Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЗЕРВНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам противоаварийной автоматики подстанций напряжением 6-35 кВ.

Предлагаемый способ может быть использован для фиксирования нарушений электроснабжения при любых видах повреждений в питающей сети распределительного устройства непосредственно после их возникновения и осуществления быстродействующего переключения на резервный источник питания всех потребителей, подключенных к подстанции.

Известен способ включения резервного питания потребителей (А.с. СССР №1262627, кл. Н02J 9/06, 1986), содержащих нагрузку в виде синхронных двигателей, в котором измерением интегрального значения разности фактически потребляемой нагрузкой активной мощности и мощности, необходимой для ее устойчивой работы в условиях нарушения нормального электроснабжения, определяют режим устойчивой работы двигателей и при превышении полученным интегральным значением разности заданного значения производят переключение источников.

Указанный способ включения резервного питания потребителей обладает низким быстродействием ввиду необходимости определения за большой промежуток времени фактически потребляемой активной мощности. Другим недостатком данного способа является невозможность определения режимов отключения выключателя подстанции при маломощной высоковольтной нагрузке, удаленных однофазных КЗ в цепях питания 110 кВ.

Известен способ автоматического включения резервного электропитания потребителей (АВР) (А.с. СССР №1728927, кл. Н02J 9/06, 1990), заключающийся в измерении напряжения прямой последовательности шин основного и резервного источников питания, угла между векторами напряжений прямой последовательности шин основного и резервного источников питания, определении направления активной мощности на вводе шин основного источника питания, переключении шин основного источника на резервный источник питания при снижении напряжения прямой последовательности шин основного источника ниже заданного или превышении угла между векторами напряжений прямой последовательности больше заданного и при направлении активной мощности от шин к основному источнику питания, дополнительно определяют направление и значение реактивной составляющей тока прямой последовательности на вводе шин основного источника, значение напряжения обратной последовательности шин основного источника и при направлении реактивной составляющей тока прямой последовательности от шин к основному источнику и превышении последней и напряжением обратной последовательности шин основного источника заданных значений также производят переключение шин основного источника на резервный источник питания, причем одновременно с переключением во всех случаях осуществляют форсировку возбуждения синхронных двигателей.

Способ обладает следующими недостатками: невозможность обнаружения однофазных, двухфазных и двухфазных на землю коротких замыканий в цепи питания потребителей ввиду того, что в этих режимах не меняется направление активной мощности на вводах подстанции и продолжается ее потребление двигательной нагрузкой; невозможность осуществления автоматического восстановления режима, отсутствует возможность обеспечивать адаптивность применительно к схемам распределительного устройства.

Известно пусковое устройство автоматического включения резервного электропитания потребителей (А.с. №1304126, кл. Н02J 9/06, 1987), содержащее формирователи импульсов, подключенные к выводам как разноименных фаз трансформаторов напряжения первого и второго источников, так и одноименных фаз трансформаторов напряжения первого и второго источников, вводные выключатели основного и резервного источников питания, секционный выключатель, трансформаторы тока на вводах основного и резервного источников, аналого-цифровые преобразователи тока и напряжения, средство определения направления мощности прямой последовательности на вводах, реагирующий орган, выход которого подключен через блок управления к вводным и секционному выключателям, пороговые элементы, входы которых подключены к выходам формирователей импульсов, органы блокировки, формирователи токовых сигналов, логические схемы И, элементы ЗАПРЕТ, элементы памяти, логические схемы ИЛИ, устройства ускорения включения секционного выключателя конденсаторного типа, накладки.

