CC BY
35ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫ
УДК 621.3
Д.А. Кудряшов, Е.В. Рощин
ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ МОЩНЫХ РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С СЕТЬЮ СОБСТВЕННЫХ НУЖД АЭС
АО «ОКБМ Африкантов»
Проанализированы аспекты влияния и способы обеспечения электромагнитной совместимости мощных регулируемых асинхронных электроприводов с сетью собственных нужд атомных электростанций.
Ключевые слова: электромагнитная совместимость, электропривод, атомная электростанция, преобразователь частоты, фильтродемпфирующий компенсатор.
В последние десятилетия мощный регулируемый электропривод находит все большее применение в системах регулирования расхода теплоносителей главных контуров АЭС. В дальнейшем возможно использование преобразователей частоты (ПЧ) для сетевых, питательных и конденсатных насосов. С ростом суммарной мощности электроприводов главных циркуляционных насосов (ГЦН), а она составляет в среднем 2-2,5% от выходной мощности блока, растут единичные мощности электроприводов ГЦН, которые достигают 5 МВт (для блока БН-800). Это ставит на один из первых планов проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС) электроприводов в системе собственных нужд (СН) АЭС [1].
В данной статье рассматривается влияние низкочастотных кондуктивных помех на сеть СН блока АЭС БН-800 при подключении к ней мощных регулируемых электроприводов ГЦН.
В нормальном режиме работы потребители СН блока АЭС БН-800 получают питание от двух-трех обмоточных трансформаторов собственных нужд (ТСН). От каждой вторичной обмотки ТСН запитаны два мощных регулируемых электропривода ГЦН первого и второго контура. Суммарная мощность асинхронных двигателей регулируемых электроприводов, подключенных к одной полуобмотке ТСН, составляет порядка 25% мощности этой полуобмотки.
В качестве регулируемых электроприводов ГЦН выбраны преобразователи частоты PowerFlex 7000 фирмы Allen-Bradley, обеспечивающие близкую к синусоидальной форме кривых тока и напряжения двигателя, что исключает заметный дополнительный нагрев двигателя, а также нагрузку на его изоляцию. Преобразователи частоты регулируемых электроприводов ГЦН выполнены по схеме автономного инвертора тока (АИТ) с 18-ти пульсным выпрямителем и широтно-импульсным инвертором. Производителем заявлено, что коэффициент искажения синусоидальности кривой потребляемого тока преобразователем частоты составляет 6,6 % (до 49 гармоники). Температура двигателя при работе от частотно-регулируемого привода возрастает примерно на 3 °С по сравнению с работой двигателя от сети. Значение du/dt в кривой напряжения не превышает 10 В/мкс. Амплитуда напряжения, приложенного к изоляции двигателя, соответствует величине действующего напряжения, деленной на 0,707.
© Кудряшов Д.А., Рощин Е.В., 2016.
Проблемы отраженной волны и du/dt, часто связываемые с приводами на основе инвертора напряжения, не являются актуальными для АИТ. Благоприятные для двигателя формы тока и напряжения получены за счет использования метода селективного подавления гармоник в инверторе. Этот метод позволяет устранить высшие гармоники главного порядка и в сочетании с выходным конденсатором (в составе привода) фильтровать гармоники при работе на высоких скоростях. Также к достоинствам ПЧ на основе АИТ с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) относится то, что на длину соединительного кабеля между инвертором и двигателем не накладывается никаких ограничений (до 15 км) и его можно сопрягать со стандартными асинхронными двигателями без снижения их номинальной мощности.
Иначе обстоит дело при применении ПЧ на основе автономного инвертора напряжения (АИН) с ШИМ. В этих преобразователях при высоковольтном исполнении применяются модули IGBT или последовательно соединенные IGCT. Такие преобразователи получили широкое распространение в мощных частотно-регулируемых асинхронных электроприводах, но при их применении необходимо обеспечить снижение воздействий импульсов выходного напряжения АИН на изоляцию обмотки статора и локализацию волновых процессов в соединительном кабеле между инвертором и двигателем, сопровождающихся перенапряжениями (проблема «длинного кабеля»).
В зависимости от длины кабеля возможно появление отраженной волны напряжения на выводах статора двигателя, достигающего в худшем случае практически двукратного значения, как результат несогласованности волнового сопротивления кабеля с входным сопротивлением двигателя, определяемым индуктивностью рассеяния статора и эквивалентной частотой фронта импульса. Вероятность повреждения изоляции тем выше, чем меньше время нарастания импульсов выходного напряжения АИН, т.е. чем выше du/dt.
