Устройство для осуществления защиты потребителей от провалов напряжения с помощью синхронного электропривода

Авторы патента:

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к устройствам релейной защиты и автоматики потребителей, не допускающих кратковременного снижения напряжения, например на металлургических предприятиях. Устройство содержит содержащая: шины комплектного трансформаторного пункта (основной источник питания), защищаемую секцию (общие шины системы «компенсатор - потребитель»), ответственные потребители электроэнергии, чувствительные к провалам напряжения, синхронный электродвигатель (резервный источник питания), выключатель защищаемой секции, выключатель синхронного двигателя, систему управления возбуждением электродвигателя, трехфазный трансформатор напряжения КТП, трехфазный трансформатор напряжения защищаемой секции, трансформаторы тока питающей линии защищаемой секции, блок определения направления мощности, блок контроля снижения напряжения U₁ на шинах КТП, блок «И», формирующий сигнал на отключение выключателя защищаемой секции, блок контроля снижения напряжения U₂ на защищаемой секции, блок контроля положения выключателя защищаемой секции, блоки выдержки времени, блок «ИЛИ», формирующий сигнал на отключение выключателя двигателя, блок измерения частоты, блок приведения значения напряжения U₂ к синхронной скорости двигателя, блок вычисления угла между векторами U₁ и U₂, блок компенсации времени включения выключателя, блок контроля синхронизма, блок контроля положения выключателя двигателя, блок контроля наличия напряжения U₁ на шинах источника питания, блок «И», формирующий сигнал на включение выключателя защищаемой секции. Соединение указанных блоков осуществлено согласно материалам заявки. Технический результат от использования предлагаемого устройства, заключающийся в быстродействующей защите чувствительных потребителей от провалов напряжения, обеспечивается за счет использования для резервного питания преобразования запасенной кинетической энергии синхронного электропривода, подключенного к той же секции, что и защищаемые потребители, в электрическую и использования быстродействующих выключателей и микропроцессорных терминалов релейной защиты и автоматики для повышения быстродействия устройства, обеспечения четкой реакции на провалы напряжения и контроля синхронизма при повторном включении питания от сети.1 ил.

Известно устройство для автоматического переключения на резервный источник питания, содержащее основной и резервный источники питания, вводные выключатели, первую и вторую секции шин подстанции, секционный выключатель, первый и второй пусковые органы, реагирующие на снижение напряжения на секции, первый и второй органы контроля напряжения на резервной секции. [вставить источник]

Недостаток данного устройства заключается в том, что время переключения на резервный источник питания достигает 3÷4 с, в течение которых нарушается работа потребителей, чувствительных к кратковременным нарушениям электроснабжения.

