UUPW_3.pdf

8. Przełączanie źródeł zasilania w cyklu automatyki SZRu

Zadaniem układu samoczynnego przełączania źródeł zasilania znanym jako SZR, czyli samoczynne

załączanie rezerwy, jest utrzymanie w ruchu podstawowych urządzeń elektrowni przy zakłóceniach

powodujących zanik napięcia na szynach rozdzielnicy potrzeb własnych. A takŜe umoŜliwienie odstawienia

urządzeń podstawowych w bezpieczny sposób, gdy wymaga tego charakter zakłócenia. Automatyka SZRu

działa na zasadzie wyłączenia źródła zasilania podstawowego i włączeniu drugiego niezaleŜnego źródła

zasilania stanowiącego rezerwę.

Skuteczność działania układu SZR zaleŜy przede wszystkim od niezawodności, wystarczającej mocy i

duŜej stabilności napięcia źródła rezerwowego.

Przełączanie rozdzielnicy potrzeb własnych z zasilania podstawowego na rezerwowe i odwrotnie

odbywa się z przerwą w zasilaniu lub bezprzerwowo. KaŜdy z tych sposobów przełączania moŜe być

dokonywany ręcznie lub samoczynnie. Przełączanie z przerwą w zasilaniu polega na tym, Ŝe załączenie

wyłącznika drugiego toru zasilania następuje dopiero wtedy, gdy wyłączy się wyłącznik dotychczas

pracującego toru zasilania. Przełączanie bezprzerwowe wiąŜe się z chwilowym włączeniem do pracy

równoległej źródeł zasilania podstawowego i rezerwowego. Przy czym czas pracy równoległej powinien być

bardzo krótki z uwagi na znaczne przekroczenie dopuszczalnej wartości mocy zwarciowej dla aparatury

rozdzielnicy. Przełączanie bezprzerwowe moŜe nastąpić tylko wówczas gdy oba źródła są w synchronizmie, a

kąt przesunięcia fazowego między napięciami fazowymi nie przekracza określonej wartości. Najczęściej

stosowanymi układami są układy przełączania z przerwą w zasilaniu. Najlepiej moŜna to zilustrować na rys.

8.1. Zasada działania tego układu polega na otwarciu wyłącznika źródła zasilania podstawowego (1) a dopiero

po krótkiej przerwie zamknięciu wyłącznika źródła zasilania rezerwowego (2).

Rys. 8.1. Uproszczony schemat połączeń załączania zasilania rezerwowego.

Wybieg grupowy. W czasie przerwy rozpatrywana sekcja nie jest zasilana. I z tego względu w rozpatrywanej

sekcji urządzeń potrzeb własnych występuje wybieg grupowy. W trakcie wybiegu grupowego wektor napięcia

szczątkowego wspólny dla całej grupy napędów opóźnia się w stosunku do wektora napięcia źródła zasilania, a

jego wartość bezwzględna ulega stopniowemu zmniejszaniu w wyniku zaniku pól magnetycznych w silnikach.

Dynamika zjawisk zaleŜy od wartości mas wirujących wraz z silnikami i od magnetycznych stałych czasowych

silników. Szybkość zanikania napięcia szczątkowego zaleŜy od zastawu silników oraz ich obciąŜenia.

Największy wpływ na zanikanie tego napięcia mają silniki duŜej mocy o powolnym zanikaniu strumienia

magnetycznego wirnika. Do tych silników naleŜą silnik pompy wody zasilającej, wentylatora spalin,

wentylatora powietrza i pompy wody chłodzącej. Silniki wentylatora spalin, wentylatora powietrza i pompy

wody chłodzącej skracają czas zaniku napięcia spowodowany udziałem silnika pompy wody zasilającej. Silniki

młynów wentylatorowych nie wpływają znacząco na czas zaniku napięcia pozostałych silników. Silniki

mniejszej mocy nie mają znaczącego wpływu na czas zaniku napięcia szczątkowego.

Samorozruch. Załączenie zasilania rezerwowego w układzie potrzeb własnych następuje w momencie, gdy

silniki znajdują się jeszcze w stanie wybiegu, co powoduje ich samorozruch. Ze zjawiskiem tym związany jest

udar prądowy, zaleŜny od napięcia zasilającego podczas samorozruchu, prędkości obrotowej i stanu

elektromagnetycznego silnika w chwili zakończenia przerwy w zasilaniu oraz napięcia szczątkowego i kąta

fazowego między napięciem zasilającym a napięciem szczątkowym silnika.

