WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 


Pages:   || 2 |

«СИСТЕМА ПОДДЕРЖАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ РАБОТЫ СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ 6-10кВ ...»

-- [ Страница 1 ] --

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»

На правах рукописи

Михалев Сергей Владимирович

СИСТЕМА ПОДДЕРЖАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ РАБОТЫ

СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ 6-10кВ Специальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д.т.н., профессор Поляхов Н.Д.

Санкт-Петербург

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ПОДДЕРЖАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ РАБОТЫ

СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 6-10кВ

1.1. Краткая характеристика узлов нагрузки с синхронными электродвигателями 6-10кВ.

Выбор исследуемой схемы электроснабжения синхронных двигателей

1.2. Краткий анализ систем возбуждения синхронных двигателей 6-10кВ. Выбор исследуемой системы возбуждения

1.3. Краткий анализ технологического оборудования газоперекачивающей станции. Выбор исследуемой схемы регулирования нагрузки синхронных машин

1.4. Влияние изменений напряжения и частоты питающей сети на работу синхронных двигателей

1.5. Анализ работы релейной защиты и автоматики подстанции с синхронной нагрузкой при снижении питающего напряжения.

1.6. Анализ режимов самозапуска синхронных двигателей

1.7. Анализ научно-информационных источников, авторефератов диссертаций, патентов, теоретических и экспериментальных исследований

Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ДЛЯ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ СИНХРОННЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ 6-10кВ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОТЕРЕ ПИТАНИЯ

2.1. Разработка модели синхронного двигателя

2.2. Разработка модели системы возбуждения

2.3. Разработка модели релейной защиты и автоматики газоперекачивающей станции.......... 2.4. Разработка модели трансформатора тока

2.5. Реализация моделей питающего источника, ЛЭП, трансформаторов. Выбор такта квантования

Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА КОНТРОЛЯ УСТОЙЧИВОСТИ СД

3.1. Существующие алгоритмы контроля устойчивости СД

3.2. Анализ экспериментов с применением существующих алгоритмов контроля устойчивости СД

3.3. Разработка алгоритма контроля устойчивости с учетом результатов экспериментов....... Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ

КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОТЕРЕ ПИТАНИЯ................ 4.1. Выбор проводимых модельных экспериментов

4.2. Моделирование потери питания вследствие отключения питающего источника.............. 4.3. Моделирование коротких замыканий в точке 1

4.4. Моделирование коротких замыканий в точке 2

4.5. Моделирование коротких замыканий в точке 3

4.6. Моделирование коротких замыканий в точке 4

4.7. Разработка методических указаний по настройке устройств РЗА и организации системы поддержания устойчивости работы СД

Выводы по главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение 1. Результаты моделирования отключения питающего источника

Приложение 2. Результаты моделирования КЗ в точке 1

Приложение 3. Результаты моделирования КЗ в точке 2

Приложение 4. Результаты моделирования КЗ в точке 3

Приложение 5. Результаты моделирования КЗ в точке 4

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Крупные синхронные двигатели (далее СД) находят в настоящее время широкое применение в системах электропривода насосных, компрессорных и вентиляторных установок. Такие двигатели обладают существенными преимуществами: более высоким КПД по сравнению с асинхронными машинами такой же мощности, меньшей зависимостью вращающего момента от подводимого напряжения, независимостью частоты вращения от нагрузки на валу электродвигателя, возможностью использования двигателя для компенсации реактивной мощности. Вместе с тем, эксплуатация синхронных двигателей сопровождается определенными особенностями, связанными с возможностью перехода машины в генераторный или асинхронный (относительно питающего напряжения) режимы работы вследствие кратковременного снижения или отсутствия напряжения либо потери возбуждения. В то же время, как правило, крупные синхронные машины являются потребителями первой категории, незапланированное отключение которых может привести к существенным материальным потерям, риску для здоровья и жизни людей.

Вышеперечисленные обстоятельства приводят к необходимости комплексного подхода к мероприятиям, направленным на сохранение устойчивости работы синхронных машин в различных режимах.

использованием высоковольтных синхронных двигателей можно разделить на следующие подсистемы:

подсистема автоматизации электроснабжения двигателя (релейная защита и автоматика (далее РЗА) подстанции 6(10)кВ, система возбуждения, устройство плавного пуска и т.д.);

подсистема автоматизации вспомогательного оборудования двигателя (маслостанция, гидростанция, система охлаждения и т.д.);

подсистема автоматизации компрессорной станции (регуляторы, клапаны, задвижки и т.д.).

Для сохранения двигателя в состоянии устойчивости требуется слаженная работа этих подсистем. Тем не менее, в настоящее время наблюдается ситуация, когда настройкой, вводом в эксплуатацию и обслуживанием этих подсистем занимаются различные организации и службы, необходимый комплексный подход к автоматизации электродвигателя не обеспечивается. Следует также отметить отсутствие руководящих указаний и нормативных документов, регламентирующих построение системы автоматизации с учетом возможного перехода двигателя в асинхронный режим работы.

В настоящее время многие исследователи и научные коллективы занимаются исследованиями, связанными с поддержанием устойчивости работы крупных синхронных машин. Разрабатываются новые алгоритмы работы регуляторов возбуждения, новые системы автоматического включения резервного питания, новые электродвигателей. Работы в этой области в настоящее время ведутся такими отечественными и зарубежными исследователями, как Б.Н. Абрамович, Д.А.

Устинов, Ю.А. Сычев, И.Г. Плотников, Б.Ю. Васильев, А.С. Гусев, С.В. Свечкарев, И.Л. Плодистый, Е.К. Лоханин, В.А. Глаголев, А.И. Скрыпник, Т.О. Товстяк, А.А.

Юрганов, В.Л. Невельский, М.А. Эдлин, В.А. Васильев, Ю.П. Сурин, В.Я. Чаронов, Л.Ф. Борисов, В.И. Васинеж, А.П. Рукавишников, В.Ю. Алексеев, В.А. Шабанов, В.А. Савицкий, Marius Babescu, Octavian Prostean, Gabriela Prostean, Iosif Szeidert, Cristian Vasar, Kai Pietilinen, Magnus Jansson, Lennart Harnefors.

Целью диссертационной работы является разработка системы поддержания устойчивости работы СД, позволяющей выявить неизбежность возникновения асинхронного режима до первого проворота ротора, и оптимизировать с точки зрения сохранения устойчивости работу оборудования подстанции с СД.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

высоковольтных синхронных электроприводов, оптимизации режимов их работы и способов оценки запаса устойчивости в различных режимах;

двигателями, включая модель двигателя, модель автоматического регулятора возбуждения, модель нагрузки двигателей, модели устройств защиты и противоаварийной автоматики;

3. Разработка алгоритма контроля устойчивости работы синхронного двигателя с учетом текущего значения тока возбуждения;

4. Разработка методических указаний по настройке устройств релейной защиты, использующихся совместно с алгоритмом контроля устойчивости;

5. Проведение экспериментов с использованием реализованной модели с целью подтверждения эффективности предлагаемых методических указаний и алгоритма контроля устойчивости синхронного двигателя.

Объект исследования Непосредственным объектом исследований выступили компрессорные станции ООО «Газпром». Результаты исследования могут быть распространены на другие промышленные объекты, где применяется высоковольтный синхронный электропривод с учетом специфики режимов работы технологической установки.

Степень разработанности темы исследования Теория синхронных машин развивается уже более 150 лет – действительно, первый однофазный синхронный генератор был создан ещё в 1832г, а в 1841 г. был построен первый однофазный синхронный двигатель. [8] В дальнейшем синхронные генераторы совершенствовались, здесь стоит упомянуть генератор Яблочкова, генератор Ферранти, генератор Уайльда, генератор Мордея. Развитие синхронных генераторов привело к 90м годам 19-го века к появлению трехфазных машин с шихтованным сердечником.

Первый трехфазный синхронный генератор изобрел известный русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский. Этот генератор имел мощность 230 кВА, приводился во вращение от гидротурбины и обеспечивал электроснабжение международной электротехнической выставки в г. Франкфурте в 1891 г. по четырехпроводной электрической линии трехфазного тока. Основная электромагнитная схема синхронных машин с тех пор оставалась неизменной, но усовершенствовалось их конструктивное выполнение и возросли электромагнитные нагрузки, что позволило значительно улучшить массогабаритные и энергетические показатели и нагрузочную способность синхронных машин. Особенно большие выгоды в этом отношении дало применение в крупных машинах водородного и водяного охлаждения.

Широкое применение электродвигателей началось в последнем десятилетии века в связи с изобретением М.О. Доливо-Добровольским трехфазного асинхронного двигателя и повсеместному переходу к трехфазной системе электроснабжения.

Синхронные двигатели к началу 20-го века использовались в основном там, где необходимо было обеспечить постоянную частоту вращения.

Несмотря на несомненные преимущества асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, в течение первых двух десятилетий 20-го века он не получил такого широкого распространения, которое казалось бы должен был иметь. Это было закономерным и в значительной степени определило направление творческой мысли ученых и инженеров, работавших над усовершенствованием асинхронного двигателя. Как известно, пусковой ток короткозамкнутого двигателя достигает 5-7кратной величины по отношению к номинальному. Поэтому в начале 20-го века, когда мощности электрических станций и подстанций были сравнительно небольшими, включение мощных асинхронных короткозамкнутых двигателей в общую сеть резко отзывалось на работе других приемников.

Решение этой проблемы шло по пути изменения конструкции электродвигателя:

создание двигателя с двойной беличьей клеткой (М. О. Доливо-Добровольский), а также по пути создания разнообразных пусковых схем обычных двигателей: переключение обмотки статора с треугольника на звезду, автотрансформаторный пуск.

Также в это время получают большое распространение асинхронные электродвигатели с фазным ротором. Хорошие пусковые характеристики являются важным преимуществом двигателей такого типа перед двигателями с короткозамкнутым ротором. Также у таких двигателей появляется возможность регулирования скорости их вращения, правда в небольшом диапазоне (снижение скорости до 80% от номинальной).

Синхронные двигатели находят очень ограниченное применение в начале 20-го века не смотря на их очевидное преимущество – возможность работы с выдачей реактивной мощности. [85] Связано это было со сложностью пуска таких машин разворот до подсинхронной частоты вращения осуществлялся либо вспомогательным двигателем, либо пусковой обмоткой, конструкция которой в то время была плохо оптимизирована. Предлагались также более экзотические варианты машин, например, «ультрасинхронный двигатель» статор которого при пуске приводился в движение таким образом, чтобы его частота вращения относительно ротора всегда была синхронной.

