CC BY
28
УДК 620.9
Анализ состояния систем оперативных блокировок безопасности на энергообъектах
Р. К. Борисов,
ООО «НПФ ЭЛНАП», генеральный директор, кандидат технических наук
С. С. Жуликов,
ТЭВН НИУ «МЭИ», старший научный сотрудник, кандидат технических наук
А. А. Уситвина,
НИУ «МЭИ», аспирант кафедры инженерной экологии и охраны труда
Приведены результаты исследований состояния систем оперативной блокировки безопасности на действующих энергообъектах. Проведены расчёты и анализ надёжности отдельных элементов и системы в целом. Предложены основные направления по совершенствованию оперативных блокировок безопасности.
Ключевые слова: электробезопасность, оперативная блокировка безопасности, переключения, надёжность.
Многолетний опыт эксплуатации электрических станций и подстанций показал, что ни инструкции, ни предупреждающие плакаты и надписи, ни различного рода сигнальные устройства не обеспечивают безошибочной работы оперативного персонала при переключениях в первичных цепях напряжением 6-750 кВ. При этом наибольшую опасность представляет оперирование разъединителями и заземляющими ножами, вследствие того, что переключения такого рода в большинстве случаев осуществляются вручную.
В соответствии с требованиями ПУЭ (п. 4.2.24) и ПТЭ (п. 5.4.10) все распределительные устройства напряжением 6-750 кВ должны быть снабжены системой оперативной блокировки безопасности (ОББ), которая нацелена на обеспечение безопасного оперирования разъединителями, отделителями, короткозамыкателями, выкатными тележками комплектных распределительных устройств (КРУ) и заземляющими ножами.
Несмотря на наличие ОББ, нередко из-за ошибочных действий персонала при переключениях на энергообъектах возникают аварийные ситуации и электротравматизм. Как правило, в результате анализа таких случаев выясняется, что система ОББ находилась в неисправном состоянии и персонал применял деблокирование коммутирующих устройств.
Нормативными документами не предусмотрен периодический контроль состояния ОББ, поэтому объективная информация о текущем состоянии ОББ отсутствует. Для того чтобы получить такую информацию, была проведена диагностика состояния систем блокировки на более чем 60 энергообъектах. На основе полученных данных выполнен анализ общего состояние систем ОББ и выявлены наименее надёжные элементы. Также по результатам диагностики определены причины возникновения дефектов, приводящих систему ОББ в нерабочее состояние.
Применяемые системы ОББ
На энергообъектах, построенных до 2010 года, наибольшее распространение получили механическая замковая блокировка, электромагнитная блокировка (в качестве основных систем) и механическая блокировка непосредственного действия (для дополнения и упрощения основной системы). С 2010 года на новых подстанциях стали устанавливать программную ОББ. На сегодняшний день она получила основное применение в элегазовых комплектных распределительных устройствах.
Во всех системах блокировки можно выделить такие элементы, как блок логики, блок-замок и блокируемый объект (рис. 1). Блокируемыми объектами являются, соответственно, разъединители, отделители, короткозамыкатели, выкатные тележки КРУ и заземляющие ножи. Блок-замок представляет собой устройство, которое устанавливается на ручном приводе оборудования (механическая замковая, электромагнитная, программная блокировки) или является частью цепи управления двигательным приводом (электромеханическая, электрическая и программная блокировка).
Рис. 1. Структурная схема системы блокировки
Важным элементом любой системы блокировки является блок логики, который определяет порядок переключений: даёт разрешение или запрет на соответствующие операции. Блок логики может быть реализован различными способами. Требуемый
порядок переключений может обеспечиваться: порядком освобождения рычагов управления оборудованием (блок логики и блок-замок совмещены); порядком освобождения ключей, которые подходят для отпирания замков только на определённом оборудовании; посредством логических цепей, включающих в себя блок-контакты необходимого оборудования (для каждого отдельного оборудования набор этих контактов индивидуален). Цепи логики либо собираются в клеммных шкафах (электромагнитная и электрическая блокировка), либо реализуются в терминале (программная блокировка). Через логические цепи подаётся напряжение к блок-замкам.
Диагностика систем блокировки
Диагностика систем механической замковой, электромеханической систем блокировки осуществлялась посредством визуального осмотра состояния блокировочных замков и ключей. Диагностика системы электромагнитной блокировки проводилась в соответствии с программой работ, разработанной с использованием методики, представленной в РД 34.35.512 [1]. При этом производилась проверка:
- наличия на объекте технической документации на ОББ (электрических и монтажных схем);
- работоспособности блоков питания (выпрямительных устройств);
- состояния проводов и кабелей цепей ОББ с измерением сопротивления изоляции;
- состояния блок-контактов КСА (контакты сигнальные аппаратные);
- состояния замков и электромагнитных ключей;
- правильности составления логических цепей (при наличии электрических схем);
- правильности монтажа логических цепей (при наличии монтажных схем).
