Ершов А.М. Автоматизация систем электроснабжения - файл n1.doc

Ершов А.М. Автоматизация систем электроснабжения
скачать (5181 kb.)
Доступные файлы (1):

5181kb.

19.11.2012 18:12

n1.doc

1 2 3 4 5

Министерство образования Российской Федерации

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра "Системы электроснабжения"
А.М. Ершов
АВТОМАТИЗАЦИЯ

СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Курс лекций для специальности

100400 – «Электроснабжение»

Челябинск

Издательство ЮУрГУ

2009

УДК 621.316(075)
Ершов А.М. Автоматизация систем электроснабжения: Учебное пособие для студентов специальности 100400. – Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2009. - 100 с.
Изложены сведения о современных устройствах автоматики систем электроснабжения.

Пособие предназначено для студентов специальности 100400 – «Электроснабжение», изучающих курс релейной защиты и автоматики.
Ил. 65, табл. 2, список литературы – 33 назв.

1. Общие положения

2. Автоматическое повторное включение

3. Автоматический ввод резерва

4. Автоматическая частотная разгрузка

5. Автоматическая токовая разгрузка

6. Автоматическое регулирование напряжения в электрических сетях переменного тока

7. Автоматическое регулирование мощности конденсаторных батарей

8. Автоматическое регулирование возбуждение синхронных двигателей и синхронных компенсаторов

9. Автоматическая компенсация емкостных токов однофазного замыкания на землю

10. Телемеханика систем электроснабжения

11. Прочие системы автоматики

12. Литература

13. Приложение

3

10

22

38

43
45

54
67
70

81

93

96

98

1. Общие положения
1.1. Организация управления системой электроснабжения
Системой электроснабжения (СЭС) называется совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией [1]. Она осуществляет единый процесс производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии.

Системы электроснабжения - это сложный производственный комплекс, все элементы которого участвуют в едином производственном процессе, основными специфическими особенностями которого являются:

1. Быстротечность явлений – имеет место одновременность генерирования электроэнергии и её потребления.

2. Неизбежность повреждений аварийного характера - коротких замыканий (КЗ) или иных повреждений в электрических установках.

3. Изменение режима электропотребления, приводящие к дефициту или избытку активной и реактивной мощности, и как следствие – к изменению таких параметров как напряжение, частота, нагрузка на элементы СЭС.

Различают три режима работы СЭС: нормальный, аварийный и послеаварийный.

Поясним это на конкретных примерах.

Повреждения в СЭС обычно сопровождаются КЗ. В каком бы месте СЭС ни возникло КЗ, оно в той или иной мере отражается на работе всех ее элементов, находящихся во взаимной связи и взаимозависимости. Процессы КЗ характеризуются прохождением больших токов и глубоким понижением напряжения. Они возникают и развиваются в очень короткое время. Очень важно для обеспечения нормальной работы СЭС и потребителей электроэнергии по возможности быстро (в течение десятых и даже сотых долей секунды) выявить и отделить место повреждения от неповрежденной части.

Ясно, что эта задача не может быть выполнена персоналом в такое короткое время. Ее выполнение возложено на устройства релейной защиты, являющиеся основными видами электрической автоматики СЭС. Релейная защита непрерывно контролирует состояние и режимы работы оборудования и в случае возникновения КЗ или опасных ненормальных режимов воздействует на отключение соответствующих выключателей. Таким образом, релейной защитой обеспечивается лишь быстрое и надежное отделение места повреждения. Последствия же аварии (восстановление нормального режима работы оборудования и питания потребителей) устраняются оперативным персоналом и действием специальных устройств противоаварийной автоматики.

Время, затрачиваемое персоналом на ликвидацию несложных аварий после автоматического отключения поврежденного оборудования релейной защитой, исчисляется минутами, если персонал находился на щите управления подстанции и был готов к экстренным действиям. На ликвидацию сложных аварий уходят как минимум десятки минут. По скорости действия и точности определения характера повреждения автоматические устройства намного превышают действия, выполняемые оперативным персоналом. Поэтому на современном этапе развития энергетики широкое применение нашли устройства противоаварийной автоматики, позволяющие в течение секунд устранять аварийные режимы и восстанавливать схемы электроснабжения потребителей, исключая в ряде случаев вмешательство персонала.

В нормальном режиме работы СЭС процесс производства, передачи и распределения электроэнергии также динамичен и подвержен случайным возмущающим воздействиям – изменениям соотношения вырабатываемой потребляемой активной и реактивной мощности. При дефиците активной мощности падает частота в сети, а при дефиците реактивной мощности – уменьшается напряжение.

Кроме того, в нормальных режимах СЭС при каких ситуациях могут отключаться один из параллельно работающих трансформаторов или одна из питающих линий. Например, на ГПП с двумя трансформаторами при отключении одного второй перегружается и может проработать ограниченное время – соответственно это отслеживать и при необходимости отключать часть нагрузки.

Учитывая изложенное, можно отметить, что надежное и экономичное функционирование систем электроснабжения в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах возможно только при широкой их автоматизации и телемеханизации.

Соответственно рассмотренным режимам работы СЭС различают следующие виды автоматики СЭС:

1. Автоматика управления нормальными режимами СЭС. Она обеспечивает:

- автоматическое поддержание на заданном уровне напряжения, частоты и реактивной мощности на шинах электрических станций;

- автоматического регулирования коэффициента трансформации трансформаторов с устройствами регулирования под нагрузкой;

- автоматического регулирования реактивной мощности статических конденсаторов;

- автоматического регулирования возбуждения синхронных машин – синхронных компенсаторов и синхронных двигателей;

- автоматическое регулирование настройки компенсации дугогасящих реакторов в электрических сетях напряжением 6-10-35 кВ;

Эти устройства автоматики обеспечивают на заданном уровне напряжение и частоту в нормальном режиме работы системы электроснабжения, устройство АРВ стремится поддержать напряжение в аварийных ситуациях.

2. Противоаварийная автоматика (ПА). Она должна обеспечить устойчивость функционирования системы электроснабжения в аварийных и послеаварийных режимах. ПА должна прежде всего ликвидировать повреждение. Это выполняют:

- устройства релейной защиты (УРЗ);

- устройства автоматического повторного включения (УАПВ).

