Тема "ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ПОБУДОВИ ЗАХИСНО-ДИАГНОСТУЮЧОЇ
АВТОМАТИКИ ВУЗЛІВ ЕЛЕКТРИЧНИХ СИСТЕМ З ДВИГУНАМИ.
ФУНКЦІЇ ЦЕНТРАЛІЗОВАНОГО ЗАХИСТУ"
Гребченко М.В.
Донецький національний технічний університет
For nodes of electrical systems with motors the common principle of construction of automatics is considered which carries out simultaneously functions of protection and diagnosing of elements of the node. The new principle of per-formance protection function is offered. Due to performance of protection centralized, it has sensitivity more above, than at existing protection. The protection works without time-lag at occurrence of damage in any point of the mode.
ВСТУП. ЗАГАЛЬНІ МІРКУВАННЯ
Останнім часом енергетика майже усіх країн з метою забезпечення надійності роботи електрообладнання найбільш активно розвивається у наступних напрямках:
вдосконалення принципів і конструкції електрообладнання, та підвищення якості його виготовлення;
запобігання виникнення пошкоджень шляхом підвищення якості експлуатації, у тому числі і за рахунок розвитку безперервної діагностики;
скорочення часу визначення та ліквідації пошкоджень і коротких замикань (к.з.) при забезпеченні висо-кої надійності принципів побудови автоматики та їх реалізації.
Сучасний стан експлуатації електричних систем вимагає подальшого розвитку вторинних систем у на-прямку вдосконалення їх спроможності запобігати розвитку дефектів електрообладнання і виникненню пошко-джень. В першу чергу це відноситься до основних споживачів електричної енергії у більшості промислових процесів - вузлів електричних систем з двигунами (ВЕСД). А тому продовжує залишатись доцільною необхід-ність підвищення технічної досконалості одного з найбільш застосовуваного виду вторинних систем – релей-ного захисту (РЗ). При цьому необхідно забезпечити таку чутливість РЗ, завдяки якій можна визначати виник-нення дефектів та пошкоджень на їх початковій стадії розвитку. Крім цього, необхідно значно знизити час вим-кнення коротких замикань, для чого відмовитись від використання принципу забезпечення селективності дії як основних, так і резервних захистів за рахунок введення витримки часу. Таким чином необхідно віддавати пере-вагу вдосконаленню ближнього резервування.
Для ВЕСД головними критеріями при визначенні максимально-припустимого часу фіксації виникнення пошкодження є наступні:
необхідність забезпечення сталої роботи непошкоджених двигунів і в цілому ВЕСД при таких трифаз-них коротких замиканнях поблизу секції шин, вимкнення яких приводить до відновлення напруги живлення;
при к.з. в елементах ланцюга живлення (трансформатор, лінія та ін.) час визначення факту появи к.з. по-винен бути таким, щоб з урахуванням повного часу вимкнення к.з. і ввімкнення резервного живлення забезпе-чувалась синхронна динамічна сталість синхронних двигунів.
При цьому слід враховувати і такі випадки, коли навіть при рівному нулю часу визначення виникнення к.з. з-за низької швидкодії комутаційної апаратури не вдається забезпечити сталий режим роботи навантажен-ня. У цьому разі треба виконувати заміну вимикачів або їх приводів на більш швидкодіючі.
Принципи побудови екплуатуємих нині приладів РЗ, які засновані на детерміністських підставах, майже повністю вичерпали свої можливості. На це вказує, наприклад те, що все частіше виникають труднощі з забез-печенням коефіцієнтів чутливості, які потребують ПУЕ [ 1]. І ці вимоги не вдається виконати, не зважаючи на те, що в розрахунках як правило не враховується опір дуги та дійсне місце пошкодження. Як відомо, внутрішні к.з. в двигунах супроводжуються меншими струмами з боку живлення, ніж к.з. на виводах обмотки статора. Тому коефіцієнти чутливості, регламентовані ПУЕ, забезпечують надійну роботу РЗ при внутрішніх к.з. зви-чайно тільки тоді, коли вони переходять у к.з. на виводах двигуна.
Майже усі принципи побудови релейного захисту застосовують оцінку параметрів сталих аварійних ре-жимів, або перехідних аварійних режимів. При цьому принципи виявлення пошкоджень засновані на викорис-танні практично тільки локальної інформації, яка отримується від захищаємого елемента електричної системи. Це призводить до необхідності стежити за зміною параметрів режиму у часі. Таким чином неповнота інформа-ції частково компенсується контролем її зміни у часі.
Майже завжди надійність визначення режиму об’єкта електричної системи приладами автоматики засно-вується тільки на інформації від цього об’єкту. Пошкодження інформації у більшості випадків призводить до хибних дій РЗ, або відмови його в дії. У деяких відомих захистах згідно з їх принципом дії використовується інформація від кількох об’єктів електричної системи, наприклад у диференційному захисту збірних шин [2]. Але надмірної інформації в цьому захисті не використовується. Між тим збільшити кількість правильних дій РЗ можна за рахунок використання інформації від суміжних елементів електричного вузла.
Найбільш перспективним напрямком розвитку РЗ є його виконання як інтегрованої системи [3], а саме
захисно-диагностуючої автоматики (ЗДА) [4] . Одним із шляхів для цього є значне підвищення чутливості РЗ до такого рівня, коли РЗ може визначати виникнення дефектів на ранній стадії і формувати в цьому разі сигнал. Для підвищення технічного рівня РЗ його треба виконувати централізованим з резервуванням на кожному еле-менті вузла електричної системи з автономним джерелом оперативного струму.
