Тельная Марина Александровна

Электротехнический факультет

Кафедра электрические станции

Специальность Электрические станции

Исследование режимов пусков и самозапусков электродвигателей собственных нужд Зуевской ТЭС-2 с применением учебной САПР

Научный руководитель: к. т. н., доц. Павлюков Валерий Александрович

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Описание САПР (CAD_Electric_Education)
• 2. Моделирование режимов системы собственных нужд ЗуТЭС
• 3. Моделирование расчетной схемы в САПР и ее применение
• 3.1 Разработка компьютерной модели ТЭС
• 3.2 Расчет токов КЗ
• 3.3 Моделирование режимов пуска и самозапуска электродвигателей системы с. н.
• Выводы
• Список источников

Введение

Надёжная и экономичная работа современных тепловых и атомных электрических станций в большой степени зависит от надёжности работы механизмов системы собственных нужд (с. н.). Основным видом привода наиболее ответственных механизмов с. н. электростанций являются асинхронные (АД) и синхронные двигатели (СД) 6 кВ. Непрерывное увеличение единичной мощности блоков приводит к росту установленной мощности двигательной нагрузки, единичной мощности и пусковых токов АД и СД, что в ряде случаев затрудняет обеспечение успешного самозапуска и динамической устойчивости двигательной нагрузки при КЗ и кратковременных понижениях напряжения. Это может приводить к аварийному отключению блоков электростанций и понижению надёжности функционирования всей энергосистемы в целом. В некоторых переходных режимах (переключение питания на другой источник, отключение КЗ) в двигателях могут возникать ударные токи и моменты, превышающие допустимые и значительно сокращающие срок их службы.

В настоящее время существует практика применения различных программных продуктов на стадии проектирования (САПР) и эксплуатации энергетических объектов. Однако в процессе эксплуатации возникает необходимость проверочных расчетов при разборе аварий, техническое переоборудование. В работе предложено использовать одну компьютерную модель для всего жизненного цикла электростанции: ее проектирование, строительства, монтажа и наладки оборудования, а также последующей эксплуатации.

1. Описание САПР (CAD_Electric_Education)

В качестве платформы создания САПР использован популярнейший графический редактор AutoCAD, в среде которого создана графическая база данных образов основных элементов электрических схем напряжением выше 1 кВ. Программное обеспечение САПР построено на объектной модели AutoCAD и использовании внутренних алгоритмических языков программирования AutoLisp, VisualLisp, а также языка создания диалоговых окон DСL.

Информационное обеспечение САПР построено на использовании электронных таблиц MC Exel. В него включена справочная информация по основным элементам электрических схем: генераторам, силовым трансформаторам и автотрансформаторам, выключателям и разъединителям, трансформаторам тока, а также по кабельной продукции и шинопроводам. Источниками информации явились последние разработки учебно–методической литературы стран СНГ, а также данные официальных сайтов ведущих производителей оборудования (ABB, Simens, Shneider Electrik, General Electric, Alstom Grid и другие).

Математическое обеспечение САПР включает методы решения систем линейных и нелинейных алгебраических уравнений методом квадратных корней, использующего свойство симметричности матриц коэффициентов. Применен вариант метода для работы с разреженными матрицами, что обуславливает высокое быстродействие расчетных функций. В трассировке кабелей использован эффективный алгоритм Дейкстри для определения минимального расстояния между узлами направленного графа.

Научной новизной отличается созданный для проектных процедур исследования переходных режимов работы механизмов собственных нужд электростанций метод синтеза математической модели глубокопазных АД в виде его одноконтурной эквивалентной схемы замещения. Метод основан на минимизации отклонений исходных и расчетных значений токов статора и вращающих моментов в заданных точках скольжения путем решения систем нелинейных алгебраических уравнений.

2. Моделирование расчетной схемы в САПР и ее применение

В данном случае смоделирована электрическая часть ЗуТЭС в связи с реконструкцией схемы основного питания багерной второго подъема (БН2). Такое решение принято для повышения надежности и экономичности насосных станций. На ЗуТЭС применена оборотная система технического водоснабжения с градирнями башенного типа. Для пополнения значительных потерь технической воды реализована схема подпитки контура технической воды из Зуевского водохранилища. Перекачивающая эту воду насосная технической воды получает питание от подстанции Зуевская-110, находящейся в ведении предприятия Харцизские электрические сети. Схема питания насосной имеет низкую надежность.