При успешном АПВ система электроснабжения восстанавливается, а при неуспешном защита отключает поврежденный элемент. В этом случае может нарушиться электроснабжение потребителей и потребуется их подключение к резервному источнику питания. Для этой цели служит устройство автоматического включения резерва (УАВР).

Аварийный режим и его ликвидация могут сопровождаться возникновением дефицита мощности и, как следствие этого, понижением частоты и напряжения. Для их восстановления используют:

- устройство автоматической частотной разгрузки (УАЧР) - для восстановления частоты;

- устройства токовой разгрузки (УРТ).

Назначением противоаварийной автоматики, функционирующей при интенсивных возмущающих воздействиях, угрожающих развитием аварийной ситуации в СЭС, является устранение возмущающего воздействия, предотвращение развития общесистемной аварии и восстановление нормального режима работы [48.30, 48.31].

Эффективность ПА определяется быстродействием и дозированием противоаварийных управляющих воздействий, вырабатываемых на основе обширной информации о предшествующем возмущающему воздействию (исходном) режиме и получаемой о переходных процессах в СЭС в реальном времени, что является ее главной особенностью. Последнее выполняется с помощью устройств телемеханики.

3. Устройства телемеханики. Они предназначены прежде всего для управления нормальными режимами системы электроснабжения и являются составной частью автоматизированных систем управления (АСУ).

Для функционирования АСУ необходим непрерывный поток информации о режимах производственного процесса, особенно о значениях напряжения, тока, мощности, частоты и состоянии оборудования. Системы электроснабжения крупных промышленных предприятий, городов и особенно предприятий агропромышленного комплекса и железнодорожного транспорта рассредоточены на значительных территориях. Поэтому необходимы автоматические информационные устройства, обеспечивающие сбор и передачу информации от контролируемых пунктов (подстанций) на диспетчерский пункт сетевого предприятия, где находятся АСУ и диспетчерский персонал.

Использование микропроцессорной техники позволяет значительно расширить функции и возможности рассредоточенных по системе электроснабжения автоматических устройств, осуществляющих управление процессом производства, передачи и потребления электроэнергии как в нормальных, так и в аварийных и послеаварийных режимах.
1.2. Экономическая эффективность систем автоматизации электроснабжения
Широкая автоматизация производственных процессов остается одной из важных технических задач на ближайший период. Соответствующие комплексные программы включают как составную часть автоматизацию систем электроснабжения. Применение указанных автоматических систем позволяет;

а) предотвратить развитие многих аварий, сократит их общее количество, а также уменьшить время отключений электроустановок и простоя механизмов;

б) сократить количество обслуживающего персонала и перевести на работу без постоянного обслуживания большое число электроустановок подстанций;

в) увеличить производительность труда.

Основная задача автоматизации рассматриваемых систем состоит в повышении надежности электроснабжения потребителей.

К устройствам автоматики предъявляется ряд требований, среди которых можно выделить такие, как точность, высокая надежность и удобство в эксплуатации. Длительная работа многих систем при отсутствии постоянного дежурного персонала обусловливает необходимость существенного повышения их надежности, введения контроля исправности и упрощения обслуживания, в частности, ремонта.

Применение автоматических устройств должно быть экономически оправдано. Экономическая эффективность может быть оценена на основе сопоставления приведенных ежегодных затрат рассматриваемых вариантов.

Ежегодные приведенные затраты при отсутствии устройств автоматики составляют

З₁ = С₁ + У,

где C₁ - эксплуатационные расходы; У - ущерб, обусловленный отсутствием устройств автоматики.

Ежегодные приведенные затрата при установке устройств автоматики

З₂ = С₂ + Е_н ∙ К.

Здесь С₂ - эксплуатационные расходы; Е_н - нормативный коэффициент окупаемости; К - капитальные затраты на установку устройств автоматики.

Получаемый экономический эффект подсчитывается по формуле

Э = 3₁ – З₂.

1.3. Элементы, функциональные части и органы

устройств релейной защиты и автоматики систем электроснабжения
Первые устройства релейной защиты и автоматики выполнялись на основе электромеханических реле. Они широко используются и сейчас. Основными недостатками таких реле являются: значительные габариты; большие мощности, потребляемые от первичных измерительных преобразователей тока и напряжения, наличие подвижных элементов и контактов.

Более совершенными стали устройства релейной защиты и автоматики, выполненные на полупроводниковых приборах (диодах и транзисторах). Их отличительной особенностью является отсутствие подвижных элементов и контактов. Удалось также снизить потребление мощности от трансформаторов тока и напряжения и повысить быстродействие. Вместе с тем, наличие большого числа полупроводниковых элементов и соединений между ними приводит к усложнению устройства и снижению надежности функционирования.

Дальнейшее развитие и совершенствование полупроводниковой технологии привело к созданию интегральных микросхем. Здесь в небольшом объеме полупроводникового материала уже электрически соединены соответствующим образом диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы. Имеются интегральные микросхемы с разной степенью интеграции. Например, сверхбольшие интегральные микросхемы (СБИС). К ним относятся микропроцессоры, однокристальные микроЭВМ аналого-цифровые преобразователи и другие. Микропроцессоры микроЭВМ стали основой четвертого поколения автоматических устройств.

Таким образом, устройства релейной защиты и автоматики и их функциональные части в зависимости от элементной базы можно разделить на аппаратные и программные.

1. Аппаратные устройства состоят из отдельно взаимодействующих конструктивно различных функциональных элементов (органов). Они выполняются на основе электромеханических реле или полупроводниковых элементов в разных исполнениях и с разной степенью их интеграции.

2. Программные устройства основаны на использовании микроЭВМ и микропроцессорных систем. Они не содержат в явном виде функциональных элементов.

Исходя из сказанного, можно говорить об электромеханической, полупроводниковой и микропроцессорной элементных базах функциональных элементов и всего устройства релейной защиты и автоматики. В зависимости от элементной базы они выполняются по-разному. Однако основы релейной защиты и автоматики остаются практически неизменимыми, сохраняется и последовательность преобразования и передачи сигналов.

