CC BY
6
Key words: neural networks, weighting factor, energy efficiency, load analysis, statistical
analysis.
Zatsepin Eugene Petrovich, doctor of technical sciences, professor, ezats@mail. com, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Shachnev Oleg Yaroslavovich, candidate of technical sciences, docent, sh.ol.ya@yandex.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Alexander Yaroslavovich Shachnev, general director, sh.ol.ya@yandex.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk City Energy Company JSC
УДК 621.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-32-39
ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОТКАЗНОСТИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ СОБСТВЕННЫХ НУЖД СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСРЕДСТВОМ ИНТЕГРАЦИИ ТЕРМИНАЛОВ ЗАЩИТ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ В АСУ ТП РУСН
В.И. Зацепина, Е.Ю. Вобликов
Надежное и безотказное функционирование системы электроснабжения собственных нужд электрической станции позволяет обеспечивать источники электрической энергии требуемым режимом работы. Распределительное устройство собственных нужд (далее РУСН) является основным органом собственных нужд электрических станций и подстанций. Для удобства обслуживания и эксплуатации РУСН выполняются в комплектном исполнении и по мере возможности однотипными. Электрическая схема РУСН должна обладать надежным и безотказным резервированием и оснащена современными необходимыми защитами. Управление РУСН в современном исполнении должно выполняться дистанционно и местно. В настоящее время для осуществления операций и контроля в РУСН внедряются автоматизированные системы управления технологическим процессом (далее АСУ ТП) с применением микропроцессорных устройств. Применение микропроцессорных устройств в технологии системы электроснабжения обеспечивает электроэнергетический объект такими преимуществами как интеграция защитных функций в одно устройство, самодиагностика, предоставление картины с полной информацией, удобство управления операциями, программирование защитных функций, экономия человеческих ресурсов, обеспечение безотказности и надежности функционирования системы электроснабжения.
Ключевые слова: распределительные устройства, АСУ ТП, электродвигатели, терминалы, системы электроснабжения, микропроцессорные устройства, защиты.
Электрическая схема РУСН должна обладать как надежным и безотказным резервированием, так и оснащена современными необходимыми защитами. Выполнение операций с РУСН, в соответствии с современными возможностями, следует выполнять местно и дистанционно с применением микропроцессорных устройств, объединенных в автоматизированные системы управления технологическим процессом. Такие системы позволяют интегрировать защитные функции в одно устройство, обладают самодиагностикой, предоставляют полную информацию, удобны в управлении операциями, имеют орган программирования защитных функций, экономят человеческие ресурсы, таким образом обеспечивают безотказностью и надежностью функционирования системы электроснабжения.Микропроцессорные защиты предназначены для защиты таких типовых защищаемых объектов как генераторы, трансформаторы, шины, линии, электрические двигатели, которые непосредственно связаны с РУСН и для защиты персонала от электрических воздействий, вызванных нарушением нормальной схемы электроснабжения. Микропроцессорные защиты системы электроснабжения входят в состав терминалов, объединяющих в себе полный функциональный набор, необходимый надежной и безотказной работы электрооборудования.
Применение АСУ ТП на базе микропроцессорных терминалов защит электродвигателей в РУСН станций и подстанций позволит повысить безотказность системы электроснабжения в целом. Таким образом предоставляется возможность защиты электродвигателей по различным параметрам, мониторинг работы электродвигателей, дистанционное управление электродвигателями, программирование терминалов защит электродвигателей.
Методом проведения исследования по повышению безотказности распределительных устройств систем электроснабжения посредством интеграции терминалов защит электродвигателей в АСУ ТП распределительных устройств является теоретический анализ.
В качестве специального органа для сбора, обработки и передачи информации предлагается использовать терминалы микропроцессорных защит для электродвигателей различных мощностей, терминалы которых будут интегрированы в АСУ ТП РУСН. Такие терминалы должны обладать необходимым функционалом защит, которые приведены в табл. 1.
Таблица 1
Функционал терминалов защит электродвигателей_
Вид повреждения Функции защит
Перегрев статора во время работы Защита статора от перегрузки (с или без запоминания)
Перегрев ротора во время пуска: - слишком долгий или блокированный пуск; - слишком частый пуск. 2 принципа защиты двигателя от перегрузки: - контроль пуска по времени; - запрет пуска.
