Перетоки реактивной мощности и отключения генераторов электростанций Cummins.

Reactive power flow and Cummins genset trip.

Объект.

Энергетический объект находится в средней полосе России в относительной удаленности от крупных промышленных центров. Электроснабжение осуществляется от Единой энергетической системы и от электростанции собственных нужд (ЭСН). Несмотря на наличие двух источников, имеют место нарушения электроснабжения технологического оборудования.

Проблемы в формулировках Заказчика.

По непонятным причинам происходят отключения генераторов ЭСН.

Просто спросить...?

Технология, электроснабжение и электрооборудование.

Технологический процесс непрерывный, требования к надежности электроснабжения высокие. При повседневной эксплуатации в работе находятся Ввод 10 кВ ПС 110/10 кВ (трансформатор мощностью 10 МВА) и от одного до четырех агрегатов ЭСН Cummins (с генераторами Stamford мощностью 2515 кВА, 11 кВ).

Панель управления ЭСН Cummins. ЭСН Cummins с генератором Stamford.
Панель управления ЭСН Cummins. ЭСН Cummins с генератором Stamford.

В случае отключения Ввода 10 кВ нагрузка автоматически распределяется между агрегатами ЭСН. В режиме «Автономный» регулирование активной и реактивной мощности осуществляется по уравнительным связям между агрегатами. При восстановлении Ввода 10 кВ, ЭСН Cummins переходят в режим «Параллельный» с поддержанием cos ϕ. Величину перетока активной мощности через трансформатор ПС 110/10 кВ задает оператор с АРМ энергокомплекса.

Результаты обследований и измерений.

Работы проводились в течение семи дней в помещениях ЗРУ-10 кВ, трансформаторных подстанций, блочно-модульном здании ЭСН и др. Измерения выполнялись переносными приборами контроля качества электроэнергии FLUKE-434-II, FLUKE-435 и осциллографом FLUKE-190-102 с одновременной фото/видеофиксацией электрических величин по щитовым приборам и монитору АРМ энергокомплекса.

Измерения в ЗРУ-10 кВ на вводах и отходящих линиях. Измерения на генераторе ЭСН Cummins.
Измерения в ЗРУ-10 кВ на вводах и отходящих линиях. Измерения на генераторе ЭСН Cummins.

Обследование подтвердило наличие рисков нештатной работы электроустановок из-за перетоков реактивной мощности между источниками электроэнергии и появления реактивной мощностью ёмкостного характера на генераторах ЭСН.

Генератор ЭСН отключается защитой.  Настройка защиты корректируется параметром «Reverse kvar Threshold».
Генератор ЭСН отключается защитой, если реактивная мощность ёмкостного характера превышает 20 % от полной мощности. Настройка защиты корректируется параметром «Reverse kvar Threshold».

Реактивная мощность ёмкостного характера на сборных шинах ЭСН возникает по нескольким причинам.

Одна из них – протяженные кабельные линии 10 кВ, при подключении которых ёмкостная нагрузка на ЗРУ суммарно достигает (-) 270 квар.

Ёмкостная нагрузка на присоединении (-) 180 квар. Ёмкостная нагрузка на присоединении (-) 31 квар.
Ёмкостная нагрузка на присоединении (-) 180 квар. Ёмкостная нагрузка на присоединении (-) 31 квар.

Другая причина связана с настройками систем возбуждения. При параллельной работе нескольких ЭСН генератор с большим значением тока возбуждения нагружается реактивной мощностью индуктивного характера; генератор с меньшим значением тока возбуждения нагружается реактивной мощностью ёмкостного характера.

При переводе нагрузки между агрегатами ЭСН-7.

При переводе нагрузки между агрегатами ЭСН-7 работает с «перевозбуждением», а ЭСН-2 с «недовозбуждением», получая недостающую реактивную мощность (-) 150 квар от ЭСН-7.

Третья причина также связана с настройками систем возбуждения генераторов, но реактивная мощность ёмкостного характера возникает при параллельной работе ЭСН с сетью. При увеличении тока возбуждения генераторы нагружаются реактивной мощностью индуктивного характера; при уменьшении тока возбуждения - реактивной мощностью ёмкостного характера. Данный эффект также отчетливо виден в переходных режимах.

При переключении из режима «Автономный» в режим «Параллельный».

При переключении из режима «Автономный» в режим «Параллельный» возникают перетоки реактивной мощности между генератором ЭСН-1 и Энергосистемой.

