СПОСОБ ЗАЩИТЫ СЕТИ АВТОНОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
METHOD FOR PROTECTING MAINS OF STAND-ALONE POWER PLANT

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты судовых электростанций с параллельно работающими источниками электроэнергии в случае выхода из строя одного из них.
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 является способ (Яковлев Г.С. Судовые электроэнергетические системы: Учебник-5-e изд., перераб. и доп. - Ленинград, Судостроение, 1987. - 272 с. ил. (стр. 132), 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, что происходит, например, при выходе из строя системы подачи топлива в первичный двигатель. Параметр контролируется по величине обратной мощности или обратного тока для источников электроэнергии постоянного тока и активной мощности или активного тока для источников электроэнергии переменного 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 секунд. С другой стороны, современные суда оснащены кранами, грузовыми лебедками и другими механизмами, работающими с рекуперацией электроэнергии в сеть, что может вызвать кратковременный переход исправного источника электроэнергии в двигательный режим работы. Отключение такого источника может вызвать перегруз электросети и перерыв в электроснабжении судна. Для исключения нежелательного явления защита от обратной мощности автономной сети настраивается на 8-15% номинальной мощности генератора и на время срабатывания до 10с. Однако в случае выхода источника электроэнергии из строя задержка во времени его отключения 10 секунд вызовет дополнительную нагрузку на остальные работоспособные источники электроэнергии и может привести к отключению их от сети.
Заявляемый способ позволяет решить проблему защиты сети автономных электростанций с параллельно работающими источниками электроэнергии в случае выхода из строя одного из них, путем мгновенного отключения от сети неисправного источника и может быть использован, когда источники электроэнергии уже работают параллельно, то есть переходные процессы, связанные с их подключением, закончились.
Для решения указанной проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в способе защиты сети автономной электростанции с параллельно работающими источниками электроэнергии (ИЭ), путем аварийного отключения от сети неисправного ИЭ, заключающемся также, как и прототип, в том, что для установления неисправности ИЭ непрерывно контролируют рабочее состояние каждого ИЭ по переходу его в двигательный режим, в отличие от прототипа, для установления неисправности ИЭ дополнительно проверяют электроэнергетическое состояние сети и при наличии в сети рекуперации электроэнергии от потребителей энергии делают вывод об исправности ИЭ, в противном случае делают вывод о неисправности ИЭ. При этом при переходе ИЭ в двигательный режим формируют сигнал отключения ИЭ от сети, при наличии рекуперации энергии формируют сигнал блокировки отключения ИЭ от сети, причем при наличии обоих сигналов блокируют отключение ИЭ, а при наличии только сигнала отключения ИЭ от сети отключают ИЭ. Для реализации способа защиты сети автономной электростанции с параллельно работающими ИЭ используется устройство, содержащее блоки контроля перехода соответствующих ИЭ в двигательный режим, логические элементы «И», реле отключения соответствующих ИЭ, блоки контроля режима рекуперации соответствующих потребителей электрической энергии, логический элемент «ИЛИ-НЕ», при этом выходы ИЭ соединены с входами блоков контроля перехода соответствующих ИЭ в двигательный режим, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих логических элементов «И», выходы логических элементов «И» соединены с входами соответствующих реле отключения ИЭ, выходы блоков контроля режима рекуперации соответствующих потребителей электрической энергии соединены с соответствующими входами логического элемента «ИЛИ-НЕ», выход которого соединен со вторыми входами логических элементов «И».
Сущность изобретения заключается в том, что для идентификации работоспособности ИЭ проверяются два диагностических параметра: переход ИЭ в двигательный режим и наличие или отсутствие рекуперации электрической энергии в сеть от потребителей энергии. В случае установления факта рекуперации ИЭ, перешедший в двигательный режим, диагностируется как работоспособный и отключение его от сети блокируется. При отсутствии рекуперации ИЭ признается неработоспособным и отключается от сети, но не с задержкой времени, задаваемой временем рекуперации электроэнергии (обычно 6-10с), как в прототипе, а в момент перехода неработоспособного ИЭ в двигательный режим.
Изложенное может быть подтверждено на примере параллельной работы дизель-генераторных агрегатов переменного тока (ДГ). Так, неисправность в первичном двигателе одного из агрегатов, например, в результате несанкционированного срабатывания воздушной заслонки дизеля, приведет к прекращению поступления в дизель воздуха и остановке ДГ при его одиночной работе, но при параллельной работе оставшиеся исправными ДГ за счет явления синхронизма продолжат вращать неработоспособный ДГ, в результате чего неисправный агрегат начнет потреблять электроэнергию из сети, величина которой может превышать 20% от номинальной величины мощности генератора. Так как в рассматриваемом случае переход ДГ в двигательный режим не связан с потреблением рекуперируемой энергии, то в соответствии с предлагаемым способом его признают неисправным и отключат от сети. В этом случае в способе-прототипе неработоспособный ДГ будет дополнительно нагружать сеть в течение 6-10 с.
Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача - защита судовых электростанций с параллельно работающими источниками электроэнергии в случае выхода из строя одного из них, путем мгновенного отключения от сети неисправного ИЭ - 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 и при наличии «m» потребителей, работа которых возможна с рекуперацией энергии в сеть.
На чертеже изображено устройство, содержащее ИЭ (дизель-генераторные агрегаты, турбогенераторы и др.) 1.1, 1.2…1.n, работающие параллельно, блоки контроля перехода соответствующих ИЭ в двигательный режим 2.1, 2.2…2n, логические элементы «И» 3.1, 3.2,.…3n, реле отключения соответствующих ИЭ 4.1,4.2…4.n, блоки контроля режима рекуперации соответствующих потребителей электрической энергии 5.1, 5.2…5.m, логический элемент «ИЛИ-НЕ» 6. При этом выходы ИЭ 1.1, 1.2…1.n соединены с входами блоков контроля 2.1, 2.2…2n, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих логических элементов «И» 3.1, 3.2, …3n. Выходы логических элементов «И» 3.1, 3.2, …3n соединены с входами соответствующих реле отключения ИЭ 4.1,4.2…4.n, выходы блоков контроля 5.1, 5.2…5.m соединены с соответствующими входами логического элемента «ИЛИ-НЕ» 6, выход которого соединен со вторыми входами логических элементов «И» 3.1, 3.2, …3n.
В качестве блоков контроля перехода ИЭ в двигательный режим 2.1, 2.2…2n могут быть использованы датчики обратной активной мощности, датчики обратного активного тока и т.д., на выходе которых формируется сигнал логической «1» в случае перехода соответствующего ИЭ в двигательный режим (Лейкин B.C. Судовые электрические станции и сети. Учебник для мореходных и арктических училищ. -3-e изд. перераб. и доп. - М: Транспорт, 1982 - 256. (стр. 178). Логические элементы «И» 3.1, 3.2, …3n представляют собой функциональные блоки, которые формируют на своих выходах сигналы логической «1», если на все их входы поступают сигналы логической «1». Реле отключения 4.1,4.2…4.n представляют собой функциональные блоки, в качестве которых могут быть использованы обычные электромагнитные реле, размыкающие контакты которых включены в цепь катушки нулевой защиты автоматического выключателя соответствующего ИЭ. В качестве блоков контроля режима рекуперации 5.1, 5.2…5.m могут быть использованы блок - контакты контакторов торможения соответствующих потребителей, которые замыкаются и формируют сигналы логической «1» в момент рекуперативного торможения. Логический элемент «ИЛИ-НЕ» 6 представляет собой функциональный блок, на выходе которого появляется сигнал логической «1» только в том случае, если на все его входы поступают сигналы логического «0».
Устройство работает следующим образом. Если при параллельной работе ИЭ 1.1,1.2, …1.n., один из них, например, j-ый, 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 ИЭ в двигательный режим 2.j появится сигнал логической «1», который поступит на первый вход соответствующего логического элемента «И» 3.j. Так как переход в двигательный режим j-го источника электроэнергии не связан с режимом отдачи электроэнергии в сеть, то на выходах всех датчиков включения режима рекуперации 5.1, 5.2…5.m появится сигнал логического «0». На выходе логического элемента «ИЛИ-НЕ» 6 появится сигнал логической «1», который поступит на все вторые входы логических элементов «И» 3.1,3.2…3.n.. При этом, так как на первом и втором входах j-го логического элемента «И» 3, j присутствует сигнал логической «1», то и на его выходе появится сигнал логической «1», который поступит на вход реле отключения j-го ИЭ 4 j, который отключит j-ый ИЭ.
Если же при параллельной работе ИЭ 1.1,1.2, …1.n., один из них, например, j-ый перешел в двигательный режим по причине поступления электроэнергии в сеть в результате работы, например, грузовой лебедки, то на выходе соответствующего датчика перехода ИЭ в двигательный режим 2.j появится сигнал логической «1», который поступит на первый вход соответствующего логического элемента «И» 3.j. Если в этот момент работает хотя бы один, например, g-ый потребитель электроэнергии, отдающий электроэнергию в сеть, то на выходе соответствующего датчика включения режима рекуперации 5.g появится сигнал логической «1», который поступит на соответствующий g-ый вход логического элемента «ИЛИ-НЕ» 6. На выходе логического элемента «ИЛИ-НЕ» 6 появится сигнал логического «0», который поступит на вторые входы всех логических элементов «И» 3.1,3.2…3.n (в том числе и на второй вход логического элемента «И» 3.j). На выходах всех логических элементов «И» 3.1,3.2…3.n, а значит, и на входах всех реле отключения ИЭ 4.1,4.2…4.n сформируется сигнал логического«0», что свидетельствует о работоспособности источников электроэнергии. Отключение не происходит.
Предлагаемое изобретение было создано в составе научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре «Судовых автоматизированных электроэнергетических систем» ФБГОУ ВО «Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова». Были произведены расчеты, показавшие возможность использования заявляемого способа в судовых энергетических установках и электроэнергетических системах, что с учетом вышеизложенного позволяет сделать вывод о возможности его промышленного применения.