Обрыв фазы; несимметрия напряжения Защита обратной последовательности
Перегрузка подшипников Датчики температуры (терморезисторы)
Повреждение на землю Защита от повреждений на землю
КЗ (двух- или трехфазное) Защита от КЗ
Перегрев оборудования на холостом ходу (насосы, компрессоры) Минимальная токовая защита; Защита по активной мощности
Низкое напряжение (пусковой момент не достигнут М « и2 или пуск был слишком долгим) Защита от недостаточного напряжения
Асинхронная работа (синхронного двигателя) Защита от недостаточного возбуждения
току, А:
Защита от перегрузки без запоминания осуществляется при превышении уставки по
I,
втор
=к • 1В
I
ТТ
где 1в — величина базисной силы тока, А; 1д - сила тока электродвигателя; 1тт- сила тока ТТ, подключенного к кабельному мосту электродвигателя, А; к - коэффициент допустимой перегрузки.
Время срабатывания защиты от перегрузки без запоминания, с:
35
t =-
V ЬВ
• t
61в'
-1
где 1;61в - время срабатывания защиты при шестикратном превышении базисного тока, с.
Элементарная модель для вычисления тепловой накопленной емкости С и резистора, использующего в качестве рассеивания тепла R приведена на рис. 1.
Рис. 1. Элементарная модель для вычисления тепловой накопленной емкости С и резистора, использующего в качестве рассеивания тепла Я
2
I
д
Время тепловой перегрузки электродвигателя, с:
Ith = R • с
Время срабатывания защиты электродвигателя с запоминанием, с:
t = 4 -ln"
lg. I
k H
\2 /
J
2
V
предш.д I k ' H
2
If • I
V k
-1
где 1н - номинальный ток электродвигателя, А; к - коэффициент допустимой перегрузки; 1предшд- предшествующая нагрузка электродвигателя (до изменения силы тока), А.
График тепловой модели защиты электродвигателя от перегрузки с запоминанием представлен на рис. 2.
trip
Рис. 2. График тепловой модели защиты электродвигателя от перегрузки с запоминанием
На рис. 3 представлена графическая модель защиты статора от перегрузки, где с помощью 1В изменяется порог отключения электродвигателя от перегрузки.
4. Тн
2,25. Тн
1,21 • Тн = Тоткл (100%) Тн = 0,83 • Тоткл (83%)
Тн - номинальная температура работы электродвигателя Тоткл - температура отключения электродвигателя
Рис. 3. Графическая модель защиты статора от перегрузки
34
т
th
t
Время достижения токовой нагрузки отключения электродвигателя по тепловой перегрузке в зависимости от номинальной температуры работы электродвигателя показано на рис. 4 и рассчитывается по формуле:
^ =т л •1п
V к • ЬВ у
ГI ^
предш.д
V к • ЬВ у
V к • ЬВ у
-1
Рис. 4. График зависимости времени достижения предельной нагрузки электродвигателя до срабатывания защиты от номинальной температуры
электродвигателя
Температура окружающей среды влияет на базовый порог перегрузки по температуре электродвигателя, следовательно, необходимо изменение "р в зависимости от температуры как
н
показано на рис. 5.
При моделировании перегрузки ротора в микропроцессорных терминалах АСУ ТП РУСН микропроцессорная защита сравнивает расчет 2 выражений с заданной уставкой:
С п 4 Л С п 1 Л
^2 Т2
1: ( • 1в) = I
пуск
1- е Ть
; 2: (кь• 1в)2 =(хпусК-Ь)
1- е Ть
+1В.
где к.- коэффициент пусков электродвигателя; 1в - величина базисной силы тока, А; 1пуск - пусковой ток ротора, А; Пс - число холодных пусков; ^ - время одного холодного пуска, с; \ - время пусков, с; П№ -
число горячих пусков; время одного горячего пуска. Коэффициент пусков электродвигателя:
кь
Общее время пусков электродвигателя:
п
п - п..
^ь * К •(пс -nw)
Г 1п,с„ ^
1В
В качестве защиты электродвигателя от коротких замыканий используются: плавкие предохранители в силовой цепи, выключатели с интегрированным защитным реле, МТЗ, дифференциальная защита.
trip th t
Рис. 5. График тепловой модели защиты электродвигателя от перегрузки с изменением сдвига порога отключения в зависимости от температуры
Основным преимуществом дифференциальной защиты с торможением является быстрое срабатывание при КЗ. Такие защиты применяются только для микропроцессорных терминалов, защищающих электродвигатели мощностью более 1МВт. Схема подключения такой защиты приведена на рис. 6.
2
k
ТА1
Микропроцессс защиты элек
рныи терминал :родвигателя
Рис. 6. Схема подключения дифференциальной защиты с торможением микропроцессорного терминала защиты к электродвигателю
Схема работы защиты статора электродвигателя от замыкания на землю приведена на рис. 7. Основным действующим органом такой защиты является реле направленной токовой защиты от замыкания на землю.