В 20-е годы 20-го века делаются первые успешные попытки объединения статических преобразователей тока с электрической машиной, в частности в электроприводах постоянного тока различных механизмов. Преобразователи в то время строились на базе ламповых и ионных приборов.

Большую роль в развитии электропривода в России сыграла подготовка инженерных кадров в этой области. Так в 1922г. в Ленинградском электротехническом институте имени Ульянова (Ленина) под руководством профессора С.А. Ринкевича создается специальность «электрификация промышленности», которая положила начало регулярному выпуску специалистов в области электропривода и электрификации промышленности.

В 1925 г. выходит в свет книга профессора С.А. Ринкевича «Электрическое распространение механической энергии», явившаяся первым систематизированным трудом, в котором с большой полнотой рассматривались вопросы теории и практики электропривода. Дальнейшее развитие теории и практики электропривода нашло своё промышленности» (1932-1939гг.), а также в трудах Р.Л. Аронова, А.Т. Голована, Д.П.

Морозова и др. вопросы автоматического управления электроприводами нашли освещение в трудах академиков М.П. Костенко, В.С. Кулебакина, а также А.Г.

Иосифьяна, Д.В. Васильева и др.

взаимосвязанный электропривод бумагоделательных машин и др.

В то же время продолжает развиваться электромеханика - В 1895 г. А. Блондель предложил метод двух реакций для анализа синхронных машин. В 1929 г. Р. Парк, используя метод двух реакций, вывел дифференциальные уравнения синхронной машины [102]. Развил идеи Р. Парка применительно к расчету токов короткого замыкания и устойчивости параллельной работы машин в 30-х, 40-х годах 20-го века А.А. Горев [20], [21]. В 1938—1942 гг. Г. Крон создал обобщенную теорию электрических машин (дифференциальные уравнения идеализированной обобщенной электрической машины) и разработал методы тензорного и матричного анализов электрических цепей и машин.

В настоящее время теория синхронных машин проработана достаточно полно и позволяет обеспечивать высокие показатели генераторов и двигателей, а также эффективно управлять существующими машинами. Тем не менее, теория устойчивости синхронных машин, находит применение в основном для крупных синхронных генераторов, в то время как некоторые вопросы её практического применения для синхронных электродвигателей 6-10 кВ проработаны не столь полно. В последнее время, в связи с появившейся возможностью применения сложных систем автоматизации даже для сравнительно маломощных машин, интерес к проблеме устойчивости работы синхронных двигателей проявляют многие исследователи. Также большой интерес исследователи проявляют к получающим в настоящее время всё большее распространение типам синхронных машин асинхронизированным синхронным машинам и синхронным генераторам малой мощности.

Следует отметить, что в теоретических разработках чаще всего рассматриваются простейшие случаи применения теории устойчивости для синхронных машин, как правило, рассматриваются примеры «машина-линия-шины бесконечной мощности».

Исследование устойчивости более сложных регулируемых систем не рассматривается, рекомендуется проводить его теми же методами, что и для простых случаев [94].

В рамках выполнения диссертационной работы был проведен патентный поиск по патентам, опубликованным с 1993 по 2013 годы, а также библиографическое исследование.

На основании проведенного библиографического исследования и патентного поиска было найдено множество публикаций в периодических изданиях по данной тематике, а также большое количество патентов на изобретение и патентов на полезную модель. В то же время, исследование показало, что за последние 20 лет выпущено крайне мало книг по теме исследования, выходят такие книги, как правило, ограниченными тиражами и известны малому количеству исследователей.

Исследование публикаций показало, что за последние годы выполнено большое количество исследований в направлении контроля и повышения устойчивости работы синхронных двигателей при кратковременной потере питания, это показывает, что тема является актуальной и разрабатывается многими научно-исследовательскими коллективами. Особенно актуальна проблема сохранения устойчивости работы синхронных машин для газоперекачивающих и нефтеперекачивающих станций с использованием в составе перекачивающих агрегатов синхронного электропривода [9], [79], [82]. Вместе с тем, из анализа проводимых исследований видно, что они, как правило, ограничиваются разработками в отдельно взятой области: автоматизации технологических процессов, релейной защиты и автоматики, автоматизации газоперекачивающих и нефтеперекачивающих агрегатов. Например, в изобретении, описанном в [70] учитывается необходимость взаимодействия релейной защиты и автоматики с автоматическим регулятором возбуждения, однако не учитывается необходимость выдачи дополнительных в устройства автоматики электродвигателя и технологического процесса (например, блокирование остановки маслостанции или гидростанции).

Методы и средства исследования. В качестве математического аппарата в работе использованы методы теории устойчивости и теории электропривода. Компьютерное моделирование при решении поставленных задач выполнялось в программе MatLab (Simulink), при этом были реализованы собственные программные блоки: устройства оценки запаса динамической устойчивости, модель устройства определения частоты сигнала, модель автоматического регулятора возбуждения, модель трансформатора тока, модель устройства релейной защиты и автоматики. Начальные значения переменных для моделирования были получены с использованием программы «Мустанг». Для анализа данных, полученных на модели, реализованы программы на языке программирования Python 3.3 (используются дополнительные программные модули:

Matplotlib, Numpy).

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Модель подстанции с синхронными двигателями;

2. Способ тестирования алгоритмов устройств автоматики с использованием функциональных моделей устройств;

3. Алгоритм контроля устойчивости двигателя при кратковременной потере питания с учетом текущего значения тока возбуждения;

4. Методические рекомендации по настройкам устройств релейной защиты и автоматики, работающих совместно с алгоритмом контроля устойчивости.

Научная новизна работы заключается в следующем:

моделирование работы двигателей, устройств РЗА, АРВ, АВР, БАВР при коротких замыканиях в различных точках электрической сети и потере питания вследствие отключения питающих источников.

2. Способ тестирования алгоритмов устройств автоматики с использованием функциональных моделей устройств, позволяющий проводить оценку новых функций до их реализации в реальном устройстве;

3. Алгоритм контроля устойчивости двигателя при кратковременной потере питания, отличительной особенностью которого является учет текущего значения тока возбуждения двигателя;

4. Методические рекомендации по настройкам устройств релейной защиты и автоматики, работающих совместно с алгоритмом контроля устойчивости разработанные на основе структурирования и систематизации материалов по эксплуатации синхронных двигателей.

Достоверность результатов работы. Достоверность научных результатов, представленных в диссертации достигается применением адекватных математических моделей элементов подстанции с синхронной нагрузкой, использованием при реализации этих моделей апробированных методов математического моделирования динамики энергосистем, а также тщательным сопоставлением результатов экспериментов, проведенных для разных условий.

Теоретическая и практическая значимость работы. Проведенные исследования позволяют повысить устойчивость работы СД газоперекачивающих станций, а также других промышленных объектов с использованием синхронного электропривода.

Реализация результатов работы. Разработанный алгоритм оценки устойчивости синхронного двигателя при кратковременной потере питания нашел применение в новых устройствах защиты и автоматики электродвигателей, производства ООО «НТЦ «Механотроника»: БМРЗ-152-ДС (акт о внедрении № 76 от 14.11.2013).

Модель подстанции с синхронной нагрузкой используется в ООО «НТЦ «Механотроника» для расчета параметров срабатывания защит и функций автоматики, в том числе АВР и БАВР. Рекомендации по выполнению связей между автоматическим регулятором возбуждения, подсистемой релейной защиты и автоматики, устройствами АВР и БАВР, обеспечивающие расширение области устойчивости работы СД при кратковременной потере питания используются в ООО «НТЦ «Механотроника» при проектировании систем РЗА подстанций с СД.

Результаты работы используются в учебном процессе ФГАОУ ДПО «Петербургский энергетический институт повышения квалификации».

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международном научно-практическом семинаре «Инновационные технологии в энергетике и развитие человеческого капитала ТЭК», международных научно-практических конференциях «Современное общество, образование и наука», на ежегодных научных конференциях и семинарах кафедры САУ СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

с 2009 по 2013г.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 14 научных трудах, в том числе 4 статьи в рецензируемых и входящих в перечень ВАК, 3 публикации в других изданиях, 5 публикаций в материалах международных и всероссийских семинаров и конференций, методическое пособие, 1 стандарт организации. Часть результатов работы вошла в стандарт организации ООО «НТЦ «Механотроника» СТО ДИВГ-046-2012 [48].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав с выводами, заключения, списка литературы. Полный объём диссертации составляет 121 страницу машинописного текста. Основная часть работы содержит рисунка и 10 таблиц, список литературы содержит 106 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ПОДДЕРЖАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ РАБОТЫ

электродвигателями Выбор исследуемой схемы электроснабжения синхронных двигателей Узлы нагрузки современных промышленных комплексов являются сложными электротехническими системами, включающими системы электроснабжения, электрическую нагрузку различного характера, трансформаторы, реакторы, различные статические преобразовательные устройства, устройства защиты и автоматики и т.д.

Питание узлов нагрузки промышленных предприятий осуществляется, как правило, от главных понизительных подстанций с низшим напряжением 35, 10 либо 6 кВ. С целью повышения надежности, питание узлов нагрузки может осуществляться от нескольких источников, в том числе может быть предусмотрен резервный автономный источник электроснабжения. Узлы нагрузки являются динамическими системами, режимы работы которых постоянно меняются, эти изменения могут быть как небольшими (например, повышение напряжения сети 6-10 кВ вследствие работы устройства регулирования напряжения под нагрузкой) так и очень значительными (например, короткое замыкание на стороне низшего напряжения трансформатора главной понизительной подстанции).

Характерной особенностью узлов нагрузки промышленных предприятий, в том числе предприятий газовой и нефтяной промышленностей, является большой объём электродвигательной нагрузки. Мощность отдельных электродвигателей, используемых в промышленности, достигает в настоящее время 32 МВт. Двигатели большой мощности выполняются на напряжение 6 либо 10кВ, питание таких машин обеспечивается от шин подстанций 6-10кВ.

В соответствии с [2], многообразие схем узлов нагрузки напряжением 6-10кВ промышленных предприятий может быть представлено четырьмя схемами, представленными на рисунке 1.1, в которых AД — асинхронные двигатели; Рнг и Qнг — активная и реактивная нагрузки прочих приемников; ИРМ — источники реактивной мощности; хс и Rc — приведенные к узлу индуктивное и активное сопротивления системы; хл и RЛ, — индуктивное и активное сопротивления линий.

