Огромное значение в обеспечении надлежащих условий проживания в городах и других населенных пунктах имеет централизованное водоснабжение и канализация.
Одной из важнейших положительных сторон устройства водоснабжения и канализации является значительное улучшение санитарных условий жизни населения. Из-за отсутствия канализации и надлежащего водоснабжения в городах Европы и Росси до 19 века часто возникали эпидемии кишечных и других инфекций, уносившие миллионы жизней.
Статистические данные показывают, что после устройства централизованного водоснабжения и канализации заболеваемость и смертность населения в городах значительно уменьшились. Особенно сильно снизилось число кишечных заболеваний [77].
Очень важным следствием устройства централизованного водоснабжения и канализации является также более эффективное использование городских земельных участков. При централизованном водоснабжении и канализации плотность застройки городов практически не ограничивается.
До устройства в городах централизованных хозяйственно-питьевых водопроводов, совмещающих и противопожарную функцию, поистине бедствием были пожары. В городах нередко выгорали целые кварталы, а иногда и полностью города.
За последние десятилетия большое развитие получило централизованное теплоснабжение городов и поселков от крупных ТЭЦ и районных котельных, которые в большинстве своем обеспечиваются водой из централизованных городских водопроводов.
Определяющее влияние водоснабжения и канализации на здоровье населения и условия его жизни, обеспечение пожарной безопасности, зависимость большинства промышленных технологий от надежности и качества централизованного водоснабжения городов предъявляют к его надежности и качеству повышенные требования.
Большие затраты на содержание городского водопровода и канализации (расходы на обеспечение функционирования городского водопровода и канализации миллионного города составляют несколько сотен миллионов рублей в год) предъявляют также высокие требования к экономичности его работы.
Технология очистки питьевой воды требует выдерживание строго определенных скоростей движения воды на отдельных участках и даже кратковременное (продолжительностью несколько десятых долей секунды) нарушение электроснабжения подающих воду насосных станций может вызвать снижение качества ее очистки.
Изложенное выше, а также то, что системы водоснабжения и канализации городов являются одними из крупнейших потребителей электроэнергии, определяют повышенные требования к надежности и экономичности электроснабжения их электропотребителей. Электродвигатели насосных агрегатов насосных станций водопровода и канализации городов относятся к электроприемникам I категории по надежности электроснабжения [16], а в отдельных случаях и к особой группе электроприемников I категории. Удовлетворение этих требований в большой степени зависит от надежной и качественной работы автоматики и защиты, используемых в системах электроснабжения объектов водопровода и канализации.
Основными электроприемниками крупных насосных станций систем городского водоснабжения и канализации являются синхронные электродвигатели центробежных насосов, которые, как правило, имеют высокий коэффициент загрузки. Они очень чувствительны к кратковременным нарушениям электроснабжения, так как во многих случаях не обеспечиваются условия их самозапуска. Нарушение динамической устойчивости синхронных электродвигателей является распространенной причиной сбоев в работе систем водоснабжения и водоот-ведения, а в ряде случаев и крупнейших аварий с длительным прекращением подачи питьевой воды и перекачки сточных вод.
Кратковременные нарушения электроснабжения (КНЭ) насосных станций приводят также к возникновению в трубопроводах сильных гидравлических ударов и, как следствие — к разрушениям трубопроводов и оборудования насосных станций. Как показывает опыт и расчеты, гидравлические удары возникают при перерывах электроснабжения продолжительностью в несколько десятых долей секунды. Следовательно, в целях предотвращения сильных гидравлических ударов требуемое время срабатывания автоматики восстановления электроснабжения должно быть меньше этого времени.
Известные в настоящее время методы ресинхронизации синхронных электродвигателей: разгрузка механизма, автоматический повторный пуск АПП, включение в цепь возбуждения резистора, синфазного подключения к электросети после КНЭ, циклической форсировки возбуждения неприменимы для насосных станций водоснабжения и канализации либо из-за сложности их выполнения, либо из-за невозможности избежать сильных гидравлических ударов в трубопроводах. Поэтому обеспечение динамической устойчивости синхронных электродвигателей систем водоснабжения и канализации крупных городов при кратковременных нарушениях электроснабжения остается наиболее актуальной задачей.
5. Обоснование и разработка пусковых органов УАВР, обеспечивающего динамическую устойчивость синхронных электродвигателей при потере питания и при КЗ.
