Резервирование электроснабжения
Электроэнергия является самым простым видом энергии в получении, передаче, распределении до потребителя и преобразовании в другой вид энергии или работу, поэтому используется повсеместно во всех сферах деятельности. Во многих сферах требуется бесперебойное снабжение потребителей электроэнергией: медучреждения, металлургия, добывающая и химическая промышленность, оборудования связи и наблюдения и т. д.
Бесперебойность электроснабжения достигается, в ряде прочих факторов, наличием резервного источника питания. Наличие резервного источника питания позволяет проводить ремонтные и профилактических работ на линии и оборудовании, что тоже является мерой для повышения надёжности электроснабжения.
Вы так же можете прочитать эту статью на сайте Гуру ПНР.
Самым простым, на первый взгляд, и функциональным способом резервирования являлось бы включение основного источника питания параллельно с резервным:
Преимущества применения такой схемы очевидны: при отключении Источника 1 питание сохранится на Источнике 2, и потребители не почувствуют изменения в схеме. Заманчиво, однако, не совсем так. Такая схема является скорее схемой увеличения мощности, чем резервирования. Она подходит для слабых источников с низким током короткого замыкания вроде солнечных, дизельных, ветреных и других подобных электростанций, когда один генератор сам по себе имеет небольшую мощность. По такой схеме собирают генераторы, работающие на ГРУ (генераторные распределительные устройства) на ТЭЦ, ГЭС, ГрЭС. И делается это ни столько для резервирования, сколько для генерации необходимой мощности в сеть.
Функция резервирования имеет место быть, если рассмотреть эту схему немного шире: представить, что шины подстанции, к которым подключен Источник 1 и Источник 2 являются транзитными шинами в радиальной сети энергосистемы, к которым подключен автотрансформатор АТ1. Тогда при отключении выключателя Источника 1 или Источника 2 размыкается транзит, но автотрансформатор АТ1 всё равно остаётся под напряжением.
В остальных случаях эта схема малоприменима по следующим причинам:
- Усложняются схемы электроснабжения: сетевой организации будет труднее контролировать состояние сети, когда любой потребитель может на своём уровне менять конфигурацию сети "закольцовывая" источники;
- Появляются перетоки между источниками, что может нарушить режимы работы электрооборудования и энергосистемы, поэтому инструкция по переключениям в электроустановках для оперативного персонала (СО 153-34.20.505-2003) предписывает согласовывать переключения, связанные с включением источников 6-10 кВ на параллельную работу, с диспетчерским персоналом, если они подключены к разным центрам питания, а для сетей 0,4 кВ в этом случае и вовсе запрещает;
- Существенно усложняются защитные устройства, так как для обеспечения селективности потребуется определять ещё и направления перетоков мощности, а так же применение делительной автоматики на подстанциях, где наличие такого оборудования не целесообразно ни экономически, ни технически;
- Усугубляется тяжесть и последствия возникающих коротких замыканий, так как в таком случае короткие замыкания буду подпитываться ото всех возможных источников.
Все перечисленные недостатки требуют наличия сложной релейной защиты (а вместе с ней и более квалифицированного персонала), без качественной проверки которой, в совокупности с огромными токами короткого замыкания, тяжесть последствий аварий будет колоссальной. Ощутимой мерой снижения таких рисков и упрощения защитной аппаратуры является схема, где происходит подключение резервного источника при возникновении аварии на основном.
Схема АВР с явным резервированием
Переключение источников с основного на резервный может выполняться вручную или автоматически. Автоматическое переключение выполняется специальными схемами, называемыми АВР — автоматика ввода резерва. Схема АВР, в которой нагрузка питается всегда от основного источника, а при аварии на нём переключается на резервный, получила название "Схема АВР с явным резервированием", потому что здесь явно и понятно, что Источник 1 является рабочим, а Источник 2 — резервным.
Таким образом, отпадает необходимость в установке полукомплектов на обоих концах источников для реализации делительной автоматики, все защиты находятся по месту и имеют упрощённый принцип действия, что в итоге сказывается на стоимости строительства и обслуживания.
Схема АВР с явным резервирование довольно проста и может быть с самовозвратом (когда при восстановлении питания на основном источнике, происходит автоматическое переключение обратно на него) или без него. Простейшая схема в сети 0,4 кВ приведена на рисунке ниже:
Катушка ВВ в нормальном режиме находится под напряжением от Источника 1, подключая тем самым всю нагрузку к Источнику 1 переключением своих контактов. При исчезновении напряжения на Источнике 1, контактор или реле ВВ теряет питание, из-за чего происходит переключение его контактов в состояние нормально закрытых, и нагрузка запитывается от Источника 2. При возобновлении напряжения на Источнике 1, происходит переключение контактов ВВ, т. е. нагрузка снова подключается к Источнику 1.
