УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H02H9/02 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к аварийному и резервному электроснабжению, и может быть использовано при построении целых систем бесперебойного электропитания потребителей, не допускающих кратковременных перерывов в питании и снижения питающего напряжения, как, например, химпредприятия.

Известно устройство электроснабжения, включающее токоограничивающий реактор. В нормальном режиме через токоограничивающий реактор протекает ток нагрузки, что вызывает падение напряжения у потребителя на 1,5-3%. Такое падение напряжения является допустимым для потребителя. В аварийной ситуации при коротком замыкании в какой-либо точке электрической сети через токоограничивающий реактор протекает ток короткого замыкания (КЗ), вызывающий более значительное снижение напряжения у потребителя.

Известно также устройство электроснабжения, включающее управляемый токоограничивающий реактор. В отличие от первого он содержит дополнительную подмагничивающую обмотку. Она дает возможность в нормальном режиме за счет подмагничивания магнитопровода снизить потерю напряжения на токоограничивающем реакторе вплоть до нуля, а в аварийном режиме размагнитить магнитопровод и сделать сопротивление токоограничивающего реактора максимальным.

Известно устройство электроснабжения потребителей, имеющую двухтрансформаторную подстанцию с распределительным устройством высокого напряжения, получающую питание от двух реактированных с помощью управляемых реакторов линий, при этом реакторы установлены в начале линий. (Справочник по проектированию электроэнергетических систем. Под ред. Рокотяна С.С. и Шапиро И.М. М. , Энергия, 1977, с.110, рис.4-16). Устройство электроснабжения питает ответственных потребителей. При КЗ в любой точке электрической сети ток КЗ ограничивается токоограничивающими реакторами.

Критика прототипа
При КЗ на защищаемой реакторами зоне и вне защищаемой реакторами зоны реакторы увеличивают свой реактанс и на подстанции потребителя происходит недопустимое снижение напряжения, то есть остаточное напряжение может достигнуть значения меньше критического.

Цель изобретения - обеспечение надежного и бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей при недопустимом снижении напряжения из-за аварийных ситуаций типа короткого замыкания в электрической сети высокого напряжения.

Сущность изобретения и его отличительные признаки
Устройство электроснабжения потребителей с повышенными требованиями к качеству напряжения включает двухтрансформаторную подстанцию с распределительным устройством высокого напряжения, питание которой осуществляется от двух независимых источников питания. Схема электроснабжения изображена на фиг.1. Независимое питание двухтрансформаторной подстанции осуществляется по двум реактированным с помощью управляемых токоограничивающих реакторов линиям электропередач 1, 2. При этом управляемые токоограничивающие реакторы 3, 4 установлены в конце питающих линий электропередач. На шинах двухтрансформаторной подстанции также установлен секционный выключатель 5, в нормальном режиме работы этот выключатель включен и через него возможен транзит мощности. Управляемые токоограничивающие реакторы предназначены для повышения остаточного напряжения и ограничения тока КЗ в электрической сети в аварийном режиме при коротком замыкании. Для этих целей токоограничивающие реакторы выполнены управляемыми с помощью устройства управления 15, которое контролирует уровень напряжения на шинах двухтрансформаторной подстанции с помощью датчика напряжения 8 и величину тока короткого замыкания в линии электропередачи с помощью датчика величины тока КЗ 6. В аварийном режиме при коротком замыкании в электрической сети при недопустимом понижении напряжения в зависимости от величины тока и направления потока мощности короткого замыкания в линии электропередачи устройство управления формирует сигнал на срабатывание одного из управляемых реакторов, так что при направлении потока мощности от шин трансформаторной подстанции сопротивление реактора становится максимальным, а к ее шинам будет минимальным.

