Автоматическое включение резервного питания (АВР) является основным и наиболее эффективным видом автоматизации в системах электроснабжения промышленных предприятий.
Для большинства электрических сетей промышленных предприятий характерна раздельная работа линий и трансформаторов. Отключение источника питания линии или трансформатора приводит кнарушению технологического процесса, а для потребителей первой категории создает более серьезные аварийные ситуации.
В настоящее время подобные аварии предотвращаются автоматическим включением резерва, т.е. быстрым переключением потребителей с помощью устройства АВР (УАВР) на резервную линию, трансформатор, двигатель и т.п. в зависимости от того, какой элемент системы электроснабжения был причиной потери напряжения. Резервное оборудование обычно находится в "горячем” резерве.
Устройства АВР весьма просты и стоимость их мала. Данные аварийной статистики показывают, что процент успешного действия АВР велик и лежит в пределах 90-95%, поэтому экономический эффект от внедрения подобных устройств значителен.
УАВР, как правило, предусматривается для всех ответственных потребителей, а на подстанциях, питающих потребителей I категории, АВР является обязательным. УАВР дает возможность создать простые, весьма гибкие и достаточно надежные схемы электроснабжения с минимальными затратами и что позволяет отказаться от параллельной работы трансформаторов и линий. Это упрощает устройства релейной защиты, уменьшает величины тока короткого замыкания, сокращает число дежурного персонала на подстанциях и при этом до минимума уменьшает время потери питания потребителями.
В настоящее время УАВР устанавливается:
1) на межсекционных выключателях;
2) на ЛЭП;
3) на источниках питания собственных нужд;
4) на трансформаторах;
5) на электродвигателях.
Наиболее распространенные схемы, построенные с учетом возможности использования УАВР, в упрощенном виде приведены на рис.I. Четыре из них (а,в, д,е) относятся к питающим линиям, а две других (б, г) к трансформаторам.
Основными являются схемы АВР секционного выключателя (рис. I а,б,е). Применяется также АВР резервного ввода, резервной перемычкимежду подстанциями или же резервного трансформатора (рис. I в,г,д), но эти схемы находят более редкое применение, чем схемы АВР секционного выключателя, т.к. "холодный” резерв теперь почти не применяется из-за плохого использования оборудования и кабелей и ухудшения условия самозапуска электродвигателей.
УАВР применяются также в установках напряжением до 1000В на секционном выключателе 0,66-0,4 кВ и для резервирования отдельных ответственных потребителей с использованием контакторов и автоматов с электродвигательным приводом,
Принцип осуществления резервирования может быть рассмотрен на этих схемах.
Сборные шины подстанции или распределительного устройства секционированы выключателем ЗВ (рис. I а,б). В нормальном режиме работы каждая секция шин получает питание по своей рабочей линии, при этом секционный выключатель ЗВ отключен. Повреждение любой рабочей линии вызывает лишь кратковременное прекращение электроснабжения нагрузок, подключенных к соответствующей секции, так как автоматическое включение секционного выключателя ЗВ обеспечит резервирование питания любой из двух секции шин от второй рабочей линии. Перед включением резервного выключателя ЗВ должен быть отключен выключатель между поврежденной линией и обесточенной секцией. В частности, если произошло к.з. на линии, питающей первую секцию (рисI а,б), то перед включением выключателя ЗВ, необходимо отключить выключатель IВ. Токовая защита шин должна отключить межсекционный выключатель и вторично обесточить секцию, если на шинах этой секции имеется устойчивое короткое замыкание.
Принцип резервирования не меняется, если питание осуществляется через трансформаторы (рис.1б). Повреждение рабочего трансформатора приводит к отключению его от шин, и УАВР включает резервный, питание потребителей восстанавливается (рис.1г). Один резервный трансформатор может резервировать не один, а несколько рабочих трансформаторов.
В условиях промышленного предприятия чисто резервных трансформаторов и кабельных линии обычно не поменяют. Резерв закладывается при выборе мощности трансформаторов и сечении питающих кабелей с учетом их допустимых перегрузок в аварийных режимах. Устройство АВР для трансформаторов в большинстве случаях выполняется на секционном выключателе.
