Мультиконтактная коммутационная система с тремя силовыми контактными группами и вставкой постоянного тока
MULTICONTACT SWITCHING SYSTEM WITH THREE POWER CONTACT GROUPS AND DC LINK

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к устройствам секционирования и резервирования линий электропередачи и предназначено для коммутации, защиты электрической сети от аварийных режимов работы и коммутационных и атмосферных перенапряжений, учета электроэнергии, контроля качества электроэнергии, контроля количества и времени отключения напряжения в распределительных электрических сетях, секционирования и резервирования распределительных электрических сетей, линий электропередачи, в том числе содержащих источники электроэнергии, несинхронизированные друг с другом.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является мультиконтактная коммутационная система, имеющая независимое управление тремя силовыми контактными группами, имеющими общую точку соединения, предназначенная для коммутации, защиты электрической сети, учета электроэнергии, контроля качества электроэнергии, контроля количества и времени отключения напряжения в распределительных электрических сетях трехфазного тока, включающая в себя выводные коммутационные элементы ручного управления, коммутационные элементы дистанционного управления, блоки управления коммутационными элементами дистанционного управления, блок дистанционного управления силовыми цепями мультиконтактной коммутационной системы, блок местного управления силовыми цепями мультиконтактной коммутационной системы, блок контроля тока, блок учета электроэнергии с функцией контроля качества электроэнергии, блок контроля положения коммутационных элементов, блок передачи данных, блок контроля напряжения (патент РФ № 2732182, МПК H02B 13/00, , опубл. 14.09.2020, Бюл. № 26).
Недостатком известной мультиконтактной коммутационной системы является невозможность защиты элементов мультиконтактной коммутационной системы, установленных и подключенных к первой, второй и третьей силовым цепям, от коммутационных и атмосферных перенапряжений, а также отсутствие блока бесперебойного питания, позволяющего обеспечить питание мультиконтактной коммутационной системы в случае отключения линий электропередачи и сложность схемы, содержащей отдельные блоки учёта электроэнергии, контроля тока и напряжения, контроля показателей качества электроэнергии и других. Также недостатком является то, что устройство не может применяться для секционирования и резервирования линий электропередачи, к которым подключены источники электроэнергии, несинхронизированные друг с другом.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение функциональных возможностей и расширение области применения для коммутации, защиты электрической сети и элементов мультиконтактной коммутационной системы от аварийных режимов работы и коммутационных и атмосферных перенапряжений, учета электроэнергии, контроля качества электроэнергии, контроля количества и времени отключения напряжения в распределительных электрических сетях с возможностью независимого управления тремя силовыми контактными группами, для осуществления секционирования и резервирования трёх силовых сетей (участков линий электропередачи), в том числе тех, к которым подключены разные источники электроэнергии, в том числе несинхронизированные друг с другом,  с обеспечением бесперебойного питания узлов мультиконтактной коммутационной системы.
