автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Неполнофазные режимы работы и защита асинхронных двигателей собственных нужд электростанций

ДОНЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГБ ОД

Талеб Ахмед Асдо

.. ' " " 1 -(Сирия) !. о '

УДК 621.311

НЕИОЛНОФАЗНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ И ЗАЩИТА АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СОБСТВЕННЫХ НУЖД ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Специальность 05.14.02.- Электрические станции, сети и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Донецк - 2000

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Донецком государственном техническом университете, Министерство образования и науки Украины.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Сивокобыленко Виталий Федорович, Донецкий государственный технический университет заведующий кафедрой электрических станций, Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Жуков Станислав Федорович, Приазовский государственный технический университет, заведующий кафедрой автоматизации электроэнергических систем, электропривода и электротехники,

Кандидат технических наук Шинкаренко Глеб Васильевич, Национальная энергетическая компания Украины, начальник цеха исследовательских конструкций и систем диагностики Донбасской электрической системы

Ведущая организация - Харьковский государственный

политехнический университет, кафедра электрических станций, Министерство образования и науки Украины, г. Харьков

Защита состоится " 02 " ноября " 2000 г. в 13 часов на заседании специализированного ученого совета К11.052.02 в Донецком государственном техническом университете по адресу: 83000, г. Донецк, ул. Артема, 58, 1 учебный корпус, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДонГТУ (83000, г. Донецк, ул. Артема, 58, 2 учебный корпус).

Автореферат разослан" " 09 " 2000г.

Ученый секретарь

специализированного ученого совета К11.052.02, к.т.н., доц.

Ларин А.М

бЗкЛй. -ПМп Г) +

Г>

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В системах электроснабжения собственных нужд (с.н.) электрических станций и промышленных предприятий широко применяются асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором единичной мощностью 200 - 8000 кВт на напряжения 6 - 10 кВ и до 200 кВт на напряжения 380 - 500 В. В таких системах электроснабжения часто возникают режимы работы, когда имеет место несимметрия фазных и линейных напряжений. При этом наибольшую опасность для АД представляют напряжения и токи обратной последовательности, так как они вызывают дополнительный нагрев обмотки статора и ротора АД, что может привести к выходу последних из строя. Наибольшую опасность для АД представляют неполнофазные режимы при полностью оборванной одной из фаз питающего напряжения. Длительная работа АД в этом режиме не допускается из-за дополнительного нагрева обмотки статора и ротора и возможного повреждения АД.

Для рассматриваемых систем электроснабжения в ПУЭ не предусматривается защита от нелолнофазных режимов АД, хотя опыт эксплуатации указывает на её крайнюю необходимость. Кроме того, отсутствие защита от этих режимов на пуско-резервных трансформаторах может привести к затяжному самозапуску двигателей в случае автоматического переключения питания на трансформатор с неполнофазным питанием. Возникают также затруднения с выборам уставок по времени защит АД от неполнофазного режима (НПР). Положительный опыт эксплуатации защиты АД от НПР, основанной на использовании токов обратной последовательности, имеется (Гимоян Г.С. и др.), однако такая аппаратура серийно не выпускается.

Известные расчетные методы анализа неполнофазных режимов (Чернин А.Б., Авербух A.M., Лосев С.Б., Адонц Г.Т., Лугинский Я.Н., Сыромятников И.А., и др.) основаны на ряде допущений и не позволяют с достаточной точностью определить потери и нагрев обмоток статора и ротора, особенно для глубокопазных АД, параметры которых из-за вытеснения тока в роторе зависят от частоты тока в роторе и уровня напряжения. Таким образом для систем электроснабжения с глубокопазными АД совершенствование методов расчета и устройств релейной защиты (РЗ) от неполнофазных режимов является актуальным. Особую актуальность эти вопросы представляют для Сирийской Арабской Республики (САР), в которой находятся в эксплуатации блоки 200 и 300 МВт и довольно часто возникают несимметричные и неполнофазные режимы в системах рабочего и, особенно, резервного питания собственных нужд. В ряде других стран США, Франция, Япония и др. защита от НПР высоковольтных АД выполняется, как правило, в составе комплексных микропроцессорных устройств.

Связь работы с научными программами, планами. Работа соответствует тематика научно-исследовательских работ кафедры электрических

станций ДонГТУ. Автор принимал участие в выполнении госбюджетной темы Н-7-9 «Разработка математической модель электрической станций для анализа токов короткого замыкания».

Цель и задачи исследования. Цель работы - Повышение надежности работы систем электроснабжения с.н. электрических станций при возникновении неполнофазных режимов за счет совершенствования методов анализа и устройств защиты от этих режимов глубокопазных АД и питающих трансформаторов.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Разработка метода определения параметров схем замещения АД собственых нужд электрических станций для анализа неполнофазных режимов по исходным каталожным или экспериментальным данным.

2. Разработка метода расчета потерь и температуры нагрева обмоток АД в несимметричных и неполнофазных режимах с учетом эффекта вытеснения тока в роторе

3. Разработка математической модели для анализа поведения группы АД при неполнофазном режиме.

4. Анализ режимов пуска и группового самозапуска АД при неполнофазных режимах в питающей сети.

5. Разработка устройств РЗ от обрыва фазы в питающей сети для АД и для питающих двигательную нагрузку трансформаторов.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории режимов работы электрических систем и электростанций, теории переходных и стационарных режимов работы машин переменного тока, на основах теории РЗ элементов электроэнергетических систем, численных методах анализа и вычислительной техники в системах электроснабжения. Экспериментальные исследования выполнены, с применением апробированных методов обработки данных.

Научная новнзна полученных результатов:

1. Установлена взаимосвязь между каталожными данными и параметрами схемы замещения глубокопазного АД для анализа неполнофазных режимов в электрических системах, при этом параметры находят из условия наилучшего совпадения исходных и расчетных пусковых характеристик двигателя, найденных с учетом потерь в стали и эффекта вытеснения тока в роторе.