Известное устройство обладает следующими недостатками, влияющими на надежность: нестабильность параметров формирователей импульсов, пороговых элементов в эксплуатационных условиях, отсутствие контроля напряжения до выключателей вводов и неисправности напряжения, отсутствие мониторинга работы подстанции. При этом параметры пороговых элементов регулируются ступенчато, имеет место большое потребление активной мощности и большое время возврата устройства.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении надежности определения причин потери нормального электроснабжения и расширении функциональных возможностей управления устройством автоматического включения резервного электропитания потребителей путем введения блока определения минимального тока ввода каждой секции, блока контроля напряжения до вводных выключателей секций, реализацией блока управления в виде микропроцессорного устройства и использования IGBT-транзисторов для включения-отключения выключателей.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе автоматического включения резервного электропитания потребителей, при котором измеряют напряжение прямой последовательности шин основного и резервного источника питания, измеряют угол между вектором напряжения прямой последовательности шин основного и резервного источников питания, определяют направление активной мощности на вводе шин основного источника питания, переключают шины основного источника питания на резервный при уменьшении напряжения прямой последовательности шин основного источника питания ниже заданного уровня или при увеличении угла между вектором напряжения прямой последовательности больше заданного и при направлении активной мощности от шин к основному источнику питания, согласно изобретению дополнительно измеряют минимальный ток ввода каждой секции, сравнивают его с заданным значением тока ввода и при превышении заданного тока осуществляют переключение на резервный источник питания.

Кроме того, известное устройство для автоматического включения резервного электропитания потребителей, содержащее вводные выключатели основного и резервного источников питания с блок-контактами и ключами управления, секционный выключатель с блок-контактами и ключом управления, трансформаторы напряжения на шинах основного и резервного источников питания, трансформаторы тока на вводах основного и резервного источников питания, два реле защиты, согласно изобретению дополнительно снабжено трансформаторами напряжения, включенными до вводных выключателей, быстродействующим пусковым устройством, содержащим блок управления, блок дискретных сигналов и констант, устройство индикации, аналого-цифровые преобразователи, входы которых связаны с выходами трансформаторов тока на вводах основного и резервного источников питания, трансформаторов напряжения, включенными до вводных выключателей в цепях основного и резервного источников питания, и с трансформаторами напряжения на шинах основного и резервного источников питания, выходы же указанных аналого-цифровых преобразователей через блоки преобразования аналоговых сигналов в дискретные подключены к входам блоков определения минимального тока, блоков определения направления мощности прямой последовательности, блоков определения минимального напряжения основного и резервного источников питания, блоков определения угла сдвига фаз между основным и резервным источником питания, выходы первых двух подключены к логическим блокам И, сюда же подключены выходы последних двух через логические блоки ИЛИ, выходы блоков И соединены с первым и вторым входами блока управления, третий вход блока управления соединен с блоком дискретных сигналов и констант, четвертый вход соединен с блоком индикации, пятый и шестой входы соединены соответственно с реле защиты, седьмой и восьмой входы соединены с блок-контактами и ключами управления соответственно основного и резервного источников питания, девятый вход блока управления соединен с блок-контактами и ключом управления секционного выключателя, при этом блок управления подает сигнал на отключение выключателя основного (резервного) источника питания и от блок-контактов последнего подает сигнал на включение секционного выключателя.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого устройства автоматического включения резервного электропитания потребителей. Устройство содержит основной 1 и резервный 2 источники питания, вводные выключатели рабочих вводов 3 и 4, секционный выключатель 5, шины подстанции 6 и 7, трехфазные трансформаторы тока 8, 9 на вводах основного и резервного источников питания и трансформаторы напряжения: 10, 11 - на шинах основного и резервного источников питания, 12, 13 - включенные до вводных выключателей; быстродействующее пусковое устройство 14, блок-контакты 15,16 вводных выключателей основного и резервного источников питания, 17 - секционного выключателя, реле защиты 18, 19 на управляемые выключатели 3 и 4, управляемые ключи включения-отключения 20, 21 вводных выключателей основного и резервного источников питания, 22 - секционного выключателя. Быстродействующее пусковое устройство 14 содержит блок индикации 23, блок дискретных сигналов и констант 24, аналого-цифровые преобразователи 25, 26, входы которых связаны с выходами трансформаторов тока 8, 9 в цепях основного 1 и резервного 2 источников питания, трансформаторов напряжения 12, 13 до вводных выключателей 3, 4 в цепях основного 1 и резервного 2 источников питания, трансформаторов напряжения 10, 11 основной и резервной секции, выходы же указанных аналого-цифровых преобразователей 25, 26 через блоки преобразования дискретных измерений в действующие комплексные значения 27, 28 подключены к входам блоков определения минимального тока ввода каждой секции 29, 30, блокам определения направления мощности прямой последовательности 31, 32, блокам определения минимального напряжения 33, 34 основного 1 и резервного 2 источников питания, блокам определения угла сдвига фаз 35, 36 между основным и резервным источником питания. Выходы блоков определения минимального тока 29, 30 подключены к логическим блокам И 39, 40, сюда же подключены выходы блоков определения направления мощности прямой последовательности 31, 32 и через логические блоки ИЛИ 37, 38 подключены выходы блоков определения минимального напряжения 33, 34 и выходы блоков определения угла сдвига фаз 35, 36. Выходы блоков И 39, 40 соединены с блоком управления 41: первый 42 и второй 43 входы, третий вход 44 блока управления 41 соединен с блоком дискретных сигналов и констант 24, четвертый вход 45 соединен с устройством индикации 23, пятый 46 и шестой 47 входы блока управления 41 соединены соответственно с реле защиты 18, 19 основного 1 и резервного 2 источников питания, седьмой 48 и восьмой 49 входы соединены с блок-контактами и ключами управления 15, 20 и 16, 21 соответственно основного 1 и резервного 2 источников питания, девятый 50 вход соединен с блок-контактами и ключом управления 17, 22 секционного выключателя 5, десятый - двенадцатый выходы 51-53 реализуют каналы управления (в случае выполнения их на базе IGBT-транзисторов) выключателями рабочих вводов 3 и 4 и секционного выключателя 5.

