СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ Российский патент 1995 года по МПК H02J9/06 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам автоматического включения резервного (АВР) питания синхронных двигателей.

Известен способ АВР сети, содержащей основной и резервный источники питания, питающую линию с выключателями по концам, соединяющую шины основного источника питания и через вводной выключатель - шины подстанции, секционированные выключателем, в котором фиксируют повреждение на питающей линии по сигналу на отключение, по крайней мере, одного из выключателей питающей линии и подают сигнал на переключение потребителя на резервный источник [1] .

Этот способ требует достаточно сложной аппаратуры высокочастотного телеотключения и организации высокочастотного канала связи. Все это ограничивает надежность устройств, выполненных по известному способу.

Наиболее близким по технической сущности и принятым нами за прототип является способ АВР питания потребителей с синхронными двигателями, в котором фиксируют снижение напряжения основного источника и направление активной мощности на вводе основного источника - от шин (или ее отсутствие), производят переключение потребителя на резервный источник [2].

Этот способ имеет простую реализацию. Однако устройства, выполненные по этому способу, имеют удовлетворительное быстродействие лишь при выявлении трехфазных коротких замыканий (КЗ) в цепи питания. При этом определение направления активной мощности на вводе шин позволяет отстроиться от КЗ на отходящих линиях, когда работа устройств АВР запрещается.

Недостатком таких устройств является невозможность определения возникновения несимметричных КЗ (однофазных, двухфазных, двухфазных на землю) в цепи питания потребителей из-за того, что в этих режимах не меняется направление активной мощности на вводе шин подстанции и продолжается ее потребление двигательной нагрузки по двум фазам сети. Как известно, несимметричные КЗ являются наиболее частой причиной нарушения электроснабжения потребителей. Однако в этих режимах переключение потребителей на резервный источник питания происходит только после отключения несимметричного КЗ штатной релейной защитой. Минимальное время срабатывания штатной релейной защиты и отключения выключателя составляет 0,25-0,5 с. За это время синхронные двигатели выпадают из синхронизма, а время АВР увеличивается до 1-3 с, из-за необходимости гашения поля у этих двигателей. Указанное приводит к существенным потерям в производствах с непрерывным технологическим циклом.

Кроме того, устройства, выполненные по известному способу, не могут отличать близкие трехфазные КЗ на секции шин от КЗ в питающей линии, т.к. существующие реле направления мощности имеют "мертвую зону" по минимальному напряжению. Указанное ограничивает селективность устройств, выполненных по известному способу.

Цель изобретения - повышение быстродействия и селективности способа АВР питания потребителей.

Это достигается тем, что в способе АВР питания потребителей с синхронным двигателями, в котором фиксируют снижение напряжения основного источника и направление мощности на вводе основного источника от шин (или ее отсутствие), производят переключение потребителя на резервный источник, определяют направление тока прямой последовательности на вводе основного источника относительно опорного напряжения, сформированного из суммы напряжения прямой последовательности секции шин основного источника и совпадающего с ним по фазе напряжения подпитки от резервного источника, а переключение потребителя на резервный источник производят в случае, если вектор тока прямой последовательности на вводе основного источника имеет активно-реактивный характер, когда активная составляющая вектора тока превышает реактивную и направлена от шин потребителя к основному источнику, когда реактивная составляющая вектора тока превышает активную и направлена от шин потребителя к основному источнику, либо когда вектор тока прямой последовательности на вводе основного источника уменьшается до величины меньше заданного.

Указанная последовательность действий обеспечивает быстрое и селективное определение повреждений в цепях источника питания (например, в питающей линии), что при использовании быстродействующих выключателей до минимума сокращает время перерыва питания.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства, иллюстрирующая предлагаемый способ; на фиг.2 и 3 - соответственно характеристика срабатывания и пример реализации блока 16; на фиг.4 - векторная диаграмма работы блока 16.

