СИСТЕМА КОМБИНИРОВАННОЙ АВТОМАТИКИ ОГРАНИЧЕНИЯ СНИЖЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ШИНАХ ПОДСТАНЦИИ И ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕГРУЗКИ ТРАНФОРМАТОРА

Область техники
Полезная модель относится к области энергетической электроники и может быть использована для автоматизации управления мощностью (количеством) потребителей, подключенных к шинам 6-10 (35) кВ подстанций напряжением 110-220 кВ за счет предотвращения опасного снижения напряжения на шинах электрических подстанций, а также для автоматизации управления мощностью (количеством) потребителей при аварийной перегрузке трансформаторов понизительных подстанций напряжением 110-220 кВ.
Предшествующий уровень техники
В настоящее время известны и используются различные системы противоаварийной автоматики, назначение которых:
Предотвращения и минимизация ущерба при возникновении в сети аварийных режимов;
Предотвращение недопустимой перегрузки оборудования и выхода его из строя;
Предотвращение недопустимого снижения частоты;
Предотвращение недопустимого снижения напряжения в узлах сети;
Надежное электроснабжение потребителей первой и второй категории;
Минимизация объема отключаемой нагрузки и времени перерыва электроснабжения потребителей.
Для этих целей используются:
АЧР - автоматика частотной разгрузки;
АОСН - автоматическое ограничение снижения напряжения;
АОПТ - автоматика ограничения перегрузки трансформатора;
АОПЛ - автоматика ограничения перегрузки линии;
В частности действующими правилами (Правила устройств электроустановок. ПУЭ, ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА, АВТОМАТИКА И ТЕЛЕМЕХАНИКА, ШЕСТОЕ ИЗДАНИЕ, переработанное и дополненное, с изменениями. ВКЛЮЧЕНЫ все изменения, оформленные в период с 31 августа 1985 года по 30 декабря 1997 года и согласованные в необходимой части с Госстроем России и Госгортехнадзором России. Добавлены изменения от 14.07.98. УТВЕРЖДЕНО Министерством энергетики Российской Федерации Приказ от 8 июля 2002 г. №204. Вводится в действие с 1 января 2003 г.) установлено:
АВТОМАТИЧЕСКОЕ ОГРАНИЧЕНИЕ СНИЖЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ
3.3.85. Устройства автоматического ограничения снижения напряжения АОСН должны предусматриваться с целью исключения нарушения устойчивости нагрузки и возникновения лавины напряжения в послеаварийных условиях работы энергосистемы.
Указанные устройства могут контролировать кроме значения напряжения другие параметры, включая производную напряжения, и воздействуют на форсировку возбуждения синхронных машин, форсировку устройств компенсации, отключение реакторов и в порядке исключения, при недостаточности сетевых мероприятий и наличии обоснования - на отключение потребителей.
АВТОМАТИЧЕСКОЕ ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ПЕРЕГРУЗКИ ОБОРУДОВАНИЯ
3.3.87. Устройства автоматического предотвращения перегрузки оборудования предназначены для ограничения длительности такого тока в линиях, трансформаторах, устройствах продольной компенсации, который превышает наибольший длительно допустимый ток, и допускается менее 10-20 мин.
Указанные устройства должны воздействовать на разгрузку электростанций, могут воздействовать на отключение потребителей и деление системы, а в качестве последней ступени - на отключение перегружающегося оборудования. При этом должны быть приняты меры по предотвращению нарушений устойчивости и других неблагоприятных последствий.
Известно устройство для автоматического ограничения перегрузки воздушной линии (ВЛ) электропередачи, в состав которого входит система автоматики отключения нагрузок (САОН) и система автоматики повторного включения нагрузок (АПВ). (RU, 2470435, С1, опубл. 20.12.2012).
САОН И АПВ в этом техническом решении выполнены из контроллера, коммутатора, блоков формирования управляющих воздействий (УВ) по разгрузке линии, блока выдачи команды для автоматического включения отключенных при перегрузке ВЛ нагрузок и блоков формирования команд УВ очередности автоматического включения нагрузок.
Таким образом, САОН и АПВ известны из уровня техники, однако это известное устройство служит только для ограничения перегрузки воздушной линии электропередачи, т.е. по существу является АОПЛ.
