УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ОТ КРАТКОВРЕМЕННЫХ НАРУШЕНИЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H02J9/06 

Устройство относится к электротехнике, а именно к электроснабжению при аварийных режимах в сети питания потребителей непрерывных производств, например химической и нефтехимической промышленности.

Известны устройства безотказного электроснабжения ответственных потребителей, включающие электроподстанцию, содержащую два трансформатора с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН), две секции сборных шин (с использованием вольтодобавочных трансформаторов или линейных регуляторов), соединенных секционным выключателем, обеспечивающим аварийное переключение питания таким образом, что первая секция является резервным источником питания для потребителей второй секции и наоборот [1].

Главным недостатком известных способов является то, что в момент аварии напряжение на потребителе составляет 30-35%, а затем повышается до 90-95% от номинального, т.е. возникает провал напряжения, не устраняемый трансформаторами с РПН из-за технических характеристик, длительность которого (провала) определяется временем срабатывания релейной защиты (РЗ), устройства автоматического включения резерва (АВР) и коммутационной аппаратуры, и составляет порядка 150-550 мс. Это приводит к срабатыванию защит электротехнических установок, рассогласованию устройств управления функционированием оборудования, что не соответствует непрерывности производства.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство защиты потребителей электроэнергии от кратковременных нарушений электроснабжения, использующее два независимых источника питания, два коммутационных аппарата, через которые потребитель подключен к источникам питания питающей линией с эквивалентными параметрами R_Л и L_Л, в схему которого параллельно потребителю с эквивалентным сопротивлением R_П и индуктивностью L_П введены реактивные элементы L и С для поддержания в аварийном режиме на шинах потребителя напряжения на уровне не ниже 0,9 номинального (U_H) за счет отдачи энергии, запасенной элементами L и С, в сеть [2].

В данном устройстве потребитель подключен к источнику питания воздушной линией электропередачи (ЛЭП), о чем свидетельствует приведенная схема замещения ЛЭП с последовательно включенными эквивалентными параметрами линии R_Л и L_Л.

Недостатком этого устройства является то, что его невозможно применить по назначению в случае подключения потребителя к источнику питания протяженной (до 15-20 км) кабельной линией (КЛ), обладающей значительной емкостью, величина которой должна быть учтена при выборе реактивных элементов L и С. Неучет суммарной емкости КЛ, пропорциональной сечению и длине кабеля, нарушает условия настройки системы «кабельная линия - потребитель - реактивные элементы» в резонанс напряжения, лежащего в основе функционирования устройства в период аварии в питающей сети.

Задачей изобретения является обеспечение безотказности электроснабжения основных потребителей электроэнергии, подключенных к источнику питания кабельной линией, при кратковременных нарушениях электроснабжения путем снижения длительности провала напряжения за счет отдачи в сеть энергии, предварительно запасенной емкостью кабельной линии и реактивными элементами до величин, достаточных для электроснабжения потребителя до момента восстановления номинального уровня напряжения (U_Н).

Решение задачи достигается тем, что устройство при использовании двух независимых источников питания, двух коммутационных аппаратов, через которые потребитель с эквивалентными параметрами R_П и L_П и параллельно включенными к нему реактивными элементами L и С подключен последовательно к источнику питания кабельной линией, замещаемой П-образной схемой с эквивалентными параметрами R_КЛ, R_КЛ и С_КЛ [5], т.е. к соответствующим секциям шин с независимыми источниками питания и секционным выключателем, предполагает введение параллельно потребителю дополнительно к конденсатору С и емкости кабеля С_КЛ, зависимой от его длины и сечения.

Такое решение задачи позволяет использовать запасенную в нормальном режиме реактивную энергию кабеля, сократить количество запасаемой энергии в конденсаторе С и улучшить тем самым его массогабаритные характеристики. К моменту отключения питания запасенная в емкости кабеля, конденсаторе С и индуктивности L энергия должна быть достаточной для совершения потребителем полезной работы в период до момента устранения повреждения и включения напряжения в питающей сети. При этом параметры реактивных элементов L и С выбираются с учетом емкости С_КЛ таким образом, чтобы в аварийном режиме, который соответствует понижению напряжения до уровня, определяемого видом, местом и мощностью короткого замыкания в питающей сети, поддержать напряжение на шинах потребителя на уровне не ниже 0,9U_н на период, равный времени восстановления напряжения.

