CC BY
98
Інформація
УДК 621.318
ОМ. Кулакевич, Б.В. Клименко
АВТОМАТИЧНЕ ВМИКАННЯ РЕЗЕРВУ -
НАДІЙНИЙ ЗАСІБ БЕЗПЕРЕБІЙНОГО ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ
Розглянуто принципи побудови систем автоматичного вмикання резерву (АВР) для забезпечення безперебійного живлення споживачів електричної енергії. Наведено конкретні приклади АВР па базі контакторів, автоматичних вимикачів з моторними приводами, спеціалізованих перемикачів з моторними приводами та програмованих логічних контролерів.
Рассмотрены принципы построения систем автоматического ввода резерва (АВР) для обеспечения бесперебойного питания потребителей электрической энергии. Приведены конкретные примеры АВР па базе контакторов, автоматических выключателей с моторными приводами, специализированных переключателей с моторными приводами, а также па базе программированных логических контроллеров.
Ми живемо в час тотальної залежності людства від створеної нами інфраструктури. Зламаний кран гарячої води змушує нас казитися від безпомічності. Що вже казати про такий важливий чинник забезпечення нашого комфорту як електропостачання. Перебої у постачанні "електрики" буквально паралізують побут - як обійтись без холодильника, телевізора, пральної машини, ліфта, тощо? У банківській сфері чи на промисловості перебої у електропостачанні можуть спричинити багатотисячні фінансові втрати, а у медицині чи на транспорті - люд. -працюють над удосконаленням систем безперебійного постачання електричної енергії з метою забезпечення їх .
Раніше для забезпечення надійності електропостачання електроприймачів першої категорії 1 у м ере-
1 Правила улаштування електроустановок (ПУЕ) розділяє усі електропрнймачі у відношенні забезпечення надійності електропостачання на три категорії (ПУЕ: 1.2.17).
Електропрнймачі І категорії - електропрнймачі, перерва електропостачання яких може спричинити: небезпеку для життя людей, значний збиток народному господарству; пошкодження дорогого основного обладнання, масовий брак продукції, розлад складного технологічного процесу, порушення функціонування особливо важливих елементів комунального господарства. Зі складу електроприймачів І категорії виділяється особлива група електроприймачів, безперебійна робота яких необхідна для безаварійного зупину виробництва з метою запобігання загрозі життю людей, вибухам, пожежам і пошкодженням дорогого основного обладнання.
Електропрнймачі II категорії - електропрнймачі, перерва електропостачання яких призводить до масового недовипуску продукції, масових простоїв робітників, механізмів і промислового транспорту, порушення нормальної діяльності значної кількості міських та сільських жителів.
Електропрнймачі III категорії - решта електроприймачів, що не підпадають під визначення І та II категорій.
Електропрнймачі І категорії повинні забезпечуватися електроенергією від двох незалежних взаєморезервуючих джерел живлення, і перерва їх електропостачання при порушенні електропостачання від одного з джерел живлення може бути допущена лише на час автоматичного відновлення живлення.
Для електропостачання особливої групи електроприймачів І категорії має передбачатися додаткове живлення від третього незалежного взаєморезервуючого джерела живлення (ПУЕ: 1.2.18).
Електропрнймачі II категорії рекомендується забезпечувати електроенергією від двох незалежних взаєморезервуючих джерел живлення. Для цих електроприймачів при порушенні електропостачання від одного з джерел живлення допустимі переривання електропостачання на певний час, необхідний для вмикання резервного живлення діями чергового персоналу або виїзної оперативної бригади (ПУЕ: 1.2.19).
Для електроприймачів III категорії електропостачання може виконуватися від одного джерела живлення за умови,
жах середніх напруг застосовувалися кільцеві схеми живлення (рис. 1). У цьому випадку живлення однієї підстанції здійснюється одночасно від двох чи більше .
живлення користувачів зберігається по іншому, що залишився у роботі. Але така схема має ряд недоліків, основні з яких вказані нижче.