Кроме того известна автоматика ограничения снижения напряжения (АОСН), например, (RU, 67302, U1, G05F 1/30, опубл. 10.10.2007)
Эта автоматика отключения нагрузки при снижении напряжения содержит блок автоматики отключения потребителей и блок разрешения автоматического повторного включения фидеров, вход которого соединен с выходом автоматики. Вход блока автоматики отключения потребителей соединен с входом автоматики. Дополнительно введены второй блок автоматики отключения потребителей, коммутатор связи и второй блок разрешения автоматического повторного включения фидеров. Выходы с первого по восьмой каждого блока автоматики отключения потребителей соединены с соответствующими входами коммутатора связи, а первый и второй входы соединены с соответствующими выходами коммутатора связи. Десятый и одиннадцатый выходы и восьмой и девятый входы первого блока автоматики отключения потребителей соединены соответственно с девятым и десятым выходами и тридцатым и тридцать первым входами автоматики, третий и четвертый входы которой соединены соответственно с шестым и четвертым входами первого блока автоматики отключения потребителей, седьмой вход которого соединен с вторым входом автоматики и пятым входом второго блока автоматики отключения потребителей, седьмой вход которого соединен с восьмым входом автоматики и пятым входом первого блока автоматики отключения потребителей, девятый выход и третий вход которого соединены соответственно с третьим входом и девятым выходом второго блока автоматики отключения потребителей, четвертый, шестой и десятый входы которого соединены соответственно с девятым, десятым и одиннадцатым входами автоматики, одиннадцатый и двенадцатый выходы которой соединены соответственно с десятым и одиннадцатым выходами второго блока автоматики отключения потребителей, восьмой и девятый входы которого соединены соответственно с тридцать вторым и тридцать третьим входами автоматики, с первого по девятый входы каждого блока разрешения автоматического повторного включения фидеров соединены с соответствующими выходами коммутатора связи, а первый и второй выходы соединены с соответствующими входами коммутатора связи, с одиннадцатого по восемнадцатый входы первого блока разрешения автоматического повторного включения фидеров соединены соответственно с тринадцатого по двадцатый входами автоматики, с первого по четвертый выходы которой соединены соответственно с третьего по шестой выходами первого блока разрешения автоматического повторного включения фидеров, с одиннадцатого по восемнадцатый входы второго блока разрешения автоматического повторного включения фидеров соединены соответственно с двадцать первого по двадцать восьмой входы автоматики, двадцать девятый вход которой соединен с десятым входом второго блока разрешения автоматического повторного включения фидеров, пятый, шестой и седьмой входы и тринадцатый выход автоматики соединены с соответствующими входами коммутатора связи.
Таким образом, из этого технического решения известны АОСН+САОН+АПВ, поэтому устройство по патенту RU, 67302 выбрано в качестве ближайшего аналога.
Конструктивно это устройство выполнено в едином шкафу, однако это устройство служит только для контроля напряжений на шинах подстанций.
Известна так же автоматика ограничения перегрузки трансформатора (АОПТ). В частности известно устройство, содержащее силовой трансформатор основного источника питания Т1, выключатель силового трансформатора основного источника питания Q2, головные выключатели линий Q3, Q4, Q5, датчик мощности ДМ 6, датчик повышенной мощности ДПМ 7, датчик нормальной мощности ДНМ 8, элемент ЗАДЕРЖКА 9, формирователь импульса ФИ 10, элемент И 11, элемент И 12, элемент ЗАДЕРЖКА 13, элемент НЕ 14. (RU, 2408123, С1, Н02J 13/00, H01F 41/00, G01R 31/34, опубл. 27.12.2010, фиг.1).
Работает эта система АОПТ следующим образом.
В качестве контролируемого электрического параметра принимают мощность, протекающую через трансформатор, измеряют ее значение и время протекания. В случае если мощность превышает номинальную, то определяют уровень этого превышения (перегрузки). Начинают отсчет допустимого времени работы трансформатора с указанным уровнем перегрузки. Если в момент окончания отсчета перегрузка трансформатора не устранилась, то выдают сигнал на отключение части потребителей подстанции, так чтобы через трансформатор протекала мощность не больше номинальной, на время, меньшее времени допустимого перерыва в электроснабжении данных потребителей. По истечении указанного времени вновь включают отключенные ранее потребители.
Ограничением этого технического решения является измерение довольно обобщенного электрического параметра - мощности, протекающей через трансформатор. Этот параметр не позволяет с достаточно высокой надежностью и вовремя осуществить отключение нагрузок, поскольку не учитывается нагревание трансформатора.
Более конкретными измеряемыми электрическими параметрами являются ток, при котором происходит пробой изоляции трансформатора, или температура перегрева силового трансформатора понизительной подстанции.
В качестве ближайшего аналога выбрано устройство по патенту RU, 67302.
Раскрытие полезной модели
Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.
