Электроэнергия является важным сырьем для всех коммерческих операций в большинстве сфер материального производства, и как для любого другого сырья существенным является такое понятие, как качество.
Сегодня понижение напряжения или полное отключение электроснабжения являются наиболее серьезными и критическими проблемами для качества энергоснабжения. Резкие отклонения напряжения электроснабжения в технологических установках производств, могут стать причиной полной остановки производственного процесса и длительных периодов простоя.
Часто падения напряжения вызваны авариями в сетях электроснабжения, а величина падения зависит от относительного местоположения генератора и точки аварии и измерения. Официальная статистика по степени серьезности и распределению падений напряжения отсутствует, но в настоящее время проводятся некоторые измерения среднего масштаба, которые, по ожиданиям, дадут ценную информацию. В исследовании, проведенном одним из основных производителей электроэнергии, замерялись перепады напряжения на 12 участках мощностью от 5 до 30 MВ/A. За 10 месяцев было зафиксировано 858 перепадов, 42 из которых привели к сбоям и финансовым потерям. Хотя на всех этих 12 участках потребителями были низкотехнологичные производства товаров с невысокой добавленной стоимостью, финансовые потери достигли 600 000 евро (в среднем 14 300 евро за один случай или 50 000 евро на участок), а самая большая цифра индивидуальных убытков равнялась 165 000 евро. Очевидно, что заводы, производящие продукцию с высокой добавленной стоимостью, для которых необходимы многоэтапные производственные процессы, столкнулись бы с более высокими потерями.
Для того, чтобы этого избежать, ООО «НПО «Санкт-Петербургская Электротехническая компания» предлагает устройство быстродействующего АВР, которое гарантирует оптимальную защиту энергоснабжения. Данная система обеспечивает непрерывное снабжение потребителя посредством автоматического переключения на резервный фидер и обеспечивает защиту технологического процесса от продолжительных простоев. Более того, благодаря возможности ручного переключения, например, для запланированных отключений, в значительной степени упрощает эксплуатацию установки.
Даже одно успешное переключение, обеспечивающее непрерывность работы установки, предотвращает простои и исключает необходимость использования дорогостоящего процесса повторного запуска, что, в свою очередь, обеспечивает практически полную окупаемость вложений, необходимых на приобретение высокоскоростного переключающего устройства.
Комплекс высокоскоростного переключающего устройства может применяться практически повсеместно, где отключение электроснабжения может привести к остановке производственного процесса и, соответственно, к дополнительным расходам.
Для обеспечения постоянной готовности устройства измеряемое напряжение подается от двух синхронизированных фидеров 6-10 кВ, которые независимы друг от друга. Система решает задачу в непрерывном режиме реального времени, с учетом различных физических факторов, обеспечивая максимально быстрое переключение питания к другому, считающемуся резервным, фидеру.
На рисунке 1 приведена типовая конфигурация электрической сети. Нагрузка разделена между двумя секциями для обеспечения резерва. Секционный выключатель в нормальном состоянии разомкнут. Работают оба фидера. В случае нарушения работы одного из питающих фидеров (нарушение электроснабжения), осуществляется переключение питания на секционный выключатель (на резервную секцию). Автоматический выключатель, выполнявший ранее роль питающего фидера, размыкается, и замыкается секционный выключатель. После этого обе секции питаются от одного фидера. После ввода в работу вышедшего из строя фидера, с целью восстановления нормального состояния, может быть произведено обратное переключение в ручном режиме.
Оптимальные условия работы КБАВР:
- существование, по меньшей мере, двух синхронных фидеров, независимых друг от друга в нормальных условиях эксплуатации;
- наличие быстродействующих коммутационных аппаратов;
- наличие быстродействующих микропроцессорных терминалов защиты, инициализирующих работу БАВР.
В состав устройства БАВР входят следующие функциональные компоненты:
- шкаф управления БАВР — 1 шт.;
- выключатель ввода — 2 шт.;
- секционный выключатель — 1 шт..
В состав шкафа БАВР входят: микропроцессорное устройство РЗА REF 542+, SUE 3000, промежуточные реле и т.д.
На устройства REF 542+ заводятся цепи напряжения соответствующей секции и токовые цепи соответствующего ввода. Устройство REF542+ определяет характер аварийной ситуации и место ее возникновения. Быстродействующий транзисторный выход устройства REF542+ передает команду на переключение в устройство SUE3000.
