9.4. Упрощённое описание процесса самозапуска нагрузки при авр. Отключение менее ответственных потребителей, защита минимального напряжения.

При любом отключении оборудования, а также его включения – имеет место переходный процесс. В данном случае – включение от устройств АПВ/АВР. Если рассматривать линии распределительной сети, которые подключены к ПС через отпайки, для АПВ этих линий стараются выбирать выдержки времени неодинаковыми для того, чтобы пусковые токи самозапуска не накладывались друг на друга, чтобы процессы протекали неодновременно.

Аналогичный подход и для АВР. В качестве причины перерыва электроснабжения выступает отключение выключателя рабочего ввода и включение выключателя резервного ввода или СВ. Наиболее характерный пример – механизм СН на станции: случай, когда потребители практически не теряют электропитание и восстанавливают работу. При действии устройства АВР на ТСН, агрегаты продолжат функционировать, но для этого обязательно необходимо обеспечить самозапуск ответственных механизмов после восстановления напряжения вслед за работой АВР.

Самозапуск при АВР

1) Определение потребителей:

• участвующих в самозапуске

• тех, которые могут быть отключены с последующим включением вручную

• тех, которые могут быть отключены с последующим включением поочередно (автоматически) после восстановления напряжения в процессе самозапуска

2) Анализ электромеханических процессов

• коэффициент пуска (k_п = 1,5…3)

3) Кратность тока в линии при АВР < Кратность пускового тока отдельного включаемого двигателя

4) Длительность самозапуска при АВР зависит:

• зависит от напряжения на зажимах двигателя (после АВР)

• зависит от момента сопротивления приводимого механизма

• зависит от значения скольжения до которого затормозился двигатель

Первоначально, на ПС, в которых находится более разнородная нагрузка, нежели чем в ТЭЦ, считалось, что в цикле АВР для промышленной ПС допустимо полное прекращение работы, а устройство АПВ и АВР исполняют задачу восстановления напряжения на шинах. Это было связано с тем, что пускатели ответственных механизмов выполнялись с мгновенным отключением при перерыве электропитания, поэтому обесточивание механизмов происходило даже при кратковременном понижении напряжения при КЗ. Дополнительным усложнением было то, что присутствуют потребители с СД. Исходя из этого, возникла необходимость разработки комплекса мероприятий, которые обеспечивали бы продолжение технологического процесса при кратковременных перерывах нормального электроснабжения: КЗ, цикл АПВ, АВР.

Есть устройства защиты минимального напряжения, которые отключают потребителей при снижении напряжений. Одна из их задач – обеспечение успешного самозапуска тех потребителей, которые не отключаются (более ответственные).

Если есть синхронная нагрузка, то первое, что должны выполнить – снять возбуждение с СД. Пусковой режим становится асинхронной нагрузкой и разгоняется до синхронной частоты. После этого, автоматически подаётся возбуждение и двигатель втягивается в синхронизм. Если речь идёт о БАПВ и БАВР – для таких устройств допустимо повторное включение СД (так как есть минимальная выдержка времени).

Нас интересуют электромеханические переходные процессы при самозапуске от АВР.

Формулы позволяют сделать грубую оценку, чтобы выбрать параметры срабатывания АВР. Для того чтобы описать электромеханические ПП при перерывах питания необходимо учесть изменение токов и напряжений в системе электропитания. После восстановления напряжения, по питающим линиям, будет проходить ток значительно превосходящий нормальный. Для этого вводится пусковой коэффициент, зависящий от состава и назначения нагрузки. Состав нагрузки мы знаем – объём двигательный нагрузки (процентное соотношение между АД и СД). Обобщая это всё, мы можем говорить об общем коэффициенте пуска (от 1,5 до 3).

Рис.1 Схемы замещения АД.

Описание схемы замещения АД: в первый момент включения Д, возникает большой бросок тока намагничивания – это апериодическая составляющая пускового тока. Этому моменту будет соответствовать минимальное сопротивление х_𝜇 – это сопротивление будет очень быстро увеличиваться. Изменение пускового тока по времени имеет периодический характер.

Начальный бросок пускового тока затухает в течение 1-2 периодов. Если защита действует со временем более 0,1 с, то бросок пускового тока практически не оказывает никакого влияния.

