Режимные характеристики систем электроснабжения при продольной несимметрии в электрической системе

Б.Э.М. Кубанго

РЕЖИМНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИ ПРОДОЛЬНОЙ НЕСИММЕТРИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ

В статье исследуется влияние неполнофазного режима в электрической системе на режим работы двигательной нагрузки в системе электроснабжения. Показаны в системе электроснабжения токи и напряжения при обрыве фаз в сети 110 кВ и соотношения между этими токами и токами в нормальном режиме работы.

Ключевые слова: неполнофазный режим, обрыв фаз, метод симметричных составляющих, асинхронные двигатели.

Неполнофазные режимы в системах промышленного электроснабжения (СПЭ) часто возникают в случае перегорания плавкой вставки в одной из фаз линии, питающей электродвигатель, или потери электрического контакта в одной из фаз кабельной линии от шин главной понизительной подстанции (ГПП) к потребителям. Эти неполнофазные режимы имеют локальный характер и используются для защиты от перегрузок, устанавливаемой в двух фазах, и если ее нет, то специальной защитой от работы двигателя на двух фазах. Во втором случае можно использовать современные виды защиты на цифровых реле, где уставка выставляется в процентном отношении разности токов в фазах. Если имеется обрыв фазы, то естественно эта разность составляет 100%.

Однако, при обрыве фазы в линии электропередачи (ЛЭП) электрической системы, от которой питается СПЭ, несимметричный режим накладывается на всю СПЭ. При этом разность токов в фазах уже не будет составлять 100% и какими они будут, зависит от группы соединения трансформаторов. Необходимо отметить, что неполнофазный режим в электрической системе может быть длительным, так как для электрических систем не является таким аварийным как короткое замыкание (КЗ). Проблема защиты двигательной нагрузки внутризаводской системы электроснабжения при обрыве фаз во внешней сети является очень актуальной, так как в данном случае происходит наложение токов обратной и нулевой последовательностей, что приводит к значительному нагреву электродвигателей с соответствующими последствиями.

Для исследования последствий в СПЭ от неполнофазных режимов в электрической системе была выбрана типичная схема электроснабжения, представленная на рис. 1. Здесь трансформатор ГПП (Т1) имеет мощность 16 МВ-А, напряжением 110/10 кВ через ЛЭП длиной 50 км с системой (С) напряжением 110 кВ мощность КЗ которой равна 120 МВ-А. От шин 10 кВ ГПП через трансформатор Т2 мощностью 1 МВ-А напряжением 10/0,4

кВ получают питание три асинхронных двигателя (М1), каждый мощностью 250 кВт, и такой же мощностью семь асинхронных двигателей (М2) питаются через трансформатор Т3. Трансформатор Т1 имеет группу соединения обмоткой Ун/Д-11, трансформатор Т2 - У/Ун-0, а трансформатор Т3 - Д/Ун-11.

Рис. 1. Исследуемая схема

Для осуществления расчета были приняты следующие допущения: не учитываются активные сопротивления различных элементов исходной схемы; расчет производится для момента времени £ = 0. Последствия неполнофазных режимов в СПЭ определяются значением дополнительного сопротивления ДЛЪл в месте обрыва фазы в схеме замещения прямой последовательности. При обрыве одной фазы в линии 110 кВ, Д2/,л определяется по формуле:

—

2 -гЮ 2і2+2іо’

где 2ь2, - эквивалентные сопротивления обратной и нулевой последо-

вательностей СПЭ относительно места обрыва. Падение напряжения А Бь в этом сопротивлении уменьшает напряжение прямой последовательности на нагрузке. Такое же значение напряжения возникает в месте обрыва в схемах замещения обратной и нулевой последовательностей и определяет токи и напряжения этих последовательностей в СПЭ [1].

Предположим, что произошел обрыв фазы «А» в начале ЛЭП. Согласно методу симметричных составляющих падение напряжения в месте обрыва фазы определяются следующим уравнением напряжения: для прямой последовательности

АЦц - ис-Іи'їьи

для обратной последовательности

АПь2 = 0 - 1ь2^ь2,

для нулевой последовательности

АПьо = 0 - 1ьо1ьо,

где 2ц, гь2, 2ьо - эквивалентные сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей СПЭ относительно место обрыва фазы; 1ы, 1ь2, Ьо - токи прямой, обратной и нулевой последовательностей, протекающие в поврежденный фазе ЛЭП, так что в ЛЭП:

!ы + 1ь2 + 1ыо = 1ыл = 0

падение напряжения в месте обрыва

А иы = А Ць2 = А иьо

На основе этих уравнений и с учетом группы соединения трансформаторов были определены токи и напряжения в фазах, которые представлены в таблицах 1 и 2, где показаны их значения в линии Л 110 кВ на стороне высокого напряжения (ВН) 10 кВ и на стороне низкого напряжения (НН) 0,4 кВ трансформаторов Т2 и Т3. Для сравнения в таблицах 3 и 4 представлены соотношения токов и напряжений в фазах элементов схем электроснабжения, протекающих в неполнофазном режиме.