• Дуже великі струми короткого замикання - при паралельному підключенні трансформаторів розрахунковий струм короткого замикання /кз на збір них шинах підстанції дорівнює сумі /ю підключених транс.
• Напруга короткого замикання (ик, %) трансформаторів, що працюють паралельно, повинна бути однаковою. Інакше навантаження між трансформаторами розподіляється нерівномірно - трансформатор з меншою напругою короткого замикання навантажу-
( ), з більшою напругою короткого замикання (недован-). , цих трансформаторів на повну потужність.
• -рматорів з різницею їхніх номінальних потужностей понад 2,5 рази. Це зумовлено різницею активних і реактивних складових напруги короткого замикання у трансформаторів різної потужності. Струм, що споживається електроприймачем, буде обов'язково меншим ніж сума номінальних струмів трансформаторів.
•
набагато складнішим ніж при роздільному живленні. Номінальний струм основних шин щита, або навіть одного з фідерних автоматичних вимикачів, може бути вищим за номінальний струм одного з трансформатор.
захисних характеристик уводів
В1 \
N
Рис. 1. Приклад
кільцевої схеми
електропостачання
електроприймачів першої
категорії
що перерви електропостачання, необхідні для ремонту або заміни пошкодженого елемента системи електропостачання, не перевищують 1 доби (ПУЕ: 1.2.20).
Недоліки кільцевих схем спричинили пошуки інших способів підвищення надійності електропостачання. Так виник принцип застосування радіально-секціонованих мереж з можливістю переведення на-вантаг на резервне джерело живлення.
Для скорочення перериву електропостачання користувачів включення резервного живлення здійснюється автоматично за допомогою спеціальних релейних пристроїв. В результаті з’явилися і на сьогодні широко застосовуються так звані пристрої автоматич-( ).
Пристрої АВР призначені для відновлення живлення споживачів шляхом автоматичного приєднання резервного джерела живлення при відключенні робочого джерела живлення, що призводить до знеструм-лення електроустановок споживача. Також пристрої АВР повинні передбачатися для автоматичного вмикання резервного устаткування при відключенні ро,
нормального технологічного процесу.
Пристрої АВР можуть встановлюватись на , , ,
' , -чних щитах; широко використовується у системах електропостачання на промислових підприємствах, адміністративних та приватних установах, об'єктах
'
електропостачання користувачів І та II категорії.
Застосовуються різноманітні схеми АВР, однак всі вони повинні відповідати викладеним нижче осно-.
1.
забезпечуватися електроенергією від двох незалежних взаєморезервуючих джерел живлення, а для електропостачання особливої групи електроприймачів І категорії повинне передбачатися додаткове живлення від третього незалежного джерела.
2.
живлення може використовуватися незалежна автоматизована електростанція у вигляді дизель-генератора, бензо-генератора, акумуляторної батареї, тощо.
3. При використанні АВР повинні бути вжиті захо-
,
двох незалежних джерел живлення один на одного, причому бажана наявність не тільки електричного, але і механічного блокування комутаційних апаратів.
4. АВР повинні знаходитися у стані постійної готовності до дії і спрацьовувати при знеживленні користувачів з будь-якої причини та наявності нормальної напруги
, ,
.
джерела на коротке замикання, лінія робочого джерела (до моменту дії АВР) повинна бути відключена вимикачем зі сторони шин користувачів. Вимкнений стан цього вимикача контролюється його допоміжними контактами або реле положення, і ці контакти повинні бути використані у схемі включення вимикача резервного джерела Ознакою припинення живлення є зникнення напруги на , , пристрій АВР зазвичай є напруга. При зниженні напруги до певного значення АВР спрацьовує.
5. -
жить від характеристик споживачів електроенергії, але за наявності в системі джерел безперебійного живлення (ДБЖ) не має визначального значення. При виборі витримки часу також необхідно погоджувати дію АВР з дією АПВ.
