Повышение надежности автоматического управления самозапуском синхронных двигателей цифровым реле Sepam 2000 Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.313.333

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ САМОЗАПУСКОМ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЦИФРОВЫМ РЕЛЕ ЭЕРДМ 2000

В. В. КУРГАНОВ, Ю. В. КРЫШНЕВ

Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого»,

Республика Беларусь

О. П. КАПТУРОВ

Республиканское унитарное предприятие «Гомельтранснефть Дружба»

Постановка задачи

Актуальной задачей промышленной электроэнергетики является обеспечение устойчивости узла комплексной нагрузки, в состав которой входят асинхронные и синхронные двигатели различной мощности. В данной статье рассматриваются вопросы повышения надежности и увеличения быстродействия устройств автоматического включения резервного питания (АВР) синхронных двигателей на подстанциях РУП «Гомельтранснефть Дружба» с комплексной нагрузкой, укомплектованных цифровыми реле Sepam 2000.

Решение задачи

В цифровых (микропроцессорных) реле типа Sepam 2000 М08 синхронного двигателя (СД) и Sepam 2000 В02 секционного выключателя (СВ) запрограммирована функция ресинхронизации, предназначенная для самозапуска СД при кратковременных перерывах питания [1].

Принцип действия функции ресинхронизации поясняется на примере двухтрансформаторной подстанции 110/6кВ (рис. 1), питающей мощные синхронные (СД) и асинхронные (АД) двигатели насосных агрегатов нефтеперекачивающих станций (НПС). В зависимости от режима перекачки нефти количество и состав электродвигателей, подключенных к секции шин 6 кВ, может быть различным.

На секционном выключателе QСВ установлено устройство АВР, срабатывающее при потере питания секции шин после предварительного гашения поля СД, которое осуществляется функцией ресинхронизации. Пусковой орган (ПО) АВР состоит из измерительного органа минимальной частоты (ИОД контролирующего частоту напряжения на секции шин, и измерительных органов реверса (обратной) активной мощности (ИО.р), установленных в цифровых реле СД (код 32Р). Пуск АВР осуществляется по факту снижения частоты и реверса активной мощности хотя бы в одном СД. При этом через выдержку времени 0,3-0,5 с на шинку ресинхронизации подается сигнал в тиристорные возбудители СД, переводящий их в инверторный режим с гашением поля. По окончании гашения поля, которое контролируется величиной остаточного напряжения 0,4 ^ном на шинах, отключается выключатель ввода QВ и включается QcВ.

Опыт эксплуатации такого алгоритма ресинхронизации на подстанциях НПС «Пинск», «Мозырь», «Защебье» РУП «Гомельтранснефть Дружба» показал недоста-

точную его эффективность, поскольку в ряде случаев устройство АВР либо отказывало в работе, либо срабатывало с большой задержкой во времени, что вызывало перебои в работе нефтепроводного транспорта. При отказе функции ресинхронизации возбужденные СД длительно генерируют ЭДС через трансформаторы в питающую линию 110 кВ. В результате системная автоматика АПВ линии на выключателе QЛ вынужденно срабатывает со значительной задержкой, оставляя без питания на это время другие потребители энергосистемы, подключенные к данной линии с помощью отпаек. Такие факты неоднократно были зарегистрированы работниками служб энергосистемы.

Рис. 1. Схема двухтрансформаторной подстанции НПС

Проанализируем поведение ПО АВР при различных аварийных режимах в системе электроснабжения (рис. 1).

1. Короткое замыкание (КЗ) произошло на отходящей от подстанции линии присоединения 6 кВ (точка К1). В этом случае СД подпитывают место КЗ и по реверсу мощности ИО-Р срабатывает, но частота напряжения в сети остается неизменной 50 Гц и, в результате, ПО АВР не запускается. Рассматриваемое КЗ, как правило, отключается быстродействующей защитой присоединения QП, и СД не выпадают из синхронизма.

2. КЗ произошло в питающей линии (точка К2). В этом случае от собственной защиты отключается выключатель линии QЛ, СД теряют питание и при выбеге подпитывают место КЗ и нагрузку на секции шин 6 кВ. Создаются все условия для срабатывания ПО АВР - снижение частоты и реверс активной мощности.