Рисунок. 1.1. Схемы узлов нагрузки промышленных предприятий [3] Дополнительные источники реактивной мощности на схемах рисунка 1. используются при невозможности регулирования реактивной мощности с помощью СД.

В качестве объекта исследований была выбрана газоперекачивающая станция магистрального газопровода. Согласно [2] для таких промышленных объектов характерно электроснабжение по схеме 1.1.б. Такая упрощенная схема была использована при выполнении предварительных модельных экспериментов.

Особенностью схемы является то, что узел нагрузки получает питание от системы с приведенными индуктивным и активным сопротивлением хс и Rc. Сопротивления хс и Rc оказывают существенное влияние на оптимизацию режима работы узла нагрузки и СД из-за потерь в них напряжения и активной мощности. [2] Схема 1.1.б. характерна также для цехов металлургических, машиностроительных, химических и других предприятий, поэтому результаты данной диссертационной работы могут быть применены во многих отраслях промышленности.

Существенное влияние на характеристики узла нагрузки оказывает отношение мощности двигательной нагрузки к мощности остальных потребителей. Для газоперекачивающих станций с ЭГПА характерен большой объём двигательной нагрузки – до 90% от общего потребления станции, а также значительная мощность отдельных электродвигателей – до 25МВт, как правило, для привода ЭГПА используются синхронные электродвигатели. Такой характер нагрузки вызывает сложности при пуске и самозапуске электродвигателей и требует тщательной проработки и настройки автоматики электроснабжения двигателей.

Поскольку суммарная мощность потребителей компрессорной станции с ЭГПА осуществляется от сетей энергосистемы напряжением 110 или 220кВ. Компрессорные станции могут располагаться рядом с имеющимися, или вновь вводимыми ОРУ энергосистемы, в таком случае понижающие трансформаторы для нужд компрессорной станции устанавливаются на ОРУ, а распределительная подстанция строится на КС в непосредственной близости к трансформаторам. В случае установки компрессорных станций на удалении от подстанций энергосистемы, на станции строится главная понизительная подстанция, питающаяся от энергосистемы по воздушным линиям или 220кВ (такая компоновка оборудования характерна для рассматриваемой далее КС «Лукояновская»). Питание ГПП осуществляется, как правило, двумя линиями высокого напряжения, пропускная возможность каждой из которых соответствует мощности, потребляемой КС. Схемы подстанций, наиболее часто применяемых на КС с ЭГПА, приведены на рисунке 1.2 [79]:

распределительной ВЛ напряжением 110-220кВ без транзита энергии через подстанцию (рисунок 1.2 а);

2) схема подстанции, подключаемой шлейфом ВЛ, имеющей двухстороннее питание (рисунок 1.2 б);

подстанция, с которой дистанционно управляются другие подстанции электрической сети и контролируется их работа), подключаемой шлейфом двух ВЛ, по которым осуществляется транзит электроэнергии (рисунок 1.2 б);

4) трансформаторы-шины с полуторным присоединением линий (рисунок 1.2 в) 5) схема с двумя рабочими и обходной системой шин (рисунок 1.2 г);

6) схема опорной подстанции с шестью ВЛ (рисунок 1.2 д).

Рисунок 1.2. Схемы подстанций, применяемых на КС с ЭГПА [79] Подстанции, питающие только КС, выполняются тупикового типа с двумя вводами и двумя силовыми трансформаторами 110(220) / 6 (10) кВ. Мощность каждого трансформатора соответствует мощности потребителей КС. Возможность питания обоих трансформаторов от одной линии обеспечивается перемычкой с разъединителем.

Для обеспечения большей надежности схемы, часто устанавливаются трансформаторы с расщепленной обмоткой, в таком случае число секций шин 6(10)кВ равно четырем. К секциям шин помимо СД подключаются трансформаторы собственных нужд 6(10)/0, кВ.

В качестве исследуемой схемы выбрана схема электроснабжения компрессорной станции «Лукояновская», представленная на рисунке 1. Рисунок 1.3 Схема электроснабжения КС «Лукояновская»

Как видно из анализа представленного выше материала, схема является типовой для компрессорных станций магистральных газопроводов, таким образом, результаты исследований могут быть распространены на другие КС. В соответствии с [78], в схеме могут также применяться шиносоединительные выключатели, обеспечивающие соединение секций 1 и 2, а также 3 и 4 на время пуска двигателей для уменьшения кратности тока в полуобмотках расщепленного трансформатора и предотвращения критического снижения напряжения на шинах собственных нужд.

Следует отметить ещё одну характерную особенность электроснабжения СД на КС магистральных нефтепроводов – использование режима самозапуска.

1.2. Краткий анализ систем возбуждения синхронных двигателей 6-10кВ.

Выбор исследуемой системы возбуждения электродвигателей на промышленных предприятиях применяются в основном статические (как правило, тиристорные) и бесщеточные системы возбуждения. Схемы с генератором постоянного тока на валу СД в настоящее время практически не применяются.

тиристорные преобразователи с питанием от отдельного трансформатора возбуждения, подключенного к той же секции шин 6-10кВ, от которой питаются СД. Постоянный ток от таких систем поступает непосредственно на обмотку возбуждения.

Статические АРВ имеют цифровую систему управления, реализующую алгоритм работы ПИД, ПД или ПДД2 – регулятора. Регулятор может иметь контур регулирования:

по напряжению на секции шин 6(10)кВ, по коэффициенту мощности (cos), по реактивному тока статора. Могут быть выполнены и другие виды регулирования, являющиеся, как правило, комбинацией указанных трех, например регулятор возбудительного устройства ВТЦ-СД-Б [88] производства ОАО «Нипом» может работать в режиме регулирования по напряжению на секции шин и коэффициенту мощности двигателя. При вводе указанного закона регулирования ВТЦ-СД-Б, задание уставки контура регулирования по напряжению статора осуществляется от контура регулирования по коэффициенту мощности.

В статических возбудительных устройствах предусматривается включение форсировки возбуждения двигателя при снижении напряжения на секции шин ниже заданного значения. Кратность форсировки относительно номинального выходного напряжения составляет от 1,5 до 2. Статические системы возбуждения отличаются высоким быстродействием – ввод форсировки возбуждения осуществляется за время порядка от 0,02 до 0,06 с.

Современная бесщеточная система возбуждения СД 6-10кВ также включает в себя статический преобразователь, но питание обмотки возбуждения двигателя осуществляется от дополнительного синхронного генератора (так называемого, подвозбудителя), установленного на валу СД через неуправляемые выпрямители.

Синхронный генератор представляет собой обращенную машину, обмотка возбуждения которой неподвижна и питается от тиристорного преобразователя. Таким образом, путем управления током возбуждения генератора, тиристорный возбудитель осуществляет управление током возбуждения СД. Подобные системы возбуждения имеют существенное преимущество – отсутствие щеточных контактов, что повышает надежность двигателя и позволяет выпускать такие двигатели во взрывозащищенном исполнении. Бесщеточные системы возбуждения часто применяются на газоперекачивающих станциях магистральных газопроводов. Тиристорный регулятор реализует те же законы управления, которые используются в статических возбудителях.

Недостатками бесщёточных систем является низкое быстродействие и более низкое качество поддержания параметров работы СД по сравнению со статическими системами [94].

Поскольку на компрессорных станциях используются как тиристорные, так и бесщёточные системы возбуждения, при реализации модели (см. подраздел 2.2) предусмотрена возможность выбора типа системы, а также набора параметров, характерного для выбранного типа.

Проведен анализ применяемых на КС МГ систем возбуждения на основании газоперекачивающих станциях приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Системы возбуждения, применяемые на КС МГ Тип системы возбуждения Статическая ТЕ8-320, ТВУ-320, ТВ-400, ТВ-630, КТУ-500 ВС, КТУ-1000 ВС, 1.3. Краткий анализ технологического оборудования газоперекачивающей станции. Выбор исследуемой схемы регулирования нагрузки синхронных машин На компрессорной станции устанавливается от 4 до 16 центробежных нагнетателей.

Для привода нагнетателей применяются синхронные электродвигатели либо газотурбинные двигатели. Дополнительно на компрессорной станции с синхронными приводами на каждом компрессорном агрегате устанавливаются электроприводы:

- пускового маслонасоса с АД (около 6кВт);

- резервного пускового маслонасоса с двигателем постоянного тока (около 8,5кВт);

- насоса уплотнения с АД (около 20кВт);

- вентиляторов обдува главного двигателя (около 20кВт).

осуществляется от системы электроснабжения собственных нужд. Как правило, на КС с СД, реализуется схема управления, отключающая вспомогательные электроприводы при отключении ячейки питания СД. Такое построение автоматики исключает возможность осуществления самозапуска после АПВ, поскольку давление в маслопроводной системе двигателя снизится ниже допустимого для пуска и пуск будет заблокирован. Практика показывает, что для исключения этой возможности, необходимо, задерживать сигнал отключения технологического оборудования агрегата при пуске АПВ.

Возможности регулирования нагрузки нагнетательного агрегата описаны в [79] и включают в себя:

дросселирование газа на стороне всасывания или нагнетания компрессора;

перепуск газа с выхода на вход нагнетателя;

изменение частоты вращения нагнетателя;

применение сменных регулирующих аппаратов с поворотными направляющими лопатками на всасывании.

Частотное регулирование на КС МГ применяется в настоящее время достаточно редко, а все остальные способы регулирования являются неэкономичными, в связи с чем нагнетательные агрегаты с СД работают, как правило, с мощностью близкой к номинальной, а регулирование давления в газопроводной системе осуществляется отдельным агрегатом с газотурбинным приводом, установленным на той же КС либо другими КС.

Регулирование путем перепуска газа с выхода на вход нагнетателя может применяться с целью антипомпажной защиты агрегата, для обеспечения такого перепуска в технологической схеме предусмотрен антипомпажный клапан [31].

Применяются системы антипомпажного регулирования полностью открывающие клапан при возникновении помпажа либо обеспечивающие плавное открытие клапана при приближении к границе помпажа.