6. АВР повинні забезпечувати одноразовість дії, що необхідно для запобігання багаторазовому включенню резервного джерела на стале коротке замикання.
7. АВР повинні забезпечувати разом із захистом швидке відключення резервного джерела живлення і його споживачів від пошкодженої резервованої секції шин і тим самим зберігати їх нормальну роботу. Для цього передбачується прискорення захисту після АВР.
8. АВР не повинні допускати небезпечних несинх-ронних включень синхронних електродвигунів і пере.
9. При застосуванні АВР необхідно перевіряти умови перевантаження резервного джерела живлення. Якщо при цьому буде мати місце підвищення навантаження вище допустимого, необхідно виконувати автоматичне розвантаження резервного джерел живлення шляхом відключення найменш важливих користувачів.
10. -явність регулювання порогів спрацьовування АВР в діапазоні контрольованої напруги для кожного уводу.
, ,
,
обох пристроїв дозволяє забезпечити своєчасне перемикання на резервну мережу при відхиленні напруги основної живлячої мережі за задані значення і тим самим виключити тривалу роботу ДБЖ на батареях при справній резервній мережі.
11. У складі системи АВР бажана наявність індикації її стану, а також можливість ручного керування .
Існує багато принципових схем автоматичного вмикання резервного живлення. Вони різняться за кількістю та видом уводів, наявністю секціонування, кількістю секцій живлення навантаг, типами комутаційних апаратів тощо. На розглянутих нижче схемах у якості комутаційних пристроїв для прикладу зображено автоматичні вимикачі р-.
У схемі АВР з двома трансформаторними уводами
( . 2) -льне підключення трансформаторів унеможливлюється завдяки електричному та механічному блокуванню Р-1 та Р-2.
Рис. 2. Система АВР з двома трансформаторними уводами та спільною секцією живлення навантаг
При знеживленні основного уводу автоматичний вимикач р-1 відключається та включається р-2 за-живлюючи секцію живлення навантаг від резервного трансформатора. При відновленні живлення основного уводу Р-2 відключається та включається 0-1, живлення здійснюється від основного уводу. Пріоритетність можна закріпити за будь-яким із уводів. Уводи також можуть бути рівнозначними. У цьому випадку живлення здійснюється від будь-якого із уводів доки
Увід 1 Увід 2
І І 4-і
на ньому присутня напруга незалежно від наявності напруги на іншому уводі.
На рис. 3 зображена схема АВР з двома уводами, один з яких - автономний електрогенератор (в) та спільною секцією живлення навантаг. Функціонування цієї системи є аналогічним попередній.
Рис. 3. Система АВР з живленням навантаг від трансформатора та автономного електрогенератора
Схема АВР з трьома уводами, один з яких є автономним електрогенератором, та однією секцією живлення навантаг зображена на рис. 4. За нормальних умов живлення відбувається від одного з двох, або обох (парадельне підключення) трансформаторів. При знеживленні обох трансформаторів секцію живлення навантаг заживить електрогенератор. Підключення до генератора здійснюється тільки при відключених вимикачах ОБІ та ОР2. Оскільки потужності генератора зазвичай не достатньо для живлення усіх користувачів, релейну логіку системи керування налаштовують та, -дери, а інші відключають. При відновленні живлення з боку одного із трансформаторних уводів система керування відключає ОР3 та включає автоматичний вимикач відповідного трансформаторного уводу.
Рис. 4. Система АВР з трьома
,
,
секцією живлення навантаг
Схема АВР з двома уводами, секціонуванням та двома секціями живлення навантаг зображена на рис. 5. У нормальному режимі кожен трансформатор живить свою секцію. При аварії одного із уводів вмикається секційний вимикач, який об'єднує дві секції в одну.
, , , заживить обидві секції. ОР3 може включитися тільки при відключеному ОБІ або ОР2.
. 5.
,
секціями живлення навантаг Схема АВР з трьома уводами, один з яких є авто, -ціями живлення навантаг зображена на рис. 6. При знеживленні одного із трансформаторних уводів вмикається секційний автоматичний вимикач ОР3, та транс, .
