ПОВЫШЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ СРЕДСТВАМИ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ВВОДА РЕЗЕРВА

УДК 621.3.019.34 https://doi.org/10.18503/2311-8318-2023-2(59)-26-32

Корнилов Г.П., Абдулвелеев И.Р., Иванов Е.Ф., Бочкарев A.A., Одинцов К.Э.

Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова

Повышение надёжности электроснабжения потребителей промышленных

предприятий средствами быстродействующего автоматического ввода резерва

Повышение надёжности электроснабжения особо ответственных потребителей является одной из важнейших задач, решаемых на стадии проектирования и эксплуатации промышленных предприятий. Для обеспечения необходимого уровня надёжности применяются различные технические средства. Устройство быстродействующего автоматического ввода резерва (БАВР) является в настоящее время одним из наиболее эффективных и доступных. Оно предназначено для повышения надежности электроснабжения ответственных потребителей и обеспечения динамической устойчивости комплексной электродвигательной нагрузки при кратковременных нарушениях электроснабжения. Работа БАВР основана на непрерывном мониторинге величин фазных напряжений и токов на шинах двух вводов распределительного устройства, преобразовании их в комплексные действующие значения напряжений и токов прямой последовательности с последующей программной обработкой результатов измерений. Благодаря применению быстродействующих вакуумных выключателей и микропроцессорных устройств релейной защиты время переключения на резервный источник питания не превышает 100 мс. Приведены и проанализированы пять основных условий, при которых применение БАВР является особенно эффективным и оправданным. Особое внимание уделено оптимизации переходных процессов при переключении на резервный источник питания за счёт синхронизации момента включения вакуумного выключателя. Установлено и обосновано, что угол между векторами напряжения на шинах с выбегающей двигательной нагрузкой и резервным источником питания не должен превышать 30 электрических градусов. Приведены осциллограммы напряжений на работающей и отключенной секциях при срабатывании БАВР после потери питания на одной секции шин подстанции. По результатам исследований сделаны выводы об эффективности обеспечения динамической устойчивости комплексной электродвигательной нагрузки при кратковременных нарушениях электроснабжения.

Ключевые слова: быстродействующий автоматический ввод резерва, надежность электроснабжения, промышленные потребители, непрерывный технологический процесс

Введение

В настоящее время наиболее тяжелыми авариями для систем электроснабжения промышленных предприятий являются провалы напряжения или полная потеря питания на шинах с двигательной нагрузкой. Подобные нарушения могут привести к нарушению сложного технологического процесса, а также к выходу из строя чувствительных и дорогостоящих микроэлектронных устройств. В отдельных случаях возможны предпосылки для получения травм персоналом предприятия, в том числе опасных для жизни [1-3].

Риски многомиллионных затрат, а также угроза жизни и здоровью человека сформировали строгие требования к обеспечению надежности внутризаводского электроснабжения. Выполнение этих требований достигается за счет комплексного решения целого ряда задач:

• расчет надежности электрооборудования и энергосистемы на этапе проектирования;

• оценка остаточного ресурса оборудования в ходе эксплуатации;

• постоянный поиск технических решений для повышения надежности и их внедрение.

Самым эффективным и распространенным средством повышения надежности в системах электроснабжения промышленных предприятий является использование современных микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики [4, 5]. Одним из таких технических решений, традиционно применяемых для повышения надежности электроснабжения при нарушениях электроснабжения в питающих

© Корнилов Г.П., Абдулвелеев И.Р., Иванов е.Ф., Бочкарев A.A., Одинцов К.Э., 2023

сетях, является устройство автоматического включения резерва (АВР) [6, 7]. Оно срабатывает при исчезновении напряжения на шинах подстанции - отключает с выдержкой времени выключатели рабочего источника питания и включает выключатель резервного источника питания. Тем не менее это не всегда приводит к желаемому результату, поскольку повторный пуск двигателей после восстановления напряжения сопровождается значительными пусковыми токами, что негативно сказывается на их эксплуатационных характеристиках и сроке службы [8-10].

