Дифференциальная защита электродвигателя в высоковольтном частотно-регулируемом электроприводе в.А. Шабанов, ю.С. Галяутдинов (маэ-11)

(Уфимский государственный нефтяной технический университет, г.Уфа)

Последние тенденции развития электропривода направлены на разработку и применение высоковольтных частотно-регулируемых электроприводов (ВЧРП) [1, 2]. Использование мощного ВЧРП позволяет решать задачи не только увеличения энергоэффективности электропривода, но также исключить возникновение гидравлических ударов в системе трубопроводов при пуске и останове насосов, увеличить ресурс трубопроводов и запорной арматуры; повысить уровень автоматизации и гибкость технологических процессов [3].

Дифференциальная защита электродвигателя является основной защитой мощных высоковольтных электродвигателей и является обязательной согласно ПУЭ (7 издание п. 5.3.46) продольная дифференциальная токовая защита является обязательной для электродвигателей мощностью 5 МВт и более, а также менее 5 МВт, если установка токовых отсечек не обеспечивает выполнения требований чувствительности.

Однако, внедрение ВЧРП при существующих схемных решениях дифференциальной защиты электродвигателя может привести к ее ложным срабатываниям или отказу. Это связанно с тем, что при ВЧРП частота тока электродвигателя изменяется в широких пределах, а трансформаторы тока, релейная автоматика и устройства цифровой защиты предназначены для использования при стандартной частоте электрической сети 50 Гц. Другой проблемой при выполнении дифференциальных защит является влияние на ее работу отличий в характеристиках намагничивания трансформаторов тока .

Для решения последней проблемы возможно использование так называемой схемы балансной дифференциальной защиты (flux balance differential protection) с применением кабельных трансформаторов тока (ТТ на рисунке 1).

Рисунок 1 – Балансная дифференциальная защита

В балансной дифференциальной защите вместо двух трансформаторов тока обычной конструкции используется один трансформатор тока кабельного типа. Магнитопровод кабельного трансформатора тока выполнен в виде тороида, сквозь окно которого пропускаются два кабеля: питающий (прямой) кабель (кабель ПК на рисунке 1) к обмотке статора и кабель от той же фазы к нейтрали N электродвигателя (обратный кабель ОК). При этом вместо вычитания вторичных токов двух разных трансформаторов тока производится вычитание магнитных потоков. В результате исчезает погрешность определения разности токов, обусловленная разными характеристиками намагничивания двух трансформаторов тока при классическом выполнении дифзащиты. В нормальном режиме токи в прямом и обратном кабелях равны, магнитный поток в магнитопроводе кабельного трансформатора тока равен нулю и ток во вторичной обмотке трансформатора тока ∆I, пропорциональный разности токов в прямом и обратном кабелях, также равен нулю. Через токовые реле КА дифференциальных цепей ток при этом не протекает. При внутренних коротких замыканиях токи в прямом и обратном кабеле будут различаться по величине и разность токов ∆I не буде равна нулю. При некотором значении этой разности, называемой уставкой срабатывания по току, токовые реле сработают. Величина уставки срабатывания определяется током небаланса, протекающим во вторичных обмотках кабельных трансформаторов тока. Основная причина небаланса – несимметричное расположение прямого и обратного кабелей в окне трансформатора тока. При этом для двух токов в окне трансформатора тока магнитопровод будет иметь разные характеристики намагничивания. Это приведет к увеличению тока небаланса, особенно при пуске двигателя, повышению уставки срабатывания и снижению чувствительности защиты. Уставки токовых реле не может быть принята ниже 2-5% от номинального тока машины [4].

Другим недостатком кабельных трансформаторов тока является зависимость его работы от частоты тока в обмотке статора. При снижении частоты снижается наводимая ЭДС во вторичной обмотке трансформатора тока и снижаются токи и их разности в дифференциальной цепи. Это приводит к снижению чувствительности защиты, особенно при коротких замыканиях в обмотке статора двигателя вблизи нейтрали, когда разность токов будет невелика.

Эти недостатки могут быть устранены путем применения волоконно-оптических датчиков тока. В этом случае при воздействии магнитного поля на оптоволокно происходит поворот поляризационных полей. При этом вычитаются эффекты, создаваемые в оптоволоконном сердечнике датчиков тока, которые обладают линейными характеристиками. Уставка срабатывания может быть установлена исходя из чувствительности токовых реле и может быть принята ниже 2-5% от номинального тока машины.

Применение волоконно-оптических датчиков тока взамен ТТ позволяют обрабатывать сигнал в режиме реального времени, обеспечивая достоверность и высокую (порядка 0,25%) точность измерений, при достаточно широком (0-6000 Гц) рабочем частотном диапазоне сигнала, обеспечивают электромагнитную совместимость с высоковольтным оборудованием (до 750 кВ) [5].

Таким образом, при внедрении ВЧРП с применением указанного решения можно не только реализовать дифференциальную защиту электродвигателя, но также увеличить чувствительность и надежность всей схемы в целом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шабанов В.А., Кабаргина О.В. Определение нижней границы диапазона частотного регулирования электродвигателей магистральных насосов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2010. № 2. 8 с. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov_3.pdf .

2. Шабанов В.А., Кабаргина О.В. О законах частотного регулирования синхронных двигателей на нефтеперекачивающих станциях // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2010. № 2. 6 с. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov_2.pdf .

3. Шабанов В.А., Алексеев В.Ю., Юсупов Р.З. Два алгоритма взаимодействия ЗПП и АВР на НПС при потере питания от одного из источников // Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий: сб. науч. тр. II Всерос. науч.-техн. конф.: в 2 т. Т.1.Уфа: изд-во УГНТУ, 2009. С. 224 - 230.

4. Г. Циглер. Цифровые устройства дифференциальной защиты. Принципы и область применения. Под ред. чл.-кор. РАН А.Ф. Дьякова. – М: Энергоатомиздат, 2005. – 273с. с.148.

5. И. Абраменко, И. Корнеев, Ю. Троицкий. Оптические датчики тока и напряжения. // Электронный научный журнал «Компоненты и технологии». 2010. №8. С.60 - 63. URL: http://kit-e.ru/assets/files/pdf/2010_08_60.pdf.

УДК 621.31