Моделирование режимов работы синхронного двигателя в условиях короткого замыкания в системе внешнего электроснабжения

УДК 621.316

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ В УСЛОВИЯХ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В СИСТЕМЕ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

А.И. ФЕДОТОВ*, В.С. ТЕРЕЩУК**, Р.М. МУДАРИСОВ*

*Казанский государственный энергетический университет, г. Казань ** Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева

В статье приведены результаты исследования числовых характеристик апериодической составляющей напряжения питания при переходных процессах трехфазного короткого замыкания. Показано влияние провалов напряжения, обусловленных короткими замыканиями, на самозапуск синхронных двигателей. Представлены результаты оценки применимости практических критериев самозапуска и ресинхронизации при провалах напряжения, обусловленных короткими замыканиями.

Ключевые слова: короткое замыкание, провалы напряжения, апериодическая составляющая, синхронный двигатель, самозапуск, ресинхронизация.

В промышленных системах электроснабжения в качестве приводов мощных насосов применяют синхронные двигатели (СД) со статическими системами возбуждения. Для сохранения нормального режима работы технологического процесса с СД при нарушениях питания, обусловленных короткими замыканиями (КЗ), необходимо, чтобы нарушение электроснабжения не превышало 0,08-0,12с, что реализуется внедрением устройств быстродействующего автоматического включения резерва (БАВР) [1].

Однако, когда оба источника питания имеют короткие электрические связи между собой из-за замкнутого состояния междушинных (секционных) выключателей в распределительных устройствах (РУ) 110-220 кВ системообразующих подстанций, в результате КЗ на любой из отходящих от РУ линии, возникает провал напряжения во всей системе внутреннего электроснабжения потребителя и БАВР не эффективно.

Реализация быстродействующего отключения КЗ способствует сохранению устойчивости СД, как и действия БАВР, так как появляется возможность сохранения в работе системы возбуждения без гашения поля. При этом, однако, необходимо выполнение дополнительных исследований, так как обычно при определении условий успешной ресинхронизации СД не рассматривается влияние провалов напряжения (через сети 0,4 кВ) на работу их систем возбуждения.

В условиях быстродействующего отключения КЗ также необходимо учитывать апериодическую составляющую переходного процесса (ПП), которой обычно пренебрегают и считают, что напряжение питания в момент КЗ определяется только уровнем остаточного напряжения [2].

Для исследования влияния отмеченных факторов на процессы самозапуска и ресинхронизации СД при КЗ рассмотрена модель типовой системы электроснабжения, составленная с учетом общепринятых допущений [3] (рис. 1, а). Модель составлена для систем внешнего электроснабжения

© А.И. Федотов, В. С. Терещук, Р.М. Мударисов Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

86

напряжением питающих линий 35-110-220 кВ, предельной активной мощностью нагрузки промышленной подстанции до 110 МВт и учитывает параметры энергосистемы, соответствующие уровню токов КЗ на шинах РУ-1 в пределах 4-40 кА.

РУ-2

Нагрузка

Рис. 1, а. Принципиальная однолинейная схема системы внешнего электроснабжения

По результатам исследования величины и длительности апериодической составляющей, возникающей в рассматриваемой модели системы внешнего электроснабжения при КЗ в точке К (рис. 1, а), построены графики (рис. 1, б), отражающие зависимость начального значения апериодической составляющей от значения остаточного напряжения при КЗ, которые соответствуют ПП с постоянной времени затухания Т=1 - 4 о.е. (базисное время - 0,02с). На рис. 1, б: иОСТ* - остаточное напряжение в о.е., то есть отношение периодической составляющей напряжения на шинах РУ-1 при КЗ к периодической составляющей номинального напряжения; иА* - величина наибольшего значения апериодической составляющей в о.е., то есть отношение начального наибольшего значения апериодической составляющей напряжения КЗ к амплитуде периодической составляющей напряжения КЗ на шинах РУ-1. Результаты расчетов, выполненных для представленной модели (рис. 1, а), показывают, что для рассматриваемых классов напряжения (35, 110, 220 кВ) системы внешнего электроснабжения апериодическая составляющая, возникающая при КЗ в сети, тем больше, чем глубже провал напряжения и чем меньше постоянная времени (рис. 1, б).

Влияние апериодической составляющей напряжения переходного процесса КЗ на режим работы СД рассмотрено ниже на примере моделирования двигателя типа СТД-8000 со статической системой возбуждения ТЕ8-320/115. Принято, что момент инерции СД с приводным механизмом составляет /пр.МЕХ = 250 кг-м2. В структуру модели включена также защита от асинхронного хода. Данная модель

© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

87

набрана в среде МаЛаЬ, 81тиИпк с использованием стандартного набора моделей-элементов.

Осциллограммы среднего значения электромагнитного момента и угла нагрузки СД, полученные на модели с учетом влияния провала напряжения на обмотку статора и систему возбуждения при КЗ в сети внешнего электроснабжения длительностью At =0,201 с при Т=1 о.е. и 60% величине апериодической составляющей напряжения на шинах РУ, приведены на рис. 2 а,б соответственно.

10 10,5 11 11,5 12 12,5 13 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

с 1, с

Рис. 2, а. Среднее значение шектромагнитного Рис. 2, 6. Угол нагрузки СД в режиме момента СДв режиме самозапуска самозапуска при Д*=0,201 с.

приЛ*=0,201с.

