СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЗЕРВНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК H02J9/06 

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

Предлагаемый способ может быть использован для фиксирования нарушений нормального 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 автоматического включения резервного электропитания потребителей (АВР) (RU №2398338 от 30.04.2009 г.), заключающийся в измерении напряжения прямой последовательности шин резервного источника питания, линейных напряжений на шинах основного источника питания, угла между векторами напряжений прямой последовательности шин основного и резервного источников питания, измерении отдельно для каждой из трех фаз на вводе основного источника значения действующего тока в фазе и значения угла между вектором комплексного действующего тока в этой же фазе и векторной суммой комплексного действующего напряжения между двумя другими фазами на шинах основного источника и принимаемой равной от 0 до 50% доли одноименного комплексного действующего напряжения на шинах резервного источника, измерении изменения угла между векторами напряжений прямой последовательности шин основного и резервного источников за заданный промежуток времени и переключении питания шин основного источника на резервный при снижении любого из измеряемых напряжений на шинах основного источника ниже заданного значения или при увеличении угла между векторами напряжений прямой последовательности шин основного и резервного источников выше заданного значения или при изменении угла между векторами напряжений прямой последовательности шин основного и резервного источников за заданный промежуток времени выше заданного значения, когда одновременно с этим значение действующего тока в любой из фаз на вводе основного источника питания и значение угла между вектором комплексного действующего тока в этой же фазе и вышеуказанной векторной суммой достигают заданной области значений, и напряжение прямой последовательности на шинах резервного источника питания превышает заданное значение.

Способ обладает следующим недостатком: в режимах однофазных, двухфазных и двухфазных на землю коротких замыканий в цепи питания потребителей не меняется направление активной мощности на вводах подстанции и продолжается ее потребление двигательной нагрузкой.

Известен способ включения резервного питания потребителей (Патент на изобретение №2326481, кл. H02J 9/06, 2006), в котором измеряют напряжение прямой последовательности шин основного и резервного источника питания, измеряют угол между вектором напряжения прямой последовательности шин основного и резервного источника питания, определяют направление активной мощности на вводе шин основного источника питания, переключают шины основного источника питания на резервный при уменьшении напряжения на шинах основного источника питания ниже заданного уровня или при превышении угла между вектором напряжения прямой последовательности больше заданного и при направлении активной мощности от шин к основному источнику питания и дополнительно измеряют минимальный ток ввода каждой секции, сравнивая его с заданным значением тока ввода, и при превышении заданного тока также осуществляют переключение на резервный источник питания.

Способ обладает следующими недостатками: малое быстродействие его работы и ненадежная работа при несимметричных КЗ в цепях питания 110 кВ, обусловленная невозможностью верно определять направление реактивной составляющей мощности.

Известно устройство автоматического включения резервного электропитания потребителей (RU №2398338 от 30.04.2009 г.) для автоматического включения резервного электропитания потребителей, содержащее основной и резервный источники питания, вводные выключатели основного и резервного источников питания, секционный выключатель, шины основного и резервного источников питания, комплект измерительных трансформаторов тока на вводе основного источника питания, комплекты измерительных трансформаторов напряжения на шинах основного и резервного источников питания, пусковое устройство автоматического включения резерва, содержащее блок восстановления третьего фазного тока, снабженный тремя выходными каналами, аналого-цифровой преобразователь токов, вход которого соединен с выходом комплекта измерительных трансформаторов тока через блок восстановления третьего фазного тока, снабженные тремя выходными каналами аналого-цифровые преобразователи напряжений, входы которых соединены с выходами комплектов измерительных трансформаторов напряжения на шинах основного и резервного источников питания, блоки определения напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания, входы которых соединены с выходными каналами аналого-цифровых преобразователей напряжений на шинах основного и резервного источников питания соответственно, релейный блок максимального напряжения, вход которого соединен с выходом блока определения напряжения прямой последовательности на шинах резервного источника питания, релейный блок определения угла между векторами напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания, входы которого соединены с блоками определения напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания, устройство, осуществляющее переключение на резервный источник питания с замыканием главных контактов секционного выключателя в момент времени, близкий к синфазному между одноименными напряжениями на шинах основного и резервного источников питания, активирующееся при поступлении от пускового устройства команды включения резерва.