В аналогичном положении оказалась и багерная насосная второго подъема, перекачивающая золо-шлаковую пульпу на золоотвал электростанции. Насосная получает питание по двум кабельным линиям от подстанции Жилпоселок-110, также находящейся в ведении предприятия Харцызские электрические сети. Из-за повреждений кабелей напряжениями 6 и 10 кВ схема питания этой насосной также имеет низкую надежность.

В целях повышения надежности и экономичности работы указанных насосных станций на ЗуТЭС предусматривается выполнить перевод их питания от системы с. н. энергоблоков напряжением 6 кВ. Главной задачей работы является определение технических условий перевода питания одной из этих насосных станций. Для этого в работе исследованы загрузки секций с. н. энергоблоков, изменения величин токов КЗ в системе с. н. энергоблоков при различных режимах их работы.

В планах дальнейшей реконструкции оборудования ЗуТЭС для повышения надежности и экономичности работы БН2 предусматривается выполнить перевод ее рабочего питания из сетевой подстанции Жилпоселок-110 на секции с. н. 6 кВ энергоблоков. К каждой из двух секций, также как и ранее, подключается по 8 двигателей привода багерных насосов мощностью 630 кВт каждый. В настоящее время эта насосная станция имеет схему питания неявного резерва по двум кабельным линиям питания напряжением 6 кВ от подстанции Жилпоселок-110. Схема автоматического ввода резерва (АВР) при исчезновении напряжения на секции действует на включение сетевого выключателя (СВ). Новое рабочее питание предусматривается выполнить по двум кабельным линиям протяженностью 1,8 км пучком из двух параллельно включенных кабелей сечением 240 мм2. Пучок кабелей имеет большой емкостной ток замыкания фаз на землю и малое продольное сопротивление, равное 0,141 + j0,064 Ом (0,155 Ом по модулю). Подключение к секции с. н. 6 кВ нового фидера приводит к:

1. необходимости уменьшения уставок дифференциальной защиты (ДЗ) вводов секций с. н. 6 кВ энергоблоков поскольку сопротивление пучка кабелей равно 0,155 Ом, что меньше уставки ДЗ (0,28 Ом для секции 3Б) и что будет приводить к ложному срабатыванию этой защиты при КЗ на питающей линии БН2 или на секции 6 кВ подстанции БН2, что в результате снизит надежность электроснабжения;
2. увеличению емкостных токов замыкания фаз на землю в сети 6 кВ с. н. на 4,7 А, что потребует установки дополнительных устройств компенсации этих токов для уменьшения до допустимых по ПТЭ значений;
3. снижению надежности работы БН2, так как имеет место угловой сдвиг по фазе на 300 между рабочим и резервным питанием на секции 6 кВ БН2, что не позволяет кратковременное включение на параллельную работу как источников питания, так и оперативных цепей управления.

Для устранения первого из названных недостатков схемы питания может быть искусственно увеличено сопротивление питающего БН2 фидера путем включения в конце кабельной линии токоограничивающего реактора сопротивлением 0,15 – 0,2 Ом. Однако, более рациональным следует считать установку в начале каждой из питающих линий БН2 разделительных трансформаторов единичной мощностью 4000 или 6300 кВА с сопротивлением соответственно 0,645 или 0,408 Ом. В этом случае изменения уставок защит в системе с. н. не потребуется. Установка разделительных трансформаторов с группой соединений У/Д-11 приведет также к предотвращению сдвига по фазе и к уменьшению емкостных токов замыкания фаз на землю в системе с. н. 6 кВ энергоблоков. Технические данные разделительных трансформаторов приведены согласно [1]. Более точно выбор номинальной мощности разделительного трансформатора с учетом реальных режимных параметров работы БН2 может быть выполнен на последующей стадии проектирования. В качестве резервного питания оставляется схема старого питания от подстанции Жилпоселок-110. Новая схема резервирования имеет явный тип с действием АВР на включение резервного питания от существующих кабельных линий с питанием от подстанции Жилпоселок-110. СВ предполагается оставить в оперативном управлении.

После установки разделительных трансформаторов между рабочим и резервным питанием БН2 будет устранен угловой сдвиг по фазе в связи с чем необходимо также рассмотреть уровни токов КЗ при их включении на параллельную работу.

