Совершенствование пусковых органов БАВР в системах электроснабжения с двигательной нагрузкой Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

II. ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКА

УДК 621.311

Сивокобыленко В.Ф.1, Деркачев С. В.2

1 Д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электрические станции» Донецкий национальный технический

университет, Украина

2Аспирант, Донецкий национальный технический университет, Украина,

E-mail: sergey_derkachev@mail.ru

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПУСКОВЫХ ОРГАНОВ БАВР В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ДВИГАТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКОЙ

Рассмотрен способ повышения надежности систем электроснабжения с двигательной нагрузкой при кратковременных нарушениях электроснабжения за счет совершенствования пусковых органов быстродействующего автоматического включения резерва (БАВР) на основе предложенного метода ускоренного определения комплексных мгновенных значений токов и напряжений прямой и обратной последовательностей. Приведен пример успешного действия устройства БАВР с использованием предложенного подхода.

Ключевые слова: быстродействующее автоматическое включение резерва, двигательная нагрузка, пусковой орган, прямая последовательность, обратная последовательность.

ля рабочего питания и включение секционного подается от устройств автоматического включения резерва (АВР), в которых пусковые органы выполняют на основе контроля напряжения, частоты или угла между векторами напряжений взаиморезервируемых секций. Однако на подстанциях, питающих синхронные и асинхронные двигатели, с целью предотвращения несинхронной подачи резервного питания требуется снижение напряжения на секции до уровня, допустимого по условиям несинхронного включения, что увеличивает время перерыва питания.

Длительность перерыва питания при переключении секции на резервный источник оказывает значительное влияние на успешность самозапуска электродвигателей, так как в соответствии с [1] при снижении напряжения синхронные двигатели, нагруженные до 0,8-0,9 номинальной мощности уже через 0,2-0,4 секунды могут выпасть из синхронизма. Во время последующего восстановления питания из-за недостаточного асинхронного момента эти электродвигатели могут не втянуться в синхронизм и отключаются защитами [2].

Целью данной работы является совершенствование пусковых органов БАВР, которые позволят сократить время перерыва питания, предотвратить выход двигателей из синхронизма и обеспечить их успешный самозапуск.

В последнее время для минимизации времени пере-

рыва питания и глубины снижения напряжения при потере питания по какой-либо причине в системах электроснабжения с двигательной нагрузкой применяют устройства БАВР [1]. Устройства БАВР позволяют осуществить синфазную подачу резервного питания. Сущность такого подхода заключается в том, что резервное питание подается на двигатели в момент совпадения по фазе векторов остаточного напряжения на двигателях и напряжения резервного источника питания, т. е. после

© Сивокобыленко В.Ф., Деркачев С. В., 2014

Для повышения надежности электроснабжения крупных промышленных предприятий и систем собственных нужд электростанций их питание должно осуществляться не менее чем от двух независимых источников. При наличии двух источников питания схему питающей подстанции выполняют с двумя секциями, которые для обеспечения взаимного резервирования соединяют между собой секционным выключателем (рис. 1).

В нормальном режиме работы нагрузка каждой секции получает питание от своего источника, а в аварийном режиме, секция, потерявшая питание, переключается на резервный источник включением секционного выключателя (КР). Команда на отключение выключате-

_ Y _ СШП

X i i ррр

..............ТЕ

(0)(0£ (Q

Рис. 1. Схема питающей подстанции

первого проворота вектора остаточного напряжения на шинах на 3600 или при допустимых отклонениях по углу. Однако и в этих случаях успешный самозапуск двигателей не всегда обеспечивается.

Современный уровень развития микропроцессорных технологий и выпуск быстродействующей коммутационной аппаратуры позволяют создавать устройства БАВР с более сложными алгоритмами, которые позволяют выполнить подачу резервного питания до достижения углом между векторами остаточного и резервного напряжений значений менее 400-600, что в большинстве случаев позволяет предотвратить нарушение динамической устойчивости двигательной нагрузки.