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность осуществлять функции коммутации, защиты электрической сети и элементов мультиконтактной коммутационной системы от аварийных режимов работы и коммутационных и атмосферных перенапряжений, учета электроэнергии, контроля качества электроэнергии, контроля напряжения в распределительных электрических сетях с возможностью независимого управления тремя силовыми контактными группами, для осуществления секционирования и резервирования трёх силовых сетей (участков линий электропередачи), в том числе тех, к которым подключены разные источники электроэнергии, в том числе несинхронизированные друг с другом, обеспечения бесперебойного питания узлов мультиконтактной коммутационной системы от блока бесперебойного питания при отключении линий электропередачи за счёт независимого управления контактными группами мультиконтактной коммутационной системы и контроля режимов её работы и режимов сети, в которой она установлена, установки блока выпрямления и инвертирования, обеспечивающего развязку между силовыми цепями за счёт вставки постоянного тока, установки ограничителей перенапряжения и блока бесперебойного питания. Применение изобретения позволяет повысить надёжность мультиконтактной коммутационной системы, уменьшить недоотпуск электроэнергии потребителям, сократить убытки энергоснабжающих организаций и, таким образом, повысить надежность и эффективность систем электроснабжения потребителей, в том числе тех, к которым подключены различные источники электроэнергии, в том числе несинхронизированные друг с другом.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемая мультиконтактная коммутационная система с тремя силовыми контактными группами и вставкой постоянного тока, включающая в себя коммутационные элементы и блок управления и защиты, согласно изобретению, содержит три выводных коммутационных элемента ручного управления, установленных в силовых цепях и предназначенных для их ручной коммутации на выводах мультиконтактной коммутационной системы, три коммутационных элемента дистанционного управления, представляющих собой силовые контактные группы с независимым управлением, установленные в силовые цепи между выводными коммутационными элементами ручного управления и блоком выпрямления и инвертирования, и предназначенных для коммутации силовых цепей с использованием дистанционных средств управления, три блока управления коммутационными элементами дистанционного управления, соединённых с соответствующими коммутационными элементами дистанционного управления и передающих на них команды включения и отключения,  блок приёма и передачи данных, соединённый с блоком управления мультиконтактной коммутационной системой и блоком бесперебойного питания, блок выпрямления и инвертирования, установленный в силовую цепь между коммутационными элементами дистанционного управления и предназначенный для разделения силовых цепей через вставку постоянного тока, блок управления мультиконтактной коммутационной системой, соединённый с каждым из коммутационных элементов ручного и дистанционного управления и контролирующий их положение, соединённый с каждым из блоков управления коммутационными элементами дистанционного управления и осуществляющий передачу команд включения и отключения соответствующего коммутационного элемента дистанционного управления, соединённый с силовыми цепями мультиконтактной системы и контролирующий ток и напряжение в данных силовых цепях, осуществляющий учёт потребления электроэнергии в данных цепях и контроль качества электроэнергии в них, осуществляющий архивирование данных, соединённый с блоком передачи данных и осуществляющий передачу в него данных о работе мультиконтактной коммутационной системе и получающий с него команды дистанционного управления коммутационными элементами дистанционного управления, соединённый с блоком бесперебойного питания для получения питания при отключении напряжения во всех силовых цепях, блок бесперебойного питания, соединённый с силовыми сетями до мультиконтактной коммутационной системы, соединённый с блоком управления мультиконтактной коммутационной системой и блоком приёма и передачи данных для обеспечения их питания, три ограничителя перенапряжения, соединённых с силовыми сетями на выводах мультиконтактной коммутационной системы и осуществляющих защиту от перенапряжений.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема мультиконтактной коммутационной системы с тремя силовыми контактными группами и вставкой постоянного тока, на фиг. 2 представлена структурная схема блока выпрямления и инвертирования.
Мультиконтактная коммутационная система с тремя силовыми контактными группами и вставкой постоянного тока содержит первый выводной коммутационный элемент ручного управления (ВыКЭРУ 1), первый коммутационный элемент дистанционного управления (КЭДУ 2), второй коммутационный элемент дистанционного управления (КЭДУ 3), третий коммутационный элемент дистанционного управления (КЭДУ 4), второй выводной коммутационный элемент ручного управления (ВыКЭРУ 5), третий выводной коммутационный элемент ручного управления (ВыКЭРУ 6), блок управления первым коммутационным элементом дистанционного управления (БУКЭДУ 7), блок управления вторым коммутационным элементом дистанционного управления (БУКЭДУ 8), блок управления третьим коммутационным элементом дистанционного управления (БЭКЭДУ 9), блок управления мультиконтактной коммутационной системой (БУМКС 10), блок приема и передачи данных (БПД 11), блок бесперебойного питания (ББП 12), первый ограничитель перенапряжения (ОПН 13), второй ограничитель перенапряжения (ОПН 14), третий ограничитель перенапряжения (ОПН 15), блок выпрямления и инвертирования (БВИН 16).