3. Оперативное или неоперативное (ложное) отключение выключателя QЛ без КЗ на линии 110 кВ. Такой же режим появляется при самоустранившемся КЗ после от-

ключения QЛ. В этом случае, при наличии нагрузки на секции шин, в СД появляется обратная мощность, снижается частота и ПО АВР срабатывает.

4. Тот же режим, что и в п. 3, но кроме СД к секции шин подключена незначительная по величине сторонняя нагрузка (АД отключены). В этом случае в начале выбега обратная мощность в СД может быть недостаточная для срабатывания ИО-Р и ПО АВР запускается со значительной задержкой во времени.

5. При аварии в энергосистеме возникает дефицит активной мощности и происходит общесистемное понижение частоты. В этом случае устройство АВР не должно срабатывать, иначе функция ресинхронизации, направленная на гашение поля СД, переведет их в асинхронный режим и увеличит и без того возникший при аварии дефицит реактивной мощности. В данном режиме сработает ИО/, но активная мощность в СД будет направлена на потребление, а не на отдачу, и ИО-Р заблокирует работу ПО АВР.

Таков алгоритм действия устройства АВР, заложенного в цифровых реле СД и секционного выключателя.

Анализируя поведения ПО АВР в рассматриваемых режимах, можно сделать вывод, что измерительные органы ИО-Р в реле СД необходимы только для отличения режима дефицита активной мощности в системе от режима выбега СД. Во всех остальных случаях 1, 2, 3, 4 для пуска АВР достаточно иметь один измерительный орган минимальной частоты (ИО/).

Разработчики цифровых реле Бераш 2000 для выявления режима дефицита активной мощности использовали известный (классический) способ блокировки устройства автоматической частотной разгрузки (АЧР) при выбеге СД [3].

Согласно этому способу, на выключателе ввода QВ устанавливается реле направления мощности, которое ориентировано так, что при прямом направлении мощности от источника питания к шинам подстанции реле находится в сработанном состоянии и разрешает работу реле минимальной частоты устройства АЧР, что соответствует режиму дефицита активной мощности в энергосистеме. При потере питания и выбеге СД частота напряжения также снижается, но протекающая мощность по QВ либо отсутствует, либо направлена в противоположную сторону. В обоих случаях реле направления мощности работает на возврат, запрещая действие АЧР.

В цифровых реле Бераш 2000, в отличие от классического способа, реле направления мощности (ИО.р) установлено не на вводе, а в каждом цифровом реле СД и при выбеге они работают на срабатывание, а не на возврат. Любое реле направления мощности имеет зону нечувствительности при малых значениях тока или его отсутствии, т. е. для срабатывания ИО-Р необходима, хотя и малая, но конечная величина обратной активной мощности (1,5-2 % РномСд). Характеристика срабатывания ИО-Р реле Бераш 2000 приведена на рис. 2. Если величина и знак активной мощности СД попадает в зону срабатывания (незаштрихованная область), то с выхода ИО-Р разрешающий сигнал (логическая единица) поступает в ПО АВР.

0\

і k +Р

1 VO о о +90

// / / / // //////

Зона срабатывания

180° -Р

Рис. 2. Характеристика срабатывания существующего ИО-Р в реле Бераш 2000

На действующей подстанции ЛПДС «Мозырь» «Гомельтранснефть Дружба» были проведены экспериментальные исследования режимов совместного выбега СД и АД с осциллографированием токов синхронного двигателя и напряжения на секции шин с помощью цифрового регистратора (рис. 3).

ТОК СД НАПРЯЖЕНИЕ

к

о

¡*Т

о

н

к

К

к

к

*

СА

с

сЗ

я

1.5

0.5

-0.5

-1.5

0.4 0.5

Время, с

Рис. 3. Осциллограммы напряжения и тока СД при выбеге СД и АД

В первом опыте к секции шин были подключены синхронный двигатель мощностью 3150 кВт и асинхронные двигатели 4000 кВт и 1600 кВт, а также небольшая сторонняя нагрузка собственных нужд и возбудителя СД.