Устройство АВР может быть одностороннего действия, как это показано на рис.1а,б или двухстороннего действия (рис.1д). АВР двухстороннего действия обычно предусматривается на перемычках между подстанциями, которые взаимно резервируют друг друга. В этом случае перемычка со стороны подстанции РП‒2 постоянно включена и АВР осуществляется на выключателе ввода РП‒1.
Распределительные подстанций большой мощности, находящиеся на далеком расстоянии от источника питания, в ряде случаев оказывается целесообразным питать по трем линиям (рис.1е). Нормально работает все три линии, АВР в этом случае осуществляется на секционных выключателях 3В и 6В. При выходе из строя линии Л-1 отключается 1В и включается 3В.
Основные принципы выполнения автоматического включения резерва. Действие устройства АВР должно осуществляться при исчезновении напряжения на рабочем участке, вызванном любой причиной, включая и короткие замыкания на нем. Схема действия УАВР зависит от конкретной схемы электроснабжения и в общем случае определяется условиями самозапускаэлектродвигателей и временем срабатывания релейной защиты при коротких замыканиях на отходящих линиях. По условию самозапуска время действия АВР должно быть минимальным.
Устройство АВР не должно действовать при коротких замыканиях на отходящих линиях рабочего участка. Для этого в пусковой орган АВР вводится дополнительная выдержка времени или предусматривает специальная блокировка.
Выдержку времени обычно применяется на одну (∆t=0,5÷0,7 сек) больше выдержки времени токовой защиты отходящих линии, т.е.:
tАВР=tМТЗ+∆t (1.1)
Инструктивными материалами рекомендуется выполнять АВР с временем действия, не превышающим 0,5÷1,5 сек;иногда время действия АВР по условию согласования с РЗ и АПВ должно быть больше 1,5 сек.
Действие устройства АВР имеет смысл при наличии напряжения на резервном источнике питания. Поэтому желательно в пусковой орган АВР включить реле максимального напряжения, контролирующее наличие напряжения на резервном источнике питания.
Устройства АВР должны обеспечить однократность действия, а включаемый от АВР выключатель должен иметь защиту, действующую с ускорением после АВР. Это необходимо для быстрого отключения резервного источника питания и его потребителей от поврежденной секции шин и тем самым сохранения их нормальной работы.
В случае, если при действии АВР резервный источник питания перегружается и не обеспечивает самозапуск электродвигателей, то следует отключить часть нагрузки.
В качестве примера на рис.2 показана возможная схема для создания ускорения максимальной токовой защиты секционного выключателя.
При отключенном секционном выключателе В реле ускорения защиты (РУЗ) обтекается током и контакт РУЗ замкнут. После включения выключателя В вручную или УАВР на короткое замыкание действует токовые реле (РТ), при этом реле РУЗ обесточивается, однако контакт его реле за время действия токовой защиты не успевает разомкнуться и контакт мгновенного действия реле времени блокирует его основной контакт с выдержкой времени и выключатель В отключается без выдержки времени. После успешного действия УАВРМТЗ действует при возможных КЗ с выдержкой времени.
Однократность действия АВР достигается различными методами в зависимости от конструкции привода выключателя, вида оперативного тока и задачи УАВР.
Если выключатель резервирующей цепи В имеет пружинный привод, то однократность включения этого выключателя обеспечивается реле положение «включено» выключатели рабочей цепи IРПВ (рис. 5).
Схема действует на переменном токе. Если рабочий выключатель 1В включен реле 1РПВ притянуто и его контакты создают цепь для электродвигателя завода пружины (Д) резервного выключателя В. Блок-контакты привода Впр, обязаны о состоянием пружины. При заведенной пружине привода выключателя В блок-контакт Впр вамкнут и Впря разамкнут, т.е. их изображение на схеме рис.5соответствует отключенному положению выключателя В и заведенной пружине привода. Как только отключится IВ от релейной защиты, подается питание на катушку включения КВ выключателя В, одновременно шунтируется реле 1РПВ, которое разрывает цепь электродвигателя Д, Разрыв цепи исключает завод пружины и новое автоматическое включение выключателя В после неуспешного АВР.