Развитием это схемы является схема на двух контакторах, когда потребители имеют достаточно высокую мощность, тогда силовым перекидным реле не обойтись.
Иногда в схему АВР с явным резервированием вводят дополнительный пусковой орган по напряжению — реле контроля напряжения. Оно предотвращает ложные переключения при кратковременном снижении напряжения, так как имеет выдержку на возврат — возвращает контакты в исходное состояние не сразу после исчезновения напряжения, а через заданное время. Просадка напряжения может быть вызвана коротким замыканием, которое может самоустраниться, поэтому нет смысла переключаться на резервный источник питания, чтобы потом переключиться обратно на основной.
Достоинство схемы АВР с явным резервирование — её быстродействие и простота: переключение происходит без выдержки времени. Но у неё есть ряд недостатков, которые не позволяют применять такую схему для переключения ответственных потребителей:
- Избыточность срабатывания: нетрудно понять, что сколько бы раз ни происходило пропадание/восстановление напряжения на Источнике 1, столько же раз будет происходить переключение АВР, что недопустимо, для питания ответственных потребителей технологического процесса, запуск каждый раз которых требует значительного времени и ресурсов.
- В простейшем виде схема равнодушна к качеству электроэнергии: для срабатывания схемы нужно только снижение или потеря тех фаз, на которые подключена катушка ВВ. Схема не будет реагировать на неверное чередование, составляющую нулевой последовательности, повышение напряжения выше допустимого и обрыв тех фаз, куда не подключена катушка ВВ или реле контроля фаз.
- Неравномерность распределения нагрузки: все потребители питаются от одного источника, в то время, как другой подключается только в аварийном режиме, т. е. не используется по назначению большую часть срока службы.
- Невозможность выполнения технологического резервирования.
Тем не менее, данная схема широко применяется, например, для переключения питания на ИБП, системах пожарной сигнализации, вентиляции, освещения и т. п. или для переключения цепей управления.
В несколько изменённом виде схема эта применяется и для резервирования трансформаторов.
Требования ПУЭ к категорийности потребителей
Правила устройства электроустановок (ПУЭ) классифицируют потребителей по степени бесперебойности их электроснабжения:
- Электроприемники первой категории — электроприёмники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, угрозу для безопасности государства, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства, объектов связи и телевидения.
- Особая группа электроприёмников первой категории — электроприёмники, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов и пожаров.
- Электроприемники второй категории - электроприёмники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.
- Электроприемники третьей категории - все остальные электроприёмники, не подпадающие под определения первой и второй категорий.
Категорийность объекта электроснабжения определяется опасностью последствий отсутствия электроэнергии и устанавливается при проектировании объекта. Бесперебойность электроснабжения достигается наличием нескольких источников электроэнергии, которые можно переключать: где-то требуется немедленное переключение (группа первой категории), например, при проведении хирургических операций освещение и работа приборов поддержания жизнедеятельности должны восстановиться, как можно скорее.
В каких-то случаях достаточно реакции электротехнического персонала: например, на производстве по розливу воды в бутыли, когда риск останова розлива заключается лишь в невыполнении плана выпуска продукции предприятием. Такие условия характерны для электроприёмников второй группы.
Под реакцией человека (электротехнического персонала) подразумевается суммарное время с момента когда произойдёт отключение, до момента, когда специально обученный квалифицированный персонал прибудет на место и вручную переключит потребителей на резервный источник питания.
И, наконец, есть такие потребители, которые могут подождать, пока напряжение на источнике восстановится. Это, например, какие-нибудь, системы полива, когда постоянная работа насосов не требуется, а сам полив можно перенести на другое время.
Проще говоря, время переключения должно быть тем меньше, чем выше категорийность потребителя: для первой группы — время наименьшее, для третьей — наибольшее. Чтобы добиться наименьшего времени переключения, нужно применять автоматику, так как её реакция быстрее, чем реакция человека.
Такая мера повышает надёжность электроснабжения потребителя позволяет сократить простой оборудования: работа АВР всегда происходит с потерей питания на время требуемое для переключения, следовательно, происходит останов технологического оборудования. Поэтому с точки зрения потребителя электроэнергии, АВР лишь сокращает время отсутствия напряжения и после переключения источников позволяет как можно быстрее запускать в работу остановленный технологический процесс.
