Введение 4
Перечень сокращений и обозначений 7
1 Краткая характеристика подстанции «Южная». Анализ основных
технических решений по организации автоматизированной системы
управления охлаждением силовых трансформаторов 10
1.1 Обоснование принятой схемы электроснабжения, выбора
конструктивных и инженерно-технических решений 12
1.2 Требования к надежности электроснабжения и качеству
электроэнергии 14
2 Разработка элементов автоматизированной системы управления
охлаждением силовых автотрансформаторов на подстанции «Южная» 19
2.1 Сети связи 19
2.1.1 Датчики температуры верхних слоев масла - контроллер АСУ ОТ 19
2.1.2 АРМ в операторской ОПУ 20
2.1.3 Основные требования к по подключению оборудования ВОЛС.. 21
2.2 Диспетчеризация 23
2.2.1 Передаваемые и получаемые сигналы 24
2.2.2 Алгоритм поддержания температуры 26
2.2.3 Архивирование данных 26
2.2.4 Визуализация данных 30
2.2.5 Управление 32
2.2.6 Аварийные защиты 32
2.2.7 Коммутация с АРМ, находящимся в здании ОПУ 36
2.3 Алгоритмы работы систем охлаждения автотрансформаторов 36
2.3.1 Исходные положения и допущения 37
2.3.2 Уставки 38
2.3.3 Данные, получаемые с КИП 38
2.3.4 Принцип работы алгоритма 39
2.4 Состав автоматизированной системы управления охлаждением АТ1,
АТ2 46
2.4.1 Состав АСУ ОТ 47
2.4.2 Структура АСУ ОТ 50
2.4.3 Описание системы и алгоритмов работы АСУ ОТ 51
2.4.4 Резервирование АСУ ОТ АТ1, АТ2 53
2.4.5 Переключение на ШАОТ 54
2.5 Решения по электромагнитной совместимости устройств 55
2.5.1 Устройство заземления и систем уравнивания потенциалов
объекта 58
2.5.2 Выбор сечения заземлителей и заземляющих проводников 59
2.5.3 Заземление МП аппаратуры 59
2.5.4 Мероприятия по электробезопасности 60
2.5.5 Установка УЗИП 60
2.5.6 Организация электроснабжения постоянным током 61
2.5.7 Организация электроснабжения переменным током 61
2.5.8 Система молниезащиты объекта 61
2.5.9 Технические решения по экранированию МП аппаратуры 62
2.5.10 Защита от электростатических разрядов 63
2.6 Интеграция разработанных решений в системы РЗА подстанции 63
2.6.1 Параллельная работа АСУ ОТ и ШАОТ 65
2.6.2 Расчет токов КЗ 66
3 Оценка энергетической эффективности от реализации предлагаемых решений на подстанции 73
Заключение 79
Список используемой литературы и используемых источников 82
Современные универсальные микропроцессорные системы управления охлаждением трансформаторов предназначены для эффективной работы с вентиляторами и маслонасосами, входящими в состав систем охлаждения мощных силовых трансформаторов с рабочим напряжением 220 - 500 кВ.
Как правило в системе реализуется полный и универсальный набор функций контроля и управления, обеспечивающий оптимальные температурные параметры силового трансформатора во всех режимах его работы, включая переходные режимы включения и отключения.
«Конструктивно система управления охлаждением состоит из четырех основных элементов:
- набора первичных датчиков контроля параметров трансформатора;
- микропроцессорного прибора (контроллера) для измерения и обработки первичных параметров для формирования сигналов управления;
- силовой панели управления с контакторами включения электродвигателей насосов и вентиляторов;
- монтажного шкафа системы, устанавливаемого рядом с трансформатором» [1].
К основным функциям управления относятся [1, 2]:
- «включение элементов системы охлаждения при вводе трансформатора в работу, при этом алгоритм работы контроллера зависит от типа системы охлаждения и начальной температуры масла;
- включение и отключение электродвигателей насосов и вентиляторов системы охлаждения для поддержания заданной температуры бака трансформатора» [2];
- «оперативное включение дополнительных элементов системы охлаждения при повышении нагрузки трансформатора, данная функция позволяет избежать перегревов обмоток трансформатора;
- опережающее включение элементов системы охлаждения в соответствии с планируемым графиком нагрузки трансформатора - функция «прекулинг», данная функция позволяет эффективно уменьшить температуру наиболее нагретой точки обмотки;
- программируемый график отключения маслонасосов и вентиляторов системы охлаждения при выводе трансформатора из работы.
