УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ И ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для защиты различных электрических объектов при их электроснабжении, преимущественно для защиты оборудования блок-боксов пункта контроля и управления линейной частью трубопровода от перенапряжения.
Известны различные технические решения, обеспечивающие дистанционный контроль функционирования электротехнического оборудования.
Патент RU, 2339046 (опубликован 20.11.2008; МПК G01R 11/32) описывает прибор для мониторинга сигналов электрической энергии, содержащий интерфейс электрической линии для измерения сигналов электрической линии, энергонезависимую запоминающую среду и процессор, выполненный с возможностью записи в энергонезависимую запоминающую среду отображения информации о форме волны измеряемых сигналов электрической линии непрерывно и независимо от того, была ли идентифицирована аномалия.
Патент RU 22268 (опубликован 10.03.2002; МПК H01J 13/00) описывает распределительную энергоснабжающую и/или информационно-измерительную сеть с передачей по электросети. Сеть включает в себя счетчики расхода энергоресурсов, контроллеры счетчиков, связанные кабелем с указанными счетчиками, устройство сбора данных, связанное с контроллерами указанных счетчиков одним из фазных проводов и проводом "нейтраль" магистральной электросети. Контроллер указанных счетчиков выполнен в виде последовательно соединенных интерфейсного модуля, процессорного блока и электросетевого модема, связанного через один из трех фазных проводов и провод "нейтраль" магистральной электросети с устройством сбора данных, выполненным с возможностью передачи данных в центральную диспетчерскую.
Наиболее близким предложенному техническому решению является входящее в его состав многофункциональное устройство управлением электропитанием «ЭЛТЭК» ОФТ. 18.1337.00.00.00, ТУ 4217-1337-20885897-20011, обеспечивающее измерение и сохранение информации о параметрах электросети в энергонезависимой памяти, а также автоматический ввод резерва в соответствии со схемой, подключенной к трем вводам трехфазного напряжения.
В состав ЭЛТЭК входят следующие функциональные элементы:
- модуль процессорный (МП),
- модуль индикации и управления (МИУ),
- модуль ввода-вывода (МВВ),
- модуль датчиков напряжения (МДН),
- источник питания (ИП),
- информационный модуль (ИМ),
- фильтр ЭМС.
ЭЛТЭК оснащен контакторами КМ1, КМ2, КМ3, выполненными быстродействующими и электромагнитными. МП обеспечивает реализацию всех функций ЭЛТЭК на основе внутреннего программного обеспечения. МИУ обеспечивает индикацию текущего режима работы, параметров устройства, аварийных сигналов, а также ввод параметров настройки, просмотр журнала дефектов посредством кнопок навигации и подачу команд управления оператором. МВВ реализует связь с системами управления верхнего уровня и предназначен для управления ЭЛТЭК посредством дискретных входов и интерфейса RS-485, а также для сигнализации состояния и режимов работы ЭЛТЭК с помощью дискретных выходов и интерфейса RS-485. МДН с датчиками напряжения трансформаторного типа осуществляет измерение линейного напряжения для трех вводов с требуемой точностью во всем диапазоне измеряемого напряжения. ИБП обеспечивает стабилизированное электропитание функциональных элементов ЭЛТЭК. ИМ обеспечивает фиксирование событий: импульсное перенапряжение на всех вводах, временные перенапряжения, понижение напряжений, включение и выключение контакторов вводов, выключение второго резервного ввода с помощью расцепителя, режимы настройки защит ЭЛТЭК, ситуации аварийного включения вводов. Эти данные могут быть использованы для определения причин отказа оборудования. ЭЛТЭК обеспечивает передачу данных ИМ на персональный компьютер по интерфейсу USB со скоростью передачи данных - не менее 57600 бит/с.Для обеспечения фильтрации электрических помех в цепи электропитания ЭЛТЭК, возникающих при коммутации управляемых катушек электромагнитных контакторов, в состав ЭЛТЭК входит фильтр ЭМС (электромагнитная совместимость).
Основным ограничением этого устройства является невозможность контроля параметров высоковольтной трехфазной сети ~10 кВ (ЭЛТЭК предназначен для работы с сетью до 0,4 кВ, 50 Гц).
Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.