ЗАГАЛЬНИЙ АЛГОРИТМ ФУКЦІОНУВАННЯ ЗДА ВЕСД
Основні принципи побудови ЗДА визначаються її головним призначенням – запобігання пошкоджень, а якщо пошкодження все-таки виникає, то ЗДА повинна його локалізувати з мінімальними збитками.
Стосовно до вузлів електричних систем з двигунами (ВЕСД) розроблено загальний алгоритм функціону-вання ЗДА, який наведено на рисунку 1.
У разі відсутності зміни режиму вузла електричної системи згідно з алгоритмом (рис.1) ЗДА безперервно виконує діагностування елементів вузлу системи. Цей режим засновується на визначенні появи несиметрії. Ви-явленню підлягають найбільш часто виникаючі дефекти [5,6], згідно з принципами, запропонованими у [5,6]. Поява зміни режиму призводить до виконання аналізу цієї зміни і пошуку необхідних керуючих дій. У разі ви-никнення пошкодження визначення його місця виконується за спеціальним алгоритмом і розглядається далі у цій статті.
У разі втрати живлення від робочого джерела виконується вибір виду автоматичного ввімкнення резерву (АВР) [7]. Тут головним є необхідність забезпечення щонайменших величин струмів та динамічних моментів у двигунах у процесі ввімкнення резервного живлення. Для цього виконується контроль величини напруги на двигунах (секції) і кута між векторами напруги на двигунах та напруги резервного джерела живлення. Вико-нання операції АВР може потребувати вимкнення двигунів, які не припускають несинхронного ввімкнення, або вимкнення невідповідальних двигунів з метою покращення умов самозапуска відповідальних двигунів. Режим самозапуска є небажаним режимом і виконується тільки у разі неможливості його уникнення з-за значного часу дії наявних у споживача вимикачів резервного живлення.
Найменший час дії резервування відмови вимикачів (РВВ) визначається майже тільки часом дії наявних у споживача вимикачів.
Розробка загального алгоритму виконана з урахуванням [4], а також деяких положень, які використані у централізованих захистах [8-10]. При цьому виникла необхідність додатково вирішити наступні питання:
розробка принципу визначення к.з. у складних мережах, до яких відносяться ВЕСД;
автоматичне урахування зміни конфігурації вузла (ввімкнення і вимикання приєднань, перемикання на друге джерело живлення та ін.);
розробка принципів визначення одночасно усіх можливих видів пошкоджень;
визначення параметрів спрацьовування та розпізнавання режимів пуску і самозапуску електродвигунів.
Визначення зміни режиму виконується декількома способами. У першому, подібно тому як це викону-ється у цифрових регістраторах [ 11], розраховуються мінімальне і максимальне значення сигналу за 20 мС, а також період і відносна фаза сигналу. Зміна одного, або декількох із цих параметрів сигналу вважається фактом зміни режиму. В цьому способі контролюємими сигналами можуть бути не тільки фазні напруги та струми, а й розраховані значення нульової, прямої та зворотної послідовностей. Тому у другому способі контролюється зростання складових нульової і зворотної послідовностей, та зниження прямої послідовності.
В ЗДА визначення точки виникнення к.з. засноване на використанні принципу централізованого захисту електроустановки від к.з., розробленої у 30-ті роки XX-го сторіччя відносно до захисту шин [8]. На відміну від цього захисту шин в ЗДА не використовуються окремі прилади контролю направлення потужності других за-хистів, а визначення направлення потужності к.з. (струмів к.з.) у всіх елементах мережі виконується безпосере-дньо автоматикою ЗДА.
На рисунку 2 наведено фрагмент схеми вузла електричної системи з двигунами, на прикладі якого нижче розглядаються основні принципи виявлення пошкоджень.
Оскільки мережі 6-10 кВ працюють з ізольованою нейтралью, тому в вузлах з електродвигунами можуть виникати тільки міжфазні короткі замикання. Замикання на землю в одній точці також виявляє ЗДА ВЕСД, але при цьому немає потреби у миттєвому вимкненню.
Пошкодження (к.з.), як правило виникає у нормальних режимах роботи вузла. Згідно з загальним алгори-тмом функціонування ЗДА ВЕСД у цих режимах проводиться безперервне діагностування. Але треба врахову-вати, що особливості робочих режимів впливають не тільки на процес діагностування, а й на процес визначення виникнення пошкоджень. Наприклад для вузлів власних потреб (в.п.) енергетичних блоків генератор-трансформатор можливі наступні робочі режими.
Сталий робочий режим блоку. Живлення секцій 6 кВ в.п. здійснюється від робочого трансформатору власних потреб.
При наявності в схемі блоку вимикача між генератором і блочним трансформатором робочий трансформатор в.п. Т (рис.2) може знаходитись під напругою, але не нести навантаження (Q вимкнуто). Живлення секції 6 кВ в.п. при цьому здійснюється від резервного трансформатору в.п.
Робочий режим як у п.2, але навантаження на секції 6 кВ відсутнє (початок пуску блоку).
В режимах по п.п. 1 та 2 можливі особливості. У залежності від стадії режиму пуску блоку, або других причин, деякі двигуни не ввімкнені і не працюють.
Розглянуті режими також характерні для двохтрансформаторних вузлів з двигунами промислових підприємств.
Рисунок 1 - Загальний алгоритм функціонування ЗДА ВЕСД
