Автоматическое включение резервного трансформатора

Обновлено: 10.01.2025

АВР и все, все, все: автоматический ввод резерва в дата-центре

В прошлом посте про PDU мы говорили, что в некоторых стойках установлен АВР — автоматический ввод резерва. Но на самом деле в ЦОДе АВР ставят не только в стойке, но и на всем пути электричества. В разных местах они решают разные задачи:

в главных распределительных щитах (ГРЩ) АВР переключает нагрузку между вводом от города и резервным питанием от дизель-генераторных установок (ДГУ);
в источниках бесперебойного питания (ИБП) АВР переключает нагрузку с основного ввода на байпас (об этом чуть ниже);
в стойках АВР переключает нагрузку с одного ввода на другой в случае возникновения проблем с одним из вводов.

О том, какие АВР и где используются, и поговорим сегодня.

Основных типа АВР два: ATS (automatic transfer switch) и STS (static transfer switch). Они отличаются принципами работы и элементной базой и используются для разных задач. Если вкратце, то STS — это более «умный» ATS. Он быстрее переключает нагрузку и чаще используется для больших нагрузок/токов. Он более гибок в настройке, зато «с капризами» к сети: может отказаться работать, если 2 ввода питаются от разных источников, например: от трансформатора и ДГУ.

АВР в ГРЩ

Главный АВР дата-центра двадцать лет назад выглядел как сложная система контакторов и реле.

АВР образца начала 2000-х.

Сейчас АВР — это компактное многофункциональное устройство.

Система АВР в ГРЩ управляет вводными автоматами и дает команды на запуск и остановку ДГУ. При нагрузке более 2 МВт на уровне ГРЩ нецелесообразно гнаться за скоростью. Даже если переключится быстро, то пройдет время, пока запустится ДГУ. В этой системе используются более «медленные» ATS и выставляются задержки (уставки). Работает это так: когда питание дата-центра от трансформаторов пропадает, АВР командует устройствам: «Трансформатор, выключись. Теперь ждем 10 секунд (уставка), ДГУ, включись, ждем еще 10 секунд».

АВР в ИБП

На примере ИБП посмотрим, как работает второй тип АВР — STS или static transfer switch.

В ИБП переменный ток преобразуется в постоянный на выпрямителе. Затем на инверторе он превращается обратно в переменный ток, но уже со стабильными параметрами. Это устраняет помехи и повышает качество энергии. При отключении основного источника питания ИБП переключается на аккумуляторные батареи и питает дата-центр, пока в работу включаются ДГУ.

Но что, если из строя выйдет какой-то из элементов: выпрямитель, инвертор или аккумуляторные батареи? На этот случай в каждом ИБП есть механизм обходного пути, или байпас. С ним устройство продолжает работу в обход основных элементов, сразу от входного напряжения. Также байпасом пользуются, когда нужно выключить ИБП и вывести его в ремонт.

STS в ИБП нужен, чтобы безопасно перейти на байпасный ввод. Если коротко, то STS контролирует параметры сети на входе и на выходе, дожидается, когда они совпадут, и переключается в безопасных условиях.

АВР в стойке

Итак, к стойке подведены два ввода электропитания. Если у вашего оборудования два блока питания, вы спокойно подключаете его к разным PDU, и пропадание одного ввода вам не страшно. А если у вашего сервера один блок питания?
В стойке АВР используют, чтобы профит от двух вводов не пропал даром. При проблемах с одним из вводов АВР переключает нагрузку на другой ввод.

Дисклеймер: Если можете, избегайте оборудования с одним блоком питания, чтобы не создавать точку отказа в системе. Дальше мы покажем, в чем недостатки такой схемы подключения.

Задача АВР в стойке — переключить оборудование на рабочий ввод так быстро, чтобы в его работе не было перерыва. Нужную для этого скорость нашли опытным путем: не больше 20 мс. Посмотрим, как это обнаружили.

Сбои в работе серверного оборудования происходят из-за провалов напряжения (из-за работ на подстанциях, подключения мощных нагрузок или аварий). Чтобы проиллюстрировать, как оборудование выдерживает разную амплитуду и длительность перепадов напряжения, разработали кривые безопасной работы электрооборудования CBEMA (Computer and Business Equipment Manufacturers Association). Сейчас они известны как кривые ITIC (Information Technology Industry Council), их варианты включены в стандарты IEEE 446 ANSI (это аналог наших ГОСТов).

Сверимся с графиком. Наша задача, чтобы устройства работали в «зеленой зоне». На кривой ITIC мы видим, что оборудование готово «терпеть» провал максимум 20 мс. Поэтому мы ориентируемся, чтобы АВР в стойке отрабатывал за 20 мс, а лучше — еще быстрее.

Устройство АВР. Типовой АВР (ATS) в стойке нашего ЦОДа занимает 1 юнит и выдерживает нагрузку 16 А.

