ON IMPROVING THE WORK OF ELECTROSUPPLY SYSTEMS WITH OWN GENERATION WHEN USED IN THE DISTANCE DETECTORS OF RELAY PROTECTION ONE-PHASE TRANSFORMERS WITH ROTATING MAGNETIC FIELD

Abstract


The problems of improving the operation of electrotechnical complexes (ETC) for power supply systems of electricity prosumers’ industrial enterprises with their own generation are discussed , and solutions using an innovative approach to the implementation of distance relay protection are offered. The issues concerning the inefficiency of the overcurrent protection for the lines exiting bus 6 (10) kV busses, as well as the disadvantages and the specific features of the use of the well-known ways to implement distance relay protection are treated. According to the results of the calculations for some plants and, in particular, in this paper for a certain typical enterprise, the levels of short circuit currents in the calculated points of the prosumer’s power station main connections circuit are analyzed. This allows, for industrial enterprises ETCs, to state the need to propose a way of improving the relay protection distance detectors based on the use of one-phase rotating magnetic field transformers. The experimental dependences are presented, reflecting the operation of these devices and characterizing the efficiency of their application in the relay protection of the ETCs in question.

Full Text

В соответствии с «Энергетической стратегией России на период до 2030 года» (утвержденной распоряжением Правительства РФ от 13.11.2009 № 1715-р, раздел V, подраздел 6) для повышения энерговооруженности и надеж ности энергоснабжения предприятиями различных отраслей промышленности ведется развитие собственных электротехнических комплексов путем строитель ства объектов малой распределенной генерации электрической энергии в виде электростанций собственных нужд (ЭСН) электрической мощностью от 1 до 50 МВт. В составе генерирующих мощностей данных ЭСН используются преиму щественно модульные (контейнерные) дизельные, газопоршневые, газотурбин ные агрегаты электрической мощностью от 1 до 5 МВт, количеством до 10 еди ниц, вырабатывающие электрическую энергию на напряжении 6(10) кВ, исполь зуемую для покрытия собственных нужд технологического процесса производ ства и направления излишек в общую электрическую сеть. При этом проектиро вание и эксплуатация подобных электротехнических комплексов вызывают ряд сложностей, в частности при выполнении релейной защиты (РЗ) линий 6-10 кВ, питающих нагрузки предприятия, а также обеспечивающих связь с энерго системой. Рис. 1. Вариант выполнения схемы главных соединений ЭСН промышленного предприятия при наличии связи с энергосистемой На рис. 1 приведен пример реализации схемы главных соединений ЭСН промышленного предприятия. Данная схема включает в себя главное распреде лительное устройство ЭСН (ГРУ), выполненное по принципу одной системы шин 6(10) кВ с секционированием, генераторные установки (Г1 - Г3), отходя щие линии (ОЛ) питания нагрузок предприятия, а также линии связи каждой секции шин ГРУ-6(10) кВ с энергосистемой через подстанцию ПС «А». Пред ставленная главная схема обеспечивает параллельную работу от одной до трех генераторных установок совместно с энергосистемой «в острове», на нагрузки промышленного предприятия, а также питание нагрузок предприятия от подстанции ПС «А» при отсутствии генерации. По аналогии с изображенной на рис. 1 схемой выполнена ЭСН предприятия по производству сельхозтех ники, расположенного на территории Краснодарского края. В ее состав входят три газопоршневых генераторных агрегата (ГПГА) 1750 GQNB/C (Cummins, Ве ликобритания) электрической мощностью 1750 кВт, напряжением 10,5 кВ. Па раллельная работа ЭСН с энергосистемой предусматривается через РУ-10 кВ подстанции с приведенными значениями реактансов коротких замыканий (КЗ) 0,812 Ом и 1,191 Ом в максимальном и минимальном режимах соответственно. Для данного объекта при помощи программного комплекса DigSILENT® Power Factory® выполнен проектный расчет токов КЗ в различных режимах работы ЭСН, в различных точках (см. рис. 1), результаты которого приведены в таблице. Результаты расчета тока КЗ ЭСН, кА Режим работы Расчетная точка КЗ К1, К2 К3, К4 К5, …, Кn Работа трех ГПГА ЭСН параллельно с ЭС макс. 9,846 10,338 4,473 мин. 6,136 6,259 2,97 Работа двух ГПГА ЭСН параллельно с ЭС макс. 9,019 9,169 3,942 мин. 5,77 5,916 2,558 Работа одного ГПГА ЭСН параллельно с ЭС макс. 8,189 8,89 3,411 мин. 5,403 5,573 2,146 Работа трех ГПГА ЭСН «в острове» макс. 2,59 2,169 1,593 мин. 1,101 1,121 1,21 Работа двух ГПГА ЭСН «в острове» макс. 1,661 1,518 1,072 мин. 0,732 0,715 0,836 Работа одного ГПГА ЭСН «в острове» макс. 0,832 0,785 0,547 мин. 0,366 0,373 0,422 Питание нагрузок предприятия от ЭС макс. 7,357 8,169 2,88 мин. 5,035 5,29 1,734 Анализируя представленные в таблице данные, можно сделать вывод о различии уровней токов КЗ в каждой расчетной точке в зависимости от режимов работы источников питания ЭСН. Особенно данное различие проявляется между режимами совместной работы с энергосистемой и работой генерации ЭСН «в острове». В данных условиях использование на отходящих от ГРУ-6(10) кВ ЭСН линиях максимальных токовых защит часто оказывается неэффективным по обеспечению нормативной чувствительности. Переключение групп уставок защит, реализуемое большинством современных микропроцессорных терминалов релейной защиты, в полной мере решить данную проблему не позволяет, прежде всего зачастую из-за малого числа сохраняемых групп, а также необходимости пренебрегать селективностью с нижестоящими защитами ради повышения чувствительности при работе генерации «в острове», что снижает