СПОСОБ СОКРАЩЕНИЯ ВРЕМЕНИ ПОДАЧИ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ДВИГАТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКОЙ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.316.925:681.3 Сергей Владимирович Деркачёв

Донецкий национальный технический университет, кандидат технических наук, доцент кафедры электрических станций, Россия, Донецк, e-mail: sergey_derkachev@mail.ru

Способ сокращения времени подачи резервного питания в системах электроснабжения с двигательной нагрузкой

Авторское резюме

Состояние вопроса. Устройства быстродействующего автоматического резерва на сегодняшний день нашли широкое применения в системах электроснабжения с двигательной нагрузкой, поскольку позволяют обеспечить непрерывное электроснабжение ответственных потребителей. Однако их использование требует применения быстродействующих выключателей. Реализация «быстрого» переключения на резервный источник питания при использовании вакуумных выключателей может оказаться невозможной из-за большой длительности времени включения и отключения. В связи с этим актуальным является исследование возможностей сокращения времени подачи резервного питания за счет совершенствования алгоритма управления вакуумными выключателями основного и резервного источников питания в режимах «быстрого» переключения устройством быстродействующего автоматического включения резерва при возникновении коротких замыканий в сети внешнего электроснабжения. Материалы и методы. Для реализации поставленной цели использованы методы компьютерного моделирования, основанные на математических моделях элементов электрической сети, записанных с помощью систем дифференциальных уравнений.

Результаты. Установлены закономерности протекания переходных процессов в асинхронных и синхронных двигателях при переключении на резервный источник питания устройством быстродействующего автоматического включения резерва в случае возникновения коротких замыканий в сети внешнего электроснабжения, которые позволили установить предельное значение угла рассогласования между векторами остаточного напряжения на секции основного источника питания и напряжением резервного источника питания, при котором уровень тока самозапуска не будет превышать значения пусковых токов, а также разработать алгоритм управления выключателями. Предложенный алгоритм основан на изменении порядка работы выключателей основного и резервного источников питания.

Выводы. Полученные результаты показывают, что использование предложенного алгоритма управления выключателями основного и резервного источников питания в устройствах быстродействующего автоматического включения резерва при возникновении коротких замыканий в сети внешнего электроснабжения основного источника питания позволяет сократить время подачи резервного питания и обеспечить уровень токов самозапуска, не превышающий уровня пусковых токов электродвигателей без использования быстродействующих выключателей.

Ключевые слова: синхронные электродвигатели, асинхронные электродвигатели, микропроцессорное устройство быстродействующего автоматического включения резерва, пусковой орган, вакуумные выключатели

Sergey Vladimirovich Derkachev

Donetsk National Technical University, Candidate of Engineering Sciences (PhD), Associate Professor of Electrical Station Department, Russia, Donetsk, e-mail: sergey_derkachev@mail.ru

Method for reducing time of backup power supply in power supply systems

with motor load

Abstract

Background. Nowadays fast-acting automatic transfer equipment is commonly applied in power supply systems with a motor load since it ensures uninterrupted power supply of critical consumers. However, their application requires the use of high-speed breakers. The implementation of a "high-speed" transfer to a backup power source when using vacuum switches may not be possible due to the long turn-on and turn-off times. Therefore, the purpose of the paper is relevant. The aim of the paper is to study the possibility to reduce the backup power supply time by improving the algorithm to control the vacuum switches of the main and backup power sources in the modes "high-speed" switching by the fast-acting automatic device in case of short circuits in the external power supply network.

Materials and methods. To achieve this purpose, computer modeling methods are used. They are based on mathematical models of electrical network elements written using systems of differential equations.

Results. The authors have defined the regularities of the transient processes in synchronous and induction motors when switching to a backup power source by the fast-acting automatic device in case of short circuits in the external power supply network. It makes possible to set the limit value of the mismatch angle between the residual voltage vectors on

© Деркачёв С.В., 2023 Вестник ИГЭУ, 2023, вып. 2, с. 44-50.

the section of the main power source and the voltage of the backup power source, at which the level of the self-starting current does not exceed the values of the starting currents. Also, it makes possible to develop an algorithm to control breakers. The proposed algorithm is based on changing the operation order of the switches of the main and backup power sources.