Известное устройство автоматического включения резервного электропитания потребителей (Патент RU №2398338 от 30.04.2009 г.) обладает следующим недостатком, влияющим на надежность работы: при междуфазном КЗ в цепи питания секции одно из линейных напряжений на первой секции РУ будет равно нулю и устройство не сработает.

Известно пусковое устройство автоматического включения резервного электропитания потребителей (Патент на изобретение №2326481, кл. H02J 9/06, 2006), содержащее вводные выключатели основного и резервного источников питания, секционный выключатель, трансформаторы напряжения на шинах основного и резервного источников, трансформаторы токов на вводах основного и резервного источников, аналого-цифровые преобразователи тока и напряжения, средство определения направления мощности прямой последовательности на вводах, быстродействующее пусковое устройство, выход которого подключен через блок управления к вводным и секционному выключателям, трансформаторами напряжения, включенными до вводных выключателей, в состав быстродействующего пускового устройства входят блоки определения минимального тока ввода каждой секции.

Известное устройство автоматического включения резервного электропитания потребителей (Патент на изобретение №2326481, кл. H02J 9/06, 2006) обладает малым быстродействием вследствие того, что реакция на аварийный режим определяется путем вычисления мощностей на вводах по напряжениям и токам на вводах прямой последовательности первой и второй секциям шин, которые при несимметричных коротких замыканиях могут не изменять направление.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в уменьшении времени реакции быстродействующего пускового устройства на нарушение нормального электроснабжения от основного источника и, как следствие, увеличение быстродействия переключения питания на резервный источник.

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 источника 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, и при превышении заданного тока согласно изобретению направление мощностей в фазах на вводах определяют на основе фазных токов и противоположных линейных напряжений с учетом угла максимальной чувствительности, при этом, если значения линейных напряжений на шинах основного источника меньше заданного минимального напряжения, то в качестве векторов этих напряжений принимают соответствующие напряжения резервного источника, сравнивают значения фазных токов на вводе с заданным значением тока ввода, и если значения фазных токов на рабочем вводе меньше заданного значения тока, а значения фазных токов на резервном вводе больше заданного значения тока или если мощности на вводе от основного источника меняют знак на отрицательный хотя бы в одной фазе, а мощности на вводе от резервного источника во всех фазах положительны, то переключают питание на резервный источник.

Кроме того, в известном устройстве автоматического включения резервного электропитания потребителей, содержащем вводные выключатели основного и резервного источников питания, секционный выключатель, трансформаторы напряжения на шинах основного и резервного источников, трансформаторы токов на вводах основного и резервного источников, аналого-цифровые преобразователи тока и напряжения, блоки определения минимального тока ввода каждой секции, быстродействующее пусковое устройство, выход которого подключен через блок управления к вводным и секционному выключателям, быстродействующее пусковое устройство дополнительно снабжено блоком формирования линейных напряжений основного и резервного источника и блоком определения направления мощности в фазах ввода основного и резервного источника, три входа блока формирования линейных напряжений основного источника соединены с соответствующими выходами аналого-цифровых преобразователей напряжения на шинах основного источника, и четвертый вход соединен с соответствующим выходом блока формирования линейных напряжений резервного источника, а выходы связаны с тремя соответствующими входами блока определения направления мощности в фазах основного источника и входом блока формирования линейных напряжений резервного источника; три входа блока формирования линейных напряжений резервного источника соединены с соответствующими выходами аналого-цифровых преобразователей напряжения на шинах резервного источника, а выходы связаны с тремя соответствующими входами блока определения направления мощности в фазах резервного источника; три входа блока определения направления мощности в фазах основного источника соединены с соответствующими выходами аналого-цифровых преобразователей тока основного источника, а три выхода соединены с соответствующими входами трех логических элементов «И» основного источника и три остальных выхода соединены с тремя соответствующими входами логических элементов «И» резервного источника; три входа блока определения направления мощности в фазах резервного источника соединены с соответствующими выходами аналого-цифровых преобразователей тока резервного источника, а три выхода соединены с соответствующими входами трех логических элементов «И» резервного источника и три остальных выхода соединены с тремя соответствующими входами логических элементов «И» основного источника; выходы трех логических элементов «И» основного источника соединены с тремя входами первого логического элемента «ИЛИ» основного источника, а выходы соединены с соответствующим входом второго логического элемента «ИЛИ» основного источника; выходы трех логических элементов «И» резервного источника соединены с тремя входами первого логического элемента «ИЛИ» резервного источника, а выходы соединены с соответствующим входом второго логического элемента «ИЛИ» резервного источника; вход блока определения минимального тока ввода основного источника связан с соответствующими выходами аналого-цифровых преобразователей тока основного источника, а один выход соединен с входом четвертого логического элемента «И» основного источника и второй выход соединен с соответствующим входом четвертого логического элемента «И» резервного источника; вход блока определения минимального тока ввода резервного источника связан с соответствующими выходами аналого-цифровых преобразователей тока резервного источника, а один выход соединен с входом четвертого логического элемента «И» резервного источника и второй выход соединен с соответствующим входом четвертого логического элемента «И» основного источника; второй вход второго логического элемента «ИЛИ» основного источника соединен с соответствующим выходом четвертого логического элемента «И» основного источника, а выход соединен с соответствующим входом пятого логического элемента «И» основного источника; второй вход второго логического элемента «ИЛИ» резервного источника соединен с соответствующим выходом четвертого логического элемента «И» резервного источника, а выход соединен с соответствующим входом пятого логического элемента «И» резервного источника; на второй вход пятого логического элемента «И» основного и резервного источника подают блокирующие сигналы от релейной защиты, а выход соединен с входами блока управления.

