СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЗЕРВНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR AUTOMATIC LOAD TRANSFER (VERSIONS) AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Область техники
Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам противоаварийной автоматики для электрических подстанций и распределительных устройств низкого, среднего и высокого напряжений, и может быть использовано для обнаружения нарушений электроснабжения потребителей основного источника питания при любых видах повреждений в питающей сети секции распределительного устройства и осуществления быстродействующего переключения на резервный источник питания.
Предшествующий уровень техники
Известен способ автоматического включения резервного электропитания потребителей (А.с. СССР №1728927, кл. H02J 9/06, 1990), заключающийся в измерении напряжения прямой последовательности шин основного и резервного источников питания, угла между векторами напряжений прямой последовательности шин основного и резервного источников питания, определении направления активной мощности на вводе шин основного источника питания, переключении шин основного источника на резервный источник питания при снижении напряжения прямой последовательности шин основного источника ниже заданного или превышении угла между векторами напряжений прямой последовательности больше заданного и при направлении активной мощности от шин к основному источнику питания, дополнительно определяют направление и значение реактивной составляющей тока прямой последовательности на вводе шин основного источника, значение напряжения обратной последовательности шин основного источника и при направлении реактивной составляющей тока прямой последовательности от шин к основному источнику и превышении последней и напряжением обратной последовательности шин основного источника заданных значений также производят переключение шин основного источника на резервный источник питания, причем одновременно с переключением во всех случаях осуществляют форсировку возбуждения синхронных двигателей.
К недостаткам данного способа следует отнести невозможность обнаружения однофазных, двухфазных и двухфазных на землю коротких замыканий в цепи питания потребителей, ввиду того, что в этих режимах не меняется направление активной мощности на вводе подстанции и продолжается ее потребление подключенными электроприемниками. При любых коротких замыканиях в цепи питания направление реактивной составляющей тока прямой последовательности не меняется в случае отсутствия двигательной нагрузки на секции.
Данное изобретение является наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению, т.е. прототипом. Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является осуществление возможности быстрой реакции на любые нарушения нормального электроснабжения потребителей, происходящие в цепи их основного источника питания и включающие все виды коротких замыканий с последующим переключением потребителей на резервный источник питания. Способ позволяет быстро реагировать на нарушения электроснабжения на распределительных устройствах с электродвигательной нагрузкой и без нее, а также питающихся от несинхронизированных источников питания.
Указанный технический результат по варианту 1 достигается созданием способа автоматического включения резервного электропитания потребителей, при котором измеряют напряжение прямой последовательности на шинах резервного источника питания, вместо направления активной мощности на вводе основного источника питания для каждой из трех его фаз измеряют значение действующего тока в фазе и значение угла между вектором комплексного действующего тока в этой же фазе и векторной суммой комплексного действующего напряжения между двумя другими фазами на шинах основного источника питания и принимаемой равной от 0 до 50% доли одноименного комплексного действующего напряжения на шинах резервного источника питания, вместо напряжения прямой последовательности на шинах основного источника питания измеряют линейные напряжения на тех же шинах и подают команду на переключение питания шин основного источника на резервный при снижении любого из измеряемых напряжений на шинах основного источника питания ниже заданного значения, когда одновременно с этим значение действующего тока в любой из фаз на вводе основного источника питания и значение угла между вектором комплексного действующего тока в этой же фазе и векторной суммой комплексного действующего напряжения между двумя другими фазами на шинах основного источника питания и принимаемой равной от 0 до 50% доли одноименного комплексного действующего напряжения на шинах резервного источника питания достигают заданной области значений и напряжение прямой последовательности на шинах резервного источника питания превышает заданное значение.