В соответствии с этой последовательностью условно в устройствах релейной защиты и автоматики можно выделить измерительную, логическую, исполнительную и передающую части, состоящие из аналоговых и дискретных элементов [7, 8].

Измерительная часть. Элементы измерительной части контролируют тот или иной параметр системы электроснабжения, например, амплитуду (абсолютное значение) тока, напряжения, угол сдвига фаз между ними, значение частоты. Указанные параметры вторичных напряжения и тока, получаемых от первичных измерительных преобразователей (трансформаторов) напряжения и тока электрических установок, являются информационными параметрами. Вторичные напряжения и ток измерительных трансформаторов являются основными входными электрическими сигналами автоматических устройств, их воздействующими величинами. Воздействующей величиной, согласно ГОСТ 16022-83, называется электрическая величина, которая одна или в сочетании с другими электрическими величинами должна быть приложена к электрическому реле в заданных условиях для достижения ожидаемого функционирования. В ряде случаев используются и неэлектрические величины, которые соответствующими измерительными элементами (датчиками) преобразуются в электрический входной сигнал устройства.

Основные входные электрические сигналы являются аналоговыми. Они поступают на выходы измерительной части устройств релейной защиты и автоматики. Измерительная часть может содержать несколько измерительных органов непрерывного или релейного действия. Измерительный орган непрерывного действия имеет непрерывную проходную характеристику (зависимость выходного сигнала Y от входного X), а релейного действия - релейную проходную характеристику. Релейный измерительный орган преобразует аналоговый сигнал в дискретный с двумя значениями информационного параметра. Простейшие измерительные органы релейного действия - измерительные реле тока, напряжения, мощности, сопротивления.

Электрическим реле, согласно ГОСТ 16022-83, называется аппарат, предназначенный производить скачкообразные изменения в выходных цепях при заданных значениях электрических воздействующих величин. При этом считают, что реле срабатывает, т. е. выполняет заданные функции. Различают максимальные и минимальные измерительные реле. Максимальные реле срабатывают при значениях воздействующей величины, больших заданного значения, минимальные - при значениях воздействующей величины, меньших заданного значения. В зависимости от способа включения в защищаемую цепь реле делятся на первичные и вторичные.

Первичные реле включаются непосредственно в главную электрическую цепь, а вторичные - через первичные измерительные преобразователи. В зависимости от способа воздействия на коммутационный аппарат (например, выключатель) защищаемого объекта различают реле прямого и реле косвенного действия. В реле прямого действия подвижная система механически связана с отключающим устройством коммутационного аппарата (это электромеханические реле). Реле косвенного действия управляет цепью электромагнита отключения выключателя через исполнительный элемент.

Устройства релейной защиты и автоматики выполняются так, что сигнал на выходе измерительного органа появляется лишь в том случае, если входные сигналы удовлетворяют некоторым условиям, например при достижении амплитудой тока определенного значения. Из этого следует, что измерительный орган сравнивает сигналы. Различают два основных принципа сравнения электрических величин: по амплитуде (абсолютному значению) и по фазе.

В зависимости от числа воздействующих величин различают измерительные органы с одной, двумя электрическими величинами и более. Применяются в основном измерительные органы с одной т двумя электрическими величинами.

Логическая часть. На вход логической части поступают выходные сигналы измерительной части. Обычно это различная комбинация дискретных, в том числе и цифровых, сигналов. Логическая часть формирует выходной дискретный сигнал устройства в целом, который является входным сигналом исполнительной части. Логическая часть содержит обычно несколько логических дискретных элементов. Поэтому появление дискретного сигнала на выходе в общем случае зависит от комбинации входных сигналов. Таких основных комбинаций три - это логические операции ИЛИ, И, НЕ.

Имеются элементы времени различного назначения с разными пределами установленного времени замедления сигнала. Их разделяют условно на элементы задержки (t_з < 1 с) и элементы выдержки времени (t_в > 1 с).

Исполнительная часть. Выходные воздействия релейной защиты, устройств автоматики релейного действия и телеуправления обычно являются дискретными воздействиями на отключение и включение выключателей синхронных генераторов, трансформаторов, линий электропередачи и других электрических установок. Они формируются соответствующими исполнительными элементами в виде относительно мощных электромеханических реле и контакторов, включающих электромагниты отключения и включения приводов выключателей. Исполнительные элементы устройств автоматики непрерывного действия (автоматических регуляторов) представляют собой мощные тиристорные или магнитные усилители, выходные токи которых изменяют, например, ток возбуждения синхронного генератора. Исполнительные элементы релейной защиты, автоматики, особенно телеизмерения и телесигнализации служат также для ввода информации в ЭВМ и отображения информации, необходимой дежурному персоналу. К ним относятся, например, устройства световой и звуковой сигнализации, измерительные приборы и др.

Передающая часть. В системах телемеханики, а иногда релейной защиты и автоматики возникает необходимость передавать сигналы на значительные расстояния. Для этого служит передающая часть устройства, одним из основных элементов которой является канал связи.
1.4. Вопросы для самостоятельного изучения
1. Характерные виды неустойчивых повреждений, возникающих на ВЛ и КЛ 110-220 кВ; в трансформаторах 110/10 кВ; на ОРУ 110 кВ ПС; в ЗРУ-10 кВ ПС; в КЛ и ВЛ 10 кВ.
1.5. Литература
1. Правила устройства электроустановок.

4. Соскин Э.А., Киреева Э.А. Автоматизация управления промышленным электроснабжением. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 384 с.

5. Брухис Г.Л., Иванов Е.А., Измайлова Л.И. Комплекс аппаратуры для передачи диспетчерско-технологической информации и сигналов РЗ и ПА по цифровым каналам связи // Электрические станции. 1998, № 8. – С.36-41.

7. Федосеев А.М. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей: Учебное пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат,1984. – 520 с.

8. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения: Учебник для вузов. 4-е изд. перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 2006. 639 с.

ГОСТ 16022-83 Определения по РЗА!