В рамках данной работы считается, что зависимость момента от скорости вращения носит квадратичный характер (вентиляторная), помпажные явления и действие технологического регулятора нагнетателя не учитываются 1.4. Влияние изменений напряжения и частоты питающей сети на работу синхронных двигателей Анализ влияния изменений напряжения и частоты питающей сети на работу синхронных двигателей приведен в источниках [12], [15], [21], [34], [82]. Далее приводится краткий обзор информации из указанных источников по данной теме.

Поскольку в рамках данной работы рассматриваются только неявнополюсные СД, все формулы приведены из расчета xd = xq.

Следует разделить режимы потери питания СД:

вызванные отключением линии 110(220) кВ;

вызванные коротким замыканием в сети 110(220) кВ либо 6(10) кВ.

Во втором случае возникает подпитка от двигателя места короткого замыкания, в этом случае торможение двигателей происходит быстрее, быстрее снижается частота и амплитуда напряжения на секции, от которой питаются СД.

Рассмотрим далее влияние отклонения напряжения на угол нагрузки.

Запишем общее выражение для активной мощности двигателя:

Пусть значение мощности на валу двигателя сохранилась, а значение напряжения U уменьшилась, очевидно, что при этом должна увеличиться составляющая I cos, т.е.

активная составляющая тока. Следует отметить, что такой вывод справедлив только при неизменном токе возбуждения.

Электромагнитный момент неявнополюсного СД может быть определен по известному выражению:

где Eq - возбуждение ( Eq = xafd I f, где I f - значение тока возбуждения, приведенное к обмотке якоря, xafd - индуктивное сопротивление реакции якоря), U - действующее значение напряжения питания двигателя, эквивалентное индуктивное сопротивление двигателя по продольной оси, - угол нагрузки.

При отклонении напряжения сети от номинального значения изменяется угол нагрузки. В таком случае при сохранении значений момента M, возбуждения Eq и сопротивления xd, приняв в относительных единицах номинальное напряжение U н = 1, на основе (1.1) можно записать:

где н - номинальное значение угла нагрузки.

Из (1.2) видно, что при уменьшении напряжения сети U угол нагрузки будет увеличиваться и наоборот.

Известно, что одной из причин неустойчивости энергосистемы может быть нехватка реактивной мощности. Рассмотрим далее влияние отклонения напряжения на реактивную мощность.

Реактивная мощность синхронной машины, для неявнополюсных машин, может быть найдена по формуле [82]:

Первая часть выражения (1.3) представляет собой реактивную мощность, отдаваемую двигателем в сеть. Вторая составляющая, пропорциональная квадрату напряжения, характеризует потребляемую синхронным двигателем реактивную мощность на намагничивание.

Преобразуем выражение (1.2) для случая неизменной нагрузки к виду:

Подставив (1.4) в (1.3) получим:

Определим первую производную реактивной мощности по напряжению и приравняем её к нулю:

Решение уравнения (1.6) дает величину напряжения U ( макс ) при которой отдаваемая в сеть реактивная мощность имеет максимальное значение:

где - отношение максимального синхронного момента двигателя к При U ( макс ) 1 максимальная отдача реактивной мощности двигателем в сеть происходит при пониженном напряжении. С точки зрения устойчивости энергосистемы такая характеристика двигателей является наиболее благоприятной. Рост реактивной мощности при этом происходит, пока снижающееся напряжение сети не достигнет U ( макс ), после чего величина отдаваемой реактивной мощности начнет резко снижаться.

Для серийно выпускаемых синхронных двигателей величина mс. м находится в пределах 1,42, при этом sin н = 0,5 0,6. Поэтому для того, чтобы величина U ( макс ) была меньше 1 необходимо чтобы xd 1.

Большинство синхронных двигателей изготавливаются с xd 1, соответственно такие двигатели снижают величину отдаваемой реактивной мощности при снижении напряжения, но даже у изготавливаемых с x d 1 максимальная отдача реактивной мощности не превышает 1,2. Стоит также отметить, что при использовании статической системы возбуждения питающейся от тех же шин, что и синхронный двигатель, величина отдаваемой реактивной мощности будет дополнительно уменьшаться вследствие уменьшения максимального выходного напряжения системы возбуждения.

Рассмотрим далее влияние снижения частоты на работу СД. Известно, что электромагнитная мощность на валу машины с вентиляторной нагрузкой:

Таким образом, мощность на валу машины снижается на около 15% при снижении частоты на 5%. При снижении частоты уменьшается также реактивная мощность, отдаваемая двигателем в сеть, что показано в [82].

На основании изложенного можно сделать вывод о недопустимости отклонения напряжения и частоты для синхронных двигателей. Действующий ГОСТ 13109-97 [22] допускает:

нормально допустимое и предельно допустимое отклонение напряжения сети ±5% и ±10% соответственно;

нормально допустимое и предельно допустимое отклонение частоты сети ±0,2% и ±0,4% соответственно.

Более сложные случаи наличия на секции шин одновременно АД и СД рассмотрены в [15], в данной диссертационной работе в связи с преимущественно синхронным характером нагрузки КС, эти случаи не рассматриваются.

Рассмотрим далее поведение синхронного двигателя при близком коротком замыкании. Схема замещения для такого случая приведена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4. Схема замещения для расчета близкого короткого замыкания При коротком замыкании на присоединении, питающемся от шин, к которым подключены синхронные двигатели, в первый момент времени ( t = 0 ), ток в месте короткого замыкания будет равен сумме токов источника питания и синхронных двигателей. Запишем для схемы замещения, приведенной на рисунке 1.4 для t = 0 :

где xс.к. з. - индуктивное сопротивление между питающим источником сети и местом КЗ; xдв.к. з. - индуктивное сопротивление между двигателем и местом КЗ; xс - индуктивное сопротивление сети; xк.з. - переходное индуктивное сопротивление от шин подстанции до места КЗ; xдв - индуктивное сопротивление двигателя.

В таком случае периодические составляющие токов от системы и двигателей, соответственно будут равны в относительных единицах (в соответствии с системой единиц, принятой в [82]):

где I с.к. з. - ток, протекающий от сети к месту короткого замыкания, I дв.к. з. - ток, протекающий от синхронного двигателя к месту короткого замыкания в момент t = 0 ;

U - напряжение сети в момент; Eq - напряжение, развиваемое СД в генераторном режиме в момент t = 0.

Таким образом, полный ток в точке КЗ будет равен:

Максимальное значение напряжения на шинах при t = 0 составит:

Сопротивление связи между двигателем и питающим источником сети:

Условие сохранения устойчивой работы двигателей при коротком замыкании любой длительности за сопротивлением xк.з. будет:

где mмех - момент на валу двигателя; mс. м.к. - максимальная кратность синхронного момента при номинальном возбуждении, K ф - кратность форсировки возбуждения.

В случае, если к шинам подключена группа из n синхронных двигателей, следует в отношение наибольшее. Сопротивление xдв для такого случая можно определить из выражения:

Следует обратить внимание, что выражение (1.16) дает относительную величину напряжения на выводах двигателей без учета подпитки от самих двигателей. В действительности, напряжение на шинах при КЗ за сопротивлением xк.з. будет несколько выше, однако для оценки устойчивости необходимо остаточное напряжение сопоставляться с наибольшей величиной критического напряжения:

При практических расчетах, в случаях, когда действительное напряжение на шинах при КЗ с учетом подпитки от синхронных двигателей равно или больше 70% от номинального, принимают xа.д. = 0,7. Если остаточное напряжение на шинах ниже 70% от номинального, сопротивления асинхронных двигателей принимаются xа.д. = xк. з..

В тех случаях, когда выполняется:

синхронные двигатели, подключенные к шинам, начинают тормозиться. Скорость изменения угла нагрузки зависит от того, насколько максимальное значение электромагнитного момента с учетом пониженного напряжения, определяемого только током от питающего источника, будет меньше момента на валу. В общем случае для определения скорости изменения угла нагрузки (t ) и решения вопроса о допустимом времени отключения КЗ необходимо решить уравнение движения:

где J - суммарный момент инерции двигателя и механизма, кгс·м2; М двиг.эл - вращающий момент электродвигателя; М мех - механический момент сопротивления нагрузки.

совокупность асинхронного момента M a, синхронного момента M c и генераторного момента M f, обусловленного только током возбуждения. С учетом того, что асинхронный и синхронный моменты ускоряют ротор двигателя, а генераторный момент тормозит его, можно записать (1.20) в виде:

неявнополюсности имеем:

где s = - скольжение в относительных единицах, Постоянная инерции H определяются как:

где GD 2 - n0 - скорость вращения, об/мин.

В относительных единицах можно записать:

С учетом (1.22), (1.23), (1.24), (1.26) уравнение движения (1.21) запишется в виде:

Изменение скольжения при выбеге может быть определено из уравнения движения (1.28) при U = 0, приняв за положительное направление изменения угла – направление его отставания от поля (меняем знак при ). При отсутствии питания, составляющие синхронного момента и асинхронный момент будут равны нулю и уравнение движения примет вид:

Составляющая генераторного момента появляется при подпитке места короткого замыкания. Поскольку этот режим, как правило, непродолжителен, можно считать генераторный момент не зависящим от скольжения. При синхронной частоте вращения и номинальном возбуждении этот момент составит 10-20% от номинального момента двигателя. Он может быть учтен в соответствии с выражением:

где K ф - кратность форсировки возбуждения.

При кратковременном перерыве питания по причине отключения двигателя от питающей сети генераторный момент отсутствует. При этом механический момент можно также считать не зависящим от скольжения. Тогда решением уравнения (1.29) будет:

где t - время, прошедшее после отключения питания.

Если к шинам подстанции подключена группа двигателей, то при близком коротком замыкании их выбег будет происходить по индивидуальным характеристикам.

При отключении группы двигателей от питающей сети их выбег будет групповым пока напряжение на шинах не упадет ниже 0,4 0,5U н. В этом случае генераторный момент от тока возбуждения будет иметь место, если в выбеге участвуют асинхронные двигатели.

Однако величина этого момента значительно меньше, чем при коротком замыкании и его можно не учитывать.

Скольжение при групповом выбеге будет находиться аналогично одиночному, при этом в выражении (1.32) необходимо будет заменить момент и механическую постоянную времени на приведенные величины:

Для определения угла поворота оси ротора двигателя относительно вектора напряжения сети проинтегрируем (1.30), получим:

где 0 = arctg - определяется предшествующей нагрузкой, для группового Если в (1.34) подставить j и t в секундах, угол в радианах определится из выражения:

Из выражения (1.37) можно найти время, за которое ротор отстанет от вектора напряжения сети на угол 0 + :

В практических расчетах часто пользуются критерием 100%-ной вероятности вхождения в синхронизм :

где sср - среднее скольжение, соответствующее точке пересечения характеристики механического момента на валу со средней асинхронной характеристикой.

