Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Теоретические основы кондуктивных электромагнитных помех в электроэнергетической системе, распространяющихся по сетям 21
1.1 Показатели качества электроэнергии как параметры электромагнитной обстановки 21
1.2 Многомерная математическая модель электромагнитной обстановки 29
1.3 Методология исследования кондуктивных электромагнитных помех, распространяющихся по сетям 36
1.4 Теорема об эквивалентности параметрических пространств кондуктивных электромагнитных помех и помехоподавляющих технических средств 41
1.5 Концепция подавления кондуктивных электромагнитных помех в региональной электроэнергетической системе, распространяющихся по сетям 45
Глава 2 Кондуктивные электромагнитные помехи по установившемуся отклонению напряжения и отклонению частоты в электроэнергетической системе 48
2.1 Электромагнитная обстановка в электроэнергетической системе при изменении частоты и напряжения 48
2.2 Алгоритм определения кондуктивной электромагнитной помехи по отклонению частоты 55
2.3 Парадигма подавления кондуктивной электромагнитной помехи по отклонению частоты 59
2.4 Алгоритм определения кондуктивной электромагнитной помехи по установившемуся отклонению напряжения в сетях от 6 до 220 кВ 64
Кондуктивная электромагнитная помеха по установившемуся отклонению напряжения в сети 110 кВ Аксуского завода ферросплавов 70
Кондуктивная электромагнитная помеха по установившемуся отклонению напряжения в сети 220 кВ Аксуского завода ферросплавов 74
Кондуктивная электромагнитная помеха по установившемуся отклонению напряжения в сети 35 кВ Экибастузского угольного бассейна 77
Кондуктивная электромагнитная помеха по установившемуся отклонению напряжения в сети 6 кВ собственных нужд Экибастузской ТЭЦ 80
Парадигма подавления кондуктивных электромагнитных помех по установившемуся отклонению напряжения в промышленных сетях 110 кВ и 220 кВ северного узла Единой
электроэнергетической системы Казахстана 83
Электромагнитная обстановка 83
Схемное решение 84
Возможности регулирования напряжения в северном узле нагрузки ЕЭЭС Казахстана АРВ-СД генераторов типа ТГВ 300
АксускойГРЭС 88
Кондуктивные электромагнитные помехи по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности в сетях общего назначения 97
Влияние системы обратной последовательности напряжений на электромагнитную совместимость в электроэнергетической системе 97
3.2 Алгоритм расчета кондуктивной электромагнитной помехи по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности 101
3.3 Кондуктивные электромагнитные помехи по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности в сетях от 35 до 220 кВ общего назначения 105
3.3.1 Выбор базового региона исследования 105
3.3.2 Сеть 35 кВ объекта исследования 108
3.3.3 Сеть 220 кВ объекта исследования 113
3.3.4 Сеть ПО кВ объекта исследования 114
3.4 Стохастический метод расчета сверхдопустимой однофазной нагрузки в сетях общего назначения 118
3.4.1 Парадигма подавления кондуктивной электромагнитной помехи по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности в сети 35 кВ объекта
исследования 121
Глава 4 Кондуктивные электромагнитные помехи в сетях от 10 до 220 кВ, обусловленные несинусоидальностью напряжений 123
4.1 Исследование предельных возможностей гармонического воздействия мощных вентильных преобразователей на сеть 123
4.1.1 Постановка задачи 123
4.1.2 Теорема о связи между реактивной мощностью вентильного преобразователя и коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения в питающей сети 124
4.1.3 Энергетический аспект влияния мощных вентильных преобразователей на коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения в электроэнергетической системе 130
4.1.4 Решение задачи 144
4.2 Кондуктивная электромагнитная помеха по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения 146
4.2.1 Алгоритм определения 146
4.2.2 Кондуктивная электромагнитная помеха по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в сети 35 кВ объекта исследования 150
4.2.3 Кондуктивная электромагнитная помеха по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в сети 110 кВ объекта исследования 153
4.2.4 Кондуктивная электромагнитная помеха по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в промышленной сети 10 кВ Восточно-Казахстанского промышленного центра 157
4.3 Критерий гармонического воздействия одной смежной сети на другую в электроэнергетической системе 160
4.4 Алгоритм подавления кондуктивнои электромагнитной помехи по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения 165
4.5 Кондуктивная электромагнитная помеха по коэффициенту п-ой гармонической составляющей напряжения 167
4.5.1 Алгоритм определения 167
4.5.2 Электромагнитная обстановка по коэффициенту п-ой гармонической составляющей напряжения в сетях от 10 до 110
кВ 172
Глава 5 Гармоническое воздействие на ток замыкания на землю в сетях от 6 до 35 кВ при несимметрии напряжений по обратной последовательности 174
5.1 Прогнозирование тока замыкания на землю в сетях от 6 до 35 кВ при несинусоидальном и несимметричном напряжении 174
5.2 Методика определения кондуктивной электромагнитной
помехи по току замыкания на землю в сетях от 6 до 35 кВ 184
5.3 Эмпирическое определение кондуктивных электромагнитных помех по току замыкания на землю в сетях 10 кВ 193
5.4 Концепция повышения помехоустойчивости сети 10 кВ как рецептора по току замыкания на землю при нормируемых уровнях электромагнитной совместимости 200
Глава 6 Кондуктивные электромагнитные помехи в сетях собственных нужд электростанций, работающих на твердых экибастузских каменных углях 202
6.1 Обоснование цели исследования 202
6.2 Статистическая оценка влияния технологии переработки твердых каменных углей на изоляцию присоединений РУ 6 кВ 214
6.3 Кондуктивная электромагнитная помеха по коммутационному импульсному напряжению, возникающему на присоединении РУ 6 кВ при отключении высоковольтного асинхронного двигателя с заторможенным ротором 233
6.4 Кондуктивная электромагнитная помеха по коэффициенту временного перенапряжения длительностью до 1 с на присоединении РУ 6 кВ Экибастузской ГРЭС-1 251
6.5 Эффективность от повышения помехозащищенности РУ 6 кВ как рецептора 253
Глава 7 Теоретические основы технологии управления кондуктивными электромагнитными помехами в сетях общего назначения электроэнергетических систем в условиях рынка электроэнергии 260
7.1 Электромагнитная обстановка 260
7.2 Экспертиза электромагнитной совместимости 263
7.3 Организационное обеспечение электромагнитной совместимости 265
7.4 Управление кондуктивными электромагнитными помехами в сетях 110-220 кВ общего назначения в условиях рынка электроэнергии 269
7.4.1 Взаимосвязь проблем расчетных режимов сетей с электромагнитной совместимостью технических средств 269
7.4.2 Условие применения цены на электроэнергию как параметра в задаче ввода электроэнергетической системы в допустимый режим 277
7.4.3 Расчет штрафных функций при появлении в сетях 110-220 кВ
кондуктивных электромагнитных помех 279
7.5 Влияние технологии снижения кондуктивных электромагнитных помех на развитие рынка электроэнергии 281
Заключение 283
Библиографический список использованной литературы .
