СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РАЗГРУЗКИ ПАРАЛЛЕЛЬНО РАБОТАЮЩИХ ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ
METHOD FOR AUTOMATIC UNLOADING OF CONCURRENT OPERATING GENERATOR UNITS

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты судовых электроэнергетических систем (СЭЭС) от перегрузки в аварийных ситуациях.
Известен способ автоматической разгрузки параллельно работающих генераторных агрегатов (ГА) (Способ автоматической разгрузки параллельно работающих генераторных агрегатов. Патент на изобретение N 2623106, 2017 г.) заключающийся в том, что непрерывно контролируют техническое состояние каждого ГА путем измерения параметра, характеризующего его рабочее состояние и сравнения измеренного параметра с критическим значением и при совпадении сравниваемых величин формируют сигнал на суммирование измеряемых активных нагрузок обоих ГА, при этом, если суммарная активная нагрузка ГА превышает допустимое значение нагрузки одного ГА, то до момента аварийного отключения неработоспособного ГА формируют сигнал на отключение потребителей электроэнергии.
Данный способ позволяет сформировать сигнал на отключение потребителей до момента отключения неработоспособного ГА и избежать перегрузки оставшегося работоспособным ГА. Однако он может эффективно применяться только в случае, когда изменение параметра, характеризующего техническое состояние ГА, не вызывает изменение нагрузки, принимаемой данным ГА, а именно: температуры охлаждающей жидкости, давления смазочного масла и т.д. В случае если дефект связан с отказом, например, системы подачи топлива или воздуха в первичный двигатель (например, в дизель), то данный ГА начинает стремительно разгружаться, его нагрузка перераспределяется между остальными ГА, продолжающими работать в генераторном режиме. Кроме того, перешедший в двигательный режим ГА начинает потреблять из сети мощность Робр. (обратную мощность), создавая дополнительную нагрузку на работающие в генераторном режиме агрегаты, что может вызвать их перегрузку и остановку, обесточивание судна и потерю его управляемости. Сигнал о том, что ГА неработоспособен от реле обратной мощности поступит слишком поздно, тем более, что защита от обратной мощности имеет выдержку времени в срабатывании, величина которой определяется, как правило, временем рекуперации энергии в сеть при работе судовых кранов, грузовых лебедок и другой подъемно-транспортной техники на борту судна и может достигать, согласно Правилам Российского Морского Регистра Судоходства, 10 секунд (Правила классификации и постройки морских судов, 2016 г., с 56, п. 8.2.4). Величина Робр. может достигать 20% и более от номинальной (Рном.) мощности ГА.
Наиболее близким к предлагаемому является способ автоматической разгрузки параллельно работающих генераторных агрегатов (ГА)
(А.П. Баранов. Судовые автоматизированные электроэнергетические системы: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. / СПб.: Судостроение, 2005.-, 338 с, рис. 12.13а.), согласно которому измеряют активную нагрузку каждого из работающих генераторных агрегатов (ГА), сравнивают ее с допустимой величиной и, если нагрузка превышает допустимую, то через выдержку времени формируют сигнал на отключение группы потребителей электроэнергии.
Наличие выдержки времени перед формированием сигнала на отключение потребителей является существенным и необходимым признаком данного способа. Это обусловлено тем, что при нормальном режиме эксплуатации СЭЭС при пуске мощных электроприводов возникают броски тока в 5-7 раз превышающие номинальное значение и, если не предусмотреть задержку при отключении, то указанные группы потребителей будут отключаться очень часто и тогда, когда в этом нет необходимости (Первичные двигатели ГА, например, дизели, допускают кратковременную перегрузку в 5-10%). С другой стороны, на судне достаточно много потребителей электроэнергии, работающих кратковременно и, чтобы их работа не вызывала частых отключений части потребителей в составе способа, принятого за прототип, предусмотрена задержка перед их отключением. Обычно задержка выбирается в районе 5-20 с, но иногда и более, до 90 с.
Данный способ позволяет защитить ГА от перегрузок за счет отключения части потребителей электроэнергии и снижения нагрузки. Но при этом в случае аварийного отключения одного или нескольких параллельно работающих ГА вся нагрузка в течение выдержки времени придется на оставшиеся в работе агрегаты, что может привести к их остановке или выходу из строя.
Целью изобретения является сокращение времени отключения части потребителей электроэнергии в случае выхода из строя одного или нескольких ГА.
Для достижения указанного результата используется следующая совокупность отличительных признаков: в способе автоматической разгрузки параллельно работающих генераторных агрегатов, заключающемся в отключении части потребителей электроэнергии, в отличие от прототипа определяют момент времени, когда загрузка хотя бы одного из ГА превысит верхнее заданное значение нагрузки, а загрузка любого другого ГА окажется меньше нижнего заданного значения нагрузки и формируют сигнал на отключение части потребителей электроэнергии.