Помимо этого, изменения реактивной мощности на сборных шинах ЗРУ-10 кВ связаны с автоматической работой конденсаторных установок (КУ) на КТП. Их суммарная установленная мощность - 4000 квар. Контроллеры КУ настроены на подержание определенного коэффициента мощности и при увеличении индуктивной нагрузки включаются дополнительные секции КУ; при резком уменьшении индуктивной нагрузки часть секций конденсаторов остаются включенными некоторое время и на присоединении возникает реактивная мощность ёмкостного характера

Недостаточное быстродействие КУ иллюстрируется графиком пуска асинхронного электропривода. Несмотря на применение тиристорного УПП, пусковой ток достигает 1,5 кА.

Пусковой ток асинхронного электропривода с тиристорным УПП.

Пусковой ток асинхронного электропривода с тиристорным УПП.

Коэффициент мощности при пуске проваливается до 0,3.

Коэффициент мощности при пуске асинхронного электропривода с тиристорным УПП.

Коэффициент мощности при пуске асинхронного электропривода с тиристорным УПП.

В момент включения привода активная мощность на вводе трансформатора КТП составляет 400 кВт, а реактивная – превышает 950 квар.

Активная (синяя линия) и реактивная (красная линия) мощность.

Активная (синяя линия) и реактивная (красная линия) мощность при пуске асинхронного электропривода с тиристорным УПП.

Таким образом, перетоки реактивной мощности возникают между источниками электроэнергии и электроприёмниками, между ЭСН и сетью, между отдельными параллельно работающими ЭСН. Характер переходных процессов определяется, в том числе, настройками регуляторов возбуждения ЭСН, регуляторов реактивной мощности конденсаторных установок, работой автоматики РПН (регулирования под нагрузкой) трансформатора ПС110/10 кВ и др. Складываются условия для загрузки генератора реактивной мощностью ёмкостного характера.

Реактивная мощность ёмкостного характера.

Реактивная мощность ёмкостного характера на генераторе составляет (-) 210 квар.

При неблагоприятных сочетаниях факторов происходят отключения генераторов ЭСН Cummins (защита «Reverse kvar Threshold»).

Выводы и предложения.

1. Корректировка настроек регуляторов возбуждения генераторов ЭСН.

2. Применение активных фильтров для компенсации реактивной мощности на сборных шинах ЗРУ-10 кВ.

Реализация предложений.

В ходе проведения обследования скорректированы настройки регуляторов возбуждения генераторов ЭСН. Для режима «Параллельный» вместо «поддержания Cos φ генератора» установлена «генерация фиксированной реактивной мощности». Проведены испытания и регистрация переходных процессов при различных оперативных переключениях.

Ниже показаны графики реактивной мощности в ЗРУ-10 кВ при изменении состава работающих параллельно с сетью ЭСН, а именно: ЭСН 4 с «поддержанием Cos φ генератора» заменяется на ЭСН 7 с «генерацией фиксированной реактивной мощности». Линия синего цвета - реактивная мощность ЭСН-4, работающей на «поддержание Cos φ генератора», линия черного цвета - реактивная мощность ЭСН-7, работающей на «поддержание фиксированной реактивной мощности 100 квар», линия красного цвета - реактивная мощность по Вводу Q2 от ПС 110/10 кВ.

Изменение характера реактивной нагрузки.

Изменение характера реактивной нагрузки в момент перехода на ЭСН с «генерацией фиксированной реактивной мощности».

После изменения настроек систем возбуждения загрузка ЭСН реактивной мощностью стала стабильной и управляемой, а полный ток генераторов снизился.

Изменение графиков реактивной мощности.

Изменение графиков реактивной мощности на Вводе от ПС 110/10 кВ и на ЭСН после смены настроек с «поддержания Cos φ генератора» на «генерацию фиксированной реактивной мощности».

Кроме того, уменьшились перетоки реактивной мощности при переходе из режима «Автономный» в режим «Параллельный», и как следствие – снизились риски срабатывания защит из-за появления ёмкостной нагрузки на генераторе.

Инженерным центром «АРТ» также направлено Заказчику технико-коммерческое предложение на комплекс работ по системе динамической компенсации реактивной мощности на сборных шинах ЗРУ-10 кВ.

Наладка активных фильтров. 

Наладка активных фильтров системы компенсации реактивной мощности ёмкостного характера на сборных шинах ЗРУ-10 кВ. Фото объекта-аналога.

Подобные проекты реализованы ранее Инженерным центром «АРТ» на объектах с электростанциями Cummins.

Контактная информация.