Рис.2 Фрагмент осциллограммы при пуске АД

На осциллограмме показан пусковой ток, имеющий как периодическую, так и апериодическую составляющие. Во второй части – значение номинального тока, соответствующему номинальному скольжению.

Т.к. х_𝜇 быстро увеличивается и активное сопротивление статора по сравнению с индуктивностью мало, то для качественного анализа схему упрощают до второй на рисунке схемы. Таким образом, мы получаем последовательное соединение сопротивлений. После чего, мы можем вычислить ток, по формуле:

Для того, чтобы оценить значение периодической составляющей вводят понятие критического скольжения:

Формула справедлива, если активное сопротивление обмотки статора значительно меньше индуктивного сопротивления Д и х_𝜇 → ∞. Выражая из формулы активную составляющую, и подставляя е` в формулу тока – получаем следующую формулу тока.

Периодическая составляющая пускового тока (при s = 1) может быть вычислена как:

Для АД величина критического скольжения составляет около 10-20%. Для грубой оценки периодической составляющей пускового тока:

Этот ток по величине будет равен току КЗ за сосредоточенной индуктивностью двигателя. При нормальной работе можно вычислить значение номинального тока.

Кратность пускового тока АД, включаемого под полное номинальное напряжение по отношению к номинальному току, также может быть вычислена.

Номинальное скольжение составляет около 2-4 %. Если подставить значение критического скольжения равного 0,1 и номинального скольжения равного 3 %, то получим кратность пускового тока около 3. Преобразуя второе выражение для тока, а также выражение для пускового тока можем получить следующее соотношение:

Вместе с тем, при уменьшении скольжения, кратность тока по отношению к пусковому уменьшается.

Рис.3Зависимость кратности тока от скольжения

При , кратность пускового тока около 0,7. – остановка Д. Если Д включается не при номинальном напряжении, а при пониженном, то ток уменьшается прямо пропорционально напряжению. Если Д включается при U = 0,7U_ном, то кратность пускового составит 70% по отношению к кратности при включении Д при номинальном напряжении. Эта зависимость должна быть учтена при выборе параметров срабатывания устройств АВР. После работы устройств АВР часть Д отключается защитой минимального напряжения, которая обеспечивает более благоприятные условия для самозапуска оставшихся потребителей.

Так как нагрузка состоит не только из АД, то кратность тока по отношению к номинальному току в момент АВР будет меньше, чем кратность пускового тока длительно включаемого двигателя.

Вместе с тем, есть ряд факторов, приводящих к уменьшению пускового коэффициента: после автоматической повторной подачи напряжения (через 2 с после исчезновения), АД большинства механизмов не останавливаются, а притормаживаются. Поэтому, если знать скольжение Д в момент появления напряжения на питающем вводе, можно более точно определить пусковой ток воспользовавшись формулами выше.

Кроме того, длительность процесса самозапуска ещё зависит от напряжения на зажимах Д после успешного действия АВР.

ЗМН: как определить зону ответственности устройств защиты минимального напряжения? Если первоначально осуществляется расчёт электромеханических ПП не упрощённо и оказывается, что при отключении или обесточивании секции при работе устройств АВР и последующем включении, ВСЕ двигатели успешно самозапускаются, то тогда не выделяются никакие механизмы, отключаемые при АВР. Если все механизмы не могут одновременно участвовать в самозапуске (самозапуск неуспешный), то тогда выделяются механизмы, которые могут быть кратковременно отключены.

Также играют роль момент сопротивления приводимого механизма и значение скольжения при котором Д затормозился в момент подачи напряжения.

Момент определяется той мощностью, которая теряется на этом сопротивлении.

Вводим некоторый коэффициент пропорциональности , который будет учитывать КПД агрегата. Подставляя предыдущие выражения тока, получаем формулы для момента, развиваемого Д.

Момент имеет наибольшее значение, при величине скольжения равное критическому. Подставляя это значение, мы получаем в знаменателе удвоенное индуктивное сопротивление.

Отсюда, записывается текущее значение момента через максимальное.

Чаще всего, значение момента относят к моменту, развиваемого Д при номинальной нагрузке.

В максимальном режиме знаменатель будет равен удвоенному числителю и тогда, в начальный момент, который развивается Д при , получаем конечную формулу.