Наиболее близким к предлагаемому является пусковое устройство БАВР (быстродействующего автоматического включения резерва) (см. патент РФ 2292621, МПК H02J 9/06, опубл. 21.01.2007 г.), содержащее основной и резервный источники питания, вводные выключатели с блоками ускорения отключения, первую и вторую секции шин подстанций, секционный выключатель, имеющий блок ускорения включения, первый и второй блоки направления активной мощности прямой последовательности, первые входы которых подключены к соответствующим трансформаторам тока основного и резервного источников питания, вторые входы - к соответствующим трансформаторам напряжения первой и второй секций шин, третьи входы подключены перекрестно к трансформаторам напряжения второй и первой секций шин, первый и второй пусковые блоки контроля угла между одноименными векторами напряжений первой и второй секций шин, подключенные к соответствующим трансформаторам напряжения первой и второй секций шин, а выходами соединенные с первыми входами соответственно первого и второго логических элементов 2ИЛИ, трехфазные реле минимального напряжения первой и второй секций шин, входы которых подключены к вторичным обмоткам соответствующих трансформаторов напряжения первой и второй секций шин, а выходы соединены с входами соответственно первого и второго элементов задержки сигнала, выходы последних соединены со вторыми входами соответственно первого и второго логических элементов 2ИЛИ, выходами соединенных со вторыми входами соответственно первых и вторых логических элементов 2И, первые входы последних соединены с выходами соответственно первого и второго элементов ЗАПРЕТ, входы которых соединены перекрестно со вторыми входами первых и вторых логических элементов 2И, выходы первых и вторых логических элементов 2И соединены с третьими входами соответственно первого и второго логических элементов 3И, вторые входы последних соединены с выходами соответственно первого и второго блоков направления активной мощности первой и второй секций шин, первые входы первых и вторых логических элементов 3И подключены к выходам соответственно первого и второго блоков ЗАПРЕТ первой и второй секции шин, выходы первых и вторых логических элементов 3И подключены к первым входам соответственно третьих и четвертых логических элементов 2И первой и второй секций шин, вторые входы которых, подключены к выходу блока выдержки запрещающего сигнала, первый вход которого соединен с выходом логического элемента 2И-НЕ, а второй вход подключен к выходу пятого логического элемента 2И, выход третьего логического элемента 2И соединен с первым исполнительным реле первой секции шин и с первым входом третьей логической схемы 2ИЛИ, выход четвертого логического элемента 2И соединен со вторым исполнительным реле второй секции шин и со вторым входом третьей логической схемы 2ИЛИ, выходы первого и второго исполнительных реле подключены к блоку ускорения отключения вводного выключателя соответственно первой и второй секций шин, выход третьего логического элемента 2ИЛИ соединен со вторым входом третьего логического элемента 3И, первый вход которого соединен с выходом третьего блока ЗАПРЕТ, а третий вход подключен к выходу третьего элемента задержки сигнала, вход которого соединен с выходом блокирующего блока контроля угла, первый вход которого соединен с трансформатором напряжения второй секции шин, а второй вход - с трансформатором напряжения первой секции шин, выход третьего логического элемента 3И соединен с входом третьего исполнительного реле, выход которого подключен к блоку ускорения включения секционного выключателя, первый вход логического элемента 2И-НЕ соединен с выходом трехфазного реле минимального напряжения первой секции шин, а второй вход подключен к выходу трехфазного реле минимального напряжения второй секции шин, первый вход пятого логического элемента 2И соединен с выходом четвертого элемента задержки сигнала, а второй вход подключен к выходу пятого элемента задержки сигнала, вход четвертого элемента задержки сигнала соединен с выходом первого двухфазного реле максимального напряжения первой секции шин, а вход пятого элемента задержки сигнала подключен к выходу второго двухфазного реле максимального напряжения второй секции шин, входы первого и второго двухфазных реле максимального напряжения подключены к соответствующим трансформаторам напряжения основного и резервного источников питания.

Основным недостатком данного пускового устройства БАВР является низкая эффективность его работы на подстанциях с зависимыми источниками питания, имеющими электрическую связь на стороне 10, 35, 110, 220 кВ. При возникновении короткого замыкания (КЗ) в сети происходит снижение напряжения на обоих вводах секций шин подстанций. При этом пусковое устройство может сработать быстрее по одному из вводов, даже при наличии задержки сигнала (на 0,01-0,015 с) в логике его работы. Это приводит к отключению вводного выключателя по этому каналу и автоматическому включению секционного выключателя. Так как на втором вводе также нет напряжения, происходит обесточивание подстанции по обоим вводам.

