Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ проблемы поддержания устойчивости работы синхронных двигателей 6-10кВ 12
1.1. Краткая характеристика узлов нагрузки с синхронными электродвигателями 6-10кВ. Выбор исследуемой схемы электроснабжения синхронных двигателей 12
1.2. Краткий анализ систем возбуждения синхронных двигателей 6-10кВ. Выбор исследуемой системы возбуждения 17
1.3. Краткий анализ технологического оборудования газоперекачивающей станции. Выбор исследуемой схемы регулирования нагрузки синхронных машин 19
1.4. Влияние изменений напряжения и частоты питающей сети на работу синхронных двигателей 21
1.5. Анализ работы релейной защиты и автоматики подстанции с синхронной нагрузкой при снижении питающего напряжения . 32
1.6. Анализ режимов самозапуска синхронных двигателей 35
1.7. Анализ научно-информационных источников, авторефератов диссертаций, патентов,
теоретических и экспериментальных исследований 37
Выводы по главе 1 40
ГЛАВА 2. Разработка модели для оценки устойчивости синхронных двигателей 6-10кв при кратковременной потере питания 41
2.1. Разработка модели синхронного двигателя 41
2.2. Разработка модели системы возбуждения 45
2.3. Разработка модели релейной защиты и автоматики газоперекачивающей станции 48
2.4. Разработка модели трансформатора тока 53
2.5. Реализация моделей питающего источника, ЛЭП, трансформаторов. Выбор такта
квантования 58
Выводы по главе 2 61
ГЛАВА 3. Разработка алгоритма контроля устойчивости СД 62
3.1. Существующие алгоритмы контроля устойчивости СД 62
3.2. Анализ экспериментов с применением существующих алгоритмов контроля устойчивости СД 66
3.3. Разработка алгоритма контроля устойчивости с учетом результатов экспериментов 75
Выводы по главе 3 82
ГЛАВА 4. Результаты исследования работы оборудования компрессорной станции при кратковременной потере питания 83
4.1. Выбор проводимых модельных экспериментов 83
4.2. Моделирование потери питания вследствие отключения питающего источника 85
4.3. Моделирование коротких замыканий в точке 1 86
4.4. Моделирование коротких замыканий в точке 2 87
4.5. Моделирование коротких замыканий в точке 3 88
4.6. Моделирование коротких замыканий в точке 4 88
4.7. Разработка методических указаний по настройке устройств РЗА и организации системы
поддержания устойчивости работы СД 89
Выводы по главе 4 91
Заключение 92
Список сокращений и условных обозначений 94
Список литературы 95
- Краткий анализ систем возбуждения синхронных двигателей 6-10кВ. Выбор исследуемой системы возбуждения
- Анализ работы релейной защиты и автоматики подстанции с синхронной нагрузкой при снижении питающего напряжения
- Разработка модели релейной защиты и автоматики газоперекачивающей станции
- Моделирование потери питания вследствие отключения питающего источника
Введение к работе
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.
Систему автоматизации современного промышленного объекта с 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 алгоритмы работы релейной защиты и автоматики, новые конструкции 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 , А.В. Беляев, 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:
-
Анализ исследований, проводимых по вопросам автоматизации высоковольтных синхронных электроприводов, оптимизации режимов их работы и способов оценки запаса устойчивости в различных режимах;
-
Разработка математической модели узла нагрузки с синхронными двигателями, включая модель двигателя, модель автоматического регулятора возбуждения, модель нагрузки двигателей, модели устройств защиты и противоаварийной автоматики;
-
Разработка алгоритма контроля устойчивости работы синхронного двигателя с учетом текущего значения тока возбуждения;
-
Разработка методических указаний по настройке устройств релейной защиты, использующихся совместно с алгоритмом контроля устойчивости;
-
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.
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: модель 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:
-
Математическая модель подстанции с синхронными двигателями;
-
Способ тестирования алгоритмов устройств автоматики с использованием функциональных моделей устройств;
-
Алгоритм контроля устойчивости двигателя при кратковременной потере питания с учетом текущего значения тока возбуждения;
-
Методические рекомендации по настройкам устройств релейной защиты и автоматики, работающих совместно с алгоритмом контроля устойчивости.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Математическая модель подстанции с синхронной нагрузкой, обеспечивающая моделирование работы двигателей, устройств РЗА, АРВ, АВР, БАВР при коротких замыканиях в различных точках электрической сети и потере питания вследствие отключения питающих источников.
-
Способ тестирования алгоритмов устройств автоматики с использованием функциональных моделей устройств, позволяющий проводить оценку новых функций до их реализации в реальном устройстве;
-
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 синхронными электроприводами.
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 настройкам устройств релейной защиты и автоматики, работающих совместно с алгоритмом контроля устойчивости, 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, 1 методическое пособие, 1 стандарт организации.
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 32 рисунка и 10 таблиц, список литературы содержит 106 наименований.