- Многомерная математическая модель электромагнитной обстановки
- Кондуктивная электромагнитная помеха по установившемуся отклонению напряжения в сети 110 кВ Аксуского завода ферросплавов
- Кондуктивные электромагнитные помехи по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности в сетях от 35 до 220 кВ общего назначения
- Энергетический аспект влияния мощных вентильных преобразователей на коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения в электроэнергетической системе
Введение к работе
Электромагнитная совместимость (ЭМС) линий электропередачи различного напряжения с техническими средствами, в том числе и между собой, представляет глобальную проблему в электроэнергетике. Соответствие уровней ЭМС для кондуктивных электромагнитных помех (ЭМП) требованиям ГОСТа 13109-97 необходимо: для обеспечения мероприятий по защите жизни и здоровья граждан, имущества физических и юридических лиц, государственного имущества, по охране окружающей среды; для повышения технико-экономических показателей производств и качества выпускаемой ими продукции. Министры энергетики восьми ведущих промышленно развитых стран мира (страны «Группы восьми») на встрече 03.05.2002 г. в США (г.Детройт, штат Мичиган) рекомендовали решать эту проблему объединенными усилиями.
Основным научным направлением решения проблемы ЭМС технических средств в электроэнергетических системах (ЭЭС), развитым учеными многих стран мира [О.А.Маевским, А.М.Конторовичем, В.А.Вениковым, А.Л.Церазовым, М.П.Бадером, Н.И.Воропаем, Ю.С.Железко, Ю.С.Кравчиком, В.З.Манусовым, В.А.Бариновым, Л.А.Добрусиным, Г.Я.Вагиным, В.Г.Сальниковым, Н.Н.Лизалеком, Ю.В.Щербина, В.Г.Курбацким и др. (Россия); И.В.Жежеленко, А.К.Шидловским, В.П.Шипилло и др. (Украина); Г.Г.Трофимовым (Казахстан); В.Клоппелем, А. Швабом и др. (Германия); Рене Пелисье и др. (Франция); Дж.Аррилагом, Д.Бодером и др. (Великобритания) и т.д.], является улучшение электромагнитной обстановки (ЭМО) путем повышения показателей качества электроэнергии (КЭ). Однако, сложившаяся в электроэнергетике ситуация обусловливает поиск в рамках этого научного направления других более конструктивных подходов к решению проблемы ЭМС.
К этому необходимо учесть, что проблема ЭМС технических средств в отдельных регионах России обострилась в последнее время из-за нарушения баланса электрической мощности и, как следствие, изменения интегрального показателя региональных ЭЭС - мощности трехфазного короткого замыкания (КЗ). Усилилось влияние искажающей нагрузки в основном предприятий тяжелой промышленности и электрифицированного железнодорожного транспорта, работающих в предельных режимах, на электрические сети различного напряжения. Воздействие кондуктивных ЭМП осуществляется на основное электрооборудование ЭЭС, которое в значительной части отработало свой нормативный ресурс. К 2015 г. сработка ресурса генерирующих мощностей достигнет 62% от установленной мощности, расчетные ресурсы сработают 58% силовых трансформаторов напряжением 110 кВ и выше, 75% электрических сетей. Темпы нарастания изношенного электрооборудования составляют от 2 до 6% в год от общего количества.
Таким образом, в ближайшие десятилетия бесперебойное электроснабжение регионов будет определяться надежностью действующего в настоящее время оборудования. Поэтому актуален также поиск путей продления ресурса действующего электрооборудования за счет улучшения ЭМО, т.е. подавления кондуктивных ЭМП. Это необходимо осуществить при отсутствии сертификации электрической энергии в системах электроснабжения (СЭС) предприятий (юридических лиц), которые, с одной стороны, являются главными источниками ЭМП, а с другой стороны, несут значительные убытки от несоответствия показателей КЭ стандартным требованиям.
В связи с изложенным исследование кондуктивных ЭМП и разработка методов их подавления представляется своевременным и актуальным.
Объектом исследования являются сети региональных ЭЭС, имеющих единый тариф на электроэнергию и обеспечивающих электроэнергией обширные территории, объединенные по характерному экономическому признаку. В качестве базового полигона исследования выбран Павлодарский регион Казахстана, который экспортирует в Россию каменный уголь, ферросплавы, глинозем и т.д. Электростанции Сибири, Урала и Алтая России общей мощностью 11,4 ТВт работают на твердых экибастузских каменных углях. Доля этих углей в структуре годового расхода угля в России составляет более 17%. ЭЭС этого региона интенсивно подвергается воздействию кондуктивных ЭМП.