Сущность изобретения заключается в том, что за счет введения блока формирования линейных напряжений основного источника и блока определения направления фазных мощностей, связанных особым образом и работающих по предложенному способу, переходят на одноканальный принцип определения реакции на нарушение нормального электроснабжения, снижающий время реакции быстродействующего пускового устройства.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого устройства автоматического включения резервного электропитания потребителей. Устройство содержит основной 1 и резервный 2 источник питания, вводные выключатели рабочих вводов 3 и 4, секционный выключатель 5, секции шин подстанции 6 и 7, трехфазные трансформаторы тока 8, 9 на вводах основного и резервного источников питания, трансформаторы напряжения 10, 11 на шинах основного и резервного источников питания, быстродействующего пускового устройства 12.

Быстродействующее пусковое устройство 12 содержит: блоки формирования векторов фазных токов 13, 14 и линейных напряжений 15, 16; блоки 17 и 18 проверки значения фазных токов на соответствие минимальному значению (I_уст); блоки определения минимальных значений линейных напряжений на секциях основного и резервного источников питания 19 и 20; блоки определения направления мощности в фазах вводов от основного и резервного источников 21 и 22; логические элементы «И» - 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32; логические элементы «ИЛИ» - 33, 34, 35, 36; блок управления выключателями 37, блоки сигналов релей защиты и автоматики 38 и 39. Выводы трансформаторов тока 8, 9 подключены к входам блоков 17, 18 и 21, 22. Выводы обмоток трансформаторов напряжения 10, 11 соединены в звезду на секциях шин основного 6 и резервного 7 источников питания подключения соответственно к входам блоков 19, 20 и 21, 22. Выходы блоков 17 и 18 подключены к логическим элементам «И» 23 и 24. Выходы блоков 21 и 22 подключены к логическим элементам «И» 25, 26, 27, 28, 29, 30, выходы которых подключены к логическим элементам «ИЛИ» 33, 34. Выходы элементов 23 и 33 и соответственно элементов 24 и 34 подключены к входам логических элементов «ИЛИ» 35 и 36, выходы которых подключены к логическим элементам «И» 31 и 32, к которым также подключены выходы органов релейной защиты с блокирующим сигналами 38 и 39 с отрицательной связью. Выходы логических элементов «И» 31 и 32 подключены к блоку управления выключателями 37.

Устройство работает следующим образом. С помощью трансформаторов напряжения 10 и 11 блоками 15, 16 измеряются комплексные значения линейных напряжений на первой (, , ) и второй (, , ) взаимно резервируемых секциях распределительного устройства питания. С помощью трансформаторов тока 8 и 9 блоками 13, 14 измеряются комплексные значения фазных токов (, , ) на первом и втором (, , ) вводах.

