Название: Вестник Ульяновского государственного технического университета (В.В. Ефимов)

Жанр: Гуманитарный

Просмотров: 1139


Обоснование времени действия устройств автоматического включения резерва, установленных на подстанциях с синхронной нагрузкой

 

Устройства автоматического включения резерва (УАВР) широко применяются в системах электроснабжения. Они, как и любые устройства автоматики, должны удовлетворять требованиям  быстродействия. Особенно это  необходимо для обеспе- чения динамической устойчивости синхронных электродвигателей. В предлагаемой статье определено допустимое максимальное время восстановления электроснабже- ния синхронных электродвигателей  после потери  ими питания. Это  время не должно превышать 0,1 с. Оно складывается из времени отключения и включения соответст- вующих выключателей и времени действия самого УАВР.

 

Схемы УАВР различаются, в основном, их пусковыми органами. При этом в качестве воздействующих величин могут быть: значение напряже- ния на контролируемой секции шин, частота этого напряжения, угол меж- ду векторами напряжений рабочего и резервного источников питания и некоторые другие электрические величины. При потере питания и при ко- ротких замыканиях в системе электроснабжения скорость изменения этих величин различна, что влияет на время срабатывания пусковых органов УАВР. Задача повышения быстродействия УАВР особенно актуальна для подстанций с синхронной нагрузкой (рис.1).

 

Рис.1. Схема подстанции

В этом случае имеет смысл устанавливать УАВР, если после его дейст- вия обеспечивается восстановление нормальной работы синхронных элек- тродвигателей. Указанное требование и определяет допустимое макси- мальное время действия УАВР. При этом в специальной расчетной задаче необходимо учесть не только нарушение электроснабжения и характер этого нарушения (отключение питающей линии, короткое замыкание), но и вид короткого замыкания, предполагая, что несинхронное включение тор- мозящегося синхронно электродвигателя в сеть после ликвидации повреж- дения произойдет в начале первого оборота при углах  (рис.2), сущест- венно меньших .

 

 

Рис. 2. Векторная диаграмма СД1 при отключенных выключателях Q5 и SQ

 

Известно [1,2], что как при потере питания, так и после короткого за- мыкания ресинхронизация происходит сразу же после нескольких син- хронных качаний, если точка с координатами вкл, Sвкл, соответствующая моменту подачи на двигатель резервного питания, лежит внутри области, очерченной граничной фазовой траекторией (ГФТ), построенной для дан- ного двигателя. Как при потере питания, так и при коротком замыкании, ГФТ определяется уравнением движения синхронного двигателя (СД) [3]:

 

dS

  j d

 

 mЭМ

 

 mмех ,

 

(1)

 

где

mЭМ

 mсм sin

 mac  mk

-           электромагнитный    момент           СД;

mмех  m0  ( k з  m0 )(1  S )

- момент сопротивления механизма;

 j   - постоянная времени инерции агрегата двигатель-механизм, о.е.;  j

= 314Тj, где Тj  - постоянная инерции, с;  - текущее время, о.е.; t – текущее

 

время, с; S – скольжение, о.е.;

S  1   ; S  d

d

 

;  - угловая скорость вра-

щения ротора, о.е.;

m CМ

- амплитуда синхронного (взаимного) момента,

о.е.;  - угол между осью q двигателя (рис.2) и направлением

Е с резервной

секции, рад.;

mас

- асинхронный момент двигателя, о.е.;

 

 
2

mk - генераторный

 

момент двигателя, о.е.; mk

  Eq     xd 

r

1  S

 

; r – активное сопротивление ста-

торной цепи двигателя до места замыкания, о.е.;  m0

- начальный момент

механизма, о.е.; k з

механизма.

- коэффициент загрузки двигателя;   - характеристика

Обозначив

m  mk  m0  ( k з  m0 )(1  S )

 mас     и

dS  dSd

d       dd

 S dS

d

 S dS , получим из (1):

d

 

  j

S dS

d

 

 mСМ

 

sin   m . Про-

интегрируем  последнее       выражение     при      следующих     условиях:        =0     и

mмех  k з ;

mk  mac ;

m  k з  const .

Sвкл

и   вкл

- значения скольжения и

угла в момент восстановления питания;

 kp

- максимальный угол вылета,

при котором устойчивость еще сохраняется и соответствующее значение скольжения S=0. Получим:

 

 

0

 SdS  

Sвкл

 kp

 вкл

 

mСМ

 j

 

 

sin d 

 kp

 вкл

 

md  j

 

 

и после интегрирования

 

S 2

            вкл

2

 

kp

 
 mсм (cos  j

 

 cos

 

 

вкл

 

kp

 
)  m (   j

 

  вкл

 

) ,         (2)

 

 

 

где

            arcsin   k з        .     (3)

m

 

kp                                                               0

 
см

 

 

Здесь, при заданных условиях,

жиме.

 0 - угол нагрузки в предшествующем ре-

В соответствии с (2) рассчитаны и построены на рис.3 ГФТ для двига-

теля СДН2-16-59-6, Рном  = 1600 кВт, Тj = 1,591 с,

m СМ   1,75,

m  k з   0  1 .

На этом  же рисунке также представлена ГФТ для двигателя марки ВД при

k з   1 и

Т j   4,2

с. Для любой точки, расположенной внутри области, ог-

раниченной ГФТ, ресинхронизация является успешной. Так, например, для

 

точки  a   (рис.3) с координатами

           ,  S

 

 4,5\%

 

ресинхронизация

вкл      6

вкл

обеспечена при любой загрузке двигателя ( k з  0  1 ) . Значения  вкл

и Sвкл

к  моменту восстановления  электроснабжения, определяющие  динамиче-

скую устойчивость двигателя, зависят от вида нарушения и от времени пе-

рерыва питания.

 

 

Рис.3. Граничные фазовые траектории (ГФТ) при различных коэффициентах загрузки k з :  СДН2 Тj = 1,591 с, _ . _ . _ . _ ВД Тj = 4,2 с

 

Рассмотрим случай потери питания в результате отключения выключа- теля питающей линии, например, Q5 (рис.1). Уравнение движения СД1 в этом случае имеет вид:

T  dS

j  dt

 

 mмех и

S   d           .

31,4t

 

 

После интегрирования при

дующие выражения:

m 0   0

и    0

для

S(t)

и  (t)

получаются сле-

 

 

S( t )  k з t ,   (4)

T j

 

 

k

 
 ( t )   0  314        з

Т j

t           ,           (5)

2

 
2

 

 

При

  2

(вентиляторный момент сопротивления центробежного насоса):

 

S( t )  1 

1

1  k з t

T j

 

,           (6)

 

 

T                   k  

 ( t )  

 314t  314

j ln1    з  .   (7)

0

 

k

 

è

 

ø

 
з                    T j 

 

Произвольно задаваясь временем перерыва питания ( tnn ) по формулам

(4)(7), можно определить скольжение

Sвкл

и угол

 вкл

к моменту подачи

питания и по ГФТ (рис.3) определить динамическую устойчивость двига-

теля. Результаты расчета сведены в табл.1. Из таблицы следует, что для

двигателей с

T j   1,591c  4,2c

в качестве допустимого из условий динами-

ческой устойчивости времени перерыва питания можно принять

tnn

= 0,1

с, хотя для двигателей с T j

устойчивости (см.табл.1).

 4,2c это время дает запас по динамической

 

 

Таблица 1

 

Углы, скольжения и сведения о динамической устойчивости синхронных электродвигателей в зависимости от

времени перерыва питания

 

 

 

 

Характеристики СД

 

 

t nn ,

с

  0

  2

Динамическая

устойчивость

 вкл ,

рад

Sвкл ,

\%

 вкл ,

рад

Sвкл ,

\%

СДН-16-59-6

Pном   1600кВт,  0   0,5, k з   0,8375, Tj   1,591c, m СМ   1,75

0,05

0,706

2,63

0,703

2,56

обеспечиваются

граничные условия

0,10

1,32

5,26

1,29

5,00

0,12

1,69

6,3

1,64

5,93

не обеспечивается

ВД

0   0,57, k з   1,

Т j   4,2c, m СМ   1,76

0,05

0,658

1,13

0,658

1,11

обеспечивается

0,10

0,924

2,26

0,92

2,20

обеспечивается

0,15

1,37

3,39

1,35

3,30

граничные условия

 

не обеспечивается

0,20

1,98

4,52

1,94

4,30

 

Сделанные выводы подтверждены результатами расчета электромеха- нического переходного процесса на ЭВМ по специализированной про- грамме кафедры.

При возникновении аварийной ситуации устройство АВР сначала от-

ключает выключатель резервируемого источника, например, Q5 (см.рис.1),

а затем включает секционный выключатель SQ. Время восстановления пи-

тания при этом складывается  из времени действия самого УАВР, времени отключения выключателя Q5 и времени включения выключателя SQ. И это суммарное время не должно превышать 0,1 с. Современные наиболее бы- стродействующие вакуумные выключатели имеют время отключения по- рядка 0,03 с, а время включения 0,040,05 с. Таким образом, для обеспече- ния динамической устойчивости синхронных  электродвигателей  при ис- чезновении питания и последующем его  восстановлении время действия УАВР не должно превышать 0,02 с.