ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Талеб Ахмед Асдо

(Сірія)

УДК 621.311

НЕПОВНОФАЗНІ РЕЖИМИ РОБОТИ І ЗАХИСТ

АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ ВЛАСНИХ

ПОТРЕБ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ

Спеціальність 05.14.02. - Електричні станції, мережі і системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк – 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому державному технічному університеті

Міністерство освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Сивокобиленко Віталій Федорович, Донецький державний технічний університет, завідувач кафедри електричних станцій,

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Жуков Станіслав Федорович, Приазовський державний технічний університет, завідувач кафедри автоматизації електроенергетичних систем, електроприводу і електротехніки,

кандидат технічних наук Шинкаренко Гліб Васильович, Національна енергетична компанія України, Донбаська електрична система, керівник цеху дослідних конструкцій і систем діагностики

Провідна установа - Харківський державний політехнічний університет, кафедра електричних станцій, Міністерство освіти і науки України, м. Харків

Захист відбудеться " 02 " листопада “ 2000 р. о 13 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради К11.052.02 в Донецькому державному технічному університеті за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 1 навчальний корпус, ауд. 201.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ДонДТУ (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2 навчальний корпус).

Автореферат розісланий " 29 " 09 “ 2000р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

К11.052.02, к.т.н. доц. Ларін А.М

Підпис

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У системах електропостачання власних потреб (в.п.) електричних станцій і промислових підприємств широко застосовуються асинхронні двигуни (АД) із короткозамкненим ротором одиничною потужністю 200 - 8000 кВт на напрузі 6 - 10 кВ і до 200 кВт на напрузі 380 - 500 В. У таких системах електропостачання часто виникають режими роботи, коли має місце несиметрія фазних і лінійних напруг. При цьому найбільшу небезпеку для АД представляють напруги і струми зворотної послідовності, тому що вони викликають додатковий нагрів обмоток статора і ротора АД, що може призвести до виходу останніх із ладу. Найбільшу небезпеку для АД представляють неповнофазні режими при цілком обірваній одній із фаз напруги живлення. Тривала робота АД в цьому режимі не допускається через додаткове нагрівання обмоток статора і ротора і можливого ушкодження АД.

Для розглянутих систем електропостачання в ПУЕ не передбачається захист від неповнофазних режимів АД, хоча досвід експлуатації вказує на його крайню необхідність. Крім того, відсутність захисту від цих режимів на пуско-резервних трансформаторах може призвести до затяжного самозапуску двигунів у випадку автоматичного переключення живлення на трансформатор із неповнофазним живленням. Виникають також ускладнення з вибором уставок за часом захистів АД від неповнофазного режиму (НПР). Є позитивний досвід експлуатації захисту АД від НПР, заснованого на використанні струмів зворотної послідовності (Гимоян Г.С. і ін.), однак така апаратура серійно не випускається.

Відомі розрахункові методи аналізу неповнофазних режимів (Чернін А.Б., Авербух А. М., Лосєв С. Б., Адонц Г. Т., Лугинський Я. Н., Сиромятніков І.А. і ін.) засновані на ряді допущень і не дозволяють із достатньою точністю визначити втрати і нагрів обмоток статора і ротора, особливо для глибокопазних АД, параметри яких через витиснення струму в роторі залежать від частоти струму у роторі і рівня напруги. Таким чином для систем електропостачання з глибокопазними АД удосконалювання методів розрахунку і пристроїв релейного захисту (РЗ) від неповнофазних режимів є актуальним. Особливу актуальність ці питання представляють для Сірійської Арабської Республіки (САР), у якій знаходяться в експлуатації блоки 200 і 300 МВт і досить часто виникають несиметричні і неповнофазні режими в системах робочого і, особливо, резервного живлення власних потреб. В інших країнах США, Франції, Японії і ін. захист від НПР високовольтних АД виконується, як правило, в складі комплексних мікропроцесорних пристроїв.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає тематиці науково-дослідних робіт кафедри електричних станцій ДонДТУ. Автор приймав участь у виконанні держбюджетної теми Н-7-9 «Розробка математичної моделі електричної станції для аналізу струмів короткого замикання».

