СПОСОБ ЗАЩИТЫ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
METHOD OF PROTECTION OF THE SHIP ELECTRIC POWER SYSTEM

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты судовых электроэнергетических систем (СЭЭС), а также других автономных электроэнергетических систем.
Известен способ защиты сети автономной электростанции (А.С. SU 1653517, H02H 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 СЭЭС при параллельной работе нескольких генераторных агрегатов (ГА), но так как отключение неработоспособного ГА осуществляется при отклонении частоты и (или) напряжения сети за пределы уставки, то есть когда оставшиеся в работе ГА перегружены, то они не всегда обеспечивают восстановление указанных параметров сети за необходимое время, что на практике может вызвать остановку работоспособных ГА и обесточивание судна.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению относится способ защиты СЭЭС (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 ГА выявляют источник электроэнергии, перешедший в двигательный режим работы, и, если в течение заданного времени (Тзад.) он не возвращается в генераторный режим работы, то этот ГА признают неработоспособным и отключают его от сети.
Способ в целом обеспечивает защиту СЭЭС при параллельной работе нескольких ГА, но так как отключение неработоспособного ГА осуществляется не в момент отказа и перехода в двигательный режим, а с заранее заданной выдержкой времени, определяемой величиной Тзад., то данный способ допускает возможную перегрузку сети, что может вызвать остановку работоспособных ГА, обесточивание судна и потерю его управляемости. При этом величина выдержки времени определяется, как правило, временем рекуперации энергии в сеть при работе судовых кранов, грузовых лебедок и другой подъемно-транспортной техники на борту судна и может достигать, согласно Правилам Российского Морского Регистра Судоходства, 10 секунд (Правила классификации и постройки морских судов, 2016 г., с. 56, п. 8.2.4).
Недостаток способа - большое время отключения неработоспособного ГА и перегрузка сети.
Заявляемый способ позволяет решить проблему защиты сети автономной электростанции при параллельной работе нескольких ГА путем сокращения времени отключения неработоспособного источника электрической энергии от сети, что в свою очередь исключает возможность перегрузки сети и перерыва электроснабжения судна.
Для решения указанной проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в способе защиты СЭЭС при параллельной работе нескольких ГА, заключающемся, как и прототип, в отключении от сети неработоспособного ГА, в отличие от прототипа при переходе одного или нескольких ГА в двигательный режим измеряют загрузку каждого из ГА, оставшихся работать в генераторном режиме, сравнивают ее с заданным значением, и в момент, когда загрузка хотя бы одного из них превысит заданное значение, ГА, перешедший (ие) в двигательный режим, определяют как неработоспособный (ые) и отключают от сети.
Сущность изобретения заключается в том, что отключение неработоспособного ГА осуществляется не через выдержку времени, определяемую длительностью переходных процессов, вызванных, например, рекуперацией в сеть мощности при работе подъемно-транспортного оборудования судна, а при переходе неработоспособного ГА в двигательный режим при условии, если загрузка хотя бы для одного из ГА, оставшихся работать в генераторном режиме, превысит заданную величину. При этом оценивают не только загрузку ГА, перешедшего в двигательный режим, но и загрузку других ГА, работающих параллельно, и при этом отключают ГА, перешедший в двигательный режим без выдержки времени, если нагрузка хотя бы одного из ГА, оставшихся в генераторном режиме, больше, чем заданная величина нагрузки, что является новым существенным признаком.
Способ предлагается к использованию в ситуации, когда источники электроэнергии уже работают параллельно, то есть переходные процессы, связанные с моментом включения их на параллельную работу, закончились.
Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача - сокращение времени определения неработоспособного источника электрической энергии и отключение его от сети - 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 (Фиг. ) представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ на примере параллельной работы «n» ГА.