Первичные обмотки трансформаторов тока 8 и 9 подключены к вводам источников питания 1, 2. Первичные обмотки трансформаторов напряжения 10, 11 подключены к шинам подстанции 6, 7, трансформаторов напряжения 12, 13 включены на линейное напряжение до вводных выключателей. С помощью трансформаторов 10 и 11 также снимаются напряжения нулевой последовательности на каждой секции подстанции, что необходимо для реализации дополнительной функции устройства - контроля неисправности напряжения.

Устройство работает следующим образом. С помощью трансформаторов напряжений 10 и 11 снимаются линейные или фазные (по выбору) напряжения на первой (U_ab1, U_bc1, U_ca1) и второй (U_ab2, U_bc2, U_ca2) взаимно резервируемых секциях распределительного устройства питания. С помощью трансформаторов тока 8 и 9 осуществляются непрерывные измерения мгновенных значений фазных токов на первом (I_a1, I_b1, I_c1) и втором вводах (I_a2, I_b2, I_с2). Результаты измерений поступают в блоки аналого-цифровых преобразователей 25 и 26, где происходит преобразование непрерывных значений токов и напряжений в ряды дискретных измерений с шагом дискретизации 1200 Гц (24 точки на период частоты сети).

Дискретные ряды измерений поступают в быстродействующее пусковое устройство 14, где в блоках 27 и 28 происходит преобразование результатов дискретных измерений в действующие комплексные значения токов на вводах (I₁) и напряжений U₁ на секциях подстанции. Одновременно от блока дискретных сигналов и констант 24 в быстродействующее пусковое устройство 14 подаются заданные параметры уставок минимального напряжения, минимального тока, угла включения и отключения.

Быстродействующее пусковое устройство 14 преобразует действующие значения фазных токов на вводах и напряжений на секциях подстанции в комплексные действующие значения напряжений () и токов () прямой последовательности (блоки 27 и 28). Блокирующим сигналом для работы устройства является минимальный ток и направление активной мощности прямой последовательности блоки 29 и 31 (блоки 30 и 32). Для регистрации потери питания служат блоки минимального напряжения 33, 34 и угла между векторами напряжений прямой последовательности на первой (второй ) и второй (первой секциях (блоки 35, 36). Сигналы для работы устройства формируются с помощью логических блоков ИЛИ (блоки 37 и 38), И (блоки 39 и 40) и поступают в блок управления 41, который управляет работой подстанции в нормальном и аварийном режимах. При регистрации возникшего аварийного режима блок управления 41 по каналам управления 51, 53 (52, 53) производит отключение вводного выключателя 3 (4) поврежденного ввода 1 (2) и включение секционного выключателя 5. Осциллограммы и параметры режима работы подстанции сохраняются в энергонезависимой памяти и отображаются с помощью блока индикации 23.

