Содержание к диссертации
Введение
1. ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ОТ МЕ1ДУФАЗНЫХ КЗ 9
1.1. Требования к защитам электродвигателей 9
1.2. Величины и фазы токов электродвигателя при междуфазных КЗ II
1.3. Токовые защиты электродвигателей 12
1.3.1. Токовые отсечки 12
1.3.2. Фильтровые защиты 16
1.3.3. Дифференциальные защиты 17
1.4. Дифференциально-фазные защиты... 19
1.5. Вопросы обслуживания, проверки и контроля исправности УРЗ и постановка задачи 30
1.6. Выводы 32
2. СХЕМЫ СРАВНЕНИЯ ФАЗ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ФАЗНЫХ ЗАЩИТ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ 34
2.1. Выбор способа и схемы сравнения фаз 34
2.2. Работа ССФ и основные параметры 41
2.3. Функциональные характеристики ССФ 51
2.3.1. Проходные характеристики и граничный угол 51
2.3.2. Относительный уровень сигнала 61
2.4. Информационные характеристики 69
2.5. Выводы 73
3. ДФЗД С САМОКОНТРОЛЕМ ИСПРАВНОСТИ. 74
3.1. Анализ последствий отказов элементов ССФ 74
3.2. Способы и устройства самоконтроля исправности 82
3.3. Защита ДФЗД-У34 87
3.3.1. Выполнение и принцип действия 87
3.3.2. Работа в стационарных и переходных режимах 94
3.3.3. Устойчивость функционирования, ток срабатывания и выбор параметров элементов защиты 112
3.3.4. Результаты экспериментальных исследований... 117
3.4. Быстродействующее устройство для выявления потери питания электродвигателей 123
3.4.1. Способы выявления потери питания 123
3.4.2. Быстродействующее устройство для выявления потери питания с самоконтролем исправности 129
3.5. Выводы 133
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 135
ЛИТЕРАТУРА 137
ПРИЛОЖЕНИЯ 148
- Требования к защитам электродвигателей
- Выбор способа и схемы сравнения фаз
- Анализ последствий отказов элементов ССФ
Введение к работе
Интенсивное развитие энергетики в СССР в соответствии с решениями ХХІУДХУ и ХХУІ съездов КПСС привело к значительному увеличению числа и единичной мощности электродвигателей.
Устройства релейной защиты (УРЗ) электродвигателей не всегда удовлетворяют предъявляемым требованиям. Так, широко используемые дифференциальные защиты на мощных двигателях питательных электронасосов собственных нужд электрических станций оказываются недостаточно чувствительными к междуфазным коротким замыканиям (КЗ) в обмотке статора из-за необходимости отстраиваться от токов небаланса при пусках электродвигателей и требуют значительных затрат времени квалифицированного персонала при наладках и плановых проверках. Существующая планово-предупредительная система эксплуатации УРЗ мощных электродвигателей предусматривает цикл профилактического обслуживания с периодом 3-8 лет. В этом промежутке до срабатывания УРЗ (правильного или ложного) обслуживающий персонал не имеет информации об их исправности, а следовательно, и не принимает мер к предотвращению отказов. К тому же в связи с постоянным возрастанием числа УРЗ, приходящихся на одного работника службы релейной защиты, труднее становится охватить своевременными проверками все УРЗ электродвигателей. В последние годы в Павлодарском индустриальном институте, Новочеркасском политехническом и Новосибирском электротехническом институтах для мощных электродвигателей разработаны дифференциально-фазные защиты, обладающие достаточной чувствительностью к междуфазным КЗ. Однако они, как и дифференциальные, не имеют самоконтроля исправности, построены без использования специальных методов, уменьшающих вероятность отказов и упрощаю- щих обслуживание. Отказы УРЗ электродвигателей приводят к более широкому развитию аварий, увеличению расходов на ремонт (сопоставимых в настоящее время со стоимостью электродвигателей), длительному простою неповрежденного оборудования и наносят значительный народнохозяйственный ущерб. Поэтому разработка и исследование новых УРЗ электродвигателей, обладающих высоким техническим совершенством, свойствами самоконтроля исправности и не требующих значительного времени для профилактических проверок, является актуальной.
