автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Совершенствование защит блоков генератор - трансформатор и электродвигателей

РГ6 ОД

2 3 КОЯ Г'

На правах рукописи

УДК 621.316.925 БУЛЫЧЕВ Александр Витальевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗАЩИТ БЛОКОВ ГЕНЕРАТОР-ТРАНСФОРМАТОР И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.14.02 - электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург-1998

Работа выполнена на кафедре "Электрические станции и автоматизация энергетических систем" Санкт-Петербургского государственного технического университета и в Вологодском политехническом институте

Научный консультант - доктор технических наук,

профессор В.К.Ванин

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор В.И.Новаш;

- доктор технических наук, профессор С.В.Смоловик;

- доктор технических наук, профессор Е.М.Улъяницкий.

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт Электромашиностроения

Защита состоится " /$" декабря 1998 г. в 10 часов в ауд. 325 главного здания на заседании диссертационного совета Д 063.38.01 Санкт-Петербургского государственного технического университета (195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29).

Отзывы на автореферат просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан "Л> " ноября 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение интенсивности возникновения аварийных ситуаций в энергосистемах, в условиях, когда надежность электроснабжения во многом определяет уязвимость жизнеобеспечения общества, приводит к угрожающему росту опасности их развития в глобальные аварии с катастрофическими последствиями. Ежегодно в отечественных энергосистемах происходит более трехсот отключений базовых источников электроэнергии - турбогенераторов, и выходит из строя от 10% до 25% общего парка наиболее массовых приемников электроэнергии - электродвигателей. Практически, каждый день энергосистемы теряют по одному генератору и несколько тысяч электродвигателей. Это не только огромные материальные убытки, но и высокий риск потери управления процессами.

Подавляющее большинство аварий связано с нарушениями изоляции. Повреждения в цепях статора, как правило, начинаются или сопровождаются однофазными замыканиями на землю и наиболее часто инициируются перегревом обмоток, являющимся следствием перегрузок электрических машин. Обычно электрическому пробою предшествует достаточно длительный процесс старения изоляции и только в завершающей стадии пробой развивается сравнительно быстро. Поэтому непрерывный контроль состояния изоляции и теплового режима электрических машин, практически, исключает возможность внезапного повреждения изоляции из-за ее износа и обеспечивает возможность предотвращения развития более тяжелых аварий. Для этих целей необходимы пересмотр требований к системам защиты, разработка новых методов защиты и аппаратных средств на базе современной микроэлектроники, а также существенное расширение их функциональных возможностей в части предупредительного действия.

В этих условиях совершенствование защит базовых источников и наиболее массовых приемников электроэнергии энергосистем играет важную роль в достижении требуемой надежности электроснабжения и представляет собой крупную и актуальную научно-техническую проблему.

Исследования по теме диссертации выполнялись в соответствии с целевыми научно-техническими программами "Энергосистема" (п. 03.03.06), "Электрооборудование", "Энергия", научно-техническими программами "Повышение надежности, экономичности и экологичности энергетической системы России", "Конверсия", "Финт-РВО".

Цель работы заключается в разработке и реализации новых высокоэффективных средств релейной защиты основного электрооборудования электрических станций и систем электроснабжения, обладающих свойствами предупредительного действия, предназначенных для использования в составе автоматизированных систем управления (АСУ) технологическими процессами.

Основные научные результаты и их новиша состоят в следующем:

1. Осуществлена разработка новых микроэлектронных систем защиты блоков генератор-трансформатор и электродвигателей, обладающих новыми свойствами предупредительного действия, повышшощими эффективность защит в части предогвращения возможных внезапных аварий. Во вновь разработанных системах, предназначенных для работы в составе АСУ, реализована предложенная новая концепция построения защит, предусматривающая защиту электрической сети не только традиционным путем быстрого отключения поврежденного элемента, но и за счет предотвращения аварийных ситуаций путем предупреждения о их приближении и принятия ответных мер.

2. Созданы научно-методические основы построения защит от однофазных замыканий на землю в сети генераторного напряжения блока генератор-трансформаюр на основе методов непрерывного контроля сопротивления изоляции сети с улучшенными показателями по точности и избирательности. Своеобразие методов заключается в способности контролировать сопротивление изоляции в широком диапазоне его изменения в нормальных условиях работы сети и определять характер и место возникновения повреждения изоляции в аварийных ситуациях.

3. Предложены, исследованы и реализованы в защитах новые методы непрерывного контроля сопротивления изоляции сети генераторного напряжения блоков I енератор-трансформатор, обеспечивающие высокую точность контроля в широком диапазоне изменения сопротивления, достигнутую путем использования для кон троля собственных э.д.с. статора генератора.

4. Предложены, разработаны и реализованы методы определения места возникновения повреждения изоляции сети генераторного напряжения блока, обеспечивающие высокую избирательность поиска и ускорение процесса обнаружения дефектов изоляции при выполнении профилактических и ремонтных работ. Разработаны алгоритмы определения места возникновения повреждения, основанные на измерении интегральных параметров и спектральном анализе гоков утечки в цепях, формируемых с помощью специальных коммутаторов, соединяющих контролируемую сеть с землей. Впервые достигнута возможность определения поврежденной обмотки и удаленности места возникновения повреждения от ее выводов при работающем оборудовании.

5 Предложен новый принцип построения и разработана высокоэффективная защита от перегрузки асинхронных электродвигателей с использованием методов непрерывного контроля тепловых и механических параметров машин, что позволило улучшить предупредительные свойства защит и более полно использовать нагрузочные возможности защищаемых машин. Обоснована возможность выявления механических дефектов во вращающихся узлах асинхронных электродвигателей и в механической нагрузке в предаварнйных ситуациях путем спектральног о анализа тока статора.

б. Разработана методология сопряжения микроэлектроннмх систем защиты с защищаемыми объектами и АСУ. Предложены улучшенные математические модели электромагнитных первичных преобразователей сигналов, которые положены в основу исследования их погрешностей в стационарных и динамических режимах работы. Сформированы требования к точности преобразования сигналов d тракте, содержащем первичные и входные преобразователи сигналов, которые во многом определяют точность работы систем защиты в целом. Предложен новый активный трансформаторный входной преобразователь ток-напряжение, имеющий улучшенные технико-экономические показатели. Разработана методика синтеза входных преобразователей сигналов.

Практическая ценность н реализация результатов работы:

1. Разработаны, изготовлены и внедрены на электрических станциях Лен-знерго, Вологдаэнерго, Пермьэнерго, Кировэнерто и в системах электроснабжения предприятий Вологодской области новые высокоэффективные устройства релейной защиты основного электрооборудования, обеспечивающие повышение надежности его работы и снижение ремоитно-эксплуатационных расходов. Назурные испытания и опытная эксплуатация подтвердили основные теоретические положения диссертации и позволили выбрать наиболее оптимальные варианты построения систем защиты.

2. Создана защита от однофазных замыканий на землю в сети генераторного напряжения блока генератор-трансформатор, обеспечивающая непрерывный контроль сопротивления изоляции и определение места возникновения дефекта изоляции при работающем оборудовании, которая прошла производственные испытания на генераторе действующей электростанции Ленэнерго. Результаты испытаний подтвердили теоретические характеристик зашиты и правомерность принятых при разработке допущений.

3. Основные положения диссертации использованы при организации серийного производства, создании рабочих проектов и производстве автоматизированной комплексной системы защиты электродвигателей (АКЗ) на предприятиях г. Вологда (Вологодсгсий оптико-механический завод, Вологодское отделение СП ТЕККОМ) и в Вологодском политехническом институте.

4. Решена проблема сопряжения микроэлектронных систем защиты с объемами и АСУ. Сформированы кр1гтерии сценки возможности применения п ыикроэлектронных системах защиты электромагнитных измерительных трансформаторов и рекомендации, направленные на повышение точности преобразования сигналов в тракте, содержащем первичные и входные преобразователи сигналов, которые во многом определяют точность работы систем защиты в целом. Разработана методика синтеза входных пргобразояателей, необходимая для проектирования новых мшероэлектронных систем загциш.

5. Материалы теоретических, методических и практических разработок нзшлп отражение в учебных пособиях и нспользутотся в учебном процессе ву-

зов (СПбГТУ, Вологодскою политехническою иистигута и др.), а также учебною цешра I'AO НС России.

Апробация работы и публикации. Основные результаты проведенных исследований обсуждались на международных, всесоюзных, всероссийских и peí иональных научно-технических конференциях и семинарах. Среди них семинар "Электрические машины и аппараты" на международной универсальной эдектро1ехпической ныоавке IJN1.I.-96 (С-Пегербург, 1996 г.); международная научпо-1ехничсская конференция "Проблемы повышения технического уровня элс-Kipo mepi етическнх спаем и электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспоршых средств" (С-Петербург, 1998 г.); Всероссийская научно-техническая конференция с участием специалистов стран СНГ, Литвы и дальнею зарубежья "Релейная защита и автоматика энергосистем-98" (Москва, 1998 г.); Всероссийские межвузовские научно-технические конференции "Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике" (г. Чебоксары, 1996, 1998 г.); семинар "Кибернетика электрических систем" (г. Новочеркасск, 1996 г.); Всесоюзный научно-технический семйнар "Релейная защита и авюмашка энергосистем" (г. Рига, 1984 г.); Всесоюзный научно-технический семинар "Опыт применения средств технической диагностики и контроля за со-сюянием электроэнергетическою оборудования" (г. Иваново, 1986 г.); Российская научно- 1ехническая конференция "Инновационные наукоемкие технологии для России" (С-Петербург, 1995 г.).

Устройства, разработанные под руководством и при непосредственном участии автора, экспонировались на ВДНХ СССР (Москва), международной электротехнической выставке "Энергетика-95" (С-Г1етербург), региональных выставках научно-технических достижений в г. Пермь и г. Вологда.