Также указанный технический результат по варианту 2 достигается созданием способа автоматического включения резервного электропитания потребителей, при котором измеряют напряжение прямой последовательности на шинах резервного источника питания, угол между векторами напряжений прямой последовательности шин основного и резервного источников питания, вместо направления активной мощности на вводе основного источника питания для каждой из трех его фаз измеряют значение действующего тока в фазе и значение угла между вектором комплексного действующего тока в этой же фазе и векторной суммой комплексного действующего напряжения между двумя другими фазами на шинах основного источника питания и принимаемой равной от 0 до 50% доли одноименного комплексного действующего напряжения на шинах резервного источника питания и подают команду на переключение питания шин основного источника на резервный при увеличении угла между векторами напряжений прямой последовательности шин основного и резервного источников питания выше заданного значения, когда одновременно с этим значение действующего тока в любой из фаз на вводе основного источника питания и значение угла между вектором комплексного действующего тока в этой же фазе и векторной суммой комплексного действующего напряжения между двумя другими фазами на шинах основного источника питания и принимаемой равной от 0 до 50% доли одноименного комплексного действующего напряжения на шинах резервного источника питания достигают заданной области значений и напряжение прямой последовательности на шинах резервного источника питания превышает заданное значение.
Указанный технический результат по варианту 3 достигается созданием способа автоматического включения резервного электропитания потребителей, при котором измеряют напряжение прямой последовательности на шинах резервного источника питания, вместо направления активной мощности на вводе основного источника питания для каждой из трех его фаз измеряют значение действующего тока в фазе и значение угла между вектором комплексного действующего тока в этой же фазе и векторной суммой комплексного действующего напряжения между двумя другими фазами на шинах основного источника питания и принимаемой равной от 0 до 50% доли одноименного комплексного действующего напряжения на шинах резервного источника питания, дополнительно измеряют изменение угла между векторами напряжений прямой последовательности шин основного и резервного источников питания за заданный промежуток времени и подают команду на переключение питания шин основного источника на резервный при изменении угла между векторами напряжений прямой последовательности шин основного и резервного источников питания за заданный промежуток времени выше заданного значения, когда одновременно с этим значение действующего тока в любой из фаз на вводе основного источника питания и значение угла между вектором комплексного действующего тока в этой же фазе и векторной суммой комплексного действующего напряжения между двумя другими фазами на шинах основного источника питания и принимаемой равной от 0 до 50% доли одноименного комплексного действующего напряжения на шинах резервного источника питания достигают заданной области значений и напряжение прямой последовательности на шинах резервного источника питания превышает заданное значение.
Указанный технический результат достигается созданием устройства для автоматического включения резервного электропитания потребителей, содержащего основной и резервный источники питания, вводные выключатели основного и резервного источников питания, секционный выключатель, шины основного и резервного источников питания, комплект измерительных трансформаторов тока на вводе основного источника питания, комплекты измерительных трансформаторов напряжения на шинах основного и резервного источников питания, пусковое устройство автоматического включения резерва, содержащее блок восстановления третьего фазного тока, снабженный тремя выходными каналами аналого-цифровой преобразователь токов, вход которого соединен с выходом комплекта измерительных трансформаторов тока через блок восстановления третьего фазного тока, снабженные тремя выходными каналами аналого-цифровые преобразователи напряжений, входы которых соединены с выходами комплектов измерительных трансформаторов напряжения на шинах основного и резервного источников питания, блоки определения напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания, входы которых соединены с выходными каналами аналого-цифровых преобразователей напряжений на шинах основного и резервного источников питания соответственно, релейный блок максимального напряжения, вход которого соединен с выходом блока определения напряжения прямой последовательности на шинах резервного источника питания, релейный блок определения угла между векторами напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания, входы которого соединены с блоками определения напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания, устройство, осуществляющее переключение на резервный источник питания с замыканием главных контактов секционного выключателя в момент времени, близкий к синфазному, между одноименными напряжениями на шинах основного и резервного источников питания, активирующееся при поступлении от пускового устройства команды включения резерва, при этом пусковое устройство автоматического включения резерва содержит блоки особых релейных органов пофазного контроля направления тока, каждый из которых соответственно соединен с одним из трех выходных каналов аналого-цифрового преобразователя токов, являющимся каналом тока в одной из фаз основного источника питания, одним из трех выходных каналов аналого-цифрового преобразователя напряжений на шинах основного источника питания, являющимся каналом напряжения на шинах основного источника между двумя другими фазами, и одним из трех выходных каналов аналого-цифрового преобразователя напряжений на шинах резервного источника питания, являющимся каналом напряжения на шинах резервного источника между теми же фазами, что и на шинах основного источника, релейный блок минимального напряжения из трех, входы которого соединены с выходными каналами аналого-цифрового преобразователя напряжений на шинах основного источника питания, релейный блок определения изменения угла за фиксированный интервал времени между векторами напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания, соответствующие входы которого соединены с блоками определения напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания, логический элемент «И-НЕ», соответствующие входы которого соединены с выходами блоков особых релейных органов пофазного контроля направления тока, логический элемент «И», соответствующие входы которого соединены с выходами релейного блока минимального напряжения из трех, релейного блока максимального напряжения и логического элемента «И-НЕ», второй логический элемент «И», соответствующие входы которого соединены с выходами релейного блока максимального напряжения, релейного блока определения угла между векторами напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания, логического элемента «И-НЕ», третий логический элемент «И», входы которого соединены с выходами релейного блока максимального напряжения, релейного блока определения изменения угла за фиксированный интервал времени между векторами напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания, логического элемента «И-НЕ», логический элемент «ИЛИ», соответствующие входы которого соединены с выходами трех логических элементов «И», выходной блок, вход которого соединен с выходом логического элемента «ИЛИ», а выход - с вводным выключателем основного источника питания по каналу отключения выключателя и с секционным выключателем по каналу его включения через устройство выбора условий осуществления переключения на резервный источник питания, активирующееся при поступлении от пускового устройства команды включения резерва.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана однолинейная схема распределительного устройства, включающая вводные и секционный выключатели, измерительные трансформаторы тока и напряжения, блок-схему работы микропроцессорного пускового устройства быстродействующего автоматического включения резерва и промежуточное устройство управления выключателями.
На фиг.2 представлена иллюстрация работы блока особого релейного органа пофазного контроля направления тока на комплексной плоскости.
Изобретение осуществляют следующим образом.
Устройство, предназначенное для осуществления данного способа быстродействующего автоматического включения резервного электропитания потребителей (фиг.1), содержит основной 1 и резервный 2 источники питания; вводные выключатели основного и резервного источников питания 3 и 4; секционный выключатель 5; шины основного и резервного источников питания 6 и 7; комплект измерительных трансформаторов тока 8 на вводе основного источника питания 1 (включающий два или три трансформатора); комплекты измерительных трансформаторов напряжения 9 и 10 на шинах основного и резервного источников питания 6 и 7 (включающие по три трансформатора); микропроцессорное пусковое устройство быстродействующего автоматического включения резерва 11; устройство 12, осуществляющее переключение на резервный 2 источник питания (замыкание главных контактов секционного выключателя 5) в момент времени, близкий к синфазному между одноименными напряжениями на шинах основного и резервного источников питания 6 и 7, активирующееся при поступлении от микропроцессорного пускового устройства 11 команды быстродействующего включения резерва. Пусковое устройство быстродействующего автоматического