УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЗЕРВА

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к устройствам противоаварийной автоматики в системах, критичных к длительности перерыва в электроснабжении, и может быть наиболее эффективно применена в сетях с мощными высоковольтными синхронными двигателями.
Известно устройство автоматического включения резервного питания потребителей, содержащих синхронные двигатели в сети, состоящей из основного и резервного питания, секционного выключателя, параллельно которому подключен тиристорный выключатель, состоящий из биполярной группы тиристоров. Устройство реализуется на двухвводных подстанциях. При аварийном отключении одного из вводов отключается вводной выключатель поврежденного ввода, включается биполярная группа тиристоров, осуществляется фазовое регулирование мощности поврежденной секции шин и ограничение тока самозапуска двигательной нагрузки, SU 1422303 А1, опубл. 07.09.1988.
Недостатком известного устройства является его невысокая надежность, обусловленная малым быстродействием. Это объясняется тем, что включение тиристорного выключателя может быть осуществлено после отключения вводного выключателя поврежденного источника. Собственное время отключения электромеханических высоковольтных выключателей 10 кВ составляет около 0,2 сек, и с учетом времени действия автоматики и переходного процесса, перерыв в электроснабжении может быть еще больше. При этом может произойти неуспешный автоматический ввод резерва и технологический развал установок.
Известно устройство для автоматического включения резерва (АВР), содержащее два источника питания, подключенные через вводные выключатели к раздельным секциям шин, соединенных двумя параллельно включенными выключателями, один из которых выполнен в виде биполярного блока тиристоров, блок управления, датчики аварийного режима, подключенные к секциям шин и, соответственно, к первому и второму входам блока управления, первый выход которого подключен к управляющему входу биполярного блока тиристоров, а второй и третий его выходы связаны с цепями отключения вводных выключателей, при этом устройство содержит блок измерения фазового рассогласования, выход которого подключен к третьему входу блока управления, первый и второй входы связаны через датчики аварийного режима, соответственно, с раздельными секциями шин. Для формирования сигнала на включение резервного источника питания использовано фазовое рассогласование векторов напряжения секций шин, RU 103249 U1, опубл. 27.03.2011.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящей полезной модели.
Недостатком прототипа является невысокая надежность эксплуатации, обусловленная следующими обстоятельствами:
- так как из-за невысокого качества напряжения в электрических сетях возможно появление несимметрий и высших гармонических напряжения, при использовании для формирования сигнала на включение резервного источника питания фазового рассогласования векторов напряжения секций шин возможно формирование ложного сигнала на включение резервного источника питания, в результате чего может быть вызвано ложное срабатывание АВР, что снижает надежность эксплуатации;
- при работе АВР в электрических сетях, имеющих электрическую связь источников, питающих нагрузку (особенно это проявляется в отечественных системах электроснабжения, где независимость источников питания чисто условна), при аварии на одном из источников питания второй, так называемый «независимый», источник тоже имеет просадку напряжения. Это приводит к блокировке АВР и его отказу, что снижает надежность функционирования. Электрическая связь источников электроснабжения весьма распространенное явление не только в слабых сетях Сибири и дальнего Востока, где два источника используют одну рассекционированную линию 110 кВ, но и Европейской части России, где сильно проявляются шунтирующее действие параллельных линий между секциями шин 110 кВ.
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности эксплуатации устройства для автоматического включения резерва за счет исключения ложного срабатывания в реальных электрических сетях, содержащих высшие гармонические напряжения, несимметрию питающей сети, и в сетях, имеющих электрическую связь источников электроснабжения на стороне высшего напряжения.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство для автоматического включения резерва, содержащее два источника питания, подключенные через вводные выключатели к раздельным секциям шин, соединенных двумя параллельно включенными выключателями, один из которых выполнен в виде биполярного блока тиристоров, блок управления, датчики аварийного режима, подключенные к секциям шин, и блок измерения фазового рассогласования, причем первый выход блока управления подключен к управляющему входу биполярного блока тиристоров, а второй и третий его выходы связаны с цепями отключения вводных выключателей, при этом выход блока измерения фазового рассогласования подключен ко входу блока управления, согласно полезной модели, устройство снабжено блоками выделения первой гармонической составляющей напряжения, входы которых соединены с выходами датчиков аварийного режима, а выходы - со входами блока измерения фазового рассогласования.
Блоки выделения первой гармонической составляющей напряжения могут быть выполнены в виде частотных преобразователей по схеме Фурье.
Предпочтительно, устройство снабжено блоком самозапуска двигателей, при этом первый и второй входы блока самозапуска соединены с датчиками аварийного режима, а выходы блока самозапуска соединены с цепями управления двигателей нагрузки.
Благодаря снабжению устройства блоками выделения первой гармонической составляющей напряжения, входы которых соединены с выходами датчиков аварийного режима, а выходы со входами блока измерения фазового рассогласования, блок фазового рассогласования сравнивает первые гармонические прямой последовательности напряжения секций шин, свободные от несимметрий и высших гармонических напряжения, что исключает возможность формирования ложного сигнала на включение резервного источника питания и, как следствие, исключает ложное срабатывание АВР, в результате повышается надежность эксплуатации АВР.
Благодаря снабжению АВР блоком самозапуска двигателей, первый и второй входы которого соединены с датчиками аварийного режима, а выходы соединены с цепями управления двигателей нагрузки, при аварии на одном из источников питания в сетях, имеющих электрическую связь источников электроснабжения, блок самозапуска выявляет факт одинаковой просадки напряжения на секциях шин и подает сигнал подключения к сети на цепи управления двигателей нагрузки. Блокировка и отказ АВР при этом не происходит, в результате чего дополнительно повышается надежность его эксплуатации.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема АВР.
Устройство для автоматического включения резерва содержит два источника 1, 2 питания потребителей, обычно сеть 110 кВ. Источник 1 питания подключен через вводной выключатель 3 к секции 5 шин, а источник 2 питания подключен через вводной выключатель 4 к секции 6 шин. В конкретном примере потребителями являются подключенные к раздельным секциям 5, 6 шин через трансформаторы 7, 8 и выключатели 9, 10, 11, 12 мощные синхронные двигатели 13, 14, 15, 16. Двигатели 13, 14 через соответствующие выключатели 9, 10 подключены к шине 5, а двигатели 15, 16 через соответствующие выключатели 11, 12 подключены к шине 6. В качестве выключателей 3, 4, 9, 10, 11, 12 могут использоваться обычные высоковольтные выключатели, например, вакуумные, с цепями отключения.
Раздельные секции 5, 6 шин соединены между собой двумя параллельно включенными выключателями, один из которых, выключатель 17 - обычный, например, вакуумный, а другой выполнен в виде биполярного блока 18 тиристоров.
Трансформаторы 7, 8 - силовые, понижающие - 110/6,3 кВ. Секции 5 и 6 шин - 6,3 кВ. Секционный выключатель 17 - 6,3 кВ.
АВР содержит блок 19 управления, представляющий собой микропроцессорную систему, работающую с частотой выше частоты питающей сети.
К секциям 5, 6 шин подключены, соответственно, датчики 20, 21 аварийного режима. Датчики 20, 21 представляют собой быстродействующие реле напряжения.
Первый выход блока 19 управления подключен к управляющему входу биполярного блока 18 тиристоров, а второй и третий его выходы связаны с цепями отключения вводных выключателей 3 и 4. Устройство содержит блок 22 измерения фазового рассогласования, представляющий собой микропроцессор, в данном примере, BL2600. Выход блока 22 подключен ко входу блока 19 управления.
АВР содержит блоки 23, 24 выделения первой гармонической составляющей напряжения, входы которых соединены с выходами датчиков 20, 21 аварийного режима, а выходы - со входами блока 22 измерения фазового рассогласования. Блоки 23, 24 выделения первой гармонической составляющей напряжения выполнены в виде частотных преобразователей по схеме Фурье, работающих в конкретном примере с внутренней частотой около 3 кГц. Выполненный таким образом частотный преобразователь позволяет быстродействующим образом выделить первую гармоническую составляющую напряжения на вводах подстанции, см., например, Преобразователи частоты: методические указания к лабораторной работе по курсу «Устройства приема и преобразования сигналов» для студентов высших учебных заведений специальности 11.05.01 - «Радиоэлектронные системы и комплексы» / НГТУ им. Р.Е. Алексеева; сост. Л.В. Когтева. - Нижний Новгород, 2015, стр. 8-10.
В результате блок 22 измерения фазового рассогласования определяет сдвиг фаз первой гармонической прямой последовательности напряжений секций шин на вводах подстанции и отстроен от несимметрий и высших гармонических напряжения.
В преимущественном примере исполнения АВР включает блок 25 самозапуска двигателей, первый и второй входы которого соединены с датчиками 20, 21 аварийного режима, а выходы которого соединены с цепями управления двигателей 13, 14, 15, 16.