ПУЭ в п. 1.2.19 предписывает применять для питания электроприёмников первой категории два независимых взаимно резервируемых источника питания. Но в первой группе электроприёмников может быть подгруппа (особая группа) потребителей, которые должны остаться в работе в любом случае, для того, чтобы не развалился минимально необходимый технологический процесс, и не произошла авария или техногенная катастрофа, когда оба источника останутся без напряжения. В этом случае особые потребители запитываются от ДЭС и выполняют действия для предотвращения возникновения аварии. Если присутствуют такие особые электроприёмники, ПУЭ в п. 1.2.19 предписывает применять третий независимый источник.
К слову сказать, в качестве третьего источника может быть применён не только ДЭС, но и любой другой независимый источник, например, местные электростанции ТЭЦ, главное, чтобы он не зависел от Источника 1 и Источника 2.
Электроприёмникам второй категории ПУЭ п. 1.2.20 предписывает питание от двух независимых источников с применением АВР или без него, когда подключение резервного источника производится выездной бригадой или оперативным персоналом вручную. Время переключения — время реагирования оперативного персонала.
Для третьей категории электроприёмников АВР вообще не предусматривается.
Схема АВР с неявным резервированием
Существенным недостатком схемы АВР с явным резервированием является невозможность выполнения технологического резервирования оборудования, потому что при переключении на резервный источник, питание теряют все потребители одновременно. Схема АВР с неявным резервированием лишена этого недостатка и позволяет запитать потребителей с разных источников (секций), таким образом Источник 1 становится рабочим для своей секции и подключённого к ней оборудования, а Источник 2 — резервным, и, наоборот, Источник 2 становится основным для потребителей второй секции, а для первой — резервным. Поэтому такая схема АВР называется схемой с неявным резервированием. Питанием потребителей с разных секций реализуется технологическое резервирование оборудования.
Например, рассмотрим насосную станцию, подающую питьевую воду в посёлок или город. Если насос 1 и насос 2 запитать от одного источника по схеме АВР с явным резервированием (схема (а) на рисунке), то при пропадании на нём напряжения оба насоса остановятся. При хорошем разборе воды, водовод быстро потеряет подпор и местами опорожнится. После переключения выключателя ВВ на источник 2 потребуется запуск обоих насосов, как на пустую трубу: с закрытием напорных задвижек и постепенным заполнением водовода. Как не трудно понять, эта процедура длительная и чревата гидроударами, способными повредить водовод. А если напряжение на источнике 1 восстановится, то переключение произойдёт снова с источника 2 на источник 1, и процедуру запуска нужно будет повторять. На лицо, неадекватное техническое решение.
Если же запитать один насос от Источника (секции) 1, а другой — от Источника (секции) 2 (схема (б) на рисунке), то при потере питания на Источнике 1 из работы выйдет только насос 1, а насос 2 останется в работе. Давление в системе водовода, конечно же, снизится, но водовод не встанет, подпор воды останется, и запустить в работу насос 1 будет куда проще и быстрее. А после восстановления питания на Источнике 1 можно спокойно перевести насос 1 на работу от Источника 1 без потери питания.
Возможность технологического резервирования — основная причина применения схемы АВР с неявным резервированием повсеместно. При нормальной схеме питания все потребители распределяют так, чтобы они питались от разных источников: часть через выключатель ВВ1, а остальная — через ВВ2. Выключатель СВ отключен. При пропадании напряжения на любом источнике, происходит потеря из работы только части оборудования. После переключения выключателя СВ, отключенное оборудование снова запускается в работу.
При восстановлении напряжения на отключенном источнике, никаких операций автоматика АВР не выполняет — потребители остаются запитаными через один из выключателей ВВ и включенный СВ. Это называется однократностью действия АВР. Благодаря этому исключаются ложные срабатывания и лишняя остановка оборудования.
Переход на нормальную схему (когда потребители питаются каждый от своего ВВ, а выключатель СВ отключен) производится вручную оперативным персоналом. При этом потеря питания не происходит, так как оперативный персонал вначале включает отключенный вводной выключатель ВВ, закольцовывая тем самым оба источника, а потом отключает выключатель СВ.
Выключатели, обозначенные буквами ВВ называются вводными выключателями, потому что через них напряжение "подводится" к системе шин, называемой секцией. Секция — это обособленная система шин, запитаная от отдельного вводного выключателя, являющаяся местом присоединения для определённой группы потребителей, называемых отходящими линиями.
Выключатель СВ называется секционным выключателем, потому что электрически соединяет между собой две разные секции.
