В статье:

• назначение блоков питания на подстанциях;
• устройство и принцип действия комбинированного блока питания БПК-5;
• сравнительный анализ систем оперативного постоянного тока (СОПТ), ИБП и блоков питания (БПК);
• рекомендации по подбору блока питания для конкретного проекта.

На подстанциях классом напряжения 35 кВ и выше стандартно применяются системы оперативного постоянного тока (СОПТ) с аккумуляторными батареями или ИБП. В то же время на подстанциях 6-20 кВ, ввиду простоты и экономической эффективности, преобладает переменный оперативный ток. Однако такое решение обладает особенностью: при возникновении аварийной ситуации напряжение может существенно снизиться или полностью исчезнуть. Это приводит к прекращению питания устройств релейной защиты (РЗА), невозможности регистрации сигналов на дискретных входах и, как следствие, к отказу выключателя в отключении короткого замыкания.

Именно в таких условиях критически важную роль играют комбинированные блоки питания. Они обеспечивают бесперебойное питание критически важных компонентов подстанции в самых сложных условиях.

Назначение блоков питания

Стабильное электропитание является необходимым условием для выполнения четырёх ключевых задач на подстанциях, использующих переменный оперативный ток:

1. Питание устройств РЗА: Современные электронные терминалы защиты требуют наличия рабочего напряжения. Несмотря на способность некоторых терминалов выдерживать провалы напряжения в течение 2-3 секунд, этот временной интервал может оказаться недостаточным для надёжного функционирования функций автоматического ввода резерва (АВР) или автоматического повторного включения (АПВ).

2. Питание дискретных входов: Отсутствие питания на дискретных входах приводит к тому, что терминал защиты теряет возможность получать внешние сигналы. Это исключает возможность работы таких систем, как:

• логическая защита шин (ЛЗШ);
• устройство резервирования при отказе выключателя (УРОВ);
• автоматический ввод резерва (АВР);
• дуговая защита (ДгЗ).

3. Питание электромагнита отключения выключателя: для оперативного и надёжного устранения аварийной ситуации, электромагнит отключения выключателя должен срабатывать даже при отсутствии напряжения в основной на шинах. Это требует кратковременной подачи мощного импульса.

4. Включение обесточенной подстанции на короткое замыкание: наиболее критическая ситуация возникает при включении вводного выключателя на линию с коротким замыканием. В таких условиях напряжение в сети падает до нуля, что препятствует питанию устройств РЗА от трансформаторов собственных нужд (ТСН). При отсутствии питания, защиты, основанные на измерении токовых цепей, не срабатывают.

Комбинированный блок питания БПК-5: конструкция и принцип действия

Компания НТЦ «Механотроника» с 2005 года занимается производством блоков питания. В настоящее время выпускается линейка БПК-5 и БПК-5М, которые успешно решают вышеперечисленные задачи с различными акцентами.

Состав блока:

— Два независимых входа по напряжению (60-270 В):возможность подключения к различным секциям шин обеспечивает бесперебойное питание от неповреждённой секции в случае аварии на одной из них.

— Выход «РЗА» (50 Вт): обеспечивает стабильное напряжение 220 В даже при уровне входного напряжения 60 В, что достаточно для питания терминалов защиты, промежуточных реле и периферийного оборудования. Встроенные конденсаторы поддерживают питание в течение 2 секунд при нагрузке в 10 Вт после полного исчезновения входного напряжения, что критически важно при кратковременных провалах.

— Выход «ЭМ» (электромагнит): встроенная конденсаторная батарея (820 мкФ в БПК-5, 330 мкФ в БПК-5М) способна накапливать энергию для обеспечения мощного импульса, необходимого для срабатывания электромагнита отключения. Причина уменьшения ёмкости в БПК-5М: Данный блок разработан для подстанций, где питание осуществляется исключительно от токовых цепей (через трансформаторы тока). В таких условиях процесс заряда конденсатора происходит медленнее, поэтому ёмкость была уменьшена для ускорения готовности блока к отключению короткого замыкания при первом включении.

— Два независимых входа по току (модификация «Т»): ключевая особенность этих блоков — возможность питания от номинальных токов и токов короткого замыкания напрямую от трансформаторов тока, даже при полном отсутствии напряжения на шинах. Выходная мощность блока зависит от входного тока и может достигать 50 Вт на выходе РЗА. Этого объёма энергии достаточно для срабатывания защиты и отключения аварии выключателем.

— Входы для внешнего заряда: предусмотрены входы для подключения мегаомметра (500-2500 В) или батареи типа «Крона» (9-18 В). Эти входы позволяют подготовить блок к работе на полностью обесточенной подстанции, например, перед её включением в работу без нагрузки («на холодную»).

— Реле контроля заряда: информирует о достижении рабочего напряжения (240 ± 12 В) конденсатора на выходе «ЭМ». Это сигнализирует о готовности блока к выполнению функции отключения.