Блоки 17 и 18 предназначены для сравнения фазных токов на вводах с минимальным током уставки (I_уст), и если токи на рабочем вводе меньше заданного, а на резервном вводе больше заданного, то осуществляют переключение питания на резервный источник. Блоки 19 и 20 осуществляют сравнение линейных напряжений с уставкой по напряжению U_уст. Когда какие-либо линейные напряжения на одной из секций шин меньше минимального, то в качестве комплексных значений этих напряжений принимают соответствующие напряжения другой секции.

В блоках направления мощности 21 и 22 происходит определение мощностей в фазах ввода от основного и резервного источников. Если хотя бы в одной фазе мощность сменила знак на отрицательный, а мощность на вводе от резервного источника во всех фазах положительна, тогда через логические элементы 23, 25, 31 (или 24, 36, 32) в блок управления выключателями 37 поступает сигнал на отключение первого 3 (второго 4) ввода и на включение секционного выключателя 5.

Согласно новому способу автоматического включения резервного электропитания потребителей осуществляются непрерывные измерения комплексных фазных токов на первой (, , ) и второй (, , ) секциях, линейных напряжений на первой (, , ) и второй (, , ) взаимно резервируемых секциях РУ, после чего вычисляются мощности в фазах на вводах к секциям шин основного

,

,

и резервного источника электропитания

,

,

,

где φ_мч - угол максимальной чувствительности органа реле направления мощности.

Мощности в фазах ввода T_1a., T_1b, T_1c. представляют собой линейную комбинацию активной (Р) и реактивной (Q) мощностей в этих фазах. В симметричных мощности во всех трех фазах равны и имеют вид:

,

где P₁ и Q₁ - активная и реактивная мощности первого ввода. За счет угла максимальной чувствительности можно менять долю представительства этих мощностей в линейной комбинации. При положительном значении мощность имеет направление от источника к нагрузке, а при отрицательном значении - от нагрузки к источнику.

Для повышения надежности работы устройства предложено отстроится от случаев, когда I_a.=I_b=I_c=0, а также когда U_ab. или U_bc или U_ca равны нулю и знак мощностей T_1a, T_1b, T_1c становится неопределенным. Для этого предварительно производится сравнение I_a., I_b, I_c<I_уст, где I_уст - заданное значение тока (минимальный ток), и если это условие выполняется, то произошло несанкционированное отключение выключателя в цепи питания и необходимо переключение электропитания на резервный источник.

Если

или или ,

где U_уст - заданное минимальное напряжение, то в качестве соответствующих линейных напряжений принимаются линейные напряжения резервной секции

,

,

.

Таким образом, способ и устройство автоматического включения резервного электропитания потребителей с повышенным быстродействием реакции реализовано на одноканальном принципе определения нарушения нормального электроснабжения от основного источника по изменению знака мощностей в фазах ввода, что позволяет своевременно реагировать на нарушение нормального электроснабжения и осуществлять переключение на резервный источник.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение быстродействия и надежности определения факта нарушения нормального электроснабжения и расширение возможностей управления устройством автоматического включения резервного электропитания. Согласно способу определяют направление мощности в фазах ввода основного источника на основе фазных токов и противоположных линейных напряжений с учетом угла максимальной чувствительности и при изменении направления мощности хотя бы в одной из фаз переключают питание на резервный источник. Предлагаемое устройство содержит вводные выключатели основного и резервного источников питания, секционный выключатель, трансформаторы напряжения на шинах основного и резервного источников питания, трансформаторы тока на вводах основного и резервного источников питания, аналого-цифровые преобразователи напряжении и тока, реагирующий орган, выполненный на микропроцессорной основе, дополнительно снабжено блоком формирования линейных напряжений основного и резервного источников и блоком определения направления мощности в фазах ввода основного и резервного источника. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ автоматического включения резервного электропитания потребителей, при котором измеряют напряжение прямой последовательности шин основного и резервного источников питания, измеряют угол между векторами напряжения прямой последовательности шин основного и резервного источников питания, определяют направление активной мощности на вводе шин основного источника питания, определяют минимальный ток ввода каждой секции, 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 и при превышении заданного тока, отличающийся тем, что направление мощностей в фазах на вводе основного и резервного источников определяют на основе фазных токов и противоположных линейных напряжений с учетом угла максимальной чувствительности, при этом, если значения линейных напряжений на шинах основного источника меньше заданного значения напряжения, то в качестве векторов этих напряжений принимают соответствующие напряжения резервного источника, сравнивают значения фазных токов на вводе с заданным значением тока, и если значения фазных токов на вводе основного источника меньше заданного значения тока, а значения фазных токов на резервном вводе больше заданного значения тока, или если мощности на вводе от основного источника меняют знак на отрицательный хотя бы в одной фазе, а мощности на вводе от резервного источника во всех фазах положительны, то переключают питание на резервный источник.