Мета та задачі досліджения. Мета работи - підвищення надійності роботи систем електропостачання в.п. електричних станцій при виникненні неповнофазних режимів за рахунок удосконалювання методів аналізу і пристроїв захисту від цих режимів глибокопазних АД і живлючих трансформаторів.

Для цього треба роз`язати наступні задачі:

1. Розробка методу визначення параметрів заступної схеми АД власних потреб електричних станцій для аналізу неповнофазних режимів по вихідним каталожним або експериментальним даним.

2. Розробка методу розрахунку втрат і температури нагрівання обмоток АД в несиметричних і неповнофазних режимах з урахуванням ефекту витиснення струму в роторі.

3. Розробка математичної моделі для аналізу поведінки групи АД при неповнофазному режимі.

4. Аналіз режимів пуску і групового самозапуску АД при неповнофазних режимах в мережі живлення.

5. Розробка пристроїв РЗ від обриву фази в мережі живлення для АД і для трансформаторів, що живлять двигунне навантаження.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях теорії режимів роботи електричних систем і електростанцій, теорії перехідних і стаціонарних режимів роботи машин змінного струму, на основах теорії РЗ елементів електроенергетичних систем, чисельних методах аналізу й обчислювальної техніки в системах електропостачання. Експериментальні дослідження виконані із застосуванням апробованих методів обробки даних.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Встановлено взаємозв'язок між каталожними даними і параметрами заступної схеми глибокопазного АД для аналізу неповнофазних режимів в електричних системах, при цьому параметри знаходять за умови найкращого збігу вихідних і розрахункових пускових характеристик двигуна, знайдених з урахуванням втрат у сталі й ефекту витиснення струму в роторі.

2. Розроблено математичну модель багатомашинної системи електропостачання в.п. електростанцій, що відрізняється використанням у ній заступної схеми АД, синтезованої по частотним характеристикам вхідних провідностей, і яка дозволяє виконувати аналіз поведінки двигунів у неповнофазних режимах на основі розрахункових значень напруг і струмів прямої, зворотної і нульової послідовностей у будь-якій точці мережі й у живлючих трансформаторах, а також струмів і втрат потужності в АД.

3. Встановлено залежності допустимої тривалості роботи асинхронних електродвигунів у несиметричних режимах у функції струмів і напруг зворотної послідовності, коефіцієнтів завантаження і параметрів мережі живлення.

4. Запропоновано новий принцип дії релейного захисту асинхронних двигунів в.п. 6 кВ від неповнофазних режимів, заснований на контролі суми і різниці фазних струмів АД, що відрізняється більш високою чутливістю і вимагає контролю струмів тільки в двох фазах.

5. Запропоновано принцип виявлення неповнофазного режиму пуско-резервного трансформатора, заснованого на котролі струму і напруги в колі заземлення нейтралі обмотки високоі напруги, який дозволяє знизити струми зворотної послідовності в асинхронних двигунах власних потреб при обриві

фази в мережі живлення за рахунок автоматичного вмикання короткозамикача в колі нейтралі трансформатора.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Математична модель дозволяє виконати аналіз неповнофазних режимів в.п. теплових електростанцій (ТЕС) із блоками одиничної потужності і визначити допустиму тривалість роботи АД в неповнофазних режимах за умовами нагрівання, а також розрахувати уставки пристроїв РЗ і автоматики.

2. Результати аналізу для власних потреб блоків 200 і 300 МВт. становлять інтерес для науковців і інженерно-технічного персоналу проектних організацій і електростанцій Сірійської Арабської Республіки й інших держав, що займаються питаннями проектування й експлуатації електростанцій із блоками зазначеної вище потужності.

3. Наведені в роботі схеми пристроїв РЗ від неповнофазного режиму можуть бути застосовані на електростанціях і на промислових підприємствах для підвищення надійності роботи систем електропостачання з АД.

Математична модель для аналізу неповнофазних режимів використовується в навчальному процесі при виконанні курсових і дипломних проектів студентами спеціальності “Електричні станції”. Документація зі схемою пристроїв РЗ і автоматики передана на електричні станції системи “Донбасенерго“ для впровадження.