Известен ряд способов [3-6] построения логики пускового органа БАВР на основе анализа параметров системы в режиме реального времени. Логика работы пускового органа БАВР при этом строится на сравнении уровней напряжений на взаиморезервируемых секциях, сравнении угла между напряжениями или токами основной и резервной секций, контроле направления тока или активной мощности на вводах основной и резервной секций. Ряд этих способов включает в себя также измерение и преобразование комплексных действующих значений напряжений и токов в комплексные напряжения и токи прямой и обратной последовательности.

В соответствии с [7] значения токов и напряжений прямой и обратной последовательностей рассчитывают по следующим формулам:

- 1 - - 2 -

Хпр = 3 • (Ха + а • Хв + а • Хс ), (1)

- 1 - 2 - -

Хоб = 3 • (Ха + а • Хв + а • Хс ). (2)

. 2 -я

где а = е 3 - фазовый множитель; Ха , Хв, Хс - векторы комплексных действующих значений токов или напряжений по фазам.

Алгоритм, который позволяет выполнить измерение вращающегося вектора и представить его в комплексной форме, согласно [8], основывается на двух выборках синусоидального сигнала х(г) известной частоты ю, взятых через интервал времени к, и на решении системы уравнений (3) и (4), из которой находят амплитуду Хт и фазу ф этого сигнала.

х(г) = Хт • соз(ю•г + ф), (3)

х(г + к) = Хт -со8(ю- (г + к) + ф). (4)

Значение амплитуды и фазы измеряемого сигнала из решения системы уравнений (3) и (4) по известным двум выборкам г1 и г2 имеет вид:

Хт = ■ ] ,ч >/х(/2)2 - 2 - х(г2) - х(г1) - со8(ю - к) + х(г1)2 , (5)

ф = агссо8-1--Ю • (6)

Х т

Если принять выборки сигнала через время к, соответствующее углу поворота вектора на 900, то из выражений (3) и (4) следует более простое выражение для определения Хт:

Хт =7 х(г )2 + х(г+к)2. (7)

Однако, недостатком такого подхода является то, что выборки косинусоидального сигнала, взятые через ю • (г + к) = 900 приводят к замедлению реакции пусковых органов БАВР на возникновение аварийного режима. При значениях к, соответствующим углам менее 900, усложняются расчетные выражения для определения амплитуды Хт и угла Ф вектора.

Поэтому рассмотрим другой подход к определению векторов мгновенных комплексных значений токов (напряжений).

Как известно, вектор, представленный в комплексной плоскости, в любой момент времени имеет проекции на реальную и мнимую оси (рис. 2), которые соответственно равны:

ха(г) = Хт • соз(ю•г + ф), (8)

хр(г) = Хт • 8т(ю •г + ф). (9)

Тогда, выражение для Х (г) может быть записано в следующем виде:

Х (г) = ха (г) + . • хр (г) = Хт • е] (ю • г+ф) = = Хт • cos(ю •г + ф) + .• Хт • зт(ю•г + ф). (10)

Определим мгновенные комплексные значения вектора (10) на основе двух мгновенных значений (рис. 3), взятых через время к, порядка одной миллисекунды, соответствующее углам менее 200, и который не требует определения амплитудного значения Хт , так как амплитуду измеряемого сигнала можно принять неизменной на интервале времени к.

Хв (1)

ХаЮ +1

Рис. 2. Вектор Х (г), представленный в комплексной плоскости

X, о.е.

| х(ГА,-^^

х(Г,/\ \

г* \ 'II \ -7-

0 11 ^

0\01

/02 1, сек

ставим их в (1) и (2) и, после преобразования, получим мгновенные значения комплексов прямой и обратной последовательностей:

Хпр с )=-2 • [(4 — 4е)+1 • (хА+)

(17)

Рис. 3. Измерение мгновенных значений

Обозначим через х(^) мгновенное значение измеряемой величины на предыдущем шаге, а через х(Г2) на текущем шаге. Предположим, что и являются проекциями соответствующего вектора комплексного действующего значения на реальную ось в комплексной плоскости, тогда:

ха (Г1) = Хт • соз(ю • ^ + ф) = х(^), (11)

ха (?2 ) = Хт • соз(о • t2 + ф) = х(^2 ). (12)

Для определения проекции вектора на мнимую ось выразим ха (t2) через ха (tl) с учетом того, что Г2 = ^ + к:

ха (t2) = Хт • cos(ю • ^ + ф + ю • к) =

Хт • cos(ю• tl +ф) • cos(ю• к) - (13)

—Xт • sin(ю • tl + ф) • зт(ю • к).