Цель работы заключается в разработке и исследовании дифференциал ьно-фавной защиты электродвигателей от междуфазных замыканий, обладающей названными свойствами.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи: выбор схемы сравнения фаз (ССФ) для построения защиты электродвигателей с самоконтролем исправности; разработка способов и устройств непрерывного контроля исправности диодных : ССФ; разработка устройства дифференциально-фазной защиты электродвигателей (ДФЗД) от междуфазных замыканий, обладающей высоким техническим совершенством и самоконтролем исправности; анализ поведения разработанных устройств в различных режимах и сравнение с другими устройствами, применяемыми, для защиты электродвигателей.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались фундаментальные положения теории релейной защиты, теории электрических цепейі теории информации, теории переходных процессов в трансформаторах тока, физическое моделирование и метод натурного эксперимента. показано, что об исправности диодных схем сравнения можно судить как по гармоническому составу, так и по величине и знаку выходного напряжения; разработан способ и устройство непрерывного контроля исправности' диодных схем сравнения фаз (защищено авторским свидетельством); разработан способ выявления потери питания электродвигателей на сравнении фаз токов (защищен авторским свидетельством) и устройство его реализующее; разработаны устройство ДФЗД от междуфазных КЗ в обмотке статора (защищено авторским свидетельством и патентами) и методика выбора параметров его элементов; проведены теоретические и экспериментальные исследования поведения ДФЗД в различных режимах.
Практическая ценность результатов работы: выявлены фазосравнивающие схемы, наиболее пригодные для построения на них дифференциально-фазных защит электродвигателей с самоконтролем исправности; разработано устройство ДФЗД, обладающее техническим совершенством и самоконтролем исправности, работоспособное при неисправностях в блоках его составляющих. Обслуживание ДФЗД сводится в основном к замене неисправного блока исправным; разработано устройство для выявления потери питания электродвигателями (БУВІШ-С), фиксирующее потерю питания в течение 0,Q\c и имеющее сигнализацию о неисправностях; разработан выходной орган для' диодных; схем сравнения, позволяющий выявлять их неисправности до текущей проверки; результаты теоретических и экспериментальных исследований
7 позволили обеспечить техническое совершенство ДФЗД в переходных и установившихся режимах.
Реализация результатов работы. В СКБ КазГУ проведена про-ектно-конструкторская разработка и изготовлено 25 устройств ДФЗД-У34, два из которых установлены на Конаковской и Экибас-тузской ГРЭС с действием на сигнал, а другие по плану внедрения новой техники готовятся к установке на электростанциях "Павло-дарэнерго". Комплект ДФЗД-У34 экспонировался на международной выставке в Кабуле в 1984 г. На подстанциях Новгородского ПО "Азот" и "Чимкенсская" РУ'Южказэнерго" внедрен способ выявления потери питания электродвигателями (форма 4-нт (перечень). Ожидаемый экономический эффект от внедрения способа,реализуемого устройствами БУВПП«С на Новгородском ПО "Азот" составляет 20740 руб. в год.
К защите представляются: результаты сопоставительного анализа различных ССФ; способ и устройства непрерывного контроля исправности диодно-резисторных схем сравнения; * способ выявления потери питания электродвигателями; * устройства ДФЗД-У34 и БУВПП-С и результаты их исследования; ^эо^Зацияи Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на I и II республиканских конференциях "Диагностика неисправностей релейной защиты и автоматики электрических систем" в 1977 и 1982 г.г.; на ХУІІІ и XIX Пермской научно-технической конференциях по вопросам повышения эффективности и качества систем и средств управления в 1982 и 1983 г.г.; на научных семинарах кафедр "Автоматизированные электрические системы" и "Электрические станции" Уральского политехнического и Павлодарского индустриального институтов в 1984 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 4 авторских свидетельства (СССР) и два патента (ФРГ и Франция).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, изложенных на 99 стр. машинописного текста, списка литературы из ЮІ наименования, приложений, 36 рисунков и 2 таблиц. І. ЗАВДТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ОТ МВДУФАЗНЫХ КЗ.
I.I.Требования к защитам асинхронных электродвигателей.
В качестве приводов механизмов собственных нужд тепловых электрических станций применяются асинхронные двигатели 6 кВ мощностью. 200-8000 кВт [i] . Как правило, эти двигатели эксплуатируются в условиях повышенной температуры окружающей среды, наличия загрязнений и увлажнений, подвергаются частым коммутационным перенапряжениям и электродинамическим воздействиям при пусках, самозапусках и КЗ. Все это в сочетании с имеющими место на практике дефектами заводского изготовления, некачественным ремонтом и неправильным обслуживанием неблагоприятно сказывается на процессе старения изоляции [1,2] и эксплуатационной надежности [3, Ч,5,б] электродвигателей. Повреждение изоляции обмоток статора является основной причиной преждевременного выхода двигателей из строя [з].
Защиты мощных электродвигателей должны, выявлять внутренние повреждения и своевременно отключать поврежденный двигатель от сети, предупреждать перегрузку и самозапуск двигателей (если он недопустим) [7,8,9]. Поэтому для двигателей напряжением.свыше 1000 В предусматриваются следующие; виды защит: от междуфазных КЗ в обмотке статора;, от однофазных замыканий на землю (для двигателей мощностью до 2000 кВт при токах замыкания на землю 10 А и для двигателей мощностью более 2000 кВт при токах замыкания 5 А и более) ; от токов перегрузки по технологическим причинам, при затянувшемся пуске или самозапуске; от понижения напряжения, если самозапуск двигателя по условиям технологии и техники безопасности недопустим или когда для облегчения самозапус-
Ю ка ответственных двигателей требуется отключение двигателей неответственных механизмов [7] .
Основным учитываемым видом повреждений двигателей являются междуфазные КЗ в обмотке статора. Они могут не только вызывать большие разрушения в двигателе, но и сопровождаться понижением напряжения в питающей сети, нарушать работу многих других потребителей. Поэтому защиты от междуфазных КЗ как в двигателе, так и его соединениях с выключателем выполняются работающими без выдержки времени на отключение. При этом к защитам двигателей 5000 кВт и более подходят , как и для генераторов [7] .
Возникновению междуфазных КЗ, как правило, предшествуют нарушения витковой и корпусной изоляции [з] . Учитывая, что вследствие несовершенства контроля за межвитковой изоляцией, витковые замыкания могут привести к междуфазным КЗ в любой части обмотки статора [б] , и при этом возможны малые токи КЗ, на которые существующие защиты из-за недостаточной чувствительности не реагируют, задача разработки быстродействующих защит с малыми токами срабатывания (меньше номинального) яаляется актуальной [Ю,ц] .
Надежность работы УГЗ электродвигателей имеет важное значение. Своевременное выявление КЗ, быстрое отключение поврежденных электродвигателей и автоматическое производство коммутаций (АВР) в сетях собственных нужд способствует устойчивой работе основного оборудования и электростанции в целом. Отказы УРЗ ведут к развитию и более поздней ликвидации аварий или ложному останову оборудования и могут сопровождаться материальным ущербом.
1,2. Величины и фазы токов электродвигателя при междуфазных КЗ.
Исследования последних лет, проведенные в Новочеркасском политехническом и Павлодарском индустриальном институтах на базе физических и математических моделей (|0,ц] , а также с помощью теории планирования эксперимента [12],выявили следующее. При любых междуфазных КЗ токи со стороны нулевых выводов электродвигателя значительно превышают номинальные (в 5-8 и более раз). Токи со стороны вводов при КЗ вблизи нулевых выводов мало отличаются от номинальных, а при перемещении точки КЗ к вводам электродвигателя увеличиваются. Значительное влияние на величину токов КЗ оказывает переходное сопротивление дуги. Угол Ф между токами вводов и нулевых выводов поврежденных фаз в зависимости от вида и места КЗ может составлять 90-180. При двухфазных КЗ одноименные токи поврежденных фаз могут быть не в противофазе. Нагрузка двигателя до КЗ существенного значения не имеет. Кроме того, при анализе поведения защит электродвигателей от междуфазных КЗ должно приниматься во внимание следующее:
Питание точки КЗ может быть односторонним (пуск на металлическое трезфазное КЗ на вводах).
Защитные ТТ существенно искажают формы вторичных токов как при внешних КЗ, пусках и самозапусках, так и при внутренних, близких к выводам КЗ.
Большое влияние на работу защит оказывают апериодическая составляющая тока пуска (самозапуска) при ее максимальном содержании [її] и ток переменной частоты, создаваемый в обмотке статора магнитными полями ротора [ІЗ, 1\\.
1.3. Токовые защиты электродвигателей. І.З.І. Токовые отсечки.
Требования к защитам электродвигателей
В качестве приводов механизмов собственных нужд тепловых электрических станций применяются асинхронные двигатели 6 кВ мощностью. 200-8000 кВт [i] . Как правило, эти двигатели эксплуатируются в условиях повышенной температуры окружающей среды, наличия загрязнений и увлажнений, подвергаются частым коммутационным пере напряжениям и электродинамическим воздействиям при пусках, само запусках и КЗ. Все это в сочетании с имеющими место на практике дефектами заводского изготовления, некачественным ремонтом и неправильным обслуживанием неблагоприятно сказывается на процессе старения изоляции [1,2] и эксплуатационной надежности [3, Ч,5,б] электродвигателей. Повреждение изоляции обмоток статора является основной причиной преждевременного выхода двигателей из строя [з].