Блок выпрямления и инвертирования (БВИН 16) содержит первый активный выпрямитель, работающий также в режимах активного инвертора с блоком управления (АВ-АИНсБУ 17), второй активный выпрямитель, работающий также в режимах активного инвертора (АВ-АИНсБУ 18), третий активный выпрямитель, работающий также в режимах активного инвертора (АВ-АИНсБУ 19).
ВыКЭРУ 1 установлен в первой силовой цепи. КЭДУ 2 установлен в первую силовую цепь между ВКЭРУ 1 и БВИН 16. ВыКЭРУ 5 установлен во второй силовой цепи, КЭДУ 3 установлен во вторую силовую цепь между ВыКЭРУ 5 и БВИН 16. ВыКЭРУ 6 установлен в третьей силовой цепи. КЭДУ 4 установлен в силовую цепь между ВыКЭРУ 6 и БВИН 16. БВИН 16 установлен в силовой цепи между КЭДУ 2, КЭДУ 3, КЭДУ 4. БУКЭДУ 7 соединён с КЭДУ 2. БУКЭДУ 8 соединён с КЭДУ 3. БУКЭДУ 9 соединён с КЭДУ 4. БПД 11 соединён с БУМКС 10 и с ББП 12. БУМКС 10 соединён с КЭДУ 2, с КЭДУ 3, с КЭДУ 4 с ВыКЭРУ 1, с ВыКЭРУ 5, с ВыКЭРУ 6, соединён с БУКЭДУ 7, с БУКЭДУ 8, с БУКЭДУ 0, соединён с силовыми цепями мультиконтактной системы между всеми элементами дистанционного и ручного управления, соединён с БПД 11, соединён с ББП 12. ББП 11 соединён с БУМКС 10 и с БПД 12. ОПН 13 соединен с первой силовой цепью до ВыКЭРУ 1 на первом выводе мультиконтактной коммутационной системы. ОПН 14 соединен со второй силовой цепью до ВыКЭРУ 5 на втором выводе мультиконтактной коммутационной системы. ОПН 15 соединен с третьей силовой цепью до ВыКЭРУ 6 на третьем выводе мультиконтактной коммутационной системы.
В структуре БВИН 16  активные выпрямители, работающие также в режимах активного инвертора АВ-АИНсБУ 17, АВ-АИНсБУ 18, АВ-АИНсБУ 19 соединены так, что их общая точка соединения вместе с проводниками образует вставку постоянного тока между цепями переменного тока.
Устройство работает следующим образом.
Подача напряжения на силовую цепь мультиконтактной коммутационной системы осуществляется с помощью выводных коммутационных элементов ручного управления (ВыКЭРУ 1, ВыКЭРУ 5, ВыКЭРУ 6), установленных в силовой цепи в зависимости от того, со стороны которой силовой сети расположен источник питания. При этом питание подаётся на блок управления мультиконтактной коммутационной системой (БУМКС 10). В зависимости от заложенного алгоритма работы,  БУМКС 10 формирует сигналы управления, передаваемые  на блоки управления первым, вторым, третьим и четвертым коммутационными элементами дистанционного управления (БУКЭДУ 7, БУКЭДУ 8, БУКЭДУ 9) на включение, отключение первого коммутационного элемента дистанционного управления (КЭДУ 2), второго коммутационного элемента дистанционного управления (КЭДУ 3), третьего коммутационного элемента дистанционного управления (КЭДУ 4), четвертого коммутационного элемента дистанционного управления (КЭДУ 5) соответственно.
