СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РАЗГРУЗКИ ПАРАЛЛЕЛЬНО РАБОТАЮЩИХ ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ
METHOD FOR AUTOMATIC UNLOADING OF PARALLEL OPERATING GENERATORS

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты судовых электроэнергетических систем от перегрузки в аварийных ситуациях.
Известен способ автоматической разгрузки параллельно работающих генераторных агрегатов (ГА) (Патент на изобретение N 2623106, опубл. 22.06.2017, БИ №18) 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: температура охлаждающей жидкости, давление смазочного масла и т.д. В случае если дефект связан с отказом, например, системы подачи топлива 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% 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 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 15-20 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 ГА посредством отключения части потребителей электроэнергии, заключающемся в измерении активной нагрузки каждого из ГА, в отличие от прототипа определяют момент времени, когда активная нагрузка хотя бы одного из ГА уменьшается, а активная нагрузка другого (других) ГА увеличивается и при этом превышает заданное значение активной нагрузки, и отключают часть потребителей электроэнергии.
Сущность изобретения заключается в том, что в случае выхода из строя топливной системы приводного двигателя ГА в фильтрах и в трубопроводе остается некоторое количество топлива, вырабатывая которое ГА постепенно теряет нагрузку, его нагрузка уменьшается, хотя до момента перехода в двигательный режим он продолжает генерировать электроэнергию. При этом нагрузка остальных ГА увеличивается, что может привести к их перегрузке и отключению от сети. Положение усугубляется еще и тем, что при переходе неработоспособного ГА в двигательный режим он дополнительно нагружает сеть обратной мощностью, которая может достигать 20% от Рном. Если заблаговременно отключить часть потребителей, то перегрузки можно избежать. Величина заданного значения активной нагрузки (Рзад.) выбирается не выше допустимой величины активной нагрузки для данного ГА (величины активной нагрузки, превышение которой приведет к остановке или поломке ГА), для новых агрегатов - как можно ближе к номинальному значению мощности (Рном.). Тогда в качестве контролируемого параметра для формирования сигнала на отключение части потребителей может служить наличие следующего признака - уменьшение нагрузки хотя бы одного из работающих ГА при одновременном увеличением нагрузки другого (других) ГА и превышение в процессе увеличения нагрузки хотя бы одним из ГА величины Рзад. При этом отключение происходит без перегрузки и без выдержки времени.
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 предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на Фиг. представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ для случая параллельной работы n ГА.
Устройство содержит по числу ГА: датчики активной нагрузки 1.1, 1.2 … 1.n, пороговые блоки 2.1, 2.2 … 2.n, блоки контроля увеличения нагрузки 3.1, 3.2 … 3.n; блоки контроля уменьшения нагрузки 4.1, 4.2 … 4.n, а также первый логический элемент «ИЛИ» 5, логические элементы «И» 6.1, 6.2 … 6.n, второй логический элемент «ИЛИ» 7, блок отключения части потребителей электроэнергии 8, при этом выходы датчиков активной нагрузки 1.1, 1.2... l.n соединены с входами соответствующих пороговых блоков 2.1, 2.2 … 2.n, блоков контроля увеличения нагрузки 3.1, 3.2 … 3.n и блоков контроля уменьшения нагрузки 4.1, 4.2 … 4.n, выходы пороговых блоков 2.1, 2.2 … 2.n соединены с первыми входами соответствующих логических элементов «И» 6.1, 6.2 … 6.n, выходы блоков контроля увеличения нагрузки 3.1, 3.2 … 3.n соединены со вторыми входами соответствующих логических элементов «И» 6.1, 6.2 … 6.n, выходы блоков контроля уменьшения нагрузки 4.1, 4.2 … 4.n соединены с соответствующими входами первого логического элемента «ИЛИ» 5, выход которого соединен с третьими входами логических элементов «И» 6.1, 6.2 … 6.n, выходы логических элементов «И» 6.1, 6.2 … 6.n соединены с соответствующими входами второго логического элемента «ИЛИ»7, выход которого соединен с входом блока отключения части потребителей электроэнергии 8.
Датчики активной нагрузки ГА 1.1, 1.2 … 1.n - известные функциональные блоки, формирующие на своих выходах сигналы в виде напряжения постоянного тока, пропорционального величине активной мощности или активного тока для ГА переменного тока; 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 (заданное значение нагрузки соответствующего ГА, Рзад.); блоки контроля увеличения нагрузки 3.1, 3.2 … 3.n -известные функциональные блоки, на выходе каждого из которых появляется сигнал логической «1», когда сигнал в виде напряжения на входе увеличивается и сигнал логического нуля, если напряжение на входе не изменяется или уменьшается. Блоки контроля уменьшения мощности 4.1, 4.2 … 4.n, - известные функциональные блоки, на выходе каждого из которых появляется сигнал логической «1», когда сигнал в виде напряжения на входе уменьшается и сигнал логического нуля, если напряжение на входе не изменяется или увеличивается. В качестве этих блоков могут использоваться схемы на операционных усилителях (Воловиков В.А. Схемотехника электронных устройств судовой автоматики. Учебное пособие.- Л: ЛИВТ, 1986 г. -101. (с. 24-25.).Первый и второй логические элементы «ИЛИ» 5 и 7 -хорошо известные функциональные блоки на выходе каждого из которых появляется сигнал логической «1» только в том случае, когда хотя бы на один его вход поступает сигнал логической «1». Логические элементы «И» 6.1, 6.2 … 6.n - известные функциональные блоки, на выходах которых формируются сигналы логической «1» только в случае, когда на всех их входах присутствуют сигналы логической «1». Блок отключения части потребителей электроэнергии 8 - известный функциональный блок, в качестве которого можно использовать электромагнитное реле, размыкающие контакты которого включены в цепь минимального расцепителя автоматического выключателя группы потребителей.