Предлагаемое устройство содержит основной и резервный источники питания, вводные выключатели с блоками ускорения отключения, первую и вторую секции шин подстанций, синхронный двигатель электропривода с высоким моментом инерции, являющийся резервным источником питания, блок определения направления мощности, подключенный к трансформатору напряжения шин основного источника питания и трансформаторам тока линии к защищаемой секции, блок контроля снижения напряжения U₁ на шинах основного источника питания, подключенный к трансформатору напряжения, блок «И», формирующий сигнал на отключение выключателя защищаемой секции, подключенный к выходам блоков контроля снижения напряжения, определения направления мощности и к терминалу управления выключателем защищаемой секции, блок контроля снижения напряжения U₂ на защищаемой секции, подключенный к трансформатору напряжения, блок контроля положения выключателя защищаемой секции, подключенный к контактам реле положения «отключено» выключателя, блоки выдержки времени, подключенные к выходам блоков контроля снижения напряжения U₂ и положения выключателя защищаемой секции соответственно, блок «ИЛИ», формирующий сигнал на отключение выключателя синхронного двигателя, подключенный к выходам блоков выдержки времени, к схеме управления выключателем двигателя и к системе управления возбуждением электродвигателя, блок измерения частоты, подключенный к трансформатору напряжения защищаемой секции, блок приведения значения напряжения U₂ к синхронной скорости двигателя, подключенный к выходу блока измерения частоты и к трансформатору напряжения, блок вычисления угла между векторами U₁ и U₂, подключенный к трансформаторам напряжения соответствующих секций, блок компенсации времени включения выключателя, подключенный к выходам блоков измерения частоты и угла между векторами U₁ и U₂, блок контроля синхронизма, подключенный к выходам блоков приведения значения напряжения U₂ к синхронной скорости двигателя, компенсации времени включения выключателя и к трансформатору напряжения основного источника питания, блок контроля положения выключателя двигателя, подключенный к контактам реле положения «включено» выключателя, блок контроля наличия напряжения U₁ на шинах источника питания, подключенный к трансформатору напряжения, блок «И», формирующий сигнал на включение выключателя, подключенный к выходам блоков контроля положения выключателя защищаемой секции и двигателя, контроля наличия напряжения U₁ на шинах основного источника питания и к схеме управления выключателем защищаемой секции.

Технический результат от использования предлагаемого устройства, заключающийся в быстродействующей защите чувствительных потребителей от провалов напряжения, обеспечивается за счет использования для резервного питания преобразования запасенной кинетической энергии синхронного электропривода, подключенного к той же секции, что и защищаемые потребители, в электрическую и использования быстродействующих выключателей и микропроцессорных терминалов релейной защиты и автоматики для повышения быстродействия устройства, обеспечения четкой реакции на провалы напряжения и контроля синхронизма при повторном включении питания от сети.

На фиг.1 изображена схема устройства для защиты потребителей от провалов напряжения с помощью синхронного электропривода, содержащая: шины комплектного трансформаторного пункта (КТП) (основной источник питания) 1, защищаемую секцию (общие шины системы «компенсатор - потребитель») 2, ответственные потребители электроэнергии, чувствительные к провалам напряжения 3, синхронный электродвигатель (резервный источник питания) 4, выключатель защищаемой секции 5, выключатель синхронного двигателя 6, систему управления возбуждением электродвигателя 7, трехфазный трансформатор напряжения КТП 8, трехфазный трансформатор напряжения защищаемой секции 9, трансформаторы тока питающей линии защищаемой секции 10. блок определения направления мощности 11, подключенный к трансформатору напряжения 8 и трансформаторам тока 9, блок контроля снижения напряжения U₁ на шинах КТП 12, подключенный к трансформатору напряжения 8, блок «И», формирующий сигнал на отключение выключателя 5, подключенный к выходам блоков 11, 12 и к терминалу управления выключателем 5, блок контроля снижения напряжения U₂ на защищаемой секции 14, подключенный к трансформатору напряжения 9, блок 15 контроля положения выключателя 5, подключенный к контактам РПО (реле положения «отключено») выключателя 5, блоки выдержки времени 16, 17, подключенные к выходам блоков 14 и 15 соответственно, блок «ИЛИ», формирующий сигнал на отключение выключателя 6, подключенный к выходам блоков 16, 17 к схеме управления выключателем 6 и к системе управления возбуждением электродвигателя 7, блок измерения частоты 19, подключенный к трансформатору напряжения 9, блок приведения значения напряжения U₂ к синхронной скорости двигателя, подключенный к выходу блока 19 и к трансформатору напряжения 9, блок вычисления угла между векторами U₁ и U₂ 21, подключенный к трансформаторам напряжения 8, 9, блок компенсации времени включения выключателя 22, подключенный к выходам блоков 19, 21, блок контроля синхронизма 23, подключенный к выходам блоков 20, 22 и к трансформатору напряжения 8, блок контроля положения выключателя 6, подключенный к контактам РПВ (реле положения «включено») выключателя 6, блок контроля наличия напряжения U₁ на шинах источника питания 25, подключенный к трансформатору напряжения 8, блок «И», формирующий сигнал на включение выключателя 5, подключенный к выходам блоков 15, 23, 24, 25 и к схеме управления выключателем 5.