При включении первого выводного коммутационного элемента ручного управления (ВыКЭРУ1) напряжение будет подано на первую силовую сеть за мультиконтактной коммутационной системой (если источник питания расположен не в первой силовой сети). При включении второго выводного коммутационного элемента ручного управления (ВыКЭРУ 5) напряжение будет подано на вторую силовую сеть за мультиконтактной коммутационной системой (если источник питания расположен не во второй силовой сети). При включении третьего выводного коммутационного элемента ручного управления (ВыКЭРУ 6) напряжение будет подано на третью силовую сеть за мультиконтактной коммутационной системой (если источник питания расположен не в третьей силовой сети). При местном управлении мультиконтактной коммутационной системой команда на включение/отключение первой, второй и третьей силовых цепей подаётся с помощью БУМКС 10. При этом команды отключения соответствующих силовых цепей подаются от БУМКС10 на БУКЭДУ 7, БУКЭДУ 8, БУКЭДУ 9, которые, в свою очередь, отключают КЭДУ 2, КЭДУ 3 и КЭДУ 4 за счёт прекращения подачи питания на их электромагниты. Также отключение/включение КЭДУ2, КЭДУ 3 и КЭДУ 4 мультиконтактной коммутационной системы можно осуществить с помощью команд, обработанных с помощью БУМКС 10, поданных на БУКЭДУ 7, БУКЭДУ 8 и БУКЭДУ 9 от блока приема и передачи данных (БПД 11). БПД 11 получает команды на включение или отключение соответствующих КЭДУ мультиконтактной коммутационной системы с помощью кодированного сигнала, передаваемого по силовой сети с применением существующих технологий передачи сигналов по ней или с помощью кодированной последовательности включения и отключения напряжения в ней или получает команды на включение или отключение мультиконтактной коммутационной системы с помощью сигнала получаемого через канал связи, например JPS, JPRS, Глонасс, радио или другой канал. При возникновении в силовой цепи за мультиконтактной коммутационной системой до КЭДУ 2, КЭДУ 3 или КЭДУ 4 тока перегрузки или тока короткого замыкания блок управления мультиконтактной коммутационной системой (БУМКС 10) подаст сигнал на определенный БУКЭДУ 7, БУКЭДУ 8, БУКЭДУ 9 соответственно на отключение КЭДУ 2, КЭДУ 3 или КЭДУ 4. В этом случае, если в логике работы БУКЭДУ 7, БУКЭДУ 8 и БУКЭДУ 9 заложен алгоритм осуществления автоматического повторного включения (АПВ) КЭДУ 2 (КЭДУ 3, КЭДУ 4), то после выдержки времени будет осуществлено соответствующее АПВ КЭДУ 2, АПВ КЭДУ 3 или АПВ КЭДУ 4 и, если оно будет неуспешным, то есть в первой, во второй или соответственно в третьей силовой сети за мультиконтактной коммутационной системой до КЭДУ 2, КЭДУ 3 или КЭДУ 4, повторно появится ток перегрузки или ток короткого замыкания, то БУМКС 10 повторно подаст сигнал на БУКЭДУ 7, БУКЭДУ 8 или БУКЭДУ 9 на отключение КЭДУ 2, КЭДУ 3 или КЭДУ 4. При этом будет заблокирована возможность дистанционного включения мультиконтактной коммутационной системы до устранения повреждений в силовой цепи за КЭДУ 2, КЭДУ 3 или КЭДУ 4. Также при этом будет отправлено сообщение о повреждении за КЭДУ 2, КЭДУ 3 или КЭДУ4. Если АПВ будет успешным, то мультиконтактная коммутационная система продолжит работу в нормальном режиме. Положение коммутационных элементов мультиконтактной коммутационной системы контролируется с помощью блока управления мультиконтактной коммутационной системой (БУМКС 10), который при изменении положения коммутационных элементов КЭДУ 2, КЭДУ 3, КЭДУ 4, ВыКЭРУ 1, ВыКЭРУ4, ВЫКЭРУ 5 передаёт соответствующие данные в блок передачи данных (БПД 11). Блок управления мультиконтактной коммутационной системой (БУМКС 10) осуществляет учёт электроэнергии, переданный через первую, вторую и третью силовые цепи мультиконтактной коммутационной системы, а также контролирует показатели качества электрической энергии в точке их подключения. Данные о потреблении электроэнергии и о качестве электрической энергии передаются в блок передачи данных и через него диспетчеру