Введение к работе
Актуальность проблемы. Большинство устройств релейной защиты (РЗ) электроэнергетических систем составляют автономные устройства подстанций распределительных сетей, питающих электродвигатели (ЭД) переменного тока. Многие проблемы, стоявшие перед РЗ распределительных сетей, уже решены. Их решением занималось большое количество организаций как дальнего и ближнего зарубежья, так и Казахстана. Однако бурное развитие энергетики в семидесятые - девяностые годы привело к тому, что РЗ подстанций с ЭД не всегда удовлетворяет требованиям в плане обеспечения технического совершенства и экономии материальных ресурсов. Например, традиционные защиты ЭД не выявляют зитковые замыкания, развитие которых в междуфазные сопровождается большими разрушения/ли. Иногда они не реагируют и на ыеждуфазные замыкания (на электростанциях имели место отказы дифференциальных защит ЭД из-за малой чувствительности). Резервные защиты линий часто нечувствительны к коротким замыканиям (КЗ) за маломощными трансформаторами ответвлений. В результате при отказе защиты или коммутационного аппарата трансформатора он выходит из строя, а линия отключается на длительное время. В некоторых случаях несовершенство РЗ приводит к очень, крупным авариям. Так при отказе выключателей в открытом распределительном устройстве, сопровождающемся переводом ЭД собственных нужд нескольких блоков электростанции на резервный трансформатор, из-за его отключения максимальной защитой возможно полное прекращение выдачи энергии.
В части удовлетворения требований чувствительности и быстродействия широкие возможности имеют централизованные устройства релейной защиты (ДУЗ), так как используют более обширную информацию, чем автономные. При этом, несмотря на то, что для повышения надежности часто необходимо резервировать ДУЗ, или блоки их составляющие, они позволяют облегчить обслуживание за счет применения для всего объекта унифицированных измери -тельных органов и общего блока питания. Что касается эконо -мии ресурсов, то большие возможности таятся в создании защит, не использующих для получения информации трансформаторы тока (ТТ), поскольку на один ТТ в сети 6-Ю кВ расходуется 2 кг меди и I кг высококачественной стали,и.6 ростом напряжения эти цифры возрастают почти пропорционально.
Разработка защит без ТТ представляется важной и потому, что дает возыожносгь повысить надежность РЗ дублируя защиты с ТТ защитами без ТТ.
В связи с изложенным работа по совершенствованию РЗ подстанции с ЭД актуальна, и её следует вести в направлениях разработки как ЦУЗ, так и автономных защит с лучшими, чем у традиционных, характеристиками, а также защит, не использующих ТГ. При этом во всех случаях, когда это возможно, будем придерживаться считаемого перспективным принципа построения защит на типовых блоках и синтезировать стационарные системы, так как они вполне конкурентоспособны и проще адаптивных.
Исследования по теме диссертации выполнялись в соответствии с целевой программой Госкоыобр СССР по проблеме "Разработка методов и средств экономии всех видов ресурсов (Экономия электроэнергии, направление 2), Минвуза РСФСР - по проблеме "Энергетика" (раздел "Энергосистемы") и отраслевыми планами Минэнерго СССР, Каз.ССР.
Цель работы - повышение технического совершенства РЗ подстанций с ЭД путем разработки новых устройств на основе развития теории централизованных и резервных защит и теории построения ресурсосберегающей системы РЗ, не использующей высоковольтные ТТ.
Задачи исследований:
построение ЦУЗ для подстанций с ЭД, обладающих лучшими чувствительностью и быстродействием, чем традиционные защиты;
разработка высокочувствительных и простых защит ЭД от витковых и междуфазных замыканий с самодиагностикой неисправностей, имеющих повышенную надежность функционирования;
синтез устройств АБР для подстанций с ЭД, действующих в зависимости от степени аварийной ситуации;
разработка резервных защит линий, способных выявить КЗ за трансформаторами ответвлений при токах КЗ, меньших номинального тока нагрузки линии, и метода сопоставления их по чувствительности;
создание для подстанций с ЭД новой системы РЗ на герконах и встроенных в ЭД индукционных датчиках, позволяющей экономить медь и сталь за счет значительного уменьшения количества используемых ТТ.