На устройство SUE3000 заводятся цепи напряжения обеих секций, напряжения на кабелях обоих вводов, токи обоих вводов и секционного выключателя. При поступлении команды от REF542+ устройство SUE3000 принимает единственно возможный в данный момент вариант переключения.
Исключительно важной характеристикой работы высокоскоростного переключающего устройства SUE 3000 является постоянная доступность критериев синхронности, то есть, они рассчитываются в режиме реального времени самим устройством SUE 3000.
По этой причине, при поступлении команды на переключение, режим переключения уже определен и может быть включен немедленно. Это означает значительное повышение готовности к быстрому переключению.
Системы, которые ожидают определения статуса сети в момент прихода команды, не обладают возможностью выполнить быстрое переключение с минимальной длительностью перерыва электроснабжения.
Высокоскоростное переключающее устройство готово к работе только в том случае, если оба выключателя определенно находятся рабочих положениях и в разных коммутационных состояниях (выключатель ввода включен, секционный выключатель отключен).
Работа системы основана на согласованной работе центрального микропроцессорного устройства, работающего в режиме реального времени, а также периферийных устройств, обеспечивающих сбор, обработку и передачу информации. Функции измерения и обработки аналоговых сигналов осуществляются процессором цифровых сигналов (DSP), а микроконтроллер (МС) обеспечивает логическую обработку и связь с устройством ввода/вывода двоичных сигналов. Процессор передачи данных (СР) необходим для подключения к системе автоматизации верхнего уровня.
Функции быстродействующих прерывателей выполняют специализированные вакуумные выключатели, имеющие быстродействующий интерфейс и модернизированный электромагнитный привод, обеспечивающие в комплексе общий цикл вкл/откл 30-35 мсек.
Устройство непрерывно сравнивает мгновенные величины (векторные) напряжений секций. Система использует следующие критерии синхронности напряжений секции:
1. φ< φмax — угол сдвига фаз. Угол сдвига фазы определяется между напряжениями секций. Предельные значения для создания критериев синхронности могут изменяться индивидуально для шин с отставанием и опережением. Типичное значение ? 20°.
2. Δƒ < Δƒмax — разность частот. Система определяет разность частот между напряжениями секций. С точки зрения процесса переключения, разность частот обеспечивает отображение возможного режима вращения по инерции подключенных потребителей (например, двигателей среднего напряжения), а также отображение их динамических нагрузок. Обычная установка 1 Гц.
3. Uмгнов. > UMin1 — контроль уровня напряжений секций является важным критерием оценки переключения. Система КБАВР готова к переключению, если в наличии имеется секция со здоровым напряжением. UMin1 устанавливается на уровне 80% UNominal.
4. Uмгнов. > Umin2 — значение уровня напряжения секции с повреждением играет важную роль в выборе режима переключения. В том случае, если напряжение секции находится ниже установленного значения (U обычно устанавливается на уровне 70% UNominal), быстрое переключение не выполняется.
Система КБАВР постоянно в непрерывном режиме оценивает состояние синхронности напряжений секции согласно приведенным критериям. Существуют 4 основных режима переключения выключателей:
- собственно быстрое переключение;
- собственно быстрое переключение;
- переключение по остаточному напряжению;
- переключение с фиксированной выдержкой времени.
Тот или иной тип переключения выключателей определяется автоматически на основе оценки состояния синхронности напряжений секций.
Быстрое переключение является оптимальным режимом переключения для обеспечения, в случае возникновения неисправности, минимальной длительности нарушения электроснабжения. В том случае если статус сети не допускает использование такого режима, выбираются менее быстрые режимы переключения.
Выполнение быстрого переключения является наиболее предпочтительным и наиболее важным функциональным принципом системы. Быстрое переключение происходит, когда напряжения секций находятся в пределах заданных параметров в момент включения, например, сдвиг и угол фаз ограничены между сетями, а напряжение резервного фидера находится выше минимального значения. В такой момент высокоскоростным переключающим устройством, как правило, синхронно передаются команды на замыкание и размыкание автоматических выключателей. Бестоковый период переключения, возникающий в этом случае для пользователей, зависит исключительно от разности между временем на замыкание и размыкание соответствующих автоматических выключателей. Такое время, для специализированных вакуумных выключателей, обычно находится в пределах нескольких миллисекунд, поэтому можно признать работу установки бесперебойной.
Переключение при 1-м совпадении фазы производится, когда отсутствуют критерии синхронного состояния в момент включения, из-за которых, по физическим причинам, невозможно быстрое переключение.