Информационные материалы о разработках автора были представлены на международных выставках Энергетика-95 и UNEL-96 (С-Петербург) и распространялись по системе центров научно-технической информации (ЦНТИ).

Содержание работы нашло отражение в 50 печатных работах автора, в том числе в 4 брошюрах научного и учебного характера, статьях, авторских свндеюльствах (патешах), тезисах докладов.

Структура н обьем диссертации Диссертация содержит: введение, 5 i лав, заключение, список литературы и приложения. Общий объем 280 страниц. Основной материал изложен на 254 страницах текста с рисунками. Список ли-терлуры содержит 206 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В»» введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследования и показана структура диссертации. Отмечен вклад известных ученых и инженеров научных, учебных и проектных организаций, энергосистем и производственных предприятий: ВНИИР, ВНИИ Электромашине»-

строения, ВНИИЭ, ВЗИ, И")Д Украины, Коми филиала АН, Энергосетьпроект, БПИ, ЛПИ (СПбГТУ), МЭИ, НПИ, РИИЖТ, ЧГУ, ЮИ, ТПИ, ГОТИ, РПИ, УПИ, Ленэнерго, Мосэнерго и др.

Перваа глава посвящена анализу состояния решаемой проблемы и разработке концепции построения микроэлектронных систем зашиты с улучшенными характеристиками.

Совершенствование принципов построения защит идет, в основном, в двух направлениях. Первое из них имеет целью повышение быстродействия защит от наиболее тяжелых видов повреждений, а второе - развитие предупредительных функций релейной защиты.

Первое из направлений интенсивно развивалось несколько десятилетий и достигло сегодня ограничений, связанных с возможностями методов быстрой обработки сигналов. Второе направление открывает хорошие перспективы дополнения первого и создания высокоэффективных целостных систем защиты, интегрированных в АСУ энергосистем, электрических станций и систем электроснабжения предприятий, с улучшенными защитными характеристиками за счет предупредительных действий.

Параметры, характеризующие состояние защищаемого объекта, входят в многомерную математическую модель, которая в линейном виде может быть представлена системой дифференциальных уравнений или одним векторно-матричньш уравнением:

где А(0 и !Ч(/) - матрицы коэффициентов, определяющих свойства объекта п входных воздействий размерности, соответственно, (п х п) и (п х ш); £(/) - п -мерный вектор переменных, представляющий собой совокупность отдельных переменных в пространстве состояния; £(/) - ш - мерный вектор воздействий на объект, включающий в себя совокупность управлений и возмущений; -

вектор, характеризующий начальное состояние объекта.

Контроль состояния объекта происходит на основании измерения наблюдаемых переменных на фоне аддитивных помех, образующих к - мерный вектор (к£п):

Ж) = СОМ/)+ §(/),

где С(0 - к - мерная матрица наблюдения; £(() - к - мерный вектор гауссовско-го белого шума.

Параметры, содержащие информацию о состояния объекта, но не доступные для измерения, вычисляются (восстанавливаются) по координатам вектора 2(/) с использованием известных аналитических саязей переменных.

В системах защиты реализуется общий допусковый принцип текущего контроля, когда обнаружение дефектов производится по результатам сравнения измеренных и вычисленных параметров с допустимыми значениями.

Для классических методов характерна запаздывающая реакция на возникновение повреждения, обусловленная конечным временем измерения и оценивания параметров. Это приводит к необходимости выполнения экстренных операций по локализации повреждений, что неизбежно создает нежелательные возмущения для энергосистемы. К тому же провести детальную диагностику повреждения, как правило, при этом невозможно из-за дефицита времени.

Непрерывный контроль с экстраполяцией и оцениванием параметров позволяет реализовать защиту объекта предупредительного действия, которая обеспечивает раннее (предаварийное) обнаружение потенциальных повреждений (развивающихся дефектов) объекта, и прогнозирование их эволюции.

Цель раннего обнаружения дефектов состоит в том, чтобы выиграть достаточный запас времени для детальной диагностики и выработки ответных мер, не требующих применения внезапных воздействий на объект. При этом не со> даегся аварийная ситуация и локализация потенциального повреждения не сопровождается внезапными возмущениями энергосистемы.

По результатам наблюдений параметров на определенном промежутке времени проводится экстраполяция значений и на основе рекуррентного алгоритма вычисляется будущее значение параметра, характеризующего состояние объекта г:

г(/я + т) = П[г(/„),с(/„_1 + т)]. где /„- последний момент наблюдения; г - время прогноза; П - опера-гор прогнозирования, определяемый из условия экстремума выбранного критерия.

Сегодня эта концепция может быть реализована в полной мере на базе стремительно развивающихся унифицированных микроэлектронных средств обработки электрических сигналов (интегральных микросхем, микропроцессоров, контроллеров, компьютеров), входящих в состав АСУ. При этом открываются широчайшие возможности выполнения точных измерений, использования дополнительной информации о контролируемом объекте и окружающей среде, автоматизации процесса определения уставок и контроля функционирования в процессе работы, регистрации параметров аварийных режимов для последующего анализа процессов возникновения, развития и завершения аварий, т.е. тех функций, которых так не хватало предшествующим электромеханическим системам защиты.

На основании анализа данных о повреждениях генераторов и электродвигателей, полученных из опубликованных материалов и непосредственно из служб эксплуатации, сделан вывод о целесообразности выполнения защиты от замыканий на землю в обмотках статора генераторов и крупных электродвига-

телей в соответствии с изложенной концепцией путем непрерывного контроля изоляции. Показано, что в качестве непрерывно контролируемого параметра, обобщенно характеризующего состояние изоляции (способность выполнять свои функции), следует выбрать ее активное сопротивление.

Предлагалось несколько решений задачи непрерывного контроля сопротивления изоляции, но все они усложняются тем, что у современных генераторов с непосредственным водяным охлаждением сопротивление изоляции шунтируется сопротивлением дистиллята. Предложен, реализован и исследован метод, позволяющий раздельно контролировать сопротивления цепей утечки на землю применительно к защите с наложением постоянного тока на сеть генераторного напряжения. Для более точного определения сопротивления дистиллята измеряется его удельное сопротивление на входе и выходе генератора, и используется усредненное значение.

Устройство в целом реализует функцию:

Яи = /(/„,£,/?„),

где Rц и Ид • сопротивления изоляции цепей статора и дистиллята относительно земли; Е - э.дс. источника наложенного постоянного тока; I,, - наложенный ток, контролируемый измерительным преобразователем.

Учитывая то, что параметры Яд и Е изменяются медленно, можно рассматривать сопротивление изоляции как функцию только наложенного тока 1П . Тогда, при относительной погрешности измерения сопротивления дистиллята Ъд и допустимой относительной погрешности определения сопротивления изоляции Sff, можно определить сопротивления изоляции, которое не превышает максимальное значение Rm,

о <WL1M ш —г~х— •

5/7"бЛ5Я

При реальных =0.1, 6д =0.01, Л^ШО кОм Rjf\{ =1,2 Мом, что

обеспечивает возможность контроля изоляции в диапазоне, устанавливаемом нормативными документами.

Учитывая допустимость к больших погрешностей определения сопротивления изоляции, этот диапазон может быть расширен и достаточным для того, чтобы зафиксировать развивающееся поврезденке в начальной его стадии, что несомненно является достоинством метода. Однако, невозможность выполнения более детальной дналюстики повреждения при работающем генераторе снижает его эффективность в системном применении.

Кроме того, в результате исследования переходных процессоз в сети генераторного напряжения при однофазных замыканиях иа землю установлено,

что при некоторых условиях возможна неправильная работа защиты с наложением постоянного тока на сеть генераторного напряжения.

Исследованы особенности возможных повреждений, условий и режимов работ электродвигателей. Проведен анализ соответствия наиболее употребительных магматических моделей нагрева электродвигателей, используемых в защитах от перегрузки, и процессов нагрева электрических машин в реальных условиях эксплуатации. Оценены и исследованы погрешности с учетом результатов натурных испытаний. Обоснована необходимость уточнения математических моделей нагрева электрических машин для целей защиты.

Установлено, что наряду с наиболее частой причиной аварий - нарушением изоляции обмоток статора (в среднем 80-90%) к повреждениям нередко приводят ра)вивающиеся дефекты в механической части электродвигателей (около 10% аварий) или ее нагрузки. Причем, защита от перегрузки часто не обеспечивает выявление этих нарушений. "Гак, если дефект остается незамеченным, то под действием усиливающейся вибрации, как правило, разрушается подшипник, нарушается осевая симметрия машины, вращающийся ротор деформирует активную сталь и изоляцию обмоток статора, что неизбежно приводит к аварии.

Определены направления улучшения точности работы защиты от перегрузки. Предложено не только усовершенствовать алгоритмы контроля тепловых характеристик, но и дополнить защиту от перегрузки средствами контроля отдельных механических параметров электродвигателей, обеспечивающими раннее выявление механических дефектов.

Проведен анализ входных сигналов, используемых во вновь разрабатываемых системах защиты. Оценены предельные параметры этих сигналов. Показано, что для нснскажающей передачи сигналов релейной защиты необходимо линейное преобразование в диапазоне частот от 0 до 10 кГц. В результате оценки требований к нижней границе полосы пропускания частот, с учетом реализуемости и приемлемой погрешности преобразования сигналов, признано допустимым иметь ее не выше 1 Гц.

Установлено, что требуется анализ метрологических свойств наиболее широко распространенных первичных измерительных преобразователей сигналов - электромаг нитных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН) с целью оценки возможности их использования во вновь разрабатываемых системах, а также разработка новых адаптированных к разрабатываемым системам входных измерительных преобразователей.

Во второй главе рассмотрены методы построения защит блоков генератор-трансформа юр, обладающих свойствами предупредительного действия и предназначенных для работы в составе АСУ.