На дисплее видим, от какого ввода питается АВР, сколько подключенные устройства потребляют в амперах. Отдельной кнопкой выбираем, отдать приоритет первому или второму вводу. Справа — порты для подключения к АВР:

Ethernet port — подключить мониторинг;
Serial port — зайти через ноутбук и посмотреть в логах, что происходит;
USB — вставить флешку и обновить прошивку.

На тыльной стороне — вилки для подключения основного и резервного вводов и розеточная группа для подключения ИТ-оборудования.

Подробные характеристики АВР мы смотрим через веб-интерфейс. Там настраивается чувствительность переключения и видны логи.

Веб-интерфейс АВР.

Установка и подключение АВР. Устанавливать АВР по высоте лучше в середину стойки. Если мы заранее не знаем комплектацию стойки, то так оборудование с одним блоком питания сможет дотянуться проводами и с нижней, и с верхней части.

А вот дальше есть нюансы: глубина стандартной стойки гораздо больше, чем глубина АВР. Мы рекомендуем установить его как можно ближе к холодному коридору по двум причинам:

потоками воздуха, которые дуют на него извне;
крепежами, которые уводят лишнее тепло.

АВР парится лицом к горячему коридору.

Был случай. Инженер на обходе услышал нехарактерные щелчки.
В недрах горячего коридора под грудой серверов обнаружился АВР, который постоянно переключался с основного ввода на резервный.

АВР заменили. Логи показали, что целую неделю он переключался каждую секунду — итого более полумиллиона коммутаций. Вот как это было

Какие еще АВР бывают в стойке

Вводный ATS для стойки. В нашем ЦОДе такой АВР выступает единственным источником распределения питания в стойке: работает как АВР+PDU. Занимает несколько юнитов, выдерживает нагрузку 32 А, подключается промышленными разъемами и может питать до 6 КВт оборудования. Использовать его можно, когда нет возможности смонтировать стандартные PDU, а одноблочное оборудование в стойке не обслуживает критичные нагрузки.

Cтоечный STS. STS в стойке используется для оборудования, чувствительного к перепадам напряжения. Этот АВР переключается быстрее, чем ATS.

Этот конкретный STS занимает 6 юнитов и у него немного «винтажный» интерфейс.

Мини-АВР. Бывают и такие малышки, но у нас в ЦОДе такого не водится. Это мини-АВР для одного сервера.

Этот АВР подключается прямо в блок питания сервера.

Как мы ищем идеальный АВР

Мы тестируем много разных АВР и проверяем, как они ведут себя в условиях высоких температур.

Вот как издеваемся над АВР, чтобы это проверить:

подключаем к нему регистратор качества сети, сервер и еще несколько устройств для нагрузки;
изолируем стойку заглушками или пленкой, чтобы достичь высокой температуры;
нагреваем до 50°С;
поочередно отключаем вводы по 20 раз;
смотрим, не было ли провалов питания, как себя чувствует сервер;
если АВР проходит тест — нагреваем до 70°С.

Анализатор сети фиксирует напряжение с течением времени. На записи видим, сколько длилось переключение: на этот момент синусоида прервалась

Кстати, берем АВР на тест: проверим ваше устройство на прочность и расскажем, что получилось ;)

АВР в стойке: скрытая угроза

Главная проблема с АВР в стойке в том, что он умеет только переключать нагрузку с основного на резервный ввод, но не защищает от короткого замыкания или перегрузки. Если на блоке питания происходит короткое замыкание, то по защите сработает автоматический выключатель уровнем выше: на PDU или в распределительном щите. В результате один ввод отключается, АВР это понимает и переключается на второй ввод. Если короткое замыкание еще остается, сработает автоматический выключатель второго ввода. В итоге из-за проблемы на одном оборудовании может обесточиться вся стойка.

Так что еще раз повторю: тысячу раз подумайте, прежде чем устанавливать АВР в стойку и использовать оборудование с одним блоком питания.

Автомат ввода резерва-надежная защита от отключения электричества

Автомат ввода резерва (АВР) — это устройство, в системе электропитания здания или его части, отвечающее за бесперебойное питание приборов-потребителей. Задача АВР заключается в том, чтобы почти мгновенно переключать питание электросети на объекте с центрального источника (общегородской энергосети) на резервное при его обесточивании. При восстановлении центрального энергоснабжения автомат переключает сеть на него.

Автомат ввода резерва-надежная защита от отключения электричества

Ус тройство и принцип работы АВР

Конструкция автомата ввода резерва включает три основные составляющие:

Микроконтроллер. Именно этот узел отвечает за отслеживание ситуации с напряжением в основной сети и при отсутствии электричества в главном источнике дает команду переключиться на резерв.
Силовая часть. Состоит из автоматов и контакторов, выполняющих непосредственное переключение с одного источника на другой.
Релейный блок. В него входят реле и переключатели, отвечающие за управление генератором.

Устройство срабатывает при выполнении нескольких ключевых условий:

отсутствует напряжение на входе с основного источника питания;
на участке электросети, который защищает автомат, нет короткого замыкания;
выключатель ввода включён;
в резервном источнике питания напряжение присутствует.