Для ручного управления заводом пружины предусматривается накладка IНК, с помощью которой можно шунтировать контакты реле 1РПВ и подать напряжение на электродвигатель Д.
Однократность действия АВР достигается также с помощью блокировочного реле РБ, имеющего выдержку времени на отпадение якоря (рис.6), Эта выдержка времени используется для обеспечения цепи включения выключателя В после отпадания якоря реле РВ независимо от состояния выключателя В.
Включение резервирующей цепи, как правило, осуществляется от размыкающего (нормально замкнутого) блок-контакта выключателя рабочей цепи. Команда на отключение рабочего и включение резервного выключателя (т.е. команда на действие устройства АВР) подается специальным пусковым органом. Этот орган должен фиксировать устойчивое исчезновение напряжения и отключать выключатели рабочей цепи, что влечет за собой немедленное действие АВР.
В качестве пускового органа чаще всего используется реле минимального напряжения.
Для того чтобы пусковой орган напряжения (ПОН) не давал импульса на отключение выключателя рабочей цепи при понижениях напряжения в процессе самозапуска электродвигателей после АПВ, реле напряжения при самозапуске, т.е.:
(1.2)
где 
–остаточное напряжение при самозапуске электродвигателей;
кн – коэффициент надежности;
nн– коэффициент трансформации трансформатора напряжения.
Пусковой орган защиты минимального напряжения, контролирующий напряжение на шинах электроустановки потребителя, должен быть выполнен таким образом, чтобы исключалась его ложная работа при перегорании одного из предохранителей трансформатора напряжений. Для этого в схемах АВР предусматривается два реле минимального напряжения, подключенных к разным фазам трехфазного трансформатора напряжения (рис. 3а). Уставка каждого реле составляет около 0,25 номинального напряжения, что обеспечивает надежное притянутое состояние реле при перегорании предохранителей в средней фазе.
Повышения надежности действия АВРможно достигнуть связав ПОН с токовым реле, установленным в рабочей цепи (рис.3б). Схема действует только при отсутствии напряжения на шинах и тока в рабочей цепи. На рисунке 3в показана схема АВР, у которых ПОН связан с реле напряжения, подключенным к резервной линии. АВР в этом случае действует, когда на рабочих шинах исчезло напряжение, а резервная линия находится под напряжением.
УАВР линий, трансформаторов, секционного выключателя может осуществляться в сетах напряжением выше 1000В масляными и электромагнитными выключателями с пружинным и электромагнитным приводами.
Селективность АВР в системе электроснабжения. Для обеспечения селективности действия УАВР на различных ступенях системы электроснабжения время его действия должно выбираться по принципу, противоположный тому, который принимается при выборе селективности действия релейной защиты (рис.4). Как указывалось выше, время действия АВР должно отстраиваться от времени действия релейной защиты. Однако если время действия АВР на низших ступенях выбирать меньше, чем на высших, то при коротком замыкании на высшей ступени будут бесполезно работать все системы АВР низших ступеней. Если защита на низшей ступени, например на линиях 0,4 кВ подстанцииТП-1, имеет выдержку t1=0,4 сек, то выдержка времени защиты линий на РП и ГПП равна:
t2=t1+Δt = 0,4+0,6= 1 сек; (1.3)
t3=t1+2Δt = 0,4+2*0,6= 1,6 сек, (1.4)
где Δt – ступень селективности, равной 0,5÷0,7 сек.
Если отстраивать действие АВР только от защиты данных шин, то при к.з. на линии РП1 и ГПП (к.з.2, к.з.3) будут работать все схемы АВР.
Так при к.з. на одной линии ГПП (ка-3 рис.4), которое будет продолжаться в течение времени t3=1,6 сек должны сработать АВР на РП1, РП2, ТП1, ТП2т.е. произойдет неоправданный перевод всей сети о вытекающими последствиями: перегрузкой трансформаторов, элементов сети и т.п.