6. Выбор и обоснование элементной базы устройства АВР и коммутационных аппаратов для его реализации, решение основных задач практической реализации быстродействующего устройства АВР и исследования разработанного устройства.
Настоящая работа содержит введение, четыре главы и заключение.
В первой главе диссертации дан обзор оборудования, назначения объектов городского водоснабжения и канализации и их технологических процессовобозначена проблема гидравлических ударов и способы защиты от них. Проведен анализ состояния электроснабжения объектов водопровода и канализации, аварийности в них и показаны пути повышения надежности и экономичности работы синхронных электродвигателей насосных станций. Одним из таких путей, в частности, является совершенствование устройств АВР. Определены задачи исследования и разработки.
Во второй главе описаны методы и результаты исследований режимов работы синхронных электродвигателей насосных агрегатов при потере питания и при различных КЗ в системе электроснабжения объектов водопровода. Определено максимально допустимое время перерыва питания двигателей при потере питания и при КЗ. Проанализирован характер изменения электрических величин при кратковременных нарушениях электроснабжения. Доказано, что в качестве пускового органа быстродействующего УАВР при потере питания может использоваться минимальное реле тока прямой последовательности, а при трехфазных и двухфазных КЗ — реле направления мощности прямой последовательности или направленное реле сопротивления прямой последовательности.
Третья глава посвящена разработке быстродействующего устройства АВР узлов нагрузки с синхронными электродвигателями. Проведен анализ существующих пусковых органов У АВР и показана невозможность их использования для быстродействующего устройства. Разработана структурная схема цифрового быстродействующего устройства АВР, обеспечивающего включение резерва с сохранением динамической устойчивости синхронных электродвигателей.
Четвертая глава посвящена технической реализации быстродействующего устройства АВР. Приведена методика выбора параметров срабатывания.УАВР. Приведены описание разработанной интерактивной модели комбинированного пускового органа быстродействующего УАВР и результаты исследований условий срабатывания разработанного УАВР на этой модели.
В работе выполнены следующие оригинальные разработки и получены соответствующие выводы:
— использование в качестве пускового органа минимального реле тока прямой последовательности и реле направления мощности прямой последовательности для действия УАВР при потере питания и направленного реле сопротивления прямой последовательности или реле направления мощности прямой последовательности — для действия при КЗ;
— разработано цифровое быстродействующее устройство АВР, обеспечивающее динамическую устойчивость синхронных двигателей, с максимальной токовой защитой ввода и блокировкой его действия при КЗ на резервируемой секции шин и неотключившихся КЗ на ее присоединениях, тем самым снимаются требования ускорения защиты секционного выключателя после действия АВР и однократности его действия;
— одновременная подача сигнала на отключение вводного и включение секционного вакуумных выключателей нового поколения серии BB/TEL-10;
— в целях обеспечения быстродействия допускается неселективное действие УАВР и при КЗ на присоединениях к шинам системы, но после отключения повреждения защитой УАВР автоматически восстанавливает нормальную схемупредложены конструктивное выполнение быстродействующего УАВР на базе нового однокристального микроконтроллера типа ATmega-163 с использованием на выходах быстродействующих твердотельных реле и методика выбора уставок срабатывания измерительных реле;
— разработана интерактивная модель пускового органа УАВР, позволяющая провести проверку условий срабатывания устройства и правильности методики выбора параметров срабатывания.
Разработанное быстродействующее устройство автоматического ввода резерва позволяет значительно повысить надежность электроснабжения основных электроприемников системы водоснабжения и канализации — синхронных электродвигателей, избежать опасных гидравлических ударов в трубопроводах и, как следствие, снизить аварийность и повысить надежность и экономичность работы систем водоснабжения и канализации городов.
Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении хоздоговорных научно-исследовательских работ № BI-24/95, проводимых кафедрой ЭППиГ Ульяновского технического университета в 19 951 998 г. г.
Быстродействующее устройство АВР может быть применено также и в других системах электроснабжения с синхронными электродвигателями, например, в системах нефтедобывающих и нефтеперекачивающих комплексов, газоперекачивающих компрессорных станциях, в системах теплоснабжения.
Дальнейшее развитие исследований по теме данной диссертационной работы следует вести в направлении ОКР и технологической подготовки промышленного производства разработанного быстродействующего устройства АВР, а также расширения его функциональных возможностей.
