CC BY
73
УДК 621.316.9: 621.313.13
О ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РЕЛЕЙНОЙ
ЗАЩИТЫ И ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЕМ ВЫШЕ 1 КВ ДЛЯ СОБСТВЕННЫХ НУЖД АЭС
Описаны результаты разработок устройств релейной защиты и диагностики электродвигателей напряжением выше 1 кВ собственных нужд тепловых и атомных электростанций. Указанные разработки выполнены в соответствии с новой концепцией защиты мощных электродвигателей: минимизация размеров повреждений при повреждениях и предотвращение повреждений при опасных ненормальных режимах. Обоснована целесообразность создания интегрированных защитно-диагностических устройств для электродвигателей.
Ключевые слова: электродвигатель, напряжение выше 1 кВ, собственные нужды, АЭС, релейная защита, диагностика, защитно-диагностическое устройство.
The results of development of relay protection devices and troubleshooting of electric motor with voltage higher than 1 kW of nuclear and thermal power plants' auxiliaries are described. This development is done according to the new concept of integral-hp motors protection: minimization the damages and their prevention in the case of dangerous abnormal regimes. Reasonability of creation of integrated protective diagnostic devices for electric motors is grounded on.
Keywords: electric motor, voltage higher than 1 kW, auxiliaries, nuclear power plant, relay protection, diagnostics, protective diagnostic device.
Действующие Правила устройства электроустановок [1] регламентируют оснащение электродвигателей напряжением выше 1 кВ (ЭД) устройствами защиты от коротких замыканий, замыканий на землю, перегрузки и потери питания. Синхронные ЭД дополнительно должны быть оснащены защитой от асинхронного режима, совмещенной с защитой от перегрузки. Эти требования соответствуют устаревшей концепции защиты ЭД, заключавшейся в том, что оснащение их более совершенными устройствами экономически не оправдано по сравнению с затратами на ремонт. В соответствии с, указанной концепцией, задачей защиты являлось максимально быстрое отключение поврежденного ЭД от питающей электрической сети. В настоящее время в связи с существенно выросшей стоимостью ЭД, увеличением ущербов от внезапного нарушения технологических процессов и развитием микропроцессорной техники экономически целесообразно качественно улучшить функции защиты ЭД.
В 80-х годах прошлого века была сформулирована новая концепция защиты ЭД, заключающаяся в обеспечении устройствами защиты минимизации размеров повреждений последних при авариях и предотвращении их повреждения в опасных ненормальных режимах.
С целью предотвращения внезапных отказов электрооборудования его оснащают
С.Л. Кужеков
Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический _институт)_
Southern Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)
устройствами технической диагностики, среди которых особое место занимают системы автоматизированного контроля состояния под рабочими токами и напряжениями. Устройства и системы технической диагностики, также как и релейная защита, решают задачу распознавания повреждений электрооборудования. Основное отличие устройств и систем технической диагностики от релейной защиты -распознавание повреждений на ранней стадии их развития с целью предупреждения персонала о необходимости своевременной разгрузки электрооборудования и вывода его в ремонт.
Можно установить аналогию между частью задач, решаемых релейной защитой и средствами технической диагностики, в особенности, системами непрерывного автоматизированного контроля. Главным назначением последних является фиксация момента перехода развития дефектов электрооборудования в опасную фазу - в лавинообразный процесс, причем, в ряде случаев с немедленным отключением контролируемого объекта. [2]
Сходство задач, решаемых релейной защитой и средствами технической диагностики, является объективной причиной их взаимного сближения. В ряде случаев это обстоятельство обусловливает необходимость создания комбинированных -защитно-диагностических устройств (ЗДУ). Защитно-диагностические устройства, в частности, целесообразно использовать для контроля состояния агрегатов электродвигатель-механизм атомных электростанций (АЭС), которые могут иметь не только электрические, но и механические повреждения. К ним относятся: эксцентриситет ротора электродвигателя, перекос осей электродвигателя и механизма, повреждения подшипников и др. Так как в, приводимых во вращение, механизмах устройства защиты, чаще всего, отсутствуют, то функции обнаружения и распознания механических повреждений удобно возложить на устройства релейной защиты электродвигателей, которые в этом случае являются защитно-диагностическими.