Если подставить значение критического скольжения 20%, и решим, что текущее значение U_ф=U_ном, то получим, что в начальный момент, отношение момента, развиваемого Д к моменту при номинальной нагрузке = 40%. Если Д остановлен, то после включения в сеть, он сможет развернуться и достичь нормального скольжения в том случае, если развиваемый Д момент будет больше момента сопротивления.

Обозначим – момент сопротивления приводимого механизма. Момент сопротивления может быть постоянным и не зависеть от частоты вращения (станки, мельницы), а могут и зависеть (насосы, вентиляторы). При постоянном моменте сопротивления – характеристика 1. Момент сопротивления вентилятора – характеристика 2. Возможно, что момент сопротивления может быть с фазным ротором – характеристика 3. Если с АД с КЗР – характеристика 4.

Рис.4 Самозапуск при АВР – зависимость момента от скольжения Д

Для того, чтобы АД смог развернуться, приводя в действие некоторые механизмы с постоянным сопротивлением, Д выполняют, чаще всего, с КЗР и характеристикой по типу 4.

Рис.5 Самозапуск при АПВ/АВР – фрагмент расчётной схемы

На Рис. 5 представлен фрагмент расчётной схемы для того, чтобы определить те Д, которые мы оставляем для самозапуска после АВР. Рассмотрим наиболее простой случай явного резервирования. Использование устройства АВР подобно включению этого источника от устройства АПВ (как за время бестоковой паузы). Возбуждение СД обязательно должно быть снято, поле погашено и Д переводят в пусковой асинхронный режим. Вместе с тем, отключены и менее ответственные потребители, поэтому для самозапуска остаётся нагревательная нагрузка и ответственная нагрузка с асинхронным пусковым моментом.

Для обеспечения самозапуска Д необходимо, чтобы вращающий момент Д с присоединённой к его валу нагрузкой, превышал момент сопротивления. Для этого: зная характеристику выбега агрегата и время перерыва питания на питающем управлении до момента повторной подачи напряжения, в первую очередь, определяют скольжение (чтобы правильно оценить величины тока и напряжения). Если не можем определить величину скольжения, то принимается, что за время бестоковой паузы, агрегаты полностью остановились (наиболее тяжёлый расчётный случай). Затем, по характеристикам вращающих моментов, определяют к какому уровню напряжения соответствует та область скольжения, к которой агрегат развернется до уровня номинальной частоты вращения (для АД, для СД – до подсинхронной частоты). Уровень напряжения на шинах определяет мощность Д, которые можно оставить под самозапуск. Характеристика вращающего момента на всём диапазоне скольжения от конечного (на котором Д затормозился) до критического должна превышать момент сопротивления примерно на 15%.

Если напряжения на шинах определить затруднительно, то принимается U = 0,7U_ном. После этого, составляется расчётная схема, в котором напряжение принимается на 5% выше номинального (уже произошло АПВ/АВР) [по ПУЭ напряжение может превышать на 5 % номинальное, это сделано, например, с помощью РПН]. Затем, есть внешнее сопротивление линий и питающих трансформаторов, также есть суммарное сопротивление параллельных Д, которые оставляются для самозапуска. Под Х_д принимается индуктивное сопротивление Д, соответствующее моменту включения под номинальное напряжение при текущем скольжении. Для облегчения выполнения расчётных условий:

Если принимаем, что в цикле АПВ или АВР Д полностью остановились, а напряжения при подаче соответствуют 0,7U_ном, то условие успешного самозапуска определяются следующим выражением:

Для успешного самозапуска в определённых раннее условиях, индуктивное сопротивление оставленных Д должно быть больше двойного индуктивного сопротивления питающей сети.

При нормальном напряжении периодическая составляющая пускового тока определяется как:

В реальных условиях эксплуатации успешный самозапуск проверяется испытаниями.

Есть задача в уменьшении времени АПВ и АВР. Самозапуск также возможен при остаточном напряжении и меньшем, чем 0,7U_ном, но время достижения рабочей частоты затягивается и может быть неприемлемым не для самого Д, а для технологического процесса производства (около 32 с, при 0,5U_ном – неприемлемая ситуация). Если сократить время перерыва питания до 0,5 с, то процесс самозапуска займёт 1,5 с. Кроме выдержки времени, важное значение имеет характеристика моментов, развиваемых тем или иным Д (на неё мы не можем повлиять). Вместе с тем, облегчают условия самозапуска – например, групповой самозапуск, когда в начале запускают Д с меньшей инерцией и меньшим моментом сопротивления. Всё это относится к схемам явного резервирования.