Предметом исследования являются кондуктивные ЭМП в ЭЭС, распространяющиеся по сетям.
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) «Электромагнитная совместимость электрооборудования, присоединенного к общей электрической сети» и исследовательского комитата В2 (22) «Воздушные линии электопередачи» Международной конференции по большим энергетическим системам (СИГРЭ); с отраслевой (РАО «ЕЭС России») научно-технической программой 04 «Электротехническое оборудование подстанций и электрических сетей»; с комплексной научно-технической программой Минобразования и науки РФ «Энергосбережение России на 1999-2005 гг.», разработанной в соответствии с постановлением Правительства РФ № 588 от 15.06.1998 г. «О дополнительных мерах по стимулированию энергосбережения в России»; с «Программой развития электроэнергетики Республики Казахстан (РК) до 2030 г.», утвержденной Постановлением Правительства РК № 384 от 09.04.1999 г.; и с «Программой развития единой электроэнергетической системы Республики Казахстан (ЕЭЭС Казахстана) на период до 2010 г. с перспективой до 2015 г и завершения стратегии развития отраслей топливно-энергетического комплекса (ТЭК) до 2015 г.», утвержденной приказом Министра энергетики и минеральных ресурсов РК № 150 от 07.07.2004 г.; с новыми принципами правового и технического регулирования в электроэнергетике, установленными Федеральным законом РФ «Об электроэнергетике» № 35-ФЗ от 26.03.2003 г., с научной целевой комплексной темой ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» (ФГОУ ВПО «НГАВТ»), раздел «Повышение уровней электромагнитной совместимости технических средств в региональных электроэнергетических системах» (Гос. регистр. № 0188.0004137).
Идея работы заключается в обеспечении ЭМС технических средств в ЭЭС путем подавления кондуктивных ЭМП, обусловленных сложной ЭМО при нестандартных показателях качества электроэнергии.
Целью работы является разработка научных положений теории кондуктивных ЭМП в ЭЭС, распространяющихся по сетям, алгоритмов расчетов, методов их подавления и управления, совокупность которых обусловливает решение крупной научно-технической проблемы ЭМС технических средств в региональных ЭЭС.
В соответствии с целью составлен перечень направлений исследования:
1 Разработка теоретических основ кондуктивных ЭМП и методологии их расчетов.
2 Экспериментальные исследования ЭМО в сетях от 6 до 220 кВ региона исследования, определение кондуктивных ЭМП и оценка их опасности для ЭЭС.
3 Разработка методов подавления кондуктивных ЭМП в сетях ЭЭС.
4 Теоретическое и экспериментальное исследования помехоустойчивости сети 10 кВ как рецептора при гармоническом воздействии и несимметрии напряжений по обратной последовательности.
5 Теоретическое и экспериментальное исследования помехозащищенности РУ 6 кВ с высоковольтными двигателями электростанций, работающих на твердых экибастузских каменных углях.
6 Разработка научных положений технологии управления кондуктив-ными ЭМП в сетях 110 - 220 кВ общего назначения.
В рамках этих направлений ставились и решались взаимоувязанные задачи, которые представляют единый комплекс в соответствии с идеей работы. Методы исследования. При выполнении исследований использовались методы интегрального исчисления и аналитических исследований (метод векторных диаграмм, гармонический анализ, метод симметричных составляющих), методы математического и физического моделирования, методы теории вероятностей и математической статистики (теория случайных процессов, теория производящих функций, теория планирования эксперимента, теория надежности, теория ошибок), методы системного анализа, методы решения некорректно поставленных задач и методы решения задачи ввода ЭЭС в допустимый режим работы. Измерение показателей КЭ в сетях от 6 до 220 кВ осуществлялось в течение расчетного периода (24 ч) электроизмерительными приборами и измерительно-вычислительными комплексами (ИВК), прошедшими аттестацию в органах стандартизации и метрологии. При расчете режимов ЭЭС на компьютере использовались промышленные программы Mustang, RASTR, исследовательские программы PAG и REGIM, пакет программ Matlab.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: выбранными методами исследований и средствами измерений, общепринятыми уровнями допущений при математическом описании явлений; обоснованностью исходных посылок, вытекающих из фундаментальных законов естественных наук; достаточным объемом выполненных исследований, позволившим с вероятностью 0,95 определить удовлетворительное совпадение результатов теоретических исследований с результатами экспериментов (относительная ошибка составляет ±10%); практической реализацией основных выводов и рекомендаций.
На защиту выносятся:
1 Научные положения теории кондуктивных ЭМП в ЭЭС, распространяющихся по сетям:
представление кондуктивной ЭМП производящей функцией нестандартных значений показателя КЭ, обусловленных сложным электромагнитным процессом;
методология определения кондуктивных ЭМП, позволившая разработать алгоритмы расчетов этих помех;
- теорема об эквивалентности параметрических множеств кондуктивных ЭМП и помехоподавляющих технических средств и решений, возможных в ЭЭС;
- концепция подавления кондуктивных ЭМП.
2 Результаты исследования кондуктивных ЭМП по отклонению частоты, по установившемуся отклонению напряжения, по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности, по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в сетях от 6 до 220 кВ региона исследования (закон распределения, математическая модель плотности вероятности и ее параметры, вероятность появления).
3 Метод подавления кондуктивных ЭМП по установившемуся отклонению напряжения в смежных сетях ПО кВ и 220 кВ единого узла нагрузки.
4 Стохастический метод расчета сверхдопустимой однофазной нагрузки в сетях общего назначения ЭЭС, обусловливающей кондуктивную ЭМП по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности.
5 Алгоритм подавления кондуктивной ЭМП по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в распределительных сетях ЭЭС.