Устройство для защиты СЭЭС, функциональная схема которого представлена на фиг., содержит: по числу ГА датчики загрузки ГА 1.1, 1.2… 1.n, пороговые блоки 2.1,2.2 … 2.n, логический элемент «ИЛИ» 3, логические элементы «И» 4.1, 4.2, … 4n, блоки отключения ГА 5.1, 5.2 …5.n, блоки контроля перехода ГА в двигательный режим 6.1, 6.2 … 6.n, причем выходы датчиков загрузки ГА 1.1, 1.2 … 1.n соединены с входами соответствующих пороговых блоков 2.1, 2.2 … 2.n, выходы которых соединены с соответствующими входами логического элемента «ИЛИ» 3, выход которого соединен с первыми входами логических элементов «И» 4.1, 4.2, … 4n, выходы логических элементов «И» 4.1, 4.2, … 4n соединены с входами соответствующих блоков отключения ГА 5.1, 5.2 … 5.n, выходы блоков контроля перехода ГА в двигательный режим 6.1, 6.2 … 6.n соединены со вторыми входами соответствующих логических элементов «И» 4.1, 4.2, … 4n.
Датчики загрузки ГА 1.1, 1.2 … 1.n - известные функциональные блоки, формирующие на своих выходах сигналы в виде напряжения постоянного тока, пропорционального величине мощности или тока для ГА постоянного тока и активной мощности или активного тока для ГА переменного тока; пороговые блоки 2.1, 2.2 … 2.n - известные функциональные блоки, на выходе которых формируется сигнал логической «1» в случае, когда сигнал на их входе превышает пороговое (заданное) значение; логический элемент «ИЛИ» 3 - известный функциональный блок, на выходе которого появляется сигнал логической «1» только в том случае, когда хотя бы на один его вход поступает сигнал логической «1»; логические элементы «И» 4.1, 4.2, … 4n - известные функциональные блоки, на выходах которых формируются сигналы логической «1» только в случае, когда на всех их входах присутствуют сигналы логической «1», блоки отключения ГА 5.1, 5.2 … 5.n - известные функциональные блоки, обеспечивающие отключение ГА от сети в случае поступления на их входы сигналов логической «1», в качестве этих функциональных блоков могут использоваться электромагнитные реле, размыкающие контакты которых включены в цепь катушки нулевой защиты (защиты от минимального напряжения) автоматического выключателя соответствующего ГА, блоки контроля перехода ГА в двигательный режим 6.1, 6.2 … 6n, - известные функциональные блоки, в качестве которых могут быть использованы датчики обратной мощности или обратного тока для ГА постоянного тока и датчики обратной активной мощности и датчики обратного активного тока для ГА переменного тока с отключенной выдержкой времени, на выходе каждого из которых формируется сигнал логической «1» в случае перехода соответствующего ГА в двигательный режим (Лейкин B.C. Судовые электрические станции и сети. Учебник для мореходных и арктических училищ. - 3-е изд. перераб. и доп. - М Транспорт, 1982 - 256. (стр. 178).
Устройство для защиты СЭЭС (Фиг. ) работает следующим образом. Допустим, что при параллельной работе один из ГА, например j-ый, перешел в двигательный режим (например, вышла из строя система подачи топлива в дизель j-го ГА). При этом на выходе j-го блока контроля перехода ГА в двигательный режим 6.j появится сигнал логической «1» и поступит на второй вход соответствующего логического элемента «И» 4.j. Так как при переходе j-го ГА в двигательный режим вся его нагрузка перераспределяется между оставшимися в генераторном режиме ГА, то их нагрузка существенно возрастет и нагрузка хотя бы одного из них, например, f-го превысит пороговую величину, которая соответствует заданному значению нагрузки, и на выходе соответствующего f-го порогового блока 2.f появится сигнал логической «1» и поступит на соответствующий f-ый вход логического элемента «ИЛИ» 3, на выходе которого появится сигнал логической «1» и поступит на первые входы всех логических элементов «И» 4.1, 4.2, … 4n. Так как на оба входа j-го логического элемента «И»4.j поступают сигналы логической «1», то на его выходе появляется сигнал логической «1» и поступает на вход блока отключения j -го ГА 5.j, который отключает j-ый ГА от сети.