В состав устройства входят: 1 - источник питания на высокой стороне питающего напряжения; 2, 3 - первый и второй головные выключатели на питающих линиях; 4, 5 - первая и вторая питающие линии; 6, 7 - первый и второй рабочие трансформаторы напряжения; 8 - измерительный трансформатор тока; 9, 10 - первый и второй вводные выключатели; 11 - секционный выключатель; 12, 13 - первая и вторая секции шин; 14, 15 - первый и второй измерительные трансформаторы напряжения; 16 - блок реле направления мощности (например, реле направления активно-реактивного тока прямой последовательности); 17 - блок реле минимального напряжения (например, из нескольких реле минимального напряжения); 18 - блок запрета; 19 - блок управления; 20 - блок потребителей (синхронных двигателей); 21 - отходящая линия; 22, 23 - первый и второй промежуточные трансформаторы тока; 24, 25, 26 - первый, второй и третий промежуточные трансформаторы напряжения; 27, 28 - первый и второй формирователи сравниваемых величин, выполненные на основе сумматоров; 29 - схема сравнения по фазе; , - разности токов фаз основного ввода; , , - линейные напряжения фаз первой секции шин; - линейное напряжение второй секции шин; - ток прямой последовательности основного ввода; - напряжение прямой последовательности первой секции шин; - напряжение подпитки от второй секции шин; - опорное напряжение, вектор которого совпадает с действительной осью на фиг.5; - ток прямой последовательности в режиме нагрузки; - ток прямой последовательности при КЗ на шинах или на отходящей линии; - ток прямой последовательности при КЗ на питающей линии.

В нормальном нагрузочном режиме выключатели 2, 3, 9, 10 включены, а секционный выключатель 11 - отключен. При этом реле минимального напряжения 17, а также блоки 18 и 19 находятся в несработанном состоянии, а реле направления мощности 16 - в сработанном состоянии, т.к. мощность направлена в сторону шин.

Рассмотрим более подробно работу блока 16.

Известно, что наиболее просто фазное напряжение прямой последовательности может быть выделено из двух линейных напряжений, например, в соответствии с выражением
= e^-j60 + . (1)
Для этого первое напряжение должно быть сдвинуто на угол 60^о в сторону отставания и геометрически сложено со вторым (см. фиг.7).

Одноименный ток прямой последовательности можно получить из выражения
= e^-j60 + . (2)
Зная величины U₁, I₁ и ϕ, можно определить активную и реактивную мощности, потребляемые двигателями в нормальном режиме. S_A=P=3˙U₁˙I₁˙cosϕ, (3) S_P= Q= 3˙U₁˙I₁˙sinϕ, (4) где ϕ- угол между напряжением и током прямой последовательности.

Ток сдвинутый по фазе относительно одноименного на заданный уголβ (равный например 45^о, см. фиг.4), можно получить с помощью специальной фазоповоротной цепи (см. фиг.3).

На выходах блоков 27 и 28 (см. фиг.3) формируются сравниваемые величины и , которые с учетом (1) и (2) пропорциональны току прямой последовательности первого ввода , напряжению прямой последовательности первой секции шин и напряжению подпитки от второй секции шин .

= -Ke^-j60 + e^jB = -K_I·e^jB·3, (5)
= Ke^-j60 + + e^j30 = K_и·3(+), (6) где K_I˙e^jβ - комплексный коэффициент пропорциональности в цепях формирования сигнала тока, учитывающий угол сдвига β;
K_и, K_n - коэффициенты пропорциональности в цепях формирования сигнала основного напряжения и напряжения подпитки;
= - напряжение подпитки, которое в нормальном режиме совпадает по фазе с напряжением , а по амплитуде выбирается значительно меньше его (составляет примерно 10%).

Схема сравнения по фазе 29 реализована так, что она срабатывает при несовпадении сравниваемых величин. Поэтому напряжение формируется в соответствии (5) с дополнительным поворотом на 180^о (изменением полярности вторичных обмоток в блоках 22, 23). В исходном нормальном режиме блок 29 находится в сработанном состоянии, а на выходе его имеется сигнал U_вых, блокирующий АВР. Уставка по углу срабатывания регулируется в блоке 29 и равна, например, 90^о, а ширина зоны срабатывания Δϕ_cp = 180^о. Характеристика срабатывания блока 16 в комплексной плоскости тока и напряжения (см. фиг. 5) ограничена прямыми с ϕ_1cp = 45^о и ϕ_2cp = 225^о и расположена справа от них. При этом линия максимальной чувствительности соответствует углу тока ϕ_мч = -45^о с индуктивным характером тока, относительно напряжения.

