Гребченко Н.В., доц., к.т.н.
Донецкий государственный технический университет
Кулеба В.В., инженер ОАО "Донбассэнерго"
Егоров А.В., инженер ОАО "Донецкоблэнерго"

СИСТЕМА ЗАЩИТНО-ДИАГНОСТИРУЮЩЕЙ АВТОМАТИКИ УЗЛА ДВИГАТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКИ КАК НИЖНИЙ УРОВЕНЬ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ПОДСТАНЦИЙ И ТЭС  

     Проблема повышения уровня эксплуатационной надежности работы электро-оборудования электрических станций и подстанций продолжает оставаться акту-альной. До сих пор поиски ее решения в основном велись в направлении модерни-зации конструкции электрооборудования и максимального приближения режимов его работы к оптимальным режимам. В последнее время появились новые возможности, позволяющие достичь существенного прогресса в решении этой проблемы. Новые возможности обусловлены развитием цифровой элементной базы, которая начинает применяться для вторичных систем управления в энергосистемах. При этом пред-ставляется возможным изменить основные подходы в оценке текущего состояния электрооборудования, которые сейчас ориентированы на выявление предельного состояния, т.е. повреждений. Новые принципы должны позволять своевременно предотвращать возникновение и развитие повреждений электрооборудования. Для этого вторичные системы подстанций должны реализовать функции автоматическо-го диагностирования, а защиты должны действовать без выдержки времени и обла-дать чувствительностью, позволяющей выявлять повреждения на начальной стадии их возникновения.

    Работы в этом направлении уже давно ведутся многими организациями, но возможность практической реализации и качественного совершенствования принци-пов построения автоматических систем появилась недавно. Существенный подъем технического уровня информационно-управляющих систем подстанций электриче-ских систем становится возможным благодаря применению для их реализации со-временной цифровой элементной базы и средств микропроцессорной техники. Для этого необходимо не только применить совершенную элементную базу, но и изме-нить основную концепцию построения информационно-управляющих систем (ИУС) подстанций и, в первую очередь, усовершенствовать принципы построения локаль-ной автоматики наиболее распространенных узлов электрических систем - подстан-ций с двигательной нагрузкой.

    Одному из путей создания автоматики узлов электрических систем с двигателями, обеспечивающей требуемый технический уровень эксплуатации, посвящена предлагаемая статья.

    Возможности применяемых принципов построения защит и автоматики практически исчерпаны и использование для их реализации даже самой совершенной микропроцессорной техники почти не дает качественного улучшения. Поэтому пред-лагается новая концепция технической реализации ИУС, которая заключается в том, что вместо отдельных защит отдельных элементов электрической системы приме-няется централизованная система релейной защиты и автоматики локальных узлов энергосистем, в том числе для узлов двигательной нагрузки. Кроме того, для повы-шения быстродействия и чувствительности, т.е. технического совершенства ИУС, необходимо отказаться от детерменистского подхода при построении систем защиты и автоматики и применить вместо него более совершенные, например, стохастиче-ские методы распознавания режимов.

    Кроме указанного, предлагаемые новые системы автоматики, в отличие от из-вестных [1-3], следует дополнить функциями автоматического диагностирования за-щищаемого электрооборудования. При этом для реализации функций защиты и ди-агностирования целесообразно использование в этих системах элементов интеллек-та. Такие системы очевидно должны быть основаны на обработке информации, получаемой только от традиционных датчиков, которые применяются в современных энергосистемах, т.е., как правило, только от трансформаторов тока и напряжения. При этом решение сложных задач автоматического диагностирования необходимо обеспечивать за счет соответствующей организации обработки информации, а не за счет традиционного аппаратного усложнения системы, например, путем установки новых датчиков, устройств и т.д.

    Использование элементов интеллекта в системе автоматики необходимо для распознавания режимов, для самоопределения и текущего доопределения парамет-ров настройки системы, а также для постоянного учета изменяющихся параметров сети и изменения состояния и режимов работы электрооборудования.

    Таким образом, нижний уровень информационно-управляющей системы подстанции предлагается реализовать в виде системы защитно-диагностирующей автоматики.