Для предлагаемого варианта схемы питания багерной насосной станции также требуется оценка потребления электроэнергии, выбора возможной секции с. н. блоков 1 – 4 для подключения, оценки уровней токов КЗ, выбора принципов релейной защиты и АВР при условии сохранения прежних выдержек времени на защитах секций с. н. Загрузка секций упрощенно без учета загрузки механизмов с. н. была определена по суммарным номинальным мощностям электрических двигателей (ЭД) отдельно для блочных и общестанционных механизмов с. н. Подсчет нагрузок осуществлялся в пакете MathCAD. На рисунке 2 приведен итоговый график номинальных двигательных загрузок секций с. н. энергоблоков при мощности блоков, менее 40 % от номинальной (в работе находяться питательные электронасосы). На рис. 3 приведен аналогичный график при мощности блоков, более 40 % от номинальной (питательные электронасосы отключены).

Как видно из приведенных графиков, наименьшую номинальную двигательную нагрузку (13,4 МВт) имеет секция 2А второго энергоблока, выдающего питание по первой линии электропередач (ЛЭП) 330 кВ. Она может быть принята для подключения одной из линий питания БН2. Для повышения надежности вторая линия питания БН2 должна быть подключена к секциям с. н. энергоблоков № 3 или 4, выдающих питание по другой ЛЭП 330 кВ. На этих блоках наименьшую двигательную нагрузку имеет секция 4А. Однако реконструкция энергоблока № 4 завершена в конце 2012 года и его трансформатор собственных нужд (ТСН) не был заменен на более мощный (40 МВА). Поэтому вторая линия питания БН2 может быть подключена к секции 3Б блока № 3, реконструкция которого должна быть начата в этом году и в ее проекте предусмотрена указанная замена резервного трансформатора собственных нужд (РТС). Кроме того к намеченным для подключения насосных станций секциям с. н. (2А и 3Б) не подключены наиболее мощные в системе с. н. АД привода питательных насосов, пуски которых (по данным эксплуатации ТЭС) могут приводить к снижению напряжения на секции до 67 % номинального, что может неблаготворно сказываться на работе насосов БН2.

Исходя из приведенных рисунков двигательная нагрузка секций имеет резко неравномерный характер особенно при работе энергоблоков на питательных турбонасосах.

3. Моделирование расчетной схемы в САПР и ее применение.

3.1 Разработка компьютерной модели ТЭС

Разработанная компьютерная модель, состоящая из графического образа электрической схемы, сформированная в графическом редакторе AutoCAD, и сопровождающего ее информационного обеспечения, расположенного на листах файла электронной таблицы Exсel [2-3]. В частности, на одном из них приведены данные глубокопазных АД системы собственных нужд. Расчетная схема выполнена в двухслойном варианте. В слое 0 сформирована схема выдачи мощности, включающая цепи генераторного напряжения, повышающие блочные трансформаторы, ЛЭП связи с сетевой подстанцией, а также рабочие резервные ТСН. В слое 6 формируется схема с. н., включающая секции, вводы рабочего и резервного питания, шины резервного питания и др. На рисунке 4 приведена графическая составляющая компьютерной модели электрической части электростанции. На ней для идентификации электрических узлов применены графические блоки в виде точки с номером (на рис. 4 изображены красным цветом).

В процессе эксплуатации электростанции в работе могут находиться различное количество блоков. Особенно часто конфигурируется схема системы собственных нужд 6 кВ в связи с возможностью питания ее секций с. н. энергоблоков от рабочих или резервного трансформаторов собственных нужд. Для формирования вариантов схем с различным составом оборудования в расчетной схеме применены графические блоки выключателей. Имитация их переключения на расчетной схеме осуществляется путем замены графических блоков включенных и отключенных выключателей. При расчете переходных электромеханических процессов в системе собственных нужд (пусков и самозапусков АД), для повышения скорости выполнения расчетов, применено эквивалентирование всей схемы выдачи мощности по отношению к одному из рабочих или резервному ТСН. Для определения этого ТСН программно производится анализ схемы, начиная от выбранных пользователем секций с. н., включенных их вводов и далее по схеме до ТСН. Кроме того, из расчетной схемы системы собственных нужд исключаются не участвующие в расчетах элементы. Для этого моделируется вспомогательный тестовый режим питания нагрузки секций с. н. от выбранного ТСН и затем из схемы исключаются элементы, токи которых имеют нулевые значения. Определение напряжений в узлах схемы (см. рис. 4) при расчете переходных процессов выполняется методом узловых потенциалов в векторно-матричной форме записи. Расчет частот вращения агрегатов с. н. в режимах пуска и самозапуска производится путем решения основного уравнения движения их роторов.

Были выполнены расчеты параметров эквивалентных схем замещения глубокопазных асинхронных электродвигателей [5-6] Исходные данные АД и полученные параметры их моделей были занесены на лист созданной электронной таблицы Excel [7]. Кроме того, на отдельных листах была размещена информация о составе механизмов с. н. отдельных секций энергоблоков.

3.2 Расчет токов КЗ

По компьютерной модели ЭС были выполнены многочисленные расчеты токов КЗ. САПР позволяет задокументировать данные электрических элементов схемы (рис 5) и произвести расчет токов КЗ в заранее указанных узлах схемы (рис 6)

Для проверки результатов расчета токов КЗ в САПР, производится проверка в оболочке MathCAD (рис 7-8). Расчет произведен методом узловых потенциалов [6]. В качестве примера приведен расчет тока КЗ в узле №6 (Г3)

Ниже приведена сопоставительная таблица результатов расчета токов КЗ в программах AutoCAD (Столбец №2) и MathCAD (Столбец №3).

Разница между результатами расчета токов КЗ должна составлять не более 10%.

3.3 Моделирование режимов пуска и самозапуска электродвигателей системы с. н.

По компьютерной модели ЭС были выполнены многочисленные расчеты режимов пуска и самозапуска АД. На ЭС для повышения надежности работы схемы электроснабжения багерной насосной второго подъема предполагается изменить ее схему основного питания от секций с. н. одного из энергоблоков. Для обоснования указанного проектного решения были выполнены много вариантные расчеты режимов пусков и самозапусков ЭД. В качестве примера ниже на рисунке 9 приведены результаты расчета режима самозапуска АД секции 1А блока №1 после перерыва их питания продолжительностью 2,5 сек. На нем показаны кривые изменения частот вращения и изменения напряжения в процессе самозапуска АД.

Выводы

1. Разработана компьютерная модель электрической части одной из электрических станций Донбасса. С ее помощью выполнены расчеты токов КЗ и проверка основного электротехнического оборудования и токопроводов, как в схеме выдачи мощности, так и в системе собственных нужд напряжением 6 кВ.
2. Выполнено моделирование режимов пуска и самозапуска электродвигателе системы с. н., позволившее выбрать схемные и режимные решения при предполагаемой реконструкции схемы электроснабжения багерной насосной второго подъема ТЭС.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2019 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Крючков, И. П. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования: учеб. пособие для студ. учеб. заведений / И. П. Крючков, Б. Н. Неклепаев, В. А. Старшинов и др.; под ред. И. П. Крючкова и В. А. Старшинова. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр Академия, 2006 – 416 с.
2. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию: в 2 т. Под общ. ред. А. А. Федорова. Т 2 Электрооборудование. - М.: Энергоатомиздат, 1987. – 592 с.
3. Павлюков, В. А. Разработка САПР электрической части станций и подстанций для учебного процесса / В. А. Павлюков, С. Н. Ткаченко, А. В. Коваленко // Завалишинские чтения'2018, ГУАП, г. Санкт-Петербург, 2018/4–145-153 с.
4. Павлюков, В. А. Учебная САПР электрической части станций и подстанций : учеб. пособие / В. А. Павлюков, С. Н. Ткаченко, А. В. Коваленко. – Харьков : ФЛП Панов А. Н., 2016. – 124 с.
5. Павлюков, В. А. Совершенствование методов идентификации параметров эквивалентных схем замещения глубокопазных асинхронных двигателей / В. А. Павлюков, С. Н. Ткаченко. – Электричество, 2018. – №10. – С.54-60.
6. Сивокобыленко В. Ф. Параметры и схемы замещения асинхронных двигателей с вытеснением тока в роторе /В. Ф. Сивокобыленко, В. А. Павлюков. – Электрические станции, 1976. - №2.
7. Павлюков, В. А. Совершенствование методики обработки данных асинхронных электродвигателей в учебной САПР / В. А. Павлюков, В. С. Рудов // Инновационные перспективы Донбасса: материалы III Международной научно-практической конференции. Секция Перспективы развития электротехнических, электромеханических и энергосберегающих систем, 24 мая 2017 г., г. Донецк. Т. 2. – Донецк: ДонНТУ, 2017. – С. 35-39.