При возникновении КЗ на отходящей линии (в т.2) или на первой секции шин (в т. 3) фаза тока (равного, например, ) отстает от напряжения на определенный угол (не превышающий 90^о) и поэтому блок 16 отстает в сработанном состоянии, блокируя работу блока 18. При этом в соответствии с принятым правилом знаков для угла ϕреактивная мощность положительна (направлена в сторону первой секции шин 12) при отстающем токе (индуктивная нагрузка). Благодаря подпитке напряжением от второй секции шин обеспечивается сработанное состояние блока 16 даже при близких трехфазных КЗ на секции шин в т.3, когда напряжение уменьшается до нуля.

При возникновении симметричных и несимметричных КЗ в цепи питающей линии (в т. 1) фаза тока (равного, например, I или ) опережает напряжение на определенный угол, больше заданного, например ≥45^о. При этом реактивная мощность отрицательна и направлена от шин потребителя к основному источнику при опережающем токе. В этом режиме возможно также снижение тока до величины меньшей уставки, когда величина становится меньше уставки, заданной в блоке 29. При этом блок 16 возвращается в исходное состояние, блок 17 срабатывает и через блоки 18, 19, 9 и 11 обеспечивает переключение секции шин 12 на резервный источник питания. Уставка по углу срабатывания (и возврата) регулируется в блоке 29.

Таким образом, измеряют направление тока прямой последовательности на вводе основного источника, относительно опорного напряжения, сформированного из напряжения прямой последовательности секции шин основного источника и совпадающего с ним по фазе напряжения подпитки от резервного источника, а переключение потребителя на резервный источник производят в случае, если вектор тока прямой последовательности на вводе основного источника имеет активно-реактивный характер, когда активная составляющая вектора тока (в зоне углов от 135 до 225^о) превышает реактивную и направлена от шин потребителя к основному источнику, когда реактивная составляющая вектора тока (в зоне углов от 45 до 135^о) превышает активную и направлена от шин потребителя к основному источнику, либо когда вектор тока прямой последовательности на вводе основного источника уменьшается до величины меньше заданного.

Это позволяет повысить чувствительность и быстродействие при несимметричных КЗ в питающей линии, при возникновении которых обеспечивается быстродействующее АВР. Кpоме того, при возникновении близких трехфазных КЗ на секции шин запрещается работа АВР, т.к. при отсутствии основного напряжения имеется напряжение подпитки от резервного источника, за счет чего отключается возврат в исходное состояние блока 16. Указанное повышает селективность устройства при близких трехфазных КЗ.

Технико-экономическая эффективность способа образуется за счет повышения надежности электроснабжения синхронных электродвигателей, что существенно уменьшает технологический ущерб у потребителей с двигательной нагрузкой. Способ используется в устройстве для АВР, разработанном в нашем институте.

Использование: устройства автоматического включения резервного питания синхронных двигателей. Сущность изобретения: в способе АВР питания потребителей с синхронными двигателями, в котором фиксируют снижение напряжения основного источника и направление активной мощности на вводе основного источника шин ( или ее отсутствие ), производят переключение потребителя на резервный источник, измеряют направление тока прямой последовательности на вводе основного источника относительно опорного напряжения, сформированного из суммы напряжения прямой последовательности секции шин основного источника и совпадающего с ним по фазе напряжения подпитки от резервного источника, а переключение потребителя на резервный источник производят в случае, если вектор тока прямой последовательности на вводе основного источника имеет активно-реактивный характер с реактивной составляющей, направленной преимущественно от шин потребителя к основному источнику ( или уменьшается до значений меньше заданного ), а направление основного источника одновременно с этим снижается до значений меньше заданного. 4 ил.

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ, при котором фиксируют снижение напряжения основного источника и переключают потребителя на резервный источник, отличающийся тем, что определяют направление тока прямой последовательности на вводе основного источника относительно опорного напряжения, сформированного из суммы напряжения прямой последовательности секции шин основного источника и совпадающего с ним по фазе напряжения подпитки от резервного источника, а переключение потребителя на резервный источник производят в случае, если вектор тока прямой последовательности на вводе основного источника имеет активно-реактивный характер, когда активная составляющая вектора тока превышает реактивную и направлена от шин потребителя к основному источнику, когда реактивная составляющая вектора тока превышает активную и направлена от шин потребителя к основному источнику либо когда вектор тока прямой последовательности на вводе основного источника уменьшается до величины меньше заданной.