Во избежание этого время действия АВР необходимо установить для ГПП:
tАВРГПП= t3 + Δt = 1,6+0,6=2,2 сек; (1.5)
для РП1:
tАВРРП1= t3+ 2Δt+ tСОБСТ=1,6+1,2+0,2=3 сек; (1.6)
для ТП 0,4 кВ:
tАВРТП= t3 + 3Δt+2 tСОБСТ=1,6+1,8+0,4=3,8, (1.7)
где tСОБСТ– собственное время действия схемы АВР, равное 0,2 сек.
Такое завышение времени не представляет опасности, так как составляет для приведенной схемы (рис.4) не более 3,5+4 сек. Для отдельных подстанции или РП, для которых завышение времени недопустимо или нежелательно по условию самозапуска электродвигателей может оказаться необходимым применять схемы АВР с сокращенным временем или без него. В этом случае надо считаться с возможностью неселективного переключения.
Схема АВР на секционном выключателе с пружинным приводом.
На рисунке 6 приведена схема АВР на секционном выключателе с пружинным приводом. Положение контактов реле и блок-контактов выключателей на всех схемах показана в состоянии соответствующем отсутствию тока в обмотках реле, контакторах и отключенных выключателях 1В и 2В.
Исходное состояние схемы. Цепи управления выполнены на оперативном переменном токе 220В. Магистраль цепей управления автоматически переключается на ту секцию, где не нарушено питание.
Выключатели вводов 1В и 2В и реле блокировки РБ включены, при этом их блок-контакты и контакты переключаются, т.е. замыкающие «3» - замкнуты (цепь 1,3,4,6,9), а размыкающие «Р»- разомкнуты (цепь 7).
На I и II секциях РУ 6-10 кВ подано напряжение и реле минимального напряжения 1РН, 2РН, 3РН и 4РН, подключенные к трансформаторам напряжения 1ТН и 2ТН втянуты и их размыкающие контакты «Р» разомкнуты (цепь 1,4). Избиратель управления ИУ поставлен в положение «АВР», пружина привода секционного выключателя В заведена, при этом контакт положения пружины Впр замкнут (цепь 7), а Впра-разомкнут (цепь 8).
Схема работает, в следующей последовательности. При коротком замыкании на одной из питающих линии (например Л-1) токовая защита отключает головной выключатель Вг и на 1 секция шин исчезает напряжение, при этом реле минимального напряжения 1РН и 2РН, имеющие уставкиUcp=0.25 L1Н/ПН, срабатывают и своими «р» контактами включают реле времени 1РВ (цепь 1). Реле 1РВо выдержкой времени через промежуточное реле 1РП подает питание на катушку отключения 1Воткл. Выключателя 1В (цепь 3). При отключении выключателя 1В его «р» блок-контакт замыкает цепь катушки включения Ввкл. Секционного выключателя в (цепь 7). Катушка включения В вкл. Освобождает пружину, выключатель В включается и питание на 1 секции восстанавливается.
АВР действует однократно. Однократность обеспечивается блокировочным реле 1РБ. При отключении выключателя 1В или 2В реле РБ отключается с выдержкой времени, достаточной для одного включения секционного выключателя В (порядка 0,4 сек). Отключившись, реле PS размыкает цепь включающей катушки Ввкл. Контроль наличия напряжения на секции, куда подключаются отключенные потребители, осуществляется тем, что цепи управления в это время питаются от нее же. Если на ней нет напряжения, то и переключение на нее нельзя осуществлять. После включения выключателя 3 электродвигатель Д автоматически заводит пружину.При нарушении питания на секции шин схема работает аналогично.
Восстановление схемы в исходное положение производится персоналом вручную.
Секционный выключатель В имеет максимальную токовую защиту, отключающую его в случае, если на подключенной секций короткое замыкание. Защита осуществляется токовыми реле мгновенного действия типа PTМ, встроенной непосредственно в привод выключателя и автоматически выводится из действия при успешном срабатывании устройства АВР, чтобы не создавать лишней ступени защиты.
Схема АВР на секционном выключателе с пружинным приводом широко используется в сетях 6-10 кВ. Достоинство схемы – простота, надежность и отсутствие необходимости в оперативном постоянном токе.
Выдержка времени устанавливается в зависимости от конкретных условий схемы электроснабжения с учетом отстройки от времени действия защиты при коротких замыканиях на отходящих линиях и селективного действия с АПВ или АВР смежных сетях.
