Индивидуальное устройство автоматического включения резервного питания электронной аппаратуры РЗА

Электронные устройства релейной защиты и автоматики (РЗА) в электроэнергетике получают питание обычно от двух секций DC1 и DC2 системы оперативного постоянного тока (СОПТ), каждая из которых состоит из зарядно-подзарядного агрегата (ЗПА) и аккумуляторной батареи (AБ). В обычном режиме работы каждая из систем обеспечивает питание своей группы потребителей, но в случае повреждения ЗПА или АБ возможно объединение обеих систем посредством рубильника S7 (рис. 1). При этом обеспечивается питание любой группы потребителей, например микропроцессорных устройств релейной защиты (МУРЗ), от любой системы питания.

Рис. 1. Схема электропитания МУРЗ через четыре диода, обеспечивающих разделение между положительными и отрицательными полюсами двух секций шин DC1 и DC2 СОПТ

Некоторые из электронных устройств РЗА в электроэнергетике являются критически важными, поскольку обеспечивают работоспособность и живучесть энергосистемы, в связи с чем они должны быть обеспечены резервным электропитанием.

Согласно [1], в СОПТ должен быть предусмотрен ручной ввод резерва с помощью рубильников (или переключателей с ручным приводом). Однако в [2] рекомендовано и автоматическое резервирование цепей постоянного тока, а также включение потребителей через разделительные диоды (п. 8.6). Такие диоды довольно редко применяются в России и странах СНГ, но широко используются в цепях питания устройств РЗА на Западе. Один из вариантов горячего резервирования таких цепей питания с помощью диодов, широко распространенный в некоторых странах, показан в упрощенном виде на рис. 1. Каждое устройство РЗА (или группа таких устройств) получает питание сразу от двух секций шин постоянного тока. Такое техническое решение просто, эффективно, не содержит коммутационных аппаратов и обеспечивает надежное резервирование цепей питания РЗА.

Однако, несмотря на все ее положительные качества, такая схема оказалась далеко не идеальной. Из практики эксплуатации данной схемы известны неоднократные случаи массовых повреждений устройств РЗА из-за сложения напряжений DC1 и DC2 через диоды. Это происходит, как правило, при проведении наладочных или ремонтных работ в СОПТ или при не выявленном своевременно замыкании на «землю» цепи, соединенной с одним полюсом DC1, и последующим внезапным замыканием на «землю» цепи, соединенной с противоположным полюсом DC2. При этом к устройствам РЗА оказывается приложенным двойное напряжение (около 450 В) (рис. 2), приводящее к выходу из строя всех устройств, оказавшихся под этим напряжением. Учитывая высокую стоимость современных микропроцессорных устройств релейной защиты (МУРЗ), а также опасность непредсказуемых последствий внезапных массовых отказов многофункциональных устройств РЗА, становится понятной степень опасности, которой подвергается энерго­система при использовании такой схемы.

Рис. 2. Упрощенная схема резервирования питания МУРЗ:
а) с помощью 4 диодов;
б) двух диодов и переключающего устройства;
в) эквивалентная схема замещения

Как видно на рис. 2, даже замена одной пары диодов контактным переключающим устройством не спасает положения, и поэтому автоматическое включение резервного питания (АВР) должно обеспечиваться лишь переключающими устройствами без использования диодов. Какими должны быть эти переключающие устройства? Поскольку критически важные электронные устройства в энергетике должны сохранять электропитание не только в обычном режиме работы, но и в экстремальных ситуациях (при наличии соответствующих средств защиты, разумеется), таких как воздействие электромагнитного импульса высотного ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ) [3], то и устройство АВР должно быть устойчиво к ЭМИ ЯВ. Это означает, что оно должно быть выполнено лишь на электромеханических компонентах (то есть электромагнитных реле) и не должно содержать микроэлектроники и микропроцессоров. Причем контакты реле должны обеспечивать коммутацию постоянного тока величиной в несколько ампер при напряжении не менее 220 В постоянного тока.

Что сегодня предлагается на рынке?

Во-первых, устройства АВР шкафного типа, содержащие два крупных электромеханических контактора и управляющий ими электронный контроллер (рис. 3).

Рис. 3. Устройства АВР шкафного типа, содержащие два мощных контактора (1) и контроллер (2)

Очевидно, что такие устройства АВР не удовлетворяют нашим требованиям, поскольку они слишком мощные и крупные, предназначены для переменного тока и содержат электронный контроллер.

Менее мощные, компактные АВР представлены на рынке не одним десятком моделей, производимых во многих странах (рис. 4). Проблема лишь в том, что все они предназначены для использования в цепях переменного тока и, кроме того, снабжены микроэлектронным, а часто и микропроцессорным блоком управления.