Хорошие перспективы для контроля изоляции сети с изолированной нейтралью и диагностики повреждений открывает применение коммутационных методов, своеобразие которых заключается в способности контролировать не

только сопротивление изоляции в широком диапазоне его изменения в нормальных условиях работы сети, но и определять характер и место возникновения повреждения изоляции в аварийных ситуациях. Эти методы основаны на анализе сигналов, формируемых с помощью коммутатора в специально созданных цепях, соединяющих защищаемую сеть землей.

На рнс.1 показана схема замещения контролируемой сети генераторного нагтряження с несимметричным коммутатором, выполненным на основе трех диодных ключей VI, У2, УЗ.

С помощью коммутатора выбирается фаза с наибольшим напряжением относительно земли н соединяется с землей ^

через ограничительное сопротивление Я». В результате по сопротивлению Ки протекает ток утечки, интегральное значение и форма которого зависят от сопротивления изоляции и места повреждения. Использование этого тока в качестве полезного сигнала, дает возможность оценивать состояние изоляции в нормальных условиях и определять характер и место повреждения в аварийных ситуациях с достаточной для целей релейной защиты достоверностью.

В симметричном режиме работы при исправной изоляции всех фаз по сопротивлению До протекает ток утечки под действием фазных э.д.с. Среднее значение этого тока за период э.д.с.

—

г

V1

У 2

1'А

V3

Il II II

|/с

утЩ*о

Рис. 1

Г

'УТ --Г— -

Лэ 2тгЯэ

X +-

/<

я

~3

, cos œtdcot - Еа ' 2тгRr>

где Еа и со - амплитуды фазных э.д.с. сети и их угловая частота; Ucp - среднее значение падения напряжения на эквивалентном сопротивлении цепей утечки на зешпо; R) - эквивалентное активное сопротивление электрических цепей утечки на землю; /?э - Rh + Ro ; ^Н • эквивалентное сопротивление изоляции защищаемой цепи относительно земли; Ro - сопротивление ограничительного резистора в устройстве.

Аналогично определяются средние значения тока утечки при симметричном снижении сопротивления изоляции п замыкании на землю в нейтрали обмотки статора.

Следует отметать, что среднее зз период значение тока утечки на землю не зависит от места повреждения. При однофазном замыкании на землю:

Ъ

U 1 ^ Зл/3

/ YT ---\ Е ,,и smcütdtít =-Ет ,

Лэ *R3{ Шэ

где Или - амплитуда линейной э.д.с.

^ут = ¡ут ~ ^ут

н в реальных условиях работы сети определяется, практически, эквивалентным сопротивлением цепей утечки.

Сопротивление изоляции контролируемой цепи относительно земли:

Ли R > • Ra " - R0 .

¿TÜyf

D случае повреждения изоляции в обмотке (например, в обмотке фазы С) напряжения фаз сети относительно земли можно представить в тригонометрической форме так:

{¡АО ™ sinw/ - (1 - a)F.m sin(a>/ - 4 л/3); I!¡to = /;ю sin(ш/ - 2тс/3) - (1 - а)/;т sin(o)í - 4я/3), И со = <* ¿m sin(w/ - 4 л/3).

Здесь í 1Ао 1/цо Uco- напряжения фаз А, В, С сети относительно земли; а -расстояние (пропорциональное числу витков обмотки) от фазного вывода поврежденной обмот ки до места повреждения в этой обмотке, измеряемое в относительных единицах.

При замыкании на землю в катушке СА обмотки трансформатора, соединенной треугольником, напряжения сети относительно земли: Uctn = a[i'm sin(wí - 4 я/3) - Em sinw/), (W = (1 - ot)[/ím sin(túí - 4л/3) - Em sino/]; 11 вся " a[/:m sin(co/ - 4jc/3) - Em sinw/j + • [/:„, sin(cof - 2 я/3) - Emsin(ü)/ - 4л/3)].

На рис.2 показано как изменяются токи утечки при повреждениях в разных точках обмогки фазы С генератора (рис.2,а), и при повреждении в катушке СА обмогки трансформатора (рис.2,6), соединенной треугольником.

Принимая во внимание то, что моменты переключения диодных ключей, соответствуют углам ю/ (относительно э.д.с.), равным я/6, 5л/6, Зя/2, 13л/6 и т.д., для средних значений токов утечки отдельных фаз при повреждении в обмотке генератора имеем:

h--1- fu АО d®t=г—jf - b/З + -^-(1 - a)], 2kR3 ¿é 2nR3 2

2я/?э

le

Зл/2

J".

Sn/6

[>/3 + I_ et)), 2л/?э 2

13it/6

2л/?-5

Зл/2

2лЛ-

Средние знамения токов утечки двух исправных фаз равны, а среднее значение тока утечки поврежденной фазы меньше их. Только при а =• 1 средние значения токов утечки всех фаз равны.

а) /ут

о

ключ --V1-Г\ ключ -V7- кгюч

1 \ (

'К »

б) £А./ут 1

0

-1

1 О •1

\в -0.1

\ \ j У "N s'A /

а= Г.54 ЛЛ

\ / /

*78 б «78 3*72 13Г78

-7яЙ -я/в 0 к/б Sn/б Ух/2 1Э*Л

Рис. 2

Опюшение /г /7>т = /с /[(/^ + ¡в *1с УЗ] = а . При поврезкдении в обмотке трансформатора:

/АТЛ(1_а);/етА;/ст.

9л/3£„

-а.

4я 4гс 471

Одно из средних значений тока утечки (ток угечкн исправной фазы) больше двух других (токов утечки фаз, связанных с поврежденной катушкой), а отношение среднего значения гота утечки поврежденной фазы к среднему значению тоха утечки пропорционально расстояншо а.

На рис.3 представлена схема устройства, в котором используются отмеченные информативные свойства тока утечки.

Коммутатор выполнен на основе трех диодных столбов. Последователь-пая цепь, содержащая ограничительный резистор /?в и сопротивление шунта Яда, соединяет катоды диодов с землей и обеспечивает ограничение максимального значения тока утечки на землю через коммутатор. Падение напряжения на со-пропгаление Ля/ используется как полезный сигнал.

Рис . 3

Ограничительное сопротивление Но выбираете* с учетом предельных возможностей диодов, используемых в коммутаторе, и условий безопасности. Для сети 6-10 кВ оно должно иметь значение 2-8 МОм.

Для ряда применений более целесообразно использование другого способа, основой которого является коммутатор с шестью ключами (рис.4).

С помощью коммутатора одновременно выбираются фазы с наибольшим н наименьшим напряжением относительно земли и соединяются с землей через отдельные ограничительные сопротивления. Измеряется сумма токов утечки на землю в этих сопротивлениях и фазные напряжения сети. По отношению этих величин определяется сопротивление изоляции сети относительно земли, которое сравнивается с допустимым значением и, если оно оказывается меньше допустимого, формируется управляющий сигнал. Измеряются параметры, характеризующие форму сигнала, пропорционального сумме токов в ограничительных сопротивлениях, и по ним определяется место повреждения изоляции.

Задачи измерения эквивалентного сопротивления изоляции и определения места возникновения повреждения здесь. решены на основе гармонического анализа тока утечки.

В нормальных условиях, когда эквивалентное сопротивление изоляции сети относительно земли много больше сопротивлений 1(\ и период колебаний тока утечки составляет 1/6 периода э.д.с. сети, т.е. л / 3.

Представив ток рядом Фурье, имеем:

Рис.4

3 £ 2 2 2

1„ =—=41 + — соБбш/--соз12ш+ —соз18о)/+...).

" я/?, 35 143 323

Здесь /?-» — + - эквивалентное сопротивление ,«епи для тока 1ц при

В этих условиях наибольшую амплитуду .имеет ,гармоническая составляющая тока с частотой, превышающей частоту э д.с. сети в шесть раз.

При симметричном снижении сопротивления изоляции или замыкании на землю в нейтрали сети период колебаний токов в ограничительных сопротивлениях составляет 1/3 периода э.д.с. сети.

С учетом корректных допущений ток утечки, протекающий по шуту, в этих условиях можно представить в виде суммы двух косинусных рядов Фурье. Его постоянная составляющая (среднее значение):

1уп~

2тс(/?| +ЯИ )(Л,+Л„)

н используется в качестве информационного параметра при определении сопротивления изоляции.

Показано, что для определения места повреждения необходимо выделить перзуга гармоническую составляющую тока утечки.

Представив ток утечки кусочно-непрерывной функцией: /|(он) при 0 £ он < л/6;

'Ш

/2(юО пря я/6 £ со/< 5л/6; /3(со/) при 5л/6со* <Зя/2; /4(о0 при Зтт/2 * о/< 2л;

а составляющую тока утечки первой гармоники - косинусоидальной функцией с периодом Т.

^1(1) - /Ш|СОЗ(0/ - фО и вычислив коэффициенты для первой гармоники:

2 т (

а/-—//„,( (М)соз2к~с1(о1 ; То Т

2т I

/о 1

для амплитуды составляющей тока /щ персоЛ гармоники будем иметь:

/*,= -(Ы)2 =—(а-1).

Она, как видно, зависит от удаленности мета повреждения от фазных выводов обмотки Причем, максимальна но абсолютной величине при замыкании фа1ы на «емлю, и минимальна (равна нулю) при замыкании на землю нейтрали обмотки

Начальный фа юный сдвиг "пой составляющей

Ч>1 artigó, íiO

При повреждении в фазе С он равен -л/6, при повреждении в фазе А к/2, ири повреждении в фаге Н 7я/6.

Ток ¡Ki во втором ограничительном сопротивлении, ток утечки, протекающий по шунту <)7, и параметры их первых 1армонических составляющих определяются с исполыованием анало1ичного подхода

Начальный фаювый сдвиг первой гармонической составляющей тока утечки in , протекающею по шунту, нри замыкании в обмотке, соединенной в чвечлу, зависит только от того, в какой фазе произошло повреждение Так, при измерении ошостельно фаш А, будем иметь его равным Я (180") при повреждении в ка1>шке фазы А, равным 5rt/3 (300°) при повреждении в катушке фазы 13 и равным я/3 (60") при повреждении в катушке фазы С

На рис 5,а показаны сигналы при повреждении в обмотке генератора, соединенной звездой, а на рис 5,6 - при повреждении в обмотке трансформатора, соединенной треугольником.