Автомат ввода резерва-надежная защита от отключения электричества

Только проверив выполнение каждого из этих условий, АВР отключает вводной выключатель на обесточенном участке сети и включает межлинейный выключатель. Если АВР снабжена функцией восстановления, то при появлении напряжения в отключенном основном источнике питания, автомат снова переключается на него. Если же функции восстановления на приборе нет, вернуть исходную схему энергоснабжения можно только вручную.

Классификация АВР

Автоматы включения резервного питания можно сгруппировать в три основные категории в зависимости от назначения:

С явным резервированием. Имеется хотя бы один источник питания, постоянно находящийся в резерве. В этой роли может выступать резервный трансформатор, топливный генератор и т.п.
С неявным резервированием. Источники питания разных секций являются взаимным резервом друг для друга и постоянно находятся в работе. В этом случае питание обеспечивает трансформатор, рассчитанный на перегрузки.
С групповым резервированием. Самая надежная схема, в которой два основных источника питания соединены последовательно, а третьим источником является топливный генератор, который вступает в игру при обесточивании обоих основных источников.

Кроме того АВР классифицируют по:

напряжению питания;
количеству питающих вводов;
скорости переключения (зависит от типа переключающего устройства);
номинальному току.

Автомат ввода резерва-надежная защита от отключения электричества

Преимущества использования АВР

Существует одна фундаментальная причина для использования АВР — высокая скорость переключения на резервное питание. Отключить обесточенный основной источник и переключиться на резервный можно и вручную с помощью рубильников. В сущности, во многих ситуациях именно так и делается. Но для некоторых видов оборудования такой подход будет неприемлем, так как даже нескольких секунд без электричества будет достаточно для наступления нежелательных последствий. Смонтировав аварийный распределительный щит, Вы гарантируете непрерывную подачу электропитания в тех ситуациях, когда это критически важно.

Теоретически альтернативой АВР могло бы стать одновременное питание цепей от двух источников, что также позволило бы избежать остановок в работе техники при обесточивании одного из источников. Однако такой подход сопряжен с целым комплексом технических трудностей, что делает использование АВР более рациональным решением проблемы.

Сфера применения

Использование автоматов ввода резерва обязательно для тех типов потребителей электрической энергии (предприятий), сбои в электроснабжении которых неизбежно или потенциально грозят жизни и/или здоровью людей, могут вызвать значительный материальный ущерб, или ставят под удар безопасность государства. Все эти потребители выделены в так называемую первую категорию.

Также АВР целесообразно применять на производственных и других предприятиях, обесточивание которых не грозит безопасности людей, но из-за простоя возникают материальные убытки (то есть будет недополучена прибыль). На таких объектах использование АВР — не столько обязанность, сколько разумная мера предосторожности, спасающая от убытков.

Автомат ввода резерва-надежная защита от отключения электричества

Как выбрать АВР?

Ко всем автоматам ввода резерва предъявляется ряд базовых требований:

Переключение с базового на резервное питание должно происходить в максимально короткий отрезок времени — от 0,3 до 0,8 секунд.
При отключении тока в основной сети, автомат должен срабатывать всегда.
Краткосрочные просадки напряжения должны игнорироваться.
Недопустимо многократное включение резервного питания.

Выбор устройства АВР всегда осуществляется исходя из особенностей схемы электропитания на объекте, ожидаемых нагрузок, допустимых провалов напряжения и других факторов. Основное внимание следует уделить номинальным параметрам, которыми обладает система электропитания:

Каково рабочее напряжение и частота тока?
Используется однофазная или трехфазная сеть?
Наличие/отсутствие нейтрали.
Каково состояние нейтрали, если она есть?
Типы источников питания.

Далее определяют потребность в коммутации (разрыве) нейтрали и устанавливают полную величину тока. Только на основе всех этих данных подбирают конкретную модель автомата введения резервов. Он может представлять собой как отдельно стоящий шкаф, так и быть интегрированным в общий электрощит.

Важно отметить, что всеми вопросами, связанными с покупкой и монтажом АВР, должен заниматься профильный специалист. Не следует поручать эту задачу человеку, который хотя бы чего-то не понимает в схемах энергоснабжения предприятий и применении АВР.

Схемы АВР трансформаторов

На распределительных подстанциях 6-10 кВ устанавливается, как правило, два и более понижающих трансформатора. Схема электроснабжения с одним трансформатором применяется редко.

Рассмотрим подстанцию с двумя трансформаторами (рис. 1.7, а). Как правило, группы соединений и аппаратура на стороне 0,4 кВ допускают параллельную работу этих трансформаторов.

Обычно на параллельную работу устанавливают трансформаторы одинаковой мощности. В таком случае суммарная нагрузка потребителей распределяется между трансформаторами поровну- При большой нагрузке потребителей, когда трансформаторы загружены на 70% номинала и выше, совместная работа трансформаторов оправдана.

Проблема надежности заключается в обеспечении автоматического введения в работу отключенного трансформатора при выходе из строя работающего.

