В соответствии с ПУЭ для защиты асинхронных и синхронных электродвигателей напряжением выше 1000 В должны быть предусмотрены следующие виды защит.
Асинхронные и синхронные двигатели:
а) от многофазных замыканий в обмотке статора;
б) от замыканий на землю в обмотке статора;
в) от токов перегрузки;
г) от понижения напряжения.
Синхронные двигатели:
а) от асинхронного режима;
б) защита от потери питания.
Трансформаторы:
а) от многофазных замыканий в обмотках;
б) от токов перегрузки;
в) газовая защита.
В настоящей работе рассмотрена только защита от потери питания синхронных двигателей, так как защиты по пунктам а—г асинхронных двигателей, по пункту а синхронного двигателя и пунктам а—в трансформаторов достаточно полно описаны в соответствующей литературе.
Внедрение мощных синхронных электродвигателей серий СТД, СДН для привода насосов на БКНС и НСП в системе заводнения нефтепромыслов и магистральных нефтепроводов предъявляет ряд требований к блокировке схемы АВР секционного выключателя РУ 6(10) кВ, а также вызывает необходимость установки специальных защит на вводе в РУ 6(10) кВ.
При наличии синхронных двигателей даже тупиковая подстанция 35—110/6(10) кВ с точки зрения релейной защиты и автоматики сети 35—110 кВ является частью сети с двухсторонним питанием из-за наличия подпитки места к.з. токами синхронных двигателей. При к.з. на линиях 35—110 кВ после отключения со стороны основного питания дуга в месте повреждения может поддерживаться током подпитки от синхронных электродвигателей. В этом случае автоматическое повторное включение (АПВ) со стороны питания почти всегда будет безрезультатным. Кроме того, в этом случае имеется опасность повреждения обмоток трансформатора подстанции дуговыми перенапряжениями. По имеющимся данным для поддержания дуги достаточен ток порядка 10—20 А. Исходя из этого тока, мощность синхронного электродвигателя, при котором необходимо снимать подпитку места к.з., составит:
в сети 35 кВ
в сети 110 кВ
Кроме того, наличие подпитки от синхронных электродвигателей замедляет пуск устройства автоматического включения резерва (АВР), поскольку напряжение и частота на шинах 6—10 кВ подстанции при потере основного питания со стороны высоковольтной линии могут снижаться медленно. Особенно медленно может действовать система АВР с пусковым органом напряжения из-за наличия устройства форсировки возбуждения синхронных машин. Действие АПВ и АВР при отсутствии специальных устройств защиты от потери питания может привести к несинхронному включению с большими значениями тока, динамически опасными для синхронных двигателей. Для подстанций, оборудованных отделителями и короткозамыкателями, токи подпитки синхронных двигателей места к.з. могут привести к отказу отключения отделителем поврежденной подстанции. Предотвращение подпитки места к.з. синхронными двигателями может быть обеспечено быстродействующей защитой от потери питания, реагирующей на снижение частоты и изменение направления активной мощности.
Вращающий момент реле мощности при этом определяется как
где (/р, /р — линейное напряжение и ток отстающей фазы.
Тогда реле мощности будет иметь положительный момент при направлении активной мощности к шинам, нулевой — при отсутствии тока и отрицательный — при направлении активной мощности от шин. В связи с тем, что защита от потери питания будет работать только при изменении направления мощности и частоты, установка реле частоты может быть принята 49—48,5 Гц.
Время работы защиты от потери питания равно сумме времени снижения частоты до уставки срабатывания и выдержки реле времени. Время снижения частоты может быть определено из выражения
mD2 — маховые массы агрегатов; пн — частота вращения; Рн — номинальная мощность агрегата.
где /ср р — частота срабатывания реле частоты; /н - номинальная частота; Ту пр — приведенная механическая постоянная времени всех синхронных двигателей, участвующих в выбеге;
Рис. 65. Схема защиты от потери питания
Исследования, проведенные М.И. Слодаржем показали, что для обеспечения надежной работы защиты от потери питания, необходимо чтобы напряжение на реле частоты при трехфазном к.з. на выводах вьющего напряжения было более 0,4 UH. Принципиальная схема защиты от потери питания приведена на рис. 65. Принцип действия ее состоит в следующем.
При потере питания изменяется направление тока нагрузки синхронных двигателей — ток протекает от двигателей к источнику питания. При этом реле направления мощности 1РМ и 2РМ размыкает свои контакты 2—4 и катушка реле 1РП подготавливает к включению катушку реле PR.