включения резерва 11 содержит блок восстановления третьего фазного тока 13 (необходим при наличии только двух трансформаторов в комплекте измерительных трансформаторов тока 8); снабженный тремя выходными каналами , ,  аналого-цифровой преобразователь токов 14, вход которого соединен с выходом комплекта измерительных трансформаторов тока 8 через блок восстановления третьего фазного тока 13; снабженные тремя выходными каналами , ,  и , ,  аналого-цифровые преобразователи напряжений 15 и 16, входы которых соединены с выходами комплектов измерительных трансформаторов напряжения на шинах основного и резервного источников питания 9 и 10 соответственно; блоки определения напряжений прямой последовательности 17 и 18 на шинах основного и резервного источников питания 6 и 7, входы которых соединены с выходными каналами аналого-цифровых преобразователей напряжений 15 (, , ) и 16 (, , ) соответственно; блоки особых релейных органов пофазного контроля направления тока 19, 20, 21, каждый из которых соответственно контролирует один из трех выходных каналов , ,  аналого-цифрового преобразователя токов 14 (значение тока в одной из фаз основного источника питания), один из трех выходных каналов , ,  аналого-цифрового преобразователя напряжений 15 (значение напряжения на шинах основного источника между двумя другими фазами) и один из трех выходных каналов , ,  аналого-цифрового преобразователя напряжений 16 (значение напряжения на шинах резервного источника между теми же фазами, что и на шинах основного источника); релейный блок минимального напряжения из трех 22, входы которого контролируют выходные каналы , ,  аналого-цифрового преобразователя напряжений 15; релейный блок максимального напряжения 23, вход которого соединен с выходом блока определения напряжения прямой последовательности 18 на шинах резервного источника питания 7; релейный блок 24 определения угла между векторами напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания 6 и 7, входы которого соединены с блоками определения напряжений прямой последовательности 17, 18 на шинах основного и резервного источников питания 6 и 7 соответственно; релейный блок 25 определения изменения угла за фиксированный интервал времени между векторами напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания 6 и 7, входы которого соединены с блоками определения напряжений прямой последовательности 17, 18 на шинах основного и резервного источников питания 6 и 7 соответственно; логический элемент «И-НЕ» 26, входы которого соединены с выходами блоков особых релейных органов пофазного контроля направления тока 19, 20, 21; логический элемент «И» 27, входы которого соединены с выходами релейного блока минимального напряжения из трех 22, релейного блока максимального напряжения 23 и логического элемента «И-НЕ» 26; логический элемент «И» 28, входы которого соединены с выходами релейного блока максимального напряжения 23, релейного блока 24 определения угла между векторами напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания 6 и 7, логического элемента «И-НЕ» 26; логический элемент «И» 29, входы которого соединены с выходами релейного блока максимального напряжения 23, релейного блока 25 определения изменения угла за фиксированный интервал времени между векторами напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания 6 и 7, логического элемента «И-НЕ» 26; логический элемент «ИЛИ» 30, входы которого соединены с выходами логических элементов «И» 27, 28, 29; выходной блок 31, вход которого соединен с выходом логического элемента «ИЛИ» 30, а выход с вводным выключателем основного источника питания 3 по каналу отключения выключателя и с секционным выключателем 5 по каналу его включения через устройство 12 выбора условий (момента) осуществления переключения на резервный 2 источник питания, активирующееся при поступлении от микропроцессорного пускового устройства 11 команды быстродействующего включения резерва.
П
уст
уст
На фиг.2 изображена комплексная плоскость и обозначены:  - вектор, соответствующий комплексному действующему значению тока  в фазе «А» на вводе основного источника питания 1;  - вектор, соответствующий комплексному действующему значению напряжения между фазами «В» и «С» на шинах основного источника питания 6;  - вектор, соответствующий произведению комплексного действующего значения напряжения  между фазами «В» и «С» на шинах резервного источника питания 7 и коэффициента k - заданной в блоке 19 уставки коэффициента подпитки от шин резервного источника питания 7;  - вектор суммы ; φ - заданная в блоке 19 уставка угла между перпендикуляром к границе зоны срабатывания (см. далее) и вектором ; I - заданная в блоке 19 уставка тока; зона срабатывания - область, при попадании конца вектора  в которую, считается, что переток мощности в фазе «А» направлен от источника питания к нагрузке.