Апробація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи доповідались на п'ятій міжнародній науково-технічній конференції “Контроль і управління в складних системах” (Україна, м. Вінниця, 3-5 лютого 1999р.), XXI сесії семінара “Кібернетика електричних систем” за тематикою “Електропостачння промислових підприємств” (Росія, м. Новочеркаськ, 5–8 жовтня 1999р.) і міжнародній науково-технічній конференції “Керування режимами роботи об'єктів електричних систем - 2000” (Україна, м. Донецьк 5 - 7 вересня 2000р.), а також на щорічних науково-технічних конференціях аспірантів електротехнічного факультету ДонДТУ, 1997 - 1999р.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 7 наукових робіт, у тому числі 4 у фахових виданнях України.

Структура та обсяг роботи Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 118 найменувань, включає 68 рисунків, та 30 таблиць і додатків на 46 сторінках. Основний зміст дисертації викладено на 135 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі досліджень і розробок. Приведено загальну характеристику роботи.

В першому розділі (Стан питання і задачі дослідження) виконано короткий огляд і відзначено особливості систем електропостачанні в.п. електростанцій. Основними споживачами в системі в.п. є трифазні АД з короткозамкненим ротором. З метою поліпшення пускових характеристик стріжні ротора АД виконуються прямокутної, трапецеідальної або пляшкової форми. Активний і індуктивний опір ротора таких АД значною мірою залежить від ковзання. У роботі показано, що неврахування цього явища при неповнофазних режимах в існуючих роботах призводить до значних похибок при оцінці втрат у роторі і визначенні допустимої тривалості цих режимів. Обриви фаз можуть відбуватися як у ланцюзі живлення окремого двигуна, так і групи двигунів.

Приведено огляд пристроїв захисту від неповнофазного режиму застосовуваних у теперішній час. В основному вони базуються на використанні фільтрів струмів і напруг зворотної послідовності. Існуючі пристрої захисту від неповнофазних режимів для групи двигунів не мають достатньої чутливості і вимагають удосконалення. Виникає також необхідність удосконалення методів аналізу неповнофазних режимів двигунного навантаження із метою забезпечення кращої збіжності результатів розрахунків з даними натурних експериментів. На електричних станціях має місце проблема з виявленням неповнофазного режиму резервного трансформатора, якщо він знаходиться у режимі неробочого ходу (н.х.). Підключення до цього трансформатора двигунного навантаження при роботі АВР призводить до неуспішного його самозапуску і можливого ушкодження. На закінчення розділу сформульовані задачі досліджень.

Другий розділ (Розробка математичної моделі й аналіз неповнофазних режимів роботи двигунів власних потреб) присвячений визначенню параметрів заступних схем АД, розробці алгоритму розрахунку неповнофазного режиму і методу аналізу втрат АД при обриві фаз. Методам визначення параметрів заступних схем по каталожним даним присвячена велика кількість робіт, однак у них, як правило, не враховуються ефект витиснення струму в роторі і втрати в сталі. З цією метою визначемо такі параметри заступних схеми АД, щоб розраховані по ним номінальний струм статора Iн (при Sн), пусковий струм статора Ip (при S=1), а також номінальний момент Мн (при Sн), пусковий Mp (при S=1) і максимальний Mmax (при Sкр) моменти і коефіцієнт корисної дії ККД (при Sн) збіглися з каталожними даними. Тому що заступна схема двигуна механічні втрати не враховує, то задане значення ККД збільшимо на величину механічних втрат, які із деяким наближенням можна прийняти рівними, в залежності від потужності двигуна і типу механізму, в межах від 0,05 до 0,25 від загальних втрат. Шукані параметри еквівалентної двоклітинної заступної схеми АД для верхньої клітини ротора (Rrв, Xrв), для нижньої (Rrн, Xrн) і гілки намагнічування (Rm, Xm) будемо знаходити з рішення наступної системи нелінійних рівнянь (1) з обмеженнями (2):

,

,

,

, (1)

,

,

,

, , ,

, , ,

де опір і струм статора та момент находимо як:

Rs @ Sн, Xs=1/2.Ip, =/, ,

Для рішення системи рівнянь (1) з обмеженнями (2) розроблено алгоритм і програму розрахунку на Mathcad.