Цель статьи заключается в описании принципов построения, разработанных коллективом под руководством автора, защитно - диагностических устройств, обеспечивающих повышение эффективности функционирования ЭД.
Анализ показал, что применение усовершенствованных устройств релейной защиты и диагностики позволяет снизить аварийность ЭД, что иллюстрирует таблицу1.
Таблица 1 - Пути снижения аварийности ЭД средствами РЗ и диагностики
Причина отказа ЭД Вид отказа Путь снижения аварийности
1 2 3
Несостоявшийся пуск Перегрев обмоток статора и контуров ротора Специальная защита от несостоявшегося пуска
Затянувшийся пуск Перегрев обмоток статора и контуров ротора Специальная защита от затянувшегося пуска
Механические повреждения (эксцентриситет ротора, повреждения подшипников, перекос осей валов ЭД и механизма и др.) Перегрев обмоток ЭД, задевание ротора за статор и др. Контроль спектрального состава тока статора ЭД
Несимметрия токов и витковые замыкания в обмотке статора Повреждения изоляции и стали статора ЭД Специальная защита от витковых КЗ и несимметричных режимов
Продолжение таблицы 1
1 2 3
Заклинивание вращающегося ротора ЭД Перегрев изоляции и механические повреждения ЭД Специальная защита от заклинивания ротора
Повторные пуски Перегрев обмоток статора и ротора ЭД, повреждение обмоток Совершенствование защиты от перегрузки ЭД
Однофазные замыкания на землю Пробои изоляции при перенапряжениях Кратковременное низкоомное индуктивное заземление нейтрали питающей электрической сети
В соответствии с новой концепцией было разработано устройство многофункциональной защиты ЭД, содержащее токовую отсечку, защиту от перегрузки, защиту от несимметричных режимов, защиту от асинхронных режимов синхронного ЭД, защиту от однофазных замыканий обмотки статора на землю и защиту от потери питания. [3] Особенностью токовой отсечки является повышенная чувствительность, обусловленная тем, что она не реагирует на апериодическую составляющую подводимого тока. Вследствие этого чувствительность отсечки повысилась в 1,8 раза по сравнению с аналогичными устройствами. В защите от перегрузки используется модель тепловых процессов (нагревания и остывания обмотки статора), что исключило повторную подачу напряжения на отключенный ЭД до остывания его обмотки. В защите от витковых замыканий обмотки статора и несимметричных режимов использован новый способ распознавания: реагирование на разность наибольшего и наименьшего значений фазовых сдвигов между векторами токов фаз статора. Это позволило повысить чувствительность защиты по сравнению с аналогичными устройствами не менее, чем в 1,5 раза. Защита от асинхронных режимов использует в качестве признаков указанного режима значения тока статора и фазового сдвига между током и напряжением. Благодаря этому она эффективно реагирует на асинхронные режимы без потери возбуждения, более опасные, чем аналогичные режимы с потерей возбуждения. Защита была освоена в серийном производстве на Грозненском опытно - экспериментальном заводе (ГОЭЗ). Поскольку указанное устройство решало только часть задач, отмеченных в таблица 1, были также выполнены разработки, описанные ниже.
Асинхронные и синхронные электродвигатели в первый момент пуска, пока частоту вращения ротора можно считать близкой к нулю, представляют собой трансформаторы с закороченной вторичной обмоткой. В соответствии с этим токи статора и ротора определяются по выражению:
; = ; + /I + ;»
1п 1пр 1 1 •
Составляющая /пр - принужденная периодическая с частотой 50 Гц. Две другие составляющие являются свободными апериодическими: быстро затухающей I1 и медленно затухающей /». При развороте ротора медленно затухающая свободная составляющая тока ротора наводит в цепях статора переменный ток, частота колебаний которого зависит от скорости вращения ротора. Указанный ток описывается приближенной формулой:
/» = '2 Ыпр з1П(^ + П
где /пр - действующее значение принужденной периодической составляющей тока статора;
ш2 = (1 -5 )ш - угловая скорость вращения ротора;
5 - скольжение ротора;
к - коэффициент, значение которого составляет 0,1 - 0,15;
¥ - начальная фаза тока статора.