В следствии изменения частоты вращения синхронных двигателей на шинах РУ 6—10 кВ начнет изменяться частота напряжения. Реле частоты 1РЧ срабатывает и контактами 2—4 включает катушку реле РВ через контакты
4 реле 2РП. Контакты 1—2 реле РВ посылают импульс на отключение масляного выключателя ввода. Описанная схема работает и при к.з. в сети высокого напряжения, и при потере питания с высокой стороны, когда ток от синхронных двигателей не протекает, так как реле направления мощности РМ удерживает контакты в замкнутом состоянии только при направлении тока от сети к двигателям.
С целью облегчения последующего самозапуска двигателей после АВР секционного выключателя, а также снижения токов подпитки и быстрого сброса напряжения от синхронных двигателей целесообразно одновременно с действием защиты от потери питания производить гашение поля возбуждения.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ
Основной задачей автоматизации асинхронных и синхронных электродвигателей в системе электроснабжения объектов нефтяной промышленности является обеспечение бесперебойной работы и предотвращения массового отключения ответственных потребителей.
Обеспечение бесперебойной работы особенно важно там, где остановка производственных механизмов может повлечь за собой повреждение оборудования или большой брак продукции. Поддержание бесперебойной работы важно как для данного предприятия, так и для энергосистемы, от которого предприятие снабжается электроэнергией.
К вопросам, требующим решения при автоматизации электродвигателей, применяемых для привода насосных агрегатов: обеспечение пуска электродвигателей; обеспечение самозапуска электродвигателей.
Определение возможности пуска электродвигателей
насосных агрегатов
В нефтяной промышленности на насосных станциях эксплуатируется большое число асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором и синхронные электродвигатели с прямым пуском. Из опыта эксплуатации и всесторонних исследований известно, что асинхронные и синхронные электродвигатели со сплошной бочкой ротора допускают прямой пуск при напряжении на зажимах 0,55—0,65 от номинального. Заводы-изготовители электродвигателей в каталогах и формулярах гарантируют эти значения для успешного пуска.
За последние годы единичная мощность электродвигателей применяемых в нефтяной промышленности значительно выросла. Так, в нефтепроводном транспорте эксплуатируются синхронные электродвигатели мощностью 6300—8000 кВт.
Пуск и самозапуск двигателей большой мощности вызывают значительные колебания напряжения на шинах питания, что может вызвать нарушения в работе присоединенных к этим шинам других потребителей.
При раздельном питании силовой и осветительной нагрузок предел допустимости остаточного напряжения на шинах питания определяют из выражения:
где Агр, ты — коэффициент загрузки по моменту и кратность опрокидывающего момента работающих двигателей.
Так как максимально возможно значение коэффициента кр для длительно работающих механизмов равно единице, а минимальное значение тм по ГОСТу равно 1,6, то минимально допустимое остаточное напряжение равно 0,8 отн.ед., при среднем же значении кр = 0,8 и при том же значении величина U может быть принято равным 0,7 отн.ед. При этих значениях остаточного напряжения контакторы всех питающихся от той же сети токоприемников, как правило, не отпадают.
При совместном питании силовой и осветительной нагрузки величина U = 0,7 также может быть допущена, если пуск электродвигателя происходит редко.
Задача по определению возможности прямого пуска насосного агрегата сводится к расчету остаточного напряжения на шинах питания и избыточного момента в асинхронном режиме в течение всего времени разгона двигателя до подсинхронной частоты вращения. Кроме того, для синхронного двигателя требуется обеспечение надежного втягивания его в синхронизм.
Решение этой задачи должно проводиться с учетом: способа пуска насосного агрегата в зависимости от его расположения в технологической схеме (пуск на закрытую или открытую задвижку); технологической блокировки в схемах автоматики;
Энергетической возможности источника питания при различных режимах;
схемы возбуждения и управления электродвигателей.
Методика расчета пуска синхронного электродвигателя состоит из определения:
моментов сопротивления приводного механизма; асинхронного вращающего момента электродвигателя; динамического избыточного момента электродвигателя; времени разгона агрегата до подсинхронной частоты вращения; допустимого нагрева обмоток электродвигателя пусковыми токами; установившегося скольжения и сравнение его с критическим скольжением
В нефтяной промышленности эксплуатируется, в основном, насосное оборудование, пусковая характеристика которого может быть выражена как
(43)
где Мс — момент сопротивления механизма; Мсо — момент сопротивления при трогании; Мсн — момент сопротивления при номинальной нагрузке; и — частота вращения; пс — синхронная частота вращения; р — показатель степени.
Для центробежных насосов р рекомендуется принимать порядка 0,015—0,02 Н м. Показатель степени р для механизмов с вентиляторным моментом сопротивления равен 2, если центробежные насосы работают без противодавления, и 3, если насосы работают с противодавлением (магистральные нефтяные насосы).
По (43) приближенно можно определить пусковые моментные характеристики насосов.