В случае, если переход j-го ГА в двигательный режим произойдет не по причине выхода его из работоспособного состояния, а по причине рекуперации в сеть энергии от одного из потребителей электрической энергии (например, при работе грузовой лебедки), то на выходе j -го блока контроля перехода ГА в двигательный режим 6.j также появится сигнал логической «1» и поступит на второй вход соответствующего логического элемента «И» 4.j. Однако, так как при рекуперации энергии в сеть все ГА, работающие параллельно, тоже разгружаются, то величина их загрузки будет меньше заданной величины и на выходах всех пороговых блоков 2.1, 2.2 … 2.n сохранится сигнал логического «0», который поступит на все входы логического элемента «ИЛИ»3. На выходе элемента «ИЛИ»3 сохранится сигнал логического «0», который поступит на первые входы всех логических элементов «И» 4.1, 4.2, … 4n, на выходах которых, а значит и на входах всех блоков отключения ГА 5.1, 5.2 … 5.n появится сигнал логического «0», при этом отключения не произойдет.
Не трудно видеть, что если в результате неисправности в двигательный режим перейдут несколько ГА, например, j-ый, к-ый … m -ый (например, в результате выхода из строя общей системы подачи воздуха к их первичным двигателям) то на выходах соответствующих им блоков контроля перехода ГА в двигательный режим 6.j, 6к … 6 m появится сигнал логической «1», поступит на вторые входы соответствующих логических элементов «И» 4.j, 4к … 4 m, так как нагрузка оставшихся в генераторном режиме ГА окажется больше, чем заданная величина, то с выхода логического элемента «ИЛИ»3 сигнал логической «1» поступит и на первые входы логических элементов «И» 4.j, 4к … 4 m, на выходах которых, а значит и на входах соответствующих блоков отключения 5.j, 5к … 5 m появится сигнал логической «1», j-ый, к-ый … m -ый ГА отключат от сети.
Пример реализации способа.
В качестве примера применения способа рассмотрим работу СЭЭС составе трех дизель-генераторов ДГ1, ДГ2 и ДГ3 с номинальной мощностью (Рном.) по 100 кВт каждый. Допустимая точность распределения активных нагрузок (Рраспр.) - наибольшая величина отклонения в нагрузках между параллельно работающими ДГ, составляет 5% от номинальной мощности ДГ, то есть Рраспр. = 5 кВт в данном случае. При переходе ДГ в двигательный режим из сети потребляется мощность (обратная мощность) (Робр.), идущая на погашение потерь в ДГ. Пусть для данного типа ДГ она составит 18% от Рном., то есть Робр. = 18 кВт. Предположим, что перегрузочная способность рассматриваемых ДГ (Рперегр.) - наибольшая величина нагрузки, которую может принять на себя данный агрегат и продолжать работать, соответствует 130% от Р ном., то есть Р перег. = 130 кВт.
При этом величина заданного значения мощности выбирается такой, чтобы в момент перехода одного из ГА в двигательный режим по причине потери работоспособности, нагрузка хотя бы одного из ГА, продолжающих работу в генераторном режиме, оказалась больше, чем заданное значение и в то же время в случае перехода ГА в двигательный режим в результате рекуперации энергии в сеть или других воздействий, вызывающих колебания нагрузки автономной электростанции, величина заданного значения нагрузки была бы больше, чем нагрузка любого из ГА, оставшихся работать в генераторном режиме. Так при выборе величины заданного значения нагрузки следует учесть, что она должна быть гарантированно больше, чем величина Р распр. во всех режимах работы, чтобы исключить ошибочное отключение временно перешедшего в двигательный режим ДГ, например, при рекуперации электроэнергии в сеть при торможении мощного грузоподъемного устройства. В данном случае, если система автоматического управления обеспечивает распределение активных нагрузок между параллельно работающим ГА с точностью до 5% от номинальной мощности одного ГА, в рассматриваемом случае заданное значение нагрузки при реализации предложенного способа должно быть выбрано более 5 кВт.
Если предложенный способ планируется применять для отключения ГА, перешедшего в двигательный режим, только с целью сохранения работы оставшихся в генераторном режиме с учетом их перегрузочной способности, то величина заданного значения мощности с некоторыми допущениями можно выбрать, исходя из следующего неравенства:
где n-количество ГА, остающихся работающих на сеть в генераторном режиме. При этом здесь и далее принимаем допущение, что оставшиеся в генераторном режиме агрегаты перераспределяют обратную мощность Робр. равномерно.
