Гондуров С.А., Михалев С.В., Пирогов М.Г., Захаров О.Г., НТЦ «Механотроника», С-Петербург

Расчет уставок для цифровых устройств релейной защиты

 

Данная работа продолжает серию статей [29-33], в которых рассмотрены примеры расчета уставок для разных алгоритмов цифровых устройств релейной защиты.

Как и ранее, расчёт уставок произведен в первичных значениях токов, а после его окончания все уставки переведены во вторичные значения токов.

 

Часть 7. Уставки для алгоритма защиты синхронного двигателя от асинхронного режима.

 

Согласно требованиям ПУЭ [18] для синхронных электродвигателей (СД) должна предусматриваться защита от асинхронного режима реле, реагирующего на увеличение тока в обмотках статора с независимой от тока характеристикой выдержки времени.

Эта защита может быть совмещена с защитой от токов перегрузки и отстроена по времени от тока пускового режима и тока, соответствующего форсировке возбуждения.

Из теории электрических машин [17] известно, что о.к.з. представляет собой отношение тока возбуждения

i_во, соответствующего номинальному напряжению E₀ = Uном по характеристике холостого хода, к току возбуждения i_в.н. , соответствующему номинальному току Iкз = Iном по характеристике трехфазного короткого замыкания (51):

 

 

Пример характеристики КЗ для синхронного генератора приведен на рис. 1.  Согласно [17] для синхронных явнополюсных машин значение о.к.з = 0,4- 1,4.

ПУЭ [18] допускает применение защиты с зависимой от тока характеристикой для СД с отношением короткого замыкания (о.к.з.) более 1.

 

 

При выполнении схемы защиты должны приниматься меры по предотвращению отказа защиты при биениях тока асинхронного режима. Допускается применение других способов защиты, обеспечивающих надежное действие защиты СД при возникновении асинхронного режима.

Защита СД от асинхронного режима должна действовать с выдержкой времени на одну из схем, предусматривающих:

1) ресинхронизацию СД;

2) ресинхронизацию СД с автоматической кратковременной разгрузкой механизма до такого уровня, при котором обеспечивается втягивание СД в синхронизм (при допустимости кратковременной разгрузки по условиям технологического процесса);

3) отключение СД и повторный автоматический пуск;

4) отключение СД (при невозможности его разгрузки или ресинхронизации, при отсутствии необходимости автоматического повторного пуска и ресинхронизации по условиям технологического процесса).

   Как известно, длительная работа СД в асинхронном режиме (потеря возбуждения) приводит к тепловым перегрузкам и перегреву обмотки статора и демпферных контуров ротора. Защита СД от потери возбуждения, как правило, выполняется на основе максимальной токовой защиты с регулируемым временем возврата. Однако, такое исполнение защиты не позволяет защитить СД работающих с технологическими перегрузками. Поэтому целесообразно всегда выполнять защиту от асинхронного режима аналогично защите синхронных генераторов - на основе реле сопротивления [24].

По методике, приведенной в [5], проанализируем изменение сопротивления на выводах питания СД

(рис. 2).

 

 

        При нормальном режиме работы (с опережающим ) вектор полного сопротивления прямой последовательности на выводах питания двигателя находится во 2-м квадранте (двигатель отдает реактивную мощность и потребляет активную).

При потере возбуждения двигатель начинает потреблять из сети значительную реактивную мощность, но продолжает потреблять активную мощность, а вектор полного сопротивления смещается в 3-й квадрант.

Согласно экспериментальным исследованиям [5], сопротивление на выводах СД при потере возбуждения (см. рис. 2, кривая 1), может изменяться в диапазоне:

 

 

где x^′′_d – сверхпереходное сопротивление СД, Ом,

x_d – индуктивное сопротивление прямой последовательности СД, Ом.

Учитывая это, в блоках БМРЗ характеристика области срабатывания алгоритма защиты СД от асинхронного режима выполняется в виде окружности, расположенной симметрично на комплексной плоскости относительно оси jX (рис. 3).

 

 

Окружность с центром на оси jX проходит через точки (0,3 ÷ 0,5)x^′′_d  и (1,1÷1,4)x _d^..

Рассмотрим пример расчета уставок для алгоритма защиты СД типа СТД-4000-2 от асинхронного режима.

Данные для расчета:

Номинальная мощность на валу двигателя:

Номинальная полная мощность двигателя: S_ном.дв. = 4560 кВА

Номинальное напряжение:

Сверхпереходное сопротивление двигателя:

Сопротивление двигателя:

Для того, чтобы найти сверхпереходное сопротивление и сопротивление прямой последовательности СД,  в именованные единицах, необходимо знать базисное сопротивление, найти которое, используя расчетные данные, можно по формуле (53):

 

 

 

Для определения сверхпереходного сопротивления в именованных единицах по известному значению базисного сопротивления применяют формулу (54):

 

 

 

 

 

Индуктивное сопротивление в именованных единицах находят по формуле (55):

 

 

 

Учитывая сказанное выше о возможном диапазоне изменения сопротивления СД (52), выбираем точки пересечения оси jX – 1,24 Ом и 53 Ома и строим характеристику защиты от потери возбуждения (перехода в асинхронный режим) для СД типа СТД-4000-2 (рис. 4).

 

 

 

 

Время срабатывания этого алгоритма защиты принимают равным 1 ÷ 2 с.  Работа алгоритма защиты СД от асинхронного режима автоматически блокируется при наличии:

- сигнала включения автомата гашения поля (АГП), формируемого блоком цифровой релейной защиты;

- внешнего сигнала на включение АГП (например, при управлении процессом гашением поля в ручном режиме).

Достоинством данного алгоритма защиты является корректность процесса выявления факта потери возбуждения, а также простую методику расчёта уставок.

Зависимость работы алгоритма защиты от исправности измерительных цепей напряжения является его недостатком.

 

Литература:

1. Алгоритмы защиты, выполняемые БМРЗ в кодах ANSI// Материал размещен на странице: http://bmrz-zakharov.narod.ru/new/_ANSI.htm

2. Александров А.М. Выбор уставок срабатывания защит асинхронных электродвигателей напряжением выше

1 кВ. М.: Энергоатомиздат, 1987.

3. Афанасьев В.В., Адоньев Н.М, Кибель В.М. и др. Трансформаторы тока. – Л.:Энергоатомиздат, 1989

4. Беляев А.В. Противоаварийное управление в узлах нагрузки с синхронными двигателями большой мощности. – М.: НТФ «Энергопресс», 2004

5. Вавин В.Н. Релейная защита блоков турбогенератор-трансформатор. – М.: Энергоиздат, 1982

6. ГОСТ 183-74. Межгосударственный стандарт. Машины электрические вращающиеся. Общие технические условия, изд. июль 2001 г. (отменен 01.07.2010 г)

7. ГОСТ 7746-2001 Межгосударственный стандарт. Трансформаторы тока. Общие технические условия.

8. ГОСТ 8865-93. Межгосударственный стандарт. Системы электрической изоляции. Оценка нагревостойкости и классификация.

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

10. ГОСТ Р 52776-2007. Национальный стандарт РФ. Машины электрические вращающиеся. Номинальные данные и характеристики. (введен с 01.01.2008 г.)

11. Захаров О.Г., Фрейцис И.И. Метод определения коэффициента загрузки асинхронного электродвигателя.

//Вопросы судостроения, серия Судовая электротехника и связь, 1985, вып. 42, С.78

12. Захаров О.Г., Фрейцис И.И. Энергосберегающий метод испытаний на нагревание судового электрооборудования.// Вопросы судостроения, серия Промышленная энергетика, 1983, вып. 3 , С. 82.

13. Информация об алгоритмах, выполняемых блоками БМРЗ и БМРЗ-100 различных исполнений и модификаций // Материал размещен на странице: http://bmrz-zakharov.narod.ru/algoritmy.htm

14. Исследование цифровых устройств защиты электродвигателей серии БМРЗ-Д на физической модели.// Статья размещена на странице :http://www.olgezaharov.narod.ru/BMRZ-D.pdf

15. Корогодский В.И., Кужеков С.Л., Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ. – М.:Энергоатомиздат, 1987

16. Королев Е.П., Либерзон Э.М. Расчеты допустимых нагрузок в токовых цепях релейной защиты. М.: Энергия, 1980.

17. Костенко Л.М., Пиотровский Л.М. Электрически машины. М.: Энергия, 1973, в 2-х частях.

18. Правила устройства электроустановок. М.: Госэнергонадзор России, 1998, 608 с.

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

20. РД 153-34.0-35.301-2002. Инструкция по проверке трансформаторов тока, используемых в схемах релейной защиты и измерения

21. РД 34.35.310-97. Общие технические требования к микропроцессорным устройствам защиты и автоматики энергосистем. М.: ОРГРЭС, 1997, 36 с.

22. Рекомендации по выбору алгоритмов зашит электродвигателей, предусмотренных в блоках БМРЗ и БМРЗ-100// Материал размещен на странице: http://bmrz-zakharov.narod.ru/Zash.htm

23. Слодарж М.И. Режимы работы, релейная защита и автоматика синхронных двигателей. М.: Энергия, 1977

24. Соловьёв А.Л. Защита генераторов малой и средней мощности терминалами «Сириус-ГС».

М.: НТФ «Энергопрогресс» 2009 г.

25. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей. М.: Энергоатомиздат, 1984.

26. Фигурнов Е.П., Жарков Ю.И., Петрова Т.Е. Релейная защита сетей тягового электроснабжения переменного тока. М.: Маршрут, 2006, 272 с.

27. Чернобровов Н.В. Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. – М.:Энергоатомиздат, 1998

28. Шабад М.А. Защита от однофазных замыканий на землю в сетях 6-35 кВ. СПб, ПЭИПК, 2001

29. Шабад М.А. Трансформаторы тока в схемах релейной защиты. Экспериментальная и расчетная проверки. Конспект лекций. СПб, ПЭИПК, 2010.

30. Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. М.: Энергоатомиздат, 2007, 549 с.

31. Гондуров С.А., Михалев С.В., Пирогов М.Г., Захаров О.Г. Расчет уставок для цифровых устройств релейной защиты. Токовая отсечка. //Материал размещен на страницах: http://bmrz-zakharov.narod.ru/raschet/to.htm

и http://www.elec.ru/articles/raschet-ustavok-dlya-cifrovyh-ustrojstv-relejno/

32. Гондуров С.А., Михалев С.В., Пирогов М.Г., Захаров О.Г. Расчет уставок для цифровых устройств релейной защиты. Часть 2. Дифференциальная защита электродвигателя. //Материал размещен на страницах:

http://bmrz-zakharov.narod.ru/raschet/DZT_DTO.htm и http://www.elec.ru/articles/raschet-ustavok-dlya-cifrovyh-ustrojstv-relejnoj-z/

33 Гондуров С.А., Михалев С.В., Пирогов М.Г., Захаров О.Г.Расчет уставок для цифровых устройств релейной защиты. Часть 3. Алгоритм дифференциальной защиты электродвигателя с торможением.// Материал размещен на страницах: http://bmrz-zakharov.narod.ru/raschet/DZT_DTO2.htm и

http://www.elec.ru/articles/raschet-ustavok-dlya-cifrovyh/

34. Гондуров С.А., Михалев С.В., Пирогов М.Г., Захаров О.Г.Расчет уставок для цифровых устройств релейной защиты. Часть 4. Защита от замыканий на землю// Материал размещен на страницах:

http://bmrz-zakharov.narod.ru/raschet/ZZ2.htm и http://www.elec.ru/articles/raschet-ustavok-dlya-cifrovyh-ustrojstv-relejn/

35. Гондуров С.А., Михалев С.В., Пирогов М.Г., Захаров О.Г. Расчет уставок для цифровых устройств релейной защиты. Часть 5 Защита электродвигателей от перегрузки. // Материал размещен на странице:http://www.bmrz-zakharov.narod.ru/raschet/overload.htm

36. Гондуров С.А., Михалев С.В., Пирогов М.Г., Захаров О.Г. Расчет уставок для цифровых устройств релейной защиты. Часть 6. Защита электродвигателей от перегрузки с помощью алгоритма «тепловая модель электродвигателя»//Материал размещен на странице: http://www.elec.ru/articles/raschet-ustavok-dlya-cifrovyh-ustro6/