Устройство защиты электромашинного обратимого преобразователя
ELECTRICAL REVERSIBLE CONVERTER PROTECTION DEVICE

Заявляемое техническое решение относится к области электротехники, а именно к релейной защите судовых электроустановок от коротких замыканий (к.з.).
В настоящее время в судовых электроэнергетических системах (ЭЭС) питание ответственных потребителей переменного тока осуществляется от основного источника (синхронный генератор) или от резервного аварийного источника - аккумуляторной батареи (АБ) через электромашинный обратимый преобразователь (МОП). Ответственные потребители постоянного тока в основном питаются от сети переменного тока через МОП, а при его отказе либо аварии в сети переменного тока - от АБ.
Известно устройство максимально-токовой защиты (МТЗ) МОП с помощью двух автоматических выключателей, подключающих МОП к главным распределительным щи-там переменного (ГРЩТ) и постоянного (ГРЩП) тока, и обеспечивающие защиту МОП при к.з. внутри МОП или вне МОП, т.е. в электрораспределительных сетях (Токарев Л.Н. Судовая электротехника и электромеханика/ Токарев Л.Н.- Санкт-Петербург: Береста, 2006, стр. 28-31).
МТЗ МОП, встроенные в автоматические выключатели постоянного и переменного тока, содержат последовательно соединенные максимальный расцепитель тока (РМТ) для защиты от токов к.з., элемент времени (ЭВ) и исполнительный орган (ИО) (Выключатели воздушные автоматические селективные серии ВА71, ВА72, ВА73. Технические условия ТУ16-522.132-77, стр. 7). МТЗ вызывают срабатывание автоматических выключателей при превышении уставок по току и времени их срабатывания.
Недостатком МТЗ МОП, встроенных в автоматические выключатели, является их низкое быстродействие и невысокая чувствительность защиты при к.з. внутри МОП. Быстродействие МТЗ как при внутренних к.з., так и при внешних (в распределительной сети) определяется выдержкой времени на срабатывание с учетом селективности выключателей МОП по отношению к выключателям потребителей и вторичных распределительных щитов. Чувствительность МТЗ автоматических выключателей МОП определяется пусковыми токами электрических машин МОП, работающих в режиме двигателя, которые обычно составляют (5-6) Iном (номинальный ток).
Известно устройство быстродействующей дифференциальной токовой защиты (ДТЗ) переменного тока от внутренних к.з., например, силовых трансформаторов (Федосеев А.В. Релейная защита электрических систем: учебник для ВУЗов. М.: Энергия, 1976, стр. 427-437), содержащее измерительные трансформаторы тока (ТТ), установленные на выводах трансформатора с высокой и низкой стороны, реле токовое дифференциальное, соединенное с выходами ТТ и промежуточное реле, которое воздействуют одновременно на независимые расцепители выключателей, установленных с обеих сторон защищаемого трансформатора без выдержки времени. Принцип действия ДТЗ заключается в том, что в дифференциальном реле сравниваются токи по концам защищаемой зоны (оборудования) и на выходе дифференциального реле сигнал должен быть равен нуля при к.з. вне защищаемой зоны.
Недостатком дифференциальной токовой защиты при ее применении для защиты МОП является невозможность получения нулевого сигнала на выходе дифференциального реле при к.з. вне защищаемой зоны без дополнительных преобразований входных сигналов разного рода тока.
Наиболее близким устройством защиты МОП, принятым за прототип, является устройство направленной токовой защиты с блокировкой типа НТЗБ-02К (http://www.vniir-progress.ru/production/rele/ustrojstva-komplektnye-napravlennoj-tokovoj-zashhity-tipov-ntzb-02k-ntzb-ozk-ntzb-04k/), предназначенное для защиты судовых энергосистем, содержащее датчики постоянного тока ДТ-ЗНК, основной канал (направленное реле максимального тока), имеющий статическую и динамическую уставку срабатывания, канал блокировки, обеспечивающий блокировку основного канала при к.з. вне защищаемой зоны, и снимающий блокировку при уменьшении тока толчком или при изменении направления тока, и выходной орган, воздействующий на независимый расцепитель автоматического выключателя. Для организации зоны защиты необходимо использовать не менее двух устройств защиты, связанных между собой цепями блокировки.