По каталожним даним двигунів в.п. блоків 200 і 300 МВт розробленим методом найдені параметри заступних схем. Отримано практично повний збіг розрахованих за заступною схемою струмів статора і момента АД з каталожними даними.

Для принципової схеми живлення двигунів в.п. від резервного джерела живлення (рис. 1) заступну схему в режимі обриву фази представимо у вигляді показаному на рисунку 2.

Як відомо, мережі 110 кВ і вище працюють із глухозаземленими нейтралями силових трансформаторів. Для обмеження рівнів струмів при короткому замиканні однієї або двох фаз на землю нейтралі деяких понижуючих трансформаторів не заземлюють. При цьому в ряді енергосистем неодноразово спостерігалися випадки надмірного нагрівання й ушкодження АД 6 - 10 кВ у споживачів або в системах в.п. електростанцій при неповнофазних режимах через обрив проводів на лініях електропередачі в живлючій мережі (рис. 1).

У приведеній схемі опори прямої послідовності системи, що живлять лінії, трансформатори і двигуни в.п., включені послідовно з паралельно включеними між собою опорами зворотної і нульової послідовностей зазначених елементів.

При відомих опорах для струмів прямої, зворотної і нульової послідовностей для системи (Zc1, Zc2, Zc0), що живить лінію ЛЕП (Zл1=Zл2=Zл, Zл0), силового трансформатора (Zт1=Zт2=Zт, Zт0) із приведеної схеми (рис. 2) можна визначити струми прямої, зворотної і нульової послідовностей у кожному з двигунів, обмотках трансформатора і лінії електропередачі.

Розрахунок ведеться методом ітерацій. Для прийнятих початкових наближень Uш1, Uш2 обчислюємо обертаючий момент прямої і зворотної послідовностей M1 і M2 для кожного АД. За умови рівності їхньої різниці моменту опору знаходимо ковзання, опори, струми кожного з АД, секції, трансформатора. Уточнюємо напруги Uш1, Uш2 і т.д. до одержання заданої точності.

Втрати в статорі , роторі і в сталі кожного АД в неповнофазних режимах знаходимо, вирахувавши падіння напруги на роторі , , із використанням вхідних опорів АД , для струмів прямої і зворотної послідовностей.

Розглянута методика дозволяє визначити втрати в АД при наявності несиметрії в живлючій мережі, і передбачити відповідні пристрої для захисту від цих режимів.

Розрахунки проведені для схеми електропостачання (рис.1) стосовно до блока 200 МВт із резервним трансформатором в.п. ТРДН - 32000/110 потужністю 32 МВА, Uк=10 в.о., що живить лінію 110 кВ протяжністю 20 км, показали, що в трансформаторі струми прямої і зворотної послідовностей складають: I1 = 48,74 А, I2 = 10,42 А а напруги прямої і зворотної послідовностей U1 = 0,963 в.о., U2 = 0,027 в.о., для випадку коли нейтраль трансформатора заземлена і I1=43,29 А, I2=43,29А, U1=0,855 в.о., U2=0,114 в.о., коли нейтраль трансформатора розземлена (табл. 1).

Для кожного з АД отримані втрати в статорі, роторі, сталі, сумарні втрати, струм і напруги прямої і зворотної послідовностей і ковзання до обриву однієї фази трансформатора живлення і після обриву для двох випадків: коли нейтраль трансформатора заземлена і розземлена. Результати показані в табл. 2.

Як видно з табл. 2, втрати в роторі окремих двигунах зростають у 2 - 10 рази, ковзання в 2 - 3 рази, напруга прямої послідовності знижується, а зворотної послідовності зростає. Отримані дані дозволяють вибрати уставки пристроїв РЗ, принцип дії яких заснований на використанні симетричних складових струмів і напруги. При заземленій нейтралі резервного трансформатора і при обриві фази АД випробують менше перевантаження ніж при розземленій.