Возможен другой вариант построения схемы питания потребитетей. когда в нормальном режиме секционный выключатель отключен, и каждый трансформатор питает свою нагрузку (рис. 1.7, б).

Если в одном из трансформаторов, например Т1, произойдет короткое замыкание и он будет отключен действием ретейной защиты, то после отключения выключателей В1 и В2 необходимо включить секционный выключатель В5. Потребители левой секции получат питание от трансформатора Т2. Конечно, это возможно, если трансформатор Т2 имеет достаточную мощность для питания потребителей двух секций.

Автоматический ввод резерва широко применяется в схемах питания собственных нужд электростанции. Для повышения надежности трансформаторы собственных нужд резервируются. Каждый трансформатор собственных нужд может резервировать любой другой трансформатор, если это позволяет схема электрических соединений. Однако при таком подходе схема автоматики получается более сложной и менее надежной. Более простой является схема явного резервирования, когда функции резервирования закреплены за одним, не работающим в нормальном режиме трансформатором (рис. 1.7, в).

Рассмотренные примеры свидетельствуют о многообразии вариантов резервирования, что должно учитываться при разработке схем автоматики.

Схема питания двух секций с резервным трансформатором показана на рис. 1.8. Общая идеология резервирования здесь аналогична той. которая рассмотрена на примере резервирования линии. В случае выхода из строя рабочего трансформатора, например Т1. последний отключается с двух сторон, а питание потребителей первой секции переводится на резервный трансформатор ТЗ. Отключение поврежденного трансформатора двумя выключателями устраняет возможность включения резервного трансформатора на поврежденный рабочий трансформатор.

В нормальном режиме трансформатор ТЗ отключен и находится в явном резерве. Его включение в работу осуществляется выключателями В5 и В7 при резервировании трансформатора Т1 или выключателями В6 и В7 при резервировании трансформатора Т2.

Напомним, что резервная линия находилась в резерве под напряжением и включалась в работу одним выключателем на приемном коше. Такое решение оправдано, так как потери электроэнергии в линии на холостом ходу невелики. К тому же хтя управления выключателем на питающем конпе линии необходимо иметь контрольный кабель от схемы АВР, что экономически невыгодно.

Пуск схемы АВР трансформатора можно осуществить по-разному. Возможен вариант пуска от релейной защиты рабочего трансформатора. При срабатывании газовой или дифференциальной защиты трансформатор отключается от сети, например, выключателями В1 и В2 в случае повреждения трансформатора Т1. Эта же защита запускает схему АВР для включения резервного трансформатора ТЗ.

Возможен пуск схемы с помощью реле минимального напряжения, как это осуществлено в схеме АВР линии. Выбор варианта определяется дополнительными обстоятельствами.

Схема АВР трансформатора для подстанции с двумя рабочими трансформаторами показана на рис. 1.9. Для упрощения показана схема резервирования одного трансформатора Т1. Для трансформатора Т2 схема АВР аналогична.

Пуск схемы осуществляется с помощью реле минимального напряжения KV1 и KV2. По истечении выдержки времени реле времени КТ подается сигнал на промежуточное реле KL1 и далее через контакты KL1.1 и KL1.2 на отключающие катушки У ATI и УАТ2.

Вспомогательные контакты выключателя В2.3 снимают напряжение с промежуточного реле KLT. Это реле имеет задержку на отпускание якоря, что обеспечивает однократность включения резервного трансформатора. При отключении выключателя В2 его контакты В2.4 запускают реле KL2. которое в свою очередь подает сигналы на катушки включения УАС5 и УАС7. После выдержки времени, достаточной для однократного включения выключателей В5 и В7. контакты реле KLT размыкаются и разрывают цепь реле KL2.

Если резервный трансформатор включился на устойчивое к.з. на сборных шинах секции I, то действием релейной зашиты он отключится. Повторного включения резервного трансформатора не произойдет, так как к этому времени контакты реле KLT разомкнутся и сигнал на катушки включения УАС5 и УАС7 не поступит.

В случае неявного резерва до цикла АВР каждый трансформатор работает на нагрузку своих потребителей, подключенных к секции (рис. 1.10). Секционный выключатель В5 нормально отключен. В аварийном режиме оба трансформатора взаимно резервируют друг друга.

На рис. 1.11 показана упрошенная схема АВР. При отключении одного из трансформаторов, например первого, вспомогательные контакты выключателя В2.3 размыкают цепь рете KLT. Контакты В2.4 замыкаются н подают напряжение на промежуточное реле KL1. которое срабатывает и своими контактами замыкает цепь питания катушек включения выключателей УАСЗ. УАС4 и УАС5

Если трансформатор Т2 был включен, то включается только секционный выключатель В5. При отключенном трансформаторе Т2 будут включаться три выключателя. Для устранения перегрузки аккумуляторной батареи за счет одновременного включения трех выключателей предусматривается блокировка с помощью дополнительных контактов выключателя ВЗ. Выключатель В4 включается только после того, как выключатель ВЗ уже включен.