2. Автоматическое повторное включение
2.1. Понятие АПВ
Большая часть нарушений питания потребителей электроэнергии связана с авариями, вызванными КЗ в элементах системы электроснабжения, носит неустойчивый характер. К таким относятся КЗ, возникающие при касании токоведущих частей грызунами, птицами, деревьями, схлестывании проводов электрических линий при ветре, пробое проводящих мостиков при загрязнении изоляции, пробое увлажненной изоляции открытых высоковольтных электроустановок при восходе солнца, коммутационных или атмосферных перенапряжениях и т.п. Поэтому существенное повышение надежности электроснабжения может быть обеспечено благодаря локализации, предотвращению развития и ликвидации указанных аварийных ситуаций. К устройствам, решающим одну из отмеченных задач, относятся устройства автоматического повторного включения (УАПВ).

Сущность АПВ состоит в том, что элемент системы электроснабжения, отключившийся под действием средств релейной защиты, вновь включается под напряжение если нет запрета на повторное включение. Если причина, вызвавшая отключение элемента, исчезла, то элемент остается в работе и потребитель продолжает получать питание практически без перерыва.

Это решение на практике оказалось эффективным мероприятием, существенно повышающим надежность электроснабжения. Согласно статистическим данным для воздушных линий успешность АПВ при первом включении составляет примерно 70 %, при втором – до 15 %. Третье включение, как правило, не имеет смысла, так как его успешность не превышает 1-2 %. Успешность действия АПВ шин и трансформаторов также высока и оценивается величиной 60...75 %.

Однако часть КЗ связана с устойчивыми повреждениями, например, металлическими соединениями (обрыв и падение провода на землю, устойчивое повреждение изоляции кабеля при проведении земляных работ, разрушение изолятора и т.д.), которые не могут быть ликвидированы с помощью АПВ.

Стоимость устройства АПВ ничтожно мала по сравнению с убытками производства, вызываемыми перерывами в электроснабжении. Применение устройства АПВ различных элементов системы электроснабжения значительно повышает надежность электроснабжения даже при одном источнике питания.

Согласно [ПУЭ], устройствами АПВ должны оборудоваться воздушные и смешанные кабельно-воздушные линии всех типов напряжением выше 1 кВ при наличии на них соответствующих коммутационных аппаратов. На кабельных линиях 35 кВ и ниже рекомендуется применять УАПВ с целью исправления неселективного действия защиты. В системах электроснабжения должно предусматриваться также УАПВ шин, трансформаторов и ответственных электродвигателей.

АПВ подразделяют по следующим основным признакам:

1. По назначению - АПВ линий, трансформаторов, шин, электродвигателей и т.д.

2. По числу включений - АПВ одно- и многократное.

3. По числу фаз - АПВ одно- и трехфазное.

4. По времени действия защиты - АПВ с ускорением и без ускорения действия зашиты.

5. В зависимости от проверки синхронизма линий с двухсторонним питанием - АПВ с проверкой и без проверки синхронизма.

Автоматическое повторное включение применяется для воздушных и кабельных линий, секций и систем шин, двигателей и одиночных трансформаторов. Однако при применении АПВ трансформаторов в схеме АПВ предусматривают запрет АПВ при внутренних повреждениях трансформатора, т. е. при отключении трансформаторов под действием газовой или дифференциальной защиты. Наиболее эффективным является применение АПВ для воздушных линий высокого напряжения. Применение АПВ для кабельных линий, секций и систем шин, трансформаторов менее эффективно, так как появление неустойчивых повреждений для этих элементов системы электроснабжения менее вероятно, чем для воздушных линий. Однако и для этих элементов системы электроснабжения устройства АПВ являются практически обязательными, так как выход из строя этих элементов приводит к обесточиванию большого количества потребителей.

В системах электроснабжения промышленных предприятий в основном применяют устройства АПВ однократного действия как наиболее простые и дешевые. С увеличением кратности действия АПВ их эффективность уменьшается.

Пуск в действие устройства АПВ осуществляется различными способами: один из них - релейной защитой при отключении выключателя поврежденной цепи. Этот способ обладает тем недостатком, что повторное включение происходит только при действии релейной защиты. Однако не все аварийные отключения сопровождаются срабатыванием релейной защиты. В связи с этим он используется в особых случаях. От указанного недостатка свободен другой способ пуска, при котором устройство АПВ приходит в действие, когда возникает несоответствие положения выключателя и его ключа управления. В этом случае АПВ обеспечивается при любом отключении выключателя, в том числе и при отключении его с места установки воздействием на привод выключателя (сердечник электромагнита отключения или механическое устройство ручного отключения), кроме дистанционного отключения с помощью ключа управления.

Устройство АПВ должны иметь минимально возможное время срабатывания t_АПВ1 для того, чтобы сократить продолжительность перерыва питания потребителей. Практически можно выполнить АПВ действующим без замедления. Однако эта возможность ограничивается рядом условий. Для успешного действия АПВ необходимо, чтобы время срабатывания t_АПВ1 было больше:

а) времени t_Г.П, необходимого для восстановления готовности привода к работе на включение (для применяемых типов приводов с учетом условий их работы t_Г.П = 0,1...0,3 с);

б) времени t_Д.С, необходимого для деионизации среды в точке повреждения (для установок напряжением до 220 кВ t_Д,_C ~ 0,2 с);

в) времени готовности выключателя t_Г.В, необходимого для восстановления отключающей способности выключателя после отключения им тока КЗ.

Для однократного АПВ время t_Г.В всегда меньше суммы времени t_Г.П и времени включения выключателя t_В.В. Поэтому определяющим обычно является условие t_АПВ1 > t_Г.П. При этом с учетом времени запаса t_ЗАП ⁼ 0,4...0,5 с время срабатывания УАПВ для линии с односторонним питанием

t_АПВ1 ? t_Г.П + t_ЗАП = 0,5…0,8 с.
2.2. АПВ линий
На промышленных предприятиях наиболее широкое применение нашло трехфазное АПВ одиночных линий с односторонним питанием в схемах внутризаводского электроснабжения напряжением 0,38…10 кВ. Трехфазное АПВ линий с двухсторонним питанием используется для защиты электрических сетей внешнего электроснабжения напряжением 35…220 кВ. Однофазные АПВ в сети 10 кВ применяются в межсистемных электрических сетях напряжением 220 кВ и выше.