2. Разработана математическая модель многомашинной системы электроснабжения с.н. электростанций, отличающаяся использованием в ней схем замещения АД, синтезированных по частотным характеристикам входных проводимостей, и позволяющая выполнять анализ поведения двигателей в неполнофазных режимах на основе расчетных значений напряжений и токов прямой, обратной и нулевой последовательностей в любой точке сети и в питающих трансформаторах, а также токов и потерь мощности в АД.

. 3. Установлены зависимости допустимой длительности работы

асинхронных электродвигателей в несимметричных режимах в функции токов и напряжений обратной последовательностей, коэффициентов загрузки и параметров питающей сети.

4. Предложен новый принцип действия релейной защитой (РЗ) асинхронных двигателей с.н. 6кВ от неполнофазных режимов, основанный на контроле суммы и разности фазных токов АД, отличающийся более высокой чувствительностью и требующий контроля токов только в двух фазах.

5. Предложен принцип выявления неполнофазного режима пуско-резервного трансформатора, основанный на контроле тока и напряжения в цепи заземления нейтрали обмотки высокого напряжения и позволяющий снизить токи обратной последователности в асинхронных двигателях собственных нужд при обрыве фазы в питающей сети за счет автоматического включения короткозамыкателя в цепи нейтрали трансформатора.

Практическое значение полученных результатов.

1. Математическая модель позволяет выполнить анализ неполнофазных режимов с.н. тепловых электростанций (ТЭС) с блоками единичной мощностью 200 - 300 МВт и определить допустимую длительность работы АД в неполнофазных режимах по условиям нагрева, а также рассчитать уставки устройств РЗ и автоматики.

2. Результаты анализа для с.н. блоков 200 и 300 МВт., представляют интерес для научных работников и инженерно-технического персонала проектных организаций и электростанций Сирийской Арабской Республики и других государств, занимающихся вопросами проектирования и эксплуатации электростанций с блочными агрегатами указанной выше мощности.

3. Приведены в работе схемы устройств РЗ от неполнофазного режима могут быть применены на электростанциях и на промышленных предприятиях для повышения надежности работы систем электроснабжения с АД.

Математическая модель для анхтиза неполнофазных режимов используется в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных проектов студентами специальности Электрические станции. Документация по схеме и устройствам РЗ и автоматики переданы на электрические станции системы "Донбассэнерго" для внедрения.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались на пятой международной научно-технической конференции "Контроль и управления в складних системах" (Украина, г. Винница, 3-5 февраля 1999г.), XXI сессии семинара "Кибернетика электрических систем" по тематике "Электроснабжение промышленных предприятий" (Россия, г. Новочеркасск, 5-8 октября 1999г.) и международной научно-технической конференции "Управление режимами работы объектов электрических систем -2000" (Украина, г. Донецк 5 - 7 сентября 2000г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях аспирантов электротехнического факультета ДонГТУ, 1997- 1999г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 4 в ведущих научных изданиях Украины.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка использованных источников из 118 наименований, в том числе 68 рисунков и 30 таблиц и приложения на 46 страницах. Основное содержание диссертации изложено на 135 стр.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований и разработок. Приведена общая характеристики работы.

В первом разделе (Состояние вопроса и задачи исследования) выполнен краткий обзор и отмечены особенности систем электроснабжении с.н. электростанций. Основными потребителями в системе с.н. являются трехфазные АД с короткозамкнутым ротором. С целью улучшение пусковых характеристик стержни ротора АД выполняются прямоугольной, трапецеидальной или бутылочной формы. Активное и индуктивное сопротивление ротора таких АД в значительной мере зависит от скольжения. В работе показано, что неучет этого явления при неполнофазных режимах в существующих работах приводит к значительным погрешностям при оценке потерь в роторе и определении допустимой длительности этих режимов. Обрывы фаз могут происходить как в цепи питания отдельного двигателя, так и группы двигателей.

Приведен обзор устройств защиты от неполнофазного режима применяемых в настоящее время. В основном они базируются на использовании фильтров токов и напряжений обратной последовательности. Существующие устройства защиты от неполнофазных режимов для группы двигателей не обладают достаточной чувствительностью и требуют совершенствования. Возникает также необходимость совершенствования методов анализа неполнофазных режимов двигательной нагрузки, с целью обеспечения лучшей сходимости результатов расчетов с данными натурных экспериментов. На электрических станциях имеет место проблема с выявлением неполнофазного режима резервного трансформатора находящегося в режиме холостого хода (х.х.) Подключение к этому трансформатору двигательной нагрузки при работе АВР приводит к неуспешному ее самозапуску и возможному повреждению. В заключение раздела сформулированы задачи исследований

Второй раздел (Разработка математической модели и анализ неполнофазных режимов работы двигателей собственных нужд) посвящен определению параметров схем замещений АД, разработке алгоритма расчета неполнофазного режима и метода анализа потерь АД при обрыве фаз. Методам определения параметров схем замещения по исходным каталожным данным посвящено большое количество работ, однако в них, как правило, не учитываются эффект вытеснения тока в роторе и потери в стали. С этой целю

определим такие параметры схемы замещения АД, чтобы рассчитанные по ним номинальный ток статора 1н (при вн ), пусковой ток статора 1р (при 5=1), а также моменты Мн (при ви ), Мр (при 5=1) и Мшах (при Якр) и коэффициент полезного действия КПД (при Ян) совпали с исходными каталожными данными. Так как схема замещения двигателя механические потери Д Рмех не отражает, то заданное значение КПД в расчетах увеличим на величину механических потерь, которые с некоторым приближением можно принять равными в зависимости от мощности двигателя и типа механизма в пределах от 0,05 до 0,25 от общих потерь. Искомые параметры эквивалентной двухклеточной

схемы замещения АД для верхней клетки ротора Zrв (11гв, Хгв), для нижней /гн (Ягн, Хгн) и ветви намагничивания Ът (Ят, Хш) будем находить из решения следующей системы нелинейных уравнений (1) с ограничениями (2):