Обработка полученных данных с вычислением активной и реактивной составляющих мощности СД проводилась в пакете Matlab, затем полученные данные обрабатывались в программе Excel. Изменение знака и модуля активной и реактивной составляющих мощности синхронного двигателя приведены на рис. 4, а и б соответственно для 1-го и 2-го опытов.

О

Время, с

а)

Рис. 4. Активная и реактивная составляющие мощности синхронного двигателя при совместном выбеге СД и АД: а - при первом опыте; б - при втором опыте

В первом опыте из рис. 4, а видны следующие характерные особенности совместного выбега синхронного и асинхронных двигателей.

В нормальном режиме синхронный двигатель потреблял практически только активную мощность (сОБф ~ 1). В момент потери питания произошел резкий провал напряжения на шинах примерно на 10 %, активная мощность СД при этом снизилась до нуля, а реактивная (отдаваемая) мощность немного возросла.

В процессе выбега двигателей напряжение постепенно снижается, а реактивная мощность растет. В момент времени 0,3 с от начала выбега напряжение снизилось до значения 0,86гном и автоматика возбудительного устройства включила форсировку

возбуждения СД. Это вызвало рост напряжения и реактивной мощности СД. Однако через 0,13 с при частоте вращения около 44,5 Гц напряжение и реактивная мощность стали снижаться с повышенной скоростью. С набросом реактивной нагрузки произошло ускоренное торможение СД, а следовательно, и затухание кинетической энергии двигателей. Кроме того, ток возбудительного устройства, питающегося от пониженного напряжения, стал резко снижаться, что и вызвало дальнейшее снижение отдаваемой мощности СД и в итоге - отключение двигателей от защит возбудительного устройства и минимального напряжения.

Активная мощность СД изменяется по более сложному закону. В первоначальный момент времени после отключения питания за счет инерционности электрических машин активные составляющие мощности двигателей снижаются до нуля. Затем через 0,15 с происходит рост обратной (отдаваемой) активной мощности СД в течение примерно 0,1 с, потом снова ее снижение почти до нуля. Так периодически происходят колебания обратной активной мощности. Эти колебания можно объяснить переходными электромеханическими процессами обмена энергией между выбегающими СД и АД, а также апериодической составляющей тока в начале процесса. Постоянные времени агрегатов двигатель-механизм различны для СД и АД, поэтому торможение двигателей при совместном их выбеге происходит по-разному. Максимум (горб) активной мощности свидетельствует о синхронизации выбега асинхронного и синхронного двигателей в этот промежуток времени. Форсировка возбуждения СД также вносит дополнительные колебания активной мощности. При этом отмечается даже кратковременное изменение знака с минуса на плюс активной мощности в интервале времени I = 0,4-0,5 с на рис. 4, а.

Во втором опыте из рис. 4, б видно, что активная мощность СД при выбеге вообще не изменяла знак и была положительной, т. е. СД потреблял при выбеге небольшую по величине активную мощность (около 16 % мощности исходного режима).

В [3] при описании совместного выбега асинхронного и синхронного двигателей предполагается, что синхронный двигатель, переходя в генераторный режим, подпитывает своим током асинхронный. Однако результаты проведенных экспериментов и последующего моделирования показывают, что данное утверждение справедливо только для реактивной составляющей тока. Активная же составляющая тока либо не изменяет знак, либо имеет колебательный характер с периодичностью, равной разности угловых частот СД и АД, причем эта величина зависит от соотношения мощностей выбегающих двигателей, их постоянных времени и коэффициентов загрузки агрегатов.

Таким образом, измерительный орган направления активной мощности (ИО-Р) в реле СД в условиях первого опыта будет периодически срабатывать и возвращаться, а, учитывая, что ИО.Р имеет собственную выдержку времени срабатывания 0,1 с и согласно алгоритму ресинхронизации сигнал от ИО-Р, необходимый для срабатывания выходного реле времени ресинхронизации, должен быть непрерывным в течение времени не менее 0,3-0,5 с, то в данном узле нагрузки произойдет отказ в срабатывании устройства АВР.

