Сиренко Николай Владимирович, главный специалист отдела прикладных исследований и разработок
Добрый день! Сегодня мы поговорим о защите от асинхронного хода (или, в другой литературе, защита от асинхронного режима без потери возбуждения) и способе её проверки.
Теория об асинхронном ходе
Для начала немного теории. Асинхронный ход может возникать как в генераторе, так и в синхронном двигателе. В генераторе такой режим возникает, например, при отключении одной из ЛЭП, связывающих генератор с системой (рисунок 1).
Рисунок 1
Рисунок 2
Точка «a» на рисунке 2 описывает предшествующий отключению момент, когда генератор работал в режиме статического равновесия механического момента на валу P0, создаваемого рабочим телом (например, паром в турбине) и момента создаваемого электромагнитным полем E∙U/Xс.
Где E – ЭДС системы, U – напряжение генератора, xс – эквивалентное сопротивление между E и U.
Параболическая зависимость электромагнитного момента от угла опережения ротором поля статора δ объясняется характером процесса: генератор должен всегда немного опережать энергосистему, как бы «подталкивая» её, но не слишком сильно: начиная с определённого угла электромагнитная связь, а с ней и момент, начнут уменьшаться.
При отключении одной из линий эквивалентное сопротивление Xс увеличится и станет Xс1, тогда тормозящий электромагнитный момент уменьшится, а ускоряющий механический останется без изменений (примем тут, что мы рассматриваем процессы, происходящее быстрее, чем отрабатывает автоматика регулирования подачи рабочего тела). Ротор начнёт ускоряться, в точке «с» достигнет состояния равновесия моментов, но пролетит дальше, из-за накопленной инерции и начнёт замедляться. Если площадь фигуры «abc» меньше площади «cde», то генератор, с уменьшающимися колебаниями, сможет перейти в новую устойчивую точку «с». Если же площадь окажется больше, то после точки «e» тормозящая ротор сила снова сменится ускоряющей и генератор потеряет устойчивость, начнутся неконтролируемые провороты ротора относительно электромагнитного поля статора.
Рисунок 3.
Такой процесс называется асинхронным ходом (рисунок 3).
Подробнее про эти процессы можно прочитать в литературе:
Овчаренко Н.И. Автоматика электрических станций и электроэнергетических систем, 2000
А.В. Беляев — Противоаварийное управление в узлах нагрузки с синхронными электродвигателями большой мощности, 2004
Разобраться в происходящих процессах поможет модель асинхронного хода в Лаборатории РЗА:
https://pro-rza.ru/models/asynhr
При таких проворотах ротора происходят периодические изменения токов и напряжений. Точка, в которой напряжение будет опускаться до нуля, называется электрическим центром качаний (ЭЦК).
Рисунок 4.
Если связь с энергосистемой слабая, а генератор большой мощности, то такая точка будет находится в линии, связывающей генератор и энергосистему.
Если же связь с энергосистемой сильная, а сам генератор небольшой мощности, то энергосистема будет «продавливать» ток за «спину» защиты и ЭЦК будет находится в блоке генератор-трансформатор.
АЛГОРИТМ ЗАЩИТЫ ЗАР В АЛТЕЙ-БЗП
Рисунок 5.
В Алтее-БЗП реализован алгоритм ЗАР, показанный на рисунке 5. Работа алгоритма начинается с пусковых органов «Zзар г1» и «Zзар г2». «Zзар г1» определяет зону срабатывания, а «Zзар г2» делит её на две части: если сопротивление сначала попадает в характеристику «Zзар г2», а затем в «Zзар г1», то ЭЦК в блоке генератор-трансформатор, если же только в «Zзар г1», то в линии (рисунок 6). Это обусловлено сами характером процесса и наглядно можно увидеть в модели асинхронного хода в Лаборатории РЗА, ссылка на которую дана выше.
Рисунок 6.
Далее сигнал приходит на элемент «И» с четырьмя входами, который отделяет ЭЦК в линии от ЭЦК в блоке генератор-трансформатор по срабатыванию «Zзар г1» и «Zзар г2». Далее, в зависимости от места ЭЦК начинает собираться одна из идентичных веток алгоритма. Кроме того, сигнал не пройдёт дальше без срабатывания пускового органа «Ффазы». Это нужно для корректного определения направления вращения характеристики, и, как следствие, отделения двигательного режима от генераторного.