Если предложенный способ планируется применять для отключения ГА, перешедшего в двигательный режим, с целью сохранения работы оставшихся в генераторном режиме без перегрузки, то величину заданного значения мощности с некоторыми допущениями можно выбрать, исходя из следующего неравенства:
Если предложенный способ планируется применять для защиты сети посредством скорейшего отключения ГА, перешедшего в двигательный режим, не только с целью сохранения работы оставшихся в генераторном режиме без перегрузки, но и с целью защиты самого ГА, перешедшего в двигательный режим, то величину заданного значения мощности с некоторыми допущениями можно выбрать, исходя из следующего неравенства:
Рассмотрим правую часть неравенства. При неисправности одного из ГА и переходе его в двигательный режим, оставшийся в генераторном режиме максимально загруженный ГА может оказаться загружен на величину Рзагр. = P1+Робр./n, где P1 - величина нагрузки наиболее загруженного ГА в момент перехода неисправного ГА в двигательный режим. Так как, согласно предложенному способу, отключение ГА, перешедшего в двигательный режим, должно произойти при условии, что Рзагр. превысит заданное значение, то для отключения неисправного ГА необходимо, чтобы при выборе величины Рзад. выполнялось условие Рзад.<Рзагр. или Рзад.<P1+Робр./n. При заданном значении Робр. и переменном значении Р1 наименьшее (и наиболее общее в данном случае) значение правой части неравенства получается при условии, когда величина нагрузки наиболее загруженного ГА в момент перехода неисправного ГА в двигательный режим окажется наименьшей, то есть стремится к нулю, а именно: Рзад.<Робр./n. Так как величина Робр. в несколько раз меньше, чем Рном., то при выполнении неравенства (3) автоматически выполняются и неравенства (1) и (2).
Рассмотрим несколько режимов работы СЭЭС.
Режим 1.
Пусть при параллельной работе данных ГА нагрузка ДГ1 составит 60 кВт, нагрузка ДГ2 составит 64 кВт, а нагрузка ДГ3 составит 70 кВт. В данном случае выберем Р зад. из интервала 5 кВт < Рзад. < 100 кВт-18кВт / 2. Чтобы повысить помехоустойчивость устройства в переходных режимах и избежать случайных отключений ГА при рекуперации энергии в сеть, значение Рзад. лучше выбрать несколько большим, чем Рраспр., поэтому для приведенного примера выберем Рзад. = 3Рраспр. = 15 кВт. Допустим, что произошла потеря работоспособности первичного двигателя ДГ3. В этом случае ДГ3 переходит в двигательный режим и вся нагрузка электростанции в 194 кВт поступает на оставшиеся в генераторном режиме ДГ1 и ДГ2. Согласно предлагаемому способу оценивают величину загрузки оставшихся в генераторном режиме ДГ1 и ДГ2 и сравнивают ее с допустимым значением. Так как нагрузка ДГ1 и ДГ2 больше, чем 15 кВт, при переходе в двигательный режим ДГ3 он отключается от сети.
Предположим, что дополнительная нагрузка между оставшимися в генераторном режиме агрегатами распределится равномерно, тогда нагрузка ДГ1 составит 95 кВт, а нагрузка ДГ2 составит 99 кВт, перегрузки не произойдет. Способ, принятый за прототип, приведет к отключению ДГ3 не сразу, а через выдержку времени, которая для судов может составлять 10 секунд, при этом перешедший в двигательный режим ГА3 дополнительно нагрузит сеть на 18 кВт, и нагрузка ГА1 составит 104 кВт, нагрузка ГА2 108 кВт, то есть агрегаты окажутся перегружены, что может привести к отключению части потребителей.
Режим работы 2.
Пусть в составе СЭЭС в данном режиме работают только два ГА. При этом нагрузка ГА1 составляет 60 кВт, а нагрузка ГА2 - 64 кВт. Допустим, что в процессе работы произошел отказ первичного двигателя ГА2 и он перешел в двигательный режим. Согласно предложенному способу, так как нагрузка ГА1 больше, чем заданная величина 15 кВт, при переходе в двигательный режим ГА2 будет отключен от сети и нагрузка ГА1 составит 128 кВт. ГА1, хоть и будет перегружен, но останется в работе благодаря его перегрузочной способности. В способе, принятом за прототип, ГА2 будет отключен только через выдержку времени (до 10 секунд), за которую он дополнительно нагрузит сеть на 18 кВт и нагрузка ГА1 составит 146 кВт, что приведет к остановке ГА1, обесточиванию судна и потере его управляемости.