Подставив из (11) в выражение (13) вместо Хт • cos(ю • ^ + ф), измеренное на предыдущем шаге значение ха (tl), получим:

ха) = ха(Г1) • cos(ю • к) — —Хт • 8ш(ю • ^ + ф) • 8т(ю • к).

(14)

Из выражения (14) найдем синусную составляющую вектора хр (Г0 как:

хр = Хт • sin(ю • t1 + ф) =

ха (^ ) • C0s(ю • к) — ха (t2 ) sin(ю • к)

(15)

Зная косинусную (11) и синусную (15) составляющие вектор комплексного действующего значения можно представить в виде:

X(Г) = Хт cos(ю • Г + ф) + ]Хт sin(ю • Г + ф) =

ха — ха (Г2) (16)

: ха (Г1) +

sin(ю • к)

Определив по (16) для всех трех фаз комплексы векторов мгновенных значений токов или напряжений, под-

хог (г) = 1 • [(х^ + хВе) +1 • (хА — хве)], (18)

в е

где

хве = ■ хр =■

73

в е ве ха —ха

л/3

(19)

(20)

Амплитуды векторов прямой и обратной последовательностей найдем для момента времени т = 0,5 • (Г1 + Г2)

X

ПР

(Т)1 = 2 V(х« — хР ) +(хр + ха ) , (21)

X

ОБ

, ч| 1 I, А , ве, 2 . , А ве ч2 (22) (Т)1 = 2 V (х« + хР ) +(хр — ха ) . (22)

Фазы векторов прямой и обратной последовательностей можно определить по формулам:

фПР (т) = arccos

фОБ (т) = arcсos

(хА хве)

(ха — хр )

XПР (Т)|

(хА +хве)

(ха + хр )

XОБ (Т)|

(23)

(24)

Коэффициент несимметрии тока или напряжения может быть определен по следующей формуле:

К

НЕС

XОБ (т)|

X ПР (т).

(25)

Разработанный алгоритм позволяет получить мгновенные значения амплитуд и фаз прямой и обратной последовательностей на основе двух измеренных мгновенных фазных значений в режиме реального времени, а также определить угол между векторами тока и напряжения прямой (обратной) последовательностей, а следовательно и направление мощности по знаку косинуса этого угла:

Дф пр (т) = ф1 ПР(т) — фи ПР (тХ (26)

АфОБ (т) = ф/ ОБ (т) — фи ОБ(т). (27)

Такой подход позволяет сократить время действия пускового органа БАВР на появление аварийного режима в питающей сети.

Приведем пример обеспечения успешного действия разработанного способа БАВР применительно к системе электроснабжения с двигательной нагрузкой (рис. 1), в которой используются трансформаторы Т1 и Т2 мощностью 16000 кВА, а к секциям подключены постоянная (мощностью 2 МВт) и двигательная нагрузки (асинхронный двигатель мощностью 4000 кВт и синхронный двигатель 10000 кВт). Разработанное устройство БАВР [9] включает в себя измерение напряжений и токов прямой последовательности и определение углов между токами прямой последовательности основного и резервного источников питания и напряжениями прямой последовательности основного и резервного источников питания. Логическая схема работы такого устройства БАВР представлена на рис. 4.

Приведем результаты моделирования возникшего двухфазного короткого замыкания в точке К1 (рис. 1) и переключения питания секции, потерявшей питание вследствие короткого замыкания, с помощью устройства БАВР на резервный источник. Короткое замыкание возникло в момент времени ^=2,3 с, отключение вводного выключателя секции происходит в момент времени /2=2,39 с, а включение секционного выключателя в момент времени = 2,49 с.