Устройство, реализующее способ автоматической разгрузки параллельно работающих ГА (Фиг. ) 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 заданное значение Рзад. и на выходе порогового блока 2к появится сигнал логической «1» и поступит на первый вход логического элемента «И» 6.к. Так как нагрузка к-ого ГА увеличивается, то на выходе блока контроля увеличения нагрузки 3.к появляется сигнал логической «1» и поступает на второй вход логического элемента «И» 6.к. Так как нагрузка i-го ГА снижается, то на выходе блока контроля снижения нагрузки 4.i формируется сигнал логической «1» и поступает на третьи входы всех логических элементов «И», в том числе и на третий вход 6.к. В связи с тем, что на все три входа логического элемента «И» 6.к поступают сигналы логической «1», то и на его выходе формируется сигнал логической «1», который поступает на к-ый вход второго логического элемента «ИЛИ» 7. На выходе второго логического элемента «ИЛИ» 7 формируется сигнал логической «1», поступает на вход блока отключения части потребителей электроэнергии 8, который отключает потребителей от сети.
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 на выходе ни одного из блоков контроля уменьшения нагрузки не появится сигнал логической «1», на выходе первого логического элемента «ИЛИ» 5 - сигнал логического «0», на третьих входах всех логических элементов «И» 6.1, 6.2 … 6.n - сигнал логического «0», на их выходах, а также выходе второго логического элемента «ИЛИ»7 - сигнал логического «0», на входе блока 8-сигнал логического «0», отключения потребителей не происходит.
Пример реализации способа.
В качестве примера применения способа рассмотрим работу СЭЭС составе трех дизель-генераторов ДГ1, ДГ2 и ДГ3 с номинальной мощностью (Рном.) по 100 кВт каждый. Предположим, что ГА1 - новый и перестает работать при нагрузке в 130 кВт (Р1 доп. = 130 кВт), а ГА2 и ГА3-старые, выработавшие свой ресурс, находятся в плохом состоянии, и их предельно допустимая нагрузка составляет только 90 кВт (Р2 доп. = Р3 доп = 90 кВт). 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. Рассмотрим режим, при котором нагрузка ДГ1 будет 61 кВт, нагрузка ДГ2 составляет 56 кВт, а нагрузка ДГ3-58 кВт. Предположим, что мощность работающих в данном режиме отключаемых потребителей Ротк. составит 21 кВт. Выберем заданное значение для ГА1 равным номинальному значению ДГ, т.е. Р1зад. = 100 кВт в данном случае, а заданное значение ГА2 и ГАЗ установим на уровне 80 кВт, т.е. Р2 зад. = Р3зад. = 80 кВт.
Предположим, что у первичного двигателя ГАЗ произошло повреждение трубопровода и топливо перестало поступать в дизель. В этом случае нагрузка ГАЗ начнет резко уменьшаться, а нагрузка ГА1 и ГА2 - увеличиваться. В этом случае, на выходе блока контроля уменьшения нагрузки 4.3 устройства, реализующего предлагаемый способ (Фиг. ), появится сигнал логической «1» и поступит на третий вход первого логического элемента «ИЛИ»5. На выходах блоков контроля увеличения нагрузки 3.1 и 3.2 появится сигнал логической «1» и поступит на вторые входы логических элементов «И» 6.1 и 6.2. На выходе первого логического элемента «ИЛИ»5 появится сигнал логической «1» и поступит на третьи входы логических элементов «И» 6.1, 6.2 и 6.3. Допустим, что дополнительная нагрузка между ГА1 и ГА2 будет распределяться равномерно. Тогда в момент времени Т нагрузка на ГА2 достигнет, например, 86 кВт, нагрузка ГА2 составит 81 кВт, а ГАЗ окажется загруженным на 8 кВт. Так как нагрузка ГА2 окажется больше, чем Р2зад. на выходе порогового блока 2.2 появится сигнал логической «1» и поступит на первый вход логического элемента «И» 6.2. На все три входа логического элемента «И» 6.2 поступил сигнал логической «1», значит на его выходе - тоже сигнал логической «1». С выхода логического элемента «И» 6.2 сигнал логической «1» поступает на второй вход второго логического элемента «ИЛИ»7, с выхода которого проходит на вход блока отключения части потребителей электроэнергии 8. Блок 8 срабатывает и отключает потребителей от сети, нагрузка уменьшится на 21 кВт и составит для ГА1 79 кВт, для ГА2 74 кВт, а для ГАЗ составит 1 кВт. При полной разгрузке ГАЗ нагрузка на ГА1 составит 79,5 кВт, а на ГА2 составит 74,5 кВт. Перегрузки не произошло.
В случае использования способа, принятого за прототип, в момент времени Т начнет действовать выдержка времени, в течение которой будет происходить снижение нагрузки ГАЗ и увеличение нагрузки ГА1 и ГА2. При этом нагрузка ГА2 превысит Р2 доп.и агрегат остановится, вся нагрузка перейдет на ГА1 и превысит Р1 доп., ГА1 тоже остановится, произойдет обесточивание сети, что может привести к тяжелым последствиям.
При переходе ГАЗ в двигательный режим работы он должен быть сразу отключен защитой от обратной мощности.
Предлагаемое изобретение было создано в процессе разработки опытного образца блока защиты от перегрузки судовой ЭЭС, проводимой ООО «Форпик Стандарт Сервис». Были произведены расчеты и изготовлена действующая модель устройства, реализующего предлагаемый способ, показавшие возможность его использования в судовых электроэнергетических системах, что с учетом выше изложенного позволяет сделать вывод о возможности его промышленного применения.