Устройство управляемой коммутации

Устройство управляемой коммутации содержит блок питания, блок синхронизации, блок настройки момента включения, формирователь сигнала управления, преобразователь контактных сигналов, блок настройки момента отключения, блок совпадения, датчик напряжения и измеритель напряжения, устройство логического умножения, выключатель с блок-контактом и трехфазным приводом. Устройство снабжено быстродействующими коммутаторами, вторым датчиком напряжения, вторым измерителем напряжения, вторым устройством логического умножения, интеграторами, запоминающими устройствами, ключом, блоком выбора фазы, вторым блоком совпадения. Быстродействующие коммутаторы выполнены в виде двухоперационных тиристоров или вакуумных управляемых разрядников.

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для управляемой коммутации трансформаторов (автотрансформаторов) (в дальнейшем трансформаторов) с целью снижения и даже исключения бросков тока включения, снижения повторных пробоев выключателей при их коммутации, снижения уровня искажений напряжения сети и повышения энергоэффективности подстанций. Дополнительно устройство может быть использовано для сетевых испытаний трансформаторов на коммутационную способность и стойкость к короткому замыканию.

Известно устройство - аналог «Устройство синхронного отключения выключателя» (Патент SE 514918, класс Н01Н 33/59 Device for synchronised switching-off of HV mains switch, 2001-05-04) [1], которое предназначено для отключения аварийных токов в моменты перехода через нуль с отклонением порядка 1 мс в каждой отключаемой фазе. Устройство [1] не может быть использовано для коммутации ненагруженных трансформаторов, ток отключения которых составляет единицы Ампер. Оно не решает задачу управления моментом включения трансформаторов.

Известно устройство-аналог управляемой коммутации фирмы ABB (www.abb.com) (Application Guide ABB (Buyer's Guide), Switchsync^ТМ Controllers, 1986) [2], которое относится к устройствам синхронной коммутации типа жесткого программного автомата с адаптивной подстройкой момента коммутации из-за изменения окружающих условий.

Недостатками [2] являются:

- требуется применение пофазного высокоточного привода со стабильными характеристиками, что удорожает выключатель;

- время коммутации зависит от окружающих условий (температуры, частоты коммутации, напряжения питания привода);

- возникающая при этом недостаточная точность включения ±1 мс, которая не исключает броски тока при включении трансформатора;

- необходимость периодических подстроек уставок устройства при изменении окружающих условий;

- из-за недостаточной точности включения фазы устройство [2] позволяет снизить броски тока при включении трансформатора только до уровня рабочего тока, но не исключает искажения напряжения и вносит дополнительные потери на подстанции.

Допускаемая точность включения ±1 мс требует осуществлять периодические подстройки устройства хотя бы раз в полгода с учетом того, что разброс изменения рабочей температуры для пружинного привода дает отклонение ±2 мс от изменения напряжения питания привода ±2 мс («А. Holm, R. Alvinsson, U. Akesson, O. Karlen Development of controlled switching of reactors, capacitors, transformers and lines, Gigre 1990, 13-201») [3]. По данным («Working Group 13.07, Controlled switching of HVAC circuit breakers, Electra 197, 2001») [4] в зависимости от изменения периода коммутации от 1 до 5-10 суток разброс может превысить 3 мс.

Таким образом устройство - аналог обладает недостаточной точностью (требуется точность порядка 0,1 мс, а не 2 мс), зависимостью от окружающих условий, требует реализации пофазного привода выключателя и периодической подстройки уставок.

Прототипом полезной модели является «Устройство синхронизации выключателя (УСВ)» (Кузьменко В.А., Лурье А.И., Панибратец А.Н., Чуприков B.C. Снижение тока включения трансформаторов. Электротехника, 1997, 2) [5], которое содержит блок синхронизации, блоки настройки моментов включения и отключения, блоки формирования сигналов управления выключателя, а также преобразователь контактных сигналов, схема «И», короткозамыкатели.

Указанное устройство УСВ обеспечивает синхронизацию моментов формирования сигналов включения и отключения выключателя трансформатора относительно фазы питающего напряжения, т.е. является жестким программным автоматом, который исключает самый неблагоприятный случай наибольшего остаточного намагничивания трансформатора при его отключении.

Недостатками устройства [5] являются:

- зависимость от схемы соединения обмоток трансформатора и типа привода выключателя,

- необходимость стабильности длительности интервалов времени от момента подачи напряжения на катушку включения (отключения) выключателя до момента замыкания (размыкания) его контактов (не более 2 мс),

- программная реализация для исключения самого неблагоприятного режима включения на максимальную остающуюся индукцию в стержнях,

- большой разброс времени включения ±2 мс.