Результаты моделирования были получены с помощью математической модели, в которой трансформаторы и двигатели были описаны полными дифференциальными уравнениями, а логическая часть была записана в соответствии с рис. 4.

На рис. 5 - рис. 9 приведены графики изменения токов на вводах секций СШ I и СШ II (рис. 1.), напряжений на секциях, а также скорости вращения роторов асинхронного и синхронного двигателей. На рис. 10 - рис. 14 приведены графики изменения токов прямой последовательности на вводе секции и угла между ними и напряжения прямой последовательности на секциях. В качестве коммутационного аппарата выбраны вакуумные выключатели ВВ/ТБЬ - 6 (10). Полное время отключения выключателя, согласно [10], принято 0,07 с, а время включения 0,1 с. Время реакции пускового органа БАВР, реагирующего на фазовый сдвиг между токами прямой последовательности на вводах секций (рис. 14), составило 0,02 с. Таким образом, цикл переключения на резервный источник питания составил 0,19 с.

Таким образом, ускоренное действие БАВР достигается при внешних коротких замыканиях за счет контроля фазового сдвига между векторами токов прямой последовательности на вводах секций, питающихся от основного и резервного источников питания, а при потере питания за счет контроля фазового сдвига между векторами напряжений прямой последовательности на секциях, что позволяет обеспечить успешный самозапуск электродвигателей.

А

"О"

Блок Блок

управления 01 управления 02

Рис. 4. Логическая схема устройства БАВР

2000

1000

- 1000

- 2000

1, сек

2 2.15 2.3 2.45 2.6 2.75 2.9 3.05 3.2 3.35 3.5 Рис. 5. График изменения токов на вводе СШ I

2500

1250

- 1250

- 2500

2 2.15 2.3 2.45 2.6 2.75 2.9 3.05 3.2 3.35 3.5 Рис. 6. График изменения токов на вводе СШ II

0

0

80001

4000

- 4000

- 8000

2 2.15 2.3 2.45 2.6 2.75 2.9 3.05 3.2 3.35 3.5

Рис. 7. График изменения напряжений на СШ I

8000

4000

- 4000

- 8000

2 2.15 2.3 2.45 2.6 2.75 2.9 3.05 3.2 3.35 3.5 Рис. 8. График изменения напряжений на СШ II

2500

1875

1250

625

0

I, А { \

V

'--

13 1, сек

2 2.15 2.3 2.45 2.6 2.75 2.9 3.05 3.2 3.35 3.5 Рис. 11. График изменения токов ПП СШ II

8000

6000

4000

2000

0

и, В

г"

11 12 13 1, сек

2 2.15 2.3 2.45 2.6 2.75 2.9 3.05 3.2 3.35 3.5 Рис. 12. График изменения напряжений ПП на СШ I

1.2 1

0.8 0.6 0.4 0.2 0

ю, о.е. ЮСД

л

ЮАД

11 1 13 1, сек

8000

2 2.15 2.3 2.45 2.6 2.75 2.9 3.05 3.2 3.35 3.5

Рис. 9. График изменения скорости вращения ротора асинхронного и синхронного двигателей

7000

6000

5000

4000

и, В

13 1, сек

2 2.15 2.3 2.45 2.6 2.75 2.9 3.05 3.2 3.35 3.5 Рис. 13. График изменения напряжений ПП на СШ II

2000

I, А

И

с 11 12 1, сек

2 2.15 2.3 2.45 2.6 2.75 2.9 3.05 3.2 3.35 3.5

Рис. 10. График изменения токов ПП СШ I

-1

А ф, 'ад

А

11 1 сек

2.25 2.26 2.28 2.29 2.31 2.32 2.33 2.35 2.36 2.38 2.39 Рис. 14. График изменения угла между токами ПП

0

0

3

2

1

0

Разработан способ определения мгновенных комплексных значений токов (напряжений) прямой и обратной последовательностей по двум значениям сигнала, измеренным через 1 миллисекунду. При этом выходные значения амплитуд и фаз векторов представлены в виде постоянных сигналов в режиме реального времени.