В ряде случаев для обеспечения самозапуска электродвигателей необходимо, чтобы время действия устройства АВП было минимальным. Ускорение действия АВР можно осуществить путем введения в пусковой орган токовой блокировки. При токовой блокировке время действия АВР не зависит от времени работы релейной защиты при коротких замыканиях на сборных шинах или отходящих линий и может быть доведено до величины, необходимой только для переключения коммутационной аппаратуры.
Увеличение времени действия АВР может быть вызвано наличием синхронных двигателей, которые после отключения источника питания вращаясь по инерции поддерживают на шинах напряжение близкое к номинальному и действия АВР поддерживается. В этих случаях следует применять пусковой орган, сочетающий реле минимального напряжения и реле понижения частоты, имеющий лучшую чувствительность и большее быстродействие. Время от момента прекращения питания до начала работы реле понижения частоты составляет 0,1-0,2 сек. После прекращения питания электродвигатели начинают тормозиться, от чего частота остаточного напряжения соответственно понижается. Реле частоты ИВЧ-3 может срабатывать при изменении частоты на один герц, что соответствует потере скорости двигателями всего на 2%.
Схема АВР на секционном выключателе с токовой блокировкой и частотным пуском. На рисунке 7 приведена схема АВР с токовой блокировкой и частотным пуском на оперативном переменном токе и пружинным приводе секционного выключателя.
Исходное положение схемы: секционный выключатель В отключен, выключатели вводов 1В и 2В включены; переключатель управления ПУ поставлен в положение "АВР", реле минимального напряжения 1РН, 2РН, 3РН, 4РН втянуты и их "р" контакты (цепь 3,7) разомкнуты; реле понижения частоты 1Р4, 2Р4- под напряжением и их контакты разомкнуты (цепь 1,10). Пружина привода секционного выключателя заведена, отчего контакт Вп- замкнут (цепь 2). Цепи управления на переменном токе с питанием от трансформаторов напряжения противоположных секции шин.
Во время коротких замыканий на отходящих от распределительного устройства линиях (например, К-3) токовое блокировочное реле 1РБ срабатывает и размыкает свои "р" контакты в цепи реле 1РП (цепь 3), тем самым исключая действие АВР. Ток трогания реле 1РБ и 2РБ выбирается так, чтобы оно втягивалось только при коротких замыканиях на отходящих линиях.
При исчезновении напряжения на шинах 1 секции, вследствие какой-либо аварии со стороны питания, блокирующее реле 1РБ не срабатывает и разрешает действие АВР с необходимой выдержкой времени или без нее. Выдержка времени в данном случае не зависит от времени действия релейной защиты отходящих линий.
Выдержка времени у реле 1РП в схеме предусматривается для возможности отстроить АВР от действияАПВ иАВР в других участках сети.
При нарушении питания срабатывает реле минимального напряжения 1РП, 2РП, имеющиеуставки0,25U/nн и включают промежуточное реле 1РП (цепь 3). Реле 1РП с выдержкой времени подает питание на катушку отключения 1КО и выключатель 1В отключается (цепь 3,4). После отключения1Вего "р" блок-контакты падают питание на катушку включения КЗ (цепь 2), которая освобождает защелку пружины, под действием которой включается секционный выключатель В.
При наличии синхронных электродвигателей в пусковой орган АВР вводятся контакты реле понижения частоты типа ИВ4-3.После нарушения питания, например на I секции, частота на ней снижается, реле 1P4 замыкает свои контакты и включает реле 3РП (цепь I), которое при помощи реле 1РП отключает выключатель IВ.
Установка реле снижения частоты принимается на 1-2 герца меньше эксплуатационной частоты 50 герц. При общем снижении частоты в питающей сети АВР не должно работать. Это достигается тем что “P” контакты реле 3РП и 4 РП введены в цепь реле 2РП и 1РП (цепь 4,3). Во время общего снижения частоты сразу срабатывают оба рле 1P4 и 2P4, включают рле 3РП и 4РП, которые размыкают цепь реле 2РП и 1РП, исключая возможность ложного действия АВР.