Схема АВР с неявным резервом (рисунок (б)) несколько сложнее и должна удовлетворять нескольким условиям:
- Однократность действия: переключившись на резервный источник, нагрузка остаётся на нём, даже если на основном источнике восстановилось напряжение;
- При отключении выключателя, не вызванное командой отключения или из-за ошибки оперативного персонала, срыва выключателя с защёлки и т. п, резервный источник должен подключиться немедленно, без выдержки времени;
- Включение выключателя СВ возможно только по факту отключения выключателя ВВ источника, на котором пропало напряжение, чтобы исключить подпитку повреждённой линии;
- Отключение выключателя, вызванное пусковыми органами контроля напряжения (реле контроля фаз или реле минимального напряжения), производится с выдержкой времени на ступень выше времени срабатывания токовых защит, способных вызвать недопустимую просадку напряжения.
- При отключении вводного выключателя ВВ1 или ВВ2 действием защит, работа АВР должна блокироваться, чтобы исключить подачу напряжения на повреждённый участок сети включением секционного выключателя СВ, что может вызвать отключение оставшегося источника.
- Желательно, чтобы выключатель СВ включался только в том случае, когда на подключаемом источнике есть напряжение, чтобы исключить бессмысленное действие.
Покажем, как реализуются условия работы АВР в схемотехнике.
На рисунке показан вариант АВР, выполненный на контакторах. На силовой схеме показаны два ввода 0,4 кВ от Источника 1 и Источника 2. Напряжение источников контролируется двумя реле напряжения: KV1 — на Источнике 1, KV2 — на Источнике 2. Автоматы SF3, SF4 и реле KV образуют мини-АВР с явным резервом для переключения цепей управления. Резервирование источников происходит включением контактора СВ.
В обычном режиме включение контактора ВВ1 производится от кнопки SB1.1, которая подхватывается блок-контактом ВВ1 для удержания контактора во втянутом состоянии. Отключение контактора производится кнопкой SB1.2. Аналогично производится ручное управление контакторами ВВ2 и СВ.
Рассмотрим, как в схеме соблюдены условия работы АВР:
- Контроль напряжения на смежной секции для исключения ложной работы АВР. Контроль наличия напряжения на смежной секции выполняют реле KVВВ1 и KVВВ2. В логику работы этих реле заложено то, что сам факт втянутого состояния говорит о двух произошедших событиях: наличия напряжения на этом вводе и факта включения контактора смежного ввода. Например, для срабатывания KVВВ1 в цепи имеется контакт ВВ2, замыкание которого является признаком того, что ВВ2 включался, а значит при его отключении нужно запустить схему АВР. Контроль напряжения на смежной секции, конкретно в этом случае не имеет смысла, так как цепи управления схемы выполнены на переменном токе, и при отсутствии напряжения на резервном вводе, при пропадании на основном, схема просто не сработает. Это имеет смысл, если цепи управления запитать от источника постоянного тока с аккумуляторными батареями и немного переработать схему. Но функция факта включения смежного ввода продолжает быть актуальной.
- Однократность действия схемы АВР. При пропадании напряжения на одном из Источников, и успешной работе АВР, контакт КСВ в цепи реле KVВВ1 и KVВВ2 разрывает их подпитку, тем самым обеспечивает условие однократности работы АВР.
- Работа АВР при ошибочном действии оперативного персонала или непреднамеренном отключении выключателя ВВ1 или ВВ2. При непреднамеренном отключении одного из контакторов ВВ1 или ВВ2, схема работы следующая: при введённом АВР (ключ SA1 находится в положении "2"), при отключенном выключателе СВ (реле КСВ не втянуто) и отсутствии факта срабатывания защит автоматического выключателя (специальные контакты QF1 и QF2), реле KV1 и KV2 останутся втянутыми, поэтому по цепочке ВВ1→KVВВ2 или ВВ2→KVВВ1 срабатывает реле КАВР. Эту цепочку нужно понимать так: при отключенном ВВ1 и наличии напряжения на Источнике 2 (KVВВ2) или отключенном ВВ2 и наличии напряжения на Источнике 1 (KVВВ1) условия работы АВР выполняются. Далее, контакт реле КАВР в цепи СВ выполняет его включение, подключая тем самым резервный источник.
- Работа АВР от пусковых органов напряжения с выдержкой времени. При пропадании напряжения на одном из источников, отключается его контактор, так как катушка контактора запитывается от него же. Если АВР введён (ключ SA1 в положении "2"), то при отключенном СВ (реле КСВ не втянуто) и отсутствии срабатывания от токовых защит автоматических выключателей QF1 и QF2 (специальные контакты QF1 и QF2), одно из реле KV1 или KV2 отпадёт и соберёт тем самым цепь на таймер KT1. Отсчитав заданное время, таймер замкнёт свой контакт KT1 с выдержкой времени в цепи реле КАВР, в результате чего произойдёт срабатывание контактора СВ, и подключение резервного источника.
- Подключение резервного источника по факту отключения выключателя повреждённого. Наличие контактов ВВ1 и ВВ2 в цепи реле КАВР и KT1 соблюдает условие подключения резервного источника по факту отключения повреждённого.