Недостатком устройства защиты НТЗБ-02К является невозможность его использования в цепях переменного тока и необходимость связывать между собой цепями блокировки два или более устройств защиты, размещенных на достаточном расстоянии друг от друга.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное устройство, является расширение области применения устройства направленной токовой защиты с блокировкой, т.е. возможность ее применения для защиты от внутренних к.з. МОП, который подключается с одной стороны к сети постоянного тока, а с другой стороны - к цепи трехфазного переменного тока.
Техническим результатом является возможность применения устройства направленной токовой защиты с блокировкой для защиты от внутренних к.з. МОП.
Заявленный результат достигается тем, что в устройство, содержащее последова-тельно соединенные датчик постоянного тока (ДТ1) и направленное реле максимального постоянного тока (РМТ1), канал блокировки постоянного тока (КБ1), выходной орган постоянного тока (ВО1), введены последовательно соединенные датчик переменного тока (ДТ2) и направленное реле максимального переменного тока (РМТ2), канал блокировки переменного тока (КБ2), дополнительный выходной орган (ВО2), первый и второй логические элементы «И» и логический элементы «ИЛИ», при этом входы каналов блокировки КБ1 и КБ2 соединены соответственно с выходами датчиков постоянного ДТ1 и переменного тока ДТ2, выходы каналов блокировки соединены соответственно с первыми входа-ми второго и первого логических элементов «И», ко вторым входам логических элементов И1 и И2 подключены соответственно выходы направленных реле максимального тока РМТ1 и РМТ2, выходы логических элементов «И» соединены со входами логического элемента «ИЛИ», выход которого соединен со входами выходных органов устройства защиты.
Блок-схема заявленного устройства защиты МОП (УЗОП) приведена на фигуре 1, где приняты следующие обозначения:
1 - датчик постоянного тока (ДТ1);
2 - направленное реле максимального постоянного тока (РМТ1);
3 - канал блокировки постоянного тока (КБ1);
4 - выходной орган (ВО1);
5 - датчик переменного тока (ДТ2);
6 - направленное реле максимального переменного тока (РМТ2);
7 - канал блокировки переменного тока (КБ2);
8 - дополнительный выходной орган (ВО2);
9 - первый логический элемент «И» И1.
10 - второй логический элемент «И» И2;
11 - логический элемент «ИЛИ».
Устройство защиты МОП (УЗОП) содержит попарно последовательно соединенные датчик постоянного тока (ДТ1) и направленное реле максимального постоянного тока (РМТ1), датчик переменного тока (ДТ2) и направленное реле максимального переменного тока (РМТ2), канал блокировки постоянного тока (КБ1), выходной орган (ВО1), канал блокировки переменного тока (КБ2), дополнительный выходной орган (ВО2), первый и второй логические элементы «И» и логический элементы «ИЛИ». Входы каналов блокировки КБ1 постоянного тока и КБ2 переменного тока соединены соответственно с выходами датчиков постоянного ДТ1 и переменного тока ДТ2, а выходы каналов блокировки соединены с первыми входами соответственно второго и первого логических элементов «И», ко вторым входам логических элементов И1 и И2 подключены соответственно выходы направленных реле максимального тока РМТ1 и РМТ2, выходы логических элементов «И» соединены со входами логического элемента «ИЛИ», выход которого соединен со входами выходных органов ВО1 и ВО2 устройства защиты.
Направленные реле максимального тока РМТ1 и РМТ2 срабатывают (на выходе появляется логическая «1») при направлении тока внутрь защищаемой зоны, каналы блокировки КБ1 и КБ2 срабатывают (на выходе появляется логическая «1» при направлении тока внутрь защищаемой зоны или при скачкообразном уменьшении вытекающего из зоны защиты тока. Зоной защиты является МОП, она ограничена датчиками тока ДТ1 и ДТ2.