Технический результат, который получен при выполнении заявленной полезной модели - повышение надежности защиты электрооборудования от высоковольтных перенапряжений, обеспечение и улучшение контроля основных параметров электрической высоковольтной сети.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата устройство для контроля параметров электрической сети и защиты от перенапряжения электрического оборудования содержит трехфазную сеть, выполненную высоковольтной, ограничитель перенапряжения нелинейный, предохранители, понижающий трехфазный трансформатор, силовой автомат, выполненный из электромагнитных реле и варисторов, многофункциональное устройство управлением электропитанием, оснащенное контакторами, выполненными быстродействующими и электромагнитными, силовую шину, выполненную трехпроводной и которая служит для подключения по меньшей мере одной нагрузки, причем со стороны входа отрезка трехфазной сети к нему подсоединен ограничитель перенапряжения нелинейный, - трехпроводный, к входам которого подсоединены предохранители, выходы которых подсоединены к входам понижающего трехфазного трансформатора, выходы которого последовательно подсоединены к входам электромагнитных реле силового автомата, за выходами которых параллельно установлены и подсоединены варисторы силового автомата, последовательно к выходам электромагнитных реле силового автомата подсоединены входы контакторов многофункционального устройства управления электропитанием, а выходы контакторов соответственно подсоединены к силовой шине.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- был введен трехполюсный разъединитель, а устройство было снабжено дополнительным ограничителем перенапряжения нелинейным, дополнительными предохранителями, дополнительным понижающим трехфазным трансформатором, дополнительным силовым автоматом, выполненным из электромагнитных реле и варисторов, многофункциональное устройство управлением электропитанием оснащено дополнительными контакторами, причем со стороны выхода отрезка трехфазной сети к нему подсоединен дополнительный ограничитель перенапряжения нелинейный, к входам которого подсоединены дополнительные предохранители, выходы которых подсоединены к входам дополнительного понижающего трехфазного трансформатора, выходы которого последовательно подсоединены к входам электромагнитных реле дополнительного силового автомата, за выходами которых параллельно установлены и подсоединены варисторы дополнительного силового автомата, последовательно к выходам электромагнитных реле дополнительного силового автомата подсоединены входы дополнительных контакторов многофункционального устройства управления электропитанием, а выходы дополнительных контакторов соответственно подсоединены к силовой шине, при этом трехполюсный разъединитель подключен между входом и выходом отрезка трехфазной сети;
- был введен автомат защиты нагрузки, выполненный на базе последовательно соединенных магнитных и тепловых расцепителей, а нагрузка подключена к силовой шине через автомат защиты нагрузки;
- силовая шина была выполнена общей или секционированной.
Указанные преимущества полезной модели, а так же ее особенности поясняются с помощью лучшего варианта ее выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 изображает функциональную схему заявленного устройства;
Фиг.2 - функциональную схему многофункционального устройства управлением электропитанием, входящего в состав устройства на фиг.1.
Устройство для контроля параметров электрической сети и защиты от перенапряжения электрического оборудования (фиг.1) содержит трехфазную сеть 1: А, В, С, выполненную высоковольтной, ограничитель 2 перенапряжения нелинейный (ОПН), предохранители 3, понижающий трехфазный трансформатор 4 (ПТТ), силовой автомат 5, выполненный из электромагнитных реле 6 и варисторов 7, многофункциональное устройство 8 управлением электропитанием (ЭЛТЭК), оснащенное контакторами 9, выполненными быстродействующими и электромагнитными, силовую шину 10: с, в, а, выполненную трехпроводной и которая служит для подключения по меньшей мере одной нагрузки 11 (М). Со стороны входа отрезка трехфазной сети 1 к нему (параллельно) подсоединен ОПН 2 - трехпроводный. К входам ОПН 2 подсоединены предохранители 3, выходы которых подсоединены к входам понижающего трехфазного трансформатора 4. Выходы ПТТ 4 последовательно подсоединены к входам электромагнитных реле 6 силового автомата 5. За выходами электромагнитных реле 6 параллельно подсоединены варисторы 7 силового автомата 5. Последовательно к выходам электромагнитных реле 6 силового автомата 5 подсоединены входы контакторов 9 ЭЛТЭК 8. Выходы контакторов 9 соответственно подсоединены к силовой шине 10.
Для дополнительного повышения надежности в схему может быть введена резервная цепь, выполненная аналогично цепи, описанной выше. Устройство снабжено дополнительным ОПН 12, дополнительными предохранителями 13, дополнительным ПТТ 14, дополнительным силовым автоматом 15, выполненным из электромагнитных реле 6 и варисторов 7. ЭЛТЭК 8 оснащено дополнительными контакторами 19. Со стороны выхода отрезка 1 трехфазной сети к нему (параллельно) подсоединен дополнительный ОПН 12, к входам которого подсоединены дополнительные предохранители 13. Выходы предохранителей 13 подсоединены к входам дополнительного ПТТ 14. Выходы ПТТ 14 последовательно подсоединены к входам электромагнитных реле 6 дополнительного силового автомата 15. За выходами электромагнитных реле 6 дополнительного силового автомата 15 параллельно подсоединены варисторы 7 дополнительного силового автомата 15. Последовательно к выходам электромагнитных реле 6 дополнительного силового автомата 15 подсоединены входы дополнительных контакторов 19 ЭЛТЭК 8. Выходы дополнительных контакторов 19 соответственно подсоединены к силовой шине 10. В устройство введен трехполюсный разъединитель 20. Трехполюсный разъединитель 20 подключен между входом и выходом отрезка трехфазной сети 1.
Для дополнительного повышения надежности защиты в устройство может быть введен автомат 21 защиты нагрузки, выполненный на базе последовательно соединенных магнитных расцепителей 22 и тепловых рас целителей 23, а нагрузка подключена к силовой шине 1 через автомат 21 защиты нагрузки.
Силовая шина 10 может быть выполнена в виде общей силовой шины (фиг.1) или секционированной (на фиг.1 не показано).
Работает устройство (фиг.1) следующим образом.
При реализации проектов электроснабжения различных объектов в малоосвоенных районах страны организации зачастую сталкиваются с невозможностью бесперебойного и качественного электроснабжения своего оборудования. Ввиду малой плотности заселения территории страны, состояние объектов электросетевого хозяйства в отдельных регионах находиться в неудовлетворительном состоянии, что значительно сказывается на качестве поставляемой электроэнергии. Во избежание серьезных финансовых потерь по причине выхода из строя дорогостоящего оборудования или потери важной информации было разработано следующее устройство для контроля параметров электрической сети и защиты от перенапряжения электрического оборудования Для защиты электрооборудования от грозовых разрядов по стороне 10 кВ применяется ограничитель 2 перенапряжения нелинейный, (например, ОПН-10, где цифра 10 указывает на номинальное напряжение 10 кВ. Он подсоединен своими тремя входами со стороны входа отрезка трехфазной сети 1 к ней, соответственно, а свободные (неподключенные к трехфазной сети 12) его три вывода заземлены. ОПН 2 имеет нелинейную характеристику внутреннего сопротивления, при росте напряжения свыше номинального значения (для ОПН-10 принято 12,5 кВ) собственное (внутреннее) сопротивление ОПН 2 начинает нелинейно уменьшаться, тем самым, сбрасывая излишки мощности грозового разряда в землю и частично рассеивая ее на своих проводящих частях. При этом стоит учитывать, что при прямом попадании молнии в трехфазную сеть 1 или при ударе в непосредственной близости от электрического оборудования (например, блок-бокса пункта контроля и управления линейной частью трубопровода), собственной рассеиваемой способности ОПН 2 может оказаться недостаточно и он выйдет из строя. Также следует отметить, что отдельные грозовые разряды имеют мощность достаточную, чтобы при сработавшем ОПН 2 определенное время оказывать негативное влияние на все последующее оборудование. Во избежание повреждения электрического оборудования грозовыми импульсами, а также защиты линии от короткого замыкания, между входами ОПН 2 и входами понижающего трехфазного трансформатора 4 установлены предохранители 3 (плавкие предохранители).
В случае возникновения незначительных скачков напряжения, не отслеживаемых ОПН 2 и предохранителями 3, в силовой линии на выходе понижающего трехфазного автомата 4 (с 10 кВ до 0,4 кВ) установлен силовой автомат 5, выполненный из электромагнитных реле 6 и варисторов 7. Выходы понижающего трехфазного автомата 4 последовательно подсоединены к входам электромагнитных реле 6 силового автомата 5, за выходами которых параллельно установлены и подсоединены варисторы 7 силового автомата 5. Варйстор 7 (англ. vari(able) (resi)stor - переменный резистор) - полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения, то есть обладающий нелинейной симметричной вольт-амперной характеристикой и имеющий два вывода. Входы варисторов 7 подсоединены к выходам электромагнитных реле 6, а свободные (неподключенные к линии) выводы заземлены. Благодаря отсутствию сопровождающих токов при скачкообразном изменении приложенного напряжения, варисторы 7 являются основным элементом для производства устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Варисторы 7 осуществляют рассеивание избыточной мощности импульсов меньшего класса напряжения, чем ОПН 2. В случае перенапряжения варисторы 7 выполняют две функции: рассеивают избыточную мощность и обеспечивают отработку электромагнитных реле 6 (размыкание их контактов) силового автомата 5, параметры тока размыкания контактов определяются экспериментально, в зависимости типа (марки) выбранных электромагнитных реле 6 и типа (марки) варисторов 7.
После варисторов 7 к выходам электромагнитных реле 6 силового автомата 5 подсоединены входы контакторов 9 ЭЛТЭК 8, входящие в его состав. ЭЛТЭК 8 подсоединяется к линии (трехпроводной) в соответствии с Руководством по эксплуатации ОФТ. 18.1337.00.00.00 и фиг.2, а также выполняет все функции, указанные в Руководстве. Выходы контакторов 9 соответственно подсоединены к силовой шине 10.