Результатами моделирования подтверждена эффективность разработанного БАВР в системах электроснабжения с синхронными и асинхронными двигателями.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гребченко Н. В. Совершенствование быстродействующего АВР в системах электроснабжения с синхронными двигателями: дис. кандидата технических наук: 05.14.02 / Гребченко Николай Васильевич. - Д., 1985. - 237 с.

2. Слодарж М. И. Режимы работы, релейная защита и автоматика синхронных электродвигателей / М. И. Слодарж. - М. : Энергия, 1977. - 216 с.

3. Киреева Э. Современные устройства быстродействующего АВР / Э. Киреева, В. Пупин, Д. Гумиров // Главный энергетик. - 2005. - № 11. - С. 23-25.

4. Никулов И. Комплекс БАВР Быстродействие повышает надежность электроснабжения / И. Никулов, В. Жуков, В. Пупин // Новости электротехники. -2012. - № 4. - С. 2-4.

5. Патент на изобретение 2326481(13) С1, Российская федерация, МПК И021 9/06 Способ автоматического включения резервного электропитания потребителей и устройство для его осуществления / Цырук С. А., Гамазин С. И., Пупин В. М., Козлов В. Н., Павлов А. О.; заявитель и правообладатель Государ -ственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Московский энергетический институт (технический университет)» (ГОУВПО«МЭИ(ТУ)»). - № 2006139086/09; заявка 07.11.2006; опубл. 07.11.2006

6. Патент на изобретение 2447565(13) С1, Российская федерация, МПК H02J 9/06 Способ автоматического включения резервного электропитания потребителей и устройство для его осуществления / Гамазин С. И., Жуков В. А., Куликов А. И., Пупин В. М., Цырук С. А.; заявитель и правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ»). - № 2011105886/07; заявка 17.02.2011; опубл. 17.02.2011.

7. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники / Л. А. Бессонов. - М. : Высшая школа, 1996. -638 с.

8. Шнеерсон Э. М. Цифровая релейная защита / Э. М. Шнеерсон. - М. : Энергоатомиздат, 2007. - 549 с.

9. Патент на полезную модель 80430, Украина МПК8 H02J 9/00., Способ автоматического включения резервного электропитания потребителей / Сивокобы-ленко В. Ф., Деркачев С. В.; заявитель и правообладатель ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет»; заявка u201214451; опубл. 27.05.2013.

10. Эксплуатация вакуумных выключателей BB/TEL-6(10) // [Электронный ресурс]. Режим доступа: http:/ /forca.ru/instrukcii-po-ekspluatacii/podstancii/ ekspluataciya-vakuumnyh-vyklyuchatelei-bb/tel-610.html

Стаття надiйшла до редакцп 07.05.2014.

Сивокобиленко В. Ф.1, Деркачов С. В.2

1Д-р техн. наук, професор, завщувач кафедри «Електричш станцй» Донецький нацюнальний техшчний уш-верситет, Украша

2Астрант, Донецький нацюнальний техшчний ушверситет, Украша

СПОС1Б П1ДВИЩЕННЯ ШВИДКОДП ПУСКОВОГО ОРГАНУ АВТОМАТИЧНОГО ВКЛЮЧЕННЯ РЕЗЕРВА

Розглянуто споЫб тдвищення надiйностi систем електропостачання з двигуновим навантаженням при короткочасних порушеннях електроживлення за рахунок вдосконалення пускових оргатв швидкодЮчого АВР на основi запропонованого методу прискореного визначення комплексних миттевих значень струмiв та напруг прямог та зворотног послiдовностi. Наведено прикладуспшног ди пристрою швидкодЮчого АВР з використан-ням запропонованого тдходу.