В результате не исключаются броски тока включения трансформаторов.

Задача полезной модели заключается в создании устройства, позволяющего управлять токами включения как в эксплуатационном, так и испытательном режимах работы.

Технический результат, достигаемый в полезной модели, заключается в повышении точности включения до 0,1 мс с целью исключения бросков тока, исключения зависимости от окружающих условий и ликвидации периодических подстроек уставок, использовании более простого и дешевого трехфазного привода выключателя.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в устройстве управляемой коммутации, содержащем блок питания, блок синхронизации, блок настройки момента включения, формирователь сигнала управления, преобразователь контактных сигналов, блок настройки момента отключения, блок совпадения, датчик напряжения и измеритель напряжения, устройство логического умножения, выключатель с блок-контактом и трехфазным приводом, вход которого соединен с выходом формирователя сигнала управления, а выход блок-контакта связан с входом преобразователя контактных сигналов, при этом выход устройства логического умножения связан с входом формирователя сигнала управления, причем выход первого датчика напряжения соединен с входом первого измерителя напряжения, выход первого измерителя напряжения соединен с входом блока настройки момента включения, а выход блока настройки момента включения соединен со входом блока совпадения, предусмотрены следующие отличия: устройство снабжено быстродействующими коммутаторами, вторым датчиком напряжения, вторым измерителем напряжения, вторым устройством логического умножения, интеграторами, запоминающими устройствами, ключом, блоком выбора фазы, вторым блоком совпадения, при этом второй датчик напряжения установлен на выходе выключателя и соединен с входом второго измерителя напряжения, выход второго измерителя напряжения соединен с входом второго интегратора, а выход второго интегратора соединен с первым входом запоминающего устройства, причем на второй вход запоминающего устройства поступает сигнал отключения выключателя, а первый выход запоминающего устройства соединен с первым входом ключа, второй вход ключа соединен с выходом блока выбора фазы, причем выходы запоминающих устройств всех фаз соединены с входами блока выбора фазы, при этом выход ключа соединен со вторым входом первого устройства логического умножения, а первый вход устройства логического умножения связан с выходом первого интегратора, причем вход первого интегратора соединен с выходом первого измерителя напряжения, а на третий вход устройства логического умножения подана уставка разницы потокосцеплений на входе и выходе выключателя, при этом оба входа второго устройства логического умножения соединены с выходами запоминающих устройств, а выход второго устройства логического умножения соединен с первым входом второго блока совпадений, причем второй вход второго блока совпадений соединен с блок-контактом выключателя.

Кроме того, предложенное устройство отличается тем, что быстродействующие коммутаторы выполнены в виде двухоперационных тиристоров.

Кроме того, предложенное устройство отличается тем, что быстродействующие коммутаторы выполнены в виде вакуумных управляемых разрядников.

Предложенное устройство также отличается тем, что выходы второго блока совпадений соединены со вторыми входами формирователей сигнала управления.

Предлагаемая полезная модель обладает расширенными функциональными возможностями и дает возможность создать наиболее высокие броски тока включения, что позволяет применить устройство для сетевых испытаний трансформаторов (автотрансформаторов) на коммутационную способность и стойкость к короткому замыканию взамен экспериментальной установки, содержащей тиристорные ключи и повышающий трансформатор («А.Ю.Хренников. Возрождение испытательной базы для проверки силовых трансформаторов на электродинамическую стойкость, Вести в электротехнике, 1, 2009 г.» [6]).

Полезная модель выполнена с возможностью использования датчиков линейных напряжений. Предусмотрена возможность первоочередного включения двух фаз.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами и иллюстрациями, где

на фиг.1 приведена схема устройства управляемой коммутации в эксплуатационном и испытательном режимах,

на фиг.2 приведено обозначение датчиков, сигналов и команд для схемы фиг.1,

на фиг.3 приведена диаграмма потокосцеплений F_1,2 фазы А, напряжения на входе выключателя U_1А команд для фаз А, В, С,

на фиг.4 приведена структура управляемой коммутации в схеме фиг.1,

на фиг.5 приведены модельные кривые токов при благоприятной коммутации (в условиях эксплуатации),

на фиг.6 приведены модельные кривые токов при неблагоприятной коммутации (при испытаниях трансформаторов).