На рис. 2.2 представлена схема трехфазного АПВ однократного действия без выдержки времени для выключателя с пружинным приводом. Включение и отключение выключателя Q осуществляется электромагнитами YAC и YAT с помощью кнопок включения и отключения SB1 и SB2 соответственно.

а)

б)

в)

г)

Рис. 2.2. Схемы устройств АПВ на переменном оперативном токе выключателей

с грузовыми и пружинными приводами
При включенном выключателе Q линии для подготовки АПВ к действию накладка S переводится из положения 1 в положение 2. Через контакты конечного выключателя Q4 двигатель M завода пружины привода выключателя Q получает питание и обеспечивает полное натяжение пружины. При этом контакты Q4 размыкаются, а контакты готовности привода Q6, связанные с пружиной привода, замыкаются. Накладка S переводится в первоначальное положение.

Следует иметь в виду, что блок-контакты Q5, связанные с механизмом привода выключателя Q и предусмотренные для фиксации eго аварийного отключения, размыкаются при любом включении выключателя, а замыкаются лишь при отключении вручную или дистанционно.

При КЗ на линии сработает релейная защита и замкнет свои контакты Q2 в цепи электромагнита отключения YAT, в результате выключатель Q отключит линию. Последний своими блок-контактами Q5 замкнет цепь электромагнита включения YAC и будет обеспечено автоматическое включение линии под напряжение. Если AПВ окажется успешным, то линия останется в работе, а если нет, то повторного включения выключателя Q не произойдет, так как пружина его привода не заведена и контакты Q1 разомкнуты. Для подготовки устройства к новому АПВ дежурный персонал должен вновь перевести накладку S в положение 2.

В схему управления выключателя входят различные вспомогательные контакты. В зависимости от того, с какими деталями и узлами привода связаны эти контакты, их можно разделить на следующие три группы:

1-я группа связана с механизмом натяжения включающих пружин и переключается при изменении состояния пружины. Вспомогательный контакт Q.6, разомкнутый при ненатянутых пружинах и замыкающийся только в момент их полного натяжения, называют контактом готовности привода. Он управляет цепью электромагнита включения YAC.

Другой контакт Q.4, связанный с пружиной, действует в обратном порядке (замкнутый при ненатянутых пружинах и размыкающийся только в момент их полного натяжения) и используется в качестве контакта конечного выключателя в цепи электродвигателя, заводящего включающую пружину.

2-я группа контактов Q.1, Q.2, Q.3 связана с валом привода и переключается при изменении положения выключателя по любой причине.

К 3-й группе относится так называемый аварийный контакт Q.5, который замыкается при включении выключателя, остается замкнутым при действии релейной защиты и размыкается только при оперативном отключении выключателя. В конкретной схеме автоматики могут быть использованы не все названные вспомогательные контакты.

На схеме рис. 2.2,б все вспомогательные контакты показаны в положении, соответствующем отключенному выключателю и полностью заведенной включающей пружине. Натяжение пружины осуществляется электродвигателем М, в течение времени его работы контакт Q.6 готовности привода остается разомкнутым, не допуская включения выключателя при неполностью натянутой пружине. При окончании натяжения пружины контакт Q.6 замыкается, а конечный выключатель (контакт Q.4) размыкает цепь электродвигателя М.

Для выполнения АПВ мгновенного действия параллельно кнопке включения SB1 включается аварийный вспомогательный контакт Q.5, создающий цепь несоответствия и обеспечивающий автоматическое повторное включение выключателя только при его отключении релейной защитой. Последовательно с контактом Q.5 включены указательное реле КН и накладка SX. В цепь электродвигателя дополнительно включается замыкающий вспомогательный контакт выключателя Q.3, обеспечивающий завод включающих пружин только при включенном положении выключателя.

При успешном АПВ выключатель остается включенным, пружины заводятся, и привод приходит в состоянии готовности через время t_г.п = 6...15 с. В случае неуспешного АПВ выключатель отключается. При этом однократность действия УАПВ можно обеспечить, если время включенного состояния выключателя меньше времени, необходимого для завода включающих пружин, т. е. наибольшая выдержка времени релейной защиты должна быть меньше указанного минимального времени подготовки привода к включению.

Накладка SX имеет два положения: в положении SX2 привод подготавливается к действию при отключенном выключателе, а после включения выключателя контактом кнопочного выключателя SB1 накладка вновь переводится в положение SX1. Во включенном положении выключателя двигатель заводит пружины и УАПВ снова готово к действию. Недостаток схемы - применение ручной операции с накладкой SX.

Схему УАПВ можно упростить и сделать более универсальной, если последовательно с аварийным вспомогательным контактом Q.5 включить импульсный замыкающий вспомогательный контакт Q.3 выключателя (рис. 2.2,в), исключив вспомогательный контакт из цепи электродвигателя. Благодаря этому электродвигатель может заводить пружины при любом положении выключателя, и необходимость в переключении накладки при неуспешном АПВ отпадает. Накладка SX служит только для вывода схемы УАПВ из действия. Наличие в схеме импульсного замыкающего контакта Q.3 обеспечивает однократность действия УАПВ. Мгновенно действующее УАПВ с импульсным замыкающим контактом выполняют на выключателях, оборудованных приводом ПП-67, у которого имеется такой контакт.

Электрическое мгновенно действующее устройство АПВ, как и механическое, начинает включать выключатель еще до того, как элементы выключателя и привода придут в состояние покоя, следствием чего являются дополнительные механические удары и плохая работа привода. Наряду с этим короткие замыкания не всегда успевают самоустраниться, так как время бестоковой паузы мало (около 0,2-0,3 с). Устройство АПВ с выдержкой времени не имеет указанного недостатка. На рис. 2.2,г показана схема, отличающаяся от предыдущей (рис. 2.2,в) наличием реле времени КТ, например, типа ЭВ-228 с импульсным замыкающим контактом КТ. Реле времени запускается при отключении выключателя и замыкании вспомогательного контакта Q.3. Для обеспечения однократности действия устройства АПВ минимальное время подготовки привода к включению должно быть больше, чем наибольшая выдержка времени релейной защиты и время действия АПВ вместе взятые.