Результаты, полученные в работе, доложены и обсуждены на: научно-технической конференции с международным участием «Проблемы промышленных электромеханических систем и перспективы их развития» — г. Ульяновск, 11−14 октября 1996 г.- научно-технической конференции «Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре» — г. Астрахань, сентябрь 1997 г.;
II Международной (XIII Всероссийской) научно-технической конференции «Проблемы автоматизированного привода» — г. Ульяновск, 23−25 сентября 1998 г.- научно-технической конференции «Инженерные проблемы совершенствования теплои электроэнергетических установок коммунального хозяйства» — г. Ульяновск, 17 июня 1999 г.;
IV Международной научно-технической конференции «Интерактивные системы: проблемы взаимодействия человек-компьютер» — г. Ульяновск, 23−27 сентября 2001 г.;
XXIX и XXX научно-технических конференциях профессорскопреподавательского состава Ульяновского государственного технического университета в 1995;1996 г. г.
Основные результаты диссертации опубликованы в тринадцати работах [17−23], [48], [51], [67], [68], [75|Д76].
Результаты исследований отражены в отчетах о хоздоговорных НИР, выполненных на кафедре ЭППиГ Ульяновского технического университета в 19 951 998 г. г.
Выводы.
1. Разработана функциональная схема быстродействующего микропроцессорного устройства АВР, обеспечивающего динамическую устойчивость синхронных электродвигателей центробежных насосов систем водоснабжения и канализации. Схема исключает включение секционного выключателя на короткие замыкания, что позволяет снять требования однократности действия УАВР и ускорения защиты на секционном выключателе после действия УАВР. Неселективные действия устройства АВР при повреждениях на присоединениях к системе исправляются автоматическим восстановлением нормальной схемы электроснабжения с выдержкой времени 10−15 с. после восстановления напряжения на вводе.
2. В целях повышения быстродействия сигнал на отключение выключателя ввода и включение секционного выключателя подается одновременно. Так как время включения используемых в устройстве быстродействующих вакуумных выключателей BB/TEL-10−20/1000-У2−24 на 20 мс больше времени отключения, включение секционного выключателя на короткое замыкание, даже кратковременное, исключается.
3. Разработана методика выбора параметров срабатывания измерительных реле пускового органа УАВР.
4. Разработана интерактивная модель пускового органа УАВР, на которой проведены проверки принципов действия устройства и методики выбора параметров пускового органа. Эти проверки подтверждают правильность принципов и решений, принятых при разработке устройства.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Основные научные и практические результаты полученные в настоящей работе заключаются в следующем:
1. Проведен анализ современного состояния электроснабжения объектов водоснабжения и канализации крупных городов. В результате анализа установлено, что в настоящее время системы электроснабжения многих объектов городских водопроводов и канализационных насосных станций с крупными синхронными электродвигателями не обеспечивают требуемой Правилами [14, 15 и 16] надежности снабжения электроэнергией. Это приводит к значительному материальному ущербу при возникновении перерывов в электроснабжении этих объектов. Показано, что существующие устройства автоматики систем электроснабжения АПВ и АВР не могут обеспечить устойчивую работу синхронных электродвигателей насосных агрегатов, а в целом ряде случаев и сами могут являться источниками аварий.
2. Показано, что задача повышения надежности и экономичности работы синхронных электродвигателей насосных станций водопровода и канализации при кратковременных нарушениях электроснабжения является одной из наиболее актуальных. Проведен анализ возможных путей повышения надежности систем электроснабжения и повышения устойчивости работы синхронных электродвигателей насосных агрегатов. Одним из таких путей является совершенствование устройства АВР. Этому и посвящена настоящая работа.
3. Исследовано влияние на динамическую устойчивость синхронных электродвигателей соотношения статического и полного напора приводимых ими центробежных насосов и доказано, что при времени нарушения электроснабжения менее 0,3 с. влияние этого соотношения незначительно и с уменьшением времени перерыва питания это влияние уменьшается. Кроме того, при более высоком соотношении условия сохранения динамической устойчивости несколько улучшаются. Поэтому при определении допустимого времени перерыва питания с сохранением динамической устойчивости синхронных двигателей рекомендовано исходить из более тяжелых условий, принимая во всех случаях показатель степени, характеризующий момент сопротивления механизма, равный двум.