надежность бесперебойного электроснабжения конечных потребителей. Оптимальным решением данной проблемы является использование на отходящих линиях от ГРУ-6(10) кВ ЭСН РЗ, функционирование которой не зависит от режимов работы источников питания, а определяется параметрами защищаемого оборудования. Такой защитой является дистанционная защита (ДЗ), определяющая КЗ по сопротивлению до места его возникновения. Однако применение устройств ДЗ в системе РЗ подобных объектов является затруднительным по причине высокой стоимости и сложности современных микропроцессорных терминалов, реализующих данную функцию, а также значительного возраста и низких эксплуатационных и технических показателей электромеханических и полупроводниковых аналогов. Поэтому задача разработки и совершенствования устройств ДЗ для применения в системе РЗ электротехнических комплексов промышленных предприятий, сочетающих высокие технические показатели работы, простоту конструкции, а также сниженную стоимость, является актуальной. Рис. 2. Структурная схема дистанционной защиты линии электропередач На рис. 2 представлена типовая структурная схема дистанционной за щиты линии электропередач. Ее работа определяется функциональной связью и взаимодействием различных органов, входящих в ее состав: измерительных (ОНМ, ДО), логических (ЛО, КТ), исполнительных (ИЧ). Причем основным из мерительным органом ДЗ является дистанционный орган (ДО). ДО относятся к органам с двумя входными воздействующими величинами и реа гируют на отношение напряжения к току в месте их установки (так называемое входное сопротивление). Это входное сопротивление пропорционально расстоя нию до места КЗ, поэтому дистанционные органы также называют реле сопро тивления. Технические характеристики дистанционных органов во многом опре деляют показатели работы дистанционной защиты, такие как точность и быстро действие. Интересным подходом в вопросе совершенствования ДО является примене ние в их составе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным по лем (ОТВП) [1]. Принципиальная схема такого устройства приведена на рис. 3. Подробное описание взаимосвязи ее элементов и принципов функциониро вания приведено в [2-4]. Изображенная схема использует в своей работе простой алгоритм сравнения по абсолютному значению с помощью выпрямления двух электрических величин Е1 и Е2, представляющих собой функцию входных напряжения и тока, аналогичный описанному в [7] и использованному в реле со противления типа ДЗ-2 [8]. Формирование величин Е1 и Е2 происходит за счет соответствующей намотки, пространственного расположения и соединения об моток датчиков тока ОТВП(i) и напряжения ОТВП(u). Рис. 3. Принципиальная схема ДО на основе ОТВП Использование в составе устройства ОТВП позволяет добиться ряда техни ческих преимуществ перед традиционными схемами, таких как: - формирование посредством ОТВП информационных признаков входных сигналов без дополнительной нагрузки на логическую часть устройства; - выполнение ОТВП гальванической развязки логической части ДО и це пей первичных измерительных трансформаторов тока и напряжения; - получение на выходах ОТВП величин в виде многофазных систем напря жений и применение многофазного выпрямления для снижения пульсаций на входе логической части устройства; - отсутствие необходимости использования на входе логической части ДО сложных фильтров и сглаживающих устройств с большими постоянными вре мени. Таким образом, использование ОТВП в составе ДО способствует повыше нию точности работы, увеличению быстродействия, упрощению конструкции и алгоритмов работы, повышению надежности, снижению стоимости самого устройства и в конечном результате ДЗ. На рис. 4 представлены математическая модель ДО в матричной форме и алгоритм его работы [5]. На основании их разработаны компьютерная модель ДО на основе ОТВП и его экспериментальный образец, с помощью которых произ ведено подтверждение теоретических основ формирования подобного ДО и про ведена экспериментальная оценка основных технических характеристик полу ченного устройства в сравнении с некоторыми современными аналогами с ис пользованием комплекса РЕТОМ-51 [6]. На рис. 5-7 представлены основные результаты исследований. Рис. 4. Математическая модель и алгоритм работы ДО на основе ОТВП а б Рис. 5. Экспериментальные характеристики срабатывания в комплексной плос кости опытного образца ДО на основе ОТВП с параметрами Z0 = 10,42 Ом, r0 = 15,48 Ом, φмч = 69,50 (а) и терминала REF630 (Asea Brown Boveri Ltd., Финляндия) (б) Рис. 6. Зависимости времени срабатывания от входного сопротивления для ДО на основе ОТВП (1) и терминала REF630 (2) Рис. 7. Зависимости погрешности срабатывания ДО на основе ОТВП (1) и терминала REF630 (2) в направлении угла максимальной чувствительности при искажении входного сигнала тока Проведенные экспериментальные исследования подтвердили основные тео ретические положения о работе ДО на основе ОТВП. Представленные на рис. 5-7 зависимости демонстрируют сопоставимость основных технических характеристик ДО на основе ОТВП и микропроцессорного устройства производ ства одного из лидеров отрасли. Также отмечено некоторое превосходство по быстродействию - на 0,02 с, по точности работы - на 6-8 % для эксперименталь ного образца предлагаемого устройства. Таким образом, полученные данные, общая простота конструкции и алго ритма функционирования, а также сниженная при серийном изготовлении стои мость по сравнению с современными микропроцессорными аналогами дают воз можность применения ДО на основе ОТВП в составе дистанционной защиты электротехнических комплексов промышленных предприятий с собственной ге нерацией, тем самым повышая эффективность их работы.