Методы_исле^.о_ваний. При решении поставленных задач использовались методы логического анализа и синтеза схем и аналитических исследований (метод зеркальных отображений, симметричных составляющих и др.), физическое моделирование и натурный эксперимент. Работа велась, опираясь на фундаментальные положения теории РЗ, теоретических основ электротехники, электрических машин и теории релейных схем.
Научная новизна даботьи
I. Развиты теоретические основы построения ЦУЗ подстанций с ЭД: обоснована возможность использования токов подпитки от ЭД для построения защит; развит метод их логического синтеза [1,3,5,7, 13 J; созданы алгоритмы функционирования [ 15,17J ; сформулированы и доказаны теоремы о соотношениях между логическими функциями их описывающими [I2j ; предложен метод минимизации групп таких функций [2,4J , заключающийся в выделении из них общей части, и способ унификации ДУЗ и устройств автоматического включения резерва (УАВР), основанный на представлении алгоритмов функционирования с помощью функции НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ [ 14,15] . Разработаны модели ДУЗ [1,3,5,7,13,16 J . Предложен способ выявления потери питания, при котором сравнивают фазы токов электродвигателей.
Z. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность построения ресурсосберегающей системы релейной защиты подстанций с ЭД на герконах и встраиваемых в ЭД преобразователях тока без использования высоковольтных ТТ» Разработаны принципы построения и модели токовых, дифференциальных, дифференциально-фазных и токовых направленных защит на герконах [21,25,26,32 J , [46-47, 51-52, 55,59 , 65-68J. Предложены: способ повышения чувствительности и коэффициента возврата геркона путем снятия под-магничивания в момент срабатывания; метод расчета токов в шинах высоковольтных установок, при котором геркон, закрепленный на безопасном от них расстоянии, срабатывает; и способ отстройки его от помех [ 33,21,25 ] .
3. Предложен способ построения защит от витковых замыканий
обмотки статора, при котором измеряют сумму магнитных потоков вну
три ЭД с помощью кольцевых и,точечных преобразователей, устанав
ливаемых против лобовых частей обмотки статора ЭД. Разработаны
методики расчета ЭДС на их выходе, основанные на современных ме
тодах расчета магнитных полей. Уточнен метод расчета токов при
ВЗ [19,20,22,29,30,35].
4. Развита теория резервных защит путем расширения признаков,
используемых для выявления КЗ, и предложенной методологии сопос
тавления защит по чувствительности: [24,28,31 J.
5. Разработан ряд новых защит для подстанций с ЭД и методы
расчета их параметров. Определены соотношения параметров, обеспе
чивающих устойчивость функционирования. Получены формулы для вы
бора уставок и оценки чувствительности [1,8,11,18,19,24,26,27,
28,34] . — -
Практическая ценность работы;
-
Созданные ЦУЗ позволяют значительно улучшить защиту подстанций с двигателями переменного тока за счет высокого быстродействия и чувствительности. Разработанные теоремы и следствия упрощают математические операции, а предложенный метод минимизации позволяет получить значительную экономию элементов при реализации ЦУЗ. Представление алгоритмов ЦУЗ и УАВР с помощью функции НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ открывает возможности для унификации устройст;
-
Защина ЭД от междуфазных КЗ с мажоритарной схемой при высокой чувствительности не критична к насыщению трансформаторов тока, работоспособна при неисправностях в любом из блоков её составляющих и проста в обслуживании. Защита ЗД от ВЗ и эксцентриситета ротора проста, не требует трансформаторов тока, является наиболее чувствительной из известных, а защита от потери питания -. наиболее быстродействующей.
-
Централизованное УАВР собственных нужд электростанции предотвращает крупные аварии, обусловленные отключением резервного трансформатора при переводе на него нагрузки рабочих трансформаторов.