Conclusions. The obtained results show that implementation of the proposed algorithm to control breakers of the main and backup power sources in fast-acting automatic devices in case of short circuits in the external power supply network of the main power source makes it possible to reduce the backup power supply time and decrease the level of self-starting currents that do not exceed the level of starting currents of electric motors without use of high-speed switches.

Key words: synchronous motors, induction motors, microprocessor-based device of high-speed automatic transfer switch, starting element, vacuum circuit breakers

йО!: 10.17588/2072-2672.2023.2.044-050

Введение. Наличие большого числа мощных синхронных и асинхронных электродвигателей напряжением 6-10 кВ на промышленных предприятиях с непрерывным технологическим процессом предъявляет ряд требований к обеспечению их устойчивой работы в случае возникновения кратковременных нарушений нормального режима электроснабжения. Для обеспечения непрерывности технологического процесса на промышленных предприятиях в случае возникновения нарушений нормального режима электроснабжения на сегодняшний день широкое распространение получили микропроцессорные устройства быстродействующего автоматического включения резерва (БАВР).

Современные микропроцессорные устройства БАВР [1-4] способны выявить появление аварийного режима в сети внешнего электроснабжения и подать команду на отключение выключателя основного источника питания, а затем обеспечить подачу резервного питания путем подачи команды на включение выключателя резервного источника питания. В отличие от классических устройств автоматического включения резерва, которые подают команду на включение резервного источника питания при снижении уровня остаточного напряжения на секции до 40 % от номинального напряжения [5], устройства БАРВ выполняют подачу резервного питания с контролем величины угла рассогласования между векторами остаточного напряжения основного источника питания и напряжением резервного источника питания. Контроль величины угла рассогласования позволяет исключить несинхронную подачу резервного питания и обеспечить уровень токов самозапуска, не превышающих уровня пусковых токов, не ожидая при этом снижения уровня остаточного напряжения на секции после ее отключения от основного источника питания, что позволяет существенно сократить время перерыва питания двигательной нагрузки. Для этого в устройствах БАВР предусмотрено два основных режима подачи резервного питания, а именно: 1) «быстрое» переключение, т.е. до достижения углом рассогласования предельно допустимого значения; 2) синхронная подача резервного питания, т.е. при первом совпаде-

нии фаз остаточного напряжения на секции основного источника питания и напряжения резервного источника питания. Как правило, в устройствах БАВР величина допустимого угла рассогласования для режима «быстрого» переключения составляет 40 градусов [6].

Для реализации режима «быстрого» переключения с помощью устройств БАВР обязательным является использование современных быстродействующих выключателей со временем отключения не более 20 мс и временем включения не более 22 мс1. В связи с этим реализация алгоритма «быстрого» переключения устройством БАВР в случае возникновения аварийного режима в сети внешнего электроснабжения при использовании вакуумных выключателей, время отключения и включения которых составляет 70 и 120 мс соответствен-но2, может оказаться невозможной из-за увеличения времени переключения на резервный источник питания.

Таким образом, актуальным является исследование возможности сокращения времени подачи резервного питания за счет совершенствования алгоритма управления вакуумными выключателями основного и резервного источников питания в режимах «быстрого» переключения устройством БАВР при возникновении коротких замыканий в сети внешнего электроснабжения.

Методы исследования. Для исследования переходных процессов, возникающих в режимах переключения питания с основного источника на резервный при возникновении аварийных режимов в сети внешнего электроснабжения, вызванных короткими замыканиями, составим математическую модель узла энергосистемы с двигательной нагрузкой. На рис. 1 представлена схема узла энергосистемы с двигательной нагрузкой, представляющая собой двухтрансформаторную подстанцию, от шин которой питаются синхронный двигатель мощностью 1,7 МВт и асинхронные двигатели мощ-

1 БАВР10. Техническая информация. Таврида электрик, 2018. - 48 с.