Другой реализацией этой схемы может быть схема не на контакторах, а на автоматических выключателях с моторным приводом и электромагнитами включения и отключения:
Схема главных цепей в этом случае упрощается из-за отсутствия контакторов, а реле контроля напряжения переносятся для контроля напряжения до автоматических выключателей.
Как можно заметить, схема во многом осталась такой же, только появились дополнительные цепи, воздействующие на электромагниты отключения выключателей QF1.НР, QF2.НР и QF3.НР:
Схемных реализаций АВР существует множество: релейные или на "умных реле", на контакторах или на автоматах. Мы рассмотрели схемы на реле, потому что в ней очевидна логика работы, поэтому её можно перенести, например, в логику умного реле.
Схема АВР с неявным резервом и третьим источником — генератором
Когда производится питание особо ответственных потребителей, не достаточно иметь два независимых источника. В этом случае подключают третий, как правило это ДГУ — дизельная генераторная установка или ГПУ — газопоршневая установка. Мощности генератора может быть не достаточно для поддержания технологического процесса. Главная функция этого источника — возобновить питание для безаварийного завершения технологического процесса, например, закрытия аварийных клапанов, вывод оборудования на безопасные позиции, включение установок поддержания жизнедеятельности или эвакуации, пожаротушения и т. д.
В нормальном режиме генератор G отключен, питание потребителей происходит от Источника 1 и Источника 2. Если происходит ситуация, когда Источник 1 и Источник 2 теряют питание, то схема АВР производит запуск генератора G. Когда автоматика генератора фиксирует, что генератор разогнался до рабочих оборотов, и напряжение на его выходе соответствует требуемым параметрам, она выдаёт сигнал готовности в схему АВР, а АВР отключает автоматы АВ1, АВ2 и включает автоматы АВ4 и АВ3. Потребители получают питание от генератора.
При работе от генератора и возобновлении питания хотя бы на одном из источников, переход на сеть возможен только при синхронизации генератора с сетью. Иначе, переключение потребителей на сеть без потери питания невозможно.
Для закрепления понимания логики работы АВР с двумя источниками и ДГУ, рассмотрим, как дополняется схема из предыдущего раздела.
В отличие от предыдущей схемы с двумя вводами, здесь появился третий — от генератора, работающий на автомат QFG. Для контроля напряжения этого ввода применено дополнительное реле напряжения KVG. Включение QFG от АВР возможно только при отключенных QF1, QF2.
Схема дополнена контактом реле KVG, который переключает цепи управления при работе от генератора, остальная схема управления аналогична схеме из предыдущего раздела.
Схема дополнена реле KLO, которое предназначено для отключения оставшихся включенными выключателей QF1 или QF2 после потери питания. Логика его работы показана на следующем листе.
В верхней части показана цепочка запуска генератора: запуск разрешён, если ключ SA2 находится в положении "2" (ДГУ введён) и оба источника без напряжения (реле KV1 и KV2 не подтянуты). Эта цепочка замыкается и подаёт сигнал от аккумулятора ДГУ на вход пуска системы управления генератором. Для запуска генератора требуется время. После выхода на номинальные обороты и номинальное напряжение, замыкается реле напряжения KVG, и цепи управления получают питание (Лист 2). При введённом АВР (ключ SA1 в положении "2") и отсутствии аварийного срабатывания автоматических выключателей (специальные контакты QF1 и QF2 замкнуты), напряжение цепей управления подаётся в схему АВР генератора (Лист 4).
Если какой-то выключатель QF1 или QF2 остался включен, то собирается цепочка реле KLO, которое отключает оставшиеся включенными выключателями (Лист 3). После отключения всех выключателей и наличии контакта готовности от ДГУ срабатывает реле KL3, которое воздействует на электромагнит QFG и включает автомат QFG. Таким образом запитываются потребители 2-ой секции. При введённом же ключе SA3 в положение 2, реле KL3 запускает реле времени KT2, назначение которого — выдержка времени перед подключением 1-ой секции. Такая мера нужна, чтобы уменьшить пусковые токи и облегчить работу генератора.
Через время KT2 происходит подключение секционного выключателя СВ, и потребители 1-ой секции получают питание.
Пример для понимания категорийности электроснабжения
Категорийность объекта электроснабжения определяется при проектировании на основании условий технологического процесса. Нужно понимать, что категорийность применяется не ко всему объекту, а к конкретным отдельным электроприёмникам. На рисунке представлена схема питания котельной среднего давления, утилизирующей продукты коксового и доменного производств. Такой потребитель имеет первую категорию электроснабжения с особой группой электроприёмников.