Подставив (1.31) в (1.37) получаем:

Откуда находим предельное время отключения КЗ (повторной подачи питания) при котором обеспечивается 100%-ная вероятность вхождения в синхронизм:

Расчеты [82] по формуле (1.41) для реальных двигателей показывают, что вероятность успешной ресинхронизации не превышает 0,3с.

Основные замечания и выводы, сделанные на основе изучения источников [12], [15], [21], [34], [82]:

а) При перерыве питания из-за короткого замыкания на смежном элементе сети, в случае, если угол нагрузки не вырос до критической величины, при которой возможно нарушение динамической устойчивости, электромеханический переходный процесс носит характер затухающих синхронных качаний.

б) При кратковременной потере питания, обусловленной отключением питающего источника и последующим действием устройств АПВ и АВР, синхронные двигатели успевают выпасть из синхронизма, поскольку полный цикл отключение-включение, как правило, превышает 0,30,4 с.

нереактивированной кабельной сети, не приведет к выпадению синхронных двигателей из синхронизма лишь в том случае, если сеть снабжена быстродействующими защитами, отключающими междуфазные короткие замыкания без выдержки времени.

Если междуфазные короткие замыкания в нереактивированной кабельной сети будут отключаться хотя бы с одной ступенью выдержки времени, например, t = 0,25 0,3 c, то общее время перерыва питания составит 0,40,5 с и синхронные двигатели обязательно выпадут из синхронизма.

г) Короткие замыкания в реактивированных кабельных сетях, как правило, не приводят к выпадению синхронных двигателей из синхронизма, поскольку в этих длительное время (23 с);

д) требуется дополнительное изучение возможности сохранения устойчивости в зависимости от расстояния до места КЗ и характера КЗ; в рамках данной диссертационной работы будут выполнены такие исследования; выбор исследуемых режимов выполнен в подразделе 4.1; разработка и выбор математических моделей описаны в главе 2.

1.5. Анализ работы релейной защиты и автоматики подстанции с синхронной нагрузкой при снижении питающего напряжения.

Назначение подсистемы релейной защиты и автоматики – выявление повреждений и ненормальных режимов электрической сети и принятие мер к отключению поврежденного участка либо устранению ненормального режима работы.

Работа РЗА в узлах нагрузки с синхронными двигателями подробно рассмотрена в [9]. Выбор параметров срабатывания защит электродвигателей рассмотрен в [46] и [48].

На основе анализа проектной документации на подстанции КС магистральных газопроводов, а также сведений, приведенных в [9], можно сделать вывод, что подсистема РЗА на подстанции 6-10кВ компрессорной станции обеспечивает следующие основные функции защиты и автоматики:

максимальные токовые защиты (МТЗ), устанавливаемые на вводах подстанции и секционных выключателях, защиты работают без выдержки времени при отсутствии замыканий на отходящих присоединениях и с селективной (в данном случае отстроенной по времени от срабатывания защит и выключателей отходящих присоединений) выдержкой времени при приходе сигналов о пуске токовых защит отходящих линий;

защиты от потери питания (ЗПП), устанавливаемые на вводах подстанции и работающие в соответствии с [9] при одновременном появлении признаков обратной активной мощности (либо отсутствия потребления активной мощности) и снижения частоты напряжения на секции. Задержка по времени срабатывания данной защиты устанавливается из диапазона от 0,3 до 0,5 с для предотвращения излишнего срабатывания защиты в переходных режимах, когда пусковой орган минимальной частоты может срабатывать излишне. [9] неселективные защиты от однофазных замыканий на землю, устанавливаемые на вводах подстанции;

защиты от обрыва фазы, устанавливаемые на вводах подстанции;

токовые отсечки, устанавливаемые на линиях к двигателям;

селективные защиты от ОЗЗ, устанавливаемые на линиях к двигателям;

защиты двигателей от перегрузки;

защита минимального напряжения, резервирующая действие ЗПП – устанавливается одна на секцию.

Защита отключает от секции СД при значительных снижениях напряжения, исключающих возможность самозапуска;

функция АВР, которая в общем случае может быть выполнена с контролем напряжения на секциях, частоты на секциях, напряжения обратной последовательности, напряжений до вводов, срабатывания ЗПП.

возможна установка устройства БАВР при использовании быстродействующих вводных и секционного выключателей; основной пусковой орган такого устройства срабатывает по разнице углов напряжений на секциях, также могут применяться другие пусковые органы, например предлагаемые в [14].

Проанализируем далее последовательность событий, происходящих при снижении напряжения на секции вследствие отключения линии 110(220)кВ:

при отключении питающей ЛЭП СД переходят в генераторный режим работы, в котором они могут длительное время поддерживать напряжение на секции. В этом режиме осуществляется подпитка асинхронных двигателей секции и другой нагрузки;

амплитуда напряжения на секции постепенно уменьшается, уменьшается частота, увеличивается разница углов напряжения между секциями. При снижении напряжения до уровня 0,8-0,85 от номинального, срабатывает форсировка возбуждения СД, вызывающая увеличение напряжения на секции, затем напряжение продолжает снижаться;

работа АВР существенно зависит от используемого пускового органа: при срабатывании АВР по снижению напряжения, время между моментом потри питания и моментом срабатывания может составить десятки секунд, при пуске АВР от ЗПП ввода время это время может составлять несколько секунд;

при использовании на подстанции БАВР, запуск этой функции автоматики осуществляется по факту увеличения разницы углов между секциями либо по другим вспомогательным признакам; практика показывает, что время запуска БАВР может составить от нескольких десятков до нескольких сотен миллисекунд в зависимости от отношения количества синхронных потребителей к общей нагрузке секции и применяемых алгоритмов пуска БАВР; возможность сохранения устойчивой работы СД в таких условиях неоднократно проверялась на математических и физических моделях, в том числе с применением специализированных программ моделирования (EURO Stag и т.п.) отчеты о таких экспериментах учитывались при выполнении данной диссертационной работы;

Проанализируем далее последовательность событий, происходящих при снижении напряжения на секции вследствие короткого замыкания на питающей линии 110(220)кВ либо на выводах трансформатора 110(220)/6(10)кВ:

при возникновении короткого замыкания СД переходят в генераторный режим работы, в котором они осуществляют подпитку как несинхронной нагрузки подстанции, так и места КЗ, торможение двигателей и снижение напряжения на их выводах осуществляется гораздо быстрее, чем при потере питания вследствие отключения линии высокого напряжения;

подпитка продолжается до отключения короткого замыкания защитами линии либо, если КЗ произошло на линии, питающей рассматриваемую секцию шин, до срабатывания ЗПП ввода; типовое время срабатывания быстродействующих защит на линиях высокого напряжения – 50-100 мс; типовое время срабатывания ЗПП ввода – от 0,5 до 2 с;

по срабатыванию ЗПП, как правило, предусматривается запуск АВР, срабатывающего без выдержки времени.

1.6. Анализ режимов самозапуска синхронных двигателей Самозапуском называется восстановление нормальной работы электропривода без вмешательства персонала после кратковременного перерыва электроснабжения или глубокого снижения напряжения. Самозапуск считается обеспеченным, если после восстановления напряжения агрегат разогнался до нормальной частоты вращения и продолжает длительно работать с нормальной производительностью приводимого механизма и нагрузкой электродвигателя.

Самозапуск асинхронных и синхронных электродвигателей начал применяться на тепловых электростанциях и в настоящее время используется для всех основных механизмов собственных нужд электростанций различного типа. В последние годы он получил широкое распространение во многих отраслях промышленности, особенно со сложными непрерывными технологическими процессами.

Рассмотрим далее самозапуск синхронных электродвигателей [82].

До последнего времени при самозапуске СД была принята следующая последовательность действий:

при выявлении потери питания, осуществляется отключение ввода секции и гашение поля СД;

после снижения напряжения на секции, срабатывает АВР и питание начинает осуществляться от соседней секции;

двигатели разворачиваются до подсинхронной частоты вращения, после чего подается возбуждение и СД входят в синхронизм.

Хотелось бы отметить, что гашение поля до нуля через разрядное сопротивление требует достаточно много времени, в связи с чем ожидание полного гашения поля до нуля снизит эффективность самозапуска. В большинстве случаев можно ограничиться гашением до величины, при которой ток и момент несинхронного включения не превысят допустимых значений. В большинстве случаев можно ограничиться гашением поля до величины, при которой напряжение на выводах двигателей снизится до 0,5 0,6 U ном. На практике это реализуется учетом снижения напряжения на секции при пуске АВР. Более точно определить величину напряжения, до которого следует гасить поле можно по выражениям, приведенным в [17].

Успешность самозапуска в большой степени зависит от времени перерыва питания:

чем меньше время перерыва питания, тем меньше скольжение, больше сопротивление двигателя и больше средний асинхронный момент. Поэтому при выборе устройств релейной защиты и автоматики для сети с синхронными двигателями следует стремиться к максимальному ускорению действия защиты и устройств АПВ, АВР и БАВР. В тех случаях, когда несинхронное включение не допускается, гашение поля необходимо осуществлять сразу после обнаружения потери питания.

Рассмотрим отдельно процессы выбега СД для случая кратковременного отключения источника и для случая кратковременного снижения напряжения вследствие короткого замыкания на смежных элементах сети.

При отключении источника питания торможение будет происходить за счет момента сопротивления от приводимого механизма. Магнитная система возбужденных синхронных двигателей, выбегающих вследствие отключения питающего источника, насыщена. После восстановления питания в результате действия устройств АПВ или АВР может иметь место электромагнитный переходный процесс из-за несинхронного включения возбужденных СД. Возникающие при этом токи в обмотках двигателя и электромагнитные моменты, передающиеся по валу на приводной механизм, могут значительно превышать соответствующие величины, имеющие место при коротком замыкании на вводах двигателя, а также при пуске двигателя. Вследствие этого, необходимо обеспечить гашение поля синхронных двигателей по действию защиты от потери питания (далее ЗПП) СД.