-
Исследования созданных моделей широкой номенклатуры защит на герконах показали, что в системах электроснабжения эти защиты будут удовлетворять предъявляемым требованиям при сравнительной простоте исполнения и малой металлоемкости.
-
Разработаны резервные токовые защиты линий с ответвлениями, которые решают задачу отключения КЗ за трансформаторами ответвлений при токах КЗ, значительно меньших номинального.
К защите представляются: упомянутые в двух предыдущих разделах обоснование использования токов подпитки от ЭД для построения защит, алгоритмы, теоремы, метод минимизации, способ выявления потери питания, способ унификации, принципы построения разработанных защит, метод сопоставления резервных защит по чувствительности, способ повышения чувствительности и коэффициента возврата геркона, метод расчета тока, при котором он срабатывает, и метод отстройки его ст помех, модели ЦУЗ и защит на герконах, защита ЭД с мажоритарной схемой, защиты на кольцевом и точечных преобразователях,
защита линий, реагирующая на разность модулей токов фаз, и адаптирующаяся защита, централизованное устройство АВР, методы расчета параметров разработанных защит и результаты их исследования.
Реализация результатов работы. Завод Сибэлектротяжыаш в 1990-1994 г.г. выпускал АД мощностью 8 МВт с индукционными точечными датчиками защиты от витковых замыканий. Защита от ВЗ на кольцевом преобразователе внедрена на ЭД дымососов Экибастузской ГРЭС-I в 1989 г. Дифференциально-фазная защита ЭД с мажоритарной схемой и функциональным диагностированием- на Конаковской и Экибастузской ГРЭС-I в 1988 г. Дифференциальная защита преобразовательной установки на герконах без ТТ - на кране Кировоградского металлургического комбината в 1990 г. Адаптирующаяся токовая защита внедрена на восьми вдольтрасЪвых линиях нефтепроводов Тюменской и Сургутской областей; она включена в проекты вдольтрассовых линий новых нефтепроводов Западной и Северо-Западной Сибири, на электродвигатели многих действующих насосных которой и ТЭЦ-3 г.Павлодара в 1993 - 1997 г.г. внедрена защита от эксцентриситета ротора. Суммарный экономический эффект от внедрения разработок составил 35 тыс.руб. (в ценах 1989 года).
Результаты работы используются в учебном процессе Павлодаре -кого Государственного университета им.С.Торайгырова в дисциплинах по релейной защите, при курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Содержание диссертации нашло отражение в 49 статьях, 72 авторских свидетельствах СССР и 8 патентах США, ФРГ, Франции, России и Казахстана. Основные положения работы докладывались на шести Всесоюзных научно-технических конференциях и совещаниях:"Специальные коммутационные элементы" (Рязань, 1984), "Проблемы нелинейной электротехники" (Киев, 1984), "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Иваново, 1985), "Научные проблемы современного энергетического машиностроения и их решение" (Ленинград, 1987), "Опыт разработки, внедрения и эксплуатации устройств защиты и автоматики на микроэлектронной основе и с использованием микропроцессорной техники" (Москва, 1989), "Диагностика - 90" (Мариуполь, 1990).
Доклад по полному объему диссертации был представлен и рассмотрен на Всесоюзной научно-технической конференции "Современная релейная защита электроэнергетических объектов" (Чебоксары, 1991), на заседаниях кафедр "Электрические станции" Новочеркасского политехнического, Новосибирского электротехнического институтов, Павлодарского Государственного университета им.С.Торайгырова и в Казахском научно-исследовательском институте энергетики.
Три разработанных устройства экспонировались на пяти Всесо-
юзных и трех международных выставках (1984 - 1988 г.г.) и награждены серебряной и двумя бронзовыми медалями ВДНХ.
При научной консультации и руководстве автора защищены пять кандидатских диссертаций.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, которые изложены на 234 страницах машинописного текста и иллюстрируются 74 рисунками и 10 таблицами на 67 страницах, списка литературы из 179 наименований и пяти приложений на 60 страницах, содержащих материалы, относящиеся к практической реализации и внедрению результатов работы.