Ключов1 слова: швидкодЮче автоматичне включення резерву, двигуновi навантаження, пусковий орган, пряма по^довтсть, зворотна по^довтсть

Sivokobilenko V.F.1, Derkachov S.V.2

'Professor, Doctor of Technical Sciences, head of department «Electric stations» Donetsk National Technical University, Ukraine

^Postgraduate, Donetsk National Technical University, Ukraine

METHOD FOR INCREASING OF FAST-ACTING AUTOMATIC TRANSFER SWITCH

The methodfor reliability of increasing of electrical power supply system with motor load at short-time power failure by improvement of fast-acting automatic transfer switch starting element is considered. Starting element of fast-acting automatic transfer switch on proposed method is based on definition of the angles between direct sequence voltages on main and reserve power sources and between direct sequence currents on main and reserve power sources. Definition of direct and inverse sequences currents and voltages values on introduced method is based on measuring and processing of current and voltage momentary values. The example of the fast-acting automatic transfer switch successful operation with using of the offered approach is given.

Keywords: fast-acting automatic transfer switch, motor load, starting element, direct sequence, inverse sequence.

REFERENCES

1. Grebchenko N. V. Sovershenstvovanie byistrodeystvuyuschego AVR v sistemah elektrosnabzheniya s sinhronnyimi dvigatelyami: dis. kandidata tehnicheskih nauk: 05.14.02. D., 1985, 237 p.

2. Slodarzh M.I. Rezhimyi rabotyi, releynaya zaschita i avtomatika sinhronnyih elektrodvigateley. Moscow, Energiya, 1977, 216 p.

3. Kireeva E., Pupin V., Gumirov D. Sovremennyie ustroystva byistrodeystvuyuschego AVR, Glavnyiy energetik, 2005, No. 11, pp. 23-25.

4. Nikulov I., Zhukov V., Pupin V. Kompleks BAVR Byistrodeystvie povyishaet nadYozhnost elektrosnabzheniya, Novosti elektrotehniki, 2012,No. 4, pp. 2 - 4.

5. Tsyiruk S. A., Gamazin S. I., Pupin V M., Kozlov V. N., Pavlov A. O. Patent na izobretenie 2326481(13) C1, Rossiyskaya federatsiya, MPK H02J 9/06 Sposob avtomaticheskogo vklyucheniya rezervnogo elektropitaniya potrebiteley i ustroystvo dlya ego osuschestvleniya; zayavitel i pravoobladatel Gosudarstvennoe obrazovatelnoe uchrezhdenie vyisshego professionalnogo obrazovaniya «Moskovskiy energeticheskiy institut (tehnicheskiy universitet)» (GOUVPO«MEI(TU)»), №2006139086/09; zayavka 07.11.2006; opubl. 07.11.2006.

6. Gamazin S. I., Zhukov V A., Kulikov A. I., Pupin V M., Tsyiruk S. A. Patent na izobretenie 2447565(13) S1, Rossiyskaya federatsiya, MPK H02J 9/06 Sposob avtomaticheskogo vklyucheniya rezervnogo elektropitaniya potrebiteley i ustroystvo dlya ego osuschestvleniya; zayavitel i pravoobladatel Federalnoe gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovatelnoe uchrezhdenie vyisshego professionalnogo obrazovaniya «Natsionalnyiy issledovatelskiy universitet «MEI» (FGBOU VPO «NIU MEI»). - № 2011105886/07; zayavka 17.02.2011; opubl. 17.02.2011.

7. Bessonov L. A. Teoreticheskie osnovyi elektrotehniki. Moscow, Vyisshaya shkola, 1996, 638 p.

8. Shneerson E. M. Tsifrovaya releynaya zaschita. Moscow, Energoatomizdat, 2007, 549 p.

9. Sivokobyilenko V. F., Derkachev S. V. Patent na poleznuyu model 80430, Ukraina MPK8 N02J 9/00., Sposob avtomaticheskogo vklyucheniya rezervnogo elektropitaniya potrebiteley ; zayavitel i pravoobladatel GVUZ «Donetskiy natsionalnyiy tehnicheskiy universitet»; zayavka u201214451; opubl. 27.05.2013.

10. Ekspluatatsiya vakuumnyih vyiklyuchateley BB/TEL-6(10) // [Elektronnyiy resurs]. Rezhim dostupa: http:// forca.ru/instrukcii-po-ekspluatacii/podstancii/ ekspluataciya-vakuumnyh-vyklyuchatelei-bb/tel-610.html