Таблица 1

Токи в фазах А, В и С при обрыве

- Ток фазы А, кА Ток фазы В, кА Ток фазы С, кА

Линия (Л) 0 0,075 0,075

Трансформатор (ТО 0 0,477 0,075 0,695 0,075 0,477

Трансформатор (Т2) 0,14 3,5 0,204 5,09 0,14 3,5

Трансформатор (Т3) 0,335 6,61 0,488 11,1 0,335 11,1

Таблица 2

Напряжение в фазах А, В и С при обрыве

- Напряжение фазы А, кВ Напряжение фазы В, кВ Напряжение фазы С, кВ

Линия (Л) 25,3 0 0

Трансформатор (ТО 25,3 5,5 0 8 0 5,5

Трансформатор (Т2) 5,5 0,22 8 0,32 5,5 0,22

Трансформатор (Т3) 5,5 0,17 8 0,29 5,5 0,29

Таблица 3

- ^ф. нр ^ ^ф. нпр

фаза А фаза В фаза С

Линия(Л) 00 1,2 1,2

Трансформатор (ТО 1,94 1,34 1,94

Трансформатор (Т2) 0,41 0,28 0,41

Трансформатор (Т3) 0,5 0,3 0,3

Двигатель (М1) 0,35 0,25 0,35

Двигатель (М2) 0,4 0,26 0,26

Анализ полученных результатов показывает, что существующие защиты трансформаторов (максимальная токовая защита МТЗ) от перегрузки не срабатывают. Но в тяжелых условиях находятся электродвигатели, величины токов которых в некоторых фазах намного превышают номинальные. Кроме этого, наблюдается снижение напряжения на шинах 0,4 кВ, что приводит к увеличению скольжения и реактивной мощности асинхронного двигателя, и в зависимости от его загрузки, к нарушению устойчивости. Результаты расчета подтверждаются практикой. К примеру, обрыв одной фазы в линии 110 кВ, от которой осуществляется питание потребителей птицефабрики, привел к повреждению (сгоранию) 70% всех электродвигателей на 0,4 кВ и к значительному ущербу, который выразился в виде падежа птиц. Из таблицы 3 видно, что на ЛЭП МТЗ не срабатывает, так как номинальный ток превышает ток неполнофазного режима. Ток неполнофазного режима значительно превышает номинальный в большинстве случаев в двигателях, что приводит к их выходу из строя, что уже было сказано выше.

Таблица 4

Соотношение напряжений в фазах А, В и С

- иФ. нр / иФ. нпр

Фаза А фаза В фаза С

Линия(Л) 2,51 00 00

Трансформатор (ТО 1,05 0,72 1,05

Трансформатор (Т2) 1,04 0,72 1,05

Трансформатор (Т3) 1,35 0,79 0,79

Двигатель (М1) 1 0,72 1

Двигатель (М2) 1,35 0,79 0,79

Здесь Ыф. нр, Ыф, нпр - фазное напряжение в нормальном и неполнофазном режимах; ф, нр, 1ф. нпр - ток фаз в нормальном и неполнофазном режимах;

В таблицах 3 и 4 отношение токов и напряжений для трансформаторов были определены только со стороны низкого напряжения. Так как приёмниками в данной работе являются асинхронные двигатели, следует анализировать переходные процессы в АД. Основными характеристиками переходных процессов в АД, представляющими наибольший интерес, являются: величины токов и моментов, время протекания, потери энергии в

обмотках и их нагрев. При анализе переходных процессов АД обычно рассматриваются: включение обмотки статора при разомкнутой обмотке ротора, пуск с короткозамкнутой обмоткой ротора, процесс разбега, тепловые потери в обмотках АД при пуске, повторное включение, реверсирование, отключение АД от сети [2].

Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:

• из-за обрыва фаз двигатели перестают запускаться или начинают забирать необходимый ток из других фаз, в такой ситуации обмотки двигателя подвергаются неравномерным нагрузкам, что может послужить причиной его повреждения;

• значение токов в фазах потребителей (асинхронных двигателей) значительно превышает ток фазы в нормальном режиме, что приводит к повреждению самих двигателей;

• необходимо усовершенствовать защиту от таких повреждений и устанавливать защиту от перегрузок не только в одной фазе, но во всех остальных или применять специальную защиту.

Источники

1. Былкин М.В. Моделирование, анализ и устранение последствий несимметричных режимов в системах электроснабжения. Москва, 1999.

2. Гольдберг О.Д. Переходные процессы в электрических машинах и аппаратах и вопросы их проектирования. М.: Высшая школа, 2001.

Зарегистрирована 03.03.2010 г.