4. Проведены исследования поведения синхронных электродвигателей центробежных насосов систем водоснабжения при кратковременной потере питания. Установлено, что допустимое время потери питания исследуемых насосных агрегатов с постоянной времени 7} < 1,635 е., при котором сохраняется динамическая устойчивость двигателя, составляет 0,11 — 0,13 е., напряжение же на секции шин потерявшей питание за это время почти не меняется.
5. Исследовано поведение синхронных двигателей при 3-х фазных и двухфазных КЗ в различных точках системы электроснабжения. При Зх-фазных КЗ допустимое время перерыва питания исследуемых насосных агрегатов при сохранении динамической устойчивости составляет 0,09 -0,11 с. при длительности КЗ не превышающей 0,07 — 0,08 с. соответственно. При 2-х фазных КЗ это время составляет до 0,87 с. и не является определяющим для быстродействующего УАВР.
6. Проанализированы существующие устройства АВР и сделан вывод о их недостаточном быстродействии и непригодности, в связи с этим, для систем электроснабжения с синхронной нагрузкой.
7. Исследована возможность, исходя из условий максимального быстродействия создания УАВР на аналоговой и цифровой элементных базах. Цифровые пусковые органы УАВР совместно с вакуумными выключателями нового поколения BB/TEL-10 позволяют обеспечить самозапуск синхронных электродвигателей системы водоснабжения и канализации при КНЭ с сохранением динамической устойчивости. Для действия УАВР при потере питания в качестве пускового органа рекомендуется использовать минимальное реле тока прямой последовательности. Для действия УАВР при КЗ в качестве его пускового органа рекомендуется использовать направленное реле сопротивления прямой последовательности или реле направления мощности прямой последовательности.
8. На основе выполненных исследований определен алгоритм функционирования цифрового быстродействующего устройства АВР: вычисление дискретных мгновенных значений величин, необходимых для формирования условий и характеристик срабатывания измерительных релевычисление сравниваемых величинцифровое сравнение этих величин.
9. В соответствии с описанным алгоритмом разработана структурная схема цифрового комбинированного пускового органа быстродействующего УАВР. Схема содержит цифровые нерекурсивные частотные фильтры апериодической составляющей тока КЗ, фильтры прямой последовательности, элементы вычисления сравниваемых величин, 2 максимальных реле напряжения прямой последовательности, реле направления мощности прямой последовательности, направленное реле сопротивления прямой последовательности, минимальное реле тока и максимальное реле тока максимальной токовой защиты ввода.
10. В отличие от общепринятых схем АВР разработана функциональная схема быстродействующего УАВР и схема управления вакуумными выключателями вводов и секционным выключателем с одновременной подачей сигнала на отключение вводного и включение секционного выключателей. В целях обеспечения быстродействия допускается действие УАВР и при КЗ на присоединениях к шинам системы, но после отключения повреждения защитой УАВР автоматически восстанавливает нормальную схему. В отличие от типовых устройств УАВР не действует при КЗ на резервируемой секции шин и неотключившихся КЗ на ее присоединениях, тем самым снимаются требования ускорения защиты секционного выключателя после действия АВР и однократности действия.
11. Предложено конструктивное выполнение быстродействующего УАВР на базе однокристального микроконтроллера с использованием на выходах быстродействующих твердотельных реле и методика выбора уставок срабатывания измерительных реле.
12. На разработанной интерактивной модели пускового органа УАВР проведена проверка условий срабатывания устройства и правильности методики выбора параметров срабатывания и подтверждена правильность принципов действия и принятых технических решений. Время восстановления электроснабжения разработанным УАВР не превышает 0,06 с, что обеспечивает динамическую устойчивость синхронных электродвигателей насосных станций, это, в свою очередь, способствует надежности и экономичности работы объектов городских водопроводов и канализаций.
13. Интерактивная модель пускового органа УАВР может быть использована в дальнейших исследованиях цифровых защит и автоматики, а также в учебном процессе.
14. Разработанное быстродействующее устройство АВР может быть применено также и в других системах электроснабжения с синхронными электродвигателями, например, в системах нефтедобывающих и нефтеперекачивающих комплексов, газоперекачивающих компрессорных станциях, в системах теплоснабжения и других, где даже кратковременное (до десятых долей секунды) нарушение электроснабжения может привести к серьезным технологическим сбоям или к аварии.