2. Устройство автоматического включения резервного электропитания потребителей, содержащее вводные выключатели основного и резервного источников питания, секционный выключатель, трансформаторы напряжения на шинах основного и резервного источников, трансформаторы токов на вводах основного и резервного источников, аналого-цифровые преобразователи тока и напряжения, блоки определения минимального тока ввода каждой секции, быстродействующее пусковое устройство, выход которого подключен через блок управления к вводным и секционному выключателям, отличающееся тем, что быстродействующее пусковое устройство дополнительно снабжено блоком формирования линейных напряжений основного и резервного источника и блоком определения направления мощности в фазах ввода основного и резервного источника; три входа блока формирования линейных напряжений основного источника соединены с соответствующими выходами аналого-цифровых преобразователей напряжения на шинах основного источника, и четвертый вход соединен с соответствующим выходом блока формирования линейных напряжений резервного источника, а выходы связаны с тремя соответствующими входами блока определения направления мощности в фазах основного источника и входом блока формирования линейных напряжений резервного источника; три входа блока формирования линейных напряжений резервного источника соединены с соответствующими выходами аналого-цифровых преобразователей напряжения на шинах резервного источника, а выходы связаны с тремя соответствующими входами блока определения направления мощности в фазах резервного источника; три входа блока определения направления мощности в фазах основного источника соединены с соответствующими выходами аналого-цифровых преобразователей тока основного источника, а три выхода соединены с соответствующими входами трех логических элементов «И» основного источника, и три остальных выхода соединены с тремя соответствующими входами логических элементов «И» резервного источника; три входа блока определения направления мощности в фазах резервного источника соединены с соответствующими выходами аналого-цифровых преобразователей тока резервного источника, а три выхода соединены с соответствующими входами трех логических элементов «И» резервного источника, и три остальных выхода соединены с тремя соответствующими входами логических элементов «И» основного источника; выходы трех логических элементов «И» основного источника соединены с тремя входами первого логического элемента «ИЛИ» основного источника, а выходы соединены с соответствующим входом второго логического элемента «ИЛИ» основного источника; выходы трех логических элементов «И», резервного источника соединены с тремя входами первого логического элемента «ИЛИ» резервного источника, а выходы соединены с соответствующим входом второго логического элемента «ИЛИ» резервного источника; вход блока определения минимального тока ввода основного источника связан с соответствующими выходами аналого-цифровых преобразователей тока основного источника, а один выход соединен с входом четвертого логического элемента «И» основного источника, и второй выход соединен с соответствующим входом четвертого логического элемента «И» резервного источника; вход блока определения минимального тока ввода резервного источника связан с соответствующими выходами аналого-цифровых преобразователей тока резервного источника, а один выход соединен с входом четвертого логического элемента «И» резервного источника, и второй выход соединен с соответствующим входом четвертого логического элемента «И» основного источника; второй вход второго логического элемента «ИЛИ» основного источника соединен с соответствующим выходом четвертого логического элемента «И» основного источника, а выход соединен с соответствующим входом пятого логического элемента «И» основного источника; второй вход второго логического элемента «ИЛИ» резервного источника соединен с соответствующим выходом четвертого логического элемента «И» резервного источника, а выход соединен с соответствующим входом пятого логического элемента «И» резервного источника; на второй вход пятого логического элемента «И» основного и резервного источника подают блокирующие сигналы от релейной защиты, а выход соединен с входами блока управления.