Осциллограмма пускового тока асинхронного двигателя (АД) показана на рисунке 1. На ней видны принужденная периодическая составляющая, быстро затухающая свободная апериодическая составляющая с постоянной времени Та и периодическая составляющая , наведенная в цепи статора медленно затухающей свободной апериодической составляющей тока ротора. В случае несостоявшегося пуска (отсутствие вращения ротора при наличии напряжения на обмотке статора) в токе статора АД имеют место принужденная периодическая и две свободные апериодические составляющие.
Рисунок 1 - Кривая тока статора АД при пуске
Защита от несостоявшегося пуска АД реагирует на ток, наведенный в цепях статора медленно затухающей свободной составляющей тока ротора. Если указанная составляющая в токе пуска отсутствует, то не более чем через одну секунду защита срабатывает и действует на отключение АД от питающей сети. Устройства защиты, выполненные на указанном принципе [4], были внедрены на электроприводах четырех дробилок угля Рязанской ГРЭС.
Дальнейшее развитие указанный принцип получил в защите АД от затянувшегося пуска. Последняя осуществляет контроль изменения частоты тока, наведенного в цепях статора медленно затухающей свободной составляющей тока ротора. Если указанная частота за заданный отрезок времени (например, 3 секунды) не достигает расчетного значения, то защита действует на отключение АД. [5]
Эффективность указанных защит от ненормальных пусковых режимов обусловлена существенным сокращением времени протекания по обмоткам ЭД пусковых токов, что предотвращает их перегрев и, соответственно, термические повреждения изоляции.
Опыт эксплуатации АД показал, что серьезным дефектом электрических машин является эксцентриситет ротора. Эксплуатация электродвигателя с таким видом дефекта не приводит к немедленному выходу его из строя, но снижает надежность работы, долговечность и другие технико-экономические показатели. Искажается магнитное поле в воздушном зазоре, создается одностороннее магнитное притяжение, КПД снижается на 1,5-2%, появляются дополнительные высшие гармоники поля, снижается пусковой момент на 10-13%, растут местные нагревы на 5-6%.
В настоящее время для диагностирования эксцентриситета ротора ЭД применяют
различные устройства на основе вибрационных, тепловых, электромагнитных и других методов. Недостатки этих методов заключаются в сложности их реализации, связанных с применением датчиков температуры, вибрации и магнитного поля, которые требуют прокладки дополнительных кабельных линий для связи с устройством обработки информации. Менее распространен метод диагностирования эксцентриситета ротора на основе анализа амплитудно-частотной характеристики потребляемого тока. Применение указанного метода удобно для агрегатов систем безопасности АЭС. В этом случае измерение диагностических параметров агрегатов, находящихся под защитной оболочкой ядерного реактора, производится по вторичному току штатных трансформаторов тока, установленных в ячейках КРУ вне защитной оболочки.
Принцип контроля уровня эксцентриситета ротора ЭД базируется на следующем. Как известно, частоты гармоник тока статора, вызванных эксцентриситетом ротора, определяются по выражению
С. = £.,
1 ±
1 - Б
где
^ети - частота напряжения питающей сети,
^ - скольжение ротора АД; р - количество пар полюсов АД.
Зависимость воздушного зазора 8 от угла поворота ротора при смещении его оси на расстояние ё от оси расточки статора определяется по формуле:
8(6) = Я - г + ёсоб(6) = 8и + ёсоб(6)
где г - радиус рабочей поверхности ротора,
Я - радиус внутренней расточки статора 8, между статором и ротором (рисунок 2).
=Я-г- номинальный воздушный зазор
Рисунок 2 - Эксцентриситет ротора АД
На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований составлена таблица 2 значений амплитуд гармоник тока при различных значениях 8 для АД с числом пар полюсов р = 2.