Для оптимальной реализации этих функций управления все маслонасосы и вентиляторы системы охлаждения трансформатора делятся на группы, имеющие разный технологический статус:
- оборудование, имеющее «первый» статус, всегда находящееся в работе, пока включен трансформатор, это базовый уровень работы системы охлаждения;
- оборудование, имеющее «второй» и последующие статусы, которое последовательно включается в работу при повышении нагрузки и температуры;
- оборудование, находящееся в ремонте или обслуживании, и которое не может быть включено в работу в данный момент времени, имеет последний статус» [2].
Объектом внедрения автоматизированной системы управления охлаждением трансформаторов (АСУ ОТ) на основе частотно-регулируемого привода (ЧРП) являются автотрансформаторы АТ1, АТ2 подстанции «Южная».
«АСУ ОТ предназначена для частотного регулирования скорости вращения маслонасосов и вентиляторов для снижения затрат электроэнергии на охлаждение с поддержанием температуры наиболее нагретой точки трансформатора в допустимых пределах без непосредственного измерения (при помощи вычислений исходя из уровня нагрузки трансформатора, температуры верхних слоев масла и скорости его циркуляции)» [1].
«Для размещения оборудования управления частотными преобразователями двигателей и сопутствующего оборудования предусмотрено контейнерное исполнение АСУ ОТ (с возможностью автоматического поддержания внутреннего микроклимата)» [2]. Категория размещения контейнера АСУ ОТ - УХЛ1, внутреннего оборудования - по требованиям изготовителей оборудования. В контейнере предполагается организация автоматизированного рабочего места (АРМ).
Наряду с организацией АРМ непосредственно в контейнере, предполагается организация АРМ в помещении главного щита управления подстанцией. Для минимизации объема вновь прокладываемого кабеля предполагается установка одного контейнера АСУ ОТ для автотрансформаторов АТ1, АТ2.
На основе приведенного анализа можно сформулировать примерную цель и задачи диссертационного исследования.
Целью работы является снижение расхода электроэнергии на собственные нужды ПС 500 кВ «Южная» путем внедрения системы частотного регулирования работы приводов охладителей АТ1, АТ2, позволяющей существенно снизить расход электроэнергии на охлаждение трансформатора с сохранением температуры наиболее нагретой точки обмотки в допустимых пределах.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
- краткая характеристика подстанции «Южная». Анализ основных технических решений по организации автоматизированной системы управления охлаждением силовых трансформаторов;
- разработка элементов автоматизированной системы управления охлаждением силовых автотрансформаторов на подстанции «Южная»;
- оценка энергетической эффективности от реализации предлагаемых решений на подстанции.
Оборудование ПС «Южная» включает в себя 8 однофазных и трехфазных автотрансформаторов общей мощностью 1502 МВА. «АТ1, АТ2 - трехфазные автотрансформаторы АТДЦТН-250000/220/110 оснащены 6 охладителями, в составе каждого маслонасос мощностью 2,9 кВт и два вентилятора мощностью 2,2 кВт каждый, один из охладителей резервный» [3].
Результатом проведённого предварительного обследования, которое было выполнено на подстанции «Южная» были сформулированы первые выводы о возможности снижения расходов электроэнергии на собственные нужды охлаждения силовых трансформаторов, которых можно добиться путём установки автоматизированной системы управления охлаждением трансформатора и обеспечением соблюдения температуры наиболее нагретой точки у силового трансформатора в соответствии с действующими нормами .
Первоначально для дальнейшего исследования в работе был намечен вариант осуществления параллельной работы всех охладителей, кроме резервного, с регулированием скорости вращения охлаждающих трансформатор вентиляторов и подающих в систему масло насосов в зависимости от загрузки трансформаторов и температуры ННТ.
«Данное решение позволло значительно снизить потребляемую мощность и увеличить срок службы маслонасосов и вентиляторов, так как момент на валу электродвигателя маслонасоса и вентилятора пропорционален квадрату, а потребляемая мощность - кубу скорости вращения» [3].