На фигуре 2 приведена однолинейная схема подключения УЗОП к судовой энергосистеме. Из рисунка видно, что УЗОП подключено к цепям напряжения со стороны постоянного и переменного тока, токовые цепи подключены датчику постоянного тока ДТ и к измерительным трансформаторам переменного тока ТТ, а с выхода УЗОП сигналы подаются на независимые расцепители выключателей ВОП=и ВОП~.
Возможны два режима работы МОП: в режиме А питание МОП производится со щита ГРЩП, в режиме В - со щита ГРЩТ.
Устройство защиты работает следующим образом:
1. При работе МОП в режиме А и в случае к.з. внутри МОП (в точках К1 или К2) ток на выходе синхронной машины переменного тока (СМ) толчком уменьшается или меняет направление на противоположное (из-за подпитки места к.з. перешедших в генераторный режим двигателей), т.е. МОП вместо генератора переменного тока может стать потребителем и постоянного и переменного тока. В этом случае сработают реле РМТ1 (по прямому назначению) и канал блокировки КБ2 из-за уменьшения тока толчком или изменения направления тока. Схема «И1» получив эти два сигнала вызывает срабатывание схемы «ИЛИ», которая вызывает срабатывание выходных органов ВО1 и ВО2.
2. При направлении рабочего тока на входе и выходе МОП по стрелке В и в случае к.з. внутри МОП (в точках К1 или К2) ток на выходе синхронной машины постоянного тока (МПТ) толчком уменьшается или меняет направление на противоположное (из-за подпитки места к.з. перешедших в генераторный режим двигателей). В этом случае сработают реле РМТ2 (по прямому назначению) и канал блокировки КБ1 из-за уменьшения тока толчком или изменения направления тока. Схема «И2» получив эти два сигнала выдает выходной сигнал на схему «ИЛИ», а от нее на срабатывание выходных органов ВО1 и ВО2.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что защита УЗОП определяет внутреннее к.з. МОП при его питании как переменным, так и постоянным током и срабатывает без выдержки времени. Чувствительность защиты определяется уставками реле РМТ1, РМТ2 и уставками каналов блокировки, равными 0,1 Iном. (Iном. - номинальное значение тока МОП) или диапазоном скачкообразного уменьшения тока в канале блокировки, который может быть, например, как в устройстве НТЗБ-02К:
- уменьшение на величину более 25% от номинального тока, если значение тока нагрузки через ДТ было менее 0,9 Iном;
- уменьшение на величину более 65% от номинального, если значение тока через ДТ было более 0,9 Iном.
В соответствии с ГОСТ РВ 2090-006-2008 для защиты ответственного электрооборудования должна использоваться основная (быстродействующая) и резервная защита. В качестве резервной защиты обычно используется МТЗ, встроенная в автоматический выключатель или внешняя МТЗ. Предлагаемая защита является основной защитой МОП.
Таким образом, для ликвидации к.з. в статорных обмотках машин переменного или постоянного тока МОП, на их выводах, а также на шинах ГРЩ до датчиков ТТ и ДТ (фиг. 2) необходимо мгновенно, без выдержки времени, отключить ВОП~ и ВОП=по следующему алгоритму:
1. При питании ГРЩТ от МОП (режим А): при увеличении потребляемого МОП тока из сети постоянного тока выше расчетной уставки тока к.з. и уменьшении толчком величины переменного тока на выходе МОП или изменении направления тока подать сигналы на отключение выключателей ВОП~ и ВОП=и гашение поля СМ;
2. При питании ГРЩП от МОП (режим В): при увеличении потребляемого МОП тока из сети переменного тока выше расчетной уставки тока к.з. и уменьшении толчком величины постоянного тока на выходе МОП или изменении направления тока подать сигналы на отключение выключателей ВОП~ и ВОП=и гашение поля МПТ.
Такой алгоритм локальной быстродействующей защиты МОП и участков фидеров от МОП до выключателей ВОП~ и ВОП=обеспечит абсолютную селективность и максимальное быстродействие отключения к.з., тогда как защиты выключателей ВОП~ и ВОП=сегодня должны иметь выдержку времени для обеспечения селективности действия по от-ношению к выключателям фидеров (ВФ) при к.з. в точках К3 и достаточно грубую устав-ку срабатывания по току, равную (5-6) Iном.