание сульфатации.
Для питания оперативных цепей служат токовые блоки (БПТ) и блоки напряжения (БПН).
Блоки БПТ (рис. 6) состоят из промежуточного насыщающегося трансформатора ПНТ, выпрямительного моста В, а также вспомогательных элементов: дросселя Др и конденсатора С, включенных в схему для стабилизации выходного напряжения.
Рис. 6. Принципиальная схема блоков питания БПТ-1002 и БПН-1002
Блоки БПН состоят из промежуточного трансформатора ПТ, выпрямительного моста В, выпрямителя СВ и некоторых других элементов.
Рис. 7. Блок питания БПН-1002
Блоки БПТ получают питание от ТТ, а БПН — от ТН или трансформаторов с. н. Блоки БПТ и БПН или несколько блоков БПТ и БПН работают обычно на общие шины выпрямленного напряжения. Характерное отличие блоков БПТ и БПН состоит в том, что блоки БПН обеспечивают питанием оперативные цепи в нормальных условиях работы, когда на подстанции заведомо имеется напряжение, а блоки БПТ — в режимах КЗ, когда блоки БПН не могут обеспечить питание вторичных устройств из-за большого снижения напряжения в первичных цепях.