2 Выключатели вакуумные серии ВР. Техническая информация. Высоковольтный союз, 2013. - 48 с.

ностью 3,8 и 1,5 МВт. Подробное описание построения математической модели узла энергосистемы приведено в [7].

1.7 МВт 3.8 МВт 1.5 МВт

Рис. 1. Узел энергосистемы с двигательной нагрузкой

Поскольку необходимо выполнить исследование переходных процессов, возникающих в режимах переключения питания с основного источника питания на резервный при возникновении коротких замыканий в сети внешнего электроснабжения, воспользуемся математической моделью устройства БАВР, описанной в [8]. В качестве пускового органа при возникновении коротких замыканий в сети внешнего электроснабжения в описанном в [8] устройстве БАВР используется орган направления мощности прямой последовательности со временем реакции на появление аварийного режима 2 мс.

Результаты исследования. На рис. 2 приведены результаты компьютерного моделирования переключения на резервный источник питания при возникновении трехфазного короткого замыкания в сети внешнего электроснабжения основного источника питания и «быстрого» переключения на резервный источник питания. В качестве коммутационных аппаратов при компьютерном моделировании были использованы вакуумные выключатели, время включения которых составляет 120 мс, а время отключения - 70 мс.

Анализ результатов компьютерного моделирования (рис. 2) показывает, что в момент времени t = 23 с происходит трехфазное короткое замыкание в сети внешнего электроснабжения основного источника питания. В момент времени t = 23,002 с подается команда

на отключение выключателя основного источника питания, а после его отключения в момент времени t = 23,072 с подается команда на включение выключателя резервного источника питания, которое произошло в момент времени 23,197 с.

Обобщенный вектор тока статора асинхронного двигателя

I, o.e.

Б -

4 -2 -О -

Обобщенный вектор тока статора синхронного двигателя

Угол между векторами напряжений двух источников питания

<Р, фад -

БО -40 -20 -О =

Напряжение на секции основного источника питания

J

Рис. 2. Результаты компьютерного моделирования переключения на резервный источник питания при возникновении трехфазного короткого замыкания в сети внешнего электроснабжения основного источника питания

Таким образом, время переключения на резервный источник питания составило 0,197 с. При этом величина токов самозапуска для асинхронного двигателя составила 7,7 о.е., а для синхронного двигателя - 6,7 о.е. Угол между векторами остаточного напряжения на секции основного источника питания и напряжением резервного источника питания в момент подачи резервного питания составил 89 градусов.

Анализ полученных результатов показывает, что «быстрое» переключение на резервный источник питания при использовании выключателей со временем включения 120 мс и выключения 70 мс невозможно, поскольку величина токов самозапуска превышает величину пусковых токов, которые для асинхронного и синхронного двигателей соответственно равны 6,7 и 5,2 о.е., а величина угла рассогласования превышает допустимую более чем в два раза.

Для того чтобы изучить возможность реализации «быстрого» переключения на резервный источник питания при возникновении коротких замыканий в сети внешнего электроснабжения при использовании выключателей

со временем включения 120 мс, выполним анализ переходных процессов в электродвигателях при возникновении короткого замыкания и его отключении устройством БАВР.

На рис. 3 приведены результаты компьютерного моделирования отключения трехфазного короткого замыкания в сети внешнего электроснабжения устройством БАВР.