При восстановлении напряжения после отключения короткого замыкания на смежном элементе сети, токи и электромагнитные моменты вращения, возникающие в синхронных двигателях, как правило, меньше, чем при несинхронном включении, обусловленном действием устройств АПВ и АВР, так как результирующий магнитный поток двигателя в этом случае значительно ослаблен из-за размагничивающего эффекта тока короткого замыкания.

В настоящее время в связи с внедрением устройств БАВР стал возможен синхронный самозапуск СД, без необходимости гашения поля.

1.7. Анализ научно-информационных источников, авторефератов диссертаций, патентов, теоретических и экспериментальных исследований Были рассмотрены публикации, патенты, отчеты о проводимых исследованиях, направленных на поддержание устойчивости работы СД при кратковременной потере питания.

Рассмотрим далее публикации в научно-информационных источниках, тема которых близка к теме диссертации.

устойчивости электромеханических комплексов с синхронными и асинхронными двигателями. Показано, что допустимое время потери питания увеличивается при увеличении механической постоянной времени, уменьшении коэффициента загрузки и увеличении остаточного напряжения на двигателе. Приведенная информация учитывалась при разработке алгоритма оценки устойчивости узлов нагрузки с СД.

В работе [7] помимо комплексного анализа условий эксплуатации обмоток статоров электродвигателей ГПА, показана типовая схема электроснабжения электроприводного компрессорного цеха, приведена структурная схема ЭГПА, показано влияние отклонений питающего напряжения на изоляцию двигателя ЭГПА, приведены данные по рабочей температуре изоляции СД ЭГПА. Приведенная информация была учтена при обзоре технологического оборудования газоперекачивающей станции.

В статье [13] помимо исследования эффективности ГПА, рассмотрены структура и особенности газотранспортной системы России и применяющихся газоперекачивающих агрегатов. Некоторые сведения из работы использованы при обосновании актуальности темы исследования и текущего состояния проблемы.

В работе [38] выдвигается идея автоматизированного синтеза оптимального регулятора АРВ с учетом вероятностного характера тока узла нагрузки, предлагается использовать математические алгоритмы синтеза оптимальных линейных систем по среднеквадратичным критериям качества, которые учитывают ряд дополнительных требований, в том числе стабильность системы. Такие алгоритмы приведены в работе [21].

оптимальных регуляторов возбуждения синхронных машин, которая будет включать в себя математическую модель узла нагрузки, учитывать вероятностные характеристики возмущающих воздействий, статистические погрешности измерительных приборов.

Близкий подход предлагается применить при разработке системы контроля устойчивости – реализация математических моделей оборудования газоперекачивающей станции и отработка на моделях алгоритма контроля устойчивости и взаимодействия оборудования.

В работах [24], [25], [26], [40], [41], [95] приведены подходы к созданию моделей синхронных машин, трансформаторов, линий и автоматических регуляторов возбуждения, предназначенных для расчета электромеханических переходных процессов и устойчивости в энергосистемах. Материалы работ использованы при реализации математических моделей СД и АРВ в главе 2.

В работе [27] описана модель системы электроснабжения СД, построенная с помощью стандартных элементов программной среды Matlab(Simulink). Приведены зависимости устойчивой работы СД при внешних однофазных коротких замыканиях от длительности замыканий, сечения и длинны кабеля, питающего СД.

В работе [50] проведен сравнительный анализ способов гашения поля синхронного двигателя и сделан вывод, что наиболее эффективным способом является гашение поля путем перевода статической системы возбуждения в инверторный режим.

В публикации [91] помимо оценки влияния высоковольтного ПЧ на алгоритмы ЗПП и АВР на НПС, приведен сравнительный анализ алгоритмов ЗПП и АВР на НПС.

Указанный анализ использован при обзоре существующих алгоритмов работы РЗА на подстанции с СД в подразделе 1.5, а также при моделировании указанных функций, описанном в главе 2.

В публикации [92] рассмотрен процесс торможения синхронного двигателя при ступенчатом снижении частоты питающего напряжения двигателя магистрального нефтепровода. Особое внимание обращается на то, что нефтеперекачивающий агрегат работает не изолированно и при снижении его частоты вращения, существенное влияние на работу привода будут оказывать другие агрегаты, подключенные к нефтепроводу.

Приведены расчеты значений внутреннего угла СД с учетом влияния противодавления в трубопроводе.

В работе [93] рассмотрены схемы защиты минимального напряжения на нефтеперекачивающих станциях, выявлены их основные недостатки и пути их устранения. Поскольку такие же схемы защиты используются в системах электроснабжения СД магистральных газопроводов, указанный анализ использован при обзоре существующих алгоритмов работы РЗА на подстанции с СД в подразделе 1.5, а также при моделировании ЗМН.

В работе [97] предлагается анализировать устойчивость работы синхронных машин методом фазовых портретов тока статора и тормозных пар токов в продольной и поперечной осях. При этом нет необходимости решать систему нелинейных дифференциальных уравнений, вывод о статической стабильности системы может быть сделан на основании теоремы Ляпунова (об устойчивости по первому приближению) и определению динамической устойчивости по Ляпунову. Приведены фазовые характеристики работы машины и показаны траектории движения рабочей точки при возникновении возмущений. Характеристики были учтены при разработке алгоритма контроля устойчивости.

В публикации [95] исследуется способность синхронной машины сохранять устойчивость при снижениях питающего напряжения, информация из данной публикации использована при обзоре поведения СД при кратковременной потере питания в подразделе 1.4.

В ходе патентного поиска были найдены патенты [52] [73], тема которых близка к теме исследований. На основании изучения патентов были выявлены следующие основные направления современных исследований:

разработка устройств защиты СД от асинхронных режимов [52], [67];

разработка алгоритмов пуска АВР и БАВР на подстанции с СД [53], [54], [57], [59], [69];

моделирование симметричных и несимметричных режимов работы синхронных машин [56];

разработка устройств защиты от потери питания [58], [68], [70], [71], [72], [73];

разработка способов определения и поддержания динамической устойчивости узла нагрузки [55], [61], [62], [64];

разработка способов пуска и самозапуска СД [60], [63], [66];

разработка алгоритмов ввода форсировки возбуждения [65].

1. В качестве исследуемой схемы электроснабжения выбрана схема подстанции 10кВ КС «Лукояновская», которая является типовой для КС МГ и близкой к схемам других подстанций, питающих высоковольтные СД. Сказанное позволяет распространить результаты работы на множество промышленных объектов с СД.

2. В качестве систем возбуждения СД ЭГПА применяют статические либо бесщёточные возбудители с цифровыми регуляторами. Реализуются ПИД, ПД или ПДД законы регулирования, применяются системы подчиненного регулирования, что необходимо учитывать при моделировании АРВ.

3. Ввиду большой постоянной времени, нет возможности поддержания устойчивости СД ЭГПА действием технологических регуляторов. В рамках данной работы считается, что зависимость момента от скорости вращения вентиляторная, помпажные явления и действие технологического регулятора нагнетателя не учитываются.

4. Возможно сохранение устойчивости узла нагрузки с СД после потери питания и его восстановления в течение времени, соответствующего действию БАВР (около 0,1 с), а в некоторых случаях и АВР (около 0,5 с).

5. При проектировании релейной защиты ПС с СД необходимо учитывать поведение двигателей при потере питания и внешних КЗ. При внедрении системы поддержания устойчивости необходимо провести корректировку уставок устройств РЗА.

6. При применении БАВР и устройства контроля устойчивости, возможна реализация синхронного самозапуска СД.

7. Рассмотрение публикаций и патентов по теме исследований показало, что она является актуальной и разрабатывается многими исследователями. Основные направления исследований: разработка алгоритмов работы ЗПП, АВР, БАВР, ввода форсировки возбуждения, а также моделирование СД, АРВ, нагрузки СД, схемы электроснабжения СД.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ДЛЯ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ СИНХРОННЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ 6-10кВ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОТЕРЕ ПИТАНИЯ

2.1. Разработка модели синхронного двигателя В настоящее время задача моделирования устойчивости электромеханических систем с синхронными машинами (далее СМ) решается на практике в программах по расчету режимов энергосистем. Примером таких программ могут быть: Mustang, DAKAR, АНАРЭС-2000, EUROSTAG.

В указанных программах существует возможность моделирования СМ в уравнениях Парка-Горева с учетом демпферных контуров. Особенности моделей СМ, применяемых в этих программных комплексах, приведен в таблице 2. Таблица 2.1. Особенности моделей СМ, используемых в программах по расчету динамики энергосистем Название программы Mustang приближенно вводом уточняющего коэффициента.

Зависимость синхронных сопротивлений машины от частоты не DAKAR Предусмотрен учет изменения частоты вращения СМ в уравнениях АНАРЭС- Насыщение может быть учтено с использованием модели Шакшафта [104]. Потоки машины зависят от частоты сети. Механическая

EUROSTAG

динамики вращательного движения.

При этом во всех указанных моделях принимаются следующие допущения:

а) моделирование выполняется в системе координат d-q;

б) насыщение и гистерезис намагничивающей характеристики магнитопроводов не учитывается;

в) эффект вытеснения тока не учитывается или учитывается приближенно вводом дополнительных коэффициентов;

г) несимметрия обмоток статора не учитывается;

д) обмотка возбуждения считается одноосной;

е) демпферная обмотка приводится к двум короткозамкнутым обмоткам с перпендикулярными осями.

Несмотря на принимаемые допущения, согласно [40] переходные процессы, математической модели, учитывающей по три контура в каждой из синхронных осей.

Анализ модели СД, встроенной в программный комплекс MATLAB (Simulink) показывает, что она близка к моделям, применяемым в вышеперечисленных программах. Схемы замещения модели СД в MATLAB по синхронным осям имеют вид, представленный на рисунке 1.

На рисунке 1 приняты следующие обозначения: d,q – синхронные оси координат;

R, s –переменная относится к ротору или статору; l, m – индуктивность рассеяния или намагничивания; f, k – переменная относится к обмотке возбуждения или демпферной обмотке.

В таблице 2.2 приведены необходимые параметры модели СД полученные на основании паспортных данных двигателя СТД-12500 по методике, приведенной в [15].

Таблица 2.2 Параметры модели СД, использованные при моделировании Обозначение параметра Сверхпереходное реактивное сопротивление Сверхпереходное реактивное сопротивление Амплитуда коэффициента взаимоиндукции Амплитуда коэффициента взаимоиндукции На основании проведенных предварительных экспериментов с полученной моделью, описанных в [43], можно сделать вывод, что встроенные модели МАTLAB близки к моделям, использующимся в специализированных программных пакетах по расчету режимов и могут быть использованы для расчета динамики СД при кратковременной потере питания. Это подтверждается публикациями других исследователей, например [32].