Во втором опыте ИО-Р вообще, в принципе, не мог сработать, поскольку обратная мощность в СД не появлялась. При совместном выбеге СД и сторонней нагруз-

ки, питающейся через трансформаторы 6/0,4 кВ, АВР, как правило, успевает сработать, но со значительной задержкой во времени.

Рассмотрим принцип действия измерительного органа ИО-Р цифрового реле СД. Назовем его, для краткости, реле направления мощности, аналогом которого являются реле типа РБМ-171 и РМ-11.

В технике релейной защиты эти реле применяются в направленных защитах от междуфазных КЗ. Для исключения влияния напряжения нулевой последовательности при однофазных замыканиях на землю реле направления мощности включаются на фазный ток и междуфазное напряжение, причем внутренний угол их, так называемый угол максимальной чувствительности, устанавливается в виде уставки реле и принимается равным фмч = -30° или фмч = -45°.

Момент, действующий на срабатывание реле, определяется выражением:

где ир, 1р - напряжение и ток, подводимые к реле; фр - угол сдвига фаз между векторами ир и /р.

Реле направления мощности в фазе А включается на ток фазы А и напряжение между фазами С и А, т. е. 1р = 1А, ир = иСА (реле в других фазах включаются аналогично). Угловая характеристика реле фазы А приведена на рис. 5.

Рис. 5. Угловая характеристика срабатывания реле направления активной мощности СД: реле фазы А включается на ток фазы 1а и напряжение Пса; реле фазы С включается на ток фазы 1С и напряжение Пав; угол максимальной чувствительности фмч = -30°

Зона срабатывания реле строится следующим образом. От вектора ПСА откладывается угол ф мч = -30° в сторону опережения и проводится прямая линия (пунктирная), которая называется линией максимальной чувствительности. К этой линии проводится перпендикулярная линия, называемая линией нулевых моментов, и заштриховывается область, противоположная линии максимальной чувствительности.

М = кПр1 р С08(фр +фм.чX

(1)

0°

Область во вектора акт при выбеге

Если вектор тока 1А попадает в незаштрихованную область угловой характеристики, то реле срабатывает. При этом минимальная мощность срабатывания реле предполагается равной нулю [2].

При анализе поведения реле представляет интерес угол ф сдвига фаз между током 1А и создавшим его фазным напряжением UA. Преобразуем выражение (1) с учетом изменения на обратное направления тока IA:

М = KU СА (-1А )C0Sfop + фмч ) = K,Uа в~ ■,150° • I а Є-/180° C0S^+ фмч ) =

= к1иАIA cos^-150 +180 - 30) = x1UAIА cos ф.

Следовательно, при таком включении реле реагирует на активную мощность СД, т. к. Р = S cos ф. Величина Р имеет отрицательный знак (обратная активная мощность) при изменении угла ф от -90° до -270°. Реактивная мощность не создает момента на реле, так как составляющая реактивного тока IA сдвинута относительно напряжения UA на 90° и вектор ее попадает на линию нулевых моментов.

По данным второго опыта средняя потребляемая активная мощность СД при выбеге составила около 16 %. Проведя горизонтальную линию на уровне 16 % от IA, получим на рис. 5 область возможного положения вектора активного тока IA при выбеге СД. Следовательно, для того, чтобы эта область входила в зону действия реле, необходимо сместить вверх граничную линию нулевых моментов на величину не менее 0,2РномСд. Однако сделать это для данной характеристики невозможно, поскольку, согласно (1), при IA = 0 и М = 0. Поэтому одним из вариантов усовершенствования функции «ресинхронизации» является применение в цифровом реле СД ИОр направления прямой (потребляемой), а не обратной, активной мощности СД с повышенной зоной нечувствительности, равной Рмин = 0,2РномСД (рис. 6).

