Электрическая схема прототипа цифровой трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ

Введение.

Трансформаторная подстанция (ТП) 10/0,4 кВ – это один из основных элементов системы электроснабжения сельских потребителей. Согласно [1] потери в трансформаторах, установленных в ТП 10/0,4 кВ могут составлять порядка 12% от всех технологических потерь электроэнергии по электросетевым организациям, обслуживающим сельские электрические сети.

Выполняются разработки по сокращению потерь электроэнергии в силовых трансформаторах, устанавливаемых в ТП. Например, предлагается применение аморфных сплавов для изготовления сердечников [2].

Выполняются исследования по исследованию влияния ремонтов и срока эксплуатации на потери в трансформаторах [3], обоснованию мониторинга и ремонта промышленных силовых трансформаторов по техническому состоянию [4], оценке состояния силовых трансформаторов на ТП [5], оценке применения различных схем соединения трансформаторов [6] и другие.

В то же время недостаточно внимания уделено вопросам цифровизации ТП 10/0,4 кВ. Подавляющее большинство ТП 10/0,4 кВ характеризуется низким уровнем автоматизации: они не оснащены управляемыми коммутационными аппаратами и редко комплектуются средствами мониторинга режимных параметров, таких как напряжение и ток в различных точках схемы подстанции. Это необоснованно повышает время восстан овлен ия

Агротехника и энергообеспечение. – 2025. – № 2 (47) 17

электроснабжения потребителей при выходе из строя оборудования ТП. Отсутствие решений по выполнению функций автоматического повторного включения коммутационных аппаратов на стороне 0,4 кВ также не позволяет сократить время восстановления, хотя одной из частых причин отключений является отключение автоматических выключателей в отходящих линиях, причём зачастую ручное повторное их включение оказывается успешным [14].

Параллельно развивается направление цифровизации подстанций более высокого класса напряжения (110 кВ и выше), внедряются концепции цифровых подстанций [7].

На рынке представлены решения для цифровизации ТП 6–10/0,4 кВ: устройства сбора и передачи данных, интеллектуальные приборы учёта, комплексы телемеханики и синхронизации времени. Среди таких решений выделяются системы компании «ЭНТЕЛС», направленные на автоматизацию учёта и диспетчеризации трансформаторных пунктов, а также оборудование компаний НПО «МИР», «ОВЕН» и других. Однако существующие решения зачастую не обеспечивают выполнения полного набора функций, необходимых для реализации концепции полноценной цифровой трансформаторной подстанции [7 - 13].

С учётом этого опыта определены функциональные возможности прототипа ЦТП: дистанционное и автоматическое управление коммутационными аппаратами; дистанционный контроль режимов работы оборудования ТП; контроль показателей качества электроэнергии на высокой и низкой стороне ТП, в отходящих ЛЭП; определение мест повреждений в отходящих ЛЭП; контроль надёжности электроснабжения потребителей, питаемых от отходящих линий; контроль загрузки силовых трансформаторов; сигнализация и предотвращение несанкционированной подачи напряжения, в том числе посредством обратной трансформации; осуществление алгоритмов АПВ отходящих ЛЭП с учётом возможности запрета их работы на аварийный участок [7].

Материалы и методы.

В статье предложена электрическая схема прототипа цифровой трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ.

Результаты и обсуждение.

Разработана электрическая схема прототипа цифровой трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ (рисунок 1).

Схема содержит: TI1 – трансформатор измерительный 10 кВ; QSG1 – управляемый разъединитель 10кВ; FU1-FU3 – плавкие вставки; FV1-FV3 – ограничители перенапряжения; T1 – трансформатор 10/0,4 кВ; QW1 – выключатель-разъединитель 630 A; QF1-QF3, QF7 – автоматические выключатели однополюсные 6A; КМ1 – вакуумный контактор КВТ 1,144,0/400; QW2, QW5-QW6 – выключатели нагрузки однополюсные; TA1-TA3 – трансформаторы тока 400/5 А; PI1 – трехфазный счетчик электрической энергии Меркурий 230 ART-03 PQRSIDN; QW3-QW4 – выключатели-разъединители 250A; КМ2-KM3 – вакуумные контакторы КВТ 1,14-4,0/160; TA4-TA11 – трансформаторы тока 200/5 А; МБУ – микроконтроллерный блок управления; FV4 – разрядник; G1 – блок питания 12 В; A1 – роутер телеметрии.

Основным элементом системы управления ЦТП 10/0,4 кВ является микроконтроллерный блок управления МБУ. Измерительный трансформатор напряжения TI1 предназначен для преобразования высокого напряжения в низкое для измерения их МБУ. Управляемый разъединитель 10кВ QSG1 необходим для местной и удалённой коммутации со стороны 10 кВ. Плавкие вставки FU1-FU3 напряжением 10 кВ используются для защиты электрооборудования ЦТП со стороны 10 кВ от токов короткого замыкания в трансформаторе и отчасти (в качестве резервной защиты) на стороне 0,4 кВ и недопустимых перегрузок трансформатора. Ограничители перенапряжения (ОПН) FV1-FV3 класса напряжения 10 кВ предназначены для защиты электрооборудования от коммутационных и атмосферных перенапряжений на высокой стороне. QW1, QW3-QW4 служат для создания видимого разрыва и обеспечения безопасности проведения ремонтных робот.

Рисунок 1 - Электрическая схема цифровой трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ

Автоматические выключатели QF1-QF3 необходимы для защиты цепей питания управляющих катушек контакторов КМ1- КМ3. Коммутация силовой части (0,4 кВ) осуществляется с помощью вакуумных контакторов KM1-KM3. QW2, QW5-QW6 необ ходим ы

Агротехника и энергообеспечение. – 2025. – № 2 (47)                        19

для ручного включения/отключения КМ1-КМ3 в аварийном случае при выходе из строя МБУ. Трансформаторы тока ДТ1-ДТ3 осуществляет контроль тока после трансформатора T1 и передают данные о значении токов в трехфазный счетчик электрической энергии PI1. Трансформаторы тока ДТ4-ДТ7 осуществляет контроль тока Потребителя 1 (фактически тока в первой отходящей линии), датчики тока ДТ8-ДТ11 - Потребителя 2 (фактически тока во второй отходящей линии) и передают данные о значениях токов в МБУ. Автоматический выключатель QF7 выполняет защиту питающей цепи МБУ. Разрядник FV4 необходим для защиты МБУ от коммутационных и атмосферных перенапряжений. Блок питания G1 необходим для питания роутера телеметрии A1.

Контроль фазных напряжений в первой и второй отходящих линиях осуществляется с помощью измерительных органов МБУ, которые имеют гальваническую развязку. В МБУ должны быть заложены алгоритмы управления коммутационными аппаратами, мониторинга параметров режимов работы электрической сети, а также алгоритмы формирования сигналов аварийно-предупредительной сигнализации об отключении контактных групп.

Выводы.

Разработанная электрическая схема прототипа цифровой трансформаторной подстанции позволяет реализовать требуемые функциональные возможности: дистанционное и автоматическое управление коммутационными аппаратами; мониторинг режимов работы оборудования; контроль качества электроэнергии; локализацию повреждений в отходящих линиях; контроль надежности электроснабжения; оценку загрузки силовых трансформаторов: предотвращение несанкционированной подачи напряжения и обратной трансформации.