В соответствии с [79] в модели СД необходим учет нагрева ротора, для оценки допустимости самозапуска по условию нагрева электродвигателя. Расчет температуры частей электродвигателя может быть осуществлен путем использования тепловой модели электродвигателя [45], при этом двигатель заменяется одним или несколькими однородными сплошными телами с моделированием перетоков тепла между ними. В простейшем случае двигатель представляется однородным сплошным телом, такое представление нашло широкое применение в устройствах релейной защиты.

2.2. Разработка модели системы возбуждения Моделирование систем возбуждения для расчета динамических режимов осуществляется в программах по расчету динамики энергосистем, например:

Mustang, DAKAR, АНАРЭС-2000, EUROSTAG. В указанных программах имеются встроенные модели систем возбуждения генераторов. Отметим типичные особенности этих моделей:

модели предназначены для управления током возбуждения моделей синхронных генераторов;

нет подчиненного контура регулирования по току возбуждения;

нет возможности реализации ПИД-регулятора в контуре напряжения статора и тока возбуждения;

моделируется только АГП, гашение поля путем рекуперации энергии в сеть не моделируется;

в некоторых программах, например EUROSTAG есть возможность создания пользовательских программных блоков, позволяющих реализовать необходимую структуру АРВ.

В связи с указанными ограничениями существующих моделей систем возбуждения в рассмотренных программах, применение их для моделирования системы возбуждения двигателя, в исследуемом случае, нецелесообразно.

Поскольку моделирование планировалось выполнять в среде MATLAB, встроенные в MATLAB (Simulink) модели статических систем возбуждения генераторов – типов ST1A и ST2A в соответствии со стандартом IEEE 421.5-2005 [98]. При попытке использования встроенных моделей систем возбуждения в качестве АРВ двигателя, были выявлены следующие их недостатки:

отсутствие контуров регулирования по коэффициенту мощности, по реактивной мощности;

не предусмотрено моделирование релейной форсировки возбуждения;

не учитывается изменение напряжения питания возбудителя;

нет возможности отдельной настройки программного цикла составляющих регулятора.

В связи с этим было принято решение реализовать собственную модель системы возбуждения в программной среде MATLAB (Simulink).

Основой системы возбуждения является тиристорный преобразователь с цифровой системой управления, реализующей алгоритм работы ПД, ПИД или ПДД2– регулятора. На основании источников [2], [24], [37], [41], [51], [86], [88] были изучены алгоритмы работы систем возбуждения, применяющихся на КС МГ, и других современных систем возбуждения (АНИКРОН, ЦРВД, ВТ-РЭМ700, КВсдОС, ВТЦ-СДБ, ТЕ-8, ВТЕ, БВУ), в результате чего были сделаны следующие выводы:

АРВ может иметь контур регулирования: по напряжению на секции шин 6(10)кВ, по коэффициенту мощности (cos), по реактивному тока статора, при этом всегда выполняется подчиненный контур регулирования по току ротора;

при моделировании системы возбуждения с питанием только от шин 6(10)кВ следует учитывать зависимость выходного напряжения возбудителя от напряжения питания;

в модели следует учитывать задержки датчиков тока, собственно тиристорного возбудителя;

современные АРВ – это цифровые регуляторы, следует учитывать такт работы программы АРВ, дискретизацию входных сигналов;

при снижении напряжения на секции шин питания двигателя включается релейная форсировка возбуждения;

системы возбуждения допускают работу в определенном диапазоне изменения напряжения и частоты на шинах двигателя;

гашение поля может осуществляться инвертированием либо включением на разрядное сопротивление;

при моделировании бесщёточной системы возбуждения, необходимо учесть передаточную функцию возбудителя на валу двигателя;

Эти особенности были учтены при разработке модели.

В качестве базовой модели выбрана универсальная модель АРВ, представленная в [24]. Модель была изменена с учетом моделирования только тиристорных устройств и с учетом реально применяемых в АРВ СД законов регулирования. Автомат гашения поля, как правило, на электродвигателях не используется, поэтому не моделировался. В модели учтены способы гашения поля инвертированием и включением обмотки возбуждения на разрядное сопротивление. В результате модель приняла вид, показанный на рисунке 2.2.

При разработке модели учитывались положения, представленные в [1], [2] и [16].

Модель реализована в виде S-функции Simulink и обеспечивает следующие возможности:

контуры регулирования по току возбуждения, по напряжению питания двигателя, по коэффициенту мощности, по реактивному току с возможностью реализации системы подчиненного регулирования;

по любому контуру регулирования может быть реализован ПИД-регулятор;

предусмотрена возможность использования гибкой корректирующей ОС по производной активного тока статора для демпфирования колебаний ротора и квадрату активного тока статора для форсировки тока возбуждения;

реализована возможность ввода релейной форсировки возбуждения;

учитывается влияние снижения напряжения питающей сети на выходное напряжение возбудителя;

предусмотрено задание шага работы алгоритмов модели;

предусмотрена возможность моделирования гашения поля.

2.3. Разработка модели релейной защиты и автоматики газоперекачивающей станции Для анализа результатов работы комплекса оборудования компрессорной станции достаточно иметь признаки срабатывания функций релейной защиты и автоматики и с этой точки зрения можно обойтись функциональной [47] моделью устройства РЗА.

Однако, поскольку в дальнейшем возможно применение полученной модели для моделирования станций с различными устройствами РЗА, а также, поскольку составляющие модели устройства РЗА будут использованы в модели устройства анализа устойчивости синхронных двигателей, применяется смешанная функциональноструктурная модель. Ранее близкая модель была предложена в [101].

Схема электрических защит, устанавливаемых на КС МГ приведена в [9]. В настоящее время для выполнения функций РЗА применяются микропроцессорные устройства защиты. Функциональная схема микропроцессорного устройства РЗА приведена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 Функциональная схема микропроцессорной РЗА В микропроцессорное устройство РЗА поступают сигналы с трансформаторов тока преобразуются с помощью датчиков Д к унифицированному сигналу напряжения (как правило 0-10В) и поступают на ФНЧ. Обработка оцифрованных сигналов осуществляется в сигнальном процессоре СП (англ. DSP). Алгоритмы работы функций защиты и автоматики выполняются в контроллере. Программный цикл контроллеров существующих устройств РЗА составляет от 1мс до 10мс. Контроллер выдает управляющие сигналы на выходные реле, время срабатывания применяемых в устройствах РЗА реле на замыкание составляет от 1мс до 10мс на размыкание – от 0,5 до 5 мс. Могут также применяться бесконтактные (оптические) выходные реле с типовым временем замыкания от 0,5 до 2мс и временем размыкания от 0,1 до 0,5 мс. Для выполнения преобразования Фурье необходимо знать частоту сигнала, измерение которой осуществляется с помощью частотомера ИЧ. С помощью дискретных сигналов и промышленных интерфейсов осуществляется передача сигналов между устройствами РЗА, устройствами РЗА и АСУ.

Модель микропроцессорного устройства РЗА включает в себя:

модели измерительных трансформаторов тока, учитывающие возможность их насыщения;

модель аналогового фильтра нижних частот;

модель частотомера;

модель АЦП, управляемого сигнальным процессором;

функции обработки сигналов в сигнальном процессоре, выполняемые с частотой работы сигнального процессора;

функции обработки сигналов в контроллере, выполняемые с частотой работы контроллера;

задержки входных сигналов, отражающие работу устройства фильтрации дребезга (ДВх);

задержки выходных сигналов, отражающие задержки работы выходных реле.

Модель трансформатора тока описана в подразделе 2.4.

Встроенные датчики тока и напряжения не моделировались, поскольку их погрешности существенно меньше погрешностей остальных составляющих измерительного тракта.

В модели частотомера применяется метод дискретного счета. Частота следования счетных импульсов – от 1 до 10 МГц. Для моделирования такой частоты необходим период выполнения всей комплексной модели равный, соответственно, от 1 мкс до 0, мкс. Предварительные эксперименты показали, что время расчета модели в этом случае получается очень большим. Целесообразно измерять время с точностью такта выполнения модели (как правило, от 10 мкс до 100мкс). Погрешность измерения частоты при частоте сигнала близкой к 50 Гц и точности измерения времени в 10 мкс составит соответственно 0,0025 Гц, при точности измерения времени в 0,1мкс – соответственно 0,000025 Гц. Это существенно меньше погрешностей цифровых устройств РЗА (порядка 0,1Гц). Дополнительного существенного повышения точности можно достичь путем измерения значений сигнала до и после пересечения сигналом заданного значения и более точном вычислении точки пересечения. Поскольку в программной среде MATLAB вычисления выполняются с 32-разрядными числами [30], точность представления вещественного числа с нулевой частью перед запятой будет порядка 1*10-15, соответственно и погрешность определения точки пересечения, связанная с дискретностью вычислений будет близка к 1*10-15, это существенно меньше влияния на точность погрешности измерения времени, поэтому этой ошибкой вычисления пренебрегаем.

Модель АЦП осуществляет квантование входных сигналов по команде с сигнального процессора. В современных цифровых устройствах РЗА применяются два способа выбора такта квантования – с заданным числом точек на период сигнала, в этом случае такт квантования подстраивается под частоту входных сигналов, либо с постоянным тактом квантования. При фиксированной частоте выборки не требуется слежение за изменением частоты основной гармоники и подстройка частоты дискретизации. Однако это усложняет дальнейший анализ полученных сигналов, поскольку в период основной гармоники может не укладываться целое число отсчетов.

При реализации модели в рамках данной работы было выполнено моделирование дискретизации с заданным числом точек на период сигнала. Частота дискретизации выбирается из ряда 4, 6, 8, 12, 16, 24, 32, 48, 64, 96, 128, 192, 384 измерений за период, в соответствии с [75]. Согласно [28] при выполнении исследований в рамках данной работы выбирается частота дискретизации – 48 выборок за период.

Согласно [75] разрядность АЦП выбирается в соответствии с требуемой точностью преобразования. Типовая основная относительная погрешность измерения сигналов микропроцессорными РЗА составляет ±2,5% в динамическом диапазоне 1000 [28].