У третьому розділі (Динамічні характеристики пуску і самозапуску асинхронних двигунів при несиметричній живлячій напрузі) виконан аналіз режимів пуску і самозапуску АД при обриві фази в ланцюзі трансформатора або окремих двигунів, який робився з використанням математичної моделі, заснованої на повних диференційних рівняннях АД, записаних для струмів і напруг прямої і зворотної послідовностей, а також із використанням диференційних рівнянь для кількості тепла, що виділяється в статорі і роторі:

,

,

,

,

,

,

,

,

,

Обрив фаз може відбутися як до режиму пуску і самозапуску АД, так і в процесі цих режимів.

Результати моделювання показали, що вже при коефіцієнті навантаження АД більш 0,3, режим пуску і самозапуску АД при НПР як правило неуспішний. У двигуні при такому пуску виникає динамічний момент, який змінюється від

- 1,1 Мн до 1,2 Мн при його середньому значенні близькому до нуля, швидкість обертання практично не зростає, струм статора складає 5 Iн.

Зроблено висновки про неуспішність режимів пуску і самозапуску навантажених асинхронних двигунів при обриві фази в живлючій мережі.

Температура нагрівання обмоток у несиметричних режимах визначається за допомогою диференційних рівнянь шляхом знаходження кількості тепла, що виділяється в обмотках статора і ротора. Гранично допустимі температура і кількість тепла в обмотках приймаються за результатами моделювання двох пусків підряд із холодного стану двигуна від номінальної симетричної напруги.

При моделюванні різного ступеня несиметрії напруги, якщо відома допустима температура, знаходимо витримки часу захистів від неповнофазних режимів. (Так, наприклад, для двигуна типу ВВД 213/54-16 потужністю 1700 кВт Tдоп= 220 єС , tдоп = 20 cек.)

По викладеній методиці складена комп'ютерна програма, що дозволяє для будь-якого типу двигуна по його каталожним даним визначити допустиму витримку часу будь-якого типу запропонованих захистів від неповнофазних режимів, що реагують на зникнення струму у фазі або на появу струму, або напруги зворотної послідовності.

Отримано значення допустимого часу подачі несиметричної напруги на двигун за умови досягнення граничної температури нагрівання статора і ротора. Цей час використовується для уточнення уставок захисту.

У четвертому розділі (Розробка пристроїв захисту від обриву фази в системі власних потреб ЕС) показано, що існуючі пристрої релейного захисту двигунів - максимальний струмовий захист від перевантаження і від струмів короткого замикання, виконані відповідно до керівних указівок, як правило, не мають необхідну чутливість і не захищають двигуни від неповнофазних режимів. Вихід із ладу двигуна великої одиничної потужності (понад 1000 кВт)

приводить до припинення роботи блока і значного економічного збитку.

У даному розділі викладені результати розробки захисту АД 6 кВ і живлючих трансформаторів в.п. електростанцій від обриву фази в живлючій мережі або в ланцюзі двигуна. У розроблених схемах захисту використовується серійно випускаєма апаратура, що полегшує впровадження розробок.

Як правило, у ланцюзі статора АД установлені трансформатори струму тільки в двох фазах, при цьому один із сердечників використовується для вимірів, а іншій для захисту, включеного на різницю струмів двох фаз. У цьому випадку запропоновано виконувати захист від обриву фази за схемою рис. 3. , у якій використовують існуючу схему струмових ланцюгів захисту від перевантаження і максимальної струмової відсічки (реле КАО) АД, із включенням трансформаторів струму на різницю струмів фаз А и С. Захист від обриву фаз тут виконується за допомогою трьох струмових реле, два з яких КАА і КАС мають по одній струмовій обмотці і включені на фазні струми А и С, а третє КАВ складається з двох струмових котушок, одна з яких включена на струм фази А, із прямою полярністю, а інша на струм фази С, із зворотною полярністю. Завдяки цьому результуючі ампервитки цього реле пропорційні різниці струмів фаз А і С у нормальному режимі і сумі двох струмів при обриві фази В. Можливо також застосування для цієї цілі серійного реле типу РНТ-565.