Рис. 4. Современные маломощные устройства АВР переменного тока с микроэлектронным блоком управления

К сожалению, нам удалось найти лишь один тип полностью электромеханического АВР (рис. 5). Но это слишком крупный и тяжелый аппарат, к тому же работающий на переменном токе.

Рис. 5. Мощные двухполюсный (слева) и трехполюсный (справа) АВР электромеханического типа на ток 230 А, производимые компанией ASCO

Что касается АВР, предназначенных для работы на постоянном токе, здесь все намного сложнее. На рынке обычно предлагаются статические устройства АВР, выполненные на мощных IGBT-транзисторах с микропроцессорным управлением (рис. 6). Это довольно крупные и дорогие устройства, рассчитанные на токи в десятки ампер. Такие устройства не удовлетворяют сформулированным нами выше требованиям.

Рис. 6. Статические АВР для систем питания постоянного тока

Мы не смогли найти на рынке комплектных устройств АВР на основе электромеханических элементов, предназначенных для работы в СОПТ с напряжением 220 В постоянного тока, в связи с чем нами была разработана собственная конструкция такого АВР, предназначенного для использования в цепях питания критически важных устройств релейной защиты и автоматики, в том числе специального реле защиты силового трансформатора от ЭМИ ЯВ [4].

Разработанное устройство АВР имеет небольшие размеры и очень простую конструкцию и выполнено на трех электромагнитных реле, предназначенных для коммутации постоянного тока при напряжении 220 В. Такие реле распространены значительно меньше, чем реле, предназначенные для коммутации переменного тока, что связано с особенностью коммутации постоянного тока.

Из-за отсутствия естественного гашения дуги при переходе синусоидального тока через нулевое значение, как это имеет место при коммутации переменного тока, дуга постоянного тока, возникающая на контактах коммутационного аппарата (реле), способна быстро расплавить их. Поэтому коммутационная способность аппаратов постоянного тока обычно намного ниже коммутационной способности тех же аппаратов на переменном токе (рис. 7).

Рис. 7. Типичная характеристика коммутационной способности контактов электромагнитного реле с максимальным коммутируемым током 5 А и максимальным коммутируемым напряжением 250 В

Эта разница настолько существенна, что не позволяет использовать обычные электромагнитные реле в качестве переключающих элементов в устройствах АВР постоянного тока. Для коммутации постоянного тока существует несколько различных технических приемов или их комбинации:

• контакты с многократным разрывом или с последовательным соединением нескольких обычных однотипных контактов;
• постоянные магниты, установленные вблизи контактов, осуществляющие выдувание дуги из межконтактного промежутка;
• контакты, помещенные в герметичную оболочку, заполненную специальным газом под избыточным давлением;
• контакты с двустадийной коммутацией, содержащие вольфрамовый контакт, который первым замыкается и последним размыкается, а также обычный контакт из серебряного сплава, шунтирующий вольфрамовый контакт.

Наибольшее распространение в электро­энергетике получили электромагнитные реле с контактами первого типа, как наиболее простые. Так, компанией ASEA (предшественник современного лидера в области электроэнергетического оборудования — ABB, образовавшейся в результате слияния двух лидирующих компаний: ASEA и Brown Bovery) почти 50 лет назад был освоен выпуск серии реле COMBIFLEX, в составе которой предлагалось много различных типов электромагнитных реле с контактами в форме буквы V с двойным разрывом (рис. 8). Совершенно очевидно, что сегодня никто уже не использует такие реле в новых проектах. А что вместо них?

Рис. 8. Реле типа RXME1 (ASEA) с контактами V-образной формы с двойным разрывом, специально предназначенные для коммутации цепей постоянного тока с напряжением 220 В

Той же фирмой ABB выпускаются контакторы постоянного тока, содержащие три последовательно соединенных c помощью внешних перемычек S1 и S2 замыкающихся контакта и встроенный постоянный магнит (рис. 9).

Рис. 9. Контактор типа GA75 (ABB), предназначенный для коммутации постоянного тока

Компания Omron выпускает серию герметичных газонаполненных реле, способных коммутировать токи в десятки и сотни ампер при напряжении 220 В постоянного тока (рис. 10). К сожалению, эти реле имеют лишь один замыкающийся контакт и катушку управления с напряжением до 100 В.

Рис. 10. Мощные реле фирмы Omron для коммутации постоянного тока при напряжениях до 400 В

Выполненный нами анализ также позволил выявить достаточно большое количество имеющихся на рынке небольших электромагнитных реле, предназначенных для коммутации постоянного тока при напряжении 220 В (табл.). Среди них есть экземпляры, вполне подходящие по типу контактов и коммутационной способности для использования в предлагаемом устройстве АВР индивидуального назначения. В частности, нами было выбрано реле типа PT570220 компании Schrack в качестве управляющего реле К1 (рис. 11) и реле типа MKS2XT-11DC220 компании Omron в качестве основных переключающих коммутационных элементов К2 и К3.