1н ди.гв.ггв.ггн.гш.Бн^о, мн - м^и^.ггв.ггн.гт^н^-о, 1р - Г\и,гз,ггв,ггн,2т,1у = 0,

мр - м(и,28,ггв,ггн,гт(1)=о, (1)

Мт - Мшах(и,г5,ггв,ггн,2т,5кр/) = 0,

,Ъъ,Ъгъ,Ъг\1,Ът, вн) +■ ДРмех Т1Н - 1 = 0, ДРмех = (0.05 т 0.25) VI - Т1Н),

(~\ _ - (—'\ . . (—'\ - (2)

где сопротивление, ток статора и момент АД находим как:

---------г \2 ■ /— —\ :

1Ъ> = 5н, Х$=1/2'1р, 1=и/гс1, М = V11!;' {Ке - г5у !-(со5Фн-лн)' .

|" -1 , -1 Г*

т ]"Х8 г I + ]-Хгв| + (Япи-^т)"1 |

Для решения системы уравнений (1) с ограничениями (2) разработаны алгоритм и программа расчета на МаИкас!.

Для двигателей с.н. блоков 200 и 300 МВт по каталожным данным, изложенным методом найдены параметры схем замещения. Получено

практически полное совпадение токов и моментов, рассчитанных по схеме замещения с каталожными исходными данными.

Для принципиальной схемы питания двигателей с.н. от резервного источника питания (рис. 1) схему замещения в режиме обрыва фазы представим в виде показано на рисунке 2.

Как известно, сети 110 кВ и выше работают с глухозаземленными нейтралами силовых трансформаторов. Для ограничения уровней токов при коротком замыкании одной или двух фаз на землю нейтрали некоторых понижающих трансформаторов не заземляют. При этом в ряде энергосистем неоднократно наблюдались случаи чрезмерного нагрева и повреждения асинхронных двигателей 6 - 10 кВ у потребителей или в системах с.н. электростанций при неполнофазных режимах из-за обрыва проводов на линиях электропередачи в питающей сети (рис. 1).

Рисунок 1- Принципиальная схема резервного питания двигателей собственных нужд блока 200 МВт.

В приведенной схеме сопротивления прямой последовательности системы питающей линии, трансформатора и двигателей с.н. включены последовательно с параллельно включенными между собой сопротивлениями обратной и нулевой последовательностей указанных элементов.

При известных сопротивлениях для токов прямой, обратной и нулевой последовательностей для системы (Zcl, Zc2, ZcO), питающей линии ЛЭП ZnO), силового трансформатора (Zt1=Zt2=Zt, ZtO) из приведенной схемы (рис. 2) можно определить токи прямой, обратной и нулевой последовательностей в каждом из двигателей, обмотках трансформатора и линии электропередачи.

Расчет ведется методом итераций. Для принятых начальных

АД 1 ' АД п

АД 1 1 АДп

приближений 11ш1, Цш2 вычисляем вращающий момент прямот л обратной последовательностей М1 и М2 для каждого АД, Из условия равенства их разности моменту сопротивления находим скольжения, сопротивления, токи каждого из АД, секции, трансформатора. Уточняем напряжения иш1, иш2 и т. д. до получения заданной точности.

Потери в статоре А Ре, роторе ДРг, и в стали ДРш каждого АД в неполнофазных режимах находим, вычислив падения напряжения на роторе Чг1, иг2, с использованием входных сопротивлений АД Zdl, Zd2 для токов прямой и обратной последовательностей

Рисунок 2 - Схема замещения для расчета неполнофазного режима в системе с.н. электростанции при питании от пуско-резервного трансформатора.

Рассмотренная методика позволяет определить потери в АД при наличии несимметрии в питающей сети и предусмотреть соответствующие устройства для защиты от этих режимов.

Расчеты проведенные для схемы электроснабжения (рис.1) применительно к блоку 200 МВт с резервным трансформатором с.н. ТРДН - 32000/110 мощностью 32 MBA , Uk=10%, питающей линии 110 кВ протяженностью 20 км, показали что в трансформаторе токи прямой и обратной последовательностей составляют: II = 48,74 А, 12 = 10,42 А а напряжения прямой и обратной последовательности U1 = 0,963 o.e., U2 = 0,027 o.e., для случи когда нейтраль трансформатора заземлена и II = 43,29 А, 12 = 43,29 А, U1 = 0,855 o.e., U2 = 0,114 o.e., когда нейтраль трансформатора разземлена (табл. 1).

Для каждого из АД получены потери в статоре, роторе, стали, суммарные потери, ток и напряжения прямой и обратной последовательностей и скольжения до обрыва одной фазы питающего трансформатора, и после обрыва для двух случаев: когда нейтраль трансформатора заземлена и разземлена. Результаты показаны в табл. 2.

Как видно из табл. 2, потери в отдельных двигателях возрастают в 2 - 3 раза, скольжение в 2 - 3 раза, напряжение прямой последовательности снижается, а обратной последовательности возрастает. Полученные данные позволяют выбрать, уставки устройств РЗ, принцип действия которых основан на использовании симметричных составляющих токов и напряжении. При заземленной нейтрали резервного трансформатора и при обрыве фазы АД испытывают меньшую перегрузку чем при разземленной.