    Автоматическое диагностирование элементов подстанций с двигательной нагрузкой позволит предотвратить развитие возникающих дефектов и, благодаря своевременному их устранению, сократить количество нарушений технологических процессов и исключить значительные повреждения электрооборудования. При при-менении автоматического диагностирования предлагается ограничить его объем выявлением только наиболее часто возникающих дефектов, т.е. определять основ-ные дефекты. Для этого в первую очередь необходимо обеспечить непрерывный контроль качества электрической изоляции как присоединений находящихся в ра-боте, так и отключенных присоединений, которые подготавливаются к включению. Благодаря такому подходу исключаются в большинстве случаев неоправданные, но значительные по затратам, усилия по разработке и реализации выявления редких дефектов.

    На первый взгляд кажется очевидным, что совмещение функций релейной защиты и диагностирования необходимо реализовать для отдельных защит самостоятельных объектов. Но более эффективным является решение, в соответствии с которым защита узла энергосистемы выполняется централизованной и централизованно выполняется диагностирование электрооборудования этого узла. Такая система должна охватывать весь узел нагрузки, питающейся от одной секции шин 6-10 кВ. В зону ее действия войдут все присоединения каждой секции, в том числе вводы пита-ния и сама секция сборных шин, а также она должна контролировать наличие питания и параметры качества электроснабжения от источников рабочего и резерв-ного питания. Благодаря использованию современной цифровой элементной базы система вполне может быть реализована в виде одного функционального блока, ко-торый располагается на отдельной панели в помещении распределительного уст-ройства или в релейном отсеке ячейки комплектного распределительного устройст-ва выключателя. Максимальная длина информационных каналов будет составлять порядка 20-40 метров, благодаря чему относительно несложно решаются вопросы электромагнитной совместимости. При этом аналого-цифровые преобразователи (АЦП) могут входить в состав самой системы или выполняться в виде отдельных блоков сбора информации, устанавливаемых непосредственно у ячейки выключате-ля вблизи трансформаторов тока присоединения.

    Необходимость выполнения автоматики узла в виде централизованной систе-мы обусловлена следующими соображениями.

    1. Все электрические присоединения подключены к одной секции сборных шин 6-10 кВ, которая имеет только одно соединение с рабочим источником питания и с одним резервным источником питания. Но не только в рабочем режиме все присое-динения взаимосвязаны. Наличие двигателей практически на всех присоединениях приводит к тому, что на протекание переходных процессов (короткое замыкание, са-мозапуск, пуск двигателей) оказывают взаимное влияние все присоединения. Все механизмы, приводом которых являются электродвигатели секции, участвуют, как правило, в одном и том же технологическом процессе. Таким образом, вся двига-тельная нагрузка узла взаимосвязана в электрическом и технологическом отноше-нии.

    2. Контроль параметров режимов в пределах всего узла нагрузки позволяет повысить техническое совершенство релейной защиты за счет применения новых принципов ее построения и применения новых принципов распознавания режимов. При этом появляется реальная возможность повышения быстродействия и чувстви-тельности защиты.

    3. Защита от потери питания традиционно выполняется в виде одной защиты для всей секции. При ее срабатывании в случае потери питания последующее авто-матическое переключение на резервный источник должно выполняться с учетом ин-дивидуальных особенностей и режимов каждого двигателя..

    4. Отсутствие принципиальных отличий в алгоритмах защиты (диагностиро-вания) для каждого присоединения секции. Благодаря этому в системе автоматики может быть реализован достаточно рациональный порядок обработки информации в реальном времени и гибкое сочетание режимов защиты и диагностирования.

    5. Отдельные защиты на присоединениях будут работать только в очень ред-ких случаях. Это объясняется тем, что при реконструкциях и внедрении новой техни-ки будет повышаться надежность электрооборудования, качества его монтажа и экс-плуатации, а поэтому следует ожидать сокращения количества повреждений и ко-ротких замыканий. В некоторой степени это тоже подтверждает тезис о нецелесооб-разности применения индивидуальных защит на каждом присоединении.

    6. Появление технической возможности реализации централизованной систе-мы. Благодаря высоким техническим характеристикам цифровой техники, в том чис-ле и ее большой степени интеграции, техническая реализация системы возможна уже сегодня, например, на базе промышленных компьютеров и систем сбора и об-работки данных, выпускаемых различными фирмами. При этом сбор и обработка информации может производиться не на каждом присоединении, а в одном месте - месте установки системы. Это объясняется тем, что токовые цепи и цепи напряже-ния можно подводить непосредственно к месту установки системы. Расстояние от наиболее удаленного трансформатора тока не будет превышать 40 метров. При этом сопротивление соединительных проводов до трансформаторов тока составит 0,28 Ом. Допустимая нагрузка для наиболее часто применяемых трансформаторов тока составляет от 0,6 Ом до 1,2 Ом. Поэтому коммутация цепей тока и напряжения в месте установки системы вполне допустима.