Технический результат, который получен при выполнении заявленной полезной модели - снижение материалоемкости при увеличении функциональных возможностей и повышение надежности.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известной автоматизированной системе отключения нагрузки, содержащей автоматику ограничения снижения напряжения (АОСН), по меньшей мере один вход которой служит для подсоединения к шинам высшего напряжения подстанции и по меньшей мере другой вход которой служит для подсоединения к секциям шин низшего напряжения подстанции для измерения на них напряжения, первый выход АОСН подсоединен к входу системы автоматики отключения нагрузок (САОН) при снижении напряжений ниже заданного уровня, а второй выход - к входу системы автоматики повторного включения (АПВ) нагрузок при увеличении напряжения до заданного уровня, согласно заявленному устройству введена автоматика ограничения перегрузки трансформатора (АОПТ), по меньшей мере один вход которой служит для подсоединения к обмотке высшего напряжения трансформатора для измерения тока обмотки высшего напряжения трансформатора, и по меньшей мере другой вход которой служит для подсоединения к датчику температуры трансформатора и измерения температуры наиболее нагретой точки трансформатора, соответственно, первый выход АОПТ подсоединен к входу системы автоматики отключения нагрузок при увеличении тока обмотки высшего напряжения трансформатора выше заданного уровня и/или при увеличении температуры наиболее нагретой точки трансформатора выше заданной, а второй выход АОПТ - к входу системы автоматики повторного включения нагрузок при восстановлении тока обмотки высшего напряжения трансформатора и температуры до заданного уровня, при этом АОСН, АОПТ, САОН и АПВ установлены в едином шкафу.
Заявленное устройство удовлетворяет требованию полезной модели «новизна», т.к. выполнение АОСН+АОПТ+САОН+АПВ в едином шкафу из уровня техники неизвестно.
Указанные преимущества полезной модели, а так же ее особенности поясняются с помощью прилагаемого чертежа.
Фиг.1 изображает функциональную схему заявленной системы автоматики отключения нагрузки.
Осуществление полезной модели
B
H
B
H
B
H
т
T
т
T
т
T
Система комбинированной автоматики ограничения снижения напряжения на шинах подстанции и ограничения перегрузки трансформатора (фиг.1) содержит автоматику ограничения снижения напряжения (АОСН 1), по меньшей мере один вход которой служит для подсоединения к шинам высшего напряжения U подстанции и по меньшей мере другой вход которой служит для подсоединения к секциям шин низшего напряжения U подстанции для измерения на них напряжения. Первый выход АОСН 1 служит для подсоединения к входу системы автоматики отключения нагрузок (САОН 2) при снижении напряжений U, U ниже заданного уровня и к входу системы автоматики повторного включения (АПВ 3) нагрузок при увеличении напряжения U, U до заданного уровня. Введена автоматика ограничения перегрузки трансформатора (АОПТ 4). По меньшей мере один вход АОПТ 4 служит для подсоединения к обмотке высшего напряжения трансформатора для измерения тока I обмотки высшего напряжения трансформатора, и по меньшей мере другой вход АОПТ 4 служит для подсоединения к датчику температуры трансформатора и измерения температуры t наиболее нагретой точки трансформатора. Первый выход АОПТ 4 служит для подсоединения к входу САОН 2 при увеличении тока I обмотки высшего напряжения трансформатора выше заданного уровня и/или при увеличении температуры t наиболее нагретой точки трансформатора выше заданной, а второй выход АОПТ 4 подсоединен к входу АПВ 3 при восстановлении тока I обмотки высшего напряжения трансформатора и температуры t до заданного уровня. АОСН 1, АОПТ 4, САОН 2 и АПВ 3 установлены в едином шкафу 5.
Работает система автоматического отключения нагрузок (фиг.1) следующим образом.
Функционирование АОСН 1 полностью соответствует описанной в RU, 67302.
Автоматика ограничения снижения напряжения на шинах подстанций обеспечивает два режима работы: автоматический и автоматизированный.
В автоматическом режиме при возникновении аварийных ситуаций, связанных с понижением напряжения на шинах 110 кВ какой-либо из подстанции, автоматика данной подстанции формирует и выдает команды на отключение соответствующих ситуации фидеров 10 кВ.
В автоматизированном режиме оперативный персонал имеет возможность формировать и выдавать с использованием автоматизированного рабочего места (АРМ) следующие управляющие команды в автоматику выбранной подстанции:
- команду на разгрузку фидеров первой очереди;
- команду на разгрузку фидеров второй очереди;
- АПВ присоединений подстанций, отключенных автоматикой.
- команду квитирования сигналов сигнализации.
Элементы автоматики уровня подстанции обеспечивают реализацию следующих информационных технологических функций:
- сбор и обработку входных аналоговых и дискретных сигналов, характеризующих состояние объекта (подстанции);
- проверку достоверности дискретных сигналов, характеризующих состояние участвующих в алгоритме автоматики силовых коммутационных аппаратов;
- передачу информации о состоянии объекта (подстанции) на вышестоящие уровни системы;
- фиксацию управляющих команд, сформированных автоматикой в подстанции, и пересылку информации об этих командах на вышестоящие уровни системы;
- регистрацию аварийных ситуаций и пересылку накопленной информации на вышестоящие уровни системы;
- осциллографирование аварийных параметров и пересылку накопленной информации на вышестоящие уровни системы.