Р
Таблица 2 - Относительные амплитуды гармоник тока при различных уровнях _эксцентриситета ротора в_
Уровень эксцентриситета в--.100% 5т Амплитуды гармоник, дБ на частотах
~25Гц ~75Гц
10 -37 -38
50 -32 -29
80 -27 -26
Спектральный состав тока статора АД при наличии эксцентриситета ротора представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 - Спектральный состав тока статора АД с эксцентриситетом ротора
прир = 2 а) 6 =0,1%, б) 6 =0,5%
Полученные результаты были положены в основу построения разработанного микропроцессорного устройства контроля уровня эксцентриситета ротора [6], которое может быть интегрировано в состав защитно-диагностического устройства АД.
Производственным объединением «Уралэлектротяжмаш» в конце прошлого века был разработан и освоен в производстве трехфазный двухскоростной полюснопереключаемый асинхронный двигатель для привода главных циркуляционных насосов АЭС с ядерными реакторами типа ВВЭР - 1000. В настоящее время такие полюснопереключаемые АД поставляются на зарубежные АЭС, строящиеся российскими специалистами. Однако используемое проектное решение по защите АД на базе неполной дифференциальной защиты не обладает требуемой защитоспособностью, так как она нечувствительна к значительной доле внутренних повреждений обмотки статора. В связи с отмеченным, была разработана специальная защита указанного АД от всех видов повреждений обмотки статора. [7] Принцип действия защиты заключается в измерении наибольшего и наименьшего напряжений на нейтралях звезд расщепленной обмотки статора, выделении разности их модулей и сравнении полученной разности с заданным значением.
С целью снижения уровня повреждаемости ЭД при однофазных замыканиях на землю в электрической сети, включая сеть собственных нужд АЭС, предложено новое решение по режиму нейтрали сетей напряжением 6 - 10 кВ. В настоящее время такие сети эксплуатируются с изолированной нейтралью (I - сети) или с компенсацией емкостных токов замыкания на землю (Ьв - сеть). Основным достоинством таких режимов нейтрали является потенциальная возможность работы электрической сети с однофазным металлическим замыканием на землю в течение нескольких часов, то есть до принятия персоналом мер по переводу питания потребителей на другие источники
питания. При этом релейная защита не должна действовать на отключение повреждения (однофазного замыкания на землю).
Однако изоляция неповрежденных фаз при однофазных замыканиях на землю находится под напряжением, превышающим рабочее вч3 раз, что опасно для ЭД и кабелей. Особенно опасны дуговые однофазные замыкания на землю, которые приводят к появлению импульсных перенапряжений с высокой кратностью (в 3 и более раза по отношению к нормальному напряжению). Вследствие этого в электрической сети возникают множественные повреждения кабельных линий и ЭД, затрагивающие до 5 и более линий, и приводящие к автоматическому отключению последних релейной защитой от коротких замыканий. Опыт эксплуатации показывает, что в указанных условиях по ряду причин компенсация емкостного тока замыкания на землю, а также резистивное заземление нейтрали недостаточно эффективны.
С целью исключения множественных повреждений кабельных линий распределительной электрической сети, а также ЭД предложен режим кратковременного низкоомного индуктивного заземления нейтрали распределительной электрической сети напряжением 6-10 кВ.. [8]В соответствии с этим предложением на участке сети (наиболее целесообразно в центре питания) устанавливается специальный силовой трансформатор со схемой соединения звезда - треугольник. Нейтраль обмотки, соединенной в звезду, заземляется.
02
ЦП «НИ-*-01
¡А* ~
Рисунок 4 - Режим кратковременного низкоомного индуктивного
заземления нейтрали
При возникновении замыкания на землю указанный трансформатор подключается выключателем к источнику питания, т.е. по факту появления на шинах питания напряжения нулевой последовательности и0. Подключение трансформатора переводит сеть из режима I - сети или Ьв - сети в режим Ьн - сети, т.е. кратковременного низкоомного индуктивного заземления нейтрали. Значение тока однофазного замыкания на землю в Ьн - сети должно быть достаточным для срабатывания промышленных указателей тока короткого замыкании, т.е., в первом приближении, достигать значения 500 - 700 А. Токи ОЗЗ в Ьн - сети отключаются автоматическим действием существующих достаточно грубых устройств релейной защиты от двойных замыканий на землю, реагирующих на токи нулевой последовательности.
Время существования режима Ьн - сети должно быть минимальным, что обеспечивается автоматическим отключением специального трансформатора от источника питания по истечении допустимого времени (как правило, не более двух секунд). Предложенный режим нейтрали в 2008 г. внедрен в Пятигорских электрических сетях на участке сети напряжением 10 кВ, питающемся от подстанции
«Горячеводская». При этом множественные повреждения кабельных линий не возникали, а замыкания на землю отключались штатными устройствами защиты от двойных замыканий на землю.
Заключение
Для защиты и контроля состояния ЭД АЭС под рабочим напряжением технически и экономически целесообразно использовать защитно - диагностические устройства, обеспечивающие минимизацию повреждений ЭД при авариях и предотвращение их повреждений в опасных ненормальных режимах работы. В состав указанных устройств помимо защит, регламентированных Правилами устройства электроустановок, целесообразно включить защиту от механических повреждений ЭД, в частности, защиту от эксцентриситета ротора, а также защиту от несимметричных режимов, защиту от ненормальных пусковых режимов (несостоявшегося и затянувшегося пуска). Эффективность действия последних особенно высока при времени срабатывания не более 0,1 - 0,2 от времени нормального пуска.
Литература
1. Правила устройства электроустановок. - 7-е изд. - М.: Издательство НЦ ЭНАС, 2002.
2. Кужеков С. Л. О связи между релейной защитой и технической диагностикой электрооборудования. - Материалы конференции «RelayProtectionandAutomationofModernEHVSystems (Moscow - Cheboksary, September 10 - 12, 2007)».
3. Устройство релейной защиты электродвигателей/ С. Л. Кужеков, Е. П. Варфоломеев, В. Л. Рубан и др. // Цемент. - 1986, № 11. С. 9 - 11.
4. Защита электродвигателя от несостоявшегося пуска./ С. Л. Кужеков, И. А. Шихкеримов, Г. Н. Чмыхалов// Известия вузов. Электромеханика, 1988, № 10. С. 67 -72.
5. Кужеков С. Л., Кужеков С. С. Способ защиты трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором от затянувшегося пуска. Патент на изобретение №2178613. Приоритет от 24.04.2000. Зарегистр. 0.01.2002.
6. Токи статора асинхронного электродвигателя с эксцентриситетом ротора./ С. Л. Кужеков, П. Г. Колпахчьян, Рогачев В. А., Сербиновский Б Б. // Известия вузов. Электромеханика, 2008, № 4. С. 35 - 27.
7. Способ защиты трехфазного электродвигателя от междуфазных и витковых коротких замыканий обмотки статора/Кужеков С. Л., Шихкеримов И. А., Кобжув В. М., Пекерман Г. А., Лубяницкая З. М. Авт. свид. СССР № 1670734. Заявл. 21.11. 1988 г. Опубл. 15.08.1991г. Бюлл. № 30.
8. О кратковременном низкоомном индуктивном заземлении нейтрали электрической сети напряжением 6 - 10 кВ. / В. А. Хнычев, А. А. Корогод, А. А. Шупиков, С. Л. Кужеков, И. Ф. Бураков, А. А. Сенчуков // Энергоэксперт, 2008, № 6. С. 98 - 102.
Кужеков Станислав Лукьянович - доктор технических наук, профессор, кафедра ЭППиГ ЮРГТУ (НПИ) г. Новочеркасск, Ростовской обл. E-mail: [email protected]
Kougekov Stanislav Loukianovich - Doctor of Technical science, Professor, the Power supply of industrial enterprises and cities department, Southern Russian State