По амплитудам (или связанным с ними интегральным значениям) и начальным фазовым сдвигам первых гармонических составляющих тока в шунте оценивается сопротивление изоляции сети относительно земли, выявляется поврежденный элемент сети и определяется место возникновения повреждения.

Проведен анализ стационарных и переходных процессов, протекающих в первичных (контролируемых) цепях при использовании предложенных методов контроля изоляции. Для этого использована схема замещения и математическая

модель, в которых учтены все основные параметры, включая емкости и активные сопротивления изоляции фа> сети, индуктивности трансформаторов, генератора и др параметры Пока тано, что подключение новых устройств и вменение схемы включения ТН не приводит к ухудшению условий работы оборудования сети, а в некоторой степени их улучшает

Обоснована целесообразность изменения принятой схемы включения ТН. Для нормальной раГкл-ы устройства следует исключил. все искусственно созданные цени утечки на землю, кроме тех, которые образованы устройством П частности, нейтраль первичных обмоток III должна быть отсоединена от земли. Это влечет та собой вывод из работы традиционной зашиты генератора от однофазных замыканий на темлю по напряжению нулевой последовательности, необходимость в которой с вводом в работу нового устройства отсутствует.

Имеете с тем, изменение схемы включения ТН существенно улучшает условия работы этого ТН Использование ТН без заземления нейтрали первичной обмотки смягчает режимы работы трехфазного ТН в экстремальных условиях и снижает вероятность выхода из строя при однофазных замыканиях. Кроме того, можно отказаться от трехфазных трансформаторов типа МТМИ и для целей, не связанных с защитой от однофазных замыканий на землю, использовать на генераторном напряжении однофазные ТН, включенные по схеме неполного треугольника

В случаях, когда заземление нейтрали ТН все же необходимо, возможно использование другого варианта схемы включения трехфазного ТН с заземлением нейтрали первичной обмотки через конденсатор (на рис.3 и 4 показан пунктиром), емкость которого должна выбираться по условиям получения приемлемой точности работы защиты по напряжению нулевой последовательности, исключения феррорезонансных явлений и составлять несколько десятков микрофарад. При этом варианте схемы включения ТН возможна совместная работа предлагаемого устройства и традиционной защиты по напряжению нулевой последовательности.

Третья глава посвящена совершенствованию методов и технических средств защиты электродвигателей.

Решение задачи совершенствования защит от перегрузок потребовало исследования тепловых и механических характеристик машин. В результате этих исследований установлено, что как перегрев, так и многие механические дефекты могут быть выявлены в предаварийном состоянии более совершенной защитой от перегрузки.

В новых системах защиты использованы более точные модели нагрева электрических машин на основе уравнения нагрева Фурье-Кирхгофа с учетом реальных параметров окружающей среды и с автомагической настройкой модели по параметрам пробного пуска. Это позволило существенно улучшить точность контроля тепловых характеристик машин.

С целью дальнейшего развития предупредительных свойств защиты от симметричных перегрузок асинхронных электродвигателей предложен, разработан и исследован метод контроля механических параметров.

Выявление дефектов в узлах, выполняющих механические функции, и их своевременное устранение можег предотвратить немало аварий и стать высокоэффективным средством повышения надежности работы электродвигателей и систем электроснабжения в целом. Эго особенно важно когда машины работают п условиях, где затруднен или ограничен доступ для выполнения технического обслуживания и ремонта.

При возникновении механического дефекта в электродвигателе или в его нагрузке, момент сопротивления, воздействующий на вал электродвигателя, периодически изменяется с частотой, пропорциональной частоте вращения вала. Периодическое изменение момента сопротивления вызывает появление в токе статора электродвигателя составляющих с частотой, пропорциональной частоте вращения вала. Отделение этих составляющих от составляющих тока основной частоты и контроль их уровня позволяют обнаружить дефекты в механической части привода.

Связь отдельных составляющих тока статора с возмущающими воздействиями на ротор установлена в соответствии с общепринятой эквивалентной схемой замещения асинхронного электродвигателя. Ток фазы статора асинхронною электродвигателя:

где /0 и ¡2 - ток намагничивания и ток ротора электродвигателя; {/|т - амплитуда напряжения питания; и .Х^ " индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора; 5 - скольжение; о1 - частота питающего напряжения.

Скольжение зависит от вращающего момента, а следовательно, от момента сопротивления вращению Мс > который для удобства анализа и с целью получения наглядных зависимостей можно представить суммой статической А/0 и периодической синусоидальной составляющих (рис.6):

Здесь Ма и ^ " амплитуда и круговая частота периодической составляющей момента сопротивления.

Решение уравнения движения ротора электродвигателя в этих условиях имеет следующий вид:

у/(х, +Х2)2+(Я1 +Я2/*)2 Ф^агс/Л+^ХЛ.+^ЛГ1];

А/ = М0 +

Л

Мй

у[и\пт„¥

51п(£1/-в) + ------— е •

у1й(ПТ„)2

ГД9 Т„ = М0 - У-; в = агсц£1Тп. М -

Л»//

вращающий момент электродвигателя, У -момент инерции агрегата двигатель-механизм, (Од - синхронная угловая частота вращения ротора; 5М и М ц - номинальные скольжение и вращающий момент электродвигателя.

На линейном участке механической характеристики для установившегося режима работы:

5 = 5о + где 50 = А/от/*- ; Ба =

'о

Рис.&

\iaSh

Периодическое изменение скольжения вызывает периодическое изменение эквивалентного сопротивления электродвигателя. Изменение этого сопротивления, в свою очередь, вызывает изменение тока статора с частотой П, следовательно, в токе статора появляются составляющие не только с частого А сети, но н с частотами, определяемыми механическими возмущениями.

При реальных соотношениях параметров электродвигателей, когда скольжение не превышает 0.1 используя корректные допущения ток статора можно представить следующим выражением:

и 5

+^ф- [С0!5(Р'-<р)-«»(у - ф)].

гдз /од

фаза тока намагничивания;

и V}/ • амплитуда у = <0, + О.

В токе статора при механических повреждениях электродвигателя присутствуют составляющие с частотами, равными частоте источника питания (0(, разности частот источника питания и вращения ротора Р = 0)| - П и сумме этих частот у = (»1 + А .

Если машина имеет р пар полюсов, то составляющие;

Р

ß'- " =<rtl 2 к 2 тс

\

У _ «>| f, , 1-«'

, 1 +

2л 2л V />

Приняв s = .Vo и считая частоту питающей сети равной 50 Гц, можно оцешгть диапазоны изменении ß' и у' Ограничившись режимами работы электродвигателя, при которых скольжение может изменяться от 0 001 до 0.1, для двухполюсной машины (синхронная скорость 3000 об/мин) получим: ß'- от 0.5 до 5 Гц, ^'-от 99 5 до95 Гц

Следует отметить, что чем больше полюсов имеет машина, тем меньше изменяются частоты ß' и у' при изменении скольжения и тем ближе оии к

частоте источника питания Так, для электродвигателя с (синхронная скорость 500 об/мин) имеем частоты, соответственно, от 41.75 до 42.5 Гц и от 58.25 до 57 5 Г ц.

Из соотношения

Sa _____ М а_____

л Мо"<]\+{ПТп¥ следует, что чем больше величина ПГ//, определяемая механической инерционностью вращающихся элементов, тем меньше изменяется скольжение при изменении момента сопротивления и меньше амплитуда анализируемых составляющих тока.

Принимая во внимание равенство

QTn = JSJI iol(l-S„f,

где Pfj - номинальная мощность двигателя, можно отметить, что инерционные свойства проявляются больше у высокоскоростных двигателей, чем у тихоходных. Кроме того, собственный момент инерции двигателя связан с его номинальной мощностью степенной зависимостью с показателем больше 1, поэтому увеличение номинальной мощности двигателя, как правило, влечет за собой усиление его инерционности

Для электродвигателей общего применения с номинальными мощностями от 2,2 до 22 кВт, работающих в режиме близком к номинальному, отношение

— может составлять от 0 98 до 0.3 —. Первое значение соответствует So Mo А/о

тихоходному (синхронная скорость 500 об/мин) двигателю с меньшей номи-

нальной мощностью, а второе значение - быстроходному (синхронная скорость 3000 об/мин) двигателю с большей номинальной мощностью

В нормальных женлуатационных режимах момент сопротивления, а следовательно, и вращающий момент мектродви!ател* с круювой симметрией ротора не зависит от утла поворота вала и не содержит переменной составляющей момента По »тому скольжение не и (меняется периодически и в токе статора отсутствуют составляющие с частотами, отличными от (О|

На рис 7 представлена кривая тока ста юра асинхронного электродвигателя номинальной мощностью 2 2 кВт и синхронной скоростью 1500 об/мин с нагрузкой в виде суммы постоянной и синусоидальной составляющих, полученная путем математического моделирования

Для проверки адекватности использованной математической модели рассматриваемому процессу проведены исследовательские испытания асинхронных электродвигателей с искусст венно со манными дефектами в механической части В результате сравнительного аналита осциллограмм токов статора моделируемою и реального объектов установлено, что предложенная математическая модель достаточно точно отражает реальные процессы и может быть испольювана при совершенствовании средств зашиты от перегрузки

Специальные высокие требования к выполнению операции выделения составляющих тока статора с частотами, отличными от частоты источника питания вызвали необходимость отыскания нетрадиционною для релейной защиты решения задачи фильтрации Разработан и реализован метол фильтрации, обеспечивающий максимальное ослабление сигналов с частотами равными и кратными частоте источника питания утектродвигателя, основанный на использовании дискретных операций и синхронною детектирования. Проведены всесторонние исследования и разработана методика синтез;! фильтра с заданными частотными характеристиками, удовлетворяющими требованиям метода контроля механических параметров электродвигателя.

В четвертой главе рассмотрены решения проблемы сопряжения микроэлектронных систем защиты с защищаемым оборудованием и АСУ, исследованы первичные и вторичные измерительные преобразователи сигналов.

Построены математические модели первичных измерительных преобразователей тока и напряжения, применяемых в защитах электрооборудования. Путем математического и физического моделирования одиночных электромагнитных ТТ установлено, что их преобразовательные свойства в линейных режимах работы при использовании в системах релейной защиты достаточно точно отображаются передаточной функцией:

НЛ<р) =

Щр) ______рЬ

/|(р) р2а2 +■ рах +а0 '

где /2(р) и 1\(р) - изображения по Лапласу вторичного и приведенного ко вторичной цепи первичного токов.

Детерминированная математическая модель ТН для тех же условий представляет собой передаточную функцию более высокого порядка:

где и2(р) и и{(р) -изображения по Лапласу вторичного и приведенного ко вторичной цепи первичного напряжений; а0 - - постоянные коэффициенты, определяем ыешараметрами обмоток и сердечников, соответственно, ТТ и ТН.

Разработана методика определения параметров математических моделей. 'Проведена проверка адекватности математических моделей н объектов путей сопоставления .результатов математического и физического моделирования и испытаний реальных измерительных трансформаторов.

Полученные модели положены в основу исследования частотных характеристик преобразователей, выполненного с целью оценки возможности использования их во вновь разрабатываемых системах защиты и изыскания путей совершенствования.

Нижняя 'граничная частота полосы пропускания трансформаторов о линейном режиме определяется, главным образом, их постоянной времени:

где 7| - постоянная времени трансформатора, под которой понимается дня ТТ отношение индуктивности намагничивания к активному сопротивлению вторичных цепей, а для ТН - отношение индуктивности намагничивания к активному сопротивлению первичной обмотки, приведенному ко вторичным цепям; Ан - допустимый относительный уровень амплитудной характеристики на границе полосы пропускания.

Определены границы областей использования линейных моделей. Гра-|>мчные условия заданы с помощью коэффициента нелинейных искажений к/, < определяемом ^как отношение среднеквадратичного значения суммы всех выс-'«них гармонических составляющих выходного сигнала к действующему значению составляющей вторичного сигнала основной частоты при воздействии на вход синусоидального сигнала. Таким образом заданы границы области трех параметров: частоты, коэффициента передачи и амплитуды входного сигнала, е

3 2 0(\

аАр +агр +а2р + а1+ у

Р

которой нелинейные искажения, вносимые трансформаторами, не превышают

допустимого уровня (рис 8)

Получены аналитические выражения, связывающие тти параметры. Показано, что фактором, определяющим нижнюю граничную частоту полосы пропускания при высоких уровнях входных сигналов, являются нелинейные искажения. Так, при первичном токе ГГ. превышающем номинальный в 15-20 раз, нелинейные искажения достигают принятого предельно допустимого значения к/-5% на частоте 50 Гц(рис8,а) У большинства ТН с номинальным напряжением 6-10 кВ при номинальном уровне входного сигнала нелинейные искажения достигают предельного значения на частоте не ниже 20 Гц (рис 8,6).

¥4н

ш/2я

10 50 Гц

Рис. 8

Получены зависимости мгновенных значений погрешностей ТГ (С) при преобразовании отрезка синусоидального сигнала (рис.9), аналит которых указывает на необходимость повышения точности работы некоторых ТТ. Установлено, что погрешности связаны с параметрами ТГ экспоненциальными функциями, убывающими при снижении нижней граничной частоты.

/Г '

Рис.9 -'И

Исследовано влияние параметров трансформаторов на частотные характеристики н точность работы. Обобщение результатов этих исследований позволило установить, что ТТ с большими коэффициентами трансформации (2000/5 и более), используемые в защитах блоков генератор-трансформатор, как правило имеют достаточно хорошие метрологические показатели и могут быть

использованы во вновь разрабатываемых системах защиты. Характеристики ТТ с небольшими коэффициентами трансформации (менее 1000/5), обычно используемые в защитах средних и мелких электродвигателей, не удовлетворяют требованиям новых систем защиты по неискажающей передаче сигналов, н требуется их улучшение. В частности, обоснована необходимость расширения их частотных характеристик в область нижних частот, что может быть достигнуто за счет увеличения постоянной времени трансформаторов путем снижения номинального вторичного тока.

Проведен сравнительный анализ наиболее употребительных входных преобразователей сигналов для систем контроля и защиты на микро электронной элементной базе. Оценены их предельные возможности и определены пути совершенствования.

Предложен новый активный трансформаторный входной преобразователь ток-напряжение с комбинированной положительной и отрицательной обратно?! связью (КОС) с существенно расширенным рабочим частотным диапазоном в сторону нижних частот (рис.10). Его передаточная функция определяется следующим выражением:

я Ы-_?а(р1кУ_

Здесь Лу - коэффициент усиления усилителя по напряжению; Т\(р), Га(я), Ту(р) -передаточные функции пассивных цепей, включающие в себя элементы схемы замещения трансформатора.

Улучшение характеристик достигается тем, что усили!сль с цепями обратных связей, являющийся по сути нагрузкой промежуточного трансформатора тока, ведет себя по отношению к источнику сигнала как отрицательное сопротивление. Это обеспечивает компенсацию активного сопротивления сторичной обмотки промежуточного трансформатора н, следовательно, снижение нижней граничной частоты преобразователя в целом.

Установлены и сформулированы критерии его устойчивости.

Разработана методика синтеза активных входных преобразователей, включающая о себя последовательное решение задач, диктуемых исходными требованиями и условиями реализуемости. При исходно заданных габаритных размерах и коэффициенте передачи входного преобразователя, определяющих параметры схемы замещения трансформатора, условия реализуемости сводятся к системе неравенств:

вых

Рис. 10

Ангг -2лПСА й/н >0 >1

Анг2 -2Л/Х40/н

Здесь Г) и /. • активное сопротивление вторичной обмотки и индуктивность намагничивания трансформатора, Ац - номинальный коэффициент передачи входного преобразователя; /н - нижняя граничная частота.

Условия реализуемости выполняются, если нижняя граничная частота находится в диапазоне от /щ до /ц2 •

/н2

Ап

2кЬ

Ф-4

з..

2кЬ

- /нг

Рис И

На рис.11 показаны зависимости нижней граничной частоты известных входных преобразователей (1-пассивный преобразователь на основе промежуточного ТТ и шунта; 2-активный преобразователь с отрицательной обратной связью) и вход- н кого преобразователя с КОС (3) от номиналь- ^ ного коэффициента передачи. ^

При приемлемых для микроэлекгронных /Н1 систем защиты массо-габаритных показателях /¿з достигнута возможность иметь рабочий час- о тотный диапазон входных преобразователей с КОС от 0,3 Гц до 10 кГц. Даны рекомендации по оптимальному выбору входных преобразователей и их параметров.

Аналитические решения, физическое моделирование и испытания опытных образцов подтвердили достоверность теоретических результатов и правомерность разработанной методики синтеза.

Петая глава посвящена разработке и исследованию образцов систем защиты электродвигателей и генераторов.

Концепция создания единого комплекса контроля параметров, защиты, и управления работой в нормальных и аварийных условиях реализована в автоматизированном комплексе защит асинхронных электродвигателей (АКЗ), разработанном в Вологодском политехническом институте и изготавливаемой на предприятиях г. Вологда.

Примененные в АКЗ алгоритмы защит предупредительного действия в сочетании с быстродействующими алгоритмами не допускают повреждений электродвигателей вследствие ненормальных режимов работы и дают возможность максимально использовать их перегрузочные способности. Это позволяет снизить ремонтно-эксплуатационные расходы и сократить ущерб от внезап-

пых вынужденных простоев оборудования из-за неисправностей электродвигателей, а также ограничить возмущающие воздействия на питающую сеть.

Комплекс защит выполнен в виде единого устройства, содержащего ряд каналов, каждый из которых выявляет отдельный вил повреждения или опасного режима работы защищаемого объекта и общих базовых функциональных узлов предварительной обработки сигналов, индикации и сопряжения с исполнительными устройствами.

Функциональная часть АКЗ условно разделена на три уровня. Первый уровень системы включает средства для визуального контроля интегральных значений токов и напряжений. Для этого используются измерители интегральных значений сигналов и индикаторы. Второй уровень выполняет традиционные функции зашиты электродвигателя: от межлуфазных и однофазных коротких замыканий в обмотках, от однофазных замыканий на землю по току нулевой последовательности. Третий уровень обеспечивает непрерывный контроль параметров, содержащих информацию об электрических и механических характеристиках защищаемого объекта: косвенный контроль теплового состояния по току статора и температуре окружающей среды (защита от перегрузки), контроль несимметрии питающего напряжения и вызываемого им изменения теплового состояния машины, контроль сопротивления изоляции обмоток статора, контроль составляющих тока статор« с частотами, отличными от частоты источника питания (защита от механических повреждений).

В АКЗ применен предложенный автором метод автоматического определения уставок системы защиты электродвигателей, основанный на измерении параметров защищаемого электродвигателя при пробном пуске, вычислении значений уставок токовых защит по этим параметрам и запоминании их в специальном блоке хранения уставок.

Под руководством и при непосредственном участии автора последовательно выполнены все этапы разработки и исследования АКЗ от эскизного проектирования (с этапом разработки, изготовления и испытания опытных образцов) до создания рабочей конструкторской документации и изготовления серийных образцов. Организовано мелкосерийное производство АКЗ-З на и Вологодском оптико-механическом заводе и в Вологодском отделении СП ТЕККОМ.

АКЗ-З внедрены и эксплуатируются на электрических станциях Вологда-энерго (Череповецкой ГРЭС и Вологодской ТЭЦ), Пермьэнерго (Кизеловской ГРЭС), Кировэнерго (ТЭЦ-5), в системах электроснабжения Вологодского оптико-механического завода, предприятия Вологдагорводоканал и др.