На рис. 8 представлена схема подключения микропроцессорного терминала защиты к электродвигателю.
I
1L
I
2L
Рис. 7. Схема работы защиты статора электродвигателя от замыкания на землю
Терминал защиты
Защита от КЗ
Защита от перегрева статора и ротора (запрет повторных пусков Контроль времени пуска Защита от несбалансированной нагрузки
Защита от повреждений на землю (направленная, ненаправленная) Защита от пониженного напряжения
Защита от минимального тока УРОВ
Электродвигатель
Рис. 8. Схема подключения микропроцессорного терминала защиты к электродвигателю
Заключение. В целях повышения безотказности распределительных устройств систем электроснабжения предложена установка терминалов защит электродвигателей в АСУ ТП распределительных устройств. Выделены основные функции защит: защита статора от перегрузки (с функцией запоминания), защита ротора от перегрузки, защита от обратной последовательности, температурная защита подшипников электродвигателя, защита от повреждения на землю, защита от междуфазного КЗ, МТЗ, защита от недостаточного напряжения, защита от недостаточного напряжения. Представлены различные графики, связанные с температурной зависимостью электродвигателей и пути решения проблем на различных этапах повышения температуры. Рассмотрены схемы основных защит электродвигателей, таких как дифференциальная защита с торможением, защита статора электродвигателя от замыкания на землю, и обобщенная схема подключения терминала защит электродвигателя. Предложены основные формулы расчета защиты от перегрузки защиты с запоминанием и без запоминания, времени достижения токовой нагрузки отключения электродвигателя по температуре, сравнения смоделированной перегрузки ротора в микропроцессорных терминалах защит электродвигателей.
Список литературы
1. Корогодский В.И., Кужеков С.Л., Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ. М.: Энергоатомиздат, 1987. 248 с.
2. Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. М.: Энергоатомиздат, 2007. 549 с.
3. Соловьев А.Л. Защита ассинхронных электрических двигателей напряжением 0,4 кВ. М.: НТФ «Энергопрогресс», 2007. 96 с.
4. Шабад М.А. Автоматизация распределительных электрических сетей с использованием цифровых реле. М.: НТФ «Энергопрогресс», 2003. 68 с.
5. Маруда И.Ф. Релейная защита электрических объектов. Часть 1. Логические защиты. М.: НТФ «Энергопрогресс», 2015. 78 с.
6. Шульгин И.В. Статистическое моделирование электрических нагрузок в задаче определения интегральных характеристик систем распределения электрической энергии: монография. Красноярск: СФУ, 2014. 207 с.
7. Зацепин Е.П., Шпиганович А.Н., Зацепина В.И. Основы безотказности систем электроснабжения промышленных предприятий. Монография. Липецк: 2018. 175 с.
8. Куско А., Томпсон М. Сети электроснабжения. Методы и средства обеспечения качества энергии. М.: Изд-во «Додэка-XXI», 2010. 334 с.
9. Правила устройства электроустановок: 7-е издание (ПУЭ) / Главгосэнергонадзор России. М.: Изд-во ЗАО «Энергосервис», 2007. 610 с.
10. Голубев М.Л. Защита вторичных цепей от коротких замыканий. М.: Энергоатомиз-дат, 1992. 80 с.
11. Макаров Е.Ф. Обслуживание и ремонт электрооборудования электростанций и сетей: учебник для нач. проф. Образования. М.: ИРПО: Издательский центр «Академия», 2003. 448 с.
12. Евдокунин Г.А., Титенков С.С. Внутренние перенапряжения в сетях 6-35 кВ. СПб: Изд-во Терция, 2004. 188 с.
13. Кадомская К.П., Лавров А.А., Рейхердт А.А. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защиты от них. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. 368 с.
14. Алексеев Б.А. Применение и техническое обслуживание микропроцессорных устройств на электростанциях и в электросетях // Ч. 2: устройства релейной защиты и автоматики распределительных электрических сетей. М.: НЦ ЭНАС, 2001. 120 с.
15. Бордачев А.М., Матвеев М.В. Решение проблем элетктромагнитной совместимости микропроцессорных устройств РЗА при проектировании электрических станций и подстанций // Сборник докладов на научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем - 2004». РАО «ЕЭСРоссии». М.: 2004. С. 247-249.