Для устранения негативных последствий, связанных с формой выходного напряжения, на практике в высоковольтных ПЧ применяют резонансные (LC) фильтры, подключаемые к выходу АИН. [1]
При проведении пуско-наладочных работ (ПНР) регулируемых электроприводов ГЦН было обнаружено, что при их подключении к системе СН АЭС происходит искажение напряжения на питающих шинах СН (рис. 1). По результатам полученных данных были проведены работы по исследованию причин возникновения искажений напряжения и принятию мер, улучшающих качество питающего напряжения на шинах 6 кВ СН АЭС.
Un кВ
V — V к
г* 1 у 1 i 1 1
г ч пГ 1 Л t f4
к. г" ■ч ч ■ г' 1 >
f f f \ J
-0 ) 1
г V Ii Г
Ч I1 ft 4
\ у \ / \
\ / \ / \ /
1 II № ; и rv м / ллл R \ л л n n nn -i Ii 1-n f, n (im
\ / \ / л /
Ч г/ у /
1 JI i1 1 In /
\ \ у 4 /
i г Л / Ч. Ii (ll \f
fi и и J S \ (
ч 1 1 1 s А
Ii J г N 1 1 > ■V J lj } 4
И 1' U i J Г
Рис. 1. Осциллограмма линейного напряжения на шинах СН АЭС при работе электроприводов ГЦН
Основной причиной появления гармонических помех является оборудование с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Такое оборудование может рассматриваться как источник гармоник тока, вызывающих гармоническое падение напряжения на полном сопротивлении сети. Гармоники тока от различных источников складываются геометрически. Из-за влияния емкостных нагрузок и емкостной проводимости кабелей в сети может возникнуть последовательный и параллельный резонанс и вызвать увеличение гармоник напряжения даже в точках, удаленных от искажающей нагрузки.
Значительные токи гармоник генерирует оборудование с фазовым управлением и большой мощностью; неуправляемые выпрямители, особенно со сглаживающими конденсаторами (например, используемыми в преобразователях частоты и газоразрядных лампах со встроенными электронными пуско-регулирующими устройствами). Генерируемые ими гармоники совпадают по фазе, поэтому гармоники от разных выпрямителей складываются друг с другом, приводя к увеличению их общего уровня. В зависимости от режима работы оборудования гармоники могут быть относительно стабильными или изменяющимися во времени [2].
ГОСТ Р 51317.2.5 «Совместимость технических средств электромагнитная. Электромагнитная обстановка. Классификация электромагнитных помех в местах размещения технических средств» в общем случае характеризует виды электромагнитных помех, создаваемых техническим средством и (или) воздействующих на техническое средство. ГОСТ Р 51317.2.5 определена следующая номенклатура видов электромагнитных помех:
• кондуктивные низкочастотные электромагнитные помехи;
• излучаемые низкочастотные электромагнитные помехи;
• кондуктивные высокочастотные электромагнитные помехи;
• излучаемые высокочастотные электромагнитные помехи;
• электростатические разряды.
Нас интересуют кондуктивные низкочастотные электромагнитные помехи, к которым относятся:
• гармоники, интергармоники напряжения электропитания;
• напряжения сигналов, передаваемых в системах электропитания;
• колебания напряжения электропитания;
• провалы, кратковременные прерывания и выбросы напряжения электропитания;
• отклонения напряжения электропитания;
• несимметрия напряжений в трехфазных системах электроснабжения;
• изменения частоты питающего напряжения;
• наведенные низкочастотные напряжения;
• постоянные составляющие в сетях электропитания переменного тока [3].
Дополнительно было произведено осциллографирование напряжения и замеры гармонических составляющих напряжения на шинах собственных нужд при работающих и отключенных регулируемых электроприводах ГЦН.
Значение коэффициента п-й гармонической составляющей напряжения Кщпу в процентах как результат /-го наблюдения вычисляется по формуле
Ки^ = ^ ЮО, (1)
где и^у - действующее значение п-й гармонической составляющей напряжения, В; и^ -
действующее значение напряжения основной частоты на /-м наблюдении, В.
Значение коэффициента искажения синусоидальности кривой междуфазного напряжения К в процентах как результат /-го наблюдения вычисляется по формуле
KUt=-
40
2
(2)
Ui(i)
-100,
где
40
2
£U( - действующее значение всех высших гармоник, В.
\ n=2
При работающих электроприводах ГЦН суммарный коэффициент нелинейных искажений напряжения составил 6,1 % на шинах 6 кВ СН АЭС. Коэффициенты нелинейных искажений напряжения по гармоникам приведены на рис. 2, а. На осциллограммах были зафиксированы значительные резонансные возмущения в напряжении (перепад напряжения относительно амплитудного значения составляет 28,6 %) с частотой коммутации 18-пульсного выпрямителя электропривода (период возмущений 1,111 мс).