В рассмотренных случаях после действия схемы АВР на первую секцию подается напряжение от трансформатора Т2. Аналогичным образом трансформатор Т2 резервируется трансформатором Т1.

Следует иметь в виду, что в случае неявного резерва трансформаторы оказываются перегруженными. В целях устранения перегрузки остающегося в работе трансформатора часть менее ответственных потребителей должна быть отключена. Величина мощности отключенных потребителей должна быть обоснована расчетом.

Что такое автоматический ввод резерва и как работает АВР?

Нельзя гарантировать бесперебойную работу энергосистемы, поскольку всегда существует вероятность воздействия на нее техногенных или природных внешних факторов. Именно поэтому токоприемники, относящиеся к первой и второй категории надежности, положено подключать к двум или более независимым источникам энергоснабжения. Для переключения нагрузок между основными и резервными питаниями используются системы АВР. Подробная информация о них приведена ниже.

Что такое АВР и его назначение?

Типовой щит АВР

Расшифровка аббревиатуры АВР

Данное сокращение это первые буквы полного названия системы – Автоматический Ввод Резерва, как нельзя лучше объясняющее ее назначение. Иногда можно услышать расшифровку «Автоматическое Включение Резерва», такое определение не совсем корректное, поскольку под ним подразумевается запуск генератора в качестве резервного источника, что является частным случаем.

Классификация

Вне зависимости от исполнения, блоки, шкафы или АВР принято классифицировать по следующим характеристикам:

Количество резервных секций. На практике чаще всего встречаются АВР на два питающих ввода, но чтобы обеспечить высокую надежность электроснабжения, может быть задействовано и больше независимых линий. Шкаф АВР на три ввода
Тип сети. Большинство устройств предназначено для коммутации трехфазного питания, но встречаются и однофазные блоки АВР. Они применяются в бытовых сетях электроснабжения для запуска двигателя генератора. Применение АВР в частном доме
Класс напряжения. Устройства могут быть предназначены для работы в цепях до 1000 или использоваться при коммутации высоковольтных линий.
Мощностью коммутируемой нагрузки.
Время срабатывания.

Требования к АВР

В число основных требований к системам аварийного восстановления электроснабжения входит:

Обеспечение подачи питания потребителю электроэнергии от резервного ввода, если произошло непредвиденное прекращение работы основной линии.
Максимально быстрое восстановление электропитания.
Обязательная однократность действия. То есть, недопустимо несколько включений-отключений нагрузки из-за КЗ или по иным причинам.
Включение выключателя основного питания должно производиться автоматикой АВР до подачи резервного электропитания.
Система АВР должна контролировать цепь управления резервным оборудованием на предмет исправности.

Устройство АВР

Существует два основных типа исполнения, различающиеся приоритетом ввода:

Одностороннее. В таких АВР один ввод играет роль рабочего, то есть используется, пока в линии не возникнут проблемы. Второй – является резервным, и подключается, когда в этом возникает необходимость.
Двухстороннее. В этом случае нет разделения на рабочую и резервную секцию, поскольку оба ввода имеют одинаковый приоритет.

В первом случае большинство систем имеют функцию, позволяющую переключиться на рабочий режим питания, как только в главном вводе произойдет восстановление напряжения. Двухсторонние АВР в подобной функции не нуждаются, поскольку не имеет значения от какой линии запитывается нагрузка.

Примеры схем двухсторонней и односторонней реализации будут приведены ниже, в отдельном разделе.

Принцип работы автоматического ввода резерва

Вне зависимости от варианта исполнения АВР в основу работы системы заложено отслеживание параметров сети. Для этой цели могут использоваться как реле контроля напряжения, так и микропроцессорные блоки управления, но принцип работы при этом остается неизменным. Рассмотрим его на примере самой простой схеме АВР для бесперебойного электроснабжения однофазного потребителя.

Рис. 4. Простая схема однофазной АВР

Обозначения:

N – Ноль.
A – Рабочая линия.
B – Резервное питание.
L – Лампа, играющая роль индикатора напряжения.
К1 – Катушка реле.
К1.1 – Контактная группа.

В штатном режиме работы напряжение подается на индикаторную лампу и катушку реле К1. В результате нормально-замкнутый и нормально-разомкнутый контакты меняют свое положение и на нагрузку подается питание с линии А (основной). Как только напряжение в на входе А пропадает, лампочка гаснет, катушка реле перестает насыщаться, и положение контактов возвращается в исходное (так, как показано на рисунке). Эти действия приводят к включению нагрузки в линию В.

Как только на основном вводе восстанавливается напряжение, реле К1 производит перекоммутацию на источник А. Исходя из принципа работы, данную схему можно отнести к одностороннему исполнению с наличием возвратной функции.

Представленная на рисунке 4 схема сильно упрощена, для лучшего понимания происходящих в ней процессов, не рекомендуем брать ее за основу для контроллера АВР.