About the authors

Gennadiy A Zakharov

Kuban State Technological University

2, Moskovskaya St., Krasnodar, 350072, Russia
Assistant.

References

  1. Патент 2333562 РФ. Однофазный трансформатор вращающегося поля / Б.А. Коробейников, Д.И. Сидоров (РФ). - 5 с.
  2. Патент на полезную модель 128408 РФ. Реле сопротивления / Б.А. Коробейников, А.Б. Коробейников, В.М. Радионов, Г.А. Захаров (РФ). - 5 с.
  3. Патент на полезную модель 108888 РФ. Реле полного сопротивления / Б.А. Коробейников, А.Б. Коробейников, В.М. Радионов, Г.А. Захаров (РФ). - 5 с.
  4. Коробейников Б.А., Захаров Г.А., Радионов В.М. Дистанционный орган релейной защиты на основе преобразователей с вращающимся магнитным полем / // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2013. - № 3. - С. 68-72.
  5. Коробейников Б.А., Захаров Г.А., Сидоров Д.И., Мироненко В.В. Дистанционный орган в виде реле полного сопротивления на основе преобразователей с вращающимся магнитным полем // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2014. - № 05(099). - IDA [article ID]: 0991405009. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/09.pdf, 0,750 у.п.л.
  6. Коробейников Б.А., За харов Г.А. Дистанционные органы релейной защиты. Пути совершенствования // Новости электротехники: информационно-справочное издание. - 2014. - № 4. - С. 28-30.
  7. Фабрикант В.Л. Основы теории построения измерительных органов релейной защиты и автоматики (органы с двумя электрическими величинами). - М.: Высшая школа, 1968. - 267 с.
  8. Шнеерсон Э.М. Полупроводниковые реле сопротивления. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 144 с.

Statistics

Views

Abstract - 39

PDF (Russian) - 5

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2015 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies