Быстродействующий автоматический ввод резерва для систем электроснабжения с высоковольтными асинхронными двигателями

В настоящее время вопросы повышения надежности и качества электроснабжения являются одними из важнейших направлений в развитии электроэнергетики. Для успешного решения этих задач особое внимание необходимо уделить проблемам разработки и создания высоконадежных многомашинных систем промышленного электроснабжения с крупными асинхронными двигателями.

В работе систем электроснабжения производств газовой и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности возможны сбросы нагрузки, отключения и расстройство технологических процессов при коротких замыканиях и ошибочных отключениях. Даже кратковременные снижения напряжения указанных производств, как правило, приводят к глубокому расстройству технологического процесса, значительному материальному ущербу.

Статистические данные по ООО «Астраханьгазпром» показывают, что только за год из-за аварийных ситуаций в системе внешнего электроснабжения произошла остановка основных производств серы, газа и конденсата в течение длительного времени. Анализ аварийности показал, что остановка производства произошла по причинам, удельный вес которых по времени простоя следующий:

1. Необеспечение массового «самозапуска» мощных асинхронных электродвигателей из-за снижения питающего напряжения -59%

2. Несвоевременное срабатывание устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики — 19%

3. Нерациональные действия оперативного персонала — 3%

4. Метеоусловия, вызвавшие повреждения электрооборудования —

5. Неправильные действия ремонтного персонала, некачественное выполнение профилактических осмотров и ремонтов — 6%

6. Выход из строя оборудования по вине заводов-изготовителей, повреждения системы электроснабжения строительными организациями — 8%.

Таким образом, удельная аварийность по причинам кратковременных снижений напряжения в системе электроснабжения на предприятии ООО «Астраханьгазпром» достаточно высока, что приводит к значительному материальному ущербу.

Разработка общей теории переходных процессов в машинах переменного тока /1/- /5/, в создание и развитие которой внесли большой вклад ученые Горев A.A., Парк Р., Важнов А. И., Копылов И. П., Трещев И. И. и др. позволила практически подойти к обоснованию аварийных режимов работы.

Однако, в современной теории переходных процессов рассматриваются идеализированные асинхронные двигатели без вытеснения тока в роторе, моделирование осуществляется в системе координат d-q, что вызывает появление больших погрешностей при расчетах аварийных режимов работы.

Большое значение для повышения надежности работы систем электроснабжения предприятий нефтяной и газовой промышленности в переходных режимах имеет совершенствование устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики, что представляет собой сложную задачу вследствие сложности переходных электромагнитных и электромеханических процессов. Это затрудняет выбор информационных признаков, позволяющих распознавать режимы. Кроме того, для более точного моделирования работы устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики необходимо рассматривать их работу совместно с силовой частью систем электроснабжения.

Особо важная роль для уменьшения материального ущерба, связанного с короткими замыканиями и снижениями питающего напряжения в системах электроснабжения предприятий нефтяной и газовой промышленности, отводится быстродействующему автоматическому вводу резерва (БАВР) с применением современной элементной базы.

Выполнение предъявляемых требований при создании более совершенных устройств БАВР с применением современной элементной базы вызывает необходимость разработки новых алгоритмов и принципов построения таких устройств, которые обеспечивали бы повышение надежности работы систем электроснабжения предприятий нефтяной и газовой промышленности.

Целью работы является разработка устройства быстродействующего автоматического ввода резерва (БАВР) в системах электроснабжения, содержащих асинхронные двигатели, методов и алгоритмов анализа динамических режимов работы многомашинных систем электроснабжения совместно с системой БАВР.

В связи с этим решены следующие задачи:

• проведен анализ существующих схем автоматического ввода резерва и принципов их работы;

• разработана математическая модель глубокопазного асинхронного двигателя в фазной системе координат для анализа режимов, вызванных различными видами коротких замыканий;

• получены уравнения состояния глубокопазного асинхронного двигателя в фазной системе координат в матричной форме;

• получены уравнения состояния для электрической системы в фазной системе координат;

• проведен анализ существующих численных методов решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих многомашинные системы электроснабжения;

• разработана методика решения уравнений состояния для многомашинной системы электроснабжения в переходных режимах с учетом жесткости системы уравнений;

• разработана схема БАВР для систем электроснабжения с высоковольтными асинхронными двигателями;

• выполнено исследование работы предложенной схемы БАВР.

Методика исследования. При решении поставленных задач использовались теория переходных процессов электрических машин переменного тока и методы их математического моделирования на ЭВМ, теория решения систем дифференциальных уравнений с периодическими коэффициентами, теория электрических цепей и систем.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель глубокопазного асинхронного двигателя с применением фазной системы координат для моделирования различных динамических режимов;

2. Получены аналитические выражения в матричной форме в виде уравнений состояния для анализа режимов работы асинхронных двигателей в фазной системе координат.

3. Получены уравнения состояния в матричной форме для электрической системы в фазной системе координат.

4. Разработана методика решения уравнения состояния, содержащего матрицы с периодическими коэффициентами для систем электроснабжения, содержащих асинхронные двигатели.

5. Разработана схема БАВР для систем электроснабжения с высоковольтными асинхронными двигателями.

Автор выносит на защиту.

1. Математическую модель глубокопазного асинхронного двигателя в фазной системе координат.

2. Математическую модель системы электроснабжения, содержащей асинхронные двигатели, в фазной системе координат.

3. Теоретические основы формирования и решения уравнений состояния для системы электроснабжения с асинхронными двигателями.

4. Структуру устройства БАВР для систем электроснабжения, содержащих высоковольтные асинхронные двигатели.

5. Результаты исследований работы системы электроснабжения с глубокопазными асинхронными двигателями совместно с предложенным устройством БАВР в переходных режимах.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана методика и алгоритмы формирования математических моделей глубокопазных асинхронных двигателей и систем электроснабжения с такими двигателями в фазной системе координат.

2. Разработана методика анализа режимов работы многомашинных систем промышленного электроснабжения, содержащих асинхронные двигатели.

3. Предложена структура устройства БАВР для систем электроснабжения с высоковольтными асинхронными двигателями.

Исследования по теме диссертации проводились в соответствии с планами научно-исследовательских работ кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Кубанского государственного технологического университета, ОАО «Кубаньэнерго», а также Норвежского университета науки и технологии (МТНи, Тронхейм, Норвегия). Результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Кубаньэнерго» и в учебном процессе кафедры ЭПП КубГТУ по курсам «Переходные процессы в системах электроснабжения» и «Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на заседаниях научных семинаров кафедр «Электроснабжение промышленных предприятий», «Электротехника» Кубанского государственного технологического университета и кафедры «Электроэнергетика» Норвежского университета науки и технологии, на научно-практической конференции «Повышение эффективности работы систем электроснабжения и электрооборудования Кубани» (г. Краснодар, 1995 г.), на научно-практической конференции «Улучшение характеристик электротехнических комплексов, энергетических систем и систем промышленного электроснабжения» (г. Краснодар, 1996 г.), на V научно-технической конференции ракетных войск (Краснодар, 1997 г.), на региональной научно-практической конференции «Повышение эффективности электро

12 технических комплексов и энергетических систем" (Краснодар, 1998 г.), на European ЕМТР-АТР Conference (Бристоль, Англия, 2001 г.).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка использованной литературы. Работа содержит 199 страниц, 35 рисунков. Библиография состоит из 78 наименований источников.

5.4. Выводы

1. На основании предложенной методики расчета динамических режимов систем электроснабжения, содержащих асипхро1П1ыс двигатели произведено численное моделирование работы системы быстродействующего АВР.

2. Получены результаты расчетов функционирования органа контроля режима системы в переходных режимах и приведены результаты расчетов для режима перерыва питания и трехфазного короткого замыкания.

3. Выполнены расчеты работы органа контроля снижения напря

Рисунок 5.17 — Временная диаграмма работы тиристорного коммутатора системы быстродействующего АВР при двухфазном коротком замыкании на землю жения в переходных режимах и приведены результаты расчетов для режима перерыва питания и трехфазного короткого замыкания.

4. Произведено численное моделирование работы системы быстродействующего АВР в целом для режима перерыва питания.

5. Выполнены расчеты работы системы быстродействующего АВР в целом для трехфазного короткого замыкания.

6. Получены результаты расчетов работы системы быстродействующего АВР в целом для несимметричных видов короткого замыкания (однофазного, двухфазного и двухфазного на землю).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работы получены следующие основные ре-зультатьк

1. Существующие схемы АВР не обладают достаточным быстродействием, необходимым для бесперебойной работы предприятий нефтяной и газовой промышленности.

2. Получена математическая модель глубокопазного асинхронного двигателя в фазной системе координат в матричной форме в виде уравнения состояния.

3. Разработан алгоритм формирования уравнений состояния для систем электроснабжения с глубокопазными асинхронными двигателями, позволяющий формализованно подойти к решению задач моделирования динамических режимов.

4. Разработана эффективная методика решения уравнений состояния для системы электроснабжения в переходных режимах с учетом жесткости системы уравнений;

5. Разработана структура быстродействующего АВР, включающая в себя тиристорный коммутатор и систему управления и произведено математическое моделирование работы системы электроснабжения совместно с устройством БАВР в симметричных и несимметричных режимах.