По результатам проведённых обследований можно отметить, что практически все системы механической замковой, электромеханической и электромагнитной блокировки в ячейках КРУ в настоящее время являются непригодными к эксплуатации.
Электромагнитная блокировка, установленная на открытых и в закрытых распределительных устройствах (ОРУ и ЗРУ), исправна только на 7 объектах из 52. Среди причин неисправности можно выделить обозначенные на рис. 2:
- отсутствие блока питания цепей блокировки или его непригодность к эксплуатации на 25 % объектах. Неисправность блока питания, в основном, из-за дефектов отдельных элементов;
- неисправность порядка 50 % кабельных линий. Для кабелей характерны такие дефекты, как пониженное сопротивление изоляции и механические повреждения, возникающие вследствие истечения срока службы кабелей, погодно-климатического влияния, невыполнения условий электромагнитной совместимости, случайного повреждения обслуживающим персоналом и др. Использование кабелей большой протяженности усложняет диагностику системы и снижает её надёжность. Пониженное сопротивление изоляции выявляется с помощью
устройства контроля изоляции, однако на всех объектах в нормальном режиме цепи блокировки отключены от источника питания и отсутствует постоянный мониторинг за состоянием изоляции кабелей. С помощью устройства контроля изоляции, установленного на панели питания цепей блокировки, можно следить за исправностью изоляции только распределительных кабельных линий (от щита до шкафов ввода на ОРУ или в ЗРУ), а исправность изоляции групповых кабельных линий (от шкафов ввода до шкафов блокировки, от шкафов блокировки до оборудования) может быть проверена лишь при проведении переключений, когда будут полностью собраны цепи логики. Это связано с тем, что в цепях логики имеются контакты, которые могут быть как замкнуты, так и разомкнуты в зависимости от первичной схемы включения оборудования. Пониженное сопротивление изоляции кабельных линий было выявлено на всех объектах с открытыми распредус-тройствами. Кроме того, 3 % всех кабельных линий имеют механические повреждения:
- неправильная работа блока логики приблизительно на 85 % проверенных объектов. В основном причиной неправильной работы блока логики служит неисправность клеммников, блок-контактов (механические повреждения, сильное окисление контактов) и распределительных кабельных линий, с помощью которых собираются цепи логики. На некоторых объектах блок логики неверно собран вследствие некорректно составленных логических цепей или ошибок при монтаже. На 8 объектах блок логики отсутствовал полностью. Одной из причин этого является сложность в составлении цепей логики. Особенно это касается распределительных устройств, реализованных на разъединителях, отделителях и короткозамыкателях (без выключателей);
- неисправность блок-замков и блок-контактов приблизительно на 60 и 80 % от общего количества проверенного оборудования. На большинстве объектов около 10 % блок-замков и блок-контактов непригодны к эксплуатации. На некоторых объектах это число достигает 100 %. Данные элементы имеют, в основном, механические повреждения из-за неправильных действий персонала или отсутствия должной защиты от погодно-климатических воздействий.
100
о
X 90
« 3 о ® 80
£ :: ф * 70
1 £
с х £ ® 60
х О-
5 о 50
£ ! 40
30
СО Ш н о и 2 20
г О ? ф 10
ЭСчО 0
О
О
б4
Погодно-климатические влияния Механические повреждения
Производственный брак
Блок питания Кабельные линии Блок логик!
(клеммники
Блок-за
Блок логики (клеммники)
Продиагностированные элементы
Блок-к
Рис. 2. Результаты проведённого обследования
Таблица 1
Результаты исследований
Элемент Общее число (шт.) / из них неисправно Причина неисправности Количество неисправных
Блок-замки 2886/1714 Механические повреждения 310
Погодно-климатическое влияние 1380
Производственный брак 24
Блок-контакты 2976/2395 Механические повреждения 120
Погодно-климатическое влияние / окисление контактов 2255
Производственный брак 20
Блок питания 32/2 Производственный брак 2
Блок логики (клеммники) 12640/9020 Механические повреждения 1390
Погодно-климатическое влияние / окисление контактов 7560
Производственный брак 70
Блок логики 44/2 Нарушения при монтаже 2
Кабельные линии 10735/4800 Механические повреждения 295
Пониженное сопротивление изоляции 4505
Отказ в работе блока питания или распределительных кабельных линий приводит к полной неработоспособности системы. Выход из строя блок-замка, блок-контакта, групповой кабельной линии приводит к неработоспособности системы в пределах присоединения, к которому относится отказавший элемент, и, как следствие, система становится неполной. В любом случае, система при отказе какого-либо элемента уже не может выполнять всех поставленных перед ней задач. Таким образом, многие энергообъекты на сегодняшний день не имеют исправных систем блокировки. Это противоречит требованиям нормативных документов и увеличивает вероятность технологических нарушений и несчастных случаев при проведении оперативных переключений.
Расчёт надежности системы электромагнитной блокировки
По результатам проведённых исследований (табл. 1) сделан оценочный расчёт надёжности существующей системы электромагнитной блокировки безопасности как наиболее распространённой. Несмотря на то, что в ходе обследований были выделены причины неисправности каждого из элементов, при расчётах учитывался только факт исправности или неисправности того или иного элемента. Расчёты имеют статистический характер.
Оценку надёжности осуществим по показателю вероятности безотказной работы (функции надежности) каждого элемента в отдельности (табл. 2) и всей системы в целом.
Вероятность безотказности отдельного элемента ^^ [2] определяем как
N
(1)
где N - количество объектов, работоспособных в начальный момент времени наблюдений ^ = 0) или поставленных на испытание;
п(^ - количество объектов, отказавших на интервале времени наблюдения от 0 до t.
Периодом времени, используемым при расчётах, принят средний срок эксплуатации системы до её ремонта, а именно 20 лет.
Так как система блокировки представляет собой систему, состоящую из последовательно соединённых элементов, то общая вероятность безотказной работы системы [3] рассчитывается как
рс = П/?=с,01.
(2)
Из формулы (2) следует, что вероятность того, что система блокировки прослужит 20 лет, не превышает 1 %. При этом ремонт существующих систем ОББ нецелесообразен из-за большого количества неисправных и ненадёжных элементов. Поэтому необходим новый подход к организации оперативных блокировок как на действующих, так и на строящихся энергетических объектах.
Мероприятия по совершенствованию системы ОББ
Проанализировав особенности применяемых систем блокировки и результаты обследования их состояния на действующих подстанциях, предлагаем следующие направления совершенствования системы ОББ.
Во-первых, в качестве основного решения следует выделить необходимость увеличения надёжности применяемой системы. Самым ненадёжным элементом системы блокировки является блок логики, который включает в себя большое количество элементов. Для увеличения надежности данного блока необходимо уменьшить количество используемых кабельных линий и минимизировать погодно-климатиче-ское воздействие на блок-контакты. Так, например, надёжность переключающих устройств типа ПУ во много раз выше, чем коммутирующих устройств типа КСА (М). Это связано с тем, что в качестве контактной системы ПУ применены герметизированные
Таблица 2
Расчёт вероятности безотказной работы существующей системы
Элемент Причина неисправности Вероятность безотказности
Блок-замки Механические повреждения / погодно-климатическое влияние / производственный брак 0,4
Блок-контакты Механические повреждения / погодно-климатическое влияние / окисление контактов / производственный брак 0,2
Блок питания Производственный брак 0,94
Блок логики (клеммники) Механические повреждения / погодно-климатическое влияние / окисление контактов/ производственный брак 0,3
Блок логики Нарушения при монтаже 0,95
Кабельные линии Механические повреждения / снижение сопротивление изоляции 0,6
контакты (герконы), управляемые постоянными магнитами, установленными на валу переключающего устройства. Такая контактная система не подвержена воздействию окружающей среды и не требует обслуживания в течение всего срока службы переключающего устройства [4].
Снизить протяжённость и количество прокладываемых кабелей можно, например, за счёт применения специальных терминалов, в которые вводится алгоритм блока логики, и радиодатчиков, передающих сигнал о положении оборудования. Таким образом, остаются только кабельные линии, подводящие питание к блок-замкам разъединителей. Также это позволяет значительно уменьшить количество клеммных соединений или полностью исключить их из системы. В качестве кабельных линий должны применяться экранированные кабели с целью обеспечения электромагнитной совместимости для ОББ.
Кроме того, следует обеспечить защиту от погод-но-климатического воздействия и механических повреждений блок-замков или применять устройства, более устойчивые к данным видам воздействий.
Реализация данных условий позволяет устранить причины возникновения выявленных дефектов системы, за исключением производственного брака (табл. 3), следовательно, увеличить вероятность безотказной работы системы до 0,65.