Автоматика на каждой из подстанций обеспечивает реализацию следующих управляющих технологических функций:
- автоматическое формирование и выдачу управляющих команд на отключение фидеров 6-10 (35) кВ;
- обработку команд оперативного персонала.
Кроме того, автоматика каждой из подстанций обеспечивает реализацию следующих вспомогательных функций:
- непрерывный контроль и диагностику состояния терминалов и внутрисистемных связей автоматики подстанции;
- сигнализацию неисправностей аппаратно-программных средств автоматики подстанции;
- регистрацию сигналов неисправностей автоматики;
- пересылку сигналов неисправности на вышестоящие уровни системы;
- обеспечение единого времени с использованием сигналов GPS.
т
T
т
T
АОПТ 4 работает по схеме и аналогично известному техническому решению RU, 2470435 с учетом того, что входными измеряемыми параметрами является ток I обмотки высшего напряжения трансформатора и температура t наиболее нагретой точки трансформатора, поэтому в заявленном устройстве по сравнению с указанным известным (RU, 2470435) измеритель величины тока высоковольтной линии (ВЛ) электропередачи заменен на измеритель тока I обмотки высшего напряжения трансформатора, а датчик температуры провода ВЛ заменен на датчик температуры t трансформатора.
Перегрузка трансформатора на подстанции может возникнуть при аварийном отключении параллельно работающего трансформатора. В этом случае с помощью автоматического включения резервного питания (АВР) к работающему трансформатору может быть подключена нагрузка, питание которой ранее осуществлял аварийный трансформатор.
В осенне-зимний период в режимах максимального потребления и в летний период при массовом останове в плановый ремонт генерирующего оборудования тепловых электростанций в отдельных районах энергосистем возможно снижение уровней напряжения до минимально допустимых значений. Неплановые (аварийные) отключения генераторов, систем шин, линий электропередачи и автотрансформаторов связи приводят к резкому снижению напряжения в сети. В этих условиях для предотвращения развития аварии (и возникновения «лавины напряжения») предусмотрено отключение части нагрузки потребителей с помощью противоаварийной автоматики ограничения снижения напряжения - АОСН 1.
Режим работы распределительных сетей энергосистемы характеризуется ростом нагрузок, обусловленным как повышением энерговооруженности потребителей, так и подключением новых потребителей, особенно в районах нового строительства. Это приводит к увеличению нагрузки, а зачастую и к аварийной перегрузке трансформаторов понизительных подстанций напряжением 110-220 кВ, которая может привести к повреждению этих трансформаторов вследствие их перегрева или образования условий, опасных пробоем изоляции. Разгрузка трансформаторов путем отключения части менее ответственных потребителей позволяет оставить эти трансформаторы в работе и обеспечить питание более важных потребителей, что особенно актуально в аварийных условиях. Выявление аварийной перегрузки трансформатора и формирование необходимых управляющих воздействий для предотвращения опасного режима выполнено с помощью противоаварийной автоматики ограничения перегрузки трансформатора - АОПТ 4.
В связи с тем, что оба вида автоматик для ликвидации контролируемого аварийного режима (АОСН 1 и АОПТ 4) осуществляют управляющие воздействия на одни и те же объекты, то назначение данной полезной модели - выполнение комбинированного комплекса автоматики АОСН 1+САОН 2+АПВ 3+АОПТ 4 в едином шкафу 5.
Добавление функции АОПТ 4 позволяет расширить функциональные возможности устройства в целом. При этом АОСН 1 и АОПТ 4 позволяют отключать САОН 2 одних и тех же потребителей (наименее важных), а при исправлении аварийной ситуации подключать их с помощью АПВ 3 по порядку их значимости и ответственности энергоснабжения. Это дополнительно повышает надежность системы и уменьшает материалоемкость, так как при использовании АОСН 1 и АОПТ 4 по отдельности пришлось бы практически применять два идентичных комплекта САОН 2 и АПВ 3, а в предложенном техническом решении один комплект САОН 2 и АПВ 3 работает и на АОСН 1 и на АОПТ 4. Кроме того, снижение материалоемкости при увеличении функциональных возможностей достигается применением одного корпуса единого шкафа 5, уменьшаются габариты и количество соединений. Повышение надежности также достигается как уменьшением количества соединений к САОН 2 и АПВ 3, так и уменьшением длины соединительных проводов.
Промышленная применимость
Наиболее успешно заявленная система комбинированной автоматики ограничения снижения напряжения на шинах подстанции и ограничения перегрузки трансформатора промышленно применима на подстанциях 110 кВ и выше для отключения потребителей при возникновении аварийной ситуации и поочередного их подключения по мере ликвидации аварии.