Устройство работает следующим образом. От шин 0,4 кВ КТП 1 получает питание распределительный щит 2, представляющий собой общие шины для потребителей 3, чувствительных к провалам напряжения, и синхронного электродвигателя 4. Блок 12 контролирует напряжение на шинах КТП. При провале напряжения он выдает сигнал в блок «И» 13 по факту снижения напряжения до величины U₁<U_1min (где U_1min - минимально допустимое напряжение в длительном режиме, равное 90% от номинального). Для исключения реагирования на внутренние повреждения блок контроля направления мощности 11 выдает сигнал на блок «И» 13 только при направлении мощности от защищаемой секции 2 во внешнюю сеть, что свидетельствует о внешнем повреждении, вызвавшем провал напряжения. При выполнении двух перечисленных условий блок «И» 13 выдает сигнал на отключение защищаемой секции 2 от источника питания 1 выключателем 5. На время работы релейной защиты и противоаварийной автоматики внешней сети напряжение на защищаемой секции поддерживается за счет запасенной кинетической энергии синхронного электропривода 4.

При неустранимом повреждении во внешней сети потребители секции 2 отключаются. Для этого блок 14 контролирует величину остаточного напряжения U₂. При снижении данной величины до величины U₂<U_2доп.(где U_2доп. - минимально допустимое напряжение в кратковременном режиме для защищаемых потребителей) блок 14 выдает сигнал на блок 16, обеспечивающий выдержку времени для отстройки от мгновенных бросков напряжения при переходном процессе, после чего блок 16 выдает сигнал на блок «ИЛИ» 18. Блок 15 контролирует положение выключателя 5. При отключении защищаемой секции от сети этот блок выдает сигнал в блок 17, который обеспечивает выдержку времени для отстройки от максимального времени срабатывания устройств релейной защиты и автоматики во внешней сети, после чего повреждение во внешней сети считается неустранимым, и блок 17 выдает сигнал на блок «ИЛИ» 18. При выполнении одного из условий повреждение во внешней сети считается неустранимым, что делает нецелесообразным дальнейшее поддержание напряжения на защищаемой секции. В этом случае блок 18 выдает сигнал на отключение выключателя 6 синхронного двигателя 4 и на гашение поля в систему управления возбуждением 7, отключая тем самым секцию 2 от аварийного источника питания.

При восстановлении уровня напряжения во внешней сети происходит повторное включение выключателя защищаемой секции и восстановление нормальной схемы электроснабжения. Для этого блок 25 контролирует значение напряжения на шинах КТП 1 и выдает сигнал на блок «И» 26 при превышении значением напряжения величины U1>U_1доп. (где U_1доп. - минимальное значение напряжения U1, при котором допустимо повторное включение потребителей). Блок 24 контролирует положение выключателя 6 и выдает сигнал на блок «И» 26 при его включенном положении. Также сигнал на блок «И» 26 подается от блока 15. Таким образом разрешение повторного включения дается только при аварийной схеме электроснабжения (выключатель секции 5 выключен, а выключатель двигателя компенсатора 6 включен). Контроль синхронизма при включении выключателя 5 обеспечивается блоком 23 по формуле:

(там квадраты должны быть) где I" - сверхпереходной ток двигателя при включении в сеть; I_п - пусковой ток двигателя; U_c - напряжение сети (U₁ ); Е_д.пр. - ЭДС двигателя, приведенная к синхронной скорости двигателя по формуле:

где Е_д - ЭДС двигателя (равная U₂ и поступающая на вход блока 20), - угловая скорость двигателя; ₀ - синхронная скорость двигателя.