В нормальном режиме работы по линиям и управляемым токоограничивающим реакторам протекают нагрузочные токи. Управляемые токоограничивающие реакторы подмагничиваются и их реактивное сопротивление равно нулю, то есть является минимальным. В аварийных ситуациях при КЗ на воздушных линиях 1, 2 и в электрической сети за пределами центров питания по питающим воздушным линиям и управляемым токоограничивающим реакторам протекают токи КЗ I_КЗ. В изобретении предлагается использовать устройство управления, которое формирует сигнал на срабатывание одного из управляемых токоограничивающих реакторов, для того чтобы размагнитить магнитопровод реактора и таким образом сопротивление реактора было максимальным.

Схема устройства управления показана на фиг.2. Эта схема может быть построена на основе электромагнитных реле тока и напряжения, индукционного реле направления мощности, базовых логических элементах. Схема устройства управления работает следующим образом: при недопустимом напряжении на шинах двухтрансформаторной подстанции, определяемом с помощью датчика напряжения 8, а также при появлении тока короткого замыкания I_КЗ в линии электропередач, определяемого с помощью датчика величины тока КЗ 6, при положительном направлении потока мощности КЗ устройство управления посылает сигнал на силовую часть управления токоограничивающим реактором, происходит размагничивание магнитопровода реактора, вследствие чего его реактивное сопротивление становится максимальным. При этом поток мощности КЗ будет положительным, если ток КЗ направлен от шин подстанции в линию. Поток мощности КЗ отрицательный, если ток КЗ направлен из линии к шинам.

Таким образом, при КЗ на воздушной линии 1 или в электрической сети за пределами центра питания 1 управляемый реактор 3, получая сигнал от устройства управления, увеличивает свое реактивное сопротивление до максимального χ_УР1, как показано на фиг.3. При КЗ на воздушной линии 2 или в электрической сети за пределами центра питания 2 управляемый реактор 4 увеличивает свое реактивное сопротивление до максимального х_УР2 соответственно, см. фиг.4.

Напряжение на подстанции определяется по следующим формулам:
при КЗ со стороны ПС 1

при КЗ со стороны ПС 2

где x_УР1, x_УР2- изменяемое реактивное сопротивление управляемого токоограничивающего реактора;
x_сист1 - эквивалентное сопротивление воздушной линии 1 и электрической сети за центром питания 1;
x_сист2 - эквивалентное сопротивление воздушной линии 2 и электрической сети за центром питания 2;
U₁, U₂ - напряжения в точках центра питания 1 и 2;
U_ПС - напряжение на подстанции.

Для мощных энергосистем x_сист1 и x_сист2 мало, поэтому из формул 1 и 2 можно сделать вывод, что напряжение на подстанции зависит от соотношения реактивного сопротивления управляемых реакторов: или , но так как x_УР2= 0 в первом соотношении и x_УР1= 0 во втором соотношении, то напряжение подстанции примерно равно напряжению центра питания с высоким уровнем напряжения: U_ПС≅U₂ при КЗ со стороны центра питания 1; U_ПС≅U₁ при КЗ со стороны центра питания 2.

При КЗ на шинах подстанции токи КЗ будут иметь одно направление потока мощности КЗ, направленного из воздушных линий к шинам подстанции (фиг.5). В этом случае каждое устройство управления подает сигнал на срабатывание своего токоограничивающего управляемого реактора, что ограничит ток КЗ в электрической сети.

Таким образом, предлагаемая схема устройства электроснабжения в аварийных ситуациях типа КЗ в электрической сети позволяет увеличить остаточное напряжение и обеспечить бесперебойность работы потребителя подстанции, кроме того, сохраняется токоограничивающая функция управляемого реактора (уменьшение тока КЗ в электрической сети).

Перечень фигур чертежей:
фиг. 1 - схема питания ответственного потребителя с помощью применения устройства электроснабжения;
фиг.2 - схема устройства управления;
фиг.3 - схема протекания тока КЗ при КЗ со стороны центра питания 1;
фиг.4 - схема протекания тока КЗ при КЗ со стороны центра питания 2;
фиг.5 - схема протекания тока КЗ при КЗ на шинах подстанции.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Основой работы устройства управления является система двух датчиков: датчика напряжения и датчика величины тока короткого замыкания. Информация от этих датчиков поступает в устройство управления. Устройство управления, схема которого показана на фиг.2, состоит из трех блоков сравнения контролируемых величин с эталоном, каждый из которых вырабатывает сигнал о целесообразности размагничивания магнитопровода реактора. При положительном решении всех трех блоков сравнения логическая схема "И" вырабатывает сигнал о размагничивании магнитопровода реактора, таким образом, сопротивление реактора будет максимальным.