Основное питание объекта обеспечивается от двух независимых линий 10 кВ. Независимость их соблюдается тем, что они питаются от разных секций подстанции, которые, в свою очередь, питаются от разных трансформаторов 110/10 кВ (на рисунке не показаны). На этом уровне потребители имеют первую категорию электроснабжения, потому что восстановление питания отказавшего источника выполнится автоматикой АВР1 распредустройства 10 кВ.
К питаемому от РУ-10 кВ распредустройству РУ-0,4 кВ добавляется третий источник питания — ДЭС (дизельная электростанция), потому что при отказе Источников 1 и 2 потребуются действия для безопасной остановки работы котлов: управление разгрузочными клапанами, задвижками ЗД14 и ЗД22, поддержание контуров охлаждения (насосы АД13 и АД23) и т. п. Технологическая необходимость управлять всеми этими исполнительными механизмами выделяет их в особую группу электроприёмников, которые питаются от РУ-0,4 кВ остающейся потребителем первой категории.
От РУ-0,4 кВ питаются и специальные особые потребители, перерыв в питании которых недопустим. Это ПЛК, газовые клапана (ГК1..ГК4), системы пожаротушения и сигнализации, эвакуационное освещение, средства связи и т. д. Бесперебойность их работы обеспечивается наличием источников бесперебойного питания (ШОТ и ИБП), ёмкость которого выбирается таким образом, чтобы поддерживать их работу на время переключения источников работой АВР2.
То есть, в свою очередь, условно, потребители особой группы делятся ещё на два типа:
- Допускающие перерыв питания на время переключения источника;
- Не допускающие перерыва питания.
Шкаф оперативного тока ШОТ и источник бесперебойного питания ИБП имеют свою собственную систему АВР, выбирающую доступный из двух подведённых к ним вводов, и аккумуляторные батареи (БАТ), благодаря которым подключенные потребители останутся в работе и не потеряют питания на время переключения АВР.
Ещё одним отдельным особым потребителем первой группы являются пожарные насосы ПН1 — ПН3, которые запитаны от трёх источников и имеют свой собственный АВР3 и систему управления. И если вдруг во время возникновения пожара будут теряться один за одним источники, то АВР3 будет подключать доступный в данный момент, а система управления по сигналу "Пожар" запускать пожарные насосы.
АВР в сетях с синхронными электродвигателями
Единственным случаем, когда требуется замедлять работу АВР, является просадка напряжения. Расчёт сделан на самоустранение короткого замыкания, тогда в случае успеха переключать источник вовсе не потребуется. Но бывают случаи, когда при аварии на секции напряжение падает относительно медленно, так как синхронные электродвигатели в первые моменты после потери питания могут поддерживать напряжение на секции в допустимых пределах. Обычно это происходит, когда двигатель вращает инерционную нагрузку, например, вентилятор. Скорость вращения ротора хоть и не быстро, но снижается, поэтому дополнительным пусковым органом, ускоряющим срабатывание АВР, применяют реле частоты. Реле частоты позволяет отличить короткое замыкание от потери питания. Благодаря этому схема АВР переключится на резервный источник быстрее, и, вероятно, синхронные двигатели останутся в работе, с минимальными потерями синхронизма.
Сетевой АВР
Все рассмотренные до этого схемы АВР имели одну особенность: выключатели и схема АВР, управляющая ими находились в одном месте, поэтому их классифицируют как местный АВР. Существуют более сложные реализации — распределённые АВР, когда пусковые органы и выключатели могут находиться на разных подстанциях. Такие системы АВР называют сетевыми, и они гораздо сложнее, потому что состоят из целого комплекса устройств, выполняющих необходимые функции:
- Переключение обесточенного сегмента сети для питания от резервного источника;
- Перед подключением резервного источника, выполнение операций для исключения подачи напряжения на повреждённый участок сети, если такой режим не предусмотрен релейной защитой;
- Отделение ближайших местных электростанций перед подключением резервного источника, так как за время отсутствия напряжения у них может нарушиться синхронизм с энергосистемой;
- Перестройка уставок, если после подключения резервного источника сменится направление мощности и т. д.