Краткий анализ систем возбуждения синхронных двигателей 6-10кВ. Выбор исследуемой системы возбуждения
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 5-7-кратной 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 отражение в труде проф. В.К. Попова «Применение электродвигателей в 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.
В 1931-1932 гг. разрабатывается отечественная система комплексной автоматизации электроприводов загрузки доменных печей, создается электрооборудование для врубовых машин угольной промышленности, 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.
Анализ работы релейной защиты и автоматики подстанции с синхронной нагрузкой при снижении питающего напряжения
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.
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 0,6Uном . 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.
В работе [3] предлагается методика определения границ динамической 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]. Предлагается выполнить программу для автоматизированного синтеза оптимальных регуляторов возбуждения синхронных машин, которая будет включать в себя математическую модель узла нагрузки, учитывать вероятностные характеристики возмущающих воздействий, статистические погрешности измерительных приборов.
Разработка модели релейной защиты и автоматики газоперекачивающей станции
На основании проведенных исследований и разработок были сделаны следующие выводы: 1. Имеются пути улучшения существующих алгоритмов контроля устойчивости. 2. Предложен алгоритм контроля устойчивости, имеющий следующие преимущества: расчет мощности на основе модели двигателя в уравнениях Парка-Горева позволяет существенно повысить точность расчета и отказаться от переключения между различными способами вычисления угла для различных режимов, что ведет к упрощению алгоритма и повышению наглядности его работы, в алгоритме учтено увеличение площади торможения за счет подпитки места КЗ и несинхронной нагрузки, что в проведенных экспериментах увеличило значение площади торможения на 10-20%. в алгоритме учтены ограничения используемых методов измерения мощности. В связи с ограничениями преобразования Фурье в первые 20 мс после скачка мощности, её значение следует считать недостоверным. В алгоритме предусмотрен расчет мощности с использованием мгновенных значений сигнала в течение 20 мс после возникновения или завершения внешнего аварийного процесса и последующее усреднение измеренной мощности за период напряжения сети.
Рассмотрим схему электроснабжения КС «Лукояновская», приведенную на рисунке 1.3. Выберем наиболее показательные точки возникновения КЗ на указанной схеме – точки с 1 по 4.
При моделировании, разработанный алгоритм контроля устойчивости был реализован в качестве составной части модели микропроцессорного устройства защиты и автоматики, при этом расчетное значение угла d выводилось в Comtrade-файл для последующего анализа средствами Python.
Были проведены следующие вычислительные эксперименты: 1. Перерыв питания различной длительности до нахождения границы устойчивости (ток возбуждения регулируется по напряжению на вводах двигателя, с релейной форсировкой возбуждения). 2. Трехфазные короткие замыкания в точках 1-4 различной длительности до нахождения границы устойчивости (ток возбуждения - постоянный, либо форсировка возбуждения); 3. Двухфазные короткие замыкания в точках 1-4 различной длительности до нахождения границы устойчивости (ток возбуждения - постоянный, либо форсировка возбуждения); 4. Трехфазные короткие замыкания в точке 4 различной длительности до нахождения границы устойчивости (ток возбуждения регулируется по напряжению на вводах двигателя, с релейной форсировкой возбуждения); 5. Трехфазные короткие замыкания в точке 4 различной длительности до нахождения границы устойчивости (ток возбуждения регулируется по напряжению на вводах двигателя и коэффициенту мощности, с релейной форсировкой возбуждения); 6. Однофазные короткие замыкания в точках 1, 2, 4 длительностью 0,5с (ток возбуждения - постоянный);
Эксперименты, соответствующие пп. 1, 2, 3, 6 описаны в подразделах 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6 и приложениях с 1 по 5. Эксперименты по пп. 4 и 5 показали, что закон регулирования возбуждения не оказывает существенного влияния на границу устойчивости. Алгоритм контроля устойчивости при проведении экспериментов 4 и 5 корректно выявлял нарушение устойчивости. Результаты экспериментов приведены в таблице 4.1. 1) – время восстановления питания2) – алгоритм работы АРВ при возмущении (U – регулирование по напряжению на вводахдвигателя с форсировкой возбуждения, cos – регулирование по коэффициентумощности и напряжению на вводах электродвигателя с форсировкой возбуждения)3) – рисунки приведены в приложении 1
Дополнительно были проведены эксперименты с включением только контура регулирования по току возбуждения. Граница устойчивости в этих экспериментах получалась близкой к указанной в таблице 4.1.
Была проанализирована работа разработанного алгоритма контроля устойчивости работы двигателя в каждом проведенном эксперименте.
