СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ СЕТИ АВТОНОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
METHOD AND DEVICE FOR PROTECTION OF THE NETWORK OF THE AUTONOMOUS POWER PLANT

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты судовых электростанций от перегрузки в аварийных ситуациях.
Известен способ защиты сети автономной электростанции (а.с. SU 1653517, Н02Н 3/00, Н02J 9/00, опубл 1991 г.), согласно которому при параллельной работе нескольких источников электроэнергии измеряют частоту и (или) напряжение сети, сравнивают их с уставкой и при превышении любого из заданных параметров уставки формируют первый сигнал на отключение, измеряют загрузку каждого источника электроэнергии, определяют величину неравномерности загрузки источников электроэнергии и при отклонении последней за установленные пределы уставки формируют второй сигнал на отключение, при совпадении которого с первым сигналом на отключение отключают тот источник электроэнергии, загрузка которого оказывается наименьшей.
Данный способ в целом обеспечивает защиту сети автономной электростанции при параллельной работе нескольких источников электроэнергии, но так как отключение неработоспособного источника электроэнергии осуществляется при отклонении частоты и (или) напряжения сети за пределы уставки, то оставшиеся в работе источники электроэнергии не всегда обеспечивают восстановление указанных параметров сети за необходимое время, что на практике может привести к нарушениям в работе ответственных потребителей.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению относится способ (А.П. Баранов. Судовые автоматизированные электроэнергетические системы: Учеб. Для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - Спб. Судостроение, 2005. - 528 с.с. 341), согласно которому при параллельной работе нескольких источников электроэнергии выявляют источник электроэнергии, перешедший в двигательный режим работы, и через выдержку времени отключают его от сети.
В рассматриваемом способе в качестве контролируемого параметра выбран переход источника электроэнергии в двигательный режим и нахождение его в двигательном режиме в течение заданного времени, что происходит, например, при выходе из строя системы подачи топлива в первичный двигатель. Параметр контролируется по величине обратной мощности (для источников электроэнергии переменного тока - активной обратной мощности) или обратного тока (для источников электроэнергии переменного тока - обратного активного тока) и заданного времени нахождения источника в двигательном режиме. Указанное время определяется длительностью колебаний мощности при включении источника электрической энергии на параллельную работу, которая обычно не превышает 1,5 с для дизель-генераторов (ДГ) и 5 с для турбогенераторов (ТГ).
Недостатком способа является большое время отключения источника электроэнергии в случае перехода его в неработоспособное состояние, что на практике может привести к перегрузке сети и перерыву в электроснабжении судна.
Заявляемый способ позволяет решить проблему сокращения времени отключения неработоспособного источника электрической энергии от сети и, соответственно, исключить возможность перегрузки сети, отключение работоспособных источников электроэнергии, обесточивание судна и потерю его управляемости.
Для решения указанной проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в способе защиты сети автономной электростанции путем отключения от нее неработоспособного источника электроэнергии, заключающемся в том, что неработоспособное состояние источника электроэнергии определяют по переходу его в двигательный режим, в отличие от прототипа, определение неработоспособного состояния источника осуществляют по дополнительному признаку - наличию факта окончания процесса включения всех работающих источников электрической энергии на параллельную работу в момент перехода одного или нескольких из них в двигательный режим.
Сущность изобретения заключается в том, что для идентификации неработоспособного состояния источника электроэнергии в предлагаемом способе проверяются два диагностических признака: переход источника электроэнергии в двигательный режим и наличие факта окончания процесса включения всех работающих источников электрической энергии на параллельную работу в момент перехода источника электрической энергии в двигательный режим.
В случае фиксации процесса включения любого из источников электрической энергии на параллельную работу, источник, перешедший в двигательный режим, диагностируется как работоспособный и отключение его от сети блокируется. При отсутствии процесса включения любого из работающих источников электрической энергии на параллельную работу, источник, перешедший в двигательный режим, признается неработоспособным и отключается от сети, но не с задержкой времени, задаваемой временем включения на параллельную работу (обычно 1,5 с для ДГ или 5 с для ТГ), как в прототипе, а не посредственно в момент перехода неработоспособного источника электрической энергии в двигательный режим.
Под процессом включения источника электрической энергии на параллельную работу понимаем совокупность переходных процессов, происходящих с момента замыкания автоматического выключателя синхронизируемого генератора до момента принятия и распределения нагрузки подключаемым источником электрической энергии, осуществляемой с заданной точностью. Например, точность распределения нагрузок для судовых электростанций по правилам Российского Речного Регистра составляет 10% от номинальной мощности одного генератора.
Предлагаемый способ может быть реализован следующим образом.
В момент перехода источника электрической энергии в двигательный режим формируют первый сигнал на отключение, а в момент установления факта окончания процесса включения всех работающих источников электрической энергии на параллельную работу формируют второй сигнал на отключение, при совпадении которого с первым сигналом на отключение, отключают от сети автономной электростанции источник электроэнергии, перешедший в двигательный режим.