В последние годы в системах электроснабжения промышленных предприятий Российской Федерации получили широкое распространение устройства БАВР [11-14]. Внедрение этих устройств стало особенно актуальным на подстанциях, осуществляющих питание ответственных электроприемников и технологических агрегатов. Применение современной микропроцессорной элементной базы в БАВР позволяет не только избежать повторных пусков двигателей, но и кардинально изменить главную электрическую схему подстанции. При новых конфигурациях схем отпадает необходимость в подключении реакторов, что приводит к значительному сокращению расходов при реализации новыхпроектныхрешений [15, 16].

В заводском энергохозяйстве сети 6-10 кВ являются наиболее сложной системой, состоящей из большого числа элементов, имеющих обширные внутренние и внешние связи. В работе исследуется вопрос обеспечения бесперебойного электроснабжения промышленных потребителей аглофабрики - одна из важнейших задач для рассматриваемого металлургического предприятия.

После кратковременных нарушений электроснабжения в питающих сетях и возникновения провалов напряжения на шинах 6 кВ происходит нарушение непрерывности режима работы электроприводов агло-фабрики (рис. 1). Эти нарушения приводят к отключению двигателей устройствами релейной защиты и автоматики (РЗиА) и нарушению сложного технологического процесса.

Для повышения надежности работы насосных и компрессорных станций аглофабрики, а также для снижения затрат на их эксплуатацию, принято решение об установке устройства БАВР на подстанции 110/6 кВ предприятия. Данная статья посвящена анализу опыта использования и исследованию эффективности этого решения.

Применение устройства БАВР на

металлургическом предприятии

Устройство БАВР предназначено для обеспечения надежного и непрерывного энергоснабжения путем быстродействующего (до 100 мс) автоматического переключения на резервный источник электропитания потребителей в распределительных сетях 6-10 кВ, в том числе и с преобладающей двигательной нагрузкой (синхронной и асинхронной). Необходимость применения устройства возникает при различных аварийных ситуациях в энергосистемах:

• исчезновение питания от основного источника (ошибочные действия устройств РЗиА, ошибочные действия оперативного персонала, прямой пуск или самозапуск двигателей и т.п);

• возникновение всех видов коротких замыканий в цепях питающей линии.

Следует отметить, что использование БАВР в системе электроснабжения промышленного предприятия позволяет добиться ряда серьезных преимуществ.

1. Основные преимущества.

Отсутствие срабатывания БАВР при всех видах коротких замыканий со стороны потребителей 6-10 кВ исключает возможность дополнительных повреждений, возникающих по причине подпитки места повреждения от резервного источника электропитания. Вследствие этого обеспечивается непрерывность технологического процесса при аварийных и ненормальных режимах работы сетей электроснабжения вне зависимости от наличия двигательной нагрузки на шинах.

В случае комбинирования потребителей подстанции 6(10)/0,4 кВ с высоковольтной электродвигательной нагрузкой обеспечивается существенное уменьшение отпадания магнитных пускателей и контакторов в цепи питания низковольтных электродвигателей, а также снижается вероятность возникновения сбоев систем управления электроприводами. Устройство выполняет автоматическое восстановление схемы нормального режима энергоснабжения с обеспечением как параллельной работы двух источников электропитания с контролем их синхронной работы, так и с перерывами питания при работе от несинхронизирован-ных источников электропитания [17, 18].

2. Описание объекта исследования.

В настоящее время на рассматриваемой аглофаб-рике крупного металлургического предприятия (см. рис. 1) установлено устройство быстродействующего автоматического ввода резерва, основной задачей которого является эффективное решение проблемы кратковременных нарушений нормального электроснабжения предприятия. БАВР выполнен на базе микропроцессорного пускового устройства (МПМУ) и позволяет осуществить переход на резервный источник питания за минимально возможное время с возможностью последующего восстановления нормального режима энергоснабжения.

6 кВ 6 кВ 6 кВ бкВ

Рис. 1. Принципиальная однолинейная схема электроснабжения потребителей аглофабрики

Это устройство является лишь одной составляющей системы БАВР, в которую также входят трансформаторы тока, трансформаторы напряжения и силовые выключатели, число которых определяется схемой распределительного устройства. Из перечисленного оборудования на быстродействие переключения на резервный источник питания оказывают влияние только силовые выключатели, что обуславливает необходимость применения современных сверхбыстродействующих вакуумных выключателей (БВВ) [17]. С учетом времени срабатывания пускового устройства БВВ обеспечивают требуемое полное время переключения на резервный источник питания, как следствие - устойчивое функционирование всей нагрузки подстанции.

Условия срабатывания и принцип работы устройства БАВР

Устройство БАВР осуществляет переключение на резервный источник электропитания потребителей подстанции в следующих случаях:

1) при снижении напряжения прямой последовательности и на шинах ниже заданного значения, при условии, что и на резервном источнике питания выше заданного значения;

2) при увеличении скорости изменения угла (частоты) й// А между напряжениями прямой последовательности на шинах и резервном источнике выше заданного значения;

3) при снижении частоты напряжения прямой последовательности фаз А/ ниже заданного значения наличии разрешения от реле направления мощности;

4) при внешнем пуске от быстродействующих защит (например, дистанционные защиты линий и трансформаторов);

5) при самопроизвольном или механическом отключении БВВ основного источника питания, вследствие которого произошла потеря питания секции шин.

Схема устройства предполагает также наличие запрета на автоматический ввод резерва и указанные выше переключения блокируются при выполнении одного из условий:

• отсутствие «разрешения» от реле направления мощности (РНМ);

• наличие одновременных однофазных замыканий на землю на секции шин и на резервном источнике;

• срабатывание максимальной токовой защиты (МТЗ);

• наличие блокировок от устройств релейной защиты;

• наличие неисправности в цепях управления БВВ или его неготовности;

• наличие неисправности в измерительных цепях трансформаторов напряжений.

Реле направления мощности обеспечивает блокировку при нарушениях нормального электроснабжения, связанных с внутренними повреждениями в сети 610 кВ, и осуществляет выполнение цикла БАВР при нарушениях электроснабжения со стороны источника питания. Блокировка переключения при одновременном наличии однофазных замыканий на землю на шинах и резервном источнике исключает возможность создания искусственного двойного замыкания на землю в момент переключения на резервный источник питания.

Функционально-логическая схема устройства также позволяет исключить излишние или неверные переключения при увеличении угла ме^ду вектором напряжения прямой последовательности шин резервного источника питания вследствие отсутствия синхронизма (равенства величин, частот и углов векторов напряжений) между источниками питания (например, работе от разных энергосистем или собственной генерации), в том числе и при отсутствии или малой нагрузке на секции шин 6(10) кВ, когда отсутствуют условия для работы РНМ.

Важным преимуществом использования БАВР является оптимизация переходных процессов и переключение на резервный источник питания без возникновения сверхтоков. Это обеспечивается за счет синхронизации момента включения главных контактов БВВ с углом между U на шинах с выбегающей электродвигательной нагрузкой и резервным источником от 0 до 30 эл. град, а также при снижении напряжения на шинах, потерявших питание ниже 0,5 от номинального значения.

Для прогнозирования момента включения БВВ резервного источника электропитания определяется угол ме^ду напряжениями, при котором необходимо выдать команды на включение БВВ резервного источника электропитания. Прогнозирование выполняется с учетом скорости изменения угла ме^ду напряжениями прямой последовательности, времени работы схемы управления БВВ и его собственного времени включения. Важно отметить, что максимальное быстродействие БАВР обеспечивается использованием МПМУ, которое реализует способ синхронизированного управления коммутационными аппаратами, - подача команд на отключение основного источника питания и включение резервного источника питания происходит одновременно.

Рассмотрим принцип работы БАВР для двигателей с прямым пуском. В этом случае предусмотрено срабатывание по углу между напряжениями U1 секций шин с контролем направления мощности.

При превышении значения угла заданной уставки ф3 относительно предаварийного значения формируется сигнал на отключение БВВ соответствующей секции (рис. 2).

4 т с2

%

Рис. 2. Диаграмма работы БАВР по углу

По мере выбега двигателей МПМУ осуществляет расчет прогнозируемого угла срабатывания, значение которого соответствует моменту включения секционного выключателя (СВ). Заштрихованная область на рис. 2 показывает допустимую зону угла срабатывания для секционного выключателя при выбеге двигателей на 2-й секции шин.

В случае положительного результата прогнозирования (угол срабатывания находится в допустимой зоне) выдается команда на включение СВ. Таким образом, включение СВ всегда обеспечивается для значения угла срабатывания не более значения максимально допустимой уставки фтах, что предотвращает появление сверхтоков.

Угол между напряжениями секций шин при выбеге двигателей является сложной временной функцией, зависящей от типа приводного механизма, загрузки двигателя, постоянной инерции и статического момента сопротивления. Для прогнозирования и расчета значения угла срабатывания используется разложение функции Ду(0 в следующий степенной ряд:

Ду

где Ду0 = и1с1 - и1с2 - угол между векторами напряжений в начальный момент; Дю - относительная угловая скорость; Де - относительное угловое ускорение.

Значения Дю и Де рассчитываются исходя из скорости изменения частоты напряжений для каждой секции шин подстанции. Момент подачи сигнала на включение секционного выключателя определяется выражением

где Твкл - время включения секционного выключателя (с учётом времени срабатывания промежуточных реле или блоков управления); фтах - максимально допустимый угол при включении секционного выключателя.

При выбеге двигателей с высоким начальным ускорением (малые постоянные инерции) или при скачкообразном изменении угла (отключение КЗ) быстродействия системы может оказаться недостаточно для включения СВ в пределах допустимой зоны. В этом случае включение СВ осуществляется после полного оборота векторов ЭДС двигателей относительно напряжения «здоровой» секции шин до момента, когда угол между векторами вновь не будет превышать фтах.

Исследование работы БАВР при аварийной потере

питания на шинах подстанции

Ниже рассматривается пример возникновения аварийной ситуации и потери питания на одном из вводов подстанции 110/6 кВ аглофабрики. Результаты осцил-лографирования позволяют проанализировать алгоритм работы БАВР и провести исследование эффективности срабатывания по углу.

Усредненные действующие значения линейных напряжений и фазных токов на вводах 1, 2, 3, 4-й секций 6 кВ до момента возникновения аварии представлены в таблице. При этом нормальная схема электроснабжения потребителей аглофабрики соответствует схеме на

рис. 1 со следующими положениями выключателей:

• выключатели 21 и 04 (линии ВЛ1, ВЛ2 «ПС90-ПС68», 110 кВ) включены и питают 1-ю и 2-ю секции шин 110 кВ подстанции ПС68 соответственно;

• выключатели 22 и 23 (линии ВЛ1, ВЛ2 «ПС68-ПС65», 110 кВ) включены и питают силовые трансформаторы Т3 и Т4 подстанции ПС65 соответственно;

• выключатели 25 и 26 включены и питают силовые трансформаторы Т1 и Т2 подстанции ПС68 соответственно;

• секционный выключатель 251 на шинах 110 кВ подстанции ПС68 отключен;

• вводные выключатели 27...210 включены и питают секции шин 6 кВ подстанции ПС68;

• секционные выключатели 2В2 и 253 на шинах 6 кВ подстанции ПС68 отключены.

В момент аварии происходит перекрытие опорного изолятора фазы «А» 110 кВ подстанции ПС68 на землю и возникновение однофазного короткого замыка-ния. В результате срабатывания дифференциальной защиты шин 110 кВ на подстанции произведены отключения выключателей 21, 22 и 25 - 1-я секция шин 110 кВ подстанции ПС68 полностью потеряла питание.

При работе БАВР произведены следующие переключения на 1-й и 2-й секциях шин 6 кВ подстанции:

• отключен вводной выключатель 27 1-й секции шин 6 кВ;

• включен секционный выключатель 252 1-й и 2-й секций шин 6 кВ.

Аналогичные коммутации выключателей произведены также для 3-й и 4-й секций шин 6 кВ (28 - отключен, 253 - включен).

Анализ аварийных осциллограмм (рис. 3) показал следующие временные характеристики работы БАВР на 1-йи 2-й секциях:

Т1 = 94 мс - время начала КЗ;

Т2 = 199 мс - время отключения всех присоединений на 1-й секции 110 кВ;

Т3 = 207 мс - пуск БАВР;

Т4 = 281 мс - подано напряжение на 1-ю и 3-ю секции шин 6 кВ подстанции.

По результатам анализа векторных диаграмм (рис. 4) определено, что запуск устройства БАВР произошёл при достижении разницы между фазами напряжений прямой последовательности 1-йи 2-й секций, равной 11,2° (угол уставки ф3 = 11°). В момент включения секционных выключателей (через 75 мс) и замыкания главных контактов угол срабатывания составлял 28,8° (максимально допустимый угол фтах = 30°). Действующие значения линейных напряжений и фазных токов на вводах 1, 2, 3, 4-й секций 6 кВ после срабатывания БАВР представлены в таблице.

Усреднённые значения токов и напряжений на секциях шин подстанции

Параметры схемы Номер секции

До срабатывания БАВР

Напряжение и, кВ 6,3 6,2 6,2 6,2

Ток I, А 1270 1170 890 1020

После срабатывания БАВР

Напряжение и, кВ 6,0 6,1 6,0 6,0

Ток I, А 0 2460 0 1930

ita5, а

О 50 100 150 200 250 300 t мс Рис. 3. Осциллограммы токов и напряжений при работе БАВР

—; / / X гъР '

Рис. 4. Диаграммы работы БАВР по углу: а - при запуске БАВР; б - при включении секционного выключателя

Заключение

Анализ данных, полученных в ходе экспериментальных исследований, позволяет дать положительную оценку работы БАВР при возникновении аварийного режима в системе электроснабжения металлургического предприятия. Согласно полученным результатам, время ме^ду отключением ввода, потерявшего питание, и включением секционного выключателя составило 75 мс, тогда как успешной работой БАВР считается время переключения до 100 мс. Следует отметить, что угол срабатывания при этом не превысил максимально допустимого значения в 30°.

Такие условия работы БАВР положительно сказываются на устойчивости двигательной нагрузки, что обеспечило синфазность включения секционного выключателя и непрерывность технологического процесса. Использование устройств быстродействующего автоматического ввода резерва в системе электроснабжения промышленного предприятия повысило надежность схемы и позволило обеспечить динамическую устойчивость комплексной электродвигательной нагрузки при кратковременных нарушениях электроснабжения.

Работа выполнена при финансовой поддержке стипендии Президента Российской Федерации для молодых учёных - кандидатов наук СП-1841.2022.1.

Список источников

1. Особенности электроснабжения металлургического комбината и возможные перспективы его развития / Г.П. Корнилов, И.Р. Абдулвелеев, О.В. Газизова, Л.А. Копцев // Металлург. 2021. №7. С. 81-89.

2. Корнилов Г.П., Абдулвелеев И.Р., Коваленко А.Ю. Повышение надежности электроснабжения металлургических агрегатов за счет схемотехнических решений // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2019. Т. 19. №4. С. 59-69. doi:10.14529/power190407

3. Пупин В.М., Куфтин Д.С., Сафонов ДО. Анализ провалов напряжений в питающих сетях предприятий и способы защиты электрооборудования // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2013. №4. С. 40-46.

4. Варганова A.B., Ирихов A.C. Оценка надежности внешнего электроснабжения сетей 6-10 кВ с источниками распределенной генерации // Электротехнические системы и комплексы. 2021. №3(52). С. 22-28. doi: 10.18503/2311-8318-2021-3(52)-22-28

5. Способы повышения надежности ответственных электроприводов заводских электростанций металлургических производств / К.Э. Одинцов, М.Ю. Петушков, Е.Ф. Иванов, A.A. Бочкарев, М.М. Лыгин // Электротехнические системы и комплексы. 2021. №4(53). С. 28-32. doi: 10.18503/2311-8318-2021-4(53)-28-32

6. Kirby R.D., Schwartz R.A. Microprocessor-based protective relays // IEEE Industry Applications Magazine. 2009. Vol. 15. No. 5. Pp. 43-50. doi: 10.1109/MIAS.2009.933405

7. Das J. Power System Protective Relaying. CRC Press, 2017. 702 p.

8. Review and prospect of hidden failure: protection system and security and stability control system / L. Zhao, X. Li, M. Ni, T. Li, Y. Cheng // Journal of Modern Power Systems and Clean Energy. 2019. Vol. 7. No. 6. Pp. 1735-1743. doi: 10.1007/s40565-015-0128-9

9. Research on new automatic bus transfer method which adapts to security and stability control system / W. Li, Z. Li,

Y. Guo, X. Liang, Z. Zhang, X. Yin // IEEE International Conference on Power System Technology (POWERCON). IEEE, 2016. Pp. 1-6. doi:

10.1109/POWERCON.2016.7753857

10. Kornilov G. P., Khramshin T. R., Abdulveleev I. R. Increasing stability of electric drives of rolling mills with active front ends at voltage sag // International Conference on Elec-trotechnical Complexes and Systems (ICOECS). IEEE, 2019. Pp. 1-4. doi: 10.1109/ICOECS46375.2019.8949945

11. Martin C.J., Jain A.K., Das A. Analysis and Speed Control of Induction Motor during Input Supply Voltage Sag // IEEE International Conference on Power Electronics, Smart Grid and Renewable Energy (PESGRE2020). IEEE, 2020. Pp. 1-6. doi: 10.1109/PESGRE45664.2020.9070517

12. Wang Z., Wang X. Induction motor interactions after voltage sags // IEEE Electrical Power & Energy Conference. IEEE, 2013. Pp. 1-5. doi: 10.1109/EPEC.2013.6802974

13. Orr G.T., Cooper S., Mozina C.J. High-speed transfer of two 4 kV motor bus sources using a digital motor bus transfer system // IEEE Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference, IEEE, 2010. Pp. 1-6. doi: 10.1109/ICPS.2010.5489883

Поступила в редакцию 05 апреля 2023 г.

Information in English

14. Yalla M.V.V.S. Design of a High-Speed Motor Bus Transfer System // IEEE Transactions on Industry Applications. 2010. Vol. 46. No. 2. Pp. 612-619. doi: 10.1109/TIA.2010.2041097.

15. Design and testing of fast transfer scheme for Sasol Secunda / M.R. Kganyago, B.A. Aderemi, G.S. Donev, S.P. Chowdhury // IEEE PES PowerAfrica. IEEE, 2017. Pp. 555-559. doi: 10.1109/PowerAfrica.2017.7991286

16. Razzaghi R., Niayesh K. Current limiting reactor allocation in distribution networks in presence of distributed generation // 10th International Conference on Environment and Electrical Engineering. IEEE, 2011. Pp. 1-4. doi: 10.1109/EEEIC.2011.5874615

17. The characteristics of the high-speed vacuum circuit breaker and its application / Y. Niwa, T. Funahashi, K. Yokokura, E. Kaneko // IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition. IEEE, 2002. Vol. 3. Pp. 1786-1790. doi: 10.1109/TDC.2002.1177726

18. Thiam F.B., Urbina M.D., Wisniewski J.B. Fast bus transfers for open phase analysis at nuclear power plants // IEEE Power & Energy Society General Meeting. IEEE, 2017. Pp. 1-5. doi: 10.1109/PESGM.2017.8274465

Принята к печати 04 мая 2023 г.

Improving the Power Supply Reliability for Industrial Consumers Through High-Speed Bus Transfer

Gennadiy P. Kornilov

D.Sc. (Engineering), Professor, Electric Power Supply of Industrial Enterprises Department, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia, korn_mgn@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-2451-3850

Il'dar R. Abdulveleev

Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Electric Power Supply of Industrial Enterprises Department, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia, i.abdulveleev@magtu.ru, https://orcid.org/0000-0003-2748-6533

Evgeniy F. Ivanov

Postgraduate student, Industrial Power Supply Department, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia,kenny_F@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-5207-2810

Aleksey A. Bochkarev

Undergraduate student, Automated Electric Drive and Mechatronics Department, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia, analogsynth@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-8834-2384

Konstantin E. Odintsov

Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Industrial Power Supply Department, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia, eltech_mgtu@mail.ru,https://orcid.org/0000-0003-0699-6016

Improving the reliability of power supply is one of the most important tasks to be solved at the stage of design and operation of industrial enterprises. To ensure the required level of reliability, various technical means are used. The high-speed bus transfer device (HBT) is currently one of the most efficient and affordable. It is designed to improve the reliability of power supply to critical consumers and ensure the dynamic stability of a complex electric motor load during short-term power outings. The HBT operation is based on continuous monitoring of the values of phase voltages and currents on the buses of two switchgear inputs, converting them into complex effective values of voltages and currents of direct sequence, followed by software processing of the measurement results. Thanks to the use of highspeed vacuum circuit breakers and microprocessor relay protection devices, the switching time to the backup power source does not exceed 100 ms. Five main conditions under which the use of HBT is especially effective are given and analyzed.

Particular attention is paid to the optimization of transient processes when switching to a backup power source by synchronizing the moment of switching on the vacuum circuit breaker. It has been established that the angle between the voltage vectors on the bus sections with a running-out motor load and the backup power source should not exceed 30 electrical degrees. The oscillograms of voltages on the operating and disconnected sections are given when the HBT is triggered after a power failure on one section of the substation bus sections. Based on the research results, some conclusions are made concerning the efficiency of transient stability assurance for a complex electric motor load during short-term power supply outings.

Keywords: high-speed bus transfer, power supply reliability, industrial consumers, continuous production

References

1. Kornilov G.P., Abdulveleev I.R., Gazizova O.V.,

Koptsev L.A. Power Supply Features of Metallurgical Iron-and-Steel Works and Possible Development Prospects. Metallurg [Metallurgist], 2021, no. 7, pp. 81-89.

2. Kornilov G.P., Abdulveleev I.R., Kovalenko A.Yu. Improving the Reliability of Steel Producing Units Electric Supply with Schematic Design Solutions. Vestnik Yuzhno-Uralskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Energetika [Bulletin of South Ural State University. Series "Power Engineering"], 2019, vol. 19, no. 4, pp. 59-69. (in Russian). doi:10.14529/power190407

3. Pupin V.M., Kuftin D.S., Safonov D.O. Analysis of Voltage Losses in Supply Grid of Enterprises and Methods of Electrical Equipment Protection. Elektrooborudovanie: eksplu-atatsiya i remont [Electrical equipment: Maintenance and Repair], 2013, no. 4, pp. 40-46.

4. Varganova A.V., Irikhov A.S. Evaluation of External Power Supply Reliability in 6-10 kV Networks with Distributed Generation. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy [Elec-trotechnical Systems and Complexes], 2021, no. 3(52), pp. 22-28. (In Russian). doi: https://doi.org/10.18503/2311-8318-2021-3(52)-22-28

5. Odintsov K.E., PetushkovM.Yu., Ivanov E.F., Bochkarev A.A., Lygin M.M. Improving the Critical Electric Drives Reliability at Industrial Power Plants of Metallurgical Enterprises. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy [Electro-technical Systems and Complexes], 2021, no. 4(53), pp. 2832. (In Russian). doi: https://doi.org/10.18503/2311-8318-2021-3(52)-28-32

6. Kirby R.D., Schwartz R.A. Microprocessor-based protective relays. IEEE Industry Applications Magazine. 2009, vol. 15, no. 5, pp. 43-50. doi: 10.1109/MIAS.2009.933405

7. J. Das. Power System Protective Relaying. CRC Press, 2017. 702 p.

8. Zhao L., Li X., Ni M., Li T., Cheng Y. Review and prospect of hidden failure: protection system and security and stability control system. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy. 2019, vol. 7, no. 6, pp. 1735-1743. doi: 10.1007/s40565-015-0128-9

9. Li W., Li Z., Guo Y., Liang X., Zhang Z., Yin X. Research on new automatic bus transfer method which adapts to security and stability control system. 2016 IEEE International Conference on Power System Technology (POWERCON).

IEEE, 2016, pp. 1-6. doi:

10.1109/P0WERC0N.2016.7753857

10. Kornilov G.P., Khramshin T.R., Abdulveleev I.R. Increasing stability of electric drives of rolling mills with active front ends at voltage sag. 2019 International Conference on Elec-trotechnical Complexes and Systems (ICOECS). IEEE, 2019, pp. 1-4. doi: 10.1109/IC0ECS46375.2019.8949945

11. Martin C.J., Jain A.K., Das A. Analysis and Speed Control of Induction Motor during Input Supply Voltage Sag. 2020 IEEE International Conference on Power Electronics, Smart Grid and Renewable Energy (PESGRE2020). IEEE, 2020, pp. 1-6. doi: 10.1109/PESGRE45664.2020.9070517

12. Wang Z., Wang X. Induction motor interactions after voltage sags. 2013 IEEE Electrical Power & Energy Conference. IEEE, 2013, pp. 1-5. doi: 10.1109/EPEC.2013.6802974

13. Orr G.T., Cooper S., Mozina C.J. High-speed transfer of two 4 kV motor bus sources using a digital motor bus transfer system. 2010 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference, IEEE, 2010, pp. 1-6. doi: 10.1109/ICPS.2010.5489883

14. Yalla M.V.V.S. Design of a High-Speed Motor Bus Transfer System. IEEE Transactions on Industry Applications. 2010, vol. 46, no. 2, pp. 612-619. doi: 10.1109/TIA.2010.2041097

15. Kganyago M.R., Aderemi B.A., Donev G.S., Chow-dhury S.P. Design and testing of fast transfer scheme for Sa-sol Secunda. 2017 IEEE PES PowerAfrica. IEEE, 2017, pp. 555-559. doi: 10.1109/PowerAfrica.2017.7991286

16. Razzaghi R., Niayesh K. Current limiting reactor allocation in distribution networks in presence of distributed generation. 2011 10th International Conference on Environment and Electrical Engineering. IEEE, 2011, pp. 1-4. doi: 10.1109/EEEIC.2011.5874615

17. Niwa Y., Funahashi T., Yokokura K., Kaneko E. The characteristics of the high-speed vacuum circuit breaker and its application. IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition. IEEE, 2002, vol. 3, pp. 1786-1790. doi: 10.1109/TDC.2002.1177726

18. Thiam F.B., Urbina M.D., Wisniewski J.B. Fast bus transfers for open phase analysis at nuclear power plants. 2017 IEEE Power & Energy Society General Meeting. IEEE, 2017, pp. 1-5. doi: 10.1109/PESGM.2017.8274465

Повышение надёжности электроснабжения потребителей промышленных предприятий средствами быстродействующего автоматического ввода резерва / Г.П. Корнилов, И.Р. Абдулвелеев, Е.Ф. Иванов, A.A. Бочкарев, К.Э. Одинцов // Электротехнические системы и комплексы. 2023. № 2(59). С. 26-32. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2023-2(59)-26-32

Kornilov G.P., Abdulveleev I.R., Ivanov E.F., Bochkarev A.A., Odintsov K.E. Improving the Power Supply Reliability for Industrial Consumers Through High-Speed Bus Transfer. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy [Electrotechnical Systems and Complexes], 2023, no. 2(59), pp. 26-32. (In Russian). https://doi.org/10.18503/2311-8318-2023-2(59)-26-32