Розглянуті захисти дозволяють здійснити захист АД тільки у випадку обриву фази в ланцюзі статора двигуна. Якщо ж обрив відбувається на ЛЕП, то захисти двигунів можуть не працювати, тому що повного зникнення струму хоча б в одній із фаз АД не відбувається через схему з'єднання в трикутник обмоток живлючого трансформатора. Розрахунково-експериментальні дослідження неповнофазних режимів роботи двигунів в.п. ТЕС із блоками потужністю 200 і 300 МВт показали, що при обриві однієї з фаз ЛЕП 110 кВ, що живить пуско-резервний трансформатор, струми фаз статора двигунів складають від 60 до 180 % номінального, а струми зворотної послідовності 12 - 15 % номінального (табл. 2, 3).

Найбільш часто неповнофазні режими (НПР) виникають при обриві провода на ЛЕП, яка живить пуско-резервний трансформатор. Останній може знаходитися в режимі н.х. або навантаження. Переключення живлення двигунів від АВР на ПРТ у першому випадку може призвести до неуспішного самозапуску двигунів і їхнього ушкодження.

Розроблено пристрій сигналізації неповнофазного режиму трансформатора (ПСНРТ), заснований на виявленні струму або напруги в ланцюзі нейтралі обмотки ВН трансформатора. У ланцюзі нейтралі обмотки ВН запропоновано встановити короткозамикач з автоматичним його вмиканням при обриві фази на ЛЕП (рис. 4), завдяки чому різко знижується несиметрія струмів у двигунах.

Для захисту від НПР трансформатора, що процює під навантаженням, запропоновано більш ефективний варіант захисту, заснований тільки на контролі фазних струмів у трансформаторі на стороні ВН (рис. 4, реле КАА, КАВ, КАС). Ці реле мають уставку спрацьовування порядку (0,075 – 0,1) Iн трансформатора і дозволяють при зникненні струму в одній із фаз і наявності в двох інших фазах запустити реле часу КТ, подати команду на вмикання короткозамикача QK і отримати сигнал про обрив фази. Одночасне розмикання контактів реле КАА, КАВ, КАС використовується для виводу з роботи захисту н.х. як тільки з'явиться навантаження на трансформаторі.

ПСНРТ складається з:

- трансформатора струму ТА4 (рис. 4), у якості якого з метою підвищення чутливості використовується трансформатор струму нульової послідовності типу ТНП із реле струму КА на його виході типу (РТЗ - 51 або

РТ – 40 / 0,2) і який включений послідовно з короткозамикачем QK у ланцюзі заземлення нейтралі обмотки вищої напруги ПРТ. Завдяки цьому представляється можливість забезпечити спрацьовування реле струму КА при обриві фази на ЛЕП і протіканні струму н.х. трансформатора в нейтралі, що може складати 0,6 – 1,2 А.

- трансформатора напруги TV3, у ролі якого використовують однофазний трансформатор напруги типу ТНФ, що підключений паралельно до короткозамикача QK із реле максимальної напруги KU на виході. При заземленій нейтралі ПРТ обрив фази на живлючій ЛЕП контролюється по струму, а при розземленій - по напрузі в нейтралі.

Реле КА, підключене до виходу ТА4, завдяки високій чутливості дозволяє забезпечити його надійне спрацьовування при струмах неробочого ходу ПРТ. Щоб виключити появу цього сигналу при навантаженні ПРТ через можливу несимметрію, додано струмове блокування, що складається з трьох струмових реле КАА, КАВ, КАС, підключених до трансформаторів струму ТА3, встановлених у ланцюзі ПРТ на стороні ВН.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі дане нове рішення актуальної наукової задачі встановлення закономірностей поведінки асинхронних двигунів (АД) власних потреб (в.п.) електростанцій при обриві фаз у живлючій мережі і розробки захисту від цих режимів, що дозволить підвищити надійність експлуатації електричних станцій.

Струми в ланцюзі трансформатора ТРДН – 32000 / 110 і напруга на збірних шинах 6 - 110 кВ Таблиця 1 При обриві фази в мережі живлення. (В чисельнику – розрахунки, в знаменнику – дані експерименту).