На рис. 2.3 представлена схема управления АПВ линии, выполненная на базе блока РПВ-58. Эта схема воздействует на выключатель В подсоединенной к нему линии, имеющий электромагнитный привод типа ПЭ-11, ПЭВ-11 и т.п.

Включение и отключение выключателя В в нормальном режиме работы осуществляется с помощью ключа управления КУ, который имеет самовозврат в нулевое положение. При установке последнего в положение «Вкл» замыкается цепь промежуточного реле РП2, которое, срабатывая, запитывает электромагнит включения СВ привода выключателя. Отключение выключателя обеспечивается установкой ключа КУ в положение "Откл». При этом реле РПЗ подает питание на электромагнит отключения СО. Для управления устройством АПВ предусмотрено двухпозиционное реле РП7 типа РП-352. Оно содержит две обмотки, последовательно с которыми включены контакты самого реле. Это реле может находиться в двух устойчивых состояниях, и его подвижный элемент (якорь) перебрасывается из одного положения в другое при прохождении импульса тока в обмотке, в цепи которой контакты реле в данном случае замкнуты.

Подготовка АПВ к действию осуществляется при замыкании контактов реле РП7 в цепи реле времени РB1. Это происходит во время включения выключателя В (с помощью реле РП2) либо в случае кратковременной подачи напряжения на шины управления ШУ при отключенном выключателе линии. При этом конденсатор С зарядится до номинального напряжения в течение 15...25 с. Пусть, например, произошло КЗ на подсоединенной линии. Релейная защита замкнет свои контакты РЗ в цепи электромагнита СО, который отключит выключатель В. Через катушку СВ получит питание, и сработает промежуточное реле РП4. Оно запитает обмотку реле времени РB1, которое с выдержкой времени, замкнув свои контакты, подсоединит параллельную обмотку промежуточного реле РП1 к конденсатору С. Возникший импульс тока при разряде конденсатора обеспечит кратковременное срабатывание реле РП1 и по цепи: контакты реле PП7, последовательная обмотка и контакты реле РП1, указательное реле РУ, контакты реле РП5 и блок-контакты выключателя В - подаст напряжение на электромагнит включения СВ. В результате выключатель В включится и, разомкнув свои блок-контакты в цепи электромагнита СВ, обусловит возврат в исходное состояние реле РП1.

Рис. 2.3. АПВ линии на выключателе с электромагнитным приводом
Если АПВ неуспешно и релейная защита вновь отключит выключатель B, то повторного включения его не произойдет, так как конденсатор C, не успев зарядиться, будет шунтирован параллельной обмоткой реле РП1 через замкнутые контакты реле PB1.

Реле РП5, содержащее две обмотки (параллельную и последовательную), предназначено для предотвращения неправильной работы схемы, в частности, обеспечивает блокировку от "прыгания" (при пригорании контактов реле РП1, включении выключателя на КЗ и т.п.), создавая преобладание сигнала на отключение выключателя в различных аварийных ситуациях.
2.3. Автоматическое повторное включение трансформаторов
Автоматическое повторное включение трансформаторов предусматривают для автоматического восстановления их нормальной работы после аварийных отключений, не связанных с внутренними повреждениями трансформатора, например, при неустойчивых повреждениях на сборных шинах или отходящих линиях, а также при ложном действии защит и в ряде других случаев. АПВ трансформаторов является обязательным на однотрансформаторных подстанциях с односторонним питанием с трансформатором мощностью более 1 МВА. На двухтрансформаторных подстанциях с односторонним питанием АПВ трансформаторов целесообразно устанавливать в том случае, если отключение одного трансформатора вызывает перегрузку другого и в связи с этим часть потребителей должна отключиться.

Пуск устройств АПВ трансформаторов обычно осуществляется от резервной защиты (например, максимальной токовой с выдержкой времени), установленной на трансформаторе, или при несоответствии положения выключателя и его ключа управления. Пуск устройства АПВ обычно выполняют так, чтобы не допускать включения трансформатора при внутренних повреждениях, которые, как правило, не самоустраняются. При всех внутренних повреждениях срабатывает сигнальный элемент газового реле. Поэтому целесообразно пуск устройства АПВ производить при всех аварийных отключениях трансформатора, но запрещать его повторное включение при срабатывании сигнального элемента газового реле. При этом в действие устройства АПВ вводится некоторое замедление, исключающее повторное включение трансформатора при внутренних коротких замыканиях, сопровождающихся бурным газообразованием, когда отключающий элемент газового реле срабатывает раньше, чем срабатывает его сигнальный элемент. В отдельных случаях допускается действие устройства АПВ и при отключении трансформатора защитой от внутренних повреждений.

Устройства АПВ трансформаторов выполняются по тем же схемам, что и устройства АПВ линий. При необходимости в их схемы вводятся органы контроля напряжения и синхронизма.

На подстанциях с двумя и более трансформаторами могут предусматриваться устройства АПВ и устройства автоматического ввода резерва (УАВР). При этом действия их должны быть согласованы. В связи с наличием резервного источника питания автоматическое повторное включение ограничивают. Пуск устройства АПВ разрешают только при внешних коротких замыканиях. Для этой цели используют максимальную токовую защиту, установленную со стороны выводов низшего напряжения трансформатора. Срабатывание защиты свидетельствует о возникновении повреждения на шинах или о том, что внешнее короткое замыкание не отключилось соответствующей защитой. При этом отключается выключатель со стороны низшего напряжения трансформатора и устройство АПВ включает его повторно. Во всех остальных случаях напряжение на секцию шин, потерявшую питание, должно подаваться действием устройства АВР.

2.4. АПВ сборных шин
Автоматическое повторное включение шин заключается в том, что после отключения шин подстанции средствами защиты необходимо произвести повторную подачу напряжения на шины и обеспечить при неустойчивых повреждениях на шинах восстановление нормального питания всех потребителей, подключенных к этим шинам. Обычно эта задача решается путем АПВ выключателя одной из питающих линий.