    Основная концепция работы системы заключается в следующем. Для нее принимается непрерывный режим работы. Для реализации функций защиты и диаг-ностирования используется видоизмененный принцип функциональной децентрали-зации [1]. Его усовершенствование заключается в том, что система выполняется на двух промышленных компьютерах: один выполняет функции защиты, а другой - функции диагностирования. Входные информационные каналы у компьтеров общие. Такое сочетание дает возможность рационально реализовать принципы модульно-сти и мультипроцессорности [1]. Использование двух компьютеров позволяет обес-печить надежное резервирование защитных функций.

    Более надежное резервирование обеспечивает другая концепция построения системы, которая использует частично-иерархический принцип. Система реализова-на на одном компьютере, выполняющем функции защиты и диагностирования. Со-вмещение этих функций выполняется программным путем за счет временнoго нало-жения режима защиты на режим диагностирования. Резервирование защитных функций системы обеспечивается обычными максимально-токовыми защитами на переменном оперативном токе, выполненными на электромеханических реле. Ре-зервные защиты устанавливаются на всех присоединениях. Защита синхронных двигателей от асинхронного режима выполняется в виде отдельной программы, а также защитой, имеющейся в системе возбуждения.

    В современных схемах электроснабжения двигателей в качестве источников информации о текущих режимах, как правило, используют измерительные транс-форматоры. На рисунке 1 представлена типичная схема питания двигателей 6 кВ собственных нужд (с.н.) блоков генератор-трансформатор мощностью 200-800 МВт с указанием расположения трансформаторов тока и напряжения. Для блоков мень-шей мощности, а также для различных промышленных предприятий применяются подобные схемы (рисунок 2). Несколько отличными от указанных присоединений яв-ляются линии питания распределительных пунктов в схемах промышленных пред-приятий. Кроме того, особенностью в схемах питания промышленных предприятий, является то, что в них используется неявный резерв питания или может быть три источника питания, как и в схемах питания особых потребителей с.н. АЭС.

Рисунок 1 - Схема питания двигателей секции 6 кВ с.н. блока генератор-трансформатор и подключения измерительных трансформаторов тока и на-пряжения

    Предварительный анализ, а также результаты исследований, приведенные в работах [4-6], показывают, что объем информации, получаемый от указанных изме-рительных трансформаторов, достаточен для решения задач, поставленных перед системой защитно-диагностирующей автоматики узла двигательной нагрузки.

Рисунок 2 - Типовая схема питания двигателей 6-10 кВ промышленного предприятия и подключения измерительных трансформаторов тока и напря-жения

    Сформулируем основные требования к системе защитно-диагностирующей автоматики узла электрической системы с двигателями, которые обеспечивают ре-шение поставленных задач.

    1. Функции защиты и автоматики:

- выявление необходимости переключения на резервный (рабочий) источник питания на основании контроля наличия питания и показателей качества рабочего и резервного питания и обеспечение системой при этом наилучшего качества проте-кания переходного процесса (минимальные значения токов статора и моментов на валу двигателей; при необходимости каскадное подключение двигателей; отключе-ние двигателей, не допускающих несинхронное включение, если синхронное не уда-лось и т.д.);

- защита всех присоединений (кабель-двигатель, кабель-трансформатор) и сборных шин от междуфазных коротких замыканий;

- защита всех присоединений от замыканий на землю в одной точке (с дейст-вием на отключение или на сигнал);

- защита от перегрузки каждого присоединения (двигателя, трансформатора 6-10 /0,4 кВ) с интегральной характеристикой времени срабатывания;

- проверка допустимости оперативного отключения присоединения без нару-шения непрерывности технологического процесса или с контролем наличия техноло-гического резерва и возможности его АВР;

- резервирование отказов в отключении к.з. на присоединениях (по причине нарушения цепей оперативного тока или неисправностей в схеме управления вы-ключателя или механических неисправностях выключателя);

- автоматический выбор наиболее благоприятного режима оперативного пуска двигателей исходя из реального режима узла (через реактор или при регулировании напряжения путем РПН).