. 6.
,
,
двома секціями живлення навантаг
Але, якщо і цей увід знеживиться, спільну секцію за. -чів та уводів налаштовується опціонально на базі релейної логіки.
Схема АВР з трьома уводами, один з яких є ав,
навантаг зображена на рис. 7. За нормальних умов схему живить один із трансформаторів (неможлива парале-).
один одного і на виході мають спільний вимикач ОР3. При знеживленні обох трансформаторів ОР3 відключиться, чим дасть можливість включитися ОР4 та заживити секцію живлення навантаг від електрогенератора.
. 7. ,
один з яких є автономним генератором, та однією секцією живлення навантаг
Схема АВР з трьома уводами, секціонуванням та трьома секціями живлення навантаг зображена на рис. 8. При знеживленні першого уводу відключиться ОБІ та включиться ОР4. Таким чином другий увід живитиме першу і другу секції. Аналогічною є ситуація при знеживленні третього уводу: другий увід живитиме третю і другу секції. При знеживленні другого уводу
його резервує перший або другий (відповідно до релейної схеми).
. 8.
уводами та трьома секціями живлення навантаг
,
.
вимикача включаються, і трансформатор, що залишився у роботі, живить усі три секції. Звичайно потужності одного трансформатора замало для живлення усіх користувачів трьох секцій, тому непріоритетні фідери відключаться з боку користувачів.
Ще одна схема АВР з трьома уводами, секціонуванням та трьома секціями живлення навантаг зображена на рис. 9. У нормальному режимі кожен трансформатор живить свою секцію. При знеживленні одного із уводів його резервує сусідній увід - правий чи лівий визначається згідно з алгоритмом роботи ре. -ча дозволяє налаштувати підключення до менш нава.
,
найважливіших користувачів усіх трьох секцій.
. 9. , ,
трьома секціями живлення навантаг та можливістю підключення до менш навантаженого трансформатора
Схема АВР з двома уводами, та двома секціями живлення навантаг зображена на рис. 10. Трансформа-
Увід 1 Ув $ А ОР4 а Ч.ЗЕ6 ід 2 Увід 3 $ ОР2 .ІдРЗ ОР5 * *■7
Навант. 1 Нава нт. 2 Навант. 3
тори резервують один одного, але при цьому відсутній секційний вимикач. При знеживленні першого уводу відключається автоматичний вимикач ОБІ та включається автоматичний вимикач ОБЗ, заживлюю-чи першу секцію від другого трансформатора в обхід ОБ2. Аналогічна ситуація спостерігається при знеживленні другого уводу. Підключення секції безпосередньо до резервного трансформатора забезпечує незалежність резервування від стану автоматичного вимикача уводу відповідного транс.
Рис. 10. Система АВР з двома уводами та двома секціями живлення навантаг
Схема АВР з трьома уводами, один з яких є ав, ,
I та II категорій та джерелом безперебійного живлення зображена на рис. 11. У нормальному режимі перший трансформатор живить навантаги II категорії, а другий трансформатор живить навантаги І категорії. При знеживленні першого уводу автоматичний вимикач ОБІ відключиться, а включиться, зажививши
першу секцію від другого трансформатора. При знеживленні другого трансформатора ОБ2 відключиться, а ОБ4 включиться, зажививши другу секцію від першого трансформатора. Але, якщо і другий увід знежи-виться, то автоматичний вимикач ОБ5 відключиться, а ОБЗ включиться, зажививши навантаги І категорії від авто.
Рис. ІІ. Система АВР з трьома
,
, , навантагами І та II категорій та джерелом безперебійного живлення
На уводі секції навантаг І категорії встановлено пристрій безперебійного живлення (uninterruptible power supply - UPS) для забезпечення максимальної надійності живлення користувачів І категорії. Цей пристрій згладжує коливання напруги та деякий час підтримує живлення користувачів при знеживленні усіх трьох уводів.