Далее сигнал встаёт на триггер, выход с которого, с одной стороны, блокирует несработавшую ступень, а с другой, совместно с элементом «И» вызывает срабатывание только после выхода из характеристики срабатывания «Zзар г1». Это нужно для того, чтобы выявить завершение проворота характеристики сопротивления и исключить сходящийся к точке равновесия колебательный характер процесса.
Затем сигнал попадает на счётчик, где считается количество проворотов ротора относительно поля статора, после достижения значения уставки сигнал проходит дальше и нуждается в деблокировании от пускового органа токов симметричной перегрузки. Для исключения блокировки защиты при снижении токов предусмотрен подхват сигнала пускового органа «I1 зар» на время «Тзар I1 возв», которое должно приниматься не менее максимального периода колебаний. Таким образом формируется сигнал на отключение или сигнализацию, в зависимости от ветви алгоритма.
Необходимо отметить, что защита выводится из работы при пуске генератора и в режиме самозапуска на время «Tзадержки РПО» после исчезновения сигнала отключенного положения выключателя.
ПРОВЕРКА РАБОТЫ ЗАР
Существующие на рынке устройства проверки релейной защиты не позволяют напрямую протестировать автоматику защиты от асинхронного хода. Поэтому, для тестирования релейной защиты нужно уметь моделировать такие процессы без использования сложных программных комплексов реального времени, с последующим созданием осциллограмм, которые можно будет использовать для выдачи в устройствах проверки релейной защиты, таких как РЕТОМ.
В данной статье рассмотрен пример моделирования в программе Simulink в составе комплекса MATLAB.
Для моделирования работы защиты была настроена модель с двумя генераторами и связывающей их ЛЭП (рисунок 7)
Рисунок 7.
При этом для моделирования генератора малой мощности Г1 были введены параметры генератора Т-6-2УЗ, а для генератора большой мощности Г2 параметры ТВФ-63-2УЗ. В первом опыте предполагается, что избыточный механический момент на валу генератора Г1 привел к увеличению его частоты до 50,5 Гц. Как было сказано выше, при таком расположении цепей измерения генератор Г2 сможет протолкнуть токи за спину релейной защиты и ЭЦК будет находится в генераторе Г1.
Полученные токи и напряжения были сохранены в формате COMTRADE и загружены в устройство. Характеристика измеренного сопротивления при этом представлена ниже (рисунок 8).
Рисунок 8.
Необходимо обратить внимание на то, что
- характеристика практически полностью находится в зоне отрицательных реактивных сопротивлений;
- направление движения характеристики против часовой стрелки.
Если бы характеристика была в зоне отрицательных реактивных сопротивлений, но движение характеристики было бы по часовой стрелке, то нужно было бы говорить не об асинхронном ходе генератора, а о асинхронном ходе двигателя. Дело в том, что при потере или ухудшении связи с энергосистемой генератор разгоняется, а двигатель, наоборот, замедляется относительно поля статора.
Алгоритм определения характера процесса можно представить в виде, представленном на рисунке 9.
Рисунок 9.
Таким образом, меняя частоту больше или меньше 50 Гц генератора 1 можно добиться изменения направления вращения характеристики.
Для тестирования работы защиты в ПО KIWI были установлены следующие уставки:
Рисунок 10.
Модель энергосистемы можно получить по ссылке:
Для начала генерации осциллограммы в командной строке нужно задать частоту дискретизации (Nsample — количество точек на период сигнала 20 мс):
Рисунок 11.
И нажать «Run» в файле «Protection»:
Рисунок 12.
Осциллограмма сохранится в той же папке, что и исходные файлы.
Затем полученная осциллограмма загружается в программно-аппаратный комплекс РЕТОМ, который обеспечивает её выдачу на устройство релейной защиты.
В результате испытаний была получена осциллограмма и проверена работа пусковых органов, а также остального алгоритма.
ПРОВЕРКА РАБОТЫ ЗАР ПРИ ЭЦК В БЛОКЕ ГЕНЕРАТОР-ТРАНСФОРМАТОР. ГЕНЕРАТОРНЫЙ РЕЖИМ
Рисунок 13.