Стоит отметить, что дается погрешность определения действующего значения основной гармонической составляющей сигнала. С учетом ослабления составляющих, возникающих на частоте квантования и обусловленных дискретизацией по уровню, Пренебрегая погрешностью остальных составляющих измерительного тракта, получаем погрешность при максимальном уровне сигнала равную 0,0025%. Согласно [4] это соответствует разрядности АЦП не менее log 2 ( применяются менее точные АЦП – 16 разрядные, при этом обеспечивается необходимая точность величин, преобразованных по Фурье.

Функции обработки информации, выполняемые в сигнальном процессоре и используемые в модели включают в себя:

фильтрацию сигналов с использованием цифровых фильтров;

расчет значений гармонических составляющих по дискретному преобразованию вычисление среднеквадратичного значения за период основной частоты;

вычисление мгновенных значений производных от входного сигнала;

выполнение математических операций с векторами;

вычисление векторов прямой, обратной, нулевой последовательностей;

вычисление полной мощности, активной мощности, коэффициента мощности.

Рассчитанные значения поступают в модель центрального процессора, где над ними выполняются действия в соответствии с логическими схемами работы устройства РЗА. Результат этих действий – выходные дискретные сигналы, передаваемые на выключатель защищаемого объекта, другим устройствам РЗА либо другому оборудованию станции (напр. системе возбуждения). Дискретные сигналы выдаются с задержкой на срабатывание или отпускание в соответствии с характеристиками выходных реле устройства РЗА.

Таким образом, в процессе работы была реализована комплексная модель цифрового устройства РЗА. Состав моделируемых устройств РЗА и моделируемые алгоритмы определены в соответствии с [9] и приведены в таблице 2. Таблица 2.1. Моделируемые устройства РЗА напряжения Модель устройства РЗА выполнена в программе MATLAB в виде отдельных Sфункций АЦП, частотомера, сигнального процессора, центрального контроллера и выходных реле. Уставки (параметры срабатывания) защит выбраны в соответствии с [90] и [46].

2.4. Разработка модели трансформатора тока Переходные режимы в энергетических системах связаны с наличием в токе вынужденной периодической составляющей, апериодических составляющих и свободных (затухающих) периодических составляющих. Наличие этих составляющих может приводить к насыщению измерительных трансформаторов тока и, как следствие, ложной работе подключенных к ним устройств. В рамках данной работы такими устройствами являются устройства РЗА и устройство контроля устойчивости работы синхронных двигателей.

За основу модели была принята упрощённая схема замещения ТТ, при построении которой пренебрегают сопротивлениями первичной цепи ТТ [36], [76]. Схема изображена на рисунке 2.4.

На рисунке 2.4 приняты обозначения: w1 - количество витков первично обмотки, w2 количество витков вторичной обмотки, i1 - ток первичной обмотки, i2 - ток вторичной обмотки, i0 - ток намагничивания, L0 - индуктивность ветви намагничивания, R0 активное сопротивление ветви намагничивания, - активное сопротивление вторичной обмотки, L2 - индуктивное сопротивление вторичной обмотки, RН активное сопротивление нагрузки ТТ, LН - индуктивное сопротивление нагрузки ТТ.

Особенностью моделирования является нелинейная зависимость параметров схемы замещения от текущего значения индукции в магнитопроводе.

Для выполнения моделирования ТТ необходимо задать исходные данные модели:

материал магнитопровода (для отечественных ТТ это, как правило, стали марок 3405, 3411, 3413, 3414), аппроксимирующая кривую намагничивания магнитопровода;

площадь поперечного сечения и длина магнитопровода (могут быть получены из чертежа общего вида ТТ) активных и реактивных сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки (Ом);

число витков первичной и вторичной обмоток;

начальное значение индукции в магнитопроводе (Тл).

намагничивания не моделировался, поскольку в соответствии с [83] и [84] он оказывает малое влияние на результаты измерения при насыщении ТТ. Исходные данные о характеристике намагничивания получены из [6]. Сравнение функций, применяемых для аппроксимации кривых намагничивания приведено в [11]. Для аппроксимации была выбрана функция вида:

где H - значение напряженности магнитного поля в магнитопроводе ТТ, B - значение индукции в магнитопроводе.

К достоинствам применения формулы (2.1) относится простота использования, небольшое количество коэффициентов и, вместе с тем, достаточно точное описание экспериментальных данных. Исходные данные о характеристике намагничивания (координаты точек кривой) были прорежены согласно рекомендациям [83] – были выбраны две точки на линейной части характеристики, три точки на колене и три точки на участке насыщения.

Аппроксимация кривой намагничивания выполнена с использованием функции genfit программы Mathcad, обеспечивающей аппроксимацию по методу наименьших квадратов с использованием алгоритма Левенберга-Марквардта. Начальные значения параметров аппроксимирующей функции были подобраны вручную. На рисунке 2. изображены 1 - исходные точки, 2 - график функции, параметры которой определены вручную и 3 - график функции, параметры которой определены по методу наименьших квадратов.

Рисунок 2.5. Аппроксимация кривой намагничивания ( B - индукция в магнитопроводе, Тл; H - напряженность поля в магнитопроводе, А/м) Для моделирования газоперекачивающей станции, задаем параметры трансформаторов, выбранных для двигателей СТД-12500 в соответствии с рекомендациями [48]. На основе анализа проектов КС было выяснено, что на КС часто применяются трансформаторы типа ТЛО. В качестве ТТ, установленных в ячейках питания двигателей, были выбраны трансформаторы тока с коэффициентом трансформации 1000/5 типа ТЛО со следующими характеристиками:

материал магнитопровода – сталь 3411;

площадь поперечного сечения магнитопровода Sm = 0,00042 м2;

средняя длина магнитопровода: lm = 0,628 м;

число витков первичной обмотки w1 = 1 ;

число витков вторичной обмотки w2 = 200.

В качестве ТТ, установленных во вводных ячейках и ячейках секционных выключателей, были выбраны трансформаторы тока с коэффициентом трансформации 5000/5 типа ТЛП со следующими характеристиками:

материал магнитопровода – сталь 3411;

площадь поперечного сечения магнитопровода Sm = 0,00153 м2;

средняя длина магнитопровода: lm = 0,581 м;

число витков первичной обмотки w1 = 1 ;

число витков вторичной обмотки w2 = 1000.

Начальное значение индукции в магнитопроводе задается в качестве параметра модели (в рамках данной работы принималось равным нулю). Параметры кривой намагничивания были получены от производителя ТТ – ООО «Электрощит-Ко».

Для моделирования в рамках данной работы сопротивление вторичной цепи ТТ было выбрано равным 0,5 Ом для токовых цепей, идущих от нейтрали двигателей и 0, Ом для токовых цепей, идущих от ТТ, установленных в ячейках, что близко к реально получаемым сопротивлениям.

описывающих процессы, происходящие в ТТ:

где S m - площадь сечения магнитопровода, lm - средняя длина магнитопровода.

вычислений, для k - го шага вычисления система (2.2) примет вид:

выразим из первого уравнения Bk, объединим последние два уравнения с учетом представления характеристики намагничивания графиком функции (96), получаем:

Таким образом, мы получили готовую систему уравнений для выполнения выполненного на основе системы (2.5) приведен на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6. Моделирование процесса насыщения трансформатора тока (1 – первичный ток, 2 – вторичный ток, 3 – ток намагничивания) На рисунке 2.6 значения вторичного тока и тока намагничивания приведены к первичной обмотке.

2.5. Реализация моделей питающего источника, ЛЭП, трансформаторов. Выбор такта квантования Помимо приведенных в подразделах 2.1-2.4 моделей двигателей, систем возбуждения, устройств релейной защиты и автоматики, трансформаторов тока в комплексной модели газоперекачивающей станции используются дополнительные элементы:

эквивалент энергосистемы;

модель линии электропередачи до трансформаторов, питающих подстанцию с СД;

модели трансформаторов с расщепленными обмотками;

Далее рассмотрим указанные дополнительные модели подробнее.



Pages:   || 2 |
 


Похожие работы:

«Кузнецов Виталий Александрович ОБНАРУЖЕНИЕ ГЕОИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ И ИХ МОНИТОРИНГ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – доктор технических наук, доцент Вахнина Вера Васильевна Тольятти...»

«Григорьев Максим Анатольевич УДК 62-83::621.313.3 СИНХРОННЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С НЕЗАВИСИМЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПО КАНАЛУ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ПРЕДЕЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ И ПЕРЕГРУЗОЧНЫМ СПОСОБНОСТЯМ Специальность 05.09.03 – “Электротехнические комплексы и системы” Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук Научный консультант – доктор технических наук,...»

«КОРОВЧЕНКО ПАВЕЛ ВЛАДИСЛАВОВИЧ РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПРЕДПРИЯТИЯ С НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКОЙ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени...»

«ГОРБИК Владислав Сергеевич СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМЫМ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ МАКСИМАЛЬНОГО БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ПО КОНТУРУ ТОКА (МОМЕНТА) ДЛЯ ГОРНЫХ МАШИН Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы ДИССЕРТАЦИЯ на...»

«Масликов Павел Александрович ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ТЕЛ ПРИ ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ Специальность: 05.09.10– Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель –...»

«Фризен Василий Эдуардович ИНДУКЦИОННЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ИННОВАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ Специальность 05.09.10 Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант : доктор технических наук, профессор Сарапулов Федор Никитич Екатеринбург 2014 Оглавление Перечень встречающихся сокращений 5 Введение 1. Аналитический обзор...»

«Белоусов Евгений Викторович УДК 62-83::621.313.3 ЭЛЕКТРОПРИВОД МЕХАНИЗМА ПОДАЧИ СТАНА ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ ТРУБ Специальность 05.09.03 – “Электротехнические комплексы и системы” Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель – кандидат технических наук Григорьев М.А. Челябинск – 201 ОГЛАВЛЕНИЕ Оглавление Введение Глава 1. Анализ работы стана ХПТ...»

«Белоусов Евгений Викторович УДК 62-83::621.313.3 ЭЛЕКТРОПРИВОД МЕХАНИЗМА ПОДАЧИ СТАНА ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ ТРУБ с СИНХРОННОЙ РЕАКТИВНОЙ МАШИНОЙ НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ Специальность 05.09.03 – “Электротехнические комплексы и системы” Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель – кандидат технических наук Григорьев М.А. Челябинск – ОГЛАВЛЕНИЕ...»







 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.