Для этого необходимо на реле направления мощности поменять полярность напряжения, т. е. подать Ц, = Ц\С, но это должно быть выполнено программным путем. Цель - при малых значениях активной мощности или при ее колебаниях ИОР будет устойчиво (непрерывно) находиться в зоне несрабатывания (возврата). При этом сигнал с выхода ИОР будет соответствовать логическому 0. Для того, чтобы алгоритм ПО АВР в дальнейшем не нарушился, целесообразно этот сигнал инвертировать, т. е. преобразовать в логическую 1 с помощью дополнительно включенного элемента НЕ. В этом случае логическая 1, разрешающая срабатывания ПО АВР, будет подаваться при снижении активной мощности от +РШ;П до —Р, т. е. при выбеге СД.

Рис. 6. Характеристика срабатывания предлагаемого ИОР

В режиме дефицита активной мощности в энергосистеме ИОР будет находиться в сработанном состоянии, поскольку СД потребляет активную мощность, значитель-

но превышающую РШш. В этом случае с выхода элемента НЕ поступит логический 0, который заблокирует работу ПО АВР.

Предлагаемая схема формирования знака активной (потребляемой) мощности в реле СД приведена на рис. 7. Для исключения ложного срабатывания ИОР при отключении выключателя синхронного двигателя в схему, кроме того, введен логический элемент И, на один из входов которого подается сигнал, соответствующий положению выключателя СД. Информация о включенном или отключенном положении выключателя имеется в существующем цифровом реле СД.

ИО р

Рис. 7. Предлагаемая схема формирования выходного сигнала ИОР в реле СД

Коротко сформулируем предлагаемый алгоритм действия функции ресинхронизации СД и АВР: если выключатель синхронного двигателя включен и активной мощности он практически не потребляет, а частота напряжения при этом снижается, то это свидетельствует о том, что двигатель потерял питание и необходимо быстро погасить его поле и переключить на резервный источник питания.

В качестве второго варианта усовершенствования функции «ресинхронизации» можно предложить применение измерительного органа направления полной мощности ИО^, который необходимо включить на ток /р = IA и напряжение Ц = UCB при фмч = -45°. Угловая характеристика такого ИО^ приведена на рис. 8.

Данный ИО^ сработает в том случае, когда вектор тока IA повернется на угол меньше -45°, т. е. условие срабатывания реле следующее:

-225° < ф < -45°.

Проведенные эксперименты при выбеге СД показали, что угол ф изменялся в

первом опыте в пределах от -130° до -85°, во втором опыте - от -50° до -85°, т. е. в обоих случаях вектор тока находился в зоне срабатывания реле.

Оба эти предложения предполагают изменение программного обеспечения измерительного органа ИО-Р в цифровых реле СД, которое для пользователя недоступно (доступно только для фирмы производителя), кроме случая, если для изменения знака активной мощности в меню реле СД имеется status параметра ввод или отходящий фидер, по аналогии с функцией F541 - величина и направление реактивной мощности, применяющейся в защите СД от асинхронного режима (код 32Q).

Рис. 8. Угловая характеристика срабатывания реле направления полной мощности СД: реле фазы А включается на ток фазы 1а и напряжение Цв реле фазы С включается на ток фазы 1С и напряжение UBA; угол максимальной чувствительности фмч = -45°

Заключение

Сформулированные в работе предложения могут быть практически реализованы только специалистами представительства фирмы «Шнейдер Электрик» в г. Киеве (Украина), которые обслуживают реле Sepam 2000 в РУП «Гомельтранснефть Дружба». Необходимо изменение алгоритма действия измерительного органа реверса активной мощности ИО-Р реле Sepam 2000 М08 с последующими испытаниями в присутствии авторов устройства АВР при комплексной нагрузке на секции шин (СД и АД).

Литература

1. Информационные материалы по цифровым реле серии Sepam 2000 : справ. продукции фирмы «Schneider Electric», 2003. - 347 с.

2. Курганов, В. В. Выбор защитных характеристик и расчет уставок цифровых реле / В. В. Курганов. - Гомель : ГГТУ им. П. О. Сухого, 2005. - 103 с.

3. Слодарж, М. И. Режимы работы, релейная защита и автоматика синхронных электродвигателей / М. И. Слодарж. - Москва : Энергия, 1977. - 215 с.

Получено 23.10.2008 г.