В случае, если в двигательный режим перейдут сразу несколько источников электрической энергии и при этом установлен факт окончания процесса включения всех работающих источников электрической энергии на параллельную работу, то отключают все источники электрической энергии, перешедшие в двигательный режим работы (подобная ситуация возможна, когда несколько источников электроэнергии, например, дизель-генераторов имеют один питающий воздухопровод, он вышел из строя и прекратилась подача воздуха).
Рассмотрим пример параллельной работы двух источников электрической энергии, в качестве которых примем дизель-генераторные агрегаты переменного тока (ДГ) мощностью по 100 кВт каждый.
Предположим, что ДГ1 работает на нагрузку, а ДГ2 включается на параллельную работу. При включение ДГ2 на параллельную работу с ДГ1 «снизу» (частота напряжения ДГ1 несколько больше, чем частота напряжения ДГ2), то в процессе синхронизации синхронизируемый генератор (ДГ2) потребляет энергию, то есть находится в двигательном режиме. С другой стороны, при включении ДГ2 на параллельную работу «сверху» (частота напряжения ДГ2 несколько больше, чем частота напряжения ДГ1), то синхронизируемый генератор сразу берет на себя часть нагрузки, и если нагрузка сети не велика, то он может принять на себя всю нагрузку и тогда ДГ1 тоже может перейти в двигательный режим. При использовании способа, принятого за прототип, отключение работоспособных агрегатов при переходе их в двигательный режим не произойдет, так как имеется задержка на отключение, величина которой больше, чем время колебаний мощности при включении источника электроэнергии на параллельную работу. При использовании предлагаемого способа отключение работоспособных агрегатов при переходе их в двигательный режим также не произойдет, так как нет факта окончания процесса включения на параллельную работу всех ДГ.
Предположим теперь, что ДГ1 и ДГ2 уже работают параллельно. Допустим, что нагрузка ДГ1 составляет 70кВт, а нагрузка ДГ2-75 кВт. В момент появления неисправности в первичном двигателе первого из агрегатов ДГ1, например, если произойдет несанкционированное срабатывание воздушной заслонки дизеля, это приведет к прекращению поступления в дизель воздуха и остановке ДГ1 при его одиночной работе. Однако при параллельной работе оставшийся исправным ДГ2 за счет явления синхронизма продолжит вращать неработоспособный ДГ1, в результате чего неисправный агрегат начнет потреблять электроэнергию из сети, величина которой может превышать 15 кВт (15% от номинальной величины мощности генератора). При этом вся нагрузка в 145 кВт перейдет на ДГ2 и плюс 15 кВт, которые потребляет ДГ1 в двигательном режиме. Суммарная нагрузка составит 160 кВт, что превышает 1,5- кратную от номинальной мощности, что может привести к остановке ДГ2 и отключению его автоматического выключателя. В способе, принятом за прототип, в этом случае отключение неработоспособного и перешедшего в двигательный режим ДГ1 произойдет только через 1,5 с, что будет поздно, т.к. за это время перегруженный дизель ДГ2 остановится в результате перегрузки, что приведет к обесточиванию судна и потере его управляемости. Так как в рассматриваемом случае переход ДГ1 в двигательный режим произошел, когда процесс включения всех работающих источников электрической энергии (ДГ1 и ДГ2) на параллельную работу закончился, то в соответствии с предлагаемым способом его признают неработоспособным и отключат от сети, уменьшив перегрузку ДГ2 на 15 кВт, что позволит избежать перерыва в электроснабжении судна и даст возможность сработать другим устройства защиты, например устройствам отключения второстепенных потребителей, устройствам разгрузки генераторов и т.д.
Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача - сокращение времени отключения неработоспособного источника электрической энергии от сети - 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, где представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, на примере параллельной работы «n» источников электрической энергии. Устройство защиты сети автономной электростанции, функциональная схема которого представлена на чертеже, содержит источники электрической энергии (ДГ, турбогенераторы и т.д.) 1.1, 1.2…1.n, по количеству источников электрической энергии: блоки контроля перехода источника электроэнергии в двигательный режим 2.1, 2.2…2n, логические элементы «И» 3.1, 3.2,…3n, блоки отключения источников электроэнергии 4.1,4.2… 4.n, блоки контроля включения автоматических выключателей соответствующих источников электрической энергии 5.1, 5.2… 5.n, соответствующие одно вибраторы 6.1, 6.2…6.n, а также логический элемент «ИЛИ-НЕ» 7, при этом выходы источников электрической энергии 1.1, 1.2…1.n соединены с входами соответствующих блоков контроля перехода источника электроэнергии в двигательный режим 2.1, 2.2…2n, выходы каждого из блоков контроля перехода источника электроэнергии в двигательный режим соединены с первыми входами соответствующих логических элементов «И» 3.1, 3.2,…3n., выходы которых соединены с входами соответствующих блоков отключения источников электроэнергии 4.1,4.2…4.n, выходы блоков контроля включения автоматических выключателей соответствующих источников электрической энергии 5.1, 5.2… 5.n соединены с входами соответствующих одно вибраторов 6.1, 6.2…6.n, выходы которых соединены с соответствующими входами логического элемента «ИЛИ-НЕ» 7, выход которого соединен со вторыми входами соответствующих логических элементов «И» 3.1, 3.2,…3n.