6 Методика повышения помехоустойчивости сети 10 кВ при кондуктивных ЭМП как рецептора.
7 Стратегия повышения помехозащищённости РУ 6кВ с высоковольтными двигателями электростанций, работающих на твёрдых экибастузких каменных углях, как рецептора.
8 Научные положения технологии управления кондуктивными ЭМП по установившемуся отклонению напряжения, по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности, по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в сетях ПО - 220 кВ общего назначения ЭЭС в условиях рынка электроэнергии.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
- разработаны научные положения теории кондуктивных ЭМП, распространяющихся по сетям, в ЭЭС: кондуктивная ЭМП по і-му показателю КЭ представлена производящей функцией значений этого показателя, которая достоверно характеризует ЭМО в сетях при сложных электромагнитных процессах; предложены алгоритмы определения параметров и вероятностей появления этих помех, разработанные методами теории производящих функций, которые устанавливают связи кондуктивных ЭМП с ЭМС технических средств и параметрами ЭЭС, воздействуя на которые можно повысить эффективность электроснабжения;
- доказана теорема об эквивалентности параметрических множеств кондуктивных ЭМП и помехоподавляющих технических средств и решений, важнейшим следствием которой является определение условий подавления этих помех; приведена концепция подавления кондуктивных ЭМП, позволяющая произвести оптимальный выбор необходимых технических решений;
- математически оценена пагубность автономного режима работы ЭЭС промышленно развитого региона (вероятность появления кондуктивной ЭМП по отклонению частоты (0,47) превышает в 9,4 раза значение вероятности отклонения частоты в допустимых пределах);
- научно обосновано представлена ЭМО в сетях от 6 до 220 кВ ЭЭС региона исследования кондуктивными ЭМП по установившемуся отклонению напряжения, по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности и по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения (закон распределения, математические модели плотности вероятности и вероятности ее появления), которая свидетельствует о широком распространении этих помех; предложены: метод подавления кондуктивных ЭМП по установившемуся отклонению напряжения в смежных сетях ПО кВ и 220 кВ единого узла нагрузки ЭЭС, основанный на компенсации этих помех путем встречной через автотрансформатор направленности; стохастический метод расчета сверхдопустимой однофазной нагрузи в сетях 35 - ПО кВ общего назначения, устранение которой обусловливает подавление кондуктивной ЭМП по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности, который учитывает особенности случайного электромагнитного процесса, обусловленного несимметрией напряжений; алгоритм подавления кондуктивной ЭМП по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения путем максимального использования возможностей интегрального показателя сети и критерия распределения в ЭЭС этой помехи;
- разработаны методика определения кондуктивной ЭМП по току замыкания на землю в сети 10 кВ с изолированной нейтралью при гармоническом воздействии и несимметрии напряжений по обратной последовательности, которая учитывает жесткую связь этой помехи с кондуктивной ЭМП по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения, и концепция повышения помехоустойчивости сети 10 кВ как рецептора при кондуктивных ЭМП;
- исследовано влияние кондуктивных ЭМП по коммутационному импульсному напряжению и по коэффициенту временного перенапряжения длительностью до 1 с на надежность РУ 6 кВ с высоковольтными двигателями электростанций, работающих на твердых экибастузских каменных углях; технология переработки этого энергоносителя с вероятностью 0,95 сокращает срок службы изоляции в 2-3,5 раза, в связи с этим предложен метод расчета экономической эффективности от повышения помехозащищенности этих РУ 6 кВ как рецепторов, основанный на результатах исследований;
разработаны научные положения технологии управления кондуктивными ЭМП по установившемуся отклонению напряжения, по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности и по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в сетях 110-220 кВ общего назначения, которая вызывает интенсификацию рынка электроэнергии, повышает уровень ЭМС технических средств.
Практическая ценность работы заключается в том, что внедрение следующих новых научных положений в проектную и эксплуатационную практику обеспечивает подавление кондуктивных ЭМП в сетях ЭЭС, повышает уровень ЭМС технических средств:
- алгоритмы определения и расчетные методы подавления кондуктивных ЭМП;
- методика повышения помехоустойчивости сети 10 кВ как рецептора;
стратегия повышения помехозащищенности РУ 6 кВ с высоковольтными двигателям электростанций как рецептора, работающих на твердых экибастузских каменных углях;
- технология управления кондуктивными ЭМП в сетях ПО кВ и 220 кВ общего назначения ЭЭС в условиях рынка электроэнергии.
Реализация работы. Разработанные в диссертации научные положения использованы в АО «Казахстанский научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт топливно-энергетических систем «Энергия» и на Аксуском заводе ферросплавов (АЗФ) - филиале ОАО ТНК «Казхром» при разработке проекта и внедрении СЭС ферросплавного производства на напряжениях ПО кВ и 220 кВ; в филиале «Северные межрегиональные электрические сети» ОАО «KEGOC». Подавление кондуктивных ЭМП в северном узле нагрузки ЕЭЭС Казахстана обеспечило увеличение производительности рудовосстановительных печей на 6% и снижение удельного расхода электроэнергии на 1 т выпускаемой продукции на 12% при сроке окупаемости капиталовложений 1,37 года.
Результаты экспериментальных исследований кондуктивных ЭМП в сетях от 6 до 220 кВ и научные положения теории кондуктивных ЭМП использовались ТОО «Институтом «КазНИПИЭнергопром» при разработке «Программы развития ЕЭЭС Казахстана на период до 2010 г. с перспективой до 2015 г. и завершения стратегии развития отраслей ТЭК до 2015 г.», утвержденной приказом Министра энергетики и минеральных ресурсов РК № 150 от 07.07.2004 г.