Варианты схем для реализации АВР с описанием

Приведем несколько рабочих примеров, которые можно успешно применить при создании щита автоматического запуска. Начнем с простых схем для бесперебойной системы электроснабжения жилого дома.

Простые

Ниже представлен вариант схемы АВР, переключающей подачу электричества в дом с основной линии на генератор. В отличие от приведенного выше примера, здесь предусмотрена защита от короткого замыкания, а также электрическая и механическая блокировка, исключающая одновременную работу от двух вводов.

Схема АВР для дома

Обозначения:

AB1 и AB2 – двухполюсные автоматические выключатели на основном и резервном вводе.
К1 и К2 – катушки контакторов.
К3 – контактор в роли реле напряжения.
K1.1, K2.1 и K3.1 – нормально-замкнутые контакты контакторов.
К1.2, К2.2, К3.2 и К2.3 – нормально-разомкнутые контакты.

После переводов автоматов АВ1 и АВ2 алгоритм работы блока АВР будет следующим:

Штатный режим (питание от основной линии). Катушка К3 насыщается и реле напряжения срабатывает, замыкая контакт К3.2 и размыкая К3.1. В результате напряжение поступает на катушку пускателя К2, что приводит к замыканию К2.2 и К2.3 и размыканию К2.1. Последний играет роль электрической блокировки, не допускающей подачи напряжения на катушку К1.
Аварийный режим. Как только напряжение в главной линии исчезает или «падает» ниже допустимого предела, катушка К3 перестает насыщаться и контакты реле принимают исходную позицию (так, как показано на схеме). В результате на катушку К1 начинает поступать напряжение, что приводит к изменению положения контактов К1.1 и К1.2. Первый играет роль электрической защиты, не допуская подачи напряжения на катушку К2, второй снимает блокировку подачи питания на нагрузку.
Чтобы работала механическая блокировка (на схеме отображена в виде перевернутого треугольника) необходимо использовать реверсивный пускатель, где ее наличие предполагается конструкцией электромеханического прибора.

Теперь рассмотрим два варианта простых АВР для трехфазного напряжения. В одном из них энергоснабжение будет организовано по односторонней схеме, во втором применено двухстороннее исполнение.

Рисунок 6. Пример односторонней (В) и двухсторонней (А) реализации простого трехфазного АВР

Обозначения:

AB1 и AB2 – трехполюсные автоматы защиты;
МП1 и МП2 – магнитные пускатели;
РН – реле напряжения;
мп1.1 и мп2.1 – групповые нормально-разомкнутые контакты;
мп1.2 и мп2.2 – нормально-замкнутые контакты;
рн1 и рн2 – контакты РН.

Рассмотрим схему «А», у которой два равноправных ввода. Чтобы не допустить одновременное подключение линий применяется принцип взаимной блокировки, реализованный на контакторах МП1 и МП2. От какой линии будет питаться нагрузка, определяется очередностью включения автоматов АВ1 и АВ2. Если первым включается АВ1, то срабатывает пускатель МП1, при этом разрывается контакт мп1.2, блокируя поступление напряжение на катушку МП2, а также замыкается контактная группа мп1.1, обеспечивающая подключение источника 1 к нагрузке.

При отключении источника 1 контакты пускателя ПМ1 возвращаются в исходное положение, что приводит в действие контактор ПМ2, блокирующий катушку первого пускателя и включающий подачу питания от источника 2. При этом нагрузка будет оставаться подключенной к этому вводу, даже если работоспособность источника 1 пришла в норму. Переключение источников можно делать в ручном режиме манипулируя выключателями АВ1 и АВ2.

В тех случаях, когда требуется одностороння реализация, применяется схема «В». Ее отличие заключается в том, что в цепь управления добавлено реле напряжения (РН), возвращающее подключение на основной источник 1, при восстановлении его работы. В этом случае размыкается контакт рн2, отключающий пускатель МП2 и замыкается рн1, позволяя включиться МП1.

Промышленные системы

Принцип работы промышленных систем энергообеспечения остается неизменным. Приведем в качестве примера схему типового шкафа АВР.

Схема типового промышленного шкафа АВР

Обозначения:

AB1, АВ2 – трехполюсные устройства защиты;
S1, S2 – выключатели для ручного режима;
КМ1, КМ2 – контакторы;
РКФ – реле контроля фаз;
L1, L2 – сигнальные лампы для индикации режима;
км1.1, км2.1 км1.2, км2.2 и ркф1 – нормально-разомкнутые контакты.
км1.3, км2.3 и ркф2 – нормально-замкнутые контакты.

Приведенная схема АВР практически идентична, той, что была представлена на рисунке 6 (А). Единственное отличие заключается в том, что в последнем случае используется специальное реле контролирующее состояние каждой фазы. Если «пропадет» одна из них или произойдет перекос напряжений, то реле переключит нагрузку на другую линию, и восстановит исходный режим при стабилизации основного источника.

АВР в высоковольтных цепях

В электрических сетях с классом напряжения более 1кВ реализация АВР более сложная, но принцип работы системы практически не меняется. Ниже в качестве примера приведен упрощенный вариант схемы понижающей ТП 110,0/10,0 киловольт.