Схема сравнения величины тока 1 сравнивает ток нагрузки в линии электропередач с максимальным нагрузочным током. В случае, если фактический ток в линии превысит нагрузочный, эта схема посылает положительный сигнал на логическую схему "И". Схема сравнения величины тока может быть выполнена на основе электромагнитного реле тока РТ-40.

Схема сравнения уровня напряжения 2 сравнивает напряжение на шинах подстанции с эталонным значением напряжения для определения появления недопустимого уровня напряжения U_нд у потребителя. При этом значение недопустимого уровня напряжения для каждого типа нагрузки может быть различным. Для большинства электродвигательной нагрузки U_нд=0,7U_ном. Таким образом при фактическом напряжении U_факт<U_нд эта схема посылает положительный сигнал на логическую схему "И". Схема сравнения уровня напряжения может быть выполнена на основе электромагнитного реле напряжения РН-50.

Схема определения направления потока мощности 3 контролирует направление потока мощности короткого замыкания с помощью индукционного реле направления мощности, например РБМ-271. Если направление потока мощности короткого замыкания направлено от шин подстанции в линию, то замыкаются соответствующие контакты реле направления мощности и положительный сигнал идет на логическую схему "И" 4.

Таким образом, при положительном решении всех трех блоков сравнения логическая схема "И" посылает сигнал на управляемый токоограничивающий реактор, вследствие чего сопротивление реактора будет максимальным.

Литература
1. Электрические и электронные аппараты: Учебник для вузов. Под ред. Ю. К. Розанова. - М: Энергоатомиздат, 1998. - 752, с.493-498.

2. Чернобровов Н.В. Релейная защита. М.: Энергия, 1974 г., с.36-67.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 842993, кл. H 01 F 37/00, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР 543021, кл. H 01 F 37/00, 1975.

Использование: в аварийном и резервном электроснабжении для бесперебойного электропитания потребителей, не допускающих кратковременных перерывов в питании и снижения питающего напряжения. Технический результат заключается в обеспечении надежного и бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей при недопустимом снижении напряжения из-за аварийных ситуаций типа короткого замыкания со стороны центров питания. Устройство электроснабжения содержит датчик минимального напряжения, датчики тока, реле направления мощности, управляющее устройство и управляемый токоограничивающий реактор. Управляющее устройство контролирует уровень напряжения на шинах двухтрансформаторной подстанции с помощью датчика напряжения и величину тока короткого замыкания в линии электропередачи с помощью датчика величины тока и в зависимости от этих величин формирует сигнал на срабатывание одного из управляемых реакторов так, что при направлении потока мощности от шин трансформаторной подстанции сопротивление реактора становится максимальным, а к ее шинам - минимальным. 5 ил.

Устройство электроснабжения, включающее двухтрансформаторную подстанцию, с распределительным устройством высокого напряжения, питание которой осуществляется от двух независимых источников питания реактированных с помощью установленных в конце линий электропередач токоограничивающих реакторов, а также секционированного выключателя, отличающееся тем, что токоограничивающие реакторы выполнены управляемыми с помощью устройства управления, которое контролирует уровень напряжения на шинах двухтрансформаторной подстанции, и при его недопустимом понижении формирует сигнал на срабатывание одного из управляемых токоограничивающих реакторов в зависимости от величины тока короткого замыкания и направления потока мощности короткого замыкания в линии электропередачи так, что при ее направлении от шин двухтрансформаторной подстанции сопротивление токоограничивающего реактора становится максимальным.