Wielkością charakteryzującą wybieg silników jest krotność prądu samorozruchu k sr :

= N

(8.1)

∑ =

gdzie: I sr – prąd samorozruchu grupy silników przy napięciu znamionowym;

I ni – prąd znamionowy itego silnika.

Krotności prądów samorozruchu, wyznaczone podczas pomiarów w rzeczywistych elektrowniach zawierają się

w przedziałach:

k sr = 2,8 4,2; dla bloków 200 MW,

k sr = 4,5 – 5,5; dla bloków 360 MW.

Wartość współczynnika krotności prądu samorozruchu moŜe być zmienna i zawiera się w pewnym przedziale.

Wynika ona z zastosowania róŜnych silników uczestniczących w samorozruchu oraz zmianie ich obciąŜenia.

Znane są dwie zasadnicze metody wyboru chwili załączenia wyłącznika toru rezerwowego:

• Sposób 1. Załączenie wyłącznika zasilania rezerwowego następuje w chwili, gdy napięcie szczątkowe

na rozdzielnicy obniŜy się do wartości dopuszczalnej, ze względu na warunki pracy silników w stanach

dynamicznych. Wartość tego napięcia wynosi 0,4U N , niezaleŜnie od kąta przesunięcia fazowego między

napięciem szczątkowym a źródła zasilania rezerwowego. Jest to układ z kontrolą napięcia

szczątkowego.

• Sposób 2. Polega na szybkim włączeniu źródła rezerwowego bezpośrednio po otwarciu zestyków

wyłącznika podstawowego toru zasilania tak, aby kąt przesunięcia fazowego między napięciami

szczątkowym i rezerwowym nie przekroczył określonej wartości. Napięcie to musi być mniejsze od

1,4U N . Wyjaśnić moŜna to takŜe w inny sposób za pomocą wykresu wektorowego napięcia

szczątkowego. Polega to na tym aby załączyć nowy tor zasilania w pierwszej ćwiartce wykresu napięcia

szczątkowego. Układ ten nosi nazwę układu przełączania z równoczesnym impulsowaniem

wyłączników.

Rys. 8.2. a) Wykres wektorowy napięcia szczątkowego s U i napięcia róŜnicowego U we współrzędnych

biegunowych; b) Przebiegi czasowe napięcia szczątkowego U sz i napięcia róŜnicowego U

NaleŜy takŜe dodać, Ŝe silniki indukcyjne z wirnikami klatkowymi konstruuje się w taki sposób aby

mogły wytrzymać bez obawy uszkodzenia włączenia na napięcie o 40% większe od napięcia znamionowego.

Czyli w przypadku silników na napięcia 6kV, moŜemy je załączyć bez obawy na napięcie 8,4kV. Ma to bardzo

duŜe znaczenie szczególnie w przypadku samorozruchu silników. Dlatego wyłącznik zasilania rezerwowego

moŜemy zamknąć w chwili kiedy napięcie róŜnicowe miedzy napięciem szczątkowym a napięciem zasilania

źródła rezerwowego nie przekracza 1,4 U N silników.

Na rys. 8.2 znajduje się wykres napięcia szczątkowego

s U i napięcia róŜnicowego U

współrzędnych biegunowych oraz przebiegi obu napięć.

JeŜeli wymienione układy przełączania są pobudzane np. przez zabezpieczenia, to są one określane jako

układy SZR . Natomiast przy planowym ich pobudzeniu noszą nazwę układów planowanego przełączania

rozdzielnicy .

Ze względu na omówione wyŜej zjawiska wybiegu i samorozruchu silników potrzeb własnych,

automaty SZR kontrolują fazę oraz wartość napięcia szczątkowego. Parametry te decydują o przebiegu cyklu

SZR, który moŜe być:

wolny,

szybki (synchroniczny z krótkotrwałą przerwą w zasilaniu),

quasi–synchroniczny,

synchroniczny bezprzerwowy.

W układach szybkiego SZRu czyli układach, w których stosuje się czasy przełączenia krótsze od 0,2

sekundy zachodzi konieczność kontroli kąta przesunięcia fazowego wektorów napięć. Natomiast w układach

wolnego SZRu czyli w których przełączenie następuje po czasie większym niŜ 0,5 sekundy lub gdy napięcie

szczątkowe obniŜy się do wartości 0,4 U N kontroluje się bezwzględną wartość napięcia szczątkowego.

W czasie szybkiego przełączania prądy pobierane przez silniki w czasie samorozruchu osiągają wartość 1,5I N .