При проведении модельных экспериментов, анализировались следующие дополнительные факторы, влияющие на конечную устойчивость синхронных двигателей: - время срабатывания АВР и БАВР; - корректность срабатывания релейных защит электродвигателей; Для всех экспериментов были использованы параметры настройки регулятора системы возбуждения, аналогичные используемым на КС «Лукояновская». При моделировании КЗ предполагалось сопротивление в месте замыкания равное 0.0001 Ом. Из [82] известно, что устойчивость зависит от длительности короткого замыкания, причем при времени от 0,3 до 0,4 с, угол нагрузки d достигнет 180 эл. градусов, что сделает невозможным синхронный самозапуск двигателя. Для оценки возможности осуществления синхронного самозапуска при АВР и БАВР, поиск границы устойчивости осуществлялся в диапазоне времен отключения коротких замыканий от 0,05 (что соответствует минимальному времени отключения КЗ в сети высокого напряжения с учетом времени действия реле защиты) до 0,5 с (что соответствует времени восстановления напряжения на двигателе средствами АВР).
Моделирование потери питания вследствие отключения питающего источника
На основании проведенных экспериментов были сделаны следующие выводы:
1. при потере питания без внешнего короткого замыкания, возможно сохранение устойчивости двигателя при превышении внутренним углом значения 180 - после нескольких проворотов ротора двигатель вновь входит в синхронизм; допустимость такого режима необходимо определять в каждом конкретном случае исходя из технических характеристик двигателя и механизма;
2. нарушение устойчивости двигателя при одном и том же времени отключения короткого замыкания и одинаковом времени восстановления питания зависит от расстояния до места замыкания и нагрузки двигателя, что подтверждает выводы других исследователей;
3. во всех экспериментах, устойчивость сохранялась при времени восстановления питания 100 мс, что дает возможность применения синхронного самозапуска (типовое время действия релейных защит, работающих без выдержки времени составляет от 30 до 60 мс, типовое время срабатывания БАВР - от 100 до 150мс);
4. при нагрузке двигателя равной 50% от номинальной, а также двухфазных КЗ, существует возможность осуществить синхронный самозапуск средствами АВР (типовое время восстановления питания - 0,5 с);
5. при номинальной нагрузке двигателя и однофазных КЗ в точках 1, 2, 4, существует возможность осуществить синхронный самозапуск средствами АВР (типовое время восстановления питания - 0,5 с);
6. для корректной работы АВР и БАВР необходимо выявлять в темпе переходного процесса, сохранит ли двигатель устойчивость после восстановления питания;
7. при всех видах перерыва питания, разработанный алгоритм контроля устойчивости обеспечил корректное выявление сохранения или потери устойчивости до первого проворота ротора;
8. во всех промоделированных режимах регулирования возбуждения, разработанный алгоритм контроля устойчивости обеспечивал корректное обнаружение потери устойчивости двигателя;
9. при расчете уставок устройств РЗА в соответствии с методикой, предлагаемой в [46] и [48] обеспечивается корректная работа защит во всех режимах работы двигателя.
В соответствии с поставленными в диссертации целью и задачами проведены вычислительные и экспериментальные исследования.
Была разработана модель подстанции с синхронными двигателями, которая может быть использована для анализа режимов кратковременной потери питания. С помощью модели может быть проанализирована работа автоматических регуляторов возбуждения, устройств релейной защиты и автоматики, устройств АВР и БАВР.
Был разработан способ тестирования новых алгоритмов автоматики до их реализации в реальном устройстве, на основе функциональных моделей устройств автоматики.
Был разработан алгоритм контроля устойчивости двигателя. Проверка алгоритма на модели показала, что он обеспечивает корректное обнаружение потери устойчивости двигателя до первого проворота ротора при одно- двух- и трехфазных коротких замыканиях в различных точках электрической сети, а также при потере питания вследствие отключения питающего источника. Дополнительными преимуществами разработанного алгоритма являются: - алгоритм расчета угла d основан на математической модели СД и не требует определения текущего режима работы двигателя; - учитывается вклад от остаточного напряжения либо подпитки места КЗ от двигателя; - уточнен расчет площадей торможения и ускорения на основе вычисления мгновенной мощности двигателя.
Были разработаны методические указания по настройке устройств релейной защиты подстанции с синхронными двигателями, а также по организации связей между подсистемами, составляющими систему поддержания устойчивости работы СД 6-10 кВ. Проведенное моделирование позволяет утверждать, что учет этих методических указаний на этапе проведения проектных и пуско-наладочных работ обеспечит корректную работу устройств РЗА, а также в ряде случаев позволит осуществить синхронный самозапуск электродвигателя. Применение разработанной системы позволяет минимизировать воздействие повышенных токов и моментов на обмотки и вал двигателя. В связи с тем, что время срабатывания алгоритма контроля устойчивости в некоторых случаях оказывается меньше времени действия БАВР, появилась возможность блокировать БАВР до его срабатывания либо отключать секционный выключатель сразу после включения, в случае выявления невозможности осуществления синхронного самозапуска. Таким образом, исключается возможность потери устойчивости двигателей смежной секции и общей остановки газоперекачивающей станции.
