УСТРОЙСТВО ДИНАМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК H02J9/06 H02H3/06 

Устройство относится к электротехнике, а именно к электроснабжению электроприемников, не допускающих в аварийном режиме кратковременных и внезапных провалов напряжения (ПН), и направлено на динамическое восстановление напряжения электроприемника трехфазной электрической сети в целях стабилизации его электроснабжения на период устранения нарушений.

Системы электроснабжения непрерывных технологических процессов предусматривают соблюдение требований бесперебойности питания ответственных электроприемников (ЭП) первой категории [1] - приемники, перерыв питания которых влечет значительный материальный ущерб и расстройство сложного технологического процесса. В нормальных режимах работы такие ЭП должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых и взаимно резервирующих источников питания. Перерывы их электроснабжения могут быть допущены только в течение автоматического восстановления питания - на период устранения нарушений. Тем не менее провал сетевого напряжения - часто событие случайное и устранить его в системе полностью невозможно. Длительность нарушения электроснабжения может составлять до 100-180 с, а глубина провала - вплоть до 100% и полного перерыва в электропитании, что не соответствует требованиям согласно [1] по надежности электроснабжения.

Известно устройство защиты потребителей от кратковременных нарушений электроснабжения, принцип действия которого заключается в том, что для защиты потребителя, получающего электроэнергию по двум независимым источникам питания, параллельно в цепь подключают реактивные элементы, которые при нарушении электроснабжения повышают постоянную времени переходного процесса и снижают крутизну фронтов падения напряжения за счет подведения в сеть энергии, накопленной в магнитном поле реактора и в электрическом поле конденсатора [2]. Недостаток данного устройства состоит в том, что при реализации не учитывается динамика процесса возникновения провала напряжения, требует предварительной настройки системы в режимы резонанса для уменьшения крутизны фронта снижения напряжения и увеличения времени переходного процесса, и сохранения работоспособности сети. Это отрицательно сказывается на быстродействии устройства и способности компенсировать глубокие и длительные провалы напряжения. Предлагаемое устройство предусматривает динамическое восстановление провала с любой глубиной и с фиксацией уровня напряжения на зажимах электроприемника, что определяется величиной энергии, запасенной в зарядном устройстве ЗУ.

Задачей заявляемого изобретения является обеспечение непрерывности и бесперебойности электроснабжения ответственных электроприемников при кратковременных перерывах питания за счет подведения компенсированного напряжения, величину которого динамически регулирует преобразователь по схемам тиристорного управления, что позволит значительно сократить время восстановления электроснабжения и минимизировать провалы напряжения.

Заявляемое устройство предполагает при питании электроприемников от понизительной подстанции с двумя независимыми источниками питания, секционированных через резервирующий выключатель (РВ) и защищаемых с коммутирующими выключателями (ВК), с целью динамического устранения провалов напряжения и обеспечением непрерывного и безотказного электроснабжения, последовательное подключение в цепь питания электроприемника вольтодобавочного трансформатора (ВТ) (фиг.1), вторичная обмотка которого соединена с тиристорным преобразователем (ТП), коммутируемого на основе использования энергии зарядного устройства (ЗУ) контура постоянного тока, между которыми включен поглощающий компенсатор (КП) для поглощения реактивной мощности при восстановлении провала напряжения. Устройство отличается тем, что его включение по предлагаемой схеме на фиг.1 обеспечивает компенсацию провалов напряжения на зажимах электроприемников с эффективностью действия 99% при фиксации напряжения на уровне 98% на основе динамического подведения напряжения с параметрическим заданием требуемой формы, амплитуды, частоты и угла фазового сдвига, что заложено в алгоритмах широтно-импульсной модуляции для синусоидального сигнала.