Если шины не имеют специальной защиты, то восстановление напряжения на них осуществляется устройствами АПВ питающих присоединений. При наличии специальной защиты шин можно применять отдельные устройства АПВ шин, запускаемые этой защитой. С помощью УАПВ напряжение на шины подается сначала от одного из отключившихся питающих подсоединений (т. е. делается опробование шин), а затем, если опробование шин оказывается успешным, включаются остальные присоединения.

Одной из разновидностей устройств является УАПВ с контролем напряжения на шинах. Такое устройство АПВ разрешает включение первого присоединения при отсутствии напряжения на шинах, а включение остальных присоединений - при наличии напряжения. Недостатком УАПВ с контролем напряжения является то, что при отказе на включение выключателя, который должен включаться первым, АПВ шин вообще не происходит. От этого недостатка свободно УАПВ шин с запретом действия (блокировкой) при повторном срабатывании защиты шин. Запрет выполняется с помощью дополнительного промежуточного реле, которое самоудерживается после первого срабатывания защиты шин. Если защита срабатывает повторно, то создаются цепи запрета, выполненные последовательно соединенными контактами защиты и дополнительного промежуточного реле. При успешном АПВ шин самоудерживание снимается по истечении некоторого времени.
2.5. АПВ электродвигателей напряжением ниже 1000 В
АПВ электродвигателей напряжением ниже 1000 В выполняется с целью повторного включения их в работу после кратковременного отключения, вызванного обычно нарушениями электроснабжения. Особенностью схем управления в этих сетях является использование коммутационных аппаратов (магнитных пускателей, контакторов, автоматов и т.п.), время включения и отключения которых мало по сравнению с таковым для масляных выключателей. Кроме того, цепи управления многих коммутационных аппаратов питаются от тех же сетей. Поэтому при небольших перерывах электроснабжения электродвигатели, подсоединенные к сети через указанные аппараты, оказываются отключенными. Отключение большого числа низковольтных электродвигателей и сблокированных с ними более мощных электродвигателей напряжением 3...10 кВ приводит, как правило, к нарушению технологического процесса, что может создать ощутимый ущерб на производстве. С целью предотвращения массового отключения электродвигателей при кратковременных нарушениях электроснабжения предусматривают АПВ этих электродвигателей.

На рис.2.4 изображено устройство АПВ, которое выполнено на основе типовой схемы магнитного пускателя, нашедшей широкое распространение на производстве. При отключении напряжения на 1...1,5 с якорь магнитного пускателя КМ отпадает и отключает двигатель М от сети. Однако реле времени КV не размыкает свои контакты в течение времени t_рв = 1...2 с, шунтируя кнопку "Пуск" – SB1. Если за это время будет подано напряжение, то магнитный пускатель подключит двигатель к сети и его самозапуск будет обеспечен. Если перерыв в питании окажется более времени t_рв, то реле KV разомкнет свои контакты и самозапуск двигателя не произойдет. Выдержку времени больше t_рв не устанавливают в целях безопасности обслуживающего персонала. Следует учесть недостаток рассмотренной схемы: при аварийном отключении двигателя вручную кнопку "Стоп" (SB2) нужно удерживать в нажатом положении более времени t_рв. Существует ряд решений, устраняющих данный недостаток.

Рис. 2.4. Схема АПВ электродвигателей напряжением до 1 кВ
Если в схеме (рис. 2.5) используется ключ управления SA, имеющий фиксированные положения О (отключено) и В (включено), то для минимальной защиты напряжения применяется реле напряжения KV, которое может размыкать цепь удерживающей катушки КМ контактора при напряжении U = (0,25...0,7)U_н. Контактор после восстановления напряжения автоматически включается, производя автоматическое повторное включение электродвигателя.

Рис. 2.5. Схема АПВ электродвигателей напряжением до 1 кВ
Схему, показанную на рис. 2.5, можно назвать схемой АПВ постоянного действия, а схемы, приведенные на рис. 2.4 - схема АПВ с действием в течение заданного времени. Устройство АПВ постоянного действия включает электродвигатель и при подключении его к сети через контактор с защелкой, однако функций минимальной защиты напряжения такой контактор не выполняет. Приведенные схемы не исчерпывают всего многообразия устройств АПВ, применяемых на промышленных предприятиях.

Если по условиям технологического процесса требуется автоматическое включение резервного электродвигателя, схему АВР выполняют также на контакторах или магнитных пускателях. Для примера на рис. 2.6 показана комбинированная схема АПВ-АВР электродвигателей напряжением до 1 кВ. Взаимно резервируемые электродвигатели M1 и М2 присоединены к разным источникам питания ИП1 и ИП2 через магнитные пускатели КМ1 и КМ2, схемы управления которыми подключены, например, к фазам В и С источников питания (b₁, с₁, и b₂, с₂) Для выбора рабочего и резервного электродвигателей служит ключ SA.

а)	б)
Рис. 2.6. Комбинированная схема устройства АПВ-АВР электродвигателей напряжением до 1 кВ

Если, например, электродвигатель M1 является рабочим (контакт SA1 разомкнут, a SA2 замкнут), а М2 - резервным, то после исчезновения напряжения источника питания ИП1 магнитный пускатель КМ1 отключает электродвигатель M2. При этом одновременно начинают отсчет времени реле КL1 с задержкой на отпускание якоря (реле, разрешающее АПВ) и реле КТ2 (реле, осуществляющее АВР). Выдержка времени реле KL1 составляет t₁ = 1,3 с, а реле КТ2 - около t₂ = 2 с. В зависимости от того, на какое время нарушилось электроснабжение (менее 1,3 с или более), происходит АПВ электродвигателя M1 или АВР электродвигателя М2. При АВР схема действует в следующем порядке: замыкается контакт КТ2, срабатывает реле KL2, контактом KL2 подается питание на катушку магнитного пускателя КМ2 и он включает резервный электродвигатель М2.