С учетом собственного времени срабатывания реле и выключателей время действия схемы АВР с токовой блокировкой и реле понижения частоты может быть доведено до 0,6 сек с момента прекращения питания. Реле понижения частоты следует использовать в схемах АВР в тех случаях, когда и сборным щинам подключены синхронные электрдвигатели. Необходимо иметь ввиду, что время задержки в срабатывании АВР от остаточного напряжения синхронных двигателей может быть значительно больше, чем времяотстройки от дейтвия защит при коротких замыканиях.
При отключении питающей линии IIсекции шин схема АВР действует аналогично, а схема автоматики питается от трансформатора напряжения IТН.
Пружина привода секционного выключателя заводится электродвигателем путем нажатия вручную кнопку “Пуск” (в схеме автоматики не указана).
Оформление отчета
Отчет должен содержать:
1. Цель работы и схемы АВР (согласно указания преподавателя);
2. Схема АВР стенда;
3. Анализ результатов действия схем АВР;
4. Ответить (устно на контрольные вопросы).
Контрольные вопросы
1. Назначение и области применения устройства АВР.
2. Основные принципы выполнения УАВР.
3. Требования к устойствам АВР.
4. В чем отличие АВР от АПВ?
5. Преимущества и недостатки кольцевой схемы электроснабжения по сравнению о радиальной, оснащенной устройствами АВР.
6. Начертите схемы электроснабжения, оснащенные УАВР.
7. Процент успешного действия УАВР и отчего это зависит.
8. Принципы выполнения пусковых органов, выявляющих прекращение электропитания от основного источника.
9. Как выбирается выдержка времени действия УАВР?
10. Как выбирается уставка реле напряжения УАВР?
11. Как достигается однократность действия УАВК в схемах (рис. 5,6,8) напряжением до и выше 1000В.
12. Почему перед автоматическим включением секционного выключателя (3В рис. 1) должен быть отключен выключатель (1В или 2В) между поврежденной линией и обесточенной секцией шин?
13. Какая действует защита при включении секционного выключателя на короткое замыкание?
14. Почему не должно сработать УАВР секционного выключателя при к.з. на отходящих линиях, как это достигается?
15. Действует ли УАВР при отсутствии напряжения на резервном источнике питания, как контролируется его наличия?
16. Объясните работу схемы максимальной токовой защиты (МТЗ) с ускорением при автоматическом включении секционного выключателя на короткое замыкание (рис.2).
17. Выбрать время действия УАВР по схеме рис.4.
18. Действует ли УАВР при ручном отключении рабочей линии (трансформатора)?
19. Какой пусковой орган дает команду на отключение рабочего и включение резервного выключателя (АВР)?
20. Что такое самозапуск электродвигателей и почему необходимо отстроить ПОН от понижения напряжения при самозапуске?
21. Почему в схемах УАВР применяются два реле напряжения и как они подключаются к трансформатору напряжения?
22. Как повысить надежность действия схем АВР?
23. Как можно уменьшить время действия УАВР?
24. Назначение реле токовой блокировки в схеме рисунке8?
25. Когда следует в схемах АВР применять пусковой орган, сочетающий реле минимального напряжения и реле понижения чистоты?
26. Почему синхронные двигатели, подключенные к сборным шинам, увеличивают время действия УАВР?
27. Начертите контакты реле, размыкающие «р» и замыкающие «з» в каком состоянии они находятся, если их катушки находятся под напряжением?
28. В каком состоянии находятся «р» и «з» блок-контакты выключателей 1В и 2В (схема рис. 6,7), когда они находятся во включенном состоянии?
29. Объясните работу схемы АВР секционного выключателя с пружинным приводом (рис.6)
30. Объясните работу схемы АВР секционного выключателя с токовой блокировкой и частотным пуском (рис.7).
31. Объясните работу схем АВР секционного автомата 0,4кВ с электродвигательным приводом (рис.8).
32. Объясните работу схем АВР в схемах 0.4кВ на контакторах (рис.9).
33.Объясните работу схем АВР агрегата (рис.11).34.Объясните работу схем АВР электродвигателей 6кВ (рис.12).
35. Объясните работу схем двухстороннего АВР линии (рис.10).