Упрощенная схема ТП 110/10 кВ

Из приведенной схемы видно, в ней нет резервных трансформаторов. Это говорит о том, что каждая из шин (Ш1 и Ш2) подключена к своему питающему трансформатору (T1, T2), каждый из которых может на определенное время стать резервным, приняв на себя дополнительную нагрузку. В штатном режиме секционный выключатель СВ10 разомкнут. АВР контролирует работу ТП через ТН1 Ш и ТН2 Ш.

Когда перестает поступать питание на Ш1, АВР выполняет отключение выключателя В10Т1 и производит включение секционного выключателя СВ10. В результате такого действия обе секции работают от одного трансформатора. При восстановлении источника система ввод резерва перекоммутирует систему в исходное состояние.

Микропроцессорные бесконтакторные системы

Завершая тему нельзя не упомянуть о АВР с микропроцессорными блоками управления. В таких устройствах, как правило, используются полупроводниковые коммутаторы, которые более надежны, чем аппараты, выполняющие переключение с помощью контакторов.

Электронный блок АВР

Основные преимущества бесконтакторных АВР несложно перечислить:

Отсутствие механических контактов и всех связанных с ними проблем (залипание, пригорание и т.д.).
Отпадает необходимость в механической блокировке.
Более широкий диапазон управления параметрами срабатывания.

К числу недостатков следует отнести сложный ремонт электронных АВР. Самостоятельно реализовать схему устройства также не просто, для этого потребуются знания электротехники, электроники и программирования.

Как работают устройства автоматики повторного включения (АПВ)?

В виду большой протяженности электрических сетей их обслуживание и ремонт, в случае повреждения, усложняются необходимостью доставления бригады к месту выполнения работ. Из-за чего большинство внештатных ситуаций, которые приводят к отсутствию напряжения, решает автоматическое повторное включение (АПВ) без необходимости вмешательства работников.

Назначение АПВ

Рис. 1: Назначение АПВ

Автоматическое повторное включение предназначено для включения выключателей после того, как аварийное отключение обесточило линию. При этом АПВ позволяет уменьшить перерывы в электроснабжении на количество кратковременных аварий. Посмотрите на рисунок 1, в случае замыкания в точке К1 с последующим отключением высоковольтного выключателя Q1 происходит срабатывание АПВ1. Допустим, что замыкание самоустранилось и снабжение линии от подстанции ПС1 до ПС2 восстановилось.

В то же время, при замыкании в точках К2 и К3 выключатель Q2 отсекает линию до подстанции ПС3. Допустим, что это устоявшиеся замыкания, при срабатывании АПВ2 напряжение снова будет подано в сеть, но так как в точках К2 и К3 происходит замыкание, Q2 снова отключит линию.

Поэтому все аварийные ситуации по их продолжительности можно условно поделить на:

Кратковременные – те, которые обуславливаются относительно непродолжительным фактором (перемещением животных, падением веток и прочих элементов), которые создали протекание токов короткого замыкания на доли или несколько секунд, после чего и причина, и замыкание самоустранились.
Устоявшиеся – обусловленные постоянным фактором, который не может самоустраниться без вмешательства персонала (обрыв провода, разрушение изоляции и прочие). В таких ситуациях возникают устойчивые кз, которые устраняются только отключением выключателей и последующим ремонтом.

На практике автоматическое повторное включение срабатывает во всех ситуациях, но успешное включение происходит только в случае, когда причина устранилась, то есть при кратковременных повреждениях. Если же после первой повторной подачи автоматическое восстановление не произошло, в зависимости от типа, могут применяться следующие ступени повторного включения. В соответствии с местными условиями системы АПВ могут иметь различные особенности работы.

Так как 50% всех отключений удается повторно запитать от однократного АПВ, то первая ступень считается наиболее эффективной. Вторая отстраивается с временным промежутком в несколько секунд или десятков секунд, и, как показывает статистика, позволяет запитать потребителя еще в 15% случаев.

Классификация

В зависимости от количества фаз, задействованных для повторного включения все АПВ подразделяют на:

В свою очередь, трехфазные АПВ подразделяются на такие классы:

С односторонним питанием – когда линия запитывается только от одного источника, соответственно, оперативный ток запускает цепь повторного включения только для одного высоковольтного выключателя.
С двухсторонним питанием – когда участок сети получает электроснабжение сразу от двух источников и система АПВ вынуждена повторно включать сразу два коммутационных аппарата.

Также двухстороннее АПВ подразделяется на:

Несинхронное повторное включение, когда система выполняет одновременный ввод выключателей с двух сторон. При этом синхронность включения и процессов в линии не соблюдается.
С ожиданием синхронизма – подает питание сначала с одной стороны, а затем с другой.
С улавливанием синхронизма – подбирает время включения в соответствии с удаленностью точки замыкания для предотвращения возникновения несимметричных режимов, ударов тока и прочих эффектов.
Быстродействующие АПВ – позволяют осуществить повторное включение в максимально короткий промежуток времени.