Расчеты показывают, что если пренебречь апериодической составляющей, то самозапуск СД при данной длительности нарушения питания (Д =0,201 с) осуществляется без потери синхронизма (рис. 2 а, б - штрихпунктирная линия), тогда как в действительности угол нагрузки двигателя достигает 180° и он выпадает из синхронизма (рис. 2 а, б - сплошная линия).

Наличие в напряжении питания апериодической составляющей сказывается на величине электромагнитного момента в течение всего процесса самозапуска СД (рис. 2, а). Большие значения тормозного электромагнитного момента во время провала напряжения (максимальное значение среднего тормозного электромагнитного момента при учете апериодической составляющей, составляет М=1,63 о.е., без учета апериодической составляющей - М=1,09 о.е.) и меньшие его значения после восстановления нормального питания (М=2,36 о.е. и М=2,73 о.е. соответственно) в режиме КЗ с учетом апериодической составляющей, по сравнению с режимом без ее учета, приводят к уменьшению допустимого времени нарушения питания, при котором обеспечивается самозапуск СД без потери синхронизма (рис. 2 а, б).

Так, при провалах напряжения до 20% и Т=1 о.е. с учетом апериодической составляющей двигатель выходит из синхронизма, если длительность нарушения питания составляет At =0,189с, а без учета - Дt =0,256с и более.

В проектной практике в зависимости от длительности нарушения электроснабжения (потеря питания) различают несколько режимов и соответствующих им практических критериев оценки успешности самозапуска СД [4, 5].

© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

88

Первый режим самозапуска имеет место, когда за время нарушения электроснабжения двигатель не успевает выйти за пределы устойчивой синхронной работы, на некоторых видах производства этот режим является единственно допустимым. Допустимая длительность нарушения питания, согласно [4], для исследуемого двигателя с механизмом без учета тормозного момента от тока в обмотке возбуждения и с его учетом составляет 0,294с и 0,196с соответственно. В действительности двигатель при указанных выше условиях нарушения питания с учетом апериодической составляющей выпадает из синхронизма при At =0,189с.

В практических расчетах пользуются также критерием 100%-ной вероятности вхождения в синхронизм, под которым понимают некоторое критическое скольжение, при котором возможна синхронизация СД как при пуске, так и при самозапуске. Время нарушения питания в самом неблагоприятном случае, при котором скольжение не превысит критическое значение, определяемое из этого условия, без учета тормозного момента и с его учетом равно 0,2645с и 0,118с соответственно [5].

Отметим, что защита от асинхронного хода, введенная в математическую модель, в данном режиме самозапуска с учетом и без учета апериодической составляющей срабатывает при длительности нарушения At =1,53с и At =1,67с соответственно. То есть критерий 100%-ной вероятности вхождения в синхронизм значительно сокращает предельное значение допустимого времени нарушения питания, при котором самозапуск еще обеспечивается даже при наличии апериодической составляющей.

Самозапуск рассматриваемого двигателя не обеспечивается, если длительность нарушения превышает At =2,37с учетом апериодической составляющей и At =2,50с без ее учета.

Выводы

1. Апериодическая составляющая напряжения питания сказывается на величине электромагнитного момента двигателя, из-за чего сокращается допустимое время нарушения электроснабжения без потери синхронизма.

2. Определение границ устойчивой работы двигателя при провалах напряжения, обусловленных КЗ во внешней сети, должно производиться с учетом влияния апериодической составляющей напряжения питания на систему возбуждения и статорную обмотку синхронного двигателя.

3. Практические критерии оценки успешности самозапуска не позволяют с приемлемой точностью оценить предельно допустимую продолжительность нарушения питания. Компьютерное моделирование решает проблему корректной оценки границы устойчивости работы СД при провалах напряжения.

Summary:

This thesis shows results of DC-component numerical characteristic research during three-phase fault transients. Gives information about the short circuit voltage sag impacts on the self-starting of synchronous motors. Presents results of synchronous motor s self-starting and resynchronization practice criterions usage during short circuits.

Key words: short circuit, voltage sags, DC transient (component), synchronous motor, self-starting, resynchronization.

© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

89

Литература

1. Андреев В.А., Овсиенко Л.Ф., Свиридов Ю.П. Обоснование времени действия устройств автоматического включения резерва, установленных на подстанциях с синхронной нагрузкой // Вестник Ульяновского государственного технического университета (Вестник УлГТУ). 2000. №1. С. 46 - 51.

2. M.Bollen, E.Styvaktakis. Characterization of three-phase unbalanced dips (as easy as one-two-three?) // Power Engineering Society Summer Meeting, IEEE. 2000. №2. P. 889 - 904.

3. РД 153-34.0-20.527-98. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования. 1998.

4. Голоднов Ю. М. Самозапуск электродвигателей. М.: Энергоатомиздат, 1985. 136 с.

5. Слодарж М.И. Режимы работы, релейная защита и автоматика синхронных электродвигателей. М.: Энергия, 1977. 216 с.

Поступила в редакцию 10 октября 2011 г

Федотов Александр Иванович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 298-41-30; 8 (843) 519-42-72. E-mail: fed.ai@mail.ru.

Терещук Валерий Степанович - д-р техн. наук, профессор кафедры электрооборудования Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева (КНИТУ (КАИ)). Тел.: (843) 236-56-53. E-mail: vter@electro.kstu-kai.ru.

Мударисов Рамиль Миннесалихович - аспирант кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-937-2843240. E-mail: Mudarisfox-6-7@yandex.ru.

© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

90