Рис. 11. Электрическая схема разработанного устройства АВР постоянного тока

Примечание. NO — замыкающийся контакт; NC — размыкающийся контакт; CO — переключающийся контакт.

Схема АВР (рис. 11) построена таким образом, что основные коммутационные элементы — реле К2 и К3 — в ждущем режиме находятся в обесточенном состоянии, а управляющее реле К1 хоть и включено постоянно, но находится в облегченном режиме благодаря резистору R1 мощностью 5 Вт, включаемому последовательно с катушкой реле К1 после его срабатывания. При сопротивлении резистора 22 кОм напряжение на катушке реле в длительном режиме включения не превышает 175 В при напряжении в сети 230 В. Напряжение отпускания этого реле с резистором — около 70 В.

Устройство снабжено также варисторами, включенными параллельно всем входам и выходам, которые обеспечивают дополнительную защиту от воздействия ЭМИ ЯВ не только самого устройства АВР, но и всех внешних цепей, подключенных к нему. Устройство смонтировано в небольшом пластмассовом корпусе, предназначенном для установки на стандартной DIN-рейке или на панели (рис. 12). Благодаря относительно большой коммутационной способности реле типа MKS2XT-11DC220, устройство может быть использовано не только в качестве АВР индивидуального назначения, но и для АВР группы электронных приборов с общим потребляемым током до 5 А при напряжении 220 В (потребляемый ток современных МУРЗ при напряжении 220 В не превышает, как правило, 0,2–0,3 А). Ток 5 А — это ток, коммутируемый замыкающимися контактами реле. Его размыкающиеся контакты, как видно из таблицы, могут коммутировать лишь 2 А. В процессе переключения участвуют оба типа контактов, однако размыкающиеся контакты размыкают лишь обесточенную цепь, после исчезновения напряжения DC1. Назначение этих контактов — предотвращение попадания напряжения секции DC2 в цепи и на потребители секции DC1, а также на реле К1. По этой причине коммутационная способность всего устройства будет определяться лишь коммутационной способностью замыкающихся контактов.

Рис. 12. Опытный образец разработанного устройства АВР

Еще одна разновидность схемы АВР общего назначения увеличенной мощности на реле того же типа (MKS2XT-11DC220) представлена на рис. 13. В этой схеме в цепи нагрузки используются только замыкающиеся контакты реле, которые допускают больший пропускаемый ток, чем размыкающиеся, примененные в предыдущей схеме.

Рис. 13. Схема АВР общего назначения увеличенной мощности на реле типа MKS2XT-11DC220

В момент переключения внутренних реле АВР возможны кратковременные перерывы электропитания электронных устройств. Исследование показало, что для описанного устройства такой перерыв не превышает 32 мс (рис. 14).

Рис. 14. Осциллограмма процесса переключения разработанного устройства АВР

Подобный перерыв электропитания устройств релейной защиты и автоматики, как правило, не приводит к сбоям и нарушениям их работы. Согласно международному стандарту [5] эти устройства должны выдерживать без сбоев в работе перерывы электропитания длительностью 10 мс — 1 с (по усмотрению производителя). Измеренные нами фактические значения выдерживаемых перерывов питания для многих типов микропроцессорных устройств релейной защиты ведущих западных производителей составили 1,2–3,8 с. Специальное реле для защиты силового трансформатора от ЭМИ ЯВ [4] сохраняет работоспособность в течение 1,02 с после обрыва цепи питания. Да и МУРЗ российского производства согласно действующим техническим требованиям должны выдерживать без перезагрузки перерывы питания длительностью до 500 мс, этого более чем достаточно для обеспечения бесперебойного питания с помощью описанного АВР.

В тех исключительно редких случаях, когда устройство РЗА не допускает даже кратковременного перерыва электропитания длительностью 32 мс, необходимого для работы АВР, предусмотрен специальный блок [6], поддерживающий питание устройств РЗА в течение этого времени (рис. 15).

Рис. 15. Специальный блок, поддерживающий питание во время действия АВР особых устройств РЗА, не допускающих даже кратковременных перерывов электропитания

Этот блок выполнен на основе конденсатора большой емкости (3700 мкФ, 400 В), снабженного предохранителем с высокой разрывной способностью, резистором и диодом. В данной схеме заряд конденсатора при включении его под напряжение происходит через резистор, ограничивающий зарядный ток на уровне 1–2 А, а разряд — напрямую, через диод VD. Благодаря такой схеме включения конденсатор не создает бросков тока, способных вызвать срабатывание автоматических выключателей, но в то же время обеспечивает достаточно большой ток разряда, необходимый для питания потребителей в течение времени, которое понадобится для переключения внутренних реле устройства АВР.