Рассмотрим пример работы АВР для простого участка разомкнутой сети:
Положение выключателей на рисунке показано в исходном нормальном состоянии, без аварийных происшествий: красным — включено, зелёным — отключенное. Допустим, в какой-то момент на линии между подстанциями А и Б в точке К1 происходит короткое замыкание. В таком случае развитие событий протекает по такому сценарию:
- Защитой подстанции "А" производится отключение выключателя А1;
- Автоматика АПВ подстанции "А" пытается включить выключатель А1 повторно, но короткое замыкание оказывается устойчивым, поэтому действием защит выключатель А1 отключается снова;
- Устройства делительной автоматики ДА(Б) на подстанции "Б", выждав время работы АПВ подстанции "А" отключают выключатель Б1 и Б2, отделяя тем самым повреждённый участок для работы АВР;
- На подстанции "Д" АВР(Д) делает перестройку уставок для работы в сторону подстанции "Г" и, выждав время, необходимое для действия делительной автоматики ДА(Б) включает выключатель Д3, подключая тем самым к резервному источнику подстанции "Г" и "Б".
Электроснабжение потребителей восстановлено, повреждённый участок между подстанциями "А" и "Б" отделён.
В практике возможен и более сложный случай на той же схеме:
Короткое замыкание возникает на линии между подстанциями "А" и "В", в этом случае сценарий таков:
- Защитой подстанции "А" производится отключение выключателя А2;
- Генераторы, питающие ГРУ "E" теряют связь с энергосистемой, в результате чего рассинхронизируются с сетью;
- Для предотвращения подачи напряжения со стороны подстанции "Г" на рассинхронизированную систему подстанции "Д", делительная автоматика ДА(Е) подстанции "Е" отключает выключатели Е2 и Е3;
- Автоматика АПВ подстанции "А" пытается включить выключатель А2 повторно, но короткое замыкание оказывается устойчивым, поэтому действием защит выключатель А2 отключается снова;
- Устройства делительной автоматики ДА(В) на подстанции "В", выждав время работы АПВ подстанции "А" отключают выключатель В1 и В2, отделяя тем самым повреждённый участок для работы АВР(Д);
- На подстанции "Д" АВР(Д) делает перестройку уставок для работы в сторону подстанции "В" и "Е" и, выждав время, необходимое для действия делительной автоматики ДА(В), ДА(Е) и АПВ выключателя А2, включает выключатель Д3, подключая тем самым к резервному источнику подстанции "В" и "Е".
- Если работа АВР(Д) оказалась успешной, то на подстанции "Е" синхронизируют генераторы с сетью и включают их на параллельную работу.
Все подстанции запитаны, а повреждённая линия между подстанцией "А" и "В" отделена.
Возможны и более сложные схемы работы сетевого АВР и делительной автоматики, но даже на этих примерах понятно, что и оборудование, и квалификация обслуживающего персонала такого рода систем требуется соответствующие.
Наладка схем АВР
Наладка схем АВР состоит из стандартного набора действий:
- Ознакомление с принципиальной схемой АВР и выявление возможных ошибок. Составления программы проверки схемы;
- Визуальный осмотр, в ходе которого проверяется качество монтажа и соответствие его нормам, наличие надписей и маркировок, соответствие цветов проводников, ламп и кнопок их функциональным значениям;
- Проверка соответствия установленного оборудования принципиальной схеме и спецификации, а так же применимость устройств в целом для существующих условий: степень защиты, уровень напряжения, адекватность принятых мер защит от замыканий во вторичных цепях, целостность предохранителей и т. д.;
- Проверка схемы "прозвонкой" после монтажа;
- Прогрузка автоматических выключателей;
- Проверка срабатывания катушек реле и пусковых реле напряжения, настройка требуемой функции для реле контроля фаз, выставление уставки его срабатывания, а затем проверка правильности работы от постороннего источника;
- Проверка работы измерительных приборов — амперметров и вольтметров — заданием соответствующих величин от испытательных источников. На этом этапе разумно произвести настройку коэффициентов, схем подключения и других параметров электронных приборов, запитав их по временной схеме, чтобы ориентироваться на их показания при работе под напряжением;
- Проверка сопротивления и прочности изоляции вторичных цепей. Если в схеме есть электронные устройства, то перед проверкой изоляции нужно выполнить процедуры, описанные в руководстве по эксплуатации, чтобы исключить их повреждение повышенным испытательным напряжением;
- Проверка наличия защитного заземления;
- Подача напряжение на схему от внешнего источника: имитируя нормальные условия, проверить, что напряжение на измерительные приборы подведено верно;
- Если логикой АВР управляет ПЛК или умное реле, нужно проверить, что все входные сигналы доходят, имитацией срабатывания контактов;
- Выполнение проверки логики работы схемы по составленной программе;
- Во время проверки схемы контролировать правильность работы сигнализации;
- Подать временное напряжение с неверным чередованием фаз и убедиться, что реле контроля напряжения не дают разрешения на работу схемы АВР;
- Подать напряжение по постоянной схеме на один из вводов, предварительно запретив работу АВР;
- Включить секционный выключатель и убедиться, что напряжения на измерительных приборах и реле контроля фаз подведены правильно и сфазированы;
- Отключить секционный выключатель и подать напряжение от другого ввода, убедиться, что оба источника сфазированы;
- Опробовать схему в рабочем режиме с отключением вводов с питающей подстанции.