Устройство управляемой коммутации содержит (фиг.1): выключатель 1, трансформатор 2, формирователь 3 сигнала управления, первый датчик 4 напряжения, первый измеритель 5 напряжения, блок настройки момента включения 6, первый блок совпадения 7, первое устройство логического умножения 8 ( F), блок-контакт 9 выключателя, быстродействующий коммутатор 10, второй датчик напряжения 11, второй измеритель напряжения 12, второй интегратор 13 (F2), запоминающее устройство 14, ключ 15, блок выбора фазы 16 (по максимуму), первый интегратор 17 (F1), второе устройство логического умножения 18 ( F), второй блок совпадений 19.

Вход выключателя 1 соединен с выходом 27 формирователя 3 сигнала управления фазы А, причем выход первого датчика напряжения на одной из фаз сети 4 соединен с входом 29 первого измерителя напряжения 5, а его выход 30 соединен со входом блока настройки момента включения 6, выход которого соединен с первым входом 24 блока совпадений 7. Второй вход 25 блока совпадений 7 соединен с выходом блок-контакта 9 выключателя 1, причем выход 26 блока совпадений 7 соединен со входами 47 и 49 формирователей 3 сигналов управления фаз В и С, а вход 23 формирователя 3 сигналов управления каждой фазы соединен с выходом 22 первого сравнивающего устройства 8.

С целью повышения точности включения параллельно контактам выключателя 1 присоединены быстродействующие коммутаторы 10. Предусмотрено выполнение быстродействующих коммутаторов 10 в виде двухоперационных тиристоров или вакуумных управляемых разрядников.

С целью исключения бросков тока включения коммутируемого трансформатора для контроля разницы потокосцеплений в стержнях трансформатора второй датчик напряжения 11 на выходе выключателя соединен с входом второго измерителя напряжения 12, который своим выходом соединен со входом второго интегратора 13, а выход второго интегратора 13 соединен с входом 41 запоминающего устройства 14, на вход 33 которого поступает сигнал отключения выключателя.

Выход 39 запоминающего устройства 14 соединен с входом 40 ключа 15, вход 38 которого соединен с выходом блока выбора фазы 16, причем выходы 42, 54, 52 запоминающих устройств 14 всех фаз поданы на соответствующие входы 34, 35, 36 блока выбора фазы 16.

Выход ключа 15 соединен с входом 21 первого устройства логического умножения 8, на первый вход 20 которого подан выход первого интегратора 17, причем его вход 31 соединен с выходом первого измерителя напряжения 5. На вход 32 устройства логического умножения 8 подана уставка разницы потокосцеплений на входе и выходе выключателя.

С целью увеличения бросков тока включения коммутируемого трансформатора при его испытаниях на оба входа 55, 56 второго устройства логического умножения 18 подают выходы 53, 51 соответственно запоминающих устройств 14 фаз В и С, а выход 57 второго устройства логического умножения 18 соединен с входом 45 второго блока совпадений 19, вход 44 которого соединен с блок-контактом 9 выключателя 1, а выход 46 блока совпадений 19 соединен со вторыми входами 48, 50 формирователей 3 сигналов управления фаз В и С.

Для расширения функциональных возможностей испытаний трансформатора введены дополнительные блоки 18 и 19, на первый и второй входы 55 и 56 блока 18 (второго устройства логического умножения) подают выходы запоминающих устройств двух других фаз 51 и 53, а выход 57 второго устройства логического умножения 18 соединен с входом 45 второго блока совпадений 19, вход 44 которого соединен с блок-контактом выключателя 9, а выход 46 указанного блока соединен с входами 48 и 50 соответствующего формирователя сигналов управления остальных двух фаз.

Для создания наибольших токовых воздействий изменяется уставка разницы потокосцеплений вместо нуля до максимума для первой фазы А (с наибольшим остаточным потоком), включение для второй и третьей фазы (В, С) осуществляется по условию F _Вост=F_Сост, где F_Вост и F_Сост - измеренные значения остаточных потокосцеплений элемента 14 фаз В и С. Наибольшие токовые воздействия необходимы для испытательного режима, для которого используются второе сравнивающее устройство 18, второй блок совпадения 19. Испытательный режим показан на фиг.1 ниже эксплуатационного режима.

Быстродействующий коммутатор 10 выполнен с возможностью подключения датчика тока.

Внешними сигналами для устройства на фиг.1 являются сигналы:

О_вх - отключить выключатель 1, В_вх - включить устройство, И - измерить напряжения, сигнал уставки F_уст, равный нулю (для эксплуатации) или максимуму (для испытаний).

Датчики напряжения и остаточного потокосцепления и команды для трех фаз показаны на фиг.2. При этом учитывается, что F=Udt.