Различие между БПК-5М-Т и БПК-5-Т:Блок БПК-5М-Т обладает расширенным диапазоном входного тока (4-250 А против 5-250 А у БПК-5-Т) и имеет значительно меньшее время готовности к отключению. Эти характеристики являются критически важными при включении обесточенной подстанции на короткое замыкание.

Выбор между СОПТ, ИБП и блоками питания

Сравнительный анализ СОПТ, ИБП и блоков питания проводится по пяти ключевым параметрам:

1. Условия эксплуатации: Эксплуатация СОПТ и ИБП требует выделенного помещения с системой вентиляции и поддержания строгого температурного режима (+20±2°C). Блоки питания функционируют в диапазоне температур от -40 до +55°C и могут монтироваться непосредственно в шкафу РЗА или ячейке КРУ, что исключает дополнительные затраты на инфраструктуру.

2. Время автономного питания: СОПТ и ИБП, благодаря аккумуляторным батареям, способны обеспечивать питание в течение нескольких часов. Блоки питания обеспечивают работу в течение нескольких секунд за счёт энергии встроенных конденсаторов, что является достаточным для ликвидации аварийной ситуации.

3. Подпитка от ТТ: Блоки питания обладают уникальной функцией подпитки от трансформаторов тока. При полном исчезновении напряжения в сети, БПК продолжает функционировать, получая энергию непосредственно от тока через ТТ. СОПТ и ИБП не обладают подобной возможностью, это критически важно при выходе из строя аккумуляторных батарей.

4. Стоимость решения: Самым дорогим вариантом является СОПТ: аккумуляторы, шкафы, система зарядки, вентиляция, отдельное помещение, монтаж и последующее обслуживание с заменой батарей каждые 10-15 лет. Промышленные ИБП также являются дорогим решением, хотя стоимость ниже, чем у полноценной СОПТ за счёт меньшего количества аккумуляторных батарей, но всё же остаётся высокой, особенно с учётом замены аккумуляторов каждые 3-5 лет. Блоки питания многократно дешевле, не требуют отдельного помещения, вентиляции и регламентного обслуживания аккумуляторов. Особенно, если сравнивать на подстанции с небольшим количеством отходящих линий, где СОПТ или ИБП могут быть избыточны.

5. Занимаемое место: для СОПТ и ИБП нужно целое помещение под аккумуляторные батареи, шкафы выпрямителей и распределительные щиты. Блоки питания БПК-5 / БПК-5М занимают минимум места — это компактные устройства, которые устанавливаются внутри шкафов управления или релейных отсеков.

Если ваш объект 6-20 кВ работает на переменном оперативном токе, есть риск полной потери напряжения, бюджет ограничен, а каждый сантиметр пространства на счету — выбирайте БПК. Это оптимальное решение по надёжности, цене и компактности.

Подбор блока питания для проекта

Выбор оптимального блока питания зависит от двух основных факторов: источника питания и типа установленного выключателя:

Важные правила, которые не следует нарушать:

1. Выход «ЭМ» предназначен исключительно для электромагнита выключателя. Запрещается подключать к данному выходу дискретные входы или промежуточные реле. Нестабильное напряжение и дополнительная нагрузка могут привести к отказу выключателя в отключении аварии.

2. Подключение к токовым цепям осуществляется на отдельные обмотки трансформаторов тока. Категорически запрещается включать блок питания в разрыв токовых цепей терминала РЗА. В случае отказа блока это приведёт к обрыву цепи и невозможности срабатывания защиты на короткое замыкание. Необходимо использовать отдельные обмотки класса 10Р.

3. После отключения питания обязательно производите разрядку конденсаторов. На выходе «ЭМ» накопленное напряжение может сохраняться до 6 минут и представлять опасность для жизни. Для безопасного выполнения работ переведите ключ SAC3 в положение «Р» (разряд). Через 10-12 секунд блок станет безопасен. После этого переведите ключ в положение «З» (защита), чтобы предотвратить случайную подачу высокого напряжения во время проведения работ.

Рисунок 1 — Схема ускоренного разряда емкостных накопителей выхода «ЭМ» и «РЗА».

Выводы

Блоки питания БПК-5 эффективно решают основную проблему подстанций 6-20 кВ, использующих переменный оперативный ток: обеспечение надёжного питания устройств РЗА, дискретных входов и электромагнитов выключателей в условиях падения или полного исчезновения напряжения.

Модификации БПК-5(-Т) (универсальная) и БПК-5М(-Т) (с акцентом на питание от токовых цепей) предоставляют возможность выбора оптимального решения с учётом конкретных эксплуатационных условий.

Полезные ссылки:

Подробный вебинар по разбору блоков питания и накопителей энергии. Смотреть

Продуктовая страница: БПК-5