В первую очередь, без задержки отключается выключатель аварийного ввода. После этого, подключенные потребители лишаются питания, и происходит вращение по инерции. Для включения секционного выключателя возможно использование различных моментов времени, в которых обеспечивается режимы синхронности.
Для переключения при 1-м совпадении фазы команда на отключение аварийного ввода передается немедленно, и включение секционного выключателя происходит в момент возникновения первого минимума разности между напряжениями аварийной и исправной секцией шин (UStand-by — UBusbar).
— окно подключения (зависит от времени включения выключателя и dφ/dt).
UStand-by — напряжение исправной секции шин.
UBusbar — напряжение аварийной секции шин.
φ — угол между UStand-by и UBusbar.
dφ/dt — скорость изменения угла между UStand-by и UBusbar
(обусловленная Δƒ).
UВВ — напряжение аварийной секции шин.
UDiff — разность между напряжением резервного ввода и напряжением аварийной секции шин.
IFeeder 1 — ток ввода 1.
IFeeder 2 — ток ввода 2.
Высокоскоростное переключающее устройство определяет направление изменения разности напряжений и момент времени 1-го совпадения фаз посредством упреждающего расчета. Для обеспечения компенсации времени на обработку данных для определенной установки (время реакции системы, время включения выключателя) команда на включение передается прежде чем возникает первый минимум разности напряжений в пределах предварительно определенного окна подключения.
Переключение по остаточному напряжению применяется в том случае, если невозможно использовать подключение при первом совпадении фазы. Условия в момент отключения выключателя аварийной секции шин аналогичны условиям для переключения при 1-м совпадении фазы. Только само включение секционного выключателя отличает данный режим от режима переключения при 1-м совпадении фазы.
Включение секционного выключателя происходит, когда напряжение на аварийной секции шин понизилось до установленного предельного значения.
Подключение происходит без анализа угла или разности частот, то есть без обеспечения синхронности. В связи с тем, что напряжение на аварийной секции шин достигло достаточно низкого значения остаточного напряжения, переходные эффекты при переключения являются допустимыми.
Переключение по времени происходит, когда ни одно другое переключения не было выполнено в течение заранее установленного времени. Такой режим переключения является резервным и происходит по истечении фиксированного промежутка времени.
Время задержки устанавливается на заводе-изготовителе Tdelay-time = 2 s. Тем не менее, оно должно превышать максимальное время переключения по остаточному напряжению, чтобы, по крайней мере, обеспечить соблюдение условий переключения по остаточному напряжению. Это требование, в основном, выполняется заводскими установками.
Большинство промышленных производств с чувствительными для перепадов напряжения процессами имеют две независимые секции электропитания и автоматические системы переключения в случае перерывов в электроснабжении. Если одна из секций выходит из строя, переключатель выполняет запуск резервной секции. Однако эти системы часто не могут реагировать достаточно быстро и нормально распознавать скачки напряжения или угрозу прерывания. КБАВР обеспечивает действительно быстрое переключение на резервную секцию электропитания и сохраняет качество электроснабжения.
Из-за быстрого времени срабатывания, угол фазы между шиной и альтернативным электропитанием сдвигается только очень немного в случае нарушения электроснабжения, и фидеры остаются синхронизированными. Кроме того, если используется полноразмерный выключатель, никакой дополнительный прерыватель для защиты фидера не нужен. С полной характеристикой короткого замыкания до 25 kA (ток отключения) и номинальным током 1250 A, выключатели являются подходящими для стандартной защиты.
Рассмотренное решение представляет собой высококачественную систему для более эффективного управления электропитанием. КБАВР — оптимальное решение проблем на промышленных производствах, происходящих в результате мгновенных и длительных прерываний напряжения. Автоматическое переключение на резервное электроснабжение менее чем за 1,5 цикла позволяет избежать потери дорогостоящего времени и увеличивает качество напряжения на шине, в то же самое время обеспечивая защиту от короткого замыкания.
ООО»НПО «Санкт-Петербургская Электротехническая компания» в 2006 году внедрила системы БАВР на ОАО «Уфанефтехим», в настоящее время идет внедрение на предприятиях: ОАО «Омский НПЗ» (СИБНЕФТЬ), ООО «Тольятти-Каучук», ОАО «Уфаоргсинтез».
Андрей ЯНУКОВИЧ,
ведущий инженер ООО «НПО «Санкт-Петербургская Электротехническая компания».