В АО «Павлодарэнерго» за счет подавления кондуктивной ЭМП по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности в сетях ПО кВ, повышения помехоустойчивости отдельных сетей 10 кВ как рецепторов, повышения помехозащищенности сетей собственных нужд электростанций годовой экономический эффект составляет 7,3 млн. рублей. В АО «Казахэнергоэкспертиза» внедрение результатов диссертации в производственную деятельность, учитывая немонопольный характер оказываемых услуг на рынке электроэнергетического консалтинга этой организацией, позволило увеличить количество выигранных тендеров на выполнение работ, повысить качество выполняемых работ и сократить сроки их выполнения. Годовой экономический эффект составляет 3,5 млн. рублей. В ЗАО «Институт автоматизации энергетических систем» научные положения и рекомендации использовались при разработке комплексов противоаварийной автоматики на подстанциях 500 кВ Сибири и Алтая. Годовой экономический эффект составляет 1,2 млн. рублей. В ЗАО «Сибэнергосетьпроект» применение научных положений и рекомендаций повысило уровень ЭМС проектируемых сетей 110-330 кВ в действующих ЭЭС. Годовой экономический эффект составляет 557 тыс. рублей. В НИПИ «Новосибирсктеплоэлектропроект» ОАО «Сибирский энергетический научно-технический центр» ОАО РАО «ЕЭС России» научные положения и рекомендации использовались при реконструкциях сетей общего назначения и собственных нужд тепловых электростанций. Экономический эффект составляет более 1,1 млн. руб. в год.
Результаты работы используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «НГАВТ», Павлодарского государственного университета им. С.Торайгырова и Инновационного Евразийского университета при подготовке инженеров электроэнергетических, электромеханических и электротехнологических специальностей.
Апробация работы. Основные положения и результаты были доложены и обсуждены на 19 международных, всероссийских, отраслевых и региональных конференциях и симпозиумах: международной научно-технической конференции «Передача энергии переменным током на дальние и сверхдальные расстояния» (г.Новосибирск, 2003 г.); второй международной научно технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (г.Тобольск, 2004 г.); международной научно-технической конференции «Электроэнергия и будущее цивилизации. Электроэнергетика: проблемы реструктуризации и развития» (г.Томск, 2004 г.); международной научной конференции «Проблемы энергетики Казахстана» (г.Павлодар, 1994 г.); международной научно-практической конференции «Энергоресурсо сберегающие технологии Прииртышья» (г.Павлодар, 2001 г.); международной научно-технической конференции «Наука и новые технологии в энергетике», посвященной 90-летию академика Ш.Чокина (г.Павлодар, 2002 г.); первой международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение (г.Усть-Каменогорск, 2005 г.); пятой международной научно технической конференции «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях» (г.Алматы, 2006 г.); пятой научно практической конференции с международным участием «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» в рамках выставки «Энергетика и электротехника. Светотехника» (г.Екатеринбург, 2005 г.); научно-практической конференции с международным участием «Интеграция науки и промышленности - решающий фактор в развитии экономики Республики Казахстан» (г.Павлодар, 2005 г.); научно-практической конференции с международным участием «Энергосберегающие техника и технологии» в рамках выставки «Энергосбережение» (г.Екатеринбург, 2005 г.); научно технической конференции «Совершенствование энергетики цветной металлургии» (г.Екатеринбург, 2001 г.); научно-техническом симпозиуме «Электромагнитная совместимость технических средств в электрических сетях» (г.Павлодар, 2003 г.); всероссийской научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт», посвященной 80-летию утверждения плана ГОЭЛРО (г.Новосибирск, 2002 г.); всероссийской «Конференции научно-технических работников вузов и предприятий» (г.Новосибирск, 2003 г.); республиканской научно-технической конференции «Проблемы развития энергетики и телекоммуникаций в свете стратегии индустриально-инновационного развития Казахстана» (г.Алматы, 2005 г.); республиканской научно-технической конференции «II чтения Ш.Чокина» (г.Павлодар, 2006 г.); третьей международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (г.Омск, 2007 г.), научно-технической конференции проф.-преп. состава ФГОУ ВПО «НГАВТ» и др. организаций (г.Новосибирск, 2007 г.).
Личный вклад. Научные положения теории кондуктивных ЭМП в ЭЭС, распространяющихся по сетям, и технологии управления этими помехами в сетях 110-220 кВ общего назначения, а также методики расчетов и рекомендации по их подавлению (основные научные результаты) принадлежат автору. Экспериментальные исследования выполнены совместно с соискателями ученой степени кандидата технических наук и инженерами электролабораторий энергетических предприятий. Под научным руководством автора подготовлены и успешно защищены четыре кандидатские диссертации.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 135 печатных работах, в том числе 2 монографиях и 18 статьях в периодических изданиях по перечню ВАК. Личный вклад в работах, опубликованных в соавторстве, составляет не менее 50%. В частности, в монографии [7] написаны главы 2-5, 7-9, в справочнике [14] соответственно глава 4 (стр. 282-297), в статьях периодических изданий по перечню ВАК: [37] - стр. 39-40, [88] - стр. 38-39, [129] - стр. 15-18, [178] - стр. 41-45, [179] - стр. 40-41, [186] - стр. 25-27, [187] - стр. 27-31, [250] - стр. 250-253.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, библиографического списка, включающего 311 наименований и приложения. Работа изложена на 345 страницах машинописного текста, который поясняется 81 рисунком и 17 таблицами.
Многомерная математическая модель электромагнитной обстановки
В ЭЭС с нестандартными показателями КЭ ЭМО характеризуется п-ым количеством стационарных случайных процессов, отображающих ЭМО по установившемуся отклонению напряжения 5Uy, по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения Ки? по коэффициенту п-ой гармонической составляющей напряжения КщП), по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности К2и, по коэффициенту несимметрии напряжений по нулевой последовательности Кои, по отклонению частоты Af, по размаху изменения напряжения 5Ut, по длительности провала напряжения Atn, по импульсному напряжению UKMTl, по коэффициенту временного перенапряжения UnepU [7-9, 13, 17-19]. Все эти случайные процессы формируют единый сложный электромагнитный процесс.
Исчерпывающая информация о таком сложном случайном процессе содержится в его многомерной интегральной функции распределения [9, 13, 20, 26,51] Fn(X1.X2,...,Xi,...,Xn;t1,t2,...,ti,...,tn) = = Р(Хг Х15Х2,...,Х;,...,ХП Хп). Эта функция характеризует вероятность того, что в моменты времени tj случайные величины Xj не превысят определенных своих значений. Многомерная дифференциальная функция распределения вероятности определяется по формуле Pn V- -l 5 2 9-Ді)-Дп) t1,t2,.-.,ti, ...,tn) = anFn (1.14) ax1,ax2,...,axi,...,axn
Современные средства измерения автоматически определяют математическое ожидание М[Х}], дисперсию D[XJ и среднее квадратическое отклонение o"[XJ і-го показателя КЭ без внесения каких-либо поправок, т.е. при-условии, что отсутствует ковариация между величинами Xj и Xi+1 и т.д. (таблица 1.12). Это положение справедливо при измерении показателей КЭ, находящихся в нормируемых пределах [9-13]. В связи с этим возникает сомнение об отсутствии корреляции измеренных нестандартных значений этих показателей.
Для проверки этой гипотезы исследуется методами математической статистики корреляционная функция і-го случайного процесса, как основная характеристика, определяющая внутреннее статистическое свойство.
Связь между двумя непрерывно распределенными случайными величинами X(t7) и X(t7/) (порядковый номер случайного процесса і опущен), отвечающими значениям ty и t параметра случайного процесса X(t), характеризуется их ковариацией си (і ),Х(ї")]= M[x(t;)- M[X(t )]] [X(t/7) -M[X(t")], (1.15) где M[X(t )],M[X(t )] - математическое ожидание соответственно величины xoVV). Если t и t могут принимать все возможные значения параметра t, то ковариация будет представлять неслучайную функцию Bx(t/,t//) двух переменных t и Xі Bx(t/,t//) = cov[X(t/),X(t//)], (1.16) которая является корреляционной функцией или, точнее, автокорреляционной функцией случайного процесса [9, 15].
Стационарные случайные процессы, характеризующие ЭМО в ЭЭС в любой момент расчетного времени, имеют одно и то же распределение, обладают свойствами эргодичности [7, 9, 26]. Автокорреляционные функции этих процессов непрерывны и зависят только от разности х = Х,1-Х1, (1.17) т.е. являются непрерывными функциями Вх(т) одного аргумента т. При t = t = t, т.е. при т. = 0, для стационарного случайного процесса можно записать BX(T = 0) = D[X]. (1.18)
Это означает, что при х = 0 автокорреляционная функция максимальна и равна дисперсии случайного процесса. Максимальное значение автокорреляционной функции объясняется тем, что статистическая связь между неразличимыми во времени значениями X является наибольшей. Автокорреляционную функцию нормируют по ее максимальному значению.
Для стационарного случайного процесса, обладающего свойством эргодичности, автокорреляционную и нормированную автокорреляционные функции можно определить по единственной записи процесса, если она охватывает достаточно большой интервал значений параметра t. При этом на оси t откладываются п равных отрезков и в конце каждого из них определяются значения Х1,Х2,»-,Хп. Ковариация рассчитывается между случайными величинами Х{ и Xi+i, где и. = 1,2,3,...,п - номер отрезка на оси t
Статистическая оценка автокорреляционной функции определяется по математическому выражению [15]
Кондуктивная электромагнитная помеха по установившемуся отклонению напряжения в сети 110 кВ Аксуского завода ферросплавов
Измерение установившихся отклонений напряжения 5Uy производилось в течение одних характерных суток в период наибольших нагрузок в ЭЭС в осенне-зимний период на шинах ПО кв подстанции «ГПП1» Аксуского завода ферросплавов (АЗФ) - филиала ОАО ТНК «Казхром» (г.Аксу, Казахстан). Измерение 6Uy осуществлялось ИВК «Омск» в соответствии с требованиями [6, 42, 44, 45, 49, 66-68]. Математическая обработка результатов измерений производилась методами математической статистики [15, 46, 69] с помощью
ПЭВМ по специальной программе [7, 9, 18, 31, 33, 47, 52, 60, 71-74]. Установлено, что случайная величина 5Uy следует нормальному закону распределения теории вероятностей. Гистограмма распределения установившихся отклонений напряжения ПО кВ приведена на рисунке 2.9 [89]. Параметры распределения установившихся отклонений напряжения составляют: - математическое ожидание M[8Uy ] = -1,53%; - среднее квадратическое отклонение a[8Uy ] = 3,4%; - относительное значение времени превышения нормально допустимого уровня ЭМС 5UyH Т} = 20,5%; - относительное значение времени превышения предельно допустимого уровня ЭМС 5Uyn Т2 = 0.
Нормальная плотность вероятности распределения кондуктивной ЭМП (5Un) определяется равенством (5Uy +1,53)2 23 (2.46) ф(биу =5Un;5Un;-l,5;3,4)=0,12exp
Требования ГОСТ 13109-97 не выполняются. В связи с этим необходимо определить вероятность появления кондуктивной ЭМП 5Un. Для этого на рисунке 2.10 приведен график нормальной плотности вероятности распределения cp(8Uy =8Un;-l,53;3,4J совмещенный с нормируемыми значениями уровней ЭМС по установившемуся отклонению напряжения в сети ПОкВ. Вероятность попадания 5Uy в интервал ± 5% составляет 5 (Шу+1,53)2 P!(-5 5Uy 5)= 0,12 je 23 d(5Uy). (2.47) -5
Вычислить этот определенный интеграл можно с помощью функции Лапласа [15]. Для этого выражение (2.47) приведено к виду Подставляя численные значения a[8Uy] и M[8Uy] и определяя по таблице 2 приложений [15] значения нормированной функции Лапласа, получаем рД-5 5Uy 5) = Ф0(1,92)-Фо(-1,02) = 0,4726 + 0,3461 0,82. (2.49) Вероятность попадания 8Uy в интервал более 5% составляет (8UV+1,53)2 P2(5 8Uy oo)=0,12jfe 23 d(8Uy). (2.50) Для вычисления этого определенного интеграла с помощью функции Лапласа математическое выражение (2.50) приведено к виду P2(5 8U оо)=ф( -Ф, oo-M[8Uv] (5-M[8Uv] a[8Uv] (2.51)
Подставляя численные значения M[8Uy] и r[SUy] и определяя по таблице 2 приложений [15] значения нормированной функции Лапласа, получаем
Для вычисления этого определенного интеграла математическое выражение (2.53) приведено к виду (2.54) Подставляя значения M[SUy] и a[6Uy] и определяя по таблице 2 приложений [15] значения нормированной функции Лапласа, получаем Р3(-оо 8Uy -5)= Фо(-1,0205)-Фо(-оо) = -0,3461 + 0,5 « 0,15. (2.55) Проверку точности расчетов трех вероятностей произведем на основании того, что сумма их должна равняться единице, т.е. Р1(-5 5иу 5)+Р2(5 5иу о)]+Рз(-сю 5иу -5]= = 0,82 + 0,03 + 0,15 = 1,0
Таким образом, в сети 110 кВ наблюдается пониженное напряжение. Кондуктивная ЭМП 5Un формируется установившимися отклонениями напряжения менее -5%. Вероятность появления этой кондуктивной ЭМП 5Un в соответствии с формулой (2.45) составляет P(8Un) = P2(5 5Uy oo)+P3(-c3o SUy -5)-0,05 = = 0,03 + 0,15-0,05 = 0,13.
Следовательно, рассчитанную кондуктивную ЭМП 5Un в сети ПО кВ необходимо подавить до приемлемого значения [31].
Измерение установившихся отклонений напряжения 5U производилось в течение одних характерных суток в период наибольших нагрузок ЭЭС в осенне-зимний период на шинах 220 кВ подстанции «ГПП 2» АЗФ. Применялся ИВК «Омск».
Гистограмма распределения установившихся отклонений напряжения 220 кВ приведена на рисунке 2.11. Результаты измерений обрабатывались методами математической статистики на ПЭВМ по специальной программе [9,
18]. Установлено, что случайная величина 8Uy следует нормальному закону распределения теории вероятностей. Параметры распределения установившихся отклонений напряжения в сети 220 кВ составляют: - математическое ожидание M[5Uy] = 6,44%; - среднее квадратическое отклонение a[5Uy] = 0,67%; - относительное значение времени превышения нормально допустимого значения Tj « 82%; - относительное значение времени превышения предельно допустимого значения Т2 = 0.
Кондуктивные электромагнитные помехи по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности в сетях от 35 до 220 кВ общего назначения
При несимметрии напряжений в сетях общего назначения проблему ЭМС технических средств целесообразно рассматривать в пределах региональных ЭЭС, которые обеспечивают электроэнергией обширные территории, объединенные по характерному экономическому признаку и имеющие единый тариф на электроэнергию. Региональная ЭЭС является интегральной частью энергетического хозяйства региона, на которую во многом влияют особенности использования на электростанциях природного невозобновляющего энергетического ресурса, электроемкость основной продукции региона, коэффициент эластичности потребления энергии и т.д. [7, 9, 18, 29-33, 39, 90, 126, 136, 139-144, 146, 286].
Значимость для электроэнергетики мира каменного угля показал Всемирный угольный институт (World Coal Institute), когда опубликовал последние статистические данные о состоянии дел в угольной промышленности [149]. Добыча каменного угля в мире увеличилась за последние 25 лет на 47%: в 1976 г. она составляла 2469 млн. т, а в 2000 г. — 3639 млн. т. Рост генерирующих мощностей на электростанциях мира, сжигающих каменные угли, в первые годы 21-го века составил 89583 МВт. Эти сведения получены у plats-подразделения компании McGrawHill Companies, база данных которого по электрическим станциям содержит информацию о более чем 98 тыс. генераторов из 220 стран мира [149].
Казахстан является крупным производителем каменного угля, который экспортируется в Россию. ТЭС Сибири и Урала ОАО РАО «ЕЭС России» общей мощностью 11,4 ТВт (таблица 3.2) работают на каменных углях Экибастузского угольного бассейна [100, 101]. Доля экибастузских углей, сжигаемых на тепловых электростанциях России на выработку электроэнергии и отпуск тепла потребителям составляет более 17% и приведена в таблице 3.3.
Анализ потребления каменного угля и планов его добычи до 2020 г. показывает, что в электроэнергетике мира расходуется сейчас и планируется в будущем потреблять огромную массу этого твердого органического топлива для получения электрической и тепловой энергий [100, 101]. На основании изложенного Экибастузский угольный бассейн выбран как базовый регион для проведения исследований. Это решение обусловлено также тем, что в сетях 35-110 кВ общего назначения этого региона наблюдается значительная несимметрия напряжений из-за различных условий работы фаз [31]. Источниками несимметрии напряжений в этих сетях являются: - мощные рудовосстановительные печи ферросплавного производства Аксуского завода ферросплавов [18]; - дуговые сталеплавильные печи средней мощности АО «Кастинг» [9]; мощные тяговые подстанции, обеспечивающие в основном транспортировку экибастузских каменных углей, ферросплавов и глинозема [100].