Работа пускового органа устройства осуществляется за счет программной обработки результатов измерений. Программное обеспечение микропроцессорного пускового устройства позволяет управлять работой быстродействующего АВР в соответствии с предлагаемым алгоритмом.

Когда активные мощности ввода подстанции P₁=U_1-1I_1-1cosϕ₁ или P₂=U_2-1I_2-1cosϕ₂ направлены от источника в нагрузку, то устройство АВР не работает, что бы в системе электроснабжения подстанции ни происходило. В нормальном режиме сигнал на входе блоков 29 и 31, 30 и 32 блокирует с помощью элементов 39, 40 подачу сигнала на включение секционного и отключение вводных выключателей, секции подстанции работают раздельно.

Для режимов с малыми токами (на уровне помех) на вводе, когда работа блока направления активной мощности прямой последовательности не предсказуема, предусмотрена уставка минимального тока, задаваемая в блоке 24. Если ток () меньше Iуст, то работа устройства разблокируется так же, как при изменении направления активной мощности прямой последовательности.

В режимах, попадающих под зону действия АВР, когда активная мощность P₁ (или P₂) блоков 31 (32) меняет направление (от нагрузки к источнику), напряжение на вводе U₁<U_уст блока 33 (или U₂<U_уст блока 34) и блокирующие сигналы от выключателей 15, 16, 17 и релейной защиты 18, 19 не препятствуют работе, то блок управления 41 подает сигнал на отключение выключателя первого 3 (второго 4) ввода и от блок контактов последнего подает сигнал на включение секционного выключателя 5.

Если активная мощность P₁ (или P₂) блока 31 (32) меняет направление (от нагрузки к источнику), угол δ₁₂ (δ₂₁) блока 35 (36) между векторами напряжений прямой последовательности на первой (второй ) и второй (первой ) секциях подстанции удовлетворяет условию δ₁₂>δ_уст (δ₂₁>δ_уст) и блокирующие сигналы от выключателей 15, 16, 17 и релейной защиты 18, 19 не препятствуют работе, то блок управления 41 подает сигнал на отключение первого 3 (второго 4) вводного выключателя и от блок-контактов последнего подается сигнал на включение секционного выключателя 5.

Вводные 3, 4 и секционный выключатели 5 устройства снабжены IGBT-транзисторами включения-отключения и могут быть дополнены индукционно динамическим устройством ускорения, позволяющим сократить собственное время включения и отключения выключателей более чем в два раза. Индукционно динамическое устройство ускорения запасает энергию в нормальном режиме работы подстанции и с помощью устройства управления 41 по команде переключается на катушку отключения (включения) выключателей, подавая повышенное напряжение на эти катушки.

При наличии сигнала о напряжении, снимаемом до выключателя ввода с помощью блоков 12 и 13, устройство позволяет обеспечить автоматическое восстановление схемы нормального режима после возобновления электроснабжения от основного источника, если переключение будет соответствовать положению ключей включения-отключения вводных и секционных выключателей 20, 21, 22.

Согласно изобретению (алгоритмам работы) и возможностям (наличие 16 аналоговых сигналов) устройство работает для схем подстанций с двумя вводами на секцию. Блок индикации 23 отображает структурную схему подстанции с индикацией состояния выключателей, а программное обеспечение по данным о напряжениях, токах вычисляет мощности отдельных присоединений в удобной для дежурного персонала форме, регистрирует состояние аналоговых и дискретных сигналов устройств подстанции в нормальных и аварийных режимах работы с сохранением записанной информации в энергонезависимой памяти.

Быстродействующее пусковое устройство отличается от обычного АВР тем, что сокращается время цикла АВР, все двигатели потерявшей питание подстанции остаются в работе, синхронные двигатели не теряют синхронизма, токи включения двигателей, питающихся от поврежденного ввода при срабатывании АВР не превышают 2÷2,5 I_ном в отличие от обычного АВР, когда они составляют 5÷7 I_ном.