Рис. 3. Результаты компьютерного моделирования отключения трехфазного короткого замыкания в сети внешнего электроснабжения устройством БАВР

Анализ полученных результатов (рис. 3) показывает, что в момент времени t = 23 с происходит трехфазное короткое замыкание в сети внешнего электроснабжения основного истопника питания, что приводит к глубокой посадке напряжения на секции, питающей двигательную нагрузку, а после отключения вводного выключателя секции в момент времени t = 23,072 с величина остаточного напряжения на секции скачкообразно возрастает до 50 % от номинального напряжения и в момент времени t = 23,5 с - до 69 %, после чего начинает снижаться. Это объясняется тем, что после отключения короткого замыкания электродвигатели, оставшиеся без питания, переходят в генераторный режим и за счет запасенной энергии в режиме выбега продолжают генерировать остаточное напряжение на секции, которое затухает по амплитуде и фазе.

На рис. 4 приведены результаты компьютерного моделирования режима отключения выключателя основного источника питания в режиме, не связанном с короткими замыканиями.

Анализ полученных результатов (рис. 4) показывает, что в момент времени t = 23 с про-

исходит отключение выключателя основного источника питания, при этом уровень остаточного напряжения на секции, генерируемого выбегающими электродвигателями, скачкообразно снижается до 95 % от номинального напряжения, а в момент времени t = 23,5 с начинает снижаться, затухая по амплитуде и частоте.

Рис. 4. Результаты компьютерного моделирования отключения выключателя основного источника питания в режиме, не связанном с короткими замыканиями

Анализ результатов компьютерного моделирования (рис. 3 и 4) показывает, что после отключения выключателя основного источника питания, связанного с коротким замыканием в сети внешнего электроснабжения, величина остаточного напряжения на секции значительно ниже, чем при отключении выключателя основного источника питания по причинам, не связанным с короткими замыканиями. Исходя из того, что величина токов самозапуска в режимах переключения на резервный источник питания зависит от величины остаточного напряжения на секции после отключения основного источника питания и от угла между векторами напряжения основного и резервного источников питания, целесообразно уточнить величину допустимого угла рассогласования при переключении на резервный источник питания после отключения короткого замыкания в сети внешнего электроснабжения устройством БАВР.

На рис. 5 приведены результаты компьютерного моделирования переключения на резервный источник питания после отключения выключателя основного источника питания устройством БАВР вследствие возникновения короткого

замыкания в сети внешнего электроснабжения с углом включения, равным 65 градусов.

Рис. 5. Результаты компьютерного моделирования переключения на резервный источник питания после отключения короткого замыкания устройством БАВР

Анализ приведенных на рис. 5 результатов компьютерного моделирования показывает, что включение резервного источника питания после отключения выключателя основного источника питания устройством БАВР при величине угла рассогласования, равной 65 градусов, величина токов самозапуска асинхронного двигателя составила 6,2 о.е., а синхронного -5,1 о.е.

Таким образом, увеличение предельной величины угла рассогласования между остаточным напряжением на секции и напряжением резервного источника питания после отключения короткого замыкания устройством БАВР до 65 градусов не приведет к превышению токами самозапуска электродвигателей уровня пусковых токов.

Поскольку скорость изменения угла между остаточным напряжением на секции и напряжением резервного источника зависит от постоянной времени агрегатов, приводимых электродвигателями, а также от их коэффициентов загрузки, то длительность перерыва питания при использовании выключателей со временем включения 120 мс и отключения 70 мс, равная 0,197 с, может превышать время достижения углом рассогласования значения 65 градусов. В этом случае подача резервного питания до достижения углом рассогласования значения 65 градусов окажется невозможной, а токи самозапуска превысят уровень пусковых

токов. Поэтому в целях выполнения переключения на резервный источник питания до достижения углом рассогласования значения 65 градусов и обеспечения токов самозапуска на уровне, не превышающем уровень пусковых токов, предлагается подавать команду на включение выключателя резервного источника питания одновременно с командой на отключение выключателя основного источника питания.

Однако при одновременной подаче команды на отключение выключателя основного источника питания и включение выключателя резервного источника питания может возникнуть режим, при котором в случае отказа выключателя основного источника питания произойдет подключение резервного источника питания на неотключенное короткое замыкание в сети внешнего электроснабжения. В связи с этим предлагается усовершенствовать алгоритм управления выключателей основного и резервного источников питания устройством БАВР при возникновении внешних коротких замыканий. Структурная схема предлагаемого алгоритма работы выключателей показана на рис. 6.