ab1
bc1
ca1
ab2
bc2
ca2
a1
b1
c1
a1
c1
b
a
c
С помощью комплектов измерительных трансформаторов напряжений 9 и 10 пусковое устройство контролирует мгновенные значения линейных напряжений на шинах основного источника питания 6 (u, u, u) и резервного 7 (u, u, u). С помощью комплекта измерительных трансформаторов тока 8 пусковое устройство контролирует мгновенные значения фазных токов на вводе основного источника питания 1 (i, i, i или i, i при наличии только двух измерительных трансформаторов тока). Результаты измерений поступают в блоки аналого-цифровых преобразователей 14, 15 и 16 (в случае, если комплект измерительных трансформаторов тока состоит из двух трансформаторов, токовый канал проходит через блок 13 восстановления третьего фазного тока, значение третьего фазного тока определяется как i=-i-i), где происходит преобразование мгновенных значений токов и напряжений в ряды комплексных действующих значений токов на вводе основного источника питания 1 (, , ) и комплексных действующих значений напряжений на шинах основного 6 (, , ) и резервного 7 (, , ) источников питания. В блоках 17 и 18 соответственно происходит преобразование комплексных действующих значений напряжений , ,  и , ,  в комплексные действующие напряжения прямой последовательности  на шинах основного источника питания 6 и  на шинах резервного источника питания 7. Дальнейшая работа микропроцессорного пускового устройства осуществляется за счет математической и логической обработки результатов измерений.
Запрещающими блоками для работы устройства являются блоки особых релейных органов пофазного контроля направления тока 19, 20, 21. Если выполняются условия
уст
уст
П
где , ,  - комплексные действующие значения напряжений на шинах основного источника питания 6; , ,  - комплексные действующие значения напряжений на шинах резервного источника питания 7; , ,  - комплексные числа, соответственно сопряженные комплексным действующим значениям токов , ,  на вводе основного источника питания 1; φ - заданная уставка угла; I - заданная уставка тока; k- заданная уставка коэффициента подпитки от шин резервного источника питания 7; то на выходе соответствующих блоков особых релейных органов пофазного контроля направления тока 19, 20, 21 сигнал равен логической «I»; если хотя бы одно из этих условий не выполняется - выходной сигнал соответствующего блока особого релейного органа пофазного контроля направления тока становится равен логическому «0», и таким образом считается, что переток мощности в соответствующей фазе направлен от нагрузки к источнику питания, и происходит разблокировка работы микропроцессорного пускового устройства 11.
Иллюстрация работы блока 19 на комплексной плоскости представлена на фиг.2, алгоритм работы блоков 20, 21 аналогичен при соответствующей смене входных сигналов. При попадании конца вектора  в зону срабатывания, считается, что переток мощности в фазе «А» направлен от источника питания к нагрузке, при этом на выходе особого релейного органа пофазного контроля направления тока 19 сигнал становится равным логической «I», при выходе конца вектора  из зоны срабатывания выходной сигнал блока 19 становится равным логическому «0».
Когда мощности в каждой из фаз на вводе основного источника питания 1, переток которых определяется по вышеописанному алгоритму, направлены от источника питания к нагрузке, пусковое устройство 11 не работает, что бы в системе электроснабжения ни происходило. В нормальном режиме сигналы на входе блока 26 блокируют через блоки 27, 28, 29 подачу сигнала на отключение вводного выключателя основного источника питания 3 и включение секционного выключателя 5, шины основного и резервного источников питания 6 и 7 работают раздельно.
Для регистрации несимметричных и трехфазных коротких замыканий в цепи питания служит релейный блок минимального напряжения из трех 22, для регистрации отключения головного выключателя на питающей подстанции служат релейный блок 24 определения угла между векторами напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания 6 и 7, релейный блок 25 определения изменения угла за фиксированный интервал времени между векторами напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания 6 и 7. Для контроля нормального напряжения на шинах резервного источника питания служит релейный блок максимального напряжения 23. Сигналы для работы устройства формируются с помощью логических элементов «И-НЕ» (блок 26), «И» (блоки 27, 28, 29), «ИЛИ» (блок 30) и поступают в выходной блок 31, который управляет вводным выключателем основного источника питания 3 и секционным выключателем 5 через устройство 12 выбора условий (момента) осуществления переключения на резервный 2 источник питания, активирующееся при поступлении от микропроцессорного пускового устройства 11 команды быстродействующего включения резерва.
