Введение к работе
Актуальность темы. Экономика регионов Сибири и Севера России, исторически развивающаяся на основе единой системы сначала водного, а потом и электрифицированного железнодорожного транспорта, получила дальнейшее развитие в связи с возрастающей добычей и транспортировкой углеводородов. В связи с этим наблюдается тенденция к качественному изменению электрических нагрузок в электрических сетях общего назначения [1–3]. Так, в сетях Западной Сибири произошло:
- долевое снижение электропотребления в машиностроительной и тяжёлой промышленностях;
- увеличение доли нелинейных нагрузок тяговых подстанций железнодорожного транспорта и нефтегазодобывающих месторождений [4–7, 15].
Обострилась проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств в сетях среднего напряжения (от 6 до 35 кВ). Эти сети характеризуются высокой аварийностью. Количество технологических нарушений в отечественных сетях от двух до семи раз больше, чем в промышленно развитых странах. Такая ситуация объясняется не только тяжёлым по своим последствиям гололёдно-ветровым воздействием, но и сложной электромагнитной обстановкой (ЭМО), обусловленной нарушением требований ГОСТ 13109-97 к качеству электроэнергии (КЭ).
Наиболее подверженным гармоническому воздействию при несимметрии напряжении на водном транспорте являются электрические сети транспортных терминалов [речные порты (нефтебазы)] по переработке грузов совместно с электрифицированным железнодорожным транспортом, а также сети береговых объектов, подключённые к сетям общего назначения совместно с сетями металлургических и нефтегазодобывающих предприятий [17]. В этих сетях уровни ЭМС для кондуктивных электромагнитных помех (ЭМП) не соответствуют требованиям стандарта [8]. Эти помехи проникают в судовые ЭЭС при электроснабжении судов с берега.
Обеспечение ЭМС береговых сетей и судовых ЭЭС как рецепторов необходимо для: повышения технико-экономических показателей транспортных предприятий; сохранения жизни граждан, а также имущества физических и юридических лиц. Исследования Горелова В.П, Ивановой Е.В., Сальникова В.Г., Короткевича М.А. (Республика Беларусь) и др. охватывают различные аспекты обеспечения ЭМС технических средств. Однако, рассматриваемая проблема многогранна и одна из научно-технических задач обеспечения ЭМС береговой сети и судовой ЭЭС как рецепторов при электроснабжении судна с берега не решена (отсутствует соответствующий стандарт). Поэтому тема диссертации актуальна.
Объектом исследования являются электрические сети среднего напряжения портов (нефтебаз) и судовые ЭЭС 0,4 кВ при электроснабжении судов с берега. В качестве базового полигона исследования выбрана береговая сеть 10 кВ предприятий водного транспорта Омского Прииртышья и судовая ЭЭС 0,4 кВ плавкрана типа ПГС-43/83.
Предметом исследования являются процессы проникновения кондуктивных ЭМП, обусловленных нестандартными (определёнными по усреднённым значениям) показателями КЭ в береговой сети 10 кВ, в судовую ЭЭС 0,4 кВ и нарушающие ЭМС технических средств в электропередаче «берег-судно».
Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы академии. Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями технического комитета № 77 Международной электротехнической комиссии (МЭК), с научной целевой комплексной темой «Разработка мероприятий по повышению надёжности работы оборудования в условиях пониженных температур» (Гос. регистр. № 0188.0004.137) и НИОКР «Электромагнитная совместимость технических средств (Гос. регистр. №01200956736) ФБОУ ВПО «НГАВТ».
Идея работы заключается в установлении углублённых связей между кондуктивными ЭМП, действующими в береговой электрической сети 10 кВ и в судовой ЭЭС 0,4 кВ при электроснабжении судна с берега, воздействия на которые можно обеспечить ЭМС технических средств электропередачи «берег-судно» как рецепторов [17, 29].
Целью работы является разработка научных положений и рекомендаций, позволяющих обеспечить ЭМС береговой сети (6–10) кВ при гармоническом воздействии и незначительной несимметрии напряжений и судовой ЭЭС 0,4 кВ как рецепторов при электроснабжении судна с берега. Для достижения этой цели в работе ставились и решались следующие взаимоувязанные научно- технические задачи:
- обоснования требований к измерительной технике и методического подхода к измерению параметров ЭМО и к осциллографированию параметров переходных процессов при однофазном замыкании на землю в береговой сети; выбор электроизмерительных систем;
- разработка методики определения параметров распределения кондуктивных ЭМП в береговой сети и вероятности их появления за расчётный период;
- измерение и осциллографирование параметров ЭМО в береговой сети и переходных процессов при металлическом замыкании фазы на землю; математическая обработка результатов измерений;
- разработка алгоритма расчётного обеспечения ЭМС технических средств в береговой сети;
- определения критерия гармонического воздействия береговой сети на судовую ЭЭС и математической модели для расчёта коэффициента искажения синусоидальности напряжения в судовой ЭЭС;
- экспериментальная проверка достоверности разработанных положений по обеспечению ЭМС технических средств в судовой ЭЭС.
