CC BY
25
УДК 621.316
МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ОДНОФАЗНОГО КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В СИСТЕМЕ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
А.В. ГОЛЕНИЩЕВ-КУТУЗОВ, Р.М. МУДАРИСОВ, А.И. ФЕДОТОВ
Казанский государственный энергетический университет
В статье приведены результаты исследования влияния провалов напряжения, обусловленных однофазными короткими замыканиями в сетях 110220 кВ, на самозапуск синхронных двигателей. Представлены результаты оценки применимости упрощенных моделей систем внешнего электроснабжения при моделировании работы синхронных двигателей в условиях однофазных коротких замыканий.
Ключевые слова: однофазное короткое замыкание, провалы напряжения, синхронный двигатель, самозапуск.
Однофазные короткие замыкания (ОКЗ) являются наиболее частыми повреждениями в системах внешнего электроснабжения промышленных предприятий, доходя до 70-80% от числа общих повреждений. Исследования процессов самозапуска синхронных двигателей (СД) в условиях трехфазных коротких замыканий во внешней питающей сети напряжением 110 (220) кВ обычно основываются на модели работы двигателя при питании от идеальных источников. В этом случае не учитываются значения реальных параметров элементов системы внешнего электроснабжения, а наличие КЗ учитывется соответствующим
провалом напряжения питания только по статорной обмотке СД при постоянном напряжении на обмотке возбуждения [1, 2]. В условиях применения быстродействующих систем аварийного включения резервного источника пренебрежение электромагнитными переходными процессами в системе
электроснабжения может приводить к существенным погрешностям как при анализе режимов работы СД, так и при оценке успешности их самозапуска.
Для выявления особенностей электромеханических переходных процессов СД при появлении ОКЗ рассмотрена типовая схема системы © А.В. Голенищев-Кутузов, Р.М. Мударисов, А.И. Федотов Проблемы энергетики, 2012, № 3-4
Рис. 1. Принципиальная схема системы внешнего электроснабжения
электроснабжения, рис. 1, где использованы следующие обозначения: ИП1 и ИП2 -источники питания; СВ1 - междушинный выключатель; Л1, Л3 - линии питания прочей нагрузки; Л2 - линия, по которой осуществляется питание СД; Т1 — Т3 -трансформаторы. Математическая модель составлена для систем внешнего электроснабжения напряжением 110-220 кВ, предельной активной мощностью нагрузки промышленной подстанций до 110 МВт и токах трехфазного короткого замыкания на шинах РУ-1 в пределах 4-40 кА.
Работа СД при ОКЗ рассмотрена на примере моделирования двигателя типа СТД-8000 с системой возбуждения ТЕ8-320/115. Принято, что момент инерции СД с приводным механизмом составляет ,/ПР.МЕХ=250 кг*м2. Для получения достоверных результатов исследования процесса самозапуска СД в модель введена полная схема системы возбуждения СД, учитывающая введение пусковых сопротивлений.
Осциллограмма угла нагрузки при металлическом ОКЗ длительностью ^?=0,2е в фазе А смежной одноцепной линии с проводом марки АС-70 (линия Л1 точка К1, рис.1) приведена на рис. 2. Во время рассматриваемого режима напряжения фаз на шинах РУ-1 (рис. 1) снижается до иОСТ)А=0,2 о.е., иОСТ)В=0,8 о.е. и иОст,с=0,85 о.е.
На рис. 2 жирной линией показаны результаты моделирования с учетом всех элементов системы внешнего электроснабжения, приведенных на рис. 1. Штриховой линией на данных графиках изображены расчетные осциллограммы, полученные на упрощенной модели, то есть без учета следующих параметров: ветви линии Л3 питания прочей нагрузки; сопротивления линии Л2 питания СД (трансформатор Т2 учитывается); параметров нагрузки аварийной линии Л1. Из рис. 2 очевидно, что основные параметры режима работы СД при рассмотрении упрощенной (в отношении нагрузок) и полной схемы электроснабжения существенно не отличаются.
200 100 8, ° и
-100 -200
10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5
1,С
Рис. 2 Осциллограмма угла нагрузки СД при ОКЗ длительностью Дг=0,2с
Результаты моделирования работы двигателя при ОКЗ от идеального источника, питающего СД через трансформатор (Т2 на рис. 1) и непосредственно СД (без трансформатора Т2), приведены на тех же рисунках пунктирной и штрихпунктирной линиями соответственно. Как видно из полученных результатов, моделирование работы СД в случае наличия ОКЗ при использовании идеальных источников приводит к увеличению предельного отклонения угла нагрузки двигателя и выпадению двигателя из синхронного режима, что свидетельствует о необходимости учета параметров питающей сети.