Опыт эксплуатации подтвердил правильность принятых при разработке научно-технических решений, позволил выбрать наиболее оптимальные варианты построения системы защиты и показал технико-экономическую эффективность новой системы защиты.

С целью развития предложенной концепции построения систем защиты разработаны, изготовлены н исследованы другие варианты микропроцессорных устройств защиты электродвигателей. Создана программируемая защита крупных электродвигателей высокого напряжения, построенная как специализированная измерительная и управляющая система на основе однокристальной микро-ЭВМ семейства МК-51 Все вычислительные операции выполняются в ней в цифровом виде, поэтому входные аналоговые сигналы предварительно обрабатываются с помощью аналого-цифрового преобразователя н мультиплексора и нормируются. •

Выполняемые системой защиты функции задаются программным путем:

♦ измерение мгновенных значений токов фаз и тока нулевой последовательности с интервалом времени, равным 1/12 части периода э.дс. сети и сохранение данных в оперативной памяти,

♦ расчет мгновенных значений тока обратной последовательности и сохранение данных в оперативной памяти;

♦ расчет действующих значений токов фаз, токов нулевой и обратной последовательностей;

♦ защита от междуфазных коротких замыканий,

♦ защита от витковых коротких замыканий и несимметричных режимов;

♦ защита от симметричных перегрузок;

♦ защита от замыканий на землю.

Для мелких электродвигателей низкого напряжения разработан упрощенный недорогой вариант программируемой защиты на основе микроконтроллера Р1С16С84 фирмы Microchip. В нем использованы методы и алгоритмы защит не требующие специального преобразования аналоговых сигналов в цифровой код.

Изготовлен и испытан в лабораторных условиях опытный образец защиты. Результаты испытаний подтвердили возможность выполнения им всех основных функций защиты электродвигателя, приемлемую точность работы, правомерность использования предложенных алгоритмов действия защит и позволили выбрать наиболее целесообразные технические -решения для последующих разработок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Осуществлена разработка новых микроэлектронных систем защиты блоков генератор-трансформатор и электродвигателей, обладающих новыми свойствами предупредительного действия, повышающими эффективность защит в части предотвращения возможных внезапных аварий. Во вновь разработанных системах, предназначенных для работы в составе АСУ, реализована предложенная новая концепция построения защит, предусматривающая защиту электрической сети не только традиционным путем быстрого отключения по-

врежденного элемента, но и та счет предотвращения аварийных ситуаций путей предупреждения о их приближении и принятия ответных мер.

2. Созданы научно-методические основы построения защит от однофазных замыканий на землю в сети генераторного напряжения блока генератор-трансформатор на основе методов непрерывного контроля сопротивления изоляции сети с улучшенными показателями по точности и избирательности. Своеобразие методов заключается в способности контролировать сопротивление изоляции в широком диапазоне его изменения в нормальных условиях работы сети и определять характер и место возникновения повреждения изоляции в аварийных ситуациях.

3. Предложены, исследованы и реализованы в защитах новые методы непрерывного контроля сопротивления изоляции сети генераторного напряжения блоков генератор-трансформатор, обеспечивающие высокую точность контроля в широком диапазоне изменения сопротивления, достигнутую путем использования для контроля собственных э.д.с. статора генератора.

4. Предложены, разработаны н реализованы методы определения места возникновения повреждения изоляции сети генераторного напряжения блока, обеспечивающие высокую избирательность поиска и ускорение процесса обнаружения дефектов изоляции при выполнении профилактических и ремонтных работ. Разработаны алгоритмы определения места возникновения повреждения, основанные на измерении интегральных параметров к спектральном анализе токов утечки в цепях, формируемых с помощью специальных коммутаторов, соединяющих контролируемую сеть с землей. Впервые достигнута возможность определения поврежденной обмотки и удаленности места возникновения повреждения от ее выводов при работающем оборудовании.

5. Проведены исследования защит от однофазных замыканий на землю о стационарных и переходных режимах путем математического и физического моделирования процессов, позволившие подтвердить преимущества разработанных зашит в расчетных эксплуатационных режимах и показать, что ввод их в работу не вносит неблагоприятных изменений в условия работы контролируемой сети.

6. Предложен новый принцип построения и разработана высокоэффективная защита от перегрузки асинхронных электродвигателей с использованием методов непрерывного контроля тепловых и механических параметров машин, что позволило улучшить предупредительные свойства защит н более полно использовать нагрузочные способности защищаемых машин. Обоснована возможность выявления механических дефектов во вращающихся узлах асинхронных электродвигателей и в механической нагрузке в предаварийных ситуациях путем спектрального анализа тока статора. Разработаны, исследованы и реализованы в устройствах алгоритмы фильтрации составляющих тока статора, необходимых для целей контроля механических параметров.

7. Решена проблема сопряжения микроэлектронных систем защиты с защищаемыми объектами и АСУ Предложены улучшенные математические модели первичных и вторичных (промежуточных) преобразователей сигналов, которые положены в основу исследования их частотных характеристик. Определены границы областей использования линейных моделей. Проведен анализ погрешностей в стационарных и динамических режимах работы. Сформированы требования к точности преобразования сигналов в тракте, содержащем первичные и входные преобразователи сигналов, которые во многом определяют точность работы систем защиты в целом. Даны рекомендации по повышению точности работы первичных преобразователей сигналов в системах зашиты. Результаты теоретических исследований (математического моделирования) подтверждены результатами физического моделирования процессов и натурных экспериментов.

8. Предложен новый активный трансформаторный входной преобразователь ток-напряжение с существенно расширенным рабочим частотным диапазоном в сторону нижних частот за счет использования комбинированной положительной и отрицательной обратной связи, что обеспечило значительное улучшение технико-экономических показателей. Проведены его всесторонние исследования. Аналитические решения, физическое моделирование и испытания опытных образцов подтвердили правильность теоретических результатов и правомерность принятых в процессе исследований допущений. Разработана методика синтеза активных входных преобразователей сигналов. При приемлемых массо-габаритных и стоимостных показателях достигнута возможность иметь рабочий частотный диапазон от 0,3 Гц до 10 кГц.

9. Разработанные микроэлектронные системы -защиты внедрены на электрических станциях Ленэнерго, Вологдаэнерго, Пермьэнерго, Кировэнерго и в системах электроснабжения предприятий Вологодской области. Основные положения диссертации использованы при организации серийного производства, создании рабочих проектов и внедрении автоматизированных комплексных систем защиты асинхронных электродвигателей. Создана защита от однофазных замыканий на землю в сети генераторного напряжения блока генератор-трансформатор, обеспечивающая непрерывный контроль сопротивления изоляции и определение места возникновения дефекта изоляции при работающем оборудовании, которая прошла производственные испытания на генераторе действующей электростанции Ленэнерго. Результаты испытаний подтвердили теоретические характеристики защиты и правомерность принятых при разработке допущений.

10. Материалы теоретических, методических и практических разработок нашли отражение в учебных пособиях н используются в учебном процессе вузов (СПбГТУ, Вологодского политехнического института и др.), а также учебного центра РАО ЕС России.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Булычев А В.. Ванин В.К. Релейная защита электрических систем. Защиту электродвига гелей -CI16 : Изд-во С1161ТУ 1997 88с

2. Булычев A.B., Ванин В К., Меркурьев I В Методы и технические средства контроля параметров и защиты электродвигателей переменного тока. -СПб.: РАО F.C России. Главный вычислительный центр энергетики. СевероЗападный филиал. 19%. 96 с.

3. Аналоговая и цифровая микроэлектроника для средств релейной защиты / А.В.Булычев, В.К.Ванин, Т.И Кривченко, А Л Соловьев, АВ.Терешкин. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1998 80 с.

4. Булычев A B., Мухин А.И Пособие к курсовому проектированию по релейной защите и автоматике элементов систем электроснабжения. -Л.: СЗПИ. 1988. 76 с.

5. Булычев A.B., Ванин В.К. Исследование метода выявления дефектов в механической части асинхронного электродвигателя II Электротехника и электроэнергетика. Труды СПбГТУ №460. С.94-99.

6. Булычев A.B., Ванин В.К. Контроль изоляции генератора без зоны нечувствительности // Электротехника и электроэнергетика. Труды СПбГТУ №460. С.84-89.

7. Булычев A.B., Ванин В.К. Метод контроля состояния механической части асинхронного электродвигателя // Электротехника. 1997. №10. С. 5-9.

8. Булычев A.B., Ванин В.К. Контроль состояния механической частя асинхронного электродвигателя // Электричество. 1997, №8. С.45-47.

9. Булычев A.B., Ванин В.К. Анализ входных преобразователей сигналов для устройств релейной защиты на интегральных микросхемах // Электричество.. 1985. №9. С. 13-18.

10. Булычев A.B., Ванин В.К. Частотные характеристики трансформаторов напряжения для защиты генераторов // Энергетика (Изв. высш. учеб. заведений) 1988, №11. С.33-39.

11. Булычев A.B., Ванин В.К. Исследование частотных характеристик трансформаторов тока // Энергетика (Изв. высш. учеб. заведений) 1987. №8. С.16-21.

12. Булычев A.B., Поздеев Н.Д. Адаптивная токовая зашита электродвигателей // Сборник научных трудов института в 2-х томах: Т.1. -Вологда: ВоПИ. 1997. С.72-76.

13. Булычев A.B. Выявление дефектов в механической частя асинхронного электродвигателя II Сборник научных трудов. -Вологда: ВоПИ, 1995. С. 18-24.

14. Булычев A.B., Ванин В.К., Соловьев А.Л., Терешкин A.B. Зашита электродвигателей переменного тока и диагностика их электрических параметров//Электромеханика (Изв. высш. учеб. заведений). №1-2. С. 115.