Зацепина Виолетта Иосифовна, д-р техн. наук, профессор, vizatsepina@yandex.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Вобликов Евгений Юрьевич, аспирант, voblikov.90@mail.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет
INCREASING THE RELIABILITY OF AUXILIARY SWITCHGEAR OF POWER SUPPLY SYSTEM BY INTEGRATION ELECTRIC MOTOR PROTECTION TERMINALS AUTOMATED PROCESS
CONTROL SYSTEMS OF THE DDON
V.I. Zatsepina, E.Y. Voblikov
Reliable and trouble-free operation of the power supply system for auxiliaries of the power plant makes it possible to provide sources of electrical energy with the required operating mode. Auxiliary switchgear (hereinafter DDON) is the main body for auxiliary needs ofpower stations and substations. For ease of maintenance and operation, DDONare made in a complete version and, as far as possible, of the same type. The electrical circuit of DDON must have reliable and trouble-free redundancy and be equipped with modern necessary protections. The control of the DDON in a modern design should be carried out remotely and locally. At present, to carry out operations and control in DDON, automated process control systems with the use of microprocessor devices are being introduced. The use of microprocessor devices in the technology of the power supply system provides an electrical and energy facility with such advantages as the integration of protective functions into one device, self-diagnostics, providing a picture with complete information, ease of operation control, programming protective functions, saving human resources, ensuring reliability and reliability the functioning of the power supply system.
Key words: switchgears, automated process control systems, electric motors, terminals, power supply systems, microprocessor devices, protection.
38
Zatsepina Violetta Iosifovna, doctor of technical sciences, professor, vizatsepi-na@yandex.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Voblikov Evgeny Yurievich, postgraduate, voblikov.90@mail.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University
УДК 621.926.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-39-43
ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТРЕХСТАДИЙНОГО ПРОЦЕССА ДРОБЛЕНИЯ КОНУСНЫМИ ДРОБИЛКАМИ
И.А. Деревнин, Г.И. Бабокин
Дана оценка энергоэффективности процесса подготовки руды крупностью -12 мм по трехстадийной схеме дробления конусными дробилками и с замкнутым режимом работы грохота с дробилкой мелкого дробления. Показано что применение конусных дробилок взамен шаровой мельницы позволяет снизить удельный расход электрической на процесс подготовки руды на 21... 27%.
Ключевые слова: конусная дробилка, рудоподготовка, энергоэффективность, дробление, удельный расход электрической энергии.
Процессы дробления и измельчения минерального сырья в горной и строительной промышленности являются широко распространенными и энергоемкими технологическими процессами, потребляющими около 20% от потребляемой горно-обогатительным предприятием электрической энергии [1]. Поэтому выбор оборудования и разработка технических решений, обеспечивающих повышение энергоэффективности процесса рудоподготовки являются актуальными.
Тенденция развития рудоподготовки — это использование высокопроизводительного оборудования большой единичной мощности и интенсификация процессов дробления. Для дробления материалов применяются щековые, молотковые и конусные дробилки. Наибольшее применение для дробления твердых материалов нашли конусные дробилки, в которых раздавливание кусков материала происходит внутри неподвижной конусообразной чаши конусом, совершающим круговое качение. Конусные дробилки применяются для крупного, среднего и мелкого дробления. При вращении головка подвижного конуса с одной стороны приближается к корпусу, разрушая куски сырья, а с другой - удаляется от него, обеспечивая высыпание продукта [1,2.3,4].
В практике дробления средних по крепости и крепких руд (коэффициенты крепости по Протодьяконову 8-20) применяют щековые и конусные дробилки крупного дробления, а также конусные дробилки среднего и мелкого дробления, а для измельчения - стержневые и шаровые мельницы. Установлено [3], что при современных характеристиках перечисленного дробильного оборудования экономично подавать в мельницы как можно более мелкий материал: для стержневых крупностью 15-20 мм, для шаровых - 10-15 мм.
Целью работы является оценка энергоэффективности применения в условиях ЗИФ «Вернинское» трехстадийного процесса дробления с конусными дробилками крупного, среднего и мелкого дробления, с замкнутым режимом работы грохота, для подготовки руды крупностью -12 мм взамен использования одной мельницы мокрого измельчения ММПС-7,0х4,2.
В качестве параметра, характеризующего энергоэффективность работы оборудования принят удельный расход электроэнергии. определяемый как отношение мощности электрической энергии, потребляемой электроприводом дробилки, к ее производительности. В процессе рудоподготовки оценивались затраты энергии на дробление и измельчение, без учета затрат на вспомогательные процессы: питание рудой, охлаждение и вентиляцию.