Моделирование работы СД при ОКЗ в двухцепной линии Л1 с той же маркой провода (АС-70), а так же в одноцепной линии Л1 с маркой провода АС-240, при тех же исходных условиях (величина провала напряжения в поврежденной фазе и длительность провала не меняются) не выявил существенных отклонений
/ .............................................1" .. .Г. ~ ~ Л/1Л/1ЛЛЛЛЛЛ'/! .................................................
> и Л ,'} '! / Н ¡1 Ь ¡' 1 ' £ Г Ч ? а » И ¡/|/ ; ¡г и и ^ » V V V * * * I I
наблюдаемых режимных параметров, полученных при моделировании исходного ОКЗ в линии Л1 (одноцепная линия с проводом марки АС-70). Увеличение длительности нарушения питания при ОКЗ в линии Л1 не выявило существенных изменений в режиме работы двигателя, что свидетельствует о том, что при любых ОКЗ в смежных линиях двигатель не выпадает из синхронизма и сохраняет устойчивость.
Результаты исследования самозапуска СД, обусловленного ОКЗ в линии Л2 питания СД (точка К2, рис. 1), приведены на рис. 3 и 4. В обоих случаях ОКЗ длительностью А1=1с происходит в начале линии питания, которой является одноцепная линия с маркой провода АС-70, а двигатель питается от трансформатора ТДН-16000/110. На рис. 3 представлены результаты моделирования ОКЗ при длине линии 50 км, а на рис. 4 - при длине линии 80 км. Такие протяженные линии встречаются при питании нефте- и газоперекачивающих станций.
2001—[-1-1-1-1-1-.-I-.-.-
^ С
Рис. 4 Осциллограмма угла нагрузки СД при ОКЗ Дг=1с
Как видно из полученных результатов, устойчивость СД при ОКЗ в питающих линиях СД определяется не только длительностью нарушения питания, но и также длиною питающей линии, то есть существует такая максимальная протяженность линии (критическая протяженность), при которой ОКЗ в питающих линиях любой длительностью не оказывают влияния на устойчивость двигателя. ОКЗ в линиях с большей протяженностью, чем критическая длина, могут как приводить к потере двигателем синхронизма, так и к сохранению последнего в зависимости от длительности нарушения питания.
Результаты моделирование ОКЗ в других точках линии питания СД Л2 показали, что приближение места замыкания (точка К2, рис. 1) к СД без изменения самой длины линии уменьшает значение предельного отклонения угла нагрузки.
Выводы
1. Наиболее точные результаты анализа работы двигателя при провалах напряжения, обусловленных однофазными короткими замыканиями в смежных линиях, получаются при учете минимального набора необходимых элементов внешней сети и их параметров, которыми являются: система, аварийная линия. трансформатор в конце аварийной линии, трансформатор синхронного двигателя.
2. Синхронные двигатели при провалах напряжения, обусловленных однофазными короткими замыканиями, возникающими в смежных с системой электроснабжения синхронного двигателя линиях, из устойчивого синхронного режима не выпадают.
3. Приближение места замыкания при однофазных коротких замыканиях к началу линии приводит к увеличению значения предельного отклонения угла нагрузки синхронного двигателя.
Summary
This thesis gives information about the one-phase short circuit voltage sag impacts in the 110-220 kV grids on the self-starting of synchronous motors. Presents estimation results of synchronous motor s operation during the one-phase voltage sags in the simplified models of power grids.
Key words: one-phase short circuit, voltage sags, synchronous motor, self-starting.
Литература
1. F. Carlsson, B. Widell and C. Sadarangani: "Simulations of ride-through possibilities for a line operated synchronous machine". The proceedings of the 2000 International Conference on power system technology - PowerCon 2000, volume II, Pages: 989-994.
2. M.Bollen, E.Styvaktakis. Characterization of three-phase unbalanced dips (as easy as one-two-three?) // Power Engineering Society Summer Meeting, IEEE. 2000. №2. P. 889 - 904.
Поступила в редакцию 28 февраля 2012 г.
Голенищев-Кутузов Александр Вадимович - д-р техн. наук, профессор, и.о. проректора по научной работе, зав. кафедрой «Промышленная электроника» (ПЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
Мударисов Рамиль Миннесалихович - аспирант кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8-937-2843240. E-mail: [email protected].
Федотов Александр Иванович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8 (843) 298-41-30; 8 (843) 519-42-72. E-mail: [email protected].
