Устройство управления трехфазным высоковольтным вакуумным выключателем
THREE-PHASE HIGH VOLTAGE VACUUM CIRCUIT BREAKER CONTROL DEVICE

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах защиты от неполнофазного включения/отключения вакуумных выключателей электроустановок, преимущественно, силовых трансформаторов высоковольтных линий и дуговых сталеплавильных печей.
Известно устройство управления трехфазным высоковольтным вакуумным выключателем, содержащем три полюса с вакуумными дугогасительными камерами, электромагнитный привод с блоком коммутаций, блок-контакта положения выключателя и механизм ручного отключения, содержащее электромагнитный привод независимого действия, который содержит конденсатор для предварительного накопления энергии, подсоединенный к питающей сети через токоограничивающий резистор, величина сопротивления которого прямопропорциональна постоянной времени зарядки конденсатора и обратнопропорциональна емкости конденсатора, причем указанный конденсатор для совершения операций «включить» и «отключить» подсоединен к катушкам включения и отключения электромагнита привода через блок коммутаций (см. патент РФ №2304819, H01H 33/666 (2006.01).
Недостатком известного устройства является низкая надежность, обусловленная отсутствием контроля режима неполнофазной коммутации (замыкания либо размыкания двух фаз из трех). Это связано с отсутствием контроля зарядов всех трех конденсаторов, подключенных к катушкам включения и отключения электромагнита привода. Отсутствие заряда одного из конденсаторов при выполнении операций «включить» или «отключить» приведет к тому, что контакт соответствующего полюса вакуумного выключателя не замкнется либо не разомкнется. Возникающий неполнофазный режим трансформаторов, в силовых цепях которых устанавливаются вакуумные выключатели, приводит к увеличению линейных напряжений либо токов в обмотках трансформатора (в зависимости от схемы соединения обмоток). Это вызывает недопустимое увеличение токов высоковольтной сети, поэтому неполнофазный режим для электрооборудования является аварийным.
-
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является устройство управления трехфазным высоковольтным вакуумным выключателем, содержащим три однополюсных вакуумных выключателя (полюса), устройство управления также включает: первый, второй и третий блоки управления соответствующими полюсами вакуумных выключателей; источник питания; блок включения/отключения полюсов выключателей, при этом каждый блок управления снабжен контроллером, коммутатором и блоком батарей конденсаторов; каждый блок батарей содержит включающую и отключающую батареи конденсаторов; первый вход каждого контроллера подключен к выходу блока включения/отключения полюсов, второй и третий входы контроллеров подключены соответственно к первому выходу блока батарей конденсаторов и сигнальному выходу полюса вакуумного выключателя, четвертый вход каждого контроллера подключен к выходу источника питания, первый и второй выходы контроллеров соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора, третий и четвертый входы которого соединены соответственно со вторым и третьим выходами блока батарей конденсаторов, вход блока батарей подключен к выходу источника питания, выход коммутатора подключен к обмотке включения/отключения полюса каждого выключателя, силовые контакты которого включены в фазу высоковольтной сети (см. Блок управления РиМ БУ выключателем вакуумным РиМ ВВ-10. Руководство по эксплуатации. - http://dme.by/storage/re-rim-bu-4-26072017_2bc10303.pdf).
Недостатком известного устройства является низкая надежность, вызванная возникновением неполнофазной коммутации. Это обусловлено тем, что три однополюсных вакуумных выключателя не связаны между собой электрически и механически. Каждый полюс имеет свой электромагнитный привод включения и электромагнитный привод отключения от соответствующей батареи конденсаторов. При этом команда на включение или отключение трех однополюсных вакуумных выключателей принимается по готовности, которую формирует контроллер только одного (первого) блока управления. Уровни заряда батарей конденсаторов двух других полюсов не контролируются.
Кроме того, устройство не обеспечивает контроля и индикации готовности коммутационного оборудования к работе, а также контроля и индикации состояния высоковольтной сети. Коммутация может происходить при обрывах в сети, что приводит к подключению электроустановки на несимметричное напряжение.
Оба указанных недостатка приводят к неполнофазной коммутации: замыканию либо размыканию двух фаз при разомкнутом, либо замкнутом состоянии третьей фазы. В этом случае режим включения/отключения нагрузки, например, силового трансформатора, вызывает недопустимые увеличения токов либо напряжений, которые в несколько раз превышают номинальные значения. Это приводит к аварийным режимам, преждевременному износу оборудования электрической сети и вакуумного выключателя.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности защиты электроустановки от неполнофазных режимов за счет совершенствования устройства управления высоковольтным вакуумным выключателем.
Технический результат заключается в обеспечении контроля и индикации готовности к работе всех трех полюсов вакуумного выключателя, а также обеспечении контроля и индикации напряжений и токов высоковольтной сети, что в целом повышает надежность работы электроустановки.
Поставленная задача решается тем, что устройство управления трехфазным высоковольтным вакуумным выключателем, состоящим из трех однополюсных вакуумных выключателей, являющихся полюсами высоковольтного выключателя, содержащее первый, второй и третий блоки управления соответственно первым, вторым и третьим полюсами; источник питания; блок включения/отключения полюсов; при этом каждый блок управления снабжен контроллером, коммутатором и блоком батарей конденсаторов, содержащим включающую и отключающую батареи конденсаторов; первый вход контроллера каждого блока управления подключен к выходу блока включения/отключения полюсов, второй и третий входы контроллера подключены соответственно к первому выходу блока батарей конденсаторов и сигнальному выходу полюса вакуумного выключателя, четвертый вход контроллера подключен к выходу источника питания, первый и второй выходы контроллера соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора, третий и четвертый входы коммутатора соединены соответственно со вторым и третьим выходами блока батарей конденсаторов, вход блока батарей подключен к выходу источника питания, выход коммутатора подключен к обмотке включения/отключения соответствующего полюса, силовые контакты полюса включены в фазу высоковольтной сети, согласно изобретения, устройство управления дополнительно снабжено блоком визуализации, датчиком напряжения и датчиком тока высоковольтной сети, а также контроллером готовности; первый, второй и третий входы контроллера готовности соединены с третьими выходами контроллеров первого, второго и третьего блоков управления, четвертый и пятый входы контроллера готовности соединены с выходами датчика напряжения и датчика тока высоковольтной сети, первый выход контроллера готовности соединен с входом блока включения/отключения полюсов, а второй выход контроллера готовности - с блоком визуализации.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.), на котором изображена функциональная схема устройства управления трехфазным высоковольтным вакуумным выключателем.
Заявляемое устройство содержит первый 1, второй 2 и третий 3 блоки управления соответственно первым 4, вторым 5 и третьим 6 полюсами вакуумного выключателя, источник питания 7 и блок 8 включения/отключения полюсов. При этом каждый блок управления 1, 2 и 3 снабжен контроллером 9, коммутатором 10 и блоком 11 батарей конденсаторов, содержащем включающую 12 и отключающую 13 батареи конденсаторов. Первый вход контроллера 9 подключен к выходу блока 8 включения/отключения полюсов, второй и третий входы контроллера 9 подключены соответственно к первому выходу блока 11 батарей конденсаторов и сигнальному выходу полюса 4 вакуумного выключателя, четвертый вход контроллера 9 подключен к выходу источника питания 7. Первый и второй выходы контроллера 9 соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора 10, третий и четвертый входы которого соединены соответственно со вторым и третьим выходами блока 11 батарей конденсаторов, вход которого подключен к выходу источника питания 7. Выход коммутатора 10 подключен к обмотке 14 включения/отключения полюса 4, силовые контакты 15 которого включены в фазу высоковольтной сети 16.
Устройство управления трехфазным высоковольтным вакуумным выключателем дополнительно снабжено контроллером готовности 17, датчиком напряжения 18 и датчиком тока 19 высоковольтной сети 16, а также блоком визуализации 20. Первый, второй и третий входы контроллера готовности 17 соединены с третьими выходами контроллеров 9 соответственно первого 1, второго 2 и третьего 3 блоков управления. Четвертый и пятый входы контроллера готовности 17 соединены с выходами соответственно датчика напряжения 18 и датчика тока 19 высоковольтной сети 16. Первый выход контроллера готовности 17 соединен с входом блока 8 включения/отключения полюсов, а второй выход соединен с блоком визуализации 20.
Отличительными признаками заявляемого технического решения являются:
- дополнительное включение контроллера готовности;
- дополнительное включение датчика напряжения и датчика тока высоковольтной сети и блока визуализации.
В заявляемом устройстве включение контроллера готовности 17 обеспечивает формирование сигналов на включение/отключение вакуумного выключателя только при условии достаточных уровней зарядов конденсаторных батарей всех трех полюсов. Это условие обеспечивает повышение надежности за счет исключения неполнофазной коммутации при отсутствии или недостаточном уровне заряда включающей либо отключающей батарей конденсаторов, подключенных к коммутатору одного из полюсов вакуумного выключателя.
Использование датчиков напряжения и тока сети, а также блока визуализации обеспечивает непрерывный мониторинг и визуализацию параметров сети. Это является дополнительным условием коммутации вакуумного выключателя. Контроль напряжения необходим для проверки симметрии напряжения и сигнализации об авариях в сети высокого напряжения. Измерение тока обеспечивает контроль соответствия нагрузки номинальному значению и сигнализацию о возникновении недопустимой асимметрии нагрузки либо о перегрузках, когда коммутация недопустима. Визуализация состояния обеспечивает вывод указанных параметров сети, а также контроль замкнутого состояния всех трех фаз в процессе работы.
Заявляемое устройство управления трехфазным высоковольтным вакуумным выключателем работает следующим образом.
В отключенном положении полюсов 4, 5 и 6 вакуумного выключателя при их исправном техническом состоянии на сигнальных выходах формируются сигналы, что каждый полюс вакуумного выключателя отключен. С выхода полюса 4 этот сигнал поступает на третий вход контроллера 9. На четвертый вход контроллера 9 и на вход блока 11 батарей конденсаторов подается напряжение источника питания 7. В результате осуществляется заряд конденсаторов.
При достаточном уровне заряда включающей батареи конденсаторов 12 и отключающей батареи конденсаторов 13 на первом выходе блока 11 батарей конденсаторов формируется сигнал о его готовности к работе. Этот сигнал поступает на второй вход контроллера 9. На третьем выходе контроллера 9 при готовности полюса 4 вакуумного выключателя и достаточном уровне заряда конденсаторов блока 11 батарей конденсаторов формируется сигнал о готовности первого 1 блока управления к работе. Этот сигнал поступает на первый вход контроллера готовности 17. Аналогичные сигналы должны поступить на второй и третий входы контроллера готовности 17 со второго 2 и третьего 3 блоков управления вторым 5 и третьим 6 полюсами вакуумного выключателя.
На четвертый и пятый входы контроллера готовности 17 с датчика напряжения 18 и датчика тока 19 высоковольтной сети 16 подаются соответствующие сигналы. Если при этом на первых трех входах контроллера готовности 17 есть сигналы готовности, то на его первом выходе формируется сигнал разрешения для блока включения/отключения 8 на включение полюсов 4, 5 и 6 вакуумного выключателя.
Со второго выхода контроллера готовности 17 на блок визуализации поступают сигналы, которые отображают значения напряжений на включающих 12 и отключающих 13 конденсаторах, информацию о состоянии полюсов 4, 5 и 6 вакуумного выключателя (включен/отключен), а также значения напряжений и токов высоковольтной сети 16.
Таким образом, при наличии разрешающего сигнала для блока включения/отключения 8 формируется команда «Включить вакуумные выключатели 4, 5 и 6» (на фигуре не обозначена). Эта команда поступает на первый вход контроллера 9. При этом на его первом выходе формируется управляющий сигнал, который замыкает полупроводниковые ключи коммутатора 10, подключающие включающую батарею конденсаторов 12 к обмотке включения/отключения 14 полюса 4 вакуумного выключателя. Разрядный ток конденсатора 12, протекая по обмотке 14, формирует магнитный поток, который создает тяговое усилие, обеспечивающее включение полюса 4.
Аналогично осуществляется включение контактов полюсов 2 и 3 вакуумного выключателя. Таким образом, команда «Включить вакуумные выключатели 4, 5 и 6» будет выполнена. При этом напряжение высоковольтной сети 16 через замкнутые силовые контакты 15 модулей 4, 5, 6 подается на высоковольтную нагрузку (на фигуре не показана). Блок визуализации 20 будет отображать параметры системы управления, поступающие от контроллера готовности 17, а также фазные напряжения и токи, поступающие от датчика напряжения 18 и датчика тока 19 высоковольтной сети 16.
Чтобы осуществить команду «Отключить вакуумные выключатели 4, 5 и 6» (на фигуре не обозначена) контроллер готовности 17 должен сформировать разрешающий сигнал для блока включения/отключения 8. Условие для формирования такого сигнала аналогично описанному условию для формирования команды «Включить вакуумные выключатели 4, 5 и 6». В результате, при наличии разрешающего сигнала для блока включения/отключения 8 обеспечивается выполнение команды «Отключить вакуумные выключатели 4, 5 и 6». Эта команда поступает на первый вход контроллера 9. При этом на его втором выходе формируется управляющий сигнал, который замыкает полупроводниковые ключи коммутатора 10, подключающие отключающую батарею конденсаторов 13 к обмотке включения/отключения 14 полюса 4 вакуумного выключателя. Разрядный ток конденсатора 13, протекая по обмотке 14, формирует магнитный поток, который создает тяговое усилие, обеспечивающее отключение полюса 4.
Аналогичным образом осуществляется отключение контактов полюсов 2 и 3 вакуумного выключателя. В результате команда «Отключить вакуумные выключатели 4, 5 и 6» будет выполнена.
Отличительные признаки заявляемого устройства обеспечивают включение и отключение вакуумного выключателя при одновременном выполнении следующих условий:
- при достаточном уровне зарядов батарей конденсаторов всех трех полюсов вакуумного выключателя и автоматическом запрете коммутации при недостаточном уровне заряда одной из батарей;
- при непрерывном мониторинге и визуализации состояния коммутационной аппаратуры, а также напряжения и тока высоковольтной сети.
Выполнение этих условий обеспечивает исключение неполнофазной коммутации.
В целом, заявляемое устройство управления трехфазным высоковольтным вакуумным выключателем повышает надежность работы электроустановки.