15. Булычев A.B., Ванин В.К., Павлов Г.М., Шмурьев В.Я. Комплексная система защиты турбогенераторов // Труды ЛПИ №399.1984. С. 76-82.

16. Булычев A.B., Ванин В.К., Шмурьев В.Я. Особенности построения измерительной части комплексной системы защиты генератора // Депонирована Информэлектро. №25 ЭТ-84. 1984,17 с.

17. Ванин В.К., Шмурьев В.Я., Булычев A.B. Некоторые особенности построения измерительной части комплексной защиты генератора // Электромеханические и электромагнитные, элементы систем управления. Межвузовский сборник. -Уфа: УАИ, 1983. С. 38-42. .

18. Булычев A.B., Ванин В.К. Активный преобразователь ток-напряжение для устройств релейной защиты на интегральных микросхемах // Тиристоры и интегральные микросхемы в устройствах электроснабжения. Межвузовский сборник. -Л.: СЗПИ, 1984. С. 3-7.

19. Булычев A.B., Ванин В.К., Носенко М.А., Соловьев А.Л., Терешкин A.B. Исследование коммутационного метода контроля изоляции и защиты генератора, работающего в блоке с трансформатором, от однофазных замыканий на землю в обмотках статора // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на предприятиях и ТЭС. Межвузовский сборник научных трудов. -СПб.:СПбГТУ РП, 1997.

20. Булычев A.B., Третьяков В.Л. Устройство для защиты электродвигателя от перегрузки. A.C. СССР №1374325.

21. Булычев A.B., Ванин В.К. Активный преобразователь. A.C. СССР №1126887.

22. Булычев A.B., Ворохобин С.Б., Таджибаев А.И. Устройство для моделирования перемежающихся дуговых замыканий. A.C. СССР №1149285.

23. Булычев A.B., Кулаков Е.В., Третьяков В.Л. Способ защиты асинхронного электродвигателя от перегрузки. А. с. СССР №1642548.

24. Булычев A.B., Булычев C.B., Воронов С.Г. Устройство для моделирования перемежающихся дуговых замыканий. A.c. СССР №1536407.

25. Булычев A.B., Ванин В.К., Таджибаев А.И., Щмурьев В.Я. Устройство для релейной защиты блока генератор-трансформатор от увеличения проводимости. A.c. СССР № 1259393.

26. Булычев A.B., Кулаков Е.В., Полушин А.Н. Устройство для защиты асинхронного электродвигателя от разрушения подшипников. Патент РФ на изобретение №2095909.

27. Булычев A.B., Ванин В.К. Способ защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю. Заявка №95117700/09 по которой имеется решение ВНИИГПЭ о выдаче патента РФ на изобретение.

28. Булычев A.B., Ванин В.К. Способ защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю. Заявка №98104683/09 по которой имеется решение ВНИИГПЭ о выдаче патента РФ на изобретение.

29. Булычев A.B. Контроль состояния подшипников асинхронных электродвигателей // Тезисы докладов Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России". -СПб.: СПбГТУ, 1995. С.17.

30. Булычев A.B. Контроль параметров и защита электродвигателей переменного тока // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии в электротехнике к электроэнергетика".-Чебоксары: ЧГУ, 1996. С.20-22.

31. Булычев A.B., Ванин В.К., Соловьев А.Л., Терешкин A.B. Устройство для диагностики и защиты цепей статора генераторов от повреждений на землю // Тезисы докладов семинаров Универсальной электротехнической выставки UNEL-96. -СПб. 1996. С. 8-9.

32. Булычев A.B., Ванин В.К. Преобразователи информации для быстродействующих устройств защиты II Релейная защита и аятоматика электрических систем. Межвузовский сборник.-Рига: РПИ. 1985. С. 79-89.

33. Булычев A.B. Частотные свойства преобразователей тока н напряжения // Тезисы докладов НТК "Опыт применения средств технической диагностики и контроля за состоянием электроэнергетического оборудования", -Иваново: ИЭИ, 1986. С 50-51.

34. Фомин Г.А., Дадажанов Т., Булычев A.B. Защита блочных генераторов с непосредственным водяным охлаждением от замыканий на землю // Тезисы докладов к четвертой НТК. -Вологда: ВоПИ, 1981. С. 53.

35. Булычев A.B., Булычев C.B. Анализ схем отдельных узлов комплексной защиты генератора // Тезисы докладов третьей областной НТК. -Вологда: ВоПИ, 1984. С. 39.

36. Булычев A.B., Ванин В.К., Квитшшкий А.Ю., Кравченко Т.И., Носенко М.А., Соловьев А.Л. Система защиты и диагностики сопротивления изоляции сетей переменного и постоянного тока судовых энергетических систем // Тезисы докладов 6 Международной НТК "Проблемы повышения технического уровня электроэнергетических систем и электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств". -СПб.: ЦНИИСЭТ, 1998. С. 103-104.

37. Булычев A.B., Ванин В.К., Носенко М.А., Терешхии A.B. Алгоритм и контроля изоляции и защиты блока генератор-трансформатор от однофазных замыканий на землю в цепях статора // Тезисы докладоз Всероссийской НТК "Релейная защита и автоматика энсргосистем-98". -М.: ЦЦУ ЕЭС России, 1998. С. 112.

38. Булычев A.B., Поздееа Н.Д. Особенности обработки сигналов о микропроцессорных защитах электродвигателей низкого напряжения // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике. Материалы 2-ой Всероссийской НТК. -Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1998. С. 124-126.

Уч, "

.■А * /5 А / А/

Санкт-Петербургский государственный технический университет

На правах рукописи УДК 621.316.925

БУЛЫЧЕВ Александр Витальевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗАЩИТ БЛОКОВ ГЕНЕРАТОР-ТРАНСФОРМАТОР И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

05.14.02 - Электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант д.т.н., профессор В.К.ВАНИН

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................... 6

1. КОНЦЕПЦИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМ ЗАЩИТЫ БЛОКОВ ГЕНЕРАТОР-ТРАНСФОРМАТОР И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ,............................................................ 12

1.1. Тенденции развития средств защиты

электрооборудования............................................................... 12

1.2. Особенности повреждений электродвигателей

и генераторов........................................................................... 22

1.3. Общие принципы совершенствования систем контроля параметров и защиты

электрооборудования............................................................... 31

1.4. Тепловые характеристики электрических машин

и защита от перегрузок в симметричных режимах

\

работы....................................................................................... 38

1.5. Защита от несимметричных режимов работы

и витковых замыканий............................................................. 46

1.6. Анализ возможностей защит генераторов и электродвигателей

от однофазных замыканий на землю...................................... 51

1.7. Контроль сопротивления изоляции генераторов

с непосредственным водяным охлаждением......................... 57

1.8. Работа защиты с наложением постоянного тока

в переходных режимах............................................................. 65

1.9. Характеристики входных сигналов систем защиты и требования к измерительным преобразователям............... 71

2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТ ПРЕДУПРЕДИТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ-БЛОКА ГЕНЕРАТОР-ТРАНСФОРМАТОР ......................................................................... 82

2.1 Математическая модель контролируемой сети................. 83

2.2 Коммутационный метод контроля изоляции в сети с изолированной нейтралью

на основе несимметричного коммутатора.............................. 85

2.3. Коммутационный метод контроля изоляции сети с изолированной нейтралью

на основе симметричного коммутатора.................................. 96

2.4. Физическое моделирование

процессов контроля изоляции................................................. 107

2.5. Особенности режимов работы первичного оборудования при использовании коммутационных

методов контроля изоляции.................................................... 110

3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ЗАЩИТЬГЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ........................... 115

3.1. Метод контроля механических характеристик асинхронных электродвигателей............................................. 116

3.2. Фильтрация составляющих тока статора асинхронного электродвигателя

для целей контроля механических характеристик.................. 124

3.3. Особенности алгоритмов защит при цифровой обработке сигналов................................................................... 131

3.3.1. Анализ методов определения интегральных значений сигналов....................................... _. 131

3.3.2. Время-импульсный метод представления синусоидальных сигналов............................................... 136

3.4. Алгоритм цифровой защиты

от симметричных перегрузок................................................... 141

3.5. Алгоритмы защиты электродвигателя от перегрева в несимметричных режимах и защиты от витковых коротких замыканий................................................................................. 144

4. СОПРЯЖЕНИЕ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ЗАЩИТЫ С ЗАЩИЩАЕМЫМИ ОБЪЕКТАМИ И АСУ............. 149

4.1. Линейная математическая модель

трансформаторов тока............................................................. 150

4.2. Определение границ области использования линейных моделей ТТ................................................................................ 155

4.3. Погрешности преобразования сигналов релейной защиты трансформаторами тока. Прохождение отрезка синусоидального сигнала через ТТ в линейном режиме....... 158

4.4. Электромагнитные трансформаторы напряжения.......... 172

4.5. Пассивные трансформаторные входные

преобразователи сигналов........................................................ 179

4.6. Активный входной преобразователь ток-напряжение с комбинированной положительной и отрицательной обратной связью....................................................................... 185

4.7. Синтез входных преобразователей сигналов................... 191

5. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗЦОВ СИСТЕМ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И-ГЕНЕРАТОРОВ. РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ............................. 202

5.1. Автоматизированный комплекс защит асинхронных электродвигателей.................................................................... 202

5.2. Программируемая система защиты электродвигателей высокого напряжения.............................................................. 205

5.3. Цифровая система защиты асинхронных электродвигателей низкого напряжения................................. 224

5.4. Исполнение системы контроля изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю........................................... 229

Заключение.............................................................................. 233

Список литературы................................. ........................................... ¡237

Приложения....................................................................................... 255

ВВЕДЕНИЕ

Повышение интенсивности возникновения аварийных ситуаций в энергосистемах, в условиях, когда надежность электроснабжения во многом определяет уязвимость жизнеобеспечения общества, приводит к угрожающему росту опасности их развития в глобальные аварии с катастрофическими последствиями. Ежегодно в отечественных энергосистемах происходит более трехсот отключений базовых источников электроэнергии - турбогенераторов, и выходит из строя от 10% до 25% общего парка наиболее массовых приемников электроэнергии - электродвигателей. Практически, каждый день энергосистемы теряют по одному генератору и несколько тысяч электродвигателей. Это не только огромные материальные убытки, но и высокий риск потери управления процессами.