Режим работы 3.
Рассмотрим случай, когда работают два ДГ и нагрузка ДГ1 составит 5 кВт, а нагрузка ДГ2 составит 7 кВт. Это кратковременный, редко встречающийся на практике режим работы электростанции. Допустим, что вышла из строя система подачи топлива в дизель ДГ2, например в результате разрыва трубопровода подачи топлива. ДГ2 переходит в двигательный режим и вся его нагрузка в 7 кВт переходит на ГА1. Так как генератор ДГ2 начинает вращать его дизель с частотой, равной частоте ДГ1, то ДГ1 покрывает и все потери ДГ2, в данном случае 18 кВт. В итоге нагрузка ДГ1 оказывается равной 30 кВт, что существенно больше, чем заданное значение 15 кВт. В этом случае ГА, перешедший в двигательный режим, тоже отключается, его дизель останавливается, работа топливоподкачивающего насоса блокируется и разлив топлива прекращается. В этом случае применение предлагаемого способа позволяет эффективно защитить ГА, перешедший в двигательный режим, от дальнейшего развития аварийной ситуации. Применение способа, принятого за прототип приводит к тому, что ДГ2 тоже отключится, но только через выдержку времени, в течение которой негативная ситуация будет сохраняться, а в отдельных случаях даже нарастать.
В случае перехода одного из параллельно работающих ДГ в двигательный режим по причине рекуперации в сеть мощности при работе одного из потребителей, не будет выполнено условие превышения загрузки выше допустимой для хотя бы одного из ДГ, работающих в генераторном режиме, так как в этом случае все работающие параллельно ДГ будут разгружаться и их нагрузка не превысит допустимую величину.
Режим работы 4.
Допустим, что работают параллельно ДГ1 и ДГ2, основную нагрузку составляет грузовая лебедка. Пусть перед спуском груза нагрузка ДГ1 составляет 23 кВт, а нагрузка ДГ2 составляет 28 кВт. Спуск осуществляется с рекуперацией энергии в сеть эквивалентной работе внешнего источника электроэнергии мощностью 50 кВт., который будет разгружать ДГ1 и ДГ2. При этом, в случае равномерного перераспределения дополнительной мощности, ДГ1 перейдет в двигательный режим и нагрузит сеть на 2 кВт (дизель ДГ1 исправен и сам будет покрывать оставшуюся часть потерь, равную 16 кВт), ДГ2 останется в генераторном режиме и окажется загружен на 3 кВт. Так как величина загрузки оставшегося в генераторном режиме агрегата менее, чем заданная величина в 15 кВт, то отключение перешедшего в двигательный режим ДГ1 не произойдет. После окончания торможения ДГ1 и ДГ2 вновь вернутся в генераторный режим и будут готовы к подъему груза. В данном режиме устройство, реализующее способ, принятый за прототип, работает аналогично и тоже не отключит ДГ1, перешедший в двигательный режим, в течение заданной выдержки времени, величина которой выбирается гарантированно большей, чем время торможения грузовой лебедки.
Из приведенных примеров видно, что в наиболее тяжелых режимах работы СЭЭС, связанных с перегрузкой источников электроэнергии, предложенный способ позволяет определить неработоспособный ГА в момент перехода его в двигательный режим, то есть по сравнению с прототипом на Тзад. сократить время определения неработоспособного ГА и отключение его от сети.
Предлагаемое изобретение было создано в процессе разработки опытного образца блока защиты от перегрузки СЭЭС, проводимой ООО «Форпик Стандарт Сервис». Были произведены расчеты и изготовлена действующая модель устройства, реализующего заявляемый способ, лабораторные испытания которой показали возможность использования данного способа в судовых электроэнергетических системах, что с учетом выше изложенного позволяет сделать вывод о возможности его промышленного применения.