Режим Нейтралі 110 кВ обмотки трансформатора Послідовність

Пряма Зворотна Нульова

Струм, А Напруга, в.о. Струм, А Напруга, в.о. Струм, А Напруга, в.о.

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 - -

110 кВ 43,29 / 44,65 43,29 / 44,65

Струми в двигунах в.п. блока 300 МВт у нормальному режимі і при обриві фази в живлючій мережі Таблиця 3

Нейтраль Двигун Номінальна потужність (кВт) Струми статора двигунів, (в.о.)

доаварій- ний режим при обриві фази в ланцюзі живлючої мережі

фаза А фаза В фаза С прямої пос-ті зворотної пос-ті

Розземлена Бустерний насос 500 0.926 1.053 1.974 0.972 1.119 0.855

Димосос 1700 0.935 0.91 1.798 0.991 1.077 0.722

Конденсатний насос 500 0.972 0.827 2.087 1.333 1.209 0.900

Живлючій електронасос 8000 0.555 0.809 1.485 0.723 0.633 0.825

Димосос рециркуляції газів 630 0.931 1.072 2.045 0.987 1.092 0.954

Циркуляційний насос 1000 0.967 0.963 1.977 1.070 1.125 0.853

Дуттєвий вентилятор-2 625 1.029 1.146 2.447 1.325 1.127 1.323

Мірошницький вентилятор 1250 0.931 0.994 1.959 1.012 1.104 0.854

Насос змивний високонапорний 250 0.964 0.999 1.982 1.047 1.137 0.845

Заземлена Бустерний насос 500 0.926 0.887 1.091 0.880 0.947 0.145

Димосос 1700 0.935 0.879 1.070 0.909 0.948 0.122

Конденсатний насос 500 0.972 0.886 1.140 0.977 0.995 0.152

Живлючій електронасос 8000 0.555 0.500 0.707 0.513 0.563 0.144

Димосос рециркуляції газів 630 0.931 0.875 1.109 0.881 0.947 0.161

Циркуляційний насос 1000 0.967 0.901 1.125 0.937 0.982 0.144

Дуттєвий вентилятор-2 625 1.029 0.902 1.256 0.990 1.036 0.224

Мірошницький вентилятор 1250 0.931 0.877 1.093 0.893 0.948 0.144

Насос змивний високонапорний 250 0.964 0.908 1.124 0.930 0.982 0.143

Втрати в статорі, роторі, сталі, сумарні втрати, струм і напруга прямої і зворотної Таблиця 2 послідовностей і ковзання в двигунах в.п. блока 200 МВт (коефіцієнти навантаження - 0.85, Режим 1 - до обриву однієї фази живлючого трансформатора.; 2 - після обриву, нейтраль заземлена; 3 - після обриву, нейтраль розземлена).

Pн Режим S SDR Id1 U1 Id2 U2

(кВт) (в.о.) (%) (%) (%) (%) (в.о.) (в.о.) (в.о.) (в.о.)

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

1. Розроблено спосіб визначення параметрів заступних схем глибокопазних АД власних потреб для аналізу неповнофазних режимів, що відрізняється урахуванням втрат у сталі й ефекту витиснення струмів у роторі, у якому параметри знаходяться по каталожним або експериментальним даним з умови найкращого збігу вихідних і розрахункових характеристик двигуна. Особливістю запропонованих заступних схем є правильне відображення опорів ротора струмам частоти ковзання, промислової частоти і подвоєної промислової. За допомогою розробленого способу для двигунів в.п. блоків 200 і 300 МВт створений каталог параметрів заступних схем.

2. Розроблено алгоритм і програму розрахунку на Mathcad PLUS 7.0 математичної моделі багатомашинної системи електропостачання в.п. електростанцій для розрахунку неповнофазних режимів і визначення напруг і струмів прямої, зворотної і нульової послідовностей у будь-якій точці мережі і трансформаторах живлення, а також втрат потужності, що відрізняється використанням у ній заступних схем АД, синтезованих по частотним характеристикам вхідних провідностей.

3. Встановлено залежності втрат у міді і сталі статора і ротора АД, а також струмів і напруг зворотної і нульової послідовностей у функції коефіцієнтів навантаження двигунів і параметрів живлючої мережі, що дозволяє визначати допустиму тривалість роботи електроустаткування в несиметричних режимах. Показано, що при обриві фаз живлючої мережі втрати в роторі АД зростають у 5 - 10 разів, струм і напруга прямої і зворотної послідовностей зростають у 2 - 3 рази.

4. За допомогою математичної моделі, що заснована на повних диференційних рівняннях АД, виконано аналіз динамічних режимів пуску і самозапуску АД при обриві фаз у живлючій мережі. Показано, що в таких режимах щоб уникнути ушкоджень АД, їх необхідно відключати захистом, тому що струм зростає в 2 -3 рази, момент у 2 рази, а швидкість обертання практично не змінюється. Розроблено методику визначення допустимого часу роботи АД власних потреб при несиметрії напруг у живлючій мережі для навантажувального режиму роботи АД, режиму пуску і самозапуску.

5. Розроблено пристрої РЗ від неповнофазного режиму роботи, засновані на контролі суми і різниці фазних струмів і які відрізняються більш високою чутливістю як у режимі роботи трансформатора з глухозаземленою, так і з розземленною нейтраллю. Пристрої можуть бути підключені до встановленого на діючих ТЕС трансформаторів струму і не потребують додаткової установки останніх.

6. Розроблено принцип виявлення неповнофазного режиму пуско-резервного трансформатора, заснований на контролі струму і напруги в ланцюзі заземлення нейтралі обмотки вищої напруги і запропоновано при виникненні неповнофазних режимів автоматичне вмикання короткозамикача в ланцюзі нейтралі трансформатора для зниження струмів зворотної послідовності в асинхронних двигунах власних потреб.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

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., Асдо 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. Збірник наукових праць ДонДТУ (Серія: електротехніка і 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 // Праці п'ятоi мiжнародноi наук.-техн. конф. «Контроль i управлiння в складних системах». — Том 3 .— Вiнниця: Унiверсум-Вiнниця, 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). — Новочеркасcк, 1999р.

7. Сивокобыленко В. Ф., Асдо Талеб Ахмед. Определение выдержки времени защиты от неполнофазных режимов асинхронных двигателей и

пускорезервных трансформаторов. // Тезіси міжнародної науково-технічної конференції “Керування режимами роботи об'єктів електричних систем - 2000” — Донецьк, 2000р.

Особистий внесок: в [1] - методика розрахунку параметрів глибокопазного асинхронного двигуна при обриві фазного проводу; в [2] - спосіб уточнення параметрів заступних схем АД, алгоритм і програма розрахунку втрат у АД в неповнофазних режимах; у [3] - розрахунково-експериментальне дослідження способів захисту двигунів в.п. від обриву фаз у мережі; у [4] - схема виявлення обриву фази на ЛЕП, що живить пуско-резервний трансформатор, що знаходиться в режимі “очікування” і спосіб захисту навантаженого трансформатора в неповнофазному режимі, у [5] - метод, алгоритм і програма розрахунку втрат потужності в системі електропостачання в.п. у неповнофазних режимах, у [6] – обробка результатів лабораторних дослідів двигунів, в [7] – оброка розрахуннових експериментів для кривих допустимого часу работи 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 не- успешному 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.

АНОТАЦІЯ

Талеб Ахмед Асдо. Неповнофазнi режими роботи i захист асинхронних двигунів власних потреб електростанцій - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спецiальнicтю 05.14.02 - електричні станції, мережі та системи. Донецький державний технічний університет, Донецьк, 2000.

Дисертація присвячена розробцi методiв аналiзу неповнофазних режимів у системах електропостачання власних потреб електростанцій, у яких застосовуються короткозамкнутi асинхроннi двигуни з глибокопазними роторами. Для цього типу двигунів викладений метод синтезу параметрів заступних схем враховуючих витиснення струму в роторі в неповнофазних режимах. Синтез проводиться на основi каталожних або експериментальних даних методом мiнiмiзацii. З використанням цих заступних схем розроблена математична модель і виконано аналіз неповнофазних режимів