Рассмотрим неявное резервирование. При отключении одного из Т, питаемая нагрузка переводится через СВ на Т, с нагрузкой любой секции. При этом, мощность каждого из этих Т должна быть достаточной, для питания всей ПС. Этот режим является расчётным для обеспечения самозапуска в цикле АПВ, когда одно из питающих устройств отключается.

Условие успешности – сохранение в работе всех тех механизмов, которые уже находились в работе и успешный самозапуск потребителей секции резервирования. В момент включения СВ после отключения повреждённого источника на обоих секциях устанавливается одинаковое напряжение.

Рис.6 Схема АВР для 2 трансформаторных ПС

Рассматриваем АВР 2 секции после включения СВ. Если ответственные потребители обеих секций только АД с КЗР, то напряжение на шинах после АВР после обеспечения успешного самозапуска, можем принять таким же, какое оно было. Точное такое же напряжение будет и на 1 секции. Под влиянием сниженного напряжения в момент вращения АД потребителей в 1 секции будет уменьшаться по квадратичному закону. Если процесс самозапуска будет относительно продолжительным, то скольжение Д на 1 секции могут достичь критического значения. При таком скольжении двигатели 1 секции начнут потреблять ток соответствующий 0,7I_пуск, тогда можно сказать, что сопротивление Д – это сопротивление Д при включении механизмов под номинальное напряжение .

Из рисунка можно сказать, что для успешного самозапуска суммарное сопротивление Д, включенных параллельно будет равно.

Деление на 0,7 равноценно умножению на 1,43. При расчёте сопротивлений должно выполнять условие:

Сопротивление второго двигателя определяется из условий сохранения напряжения, после включения СВ (0,7U_ном). Из соотношения X_вн и Х_дв1/0,7, мы можем определить Х_дв2, которое нам позволит вычислить мощность Д. Если ответственные потребители содержат помимо АД, СД, то мы должны снимать возбуждение и вводить пусковой синхронный режим (то, что касается потребителей секции 2). В секции 1, в процессе самозапуска СД , они должны оставаться в синхронизме с питающей энергосистемой. Наличие этих Д уменьшает X_вн, и способствует уменьшению самозапуска. Единственное условие – чтобы при пониженном напряжении они не нарушали синхронную работу.

Также, нас интересует работа форсировки. Форсировка возбуждения позволяет поддерживать напряжение, но её действие наступает не мгновенно (сначала проявляется снижение напряжение, только потом, спустя некоторое время, в зависимости от инерционности системы возбуждения и регулирования, в работу вступает форсировка). Поэтому в цикле АВР предпринимают опережающую форсировку, которая обеспечивает напряжение на резервирующей секции до момента включения СВ (т.е. до того момента, как напряжение начнёт снижаться за счёт потребителей, которые подключены ко 2 секции – на Х_д2). Снятие импульса на форсировку производится автоматически через несколько секунд как устройство АВР осуществит включение СВ и действие устройства форсировки осуществляется только на Д резервирующей секции (Х_дв1/0,7). Возможно одновременно формировать импульс форсировки с потерей питания на 2 секции. И также одновременно можно осуществлять отключение части потребителей на Х_д2. Всё это может быть выполнено в составе устройства АВР. Если напряжение на секции снижается из-за КЗ на шинах одной из секций – тогда, предпочтение отдают сначала работе АПВ того трансформатора, который питает эту секцию. Действие АВР и включение СВ, при этом, стараются запрещать. Одновременно с этим, также действует ускорение защит. В некоторых случаях, для Т выполняется только АВР. Тогда на СВ для отключения КЗ на шинах дополнительно предусматривается отдельная ступень токовой отсечки, которая отстраивается от тока при самозапуске (она также предназначена для отключения СВ при КЗ на шинах). Дополнительная ступень нужна потому, что токовые защиты с выдержкой времени 0,5 с могут не сработать из-за того, что ток начнёт пульсировать из-за нарушения работы синхронной нагрузки неповреждённой секции по отношению к питающей энергосистемы.