Подавляющее большинство аварий связано с нарушениями изоляции. Повреждения в цепях статора, как правило, начинаются или сопровождаются однофазными замыканиями на землю и наиболее часто инициируются перегревом обмоток, являющимся следствием перегрузок электрических машин. Обычно электрическому пробою предшествует достаточно длительный процесс старения изоляции, и только в завершающей стадии пробой развивается сравнительно быстро. Поэтому непрерывный контроль состояния изоляции и теплового режима электрических машин практически исключает возможность внезапного повреждения изоляции из-за ее износа и обеспечивает возможность предотвращения развития более тяжелых аварий. Для этих целей необходимы пересмотр требований к системам защиты, разработка новых методов защиты и аппаратных средств на базе современной микроэлектроники, а также существенное расши-

рение их функциональных возможностей в части развития предупредительных функций.

В этих условиях совершенствование защит базовых источников и наиболее массовых приемников электроэнергии энергосистем играет важную роль в достижении требуемой надежности электроснабжения и представляет собой крупную и актуальную научно-техническую проблему.

Исследования по теме диссертации выполнялись в соответствии с целевыми научно-техническими программами "Энергосистема" (п. 03.03.06), "Электрооборудование", "Энергия", научно-техническими программами "Повышение надежности, экономичности и эколо-гичности энергетической системы России", "Конверсия", "Финт-РВО".

Цель работы заключается в разработке и реализации новых высокоэффективных средств релейной защиты основного электрооборудования электрических станций и систем электроснабжения, обладающих свойствами предупредительного действия, предназначенных для использования в составе автоматизированных систем управления (АСУ) технологическими процессами.

Средства релейной защиты традиционно используются для сохранения исправной части энергосистемы в работоспособном состоянии путем быстрого выявления и отключения от сети поврежденного элемента в аварийных ситуациях.

Быстродействие основных защит от наиболее тяжелых видов повреждений приблизилось к такому уровню, когда дальнейшее снижение времени срабатывания требует применения более совершенных сложных методов и технических средств обработки сигналов, учитывающих нестационарность процессов, но не обеспечивает ощутимого снижения объема разрушений и возмущений для энергосистемы.

Поэтому необходимо развивать и другие пути повышения общей эффективности средств релейной защиты.

Хорошие перспективы открывает применение методов раннего обнаружения развивающихся дефектов в защищаемых объектах, которые дают возможность выиграть достаточный запас времени для выработки ответных мер, не требующих экстренных внезапных отключений оборудования.

Снижение перегрузочных возможностей защищаемого оборудования, обусловленное стремлением производителей электрооборудования наиболее интенсивно использовать активные материалы, например, путем повышения индукции в магнитопроводах и плотности тока в обмотках, привело к существенному повышению требований по точности измерения контролируемых параметров и функциональным возможностям средств защиты.

Кроме того, прогресс в области микроэлектроники дает широкие возможности для точных измерений и обработки сигналов.

В этих условиях методы решения задач релейной защиты электрооборудования должны быть адекватны возможностям современной техники обработки сигналов и максимально полно их использовать.

Усилиями ведущих в области релейной защиты коллективов научных школ (МЭИ, ЛПИ, БПИ, НПИ, РИИЖТ, ЧГУ, ИЭИ, ТПИ, ИЭД Украины, Коми филиала АН и др.), научно-исследовательских организаций (ВНИИР, ВНИИ Электромашиностроения, ВНИИЭ, ВЭИ и др.), крупнейших энергосистем (Мосэнерго, Ленэнерго и др.) решены многие научно-технические задачи, связанные с созданием новых средств релейной защиты на элементах микроэлектронной техники. Однако, непрерывный процесс обновления электроэнергетических систем, изменения их структуры и параметров, повышения требований потребителей электроэнергии к ее качеству приводит к

необходимости совершенствовать методы и технические средства релейной защиты. Многие задачи, решенные ранее, в новых условиях приобрели другую значимость и необходим пересмотр решений с позиций новых требований к системам защиты. Труды перечисленных коллективов и других авторов во многом послужили базой при формировании исходных положений диссертации.

В диссертации решена актуальная комплексная научно-техническая проблема совершенствования основного электрооборудования электроэнергетических систем. Созданы новые варианты микроэлектронных защит генераторов и электродвигателей с более совершенными характеристиками (Приложение 1). Разработки завершены организацией серийного производства автоматизированных комплексных систем защиты электродвигателей и созданием опытно-промышленных образцов защит генераторов.

Осуществление этого потребовало решения ряда теоретических задач, наиболее важными из которых являются следующие:

1. Разработка концепции построения систем защиты, интегрированных в АСУ и обладающих новыми свойствами предупредительного действия, повышающими общую эффективность систем защиты.

2. Разработка и совершенствование комплексных систем защиты генераторов и электродвигателей с учетом новых требований, диктуемых необходимостью расширения функциональных возможностей, включения систем релейной защиты в состав АСУ энергетических объектов, применения современной микроэлектронной элементной базы и адекватных ей методов обработки сигналов.

3. Разработка методов и средств контроля изоляции и защиты блоков генератор-трансформатор от однофазных замыканий на землю, обладающих свойствами предупредительного действия и возможностями определения места возникновения повреждения.

4. Разработка методов и средств защиты электрических машин от симметричных и несимметричных перегрузок, позволяющих более точно контролировать опасные эксплуатационные режимы путем реализации более точных математических моделей этих режимов.

5. Решение проблемы сопряжения вновь разрабатываемых микроэлектронных систем защиты с объектами и АСУ.

Первая глава диссертации посвящена анализу состояния решаемой комплексной научно-технической проблемы и разработке концепции построения систем защиты с улучшенными характеристиками в плане предупредительного действия на основе использования более точных математических моделей контролируемых процессов.

Во второй главе рассмотрены методы построения защит блоков генератор-трансформатор, обладающих свойствами предупредительного действия и предназначенных для работы в составе АСУ. Главные усилия направлены прежде всего на совершенствование наиболее значимых защит с наибольшими ресурсами повышения эффективности действия - защит от однофазных замыканий на землю. Предложены методы и алгоритмы защит на основе непрерывного контроля состояния изоляции, обладающие способностью контролировать не только сопротивление изоляции в широком диапазоне его изменения в нормальных условиях работы сети, но и определять характер и место возникновения повреждения изоляции в аварийных ситуациях.

Третья глава посвящена совершенствованию методов и технических средств защиты электродвигателей. Решены задачи совершенствования защит от перегрузок на основе более точных тепловых и механических характеристик машин, в которых использованы уравнения нагрева Фурье-Кирхгофа с учетом реальных параметров окружающей среды и с автоматической настройкой модели по параметрам пробного пуска. С целью дальнейшего развития предупреди-

тельных свойств защиты от симметричных перегрузок асинхронных электродвигателей предложен, разработан и исследован метод контроля механических параметров, позволяющий выявлять развивающиеся механические дефекты в предаварийном состоянии.

В четвертой главе рассмотрены решения проблемы сопряжения микроэлектронных систем защиты с защищаемым оборудованием и АСУ. Исследованы первичные и вторичные измерительные преобразователи сигналов. Оценены предельные метрологические возможности используемых в настоящее время в защитах первичных электромагнитных измерительных трансформаторов, вторичных (промежуточных) входных преобразователей сигналов и предложены новые варианты построения активных входных преобразователей сигналов с улучшенными метрологическими характеристиками.

Пятая глава посвящена реализации основных положений диссертации. Представлены результаты разработки, исследования и опытной эксплуатации образцов защиты электродвигателей и генераторов.

1. КОНЦЕПЦИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМ ЗАЩИТЫ БЛОКОВ ГЕНЕРАТОР-ТРАНСФОРМАТОР И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

1.1. Тенденции развития средств защиты электрооборудования

Задачи релейной защиты в общем виде сводятся к обнаружению повреждений электрооборудования, их идентификации и реорганизации защищаемой электроэнергетической системы с целью сохранения функционирования ее исправной части на требуемом уровне [1, 2].

Действующие тенденции развития методов и технических средств защиты электрооборудования связаны с направлениями технического прогресса в нескольких областях техники: во-первых, в сферах производства и эксплуатации электрооборудования, определяющих свойства и режимы работы защищаемых объектов, во-вторых, в области разработки и производства элементной базы для обработки электрических сигналов.

Надежды, связанные с реализацией концепции повышения надежности электроснабжения, в основном, за счет повышения надежности конструкций электрических машин, действовавшей в 7080 годы, не оправдались в полной мере [3]. Интенсивность отказов и повреждений новых машин осталась на уровне предшественников. Это указывает на необходимость поиска и разработки новых путей повышения эксплуатационной надежности электрических машин за счет расширения функциональных возможностей^ средств эксплуатационного текущего контроля состояния, защиты и диагностики [5].

Надежность крупных турбогенераторов во многом определяется технологическими трудностями, в частности, изготовления крупногабаритных поковок для роторов и тонких поковок большого диаметра для роторных бандажей, от которых требуется очень высокая прочность. Предельные габаритные размеры

ограничиваются также и условиями транспортировок по железным дорогам.

Поэтому с ростом мощности значительно возрастает удельная мощность, приходящаяся на единицу объема машины. Так, в турбогенераторах мощностью 100 МВт с косвенным охлаждением, она составляла 8,5 МВА/м3, а в новых турбогенераторах мощностью 1200 МВт достигла 21,1 МВт/м3 [6]. Расход меди снизился с 0,11 кг/кВА до 0,019 кг/кВА, а электротехнической стали - с 0,77 кг/кВА до