Выбор уставок для пусковых органов АВР
На практике Прохора Наумовича никогда не было такого, чтобы уставки пусковых органов АВР давала бы проектная организация — их приходится выставлять самостоятельно при наладке. Давайте разберемся, чем же руководствоваться при их выборе?
Напряжение срабатывания Uср.авр. Величину срабатывания пускового органа напряжения следует выбирать из соображения глубокой просадки или пропадания напряжения при близком коротком замыкании. С достаточной точностью можно принять значение напряжения из диапазона:
Uср.авр = (0,25...0,4)∙Uвтор.ном [В]
Здесь Uвтор.ном — номинальное вторичное напряжение трансформатора напряжения (например, 100 В), если пусковый орган напряжения подключен на линейные напряжения.
Время срабатывания реле напряжения tср.авр. При возникновении просадки из-за короткого замыкания, как уже говорилось выше, нужно дать возможность самоустраниться короткому замыканию, следовательно, переждать время работы токовой защиты от замыкания (tср.мтз). Время срабатывания нужно брать из тех токовых защит, которые работают на близкие короткие замыкания, как правило это 1 или 2 ступень МТЗ (максимальной токовой защиты), время работы Isd или даже 6∙Ir для автоматических выключателей. И это не обязательно уставки токовых защит вводного выключателя, а даже скорее всего — выключателя отходящей линии.
К величине времени срабатывания tср.мтз токовой защиты добавляется собственное время отключения выключателя (tОТКЛ) и время ступени селективности (Δt), обычно принимаемое равным 0,6 с, если на вышестоящей секции нет двигателей с самозапуском. При наличии таких двигателей, Δt принимается достаточным для обеспечения самозапуска. Тогда время срабатывания АВР:
tср.авр = tср.мтз + tоткл + Δt [с]
Из этого следует, что каждый следующий АВР от источника к потребителю должен работать с временем:
tср.авр2 = tср.авр + tоткл + Δt [с]
Если возобновление напряжения возможно работой АПВ (автоматика повторного включения) питающей линии, то выбор времени должен учитывать время работы АПВ (tср.апв) питающей линии:
tср.авр = n∙(tср.мтз + tср.апв) + tоткл + Δt [с]
Здесь n - кратность срабатывания АПВ (n = 1 для однократного АПВ, n = 2 для двухкратного АПВ и т. д.). Следует отметить, что tср.мтз для второго цикла АПВ может быть меньше, так как защиты могут ускоряться, поэтому это нужно принимать во внимание, чтобы не "раздуть" необоснованно время срабатывания АВР.
Контроль напряжения смежной секции Uрез.сш. Чтобы был смысл переключаться на резервный источник, реле контроля напряжения настраивается на срабатывание:
Uрез.сш = 0,8∙Uвтор.ном [В]
Частота ускорения срабатывания АВР fср.авр. Значение частоты, на которое нужно реагировать для ускорения срабатывания АВР при работе синхронных двигателей на секции выбирается из диапазона:
fср.авр = (0,92..0,96)∙fном [Гц]
Быстродействующий АВР
БАВР — быстродействующий АВР — это специальное устройство, предназначенное для переключения с минимально возможной бестоковой паузой. Как правило, декларируется время переключения 20-65 мс при применении быстродействующих выключателей и 45-80 мс при применении обычных вакуумных и элегазовых выключателей.
Снижение времени переключения достигается за счёт снижения времени реакции самого устройства БАВР в виде микропроцессорного блока, имеющего более сложный алгоритм определения снижения/исчезновения напряжения, чем обычное реле.
Быстродействующие выключатели отличаются от обычных тем, что имеют не механическую защёлку, как у обычного выключателя, а электромагнитную в каждой фазе. Включение происходит специальной катушкой, которая выводится из работы после смыкания главных контактов. Удерживаются контакты во включенном состоянии удерживающей катушкой. Такая конструкция в разы сокращает время срабатывания выключателя: например, в некоторых моделях контакты смыкаются за 20 мс, а размыкаются за 12 мс. За такое время переключения электродвигатели не успевают выпасть из работы, что не нарушает технологический процесс, и предприятие не несёт издержки из-за останова и последующего запуска комплекса в работу.
БАВР применяется в сетях от 0,4 кВ до 110 кВ — там, где затраты на его внедрение и обслуживание целесообразны. На основе БАВР реализуются точно такие же схемы, как на обычном АВР: с явным резервом и неявным резервом, с двумя или тремя источниками.