Очевидной причиной резонансного переходного процесса при коммутации тиристоров выпрямителя электропривода является наличие колебательного контура, образуемого эквивалентной емкостью сети (кабельные линии и мощные электродвигатели) присоединенной к секциям шин 6 кВ и индуктивностью сети. При анализе осциллограмм была определена эквивалентная емкость сети ~ 1,5 мкФ.
Возникновение резонансных колебаний при взаимодействии статических преобразователей частоты PowerFlex 7000 с проектируемой сетью СН до настоящего времени не имело прецедентов, и поэтому не могло быть учтено на стадии проектирования, осуществляемого по существующим нормативным документам. В дальнейшем возможность возникновения подобных режимов должна быть учтена в методических указаниях по проектированию, используемых в проектных организациях.
Для выполнения установленных норм необходимы специальные меры обеспечения ЭМС, эти меры должны быть четко установлены. С учетом условий применения эти меры могут включать:
• значение минимального и максимального допустимого полного сопротивления сети
электропитания;
• использование экранированных и специальных кабелей (силовых и/или управления);
• требования к соединению экранов кабелей;
• значение максимальной допустимой длины кабелей;
• разделение кабелей;
• использование внешних устройств (например, фильтров);
• правильное присоединение к функциональному заземлению [4].
Для приведения питающего напряжения на шинах СН АЭС к требованиям ГОСТ Р 51317.2.4-2000 (класс электромагнитной обстановки 2) и ГОСТ 32144-2013 было принято решение применить фильтродемпфирующие компенсаторы (ФДК).
Для определения оптимальных параметров ФДК было произведено компьютерное моделирование сети СН АЭС с работающими регулируемыми электроприводами ГЦН и подключенными фильтрами к тем же шинам 6 кВ СН АЭС, что и электропривода. Параметры фильтра подбирались таким образом, чтобы питающее напряжение на шинах СН АЭС соответствовало требованиям по содержанию гармоник, а с другой стороны, необходимо подавить резонансные возмущения, возникающие при коммутации тиристоров. Высокочастотные (резонансные) возмущения не могут влиять на уровень канонических гармоник (17, 19, 35, 37 и т.д.), кратных частоте сети. Фильтры, содержащие звенья, каждое из которых настроено в резонанс на каноническую гармонику, которая должна быть подавлена, не могут эффективно воздействовать на высокочастотные возмущения и сами могут являться источниками коле-
баний напряжения при динамических воздействиях. Таким образом, высокочастотные возмущения, возникающие при коммутации тиристоров, должны быть подавлены широкополосным демпфированным фильтром.
КтЦп),*
\ \
\ \
■и п Ч Иг "К., Пп
1 гып пл Г гг ГШ г¥1 г-Л ги 1 1
:КиСп)шь ЗКи(п)иас
Зш(п).%
3,532,52 1.5
I -0.5 О -
1,6 1,4 1,2 1
0,8 а, б
0,4
0,2 [)
13 17 16 23 25 29 31 35 37 № нечетной гарионпкн
Ки(п) ЦЬс —♦— Предельно допустимое значение
\
\
\
\
1 Ъг -II
3 Э 15 21 27 33 ЗЭ
№ нечетной гар, юнпкп кратной 3
3 Ки(п) ШЪ ^■Хи(ц)ЦЬс
]Ки(п)11ас —•—Предельно допустимое значение
\
V
\
- -
V- -к
и пг п п п 1 Г1 ш г! г! пп пп ГШ ГШ [1
2 4 5 8 10 12 14 16 16 20 22 24 26 26 ЗП 32 34 36 36 46
Чс гн < II: I р>: шел
: Кп(и) 'ЛЬ Ки(п) ЦЬс
!]Еи{п)иас —•—Предельно :юпуего
Ки(н),<|Л 4,5 4 3,5 3 2,5 2
1,5 + 1 -■ 0,5 4 О
1
5 7 11 13 17 19 23 25 28 31 35 37 № нечетной гэрмоввкн 1=1 Ки{п) ил ^т Ки{п) ЦЪ с
I К~1 ип) ТЬг ——Предельно тонустнмое шаченне
3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 О
\
I
Ки<и)Лп 1,6 1,4 1,2 1
0,8 0,6 0,4 0,2 О
3 Э 16 21 27 33 39
№ нечетной гармоники кратной 3
■ Ки(п) ШЪ ■■ Ки(п) ЦЬс
I Ки(п) Нас —•— Предельно допустимое
л
\
V
\
V
III т
2 4 6 8 10 12 14 16 1В 20 22 24 26 26 30 32 34 36 38 40
1 ЕЦп) иэЪ ■ Ки(п) Шс
№ четной г лрмошпш
^т Кч(п) ЦЬс
—•—Предельно допустимое значение
а)
б)
Рис. 2. Коэффициенты нелинейных искажений напряжения по гармоникам:
а - при работе электроприводов ГЦН без ФДК; б - с подключенным ФДК
На первом этапе выбора типа фильтрующей установки были определены параметры сети СН АЭС (индуктивность и эквивалентная «паразитная» емкость сети и активное сопротивление, учитывающее затухание колебаний в соответствии с характером резонансных возмущений). В качестве исходных данных были взяты переходные процессы, заснятые на осциллограмме рис. 1, и параметры нагрузок сети СН АЭС: параметры потребителей, тип и длина кабельных трасс, по которым запитаны потребители.