В качестве блоков контроля перехода источников электроэнергии в двигательный режим 2.1, 2.2…2n могут быть использованы датчики активной обратной мощности, датчики активного обратного тока и т.д., на выходе которых формируется сигнал логической «1» в случае перехода соответствующего источника электрической энергии в двигательный режим (Лейкин B.C. Судовые электрические станции и сети. Учебник для мореходных и арктических училищ. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1982. - 256 с. (стр. 178)); логические элементы «И» 3.1, 3.2,…3n - хорошо известные функциональные блоки, которые формируют на своих выходах сигналы логической «1» только в том случае, если на все их входы поступили сигналы логической «1»; блоки отключения источников электроэнергии 4.1,4.2…4.n - хорошо известные функциональные блоки, обеспечивающие отключение автоматических выключателей соответствующих источников электрической энергии при поступлении на их вход сигнала логической «1», в качестве которых могут быть использованы обычные электромагнитные реле, размыкающие контакты которых включены в цепь катушки минимального расцепителя автоматического выключателя соответствующего источника электрической энергии; блоки контроля включения автоматических выключателей соответствующих источников электрической энергии 5.1, 5.2… 5.n - известные блоки, формирующие на своих выходах сигналы логической «1» во время замыкания автоматических выключателей соответствующих источников электрической энергии и сигнал логического «0» в противном случае, в качестве этих блоков могут быть использованы переключающие блок-контакты соответствующих автоматических выключателей; одно вибраторы 6.1, 6.2…6.n - хорошо известные функциональные элементы, на выходе каждого из которых формируется сигнал логической «1» заданной длительности при поступлении на его вход сигнала логической «1»; логический элемент «ИЛИ-НЕ» 7 - хорошо известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал логической «1» только тогда, когда на всех его входах - сигналы логического «0».
Устройство (см. чертеж) работает следующим образом. Если при параллельной работе источников электрической энергии 1.1,1.2,…1.n., один из них, например, i-й перешел в двигательный режим в момент включения на параллельную работу одного из источников электрической энергии, например, i-го, вследствие переходных процессов, сопровождаемых толчками обратной мощности, то на выходе соответствующего датчика перехода источника электроэнергии в двигательный режим 2.j, появится сигнал логической «1», который поступит на первый вход соответствующего логического элемента «И» 3.J. Так как в этот момент происходит процесс включения, i-го источника электроэнергии на параллельную работу, то его автоматический выключатель замкнулся и на выходе блока контроля включения автоматического выключателя 5.i появился сигнал логической «1», который поступил на вход одно вибратора 6.i, на выходе которого появится сигнал логической «1» заданной длительности. Длительность этого сигнала выбирают равной максимальному времени включения источника электрической энергии на параллельную работу, например, 1,5 с для ДГ. Сигнал логической «1» с выхода одно вибратора 6.i поступает на i-й вход логического элемента «ИЛИ-НЕ» 7, на выходе которого появится сигнал логического «0» и поступит на второй вход логического элемента «И» 3.1, на выходе которого сохраняется сигнал логического «0». Этот сигнал поступает на вход блока отключения j-го источника электрической энергии 4.J, отключения j-го источника электроэнергии не происходит.
Если при параллельной работе источников электрической энергии 1.1,1.2,…1.n., один из них, например, j-й, перешел в двигательный режим по причине выхода из строя первичного двигателя, например, вышла из строя система подачи топлива в дизель, то на выходе соответствующего датчика перехода источника электроэнергии в двигательный режим 2.j, появится сигнал логической «1», (первый сигнал отключения по п. 2 формулы изобретения) который поступит на первый вход соответствующего логического элемента «И» 3.j (схема совпадения по п. 2 формулы изобретения). Так как в этот момент все источники электрической энергии уже работают параллельно, то на выходах всех одно вибраторов 5.1, 5.2…5.n сформированы сигналы логического «0», которые поступают на соответствующие входы логического элемента «ИЛИ-НЕ» 7, на выходе которого появляется сигнал логической «1», который поступает на вторые входы логических элементов «И» 3.1, 3.2,…3n (второй сигнал отключения по п. 2 формулы изобретения), в том числе и на второй вход логического элемента «И» 3.j. При этом, так как на первом и втором входах j-го логического элемента «И» 3,j присутствует сигнал логической «1» (произошло совпадение первого и второго сигналов отключения по п. 2 формулы изобретения), то и на его выходе появится сигнал логической «1», который поступит на вход блока отключения j-го источника электрической энергии 4.j, который отключит j-й источник электрической энергии.