компании, обслуживающей оборудование мультиконтактной коммутационной системы. БУМКС 10 контролирует напряжение в силовых цепях мультиконтактной коммутационной системы между ВыКЭРУ 1 и КЭДУ 2, между КЭДУ 3 и ВыКЭРУ5, между КЭДУ 4 и ВыКЭРУ 6 и передает информацию о наличии или отсутствии напряжения на БПД 11 и на БУКЭДУ 7, БУКЭДУ 8, БУКЭДУ 9. Блок бесперебойного питания ББП 12 осуществляет питание БУМКС 10 и БПД 11 как от силовых сетей, так и от содержащегося в нём независимого источника питания, например, аккумулятора, конденсатора или другого источника. БВИН 16 представляет собой три включенных встречно активных выпрямителя с блоками управления ими. При этом каждый активный выпрямитель работает или в режиме выпрямителя, или в режиме инвертора в зависимости от направления потока мощности, протекающей через мультиконтактную коммутационную систему. Наличие в БВИН 16 трёх включенных встречно активных выпрямителей позволяет осуществить развязку силовых цепей до и после мультиконтактной коммутационной системы, так как образуется вставка постоянного тока между этими силовыми сетями. За счёт этого обеспечивается возможность работы мультиконтактной коммутационной системы в линиях электропередачи, к которым с разных сторон от мультиконтактной коммутационной системы подключены источники электроэнергии, в том числе несинхронизированные друг с другом, например, возобновляемый источник электроэнергии и централизованная сеть, или возобновляемые источники электроэнергии разных видов, газопоршневые, дизельные электростанции и т.д., или источники одного вида, но несинхронизированные друг с другом.
При возникновении в первой силовой цепи коммутационных или атмосферных перенапряжений первый ограничитель перенапряжения ОПН 13 обеспечивает снижение перенапряжения до уровня, безопасного для защищаемой линии электропередачи и оборудования мультиконтактной коммутационной системы. При возникновении во второй силовой цепи коммутационных или атмосферных перенапряжений второй ограничитель перенапряжения ОПН 14 обеспечивает снижение перенапряжения до уровня, безопасного для защищаемой линии электропередачи и оборудования мультиконтактной коммутационной системы. При возникновении в третьей силовой цепи коммутационных или атмосферных перенапряжений третий ограничитель перенапряжения ОПН 15 обеспечивает снижение перенапряжения до уровня, безопасного для защищаемой линии электропередачи и оборудования мультиконтактной коммутационной системы.
Предлагаемое устройство позволяет осуществить коммутацию и защиту линий электропередачи и оборудования мультиконтактной коммутационной системы от аварийных режимов работы и коммутационных и атмосферных перенапряжений, учет электроэнергии, контроль качества электроэнергии, контроль напряжения одновременно в трёх силовых сетях. При исчезновении напряжения в одной из силовых сетей и появлении его в другой устройство позволяет осуществлять функции автоматического включения резерва путём включения соответствующих КЭДУ. Также устройство позволяет секционировать электрическую сеть, в том числе содержащую источники электроэнергии, несинхронизированные друг с другом, посредством её деления на участки путём отключения соответствующих силовых контактных групп при повреждениях в силовых сетях, подключенных к мультиконтактной коммутационной системе. Его применение предотвращает развитие аварийной ситуации и позволяет уменьшить недоотпуск электроэнергии потребителям, сократить убытки энергоснабжающих организаций и, таким образом, повысить надежность и эффективность систем электроснабжения потребителей. При этом надёжность и функциональность устройства выше, чем у прототипа за счёт обеспечения бесперебойного питания узлов мультиконтактной коммутационной системы путём включения в её схему блока бесперебойного питания, а также упрощения схемы устройства за счёт выполнения большинства функций одним блоком управления мультиконтактной коммутационной системой, за счёт установки ограничителей перенапряжения.