На рисунке 13 чёрным светом на комплексной плоскости справа показана характеристика измеренного сопротивления, при этом жирная чёрная точка соответствует моменту времени на осциллограмме слева; жёлтым – характеристика пускового органа «Zзар г 1», зелёным — «Zзар г 2».
Как видно из осциллограммы, после попадания измеренного сопротивления в характеристику «Zзар г 2» происходит срабатывание пускового органа, но этого недостаточно для прохождения сигнала (рисунок 14).
Рисунок 14.
Затем характеристика сопротивления, двигаясь против часовой стрелки, попадает в зону действия характеристики «Zзар г 1» (рисунок 15):
Рисунок 15.
Для защёлкивания сигнала на триггере всё ещё не хватает срабатывания характеристики по углу.
Рисунок 16.
Обратите внимание, что уже на этом этапе у нас разблокированы счётчики «ЗАР г счёт 1» и «ЗАР г счёт 2».
Наконец, когда характеристика доходит до угла, равного Ффазы-90° (135°-90°=45°) происходит срабатывание пускового органа «Ффазы» (рисунки 17 и 18):
Рисунок 17.
Рисунок 18.
При этом происходит блокирование по нижней ветке, которое могло бы привести к ложному срабатыванию «ЗАРг2 сраб», но этого не происходит из-за наличия обратной связи, приходящей на элемент «И» с четырьмя входами.
Для срабатывания защиты сопротивление должно покинуть характеристику «Zзар г 1» (рисунки 19 и 20).
Рисунок 19.
Рисунок 20.
Описанная последовательность будет повторяться при каждом провороте ротора относительно поля статора. Когда количество таких проворотов превысит значение уставки «ЗАР г счёт 1» произойдёт срабатывание, если только счётчик не будет сброшен раньше при истечении времени уставки «Тзар г возв», выбираемой больше периода качаний.
ПРОВЕРКА РАБОТЫ ЗАР ПРИ ЭЦК В БЛОКЕ ГЕНЕРАТОР-ТРАНСФОРМАТОР. ДВИГАТЕЛЬНЫЙ РЕЖИМ
При заданных настройках алгоритм не срабатывает при двигательном характере асинхронного хода из-за обратного направления вращения характеристики (рисунок 21). В данном случае выход из характеристики будет осуществлен после возврата пускового органа по углу «Ффазы».
Примечание: сопротивление заходит сразу в характеристику «Zзар г1», минуя «Zзар г2» из-за значения уставки угла «Фмч1 зона2», равного 0. На практике значение угла «Фмч1 зона2» следовало бы выбирать симметрично углу смещения характеристики сопротивления, то есть около 45 °.
Рисунок 21.
Выбор в каком режиме должно происходить срабатывание: в двигательном или генераторном происходит изменением уставки «Ффазы» на 180 градусов.
ПРОВЕРКА РАБОТЫ ЗАР ПРИ ЭЦК В ЛИНИИ. ГЕНЕРАТОРНЫЙ РЕЖИМ
Для тестирования работы алгоритма при ЭЦК в линии была построена похожая схема (рисунок 22).
Рисунок 22.
ЭЦК в линии возникает в защите более мощного генератора Г2 при его ускорении относительно менее мощного генератора (или энергосистемы, с которой генератор имеет слабую связь).
По полученной осциллограмме, пользуясь описанными выше рассуждениями, можно легко проверить правильность работы защиты (рисунок 23).
Рисунок 23.
Обратите внимание, что измеренное сопротивление заходит сразу в характеристику «Zзар г1», минуя «Zзар г2». Происходит срабатывание алгоритма ЗАР и формирование сигнала «ЗАРг 2 откл», свидетельствующего о наличии ЭЦК в линии.
ПРОВЕРКА РАБОТЫ ЗАР ПРИ ЭЦК В ЛИНИИ. ДВИГАТЕЛЬНЫЙ РЕЖИМ
При симуляции работы в двигательном режиме срабатывание ЗАР не происходит (рисунок 24).
Рисунок 24.
При использовании предложенной модели из SIMULINK можно легко генерировать осциллограммы для тестирования работы защиты от асинхронного хода (асинхронного режима без потери возбуждения) для генераторов с любыми параметрами, а также наглядно визуализировать работу защиты.
Надеюсь, наша модель будет для вас полезной и поможет в тестировании устройств защиты. Профессиональных и личных успехов!