Natomiast dla porównania prądy przy powolnym przełączaniu osiągają wartości od 3÷5I N . Udary te przy

niezbyt precyzyjnych przełączeniach mogą być przyczyną dynamicznych uszkodzeń połączeń czołowych

uzwojeń stojanów maszyn. Przy zastosowaniu szybkiego SZRu musimy liczyć się ze znacznymi kosztami

aparatury, głównie zastosowaniu wyłączników o bardzo krótkich czasach własnych (35÷60 ms przy

wyłączaniu) oraz dokładnej i szybkiej aparatury sterującej. Koniecznością jest takŜe synchroniczna praca źródeł

zasilania, co moŜe sprawiać pewne trudności przy zakłóceniach.

Tak drastycznych wymagań jak dla układu szybkiego SZRu nie stawia się układowi powolnego SZRu.

Dla którego ograniczeniem jest czas po którego upływie wszystkie silniki objęte SZRem byłyby w stanie

osiągnąć znamionową prędkość obrotową przez samorozruch pod obciąŜeniem.

W czasie przełączania źródeł zasilania występuje odczuwalne zmniejszenie wydajności napędzanych

urządzeń. Przy zbyt długich czasach przerwy mogą wystąpić niepoŜądane zjawiska szczególnie w pracy kotła

energetycznego. A mianowicie zgaszenie płomienia w komorze paleniskowej lub zmniejszenie się ciśnienia

wody zasilającej w rurociągu tłoczącym poniŜej dopuszczalnego. Są to bardzo niepokojące sytuacje, poniewaŜ

zabezpieczenia technologiczne spowodują wyłączenie bloku co moŜe doprowadzić do zakłóceń w systemie

elektroenergetycznym. Najkorzystniejsze jest więc skrócenie czasu przerwy w zasilaniu do minimum, z tego

względu Ŝe zakłócenia w procesach technologicznych kotła i turbozespołu są najmniejsze, a takŜe przyrost

temperatury uzwojeń silników potrzeb własnych jest nieznaczny.

W czasie przełączania źródeł zasilania rozdzielni potrzeb własnych następuje wybieg i samorozruch

grupowy. Na właściwy przebieg samorozruchu silników istotnie wpływa wartość napięcia zasilającego,

poniewaŜ ma ono kwadratowy wpływ na moment rozwijany przez silnik a tym samym na czas samorozruchu.

Prądy samorozruchu powodują obniŜenie napięcia na szynach rozdzielni. Według normy samorozruch uwaŜa

się za pomyślny gdy obniŜenie napięcia w pierwszej fazie samorozruchu grupowego nie będzie mniejsze niŜ

0,75U N . Ma to bardzo duŜe znaczenie, poniewaŜ przy nadmiernym obniŜeniu napięcia moŜe nastąpić utyk

silników, który objawia się wzrostem prądu. Długotrwały spadek napięcia do wartości 0,7U N po czasie około

8 sekund powoduje wyłączenie wszystkich maszyn przez zabezpieczenia podnapięciowe, które nie dopuszczają

do uszkodzenia termicznego izolacji uzwojeń.

Napięcie podczas samorozruchu zaleŜy od napięcia źródła rezerwowego i spadku napięcia w torze

zasilającym. Spadek ten zaleŜy od rezystancji i reaktancji toru zasilającego oraz prądu rozruchowego grupy

silników i ich współczynnika mocy. Aby zapobiec nadmiernemu spadkowi napięcia stosuje się automatykę

odciąŜania SZRu, która polega na podziale silników na dwie grupy. Po zakończeniu samorozruchu pierwszej

grupy, napięcie podawane jest na drugą grupę silników. Do pierwszej grupy zalicza się najwaŜniejsze napędy

takie jak np. pompa wody zasilającej. Do drugiej grupy zalicza się młyny wentylatorowe a takŜe wentylatory

spalin i powietrza. PoniewaŜ napędy drugiej grupy charakteryzują się duŜym momentem bezwładności, więc

spadek ich prędkości podczas przerwy w zasilaniu jest niewielki. Co daje mały prąd samorozruchu i duŜy

współczynnik mocy, co powoduje mały spadek napięcia na impedancji toru zasilającego. Czas przerwy w

zasilaniu drugiej grupy silników, liczony od chwili załączenia zasilania rezerwowego wynosi od 1,5 do 2

sekund.

Liczbę zadziałań automatyki SZRu moŜna ograniczyć przez zastosowanie rozłączników

generatorowych. Otwarcie rozłącznika następuje w stanach awaryjnych kotła, turbiny lub generatora bez

odłączania od sieci transformatorów blokowego i zaczepowego.