Методы исследования. В процессе выполнения исследований применялись: научно-техническое обобщение литературных источников по исходным предпосылкам исследований, методы теоретических основ электротехники и теории электрических сетей, методы математической статистики и теории вероятностей (теория производящих функций, теория ошибок), метод аналитических исследований (гармонический анализ), методы системного анализа. Экспериментальные исследования выполнялись комплексным методом с применением делителей напряжения, цифрового осциллографа типа Ц30-04, измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) «Омск-М» и др. оборудования, а также специальных программ для расчётов на компьютере.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: использованием современных методов и средств исследования переходных процессов при однофазных замыканиях на землю в реальной сети 10 кВ; достаточным объёмом выполненных исследований, позволившим с вероятностью 0,95 определить удовлетворительное совпадение результатов теоретических исследований с результатами измерений (относительная ошибка составляет ±10%); практической реализацией основных выводов и рекомендаций.
На защиту выносятся:
1 Доказательство теоремы о параметрах ЭМС в сети со сложной ЭМО, обусловленной некачественной электроэнегией и представленной усреднёнными значениями показателей КЭ.
2 Методика определения параметров распределения кондуктивных ЭМП в электрической сети со сложной ЭМО и математическая модель их появления за расчётный период этих помех.
3 Математические модели для определения критерия гармонического воздействия береговой сети 10 кВ на судовую ЭЭС 0,4 кВ и коэффициента искажения синусоидальности напряжения 0,4 кВ при электроснабжении судна с берега.
4 Алгоритм расчётного обеспечения ЭМС технических средств в береговой электрической сети 10 кВ при гармоническом воздействии и незначительной несимметрии напряжения.
Научная новизна работы заключается в развитии теоретических основ ЭМС технических средств. В рамках решаемой автором научной задачи она характеризуется следующими новыми научными положениями:
- методами теории интегралов доказана теорема о параметрах сети со сложной ЭМО, обусловленной нестандартными значениями показателей КЭ, определёнными по усреднённым результатам измерений;
- представлена методика определения параметров распределения кондуктивных ЭМП и вероятности их появления за расчётный период;
- разработан алгоритм расчётного обеспечения ЭМС технических средств в береговой сети 10 кВ при гармоническом воздействии;
- получены математические модели для определения критерия гармонического воздействия береговой сети 10 кВ на судовую ЭЭС 0,4 кВ и коэффициента искажения синусоидальности напряжения 0,4 кВ.
Практическая ценность работы заключается в том, что внедрение следующих положений в проектную и эксплуатационную практику обеспечивает ЭМС береговой сети 10 кВ и судовой ЭЭС 0,4 кВ как рецепторов к кондуктивным ЭМП при электроснабжении судна с берега:
- методика определения кондуктивной ЭМП, обусловленной нестандартным показателем КЭ в береговой сети среднего напряжения, и вероятности её появления за расчётный период;
- математические модели для определения критерия гармонического воздействия береговой сети 10 кВ на судовую ЭЭС 0,4 кВ и коэффициента искажения синусоидальности напряжения 0,4 кВ;
- концепция обеспечения ЭМС береговой сети 10 кВ и судовой ЭЭС 0,4 кВ в электропередаче «берег-судно».
Реализация работы. Рекомендации по повышению уровней ЭМС для кондуктивных ЭМП в электропередаче «берег-судно» внедрены в: ОАО «Тобольский речной порт (г. Тобольск) с ожидаемым годовым экономическим эффектом 273 тыс. руб. при сроке окупаемости капитальных вложений около 3 лет; ЗАО «Тюменьсудокомплект» (г. Тюмень) с годовым экономическим эффектом 310 тыс. рублей при сроке окупаемости капитальных вложений менее 4 лет.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8 международных и всероссийских научно- технических конференциях: всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» (г. Томск, 2008 г.), восьмой научно-практической конференции с международным участием «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» в рамках выставки «Энергетика и электротехника – 2008» (г. Екатеринбург, Россия, 2008 г.), международной научно-практической конференции «Электроэнергетика в сельском хозяйстве» (Республика Алтай, Чемальский район, база НГАУ Эрлагол, Россия, 2009 г.), международной научно-практической конференции «Индустриально-инновационное развитие на современном этапе: состояние и перспективы» (г. Павлодар, Казахстан, 2009 г.), международной научно-практической конференции «Энергоэффективность» (г. Омск, Россия, 2010 г.), международной научно-технической конференции «Энергосистема: исследование свойств, управление, автоматизация» (г. Новосибирск, Россия, 2009 г.), всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» (г. Томск, 2010 г.), девятой международной научно-практической конференции «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» в рамках выставки «Энергетика и электротехника – 2010» (г. Екатеринбург, Россия, 2010 г.).
Личный вклад. Постановка научно-исследовательских задач и их решения, научные положения, выносимые на защиту, основные выводы и рекомендации диссертации принадлежат автору. Личный вклад в работах, опубликованных в соавторстве, показан в Приложении А диссертации и составляет не менее 50%.
Публикации. Содержание работы изложено в 21 научном труде, в том числе – 7 статьях в периодических изданиях по перечню ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 133 наименований и двух приложений. Изложена на 146 страницах машинописного текста, который поясняется 33 рисунками и 8 таблицами.