Система охлаждения трансформатора снабжается частотными преобразователями следующим образом: один ПЧ для управления приводом маслонасоса и один ПЧ для управления парой вентиляторов охладителя.
Для установки шкафов управления охладителями трансформаторов предусматривается контейнер АСУ ОТ АТ1. Для автотрансформатора АТ1 предусматривается 8 шкафов управления, из которых 7 - с частотными преобразователями и один резервный, без ПЧ.
Питание контейнера АСУ ОТ АТ1 осуществляется от силовой сборки, устанавливаемой в щите собственных нужд. Предусматривается установка новых автоматических выключателей, включателей-разъединителей в силовой сборке и прокладка кабелей питания контейнера. В качестве резервной системы управления охлаждением АТ1 используются существующие шкафы автоматического охлаждения трансформатора.
В здании ОПУ в помещении щита управления подстанцией организовано дополнительное автоматизированное рабочее место, которое будет оборудовано блоком визуализации с монитором и клавиатурой, контроллером для получения и обработки входящих сигналов (загрузка трансформатора от амперметров, данные о перегреве масла с существующих дискретных датчиков и т.д.).
Определен объем и назначение вновь прокладываемых сетей связи, выбрана марка кабелей и составлена структурная схема подключения датчиков. Определены основные требования к автоматизированному рабочему месту, располагающемуся в общеподстанционном посте управления и его интеграции в существующие системы автоматизированного управления.
«Для работы автоматической системы управления охлаждением трансформатора (АСУ ОТ) и регулирования частоты вращения двигателей вентиляторов и маслонасосов необходимо получать данные о текущей загрузке трансформатора и температуре верхних слоев масла в виде цифровых или токовых сигналов.
Для получения данных о температуре верхних слоев масла будет произведена дополнительная установка накладных датчиков температуры с термоизоляцией от внешний воздействий» [15]. Сигнал pt100 от датчиков температуры будет поступать в аналоговый цифровой преобразователь для дальнейшей передачи в контроллер.
Данные о загрузке автотрансформаторов АТ1 и АТ2 будут получены путем подключения к новым измерительным модулям по протоколу ModBus TCP. Определен состав информации и основных видовых экранов, отображаемых на экране промышленной жидкокристаллической панели, расположенной на двери шкафа управления в контейнере. Через панель будут задаваться уставки и параметры работы системы и осуществляться визуальный контроль текущего состояния системы охлаждения трансформатора.
Выбраны алгоритмы работы систем охлаждения автотрансформаторов, произведен расчет тепловыделения и температуры верхних слоев масла в трансформаторах АТ1 и АТ2. Определены зависимости по которым будет происходить регулирование частоты вращения маслонасосов и вентиляторов и составлена блок-схема алгоритма. Определен состав автоматизированной системы управления охлаждением и порядок переключения на существующий ШАОТ. Определен состав необходимых мероприятий по обеспечению электромагнитной совместимости устройств.
Выполнен расчет токов КЗ. Расчет тока КЗ проводился для нескольких точек цепи питания самых удаленных приводов систем охлаждения с целью определения достаточности чувствительности выбранных автоматов защиты.
Произведена оценка энергетической эффективности от реализации предлагаемых решений на подстанции. Выполнен расчет отношения отведенной тепловой мощности к затраченной на это электроэнергии COP. Определено энергопотребление системы охлаждения Рсо для текущих алгоритмов работы и при установке системы частотного регулирования, построены графики отводимой тепловой мощности на 1 кВт эл. мощности для обеих систем. Установлено, что для рабочих режимов трансформатора (загрузка 35-50%), СОРчрп превышает COPсо в 4-5 раз, следовательно, система частотного регулирования обеспечивает экономию 70-80% электроэнергии.
Расчет экономического эффекта АСУ ОТ производился в соответствии с Приказом № 138 ОАО «ФСК ЕЭС». При итоговой стоимости оборудования в 20 678 тыс. руб. и планируемом сроке полезного использования в 20 лет, ЧДД к концу срока полезного использования составит 17 299 тыс. руб., а дисконтированный срок окупаемости 9,4 года.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