В конкретном примере элементами распределительной сети 110 кВ являются две линии, к которым подключены источники 1, 2 питания, связанные секционным выключателем 26-110 кВ, и выключатель 27 на отходящей линии.
Устройство работает следующим образом:
В нормальном режиме источники питания 1, 2 подают напряжение на силовые понизительные трансформаторы 7, 8 - 110/6,3 кВ. Секционный выключатель 26-110 кВ может быть включен или выключен в зависимости от режима работы энергосистемы. Выключатель 27 отходящей линии 110 кВ включен. Напряжение через силовые понизительные трансформаторы 7, 8 - 110/6.3 кВ и через включенные вводные выключатели 3, 4 подается на секции 5, 6 шин. При этом секционный выключатель 17 отключен, биполярная группа тиристоров 18 также отключена. Напряжение от шин 5, 6 через включенные выключатели 9 и 10, 11 и 12 подается на нагрузку - мощные синхронные двигатели 13 и 14, 15 и 16, соответственно. Напряжение от шин 5, 6 поступает также на входы датчиков 20, 21 аварийного режима, которые в нормальном режиме не срабатывают. Сигнал с датчиков 23, 24 не поступает на входы блоков 23, 24 выделения первой гармонической составляющей напряжения и блок 25 самозапуска. Поэтому сигналы на выходе блока 25 самозапуска, блока 22 измерения фазового рассогласования и блока 19 управления не формируются
В аварийном режиме на одном из источников 1 или 2 со стороны питающей сети (исчезновение напряжения или короткое замыкание в сети 110 кВ) на одной из секций 5 или 6 шин возникает фазовое рассогласование между напряжением сети (Uсети) и ЭДС двигателя, находящегося в аварийном режиме (Eдвигателя) и начавшего работать в генераторном режиме. При этом срабатывает один из соответствующих датчиков 20 или 21 аварийного режима.
Сигналы с датчиков 20 и 21 о величине и форме напряжения в питающей сети поступают на входы блоков 23 или 24 выделения первой гармонической составляющей напряжения, выполненных в виде частотных преобразователей по схеме Фурье. После разложения в ряд Фурье блоки 23 или 24 выделяют первую гармоническую составляющую напряжения, которая поступает на входы блока 22 измерения фазового рассогласования. Блок 22 измерения фазового рассогласования формирует информацию об угле сдвига первых гармонических прямой последовательности фаз и передает ее на вход блока 19 управления. При превышении угла уставки блок 19 управления подает сигнал на отключение вводного выключателя 3 или 4 поврежденного источника 1 или 2 питания. Одновременно блок 19 управления подает команду на управляющий вход биполярного блока 18 тиристоров, который осуществляет фазовое регулирование. Тиристоры обеспечивают точное включение нагрузки двигателей 13 - 16 в пределах допустимого угла сдвига первых гармонических напряжения. Секционный выключатель 17 шунтирует биполярную группу тиристоров 18. Таким образом, АВР работает при нессиметрии и несинусоидальности напряжения в питающих сетях.
Быстродействие действия АВР в подобной системе позволяет переключать синхронные двигатели без гашения поля. Это очень важно, так как в аварийном режиме остается напряжение на объекте, включая напряжение в сетях низшего напряжении 0,4 кВ и т.д. и двигательной нагрузки.
При наличии электрической связи между источниками питания АВР работает следующим образом. В примере конкретного выполнения секционный выключатель 26-110 кВ и выключатель 27 на отходящей линии включены. При коротком замыкании на отходящей линии 110 кВ посадка напряжения ощущается на обеих секциях 5, 6 шин - 6,3 кВ. АВР при этом блокируется, так как отсутствует неповрежденный ввод, на который следует переключаться. Оба датчика 20 и 21 аварийного сигнала срабатывают и подают сигнал на блок 25 самозапуска, который формирует паузу длительностью, примерно 2-3 сек., равную времени работы автоматического повторного включения в энергосистеме. В течение паузы АВР отключает часть двигателей, оставшиеся двигатели самозапускаются. После самозапуска полностью восстанавливается нормальная схема электроснабжения. За время цикла автоматического повторного включения осуществляется гашение поля примерно до 0,4 номинального, что позволяет успешно осуществить самозапуск части двигателей и далее восстановить нормальный режим.
Таким образом, предлагаемое устройство существенно увеличивает надежность АВР позволяя использовать его, в том числе, в сетях с нессиметрией и высшими гармоническими составляющими напряжения, а также сохранять технологический процесс при авариях в сетях со связанными источниками электроснабжения.
Для реализации устройства использованы обычные материалы и комплектующие.