В режиме ожидания провала напряжения вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора замыкается накоротко через тиристорный преобразователь. При этом подводимое напряжение и магнитный поток практически равны нулю - коммутации вентилей не происходит, и преобразователь не включается. Устройство не вводит дополнительного напряжения, независимо от значения нагрузки оно производит контроль его номинального уровня на зажимах защищаемого электроприемника. При провале напряжения питания срабатывают средства защитной автоматики сети на подключение устройства динамического восстановления напряжения. В моменты резкого уменьшения уровня напряжения устройством формируется величина компенсированного напряжения, полученная от разности номинального и фактического значений напряжения в течение времени нарушения электроснабжения. Динамическое управление режимами контроля и формирования осуществляется аппаратной частью устройства, заложенной в алгоритм широтно-импульсной модуляции. Тиристорным преобразователем осуществляется динамическое управление в режиме согласования и подведения компенсированного напряжения с целью сглаживания провала и стабилизации номинального уровня на зажимах электроприемника до момента полного устранения нарушения электроснабжения с последующим переводом устройства и схемы в режим ожидания провалов.

На фиг.1 представлена схема подключения устройства в цепь питания электроприемника. Схема содержит коммутирующие выключатели ВК1, ВК2, установленные для подключения устройства в контуре электрической сети на стороне защищаемого электроприемника (элементы 1 и 2), и резервирующий выключатель РВ для коммутационного вывода устройства в режим ожидания провала напряжения или для исключения подпитки короткого замыкания от устройства в режиме динамического восстановления напряжения (элемент 3), вольтодобавочный трансформатор ВТ (элемент 4); универсальный полупроводниковый мост, в качестве которого используется тиристорный преобразователь ТП (элемент 5); поглощающий компенсатор КП (элемент 6); зарядное устройство ЗУ - накопитель (элемент 7) и электроприемник ЭП (элемент 8).

Схема включения устройства работает следующим образом. В режимах ожидания провала напряжения по цепи защищаемого электроприемника ЭП (элемент 8) протекает рабочий нагрузочный ток, и напряжение на зажимах у ЭП соответствует номинальному уровню. До тех пор, пока изменение уровня напряжения не превысит уменьшения на 10%, что и определяет нормативный признак появления провала напряжения, коммутирующие выключатели ВК1 и ВК2 (элементы 1 и 2) находятся в отключенном положении, в то время как резервирующий выключатель РВ (элемент 3) оперативно действует в режиме нормальной эксплуатации для защиты электроприемника. При этом обмотка вторичного напряжения вольтодобавочного трансформатора ВТ (элемента 4) замкнута накоротко через тиристорный преобразователь ТП (элемент 5), что блокирует схему запуска устройства по режиму восстановления напряжения.

При провале питающего напряжения в результате короткого замыкания выполняется защитная автоматическая коммутация выключателей ВК1, ВК2 (элементы 1, 2) с согласованным отключением резервирующего выключателя РВ (элемент 3) в целях избегания подпитки токов короткого замыкания сети, и оперативного ввода устройств динамического восстановления напряжения, после чего аппаратная функционально-измерительная часть преобразователя ТП (элемент 5) фиксирует резкое уменьшение номинала уровня напряжения, задает параметрический признак глубины провала в качестве разницы между фактическим действующим напряжением, реализует полный цикл алгоритма широтно-импульсной модуляции синусоидального сигнала с формированием компенсационного напряжения требуемой амплитуды, частоты и угла сдвига. Время реакции, определяющее продолжительность оперативного действия по аппаратной части ТП, составляет не более 0,001 с. Для стабилизации уровня напряжения производятся расчеты параметров компенсатора КП (элемент 6).

Зарядное устройство ЗУ (элемент 7) в цепи постоянного тока задается в параллельном включении к поглощающему компенсатору КП (элемент 6) для питания преобразователя ТП (элемент 5), обеспечения бесперебойной работы цепи энергетического демпфера, образуемого при КП в целях регулирования потоков мощности и поддержки требуемого компенсационного напряжения. Результатом совместного и согласованного функционирования элементов заявляемого устройства является подведение в цепь питания электроприемника в динамическом режиме при провале напряжения более 10% дополнительной составляющей ДВН, сформированной тиристорным преобразователем, через вольтодобавочный трансформатор, что позволяет поддерживать напряжение в течение периода устранения кратковременного нарушения электроснабжения

U_ДВН=U_наг+Z_сетиI_ном-U_сети,

где U_наг - требуемое напряжение на стороне нагрузки; Z_сети - полное сопротивление сети приемника; I_наг - сила нагрузочного тока участка распределительной сети; U_сети - сетевое напряжение в моменты аварийного провала напряжения.

