Моделирование защиты от несимметричных режимов работы высоковольтного асинхронного привода циркуляционного компрессора в установке гидроочистки топлив

В нефтегазовой промышленности большую роль играют непрерывные технологические процессы, например, нефте- и газопереработка, которые чувствительны к многим внешним факторам. Такие процессы требуют реализации специальных процедур для остановки и повторного пуска. Для наладки технологического процесса необходимы очистка всей системы от непрореагировавших компонентов и их удаление. Забракованное сырьё зачастую сбрасывается на факел, что влечет за собой ощутимые экологические проблемы и значительный экономический ущерб. Важную роль в обеспечении непрерывных технологических процессов в нефтегазовой промышленности играют электротехнические системы (ЭТС), одним из ключевых элементов которых являются электродвигатели. Большую часть, не менее 80 %, используемых сегодня в промышленности электрических машин, составляют асинхронные двигатели (АД). Безаварийная их работа является одной из ключевых задач, что обеспечивает актуальность проектирования, моделирования и анализа действия систем релейных защит асинхронного двигателя, включая несимметричные режимы их работы. Эти режимы могут возникнуть при несимметричных схемах включения АД, несимметрии питающего напряжения, а также в результате каких-либо неисправностей в самой машине. Работа двигателя в таких условиях приведет к сокращению срока его службы, снижению мощности, износу и старению изоляции. В качестве исследуемого объекта выбран асинхронный электропривод циркуляционного компрессора блока гидроочистки бензина в комбинированной установке гидроочистки топлив, расположенного на Астраханском газоперерабатывающем заводе (АГПЗ). Для исследования работы и его защит авторы использовали моделирование в программе Matlab. В качестве основного теоретического метода выбран метод симметричных составляющих. Авторы разработали модель асинхронного электропривода циркуляционного компрессора; сформировали комплекс релейных защит (РЗ) и разработали модели следующих защит: «фильтр симметричных составляющих» (ФСС), максимальная токовая защита обратной последовательности «MTЗ Imax обр», защита от перегрузки. Продемонстрировано, что указанный комплекс релейной защиты полностью защищает двигатель от несимметричных режимов работы. Авторами было проведено исследование работы комплекса защит при различных несимметриях питающего напряжения, при различной загрузке двигателя, сделан вывод о работоспособности разработанной защиты, а также даны рекомендации по его технической реализации на производстве. Выполненная работа может быть положена в основу разработки и тестирования релейной защиты элементов всей электротехнической системы установки гидроочистки топлив на Астраханском ГПЗ.

1. Panchenko V., Turenko A. Analysis of the influence of voltage asymmetry on the operation of the traction asynchronous electric motor using the simulation model. Collected Scientific Works of Ukrainian State University of Railway Transport. 2021;(198):145–150. (In Ukranian) https://doi.org/10.18664/1994-7852.198.2021.256648

2. Романова В. В., Хромов С. В., Бахтурин А. Г., Суслов К. Анализ степени влияния несимметрии питающего напряжения на эксплуатационную надёжность низковольтных асинхронных электродвигателей. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2022;24(4):131–141. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2022-24-4-131-141

3. Шакиров В. А., Сыровешкин А. М., Буянина О. А. Исследование влияния несимметрии напряжений на работу асинхронных двигателей. Труды Братского государственного университета. Серия: естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири. 2011;2:8–11.

4. Дмитриева В. В., Авхадиев И. Ф., Сизин П. Е. Использование современных программно-технических комплексов для автоматизации конвейерных линий. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021;(2):150–163. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2021-2-0-150-163

5. Ершов Ю. А, Малеев А. В. Моделирование микропроцессорных релейных защит в среде MATLAB. Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2010;3(2):220–228. URL: https://elib.sfu-kras.ru/bitstream/handle/2311/1672/09_ershov.pdf?sequence=1

6. Андреев М. В., Рубан Н. Ю., Суворов А. А. Математическое моделирование цифровой дифференциальной защиты трансформатора в среде Matlab Simulink. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018;22(1):134–150. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2018-1-134-150

7. Копылов И. П. Математическое моделирование электрических машин. М.: Высшая школа; 2001. 327 с.

8. Андреев В. А. Релейная защита систем электроснабжения в примерах и задачах. М.: Высшая школа; 2008. 256 c.

9. Hou L., Li B., Hu X., Liu Ch. Research on motor relay protection of high-voltage variable frequency motor drive system. Journal of International Council on Electrical Engineering. 2014;4(4):330–335. https://doi.org/10.1080/22348972.2014.11011892

10. Kuprienko V. V. Relay protection features of frequency-adjustable electric drive. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018;327(5):052021. https://doi.org/10.1088/1757-899X/327/5/052021

11. Popa G. N., Duinis C. M. Complex electronic protection for low-voltage three-phase induction motors. WSEAS Transactions on Electronics. 2020;11:11–17. https://doi.org/10.37394/232017.2020.11.2

12. Полищук В. И., Крицкий М. В., Баннов Д. М., Малышев С. В. Применение унифицированных блоков микропроцессорной релейной защиты в задачах диагностики электрических машин. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2019;21(6):93–100. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2019-21-6-93-100

13. Neftisov A. V., Sarinova A. Zh., Talipov O. M. Possibility of building microprocessor relay protection devices on open architecture. Bulletin of Toraigyrov University. Energy Series 2022;(3):277–292. https://doi.org/10.48081/IKLZ1109

14. Zeng Q., Zhang Zh., Xu M., Zhu J. A coordinated relay protection strategy of distribution network based on fault current limiting. Energy Reports. 2022;8(3):380–387. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.08.036

15. Kholiddinov I. Kh., Misinova G., Yulchiev M. E., Tuychiev Z. Z. Modeling of calculation of voltage unbalance factor using Simulink (Matlab). The American Journal of Engineering and Technology. 2020;2(10):33–37. https://doi.org/10.37547/tajet/Volume02Issue10-07

16. Новобрицкий В. А., Федосов Д. С. Анализ работы устройств релейной защиты в переходном режиме, сопровождающемся насыщением трансформатора тока. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2021;23(5):71–85. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2021-23-5-71-85

17. Nedelchev N., Matsankov M. Increasing the sensitivity of the digital relay protection against turn-to-turn short circuits and asymmetries in wind power generators. In: The 3rd International Conference on Electrical Engineering and Green Energy (CEEGE 2020). 2020;186(4):03001. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202018603001

18. Романова В. В., Хромов С. В. Построение компьютерной модели для исследования режимов работы асинхронного двигателя. В: Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции «Развитие технических наук в современном мире». Вып. II. Воронеж, 08 декабря 2015 г. Воронеж: Изд-во ИЦРОН; 2015. С. 35–38.

19. Пантель О. В. Методика расчета параметров асинхронного двигателя для моделирования режимов его работы в среде Matlab/Simulink. Academy. 2015:(2);7–11.

20. Немыкина В. В., Рябченок Н. Л., Алексеева Т. Л., Астраханцев Л. А. Анализ несимметрии токов и напряжений в обмотках статора асинхронных двигателей привода вспомогательных машин. Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2020;(4):85–92. https://doi.org/10.26731/1813-9108.2020.4(68).85-92

21. Суворов И. Ф., Сидоров А. И., Хромов С. В. Исследование влияния несимметрии линейных напряжений в сетях напряжением до 1000 В на режимы работы асинхронных электродвигателей. Электробезопасность. 2014;(3):17–30.