На втором этапе было произведено компьютерное моделирование сети СН АЭС с работающими регулируемыми электроприводами ГЦН и подключенными фильтрами к тем же шинам 6 кВ СН АЭС, что и электропривода. Параметры фильтра подбирались таким образом, чтобы питающее напряжение на шинах СН АЭС соответствовало требованиям ГОСТ Р 51317.2.4-2000 (класс электромагнитной обстановки 2) и ГОСТ 32144-2013.
Сравнение результатов, полученных при наладке на объекте электроприводов ГЦН без ФДК, и с подключенным ФДК, представлено на рис. 2 и рис. 3.
Цл_ кВ
чГ г-* Y S "1 ■V.
и N и > i 'S
К ч rf \ V 1 \
ч \ V
г ч А п \ / \1
л К / \
/ 1 / \ f \
/ / \ / /> ч
\ / \ / \ t
\ / \ X \ / /
1 ню i \ ш « к 1 пг \ п п ЛИ 4 >h fi Dl) я У
\ / / ч /
ч / \ / \ /
'1, / \ J j \ f
\ / V У \
/ N г/ ч /
Г \ / ч J L Ч
✓ г N \ ч
J К А Г N 1. у \ S
1 у V. А Л-
Рис. 3. Осциллограмма линейного напряжения на шинах СН АЭС при работе электроприводов ГЦН с подключенным ФДК
Из полученных результатов следует, что фильтродемпфирующие компенсаторы позволили решить основную задачу - обеспечить соответствие питающего напряжения на шинах 6 кВ СН АЭС требованиям ГОСТ Р 51317.2.4-2000 (класс электромагнитной обстановки 2) и ГОСТ 32144-2013 по содержанию гармоник, а также задачу подавления резонансных возмущений, возникающих при коммутации тиристоров в 18-пульсных выпрямителях преобразователей частоты PowerFlex 7000.
Библиографический список
1. Анишев, Е.Ю. Проблемы электромагнитной совместимости регулируемых электроприводов главных циркуляционных насосов АЭС / Е.Ю. Анишев, Е.В. Рощин // Труды Нижегородского технического университета им. Р.Е. Алексеева. - Нижний Новгород, 2010. № 4 (83).
2. РД 50-713-92 (МЭК 1000-2-1). Руководящий нормативный документ. Методические указания. Совместимость технических средств электромагнитная. Электромагнитная обстановка. Виды низкочастотных кондуктивных помех и сигналов, передаваемых по силовым линиям, в системах электроснабжения общего назначения. - М.: Изд-во стандартов, 1993.
3. ГОСТ Р 51317.2.5-2000 (МЭК 61000-2-5-95). Совместимость технических средств электромагнитная. Электромагнитная обстановка. Классификация электромагнитных помех в местах размещения технических средств. - М.: Госстандарт России, 2000.
4. ГОСТ Р 51524-2012 (МЭК 61800-3:2012). Совместимость технических средств электромагнитная. Системы электрического привода с регулируемой скоростью. Ч. 3. Требования ЭМС и специальные методы испытаний. - М.: Стандартинформ, 2014.
Дата поступления в редакцию 25.01.2016
D.A. Kudriashov, E.V. Roschin
PROBLEMS OF ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY OF VARIABLE ELECTRIC DRIVES WITH IN-HOUSE POWER SUPPLY SYSTEM OF NPP
Joint stock company «OKBM Afrikantov»
The technical treatments of overcoming the low-frequency conductive interferences that originate in interaction between static frequency converters and in-house power supply system of NPP are described in this article.
The results of measuring distortion voltage in-house power supply system of NPP under operating the electric drives of the main circulation pump without filter-damping complex and with it are presented.
At the expense of application of filter-damping complex a task in correspondence of supply voltage on the bus bar 6 kV in-house power supply system of NPP to requirements of the standard documents is performed.
Key words: electromagnetic compatibility, electric drives, nuclear power plant, frequency converter, filter-damping complex.