I

1

I

и

I > I

уст

г > г,

уст

_к

Орган направления мощности

&

т

Команда на отключение секционного выключателя

Команда на отключение выключателя секции

Команда на включение секционного выключателя

Рис. 6. Структурная схема предлагаемого алгоритма работы выключателей

Работа предлагаемого алгоритма заключается в следующем: при возникновении короткого замыкания в сети внешнего электроснабжения основного источника питания срабатывает орган направления мощности, который подает одновременно команду на включение выключателя резервного источника питания и на отключение выключателя основного источника питания. Одновременно с этим запускается выдержка времени, равная времени отключения выключателя и времени реакции пускового органа направления мощности. Если к моменту истечения выдержки времени на вводе секции сохранится протекание тока, то будет подана команда на отключение выключателя резервного источника питания. В этом случае

резервный источник питания окажется кратковременно подключен к короткому замыканию, величина тока которого не будет превышать ток короткого замыкания на отходящем присоединении секции резервного источника питания, что не приведет к потере устойчивости электродвигателей, получающих питания от секции резервного источника питания.

На рис. 7 показаны результаты компьютерного моделирования режима переключения на резервный источник питания устройством БАВР при возникновении трехфазного короткого замыкания в сети внешнего электроснабжения по предложенному алгоритму.

Обобщенный вектор тока статора асинхронного двигателя

I -1-1-!-1-!-1-1-

I , О О :

?.......;........;.........НИ.........;........;........

Обобщенный вектор тока статора синхронного двигателя

Напряжение на секции основного источника питания

U, o.e. ' 1 | 1

0.5-.......;.................. 7..............;...........................

01-1-1-;-1-:-1-1-

22 22.5 23 23.5 24 24.5 25 I, сек

Рис. 7. Результаты компьютерного моделирования режима переключения на резервный источник питания устройством БАВР при возникновении трехфазного короткого замыкания в сети внешнего электроснабжения по предложенному алгоритму

Анализ полученных результатов (рис. 7) показывает, что в момент времени t = 23 с происходит трехфазное короткое замыкание в сети внешнего электроснабжения основного источника питания и устройством БАВР подается команда на отключение выключателя основного источника питания и включение выключателя резервного источника питания. Отключение выключателя основного источника питания происходит в момент времени t = 23,073 с, а включение выключателя резервного источника питания - в момент времени t = 23,122 с. Таким образом, время перерыва питания составило 49 мс. Включение резервного источника питания происходит при величине угла рассогласования, равной 55 градусам, а уровень токов самозапуска для асинхронного двигателя состав-

ляет 5,57 о.е., для синхронного двигателя -4,45 о.е. Полученные уровни токов самозапуска не превышают значений пусковых токов, поэтому «быстрое» переключение на резервный источник питания по предложенному алгоритму можно считать успешным.

Выводы. Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы.

1. Методом математического моделирования определена величина предельного угла рассогласования между векторами остаточного напряжения на секции и напряжением резервного источника питания, при котором подача резервного питания после отключения короткого замыкания в сети внешнего электроснабжения основного источника не приведет к появлению токов самозапуска больших, чем пусковые токи.

2. Использование усовершенствованного алгоритма управления выключателями основного и резервного источников для обеспечения «быстрого» переключения устрйоством БАВР на резервный истоник питания при использова-ниии выключателей со временем включения 120 мс и временем отключения 70 мс позволяет отказаться от установки дорогостоящих быстродействующих выключателей.

Список литературы

1. Быстродействующее устройство АВР с однократным принципом определения нарушения нормального электроснабжения потребителей / В.А. Жуков, В.М. Пупин, С.И. Гамазин и др. // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. - 2011. -№ 9. - С. 11-18.