Сущность изобретения заключается в том, что как и в прототипе отключение части потребителей электроэнергии происходит при перегрузке любого из ГА, то есть происходит сравнение загрузки работающих ГА с верхним заданным значением нагрузки (Рзад.в.), но дополнительно осуществляется сравнение и с нижним заданным значением нагрузки (Рзад.н.) и когда загрузка хотя бы одного из ГА превысит Рзад.в., и в то же время загрузка хотя бы одного ГА окажется меньше Рзад.н. нагрузки, то отключение части потребителей электроэнергии осуществляют без выдержки времени.
При этом верхнее заданное значение нагрузки целесообразно выбирать как можно ближе к номинальному значению нагрузки (Рзад.в.=Рном.), а нижнее заданное значение должно быть гарантированно меньше Рзад.в. на величину максимального расхождения нагрузок при параллельной работе ГА в переходных режимах, т.е. во многом определяется состоянием регуляторов первичных двигателей и допустимой точностью распределения активных нагрузок системы автоматизации. В целом запаса в 20% от Рном. обычно вполне достаточно (Рзад.н.=0,8Рзад.в), хотя способ будет работать и при Рзад.н.=0,5Рзад.в. и даже при Рзад.н=0 кВт, то есть тогда, когда неисправный ГА уже переходит в двигательный режим, но чем меньше интервал между Рзад.в и Рзад.н. тем эффективность способа выше.
Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача - сокращение времени отключения части потребителей электроэнергии в случае выхода из строя одного или нескольких ГА решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
В свою очередь, проведенный информационный поиск в области электроснабжения не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии способа критерию «изобретательский уровень».
Сущность указанного способа поясняется чертежом, на котором представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ для случая параллельной работы т ГА. Устройство содержит по числу ГА: датчики активной нагрузки 1.1,1.2…1.n, первые пороговые блоки 2.1,2.2…2.n, вторые пороговые блоки 3.1,3.2…3.n; первый логический элемент «ИЛИ» 4 и второй логический элемент «ИЛИ» 5, логический элемент «И» 6, при этом выходы датчиков активной нагрузки 1.1,1.2…1.n соединены с входами соответствующих первых 2.1,2.2…2,n и вторых 3.1,3.2…3.n пороговых блоков, выходы первых пороговых блоков 2.1,2.2…2,n соединены с соответствующими входами первого логического элемента «ИЛИ» 4, выход которого соединен с первым входом логического элемента «И» 6, выходы вторых пороговых блоков 3.1,3.2…3.n соединены с соответствующими входами второго логического элемента «ИЛИ» 5, выход которого соединен со вторым входом логического элемента «И» 6.
Датчики загрузки ГА 1.1,1.2…1.n - известные функциональные блоки, формирующие на своих выходах сигналы в виде напряжения постоянного тока, пропорционального величине мощности или тока для ГА постоянного тока и активной мощности или активного тока для ГА переменного тока; первые пороговые блоки 2.1,2.2…2.n - известные функциональные блоки, на выходе которых формируется сигнал логической «1» в случае, когда сигнал на их входе превышает пороговое значение (верхнее заданное значение нагрузки, Рзад.в.); вторые пороговые блоки 3.1,3.2…3.n - известные функциональные блоки, на выходе которых формируется сигнал логической «1» в случае, когда сигнал на их входе окажется меньше, чем пороговое значение (нижнее заданное значение нагрузки, Рзад.н.); первый и второй логические элементы «ИЛИ» 3, 4 - известные функциональные блоки, на выходе которых появляется сигнал логической «1» только в том случае, когда хотя бы на один вход каждого их которых поступает сигнал логической «1»; логический элемент «И» 6 - известный функциональный блок, на выходе которого формируются сигнал логической «1» только в случае, когда на всех его входах присутствуют сигналы логической «1»
Устройство, реализующее способ автоматической разгрузки параллельно работающих ГА работает следующим образом. Допустим, что во время работы один из ГА, например, i-ый, вышел из строя в результате отказа системы подачи топлива. При этом i-ый ГА начнет стремительно снижать нагрузку, которая будет перераспределяться между остальными ГА, их нагрузка будет возрастать. В этом случае нагрузка хотя бы одного из них, например к-го, может превысить допустимое значение Рдоп. и на выходе первого порогового блока 2к появится сигнал логической «1» и поступит на к-ый вход первого логического элемента «ИЛИ» 4, на выходе которого появится сигнал логической «1» и поступит на первый вход логического элемента «И» 6. Так как нагрузка i-го ГА продолжает снижаться, то она опускается ниже минимально допустимого значения и на выходе второго порогового блока 3i появляется сигнал логической «1», поступает на i-ый вход второго логического элемента «ИЛИ» 5, на выходе которого появляется сигнал логической «1» и поступает на второй вход логического элемента «И» 6. Так как на первый и второй входы логического элемента «И» 6 поступили сигналы логической «1», то на его выходе формируется сигнал логической «1», происходит отключение части потребителей без выдержки времени.
Если потери работоспособности какого-либо из ГА не происходит, а нагрузка в сети возрастает в результате, например, пуска мощного насоса, то возрастает нагрузка на все ГА, работающие параллельно и не на одном из выходов вторых пороговых блоков сигнал логической «1» не появляется, на выходе второго логического элемента «ИЛИ» 5 сохраняется сигнал логического «0», на втором входе логического элемента «И» 6 - сигнал логического «0», на его выходе сигнал логического «0», отключения потребителей без выдержки времени не произойдет.
Пример реализации способа.
В качестве примера применения способа рассмотрим работу СЭЭС в составе двух ГА в качестве которых выступают дизель генераторы ДГ1 и ДГ2 с номинальной мощностью (Рном.) по 100 кВт каждый. Допустимая точность распределения активных нагрузок (Рраспр.) - наибольшая величина отклонения в нагрузках между параллельно работающими ДГ, составляет 5% от номинальной мощности ДГ, то есть Рраспр.=5 кВт в данном случае. При переходе ДГ в двигательный режим из сети потребляется мощность (обратная мощность) (Робр.), идущая на погашение потерь в ДГ. Пусть для данного типа ДГ она составит 18% от Рном., то есть Робр.=18 кВт. Предположим, что перегрузочная способность рассматриваемых ДГ (Рперегр.) - наибольшая величина нагрузки, которую может принять на себя данный агрегат и продолжать работать, соответствует 130% от Рном., то есть Рперег=130 кВт. Рассмотрим режим, при котором нагрузка ДГ1 будет 62 кВт, а нагрузка ДГ2 составит 57 кВт, мощность работающих в данном режиме отключаемых потребителей Ротк. составит 40 кВт. Выберем верхнее заданное значение Рзад.в. равным номинальному значению ДГ, т.е. Рзад.в.=100 кВт в данном случае, а нижнее заданное значение пусть установим на уровне 60 кВт, т.е. Рзад.н.=60 кВт. Пусть в результате неисправности в блоке управления произошло не санкционированное срабатывания воздушной захлопки и воздух перестал поступать в дизель ДГ1, тогда, ДГ1 начнет быстро разгружаться и его нагрузка окажется меньше, чем нижнее заданное значение Рзад.н.=60 кВт, при этом в устройстве (чертеж) сработает второй пороговый блок 2.2 и на его выходе появится сигнал логической «1», который поступит на второй вход второго логического элемента «ИЛИ» 5, с выхода которого сигнал логической «1» поступит на второй вход логического элемента «И» 6. В то же время нагрузка ДГ2 продолжит расти и превысит верхнее заданное значение Рзад.в.=100 кВт. При этом в устройстве (чертеж) сработает первый пороговый блок 2.1 и на его выходе появится сигнал логической «1», который поступит на первый вход первого логического элемента «ИЛИ» 4, с выхода которого сигнал логической «1» поступит на первый вход логического элемента «И» 6. Так как на оба входа логического элемента «И» 6 поступил сигнал логической «1», то и на его выходе появляется сигнал логической «1», происходит отключение части потребителей без выдержки времени, нагрузка ДГ2 снизится на 40 кВт (Ротк.=40 кВт) и составит 60 кВт. Дальнейший перевод нагрузки с ДГ1 на ДГ2 приведет к тому, что в момент перехода ДГ1 в двигательный режим нагрузка ДГ2 составит 79 кВт. После того как ДГ1 нагрузит сеть обратной мощностью (Робр.=18 кВт) нагрузка ДГ2 составит 97 кВт. Перегрузки ДГ2 не произойдет.
Пусть в устройстве, реализующем способ, принятый за прототип допустимое значение нагрузки Рдоп=105 кВт, а время задержки в срабатывании составляет 10 с. Тогда в рассматриваемом режиме при отказе ДГ1 вся нагрузка придется на ДГ2 и составит 119 кВт. Так как процесс перевода нагрузки происходит за время меньшее, чем время задержки, в данном случае в пределах 1 с, то отключение части потребителей не произойдет. При этом ДГ1 перейдет в двигательный режим и начнет нагружать сеть на величину Робр.=18 кВт. (Защита от обратной мощности имеет задержку времени, величина которой определяется, как правило, временем рекуперации энергии в сеть при работе судовых кранов, грузовых лебедок и другой подъемно-транспортной техники на борту судна и согласно Правилам Российского Морского Регистра Судоходства, 10 секунд (Правила классификации и постройки морских судов, 2016 г., с. 56, п. 8.2.4)). Общая нагрузка на ДГ2 составит 137 кВт, что больше перегрузочной способности, ДГ2 остановится и произойдет обесточивание судна и потеря его управляемости.
Предлагаемое изобретение было создано в процессе разработки опытного образца блока защиты от перегрузки СЭЭС, проводимой ООО «Форпик Стандарт Сервис». Были произведены расчеты и изготовлена действующая модель устройства, реализующего заявляемый способ, лабораторные испытания которой показали возможность использования данного способа в судовых электроэнергетических системах, что с учетом выше изложенного позволяет сделать вывод о возможности его промышленного применения.