SZR quasisynchroniczny

Najnowsze, mikroprocesorowe automaty SZR dają moŜliwość wykonywania przełączeń quasi

synchronicznych. Dotychczas stosowane automaty SZR, w przypadku przełączenia szybkiego, sprawdzały

warunki synchronizmu tylko w pierwszej chwili rozpoczęcia wybiegu grupowego silników indukcyjnych.

Podczas realizacji przełączenia quasisynchronichnego automat kontroluje i przewiduje z wyprzedzeniem kąt

rozchyłu między wektorami napięcia rezerwowego U R i szczątkowego U sz , w kaŜdej chwili trwania wybiegu

silników indukcyjnych. Dzięki takim moŜliwościom nowych automatów SZR, przełączenie zasilania moŜe

zostać dokonane zawsze, byleby spełniona była zaleŜność

≤ . Na rys. 8.3 kolorem zielonym

oznaczono obszary, w których moŜna dokonać przełączeń. Odcinek AB (kolor czerwony), trajektorii napięcia

szczątkowego wyznacza obszar, w którym warunek ten nie jest spełniony i przełączenia zrealizować nie moŜna.

Z chwilą t 1 rozpoczął się wybieg silników indukcyjnych. Przełączenie wolne mogłoby się odbyć jedynie w

czasie t > t 4 . MoŜliwość przełączenia szybkiego powiększa przedział, w którym moŜna dokonać przełączenia o

obszar zawarty między chwilą t 1 oraz t 2 . Przełączenie quasisynchroniczne natomiast jest moŜliwe w przedziale

czasowym od t 1 do t 2 oraz na prawo od t 3 .

U 4

Rys. 8.3. Obszar przełączeń quasisynchronicznych: a) przebieg napięcia róŜnicowego oraz szczątkowego;

b) wykres spiralny średniego przebiegu napięcia szczątkowego w rozdzielni potrzeb własnych 6 kV

U – napięcie róŜnicowe; U sz – napięcie szczątkowe; U R – napięcie rezerwowe

Sprawdzanie warunków samorozruchu.

Na podstawie znajomości krotności prądu samorozruchu oraz parametrów układu zasilania PW z

powodzeniem moŜna wyznaczyć napięcie początkowe podczas samorozruchu, z zaleŜności:

⋅

−

⋅

sin

(8.2)

pRSZR

′

gdzie:

S T – moc transformatora;

S k ″ – moc zwarciowa;

k 0s – stopień obciąŜenia transformatora w stanie ustalonym;

k RZ – krotność prądu samorozruchu grupy napędów w cyklu SZR;

sinφ – współczynnik mocy biernej grupy przełączanych napędów.

Samorozruch grupowy zakończy się pomyślnie, gdy napięcie to spełni warunek:

≥

(8.3)

pSZR

W przypadku niespełnienia warunku prawidłowego samorozruchu moŜe nastąpić utyk silników.

Analizując wzór (8.2) moŜna zauwaŜyć, Ŝe napięcie samorozruchu zaleŜy od krotności prądu samorozruchu

grupy silników k RZ , współczynnika mocy biernej sinΦ, stopnia obciąŜenia transformatora w stanie ustalonym

k 0s , mocy pozornej transformatora S T oraz mocy zwarciowej S k ″ .

Krotność prądu samorozruchu k RZ dla grupy silników moŜe być określona na podstawie zaleŜności

empirycznej:

2= (8.4)

Wartość współczynnika k RZ bezpośrednio zaleŜy od czasu trwania wybiegu. Graficznie zaleŜność k RZ w funkcji

czasu t pSZR przedstawia rysunek 8.4.

pSZR

k RZ [-]

t pSZR [s]

0,5

1,5

2,5

Rys. 8.4. Rys. Krotność prądu samorozruchu grupy silników k RZ w funkcji czasu trwania przerwy

beznapięciowej t pSZR

Współczynnik mocy biernej sinΦ zaleŜy bezpośrednio od krotności prądu samorozruchu k RZ (pośrednio więc od

czasu t pSZR ). Wyznaczyć go moŜna z zaleŜności:

sin

022

(8.5)

Wpływ czasu t pSZR na współczynnik mocy biernej sinΦ przedstawia rysunek 8.5.

0,9

sin Φ ZR [-]

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

t pSZR [s]

0,5

1,5

2,5

Rys. 8.5. Współczynnik mocy biernej sinΦ w funkcji czasu trwania przerwy beznapięciowej t pSZR

Wielkości te zaleŜą jedynie od czasu trwania przerwy beznapięciowej i dla stałych parametrów k os , S k ″ oraz S T

określają wartość początkowego napięcia samorozruchu.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: