Повышение эффективности функционирования релейной защиты и автоматики на предприятиях непрерывного производства

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОИЗВОДСТВА

© Задкова Е.А.*

Филиал Самарского государственного технического университета,

г. Сызрань

Актуальность темы исследования обусловлена значительным уровнем технико-экономических и экологических ущербов на предприятиях непрерывного производства из-за провалов напряжения. Существует много способов повышения устойчивости работы технологических установок. Возникает актуальный вопрос - как выбрать необходимую и достаточную комбинацию мероприятий по изменению структуры и параметров релейной защиты и автоматики, которая обеспечит устойчивость технологических установок и минимизирует затраты?

Основной причиной нарушения устойчивости технологических установок (ТУ) являются провалы напряжения при действии релейной защиты и автоматики (РЗА) после КЗ во внутренней и внешней частях системы электроснабжения (СЭС), поэтому на многих предприятиях разворачиваются работы по техперевооружению (ТПР). Обоснованные рекомендации должны повысить технико-экономическую эффективность принимаемых решений.

В качестве примера предприятия непрерывного производства взят нефтеперерабатывающий завод (НПЗ).

Предприятие относится к I категории по надежности электроснабжения. Что же касается схемы внешней электросети НПЗ, то чаще всего системные линии и автотрансформаторные связи образуют замкнутое энергокольцо. Поэтому короткое замыкание в каком-то присоединении вызывает значительный провал напряжения в другом, даже отдаленном присоединении. Это приводит к несрабатыванию АВР 6 кВ НПЗ. Выдержки времени основных защит питающих линий 110 кВ достигают 0,35 с. Но за это время происходят сбои в работе управляющих систем ТУ, нарушения работы электропривода и др., что приводит к остановкам непрерывных технологических процессов.

Определяющую роль в обеспечении достоверности используемых количественных характеристик при контроле устойчивости работы ТУ имеет методика моделирования переходных процессов.

С помощью математической модели был произведен расчет токов КЗ, на основании которых проверялась селективность существующих защит. Не-

* Доцент кафедры «Электровнабжение промышленных предприятий».

смотря на соблюдение всех общетехнических требований к эффективности функционирования РЗА (селективности, быстродействия, чувствительности, надежности) на предприятиях непрерывного производства часто возникают нарушения устойчивости ТУ при потоке провалов напряжения.

Для обеспечения устойчивости ТУ требуется подобрать необходимый и достаточный вариант состава мероприятий по изменению структуры и параметров РЗА.

Система РЗА СЭС НПЗ должна удовлетворять дополнительным условиям, обусловленным свойствами электроприемников, и эти дополнительные требования заключаются в обеспечении совместимости характеристик СЭС и ее РЗА с характеристиками ТУ и ее электропривода.

Методика реализации дополнительных требований к РЗА заключается в выборе необходимого и достаточного варианта состава мероприятий по ТПР РЗА, который обеспечивает смещение параметров потока провалов напряжения в зону устойчивости технологических установок, при этом вариант состава мероприятий ТПР выбирается на основании сравнения технико-экономических показателей.

Дополнительным отраслевым критерием эффективности РЗА предприятий непрерывного производства, кроме общих требований ПУЭ к ней, является требование обеспечения совместимости характеристик СЭС и ее РЗА с характеристиками ТУ, обеспечивающих устойчивость технологических процессов при потоке провалов напряжения [2].

Как известно, набор мероприятий по повышению устойчивости работы ТУ достаточно велик. Возникает актуальный вопрос - как выбрать необходимую и достаточную комбинацию мероприятий, которая обеспечивает устойчивость ТУ и минимизирует затраты?

Критерием необходимости и достаточности является совместимость свойств и характеристик СЭС и ТУ Совместимость в соответствии с ГОСТ [1] может проверяться по многим показателям качества электрической энергии, однако применительно к устойчивости ТУ НПЗ определяющую роль играют провалы питающего напряжения. Поэтому проверять совместимость характеристик ТУ и СЭС следует в пространстве парамет-ров потока провалов питающего напряжения.

Разработана методика определения количественных значений характеристик ТУ и ее электропривода в форме границ зон устойчивости ТУ при различных временных уставках РЗА [3].

Методика предусматривает логическую обработку зон неустойчивости каждой из частей ТУ по правилу «И».

В качестве примера для анализа ТУ НПЗ выбрана центральная воздушная компрессорная установка (ЦВК).

В соответствии с разработанной методикой, в технологической установке ЦВК выделяем четыре группы электропитания (рис.1):

первая группа - это электроснабжение основного технологического оборудования, внезапный провал электропитания которого приводит к нарушению технологии и технико-экономическим потерям; вторая группа - это электроснабжение ответственного вспомогательного технологического оборудования, внезапный провал электропитания которого приводит к нарушению технологии и технико-экономическим потерям;

третья группа - это электроснабжение вспомогательного технологического оборудования, внезапная остановка которых не приводит к нарушениям технологии и потерям;

четвертая группа - это электроснабжение системы управления технологической установки, внезапный провал электропитания которого приводит к нарушениям технологии и потерям

Рис. 1

Оценка электромагнитной совместимости предусматривает учет целого ряда вариантов (критериев) реакции рассматриваемого объекта на электромагнитное воздействие. В ГОСТ установлено четыре критерия реакции (табл. 1).

Определяющую роль в обеспечении достоверности используемых количественных характеристик при контроле устойчивости работы ТУ имеет методика моделирования переходных процессов. На рис. 2 приведена диаграмма основных функциональных связей. При запуске модели получаются устойчивые и неустойчивые состояния ТУ В случае неустойчивости ТУ изменяется структура и параметры РЗА, и модель запускается снова. Так продолжается до получения устойчивого состояния ТУ

Таблица 1

Формулировка

Общая Конкретная для технологической установки

Критерий А Нет потери функций. Все оборудование технологической установки сохранило рабочий режим.

Критерий В Возникла частичная ограниченная во времени потеря функций, но произошло самовосстано-вле-ние всех функций без участия человека. Эффект «ослепления». После провала напряжения питания переходный режим самозапуска успешен, успешная ресинхронизация синхронных двигателей. Конфигурация и режим технологической установки восстановился без участия операторов.

Критерий С Возникла устойчивая потеря всех или части функций. Для восстановления всех функций потребовались действие оператора через штатные органы управления. Возникли нарушения технологии и потери. Технологическая установка исправна. Для восстановления требуемого режима работы потребовались действия операторов через штатные органы управления.

Критерий Б Возникло повреждение (разрушение) оборудования. Для восстановления всех функций требуется ремонт или замена оборудования. Возникло нарушение технологии и потери, технологическая установка потеряла работоспособность. Для восстановления требуется ремонт или замена оборудования технологической установки.

Рис. 2

Для групп электроприемников ЦВК необходимо определить зоны А, В, С, используя результаты математического моделирования.

В качестве примера рассмотрим динамический режим эквивалентного синхронного двигателя СД-3 при трехфазном КЗ в цепи кабельного ввода ТП-83, отключении поврежденного кабеля и действии системы АВР смежных секций.

- чч Л / Ч ,Л /V ^ \У ^

асннхроккын ход

8 14 II 2 И 3! 1

Рис. 3

При коротком замыкании (ДТКЗ = 0,5 с) напряжение ит на выводах двигателя резко снижается до нуля (рис. 3), периодическая составляющая тока статора 1т возрастает до 6,5 1ном, а ударный ток составляет 12 1ном. Под действием АРВ напряжение возбуждения Ш форсируется до 2 Ш.ном. Влияние форсировки наглядно проявляется при отключении поврежденного кабеля. Как видно, напряжение на выводах двигателя возрастает от 0,35 до 0,83 о.е.В интервале времени перерыва питания (1-2 с) нагруженный электродвигатель

(Р0 = 0,8 o.e.) тормозится и так, что круговая частота вращения его ротора ram снижается до 0,925 o.e. При таком снижении частоты вращения и восстановлении напряжения нормальной частоты возникает асинхронный ход синхронного двигателя, который сопровождается значительными колебаниями режимных параметров. В частности, напряжение на объединенных секциях шин технологической подстанции изменяется в пределах 0,92-1,00 o.e.

В интервале времени восстановления питания (2-5 с), при асинхронном ходе двигателя возникают условия его ресинхронизации (самосинхронизации без снятия возбуждения). В данном эксперименте, благодаря форсировке возбуждения и эффективной демпферной системе ротора, электродвигатель втягивается в синхронизм всего за 1,6 с (в момент времени, когда ram ^ 1. Если время перерыва электропитания составит более 1 е., то ресинхронизация затянется. В этом случае сработает РЗ. на отключение СД, Затем последует ручное включение СД ЦВК дежурным оператором (зона С) (рис. 3, 4).

Получается, что при КЗ на питающих ВЛ в любой точке нарушается устойчивость ТУ При КЗ на кабеле, питающем ТП ЦВК нарушается устойчивость ТУ Все эти события относятся к зоне С. На ВЛ, отходящих от ЭЭС устойчивость сохраняется только при удаленности КЗ более, чем на 60 км (зона А) (рис. 3, 4).

Для электрооборудования ЦВК в различных режимах его работы с помощью экспериментов определяются границы между областями устойчивости и неустойчивости на плоскости возможных сочетаний длительности провала и его глубины со значением остаточного напряжения меньшим, чем 0,9 Uhom (Uoct < 0,9 Uhom).

Результирующая граница зоны устойчивости ТУ находится как граница конъюнкции зон устойчивости частей ТУ по схеме «И» [5].

Методика прогнозирования параметра потока провалов напряжения, порождаемого свойствами СЭС и ее РЗА описана в [5, 6].

При наложении характеристик становится ясно, что большая часть КЗ приводит к неустойчивости установки ЦВК. Необходимо провести мероприятия по повышению эффективности функционирования с целью смещения характеристик в зону устойчивости.

При технико-экономическом обосновании мероприятий ТПР при проверке совместимости характеристик ТУ и прогнозе провалов удается выявить неблагоприятные сочетания, при которых прогнозируются нарушения устойчивости ТУ.

При выборе и обосновании необходимости и достаточности списка мероприятий ТПР и реконструкции РЗА систем электроснабжения предприятий с ответственной двигательной нагрузкой целесообразно сопоставлять прогнозируемые комбинации параметров провалов питающего напряжения и границы зон устойчивости каждой технологической установки предприятия, определяемые по итогам моделирования и мониторинга.

НГ-10

Рис. 4

Для обеспечения смещения характеристик провалов в зону устойчивости необходимо предусмотреть мероприятия по системе внешнего и внутреннего электроснабжения.

Как показывают результаты моделирования электромеханических и электромагнитных переходных процессов при КЗ в СЭС НПЗ, учет подпитки от двигателей, особенно от синхронных двигателей с учетом действия их АРВ и систем возбуждения, существенным образом определяет динамику изменения электрических величин. Следовательно, при выборе ус-

тавок РЗА и проверке чувствительности и отстроенности следует использовать результаты моделирования.

Для предприятий непрерывного производства с целью повышения эффективности функционирования РЗА необходимо применение МП РЗА.

Новые системы и аппараты РЗА должны обеспечивать:

- снижение времени отключения токов короткого замыкания на основе повышения быстродействия устройств релейной защиты;

- выявление повреждений элементов сети на ранних стадиях их возникновения путем повышения чувствительности устройств РЗА;

- сокращение времени принятия решений диспетчерским персоналом в аварийных ситуациях посредством полноты информации и оперативности ее предоставления;

- доступность для удаленного обращения с рабочего места эксплуатационного персонала через каналы связи;

- повышение надежности функционирования устройств РЗА в результате применения:

• встроенной в устройства непрерывной диагностики;

• цифровых каналов связи, включая волоконно-оптические;

• дублированных каналов связи для передачи аварийных сигналов и команд.

Устройства микропроцессорной защиты должны быть децентрализованными на уровне одного присоединения (линии, трансформатора и др.).

В новых устройствах защиты необходимо предусматривать:

- дублирование комплектов защиты для ответственных объектов;

- современные датчики тока и напряжения, датчики неэлекгрических параметров, характеризующие физическое состояние объекта;

- применение в обоснованных случаях автономного питания микропроцесс орных устройств РЗА от трансформаторов тока и напряжения.

Необходимо разработать и реализовать мероприятия, обеспечивающие создание электромагнитной обстановки, гарантирующей нормальное функционирование систем РЗА.

Следует дополнить устройства БАВР органом ожидания синхронизма (ОС) напряжений энергосистемы и выбегающих синхронных двигателей. Работа БАВР ОС окажется несколько затянутой во времени, зато интенсивность переходных процессов после включения уменьшится.

Предлагается секционные выключатели оборудовать дополнительной РЗА опережающего деления I и II СШ без выдержки времени на срабатывание. Последующее повторное включение осуществляется автоматически с выдержкой времени около 5с с контролем условий синхронизма. Уставки этой РЗА определяются при проектировании. Повторное включение может осуществляться вручную.

РЗА опережающего деления I и II СШ 110 кВ может выводиться из

действия в ремонтных и аварийных режимах.

* * *

1. В реальных условиях функционирования систем внешнего электроснабжения промышленных предприятий часто фактически не выполняются требования ПУЭ о независимости источников питания. В результате этого имеют место нарушения бесперебойности электроснабжения потребителей с непрерывными технологическими процессами.

2. Полученные количественные характеристики позволяют не только получать качественную оценку, но и ранжировать очередность мероприятий ТПР и при этом обеспечивать устойчивость ТУ и минимизировать затраты.

3. Несмотря на соблюдение всех общетехнических требований к эффективности функционирования РЗА (селективности, быстродействия, чувствительности, надежности) на предприятиях непрерывного производства часто возникают нарушения устойчивости технологических установок при потоке провалов напряжения.

4. Решение проблемы устойчивости потребителей к провалам напряжения может быть только комплексным, т.е. требующим проведения про-тивоаварийных мероприятий как в энергосистеме, так и на промышленном предприятии.

5. Рекомендуется применить опережающее деление сети на п/ст 220 / 110 кВ во внешней части системы электроснабжения.

6. Снижение глубины и длительности провалов напряжения на предприятии нефтепереработки за счет изменения параметров и структуры РЗА позволит обеспечить устойчивость технологических установок.

Список литературы:

1. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

2. Задкова Е.А. Исследование и разработка мероприятий по обеспечению устойчивости нагрузки предприятий непрерывного производства на основе повышения эффективности функционирования релейной защиты и автоматики / Е.А. Задкова, Я. Л. Арцишевский // Изв. вузов. Электромеханика. - Новочеркасск, 2008. - № 3. - С. 74-80.

3. Задкова Е.А. Методика реализации требований ПУЭ к РЗА систем электроснабжения электроприемников с особо сложными технологическими процессами / Е.А. Задкова, Я.Л. Арцишевский, Ю.П. Кузнецов, Т.А. Серегина, В.К. Лобанов // Вестник Московского энергетического института. - М., 2008. - № 4. - С. 14-17.