уст.мин
уст.макс
По варианту 1 в случае возникновения нарушений электроснабжения в виде несимметричных или трехфазных коротких замыканий в цепи источника питания один или несколько блоков особых релейных органов пофазного контроля направления тока 19, 20, 21 переходит(-ят) в исходное состояние и на его(их) выходе(-ах) сигнал становится равным логическому «0», минимальное напряжение min(,,) снижается ниже уставки релейного блока минимального напряжения из трех 22 U и, если на шинах резервного источника питания 7 напряжение  больше уставки релейного блока максимального напряжения 23 U, пусковое устройство 11 подает сигналы на отключение выключателя основного источника питания 3 и на включение секционного выключателя 5 через устройство 12.
12
12
уст
уст.макс
По варианту 2 в случае возникновения других нарушений электроснабжения, например при отключении головного выключателя, вызванном неправильными действиями оперативно-дежурного персонала, один или несколько блоков особых релейных органов пофазного контроля направления тока 19, 20, 21 переходит(-ят) в исходное состояние и на его(их) выходе(-ах) сигнал становится равным логическому «0», угол δ между векторами напряжений прямой последовательности на шинах основного источника питания  и шинах резервного источника питания , равный  удовлетворяет условию δ>δ релейного блока 24 определения угла между векторами напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания 6 и 7 и, если на шинах резервного источника питания 7 напряжение  больше уставки релейного блока максимального напряжения 23 U, пусковое устройство 11 подает сигналы на отключение выключателя основного источника питания 3 и на включение секционного выключателя 5 через устройство 12.
12
уст
12
12
12
12
12
уст
12
уст
уст.макс
(2)
(1)
(1)
(2)
По варианту 3 в случае возникновения тех же нарушений электроснабжения (см. вариант 2) один или несколько блоков особых релейных органов пофазного контроля направления тока 19, 20, 21 переходит(-ят) в исходное состояние и на его(их) выходе(-ах) сигнал становится равным логическому «0», значение изменения угла Δδ между векторами напряжений прямой последовательности на шинах основного источника питания  и шинах резервного источника питания  за фиксированный интервал времени Δt, равное Δδ=δ -δ , где δ , δ - значения угла между векторами напряжений прямой последовательности на шинах основного источника питания  и шинах резервного источника питания  соответственно в начале и конце интервала времени Δt, удовлетворяет условию Δδ>Δδ релейного блока 25 определения изменения угла за фиксированный интервал времени между векторами напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания 6 и 7 и, если на шинах резервного источника питания 7 напряжение  больше уставки релейного блока максимального напряжения 23 U, пусковое устройство 11 подает сигналы на отключение выключателя основного источника питания 3 и на включение секционного выключателя 5 через устройство 12.
Таким образом, применение заявленного способа дает возможность быстрой реакции на любые нарушение нормального электроснабжения потребителей, происходящих в цепи их основного источника питания и включающих все виды коротких замыканий с последующим переключением потребителей на резервный источник питания, также позволяет быстро реагировать на нарушения электроснабжения на распределительных устройствах с электродвигательной нагрузкой и без нее, а также питающихся от несинхронизированных источников питания.
Промышленная применимость
Способ быстродействующего автоматического включения резервного электропитания потребителей и устройство для его осуществления могут быть использованы для обнаружения нарушений электроснабжения потребителей основного источника питания при любых видах повреждений в питающей сети секции распределительного устройства и осуществления быстродействующего переключения на резервный источник питания.