Сьогодні існує багато способів реалізації наведених вище схем АВР. Суттєво вони різняться залежно від використаного у схемі захисного та комутаційного .
І. -
жливий час перемикання, що дозволяє залишити у роботі електроприймачі пошкодженої секції (особли-
).
пристроїв побудована на використанні тиристорного ключа. Відсутність у схемі механічних елементів дозволяє одержати високу надійність електронних АВР. У той же час при великих струмах у навантагах тепловиділення тиристорних АВР може сягати декількох кіловат (знадобиться примусова вентиляція або кон), -
Увід І Увід 2 Увід З
©
$ $
JQH IQF2
* QF4 Л Л
^QF5
|ups I
Навант. II-ї T Навант. I-ї
категорії категорії
кування від можливих замикань двох уводів між собою може бути тільки електронним. Крім того, вартість тиристорних АВР суттєво вища за вартість електромеханічних апаратів тієї ж потужності. Найбільшого розповсюдження тиристорні пристрої АВР набули у системах електропостачання середнього класу .
2.
найбільш поширені і мають досить високу швидкодію серед електромеханічних апаратів, поступаючись .
можливість ввести на додаток до електричного механічне блокування контакторів. На рис. 12 наведено схему АВР на два уводи із секціонуванням побудовану на контакторах.
У нормальному режимі кожен увід живить свою .
нормам контролюють реле контролю напруги КУ1 та КУ2. Якщо напруга на уводі 1 доступна і знаходиться у заданих межах, контакт КУ1 замкнеться, катушка контактора КМ1 заживиться та замкнуться контакти КМ1. Таким чином перша секція навантаг заживиться від першого уводу. Разом з основними контактами контактора замикається його допоміжний контакт КМ1.1, чим дозволяє заживитися катушці реле з витримкою часу на відключення КТ1. Нормально замкнені контакти цього реле (КТ1) та контактору КМ1 (КМ1.3) дозволяють реалізувати електричне блоку-
КМЗ
включених контакторах КМ1 та КМ2. При знеживленні першого уводу КМ1.3 повернеться у замкнений , КТ1 .
замикання обох контактів катушка контактора КМЗ заживиться та контакти КМЗ замкнуться. Таким чином обидві секції живлення навантаг заживляться від . -КМЗ
, -
ється до першого уводу. Аналогічно схема працює при знеживленні другого уводу.
З.
вимикачах з моторним приводом трохи поступаються попереднім по швидкодії і також дозволяють здійснити механічне та електричне блокування. До недоліків можна віднести більш складну схему і вищу вартість цих пристроїв. На рис. 13 зображено зовнішній вигляд системи АВР на два уводи із спільною секцію жив, -микачах з моторним приводом.
ОБ1 Е1 Б2 БЗ Е2
КМ1 КМ2 КУ1 КМЗ КМ4 КУ2 КМ5
Рис. 1З. Зовнішній вигляд системи АВР на базі автоматичних вимикачів з моторним приводом:
ОБ1, ОЕ2 - силові автоматичні вимикачі з моторним приводом; Е1, Е2 - елементи механічного блокування; КУ1, КУ2 - реле контролю напруги на основному та резервному уводу відповідно; Б1 - група запобіжників у колі логічного керування; Е2, БЗ - групи запобіжників у вхідних колах реле контролю напруги; КМ1, КМ2, КМЗ, КМ4, КМ5 - допоміжні реле логічного керування.
4. Електромеханічні пристрої АВР на спеціалізованих комутаційних пристроях - керованих перемикачах з мо. -
більшим часом перемикання у порівнянні з попередніми , -
ктивну неможливість замикання між собою двох уводів, а також наявність ручного управління, яке виконується незалежно від напруги на уводах. Вартість АВР на керо-
100 -
, -
.
. 14.