Сравнительная диаграмма существующей и предлагаемой систем блокировки по рассчитанному показателю надёжности представлена на рис. 3.
Надёжность сложных объектов длительного использования оценивается также по таким показателям, как ремонто- и контролепригодность.
Показатель ремонтопригодности включает в себя затраты на профилактику и ремонт. Уменьшение подобных затрат обеспечивается, в том числе, использованием эффективных методов и средств диагностирования [2].
Процесс диагностирования существующих систем является достаточно длительным и требует проведения большого количества демонтажно-мон-тажных работ. В основном это касается измерений сопротивления изоляции кабельных линий, их количество может достигать нескольких десятков (зависит от размера подстанции и количества оборудования). Использование системы блокировки на микропроцессорных устройствах позволяет проводить непрерывный мониторинг состояния всей системы. Тем самым значительно уменьшается период времени от момента возникновения отказа системы до момента его диагностирования. В то же время при диагностике такой системы отсутствует необходимость в проведении демонтажно-монтажных работ.
Кроме надёжности необходимо обеспечить полноту системы блокировки, т. е. система должна исключать ошибочные действия и позволять проведение всех допустимых вариантов оперативных переключений, определяемых первичной схемой, а также блокировать все необходимые элементы.
Ни одна из применяемых систем не включает в себя блокировку заземляющих ножей линейных разъединителей в сторону линии, так как до напряжения 220 кВ установка линейных трансформаторов напряжения не предусмотрена. Для реализации блокировки заземляющих ножей в сторону линии можно предложить на линейных разъединителях устанавливать датчики напряжения, с которых будет прихо-
Таблица 3
Расчёт вероятности безотказной работы новой системы
Элемент Причина неисправности Вероятность безотказности
Блок-замки Производственный брак 0,992
Блок-контакты Производственный брак 0,993
Блок питания Производственный брак 0,94
Блок логики (терминал) Производственный брак 0,998
Кабельные линии Механические повреждения / снижение сопротивление изоляции 0,7
линии целом
Элементы системы
Рис. 3. Диаграмма сравнения вероятностей безотказной работы существующей и новой систем блокировки
дить сигнал о наличии или отсутствии напряжения в линии с её противоположной стороны. Аналогичные датчики могут быть применены и в ячейках КРУ выкатного типа для заземляющих ножей ячеек.
Необходимо организовать контроль над применением деблокирующих устройств. Зачастую причины неисправности если и находятся, то не устраняются
(особенно если это связано с прокладкой новых кабельных линий). В таких случаях оперативный персонал использует деблокирующие устройства или ключи. Деблокировка систем может выполняться только с разрешения ответственного за её состояние лица или диспетчера. Факт деблокировки системы должен отмечаться в протоколах по переключению. Для исключения нарушения данного требования следует устранить деблокирующие устройства с блок-замков, что выполнено на большинстве подстанций, а использование деблокирующего ключа (факт его взятия с соответствующего места расположения) должно фиксироваться, например, с помощью датчика. Информация о положении датчика заносится в алгоритм программы самодиагностики системы.
Необходимо разработать универсальную программу для составления логических цепей, которая по первичной схеме включения оборудования будет составлять блок логики с возможностью проверки его оператором. На сегодняшний день для каждой подстанции, на которой планируется установка терминала, пишется своя программа.
Перечисленные направления позволят получить более универсальную и надёжную систему и повысить безопасность оперативного персонала при проведении переключений.
Литература
1. РД 34.35.512 «Инструкция по эксплуатации оперативных блокировок безопасности в распределительных устройствах высокого напряжения». - М.: Союзтехэнерго, 1979.
2. Гуменюк В. М. Надёжность и диагностика электротехнических систем. - Владивосток: Изд-во Дальневост. гос. техн. ун-та, 2010. - 218 с.
3. Шубин Р. А. Надёжность технических систем и техногенный риск. - Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. - 80 с.
4. Устройства переключающие на базе герконов типа ПУ: Техническое описание. ЗАО «Завод электротехнического оборудования». 2013.
The analysis of energy objects safety lockout systems
R. R Borisov,
NPF ELNAP, LLC, General Director, PhD
S. S. Zhulikov,
MPEI, senior lecturer, PhD
А. А. Usitvina,
MPEI, postgraduate student
We have performed research of safety lockout systems statement in real energy objects. On the basis of calculations and the analysis of elements' reliability we have suggested main trends in safety lockout systems' improving.
Keywords: electrical safety, safety lockout system, switching, reliability.