При восстановлении нормального режима питания электроприемника ЭП (элемент 8) по результату ликвидации короткого замыкания выполняется автоматический переход работы устройства ДВН в режим ожидания провала напряжения с замыканием вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора ВТ (элемент 4) накоротко через преобразователь ТП (элемент 5) и при обратной коммутации всех выключателей ВК1, ВК2 и РВ (элементы 1, 2 и 3).

Предлагаемое устройство динамического восстановления провалов напряжения было апробировано в производственных условиях на подстанции 6(10)/0,4 кВ ОАО «МРСК-Центра» - «Липецкэнерго». Результаты апробации подтвердили эффективность использования заявляемого устройства защиты и актуальность его внедрения в борьбе с провалами питающего напряжения. В ходе экспериментальных расчетов выявлены эксплуатационно-технические характеристики устройства (успешность действия установки составила 99%).

Применение заявляемого устройства имеет целью обеспечивать защиту ответственных электроприемников от провалов напряжения за счет введения в сеть дополнительного напряжения, реализуемого в динамических режимах сглаживания провала и фиксации формы напряжения на уровне 98% (фиг.2).

Литература

1. Правила устройства электроустановок [Текст]: утв. м-вом энергетики Российской Федерации 08.07.02: введ. в действие с 01.01.03. - М.: НЦ ЭНАС, 2008. - 552 с. - ISBN 978-5-93196-751-6.

2. Пат. №2290731 Российская Федерация, МПК⁷ H02J 9/06. Устройство защиты потребителей от кратковременных нарушений электроснабжения [Текст]. / Шпиганович А.Н.; заявитель и патентообладатель Липецкий государственный технический университет. - №2005115387/09; заявл. 20.05.2005. - 5 с.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в обеспечении защиты электроприемника от провалов напряжения при кратковременных перерывах электроснабжения, повышении безотказности в их работе и исключении возможности распространения сетевых аварий. Устройство предусматривает последовательное подключение к защищаемому приемнику за счет вольтодобавочного трансформатора (ВТ) при помощи двух выключателей (ВК), тиристорного преобразователя (ТП), в который включен поглощающий компенсатор, образующий энергетический демпфер для регулирования потоков мощности, и функционирование которого происходит на основе использования энергии, запасенной в зарядном устройстве (ЗУ) в контуре постоянного тока, и задачей которого служит формирование и подведение к электроприемнику (ЭП) дополнительного напряжения заданной амплитуды, частоты, угла фазового сдвига, и являющегося разностью между номинальным и фактическим напряжениями, которое компенсирует провалы кратковременного характера и позволяет поддерживать напряжение электроприемника на время ликвидации нарушения электроснабжения. Устройством подводится компенсированное напряжение, величина которого формируется по алгоритму широтно-импульсной модуляции и динамически регулируется по схемам тиристорного управления преобразователем, питаемым от зарядного устройства в контуре постоянного тока. 2 ил.

Устройство динамического восстановления провалов напряжения при использовании двух независимых источников питания, секционированных через резервирующий выключатель (РВ) и защищаемых с коммутирующими выключателями (ВК); вольтодобавочного трансформатора (ВТ), включенного последовательно в цепь электроприемника (ЭП); тиристорного преобразователя (ТП); поглощающего компенсатора (КП) и зарядного устройства (ЗУ) в цепи постоянного тока, отличающееся тем, что, с целью обеспечения защиты электроприемника от провалов напряжения при кратковременных перерывах электроснабжения устройством, подводится компенсированное напряжение, величина которого формируется по алгоритму широтно-импульсной модуляции и динамически регулируется по схемам тиристорного управления преобразователем, питаемым от зарядного устройства в контуре постоянного тока, в который включен поглощающий компенсатор, образующий энергетический демпфер для регулирования потоков мощности, служащего для стабилизации компенсационного напряжения требуемой формы, амплитуды, частоты и угла фазового сдвига, и представляющего разность между номинальным и фактическим напряжениями, для подведения в режиме провала к зажимам электроприемника через вольтодобавочный трансформатор на время ликвидации кратковременного нарушения электроснабжения.