В третьем разделе (Динамические характеристики пуска и самозапуска асинхронных двигателей при несимметричном питающем напряжении) Анализ режимов пуска и самозапуска АД при обрыве фазы в цепи трансформатора или отдельных двигателей производился с использованием математической модели, основанной на полных дифференциальных уравнениях АД, записанных для токов и напряжении прямой и обратной последовательностей, а также с использованием дифференциальных уравнениях для количества тепла, выделяющегося в статоре и роторе:

--— Rsl - Rsl -

P^sUUl---Ysl +--Ч»ц1,

L5sl L6sl

p YrBl^l^l-yrBl + RrBl - <в-¥гв1,

Р Ч*гн1--Yml + - ш Ynd,

L6rHl LSrnl

МАД1 = —(imi^sly-Re^nl) - Re[4sl)Лт[ч!ул)),

LSsl

— — ивг — 1^2 — р ч» 52=112----ч^г + —-4^2,

РЧ'гв2=^^-Ч'гв2 + ^-^•Ч'иг - ш-Ч'и2, I г

8гв2 8гп2

р Ч'гн2=^^-хРгн2 - 2 - со •Ч'гнг,

т т

8гп2 8ш2

1 ' '-I-^ (-N (--^ Г1\

МАД2 =--1я2/■ Ие\Ч'ц2/ - Ке1Ч'82/-1ш\Ч'ц2//, ^

Ч52

р о = --(МАД1 г МАД2 - тс(со)),

хРц1 = а5]-Ч/81 + агв,^гв1 + а^-Тгн!

- агв2.^2 - агк2-^2 Р = ДР5несии - ДР5Н0М = (¡Ы * ы2 + 1*52 *й2)-1*5 *ьном2 Р Огв = ДРгвнесим - ДГгввом = (кгв1 * + Кгв2 * 1*гв * 1гв«ом2

PQпl = ДPrll"ecн,, -АРгнН0М =(нгн1*17^12 + Кп|2*^2)-Кгн*1гнном2

Обрыв фаз может произойти как до режима пуска и самозапуска АД, так и в процессе этих режимов.

Результаты моделирования показали, что уже при коэффициенте загрузки АД более 0.3, режим пуска и самозапуска АД как правило не успешен. В двигателе при таком пуске возникает динамический момент изменяющийся от - 1,1 Мн до 1,2 Мн при его среднем значении близком к нулю, скорость вращения практически не возрастает, ток статора составляет 51п.

Сделаны выводы о неуспешности режимов пуска и самозапуска загруженных асинхронных двигателей при обрыве фазы в питающей сети.

Температура нагрева обмоток в несимметричных режимах определяется с помощью дифференциальных уравнений путем нахождения количества тепла, выделяющегося в обмотках статора и ротора. Предельно допустимые температура и количество тепла в обмотках принимаются по результатам моделирования двух пусков подряд из холодного состояния двигателя от номинального симметричного напряжения.

Моделируя различную степень несимметрии и зная допустимую температуру, находим выдержки времени защит от неполнофазных режимов. (Так, например, для двигателя типа ВВД 213/54-16 мощностью 1700 кВт Тдоп = 220 °С, 1доп = 20 сек.)

По изложенной методике составлена компьютерная программа,

позволяющая для любого типа двигателя по его каталожным данным определить допустимую выдержку времени любого типа предложенных защит от неполнофазных режимов, реагирующих на исчезновение тока в фазе или на появление тока или напряжения обратной последовательности.

Получены значения допустимого времени подачи напряжения на двигатель из условия достижения предельной температуры нагрева статора и ротора. Это время используется для уточнения уставок защиты.

В четвертом разделе (Разработка устройств защиты от обрыва фазы в системе собственных нужд ЭС.) показано, что существующие устройства релейной защиты двигателей максимально-токовая защита от перегруза и от токов короткого замыкания, выполненные в соответствии с руководящими указаниями, как правило, не обладают необходимой чувствительностью и не защищают двигатели от неполнофазных режимов. Выход из строя двигателя большой единичной мощности (свыше 1000 кВт) приводит к остановке блока и значительному экономическому ущербу.

В данном разделе приводятся результаты разработки защиты АД 6 кВ и питающих трансформаторов с.н. электростанций от обрыва фазы в питающей сети или в цепи двигателя. В разработанных схемах защиты используется серийно выпускаемая аппаратура, что облегчает внедрение разработок.

Как правило, в цепи статора АД установлены трансформаторы тока только в двух фазах, при этом один из сердечников используется для измерений, а другой для защиты, включенной на разность токов двух фаз. В этом случае предложено выполнять защиту от обрыва фазы по схеме рис. 3, в которой предложено использовать существующую схему токовых цепей защиты от перегрузки и максимально-токовой отсечки (реле КАО) АД, с включением трансформаторов тока на разность токов фаз А и С. Защита от обрыва фаз здесь выполняется с помощью трех токовых реле, два из которых КАА и КАС имеют по одной токовой обмотке и включены на фазные токи А и С, а третье КАВ состоит из двух токовых катушек, одна из которых включена на ток фазы А, с прямой полярностью, а другая на ток фазы С, с обратной полярностью. Благодаря этому результирующие ампервитки этого реле пропорциональны разности токов фаз А и С в нормальном режиме и сумме двух токов при обрыве фазы В. Возможно также применение для этой цели серийного реле типа РНТ-565.

Рассмотренные защиты позволяют осуществить защиту асинхронного двигателя только в случае обрыва фазы в цепи статора двигателя. Если же обрыв происходит на питающей ЛЭП, то защиты двигателей могут не работать т.к. полного исчезновения тока хотя бы в одной из фаз АД не происходит из-за схемы соединения в треугольник обмоток питающего трансформатора. Расчетно-эксперименталные исследования неполнофазных режимов работы двигателей собственных нужд ТЭС с блоками мощностью 200 и 300 МВт показали, что при обрыве одной из фаз ЛЭП 110 кВ, питающей пуско-резервный

КАВ

Рисунок 3 - Схема цепей переменного (а) и постоянного тока (б) защиты АД от обрыва фазы на стороне 6 кВ.

трансформатор, токи фаз статора двигателей составляют от 60 до 180 % номинального, а токи обратной последовательности 12 - 15 % номинального (табл. 2, 3).

Наиболее часто неполнофазные режимы (НПР) возникают при обрыве провода на ЛЭП питающей пускорезервный трансформатор. Последний может находиться в режиме х.х. или нагрузки. Переключение питания двигателей от АВР на ПРТ в первом случае может привести к не успешному самозапуску двигателей и их повреждении.

Разработано устройство сигнализации неполнофазного режима трансформатора (УСНРТ), основанное на выявлении тока или напряжения в цепи нейтрали обмотки ВН трансформатора. В цепи нейтрали обмотки ВН предложено установить короткозамыкатель с автоматическим его включением при обрыве фазы на ЛЭП (рис. 4), благодаря чему резко снижается несимметрия токов в двигателях.

Для защиты от НПР трансформатора работающего под нагрузкой предложен более эффективный вариант защиты, основанный только на контроле фазных токов в трансформаторе на стороне ВН (рис. 4 реле КАА, КАВ, КАС). Эти реле имеют уставку срабатывания порядка 0,075 - 0,1 1н трансформатора и

Токи в цепи трансформатора ТРДН-32000/110 и напряжение на сборных шинах 6 - 110 кВ Таблица 1 при обрыве фазы в питающей сети. (В числителе - результаты работы, в знаменателе - зксперимептные значения)._

Режим Нейтрали 110 кВ обмотки трансформатора Последовательность

Прямая Обратная Нулевая

Ток, А Напр-е, o.e. Ток, А Напр-е, o.e. Ток, А Напр-е, o.e.

Заземлена 6 кВ 889,69/861,59 0.963 / 0.96 190,18/ 178,89 0,027 / 0,025 699,51 /682,7 0,027 / 0,025

110 кВ 48,74 / 47,2 10,42/9,8 38,32 / 37,4

Разземлена 6 кВ 790,21 /815 0.855/0,86 790,21 /815 0,114/0,108 - -

ПОкВ 43,29/44,65 43,29/44,65

Токи в двигателях с.н. Блока 300 МВт в нормальном режиме и при обрыве фазы в питающей сети_Таблица 3

Нейтраль Двигатель Номинальная Мощность (кВт) Токи статора двигателей, (о.е.)

Доаварий ный режим При обрыве фазы в цепи питающей Сети

Фаза А фаза В фаза С Прямой Пос-ти Обратной пос-ти

Разземлена Бустерпый насос 500 0.926 1.053 1.974 0.972 1.119 0.855

Дымосос 1700 0.935 0.91 1.798 0.991 1.077 0.722

Конденсатный насос 500 0.972 0.827 2.087 1.333 1.209 0.900

Питательный электронасос 8000 0.555 0.809 1.485 0.723 0.633 0.825

Дымосос рециркуляции газов 630 0.931 1.072 2.045 0.987 1.092 0.954

Циркуляционный насос 1000 0.967 0.963 1.977 1.070 1.125 0.853

Дутьевой вснтилятор-2 625 1.029 1.146 2.447 1.325 1.127 1.323

Мельничный вентилятор 1250 0.931 0.994 1.959 1.012 1.104 0.854

Насос смывной высоконапорный 250 0.964 0.999 1.982 1.047 1.137 0.845

Заземлена Бустернын насос 500 0.926 0.887 1.091 0.880 0.947 0.145

Дымосос 1700 0.935 0.879 1.070 0.909 0.948 0.122

Конденсатный насос 500 0.972 0.886 1.140 0.977 0.995 0.152

Питательный электронасос 8000 0.555 0.500 0.707 0.513 0.563 0.144

Дымосос рециркуляции газов 630 0.931 0.875 1.109 0.881 0.947 0.161

Циркуляционный насос 1000 0.967 0.901 1.125 0.937 0.982 0.144

Дутьевой вентилятор-2 625 1.029 0.902 1.256 0.990 1.036 0.224

Мельничный вентилятор 1250 0.931 0.877 1.093 0.893 0.948 0.144

-.г« - -- • ---- - —

Потери в статоре, роторе, стали, суммарные потери, ток и напряжений прямой и обратной Таблица 2

последовательности и скольжения в двигателях с.н. блока 200 МВт. (коэффициенте загрузки - 0.85, Режим 1 - до обрыва одной фазы питающего трансформатора. 2 - после обрыва, нейтраль заземлена. 3 - после обрыва, нейтраль Разземлена).

Ри Режим в ДРв ДРг ДРш ЕДР Ы1 Ш И2 т

(кВт) (о.е.) (%) (%) (%) (%) (о.е.) (о.е.) (о.е.) (о.е.)

3800 1 0,0044 0,460 0,367 0,904 1,731 0,876 1 0 0

2 0,0047 0,511 0,551 0,840 1,902 0,896 0.03 0,22 0.03

3 0,0076 1,620 5,502 0,549 7,671 1,085 0.783 1,233 0.166

1700 1 0,0043 0,496 0,356 2,076 2,928 0,881 1 0 0

2 0,0047 0,535 0,553 1,928 3,017 0,899 0.961 0,174 0.03

3 0,0078 1,357 5,896 1,243 8,496 1,084 0.783 0,975 0.166

1500 1 0,0045 0,543 0,362 3,717 4,622 0,892 1 0 0

2 0,0048 0,577 0,480 3,453 4,511 0,904 0.961 0,167 0.03

3 0,0080 1,345 3,379 2,241 6,965 1,045 0.783 0,937 0.166

800 1 0,0082 0,859 0,678 1,870 3,407 0,861 1 0 0

2 0,0088 0,946 0,840 1,735 3,521 0,888 0.961 0,167 0.03

3 0,0148 2,462 4,526 1,107 8,095 1,118 0.783 0,937 0.166

630 1 0,0082 0,852 0,690 1,368 2,910 0,860 1 0 0

2 0,0089 0,940 0,853 1,269 3,061 0,888 0.961 0,168 0.03

3 0,0149 2,459 4,564 0,809 7,832 1,119 0.783 0,94 0.166

250 1 0,0101 1,077 0,832 2,310 4,219 0,837 1 0 0

2 0,0109 1,276 1,339 2,150 4,765 0,861 0.961 0,296 0.03

3 0,0187 6,130 15,331 1,451 22,912 1,112 0.783 1,658 0.166

240 1 0,0109 1,224 0,898 2,806 4,928 0,862 1 0 0

2 0,0119 1,320 1,069 2,600 4,990 0,884 0.961 0,142 0.03

3 0,0203 2,999 4,581 1,641 9,220 1,09 0.783 0,795 0.166

Реле блокировки потоку УСНРТ при наличии нагрузки на ПРТ

41 Л')И I !()-220кН

О—^

КАМ

КА\у\

КА//

- 7~ к1,]

т/__[]_

КА(/

КУ/ КА /

ш,

_кгу_

'/ кт

г-ОН

КЬ2

-о—

Г^-О—}

КН2_.

Г" ■}

Обрыв фазы на ЛЭГТ

На вкл. <ЗК Включился С>К

ЁЗ

-У

ТАЗ

ад1

прт

уснрт

КА

> к лд

I секция

напряжения обратной последаватель носто для выявления обрыва фазы

к АЛ ПР"

(иешмя нагРУженном ПРТ

Реле

ТУ2

реле тока и напряжения

Для сигнализации неполнофазного режима ПРТ при

холостом ходе

позволяют при исчезновении тока в одной из фаз и наличии в двух других фазах запустить реле времени КТ, подать команду на включение короткозамыкателя QK и получить сигнал об обрыве фазы. Одновременно размыкаемые контакты реле КАА, КАВ, КАС используются для вывода из работы защиты х.х. при появлении нагрузки на трансформаторе.

УСНРТ состоит из:

- трансформатора тока ТА4 (рис. 4), в качестве которого с целью повышения чувствительности используется трансформатор тока нулевой последовательности типа ТНП с реле тока КА на его выходе типа (РТЗ-51 или РТ-40/0,2) и который включен последовательно с короткозамыкателем QK в цепи заземления нейтрали обмотки высшего напряжения ПРТ. Благодаря этому представляется возможность обеспечить срабатывание реле тока КА при обрыве фазы на ЛЭП и протекании тока холостого хода трансформатора в нейтрали, который может составлять 0,6 - 1,2А.

- трансформатора напряжения TV3, в качестве которого используют однофазный трансформатор напряжения типа ТНФ, который подключен параллельно к короткозамыкателю QK с реле максимального напряжения KU на выходе. При заземленной нейтрале ПРТ обрыв фазы на питающей ЛЭП контролируется по току, а при разземленной - по напряжению в нейтрале.

Реле КА, подключенное к выходу ТА4, благодаря высокой чувствительности позволяет обеспечить его надежное срабатывание при токах холостого хода ПРТ. Чтобы исключить появление этого сигнала при нагрузке ПРТ из-за ее возможной несимметрии, введена токовая блокировка, состоящая из трех токовых реле КАА, КАВ, КАС, подключенных к трансформаторам тока ТАЗ, установленных в цепи ПРТ на стороне ВН.

ВЫВОДЫ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи установления закономерностей поведения АД с.н. электростанций при обрыве фаз в питающей сети и разработки защиты от этих режимов, что

позволит повысить надежность эксплуатации электрических станций

1. Разработан способ определения параметров схем замещения глубокопазных АД собственных нужд для анализа неполнофазных режимов, отличающийся учетом потерь в стали и эффекта вытеснения токов в роторе, в котором параметры находятся по каталожным или экспериментальным данным из условия наилучшего совпадения исходных и расчетных характеристик двигателя. Особенностью предложенных схем замещения является правильное отражение сопротивлений ротора токам частоты скольжения, промышленной частоты и удвоенной промышленной. С помощью разработанного способа для АД с.н. блоков 200 и 300 МВт создан каталог параметров схем замещения.

2. Разработан алгоритм и программа расчета на Mathcad PLUS 7.0,

математической модели многомашинной системы электроснабжения с.н. электростанций для расчета неполнофазных режимов и определения напряжений и токов прямой, обратной и нулевой последовательностей в любой точке сети и питающих трансформаторах, а также потерь мощности, отличающаяся использованием в ней схем замещения АД, синтезированных по частотным характеристикам входных проводимостей.

3. Установлены зависимости потерь в меди и стали статора и ротора АД, а также уровни токов и напряжений обратной и нулевой последовательностей в функции коэффициентов загрузки двигателей и параметров питающей сети, позволяющие определять допустимую длительность работы электрооборудования в несимметричных режимах. Показано что при обрыве фаз питающей сети суммарные потери в АД возрастают в 5 - 10 раз, ток и напряжения прямой и обратной последовательностей возрастают в 2 - 3 раза.

4. С помощью математической модели, основанной на полных дифференциальных уравнениях АД, выполнен анализ динамических режимов пуска и самозапуска АД при обрыве фаз в питающей сети. Показано, что в таких режимах во избежание повреждений АД их необходимо отключать защитой, так как ток возрастает в 2 -3 раза, момент в 2 раза, а скорость вращения практически не изменяется. Разработана методика определения допустимого времени работы АД собственных нужд при несимметрии напряжений в питающей сети для нагрузочного режима работы АД, режима пуска и самозапуска.

5. Разработаны устройства РЗ от неполнофазного режима работы, основанные на контроле суммы и разности фазных токов и отличающиеся более высокой чувствительностью как в режиме работы трансформатора с глухозаземленной, так и с разземленной нейтралью. Устройства могут быть подключены к установленным на действующих ТЭС трансформаторам тока и в системе с.н. не требуется дополнительная установка последних.

6. Разработан принцип выявления неполнофазного режима пуско-резервного трансформатора, основанный на контроле тока и напряжения в цепи заземления нейтрали обмотки высшего напряжения и который предложено использовать при возникновении неполнофазных режимов для автоматического включения короткозамыкателя в цепи нейтрали трансформатора для снижения токов обратной последовательности в асинхронных двигателях с. н.

ПУПЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Сивокобыленко В. Ф., Асдо Талеб Ахмед. Поведение асинхронного двигателя при обрыве фазного провода в цепи обмотки статора. Сб. науч. тр. ДонГТУ (Электромеханика и электроэнергетика) — Донецк, ДонГТУ, 1998. — С. 62 - 66.

2. Сивокобыленко В. Ф., Асдо Талеб Ахмед. Расчет потерь в асинхронном двигателе при обрыве фазы в питающей цепи. Сб. науч. тр.

ДонГТУ (Электромеханика и электроэнергетика) — Донецк, ДонГТУ, 1998. — С. 34-39.

3. Сивокобыленко В.Ф., Аедо Талеб Ахмед. Защита электродвигателей собственных нужд электростанций от обрыва фазы в питающей сети. Сб. научных трудов ДонГТУ (Серия: электротехника и энергетика). — Выпуск 4. — Донецк, 1999, —С. 181-185.

4. Сивокобыленко В.Ф., Асдо Талеб Ахмед. Защита пускорезервного трансформатора собственных нужд электростанций от обрыва фазы в питающей сети. Зб1рник наукових праць ДонДТУ (Сер1я: електротехшка 1 енергетика). — Випуск 17.—Донецьк, 2000, —С.134 - 137.

5. Сивокобыленко В.Ф., Асдо Талеб Ахмед. Определение потерь в двигательной нагрузке при неполнофазных режимах в питающей цепи // Пращ п'ято1 м1жнародно1 наук.-техн. конф. «Контроль 1 управлшня в складних системах». — Том 3 .— Вшниця: Ушверсум-Вшниця, 1999р. — С. 231-237.

6. Сивокобыленко В. Ф., Гребченко Н. В., Асдо Талеб Ахмед, Полковниченко Д. В. Диагностика роторных контуров асинхронных двигателей на основе контроля мгновенных значений токов статора. // Труды XXI сессии семинара "Кибернетика электрических систем" (Электроснабжение промышленных предприятий). — Новочеркасск, 1999р.

7. Сивокобыленко В. Ф., Асдо Талеб Ахмед. Определение выдержки времени защиты от неполнофазных режимов асинхронных двигателей и пускорезервных трансформаторов. // Тезиси кпжнародноГ науково-техшчноУ конференцн "Керування режимами роботи об'еюпв електричних систем - 2000" — Донецьк, 2000р.

Личный вклад: в [1] - методика расчета параметров глубокопазного асинхронного двигателя при обрыве фазного провода; в [2] - способ уточнения параметров схем замещения АД, алгоритм и программа расчета потерь в АД в неполнофазных режимах; в [3] - расчетно-экспериментальное исследование способов защиты двигателей с.н. от обрыва фаз в сети; в [4] - схема выявления обрыва фазы на ЛЭП, питающей пуско-резервный трансформатор, находящийся в "ждущем" режиме и способ защиты нагруженного трансформатора в НПР, в [5] - метод, алгоритм и программа расчета потерь мощности в системе электроснабжения с.н. в неполнофазных режимах, в [6] - обработка результатов лабораторных испытаний двигателя, в [7] - обработка вычислительных экспериментов и получение кривых допустимого времени работы АД в НПР.

АННОТАЦИЯ

Талеб Ахмед Асдо. Неполнофазные режимы работы и защита асинхронных двигателей собственных нужд электростанций. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.02-электрические станции, сети и системы. - Донецкий государственный технический университет, Донецк, 2000.

Диссертация посвящена разработке методов анализа неполнофазных режимов в системах электроснабжения собственных нужд (с.н.) электростанций, в которых применяются короткозамкнутые асинхронные двигатели с глубокопазными роторами. Для такого типа двигателей изложен метод синтеза параметров схем замещения, учитывающий вытеснение тока в роторе в неполнофазных режимах. Синтез производится по каталожным или экспериментальным данным методом минимизации. С использованием схем замещения разработана математическая модель и выполнен анализ неполнофазных режимов асинхронных двигателей с.н. при обрыве фазы в питающей сети для блочных агрегатов единичной мощностью 200, 300 МВт. Математическая модель состоит из схем замещения асинхронного двигателя (АД) для схем прямой, обратной и нулевой последовательностей, а также из схем замещения всей сети с учетом питающей линии и трансформатора с.н., работающего в режиме с заземленной или разземленной нейтралью. Расчет неполнофазных режимов при заданных коэффициентах загрузки отдельных АД и напряжении питания производится методом последовательных приближений, на отдельных итерациях которого находятся скольжения, моменты прямой и обратной последовательностей каждого АД, напряжение на сборных шинах. Для каждого АД определяются также потери в статоре, в роторе, в стали и суммарные потери.

Результаты анализа показали, что при коэффициентах загрузки отдельных АД 0,6 - 1 и возникновении неполнофазного режима потери в статоре АД возрастают в 2 - 3 раза, в роторе 5-10 раз, в стали 1 - 2 раза, скольжение увеличивается в 1,5 - 2 раза.

Допустимая длительность работы АД в этих режимах составляет порядка 0,5 - 2 минуты. При разземленной нейтрали трансформатора с.н. двигатели испытывают большую перегрузку, что необходимо учитывать при выборе режима работы нейтрали.

Результаты расчетов позволяют выбрать устройства РЗ, принцип действия которых основан на использовании симметричных составляющих токов и напряжений.

Исследование режимов пуска и самозапуска АД при обрыве фазы в питающей сети производилось с использованием математической модели, основанной на полных дифференциальных уравнениях.

При подаче на неподвижный АД двухфазного напряжения в нем возникает знакопеременный динамический момент, изменяющийся от - 1,1 Мн до 1,2 Мн при его среднем значении 0-0,1 Мн. Пуск АД, как правило, при этом неуспешен и требуется его отключение релейной защитой от сети. Групповой самозапуск АД после кратковременного перерыва питания и подачи двухфазного напряжения имеет затяжной характер и может быть успешен только при малых значениях коэффициентов загрузки АД.

В работе приведен анализ существующих устройств РЗ от неполнофазных режимов, указаны недостатки, предложены устройства РЗ от неполнофазных режимов АД и питающего трансформатора, основанные на использовании фильтров токов и напряжений обратной последовательности, фазных токов АД и трансформатора, тока заземленной нейтрали

трансформатора, а также разности фазных токов АД. Показаны преимущества разработанных защит, имеющих более высокую чувствительность.

Одной из сравнительно простых и достаточно эффективных из предложенных защит является защита с включением ее токовых пусковых органов на сумму и на разность токов двух фаз.

В режиме с глухозаземленной нейтралью трансформатора, защита от неполнофазных режимов АД выполняется путем подключениям токовых реле к трансформатором тока 110 - 330 кВ, установленным на высокой стороне питающего трансформатора.

Наиболее часто неполнофазные режимы (НПР) возникают при обрыве провода на ЛЭП питающей пускорезервный трансформатор. Последний может находиться в режиме холостого хода или нагрузки. Переключение питания двигателей от АВР на ПРТ в первом случае может привести к неуспешному самозапуску двигателей и их повреждению.

Разработано устройство сигнализации неполнофазного режима трансформатора (УСНРТ), основанное на выявлении тока или напряжения в цепи нейтрали обмотки ВН трансформатора. В цепи нейтрали обмотки ВН предложено установить короткозамыкатель с автоматическим его включением при обрыве фазы на ЛЭП (рис. 4), благодаря чему резко снижается несимметрия токов в двигателях.

Приведены результаты расчетов неполнофазного режима и экспериментальных исследований.

Ключевые слова: неполнофазные режимы, асинхронный двигатель, математическая модель, релейная защита, трансформатор, собственных нужд.

АНОТАЦ1Я

Талеб Ахмед Асдо. Неповнофазш режими робота 1 захист асинхронних двигушв власних потреб електростанцш - Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата техшчних наук за спещальшстю 05.14.02 - електричш станцп, мереж1 та системи. Донецький державний техшчний университет, Донецьк, 2000.

Дисертащя присвячена розробщ метод1в анал1зу неповнофазних режмнв у системах електропостачання власних потреб електростанцш, у яких застосовуються короткозамкнуп асинхронш двигуни з глибокопазними роторами. Для цього типу двигушв викладений метод синтезу параметр1в заступних схем враховуючих витиснення струму в ротор1 в неповнофазних режимах. Синтез проводиться на основ1 каталожних або експериментальних даних методом м1шм1зацц. 3 використанням цих заступних схем розроблена математична модель 1 виконано анал1з неповнофазних режим1в в.п. при обрив1 фази в мережу шо живить. Для окремих двигушв анщпз проводиться по диференцшним р1внянням, а для групи двигушв методом послщовного наближення з використанням комплексних заступних схем елеменпв для струм1в прямо!, оберненоУ 1 нульовоТ послщовностей. Показано, що при неповнофазних режимах, при коефщ1ент1 завантаження двигун1в 0,6 - 1 втрати в

статор1 зростають у 2 - 3 рази, у poropi 5-10 paiie, у стшп в 1 - 2 рази, ковзання збшьшуеться в 1,8 - 2 рази. Допустима тривалкть роботи АД при обрив! фази мерена, що живить, складае 0, 5 - 2 хвилини Втрати в АД зростають ще бшьше при розземленшй нейтрал! резервного трансформатора.

Приведено анальз ¡снуючих пристро\'в РЗ вщ неповнофазних режим1в, зазначеш недолжи. Запропоновано пристрш РЗ вщ неповнофазних режим1а АД i трансформатора, що живить, заснований на використанш фшьтр1в стру.чпв i напруги обернено! послщовносп, фазних crpyMia АД i трансформатора, струму заземлено!' нейтрал! трансформатора, а також суми та pi3imui фазних струм!в в АД. Показано переваги розроблених пристроУв захисту, що мають б!льш високу чутливкть.

Ключов! слова: неповнофазн! режими, асинхронний двигун, математична модель, релейний захист, трансформатор, власш потреби.

ABSTRACT

Asdo Taleb Ahmed. Open-phase modes of operations of asynchronous motors of power station auxiliaries.- Manuscript.

The dissertation is presented for the PHD degree in the speciality 05.14.02 "Electrical stations, networks and systems." Donetsk State Technical University, Donetsk, 2000.

The dissertation is devoted to development the method of the Open-phase condition in the electrosupply auxiliaries systems of the Power station, where squirree-coge asynchronous motors (AM) with deep bar rotors applied. For such engines type of the method of synthesis of equivalent circuits parameters with taking into account replacement of a current in a rotor in the rotors at the open-phase modes is stated. The synthesis is made on catalogue or experimental data by the of minimizonion method. With use of these equivalent circuits the mathematical model is developed and the analysis of the Open-phase modes in power station auxiliaries at phase open-circuit in a leeding network is executed. The analysis for single engines is made according to differential equations, and for group of engines by the method of successive approximations with using the complex equivalent circuits of elements for positive,negative and zero current-sequences. It is shown, that at the open-phase modes, at the loading factor of AM is 0,6 - 1 the losses in the stator grow in 2 - 3 times, in the rotor in 5 - 7 times, in steel in 1 - 2 times, the sliding increases in 2 times. The allowable duration of work at phase open-circuit in teeding network come to 0, 5 -2 minute The losses in the AM grow at ungrounting the neutral of the reserve transformer.

The analysis of existing relay protection devices from the open-phase modes is given, the disadvantases are pointed out. The relay protection device. From the open-phase modes of AM and teeding transformer based on using the filters of currents and voltage of a negative sequence, phase currents of AM and transformer, current of the transformer grounded neutral, and also difference of phase currents of AM is offered. The advantages of the developed protection having higher sensitivity are shown.

Keywords: Open-phase modes, asynchronous motors, the mathematical model, relay protection, transformer, auxilaries systems.