три положення: "1", "2" та "0". У положенні "1" наванта-га живиться від першого уводу (замикаються контакти 1), "2" уводу (замикаються контакти К2), у нульовому положенні навантага не заживлена. Операція переключення здійснюється з подачі сигналу від зовнішнього пристрою контролю напруги на блок керування перемикача Завдяки джерелу подвійного живлення (ДПЖ) живлення блоку керування здійснюється при наявності напруги принаймні на одному із уводів.
Всі названі вище схеми конкурентноспроможні та широко застосовуються. Перевага тим чи іншим захисним та комутаційним пристроям віддається залежно від технічних, економічних чи ергономічних особливостей об’єкту встановлення.
Рис. 14. Електрична схема АВР на базі перемикача з моторним приводом
Розвиток систем автоматичного вмикання резерву не стоїть на місці, вимоги до АВР розгалужуються . -матичного вмикання резерву на мікроконтролерній .
,
- ( . 15).
Рис. 15. Зовнішній вигляд багатофункціонального програмованого логічного контролера (ПЛК)
Ці пристрої призначені для заміни традиційних пристроїв електроавтоматики, побудованих на релейних і безконтактних логічних елементах. Вони створені шляхом злиття обчислювальної техніки, релейної безконтактної автоматики і циклового програмного управління технологічним устаткуванням. Для визначення послідовності відпрацьовування етапів циклу керування в програмованих реле проводиться почер-говий опит вхідних сигналів. Потім відповідно до заданої програми формуються сигнали на відповідних виходах і включаються ті виконавчі апарати, для яких
на входах сформувалися необхідні логічні умови для .
пристроями та можуть широко використовуватися у автоматизованих системах керування технологічними , , . Система АВР на базі контролера матиме значно менший перелік використаних у схемі пристроїв - функції більшості реле і контакторів бере на себе ПЛК. Шляхом програмування контролера можна налаштувати витримки часу переключення уводів, пріоритет, , -. , -криває для системи великі комунікативні можливості. За допомогою спеціальних модулів розширення можливе включення даного ПЛК у систему передачі даних. Таким чином досліджувати та впливати на роботу даної системи АВР можна буде з віддаленого диспетчер, . Та окрім універсальних ПЛК останнім часом по’ . пристрої запрограмовані на роботу у конкретній сис-.
, , індикацію стану входів та виходів. Мікропроцесорна технологія обробки сигналів забезпечує високу функ, .
АВР на базі спеціалізованих ПЛК дуже ергономічні та досить прості у монтуванні (рис. 16).
Наведена вище інформація ілюструє неабияку глибину та актуальність сфери автоматичного вми-. , крок у крок з часом та відповідають сучасним вимо-, .
PS. -
ся прикра подія - знеструмилася основна телетрансля-ційна станція держави. У результаті ціла країна була по. -ня запобіжників на одному із уводів станції. Другий увід при цьому (як пояснили) знаходився на профілактиці. Виїзній "оперативній" бригаді знадобилося б9 хвилин, щоб замінити запобіжники та відновити живлення.
-
важливих об’єктів запрограмованій автоматиці, ніж людській халатності та безвідповідальності.
Надійшла 23.01.2010
Куликевач Олексій Миколайович
Украйна, бІ05б, Харків, пр. Победы, З7,
тел. (044) 24І 7б З8, e-mail: [email protected]
Клименко Борис Володимирович, д.т.н, проф.
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Україна, бІ002, Харків, вул. Фрунзе, 2І, НТУ "ХПІ",
" " тел. (057) 707-б2-ВІ, e-mail: [email protected] O.M. Kulakevich, B. V. Klymenko
Automated reserve entry- a reliable way of no-break power supply
Principles of designing automated reserve entry systems for nobreak electricity supply of users are considered. Specific examples of such systems based on contactors, motor-drive circuit breakers, specialized motor-drive switches, and programmed logic controllers are given.
Key words - automated reserve entry, no-break electricity supply, specific examples
Рис. Іб. Зовнішній вигляд системи АВР на базі спеціалізованого ПЛК