Помимо вышеизложенных способов классификации, АПВ могут различаться по способу включения – от механического воздействия или посредством электрического сигнала. Также существует разделение по количеству ступеней включения – одна или несколько, в зависимости от того, сколько раз АПВ пытается повторно включить питание. Принцип действия повторного включения может отстраиваться как от наличия напряжения в линии, так и от его отсутствия.

Принцип работы

Рассмотрите принцип работы автоматического повторного включения на примере такой схемы.

Рис. 2: Принципиальная схема АПВ

Как видите на рисунке 2, напряжение подается на шину управления ШУ, на схеме показан пример питания от источника постоянного тока + ШУ и – ШУ. В данном примере устройство АПВ управляется механизмами:

контроля синхронизации;
положения контактов выключателя;
запрета АПВ;
разрешения подготовки.

Релейная защита реализуется посредством реле времени РВ и промежуточного РП. Последнее имеет две обмотки: по току РП I и по напряжению РП U. В нормальном режиме к ШУ приложено напряжение, которое заряжает конденсатор С при наличии соответствующего сигнала от цепей разрешения подготовки. Но повторное включение блокируется сигналом цепи запрета АПВ, который отстраивается на основе резисторов R1 и R2, находящихся в последовательном соединении с управленческими цепями.

В случае отключения трансформатора, линии или других участков, сигнал контроля синхронизации замыкает цепь для РВ. Которое при отсчете установленного промежутка времени выполняет замыкание собственных контактов, они, в свою очередь, шунтируют резистор R. После чего происходит разряд конденсатора на обмотку напряжения РП. При этом возбуждается и токовая катушка, которая притягивает контакты реле и замыкает цепь на включение выключателя.

Если трехфазное кз прекратилось и электроснабжение возобновится, то контроль синхронизации подает сигнал на размыкание обмотки РВ. После чего в цепь снова вводится сопротивление R и происходит возврат реле в обесточенное состояние. После возврата устройства в режим ожидания сразу происходит заряд конденсатора С для готовности к последующему повторному включению.

Узел Н позволяет вывести повторное включение на время проведения каких-либо плановых манипуляций оперативным персоналом.

Предъявляемые требования

Для обеспечения заявленных режимов и безопасных условий работы оборудования, к устройствам автоматического повторного включения предъявляется ряд требований:

Быстродействие – должна обеспечивать скорость перехода, определяемая типом питаемых устройств и категорией потребителя. Но, при этом, скорость не должна выполнять повторное включение до полного рассеивания электрической дуги. Так как в противном случае, даже при кратковременных повреждениях возможна повторная ионизация изолирующего промежутка.
Устойчивость к аварийному режиму – устройства ТАПВ и резервных защит не должны снижать качество и скорость реагирования из-за перепадов электрических величин.
Селективность АПВ – система должна отстраивать свою работу в соответствии с другими устройствами аварийной автоматики, не прерывая действия защит. Рисунок 3: Согласование АПВ с другими защитами
В случае оперативных отключений с целью проведения плановых работ, АПВ должно выводиться из цепи, чтобы ошибочно не подать напряжение на шины подстанции и не подвергнуть угрозе персонал.
После срабатывания повторного включения коммутационное устройство должно возвращаться во включенное положение. При неуспешном АПВ должен происходить автоматический возврат в отключенное положение.
Для некоторых видов защит (газовой, дифференциальной и прочих, реагирующих на повреждение трансформатора) должен устанавливаться запрет на повторное включение. Также отключенное положение должно сохранятся при возникновении аварийного режима в силовых электрических машинах.
При повторных включениях должны блокироваться неконтролируемые многократные АПВ во избежание разрушающих воздействий устойчивых токов кз на устройства. Рисунок 4: Увеличение тока при кз

Особенности эксплуатации АПВ

Следует отметить, что работа повторного включения должна контролироваться исключительно теми работниками, на балансе которых находятся соответствующие распределительные сети. При этом допуск постороннего персонала может производиться только под надзором ответственного работника.

Помимо того, что все случаи срабатывания АПВ для обратного включения тех же шин, линий или трансформаторов фиксируют приборы учета, они должны регистрироваться оперативными работниками в соответствующем журнале. После чего специалисты, обслуживающие устройства защиты шин, линий и силового оборудования подстанции должны провести анализ работы повторного включения с составлением соответствующих документов.

Периодически, для проверки работоспособности устройств АПВ, персонал обязан вывести его из работы. После чего производится комплекс испытательных мер, как совместно с остальными защитами, так и отдельно. По результатам проверки должен выдаваться протокол об исправности или неисправности АПВ. В последнем случае применяются меры для восстановления или отладки нормальной работы повторного включения, и производится внеочередная проверка.

Если для линии предусмотрено включение резерва, то повторное включение может не использоваться. Чтобы работа АПВ не нарушала переход системы на резервное питание.

Видео по теме

Читайте также: