СПОСОБ ЗАЩИТЫ СЕТИ АВТОНОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
METHOD OF PROTECTING AN AUTONOMOUS POWER PLANT NETWORK

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, H02J 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 относится 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 и нахождение его в двигательном режиме в течение заданного времени, 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. Так как источники электроэнергии уже работают параллельно, то эти процессы уже закончились и могут не рассматриваться в рамках предложенного изобретения. Другими режимами работы судовой электроэнергетической системы, при которых возможен кратковременный переход работоспособных источников электроэнергии в двигательный режим, является режим работы грузоподъемного оборудования с рекуперацией электроэнергии в сеть и режим отключения мощного приемника электроэнергии. При этом не все суда оснащены подъемными кранами или грузовыми лебедками и не всегда в них применяется рекуперативное торможение (например, используется динамическое торможение или торможение противовключением). В то же время в случае отключения мощного приемника электроэнергии (например, подруливающего устройства, мощность которого соизмерима с мощностью источника электроэнергии) происходит резкое снижение нагрузки, при котором за счет разного статизма скоростных характеристик, состояния регуляторов первичных двигателей, инерционности ИЭ один из параллельно работающих источников электроэнергии кратковременно может перейти в двигательный режим. На практике этот переход обычно длится не более 5с, поэтому в системах защиты, принятых за прототип, при отсутствии приемников электроэнергии, работающих с рекуперацией энергии в сеть, выдержку времени выбирают равной 5-6с.
Однако в случае выхода источника электроэнергии из строя задержка во времени его отключения 5-6 секунд вызовет дополнительную нагрузку на остальные работоспособные источники электроэнергии, что 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.
Для решения указанной проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в способе защиты сети автономной электростанции с параллельно работающими источниками электроэнергии (ИЭ), путем отключения от сети неисправного ИЭ, как и в прототипе, неисправность ИЭ определяют по переходу его в двигательный режим работы, в отличие от прототипа, работоспособность ИЭ определяют по отсутствию или наличию изменений в электроэнергетическом состоянии сети автономной электростанции, при этом, если в электроэнергетическом состоянии сети не наблюдается мгновенного сброса нагрузки на величину, превышающую заданное значение в момент перехода ИЭ в двигательный режим, ИЭ определяют как неисправный и отключают его от сети в момент перехода в двигательный режим, в противном случае делают вывод об исправности ИЭ и блокируют его отключение от сети.
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», блоки отключения соответствующих ИЭ, блоки контроля отключения от сети мощных приемников электрической энергии, одновибраторы и 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 блоков отключения ИЭ, выходы блоков контроля отключения от сети мощных приемников электрической энергии соединены с входами соответствующих одновибраторов, выходы которых соединены с соответствующими входами логического элемента «ИЛИ-НЕ», выход логического элемента «ИЛИ-НЕ» 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 мгновенного сброса нагрузки на величину, превышающую заданное значение в момент перехода ИЭ в двигательный режим. В случае установления мгновенного сброса нагрузки на величину, превышающую заданное значение в момент перехода ИЭ в двигательный режим ИЭ, перешедший в двигательный режим, диагностируется как работоспособный и отключение его от сети блокируется. При отсутствии мгновенного сброса нагрузки на величину, превышающую заданное значение в момент перехода ИЭ в двигательный режим ИЭ признается неработоспособным и отключается от сети, но не с задержкой времени, как в прототипе, а непосредственно в момент перехода неработоспособного ИЭ в двигательный режим.
Заданное значение нагрузки, при мгновенном сбросе которой возможен кратковременный переход одного из параллельно работающих ИЭ в двигательный режим, определяется для каждого ИЭ индивидуально. Так для современных дизель генераторных агрегатов при их параллельной работе сброс нагрузки в 60-70% от номинальной мощности одного из ИЭ, как правило, не вызовет переход одного из них в двигательный режим, а для агрегатов устаревших конструкций да еще и с изношенными регуляторами приводных двигателей мгновенный сброс нагрузки в 50% может оказаться существенным и привести к кратковременному переходу в двигательный режим работы. При этом следует отметить, что в составе сети современных судовых электростанций обычно имеется один или два, реже три, приемника электроэнергии, мощность которых соизмерима с мощностью ИЭ, отключение которых может привести к кратковременному (обычно 1-2 с., но не более 5 с. ) переходу ИЭ в двигательный режим работы. По наименьшей из мощностей этих приемников электроэнергии и следует выбирать контролируемую величину заданного значения нагрузки (Рзад.), для реализации в предлагаемом изобретении.
Настоящее изобретение относится к методу косвенной идентификации неработоспособного ГА. В этом случае не анализируют параметры ГА непосредственно, а выявляют наступление режимов функционирования, в которых работоспособный агрегат может выйти из генераторного режима работы и во время этих режимов блокируют отключение ГА, перешедшего в двигательный режим работы.
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 мгновенным сбросом нагрузки на величину, превышающую заданное значение в момент перехода ДГ в двигательный режим, 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 5-6 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, на котором представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, на примере параллельной работы «п» источников электрической энергии и при наличии «т» приемников электрической энергии, мощность которых соизмерима с мощностью ИЭ и превышает Рзад.
На чертеже (фиг.) 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, блоки отключения соответствующих ИЭ 4.1, 4.2…4.n, блоки контроля отключения от сети приемников электрической энергии, мощность которых превышает Р зад. (ОП) 5.1, 5.2…5.m, одновибраторы 6.1, 6.2…6.m, логический элемент «ИЛИ-НЕ» 7. При этом выходы ИЭ 1.1, 1.2…1.n соединены с входами блоков контроля перехода соответствующих ИЭ в двигательный режим 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 блоков отключения ИЭ 4.1, 4.2…4.n, выходы блоков ОП 5.1, 5.2…5.m соединены с входами соответствующих одновибраторов 6.1, 6.2…6.m, выходы которых соединены с соответствующими входами логического элемента «ИЛИ-НЕ» 7, 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». Блоки отключения ИЭ 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 ОП 5.1, 5.2…5.m могут быть использованы размыкающие блок - контакты контакторов соответствующих мощных приемников электрической энергии, которые замыкаются в момент отключения соответствующих приемников от сети и формируют сигналы логической «1» в момент отключения этих приемников электрической энергии. Одновибраторы 6.1,6.2…6.m - известные функциональные блоки, каждый из которых формирует на своем выходе сигнал логической «1» определенной длительности при поступлении на вход сигнала логической «1». Длительность единичного сигнала на выходе одновибратора выбирают в соответствие с характеристиками регуляторов первичных двигателей ИЭ (например, для судовых дизель генераторов эта величина, согласно правил Регистра, не должна превышать 5 с), то есть это время, в течение которого ГА гарантированно восстановит свои характеристики после внешнего возмущающего воздействия. Логический элемент «ИЛИ-НЕ» 7 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 отключения от сети мощных приемников электрической энергии и не один из мощных приемников в этот момент не отключался от сети, то на выходах всех ОП 5.1, 5.2…5.m сигналы логического «0», на выходах всех одновибраторов - тоже сигналы логического «0», а на выходе логического элемента «ИЛИ-НЕ» 7 - 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 блока 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 отключения от сети g-го мощного приемника электрической энергии, 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 в этот момент хотя бы один, например, g-ый мощный приемник электроэнергии отключился от сети, то на выходе соответствующего датчика ОП 5.g появится сигнал логической «1», который поступит на вход соответствующего g-го одновибратора 6.g, на выходе которого формируется сигнал логической «1» заданной длительности и поступает на соответствующий g-ый вход логического элемента «ИЛИ-НЕ» 7. На выходе логического элемента «ИЛИ-НЕ» 7 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.
Пример реализации способа.
Допустим, что в составе судовой электростанции работают два дизель генераторных агрегата (ГА) с номинальной мощностью по 100 кВт каждый. При этом имеется несколько приемников электроэнергии с мощностью, сопоставимой с номинальной мощностью ГА, например, электро-компрессор, мощность которого равна 98 кВт и подруливающее устройство с мощностью в 95 кВт. Предположим, что общая нагрузка сети составляет 105 кВт и при этом работает электро-компрессор, а нагрузка ГА1=55 кВт, а нагрузка ГА2=50 кВт. В этом случае величина Рдоп. может быть выбрана в 95 кВт, хотя эти ГА могли бы перейти в двигательный режим и при сбросе нагрузки, например, в 70 кВт, но в составе сети данной электростанции таких приемников нет, а мощность остальных в 5-10 кВт не может перевести в двигательный режим работы данные ДГ и не учитывается при реализации данного способа. При отключении электро-компрессора нагрузка электростанции резко снизится до 7 кВт и при этом один из ГА, например ГА2, перейдет в двигательный режим работы, и на выходе блока контроля перехода ГА2 в двигательный режим 2.2 (Фиг.) появится сигнал логической «1» и поступит на первый вход логического элемента «И» 3.2. Так как произошло отключение мощного приемника электрической энергии, то на выходе датчика ОП 5.2 появится сигнал логической «1», по переднему фронту которого одновибратор 6.2 на своем выходе сформирует сигнал логической «1», длительностью, например 5 с, за которые регуляторы ГА гарантированно вернут его в генераторный режим работы. С выхода одновибратора 6.2 сигнал логической «1» поступает на второй вход логического элемента «ИЛИ-НЕ»7 на выходе которого появляется сигнал логического «0» и поступает на второй вход логического элемента «И» 3.2, на выходе которого сохраняется сигнал логического «0», отключения ГА2 не происходит.
Если же электро-компрессор не отключен и продолжает работать, то на выходе блока ОП 5.2, выходе одновибратора 6.2 и втором входе логического элемента «ИЛИ-НЕ» 7 сигнал логического «0», этот же сигнал присутствует и на выходах блоков 5.1, 6.1 и первом входе «ИЛИ-НЕ» 7 так как подруливающее устройство не работает. При этом на выходе логического элемента «ИЛИ-НЕ»7 появится сигнал логической «1» и поступит на вторые входы логических элементов «И»3.1 и 3.2. Если в это время вышел из строя ГА2, например отказал топливный насос дизеля, то ГА2 перейдет в двигательный режим и на выходе блока 2.2 появится сигнал логической «1» и поступит на первый вход логического элемента «И» 3.2, на его выходе появится сигнал логической «1» и поступит на вход блока отключения второго ГА 4.2, который отключит ГА2.
При этом устройство, принятое за прототип, отключит ГА2 только через 5 с, но в это время нагрузка на ГА1 составит 125 кВт т.к. ГА2 перейдет в двигательный режим и дополнительно нагрузит сеть мощностью до 20 кВт., что может привести к его остановке и обесточиванию судна.
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 выше изложенного позволяет сделать вывод о возможности его промышленного применения.