Так как отношение синхронной и угловой скорости двигателя пропорционально отношению соответствующих электрических частот, то вычисление в блоке 20 производится на основе заданного значения номинальной частоты сети и измеренного в блоке 19 значения частоты напряжения U₂.

- угол между векторами U₁ и U₂, вычисляемый в блоке 21. Поскольку эти вектора постоянно двигаются относительно друг друга, между моментом подачи сигнала на включение выключателя блоком «И» 26 и моментом включения выключателя 5 вектора U₁ и U₂ сместятся относительно друг друга, в результате чего может нарушиться условие синхронизации. Для этого блоком 22 обеспечивается компенсация времени включения выключателя по формуле:

где t_вкл. - время включения выключателя согласно паспортным данным; _с - номинальная угловая частота сети; * - относительная угловая скорость векторов U₁ и U₂.

Условием синхронизации является ограничение сверхпереходного тока двигателя при включении в сеть. При выполнении этого условия блок 23 подает сигнал на блок «И» 26. При одновременном выполнении вышеперечисленных условий блок 26 подает сигнал на включение выключателя 5, восстанавливая электроснабжение защищаемых потребителей по нормальной схеме.

Устройство для осуществления защиты потребителей от провалов напряжения с помощью синхронного электропривода, содержащее основной и резервный источники питания, вводные выключатели с блоками ускорения отключения, первую и вторую секции шин подстанций, отличающееся тем, что введены синхронный двигатель электропривода с высоким моментом инерции, являющийся резервным источником питания, блок определения направления мощности, подключенный к трансформатору напряжения шин основного источника питания и трансформаторам тока линии к защищаемой секции, блок контроля снижения напряжения U₁ на шинах основного источника питания, подключенный к трансформатору напряжения, блок «И», формирующий сигнал на отключение выключателя защищаемой секции, подключенный к выходам блоков контроля снижения напряжения, определения направления мощности и к терминалу управления выключателем защищаемой секции, блок контроля снижения напряжения U₂ на защищаемой секции, подключенный к трансформатору напряжения, блок контроля положения выключателя защищаемой секции, подключенный к контактам реле положения «отключено» выключателя, блоки выдержки времени, подключенные к выходам блоков контроля снижения напряжения U₂ и положения выключателя защищаемой секции соответственно, блок «ИЛИ», формирующий сигнал на отключение выключателя синхронного двигателя, подключенный к выходам блоков выдержки времени, к схеме управления выключателем двигателя и к системе управления возбуждением электродвигателя, блок измерения частоты, подключенный к трансформатору напряжения защищаемой секции, блок приведения значения напряжения U₂ к синхронной скорости двигателя, подключенный к выходу блока измерения частоты и к трансформатору напряжения, блок вычисления угла между векторами U₁ и U₂, подключенный к трансформаторам напряжения соответствующих секций, блок компенсации времени включения выключателя, подключенный к выходам блоков измерения частоты и угла между векторами U₁ и U₂, блок контроля синхронизма, подключенный к выходам блоков приведения значения напряжения U₂ к синхронной скорости двигателя, компенсации времени включения выключателя и к трансформатору напряжения основного источника питания, блок контроля положения выключателя двигателя, подключенный к контактам реле положения «включено» выключателя, блок контроля наличия напряжения U₁ на шинах источника питания, подключенный к трансформатору напряжения, блок «И», формирующий сигнал на включение выключателя, подключенный к выходам блоков контроля положения выключателя защищаемой секции и двигателя, контроля наличия напряжения U₁ на шинах основного источника питания и к схеме управления выключателем защищаемой секции.