Устройство работает следующим образом:

Перед осуществлением любой коммутации трансформатора 2 (фиг.1) подается внешний сигнал В_вх включения устройства, затем с выдержкой времени примерно 0,1 с от внешнего устройства поступает сигнал О_вх отключения выключателя 1, по которому запоминающее устройство 14 запоминает остаточное потокосцепление в трех фазах стержней трансформатора 2.

Блок 16 выбора фазы и максимума остаточных потокосцеплений F_ост трех фаз подает сигнал замыкания ключа 15, например, фазы А, который соединен со входом 21 первого устройства логического умножения 8, который сравнивает потокосцепление F₁ до выключателя 1 с запомненным значением F_2ост.

Выход первого датчика напряжения 4 подан на вход первого измерителя напряжения 5, выход 31 которого соединен со входом первого интегратора 17, формирующего текущее значение потокосцепления F₁.

Для эксплуатации сигнал у ставки F_уст=F₁-F_2ост=0 и при совпадении текущего потокосцепления F₁ на входе 20 и остаточного потокосцепления F_2ост на входе 21, на выходе 22 первого устройства логического умножения 8 появляется сигнал срабатывания, поступающий на вход 23 формирователя 3 сигнала управления фазы А.

Формирователь 3 формирует сигнал включения, который с выхода 27 поступает на привод выключателя 1, а с выхода 28 на управляющий электрод быстродействующего коммутатора 10 (тиристора или РВУ).

Для включения остальных фаз В и С с выхода 30 текущее значение первого измерителя напряжения U₁ поступает на блок настройки момента включения 6. После срабатывания выключателя 1 фазы А и замыкания его блок - контакта 9 блок совпадения 7 выдает сигнал на включение двух оставшихся фаз, т.е. в момент перехода через нуль напряжения U₁ фазы А.

Для испытаний трансформатора значение уставки первого устройства логического умножения 8 F_уст принимается равным максимальному значению текущего потокосцепления F₁.

Порядок включения двух оставшихся фаз В и С может быть уточнен исходя из условия F_2Bocт=F_2Сocт после включения фазы А (взамен условия U_1А=0).

Работа устройства поясняется диаграммой на фиг.3, на которой приведено формирование команд включения трех фаз В_вых в зависимости от потокосцеплений F₁, F_2ост и переходов через нуль напряжения U₁ фазы А.

Сплошные линии соответствуют благоприятному случаю минимума токов включения для эксплуатационного режима, а пунктир - неблагоприятному случаю максимума токов для испытательного режима.

На фиг.4 приведена структура предлагаемого устройства, которая соответствует двум различным условиям: в левой части - для эксплуатации с минимальными токами включения; в правой части - для испытаний с наибольшими токами включения. Приведенная структура соответствует максимуму оставшегося потокосцепления для фазы А - F_2Аост. Обозначения сигналов и команд соответствует фиг.2, команда И_А=1 - измерить фазу А.

На фиг.5 для трансформатора 132/15 кВ мощностью 155 МВА приведены модельные кривые токов включения для благоприятного случая с использованием предлагаемого устройства по фиг.1 (значение уставки F_yст=0).

Анализ кривых показывает, что при включении ненагруженного трансформатора в нем сразу устанавливается ток холостого хода на уровне 1 А без предшествующего переходного режима.

На фиг.6 для указанного трансформатора и применения предлагаемого устройства по фиг.1, в которой F_уст=max получена амплитуда токов включения на уровне 4 кА (а может быть и более в зависимости от уровня остаточного потокосцепления, которое зависит от момента отключения выключателя 1), приближающаяся к уровню тока короткого замыкания 5 кА, что позволяет испытывать трансформатор в сети, а не в испытательном центре.

Выключение быстродействующего коммутатора 9 происходит после снижения его тока до нуля после замыкания контактов выключателя 1. В результате в длительном режиме ток трансформатора протекает через выключатель, что снижает потери в коммутаторе и технические требования к нему.

Технический результат предлагаемого устройства в эксплуатации определяется:

- снижением технических требований к трансформатору и выключателю, повышением их надежности и ресурса работы,

- снижением искажений напряжения в сети длительностью 1-10 минут, снижением потерь на подстанции,

- отстройкой релейных защит от срабатывания в режимах коммутации трансформаторов за счет снижения бросков тока включения ниже уставок релейных защит.

При испытаниях трансформаторов на коммутационную способность и стойкость предлагаемое устройство позволяет:

- отказаться от применения повышающего трансформатора и параллельно соединенных тиристорных ключей,

- осуществить точное включение в самый неблагоприятный режим с целью проведения сетевых испытаний при отсутствии испытательного центра.