Если электродвигатель M1 отключается защитой (автоматическим выключателем QF1 или электротепловыми реле KST1), то происходит только АВР электродвигателя М2.
2.6. АПВ асинхронных двигателей напряжением выше 1000 В
АПВ электродвигателей выполняется с целью повторного включения их в работу после кратковременного отключения, вызванного обычно нарушениями электроснабжения. Устройства АПВ предусматриваются на ответственных электродвигателях, отключаемых минимальной защитой напряжения. Одна из схем группового УАПВ показана на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Схема устройства АПВ асинхронных двигателей напряжением выше 1 кВ

Устройство начинает работать при действии минимальной защиты напряжения. Отключая электродвигатели, защита одновременно включает промежуточное реле КL1, которое затем самоудерживается контактом КL1.1. После восстановления напряжения до U = (0,8...0,9)U_н реле напряжения KV запускает реле времени КТ (типа ЭВ-225 или ЭВ-245), которое импульсным контактом КТ1 кратковременно замыкает цепь обмотки выходного реле KL2. Для надежного включения выключателей возврат реле KL2 должен происходить через время t_в.р > 0,1...0,2 с после его срабатывания. Это условие обеспечивается тем, что время замкнутого состояния импульсного контакта КТ1 реле времени составляет t = 0,45...0,65 с (реле ЭВ-225) или t = 1,0...1,5 с (реле ЭВ-245). Контакт КТ2 реле времени служит для возврата схемы в исходное состояние.

Индивидуальное АПВ электродвигателей может выполняться с применением реле РПВ-358 и дополнительного реле, контролирующего наличие напряжения на шинах питания. Включающие воздействия в схемах УАПВ электродвигателей подаются через контакты ключей управления, замкнутые в положении «Включено», чтобы исключить возможность запуска электродвигателей, отключенных персоналом до момента снижения напряжения.

На рис. 2.8 показана схема УАВР, выполненная применительно к установке с тремя электродвигателями, подключаемыми к источникам питания выключателями с пружинно-грузовым приводом.

а)	б)
Рис. 2.8. Схема устройства АВР асинхронных двигателей напряжением выше 1 кВ

Схема управления каждого из трех электродвигателей выполняется в соответствии с рис. 2.8,б. В этой схеме натяжение пружин привода осуществляется только перед включением выключателя. При этом исключаются длительное пребывание пружин в заведенном состоянии и возможность самопроизвольного включения выключателя. Любой из трех электродвигателей может быть рабочим или резервным. Это устанавливается избирательным ключом управления SA1, положения которого на рис. 2.8,б обозначены Р (резерв), М (местное управление) и Д (дистанционное управление). Ключ SA2 служит для дистанционного управления пуском и остановкой электродвигателя, а кнопочные выключатели SB1 и SB2 - для местного управления. Реле КСС осуществляет пуск электродвигателя при действии устройства АВР. Рабочий электродвигатель должен иметь дистанционное и местное управления, а резервный - пуск только от устройства АВР и дистанционное и местное управления остановкой. Для достижения этого в схеме рабочего электродвигателя ключ SA1 находится в положении Д, а ключ SA2 - в нейтральном положении (после включения). При этом замкнуты контакты SA1.2, SA1.4 и SA2.3. В схеме резервного электродвигателя ключ SA1 находится в положении Р, а ключ SA2 - в нейтральном положении (после отключения). Замкнутыми оказываются контакты SA1.3 и SA1.4. Как в той, так и в другой схеме (рис. 2.8,б) все реле не возбуждены.

В общих цепях УАВР (рис. 2.8,а) возбуждено реле KB запрета автоматики, обеспечивающее однократность действия УАВР. Его контактом KB подготавливается цепь обмотки реле включения резерва КСС. При аварийном отключении рабочего электродвигателя в цепях его управления замыкается цепь несоответствия, образованная контактом SA2.3 ключа SA2 и вспомогательным контактом выключателя Q1.5 в цепи обмотки реле KQT1. Реле срабатывает и контактом KQT1.1 размыкает цепь автоматического пуска электродвигателя, а контактом KQT1.2 замыкает цепь аварийной сигнализации. В общих цепях схемы УАВР реле контактом KQT1.3 размыкает цепь обмотки реле блокировки KB и контактом. KQT1.4 замыкает цепь обмотки реле включения резерва КСС. Реле срабатывает и замыкает контакты КСС в цепях управления всех электродвигателей. Однако при этом замкнутой оказывается только цепь обмотки реле KL1 в схеме резервного электродвигателя (контакт SA1.3 ключа SA1 и контакты реле КСС1 и KQT1.1), которое после срабатывания самоудерживается контактом КL1.1 и подает (контактом KL1.2) напряжение на электродвигатель М, заводящий пружины привода. По окончании завода пружин конечный выключатель Q1.4 отключает электродвигатель М, вспомогательный контакт готовности привода Q1.6 замыкает цепь электромагнита включения YAC и выключатель резервного электродвигателя включается. При этом самоудерживание реле КL1 прекращается (размыкается контакт Q1.1). Промежуточное реле KL2 действует в случае дистанционного отключения электродвигателя.
2.7. АПВ синхронных электродвигателей
Синхронные двигатели работают в несколько иных условиях, чем аналогичные устройства асинхронных электродвигателей. Во-первых, при исчезновении напряжения в сети на зажимах синхронного двигателя продолжает оставаться напряжение. Поэтому для контроля отключения питания и последующего АПВ используют два принципа: изменения направления активной мощности и понижения частоты при отключении питающей линии. Уставку реле частоты выбирают равной 47-48 Гц для ускорения отключения СД и АГП при исчезновении напряжения. При отключении питающей линии происходит отключение синхронного двигателя и АГП. При успешном АПВ питающей линии восстанавливается напряжение на шинах подстанции и происходит восстановление первоначальной схемы

Во-вторых, при действии УАПВ может происходить несинхронное включение синхронных электродвигателей, сопровождающееся токами, которые могут значительно превышать пусковой ток. Поэтому перед включением электродвигателя производится частичное гашение его поля, с тем, чтобы напряжение на его выводах не превышало U_д < (0,5...0,6)U_н[179]. Если расчеты показывают, что кратности тока и момента при несинхронном включении не превышают допустимых значений, то устройства АПВ могут включать электродвигатель при полном возбуждении. Действия устройств АПВ согласуются с действием защиты от потери питания.

Справочник Федорова: Схема автоматического устройства синхронного двигателя или компенсатора с последующим обратным включением после АПВ (рис. 16.26).

1 2 3 4 5