    2. Функции автоматического диагностирования электрооборудования:

- выявление на ранней стадии развития наиболее часто возникающих дефек-тов кабелей и электрооборудования, выполняемое на основании контроля состоя-ния изоляции всех элементов узла электрической системы;

- контроль состояния изоляции отключенного присоединения (перед его вклю-чением), выполняемый при необходимости по результатам специального тестового воздействия на электрическую сеть или ее изоляцию;

- выявление витковых замыканий (без замыкания на землю) в обмотках стато-ра электродвигателей, обрывы параллельных ветвей обмотки статора;

- выявление обрывов стержней короткозамкнутой обмотки ротора и недопус-тимого износа подшипников;

- формирование прогноза о допустимой длительности дальнейшей эксплуата-ции электрооборудования с учетом его генезиса (количество пусков двигателей, ре-жимов к.з., режимов самозапуска или переключения на резервный источник питания и другие воздействия, отличные от номинального режима);

- сигнализация оперативному персоналу о возникновении нового дефекта и передача этой информации на высший уровень информационно-управляющей сис-темы;

- самодиагностика системы с информацией о ее результатах;

- фиксация и хранение параметров аварийных режимов и основных результа-тов диагностирования электрооборудования.

    Реализация рассмотренных требований может быть выполнена в соответст-вии с функциональной схемой системы защитно-диагностирующей автоматики узла двигательной нагрузки, приведенной на рисунке 3. Промышленный компьютер обес-печивает в реальном времени обработку всей информации о текущем режиме узла энергосистемы. Для этого в его память занесена программа, основными частями ко-торой являются: определение и устранение погрешностей измерительных каналов; фильтрация цифровой информации и вычисление векторов параметров; распозна-вание текущего режима узла электрической системы и формирование управляющих воздействий; автоматическое диагностирование электрооборудования; самодиагно-стика системы.

Рисунок 3 - Функциональная схема системы защитно-диагностирующей автоматики узла двигательной нагрузки

Выводы

    1. Предлагается изменить основную концепцию построения защитной автома-тики и ее реализации на цифровой элементной базе. Применение современной цифровой и вычислительной техники позволяет в настоящее время реализовать ав-томатику узла двигательной нагрузки в виде централизованной системы защитно-диагностирующей автоматики.

    2. Для повышения эксплуатационной надежности работы электрооборудова-ния станций и подстанций необходимо внедрять его автоматическое диагностирова-ние, которое целесообразно совместить с защитной автоматикой этого узла от по-вреждений.

    3. Основной задачей автоматического диагностирования допустимо считать выявление наиболее часто возникающих дефектов электрооборудования. В первую очередь это относится к непрерывной оценке качества электрической изоляции как присоединений находящихся в работе, так и отключенных присоединений, которые подготавливаются к включению.

    Список литературы

1. Микропроцессорные системы в электроэнергетике / Б.С. Стогний, В.В. Рого-за, Кириленко А.В. и др. - К.: Наук. думка, 1988.- 232 с.

2.Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты.// В.В.Михайлов, Е.В.Кириевский, Е.М.Ульяницкий и др.; Под ред. В.П.Морозкина. - М.: Энергоатомиз-дат.- 1988.-240 с.

3. Интегрированные экспертные системы диагностирования в электроэнерге-тике// Стогний Б.С., Гуляев В.А., Кириленко А.В. и др.; Под ред. Стогния Б.С.; АН Ук-раины Ин-т электродинамики. - Киев: Наук. думка, 1992.-248 с.

4. Гребченко Н.В. Повышение устойчивости работы электроэнергетических систем за счет расширения функций релейной защиты // Енергетика: економіка, тех-нології, екологія.- Національний технічний університет України "Київський політехніч-ний інститут" .- 2000.- № 2. - С.48 - 51.

5. Гребченко Н.В. Оценка состояния электрической изоляции по параметрам электрических переходных процессов в ней // Труды Донецкого госудаpственного технического унивеpситета. Сбоpник научных тpудов ДонГТУ. Серия: электротехни-ка и энергетика. Выпуск 4.-Донецк: ДонГТУ.- 1999.- с.245-248.

6. Иванов С.А., Техин П.Н., Кулеба В.В. Современное состояние и перспекти-вы эксплуатации устройств релейной защиты и автоматики (РЗА) электростанций ОАО "Донбассэнерго". // Керування режимами роботи об'єктів електричних систем-2000. Тези доповідей міжнарод. наук.-тех. конфер. Донецьк, ДонДТУ.-2000.- С.2.