Принцип действия устройства ЭЛТЕК 8 основан на мониторинге параметров сети 0,4 кВ. При наличии каких-либо отклонений (перенапряжение, пропажа напряжения, изменение частоты напряжения, изменение коэффициента несимметрии, превышение контроля числа циклов коммутации, изменение состояния контакторов 9 и т.д.) параметров сети от программных установок, устройство отключает контакторы 9 и обесточивает электротехническое оборудование. При возвращении параметров сети в норму устройство включает контакторы 9 и запитывает оборудование (например, электротехническое оборудование блок-боксов). ЭЛТЭК 8 подключается к компьютеру посредством USB-интерфейса для отображения рабочих параметров и чтения журнала событий. ЭЛТЭК 8 имеет собственный источник питания, предохраняющий от возможно выхода его из строя при отклонении параметров входного напряжения.
Для дополнительного повышения надежности защиты в устройство может быть введена резервная цепь (фиг.1), выполненная сходно цепи, описанной выше, и функционирующая аналогично. Эта цепь подсоединена со стороны выхода отрезка 1 трехфазной сети относительно ЭЛТЭК 8. Устройство снабжено дополнительным ОПН 12, дополнительными предохранителями 13, дополнительным ПТТ 14, дополнительным силовым автоматом 15, дополнительными контакторами 19. В устройство введен трехполюсный разъединитель 20. Трехполюсный разъединитель 20 подключен между входом и выходом отрезка трехфазной сети 1.
Например, так как блок-боксы пункта контроля и управления линейной частью трубопровода запитаны по второй категории электроснабжения, то в случае обрыва линии с одной из сторон блок-бокса, последний будет запитан от другого источника электроснабжения. Также в случае выхода из строя какого либо элемента основной цепи электроснабжения, блок-бокс с основного ввода перейдет на ввод резерва (Аварийный ввод резерва организован через ЭЛТЕК 8, фиг.2).
Трехполюсный разъединитель 20 предназначен для отключения и включения отдельных участков сети или оборудования, находящихся под напряжением, а также для создания видимого разрыва электрической цепи при работах персонала на линии или оборудовании. Трехполюсные разъединители 20 могут быть изготовлены с тремя проходными изоляторами, на которых крепят подвижные ножи. Разъединители такого типа на напряжение 10 кВ и номинальный ток 400 А обозначают РВФ-10/400, а с заземляющими ножами РВФЗ-10/400.
Для дополнительного повышения надежности защиты в устройство (фиг.1) может быть введен автомат 21 защиты нагрузки М, выполненный на базе последовательно соединенных магнитных расцепителей 22 и тепловых расцепителей 23, а нагрузка М подключена к силовой шине 1 через автомат 21 защиты нагрузки.
Тепловой расцепитель 23 представляет собой биметаллическую пластину, нагреваемую протекающим током. При протекании тока выше допустимого значения биметаллическая пластина изгибается и приводит в действие механизм расцепления. Время срабатывания зависит от тока и может изменяться от секунд до часа. Минимальный ток, при котором должен срабатывать тепловой расцепитель, составляет 1,45 от номинального тока предохранителя. В отличие от плавкого предохранителя, автоматический выключатель готов к следующему использованию после остывания пластины.
Магнитный расцепитель 22 представляет собой соленоид, подвижный сердечник которого также может приводить в действие механизм расцепления. Ток, проходящий через выключатель, течет по обмотке соленоида и вызывает втягивание сердечника при превышении заданного порога. Мгновенный расцепитель, в отличие от теплового, срабатывает очень быстро (доли секунды), но при значительно большем превышении тока: в 2÷10 раз от номинала, в зависимости от его типа.
Заявленное устройство можно применять как для схемы электроснабжения с общей силовой шиной (фиг.1), так и в случае секционирования шин.
Основной особенностью функционирования заявленного устройства является удаленный мониторинг показателей качества напряжения, который сводится к применению существующих средств системы телемеханики совместно с описанным устройством для сбора и обработки данных по параметрам питающего напряжения высоковольтной линии 10 кВ, а также блок-боксов пункта управления и контроля по стороне 0,4 кВ. По интерфейсу Modbus через контролер ЛТМ можно получать подробные данные о параметрах питающей сети, как в режиме on-line, так и в режиме off-line путем считывания журнала событий. На основании полученных данных можно судить о качестве поставляемой электроэнергии от того или иного поставщика и принимать решение о необходимости переключения участка трехфазной сети 1 (10 кВ) к другому источнику электроснабжения.
Наиболее успешно заявленное устройство для контроля параметров электрической сети и защиты от перенапряжения электрического оборудования промышленно применимо для защиты различных электрических объектов при их электроснабжении, преимущественно для защиты оборудования блок-боксов пункта контроля и управления линейной частью трубопровода от перенапряжения.