Защиты мощных электродвигателей должны, выявлять внутренние повреждения и своевременно отключать поврежденный двигатель от сети, предупреждать перегрузку и само запуск двигателей (если он недопустим) [7,8,9]. Поэтому для двигателей напряжением свыше 1000 В предусматриваются следующие; виды защит: от междуфазных КЗ в обмотке статора;, от однофазных замыканий на землю (для двигателей мощностью до 2000 кВт при токах замыкания на землю 10 А и для двигателей мощностью более 2000 кВт при токах замыкания 5 А и более) ; от токов перегрузки по технологическим причинам, при затянувшемся пуске или самозапуске; от понижения напряжения, если само запуск двигателя по условиям технологии и техники безопасности недопустим или когда для облегчения самозапуска ответственных двигателей требуется отключение двигателей неответственных механизмов [7] .
Основным учитываемым видом повреждений двигателей являются междуфазные КЗ в обмотке статора. Они могут не только вызывать большие разрушения в двигателе, но и сопровождаться понижением напряжения в питающей сети, нарушать работу многих других потребителей. Поэтому защиты от междуфазных КЗ как в двигателе, так и его соединениях с выключателем выполняются работающими без выдержки времени на отключение. При этом к защитам двигателей 5000 кВт и более подходят , как и для генераторов [7] .
Возникновению междуфазных КЗ, как правило, предшествуют нарушения витковой и корпусной изоляции [з] . Учитывая, что вследствие несовершенства контроля за межвитковой изоляцией, витковые замыкания могут привести к междуфазным КЗ в любой части обмотки статора [б] , и при этом возможны малые токи КЗ, на которые существующие защиты из-за недостаточной чувствительности не реагируют, задача разработки быстродействующих защит с малыми токами срабатывания (меньше номинального) яаляется актуальной [Ю,ц] .
Надежность работы УГЗ электродвигателей имеет важное значение. Своевременное выявление КЗ, быстрое отключение поврежденных электродвигателей и автоматическое производство коммутаций (АВР) в сетях собственных нужд способствует устойчивой работе основного оборудования и электростанции в целом. Отказы УРЗ ведут к развитию и более поздней ликвидации аварий или ложному останову оборудования и могут сопровождаться материальным ущербом.
Выбор способа и схемы сравнения фаз
Известна [65] классификация способов сравнения фаз, которые условно можно разделить на две больших группы: дискретную и аналоговую. В дискретной группе способов сравнение сигналов происходит на основе логических или математических операций. Выходной сигнал имеет импульсную или потенциальную форму. В аналоговой выходной сигнал является непрерывной функцией угла расхождения сравниваемых сигналов. В обеих группах существует большое количество схем сравнения фаз (ССФ), каждая из которых с тем или иным успехом может быть применена в схемах защит электродвигателей. Для большинства из них в литературе отсутствуют точные количественные характеристики. В табл.1 приведены некоторые качественные характеристики для наиболее известных видов ССФ и разработанных автором (рис.2.2,б,в) на основе схемы [jfO] рис.2,2,а . Быстродействие и устойчивость к коррелированным помехам ССФ определяется выбранным способом сравнения фаз. Для дискретных и время-импульсных схем они непосредственно связаны. Действительно, в дискретных схемах[б6 69] сигнал на выходе появляется при наличии определенной последовательности или комбинации входных сигналов. Пропуск или появление лишних импульсов в процессе реализации алгоритма функционирования ССФ могут быть вызваны влиянием помех и привести к неправильной работе схемы. Поэтому в данных схемах используются комбинации из трех-четырех импульсов [69,70,71]. Как правило, последние формируются в моменты перехода сравниваемых величин через нулевые значения, поэтому время их срабатывания не может быть
Анализ последствий отказов элементов ССФ
Опыт эксплуатации и экспериментальные исследования ССФ (рис.2.2,а; показали, что при пробое диодов или обрывах в их цепях на выходе ССФ может появляться сигнал, превышающий напряжение срабатывания реагирующего органа при отсутствии требования на его срабатывание ( УО-% ). Короткие замыкания в диодах V5HV6 ведут к отказу схемы при наличии требования срабатывания ( ф = 0), обрывы в цепях резисторов К1 и диодов V5 и VD при наличии требования срабатывания влекут за собой задержку в срабатывании и вибрацию контактов реагирующего органа.
На основе схемы замещения рис.2.3 анализируется работа схемы рис.2,2,а, при указанных неисправностях. Вследствие симметрии схемы и равнозначности последствий отдельных неисправностей повреждения в цепях диодов VI VI рассматриваются на примере цепи с диодом , а в цепях диодов V5HV6 на примере це пи с Vo .