На основании изложенного система электроснабжения общего назначения на напряжении от 35 до 220 кВ региона исследования выбрана объектом исследования (рисунок 3.3) [7, 9, 13, 29, 31].
Измерение коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в сетях от 35 до 220 кВ объекта исследования осуществлялось анализатором качества электрической энергии АПКЭ-1 и ИВК «Омск» в соответствии с требованиями [6, 42, 44, 45, 49, 66-69]. Измерение производилось в течение 24 часов (одни характерные сутки) в период наибольших нагрузок ЭЭС в осеннее-зимний период. Математическая обработка результатов отдельных измерений производилась методами математической статистики [9], а других по специальной программе на ПЭВМ. Такой подход обусловлен желанием избежать грубых ошибок при оценке результатов дорогостоящих экспериментальных исследований ЭМО в северном узле ЕЭЭС Казахстана [17, 31].
Исследовалось напряжение на І СШ 35 кВ подстанции «Тяговая распределительная № 1» (рисунок 3.3). Методами математической статистики [15, 46] произведена обработка результатов измерений коэффициента К2и [9].
Установлено с помощью % -критерия согласия, что случайная величина К2и следует нормальному закону распределения теории вероятностей. Гистограмма значений коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности представлена на рисунке 3.4. Параметры распределения коэффициента К2и составляют: - математическое ожидание М[К2и] = 4,96%,; - среднее квадратическое отклонение сг[К2и] = 0,34%; - относительное значение времени превышения нормально допустимого значения коэффициента K2U н Tj = 1%; - относительное значение времени превышения предельно допустимого значения коэффициента К2и п Т2 = 99%.
Энергетический аспект влияния мощных вентильных преобразователей на коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения в электроэнергетической системе
Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения в питающей мощный вентильный (тиристорный) преобразователь сети можно представить следующей функцией [9, 30, 130, 156] (4.17) ( \ Ky=f SH,SK,P,K3,ni,sin91,Kp,uK,xn,xc,Y где SK - мощность трехфазного КЗ в точке сети, в которой определяется Ки; SH - номинальная мощность преобразователя; Р - активная мощность преобразователя; К3 - коэффициент загрузки преобразователя по полной мощности; m - число фаз схемы выпрямления; щ - угол сдвига между первой гармоникой переменного напряжения, приложенного к преобразователю, и первой гармоникой тока, потребляемого преобразователем; uK - напряжение КЗ преобразовательного трансформатора, о.е.; Кр - коэффициент расщепления вентильных обмоток преобразовательного трансформатора; хс - эквивалентное сопротивление системы в относительных единицах, приведенное к мощности преобразователя SH; хп - индуктивное сопротивление цепи преобразователя в относительных единицах, приведенное к SH; у - угол коммутации вентилей.
Для определения влияния на функцию (4.17) перечисленных аргументов, кроме тех которые характеризуют потребляемую преобразователем реактивную мощность (формула 4.16), первоначально осуществим ретроспективный анализ построения математической модели коэффициента Kv в сети, подверженной гармоническому воздействию. Для этой цели выбираем мощный тиристорный преобразователь сери САПТ-1 25000/450-Т-Э-У4, предназначенный для питания нагрузки (электролизеры цинка и других цветных металлов) постоянным или импульсным током [147]. На рисунке 4.2 показаны схема питания и структурная схема этого преобразователя (а), а также схема замещения питающей сети (б).
Тиристорный преобразователь состоит из одного блока на 25000 А, запитанного от преобразовательного трансформатора Тп типа ТДНП-25000. Имеет единую систему управления вентилями катодной СУВ-К и анодной СУВ-А групп всех мостовых схем. Реакторы Lj -L2 обеспечивают автономную работу фазосмещенных мостовых выпрямителей. Номинальное выпрямленное напряжение составляет 450 В. Вентильные обмотки преобразовательного трансформатора Тп соединены по схеме «звезда» (У) и по схеме «треугольник» (Д). Вентильные обмотки одной группы соединений включены параллельно. Переключение ступеней преобразовательного трансформатора Тп производится автоматически при выходе углов управления тиристорами из оптимальной зоны. Параллельное присоединение выпрямительных блоков, собранных по трехфазной мостовой схеме, к вентильным обмоткам, соединенным по схемам У и Д, обеспечивает 12-фазную схему выпрямления.
Примем следующие допущения: сопротивления вентилей в проводящем состоянии равны нулю; сопротивления закрытых вентилей равны бесконечности; время перехода вентилей от закрытого состояния к открытому и, наоборот, равно нулю; активные сопротивления источника питания, сети и трансформатора равны нулю; все реактансы постоянны; напряжение и система управления вентилями симметричны; нагрузка неизменна; индуктивность нагрузки равна бесконечности; при отключенном выпрямителе напряжение в сети 10 кВ синусоидально; емкостные проводимости элементов системы электроснабжения равны нулю. С учетом этих допущений на рисунке 4.2, б представлена схема замещения системы электроснабжения мощного тиристорного преобразователя.
Искажения синусоидальной формы кривой напряжения являются следствием коммутации вентилей тиристорного преобразователя. Преобразователь во время коммутации вентилей производит подключение нагрузки к соответствующей фазе без разрыва тока, поступающего из предыдущей фазы, что приводит к периодическим междуфазным КЗ в питающей сети [7, 130]. В кривой напряжения в процессе коммутации появляются коммутационные искажения, форма, величина и количество которых зависят от схемы выпрямления, количества фаз выпрмления, мощности преобразователя, параметров питающей сети, угла управления тиристорами. Процесс формирования мощным тиристорным преобразвателем кривых тока и напряжения в питающей сети подробно рассмотрен в работе автора [7].