Устройство (фиг.1) содержит генератор сети 1, кабельную линию 2 с эквивалентной емкостью С_КЛ, включенную входом к источнику питания, а выходом к контуру 3, содержащему параллельно включенные индуктивность L, емкость С и эквивалентные параметры нагрузки R_П и L_П, образуя последовательную цепь: источник питания 1, кабельная линия 2, представленная эквивалентными параметрами R_КЛ и L_КЛ и двумя параллельно включенными в рассредоточенной цепи питания 50%-ными емкостями (1/2 С_КЛ), и нагрузка R_Н и L_H. В схеме использованы кабели типа СБ-6, АСБ-6, емкость которых в нормальном режиме работы повышает коэффициент мощности сети вплоть до единицы, что снижает электрические потери.

Устройство в нормальном режиме работает следующим образом.

Напряжение внешней сети 1 по кабельной линии 2 подается к контуру 3, состоящему из параллельно подключенных индуктивности L, емкости С и эквивалентных параметров нагрузки R_П и L_П, обеспечивая ее длительное функционирование от сети и предварительное накопление энергии магнитного и электрического полей, необходимой для функционирования потребителя в период, определяемый длительностью провала напряжения в сети.

Параллельно реактивным элементам L и С дополнительно включена емкость кабельной линии питания потребителя.

При аварии питающей сети в системе «питающая кабельная линия -потребитель - реактивные элементы», настроенной в резонанс напряжения, возникает переходный процесс, заключающийся в периодическом обмене энергией между магнитным полем индуктивности и электрическими полями емкости кабельной линии и конденсатора. При этом сумма энергии полей и ее изменение во времени определяется известной емкостью кабельной линии С_КЛ заданной длины и сечения и параметрами реактивных элементов L и С.

Запасенная в емкости кабеля и элементах L и С энергия будет расходоваться на совершение технологическим оборудованием полезной работы, в результате чего уменьшится крутизна фронта снижения напряжения и увеличится длительность переходного процесса до величин, достаточных для поддержания работоспособности системы в пределах падения напряжения до 0,9U_н (фиг.2).

Основными факторами, влияющими на значение электрических параметров реактивных элементов, служат: угол управления тиристорных преобразователей, мощность трансформатора преобразовательного агрегата, мощность двигателя, сопротивление распределительной сети.

Заявляемый тип устройства отличается от прототипа тем, что сокращение длительности провала напряжения в сети питания потребителя достигается за счет использования емкости кабеля, не совершающей полезной работы при питании нагрузки, но участвующей, наряду с реактивными элементами, в накоплении энергии, необходимой для функционирования устройства в переходном процессе.

Заявителям неизвестен путь решения поставленной задачи с приведенным существенным признаком, что говорит об «изобретательском уровне» технического решения.

Реализация устройства по данной схеме позволяет целенаправленно использовать суммарную емкость кабельной линии, тем самым уменьшить величину емкости С устройства и получить технико-экономический эффект.

Источники информации

1. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий. - М: Энергоатомиздат, 1995, с.143-144.

2. Патент RU 2290731, 2006.

3. Патент RU 2290729, 2006.

4. Патент RU 2290730, 2006.

5. Гуров А.А., Каримский И.А. Расчет параметров режимов рассредоточенных систем электроснабжения с протяженными кабельными линиями напряжением 6 кВ // Электротехника. 2004. №2, с.40.

Использование: в электротехнике для электроснабжения потребителей, не допускающих кратковременного снижения напряжения. Технический результат заключается в повышении надежности защиты и безотказности работы потребителей. В устройстве напряжение сети по кабельной линии подается к контуру, состоящему из параллельно подключенных индуктивности L, емкости С и эквивалентных параметров нагрузки R_П и L_П, параллельно реактивным элементам L и С дополнительно включена емкость кабельной линии питания потребителя. При этом характеристики реактивных элементов L и С выбираются таким образом, что при известной емкости кабеля заданной длины и сечения обеспечивается настройка системы «питающая кабельная линия - потребители - реактивные элементы» в режим резонанса напряжения на основной частоте. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство защиты потребителей электроэнергии от кратковременных нарушений электроснабжения, в котором напряжение сети по кабельной линии подается к контуру, состоящему из параллельно подключенных индуктивности L, емкости С и эквивалентных параметров нагрузки R_П и L_П, параллельно реактивным элементам L и С дополнительно включена емкость кабельной линии питания потребителя.

2. Устройство защиты потребителей электроэнергии от кратковременных нарушений электроснабжения по п.1, отличающееся тем, что характеристики реактивных элементов L и С выбираются таким образом, что при известной емкости кабеля заданной длины и сечения обеспечивается настройка системы «питающая кабельная линия - потребители - реактивные элементы» в режим резонанса напряжения на основной частоте.