Предлагаемая полезная модель позволяет:

- проводить измерения текущих напряжений и потокосцеплений вплоть до момента отключения выключателя на его входе и выходе,

- осуществлять запоминание отключенных потокосцеплений на выходе выключателя, производить выбор знака и значения наибольшего потокосцепления и соответствующей фазы,

- задавать при последующем включении для эксплуатации значение уставки в виде разницы потокосцеплений F_уст=0, а для испытаний - F_ycт=max,

- осуществлять формирование сигнала включения для быстродействующего коммутатора и выключателя первой фазы (А) в заданный момент уставки,

- осуществлять включение двух оставшихся фаз (В, С) для благоприятного случая эксплуатации в момент, когда напряжение на первой фазе U _А равно нулю после замыкания контактов выключателя, а для испытаний, когда F_Вост=F_Сост.

Применение предлагаемого устройства позволит удешевить испытательную установку, а также повысить безопасность испытаний, исключить броски тока, возникающие при коммутации трансформаторов при эксплуатации, снизить вероятность повторных пробоев выключателя, а следовательно снизить технические требования к трансформатору и выключателю, повысить их надежности и ресурс работы; снизить искажения напряжения в сети, а следовательно снизить потери на подстанции и повысить энергоэффективность подстанции.

Исходя из вышеизложенно задача создания устройства, позволяющего управлять токами включения как в эксплуатационном, так и испытательном режимах работы, решена.

Источники информации

1. Патент SE 514918, класс Н01Н 33/59 Device for synchronised switching-off of HV mains switch, 2001-05-04;

2. Application Guide ABB (Buyer's Guide), Switchsync^ТМ Controllers, 1986;. Holm, R. Alvinsson, U. Akesson, O. Karlen Development of controlled switching of reactors, capacitors, transformers and lines, Gigre 1990, 13-201; www.abb.com

3. Working Group 13.07, Controlled switching of HVAC circuit breakers, Electra 197, 2001;

4. Кузьменко В.А., Лурье А.И., Панибратец А.Н., Чуприков B.C. Снижение тока включения трансформаторов, Электротехника, 1997, 2;

5. А.Ю.Хренников Возрождение испытательной базы для проверки силовых трансформаторов на электродинамическую стойкость. Вести в электротехнике, 1, 2009 г.

1. Устройство управляемой коммутации, содержащее блок питания, блок синхронизации, блок настройки момента включения, формирователь сигнала управления, преобразователь контактных сигналов, блок настройки момента отключения, блок совпадения, датчик напряжения и измеритель напряжения, устройство логического умножения, выключатель с блок-контактом и трехфазным приводом, вход которого соединен с выходом формирователя сигнала управления, а выход блок-контакта связан с входом преобразователя контактных сигналов, при этом выход устройства логического умножения связан с входом формирователя сигнала управления, причем выход первого датчика напряжения соединен с входом первого измерителя напряжения, выход первого измерителя напряжения соединен со входом блока настройки момента включения, а выход блока настройки момента включения соединен со входом блока совпадения, отличающееся тем, что оно снабжено быстродействующими коммутаторами, вторым датчиком напряжения, вторым измерителем напряжения, вторым устройством логического умножения, интеграторами, запоминающими устройствами, ключом, блоком выбора фазы, вторым блоком совпадения, при этом второй датчик напряжения установлен на выходе выключателя и соединен с входом второго измерителя напряжения, выход второго измерителя напряжения соединен с входом второго интегратора, а выход второго интегратора соединен с первым входом запоминающего устройства, причем на второй вход запоминающего устройства поступает сигнал отключения выключателя, а первый выход запоминающего устройства соединен с первым входом ключа, второй вход ключа соединен с выходом блока выбора фазы, причем выходы запоминающих устройств всех фаз соединены с входами блока выбора фазы, при этом выход ключа соединен со вторым входом первого устройства логического умножения, а первый вход устройства логического умножения связан с выходом первого интегратора, причем вход первого интегратора соединен с выходом первого измерителя напряжения, а на третий вход устройства логического умножения подана уставка разницы потокосцеплений на входе и выходе выключателя, при этом оба входа второго устройства логического умножения соединены с выходами запоминающих устройств, а выход второго устройства логического умножения соединен с первым входом второго блока совпадений, причем второй вход второго блока совпадений соединен с блок-контактом выключателя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что быстродействующие коммутаторы выполнены в виде двухоперационных тиристоров.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что быстродействующие коммутаторы выполнены в виде вакуумных управляемых разрядников.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выходы второго блока совпадений соединены со вторыми входами формирователей сигнала управления.