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

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

4. A Modern Automatic Bus Transfer Scheme / T. Sidhu, V. Balamourougan, M. Thakur, B. Kasztenny // International Journal of Control, Automation, and Systems. -2005. - Vol. 3, No. 2 (special edition). - Р. 376-385.

5. Голоднов Ю.М. Самозапуск электродвигателей. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 136 с.

6. Сивокобыленко В.Ф., Деркачев С.В. Анализ переходных процессов в двигательной нагрузке при переключениях питания на резервный источник // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2016. - № 5. - С. 69-74. DOI: 10.17213/0136-3360-2016-5-69-74.

7. Сивокобыленко В.Ф., Деркачев С.В. Математическая модель многомашинной системы для анализа поведения электродвигателей в режимах БАВР // Научные труды Дон-НТУ. Сер. Электротехника и энергетика. - 2014. - № 1(16). - С. 171-178.

8. Деркачев С.В. Способы построение измерительных и пусковых органов микропроцессорных устройств быстродействующего автоматического включения резерва // Вестник ИГЭУ. - 2021. -№ 1. - С. 41-48. DOI: 10.17588/2072-2672.2021.1.041-048.

References

1. Zhukov, V.A., Pupin, V.M., Gamazin, S.I., Kuli-kov, A.I., Tsyruk, S.A. Bystrodeystvuyushchee ustroystvo AVR s odnokratnym printsipom opredeleniya narusheniya normal'nogo elektrosnabzheniya potrebiteley [Fast-Acting ATS Device with a One-time Principle for Determining a Violation of Normal Power Supply of Consumers]. Elektrooborudovanie: ekspluatatsiya i remont, 2011, no. 9, pp. 11-18.

2. Kireeva, E., Pupin, V., Gumirov, D. Sovremen-nye ustroystva bystrodeystvuyushchego AVR [Modern devices for high-speed ATS]. Glavnyy energetik, 2005, no. 11, pp. 23-25.

3. Nikulov, I., Zhukov, V., Pupin, V. Kompleks BAVR Bystrodeystvie povyshaet nadezhnost' elektrosnabzheniya [The complex of FATS performance increases the reliability of power supply]. Novosti elektrotekhniki, 2012, no. 4, pp. 2-4.

4. Sidhu, T., Balamourougan, V., Thakur, M., Kasztenny, B. A Modern Automatic Bus Transfer Scheme. International Journal of Control, Automation and Systems, 2015, vol. 3, no. 2, pp. 376-385.

5. Golodnov, Yu.M. Samozapuck elektrodvigate-ley [Self-Starting Electric Motors]. Moscow: Energoatomiz-dat, 1985. 136 p.

6. Sivokobylenko, V.F., Derkachev, S.V. Analiz perekhodnykh protsessov v dvigatel'noy nagruzke pri pereklyucheniyakh pitaniya na rezervnyy istochnik [Analysis of Transients Processes in Motor Load at Switching on to Reserve Power Supply Source]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Elektromek-hanika, 2016, no. 5, pp. 69-74. D0l:10.17213/0136-3360-2016-5-69-74.

7. Sivokobylenko, V.F., Derkachev, S.V. Ma-tematicheskaya model' mnogomashinnoy sistemy dlya analiza povedeniya elektrodvigateley v rezhimakh BAVR [A mathematical model of a multi-machine system for analyzing the behavior of electric motors in FATS modes]. Nauchnye trudy Don-NTU. Seriya Elektrotekhnika i ener-getika, 2014, no. 1(16), pp. 171-178.

8. Derkachev, S.V. Sposoby postroenie iz-meritel'nykh i puskovykh organov mikroprotsessornykh ustroystv bystrodeystvuyushchego avtomaticheskogo vklyucheniya rezerva [Ways of constructing of measuring and starting elements of microprocessor devices of fast acting automatic transfer switch]. Vestnik IGEU, 2021, issue 1, pp. 41-48. DOI: 10.17588/20722672.2021.1.041-048.